电离辐射生物学效应基础
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radioactive.
医学放射生物学
研究电离辐射对机体（特别是人体）的各种细 胞、组织、器官和系统的作用规律和机理的一 门科学。
为保障机体安全和健康，探索有效防护措施和提高 临床放射治疗水平提供理论基础，使射线和核技术更 好地为人类服务。
第一节
辐射生物学效应基本概念
辐射生物效应
（biological effect of ionizing radiation）
Hydrogen peroxide radical Hydroxyl radical Oxygen organic free radical Organic peroxide radical
单线态氧
Singlet oxygen
脂自由基 脂过氧基
Lipid free radical Lipid peroxide radical
离辐射引起某一特定效应的效率的差别。即：剂量相 同、辐射种类不同，产生的效应也不同；若要产生相 同效应，则不同种类的辐射所需的剂量就不同。
（二）LET与RBE的关系
RBE的变化是LET的函数（正相关）
LET：<10kev/um时；LET∝RBE(缓慢） LET：10～100kev/um时；LET∝RBE（迅速） LET：>100kev/um时；LET继续增加，RBE反而下
• 在稀释溶液系统中，间接作用占主要地位
2. 温度效应（temperature effect）：
指在一定实验条件下，受照射系统（如酶浓度）的 辐射效应，随着周围温度升高而加重。
因为温度升高，增加了自由基接近酶的机会，使酶 分子损伤加重，反之亦然。
对于恒温生物表面来讲（包括人体），通常条件下 的照射所产生的辐射效应不受环境温度变化的影响。
电磁辐射（无形）
以相互垂直的电场和磁场，随时间变化而交变振荡， 形成向前运动的电磁波
电离辐射 (如X射线和 γ射线) 非电离辐射 (如无线电波、微波等)
粒子辐射（有形）
高能粒子通过消耗自身的动能把能量传递给其它物质 高速粒子、带电粒子
电离辐射
X,γ射线
电磁辐射
α 、β、中子 质子、负π
粒子辐射
顺磁性： 当电子成对存在于同一轨道时，由于两个电子的自旋方向 相反，各自的相应磁矩相互抵消，对外不 活性氧（reactive oxygen species,ROS）：是指含有 氧的活性物质，可能是氧的某些代谢产物和一些经过生 化反应而产生的含氧基团。主要有以氧的单电子还原产物、
① 氧效应：是指受照射的生物组织、细胞或生物大分子的辐 射效应随周围介质中氧浓度升高而增加。
氧 + 自由基 → 过氧化物自由基 (R00•)
在有氧条件下细胞放射敏感性增高，增高的幅度与氧浓度有关。
② 氧增强比（oxygen enhancement radio,OER）是指缺氧 条件下引起一定效应所需辐射剂量与有氧条件下引起同样 效应所需辐射剂量的比值。其公式是：
刺团
水的原初辐射反应并非平均分布于空间，一般是在 小的体积内成簇发生的，这种小的反应体积称为刺 团，平均半径为1.5nm，每个刺团内含有6个自由基。
重点
直接作用 与 间接作用
一、直接作用（direct effect）
概念：电离辐射的能量直接沉积于生物大分子， 引起生物大分子的电离和激发，破坏机体的核酸、 蛋白质、酶等具有生命功能的物质，这种直接由 射线造成的生物大分子损伤效应称为直接作用。
降，表明更多的射线并不能用于 引起生物效应上，反而被浪费了
原发作用 与 继发作用
一、原初作用（primary effect）
指从照射之时起到在细胞学上观察到可见损 伤的这段时间内，在细胞中进行着辐射损伤 的原初和强化过程。
包括物理、物理化学和化学三个阶段。 此过程中辐 射能量的吸收和传递、分子的激发和电离、自由基 的产生、化学键的断裂等，都是在生物体内进行的。
四、水的电离和激发
水的原初辐解产物： 电离辐射作用于机体的水分子，使水分子发生 电离和激发，产生自由基和分子。这种反应称 水的辐解反应，各种自由基和分子统称水的原 初辐解产物 。
水合电子
