第04章-电离辐射生物学作用原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,放射物理与防护学,第四章 电离辐射生物学作用原理,教学要求,1.,掌握生物靶学说的概念和类型及其意义,2.,掌握辐射的种类及其物质作用的特点,3.,掌握传能线密度、相当生物效能与辐射敏感性,4.,了解电离辐射对生物体作用的化学基础,5.,理解电离辐射生物学作用的影响因素,1,第1节 电离辐射与生物靶学说,放射性物质可以诱发各类相关疾病和癌症，为解决生物学作用机制，科学家提出了靶学说,(target theory),的概念,电离辐射与生物靶学说,所以了解靶学说有利于理解辐射致细胞死亡的机制和探讨有关影响细胞辐射效应的因素。,一、靶学说和靶数学模型,靶概念,靶数学模型,发展,细胞放射生物学,第四章 电离辐射生物学作用原理,2,以后,Blackwood,在,1931,年根据他的辐射实验，计算了基因的大小。,20,世纪,40,年代，几乎同时出版了两部靶学说的经典著作：,（一）靶学说概念,1924,年，,Crowther,提出了靶学说的概念。认为照射后细胞有丝分裂的抑制，是由于染色体中有着丝点那样大小的体积中发生了一次电离的结果,并证明细胞分裂的抑制与照射剂量之间存在着定量的关系靶学说的最初形式.,英国放射生物学家,Lea,的辐射对活细胞的作用把靶概念进一步完善。,德国物理学家 和,Zimmer,合著的生物学中的击中原理把靶概念进一步完善。,历史,3,(1),活细胞内存在着对射线特别敏感的区域，称作“靶”,(target)，,射线辐照在靶上即引起某种生物效应。,(2),射线与靶区的作用是一种随机过程，是彼此无关的独立事件，“击中”几率服从,Poisson,分布(泊松分布)。,(3),射线在靶区内的能量沉积超过一定值便发生效应，不同的靶分子或靶细胞具有不同的“击中”数。,靶学说,的理论要点：,辐射所致的生物效应是由于在靶细胞内发生了,一次电离作用或“能量沉积事件”,的结果，会引起生物大分子失活、基因突变和染色体断裂等，这种效应决定于辐射的性质和靶的辐射敏感性。,4,按照这个学说可以由受到一定照射剂量的生物体比例来计算,靶分子或靶结构的大小,。还可以进一步预测产生相同生物效应的不同射线的,电离效率,。,现在学者研究认为，主要的靶分子是,脱氧核糖核酸,(DNA),此外还有,细胞膜,。,5,(二)电离辐射的作用阶段,物理阶段：极短：,10,-14,秒,化学阶段：很短：,10,-10,秒,生物阶段：数分钟自几十年,6,生物效应,恢复正常,死亡,癌变,修复成功,修复失败,电离辐射的直接作用和间接作用,高LET射线主要是直接作用。,电离辐射作用的靶是DNA,直接作用,：各种带电或不带电的粒子或光子被物质吸收后直接与细胞的关键靶DNA 发生作用，靶原子本身的原子可以被电离或激发，从而启动一系列的生物变化事件。,9,生物效应,恢复正常,死亡,癌变,修复成功,修复失败,电离辐射的直接作用和间接作用,电离辐射作用的靶是DNA,间接作用,：指辐射与细胞内的其他分子或原子（特别是水）相互作用，产生自由基，这些自由基可以扩散到足够远，到达并损伤靶DNA。,10,随着细胞生物学的发展，针对不同生物体对不同品质的射线、不同照射方式、不同修复条件，拟合了多种数学模型。具有代表性的模型有以下几种：,（三）靶数学模型,最初是从靶学说的概念中提出描述辐射剂量-细胞存活率曲线的数学模型。,1.,单靶单击模型,(one target and one-hit model),2.多靶单击模型(more target and one-hit model),3.线性-平方模型(linear quadratic mode,LQ),11,假设,：受照生物体仅有一个对射线敏感的结构，即,单靶,；,在此单靶中仅发生一次电离事件或仅一个电离粒子穿过，即,单击,。