Bài giảng Lý Sinh - Chương 1: Nhiệt sinh học

trường hợp do tác dụng của tia laze. Các photon có năng lượng lớn (tia tử ngoại) hoặc mật độ phôton lớn (tia laze) đã gây tổn thương lên các phân tử sinh vật, gây ra những biến đổi hóa học bất thường có thể dẫn đến gây tử vong hoặc biến dị các quá trình sinh hóa (như làm đột biến phân tử ADN). Các phản ứng này chia làm 3 loại: BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • *Các phản ứng có tính chất hủy diệt • * Các phản ứng gây đột biến di truyền (do gây tổn thương lên các phân tử axit nucleic dẫn đến những biến đổi bất lợi cho sinh vật) • * Các phản ứng có tính chất gây bệnh lý, như làm rám da , giãn mao quản của tia tử ngoại. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • 2. Quá trình quang hợp: • Quá trình quang hợp xảy ra ở cây xanh và các loài tảo có ý nghĩa vô cùng to lớn về mặt sinh học. Đó là nguồn cơ bản cung cấp năng lượng, thực phẩm và nguồn oxy tư do duy nhất trên trái đất. • a) Các đặc trưng cơ bản : • Định nghĩa: Quang hợp là quá trình trong đó thực vật chứa chlorophyll biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng quang hóa trong các hợp chất hữu cơ bền vững . BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Thực chất của quá trình là dùng nước dể khử CO2 nhờ năng lượng của ánh sáng: CO2 + H2O CH2O + O2 • Sản phẩm hydrrat carbon tạo ra thường là glucoza, dẫn suất của các chất hữu cơ khác (lipit, protein, gluxit,): 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 → → BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Tuy nhiên cũng có những quá trình quang hợp không thải oxy; Chẳng hạn một số loài sinh vật không dùng H2O làm chất cho electron mà dùng các hợp chất khác như ête, axit hữu cơ, vô cơ,(như có loài vi khuẩn nâu dùng H2S, hoặc dùng H2 làm chất cho electron) thì không thải oxy. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Do vậy ta có thể biểu diễn phương trình quang hợp dưới dạng tổng quát: nCO2 + 2nH2X (CH2O)n + nH2O + 2nX (Nếu X là oxy và n = 6 thì ta có phương trình tạo glucoza ở trên, nhưng X có thể là sulfur và cũng có thể vắng mặt khi chỉ dùng H2). → BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • b) Năng lượng của quá trình quang hợp : • - Một cách hình thức, có thể coi quang hợp là phản ứng nghịch của phản ứng oxy hoá toàn bộ phân tử glucoza (hô hấp): 6CO2 + 6H2O ===== C2H12O6 + 6O2 Nếu xét về mặt năng lượng (bỏ qua hao hụt) thì thấy: • + Phản ứng quang hợp tạo ra năng lượng và thu nhiệt, năng lượng tự do tăng F = 686 kcal/mol, entanpi tăng H = 673 kcal/mol và như vậy cũng có nghĩa là kèm theo sự giảm entropy S = - 43,6kcal/mol.độ. ΔΔ Δ → BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • + Phản ứng hô hấp với F = - 686 kcal/mol, H = - 673 kcal/mol và S = + 43,6kcal/mol.độ. • + Nhờ phản ứng hô hấp mà năng lượng được giải phóng và sử dụng cho mọi hoạt động sống của cơ thể sinh vật. Nguồn oxy được giải phóng là công cụ của việc phân huỷ các hợp chất hữu cơ mà thiếu nó thì khó có thể sử dụng được năng lượng quang hợp. Δ Δ Δ BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • - Ở phản ứng quang hợp, năng lượng của phôton vừa được dùng để thay thế liên kết cộng hoá trị bền vững trong hệ (CO2 + H2O) bằng liên kết yếu hơn trong (glucoza + O2) vừa dùng vào việc làm tăng độ trật tự của hệ. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Cụ thể là hệ (CO2 + H2O) có hai liên kết C = O, hai liên kết O- H với năng lượng là: 190x2 + 110x2 = 600 kcal/mol; • Hệ (CH2O + O2) gồm một liên kết O = O, một liên kết C = O và hai liên kết C - H với năng lượng: 116 + 190 + 92x2 = 490 kcal/mol; Do vậy năng lượng cần thiết để thực hiện quá trình quang hợp là: 600 – 490 = 110 kcal/mol. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Ta cũng có thể tính được năng lượng trên khi dựa vào thế oxy hoá khử: • Hệ oxy hoá hệ khử 2H2O O2 CO2 (CH2O) Có thế oxy hóa +0,8eV Có thế khử -0,4eV → → BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Độ chênh lệch thế oxy hoá và khử là 1,2 eV, nghĩa là dùng 4 electron để khử CO2 ( hay tách O2) cần năng lượng 1,2eV x 4 = 4,8eV = 112 kcal/mol. • Với quá trình quang hợp, năng lượng này chính do ánh sáng cung cấp, đã thực hiện đưa electron hoá trị từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • - Quá trình quang hợp có hiệu suất rất cao. Người ta tính được rằng, trong điều kiện sinh lý và khí hậu bình thường, nếu không có mất mát năng lượng thì phản ứng quang hợp (tạo 1 phân tử O2) chỉ cần 3 phôton đỏ (có λ =0,680 nm ứng với Є = 40 kcal/mol) tức là 120 kcal/mol; Tuy nhiên, do có mất mát năng lượng nên thực tế phải cần đến 8 phôton, tức là 320 kcal/mol. • Như vậy hiệu suất của quá trình là: • h = x100 = 37%.320 120 BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Ở điều kiện bất bình thường thì hiệu suất của quá trình có thể giảm rất nhiều (hàng chục hay hàng trăm lần). c) Các giai đoạn của quá trình quang hợp : • Có thể mô tả khái quát quá trình quang hợp theo sơ đồ như sau: BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC Sơ đồ gồm hai giai đoạn là pha sáng và pha tối. • Ở pha sáng, đầu tiên phôton được hấp thụ bởi các sắc tố (xảy ra trong thời gian khoảng 10-8 s). Tiếp theo là hàng loạt các phản ứng quang hóa, phản ứng enzim dẫn tới giải phóng oxy từ nước (kéo dài khoảng 10-3 s). Tiếp sau đó các hợp chất ATP và NADPH2 hình thành (thời gian sống 10-1 s) có năng lượng cao, khả năng khử lớn nên chúng được gọi là “lực đồng hóa”. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Ở pha tiếp theo không cần sử dụng ánh sáng nên gọi là pha tối. Ở pha này, các hợp chất cao năng được sử dụng vào việc khử CO2 và vào quá trình chuyển hóa hydrat cacbon trong chu trình Calvin (kéo dài khoảng 10-3 s). BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • d) Các cơ quan cảm quang của bộ máy quang hợp : • Lục lạp là bộ máy thực hiện chức năng của quá trình quang hợp. Ở thực vật thượng đẳng, lục lạp ở các mô xanh của vỏ và đặc biệt nhiều ở lá. Mỗi tế bào lá xanh chứa 20-100 lục lạp; Lục lạp lại chứa chừng vài chục hạt diệp lục, trong hạt chứa các phân tử diệp lục chlorophyll. Hạt diệp lục có cấu tạo thành từng bản hình đĩa đường kính 0,3 đến 0,6 μm. Mỗi bản hình đĩa lại có cấu tạo kép gồm hai phần đối xứng. Trong bản, các phân tử chl liên kết đồng thời với protein (qua vòng porphirin) và lipit (qua đuôi phytol). BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Thực nghiệm cho thấy rằng trong hạt diệp lục, phân tử chỉ tồn tại ở hai trạng thái: Hòa tan trong lipo (thể tự do) và liên kết với phức hệ lipo-protein. Ngoài ra diệp lục và caroten có liên kết chặt chẽ với nhau qua nhóm izopren (của caroten) và đuôi phytol của chl. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Như vậy phân tử chl trong diệp lục không nằm đơn độc mà liên hệ chặt chẽ với các thành phần khác trong phức hệ hạt. Mối liên hệ này quy định sự khác nhau về trạng thái, tính chất của chl trong cơ thể sống (invivo) và ngoài ngoài cơ thể sống (invitro). Cực đai hấp thụ của chla và chlb invivo dich chuyển về phía sóng dài so với các cực đại hấp thụ invitro khoảng 15 đến 20nm. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • e) Hệ sắc tố quang hợp: Các sắc tố quang hợp chia làm 3 nhóm là: chlorophyll, caroten và phycobilin. • - Nhóm chlorophyll: chla và các sắc tố cùng loại chlb,c,d tồn tại trong thực vật xanh. Ở các vi sinh quang hợp thì sắc tố có vai trò tương tự chl là bacterio- chl và bacterioviridin. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Phân tử chl là dẫn xuất của porphyrin. Nhân porphyrin do 4 vòng pyron liên kết với nhau bằng cầu methyl (-CH =) tạo thành. Ở tâm của vòng porphyrin có nguyên tử Mg liên kết với nguyên tử N của 4 vòng pyron. Trong phân tử chỉ còn 1 đuôi dài, thực chất là rượu đa nguyên được gắn vào 1 trong 4 vòng pyron gọi là đuôi phytol; sự có mặt của đuôi này làm cho chl có khả năng hòa tan trong các dung môi hữu cơ. Về cấu trúc thì chlb,c,d chỉ khác chla ở 3 dấu hiệu sau: BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • + Đuôi phytol không xuất hiện ở chlc. • + Nhân tố phụ trong vòng porphyrin có thể được thay thế (như ở chlb thì nhóm metyl CH3 trong vòng pyron thứ 2 được thay bằng nhóm aldehyt COH) • + Số lượng liên kết đôi và cách phân bố trong hệ vòng. • Sự tồn tại hệ liên kết đôi liên hợp trong cấu trúc chl đã tao ra tính chất đặc biệt của nó.; Vì hệ này có 2 nhóm electron: BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • * Nhóm 2 electron tham gia vào liên kết đơn tạo thành đám mây electron âm duy nhất nằm dọc theo trục nối 2 nguyên tử cacbon; Liên kết này khá bền vững nên hoạt động của electron rất yếu, chúng không tham gia hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy nên về phương diện quang hợp, người ta không quan tâm đến các electron này. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • * Nhóm hai electron π có đám mây tích điện âm phân bố khác: Mỗi electron π tạo thành đám mây điện tích kép, phân bố đối xứng với mặt phẳng phân tử và mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng phân tử. Do vậy đám mây electron π luôn luôn ở ngoài mặt phẳng phân tử và vì vậy có tính linh động rất cao. Các electron π có khả năng lan rộng ra ngoài nguyên tử cacbon của nó và tham gia vào đám mây electron chung của cả phân tử. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Với cấu trúc đặc biệt đó, việc kích thích electron π đòi hỏi năng lượng không lớn và năng lượng cần càng nhỏ khi hệ liên kết đôi phân bố càng rộng. • Tuy nhiên sự hấp thụ của chl không phải xảy ra trên toàn bộ phân tử mà chỉ xảy ra ở hệ liên hợp (nhóm màu) và dự trữ năng lượng vào bên trong phân tử. Hệ còn có khả năng truyền năng lượng kích thích tới các phan tử khác nếu vòng porphyrin của chúng cách nhau không xa. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Tất cả các dạng chl đều hấp thụ mạnh trong vùng ánh sáng trông thấy. Phổ hấp thụ của chúng gồm hai giải: • * Dải sóng ngắn cường độ lớn, tiêu biểu cho loại porphyrin có các liên kết đôi liên hợp theo vòng tròn. • * Dải đỏ gồm 3 đỉnh cường độ thấp hơn nhưng rất đặc trưng nên các đỉnh ở vùng đỏ thường được dùng làm căn cứ để phân loại chl thành các dạng khác nhau. Ngày nay người ta đã phân biệt được gần 10 dạng chl, mỗi dạng có đỉnh hấp thụ và huỳnh quang riêng trong vùng đỏ của phổ. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Các dạng chl khác nhau có cấu trúc hóa học giống nhau và chỉ khác về trạng thái tổ hợp của phân tử. Bản chất của sự khác nhau về phổ là do sự tương tác giữa sắc tố-sắc tố quyết định. • - Nhóm carotenoid: Được chia thành các loại sắc tố carotin và xanthophyll. • + Carotin gồm : • α carotin có cực đại hấp thụ ở 420nm, 440nm và 470nm. • carotin có cực đại hấp thụ ở 425nm, 450nm và 480nm • carotin có cực đại hấp thụ ở 440nm, 469nm và 495nm BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • + Xanthophyll gồm: • Lutein có cực đại hấp thụ ở 425nm, 445nm và 475nm • Vielacsentin có cực đại hấp thụ ở 425nm, 450nm và 475nm • - Nhóm phycobilin: Là loại sắc tố tìm thấy ở tế bào vi khuẩn lam và có 2 dạng chính: • + Phycocyamin gồm C-phycocyamin (cực đại hấp thụ ở 618 nm) và allophycocyamin (cực đại hấp thụ ở 654 nm). • + Phycoerythrine có cực đại hấp thụ ở 490nm, 546nm và 565nm. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Sự tham gia của các sắc tố vào quang hợp: • - Các nghiên cứu đã khẳng định chl là sắc tố chính tham gia vào quá trình quang hợp, thiếu nó không thể có quang hợp vì chl nhiều về số lượng (chiếm 5% trọng lượng khô của lá) và chl tham gia trực tiếp vào quá trình quang hợp. Đặc biệt các dạng chl680, chl700 liên kết enzim làm nhiệm vụ tâm quang hóa (chiếm khoảng 20% của tổng số chl). Các phân tử chl ở tâm (nơi thực hiện phản ứng quang hóa) biến đổi năng lượng ánh sáng thành hóa năng. Tâm phản ứng ở trạng thái mở khi tham gia phản ứng và khi ở trạng thái đóng thì không tiếp nhận năng lượng từ các sắc tố khác chuyển đến nên không tham gia vào phản ứng quang hợp; Trong trường hợp đó thì sự mất mát năng lượng dưới dạng nhiệt và huỳnh quang tăng lên. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • - Ngoài chl, các sắc tố còn lại gọi là sắc tố phụ hay kèm theo, chúng tham gia vào phản ứng quang hợp bằng cách hấp thụ năng lượng ánh sáng và vận chuyển năng lượng từ sắc tố hấp thụ sóng ngắn đến sắc tố hấp thụ sóng dài và cuối cùng tới tâm quang hóa, nơi có mức năng lượng thấp nhất và tại đây năng lượng truyền đến được bổ sung cùng với năng lượng do chính tâm quang hóa hấp thụ làm cho phản ứng quang hợp xảy ra tức thời và liên tục. Có thể biểu diễn theo sơ đồ: • carotenoid phycobilin chlb chla (sóng ngắn) chl680 → → →→ BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC chl680 chl690 chl700 Hệ thống truyền dẫn năng lượng như trên gọi là đơn vị quang hợp. Đơn vị quang hợp gồm một tập hợp chứa từ 300 đến 500 sắc tố phân bố trên bề mặt các phân tử protein và liên kết chặt chẽ với nhau để thực hiện một phản ứng quang hóa. →→ BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Bằng phương pháp huỳnh quang người ta xác định được sự dẫn truyền năng lượng giữa các sắc tố trong đơn vị quang hợp (chla chla hay chlb chla) được thực hiện theo cơ chế cộng hưởng cảm ứng; Các cơ chế khác xảy ra với hiệu suất không đáng kể. Chính nhờ cơ chế dẫn truyền năng lượng mà sự hấp thụ của các sắc tố đã phủ được kín vùng ánh sáng trông thấy, do vậy thực vật tận dụng được toàn bộ năng lượng ánh sáng trong vùng này và chuyển về tâm phản ứng, nơi làm nhiệm vụ biến dổi quang năng thành hóa năng. →→ BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • e) Cơ chế quang hợp: • - Phản ứng quang hóa đầu tiên của quang hợp là sự biến dổi oxy hóa khử thuân nghịch phân tử chl tại tâm phản ứng. Tại đây chl sau khi nhận năng lượng của phôton sẽ chuyển sang trạng thái kích thích (singlet hoặc triplet) và nhận electron từ chất khử nhưng sau đó nó lại nhường electron cho phân tử chất nhận khác và chl trở về trạng thái ban đầu. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Như vậy chl đóng vai trò làm xúc tác và năng lượng ánh sáng đã cung cấp cho electron nâng từ mức năng lượng thấp ở chất cho lên mức cao ở chất nhận. Đó là quá trình tích lũy năng lượng trong quang hợp. • H20 chl NADPH2→ → BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • - Các nghiên cứu thực nghiệm chứng tỏ rằng tồn tại hai hệ quang hóa ứng với hai tâm quang hóa độc lập; một hệ thực hiện bởi sắc tố hấp thụ bước sóng dài λ 700nm (PS1) với tâm là chl700 và một hệ thực hiện bởi sắc tố hấp thụ bước sóng ngắn λ < 700nm (PS2) với tâm là chl680. Chức năng của PS1 là tạo chất có khả năng khử cao cần thiết để khử CO2.. Chức năng của PS2 là thực hiện quá trình quang oxy hóa H2O và liên tục tạo ra nguồn cung cấp electron để khử các thành phần thuộc PS1. Sự tương tác giữa hai hệ được thực hiện nhờ các thành phần trung gian trên mạch truyền electron. ≥ BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • 3. Quá trình thị giác: • Quá trình thị giác là quá trình nhờ năng lượng ánh sáng mà người và động vật thu nhận thông tin từ môi trường bên ngoài, nhờ đó cơ thể sống có thể định vị trong không gian và xử lý một cách thích hợp với điều kiện ngoại cảnh. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • a) Cấu tạo của mắt: • Quang hệ mắt gồm một số môi trường trong suốt đóng vai trò như một thấu kính hội tụ với tiêu điểm tại võng mạc. Võng mạc là hệ dây thần kinh dạng lưới. Trên võng mạc chứa các tế bào hình que và hình nón, chúng nối với các dây thần kinh qua các nơron lưỡng cực và tế bào hạch. Các tia sáng xuất phát từ vật qua mắt tạo ra ảnh thật ngược chiều, nhở hơn vật, ở võng mạc. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • b)Quá trình thị giác: • Quá trình thị giác được chia thành quá trình vật lý và quá trình quang hóa. • - Quá trình vật lý gồm quá trình khúc xạ ánh sáng xảy ra trong quang hệ mắt và quá trình hấp thụ phôton ánh sáng của các sắc tố cảm quang. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • - Quá trình quang hóa : • + Các sắc tố cảm quang: Tất cả các sắc tố thị giác đều là lipochromoproteid, đó là phức hợp của protein dạng cầu, lipit và các nhóm màu là các aldehyd của vitamin A. Sắc tố cảm quang gồm 4 loại, trong đó rodopsin và porphiopsin chứa ở tế bào hình que, có cực đại hấp thụ 498nm và 552nm; Hai sắc tố còn lại là iodopsin và xianopsin chứa trong tế bào hình nón với cực đại hấp thụ 445nm và 620nm. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • + Cơ chế tiếp nhận ánh sáng: Sắc tố cảm quang quan trọng nhất của mắt là rodopsin. Khi ánh sáng tác động lên mắt thì rodopsin, retinen hấp thụ phôton và xảy ra sự dịch chuyển electron π π*, năng lượng sẽ được định xứ tại tế bào hình que. Tiếp đó xảy ra phản ứng quang hóa mà thực chất là phản ứng đồng phân hóa retimen. Phản ứng đồng phân hóa trên làm liên kết giữa opsin – retimen bị yếu đi, khiến cho phản ứng thủy phân rodopsin tạo thành opsin và trans retimen tự do dễ xảy ra. → BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Trong giai đoạn tiến hành các phản ứng trung gian, cấu hình của opsin bị thay đổi làm cho tính thấm của màng tế bào hình que và hình nón đối với ion Na+ và K+ thay đổi, dẫn đến hình thành điện thế thụ cảm. Đó là nguyên nhân của sự xuất hiện các xung thần kinh dẫn truyền về não, do đó gây nên cảm giác về thị giác, nhờ vậy người và động vật phân biệt được màu sắc và độ chói khác nhau. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • + Cơ chế tiếp nhận màu sắc: Khả năng tiếp nhận ánh sáng bước sóng khác nhau của mắt là do các tế bào hình que và hình nón. Tế bào que chỉ nhạy cảm với ánh sáng đơn sắc, nó cho phép phân biệt các loại màu trắng, đen và xám. Tế bào hình nón có khả năng thụ cảm đa sắc, nhờ đó phân biệt được các màu sắc khác nhau. Các ánh sáng với bước sóng khác nhau tác dụng lên tế bào hình nón sẽ gây kích thích khác nhau nên tạo ra xung thần kinh khác nhau khiến cho ta cảm giác về màu sắc. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • + Cơ chế tiếp nhận độ chói sáng: Ánh sáng tác dụng lên các tế bào hình que và hình nón gây ra các điện thế thụ cảm có giá trị tỷ lệ với cường độ sáng kích thích. Song điện thế này lại là nguyên nhân tạo nên các xung kích thích thần kinh có tần số kích thích tỷ lệ với giá trị của điện thế thụ cảm, do đó tỷ lệ với cường độ ánh sáng, nghĩa là ta tiếp nhận được các độ chói khác nhau. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • §3. Tác dụng của tia tử ngoại lên phân tử sinh vật: • Tia tử ngoại khi tác dụng lên hệ sinh vật có thể gây ra nhiều hiệu ứng khác nhau (có lợi hoặc bất lợi) tùy theo bước sóng và cường độ của chùm tia. Ta sẽ chỉ xét tác động về mặt hiệu ứng quang hóa mang tính chất phân hủy biến tính ở phân tử axit nucleic và protein. