QUANG SINH HỌC ĐH Y DƯỢC TP HCM

Đây là bài giảng được biên soạn của giáo viên tại trường mình đang học ( ĐH Y Dược TP.HCM) . Bài giảng nói về quang sinh học và ứng dụng của nó trong y sinh. Đảm bảo chất lượng nên mọi người cứ tham khảo thoải mái nhé . Chúc mọi người thành công.

III QUANG SINH HỌC

1 QUANG SINH -TỔNG QUAN

2 SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG

3 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG

4 TIA TỬ NGOẠI

MỤC TIÊU

1 Hiểu biết được các dạng cơ bản và các

giai đoạn chung của quá trình quang

sinh xảy ra trong hệ sinh học

2 Giải thích được cơ chế tác động của

ánh sáng lên hệ sinh học

3 Nêu được các hiệu ứng và ứng dụng

của quang sinh trong y sinh

1 QUANG SINH

KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LỌAI

• Các quá trình xảy ra trong hệ sinh học

khi hấp thu năng lượng tia sáng được

gọi là Quang sinh Có 3 nhóm cơ bản:

1 Quang tổng hợp: quang hợp gluxit và tổng hợp

các sắc tố, các chất hữu cơ đơn giản

2 Cảm nhận ánh sáng (thông tin): trong thị giác

động vật và tính hướng sáng của thực vật

3 Phá hủy cấu trúc sống, biến đổi các liên kết

sinh học quan trọng: hấp thu tia tử ngoại

1 QUANG SINH

THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG

• Ánh sáng truyền dưới dạng những hạt riêng rẽ gọi là photon hay lượng tử ánh sáng

• Mỗi photon mang năng lượng E = hυ = hc/

• Năng lượng hấp thu hay phát xạ bằng hiệu số

năng lượng giữa hai mức đầu và cuối:

E = E1 – E2 = hυ = hc/

1 QUANG SINH

SỰ CHUYỂN MỨC NĂNG LƯỢNG

• Các electron quay quanh hạt nhân nguyên tử theo

những bán kính “quỹ đạo” nhất định xác định Mức

năng lượng của chúng

• Khi Nguyên tử hấp thu năng lượng các electron sẽ

chuyển ra quỹ đạo xa hơn và nguyên tử nằm trong trạng thái kích thích (*)

• Khi electron chuyển từ quỹ đạo xa hơn về quỹ đạo

cơ bản, nguyên tử sẽ phát xạ ra năng lượng dưới

dạng lượng tử sóng điện từ:

• E = E1 – E2 = hυ = hc/

• Khi hấp thu hay phát xạ năng lượng, Phân tử cũng

1 QUANG SINH

CÁC GIAI ĐOẠN CỦA QUÁ TRÌNH

HẤP THU ÁNH SÁNG KÍCH THÍCH PHÂN TỬ

CHUYỂN NĂNG LƯỢNG

CHUYỂN TRẠNG THÁI

PHẢN ỨNG QUANG HÓA

PHÁT QUANG

CHUYỂN THÀNH NHIỆT

PHẢN ỨNG SINH HÓA ỨNG XỬ

SINH LÝ

1 QUANG SINH

PHẢN ỨNG QUANG HÓA

1 Quang ion hóa: tách electron khỏi phân tử bằng bức

xạ lượng tử, biến chúng thành các ion và gốc tự do.

2 Quang oxy hóa khử: chuyển electron từ phân tử qua

phân tử, một phân tử oxy hóa, phân tử kia khử.

3 Quang ly: phân rã phân tử ra các ion dưới tác động

của bức xạ lượng tử

4 Quang đồng phân hóa: biến đổi cấu hình phân tử

dưới tác động ánh sáng, thay đổi cấu trúc phân tử.

5 Quang nhị trùng hóa: thành lập các liên kết hóa học

giữa các đơn chất dưới tác động của photon ánh

sáng.

