電離輻射對生物作用

電離輻射對生物的作用周丁屹蔣大振主要內(nèi)容Ⅰ電離輻射對生物作用的階段ⅡDNA損傷及修復(fù)機(jī)制Ⅲ4R理論簡介Ⅳ癌癥基因治療簡介Ⅰ.電離輻射對生物作用的階段光電效應(yīng)

光電子康普頓效應(yīng)反沖電子、散射光子電子對效應(yīng)正、負(fù)電子這些物理作用是以后一系列化學(xué)、生物作用的基礎(chǔ)電離輻射的治療作用是電離輻射作用于人體后發(fā)生一系列物理、化學(xué)和生物反應(yīng)的結(jié)果電離輻射中的X（γ）光子作用于靶物質(zhì)的原子，發(fā)生帶電粒子與物質(zhì)的相互作用X（γ）射線與物質(zhì)的相互作用輻射生物效應(yīng)的時(shí)間標(biāo)尺電離輻射對任何生物體的照射將啟動一系列時(shí)間差異非常大的變化過程，這些過程分為三個階段：㈠物理階段：極短㈡化學(xué)階段：很短㈢生物階段：細(xì)胞死亡需數(shù)天到數(shù)月，輻射致癌作用需數(shù)年，可遺傳的損傷需經(jīng)數(shù)代才能觀察到物理階段主要指帶電粒子和構(gòu)成組織細(xì)胞的原子之間的作用。

包括電離作用和激發(fā)作用。一個高速的電子通過DNA分子只需要10-18秒。而通過一個哺乳動物細(xì)胞則10-14秒。當(dāng)電子通過時(shí)僅作用于軌道電子，將一些電子打出原子（電離）并使其他在原子或分子內(nèi)的電子進(jìn)入較高能量水平（激發(fā)）。如能量足夠，可發(fā)生一連串的電離事件?；瘜W(xué)階段指受損的原子和分子與其他細(xì)胞成分發(fā)生快速化學(xué)反應(yīng)的時(shí)期。主要指自由基的形成。電離和激發(fā)導(dǎo)致化學(xué)鍵的斷裂和形成被破壞的分子（自由基）。這些自由基非常活躍有極高的活性，它們參與一系列的反應(yīng)最后導(dǎo)致電子負(fù)荷平衡的重建。自由基反應(yīng)在照射后約1毫秒內(nèi)就全部完成。生物階段包括所有的繼發(fā)過程，從作用于殘存化學(xué)損傷的酶反應(yīng)開始，部分的損傷（如DNA內(nèi)的損傷）可以成功地修復(fù)。部分損傷不能修復(fù)，這些未修復(fù)的損傷最后導(dǎo)致細(xì)胞死亡。細(xì)胞死亡需要一定的時(shí)間，細(xì)胞在受小劑量的照射后在死亡前可能進(jìn)行一定次數(shù)的分裂。受照射后的頭幾周或頭幾個月早反應(yīng)組織就會出現(xiàn)損傷的表現(xiàn)，在較后的一些時(shí)間，晚反應(yīng)組織表現(xiàn)出損傷，更晚的放射損傷表現(xiàn)是出現(xiàn)繼發(fā)腫瘤（輻射致癌）?？捎^察到的電離輻射效應(yīng)甚至可以延長到受照射后許多年。自由基電離輻射的間接作用首先作用于生物大分子，特別是水，電離輻射與水相互作用產(chǎn)生自由基，理解水分子的電離和激發(fā)過程對理解放射生物效應(yīng)的發(fā)生有十分重要的意義自由基：自由基是用于描述含有不配對電子的一個原子、分子、粒子或一個原子團(tuán)。