游离的电子在碰撞过程中丧失其大部分能量，当其 能量水平降至100eV以下而未被捕获时，可吸收若 干水分子而形成水合电子。
表4.5 WR2721对正常组织的防护作用
被防护的组织
未被防护的组织
骨髓 （2.4—3）
脑
免疫系统（1.8—3.4）
脊髓
皮肤 （2—2.4）
小肠 （1.8—2）
结肠 （1.2—1.8）
食道 （1.4）
肾
（1.5）
肝
（2.7）
唾液腺 （2.0）
睾丸 （2.1）
4. 氧效应（ oxygen effect）
易于发生。发生在自由基或自由基与有机 分子之间的单电子转移反应。
O2-·+ O2- ·+ 2H+ → H2O2 + O2 O2- ·+ H2O2 → O2 + ·OH + OH4) 链式反应: 在生物系统中脂质（RH）的过氢化就是
链式反应与支链反应。 5) 氧化还原反应: O-2在水溶液中主要起还原剂作用，
如处于单线激发状态的氧（1O2）虽不是自由基，但其活性很高， 从生物学意义上来讲属于活性氧。
O
2
2
符号
O 2
HO·2
HO· RO· ROO·
1O2
L· LOO·
常用氧自由基
中文名 超氧阴离子
英文名 Superoxide anion radical
氢过氧基 羟自由基 氧有机自由基 有机过氧基
亚细胞结构的破坏细胞内水解酶的释放信号转导网络的改变或破坏代谢的方向性和协调性的紊乱生物化学损伤细胞组织器官和系统的变化病理学改变功能变化亚细胞结构的破坏细胞内水解酶的释放信号转导网络的改变或破坏代谢的方向性和协调性的紊乱生物化学损伤细胞组织器官和系统的变化病理学改变功能变化三电离和激发?电离作用ionization生物组织分子被粒子或光子流撞击轨道电子击出产生自由电子和带正电荷的离子即形成离子对这一过程称为电离作用
第四章 电离辐射生物学效应基础
金顺子 教授/博导
吉林大学公共卫生学院 放射生物学教研室
Ionizing radiation is ubiquitous. Air, water, soil, plants, a nimals, people, food, paper, machinery and buildings are
自由基对生命大分子的作用
1）抽氢反应：自由基将有机分子中的H转移至自身，形 成有机自由基。
HO·+ RH → R·+ H2O H· + RH → R·+ H2
2) 加成反应：自由基加入至不饱和有机分子中双键部位 的反应
H·+ R―CH = CH2 → R―CH― CH2 · H
3) 歧化反应：既有氧化作用又有还原作用的自由基，
氧浓度对氧效应的影响
有氧条件下细胞放射敏感性增高 氧分压从0上升至1％，放射敏感性迅速增加
增至21％或至100％时，敏感性处于坪值
照射时间对氧效应的影响
照射前引入氧，表现出氧效应 照射后引入氧，无效
氧效应生物学意义：
许多实体瘤细胞是乏氧的，因而对放射治疗有抗 性，应用高压氧舱可以提高肿瘤细胞的氧合量， 或者放疗前使用乏氧细胞增敏剂可以增加射线对 肿瘤细胞的杀伤能力。
3. 防护效应（protective effect）：
指向受照射的生物系统中引入某种或某几种物质具 有能降低该系统的损伤程度的作用。
①辐射防护剂（radioprotectors）： 指有机体或某一种生物系统受辐照前或辐照后立 即给予某种物质，能减轻其辐射损伤，促进其修 复的物质。
②剂量降低系数（dose reduction factor，DRF） DRF= 有防护剂时，引起致死效应所需辐照剂量 无防护剂时，引起致死效应所需辐照剂量
特点：生物效应与辐射能量沉积发生于同一生物 大分子上。
直接作用
电离辐射对DNA分子损伤的直接作用
二、间接作用（indirect effect）
概念：电离辐射首先作用于水，使水分子产生 一系列原初辐射分解产物（H·，OH·，水合电子 等），再作用于生物大分子引起后者的物理和 化学变化。
特点：能量沉积和生物效应发生在不同分子
氧的双电子还原产物、烷烃过氧化物ROOH、均裂产物RO·，ROO·、 处于激发态的氧。
2. 氧化应激（Oxidative Stress）：是指具有活性的氧化 中间产物（ROI）所引起的生物学反应称为氧化应激。
