辐射生物物理

fushe shengwu wuli辐射生物物理radiation biophysics 的分支学科。它研究辐射对生物器官和组织的效应中所涉及的基本物理、物理化学过程的规律及原理，特别是生物效应的分子机制和定量关系。辐射包括能引起物质分子电离的电离辐射(如X射线、γ射线、电子、质子、中子、介子和其他重带电粒子等) 和非电离辐射（如可见光、红外光、紫外光等）。由于与非电离辐射有关的生物物理学内容已独立为光生物物理，所以辐射生物物理一般指电离辐射的生物物理，又称放射生物物理。　简史　1895年，W.C.伦琴发现X射线后不久,人们就观察到它引起机体组织损伤和细胞死亡的现象。还发现用它可以根除恶性肿瘤，从而诞生了放射治疗。1902年后，人们认识到电离辐射还可以引起癌症。于是，辐射生物物理作为生物物理最早的一支问世了。　早期的辐射生物物理主要是纯经验的定性研究，重要的发现有：富氧组织的辐射敏感性比乏氧组织高1～2倍（“氧效应”）；细胞和组织的温度和代谢的旺盛程度常与辐射敏感性相关；利用电离辐射的生物效应与组织吸收的能量相关的特性，建立起用测量空气电离来推断组织中吸收能量的第一种剂量学方法，为定量辐射生物物理研究奠定了基础。　20年代后期,发现X射线可引起果蝇的突变，从而引起人们对辐射遗传效应的重视和辐射在遗传育种上的应用。30年代末，B.拉耶夫斯基和A.施劳布证明肺癌是由氡及其子体的 射线引起的。这是对环境科学的最早贡献。　1935年,H.B.季莫费耶夫-列索夫斯基和K.G.齐默尔创立了“靶理论”，认为细胞内有一个叫做“靶”的敏感区，只要带电粒子击中了这个“靶”，细胞即被损伤或致死。他们用数学和统计学的方法，第一次建立了剂量-存活曲线的数学描述，虽然这个理论有很多缺陷,但它第一次把量子物理与生物过程联系起来。　20世纪40年代出现的核反应堆和原子弹，极大地刺激了辐射生物物理的发展。一方面，辐射致癌、致突变、致畸等远后效应的研究大大加强；另一方面，反应堆被用来大量廉价地生产人工放射性同位素。辐射生物物理学家最早认识到放射性示踪方法对医学、生物学研究的巨大价值，他们用放射性同位素诊断多种疾病，用同位素标记方法研究和的和翻译（见）。　从50年代开始，辐射生物物理学家利用加速器产生的高能电子、高能 X射线、中子和高能重带电粒子治疗癌症，从而开创了“超高压放射治疗”的新时代。对高线性能量转移(LET)辐射的物理学和生物效应的研究,特别是相对生物学效应(RBE)的研究也随之兴起。　50年代末和60年代初,电子自旋共振(ESR)和脉冲辐射分解两项新技术被引进辐射生物物理的实验研究。它们能定量测量和直接观察辐射在生命系统中产生的自由基和寿命极限（甚至短至10(秒）的瞬态产物。从而使辐射在分子水平上最初引起的物理和化学过程的研究成为可能。　70年代,M.M.埃尔金德从细胞存活率-辐射剂量关系的研究中，得到细胞在辐射损伤后可以被部分修复的证据，并进而证明这种修复过程发生在分子水平。这一发现使人们越来越深入了解了生命过程的一个基本特征，即活细胞在某些条件下可以“修补”受损伤的大分子而不论损伤是由电离辐射、紫外线或化学致癌、致突变物质中的哪一种因素所引起的。　80年代以后，辐射生物物理研究正转向一些更基本的问题，例如，辐射与的相互作用、基因的表达和调节控制在辐射引起的细胞转化和 过程中所起的作用等。　基本内容　辐射与生物系统作用的原初过程　辐射作用的时间范围从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[辐射作用的时间表]）。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 ()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(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(、、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[用扫描电子显微镜重现的1MeV核子的氩离子在中国仓鼠细胞内的径][迹。在照片下方可以看到被击中的细胞核和核仁；照片上的标尺代表10微米]）。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 (11,,…,,)描述在时间(一般<10(秒)时，沿径迹发生的所有事件和它们的空间位置（＝1,2…,），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：[]两个还原型嘧啶自由基可以结合形成一个二聚体：[]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、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