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1、1,辐射生物学效应,授课教师：马淑梅 教 研 室：放射生物教研室,2,一、生物大分子的辐射效应 二、细胞的辐射效应 三、染色体的辐射效应 四、外照射对造血系统的影响 五、小剂量外照射的生物效应 六、内照射生物效应,3,生物大分子,生物大分子指的是作为生物体内主要活性成分的各种分子量达到上万或更多的有机分子。高相对分子量的生物有机化合物（生物大分子）主要是指蛋白质、核酸以及高相对分子量的碳氢化合物。常见的生物大分子包括蛋白质、核酸、脂质、糖类。这个定义只是概念性的，与生物大分子对立的是小分子物质（二氧化碳、甲烷等）和无机物质。,4,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
2、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。生物分子损伤是一切辐射生物效应的物质基础。 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10-910-8s，生物分子自由基也多在10-610-4s之间。,5,一、生物大分子的辐射效应,1. DNA结构损伤 2.DNA功能改变 3.DNA辐射损伤的修复 4.DNA辐射损伤修复的主要途径 5.复制的过程和参与酶及因子,6,1、DNA结构损伤,1）DNA链断裂
3、2）氢键断裂和碱基损伤 3）分子交联,7,脱氧核糖核酸链 碱基,DNA分子是由两条多核苷酸链, 按碱基互补配对原则，由氢键连结而成的双股螺旋结构,8,9,链断裂是电离辐射所致DNA损伤的主要形式。 原因：a 磷酸二酯键的断裂或脱氧戊糖的破坏， b碱基破坏或脱落和形成链上的不稳定位点 特点： a: DNA双链中一条链断裂者称为单链断裂(Single Strand Break,SSB)。 b:两条链在同一处或相邻处断裂者称为双链断裂(Double Strand Break DSB)。 c:在许多细胞中单链断裂比双链断裂高10-20倍， d:射线种类不同发生DNA链断裂的比例也不同。 e:氧效应增加
4、DNA链的簖裂。,1）.DNA链断裂,10,彗星实验显示双链断裂,11,2)氢键断裂和碱基损伤,射线作用生成的OH*使DNA结构上的氢原子脱下，从而使原来紧密结合的碱基呈现自由“裸露”状态，DNA结构从比较坚实变得比较“疏松”。,12,3)分子交联,分子交联（Cross-linking）是生物大分子与生物大分子发生互相连结，电离辐射作用后，可通过自由基的作用，产生DNA-DNA交联、DNA-蛋白质交联。导致DNA正常分子结构的破坏。,13,2 、DNA功能改变,1）DNA合成抑制 2）DNA分解代谢增强,14,(1)剂量-效应关系：照射后3H-TdR掺入辐射敏感细胞DNA明显受抑制，其程度与所
5、受剂量有依赖关系，随照射后时间延长，受大剂量和小剂量照射产生两种趋势，大剂量照射者掺入进一步减少，而受小量照射者可逐渐恢复。 (2) DNA合成抑制的机制： 各种三磷酸腺苷在DNA合成的过程中，有些环节对射线是很敏感的，造成核苷酸合成障碍 射线对DNA合成的酶抑制, DNA模板损伤,引起错误的修复,影响正常复制； DNA聚合酶的损伤影响DNA的修复； 射线对DNA复制过程的影响破坏了DNA复制的调控机制。 DNA合成抑制是一个非常敏感的辐射生物效应指标，,1）. DNA合成抑制,15,2）DNA分解代谢增强,在DNA合成抑制的同时，其分解代谢增强，表现为脱氧核糖核酸酶（DNase）活性增高。
