核辐射产生的人体伤害从生物学角度分析.doc

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。水辐射分解见图 3-1 。图 3- 1 水辐射分解生成自由基简图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 照射即可观察到抑制现象。小鼠受 ~ 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