第二章 电离辐射的分子生物学效应

1. 第二章电离辐射的分子生物学效应

2. 核酸概述 • 核酸是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。 • 核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究领域，是基因工程操作的核心分子。

3. 核酸的种类和分布 • 核酸分为两大类： • 脱氧核糖核酸 （Deoxyribonucleic acid ，DNA） • 核糖核酸 （Ribonucleic acid，RNA）

4. DNA的分布： 98％核中（染色体中） 真核线粒体（mDNA） 核外 叶绿体（ctDNA） DNA拟核 原核 核外：质粒（plasmid） 病毒：DNA病毒

5. tRNA • rRNA • mRNA • 其它 • RNA病毒：SARS • RNA主要存在于细胞质中 分子生物学的中心法则

6. 碱基 核苷 戊糖 核酸 核苷酸 磷酸 元素组成： C H O N P 核酸的基本化学组成

7. Ribose Deoxyribose 一、戊糖 组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。

8. 6 二、碱基 7 5 1 8 2 1、嘌呤（Purine） 4 9 3 • 鸟嘌呤guanine • 腺嘌呤Adenine A G

9. 2. 嘧啶（Pyrimidine） 4 5 3 6 2 1 尿嘧啶 uracil 胞嘧啶 cytosine 胸腺嘧啶 thymine U C T

10. 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。

11. 5’ 5’ 4’ 1’ 4’ 1’ 3’ 2’ 3’ 2’ (OH) (OH) 三、核苷（nucleoside） • 核苷：戊糖+碱基 • 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键

12. H H H H H H H H H 四、核苷酸（nucleotide）核苷酸核苷+磷酸 戊糖+碱基+磷酸

13. 5’ 3’ 5’ 3’ 五、多聚核苷酸（核酸） • 多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3’-OH与另一分子核苷酸的5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。

15. T U OH OH OH OH OH OH 3’ 5’ 3’ 5’ • 5′-磷酸端（常用5’-P表示）；3′-羟基端（常用3’-OH表示） • 多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。 多聚核苷酸的表示方式 DNA RNA 5′PdAPdCPdGPdTOH 3′ 5′PAPCPGPUOH ′ 或5′ACGTGCGT 3′ 5′ACGUAUGU 3′ ACGTGCGT ACGUAUGU

16. 第一节辐射所致DNA损伤及其生物学意义

17. Nucleic Acid chemistry

19. DNA的结构 • DNA的一级结构 • 脱氧核糖核酸的排列顺序 • 可以用碱基排列顺序表示 • 连接键：3’，5’-磷酸二酯键 • 磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架 • 碱基形成侧链 • 多核苷酸链均有5’-末端和3’-末端

20. DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。

21. 基因与基因组 • 基因（gene） 编码有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核酸序列（DNA序列） 一段有功能的DNA片段，生物细胞中DNA分子的最小功能单位（交换单位）。 一个基因不仅包括编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列，还包括保证转录所需的调控序列，，位于编码上游5‘端的非编码序列、内含子和位于编码下游3’端的非编码序列。

22. 蛋白质（mRNA→蛋白质） 结构基因 产物 tRNA 基 因 RNA rRNA 调节功能：调节基因 无产物 作用未知

23. 基因组（genome） 某生物体（完整单倍体）所含全部遗传物质的总和。 包括：核基因组（拟核/核DNA）及核外（质粒/质体DNA）

24. bp（碱基对） 人 两栖类 鱼类 藻类 酵母 细菌 E.Coli 病毒 质粒 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 各种细胞、病毒和细菌质粒中基因组的大小

25. DNA的二级结构 • DNA的双螺旋模型 • 1953年，J. Watson和F. Crick 在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。 • 在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。

27. 2.0 nm 小沟 大沟

28. 稳定双螺旋的力 • 氢键 • 碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力） • 离子键等 • DNA变性剂（热、pH、脲/酰胺、有机溶剂）