6、机制：射线破坏了溶酶体和细胞核等膜的结构，使脱氧核糖核酸酶释放并与DNA接触，导致DNA分解。， DNA降解程度取决于照射剂量，照射剂量越大，降解程度越大，在较低剂量范围内，DNA降解的程度随照射剂量的增加而直线上升，在较高照射剂量范围内DNA趋于稳定，达细胞DNA总量的40-70%。 在DNA降解和细胞死亡之间可能存在着一定的联系，辐射增敏剂或辐射防护剂，可使死亡作用增加或损伤效应减弱。所以说，电离辐射对核酸的功能和代谢的影响是非常广泛的。,16,3. DNA辐射损伤的修复,1.DNA单链断裂的修复。 2.DNA双链断裂的修复。 3.碱基损伤的修复。,17,1.DNA单链断裂的修复。绝大多数
7、正常细胞都能修复单链断裂,而且修复的速度和效率很高.在照射后即刻开始修复,以后逐渐减慢,修复速率和时间呈负指数关系。一般在1h内修复可达90%，半修复时间约为1040分钟。 2.DNA双链断裂的修复。哺乳动物细胞双链断裂的修复可分为快修复和慢修复两个阶段，快修复的半修复时间为10数分钟；而慢修复的半修复以小时计算。不同细胞间修复水平差异很大。在体外细胞培养过程中发现，照射后保温较长时间后仍有双链不能完全修复，这是造成细胞畸变或死亡的重要原因。 3.碱基损伤的修复。碱基的修复主要是紫外线引起的二聚体改变,受照射后经过保温56h后,可以使二聚体略有减少，到2430h明显减少，降到照后即刻测量的60
8、%水平。但损伤碱基只是部分修复。,18,4 、DNA辐射损伤修复的主要途径,1）回复修复 2）切除修复 3）重组修复 4）SOS修复 （自学内容）,19,1).回复修复。,回复修复是细胞对DNA某些损伤修复的一种简单方式。 包括酶光复活修复、单链断裂的重接和嘌呤的直接插入。,20,2)切除修复,切除修复需要多种酶参加。 主要有两种切除修复方式：碱基切除修复和核苷酸切除修复。 其基本步骤是通过识别切除（碱基切除和核苷酸切除）修补再连接 三个特点:准确、无误、正确修复。,21,3).重组修复。,当DNA双链发生严重损伤时，即两条链同时受到损伤，或单链损伤尚未修复就发生了复制，因修复机制是通过重组，
9、故称为重组修复。 这种修复机制只修复复制后的新链，而母链上原有的损伤依然存在。,22,4).SOS修复,细胞处于危急状态下发生的一种修复，故用国际遇难信号SOS命名。 SOS修复过程是在损伤信号诱导下发生的，因此又称可诱导的DNA修复（inducible DNA repair）。修复过程中容易发生错误，故称易错修复（error prone repair）。,23,5.复制的过程和参与酶及因子,1）拓扑异构酶 2）解链酶。 3）单链结合蛋白(SSB)。,24,复制的过程分四个阶段。 亲代DNA分子超螺旋的构象变化及双螺旋的解链，将复制的模板展现出来。 复制的引发阶段，有引物RNA进行53方向的合
10、成 DNA链的延长，在引物RNA合成基础上，进行DNA链的53方向合成，前导链连续地合成出一条长链，随从链合成出冈崎片段。去除RNA引物后，片段间形成了空隙，DNA聚合酶作用使各个片段靠近。在连接酶作用下，各片段连接成为一条长链。 终止阶段，复制叉行进到一定部位就停止前进，最后前导链与随从链分别与各自的模板形成两个子代DNA分子，到此复制过程就完成了。,25,1)拓扑异构酶。,拓扑异构酶可改变DNA拓扑性质。在DNA复制时，复制叉行进的前方DNA分子总是产生超螺旋，拓扑酶可松弛超螺旋，还可以引入负超螺旋，有利于复制叉的行进及DNA的合成。在复制完成后，拓扑酶又可将DNA分子引入超螺旋，有利于D
11、NA缠绕、折叠、压缩以形成染色质。,26,2)解链酶,DNA复制进行时，首先要在复制起点处解开双链，反应是在一类解链酶的催化下进行的。解链酶要通过ATP的分解获得能量，以解开双链。大部分的解链酶在复制叉的进行中连续地解开DNA双链，它们与随从链的模板相结合，沿着模板的53方向沿复制叉的进行而移动，。,27,3)单链结合蛋白(SSB)。,a.单链结合蛋白与解开的DNA单链相结合，可稳定此单链以利于其发挥模板作用 b.SSB也与复制新生的DNA单链相结合，以保护其免于被核酸酶水解。,28,二、细胞的辐射效应,1细胞存活曲线 2细胞的辐射敏感性 3辐射诱导细胞死亡 4细胞的辐射损伤 1）细胞周期各时
