电离辐射作用于机体，经过原初的理化变化和生物大分子损伤阶段，进而发展到细胞的损伤。由于照射的剂量不同，射线引起细胞的损伤和变化也是不同的，包括细胞死亡，有丝分裂延迟和抑制及染色体畸变等。这就构成急、慢性辐射损伤和晚期效应的基础。

大剂量(几千至数百万拉德)照射可以使“膜”结构发生崩溃或瓦解，但较小的剂量也可以引起“膜”通透性改变。例如内质网和线粒体膜通透性改变，可引起内质网的扩张和线粒体肿胀变形，甚至破溃。由于“膜”通透性的变化，又可使细胞内许多酶离开了它们正常的部位，漏到细胞内其它空隙，即所谓“酶释放”，引起各种酶之间、酶与底物之间的相互作用，破坏了细胞的正常功能与结构。射线又可破坏溶酶体，使其中所含的酶释放出来，发生细胞自溶。胞膜通透性改变，可使细胞内外物质交换发生紊乱，钠、钾、钙等离子转移也发生变化，使细胞失去正常功能。细胞外液进入细胞后，在胞膜下出现异常的液滴。照射后其它各种胞质内含物的“膜”结构也能发生变化或破坏。

细胞致死性的辐射损伤主要在胞核。用微束照射的方法，发现胞质受照射比胞核需要更大的剂量才能引起细胞分裂的延迟和死亡，表明胞核对射线的敏感性更高。照射较低剂量即可引起染色体的断裂和畸变; 几百拉德的照射可以使大部分哺乳动物细胞停止或丧失增殖能力。胞核或染色体的主要成分为DNA，它对射线是高度敏感的。DNA的损伤影响它的复制，使有丝分裂中染色体的复制也受到影响。当大量3H-胸腺嘧啶核苷参入DNA结构，使DNA受到β粒子的辐射损伤，可导致细胞死亡。而用同等比活度的3H标记的某些氨基酸参入胞质的蛋白质成分中，则不能引起细胞的死亡。这表明在细胞辐射损伤中，DNA损伤的重要性，也说明胞核损伤的重要性。

光学显微镜下可以见到照射后细胞核结构的变性和死亡，如核肿胀、核空泡、核固缩、核碎裂和核溶解，甚至胞核完全消失。胞质可见到肿胀、水滴样、玻璃样或空泡样变。着色力也有改变，或深染，或淡染。

电子显微镜下受损伤细胞的表现为核畸型，核肿胀，多核和巨核形成，核膜破裂，核染色质外溢。核仁的颗粒和微丝重新分布形成点状或环状核仁。用冰冻断裂复型技术观察到辐射损伤的细胞核膜表面积和单位面积的核孔数随剂量增加而减少。分离的细胞核电泳速度减慢，说明核膜表面负电荷发生变化。胞质的细胞器排列紊乱或向细胞某一区域密集。由于细胞器数量和胞质核蛋白体减少致使胞质密度降低。线粒体肿胀，然后体积缩小，内质网断裂或扩张呈池状，胞质溶酶体和包含线粒体、内质网的自体吞噬泡增多。

电离辐射所致哺乳动物细胞的“死亡”有三种。一为数万拉德照射可使细胞的蛋白质凝固，因而发生“立即死亡”。二为数千拉德的大剂量照射使细胞立即终止代谢活动，细胞结构也立即崩溃、溶解，这称为“非分裂死亡”或“间期死亡”。这类细胞死亡发生于非增殖性或少分裂的细胞，如肝、肾、肌肉及神经原细胞。第三种为“细胞死亡”，是指骨髓、小肠上皮、生殖腺上皮细胞等增殖性细胞(有不断分裂能力的细胞)受到数百拉德的照射，仍可进行有限的几次分裂，之后就不再分裂了。虽然这时细胞的形态、生理的某些方面仍与正常的差不多，但丧失了继续增殖的能力。这类细胞死亡又称为“生殖死亡”，或“分裂死亡”，实际上是指细胞不断增殖能力的丧失。

“生殖死亡”的细胞有以下几种情况：①照射后至多分裂5～6次，以后其子细胞就停止了分裂。②经过有限的数次有丝分裂后，发生其它功能的破坏，最后细胞退行性变、自溶。③经1～2次分裂，但胞体不能分开，只发生染色体的复制。这种细胞尚具有合成DNA、RNA及蛋白质的能力，于是使胞体变大，成为“巨细胞”。④某些“生殖死亡”的细胞还可能进行非常缓慢的有丝分裂，如果进行细胞培养，在通常的培养时间内无法形成可观察到的细胞团。⑤分裂细胞受小剂量(几百拉德)照射，在第一次分裂以前和几次分裂后死于间期。