,靶学说的基础,细胞生物曲线数学模型的理论基础,是,单靶单击模型,生物大分子、某些小病毒和细菌，在少数情况下，也适用于描述高,LET,辐射（如,粒子）所致的哺乳动物细胞恶化性转化。,应用于,表达式,细胞存活分子,平均致死剂量,12,当照射剂量增加时，靶的击中数也随之增加,但其增速较慢,所以击中曲线向上突起，如右图所示,左图，靶的一次击中数与射线剂量成正比，但这仅仅只在刚开始时。,均是以,靶的击中部分为,坐标,13,未失活部分和击中部分按等比级数下降，呈指数曲线，尽管剂量增加生物效应并不按比例增加，呈下凹曲线如左图所示,若将存活部分改为对数坐标，则可得如右图所示的直线。,14,2.,多靶单击模型(,more target and one-hit model,),在一些辐射生物实验中，推测有两个或多个靶存在，这时显然不能用单靶模型。对于某些大的病毒和细菌、酵母菌落的多细胞系统，哺乳动物细胞都属于多个靶模型。,多靶单击模型,改良的初始斜率非零的模型,简单的初始斜率为零的模型,分为两种,简单的多靶单击模型的细胞存活分数,(,SF,),：,曲线指数区存活率每下降63%所需的照射量,外推数或靶数,照射量,15,这条曲线的初始斜率为,0,，其余部分为指数型直线，这个模型对受高,LET,照射的哺乳动物细胞比较适用(如右图),改良的多靶单击模型是在上式基础上乘以一个带有指数失活特点的校正系数后，得到下列方程式：,16,D,1,和,D,2,指曲线开始和终止时候的,2,个斜率所对应的剂量值，对大多数细胞和较宽能量范围都适用。,我们可以类推，进一步排列组合，可得到单靶单击、单靶多击、多靶单击和多靶多击等多种可能性，并可计算出相应的模型。,17,3.,线性-平方模型,（liner quadratic model，,简称,LQ,模型）,模型方程为：,该模型的曲线不断向外弯曲，故又称,连续弯曲曲线模型,。曲线的初始斜率也不等于0。曲线弯曲程度是,和,的函数(右图)。,：单击所致的细胞死亡(不可修复),：双击所致的细胞损伤(可修复),18,系数,和,值取决于DNA,修复能力,和,细胞环境,中的其他因素。,/,代表了细胞修复能力的大小。当,D=,D,2,或D=,/,时，单击所致的细胞损伤与双击所致的细胞损伤的贡献相等。,其方程是由二元辐射作用理论(theory of dual radiation)提出的，认为单击和多击效应同时存在，总辐射效应由,D和,D,2,的相对重要性决定。,19,LQ模型是近20多年来放射生物学研究的重大发展，现已广泛应用于,放射生物学研究,和,临床放射治疗,。,根据正常组织与肿瘤之间,/,值的不同，改进治疗方案，可使正常组织的反应相对较轻，从而提高放射性治疗的效果。,20,（四）靶学说的意义和局限性,对照射后生物大分子的,失活规律,、,辐射敏感体积,的估计、,靶相对分子质量,的估算，以及在分子水平上评价不同品质射线对,相对生物效能,(relative biological effect，RBE)的影响方面有着重要的指导意义。,靶学说和数学模型意义：,21,尽管如此，靶学说在现代生物学中仍在应用和发展，如二元辐射理论建立的DNA双链断裂模型被看做是经典靶学说的发展。,靶学说的局限性：,由于历史原因，经典的靶学说设想比较简单，对生物的复杂性认识不足，在使用上有一定的适用范围；,22,被照射的细胞不是均匀的，而是具有不同辐射敏感性的几种细胞的混合体。,照射后的代谢过程如修复作用或继发效应影响着所观察的生物效应大小。,在观察的生物效应出现以前，由于射线直接作用形成的靶分子自由基已经被“化学修复,”,靶学说在下列情况下,不能适用,：,有外来的物质或因素，如辐射防护剂、辐射增敏剂或氧效应等，影响了射线所致的原初损伤。,23,二、辐射的种类及其与物质作用的特点,电磁辐射:,粒子辐射:,本质是电磁波，只有能量而无静质量,射线,按本质分,本质是高速运动的粒子流，有能量也有静质量,（一）电磁辐射：X射线和,射线的特点,都属于电磁波，但来源不同，X射线由原子核外的物理过程产生，,射线是由原子核内的物理过程产生。