关于辐射生物物理介绍

辐射与生物系统作用的原初过程

辐射作用的时间范围从10-18秒内快速带电粒子或光子穿过一个原子所引起的最初的物理事件，到几十年后才表现出的癌症和遗传性疾病，中间经历了一系列复杂的物理、化学、生物化学和生理学的变化过程（见表）。其中，最初的物理和化学过程对最终的生物效应有深刻的影响。

辐射对生物系统的原初作用，主要指对各种生物大分子（核酸、蛋白质、酶和酯）的直接作用和间接作用。生物分子直接吸收辐射能而被电离和激发，进而发生结构的变化，叫做直接作用。辐射能被生物分子周围的水分子吸收并引起水的分解，产生羟自由基(·OH)、水合电子 (唞)和氢原子(H)等反应性很高的自由基。它们通过扩散与生物分子发生化学反应并引起后者结构的改变；这种作用叫做间接作用。直接作用和间接作用的相对比例，取决于辐射能量损失的空间分布和生物系统的化学成分，也和生物系统的空间结构有关。

辐射作用原初过程的研究大致可分以下3方面：

（1）径迹结构的研究。任何电离辐射都是通过初级和次级带电粒子把能量传递给生物组织的，而这种能量交换只能沿粒子的径迹处发生。LET 反映的是单位径迹长度上碰撞能量损失的期望值，它是一个平均量。比能和线能虽然反映了微观空间里能量传递的统计涨落，但是经常用来估计生物效应的一次事件比能或线能平均值，仍然是对大量粒子径迹的统计平均。然而，任何生物效应终点，都是受照生物系统内非常早期(<10-6秒)发生的物理和化学两种过程相互作用的结果，无论是 LET还是比能和线能，都反映不了这种相互作用。在含水生物系统中，沿粒子径迹形成的激发水分子(H2O*)、离子(H2O+)和射解产生的各种自由基(·OH、H+、唞、O娛等)的空间分布和随时间的演变与生物效应有密切的关系。这些高反应性中间产物的空间分布“图形”又和能量损失的“空间图形”相联系。因此，必须追踪每一个带电粒子的径迹，弄清沿径迹分布的所有原子和分子“事件”在空间的坐标和运动，才能最终解释为什么不同“质”的辐射具有不同的生物学效率。所有称为“径迹结构”（见图）。研究径迹结构，就是用所有已知的知识和必要的假设，描述和预测一个带电粒子引起的所有事件的空间分布。在数学上，它相当于用一个几率函数 P(A1x1，A2x2，…，Anxn，t)描述在时间t(一般t<10-6秒)时，沿径迹发生的所有事件Aj和它们的空间位置xj（j＝1，2…，n），并考虑到所有事件之间的相互联系。径迹结构将成为计算生物系统内所有继发的化学反应和生物反应的起点，目前还只能通过理论计算得到，常用的是蒙特卡洛方法；

（2）自由基反应的研究。自由基是指具有一个或多个不配对电子从而能与其他具有不配对电子的原子或分子形成化学键的原子、分子或基团。在辐射与生物系统作用时，通过激发态分子分解、激发态分子与其他分子反应、离子自由基与中性分子的反应等多种途径，形成大量具有高反应性的自由基。此反应是导致生物分子损伤的主要途径。

由于生物系统是一个含水系统，生物分子的损伤在很大程度上是水射解自由基作用的结果。自由基的攻击可以导致核酸碱基的改变、DNA 链的断裂、蛋白质空间结构的破坏和氨基酸残基的氧化，从而使蛋白质（特别是酶）钝化。它还可以引起脂质的过氧化，从而导致生物膜系统的损伤。例如，尿嘧啶或其他嘧啶与水合电子加成，形成负离子自由基，它的质子化导致两个新的自由基:

胸腺嘧啶（或其他嘧啶）受羟自由基攻击后，可能形成3种新的自由基，其中-OH加成在5位碳上的是还原型自由基，而加成在6位碳上的是氧化型自由基：如上中两个还原型嘧啶自由基可以结合形成一个二聚体：如上右生物分子自由基可以互相反应，可以与氧、其他生物分子或药物反应，经过一系列演变，最终造成生物分子的永久性化学改变。其反应过程可能很复杂，现在了解得很少；

（3）辐射能量和电荷在生物分子内迁移的研究。生物分子吸收辐射能量或局部电离后，能量和电子还会迁移，使大分子的损伤具有一定的特点。例如，在DNA分子中，按照碱基激发态能量的高低，激发单线态的能量沿下列顺序转移：

A→U→T→G→C 而激发三线态的能量则按另一顺序转移：

C，U→G→A→T又如，DNA分子在电离辐射作用下，初始阶段总是产生鸟嘌呤阳离子(G+)和胸腺嘧啶阴离子(T-)，这是因为辐射无论在DNA大分子的哪一个核苷酸上产生初级电离，总是发生如下的电子转移过程。

在蛋白质中、生物膜上，也都会发生能量和电荷的迁移，研究这种迁移对了解生物系统的原初损伤规律有着重要的意义。

辐射引起生物大分子结构的改变

在 DNA的长链上，100万个核苷酸中只要有一个发生改变，就会产生严重的生物学后果。DNA由两条螺旋形缠绕的长链构成，辐射的直接作用和自由基的攻击都可以造成一条互补链的断裂，即单链断裂。如果两个断裂点是如此之近（少于20个核苷酸），以至它们之间的核苷酸配对不能使DNA分子保持为一个整体，就会形成双链断裂。辐射引起的DNA转化活性的丧失，主要与单链断裂有关；而噬菌体DNA转染活性的丧失则与双链断裂有关。