有增殖能力的哺乳动物细胞，受一定剂量照射，一部分“死亡”的细胞丧失其增殖能力，在体外培养不能形成细胞团;另一部分“活存”的细胞仍保持其增殖能力，体外培养时也能形成细胞团。“活存”细胞的百分率随照射的剂量增加而降低，两者作图构成“剂量一活存曲线”，简称“活存曲线”。此曲线在普通座标上作图为“S”形;在半对数座标上作图，为一有“肩部”的直线，即在较低剂量范围内细胞活存率无明显下降，在较大剂量时，细胞活存率呈指数下降。用D0(使细胞活存率每减少63%所需增加的剂量)代表活存曲线直线部分的斜率。D0值的大小反映各类细胞的辐射敏感性。不同种系动物和不同组织的细胞D0值各不相同，大部分哺乳动物细胞的D0值在100～200rad。活存曲线的“肩部”表明受照射的剂量需增大到一定的数量界限之后，才能出现明显的细胞“死亡”效应。一般认为此“肩部”反映了细胞对辐射所致的亚致死损伤的修复能力。

照射细胞“剂量-活存曲线”示意图

细胞的亚致死性辐射损伤主要表现为细胞有丝分裂延迟，即照射后细胞有丝分裂的暂时消失，以后有丝分裂细胞又重新出现。此种损伤的轻重取决于照射当时细胞处在细胞周期的哪个阶段。细胞处于M期受照射并不能立即使分裂延迟，照射后细胞照常分裂，但照射后的第二个细胞周期可能延迟。M期各阶段的辐射敏感性也不一致，在M前期的后段受照射，细胞可能发生分裂暂停，偶或倒退到间期去。

细胞周期较长的细胞在G1期受照射，可能发生G1抑制，延迟进入S期;但细胞周期短的细胞在G1期受照射却并不影响从G1期到S期的时间。

某些哺乳动物细胞的S前期比较敏感，当此时受到照射，可使DNA合成速度变慢，细胞延迟进入G2期。但另一些哺乳动物细胞的S期却很不敏感。

处于G₂期的哺乳动物细胞受到了即使较低剂量照射，可引起长时间的分裂延迟，称为“G₂阻断”，主要是在G₂期的中、后段发生阻断。例如人肾细胞受50rad照射即可发生“G₂阻断”; 小鼠骨髓细胞受250rad照射后，G2期可延长至15小时之久。近年来，较多学者认为G2期辐射敏感性最高，可能由于G₂期合成有丝分裂所必需的特异蛋白质受到抑制所致。当“G₂阻断”一旦解除，可产生进入M期的细胞突然增多的现象。这并非射线刺激了细胞的分裂，乃是在“G₂阻断”时，其它时相并不延迟，于是，大量细胞积压在G₂期，当“G₂阻断”解除之后，进入M期的细胞突然增加。

细胞辐射损伤也可表现为染色体畸变。染色体畸变可以用染色体或染色单体发生断裂以及以后再接合来说明。辐射诱发的染色体结构的损伤主要有染色体畸变和染色单体畸变两大类。畸变类型决定于受照射时细胞所处的阶段。处于G1期的细胞受照射，主要产生染色体型畸变; 在S期受照射的大多数细胞和G2期受照射的所有细胞，产生染色单体畸变。在分裂中期能够识别的染色体畸变包括： 双着丝粒体或多着丝粒体(不对称间互换)，无着丝粒环或着丝粒环(内互换)，末端缺失(两个无着丝粒断片)，中间缺失(两个点状断片，或称微小点)，臂间倒位和相互易位。后两种类型畸变不易被察觉。染色单体畸变包括对称和不对称互换，单体等臂缺失及末端和中间染色单体缺失。

染色体畸变率与辐射的剂量之间存在密切的关系，可应用这种剂量-效应关系作为判断辐射损伤的指标。血液淋巴细胞、骨髓细胞、肠隐窝细胞、毛囊细胞和皮肤成纤维细胞都可用来观察辐射诱发的染色体畸变。人体血液淋巴细胞培养法观察染色体畸变已成为判断辐射损伤程度的重要方法。

增殖性哺乳动物细胞对电离辐射一般都比较敏感，但处于细胞周期不同阶段细胞的辐射敏感性有明显差别。这是一个复杂的问题，受到许多因素的影响，包括观察的辐射损伤指标，细胞种类、细胞周围的氧张力、细胞更新速度及辐射类型与剂量等。如人子宫颈癌HeLa细胞受照射后，以细胞死亡判断时，M期最敏感，而以有丝分裂延迟为指标则G1期最敏感。在小鼠中，以L-成纤维细胞死亡和分裂后期染色体畸变为指标时，S期辐射敏感性最高，但计数分裂中期染色体损伤，则G₂期比S期更敏感。中国仓鼠卵巢细胞染色体损伤在G2期最敏感。同步化的细胞在G1后期和S前期或M期受照射时，其形态改变最明显。