自由電子①在其運(yùn)動中又不斷和水分子碰撞，擊出其它水分子中的軌道電子，引起次級電離。②這些電子在其運(yùn)動和引起電離的過程中逐漸喪失其能量，直至不能再擊出其它分子的電子，它們就被水分子捕獲，形成帶負(fù)電的水離子(H2O-)，后者亦極不穩(wěn)定，在水中解離成氫氧離子(OH-)和氫自由基(H·)電離輻射與水的作用水分子受電離輻射作用時(shí)，將水分子中的軌道電子擊出，發(fā)生電離作用，形成反常離子(H2O·＋)和自由電子(e-)H2O·＋為不穩(wěn)定的自由基離子，在水中迅速解離為氫離子(H+)和氫氧自由基HO·。+H2O+H+H·③一部分電子可與H+反應(yīng)形成H·。+H2O④電子在碰撞過程中喪失其大部分能量，當(dāng)其能量水平降至100ev以下而未被捕獲時(shí)，可吸收若干水分子而形成水合電子(e水合-)。水合電子比自由電子穩(wěn)定，在中性水中其生存時(shí)間為2.3×10-4s。水分子受電離輻射作用時(shí)，若水分子所獲能量尚不足以使電子擊出，即不能發(fā)生電離作用，而只使水分子的電子躍遷到較高能級的軌道上，使分子處于激發(fā)態(tài)，即稱為水分子的激發(fā)。激發(fā)的水分子（H2O*）很不穩(wěn)定，很快釋放其能量，解離成為H·和HO·兩種自由基。這些自由基的能量較高，重組合的機(jī)會較多，一般認(rèn)為放射生物學(xué)作用中激發(fā)分子的作用與電離作用的產(chǎn)物比較起來，可以忽略不計(jì)。氧中毒氧氣是一切需氧生物生存的必備條件，但恰好又是最終導(dǎo)致衰老和死亡的罪魁禍?zhǔn)?，原因是氧具有毒性。正常人靜脈血中氧含量為40mmHg，當(dāng)氧的濃度增高時(shí)，就會發(fā)生慢性中毒，高濃度的氧能抑制視網(wǎng)膜血管的生長，當(dāng)回復(fù)正常濃度時(shí)，血管會過分生長，造成視網(wǎng)膜脫落，高濃度的氧對內(nèi)分泌也有影響，使畸胎率增高。氧的毒性主要來源于氧分子還原成水時(shí)產(chǎn)生的許多中間產(chǎn)物，其中絕大部分是自由基，把這些中間產(chǎn)物統(tǒng)稱為活性氧，即氧分子被還原成水時(shí)所產(chǎn)生的中間產(chǎn)物的統(tǒng)稱。氧是一種放射增敏劑，如果照射時(shí)有氧存在，可增加放射效應(yīng)。電離輻射中對細(xì)胞造成損傷的自由基主要來源于活性氧

超氧陰離子

過氧化氫分子

氫氧自由基

烷氧基RO·，烷過氧基ROO·，氫過氧化物ROOH等（脂類過氧化物）活性氧自由基反應(yīng)1，HO·的毒性HO·是最活潑的自由基之一，幾乎能與活細(xì)胞中任何分子發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)速率極快，它的反應(yīng)分為三大類：奪氫，加成，電子轉(zhuǎn)移。其中，奪氫和加成反應(yīng)是HO·導(dǎo)致細(xì)胞損傷、衰老、死亡的重要原因。（1）奪氫反應(yīng)HO·與生物膜上的卵磷脂通過奪氫反應(yīng)產(chǎn)生碳自由基，造成膜損傷。當(dāng)HO·攻擊DNA中的脫氧核糖時(shí)，能產(chǎn)生許多不同產(chǎn)物，有些具有致突變作用。（2）加成反應(yīng)HO·可與DNA中的嘌呤或嘧啶的-C=C-發(fā)生加成反應(yīng)，生成嘌呤或嘧啶自由基，最終引起DNA鏈斷裂，嚴(yán)重?fù)p傷DNA，以致不能修復(fù)，使細(xì)胞死亡，即使活著也會發(fā)生突變（癌變）（3）電子轉(zhuǎn)移HO·可與無機(jī)物或有機(jī)物發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，如：Cl+HO·→Cl·+OH-HO·在機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生，可立即與周圍任何生物分子發(fā)生反應(yīng)，生成活性各異的次級自由基，導(dǎo)致機(jī)體不同程度的損傷。2.超氧陰離子的毒性化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)較HO·弱，具有雙重性質(zhì)，既可作為電子供體（還原劑），又可作為電子受體（氧化劑）。（1）還原反應(yīng)還原細(xì)胞色素和血紅蛋白，使三價(jià)鐵離子還原成二價(jià)（2）氧化反應(yīng)O2·-作為弱氧化劑，可使抗壞血酸氧化，產(chǎn)生半脫氫抗壞血酸自由基。也能使與NADH結(jié)合的酶形成NAD自由基O2·-能使酶失活、使紅細(xì)胞溶血、殺菌、使DNA降解、破壞動物細(xì)胞等。此外，還可與細(xì)胞內(nèi)的過渡性金屬離子發(fā)生反應(yīng)，生成更活潑的HO·3.過氧化氫分子的毒性H2O2本身毒性很低，常溫下自發(fā)生成水和氧氣。H2O2能迅速穿過細(xì)胞膜，在細(xì)胞內(nèi)與亞鐵離子或銅離子等過渡性金屬離子反應(yīng)生成毒性更大的HO·，這是它具有毒性的真正原因：