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • 1. Các phản ứng quang hóa trong axit nucleic: • - Khi chiếu tia tử ngoại vào axit nucleic thì các nhóm màu là các gốc bazơ-nitơ như purin adenin (A), xistezin (X) hay pirimidin guamin (G), thimin (T) ở AND và guamin, uraxin (U) ở ARN sẽ hấp thụ lượng tử bức xạ và chuyển sang trạng thái kích thích triplet. Như vậy khả năng sử dụng năng lượng của phôton hấp thụ vào phản ứng quang hóa là rất lớn. Năng lượng thường được dẫn truyền từ gốc bazơ- nitơ ở trạng thái kích thích theo hướng: X G A T.→→ → BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • - Kết quả nghiên cứu sự biến đổi quang hóa của các gốc purin và pirimidin cho thấy pirimidin có độ nhạy cảm với tia tử ngoại hơn purin rất nhiều; Do vậy các tổn thương ở axit nucleic chủ yếu do phản ứng quang hóa của pirimidin gây ra. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • - Những phản ứng quan trọng nhất của quá trình là phản ứng quang nhị hợp pirimidin, quang oxy hóa và quang hydrat hóa. • + Phản ứng quang nhị hợp có thể xảy ra giữa các phân tử cùng gốc: • Thymin Thymin* + Thymin* Thy min- Thymin Hoặc xảy ra phản ứng quang nhị hợp giữa các phân tử khác gốc như giữa T-X, T-U và U-X,... →→ BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • - Kết quả nghiên cứu sự biến đổi quang hóa của các gốc purin và pirimidin cho thấy pirimidin có độ nhạy cảm với tia tử ngoại hơn purin rất nhiều; Do vậy các tổn thương ở axit nucleic chủ yếu do phản ứng quang hóa của pirimidin gây ra. • - Những phản ứng quan trọng nhất của quá trình là phản ứng quang nhị hợp pirimidin, quang oxy hóa và quang hydrat hóa. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • + Phản ứng quang nhị hợp có thể xảy ra giữa các phân tử cùng gốc: Thymin Thymin* + Thymin* Thy min - Thymin • Hoặc xảy ra phản ứng quang nhị hợp giữa các phân tử khác gốc như giữa T-X, T-U và U-X,... • + Phản ứng quang oxy hóa diamin có dạng: N = C – NH2 N = C –OH CH C - N CH h CH C – N CH N - C – NH N - C - NH → → ν BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • + Phản ứng quang hyđrat hóa là phản ứng gắn phân tử nước vào vòng pirimidin ở vị trí cácbon 5 (gắn H) và cácbon 6 (gắn OH), làm đứt liên kết kép. Nhìn chung tia tử ngoại tác dụng lên axit nucleic làm phá hủy hệ liên hợp giữa các liên kết yếu như liên kết hydro, liên kết kỵ nước,và một phần là do phá hủy cấu trúc xoắn dẫn đến làm biến tính axit nucleic. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • 2. Tác dụng của tia tử ngoại lên prrotein: • Dưới tác dụng của tia tử ngoại, protein bị tổn thương khá mạnh mà biểu hiện thường thấy là dung dịch protein bị vẩn đục hay có độ nhớt, tốc độ lắng và mật độ quang bị thay đổi. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Protein thường có vùng phổ hấp thụ 200nm 400nm trong đó các axit amin thơm như triptophan, tirozin, phenyl-alanin và xistein đóng vai trò là tâm hấp thụ. Nhờ nghiên cứu phổ hoạt động, người ta thấy khi axit amin thơm hấp thụ bức xạ tử ngoại thì trước hết bản thân nó bị phá hủy và sau đó dẫn tới khử hoạt tính enzim. Quá trình xảy ra theo các bước sau: → BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • - Axit amin thơm (AH) hấp thụ tia tử ngoại và chuyển sang trạng thái kích thích: AH AH* • - Quá trình quang ion hóa làm bứt e- khỏi AH* : AH* .AH+ + e- .A + H+ + e- • - Khi có oxy thì gốc tự do .A sẽ kết hợp với oxy tạo ra các gốc peroxit: .A + O2 .AOO → → → → BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Các gốc peroxit lại có khả năng tương tác nhau và kèm theo sự phát quang hóa học. • Cũng có thể xảy ra các quá trình gây ra bởi e- được bứt ra, có tính khử mạnh nên tác dụng với axit amin khác để tạo ra gốc tự do hữu cơ và giải phóng NH3 : H+ + e- + H2N – CH - CH3 HOOC – CH – CH3 + NH3 COOH ( Alanin) (Gốc tự do hữu cơ) → BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG III: QUANG SINH HỌC • Như vậy sự tổn thương và khử hoạt tính của protein có liên quan đến cả phá hủy cấu trúc của axit amin thơm cũng như phá hủy cấu hình tự nhiên của chính phân tử protein. → BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • §1. Bức xạ ion hóa và một số đại lượng đo lường dùng trong sinh học phóng xạ: a) Bức xạ ion hóa : • Bức xạ ion hóa là những bức xạ khi đi qua vật chất sẽ xảy ra tương tác với nguyên tử và phân tử của chất, kết quả dẫn đến ion hóa hoặc làm kích thích các nguyên tử, phân tử của môi trường đó. • Cơ chế tương tác của bức xạ ion hóa lên vật chất có nhiều điểm khác với bức xạ trông thấy và tia tử ngoại. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Bức xạ ion hóa được chia thành hai loại: Một loại thể hiện bản chất sóng điện từ như tia Rơnghen (X), tia gamma (γ),Loại thứ hai thể hiện bản chất hạt như α, , proton, nơtron, • b) Nguồn bức xạ ion hóa : - Tia có tính chất sóng: • + Tia X là bức xạ điện từ với bước sóng từ 10nm đến 0,001nm được phát ra từ một loại dụng cụ đặc biệt gọi là ống Rơnghen. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Ống Rơnghen là một bình có áp suất thấp (10-2 đến 10-3 mmHg), bên trong có chứa 3 điện cực là catốt (nối với cực âm của nguồn điện một chiều), anốt và đối âm cực nối với nhau và nối với cực dương của nguồn). Giữa anôt và catốt được duy trì một hiệu điện thế cao (100 đến 150kV). Khi chùm electron phát ra từ catốt được tăng tốc bởi điện trường nên trên đường bay tới anốt với vận tốc rất lớn, electron gặp và đập vào đối âm cực (làm bằng kim loại chịu nhiệt) thì một phần động năng của nó (khoảng 0,2%) sẽ chuyển thành năng lượng bức xạ tia Rơnghen. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • + Tia gamma là bức xạ điện từ có bước sóng ngắn (<0,1 A0 = 0,0001nm), được phát ra trong hiện tượng phóng xạ khi một hạt nhân phân rã và biến đổi thành hạt nhân khác. • Ví dụ: phân rã thành ở trạng thái kích thích không bền, sẽ chuyển về trạng thái cơ bản và phát ra năng lượng dưới dạng tia (có năng lượng là 1,17 MeV và 1,33 MeV) theo sơ đồ sau: + + Co6028 → Ni6027 e10− γ BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • - Tia có tính chất hạt: + Tia α (hạt nhân ), -(là electron ) và + (là positron ) cũng được phát ra trong hiện tượng phóng xạ khi một hạt nhân phân rã và biến đổi thành hạt nhân khác. • Ví dụ: + + + He42 β e01− β e01+ Ra22688 → → → Rn22286 He42 P3215 S 32 16 e01− N137 C 13 6 e01+ BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Hạt α có khối lượng và điện tích tương đối lớn nên có khả năng ion hóa rất cao, năng lượng của hạt α có thể từ 4 đến 8eV. • Cũng có thể nhận được - bằng con đường nhân tạo, nhờ máy gia tốc sẽ thu được chùm hạt - có năng lượng cao hơn. + Prôton (hạt nhân ) và đơtron ( hay ) thường được tạo ra khi dùng hạt α bắn phá các hạt nhân khác. Trong thực tế thường dùng máy gia tốc để tạo ra nguồn prôton và đơtron sạch, có năng lượng lớn). β β H11 D 2 1 H 2 1 BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • + Nơtron ( ) là thành phần cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử, thường được phát ra do tương tác giữa hạt α hoặc với hạt nhân của các nguyên tố nhẹ như Be, Li,.. • Ví dụ: + + Các nơtron có vận tốc và năng lượng lớn cỡ vài MeV gọi là nơtron nhanh, loại có năng lượng dưới 10 MeV gọi là nơtron chậm và khoảng 0,025 MeV thì gọi là nơtron nhiệt. n10 β Be94 He 4 2 C126→ n10 BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • c) Một số đại lượng đo lường dùng trong sinh học phóng xạ : • - Đơn vị liều lượng chiếu xạ: • Dựa trên khả năng ion hóa của bức xạ người ta đưa ra đơn vị Rơnghen (R): Là liều lượng chiếu xạ của tia X, tia cần thiết để tạo ra trong 1kg không khí ở điều kiện tiêu chuẩn các ion có điện lượng tổng cộng là 1C đối với điện tích của các ion cùng dấu. • 1R tương ứng 0,111 erg/cm3 và 84 erg/g. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • - Đơn vị liều hấp thụ : Dựa trên năng lượng mà mẫu hấp thụ được: • Gray (Gy) là liều lượng hấp thụ trong một phân tố vật chất 1kg nhận được năng lượng 1 jun từ chùm bức xạ ion hóa. Vậy 1Gy = 1 J/kg; 1kGy = 103 Gy. • Người ta còn dùng rad: 1rad = 10-2 J/kg = 10-2 Gy; 1krad = 103 rad. • Từ đó có công suất hấp thụ là liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian, thường dùng đơn vị đo là Gy/phút; Gy/giờ; rad/phút; rad/giờ. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • - Đơn vị sinh học Rơnghen (ret): Dùng để so sánh tác dụng sinh học của các loại bức xạ. • Ret là năng lượng bức xạ ion hóa nào đó được tế bào hấp thụ sao cho tác dụng sinh học của nó tương đương tác dụng sinh học của tia X hay tia có liều 1 R chiếu lên đối tượng đó. • - Để đánh giá độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật, người ta đưa ra một số loại liều lượng sau: BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • + Liều gây chết tuyệt đối (LCTĐ 100/30 hay LD100): Đó là liều lượng bức xạ gây chết 100% đối tượng bị chiếu xạ trong vòng 30 ngày sau chiếu xạ. • + Liều bán tử vong (LC 50/30 hay LD50): Đó là liều lượng bức xạ gây chết 50% đối tượng bị chiếu xạ trong vòng 30 ngày sau chiếu xạ. • Ví dụ: BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • §2. Cơ chế tương tác của bức xạ ion hóa lên vật bị chiếu xạ: • 1. Cơ chế tương tác của tia X và tia γ: • Tia bức xạ ion hóa X, γ chiếu vào môi trường vật chất đều bị môi trường hấp thụ. Quy luật hấp thụ tuân theo hàm lũy thừa: I = I0 .e -kx K là hệ số hấp thụ; x là bề dày lớp môi trường. • Thực nghiệm cho thấy, tùy theo năng lượng của bức xạ mà quá trình hấp thụ năng lượng của mẫu chiếu xạ có thể thực hiện theo một trong ba cơ chế sau: BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • a) Hiệu ứng quang điện: • Thường xảy ra với sự hấp thụ tia X hoặc tia γ mềm, có năng lượng từ 2 đến 200KeV. • Cơ chế như sau: Toàn bộ năng lượng của lượng tử bức xạ = h được truyền cho nguyên tử chất hấp thụ, làm bứt electron ra khỏi nguyên tử (quang electron). Có thể coi như năng lượng của lượng tử bức xạ truyền không đàn hồi cho electron nên quang electron bứt ra có năng lượng rất lớn nên có khả năng gây ion hóa rất mạnh các phân tử mẫu chất bị chiếu xạ. ε ν BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • b) Hiệu ứng Compton: • Xảy ra với các tia có năng lượng từ 200 KeV đến 2MeV. • Đây là cơ chế va chạm đàn hồi của lượng tử bức xạ và electron của nguyên tử mẫu chất, truyền cho nó một phần năng lượng và làm bứt nó ra khỏi khỏi nguyên tử. Do vậy năng lượng của lượng tử thứ cấp (hν/ ) bị giảm đi so với ban đầu (hν) và chuyển động theo một hướng khác. Các electron bị bứt ra sẽ gây hiệu ứng ion hóa mới. Các lượng tử thứ cấp thì tùy theo giá trị năng lượng còn lại mà có thể tiếp tục tương tác với vật chất theo hiệu ứng Compton hoặc hiệu ứng quang điện. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • c) Hiệu ứng tạo cặp electron-positron: • Khi chiếu bức xạ tia X hay γ có năng lượng lớn hơn 1,022MeV thì trong mẫu hấp thụ sẽ xuất hiện hai loại hạt electron và positron. Hai loại hạt này có khả năng tiếp tục gây ion hóa hoặc kích thích nguyên tử chất hấp thụ; Chúng cũng có thể tương tác với nhau và kèm theo phát tia γ. Tia γ thứ cấp lại tương tác với vật chất theo hiệu ứng quang điện hoặc Compton. Động năng của electron và positron càng lớn thì xác suất tương tác giữa chúng càng cao. • Như vậy cả 3 cơ chế đều dẫn đến giải phóng electron với động năng lớn, các electron này tiếp tục gây ion hóa hoặc kích thích nguyên tử của chất hấp thụ. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • 2. Cơ chế tương tác của bức xạ hạt: • Các tia hạt có khối lượng và điện tích khác nhau, nhưng chúng có cùng cơ chế truyền năng lượng. • Hạt nơtron không tham gia quá trình tương tác điện nhưng khi tương tác với hạt nhân nguyên tử chất bị chiếu xạ sẽ làm giải phóng prôton và tia γ nên cuối cùng cũng là cơ chế tương tác của prôton và γ. Do vậy ta chỉ xét chung cơ chế tương tác, truyền năng lượng của hạt mang điện. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Các hạt mang điện khi xuyên tới nguyên tử của mẫu chất có thể xảy ra các trường hợp sau: • - Nếu năng lượng của hạt đủ lớn thì nó sẽ va chạm đàn hồi với nguyên tử vật chất và làm bứt electron khỏi nguyên tử, biến nguyên tử thành ion dương. Hầu hết các electron bứt ra có đủ năng lượng để thực hiện nhiều lần ion hóa liên tiếp. • - Nếu năng lượng của hạt nhỏ và không đủ ion hóa nguyên tử thì sẽ làm kích thích nguyên tử. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Như vậy, khi đi trong vật chất thì năng lượng của hạt giảm dần và tới khi không còn đủ năng lượng làm bứt electron thì nó sẽ bị một nguyên tử trong vật hấp thụ. • Tóm lại, cơ chế tương tác và truyền năng lượng của hai loại bức xạ tuy có khác nhau nhưng chúng vẫn có một điểm chung là đều tạo ra các ion và phân tử bị kích thích. Tuy nhiên do khả năng xuyên của tia X và γ lớn hơn các tia hạt nên hiệu ứng của tia X và γ rất lớn và rất quan trọng đối với quá trình sống. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • §3. Tác dụng của bức xạ ion hóa lên phân tử và tế bào sinh vật: 1. Tác dụng của bức xạ ion hóa đến sự phân ly phân tử nước: • Trong cơ thể sinh vật thì nước chiếm một tỷ trọng khá lớn, từ 60 đến 90%; Nước chiếm 65 đến 75% trọng lượng tế bào, 83% trong não, 90% trong huyết tương,Dưới tác dụng của bức xạ ion hóa thì phân tử nước bị phân ly và tạo ra các ion, các phân tử bị kích thích. Sơ đồ phân ly đầu tiên là: BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • H2O H2O* --- H2O+ + e- (gọi là electron thủy hóa) --- OH* + H+ Đồng thời cũng có thể tạo ra các gốc tự do khác do tương tác: H2O+ + H2O H3O+ + OH* e- + H2O H2O- --- OH- + H* H+ + e- H* → → → → → →→→ BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Các gốc tự do lại có thể tương tác với nhau tạo thành các phân tử H2, H2O, H2O2,theo sơ đồ: • H* + H* H2 • H* + OH* H2O • OH* + OH* H2O2 → → → BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Trong điều kiện có oxy, lại có thể xảy ra tương tác: • H* + O2 HO2* • e- + H+ + O2 HO2* • H2O2 + OH* H2O + HO2* → → → BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Như vậy, dưới tác dụng của bức xạ ion hóa, nước bị phân ly và có thể tạo ra các sản phẩm sơ cấp là H*, OH*, e- và các sản phẩm thứ cấp là H2O2, H2, H2O hay HO2* (khi có oxy). Chính các sản phẩm sơ cấp và thứ cấp này sẽ tác dụng lên các phân tử hữu cơ của hệ sinh vật bị chiếu xạ gây ra những biến đổi cấu trúc hóa học của các phân tử đó. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • 2. Tác dụng của bức xạ ion hóa đến các phân tử hữu cơ ở sinh vật: • a) Tác dụng lên phân tử protein: • Phân tử protein có rất nhiều chức năng quan trọng đối với sự sống: Nó là thành phần cấu trúc của màng và các cơ quan của tế bào, là enzim xúc tác cho các phản ứng hóa sinh và có chức năng trong quá trình vận chuyển trao đổi chất. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • - Cấu hình phân tử thay đổi do bị phá hủy các cấu trúc thứ cấp, có năng lượng liên kết nhỏ . • Như vậy bức xạ ion hóa có thể làm thay đổi cả cấu trúc lẫn cấu hình của phân tử protein. Những thay đổi này làm giảm khả năng xúc tác phản ứng hóa sinh, giảm khả năng liên kết giữa phân tử enzim là protein với các phân tử cơ chất, giảm các quá trình trao đổi chất,Thực nghiệm nghiên cứu invitro cho thấy những biến đổi về cấu trúc, phân hủy hay biến tính phân tử protein chỉ xảy ra khi liều lượng chiếu xạ khá cao (lớn hơn nhiều lần gây tử vong hoàn toàn cơ thể hay tế bào sinh vật); Trong khi đó sự biến đổi về cấu hình phân tử thường xảy ra ở liều chiếu xạ nhỏ, nhất là trong điều kiện invivo. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • - Sự giảm trọng lượng phân tử do bị đứt mạch chính. • - Sự khâu mạch bên trong phân tử protein và các phân tử với nhau, gây ra sự polymer hóa, sự đông tụ hoặc kết tủa,... • - Cấu hình phân tử thay đổi do bị phá hủy các cấu trúc thứ cấp, có năng lượng liên kết nhỏ . • Như vậy bức xạ ion hóa có thể làm thay đổi cả cấu trúc lẫn cấu hình của phân tử protein. Những thay đổi này làm giảm khả năng xúc tác phản ứng hóa sinh, giảm khả năng liên kết giữa phân tử enzim là protein với các phân tử cơ chất, giảm các quá trình trao đổi chất, BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Thực nghiệm nghiên cứu invitro cho thấy những biến đổi về cấu trúc, phân hủy hay biến tính phân tử protein chỉ xảy ra khi liều lượng chiếu xạ khá cao (lớn hơn nhiều lần gây tử vong hoàn toàn cơ thể hay tế bào sinh vật); Trong khi đó sự biến đổi về cấu hình phân tử thường xảy ra ở liều chiếu xạ nhỏ, nhất là trong điều kiện invivo. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • b) Tác dụng lên phân tử axit nucleic: • Các loại axít nucleic (như AND, ARN) có vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình tích lũy, truyền thông tin và sinh tổng hợp. • Axit nucleic khi bị chiếu xạ có thể xảy ra các khả năng sau: • - Hai chuỗi xoắn kép của AND bị đứt. • - Các phân tử AND liên kết với nhau, đó là hiệu ứng khâu đính các chuỗi polinucleotit với nhau. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • - Làm biến đổi các gốc bazơ nitơ của phân tử AND; Các bazơ này có thể được giải phóng ra khỏi phân tử AND hoặc bị biến đổi về cấu trúc. • - Xảy ra phản ứng amin hóa giải phóng phân tử NH3 và gốc PO4. • Kết quả của những biến đổi về cấu trúc và hóa học của các phân tử axit nucleic đều làm nó mất chức năng sinh học. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC 3. Tác dụng của bức xạ ion hóa đến tế bào sinh vật: • Tế bào sinh vật là đơn vị nhỏ nhất của sự sống, tế bào cũng trải qua các giai đoạn hình thành, phát triển , tạo thế hệ mới và già rồi chết. Có thể chia chu trình sống của tế bào làm 4 giai đoạn chính như sau: • - Giai đoạn thứ nhất (pha G1): Tế bào vừa được hình thành từ quá trình phân bào, chủ yếu thực hiện các quá trình sinh tổng hợp protein và các chất chuyển hóa để phát triển về thể tích và tích lũy các chất cần thiết cho quá trình tổng hợp AND. Giai đoạn này chiếm khoảng một nửa thời gian của chu kỳ sống của tế bào. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • - Giai đoạn thứ hai (pha S): Là giai đoạn tổng hợp AND, trong giai đoạn này AND trong tế bào tăng lên gấp đôi. • - Giai đoạn thứ ba (pha G2): Tế bào tổng hợp các loại enzim tham gia trực tiếp vào quá trình phân bào. • - Giai đọn thứ tư (pha M): Tế bào phân chia, thời gian của giai đoạn này rất ngắn. • Tác động của bức xạ ion hóa lên tế bào phụ thuộc vào liều lượng chiếu xạ: • Liều lượng lớn sẽ làm chết tế bào. Liều lượng không lớn thì tế bào có thể sống một thời gian ngắn, nhưng trong tế bào, đặc biệt ở nhân có xuất hiện nhiều tổn thương về hình thái. Liều nhỏ, tế bào sống một thời gian dài rồi mới chết. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Từ thực nghiệm cho thấy tổn thương phóng xạ khi chiếu lên nhân tế bào là cao hơn nhiều so với chiếu xạ lên nguyên sinh chất. • Ví dụ: Để cùng gây hiệu ứng tổn thương như nhau ở tế bào cây dương xỉ hoặc trứng ong, tằm thì chiếu xạ lên nguyên sinh chất cần liều lượng cao hơn 20 lần liều lượng chiếu xạ trực tiếp vào nhân. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • a) Ảnh hưởng của bức xạ ion hóa đến quá trình phân bào: • - Từ kết quả nghiên cứu tác động của bức xạ ion hóa đến quá trình phân bào, người ta thấy độ nhạy cảm phóng xạ của tế bào tỷ lệ với khả năng phân bào và tỷ lệ nghịch với mức độ phân lập của tế bào. • Ví dụ: Ở động vật bậc cao thì các cơ quan chứa tế bào dễ phân chia như cơ quan tạo máu, niêm mạc ruột, cơ quan sinh sản,có độ nhạy cảm phóng xạ cao, còn các tế bào đặc biệt phân lập, chỉ thực hiện những chức năng đặc trưng phức tạp thì có độ nhạy cảm phóng xạ thấp hơn. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Ứng dụng điều này người ta dùng bức xạ ion hóa để diệt các tế bào ung thư, vì các tế bào này phân chia rất nhanh và ít phân lập so với các tế bào xung quanh. • Tuy nhiên cũng có một số trường hợp ngoại lệ, như tế bào thần kinh, tế bào bạch cầu không phân chia và rất phân lập lại có độ nhạy cảm phóng xạ cao. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • - Trong một khoảng liều lượng nhất định, có thể một số tế bào chết, nhưng đa số vẫn sống nhưng quá trình phân bào bị chậm tốc độ (với tế bào đang ở giai đoạn thứ 4 của quá trình phân bào) hoặc bị ức chế hoàn toàn (với tế bào đang ở giai đoạn thứ 1,2,3 của quá trình phân bào). Một số trường hợp quá trình phân chia bị ức chế hoàn toàn nhưng tế bào vẫn phát triển, tạo ra nhưng tế bào khổng lồ. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • - Liều lượng ức chế quá trình phân bào cũng phụ thuộc loại tế bào, như ở tế bào bình thường của động thực vật thì liều ức chế tạm thời là 50R, nhưng ở tế bào trứng của động vật không xương sống ở biển là 10kR. Ở tế bào đầu rễ cây đậu ngựa với liều 250R thì 4 giờ sau khi chiếu xạ có 50% số tế bào bị ức chế quá trình phân bào nhưng sau 12 giờ thì sự phân chia lại được phục hồi; Với liều 500R thì 12 giờ sau chiếu xạ sự ức chế phân bào xảy ra ở 100% tế bào. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • - Độ nhạy cảm phóng xạ cũng phụ thuộc giai đoạn phát triển của tế bào. Thường độ nhạy cảm phóng xạ tăng ở những giai đoạn chuyển từ giai đoạn này sang giai đoạn khác. Chẳng hạn chiếu xạ vào giai đoạn chuyển từ G1 S thì quá trình S bị ức chế nên quá trình tổng hợp AND ngừng và chu trình phát triển của tế bào dừng lại ở giai đoạn này. Nếu chiếu xạ vào giai đoạn chuyển S G2 thì giai đoạn G2 và M bị ức chế nên thường xuất hiện các tế bào khổng lồ có lượng AND gấp đôi bình thường mà không phân chia. → → BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • b) Ảnh hưởng của bức xạ ion hóa đến quá trình phát triển và điều khiển: • Cơ chế điều khiển quá trình phát triển, biệt hóa các cơ quan ở sinh vật có vai trò quan trọng của ARN thông tin (i-ARN), khi sự tổng hợp i-ARN bị ức chế thì cơ chế điều khiển quá trình phát triển, biệt hóa các cơ quan sẽ bị ảnh hưởng. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chứng tỏ rằng sự ức chế sự tổng hợp i-ARN bởi bức xạ ion hóa là hậu quả của sự gây ra những tổn thương trước đó, đó là gây tổn thương lên quá trình hình thành, tích lũy các chất tác ứng cần thiết cho phát triển cơ thể. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • §4. Tác dụng trực tiếp và gián tiếp của bức xạ ion hóa lên hệ sinh vật: • Tác dụng của bức xạ ion hóa lên hệ sinh vật có thể là trực tiếp lên phân tử hữu cơ hoặc gián tiếp thông qua các phân tử nước của môi trường chứa trong hệ. • 1. Tác dụng trực tiếp: • Những biến đổi ở hệ sinh vật gây ra do các phân tử hữu cơ ở hệ sinh vật sau khi trực tiếp nhận năng lượng bức xạ ion hóa, chúng có thể bị ion hóa tạo ra các gốc tự do, tạo các peroxit, chuyển sang trạng thái kích thích,từ đó gây ra các hiệu ứng sinh học ở hệ sinh vật được gọi là tác dụng trực tiếp. • Tác dụng trực tiếp thường làm các phân tử xuất hiện những biến đổi về mặt hóa học và cấu trúc. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • 2. Tác dụng gián tiếp: • Những biến đổi trong hệ sinh vật không phải gây ra do phân tử sinh vật trực tiếp hấp thụ bức xạ ion hóa mà do sự tương tác với các sản phẩm phân ly từ nước được gọi là tác dụng gián tiếp. • Ta đã biết, dưới tác dụng của bức xạ ion hóa, nước bị phân ly và tạo ra các sản phẩm sơ cấp là các gốc tự do H*, OH* và e- . Các sản phẩm sơ cấp này có thể tham gia các phản ứng để tạo ra H2O2, H2, H2O, HO2* nhưng cũng có thể tương tác với các phân tử hữu cơ RH trong hệ sinh vật để tạo ra các gốc tự do hữu cơ. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Ví dụ các phản ứng bứt hyđro: R – H + OH* H2O + R* (gốc tự do hữu cơ) R – H + H* R* + H2 • Hay phản ứng phân ly: RNH2 + H* R* + NH3 RNH3 + e- R* + NH3 • Và phản ứng kết hợp: H H H H C == C + OH* -- R – C – C* - H R H OH → →→→ BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Gốc tự do R* lại có thể tác dụng với nhau hay với phân tử khác: • Như phản ứng trùng hợp: R* + R* R - R • Phản ứng kết hợp hai gốc tự do khác nhau: R1* + R2* R1 – R2 • Kết hợp các gốc tự do, tạo ra sản phẩm mới: R* + R* RH + P (SP mới) • Phản ứng thủy phân: R* + H2O P → → → → BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Có thể xảy ra phản ứng của gốc tự do peroxit RO2* (được tạo ra khi có mặt oxy) với phân tử gốc RH: RO2* + RH ROOH + R* • Kết quả của các tương tác trên đã làm phá vỡ hay biến đổi cấu trúc các phân tử protein, chất béo, hyđrocacbua,dẫn đến làm phá vỡ hay biến đổi cấu trúc tế bào, gây ra những phản ứng sinh hóa bất bình thường trong cơ thể sinh vật → BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • §5. Các yếu tố ảnh hưởng đến tác dụng của bức xạ ion hóa lên hệ sinh vật: • 1. Sự khác nhau về độ nhạy cảm phóng xạ : • - Thực nghiệm cho thấy độ nhạy cảm phóng xạ giữa tế bào động vật và thực vật, giữa các loài thực vật, giữa các phần khác nhau trên một cơ thể sinh vật thậm chí giữa các phần khác nhau trên một tế bào là không như nhau. Với cùng một loài, độ nhạy cảm phóng xạ phụ thuộc vào tuổi, cơ thể càng trẻ càng dễ bị tổn thương phóng xạ. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Ở thực vật độ nhạy cảm phóng xạ thường cao ở các giai đoạn tạo hoa và nở hoa, do vậy có người ta có thể tìm cách chiếu xạ để cây vẫn phát triển mà không chuyển sang giai đoạn nở hoa. • Với động vật thì độ nhạy cảm phóng xạ thường cao vào giai đoạn các cơ quan đang hình thành (như chiếu xạ liều 600 800 rad vào phôi gà ở giai đoạn đang hình thành hệ thần kinh thì sẽ làm hệ thần kinh không phát triển, nhưng chiếu vào thời kỳ hệ thần kinh đã hình thành hoàn chỉnh thì dù chiếu liều lượng lớn hơn cũng không làm ảnh hưởng đến cấu trúc và chức năng của hệ này). Một ví dụ khác như: LC50/30 ở trâu bò trưởng thành là 550R còn ở bê dưới 5 tháng tuổi là 250R. → BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • - Độ nhạy cảm phóng xạ cũng phụ thuộc số lần chiếu xạ và diện tích vùng bị chiếu xạ. • Ví dụ: Chiếu liều 50R liên tục trong 14 ngày vào lợn cũng gây chết như chiếu liều 600R trong 1 ngày; Hoặc chiếu xạ toàn thân bò thì liều 1000R sẽ gây chết ngay, nhưng chiếu cục bộ thì phải tới liều 10KR mới gây chết ngay. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ: • Các nghiên cứu thực nghiệm ở một số loài vi sinh vật, ở hạt ngũ cốc cho thấy: • - Nếu thay đổi nhiệt độ trong thời gian đang chiếu xạ thì ảnh hưởng rất ít đến mức độ tổn thương phóng xạ. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • - Sau khi chiếu xạ mà giữ mẫu ở nhiệt độ thấp thì mức độ tổn thương phóng xạ hầu như không phát triển; Tuy nhiên, nếu tăng nhiệt độ môi trường thì mức độ tổn thương phóng xạ tăng. Người ta cho rằng nguyên nhân là do sau khi chiếu xạ mà tăng nhiệt độ thì làm tăng các phản ứng hóa học trong các hợp chất sống . • Ví dụ: sau khi chiếu xạ lên vi khuẩn mà tăng nhiệt độ từ 60C lên 300C thì mức độ tổn thương phóng xạ tăng 4 lần. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • 3. Ảnh hưởng của oxy: • Nhìn chung độ nhạy cảm phóng xạ của cơ thể sống tăng khi nồng độ oxy tăng và giảm khi nồng độ oxy giảm; Tuy nhiên độ nhạy cảm phóng xạ chỉ thay đổi khi thay đổi nồng độ oxy trong lúc chiếu xạ còn trước và sau khi chiếu xạ thì nồng độ oxy không ảnh hưởng gì. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Ví dụ: Làm thí nghiệm trên chuột bạch, nếu trong thời gian chiếu xạ giảm nồng độ oxy từ 21% xuống còn 5% thì đến liều 1200R chúng vẫn sống 100%; Nhưng ở lô đối chứng, chiếu xạ trong điều kiện không khí bình thường thì liều lượng đó đã gây chết 100 %. Các kết quả tương tự cũng thu được khi chiếu xạ lên tế bào, mô động vật, mô cây hay vi khuẩn, BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Kết quả trên được giải thích là do khi có mặt oxy thì các gốc tự do được tạo ra từ quá trình phân ly nước có thể tương tác với phân tử hữu cơ và tạo ra peroxit hữu cơ RO2 rất độc hại đối với cơ thể sinh vật: • RH + OH* H2O + R* • R* + O2 RO2* • Trong môi trường càng giàu oxy thì tạo ra càng nhiều RO2* và càng làm tăng độ nhạy cảm phóng xạ. → → BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Ảnh hưởng của oxy cũng thấy rất rõ khi chiếu xạ trực tiếp lên phân tử AND: Khi không có oxy thì tổn thương phóng xạ chủ yếu thể hiện qua quá trình khâu mạch, tạo ra sản phẩm ít hòa tan trong nước; Nhưng khi có mặt oxy thì dễ gây phân hủy AND. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • 4. Sự phát triển và hồi phục của tổn thương phóng xạ: • a) Sự phát triển của tổn thương phóng xạ: • Khi chiếu xạ lên đối tượng sinh vật với liều lượng không đủ gây chết mà chỉ đủ gây tổn thương thì sự tổn thương đó sẽ biến đổi theo thời gian theo 3 giai đoạn như sau: • Giai đoạn đầu: Xảy ra các biến đổi sơ cấp, các phản ứng đặc trưng làm thay đổi một số quá trình sinh hóa. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • Giai đoạn thứ hai: Là thời kỳ nung bệnh, thời gian kéo dài hay ngắn tùy theo đối tượng bị chiếu xạ và liều lượng chiếu xạ, (như ở động vật bậc thấp là vài giờ đến 1 ngày còn ở động vật bậc cao thì khoảng 5 đến 21 ngày). • Giai đoạn thứ ba: Giai đoạn mắc bệnh nhiễm xạ. Ở giai đoạn này xuất hiện các biến đổi sinh lý, sinh hóa, các biến đổi bệnh lý và bệnh phóng xạ bắt đầu phát triển. Tùy theo liều lượng chiếu xạ mà bệnh có thể nặng, nhẹ khác nhau và sinh vật có thể sống sót hoặc chết. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • b) Sự hồi phục tổn thương phóng xạ: • Thực nghiệm cho thấy nếu chiếu xạ nhiều lần với liều lượng nhỏ và sau những khoảng thời gian xác định lên một đối tượng thì liều gây tử vong sẽ tăng dần lên. • Ví dụ: Sau nhiều ngày chiếu liều 10R lên chó thì độ nhạy cảm phóng xạ sẽ giảm dần, liều LD50 có thể lên đến 1000R, thậm chí có thể đến 5000R; Điều này chứng tỏ ở sinh vật có khả năng làm quen dần và phục hồi sau mỗi lần chiếu xạ. BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • §6. Ứng dụng của bức xạ ion hóa trong thực tiễn: • - Trong y học dùng bức xạ X vào chiếu, chụp các cơ quan ở người, động vật. Tia X và γ được dùng vào việc diệt các tế bào ung thư, các khối u hay tiệt trùng trong phẫu thuật cấy mô xương, da, BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • - Trong nông nghiệp: • + Bức xạ ion hóa với liều thích hợp và chiếu vào giai đoạn thích hợp có tác dụng kích thích các quá trình sinh trưởng, phát triển của cây, kích thích sự nảy mầm của hạt, • + Trong bảo quản lương thực, thực phẩm, bức xạ ion hóa có tác dụng tiêu diệt nấm mốc, các vi khuẩn, vi sinh vật gây hại hay ức chế quá trình nảy mầm, phân hủy của các loại ngũ cốc, khoai, rau quả, BÀI GIẢNG LÝ SINH CHƯƠNG IV: PHÓNG XẠ SINH HỌC • + Trong tạo giống cây trồng, phương pháp phóng xạ sinh học rất có hiệu quả trong việc gây các đột biến di truyền để tạo ra các giống mới có năng suất cao, chất lượng tốt và có khả năng chống chịu sâu, bệnh. • - Trong lĩnh vực công nghệ sinh học, việc tạo ra các dòng vi sinh vật đột biến nhờ chiếu xạ chính là nguồn vật liệu quan trọng cho việc chọn tạo các giống vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp các chất kháng sinh, các loại axit amin không thay thế, các vitamin,