一、电离辐射对生物大分子作用的基本原理生物分子损伤是一切辐射生物效应的物质的基础。
而生物分子损伤与自由基生成密切相关。
自由基（free radical）是指一些独立存在的、带有一个或多个不成对电子的原子、分子、基团或离子。
自由基是最大特性是化学不稳定性和高反应性，寿命很短，•OH（氢氧自由基）的平均寿命为 10-9～10-8s，生物分子自由基也多在10-6～10-4s之间。
1．生物分子自由基的生成：有两种方式：（1）直接作用：电离辐射直接引起靶分子电离和激发而发生物理化学变化，生成生物分子自由基，如：T为电离辐射作用的靶分子，T+和T*为电离产生的正离子自由基和激发形成的激发态分子。
正离子自由基分解生成生物分子、中性自由基T•和离子；激发态分子解成两个自由基T•和H•。
（2）间接作用：电离辐射作用于生物分子的周围介质（主要是水）生成水射解自由基，这些自由基再与生物分子发生物理化学变化生成生物分子自由基，称次级自由基。
水辐射分解生成的自由基与生物分子作用：2．生物分子损伤与修复：生物分子自由基生成后迅速起化学反应，两个自由基不配对电子相互配对，或是不配对电子转移给另一个分子，造成分子化学键的变化，引起生物分子破坏。
自由基反应能不断地生成新自由基，继续与原反应物起反应，形成连锁反应，使生物分子损伤的数量不断扩大，直到出现歧化反应（dismutation），生成两个稳定分子。
被损伤的生物分子，可以通过各种方式进行修复。
在自由基反应阶段（10-5s内）若介质中存在能供氢的分子，如含巯基化合物（谷胱甘肽G-SH等），则生物分子自由基可被修复，称化学修复。
在有O2情况下，生物分子自由基被氧化成超氧自由基而难以修复。
这可用以解释氧能增强辐射效应的原理。
二、电离辐射对DNA的作用DNA是细胞增殖、遗传的物质基础，是引起细胞生化、生理改变的关键性物质。
DNA是电离辐射作用的靶分子，在细胞辐射损伤中起重要作用。
（一）DNA分子损伤1．碱基变化（DNA base change）：有下列几种：（1）碱基环破坏；（2）碱基脱落丢失；（3）碱基替代，即嘌呤碱被另一嘌呤碱替代，或嘌呤碱被嘧啶碱替代；（4）形成嘧啶二聚体等。
4种碱基的辐射敏感性依次为T＞C＞A＞G。
2．＝DNA链断裂（DNA molecular breakage）：是辐射损伤的主要形式。
磷酸二酯键断裂，脱氧核糖分子破坏，碱基破坏或脱落等都可以引起核苷酸链断裂。
双链中一条链断裂称单链断裂，两条链在同一处或相邻外断裂称双链断裂（doublestrand breaks）。
双链断裂常并发氢键断裂。
双链断裂难以修复，是细胞死亡的重要原因。
3．DNA交联（DNA cross-linkage）：DNA分子受损伤后，在碱基之间或碱基与蛋白质之间形成了共价键，而发生DNA-DNA交联和DNA-蛋白质交联。
嘧啶二聚体即是一种链内交联，还可发生链间交联。
图3-2是DNA分子各种损伤的示意图。
图3-2 电离辐射对DNA分子的损伤（二）DNA合成抑制DNA合成抑制是一个非常敏感的辐射生物效应指标，受0.01Gy照射即可观察到抑制现象。
小鼠受0.25～1.25Gy γ线全身照射3小时后，3H-TdR掺入脾脏DNA的量即明显下降，下降程度与照射剂量成正比。
照射后DNA合成抑制与合成DNA所需的4种脱氧核苷酸形成障碍、酶活力受抑制、DNA模板损伤、启动和调控DNA合成的复制子减少，以及能量供应障碍等都有关。
（三）DNA分解增强在DNA合成抑制的同时，分解代谢明显增强。
