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 QUANG SINH -TỔNG QUAN SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG CẢM NHẬN ÁNH SÁNG TIA TỬ NGOẠI MỤC TIÊU Hiểu biết dạng giai đoạn chung trình quang sinh xảy hệ sinh học Giải thích chế tác động ánh sáng lên hệ sinh học Nêu hiệu ứng ứng dụng quang sinh y sinh QUANG SINH KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LỌAI • Các trình xảy hệ sinh học hấp thu lượng tia sáng gọi Quang sinh Có nhóm bản: Quang tổng hợp: quang hợp gluxit tổng hợp sắc tố, chất hữu đơn giản Cảm nhận ánh sáng (thông tin): thị giác động vật tính hướng sáng thực vật Phá hủy cấu trúc sống, biến đổi liên kết sinh học quan trọng: hấp thu tia tử ngoại QUANG SINH THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG • Ánh sáng truyền dạng hạt riêng rẽ gọi photon hay lượng tử ánh sáng • Mỗi photon mang lượng E = hυ = hc/λ - h = 6,625.10-34Js số Planck - υ λ tần số bước sóng ánh sáng - c ~ 3.108m/s vận tốc ánh sáng • Nguyên tử hấp thu phát xạ photon cách gián đọan • Năng lượng hấp thu hay phát xạ hiệu số lượng hai mức đầu cuối: E = E1 – E2 = hυ = hc/λ QUANG SINH SỰ CHUYỂN MỨC NĂNG LƯỢNG • Các electron quay quanh hạt nhân nguyên tử theo bán kính “quỹ đạo” định xác định Mức lượng chúng • Khi Nguyên tử hấp thu lượng electron chuyển quỹ đạo xa nguyên tử nằm trạng thái kích thích (*) • Khi electron chuyển từ quỹ đạo xa quỹ đạo bản, nguyên tử phát xạ lượng dạng lượng tử sóng điện từ: E = E1 – E2 = hυ = hc/λ • • Khi hấp thu hay phát xạ lượng, Phân tử chuyển mức lượng sang mức khác 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 QUANG SINH PHẢN ỨNG QUANG HÓA Quang ion hóa: tách electron khỏi phân tử xạ lượng tử, biến chúng thành ion gốc tự Quang oxy hóa khử: chuyển electron từ phân tử qua phân tử, phân tử oxy hóa, phân tử khử Quang ly: phân rã phân tử ion tác động xạ lượng tử Quang đồng phân hóa: biến đổi cấu hình phân tử tác động ánh sáng, thay đổi cấu trúc phân tử Quang nhị trùng hóa: thành lập liên kết hóa học đơn chất tác động photon ánh sáng QUANG SINH PHẢN ỨNG QUANG HÓA • Giai đoạn I (quang-vật lý): Phân tử hấp thu xạ lượng tử kích thích A + hυ A* • Giai đoạn II (phản ứng bóng tối): Các chất oxy hóa khử sơ cấp tạo giai đoạn I có hoạt tính hóa học cao Thực phản ứng oxy hóa khử bóng tối Làm thay đổi phản ứng hóa sinh Thay đổi trạng thái sinh lý chung thể Cơ thể thực ứng xử sinh lý QUANG SINH QUÁ TRÌNH QUANG LÝ • Quá trình quang sinh theo hướng phản ứng quang hóa • Năng lượng phân tử bị kích thích tiêu tán theo hướng Quang lý: Phát quang chuyển thành nhiệt; Chuyển lượng cho phân tử khác chuyển sang trạng thái kép • Sau theo hướng thứ hai phân tử lại thực phản ứng quang hóa QUANG SINH SỰ PHÁT QUANG • Quá trình phát sáng phân tử kéo theo chuyển electron từ mức bị kích thích mức gọi Sự phát quang: hυps = hυht – En đó: υps- tần số phát quang, υht- tần số hấp thu, En- phần lượng biến thành nhiệt • Sự phát quang chuyển electron từ mức trạng thái đơn bị kích thích thấp xuống mức gọi Huỳnh quang • Sự phát quang chuyển electron từ mức trạng thái kép trở mức gọi Lân quang 10 MÁY QUANG PHỔ 20 MÁY QUANG PHỔ CUVETTE 21 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG CÁC QUY LUẬT CHUNG • Cơ thể phản ứng với môi trường bên • Chức nhận xử lý thông tin môi trường quan cảm giác đảm nhận • Các quan cảm giác thiết bị đo để phân tích tác nhân kích thích vật lý bên để đánh giá hiệu phản ứng thể thực Làm nhiệm vụ liên lạc thông tin thuận nghịch thể với môi trường bên 22 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG CÁC QUY LUẬT CHUNG HỆ THẦN KINH TIẾP NHẬN KÍCH THÍCH MÔI TRƯỜNG PHẢN ỨNG 23 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG CÁC QUY LUẬT CHUNG • Khi có kích thích bên gây