3.2.1　放射性核素的作用机理

3.2.1　放射性核素的作用机理

3.2.1.1　射线与机体作用的过程

放射性核素核衰变释放的α和β带电粒子及γ射线，对生物机体可产生一系列作用。放射性核素释放的α和β带电粒子与生物体作用时，可发生以下3种形式的能量转换：

①使生物体中的原子或分子激发或电离，将部分能量转化为激发能和电离能。

②带电粒子通过与生物体原子和分子发生不断的弹性碰撞，将带电粒子的一部分能量转化为热能。

③带电粒子在生物体原子核电场的作用下，运动方向发生变化并得到加速度，使一部分动能转化为具有连续能量分布的韧致辐射。

放射性核素释放的γ射线通过生物体时，主要发生光电效应、康普顿效应和电子对生成这3种作用过程。在机体组织中，低能光子以产生光电效应为主，而中等能量光子以产生康普顿效应为主，至于高能光子则以电子对生成为主。

3.2.1.2　生物分子的电离与激发

在电离辐射作用下，生物效应主要起源于组成生物系统的各种分子的电离。由于电离是一种非选择性的过程，任何处在电离粒子径迹上的原子和分子都有可能被电离。因此，组成生物系统主要成分的分子发生电离的机会最大。生物细胞内的分子种类很多，其结构与功能的复杂程度也各不相同。从放射毒理学的角度来看，其中以生物大分子和水分子更具有特别重要的意义。

电离辐射可以使分子跃迁到各种激发态上，甚至可跃迁到能级高于分子电离电位的超激发态。带电粒子与分子中的电子碰撞而使电子击出，可以造成分子的直接电离，然而更多地却是使分子激发到超激发态而电离。因此，可以把电离看成是一种强烈的激发，即分子被激发到电离电位以上。由于细胞内生物大分子存在于细胞内大量水分子的环境中，所以电离辐射作用于生物大分子和水分子时，均可使它们电离和激发，一方面可引起生物大分子的损伤，另一方面可导致水分子改变而产生许多活性产物，后者又可进一步引起生物大分子的损伤。

放射性核素的辐射能作用于水分子时，可将水分子中的电子击出，引起电离，使水分子变成带正电的离子H 2 O+，而被击出的电子称为热电子。H 2 O+为不稳定离子，在水中解离为氢离子（H+）和羟自由基（·OH）。热电子在其运动途径中又不断和水分子碰撞，击出其他水分子中的电子，引起次级电离。这些电子在其运动和引起电离的过程中逐渐丧失能量，直至不能再击出其他分子的电子时，它们就被水分子捕获，形成带负电的水离子（H 2 O-）。H 2 O-也极不稳定，在水中解离成羟离子（OH-）和氢自由基（H·）。一部分电子尚可与H+作用形成H·。电子在碰撞过程中丧失其大部分能量，电子能量水平降至100 eV以下而未被捕获时，可以吸收若干水分子而形成水合电子（hydrated electron，），它可以与氧结合成超氧阴离子（O 2-），这在间接作用中具有重要作用。(https://www.daowen.com)

当放射性核素发出的辐射对水分子作用时，若水分子所获能量尚不足以使电子击出，亦即不能发生电离作用，而只使水分子的电子跃迁至外层，使其能量水平升高，即称为水分子的激发。激发的水分子（H 2 O*）很不稳定，释放能量后即解离成为H·和·OH两种自由基。这些自由基的能量较小，重组合的概率较高。总的来说，自由基虽不稳定，易与其他分子发生反应，但比电离作用的产物——离子，如H 2 O+要稳定得多。小分子自由基可在介质中扩散，并从与其相遇的分子获取其所需的电子。这是小分子自由基与距其产生部位较远的分子发生反应的一种方式。但应指出，由于自由基的寿命较短，没有足够的时间扩散到很远的部位，一般在不到1μm的距离内即发生某种变化或反应。自由基可将其多余的电子传给邻近的分子，后者又将其传给另外的分子，接受此电子的分子相继变为自由基。这种链式反应可依次在一群分子中发生，从而引起有机分子的改变。

生物大分子亦可被电离而产生自由基，这个反应既可迅速消失，又可继续发生反应而导致生物损伤。应当指出的是，水经辐照后的这些辐射分解产物在生物体内的分布是极不均匀的，它们仅仅存在于两者相互作用部位平均直径约1.5 nm的小体积内。这在内照射情况下，特别是在高LET辐射时，就更为突出。

3.2.1.3　直接作用和间接作用

在生物机体中，直接作用主要是指放射性核素所释放出的粒子或射线直接使生物活性分子引起激发和电离，从而引起正常功能和代谢障碍的损伤，继而导致具有生物活性的有机化合物分子如核酸、蛋白质等的变化。实验证明，放射性核素的辐射可以引起DNA链的断裂、解聚和黏度下降等。某些酶也可受辐射作用而降低或丧失其活性。此外，辐射亦可直接破坏膜系统的分子结构，如线粒体膜、溶酶体膜、内质网、核膜和质膜等，引起酶的释放，从而影响细胞的正常功能状态。

间接作用主要是指放射性核素的辐射通过水的原发辐解产物作用于生物大分子而引起损伤。鉴于机体多数细胞的含水量很高，可达70%以上，而细胞生物大分子一般存在于含大量水分子的环境之中，因此间接作用在生物大分子损伤的发生上起着重要作用。

从整体来看，电离辐射的直接作用和间接作用在细胞内是同时存在的，在放射损伤的发生发展中是相辅相成的。

3.2.1.4　靶分子和靶结构

按照现代分子生物学的观点，DNA和膜是电离辐射作用的靶，是引起细胞一系列生化、生理和病理变化的关键环节。DNA对辐射非常敏感并且具有非常重要的生物功能，细胞DNA一旦受到辐射损伤，就会给机体造成严重的后果。基因组DNA的非随机性损伤对辐射诱发突变、癌变、细胞老化和死亡都有重要意义。

生物膜也具有重要的生物功能并且对电离辐射具有高度敏感性，细胞膜可以看作是一个巨大的分子复合体。当细胞受照后，膜上的鞘磷脂含量迅速下降，而它的酶解产物神经酰胺的含量迅速上升。已经证明神经酰胺是第二信使，介导细胞凋亡，而且DNA链必须附着在膜上或形成DNA膜复合物时才能复制，射线一旦破坏了这种附着点，DNA复制就会停止。