Bài giảng chương i cơ sở lý sinh y học

Cơ sở lý sinh y họcBài 1: Tổng quan - Một số khái niệm và nguyên lý cơ bản Bài 2: Vận chuyển của vật chất trong cơ thể sinh vật Bài 3: Các loại điện thế sinh vật cơ bản, cơ chế Bài 4: Bả

Chương I Cơ sở lý sinh y học

Bài 1: Tổng quan - Một số khái niệm và nguyên lý cơ bản

Bài 2: Vận chuyển của vật chất trong cơ thể sinh vật

Bài 3: Các loại điện thế sinh vật cơ bản, cơ chế

Bài 4: Bản chất của ánh sáng Khái niệm lượng tử năng lượng

Bài 5: Cơ chế của hiện tượng hấp thụ và phát quang

Bài 6: Tác dụng của ánh sáng lên cơ thể sống

Bài 1

TỔng quan một số khái niệm và nguyên lý VẬT

lý cơ bẢn

TỔNG QUAN

Định nghĩa:

Lý sinh y học là môn khoa học sử dụng những phương pháp và quy luật vật lý để nghiên cứu bản chất, cơ chế, động lực của các hiện tượng và các quá trình xảy

ra trong các hệ thống sống.

*BẢN CHẤT :

Giống nhau:

Giúp chúng ta trả lời các câu hỏi:

Cái gì? Tại sao? Như thế nào Khác nhau:

Vật lý: Tất cả các hiện tượng tự nhiên

Ví dụ: con thuyền, cái kim, xe đạp, mưa gió sấm sét, nhật nguyệt thực, thuỷ triều

Lý Sinh y học: Các quá trình sống

ví dụ: cá nước mặn, sự vận chuyển của nước, nhựa cây, cơ chế tác động của dòng điện lên cơ thể

*CHỨC NĂNG, NHIỆM VỤ:

HÖtuÇn hoµn

I MỘT SỐ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

VÀ ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA LSYH HIỆN NAY

- Sự biến đổi năng lượng trong các tổ chức sống

- Laser và ứng dụng trong y học

- Sự vận chuyển của vật chất trong cơ thể sinh vật

- Các hiện tượng điện trong các tổ chức sống

- Các quá trình quang sinh

- Bức xạ ion hoá và sự sống

- Âm - Siêu âm, ứ dụng trong chẩn đoán và điều trị

I MỘT SỐ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG

DỤNG CƠ BẢN

- Phương pháp hiển vi

- Phương pháp quang phổ hấp thụ

- Kỹ thuật nội soi

- Phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân

-Phương pháp xạ trị

- Gamma knife

I MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

I MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1000C 373,160K 800R 2120F

n 0 C = (0,8.n) 0 R = (1,8n + 32) 0 F = n+273 0 K

Celsius Kenvin Réomur Fahreinheit

Các loại nhiệt giai

+ Điểm chuẩn thấp là nhiệt độ của nước đá đang tan

+ Điểm chuẩn cao là nhiệt độ của hơi nước sôi ở áp suất 1atm,

7/ Nhiệt lượng- Đơn vị đo nhiệt lượng 8/ Công

9/ Liên hệ giữa công và nhiệt lượng

10/ Nội năng

I MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN ( TIẾP)

II/ NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC

1 Xây dựng nguyên lí

* Nếu hệ không thực hiện công : U = Q

* Nếu hệ thực hiện công : U + A = Q

3 ý nghĩa

* Hệ quả 1 : Từ biểu thức :Q = A + U

Nếu : Q = 0  A = -U

Nếu : Q = 0 và U = 0  A = 0

* Hệ quả 2 (Định luật Héc xơ):

Hiệu ứng nhiệt của một quá trỡnh hoá học phức tạp không phụ thuộc vào các giai đoạn trung gian

mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng

thái cuối của quá trỡnh đó

4 Nguyên lí thứ nhất áp dụng cho hệ thống sống

ẹaởt vaỏn ủeà

Các công trỡnh thực nghiệm đã chứng tỏ khi không sinh công ở môi trường ngoài, nhiệt lượng tổng cộng do cơ thể sinh ra gần đúng bằng nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn các hợp chất hửừu

cơ nằm trong thành phần thức aờn cho đến khi thành H2O và CO2 và đó cũng chính là naờng lượng sinh ra do quá trỡnh đồng hoá thức aờn của

cơ thể.

