问题

辐射引发DNA结构改变的大致过程是什么?

回答
好的,我们来聊聊辐射是怎么悄悄地在DNA里捣乱的,让它发生结构上的变化。这可不是什么突然的爆炸,而是一个循序渐进、层层递进的过程。

首先,我们要知道,DNA就像是一条非常精密的双螺旋楼梯,由许多叫做“核苷酸”的化学单位组成,它们有序地排列着,决定了我们身体的方方面面。这条楼梯非常重要,所以细胞里其实有很多“维修工”随时待命。

当辐射(比如X射线、伽马射线,或者更微小的紫外线)“撞”上DNA时,事情就开始发生了。

第一步:能量的传递与“撞击”

辐射携带能量。当这些能量被DNA的某个部分吸收时,就像一束光打在了楼梯的扶手上。这个吸收的能量会引起DNA分子中化学键的振动,甚至断裂。

直接作用: 有时候,辐射的粒子或能量波直接击中DNA分子的某个原子,比如糖、磷酸基团或者碱基(A、T、C、G)的某个键。就像一根细小的针直接扎进楼梯的木头里。这会直接破坏DNA的化学结构。
间接作用: 更有趣的是,辐射也常常作用于DNA周围的水分子。水分子吸收辐射能量后,会产生一些非常活跃的、不稳定的化学物质,我们称之为“自由基”。这些自由基就像是一群不讲道理的小捣蛋,它们会冲上去攻击DNA,夺走DNA分子上的电子,从而破坏DNA的结构。这就像水分子变成了“化学炸弹”,爆炸的威力波及到了DNA。

第二步:DNA结构的损伤

这些“撞击”和“化学攻击”会导致DNA发生各种各样的损伤,它们可以分为几种主要的类型:

单链断裂(SingleStrand Break, SSB): 这是最常见的损伤,就像楼梯的一根竖杆断了一截。DNA双螺旋中的一条链上的化学键断裂了。虽然另一条链还在,但这条断裂的链会失去原有的完整性,信息传递可能会出错。
双链断裂(DoubleStrand Break, DSB): 这是最危险的损伤,因为这意味着整条DNA楼梯在同一水平面上的两条链都断了。这就像楼梯在同一层完全断成了两截,而且是两条都断了。恢复起来难度很大,如果不能正确修复,后果可能非常严重。
碱基损伤: DNA的“台阶”——碱基——也可能被辐射破坏。比如,碱基会发生氧化,或者结构发生扭曲、脱落,甚至与其他化学物质结合,形成“加合物”。这就像台阶上的某个图案被刮花了,或者台阶本身变了形。
糖磷酸骨架损伤: 楼梯的“扶手”——糖和磷酸基团连接成的骨架——也可能受到影响,键断裂或者发生其他化学修饰。

第三步:结构改变的后果

这些损伤,尤其是碱基损伤和糖磷酸骨架的改变,会导致DNA螺旋结构的局部扭曲、弯曲,或者形成异常的连接。

碱基对的错配: 当碱基被破坏或改变后,在DNA复制过程中,细胞的“复制机器”可能会把错误的碱基“插”进去,导致DNA序列发生突变。这就像楼梯的台阶本来是AT配对,结果因为辐射,A被错误地换成了C,导致AC配对。
碱基丢失或插入: 有时候,损伤会导致一个或多个碱基从DNA链上脱落,或者发生不该有的插入。这就像楼梯突然少了一段台阶,或者多出来一小节。
交联(Crosslinking): 辐射也可能导致DNA分子内部的区域或者DNA分子之间发生异常的化学连接。比如,两个相邻的碱基(特别是胸腺嘧啶,T)在辐射作用下容易连接在一起,形成“嘧啶二聚体”。这就像楼梯扶手上本来不该连在一起的两段,突然被焊死了。这种交联会严重阻碍DNA复制和转录,导致DNA结构失常。
“气泡”或“结”的形成: 碱基的改变和骨架的断裂,会使得DNA双螺旋结构局部变得不稳定,可能形成临时的“气泡”结构(解开螺旋),或者在断裂处形成“发夹”结构,进一步加剧结构混乱。

第四步:修复或“恶化”

细胞并不是对这些损伤束手无策。它有一整套精密的DNA修复机制,就像训练有素的维修团队。

修复: 如果损伤比较轻微,比如单链断裂或者一些碱基损伤,细胞可以通过DNA修复酶将其纠正回来,恢复DNA的原始结构。
“沉默”或“凋亡”: 但如果损伤非常严重,尤其是双链断裂,修复过程可能不完美,或者修复的代价太大。在这种情况下,细胞可能会选择“停止工作”(进入细胞周期阻滞),等待机会修复;或者,如果损伤实在无法挽回,细胞会启动“程序性死亡”(细胞凋亡),以避免将错误信息传递下去。
癌变: 最糟糕的情况是,如果修复失败,而且细胞没有启动凋亡,那么DNA结构的错误就会被保留下来,并且在下一次细胞分裂时被复制和传递下去。这些错误(突变)如果发生在控制细胞生长和分裂的关键基因上,就可能导致细胞失去控制,最终发展成癌症。