1 QUANG SINH

PHẢN ỨNG QUANG HÓA

• Giai đoạn I (quang-vật lý):

Phân tử hấp thu bức xạ lượng tử  kích thích

A + hυ  A*

• Giai đoạn II (phản ứng trong bóng tối):

Các chất oxy hóa khử sơ cấp tạo ra ở giai đoạn I

có hoạt tính hóa học cao

Thực hiện phản ứng oxy hóa khử trong bóng tối

Làm thay đổi các phản ứng hóa sinh

Thay đổi trạng thái sinh lý chung của cơ thể

Cơ thể thực hiện một ứng xử sinh lý nào đó

1 QUANG SINH

QUÁ TRÌNH QUANG LÝ

• Quá trình quang sinh theo hướng phản ứng

quang hóa không phải là duy nhất

• Năng lượng của phân tử bị kích thích có thể tiêu

tán theo hướng Quang lý:

1 Phát quang hoặc chuyển thành nhiệt;

2 Chuyển năng lượng cho phân tử khác hoặc chuyển sang trạng thái kép

• Sau khi đi theo hướng thứ hai phân tử lại có thể

thực hiện các phản ứng quang hóa tiếp theo

1 QUANG SINH

• Quá trình phát sáng của phân tử kéo theo sự

chuyển electron từ mức bị kích thích về mức cơ

bản gọi là Sự phát quang:

hυ ps = hυ ht – E n

trong đó: υps- tần số phát quang, υht- tần số hấp thu,

En- phần năng lượng biến thành nhiệt

• Sự phát quang khi chuyển electron từ mức trạng thái đơn bị kích thích thấp nhất xuống mức cơ

bản gọi là Huỳnh quang

• Sự phát quang khi chuyển electron từ mức trạng

thái kép trở về mức cơ bản gọi là Lân quang

-Không hao tổn nhiệt

-Không tiếp xúc 2 phân tử

-Không tách điện tử

-Khoảng cách xa (so với nguyên tử)

1 QUANG SINH

TÓM TẮT

• Như vậy bất kỳ một quá trình quang sinh nào đều theo sơ đồ: hấp thu lượng tử  phản ứng quang hóa (hoặc quang lý)  phản ứng sinh hóa  ứng xử sinh lý

• Ứng xử sinh lý có thể là: thải ra oxy khi

quang hợp, chuyển động của lá cây ra

phía mặt trời, phản ứng của động vật với ánh sáng, tử vong khi chiếu xạ mạnh…

2 SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG

KHÁI NIỆM

• Hiện tượng cường độ ánh sáng sau khi ra khỏi môi trường bị giảm đi do sự hấp thu của chính môi trường đó được gọi là “Sự hấp thu ánh sáng”

• Năng lượng bị tiêu hao chủ yếu dưới dạng chuyển động nhiệt hỗn lọan của các

nguyên tử, phân tử trong môi trường đó

(quá trình quang lý: chuyển thành nhiệt)

2 SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG

ĐỊNH LUẬT LAMBERT-BEER

• Sự hấp thu ánh sáng tuân theo đ/l Lambert-Beer:

I = I 0 e -γ.C.ℓ , trong đó:

- I là cường độ ánh sáng khi qua khỏi mẫu chiếu

- I 0 là cường độ dòng ánh sáng đi tới mẫu

- C là nồng độ chất của mẫu, ℓ là bề dày mẫu

- γ là hệ số hấp thu của mẫu

• D = γ.C ℓ = lg(I 0/I) gọi là Mật độ quang của mẫu.

• Phát biểu Đ/l: “Mật độ quang của mẫu tỷ lệ thuận

với nồng độ của chất trong mẫu và quang lộ”

• Mật độ quang D chính là khả năng hấp thu ánh

sáng của vật chất

2 SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG

ĐỊNH LUẬT LAMBERT-BEER

C

2 SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG

PHỔ HẤP THU

• Vật chất hấp thu (D) không như nhau đối với

ánh sáng có bước sóng (λ) khác nhau

• Đường cong D = f(λ) gọi là Phổ hấp thu

• Thường phổ hấp thu có tính liên tục, nhưng có một số bước sóng mà ở đó mật độ quang đạt

cực đại Ta gọi bước sóng đó là λmax

• Protein λmax= 280nm, axit nucleic λmax= 260 nm, chlorophyll λmax = 430 nm và λmax = 680 nm

• Phổ hấp thu đặc trưng cho từng chất phụ thuộc vào cấu trúc và tính chất phân tử của chất đó

