生物大分子通常是指核酸和蛋白质大分子(包括酶)，它们是生命活动的物质基础。生物膜由脂质和蛋白质大分子组成，其完整性对于细胞和细胞器执行正常功能十分重要。电离辐射可引起生物大分子和生物膜的损伤，这些损伤是产生辐射生物效应的基础。
电离辐射作用于生物分子，导致分子的电离和激发，这一原初物理过程的发生时间是很短促的，随即经历物理化学阶段与化学阶段，从而引起生物大分子的损伤。电离辐射对生物大分子的影响是射线的直接作用和间接作用共同造成的结果。
电离辐射对核酸大分子的作用 核酸分为两大类，即脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。电离辐射对两种核酸大分子都有影响。
对DNA的影响 DNA分子是细胞中携带遗传信息的物质基础，它是由含腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶及胸腺嘧啶的脱氧核苷酸聚合而成的大分子。分子量约为106～109。根据Watson-Crick模型，这些核苷酸连接成为多核苷酸的长链，两条链中所含的碱基通过氢键形成互补的碱基对，从而使两条多核苷酸链稳固地并联起来，并绞合成为双螺旋结构。电离辐射作用于DNA分子可引起以下具有特点的变化。
(1) 碱基的破坏或脱落： 电离辐射使DNA分子中的嘌呤碱或嘧啶碱受到破坏或脱落。一般说来，碱基的破坏多于碱基的脱落。在DNA溶液中生成的约75%自由基很可能是通过对碱基的损伤而破坏了DNA的分子结构。嘧啶碱比嘌呤碱对射线更为敏感，而在嘧啶碱中以胸腺嘧啶最为敏感。碱基破坏主要表现为降解，如腺嘌呤和胞嘧啶脱氨降解分别成为次黄嘌呤和尿嘧啶。大剂量照射后，胸腺嘧啶的降解产物中有尿素。
(2) 单链或双链断裂： DNA分子对射线的反应，单链断裂比双链断裂多，一般前者约占90%，后者为10%。照射后，DNA链最易出现断裂的部位，依次为脱氧核糖(dR)的3′～4′位碳原子之间、dR的4′～5′位碳原子之间、dR的5′碳原子和磷酸之间、磷酸与dR的3′位碳原子之间。DNA分子中糖和磷酸之间的单链断裂有时不易被发现，因为牢固结构构型使分子的活动受到了限制，链的断裂端不易散开，容易重接而得到修复。在有氧情况下，如果断链的一端处于反应状态而形成过氧化物，则断链就不能重接。一条主链双链断裂后，产生了可分离的片段，双链断裂对细胞的危害比单链断裂大得多。现已证明，双链断裂仍有可能修复，但较困难。通常认为双链断裂所需的能量比单链断裂约高10倍。
(3) 氢键破裂： DNA分子两条多核苷酸链的互补碱基之间的氢键在照射后发生破裂，表现为紫外消光系数的增加和“熔解”温度的降低。在低剂量照射时，每一单链断裂约有十几个氢键破坏，即单链断裂的位置上，平均约有3～4个互补碱基对没有氢键连接，这种氢键破裂后很快得到恢复。但在高剂量电离辐射影响下，大量氢链遭到破坏，这就产生不可逆的损伤。单链断裂可能是氢键破裂的原因之一。单链断裂后，水分子便透入到DNA分子双螺旋中去，并与碱基形成氢键，于是双螺旋结构变得松散，两条多核苷酸链就被“拉开”。
(4) 螺旋结构中的交联： 紫外线能导致DNA分子螺旋中相邻碱基的链内交联。例如，两个邻近的胸腺嘧啶发生交联成为二聚体键，后者比氢键要稳定得多。电离辐射有时也能引起碱基的链间交联。
(5) DNA分子间的交联： 照射干燥DNA，DNA分子间发生交联。DNA水溶液浓度越稀，分子运动使链的活性端更易接触，交联的数量也随之增加。
(6) DNA与蛋白之间的交联： DNA分子受照射后与其周围的染色质蛋白之间，通过基团终止反应产生了更为稳定的共价交联。
DNA大分子经电离辐射作用后，一旦出现任何上述类型的变化，均能引起DNA大分子功能的深刻变化。例如，DNA分子中碱基组成及其排列次序是决定遗传密码的，碱基的损伤或脱落必然会影响遗传信息的传递或导致突变。在试管内这些变化通常是经过大剂量(往往是万拉德以上)照射后才发生。在活体内电离辐射对细胞中DNA大分子的破坏也是肯定的，但情况要复杂得多。细胞中DNA分子与组蛋白或其它染色体蛋白结合形成脱氧核糖核蛋白(DNP)，这些被结合的蛋白分子对DNA分子可能具有辐射防护作用。细胞中DNA合成代谢的抑制以及分解代谢的增强，都受环境中各种复杂因素的影响。诸如细胞周期的不同时间，细胞本身精细的修复功能，体液因子以及有氧或无氧状态等等。在活体内照射时，上述各种类型的变化都可能在DNA大分子中发生。碱基变化，链的断裂，交联的发生都可导致细胞遗传性质的改变。