所以,辐射对DNA结构改变的过程,是一个由能量吸收引发的一系列化学反应,导致DNA分子不同程度的损伤,这些损伤会扭曲DNA的精细结构,并可能在细胞分裂过程中带来无法挽回的错误,最终影响到生命体的健康。

网友意见

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有专业的回答了,他们大多都很棒的,但是题主的问题实在太少儿了,以至于我想应该写些科普的——

(有错误希望指正,毕竟知识仅限于大学时的几个课本上,之后就没有再了解过了)

依照我对于问题的理解,题主所说的辐射能够引起原子核动能的改变,并且辐射粒子入射能不是很高,不能突破核子间的作用力使其结合,所以定义为电离辐射中的粒子辐射和一些高能电磁波辐射(都可以导致靶核电离)。所以,这道题中,破坏DNA结构的是一些重粒子,比如中子n、质子p、alpha粒子(虽然其实也没有那么重了),还有高能电磁波,比如短波紫外线。

首先说说理想情况:

以中子轰击Au板的实验为例,当他们飞掠(其实并没有实际接触,仅仅发生比如散射等“友好”接触,因为其能量并达不到使二者接触引起核结构改变的水平)这些原子核时,入射粒子和靶核的动量均改变(总能量不变)。这个过程会赋予靶核一定的速度,使其离开原有位置,这个过程会使晶体发生晶格形变。但是由于他们二者尺寸相比于原子本身来说都很小,所以反应发生的概率并不高,而且后果可认为是一定范围内随机的(反应角度限制)。

但是刚才所说的反应,对于DNA分子中的原子来说就是完全的破坏,一个原子的位移足以造成原DNA结构改变。那么这个被破坏的分子废了,或者改变了,但作为生物,咱们还能挣扎一下,我们的RNA开始工作,试图修复破损的DNA,但是他有脑抽的时候,而且破坏程度也不相同,所以就会有一定概率发生各种变异。

这些粒子中,α和质子本身带电,一般距离短时就能量消耗掉了(大学教授们多半会开的玩笑:alpha粒子用一张纸就可以拦住,我们的皮肤可以防α辐射),中子由于不容易反应,自重轻,不带电荷,会在靶内穿行很长距离,所以外照射中子很可怕。但是内照射(放射源位于体内)就反过来了,毕竟α粒子体重大,带电荷多,相比其他两个小兄弟容易产生较大的破坏,所以——别惹胖子。

至于高能电磁波,也许是引起DNA分子内原子间的键位变化导致结构改变,这不属于我擅长的领域,可以参考别的大神的详细解释。

此外,致癌(DNA改变)这一项辐射后效是随机事件,不是确定性事件(发生存在阈值,一定剂量下没有产生的可能)——即使受到少量辐射也会有概率产生此后果,后果发生概率与受辐射剂量相关。PS:辐射导致不孕属于随机性事件,不谢~

但是,

这些粒子不是善茬,他们照射人体时不光参与破坏DNA,而是会破坏沿途遇到并发生“遇到”的一切原子核(靶核)。大多数细胞就因为大量的结构破坏直接死掉了,没机会变异,剩下的DNA被破坏,导致无法生产生成必要的蛋白质,所以大部分都没有好下场。只有一小部分活下来的细胞会得到良性改变,或者成为生命的终极形态癌。所以不要想着变绿巨人,那要人品多么好才能使全身细胞向着一个形态改变。

最后,说一下一般人的话:)怎么预防辐射——

1,远离辐射源,辐射强度和距离2次方成反比,这个是最有效的了吧?不要手贱去乱捡地上的小钢珠,医院里不要随便跑到放射科的工作间(医生工作是有严格的流程的,这是他们的保障,希望有了解的大大写出来分享),饭前洗手。

2,屏蔽措施,你喜欢穿个含铅水泥板出门或者天天潜水,甚至披个铁渔网蹭wifi,我真的不介意啊……PS:铅防护服真的超级重。

3,多吃盐,比如知乎《盐》系列电子书。

下面讲一个真实、娱乐小故事,权当消遣:

可以去翻维基百科(由于被墙,链接不贴了)

受加速器粒子流(电子,貌似,具体忘了)辐射的人——是一个俄罗斯老大爷,再一次试验中将头伸入加速器腔内检查(这很战斗),而此时,他的同事开机测试粒子原发生器(仅激发器在工作,不然加速器加的电压就足够让我们缅怀老大爷了),结果就是这位老爷爷——“当时感到强大的光亮充满了我的一只眼睛,只看到了一片光亮(电子在视网膜上作用产生光子?),感到有点麻痹,不过等我撤回来后,不适感消失”;“N小时后面部出现酥麻感,第2天皮肤开始发红,第3天开始,面部出现浮肿“;“5天浮肿加剧”;“10天左右开始消肿了”;”15天后,浮肿完全消除,皮肤依旧发红“,”一个月后基本没有影响了,但偶尔头痛,几月后就没有明显反应了“。之后这位老先生继续坚持在科研和教育上。

……为战斗民族点赞……

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