2 SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG

PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THU

• Nghiên cứu phổ hấp thu của một quá trình cho ta biết

chất nào có trong quá trình đó (định tính)

• Dựa trên vị trí λmax có thể xác định độ dài bước sóng mà chất đó có ưu thế hấp thu mạnh nhất

• Biết độ dài bước sóng hấp thu ta xác định được năng

lượng của lượng tử ánh sáng và từ đó tính được sự

phân bố mức năng lượng electron và bước chuyển trạng thái năng lượng của phân tử

• Từ mật độ quang D  nồng độ của chất (định lượng)

• Phương pháp nghiên cứu với sự trợ giúp của phổ hấp

thu được gọi là phương pháp quang phổ hấp thu

• Phổ hấp thu được ghi nhận với sự trợ giúp của thiết bị chuyên dụng gọi là máy quang phổ.

MÁY QUANG PHỔ

Máy quang phổ có 3 thành phần chính:

• 1 Nguồn sáng

• 2 Bộ phận tán sắc (tạo tia đơn sắc)

• 3 Bộ phận ghi đo quang điện

MÁY QUANG PHỔ

MÁY QUANG PHỔ

CUVETTE

3 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG

CÁC QUY LUẬT CHUNG

• Cơ thể phản ứng với môi trường bên ngoài

• Chức năng nhận và xử lý thông tin về môi

trường do các cơ quan cảm giác đảm nhận

• Các cơ quan cảm giác là các thiết bị đo để phân tích các tác nhân kích thích vật lý bên ngoài và cũng để đánh giá hiệu quả của các phản ứng do

cơ thể thực hiện

Làm nhiệm vụ liên lạc thông tin thuận nghịch giữa cơ thể với môi trường bên ngoài

KÍCH THÍCH

MÔI TRƯỜNG

PHẢN ỨNG

3 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG

CÁC QUY LUẬT CHUNG

• Khi có kích thích bên ngoài gây ra điện thế phát động ở màng tế bào cảm nhận

• Điện thế phát động trong đầu dây thần kinh là các tín hiệu truyền thông tin

• Tần số f xuất hiện điện thế tác động tỷ lệ theo hàm logarit với giá trị kích thích R:

• f = m.lgR + n, (m và n là các hằng số)

• Sự phụ thuộc trên như là sự phụ thuộc giữa giá trị cảm nhận và cường độ kích thích ở trên Đây

là phương trình cơ bản để mã hóa thông tin

trong các cơ quan cảm giác

• Phần ngoài của tế bào quang có cấu tạo lớp

như là các đĩa chồng lên nhau với số lượng

khoảng vài trăm cái

• Độ nhạy cảm ánh sáng bề mặt của tế bào quang tăng lên nhiều lần, đảm bảo xác suất cao của nó tác động với lượng tử ánh sáng

3 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG

CƠ CHẾ CẢM NHẬN

• Bắt đầu bằng sự hấp thu ánh sáng của các sắc

tố cảm thụ ánh sáng (rodopsin và iodopsin) nằm

ở phần ngoài của các tế bào que và nón

• Giả thuyết cho rằng phản ứng quang hóa phân hủy rodopsin làm phát sinh điện thế phát động

• Có giả thuyết lại cho rằng sự tiết Na vào phần ngoài của tế bào cảm nhận quang và sự thoát

Na khỏi nó khi chiếu sáng xảy ra theo quy luật như là kích thích thần kinh và cơ

3 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG

MÃ HÓA ĐỘ DÀI BƯỚC SÓNG

• Khả năng mắt cảm nhận ánh sáng theo độ dài bước sóng còn gọi là thị giác màu

• Tế bào que cảm nhận ánh sáng trắng đen và

xám, còn tế bào nón cảm nhận ánh sáng màu

• Sử dụng thuyết 3 thành phần màu Lômôlôxốp:

- Tế bào nón của võng mạc chia ra 3 loại và

chứa các chất nhạy cảm ánh sáng 3 màu khác nhau (đỏ, lục, lam)

