Quang sinh shortBạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (199.43 KB, 7 trang ) QUANG SINH HỌC . CẢM THỤ ÁNH SÁNG Ở MẮT
Quang sinh học (photobiology)
Ngành khoa học nghiên cứu sự tương tác của bức xạ không ion hóa với các cơ thể sống.
Ranh giới giữa bức xạ ion hóa và không ion hóa thường được cho là 10 keV, năng lượng
đủ để ion hóa nguyên tử oxi
Lĩnh vực nghiên cứu bao gồm tất cả các hiện tượng sinh học có sự tham gia của bức xạ
không ion hóa mà trong đó bức xạ không ion hóa gây nên các biến đổi quang hóa hoặc/và
quang lý trong các hệ sinh học àcác hiệu ứng quang sinh
Phân loại bức xạ không ion hóa
Bức xạ không ion hóa được chia thành 3 nhóm chính:
1. Ánh sáng nhìn thấy (λ: 400 800nm), có ý nghĩa cho sự nhìn và nhiều đáp ứng quang sinh
quang sinh khác
2. Bức xạ hồng ngoại (IF) ( λ >800nm), con người không cảm thụ được bằng thị giác, làm
nóng vật chất hấp thụ nó
3. Bức xạ tử ngoại (UV), (λ <400nm), con người không cảm thụ được bằng thị giác, điều
khiển một số phản ứng quang sinh và nhiều phản ứng quang hóa quan trọng.
Bức xạ UV chia thành 4 vùng: (UV chân không) (100 200 nm), UV-C (200 280 nm),
UV-B (280 315 nm) and UV-A (315 400 nm). Ta chỉ quan tâm UV A, B và C
UVA và UVB xuyên qua khí quyển, toàn bộ UVC và một phần UVB bị hấp thụ bởi lớp
ozone. Do đó phần chính của bức xạ UV chúng ta bị chiếu là UVA và một lượng nhỏ UVB
Bước sóng ngắn nhất của bức xạ mặt trời đến tới bề mặt trái đất khoảng 295nm, các bước
sóng ngắn hơn được lọc bởi lớp ozon của tầng bình lưu Nếu lớp ozon bị mỏng đi, bức xạ
UV bước sóng ngắn sẽ đến trái đất nhiều hơn và gây nên các tác dụng có hại nghiêm trọng
lên con người, động thực vật và các cơ thể sống khác.
Các quá trình quang sinh
Quá trình quang sinh là quá trình (chuỗi phản ứng) bắt đầu từ sự hấp thụ photon bởi
các chất hấp thụ ánh sáng đặc thù và kết thúc bằng các hiệu ứng sinh lý tương ứng
trong các mô hoặc cơ thể sinh vật.
Các giai đoạn của một quá trình quang sinh
1. Các phân tử chất đặc thù của quá trình hấp thụ photon một cách chọn lọc à hoặc chuyển lên
trạng thái kích thích hoặc biến đổi trạng thái
2. Sự biến đổi này kích hoạt một chuỗi các phản ứng hóa học
3. Các phản ứng hóa học tạo ra các sản phẩm cuối cùng hoặc dẫn đến các đáp ứng sinh học mang
tính vật lý như cơ học, điện. Tất cả gọi chung là hiệu ứng sinh học
Phổ tác dụng
Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc về lượng của hiệu ứng sinh vật do ánh sáng gây nên vào
bước sóng của ánh sáng chiếu trong cùng điều kiện chiếu và năng lượng bức xạ chiếu bị hấp
thụ như nhau gọi là phổ tác dụng.
Thí dụ:
sự phụ thuộc số lượng vi khuẩn bị tiêu diệt vào bước sóng bức xạ UV chiếu
Sự phụ thuộc lượng sản phẩm quá trình quang hợp (oxi, ...) vào bước sóng chiếu
Ý nghĩa của phổ tác dụng
So sánh phổ tác dụng với phổ hấp thụ của các phân tử thành phần trong đối tượng khảo sát
Nếu có phân tử mà phổ hấp thụ khá giống phổ tác dụng và các bước sóng hấp thụ cực đại rất
gần bước sóng tác dụng cực đại, ta có thể xác định được phân tử đó đã đóng vai trò chủ yếu
trong quá trình quang sinh khảo sát.