对RNA的影响 RNA主要分为核蛋白体RNA(rRNA)，转移RNA(tRNA)及信使RNA(mRNA)，它们的碱基组成，分子大小及生物功能等方面都有所不同。电离辐射对RNA作用所产生的变化多半和DNA大分子情况相似。RNA分子发生变化，影响了它的生物功能，例如： mRNA分子损伤使其遗传信息的传递功能障碍，从而破坏了蛋白质的合成，以致引起细胞死亡。
电离辐射对蛋白质大分子的作用 生物组织中蛋白质含量很高，仅次于水而占第二位，约为机体干重的50%以上。蛋白质是亲水胶体，它的性质与胶体表面的电荷、固定水层、及结合于此表面的电解质和其它胶体有关。高聚分子和超分子的蛋白结构中出现微小的变化都可能影响生物学功能(包括酶活性的改变)，因为生命过程的调节功能是和蛋白质结构的天然状态密切相关。
氨基酸是蛋白质分子的基本组成单位，它的氨基部分对辐射比较敏感。然而，在氨基酸参预蛋白质的形成时，它的氨基部分与相邻氨基酸的羧基结合形成肽键就不易从蛋白质分子中移去。所以，蛋白质分子中的侧链就成为辐射的敏感部位，这些侧链可能是半胱氨酸的SH基，丝氨酸、酪氨酸和羟脯氨酸的OH基，它们都很容易被自由基所氧化。
电离辐射引起蛋白功能的丧失往往不是因为肽键或是一级结构中肽链骨架的断裂，而是由于蛋白分子上某些重要的侧链发生了变化，或是由于那些保持二级或三级结构稳定的氢键或二硫键的断裂。这类断裂将导致高度曲卷的肽链出现不同程度的伸展，破坏了分子的内部结构，改变了侧链基团的必要的空间关系;或使某个氨基酸功能基团暴露出来，从而出现了蛋白分子的化学活性的变化。
某些蛋白(如牛血清白蛋白)经照射后，沉降常数、粘度、折光指数和电导性的变化都说明蛋白质构型有了变化，很可能是蛋白分子伸展的结果。蛋白分子伸展后，溶解度降低、变性，凝集过程加速。照射的剂量愈大，凝集量也愈多，达到一定剂量时，就出现了凝固和沉淀。
许多酶溶液经照射后，由于蛋白结构的变化而灭活，但这都需要很大的剂量。某些酶的稀水溶液的典型G值(G值为在溶液中每100eV灭活的分子数)为： 羧肽酶，0.55;D-氨基酸氧化酶，0.31;核糖核酸酶，0.09;乙醇脱氢酶，0.06;过氧化氢酶，0.009。如在溶液中存在酶的特异性底物，可以防止酶的部分失活。由于细胞中存在着这类底物，所以在活体内照射时G值更小。在活体蛋白质的辐射敏感性的研究中，有人报告了照射后某些酶活性的变化，例如，组织中过氧化氢酶的活性略有降低，ATP酶活性稍有升高。照射后体内某些蛋白的降解，表现为某些代谢物(如牛磺酸)排出的增加。
电离辐射对生物膜的作用 生物膜的基本结构是由脂质双层中镶嵌着可移动球形蛋白质和糖蛋白成为相互交替的按二维排列的液态镶嵌体。肽键、二硫键、氢键、离子键以及疏水键等是保证膜上这些大分子结构完整性所必需的“连接”。大分子的各种功能决定于其分子的构型，如果这些“连接”遭到破坏，就不可避免地使分子结构发生变化，从而影响了大分子的功能。
电离辐射对膜的影响主要是引起膜上大分子的立体及超分子结构的变化。膜上整合蛋白或是外周蛋白通常与脂质通过一定的连接(如疏水键)相结合，并以其特定的构型在膜上有规律地排列着。电离辐射损伤后，脂质中脂肪酸的不饱和碳链易遭氧化，形成过氧化物。脂质分子的这种变化直接影响它和膜蛋白之间的连接，其后果或因连接断裂，膜蛋白脱落，或是膜蛋白构型变化，使其在细胞中的功能异常。
膜上大分子分布状态的改变是膜结构破坏的另一种形式。辐射损伤使膜上糖蛋白在脂质双层中发生移位，糖蛋白分子中的多糖链由膜的外周层移位到膜的深层，表现为细胞膜表面电荷的变化，这就严重影响了细胞的一些重要生理功能。
大量以核、线粒体、内质网和质膜为材料的研究说明，DNA大分子与膜(特别是核膜)通过脂蛋白连接物紧密结合成为DNA-膜复合体，它除含有脂质和DNA外，还有少量的RNA，非组蛋白，组蛋白。在离体条件下，DNA-膜复合体有合成DNA的能力，核内的DNA合成是从核膜开始的。电离辐射作用的结果是与膜结合的DNA亚单位因脂质连接物的破坏而释出。DNA亚单位进一步受到脂质氧化产生的自由基或过氧化物所破坏，从而丧失了DNA亚单位的正常复制功能。
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