Nếu gọi :

Q là năng lượng sinh ra trong quá trỡnh đồng hố thức ăn

E là năng lượng mất mát vào mơi trường xung quanh

A là cơng mà cơ thể thực hiện để chống lại lực của mơitrường bên ngồi

M là năng lượng dự trữ dưới dạng hố năng thỡ nguyên líthứ nhất nhiệt động học áp dụng cho hệ thống sống được viếtdưới dạng:

Q =E + A + M

ẹãy cũng chính là phương trỡnh cơ baỷn của cân bằng nhiệtđối với cơ thể người

Lưu ý : Thơng thường người ta quy ước chia nhiệt lượng sinh ra trên cơ

thể thành hai loại: nhiệt lượng sơ cấp (cơ b aỷ n) và nhiệt lượng thứ cấp (tích cực).

III NGUYÊN LÍ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG HỌC

1 MỘT VÀI THÔNG SỐ NHIỆT ĐỘNG LIÊN QUAN

A GRADIEN :

XÉT MỘT ĐẠI LƯỢNG Y= Y(R)

VỚ DỤ: GRAD THẾ NĂNG, GRAD ĐIỆN ỎP, GRAD GIỎ CẢ , GRAD MỨC SỐNG

TRONG CÁC HỆ THỐNG SỐNG, LUÔN LUÔN TỒN TẠI RẤT NHIỀU CÁC GRADIEN KHÁC NHAU (GRAD C, GRAD P, VV )

TẾP TỤC

4 5

6

1

6

15 20

15 6

1

1/64

6/64

15/64 20/64

15/64 6/64

1

3

6 5

Đại lỵng S = K lnW, trong đó K là hằng số Bôzman, đ ỵc gọi là Entropi cđa một hƯ

TIẾP TỤC

2 Tính không thuận nghịch của các quá trỡnh

tự nhiên

Xét một vài ví dụ sau:

a Ví dụ 1: Quá trinh khuyếch tán vật chất

b Ví dụ 2: Quá trình truyền nhiệt

c Ví dụ 3: Quá trinh chuyển đổi giữa các dạng

năng lượng

3 Nội dung nguyên lí

* Tính trật tự của một hệ cô lập chỉ có thể giữ nguyờn

hoặc giảm dần.

* Không thể tồn tại trong tự nhiên một chu trình mà kết

quả duy nhất là biến nhiệt thành công mà không để

lại một dấu vết gỡ ở xung quanh.

* Trong một hệ cô lập, chỉ nhửừng quá trình nào kéo

theo việc taờng entropi mới có thể tự diễn biến Giới hạn của tự diễn biến là hệ đạt đến trạng thái có

entropi cực đại.

TIẾP TỤC

4 Trạng thái dừng và hệ thống sống

Khái niệm trạng thái dừng

Sự giống và khác nhau giưa trạng thái dừng và trạng thái CBND :

- Giống: Các thông số trạng thái ( bao gồm cả Entropi và các Gradien) có giá trị không thay đổi.

- Khác: TT CBND: Entropi = maximum, Các Grad =0

 Hệ không còn khả nang sinh công

- TT Dừng: Entropi # maximum, Các Grad # 0

Hệ vẫn có thể sinh công khi chuyển từ TT dừng này sang

TT Dừng khác

5 Sự dịch chuyển entropi trong các hệ thống sống

Khi chuyển từ trạng thái dừng này sang trạng thái dừng khác , S thay đổi một lượng là dS = S 2 - S 1 , trong đó dS bao gồm hai phần:

- Thành phần dSi: gây bởi những biến đổi bên trong

- Thành phần dSe: gây bởi sự tương tác, trao đổi với môi trường.

Nghĩa là : dS = dSi + dSe Trong đó: dSi luôn luôn dương ( theo nguyên lí 2)

dSe có thể dương, âm hoặc = 0

Ta thấy: Nếu dSe > hoặc = 0 th ỡ dS > 0 Thoaỷ mãn nguyên lí 2

Nếu dSe < 0 th ỡ có 3 kh aỷ n aờ ng có thể x a ỷy ra :

- | dSe | < | dSi |  dS = dSi + dSe > 0 ==> nguyên lí 2 được tho a mãn.

-| dSe | > | dSi |  dS = dSi + dSe < 0 ==> S gi aỷ m,tính trật tự t aờn g.