當(dāng)H2O2與紫外線結(jié)合使用時(shí)，對細(xì)菌和病毒的殺傷能力更強(qiáng)。這是由于紫外線可使H2O2發(fā)生均裂而生成HO·4.脂類過氧化物的毒性生物膜具有流動性，是由于膜脂中含有多種多不飽和脂肪酸。脂肪酸的不飽和程度越大，生物膜的流動性就越大。自由基攻擊膜脂，使其形成脂類過氧化物，破壞生物膜的流動性，導(dǎo)致細(xì)胞損傷、衰老或死亡。脂類過氧化物殼使紅細(xì)胞失去變形能力，不能通過毛細(xì)血管，導(dǎo)致溶血，脂類過氧化物進(jìn)一步和組織蛋白相結(jié)合、沉積，導(dǎo)致功能蛋白失活。Ⅱ.ＤＮＡ損傷及修復(fù)機(jī)制電離輻射照射生物體后，通過上述物理化學(xué)過程，直接、間接地和細(xì)胞的關(guān)鍵靶中的原子作用。而ＤＮＡ是放射線作用于細(xì)胞的最重要的靶。DNA分子結(jié)構(gòu)DNA中文全名：脫氧核糖核酸基本單位：脫氧核苷酸組成：含氮堿基脫氧核糖磷酸有四種：嘌呤堿基：腺嘌呤（A）和鳥嘌呤（G）嘧啶堿基：胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）因此，脫氧核苷酸也有四種含氮堿基磷酸A磷酸G磷酸C磷酸T腺嘌呤脫氧核苷酸胞嘧啶脫氧核苷酸鳥嘌呤脫氧核苷酸胸腺嘧啶脫氧核苷酸A：T堿基配對G：C堿基配對兩條DNA反向平行堿基對之間以氫鍵相連外側(cè)的磷酸與脫氧核糖以磷酸二酯鍵相連㈠電離輻射損傷DNA的途徑直接作用:任何形式的輻射，被生物物質(zhì)吸收后都有可能與關(guān)鍵靶DNA直接發(fā)生作用，靶本身的原子可以被電離或激發(fā)從而導(dǎo)致一系列生物變化，這被稱為輻射的直接作用本質(zhì)：射線直接造成生物大分子損傷效應(yīng)間接作用：電離輻射作用于水，產(chǎn)生自由基，這些自由基可以擴(kuò)散到足夠遠(yuǎn)，達(dá)到并損傷關(guān)鍵靶DNA，這被稱為電離輻射的間接作用本質(zhì)：通過水電離㈡輻射所致DNA損傷的類型堿基損傷：單堿基加合物，堿基改變和堿基缺失DNA鏈損傷：單、雙鏈斷裂，二聚體自發(fā)性損傷DNA鏈的斷裂單鏈斷裂（singlestrandbreak，SSB):在磷酸酯和脫氧核糖體之間的磷酸二酯鍵水平上發(fā)生，或者更經(jīng)常是在堿基和脫氧核糖體之間的鍵水平上發(fā)生。雙鏈斷裂（doublestrandbreak，DSB)：包括DNA兩條鏈相隔少于3個核苷酸的部位的斷裂。大部分單鏈斷裂是由HO·自由基作用而產(chǎn)生斷裂后兩條鏈像拉鏈一樣分開，水分子滲入缺口可以由單個粒子產(chǎn)生，或者由于兩個粒子在第一個斷裂有時(shí)間修復(fù)以前通過同一區(qū)域，從而在互補(bǔ)鏈中產(chǎn)生兩個單鏈斷裂組合而成。