3. 氧自由基（Oxygen free radical）：是指含有氧元素的 自由基。氧自由基都是活性氧，但活性氧不一定就是氧自由基。
电离辐射（Ionizing Radiation） 非电离辐射（Non- Ionizing Radiation ）
按本质和性质分类：
电磁辐射(Electromagnetic Radiation) 粒子辐射(Particle Radiation)
电离辐射与非电离辐射
电离辐射是指一切能引起物质电离的辐射总称。
OER= 缺氧条件下产生一定效应的剂量 有氧条件下产生同样效应的剂量
③ 氧效应的发生机制：氧具有双重作用。
氧固定假说 ：电离辐射在靶分子中诱发自由基，如果有氧存 在，辐射产生的自由基迅速与氧分子结合，形成一种妨碍靶 分子生物功能的集团 ROO▪。
辐射
O2
R
R▪
ROO▪
电子转移假说： 辐射→靶分子→游离电子（两种可能） 回到靶分子原位→自愈 转移到一个电子陷阱部位→靶分子损伤
也可能无害; ②损伤: 表示某种程度的有害变化，这种损伤是指对细胞
有害，不一定是对受照射的人体有害; ③损害: 指临床上可观察到的有害效应，表现于
受照射的个体(躯体效应)或其后代（遗传效应）; ④危害: 是一个复杂的概念，它将损害的概率、严重程度
和显现时间结合起来加以考虑。
辐射种类
按与物质作用分类：
自由基
自由基（free radical）：指含有一个或多个不配对电 子的原子、分子、离子或游离基团。
形成方式——均裂（homolytic fission)
自由基的特性：
高反应性： 带有未配对电子，具有强烈的获取或失去电子以成为配对 电子的趋势，因此化学性质活泼
不稳定性： 寿命短不稳定
电磁辐射--波谱
重点
传能线密度 与 相对生物效应
一、传能线密度
（linear energy transfer，LET）
• 定义：带电电离粒子在其单位长度径迹上消耗的
平均能量（单位J/m）。
• LET概念也适用于虽不是直接电离粒子，但通过次
级带电粒子的X、γ射线和中子。
• 与生物效应的关系：正相关
间接作用 电离辐射对DNA分子损伤的间接作用
电离辐射间接作用的四种效应
1. 稀释效应（dilution effect）：指最大的相对效应发
生在最稀释的溶液中。
• 一定剂量的电离辐射在溶液中产生固定数量自由基，
如果作用是间接的，那么失活的溶质分子数目就与溶 液浓度无关，只与产生的自由基数量一致；若作用为 直接的，则失活的溶质分子数将取决于受照溶液的溶 质分子数，并与溶液浓度成正比。
二、继发作用（secondary effect）：
是指在原发作用发生的基础上，因原发作用 形成的各种活性基团不断攻击生命大分子， 导致生物显微结构的破坏，继而发生一系列 生物学、生物化学的损伤效应。
继发反应：
亚细胞 结构的 破坏
细胞内水解 酶的释放
信号转导网络 的改变或破坏
代谢的方向性和 协调性的紊乱
二、 相对生物效能
（ elative biological effectiveness, RBE）
RBE ＝
X或γ射线引起某一生物效应所需剂量
所观察的电离辐射引起相同生物 效应所需剂量
（一） RBE的含义
RBE的大小随所比较的剂量不同而有些差别，最好在 平均灭活剂量或平均致死剂量下比较。
意义：主要是为了比较在剂量相同时，不同种类的电
病理学 改变
功能变化
细胞、组织器官 和系统的变化
生物化学损伤
三、电离和激发
电离（作用）（ionization）
生物组织分子被粒子或光子流撞击，轨道电子击出， 产生自由电子和带正电荷的离子，即形成离子对， 这一过程称为电离（作用）。
激发作用（excitation）
电离辐射与组织分子相互作用，能量不足以击出电 子，而使轨道电子从低能级跃迁到较高能级轨道， 分子处于激发态。激发分子很不稳定，容易向邻近 分子或原子释放能量。
电离辐射作用于机体后，其能量传递给机体的分 子、细胞、组织和器官等基本生命物质和分子后， 引起一系列复杂的物理、化学和生物学变化，由 此所造成生物体组织细胞和生命各系统功能、调 节和代谢的改变，产生各种生物学效应。
电离辐射生物效应的种类