-| dSe | =| dSi |  dS = dSi + dSe = 0 ==> S =co nst  Dửứng

TIẾP TỤC

TRÂN TRỌNG CẢM ƠN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y KHOA

BỘ MÔN LÝ SINH Y HỌC

QUANG SINH

ÁNH SÁNG VÀ SỰ SỐNG

I BẢN CHẤT ÁNH SÁNG KHÁI NIỆM LƯỢNG TỬ NĂNG LƯỢNG (PHOTON)

MỤC TIÊU :

HIỂU RÕ VỀ LƯỠNG TÍNH SÓNG - HẠT CỦA ÁNH SÁNG

GHI NHỚ MỘT SỐ THÔNG SỐ CƠ BẢN ĐẶC TRƯNG CHO MỖI

THUỘC TÍNH

1 Khái niệm

1 Lược sử về cấu tạo vật chất và bản chất của ánh sáng

Trong suốt mấy ngàn năm qua, con người không ngừng đi sâu tìm hiểu bản chất của ánh sáng và cấu tạo của vật chất nói chung Đó là một quá trình lâu dài với không ít những sự kiện và biến đổi phức tạp của khoa học Có thể chia quá trình đó thành 3 giai đoạn :

Giai Đoạn 1: Bắt đầu từ vài trăm năm trước công nguyên và kéo dài đến giữa thế kỷ 17.

Giai Đoạn 2: Bắt đầu từ khi có những thuyết đầu tiên, về bản chất của ánh sáng và kết thúc bằng sự ra đời của thuyết điện từ ánh sáng của Mac-xoen Giai đoạn 3: Bắt đầu từ đầu thế kỷ 20 bằng sự ra đời của Lý thuyết lượng

tử ánh sáng và kéo dài cho đến ngày nay

Năm 1865, Macxoen đã đưa ra thuyết điện tử ánh sáng với

những nội dung chính như sau:

- ánh sáng được truyền đi dưới dạng sóng.

- Sóng ánh sáng là một loại sóng điện từ, được đặc trưng bởi hai véc tơ là véc tơ cường độ điện trường E và véc tơ cường

độ từ trường H.

- Tại mỗi điểm mà sóng ánh sáng lan truyền tới, véc tơ E

vuông góc với véc tơ H và vuông góc với phương truyền

Sóng vô tuyến : Bước sóng  ~ 105 - 10-3 m Hồng ngoại : ” ~ 10-3 - 0,76 m

Năm 1900, Plank và Anh-xtanh đã chỉ ra rằng :

- Năng lượng của ánh sáng (quang năng) được truyền đi một cách gián đoạn, không liên tục tức là trong dòng ánh sáng, có chỗ năng lượng được tập trung lại, những chỗ khác không có gì,

Từ quan niệm đó, hai ông đã đưa ra giả thuyết, cho rằng: Dòng ánh sáng là dòng của những hạt riêng biệt, những hạt này được gọi là lượng tử năng lượng hay Photon.

3 Thuộc tính hạt của ánh sáng, khái niệm lượng tử năng lượng (Photon)

- Mỗi Photon được đặc trưng bởi 3 thông số cơ

Biểu thức (3) cho biết: Khái niệm Pho-ton luôn gắn với

chuyển động (lan truyền)

Hấp thụ ánh sáng

1 Hiện tượng

Xét một môi trường vật chất nào đó Khi chiếu một chùm photon vào môi trường, giữa chùm photon và các phân tử của môi trường

sẽ có sự tương tác qua lại với nhau, kết quả là:

+ Về phía chùm photon: toàn bộ hoặc một phần năng lượng của

nó sẽ bị mất mát vào môi trường tức sau khi ra khỏi môi trường sẽ

bị yếu đi hoặc triệt tiêu

+ Về phía môi trường vật chất: Các nguyên tử hay phân tử đang

từ trạng thái cơ bản sẽ chuyển sang các trạng thái mới có năng

lượng lớn hơn gọi là trạng thái kích thích

Quá trình tương tác và trao đổi năng lượng nói trên được gọi là quá trình hấp thụ ánh sáng của môi trường.