- Bất kỳ màu nào đều tác động lên 3 loại cảm

nhận ánh sáng nhưng ở mức độ khác nhau

3 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG

MÃ HÓA CƯỜNG ĐỘ ÁNH SÁNG

• Theo quy luật chung dưới tác động của ánh

sáng trong các tế bào cảm nhận ánh sáng xuất hiện điện thế phát động tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng

• Điện thế phát động gây ra kích thích lớp tế bào kép và dây thần kinh thị giác

• Tần số kích thích của tế bào thần kinh tỷ lệ

thuận với điện thế phát động, tức tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng theo phương trình cơ bản:

f = m.logR + n

3 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG

MÃ HÓA KHỎANG CÁCH & KÍCH THƯỚC

• Đối với một mắt giá trị để đánh giá khoảng cách đến vật là sức căng của cơ dây chằng treo thủy tinh thể và độ lớn của hình ảnh trên võng mạc

• Khi nhìn vật bằng 2 mắt thì hiện tượng phân kỳ của hình ảnh vật trên võng mạc là cơ sở để

đánh giá khoảng cách đến vật

• Khi nhìn bằng 2 mắt đánh giá khoảng cách

chính xác hơn nhiều so với một mắt

• Thông tin về kích thước vật được mã hóa bằng

số lượng tế bào cảm nhận được kích thích và

4 TIA TỬ NGOẠI

TỔNG QUAN

• Tia tử ngoại tiêu hủy, gây đột biến tế bào có ý nghĩa thực tiễn trong y học, di truyền học

• Phổ của tia tử ngoại mặt trời chia ra 3 vùng:

1/  = 180-275 nm: làm thay đổi cấu trúc của

protein, lipid và tác dụng diệt trùng;

2/  = 275-320 nm: chống còi xương, tạo sắc tố, thúc đẩy sự tạo biểu mô, làm tốt hơn các quá trình tái sinh;

3/  = 320-400 nm: có tác dụng sinh vật yếu, gây phát quang ở một số chất hữu cơ

4 TIA TỬ NGOẠI

TÁC ĐỘNG LÊN PROTEIN

1.Giai đoạn hoạt hóa:

2.Giai đoạn quang ion hóa:

4 TIA TỬ NGOẠI

TÁC ĐỘNG LÊN AXIT NUCLEIC (AN)

• Chỉ có gốc nitơ của AN hấp thu mạnh

• Các phản ứng quan trọng nhất là oxy hóa, thủy phân, quang nhị trùng hóa

• Khi chiếu với liều cao có thể làm đứt mạch vòng của gốc nitơ.

• Tác động cơ bản của tia tử ngoại lên AN

là làm chúng mất hoạt tính sinh học

• Vai trò cơ bản trong sự khử hoạt tính ADN

là quá trình nhị trùng hóa gốc timin (T)

4 TIA TỬ NGOẠI

CƠ CHẾ TÁC ĐỘNG LÊN ADN

• Hai phân tử timin (T) ở ADN xoắn đôi không khi nào phân bố cạnh nhau

• Do sự ghép bổ xung nhau trong sợi ADN chúng cũng không nằm đối diện nhau

• Dưới tác động của tia tử ngoại làm các sợi ADN đôi bị tháo ra

• Các sợi ADN uốn cong lại sao cho các gốc timin (T) gần lại nhau

• Giữa chúng sinh ra liên kết bền buộc 2 sợi ADN lại và cản trở sự dò đọc các thông tin từ nó

4 TIA TỬ NGOẠI

ỨNG DỤNG

• Tia tử ngoại có tính sát trùng cao do vi trùng bị

áp chế hoạt tính, khống chế khả năng sinh sản

và chết.

• Tác động sát trùng chủ yếu của tia tử ngoại là

làm tổn thương và khử hoạt tính của axit nucleic

• Tia tử ngoại được sử dụng trong điều trị và

phòng ngừa khi chiếu một phần cơ thể bị nhiễm

trùng, để khử trùng các dụng cụ, thức ăn …

• Liều chiếu tia tử ngoại vừa phải làm tăng khả

năng phản ứng và miễn dịch của cơ thể

• Giá trị đặc biệt của tia tử ngoại là ở quá trình tạo vitamin D, để điều trị bệnh còi xương.