辐射引起组成DNA的碱基的改变，将会产生严重的生物学后果。由于碱基的改变，意味着基因和基因表达的改变，从而直接影响DNA的复制、转录和转译。人工合成的多聚胞苷酸的实验表明，由于电离辐射使胞嘧啶的5，6双键打开并分别接上一个氢和羟基，它的配对特性变成与胸腺嘧啶相同，转录后mRNA的序列也发生改变，合成的蛋白质中氨基酸的序列便出现错误。

生物大分子的构型和构象与它的功能密切联系。DNA的双螺旋结构是靠碱基配对形成的氢键和堆砌在一起的碱基间垂直的相互作用力维系的。在辐射作用下，氢键的破坏或碱基间形成交联都会改变 DNA的这种高级结构。虽然效率比紫外线低，但电离辐射仍能使空间上相邻的两个嘧啶碱基之间形成一个环丁烷型的二聚体：

二聚体的形成会引起双螺旋结构的扭曲，从而影响DNA的转录和复制，并可能造成细胞的死亡和癌变。但是，DNA在活细胞里总是和RNA、蛋白质或膜组成复杂的复合体，它们之间的相互作用不容忽视。大量实验证实，辐射还会引起蛋白质与核酸的交联，这种交联与细胞死亡、突变和衰老有关。

DNA损伤修复

直到60年代中期，人们还认为活细胞里的DNA分子受损伤或发生改变后，该细胞要么复制出突变的子代细胞，要么不能分裂。实际上，很多细胞都能应付环境造成的某些严重危害，修复损伤的DNA分子（见DNA损伤修复）。DNA修复目前主要还是一个分子生物学的问题。但是，低剂量辐射为什么能激励 DNA修复系统？修复过程中细胞内的酶系统是如何识别损伤的？这都是辐射生物物理学的新课题。

细胞水平辐射作用模型的研究

“模型”是人们对辐射引起细胞死亡、突变作用机制的认识水平的度量；它起着指导设计新实验和加强对实验结果分析、判别的重要作用。人们不能要求辐射作用模型与所有活体实验数据精确地符合，但是，它应该能给出各种放射生物学效应（如染色体畸变、基因突变、细胞死亡和辐射致癌等）中“剂量- 效应关系”的基本特征。例如，与辐射“质”、剂量率（包括分次照射）和氧浓度等参量的关系。

大量的生物实验得出一条基本结论:在低剂量下，对“自治的细胞”（受照后它的命运不受与它相邻的其他细胞的辐射效应的影响）的?魏巍凹亮?-效应关系”，一定是线性的。遗传效应和染色体畸变服从这个规律，但辐射致癌效应不服从线性规律。因为细胞之间的相互作用和体内其他因素在致癌过程中起着重要的作用。在中等和较高的剂量下，细胞辐射效应的剂量关系比较复杂，模型很多，但是公认最好的是“线性-平方模型”：

E＝αD+βD2

式中E为辐射引起某种效应的频率，D为吸收剂量，α、β为与细胞特性和辐射“质”有关的参数。细胞死亡和染色体畸变服从这个模型。

从40年代 D.E.利和K.萨克斯对中子和X射线引起染色体畸变的“剂量-效应关系”的研究开始，经过G.J.尼亚里、H.H.罗西和A.M.克勒雷尔等人的努力，终于形成了一个解释线性- 平方关系的“双作用模型”。该模型认为，细胞内首先由能量传递随机地形成许多亚损伤(可以把它们想象为DNA单链断裂或染色体非稳定性变化)。一对相邻的亚损伤，经过相互作用才能形成最终的损伤(可以把它们想象为 DNA的双链断裂或染色体畸变)。其作用几率，随亚损伤靠近的程度而增加。当两个亚损伤之间的距离小于50纳米时，才有较大的相互作用几率;超过50～100纳米后，作用几率急剧下降。当距离超过1微米以上时，几乎不发生相互作用。线性-平方模型中的线性项，对应于同一粒子径迹上的两个亚损伤作用的结果，平方项是两个独立粒子径迹上亚损伤相互作用的结果。因此，对于电离密度高的高LET辐射，同一径迹内亚损伤相互作用的几率大，线性项占优势；对于电离密度低的低LET辐射，同一径迹上亚损伤之间的距离较大，径迹间的亚损伤发生相互作用的几率更大。所以在高剂量率下，平方项较为重要。显然，在很低的剂量率下，无论是高LET还是低LET辐射，总是线性项起作用。

线性-平方公式给出某些辐射效应的频率，它既可以是染色体畸变率、细胞突变率或癌症发生率，也可以是细胞内致死性损伤的平均产额。在最后这种情况下，应用泊松统计分布，可直接得到细胞受剂量D照射后不出现致死性损伤的几率，即细胞存活率S：

模型反映的只是相对真理，必须不断地修正、完善和发展，它是辐射生物物理学研究的一个重要方面。

参考书目

1. 中国科学院生物物理所一室二组译：《分子放射生物学》，科学出版社，北京，1975。
2. J.Hüttermann，et al.， Effects of Ionizing Radiation on DNA， Springer-Verlag， New York，1978.