Tính chất hấp thụ lọc lựa có thể giải thích cơ chế về màu sắc của các

sự vật, hiện tượng xung quanh ta

Ví dụ : - Máu có màu đỏ

- Tương tự lá cây có màu xanh

- Mặt nước ở trong các ao hồ hoặc ở biển có màu xanh đậm ở những chỗ sâu và nhạt hơn ở những chỗ nông, nước

trong ao trông có vẻ đục lờ lờ nhưng khi ta múc một ít vào

trong một ống nghiệm nhỏ, ta có cảm giác như trong hơn

- Ngoài ra chính tính chất hấp thụ lọc lựa là cơ sở cho một loạt các ứng dụng trong y học : Kỹ thuật chụp chiếu

Rơnghen, kỹ thuật Laser, liệu pháp xạ trị

Định luật hấp thụ ánh sáng

Để đặc trưng cho khả năng hấp thụ ánh sáng của

môi trường vật chất, người ta đã đưa ra khái niệm về hệ

số hấp thụ và định luật về sự hấp thụ ánh sáng của các môi trường như sau:

Ix = I0 exp (-x)

Định luật này cũng phản ánh một cách tổng quát tính chất hấp thụ lọc lựa mà chúng ta đã trình bày ở trên

II HIỆN TƯỢNG PHÁT QUANG

Khi có sự tưong tác giữa chùm Photon và các phân tử môi

trường các phân tử sẽ chuyển sang các trạng thái kích thích

Tuy nhiên, trạng thái kích thích là trạng thái không bền,  trở về TTCB  Khi đó nó giải phóng ra phần năng lượng từ các

photon truyền cho

Tuỳ thuộc giá trị của lượng năng lượng giải phóng ra đó, mà có thể xảy ra các trường hợp sau:

- Nếu năng lượng giải phóng không đủ lớn thì năng lượng được

giải phóng ra dưới dạng nhiệt năng khi đó ta nói hệ phát xạ nhiệt

- Nếu năng lượng giải phóng ra đủ lớn (bằng một số nguyên lần h) thì năng lượng được giải phóng ra ở dưới dạng các phôtôn

thứ cấp (tức là các hạt ánh sáng) Ta nói: môi trường phát xạ

photon thứ cấp hay phát quang.

Một cách định tính, người ta phân biệt 2 loại phát quang

• Huỳnh quang: là sự phát quang xảy ra đồng thời với thời gian

chiếu sáng và chấm dứt ngay khi ngừng chiếu sáng vào môi

trường (ví dụ như sự phát xạ của bóng đèn huỳnh quang, đèn hình của tivi, máy vi tính )

*Lân quang : là sự phát quang có thể tiếp tục được duy trì một thời

gian dài sau khi đã ngừng chiếu sáng vào môi trường ( ví dụ

như sự phát quang của một số loại gỗ mục, xương, xác động vật, các chất dạ quang trên các đồng hồ, la bàn )

III Sơ đồ mức năng lượng - giải thích hiện tượng hấp thụ

CÁC QUÁ TRÌNH QUANG SINH VÀ ỨNG DỤNG

Mục tiêu:

Trình bày được quá trình quang sinh theo

hai quan điểm:

Quan điểm năng lượng Quan điểm hiệu ứng sinh vật.

Hiểu rõ tác dụng của một vài quá trình

quang sinh tiêu biểu lên các hoạt động sống

1 Đại cương về tác dụng của ánh sáng lên cơ

thể sống.

Định nghĩa :

Khi một chùm photon được chiếu vào một cơ thể sinh

vật, bên trong cơ thể sinh vật đó sẽ xảy ra một loạt các

hiệu ứng và các quá trình, được gọi là các quá trình

quang sinh.

Khi nghiên cứu một quá trình quang sinh, người ta

thường xem xét theo 2 quan điểm sau:

Quan điểm năng lượng : 1 QTQS bao gồm 4 giai đoạn chính

- Giai đoạn 1: Chùm phôton bị hấp thụ bởi các sắc tố hoặc các chất khác tạo nên trạng thái trạng thái kích thích, nghiã là xảy ra

sự tích luỹ năng lượng trong sinh hệ

- Giai đoạn 2: Khử trạng thái kích thích của cơ thể Giai đoạnnày hoặc giải phóng năng lượng kích thích bằng các quá trình quang lý (toả nhiệt hay phát quang), hoặc bằng các quá trình

quang hoá dẫn tới các sản phẩm quang hoá đầu tiên

- Giai đoạn 3: Những phản ứng tối trung gian với sự tham gia của các sản phẩm quang hoá không bền nói trên để tạo nên các sản phẩm quang hoá bền vững

- Giai đoạn 4: Đó là giai đoạn xảy ra các hiệu ứng sinh vật, hay

- nói cách khác là các diễn biến sinh lí và cấu trúc của sinh hệ

Quan điểm hiệu ứng hiệu ứng sinh vật: gồm hai nhóm

* Nhóm các phản ứng sinh lý chức năng :