,24,（二）粒子辐射的特点,氦原子核,1.,粒子（,particle）,获取途径,：可由一些放射性核素衰变出,粒子,行为特点,：其质量大，运动缓慢，有足够时间在短距离内引起较多电离。当,粒子入射介质时，随着深度增加和更多电离事件的发生，能量逐渐被消耗，粒子变慢，慢速粒子又引起更多的电离事件，在其径迹末端，电离密度明显增大，形成布拉格峰,25,每单位径迹长度所产生的离子对数称为“,比电离,”,(spicific ionization)或,“,线性电离密度,”,(linear ino density),26,粒子的速度控制着能量丧失的速度。快速运动的粒子的电离能力要比慢速运动的小。,比电离依赖于,粒子能量,、,电荷,以及,介质的密度,和,原子序数,：,离子对产生的数目与粒子的原始能量成正比；,能量沿着径迹丧失的速度与粒子电荷的平方成正比，所以,粒子能量丧失的速度要比质子快；,27,布拉格峰过后,粒子的能量减为0，丧失电离能力，此时粒子变为中性氦原子，生物组织比空气致密。,粒子在生物组织中只能移动几十微米，在短距离内释放全部能量，产生很高电离密度，引起严重的损伤，,因而,粒子的辐射效应以内照射效应为主，其外照射效应可忽略。放射治疗时使用20MeV的特快中子和负,介子照射组织，在组织中产生,粒子，对杀伤肿瘤细胞起着重要作用。,28,2.,粒子或电子（,particle or electron）,电子质量为9.10910,-31,kg，接近介质原子时很容易被发生偏转。因此电子在被照物质中路径曲折，实际射程远小于径迹长度，在其径迹末端，由于能量逐渐消失，速度减慢，与介质原子作用机会增多，故电离密度增高。,由于电子是成束入射的，不可能沿其径迹画出比电离曲线,29,3.质子（proton）,是原子核成分之一，质量为1.67262310,-27,kg是电子的1836倍。质子是稳定粒子，平均寿命大于1032年。宇宙射线中质子成分占83.3%89%。,30,用质子加速器获得的高能质子速度快，穿透力强，其能量释放有一个布拉格峰，其在穿透径迹上只释放少量能量，到达肿瘤灶时会释放大量能量，,因此对人体正常组织影响小，同时可用自动化技术来控制其能量释放的方向、部位和射程、是目前疗效最好、副作用最小的放射疗法。,适用于肺癌、肝癌、前列腺癌、脊索瘤、鼻咽癌、子宫瘤、食管癌、淋巴瘤和眼癌等常见癌症的治疗。,31,4.中子（neutron）,也是原子核成分之一，质量为1.67492810,-27,kg，比质子质量稍大。与带电粒子相比，在质量和能量相同的情况下，中子的穿透力较大。,放射性元素：在自然界中能发生自发衰变产生中子的只有锎()一种核素；它是首次得到的可携带的中子源。,获取中子的途径,：,32,反应堆：或 等核素如果用中子激发使其自发裂变产生中子；人们也常常把发生,粒子的 粉末与Be粉末按一定比例混合，紧密地分装在容器内，用,粒子轰击Be原子核也能产生中子。,加速器：将氘束，加速到300keV，然后轰击氚靶，可产生14MeV的单能快中子。,用核反应堆获得的中子能谱较宽，能量低(平均能量约1MeV),，穿透力差，不能供放疗使用。而使用回旋加速器可将带正电的粒子如氘核，加速到兆伏的能量水平，产生高能量的中子，常被用于放射治疗。,33,中子通过与受照物质的,原子核,作用传递能量，通常根据能量不同将中子分为如下几类：,(1)热中子：能量0.5eV以下，他与周围介质达到热平衡，也称慢中子,(4)特快中子：能量15MeV以上的中子,(2)中能中子：能量0.5eV10keV的中子,(3)快中子：能量10keV15MeV的中子,中子和,光子一样都是通过次级带电粒子引起受照物质的电离，不同的是中子只与原子核发生作用。,34,5.负,介子（negative poin）,介子质量介于质子和电子之间，介子和重子都归属于强子,基本粒子：包括,介子、K介子、,介子、,介子(0、1、2)倍，即都是玻色子。