điện phát động màng tế bào cảm nhận • Điện phát động đầu dây thần kinh tín hiệu truyền thông tin • Tần số f xuất điện tác động tỷ lệ theo hàm logarit với giá trị kích thích R: • f = m.lgR + n, (m n số) • Sự phụ thuộc phụ thuộc giá trị cảm nhận cường độ kích thích Đây phương trình để mã hóa thông tin quan cảm giác 24 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG TẾ BÀO CẢM NHẬN • Tế bào cảm nhận ánh sáng tế bào hình que hình nón nằm võng mạc • Kích thích phát sinh tế bào cảm nhận ánh sáng truyền đến dây thần kinh thị giác qua lớp tế bào kép • Phần tế bào quang có cấu tạo lớp đĩa chồng lên với số lượng khoảng vài trăm • Độ nhạy cảm ánh sáng bề mặt tế bào quang tăng lên nhiều lần, đảm bảo xác suất cao tác động với lượng tử ánh sáng 25 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG CƠ CHẾ CẢM NHẬN • Bắt đầu hấp thu ánh sáng sắc tố cảm thụ ánh sáng (rodopsin iodopsin) nằm phần tế bào que nón • Giả thuyết cho phản ứng quang hóa phân hủy rodopsin làm phát sinh điện phát động • Có giả thuyết lại cho tiết Na vào phần tế bào cảm nhận quang thoát Na khỏi chiếu sáng xảy theo quy luật kích thích thần kinh 26 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG MÃ HÓA ĐỘ DÀI BƯỚC SÓNG • Khả mắt cảm nhận ánh sáng theo độ dài bước sóng gọi thị giác màu • Tế bào que cảm nhận ánh sáng trắng đen xám, tế bào nón cảm nhận ánh sáng màu • Sử dụng thuyết thành phần màu Lômôlôxốp: - Tế bào nón võng mạc chia loại chứa chất nhạy cảm ánh sáng màu khác (đỏ, lục, lam) - Bất kỳ màu tác động lên loại cảm nhận ánh sáng mức độ khác 27 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG MÃ HÓA CƯỜNG ĐỘ ÁNH SÁNG • Theo quy luật chung tác động ánh sáng tế bào cảm nhận ánh sáng xuất điện phát động tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng • Điện phát động gây kích thích lớp tế bào kép dây thần kinh thị giác • Tần số kích thích tế bào thần kinh tỷ lệ thuận với điện phát động, tức tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng theo phương trình bản: f = m.logR + n 28 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG MÃ HÓA KHỎANG CÁCH & KÍCH THƯỚC • Đối với mắt giá trị để đánh giá khoảng cách đến vật sức căng dây chằng treo thủy tinh thể độ lớn hình ảnh võng mạc • Khi nhìn vật mắt tượng phân kỳ hình ảnh vật võng mạc sở để đánh giá khoảng cách đến vật • Khi nhìn mắt đánh giá khoảng cách xác nhiều so với mắt • Thông tin kích thước vật mã hóa số lượng tế bào cảm nhận kích thích khoảng cách đến vật 29 TIA TỬ NGOẠI TỔNG QUAN • Tia tử ngoại tiêu hủy, gây đột biến tế bào có ý nghĩa thực tiễn y học, di truyền học • Phổ tia tử ngoại mặt trời chia vùng: 1/ λ = 180-275 nm: làm thay đổi cấu trúc protein, lipid tác dụng diệt trùng; 2/ λ = 275-320 nm: chống còi xương, tạo sắc tố, thúc đẩy tạo biểu mô, làm tốt trình tái sinh; 3/ λ = 320-400 nm: có tác dụng sinh vật yếu, gây phát quang số chất hữu 30 TIA TỬ NGOẠI TÁC ĐỘNG LÊN PROTEIN 1.Giai đoạn hoạt hóa: AH + hυ1 AH* AH* AH + hυ2, υ1 > υ2 (theo đ/l Stocs) 2.Giai đoạn quang ion hóa: AH* A.H+ + eA.H+ A + H+ Phản ứng gốc electron solvat: A + 02 -> A.00 H+ + e- + H2N-R -> NH3 + R Tạo thành sản phẩm bền có độc tính, tác động với protein tiêu hủy cấu trúc chúng 31 TIA TỬ NGOẠI TÁC ĐỘNG LÊN AXIT NUCLEIC (AN) • Chỉ có gốc nitơ AN hấp thu mạnh • Các phản ứng quan trọng oxy hóa, thủy phân, quang nhị trùng hóa • Khi chiếu với liều cao làm đứt mạch vòng gốc nitơ • Tác động tia tử ngoại lên AN làm chúng hoạt tính sinh học • Vai trò khử hoạt tính ADN trình nhị trùng hóa gốc timin (T) 32 TIA TỬ NGOẠI CƠ CHẾ TÁC ĐỘNG LÊN ADN • Hai phân tử timin (T) ADN xoắn đôi không phân bố cạnh • Do ghép bổ xung sợi ADN chúng không nằm đối diện • Dưới tác động tia tử ngoại làm sợi ADN đôi bị tháo • Các sợi