Dựa vào phổ tác dụng và các bước sóng tác dụng cực đại ta còn xác định được các phân tử
loại khác có tham gia nhưng vai trò yếu hơn hoặc không tham gia hoàn toàn
Phân loại các quá trình quang sinh
Trên quan điểm hiệu ứng sinh vật có thể chia các quá trình quang sinh thành hai nhóm lớn:
I. Các quá trình phá huỷ biến tính
II. Các quá trình sinh lý chức năng . Các quá trình sinh lý chức năng có thể là :
Quá trình sinh tổng hợp: tạo các sản phẩm tích trữ năng lượng (thí dụ: quang
hợp,...) hay tạo các sắc tố, các vitamin, ...
Quá trình thông tin trong đó tổ chức sống cảm thụ lượng tử ánh sáng và chuyển
thành thông tin. Kết quả là cơ thể nhận được lượng thông tin về môi trường bên
ngoài và có thể có những đáp ứng cần thiết, tối ưu cho hoạt động sống của nó (thí
dụ: thị giác ở động vật, hướng quang, quang hình thái ở thực vật, động vật, người).
...
Tác dụng quang động lực (TDQĐL)
Khái niệm
Tác dụng quang động lực được định nghĩa như một sự tổn thương không hồi phục một số
chức năng sinh lý và cấu trúc của đối tượng sinh vật dưới tác dụng của ánh sáng với sự có
mặt của O2 và chất hoạt hoá (chất màu, chất gây nhạy sáng photosensitizer)
Cơ chế TDQĐL
Chất hoạt hoá (chất màu) tham gia trong những phản ứng này là những chất có ái lực hoá học
lớn với O2 và có khả năng lân quang
Sự liên hợp giữa chất màu với ánh sáng và O2 là một điều kiện cần thiết của phản ứng gây nên
TDQĐL
Trong TDQĐL, tác dụng của ánh sáng lên đối tượng sinh vật là tác dụng gián tiếp, các phân
tử chất nền thực chất không hấp thụ trực tiếp năng lượng từ bức xạ mà lại bị tổn thương, chất
màu hấp thụ photon đóng vai trò chất xúc tác không thể thiếu được.
Các chất màu có khả năng lân quang. Nó hấp thụ photon và à singlet kích thích . Từ singlet
kích thích à triplet tương đối bền( t > 10-9s).
Khi chất màu chuyển về singlet cơ bản, năng lượng giải phóng ra không biến thành photon
(lân quang, xem lại lý thuyết huỳnh quang, lân quang) mà chuyển cho O2 và làm O2 chuyển
lên trạng thái O2 singlet kích thích hoặc tạo ra các chất ROS (Reactive Oxygen Species), tất
cả đều có khả năng oxi hóa rất mạnh
O2 singlet kích thích hoặc ROS sẽ oxi hóa (phá hủy) các protein, ADN, các enzyme,... à
chức năng, mật mã thông tin của tế bào bị phá hủy
Vì cơ chế trên mà phổ tác dụng của tác dụng quang động lực khá trùng với phổ hấp thụ của
chất màu (đã được thực nghiệm chứng minh).
Phản ứng oxi hóa không xảy ra khi không có chất màu tức là chất màu làm chất nền trở nên dễ
bị tổn thương khi bị chiếu sáng hay trở nên mẫn cảm với ánh sáng. Vì thế chất màu còn được
gọi là chất gây nhạy sáng
Nhiều cấu trúc và chức năng trên các mức độ cơ thể, tế bào, phân tử nhạy cảm với TDQĐL
Tác dụng có hại của tia tử ngoại lên tế bào
UV có khả năng biến đổi DNA của các tế bào sống
Trong ánh nắng mặt trời hầu như chỉ có UVA và UVB. Cả UVA và UVB đều gây nên các tổn
thương, biến tính hoặc làm đứt gẫy DNA.