介子都不能稳定存在，经历一定平均寿命后即转变为别种基本粒子。有的介子带电的，有的显中性。,介子有三种，,+,和,-,质量为电子的273.3倍，电荷相反，互为正、反粒子，而,是中性的，质量为电子的264.3倍，其反粒子就是它自身，,介子是核力的媒介。,荷电K介子K,+,和K,-,互为正、反粒子，质量为966.7mc；中性K介子质量为976mc。,、K、,介子的自旋都是零，有时称为标介子。,35,介子的辐射生物效应显著，其质量为质子质量的1/6，一般由加速器的高能质子与重金属原子核内中子碰撞而产生。负,介子通过组织时靠电离或激发损失能量，并在组织和介质中穿行一定距离后停止，射程长短取决于初始动能，负,介子快到组织末端时，可被组织中一个碳（氮或氧）原子核俘获，导致核衰变或碎裂成射程短，具有强电离能力的碎片，这些碎片呈现一个“星”状分布。故又称,“,星裂,”,，如：,36,负,介子与其他带电粒子一样，可在其射程形成布拉格峰。,根据负,介子的损伤特点，人们可将肿瘤组织至于射程末端电离密度较高的峰值区，而将正常组织置于电离密度小的前区，取得肿瘤的最大杀伤效果，同时尽可能减小对正常组织的损伤。,37,某些原子核如碳、氮、硼、氖和氩原子被剥去或部分剥去外层电子后形成的带正电荷的原子核称为重离子，重离子均为直接电离粒子。,6.重离子,接近射程末端，吸收剂量迅速增大，形成布拉格峰。随着重离子原子序数增加，布拉格峰变得越来越窄，同时峰的高度也增加,在重离子穿行的深度-剂量曲线上，入射坪区吸收剂量相对保持恒定，坪区长度取决于入射粒子的能量。,38,用,射线、质子束和重离子束(碳离子束)对肿瘤进行辐照治疗，其效果的比 较可列于下表,39,40,第二节 传能线密度、相对生物效能与辐射敏感性,(一)传能线密度（LET）也称线碰撞阻止本领,1.概念,产生的电离事件的空间分布差别也很大,带电粒子,由于,电荷质量比不同,运动速度不同,1950年以前，常用线性电离密度来描述一些电离辐射的品质。这是指射线在一个单位长度射程中所产生的离子对数目。但是这只能对气体中才能产生的离子对数目进行合理准确的测量。,41,传能线密度：指直接电离粒子在其单位长度径迹上消耗的,平均能量,，即带电粒子在物质中穿行 d,l,距离时，与电子发生的能量损失d,E,单位：J/m，一般用keV/m表示,1keV/m=1.602,10,-10,J/m,LET数学表达式：,Zirkle等人于1952年提出了传能线密度(liner energy transfer，LET)的概念。,42,显然不同LET射线在DNA分子双螺旋引起的电离密度分布不同，LET高的射线，电离密度也大；反之则小。因此射线LET值越大，由相同吸收剂量产生的辐射生物效应也越大。,由于带电粒子与径迹内分子或原子作用后损失掉大部分能量，这时再与组织或受照介质分子或原子作用后只能留下较少的能量，所以同一粒子在径迹不同部位的LET值也不同，LET仅是一个平均值。,43,将径迹分为若干相等的距离，计算粒子在每一段距离消耗的平均能量，称,径迹平均传能密度（LET,T,）,。,2.LET均值的两种计算方法,将径迹分为若干相等的能量增量，计算能量或吸收剂量，再把沉积在径迹上的能量除以径迹长度，得到,剂量平均传能密度（LET,D,）,44,(二),相对生物效能(RBE),也称相对生物效应或相对生物效率,用来比较相同吸收剂量下不同辐射作用于生物体产生生物效应的差异的物理量,X射线应用广泛，故以它产生的生物效应作为比较基准。,RBE的定义：以250keV X射线或固定能量的,射线引发某种生物效应所需剂量与所研究的辐射引发相同生物效应(种类和程度均同)需要的剂量的比值。,45,RBE,与,LET,呈正相关关系,46,各种电离辐射的相对生物效应,辐射种类,相对生物效应,辐射种类,相对生物效应,X,、,1,快中子,10,1,10,热中子,3,重反冲核,20,中能中子,58,RBE可因照射剂量的时空分布、受照体系及所处环境、研究的生物效应终点不同而有所差异。