原因可能是辐射破坏了溶酶体和细胞核的膜结构，DNase释放直接与DNA接触，增加了DNA的降解。
在一定剂量范围内，降解的程度决定于照射剂量。
照射后DNA代谢产物尿中排出量明显增多。
三、电离辐射对蛋白质和酶的作用（一）分子破坏蛋白质和酶分子在照射后可发生分子结构的破坏，包括肽键电离、肽键断裂、巯基氧化、二硫键还原、旁侧羟基被氧化等，从而导致质蛋白质发子功能的改变。
（二）对合成的影响辐射对蛋白质生物合成的影响比较复杂，有的被激活，有的被抑制，有的呈双相交化，即先抑制而后增强。
在血清蛋白方面，照射后血清白蛋白和γ球蛋白含量下降，而α和β球蛋白含量升高。
虽然血清蛋白质成分有升有降，但蛋白质净合成是下降的。
（三）分解代谢增强照射后蛋白质分解代谢增强是非常显著的，主要是许多蛋白质水解酶活力增加。
如照射后由于溶酶体被破坏，组织蛋白酶释放，活力明显增加，促使细胞内和细胞外蛋白质分解增强。
同时，照射后机体摄取食物减少，加剧了蛋白质分解代谢，释出大量游离氨基酸。
一部分生糖氨基酸通过糖异生作用转化为葡萄糖，一部分代谢为尿素或其它非蛋白氮，整个机体处于负氮平衡状态。
尿中氨基酸及其代谢产物如牛磺酸、肌酸、尿素等排出量增多。
一、细胞的辐射敏感性机体各类细胞对辐射的敏感性不一致。
Bergonie 和Tribondeau提出细胞的辐射敏感性同细胞的分化的程度成反比，同细胞的增殖能力成正比。
Casaret按辐射敏感性由高到低，将人类和哺乳动物细胞分为4类（表3-1）。
从总体上说，不断生长、增殖、自我更新的细胞群对辐射敏感，稳定状态的分裂后细胞对辐射有高度抗力。
而多能性结缔组织，包括血管内皮细胞，血窦壁细胞，成纤维细胞和各种间胚叶细胞也较敏感，介于表3-1的Ⅱ、Ⅲ类之间。
表3-1 哺乳类细胞辐射敏感性分类细胞类型特性举例辐射敏感性Ⅰ增殖的分裂间期细胞（vegetative intermitosis cells）受控分裂分化程度最低造血干细胞肠隐窝细胞表皮生长细胞高Ⅱ分化的分裂间期细胞（differentiating intermitosis cells）受控分裂分裂中不断分化幼稚血细胞结缔组织细胞（Conective tissue cells）Ⅲ可逆性分裂后细胞（reverting postmitotic cells）无受控分裂可变分化肝细胞Ⅳ稳定性分裂后细胞（fixed postmitotic cells）不分裂高度分化神经细胞肌肉细胞低二、细胞周期的变化辐射可延长的细胞周期，但不同阶段的辐射敏感性不同（图3-3）。
处于M期的细胞受照很敏感，可引起细胞即刻死亡或染色体畸变（断裂、粘连、碎片等）；可不立刻影响分裂过程，而使下一周期推迟，或在下一次分裂时子代细胞夭折。
C1期的早期对辐射不敏感，后期则较为敏感，RNA、蛋白质和酶合成抑制，延迟进入S期。
S前期亦较为敏感，直接阻止DNA 合成，而在S期的后期敏感性降低，是则于此时已完成DNA合成，即使DNA受损亦可修复之故。
G2 期是对辐射极敏感的阶段，分裂所需特异蛋白质和RNA合成障碍，因而细胞在G2期停留下来，称“G2阻断”（G2block），是照射后即刻发生细胞分裂延迟主要原因。
图3-3 细胞周期各阶段的辐射敏感性三、染色体畸变细胞在分裂过程中染色体的数量和结构发生变化称为染色体畸变（chromosome aberration）。
畸变可以自然发生，称自发畸变 (spontaneous aberration)。
许多物理、化学因素和病毒感染可使畸变率增高。
电离辐射是畸变诱发因素，其原因是电离粒子穿透染色体或其附近时，使染色体分子电离发生化学变化而断裂。