UVA xuyên sâu hơn UVB. UVA vào được lớp giữa của da (the dermis) , UVB vào được đến
lớp ngoài của da (the epidermis)
UVB nguy hiểm hơn và dễ gây ung thư da hơn UVA
Mặc dù hiện tượng bắt nắng đen da có thể dẫn đến các hiệu ứng thẩm mỹ không làm chúng ta
vui nhưng đấy chính là cách mà cơ thể bảo vệ bản thân khỏi tác động có hại của UV. Bằng
cách tăng lượng sắc tố nâu melanin trong da, các sắc tố đó sẽ hấp thụ phần lớn UV chứ không
phải DNA do đó bảo vệ DNA. Các sắc tố melanin đó hấp thụ và biến năng lượng UV thành
nhiệt, bản thân thì không bị phá hủy), do đó có tác dụng « hứng đạn » cho DNA
Đọc thêm : các loại kem chống nắng đã được khoa học chứng minh làlàm tăng nguy cơ ung
thư da. Ngoài ra, giống như mọi loại kem bôi da, mỹ phẩm khác, đó là các hóa chất độc hại, gần
như ngay lập tức sẽ ngấm vào máu chúng ta, bít kín các lỗ chân lông của chúng ta.
UVC là vùng nguy hiểm nhất, nhưng chỉ có trong bức xạ nhân tạo. Do đó ứng dụng để tiệt
trùng
Từ phổ tác dụng tiệt trùng bằng tia UV ta thấy bước sóng 264 nm là bước sóng có tính chất
tiệt trùng mạnh nhất, đây cũng là bước sóng hấp thụ cực đại của DNA. Điều đó nói lên rằng
nguồn gốc hiệu ứng phá hủy biến tính tế bào là do chính DNA bị tổn thương trực tiếp bởi UV.
Tác dụng có lợi của UV phản ứng quang tổng hợp vitamin D
Vitamin D3 được tổng hợp quang hóa trong da từ 7-dehydrocholesterol
7-dehydrocholesterol được tạo ra với số lượng lớn trong da các động vật có xương sống, gồm
cả người
Chất béo này tác dụng với UVB ở bước sóng giữa 270 and 300 nm tạo thành vitamin D, cực
đại tổng hợp tại 295 - 297 nm
Sự thụ cảm ánh sáng ở mắt
Ánh sáng qua thủy tinh dịch đến võng mạc. Tại võng mạc ánh sáng được cảm thụ và hình
ảnh được tạo thành
Võng mạc dày 0.5 mm, màu hồng, chiếm 3/4 mặt nhãn cầu, cỡ một con tem (mặt cầu
mở để cho ánh sáng vào). Gần giữa võng mạc có vùng trắng gần tròn 2x1.5 mm gọi là đĩa
quang hay điểm mù. Đây là nơi các sợi trục thần kinh đi ra khỏi mắt và tạo thành dây thần
kinh thị giác, tại đó không có tế bào thụ cảm ánh sáng nên gọi là điểm mù
Thành phần quan trọng nhất của Võng mạc là các tế bào thụ cảm ánh sáng là tế bào nón và
tế bào que.
Các phản ứng hóa học trong các tế bào siêu nhạy sáng này là khởi đầu quá trình biến năng
lượng ánh sáng thành các xung điện được truyền về não để phân tích tạo hình ảnh
Các tế bào nón và que tạo nên mạng lưới ken dày đặc. Mỗi con mắt chứa tới 100 triệu tế
bào que và 3-7triệu tế bào nón. Tuy nhiên các tế bào này phân bố trên võng mạc không
đều
Nón phân bố dày đặc tại trung tâm võng mạc. Que chủ yếu phân bố ở vành ngoài của võng
mạc và càng ở rìa mật độ càng giảm
Vết lõm màu vàng tại trung tâm võng mạc, đối diện thẳng với đồng tử gọi là vết lõm hoặc
điểm vàng là nơi gần như chỉ có các tế bào nón với mật độ cao
Để thu được hình ảnh rõ nét, ánh sáng từ vật cần phải hội tụ chính xác trên điểm vàng này.
Vùng còn lại của võng mạc (chiếm phần lớn) cho hình ảnh ngoại biên. Hình ảnh ngoại
biên không rõ nét bằng hình ảnh trung tâm vì ngoài điểm vàng mật độ tế bào thụ cảm sáng
thấp và vì tại đó toàn que
Cấu trúc các tế bào nón và que
Dải ngoài các tế bào nón và que có chứa các cấu trúc đặc biệt do màng tế bào gấp thành rất
nhiều nếp tạo thành các đĩa trong que và răng lược trong nón
Trên thành đĩa và răng lược có cắm rất nhiều các phân tử protein đáp ứng sáng.