,X射线或,射线、,粒子、热中子、中能中子、快中子、,粒子及重反冲核的相应生物效能列于下表,47,(三)辐射敏感性,(IRS),辐射敏感性是指各种生物有机体对辐射敏感的程度,定义：某种辐射以相同的剂量作用于生物体，或作用于同一生物体，或作用于同一生物体的不同组织及细胞，由于生物体的差异造成产生的生物学效应不同，这两种生物效应的差异称为,辐射敏感性,。,常用同种辐射引发不同生物产生相同生物效应所需的剂量的比值来表示。比较不同种系或同种生物不同个体辐射敏感性的指标常用以下的量表示：,48,动物存活率或半数致死剂量(受照后,30d,内死亡,50%,所需的剂量),染色体畸变率,细胞存活率,克隆形成率,辐射诱发的细胞凋亡率,细胞周期阻滞及,DNA,双链断裂损伤程度,1906,年，法国科学家,Bergonie,和,Tribondeau,发现，分裂的生精细胞所受损伤大于静止不分裂的间质细胞。,49,染色体畸变所致的白血病,染色体畸变所致,顺时针方向，依次为3天、5天、6天大的人类克隆胚胎,50,细胞形态学改变,3,株宫颈癌细胞经过,60Co,照射或顺铂作用后均出现细胞皱缩，体积变小，染色质斑块状聚集在核膜下，并有凋亡小体,51,而,BHRF1-CNE2,细胞组在照射后两天细胞数下降，从第,3,天细胞数就开始回升，此后便保持持续的增殖,60Co,照射对,b-CNE2,增殖能力的影响：在照射后的第,1,天，对照组的细胞数较,b-CNE2,组的明显下降，在,第24,天其细胞数继续下降，此后增殖率才逐渐上升。,52,DNA,双链断裂,53,他们在深入研究后提出了一条定律：组织辐射敏感性与其细胞的分裂活动成正比而与其分化程度成反比，即细胞组织辐射敏感性与其增殖和分化状态有关。,后来，还发现细胞辐射敏感性与以下的因素有关：,细胞种类 细胞所处细胞周期时相,细胞周期调控 细胞内染色质结构和,DNA,构象,辐射损伤的修复能力 细胞对自由基的清除或耐受能力,人们根据肿瘤细胞体外照射后的存活率、,DNA,断裂修复程度、细胞增殖状态来,预测,肿瘤细胞辐射敏感性，为肿瘤的放射治疗提供参考,54,辐射敏感性可表现在生物体的不同层次，从种系、品系、组织器官、细胞、细胞器乃至生物大分子都存在辐射敏感性的差异。,种系辐射敏感性与进化程度成正比，结构越复杂的生物体对辐射越敏感。脊椎动物中，哺乳类辐射敏感性高于鸟类、鱼类、两栖类和爬行类；哺乳动物中，人、狗、豚鼠辐射敏感性高于兔、大鼠、小鼠,。,生物个体发育的辐射敏感性规律是：随个体发育趋向成熟而逐渐降低，胚胎、幼体、成体的辐射敏感性依次降低。,55,在个体发育的不同阶段，辐射敏感性的特点也有变化，胚胎组织属于高辐射敏感组织，所有胚胎细胞对辐射均较成年动物细胞敏感。,胚胎植入前期、器官形成期和胎儿期胚胎及胎儿的辐射敏感性随着各种器官逐步发育成形和成熟而逐渐下降；日本原子弹爆炸流行病资料表明，胎儿辐射期敏感性低于器官形成期。,老年动物（包括人）由于各种组织器官功能衰退，对体内自由基的清除能力、免疫能力及对外界不良刺激的综合反应能力均比中青年时期有所下降，故而辐射敏感性又有所提高。,56,人类不同个体的辐射敏感性差异还与人体是否患特殊种类的遗传病有关。普通人群(人种相同)的个体辐射敏感性保持在一定水平，但因某些基因突变导致人患有特殊遗传病时，辐射敏感性就发生改变。,特殊遗传病包括毛细血管扩张性共济失调综合征、着色性干皮病、布卢姆综合征、科凯恩综合征、范科尼贫血、视网膜母细胞瘤和,Nijmegen,染色体断裂综合征,(NBS),是一种极其罕见的常染色体隐性遗传病，表现为高辐射敏感性、免疫缺陷、发育不良、早衰、肿瘤易感性、小头畸形等,等，其共同特征是对辐射高度敏感，受照后易发生染色体或,DNA,单双链断裂，,57,着色性干皮病,一种由于,DNA,修复基因缺陷引起的遗传性皮肤病。