ICRP第60号建议书(1991)中，区分以下四个述语: ①变化: 由辐射引起的某种生物学改变，可能有害，
医学放射生物学
研究电离辐射对机体（特别是人体）的各种细 胞、组织、器官和系统的作用规律和机理的一 门科学。
为保障机体安全和健康，探索有效防护措施和提高 临床放射治疗水平提供理论基础，使射线和核技术更 好地为人类服务。
第一节
辐射生物学效应基本概念
辐射生物效应
（biological effect of ionizing radiation）
Hydrogen peroxide radical Hydroxyl radical Oxygen organic free radical Organic peroxide radical
单线态氧
Singlet oxygen
脂自由基 脂过氧基
Lipid free radical Lipid peroxide radical
离辐射引起某一特定效应的效率的差别。即：剂量相 同、辐射种类不同，产生的效应也不同；若要产生相 同效应，则不同种类的辐射所需的剂量就不同。
（二）LET与RBE的关系
RBE的变化是LET的函数（正相关）
LET：<10kev/um时；LET∝RBE(缓慢） LET：10～100kev/um时；LET∝RBE（迅速） LET：>100kev/um时；LET继续增加，RBE反而下
• 在稀释溶液系统中，间接作用占主要地位
2. 温度效应（temperature effect）：
指在一定实验条件下，受照射系统（如酶浓度）的 辐射效应，随着周围温度升高而加重。
因为温度升高，增加了自由基接近酶的机会，使酶 分子损伤加重，反之亦然。
对于恒温生物表面来讲（包括人体），通常条件下 的照射所产生的辐射效应不受环境温度变化的影响。
电磁辐射（无形）
以相互垂直的电场和磁场，随时间变化而交变振荡， 形成向前运动的电磁波
电离辐射 (如X射线和 γ射线) 非电离辐射 (如无线电波、微波等)
粒子辐射（有形）
高能粒子通过消耗自身的动能把能量传递给其它物质 高速粒子、带电粒子
电离辐射
X,γ射线
电磁辐射
α 、β、中子 质子、负π
粒子辐射
顺磁性： 当电子成对存在于同一轨道时，由于两个电子的自旋方向 相反，各自的相应磁矩相互抵消，对外不 活性氧（reactive oxygen species,ROS）：是指含有 氧的活性物质，可能是氧的某些代谢产物和一些经过生 化反应而产生的含氧基团。主要有以氧的单电子还原产物、
① 氧效应：是指受照射的生物组织、细胞或生物大分子的辐 射效应随周围介质中氧浓度升高而增加。
氧 + 自由基 → 过氧化物自由基 (R00•)
在有氧条件下细胞放射敏感性增高，增高的幅度与氧浓度有关。
② 氧增强比（oxygen enhancement radio,OER）是指缺氧 条件下引起一定效应所需辐射剂量与有氧条件下引起同样 效应所需辐射剂量的比值。其公式是：
刺团
水的原初辐射反应并非平均分布于空间，一般是在 小的体积内成簇发生的，这种小的反应体积称为刺 团，平均半径为1.5nm，每个刺团内含有6个自由基。
重点
直接作用 与 间接作用
一、直接作用（direct effect）
概念：电离辐射的能量直接沉积于生物大分子， 引起生物大分子的电离和激发，破坏机体的核酸、 蛋白质、酶等具有生命功能的物质，这种直接由 射线造成的生物大分子损伤效应称为直接作用。
降，表明更多的射线并不能用于 引起生物效应上，反而被浪费了
原发作用 与 继发作用
一、原初作用（primary effect）
指从照射之时起到在细胞学上观察到可见损 伤的这段时间内，在细胞中进行着辐射损伤 的原初和强化过程。
包括物理、物理化学和化学三个阶段。 此过程中辐 射能量的吸收和传递、分子的激发和电离、自由基 的产生、化学键的断裂等，都是在生物体内进行的。
四、水的电离和激发
水的原初辐解产物： 电离辐射作用于机体的水分子，使水分子发生 电离和激发，产生自由基和分子。这种反应称 水的辐解反应，各种自由基和分子统称水的原 初辐解产物 。
水合电子
游离的电子在碰撞过程中丧失其大部分能量，当其 能量水平降至100eV以下而未被捕获时，可吸收若 干水分子而形成水合电子。