12、期细胞的辐射效应 2）细胞辐射损伤的修复,29,1.细胞存活曲线,细胞的剂量存活曲线（dose survival curve）反映了照射剂量与细胞死亡率之间的关系，是分析受照射细胞群体辐射效应的一种模式。 在培养皿上培养有增殖能力的细胞，观察细胞集落形成率，以每一集落代表1个存活细胞。以集落形成率代表细胞存活率与照射剂量在半对数座标纸上作图即构成细胞的剂量存活曲线。细胞存活率（集落形成率）随照射剂量增加而减少。,30,图4-14，4-15。,31,剂量存活曲线的形状有两种：A线是简单的指数曲线，B线是带“肩”的指数曲线,图2.1 哺乳类细胞剂量存活曲线,常用 Do、Dq、n等参数表示存活曲线的
13、特征。 根据D0，n和Dq等参数，可以比较不同细胞株的辐射敏感性和修复能力。剂量存活曲线反映了不同细胞的辐射敏感性和剂量依赖关系，对临床放疗和放射医学基础研究都有重要指导意义。,32,D0为平均致死剂量（mean lethal dose），从存活分数（survival fraction）对数座标的0.1和0.037两点分别作平行线与直线相交，然后从这两个相交点分别作垂直线与剂量轴相交。剂量轴上两个相交点剂量之差即为Do。 D0是该直线斜率的倒数， D0值的大小反映了细胞的辐射敏感性。,33,表2.1 一些哺乳动物细胞的D0值（X射线， 射线）,34,n为外推值（extrapolation nu
14、mber）：是剂量存活曲线B的直线部分的延长线与纵座标的交点。对于大多数哺乳动物细胞，n一般在1-5，也有少数细胞n值大到10或20。,35,Dq称准阈剂量（quasithreshold dose），是在剂量存活曲线上存活率为1处划一横坐标的平行线，与B线直线部分延长相交，其所对应的剂量即为Dq，在A线上Dq=0，故D37=D0。对于有氧条件下急性照射的细胞，Dq=0.52.5Gy。 Dq是衡量“肩”大小的量值，n和Dq值的大小代表细胞耐受亚致死损伤的能力，与损伤的修复有关。,36,图4-15辐射引起哺乳动物细胞增殖死亡的细胞存活曲线,37,A375细胞,HeLa细胞,图 射线单次及分次照射A
15、375细胞和的HeLa细胞剂量-存活曲线,38,细胞的辐射效应是放射生物学的核心内容之一。电离辐射导致的损伤都是以细胞的损伤作用为基础的。 自然界的各种生物对象在受到电离辐射作用后都表现出一 定的损伤。但在同一剂量下引起损伤的程度有很大的不同，或者说，引起同一水平的效应所需要的剂量的高低存在很大差异，即为辐射敏感性差异。 1.细胞的种类 2.细胞周期 M期具有很高的敏感性,而Go期细胞具有明显的辐射抗性。,2细胞的辐射敏感性,39,1.不同类型细胞的辐射敏感性。高度敏感细胞：淋巴细胞、造血细胞、生殖细胞、肠上皮细胞等。敏感细胞：膀胱、食道等上皮。中度敏感细胞：神经节细胞、肌细胞。不敏感细胞：软
16、骨及骨。 2肿瘤细胞的辐射敏感性。肿瘤对辐射的敏感性有明显差异。对射线高度敏感的各种肿瘤：恶性淋巴瘤、精原细胞瘤、肾母细胞瘤等；中度敏感：鳞状上皮癌、分化差的腺癌，脑胶质瘤等；辐射抗性肿瘤：恶性黑色素瘤、软骨肉瘤等。 3不同细胞周期的辐射敏感性。不同辐射敏感性的细胞在受到同一剂量照射后，其细胞周期进程也往往不同。如：AT细胞没有明显的DNA双链断裂修复缺陷，但照后细胞周期延迟情况异于正常细胞。AT细胞的 G1期阻滞轻微,但G2明显阻滞。在间期细胞中，G2时相相对最敏感，其次为G1时相，而S时相相对较不敏感，若S时相较长，则早S相（ES）比晚S（LS）相较敏感。CHO细胞的剂量存活曲线表明，G2/M时相放射敏感性最高，S时相晚期放射敏感性最低。,40,1).死亡类型 电离辐射引起细胞死亡是辐射整体效应发生的重要基础。 传统的在放射医学领域中将细胞死亡分为间期死亡和增 殖死亡两种类型。近年来一种新的细胞死亡类型细胞凋亡受到高度重视，下面分别简述细胞死亡及凋亡的类型及其发生机制。 间期死亡（interphase death）是指受照射（剂量100Gy以上）细胞未经细