表现为皮肤光敏和早发性肉瘤,毛细血管扩张,58,视网膜母细胞瘤,左眼视网膜母细胞瘤,X,线平片,59,同一生物有机体内各种细胞和组织器官的辐射敏感性因其种类和生理功能状态不同而差异较大，,Bergonie,和,Tribondeau,提出的细胞组织辐射敏感性的定律将动物组织器官分为四类：,1.,高度敏感组织,胃肠上皮（小肠肠腺上皮细胞）,胸腺、胚胎组织,造血淋巴组织（淋巴细胞）,性腺（卵细胞、生精细胞）,60,2.,中度敏感组织,上皮组织,血管,感觉器官（角膜、晶状体、结膜）,淋巴管,内皮细胞,唾液腺和肝,肾,肺的上皮细胞,心脏,内分泌腺（包括性腺内分泌细胞）,中枢神经系统,3.,轻度敏感组织,61,骨,如肌肉,4.,不敏感组织,、。,软骨组织,结缔组织,、,成年动物组织辐射敏感性与其功能状态密切相关。,骨骼在正常情况下对辐射不敏感，但在骨折时长骨断裂，其中的黄骨髓细胞恢复增生，辐射敏感性随之增强,同样，肝组织的细胞正常分裂很少，因车祸受损时分裂速度加快，辐射敏感性因之增强,人体内各种细胞中，外周血淋巴细胞、卵母细胞及小肠肠腺上皮细胞的辐射敏感性最高。,62,其中辐射所致人外周血淋巴细胞染色体畸变与照射剂量之间呈正相关关系，用染色体畸变率来推算人体受照剂量的方法，被称为人体天然携带的生物剂量计。,细胞所处的周期时相与其辐射敏感性密切相关。,通常细胞核的辐射敏感性高于细胞质,细胞周期,分裂间期,有丝分裂期,（M）,DNA,合成前期,（G,1,）,DNA,合成期,（S）,DNA,合成后期,（G,2,）,同一细胞内不同结构的辐射敏感性不同,63,G,2,期和M期,最敏感,G,1,早期相对抗拒,G,1,末期相对敏感,S,期最抗拒,同一种细胞的群体中，处于不同时相的细胞辐射敏感性不同,M,期,G,2,期,G,1,期,S,期,64,第三节 电离辐射对生物体作用的化学基础,一、辐射与自由基等活性基团,（一）自由基与活性氧,自由基,是指能够独立存在、具有一个或多个未配对电子的原子、分子、离子或原子团。,有些分子或原子团含有两个不成对电子，称为,双自由基,，如基态氧分子处于三线态,（,3,O,2,），,其自旋方向平行的两个电子处于不同能级，可分别于一个自旋方向相反的电子配对。,自由基一般为电中性，如疏基自由基,（RS,-,）,和烷氧自由基,（RO,-,）,；但有些自由基带有正负电荷，称自由基离子，如,NH,3+,，O,2-,。,65,当用高能射线照射液态水时，电离出来的高能电子经频繁碰撞后，被水分子以氢键方式捕获形成水合电子。水合电子,（hydrated electron，eaq,-,）,不完全符合自由基定义，但其电子配对能力较强，所以在放射防护中将其归入自由基一类。,有机化合物受到电离辐射照射共价键会发生断裂，两个原子或基团均匀断裂称为均裂。热能和电磁辐射均能使共价键断裂,均裂公式表示为：,式中 代表电子，代表,A,自由基和,B,自由基,H,2,O,可均裂产生氢自由基,（）,与羟自由基,（）,66,自由基的特点：,具有高反应性、寿命短和顺磁性等特点，容易发生自由基与自由基反应、自由基与生物分子抽氢、加成、取代、过氧化和歧化等反应。自由基不稳定，寿命很短，如,的半寿期仅为,10,-10,10,-9,s,，水合电子在中性水及碱性溶液中的半寿期分别为,2.310,-4,s,和,7.810,-4,s,。,67,带负电荷的核外电子围绕原子核做自旋运动时会产生磁场和对应的磁矩。正常原子中成对电子在同一轨道上沿相反方向自旋，形成磁矩互相抵消，对外不显示磁性。,自由基则不然，它只有一个电子，电子自旋运动产生自旋磁矩，若外加磁场，单电子的磁矩取向只能与外加磁场方向相反或平行，此即为自由基的顺磁性，根据顺磁性可对辐射诱发的自由基含量进行测定或分析。,68,活性氧,（ROS）,是指某些氧代谢或反应的产物，也可称为,氧化中间产物,（ROIs）,4.,处于激发态的氧、单线态氧和羟基化合物。,1.,氧的单电子还原物，如,O,2-,和,O,-,，及,HO,2,和,HO,。