29. DNA的存在形式

30. 真核 双链线性DNA（dsDNA）

32. DNA双螺旋缠绕在组蛋白珠外形成核小体，核小体自身堆积成纤维，纤维折叠起来并卷曲成不规则的螺旋状，形成染色体。DNA双螺旋缠绕在组蛋白珠外形成核小体，核小体自身堆积成纤维，纤维折叠起来并卷曲成不规则的螺旋状，形成染色体。

33. 一、电离辐射致DNA的损伤 • 电离辐射损伤DNA途径: • 直接作用 指射线直接作用于DNA分子，通过电离和激发使DNA受到损伤。 • 间接作用 指射线与DNA周围其它原子或分子特别是水分子作用，产生具有很高活性的自由基（如·OH，·H和eaq-）进而损伤DNA。

35. 二、电离辐射致DNA分子的变化 • DNA链断裂—单链断裂（SSB） 双链断裂（DSB） • DNA交联—DNA链交联 DNA-蛋白质交联 • DNA二级和三级结构的变化 其中DSB是辐射所致生物学效应中最重要的原初损伤，而非重接性的DSB则被认为是细胞杀伤效应的最重要的损伤。

36. 一、DNA链断裂（DNA strand break) • 单链断裂（single strand break，SSB)：DNA双螺旋结构中一条链断裂 • 双链断裂（double strand break，DSB)：DNA双螺旋结构中两条互补链于同一对应处或相邻处同时断裂

37. 单链断裂 双链断裂

41. 一）、DNA链断裂的分子机制 • （1）脱氧戊糖和磷酸二酯键的破坏（直接） 三种自由基：eaq-，.OH，H. DNA链断裂主要与.OH作用有关，从脱氧戊糖抽氢，形成了5中不同的反应产物。

42. .OH从脱氧戊糖中抽氢，主要作用于C(3’，5’），C（3’)上磷酸二酯键断裂多余C（5’）端。.OH从脱氧戊糖中抽氢，主要作用于C(3’，5’），C（3’)上磷酸二酯键断裂多余C（5’）端。 .OH攻击糖基C(1’、2’、4’)形成碱不稳定性位点（alkali labile sites, ALS），这些位点在碱处理后发生链断裂。

43. 碱不稳定性位点（ ALS） .OH对C（1’）， C（2 ’）， C（3’）， C（4’）攻击后的产物，在与六氢吡啶供热后都能导致DNA链的断裂。所以，在DNA链上含有损失后经碱处理后导致DNA链断裂的位点，这些位点称为碱不稳定性位点（ ALS）

44. 5 3

45. （2）碱基损伤 (base damage) • 1、充氧溶液中碱基损伤 • 嘧啶碱：羟自由基攻击5、6位 • 腺嘌呤：羟自由基攻击8位 • 鸟嘌呤：羟自由基攻击4、5、8位 • 2、细胞中碱基损伤 • 进展不大，用电子自旋共振仪

46. 鸟嘌呤guanine • 腺嘌呤Adenine 5 8 8 4 A G

47. 酶敏感位点(enzyme sensitive sites，ESS）：碱基损伤可引起DNA双螺旋的局部变性，特异的核酸内切酶能识别和切除这种损伤，并通过酶的作用，产生链断裂。这种特异性酶敏感位点称为ESS。 无嘌呤或无嘧啶位点（apurinic/apyrimidinic sites ， APS）：DNA链上损伤的碱基可被特异的DNA－糖基化酶除去或由于N－糖基键的化学水解而丢失，形成APS。形成APS在内切酶的作用下形成链断裂。

48. 二）、不同条件下辐射所致的DNA链断裂 • 1、充氧溶液中 DNA双链上引起SSB的概率均等，产额与放置时间、溶液PH有关。 2、固态下照射DNA 产生SSB与 PH有关。 以上两种情况均可产生ALS。 3、细胞中DNA受照射：与周围介质有关

49. 三）、辐射引起DNA链断裂的主要特点 • 1、SSB与DSB的比值：10～20 • 2、LET对链断裂的影响：随LET增加，SSB降低，DSB增加。 • 3、氧效应对链断裂的影响：断裂增加，SSB增加明显。 • 4、DNA链断裂的部位：有争议。与ALS与碱基本身有关。

50. 碱基位置发生断裂的顺序：G>A>T≥C（低剂量），T>G>A≥C • 5、DNA链断裂与细胞辐射敏感性的关系 • 无明显关系 • 损伤后修复与敏感性有关。