Là các phản ứng xảy ra với sự tham gia trực tiếp của ánh sáng

mà kết quả là nó tạo ra các sản phẩm cần thiết cho tế bào hay

có thể để thực hiện các chức năng sinh lý bình thường của

chúng Có thể chia thành 3 loại:

-Phản ứng tạo năng lượng (ví dụ: quang hợp)

-Phản ứng thông tin: (Thị giác ở động vật, hướng quang và quang hình thái ở thực vật )

-Sinh tổng hợp các phân tử hữu cơ ( chất diệp lục, vitamine )

* Nhóm các phản ứng phá huỷ biến tính :

Là chuỗi các phản ứng xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng mà kết quả là: gây bệnh lý, gây đột biến di truyền và gây tử vong

2 Một vài quá trình quang sinh tiêu biểu.

a Quang hợp

- Định nghĩa:

Q u a n g h ợ p l à m ộ t h i ệ u ứ n g x ả y r a ỏ c â y xanh dưới tác dụng của ánh sáng, trong đó có sự khử cacbonic (CO2 ) , tạo oxy (O2) và hyđrát cácbon (CH2O) mà kết quả là cây xanh tích tụ năng lượng từ ánh sáng bị hấp thụ trong các chất được tạo thành.

Vai trò của Quang hợp:

Quang hợp là một quá trình mang tầm quan trọng số một đối với sự sống Nó cung cấp thức ăn, Cellulose và trăm ngàn loại hoá chất cần thiết khác cho sự sống

Trong chuỗi dài các phản ứng phức tạp của quá trình quang hợp, có một phản ứng vô cùng quan trọng mà nếu không có ánh sáng (nhv) thì sẽ không

thể xảy ra được : CO2+ 2H2O + nhv = CH2O + O2 + H2O

Cơ chế QTrình QHợp:

Quan niệm cũ: khi các phân tử diệp lục " bắt được" các phân tử khí CO2 chúng " giữ lại trong các phòng xanh của " của chúng , nhờ năng lượng AS , diệp lục tố đã "cưa đôi " phân tử CO2 thành C và O2, sau đó chúng"nuốt " C vào bụng để tạo thành CH2O và tống O2 ra ngoài.

Quan niệm mới: O2 được tạo ra trong phản ứng được tách ra từ 2 PT nước chứ không phải từ CO2 Phản ứng cơ bản nhất của quang hợp là sự di chuyển của nguyên tử H từ phân tử H2O  CO2 để tạo thành CH2O

Về phương diện năng lượng: quá trình quang hợp làm tăng năng lượng tự

do, tức là làm giảm tương đối entropi của hệ, (hệ mở).

Do tính chất dự trữ năng lượng, giải phóng O2 và khử CO2 nên quang hợp là một quá trình hết sức quan trọng đối với sự sống

Nói chung trong các phản ứng này năng lượng của ánh sáng cần thiết để cung cấp năng lượng cho phản ứng chứ không dẫn đến sự dự trữ năng lượng trong các sản phẩm của phản ứng như trong quá trình quang hợp.

c Phản ứng thông tin (thông tin cảm thụ ánh sáng)

ánh sáng mang các thông tin về môi trường ngoài đến cho sinh vật: hoa

hướng dương hướng theo mặt trời, hàng loạt các loài hoa nở theo khoảng thời

gian xác định trong ngày, hàng loạt vi khuẩn phản ứng khi chiếu sáng

Mắt hầu như là cơ quan hoàn chỉnh nhất để tiếp nhận ánh sáng (cường độ,

bước sóng ) tạo ra các xung động thần kinh dẫn lên não giúp ta nhận thức

được môi trường xung quanh Phản ứng quang hoá phân huỷ sắc tố thị giác

phát sinh các xung động thần kinh truyền lên dây thần kinh thị giác để có cảm

giác sáng là phản ứng thông tin.

d Tác dụng quang động lực

Định nghĩa:

TDQĐL là sự tổn thương không phục hồi một số chức năng sinh lý

và cấu trúc của sinh hệ dưới tác dụng của ánh sáng với sự tham gia của O2 và chất hoạt hoá

Một vài TDQĐL quang trọng nhất:

* Tác dụng của quang động lực lên Protit và Axit nuclêic :

* Tác dụng quang động lực lên cơ thể sinh vật :

* Tác dụng quang động lực lên dược chất :

* Tác dụng của tia tử ngoại lên các hệ thống sống