Ở que là các phân tử rhodopsin, ở nón là iodopsin. (đều là opsin, một ở que, một ở nón )
Trong 1 tế bào que chứa khoảng 1000 đĩa, mỗi đĩa 104 phân tử rhodopsin
Do cách thức đáp ứng sáng cơ bản giống nhau, ta sẽ xét rhodopsin như là ví dụ tiêu biểu.
Sự hấp thụ ánh sáng bởi rhodopsin
Rhodopsin = Opsin + retinal
Opsin protein gắn kết vào màng các đĩa
Retinal (dẫn xuất của vitamin A) gắn vào opsin
Retinal là phần quyết định sự đáp ứng sáng của phân tử rhodopsin
Retinal tồn tại ở hai dạng cis- và transTrong bóng tối retinal ở dạng cis- .Có ánh sáng, cis-retinal hấp thụ photon chuyển thành
dạng trans-retinal rất nhanh (cỡ ms) và tách khỏi opsin à kích ứng rhodopsin
Phản ứng ngược từ trans- sang cis- diễn ra lâu (vài phút) và cần năng lượng từ ATP
Mỗi phân tử rhodopsin với cis-retinal có khả năng hấp thụ chỉ 1 photon. Một photon được
hấp thụ có khả năng kích ứng một que
Sư kích ứng một phân tử rhodopsin bởi 1 photon đủ để gây ra sự thay đổi đáng kể tính
thấm của màng tế bào que àà sự phát sinh xung điện thế hoạt động truyền về thần
kinh trung ương.
Quá trình tương tự cũng diễn ra ở tế bào nón nhưng cần tối thiểu 100 photon để kích hoạt
tế bào nón.
Chính vì độ nhạy cảm ánh sáng của nón kém hơn nhiều so với tế bào que mà trong điều
kiện chiếu sáng rất yếu, chạng vạng, chỉ có tế bào que tham gia vào quá trình nhìn lúc đó
ta dùng thị giác scoto (scotopic vision). Trong điều kiện chiếu sáng tốt, cả 2 loại tế bào nón
và que cùng tham gia quá trình nhìn lúc đó ta dùng thị giác photo (photopic vision)
Trên đây là các đường cong nhạy sáng tương ứng thị giác scoto và thị giác photo (xem
SGK mới nhất năm 2011, tr 285 về « độ nhạy của mắt »)
Từ các đường cong nhạy sáng, cũng là một dạng của phổ tác dụng, ta kết hợp so sánh với
phổ hấp thụ của rhodopsin thì thấy hai cực đại của các phổ đó trùng nhau à thị giác scoto
hoàn do tế bào que thực hiện . Xem về phổ hấp thụ của các opsin trong tế bào que và nón
trình bầy sau
HIỆN TƯỢNG THÍCH NGHI TỐI
Trong điều kiện chiếu sáng tốt mắt nhìn bằng thị giác photo. Gần như tất cả các phân tử
rhodopxin trong các tế bào que đều bị phân hủy thành dạng opxin + retinal.
Khi đi vào bóng tối, để có thể cảm thụ ánh sáng bằng tế bào que (thị giác scoto), các phân
tử rhodopxin cần phải được tổng hợp lại từ đầu. Quá trình tổng hợp lại rhodopxin từ opxin
và retinal như ta đã biết cần thời gian, mất vài phút và tốn năng lượng ATP. Chỉ sau khi
tổng hợp lại một lượng rhodopxin tốt thiểu nào đó rồi thì khi chúng phân hủy lại mới cho
chúng ta cảm giác sáng và quan trọng hơn, có tế bào que bị kích ứng, có tế bào không à
cho ta đường nét các vật thể trong bóng tối
Đọc thêm: Khi lái máy bay, bay từ vùng sáng đột ngột bay vào vùng rất tối (mây dày) có thể gây
ra hiện tượng mất nhiều thời gian thích nghi tối của mắt phi công à nguy hiểm. Để khắc phục
trường hợp đó, phi công bay trên trời phải đeo kính đỏ. Lý do là, kính đỏ lọc ánh sáng và ánh
sáng đi vào mắt phi công là ánh sáng vùng đỏ của phổ ánh sáng trắng, mà ánh sáng vùng đỏ kích
thích rhodopsin rất yếu (xem phổ hấp thụ rhodópin ở sau), do đó khi bay trong vùng sáng, chỉ