,2.,氧的双电子还原物,H,2,O,2,。,3.,烷烃经过氧化物,ROOH,及其均裂产物,RO,和,ROO,。,主要包括以下几类：,69,较基态氧活泼，有些活性氧的不成对电子位于氧原子上，称为,氧自由基,；,另一些活性氧不属于自由基，但可引发自由基反应。,应当注意：氧自由基并非全是活性氧，如基态氧虽属氧自由基，但其化学活性低，不属于活性氧；相反，激发态的分子氧和单线态氧虽不是自由基，但其活性高，仍属于生物学意义的活性氧范畴。,活性氧的性质：,70,常见的具有生物活性的活性氧有：,（1）单电子还原状态的超氧阴离子,（O,2,-,）,（2）氢过氧基,（HO,2,）,，为,O,2,-,质子化形式，脂溶性高,（3）过氧化氢,（H,2,O,2,），,双电子还原态，由,O,2,-,（HO,2,）,歧化而成，或由氧气直接形成,（4）羟自由基,（HO,），,为三电子还原态，如,2H,2,O,2,HO,+HO,-,+HO,2,+H,+,（5）烷氧基,（RO,）,自由基，如烷过氧基,ROO,等,71,（二）,NO,和活性氮,特性：,NO,在生物体内极不稳定，很容易被氧化成硝酸盐或亚硝酸盐；,NO,及氮的其他氧化物或含氮的自由基(如亚硝酸根,NO,2,、氧亚硝酸根,ONOO,-,等)统称为,活性氮,，其中,NO,是研究得最多的活性氮。,NO,生物合成的调节可通过对底物、辅助因子、产物、催化反应的酶进行选择性干预。生物体内产生的,NO,是一种无色、微溶于水、脂溶性较强的气体分子，在生物体内可自由地通过生物膜。,72,NO,参与体内一系列生理和病理条件下的生物过程：,调节循环、神经、免疫等生理活动，如血管扩张、血管通透性、血小板粘附和聚集、神经信号传递、宿主防御反应等,同时也参与包括肿瘤在内的病理过程。,73,（三）辐射与水分子的作用,水分子占机体总质量的,70%,左右，主要分布于细胞内液和各种体液中，以结合水（与其他分子紧密结合）和游离水两种形式存在，对维持细胞和组织渗透压，溶解运输营养物和代谢废物、调节体温起着重要作用。,水分子受辐照必然影响其结合能力，影响溶解其中的生物活性分子、营养物质，产生遍及全身的整体效应。,74,辐射,电离辐射致水分子自由基生成过程,激发态水,烃自由基,氢自由基,水合电子,75,自由基和水合电子,（eaq,-,）,统称为水的原发辐射降解产物,电离辐射与水的全部反应可以总结如下：,H,2,O,H,，HO,，eaq,-,，H,2,，H,2,O，H,2,O,2,，H,3,O,+,，OH,-,76,（四）生物体的抗氧化体系,人体内的自由基可由辐射诱导产生，也可由生物体或细胞有氧代谢生成。,自由基在体内积累到一定量必然会造成机体损害。为了保护自身免受自由基氧化的伤害，需氧生物在进化过程中已经形成了完善的抗氧化体系，主要包括：抗氧化酶、脂溶性抗氧化剂、水溶性小分子抗氧化剂和蛋白质抗氧化剂等。,77,抗氧化酶主要包括:过氧化氢酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶,(superoxide dismutase，SOD),等。,过氧化氢酶主要催化,H,2,O,2,转变为,H,2,O,和,O,2,，消除细胞内,H,2,O,2,；,过氧化物酶可清除某些过氧化物，但不能分解,H,2,O,2,；,SOD,不仅可清除体内的自由基，还可保护生物膜和造血干细胞，减轻辐射所致骨髓损伤和炎症反应，已经被用作辐射防护剂。,除了上述抗氧化酶之外，生物体内还有不同的抗氧化剂，它们的具体类别及作用见表,4-5,。,抗氧化酶与抗氧化剂构成了抗氧化体系，能有效清除代谢过程中产生的自由基的活性氧。,78,二、自由基等活性基团对生物大分子的作用,电离辐射可直接作用于核酸、蛋白质、脂质等生物大分子而造成结构损伤，,如,DNA,分子碱基的破坏或脱落，单双链断裂，氢键破坏，磷酸基损伤，双螺旋结构中出现交联，核酸之间、核酸和蛋白质之间出现交联；蛋白质侧链改变、氢键与二硫键断裂，导致高度卷曲的肽链出现不同程度伸展、空间结构改变；脂肪、磷脂和类固醇分子化学键断裂等。