假如斷裂發(fā)生在同一個堿基對上則為同源性斷裂，反之是異源性斷裂，后者往往更頻繁的發(fā)生。堿基的損傷在充氧情況下的照射，堿基經(jīng)常遭受到羥基化（自由基HO·）的損害而形成過氧化氫放射敏感性：胸腺嘧啶＞胞嘧啶＞腺嘌呤＞鳥嘌呤DNA的交聯(lián)DNA交聯(lián)分為三種形式DNA鏈間交聯(lián)：一條鏈上的堿基與另一條鏈上的堿基以共價(jià)鍵結(jié)合DNA鏈內(nèi)交聯(lián)：同一鏈上的兩個堿基相互以共價(jià)鍵結(jié)合DNA--蛋白質(zhì)交聯(lián)：DNA與蛋白質(zhì)以共價(jià)鍵結(jié)合DNA的損傷修復(fù)機(jī)制分子修復(fù)機(jī)制消除了輻射誘發(fā)的損傷，并重組DNA原先的結(jié)構(gòu)，在細(xì)胞水平導(dǎo)致生存力的恢復(fù)。但需要注意，存活并不一定意味DNA的完全恢復(fù)，因?yàn)檫z傳突變或染色體畸變的誘導(dǎo)和生存力是可以共存的常見的修復(fù)機(jī)制包括：直接修復(fù)切除修復(fù)錯配修復(fù)SOS修復(fù)重組修復(fù)直接修復(fù)直接修復(fù)：直接修復(fù)是細(xì)胞對DNA的某些損傷修復(fù)的一種簡單方式，在單一基因產(chǎn)物的催化下，一步反應(yīng)就可以完成。其機(jī)制包括光復(fù)活反應(yīng)、單鏈斷裂重接和嘌呤的直接插入等該酶的作用過程分為三個步驟：①酶與DNA中的二聚體部位相結(jié)合；②吸收波長為260~380nm的近紫外光將酶激活，使二聚體解聚；③酶從DNA鏈上釋放，DNA恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)光復(fù)活反應(yīng)是修復(fù)DNA鏈上的嘧啶二聚體的一種最直接方式，也是最早發(fā)現(xiàn)的DNA修復(fù)方式在輻射作用下，一個單鏈的兩個相鄰堿基以共價(jià)鍵相連，形成一個環(huán)丁烷環(huán)，阻斷DNA復(fù)制DNA單鏈斷裂中有一部分是通過簡單的重接而修復(fù)的，只需要DNA連接酶參加。也屬于直接修復(fù)DNA鏈上的嘌呤堿基受到輻射損傷時(shí)，修復(fù)此類損傷需要特異性酶，即DNA嘌呤插入酶上述幾種是最直接的修復(fù)方式，對細(xì)胞非常有利。因?yàn)樾迯?fù)所需要的酶比較單一，而且只有一步反應(yīng)，修復(fù)特異性高，較少發(fā)生錯誤切除修復(fù)切除修復(fù)：將損傷區(qū)域切除，然后用正確配對的完好的堿基來替代，是最普遍的方式