（一）染色体数量变化照射时染色体发生粘着，在细胞分裂时可能产生染色体不分离现象，致使两个子细胞中染色体不是平均分配，生成非整倍体（aneuploid）细胞。
（二）染色体结构变化1．染色体型畸变：当染色体在复制之前受照射（即细胞处于G1期或S期初期受照射），染色体发生畸变之后再进行复制，称染色体型畸变。
断片、着丝粒环、双着丝粒体、相互易位、倒位及缺失等畸变属于这一类（图3-4）。
图3-4 某些染色体畸变形成示意图（1）断片，（2）双着丝点（3）环2．染色单体型畸变：当染色体复制之后受照射（即细胞处于S期后期或G2期受照射），在一个染色单体臂上发生断裂或裂隙，称为染色单体型畸变（chromatid aberration）。
单体断片、单体互换等属这一类。
电离辐射诱发的畸变以染色体型畸变为主，尤以断片，环和双着丝粒体等畸变，在反映辐射效应的程度方面更有意义。
四、细胞死亡（一）细胞死亡类型1．间期死亡（intermitotic death）：细胞受照射后不经分裂，在几小时内就开始死亡，称间期死亡，又称即刻死亡。
体内发生间期死亡的细胞分为二类：一类是不分裂或分裂能力有限的细胞，如淋巴细胞和胸腺细胞，受几百mGy照射后即发生死亡；另一类是不分裂和可逆性分裂的细胞，如成熟神经细胞、肌细胞和肝、肾细胞等，需要照射几十至几百Gy才发生死亡。
细胞间期死亡发生率随照射剂量增加而增加，但达到一定峰值后，再增加照射剂量，死亡率也不再增加。
间期死亡的原因是核细胞的破坏，其机理主要是由于DNA分子损伤和核酸、蛋白质水解酶被活化，导致染色质降解，组蛋白外溢，发生细胞核固缩、裂解。
照射后膜结构的破坏、细胞能量代谢障碍，也是促成间期死亡的因素。
第三节组织器官的辐射效应电离辐射对组织器官的作用是很广泛的，可以影响到全身所有组织系统。
但在一定剂量水平上，由于组织细胞的辐射敏感性不同，各器官的反应程度也不一致。
一、造血器官造血器官是辐射敏感组织，电离辐射主要是破坏或抑制造血细胞的增殖能力，所以损伤主要发生在有增殖能力的造血干细胞、祖细胞和幼稚血细胞。
对成熟血细胞的直接杀伤效应并不十分明显。
（一）造血干细胞损伤造血干细胞（hematopoietic stem cell），有很高的辐射敏感性。
常以脾结节生成单位（colony forming unit-spleen，CFU-S）作为造血干细胞的代名词。
根据测得的CFU-S的D0值可估算出照射后体内残存造血干细胞的数量。
小鼠全身约有1.5～2×106个造血干细胞，以D0值0.9Gy 计，照射2Gy，体内残留的造血干细胞约为10-1，照射4Gy约为10-２，照射6Gy则为10-3。
一般认为，小鼠体内残留10-3CFU-S时，要恢复到原先的造血水平约需2周。
在此期间动物可能死于感染或其它并发症。
故把6Gy作为小鼠死亡的临界值。
当受到＞8Gy照射后，则需要输入外源性造血干细胞以重建造血。
（二）造血祖细胞损伤了解人的造血细胞损伤只能测定造血干细胞的后代造血祖细胞（hematipoietic progenitor cell），造血祖细胞是造血干细胞分化为形态上可辨认的幼稚血细胞之前的中间阶段。
照射后造血细胞随照射剂量增加而成指数下降。
根据小鼠实验，CFU-S和CFU-GM的剂量存活曲线有很好的一致性。
故可用骨髓细胞体外培养法来估价其它动物乃致人类造血干细胞的损伤程度。
不同种系动物所测得的CFU-GM的D0值不同，人、犬和小鼠CFU-GM（粒单系集落形成单位）的D0值分别为1.27～1.37，0.59和1.9Gy。