表4.5 WR2721对正常组织的防护作用
被防护的组织
未被防护的组织
骨髓 （2.4—3）
脑
免疫系统（1.8—3.4）
脊髓
皮肤 （2—2.4）
小肠 （1.8—2）
结肠 （1.2—1.8）
食道 （1.4）
肾
（1.5）
肝
（2.7）
唾液腺 （2.0）
睾丸 （2.1）
4. 氧效应（ oxygen effect）
易于发生。发生在自由基或自由基与有机 分子之间的单电子转移反应。
O2-·+ O2- ·+ 2H+ → H2O2 + O2 O2- ·+ H2O2 → O2 + ·OH + OH4) 链式反应: 在生物系统中脂质（RH）的过氢化就是
链式反应与支链反应。 5) 氧化还原反应: O-2在水溶液中主要起还原剂作用，
如处于单线激发状态的氧（1O2）虽不是自由基，但其活性很高， 从生物学意义上来讲属于活性氧。
O
2
2
符号
O 2
HO·2
HO· RO· ROO·
1O2
L· LOO·
常用氧自由基
中文名 超氧阴离子
英文名 Superoxide anion radical
氢过氧基 羟自由基 氧有机自由基 有机过氧基
亚细胞结构的破坏细胞内水解酶的释放信号转导网络的改变或破坏代谢的方向性和协调性的紊乱生物化学损伤细胞组织器官和系统的变化病理学改变功能变化亚细胞结构的破坏细胞内水解酶的释放信号转导网络的改变或破坏代谢的方向性和协调性的紊乱生物化学损伤细胞组织器官和系统的变化病理学改变功能变化三电离和激发?电离作用ionization生物组织分子被粒子或光子流撞击轨道电子击出产生自由电子和带正电荷的离子即形成离子对这一过程称为电离作用
第四章 电离辐射生物学效应基础
金顺子 教授/博导
吉林大学公共卫生学院 放射生物学教研室
Ionizing radiation is ubiquitous. Air, water, soil, plants, a nimals, people, food, paper, machinery and buildings are
自由基对生命大分子的作用
1）抽氢反应：自由基将有机分子中的H转移至自身，形 成有机自由基。
HO·+ RH → R·+ H2O H· + RH → R·+ H2
2) 加成反应：自由基加入至不饱和有机分子中双键部位 的反应
H·+ R―CH = CH2 → R―CH― CH2 · H
3) 歧化反应：既有氧化作用又有还原作用的自由基，
氧浓度对氧效应的影响
有氧条件下细胞放射敏感性增高 氧分压从0上升至1％，放射敏感性迅速增加
增至21％或至100％时，敏感性处于坪值
照射时间对氧效应的影响
照射前引入氧，表现出氧效应 照射后引入氧，无效
氧效应生物学意义：
许多实体瘤细胞是乏氧的，因而对放射治疗有抗 性，应用高压氧舱可以提高肿瘤细胞的氧合量， 或者放疗前使用乏氧细胞增敏剂可以增加射线对 肿瘤细胞的杀伤能力。
3. 防护效应（protective effect）：
指向受照射的生物系统中引入某种或某几种物质具 有能降低该系统的损伤程度的作用。
①辐射防护剂（radioprotectors）： 指有机体或某一种生物系统受辐照前或辐照后立 即给予某种物质，能减轻其辐射损伤，促进其修 复的物质。
②剂量降低系数（dose reduction factor，DRF） DRF= 有防护剂时，引起致死效应所需辐照剂量 无防护剂时，引起致死效应所需辐照剂量
特点：生物效应与辐射能量沉积发生于同一生物 大分子上。
直接作用
电离辐射对DNA分子损伤的直接作用
二、间接作用（indirect effect）
概念：电离辐射首先作用于水，使水分子产生 一系列原初辐射分解产物（H·，OH·，水合电子 等），再作用于生物大分子引起后者的物理和 化学变化。
特点：能量沉积和生物效应发生在不同分子
氧的双电子还原产物、烷烃过氧化物ROOH、均裂产物RO·，ROO·、 处于激发态的氧。
2. 氧化应激（Oxidative Stress）：是指具有活性的氧化 中间产物（ROI）所引起的生物学反应称为氧化应激。
3. 氧自由基（Oxygen free radical）：是指含有氧元素的 自由基。氧自由基都是活性氧，但活性氧不一定就是氧自由基。