基本步驟：識別→切除→修補(bǔ)→再連接三個特點(diǎn):準(zhǔn)確、無誤、正確修復(fù)發(fā)生于非復(fù)制期的DNA分子中DNA切除修復(fù)堿基丟失堿基缺陷或錯配結(jié)構(gòu)缺陷切開核酸內(nèi)切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶IDNA連接酶AP核酸內(nèi)切酶核酸外切酶切開切除修復(fù)連接糖基化酶識別DNA中不正確的堿基，切斷受損堿基與脫氧核糖之間的糖苷鍵，使受損堿基脫落AP位點(diǎn):缺堿基位點(diǎn)外切酶：從核酸一端一個一個的水解掉核苷酸。內(nèi)切酶：從核酸內(nèi)部特定位點(diǎn)切斷核酸。聚合酶：將核苷酸聚合為核酸連接酶：將磷酸核糖骨架連接起來。核苷酸切除修復(fù)堿基切除修復(fù)錯配修復(fù)主要是負(fù)責(zé)DNA在復(fù)制過程發(fā)生嘌呤—嘧啶錯誤配對的校對工作，使復(fù)制的保真性提高102~103倍，該過程通過E.coli中的3種酶（MutS、MutH和MutL）校正該修復(fù)系統(tǒng)只校正新合成的DNA，因?yàn)樾潞铣蒁NA鏈的GATC序列中的A(腺苷酸殘基)開始未被甲基化GATC中A甲基化與否常用來區(qū)別新合成的鏈（未甲基化）和模板鏈（甲基化）。這一區(qū)別很重要，因?yàn)樾迯?fù)酶需要識別兩個核苷酸殘基中的哪一個是錯配的，否則如果將正確的核苷酸除去就會導(dǎo)致突變SOS修復(fù)一旦DNA受到損傷，產(chǎn)生一種調(diào)控信號，解除對許多基因的抑制，使這些基因的產(chǎn)物投入活躍的修復(fù)活動它是細(xì)胞DNA受到損傷或復(fù)制系統(tǒng)受到抑制的緊急情況下，為求得生存而出現(xiàn)的應(yīng)急效應(yīng)SOS修復(fù)過程是在損傷信號誘導(dǎo)下發(fā)生的，又稱為可誘導(dǎo)的DNA修復(fù)，修復(fù)過程中容易發(fā)生錯誤，亦稱為易錯修復(fù)已經(jīng)在大腸桿菌中證明了其存在，但在哺乳動物細(xì)胞中SOS系統(tǒng)的存在沒有得到證實(shí)重組修復(fù)包含兩種情況：一是兩條鏈同時(shí)受到損傷；另一種是單鏈損傷尚未修復(fù)發(fā)生了復(fù)制，造成對應(yīng)于損傷位置的新鏈缺乏正確模板，此時(shí)需要重組酶系將另一段未受損傷的雙鏈DNA移到損傷位置附近，提供正確的模板，進(jìn)行重組。在DNA復(fù)制時(shí)模板鏈上含有損傷的堿基導(dǎo)致子鏈產(chǎn)生裂缺，這是在合成復(fù)制（S期）時(shí)產(chǎn)生的，所此修復(fù)系統(tǒng)也屬于復(fù)制后修復(fù)通過這種機(jī)制實(shí)現(xiàn)了DNA復(fù)制，而且復(fù)制合成的新鏈上不存在損傷，而母鏈上原有的損傷依然存在，還需通過其它機(jī)制進(jìn)行清除1.受損傷的DNA鏈復(fù)制時(shí)，產(chǎn)生子代DNA在損傷的對應(yīng)部位出現(xiàn)缺口2.另一條母鏈DNA與有缺口的子鏈DNA進(jìn)行重組交換，將母鏈DNA上相應(yīng)的片段填補(bǔ)子鏈缺口處，而母鏈DNA出現(xiàn)缺口3.以另一條子鏈DNA為模板，經(jīng)DNA聚合酶催化合成一新DNA片段填補(bǔ)母鏈DNA的缺口，最后由DNA連接酶完成修補(bǔ)DNA雙股斷裂修復(fù)DNA雙股斷裂對細(xì)胞是最嚴(yán)重也是最致命的DNA損害類型。DNA雙股斷裂的結(jié)果使DNA的末端直接裸露，在這種情況的發(fā)生若沒有及時(shí)的處理，細(xì)胞內(nèi)DNA損害反應(yīng)機(jī)制就會活化，其后果之一是停止細(xì)胞的生長與分裂，或者是啟動細(xì)胞凋亡，無論如何都是驅(qū)使細(xì)胞走向毀滅一途。真核生物階段細(xì)胞發(fā)展出數(shù)套機(jī)制修復(fù)DNA雙股斷裂：同源性重組（Homologousbination，HR）非同源性末端接合（Non-homologousendjoining,NHEJ）同源性重組（HR）同源性重組修復(fù)是利用細(xì)胞內(nèi)的染色體兩兩對應(yīng)的特性，若其中一條染色體上的DNA發(fā)生雙股斷裂，則另一條染色體上對應(yīng)的DNA序列即可當(dāng)作修復(fù)的模板來回復(fù)斷裂前的序列，因此在某些條件下，同源性重組又稱作基因轉(zhuǎn)換。同源性重組修復(fù)路徑與細(xì)胞周期的進(jìn)行有很