,79,电离辐射还可以通过与水分子作用，产生自由基等的见解物质使生物大分子受到损害，如细胞膜脂质过氧化；细胞蛋白质氧化、脱氢、结构变化、化学键断裂、失活，蛋白质交联和聚合；糖分子链断裂和失活；,DNA、RNA,的碱基结构破坏，单双链断裂等。,80,(一)自由基作用的化学基础,自由基可通过下列反应破坏生物大分子：,1.,抽氢反应,（hydrogen abstraction）,自由基可从有机分子,C-H,键中抽取氢原子，形成新的自由基，如,HO+RHR+H,2,O，H+RHR+H,2,2.,加成反应,（addition reaction）,自由基可在烯键或芳香环中心加成，形成次级自由基，如,HO+RROH ，H+RR H,3.,电子俘获,（electro capture）eaq,被有机分子俘获了引起后者损伤，如,eaq,-,+RSSRRSSR,-,RS+RS,-,引起二硫键断裂,81,4.,岐化反应,（dismutation reaction）,自由基与自由基或有机分子间产生单电子转移，如,2O,2,-,+2H,+,H,2,O,2,+O,2,，O,2,+H,2,O,2,HO+OH,-,+O,2,5.,还原反应,（reduction reaction）O,2,-,在水中可使细胞色素,C（cytochromeC，cytC）,还原，如,cytC(Fe,3+,)+O,2,-,O,2,+cytC(Fe,2+,),6.,过氧化反应,（peroxidatic reaction）,自由基在有氧条件下使有机分子逐步氧化为过氧化物，如,A+O,2,AO,2,AO,2,+AHAOOH+A,82,(二)自由基等活性基因的损伤途径,电离辐射作用于机体关键是瞬间产生大量高活性的自由基和水合电子等氧化活性基团，它们可通过以下几种途径造成组织或细胞的损害。,1.,破坏细胞膜，使膜脂质过氧化，引起膜结构的破坏。,2.,使细胞蛋白质氧化，脱氢，造成蛋白质的失活，结构改变，化学链的断裂，或使蛋白质交联和聚合，从而影响蛋白质的正常功能。,3.,使糖链断裂和失活。,4.,引起核酸的损伤，造成细胞死亡。,83,生物大分子辐照的后果：细胞结构，包括细胞膜，线粒体，溶酶体，内质网和核膜等破坏，而影响细胞正常功能，严重时甚至出现细胞凋亡和细胞坏死。,具有酶活性的蛋白质分子后果：丧失活性，会影响机体内多种生化反应的正常进行，使物质代谢和信号转导受阻。,脂质分子过氧化：细胞膜系结构受损，导致细胞膜，核膜，线粒体膜，内质网膜和溶酶体膜的通透性发生改变，使物质代谢过程中产生的毒物进入细胞产生细胞毒作用。,84,核膜：结构改变后，辐射引发的大分子自由基和细胞正常代谢产生的有害物质大量进入细胞核内，攻击,DNA,和蛋白质分子，形成染色体畸变，影响核基因组复制转录。,线粒体膜及脊：受损后，细胞氧化磷酸化不能正常进行，致使细胞正常功能受阻，辐射损伤不能修复。,核酸分子：,若损伤严重不能修复，则细胞发生凋亡或坏死；,若损伤程度轻，可正确修复，则细胞恢复正常功能；,若出现错误修复，产生基因突变，发生在体细胞可引发癌症，若发生在生殖细胞内，则会通过受精卵,DNA,复制和细胞分裂活动把损伤传递给受照者后代，使其出现各种遗传缺陷，而产生辐射所致的遗传效应。,85,四、辐射对信号转导的作用,信号转导是指各种信号通过细胞特定感受器的识别后，逐步引起细胞的生理或病理效应。,电离辐射除了作用于生物大分子（包括第一信使）外，还能对第二信使如,eAMP、cGMP,、肌醇三磷酸()、二酰甘油,(DG)、NO,等产生影响。,例如，诱导,NO,分子通过激活鸟苷酸环化酶使,GDP,转化为,eGMP,，参与一些蛋白激酶的活化和蛋白质磷酸化而产生生物效应；,NO,还可通过调控信号转导途径，达到促进肿瘤细胞凋亡、抑制生长繁殖乃至逆转的目的。,辐射通过活性氧诱导细胞凋亡的信号转导途径,86,87,