một phần không nhiều rhodopsin trong que bị phân hủy thành opsin và retinal, thời gian thích
nghi tối sẽ không cần nhiều khi bay vào vùng tối. Thật là một ý tưởng thông minh có được từ hiểu
biết khoa học
Cảm thụ màu sắc
Tế bào que cảm thụ được ánh sáng nhưng xung điện (tín hiệu) do sự cảm thụ ánh sáng bởi
que được truyền về não không cho cảm giác màu
Màu sắc được cảm thụ nhờ các tín hiệu có được từ sự cảm thụ ánh sáng bởi tế bào nón,
chứa phân tử protein nhạy sáng khác là iodopsin
Giống như ở que Iodopsin = opsin + retinal
Một tế bào nón chỉ có thể chứa một trong 3 loại opsin, 3 loại Opsin này khác nhau và
khác với opsin trong rhodopsin
Để phân biệt, người ta còn gọi opsin trong nón là photopsin, trong que là scotopsin
Sự khác nhau giữa 3 loại photopsin và scotopsin là ở tính chất hấp thụ ánh sáng của chúng
Cực đại hấp thụ của 4 loại phân tử này tại các bước sóng khác nhau
Que có cực đại hấp thụ tại 495 nm
3 loại tế bào nón tương ứng có các cực đại hấp thụ tại 420 nm, 534nm và 564 nm (các giá
trị tiêu biểu, không phải là như nhau ở các cá nhân nhưng khác nhau không nhiều) thường
gọi là nón lam , nón lục và nón đỏ để dễ hình dung
Tuy vậy thuật ngữ khoa học là short, medium và long
Nhờ công trình về khác biệt hấp thụ ánh sáng của các opsin trong các tế bào nón thực hiện
vào những năm 50, George Wald nhận giải Nobel
Tỷ lệ tương đối các loại tế bào nón: red cones (60%); green cones (30%); blue cones 10%
Do tính chất hấp thụ ánh sáng khác nhau, số lượng các tế bào nón mỗi loại bị kích hoạt phụ
thuộc phổ ánh sáng tới
Một điểm sáng bên ngoài cho ta ảnh tại một điểm trên võng mạc. Tỷ lệ các loại tế
bào nón (1) và số lượng từng loại tế bào nón (2) bị kich hoạt tại điểm đó cho ta cảm
giác màu của điểm sáng.
Từ đó ta thấy cường độ ánh sáng cũng cho ta cảm giác màu sắc khác nhau (2)
Từng tế bào nón không trực tiếp cho thông tin về bước sóng các photon mà nó hấp thụ
Màu sắc được cảm thụ bởi não bằng cách tổng hợp từ số lượng xung điện (tín hiệu)
truyền về từ mỗi loại tế bào nón.
Ngoài chính các tín hiệu từ các tế bào nón, cảm thụ màu sắc của một vật thể còn chịu ảnh
hưởng từ các yếu tố tâm lý và màu sắc, độ chói của các vật thể xung quanh vật thể đó
Cơ chế cảm thụ màu sắc như thế được gọi là cơ chế tổng hợp ba màu cơ bản
Từ đó ta có hai kết luận sau:
1. Các phổ ánh sáng tới khác nhau có thể cho ta cảm giác màu sắc giống nhau. Hai phổ ánh
sáng khác nhau nhưng kích hoạt số lượng từng loại tế bào nón giống nhau à cảm giác
màu sắc vẫn giống nhau.
2. Cùng một phổ ánh sáng tới hoặc cùng một vật có thể gây các cảm giác màu sắc khác nhau
giữa những con người khác nhau và chắc là càng phải khác ở các loài vật
Mù màu ở người là hiện tượng khi có ít hơn 3 loại tế bào nón trên võng mạc hoặc hai loại
tế bào nón nào đó có các cực đại hấp thụ gần như trùng nhau
Đọc thêm: trừ một số loài khỉ, các loài vật có vú như chó, mèo, bò, chỉ có hai loại
photopsin tức là nhìn bằng hai màu. Trong trò phi thể thao là đấu bò, đấu sĩ giơ khăn
màu đỏ nhằm làm con bò điên tiết. Thực ra khăn màu trắng hay khăn màu đỏ thì đều gây cảm
giác màu sắc như nhau ở bò
|