电离辐射（Ionizing Radiation） 非电离辐射（Non- Ionizing Radiation ）
按本质和性质分类：
电磁辐射(Electromagnetic Radiation) 粒子辐射(Particle Radiation)
电离辐射与非电离辐射
电离辐射是指一切能引起物质电离的辐射总称。
OER= 缺氧条件下产生一定效应的剂量 有氧条件下产生同样效应的剂量
③ 氧效应的发生机制：氧具有双重作用。
氧固定假说 ：电离辐射在靶分子中诱发自由基，如果有氧存 在，辐射产生的自由基迅速与氧分子结合，形成一种妨碍靶 分子生物功能的集团 ROO▪。
辐射
O2
R
R▪
ROO▪
电子转移假说： 辐射→靶分子→游离电子（两种可能） 回到靶分子原位→自愈 转移到一个电子陷阱部位→靶分子损伤
也可能无害; ②损伤: 表示某种程度的有害变化，这种损伤是指对细胞
有害，不一定是对受照射的人体有害; ③损害: 指临床上可观察到的有害效应，表现于
受照射的个体(躯体效应)或其后代（遗传效应）; ④危害: 是一个复杂的概念，它将损害的概率、严重程度
和显现时间结合起来加以考虑。
辐射种类
按与物质作用分类：
自由基
自由基（free radical）：指含有一个或多个不配对电 子的原子、分子、离子或游离基团。
形成方式——均裂（homolytic fission)
自由基的特性：
高反应性： 带有未配对电子，具有强烈的获取或失去电子以成为配对 电子的趋势，因此化学性质活泼
不稳定性： 寿命短不稳定
电磁辐射--波谱
重点
传能线密度 与 相对生物效应
一、传能线密度
（linear energy transfer，LET）
• 定义：带电电离粒子在其单位长度径迹上消耗的
平均能量（单位J/m）。
• LET概念也适用于虽不是直接电离粒子，但通过次
级带电粒子的X、γ射线和中子。
• 与生物效应的关系：正相关
间接作用 电离辐射对DNA分子损伤的间接作用
电离辐射间接作用的四种效应
1. 稀释效应（dilution effect）：指最大的相对效应发
生在最稀释的溶液中。
• 一定剂量的电离辐射在溶液中产生固定数量自由基，
如果作用是间接的，那么失活的溶质分子数目就与溶 液浓度无关，只与产生的自由基数量一致；若作用为 直接的，则失活的溶质分子数将取决于受照溶液的溶 质分子数，并与溶液浓度成正比。
二、继发作用（secondary effect）：
是指在原发作用发生的基础上，因原发作用 形成的各种活性基团不断攻击生命大分子， 导致生物显微结构的破坏，继而发生一系列 生物学、生物化学的损伤效应。
继发反应：
亚细胞 结构的 破坏
细胞内水解 酶的释放
信号转导网络 的改变或破坏
代谢的方向性和 协调性的紊乱
二、 相对生物效能
（ elative biological effectiveness, RBE）
RBE ＝
X或γ射线引起某一生物效应所需剂量
所观察的电离辐射引起相同生物 效应所需剂量
（一） RBE的含义
RBE的大小随所比较的剂量不同而有些差别，最好在 平均灭活剂量或平均致死剂量下比较。
意义：主要是为了比较在剂量相同时，不同种类的电
病理学 改变
功能变化
细胞、组织器官 和系统的变化
生物化学损伤
三、电离和激发
电离（作用）（ionization）
生物组织分子被粒子或光子流撞击，轨道电子击出， 产生自由电子和带正电荷的离子，即形成离子对， 这一过程称为电离（作用）。
激发作用（excitation）
电离辐射与组织分子相互作用，能量不足以击出电 子，而使轨道电子从低能级跃迁到较高能级轨道， 分子处于激发态。激发分子很不稳定，容易向邻近 分子或原子释放能量。
电离辐射作用于机体后，其能量传递给机体的分 子、细胞、组织和器官等基本生命物质和分子后， 引起一系列复杂的物理、化学和生物学变化，由 此所造成生物体组织细胞和生命各系统功能、调 节和代谢的改变，产生各种生物学效应。
电离辐射生物效应的种类
ICRP第60号建议书(1991)中，区分以下四个述语: ①变化: 由辐射引起的某种生物学改变，可能有害，