ADN uốn cong lại cho gốc timin (T) gần lại • Giữa chúng sinh liên kết bền buộc sợi ADN lại cản trở dò đọc thông tin từ 33 TIA TỬ NGOẠI ỨNG DỤNG • Tia tử ngoại có tính sát trùng cao vi trùng bị áp chế hoạt tính, khống chế khả sinh sản chết • Tác động sát trùng chủ yếu tia tử ngoại làm tổn thương khử hoạt tính axit nucleic • Tia tử ngoại sử dụng điều trị phòng ngừa chiếu phần thể bị nhiễm trùng, để khử trùng dụng cụ, thức ăn … • Liều chiếu tia tử ngoại vừa phải làm tăng khả phản ứng miễn dịch thể • Giá trị đặc biệt tia tử ngoại trình tạo vitamin D, để điều trị bệnh còi xương 34 [...]... Tia tử ngoại tiêu h y, g y 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/ λ = 180-275 nm: làm thay đổi cấu trúc của protein, lipid và tác dụng diệt trùng; 2/ λ = 275-320 nm: chống còi xương, tạo sắc tố, thúc đ y sự tạo biểu mơ, làm tốt hơn các q trình tái sinh; 3/ λ = 320-400 nm: có tác dụng sinh vật y u, g y phát quang ở một số chất...1 QUANG SINH CHUYỂN NĂNG LƯỢNG • Sơ đồ q trình: A + hυ A* Kích thích phân tử A A* + B A + B* Năng lượng từ A sang B • Đặc điểm: -Khơng phát xạ -Khơng hao tổn nhiệt -Khơng tiếp xúc 2 phân tử -Khơng tách điện tử -Khoảng cách xa (so với ngun tử) 11 1 QUANG SINH TĨM TẮT • Như v y bất kỳ một q trình quang sinh nào đều theo sơ đồ: hấp thu lượng tử phản ứng quang hóa (hoặc quang lý) phản ứng sinh. .. 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 chun dụng gọi là m y quang phổ 18 MA Y QUANG PHỞ M y quang phổ có 3 thành phần chính: • 1 Nguồn sáng • 2... ứng xử sinh lý • Ứng xử sinh lý có thể là: thải ra oxy khi quang hợp, chuyển động của lá c y ra phía mặt trời, phản ứng của động vật với ánh sáng, tử vong khi chiếu xạ mạnh… 12 2 SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG KHÁI NIỆM • Hiện tượng cường độ ánh sáng sau khi ra khỏi mơi trường bị giảm đi do sự hấp thu của chính mơi trường đó được gọi là “Sự hấp thu ánh sáng” • Năng lượng bị tiêu hao chủ y u dưới dạng chuyển động... Độ nh y 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 25 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 ngồi của các tế bào que và nón • Giả thuyết cho rằng phản ứng quang hóa phân h y rodopsin làm phát sinh điện thế phát động • Có giả thuyết... chun dụng gọi là m y quang phổ 18 MA Y QUANG PHỞ M y 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 19 MA Y QUANG PHỞ 20 MA Y QUANG PHỞ CUVETTE 21 3 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG CÁC QUY LUẬT CHUNG • Cơ thể phản ứng với mơi trường bên ngồi • Chức năng nhận và xử lý thơng tin về mơi trường do các cơ quan cảm giác đảm nhận • Các cơ quan cảm giác... nhận và cường độ kích thích ở trên Đ y là phương trình cơ bản để mã hóa thơng tin trong các cơ quan cảm giác 24 3 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG TẾ BÀO CẢM NHẬN • Tế bào cảm nhận ánh sáng là các tế bào hình que và hình nón nằm trên võng mạc • Kích thích phát sinh trong tế bào cảm nhận ánh sáng được truyền đến d y thần kinh thị giác qua lớp tế bào kép • Phần ngồi của tế bào quang có cấu tạo lớp như là các đĩa chồng... trình quang lý: chủn thành nhiệt) 13 2 SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG ĐỊNH LUẬT LAMBERT-BEER • Sự hấp thu ánh sáng tn theo đ/l Lambert-Beer: I = I0.e-γ.C.ℓ, trong đó: - I là cường độ ánh sáng khi qua khỏi mẫu chiếu - I0 là cường độ dòng ánh sáng đi tới mẫu - C là nồng độ chất của mẫu, ℓ là bề d y mẫu - γ là hệ số hấp thu của mẫu • D = γ.C ℓ = lg(I0/I) gọi là Mật độ quang của mẫu • Phát biểu Đ/l: “Mật độ quang. .. thuận nghịch giữa cơ thể với mơi trường bên ngồi 22 3 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG CÁC QUY LUẬT CHUNG HỆ THẦN KINH TIẾP NHẬN KÍCH THÍCH MƠI TRƯỜNG PHẢN ỨNG 23 3 CẢM NHẬN ÁNH SÁNG CÁC QUY LUẬT CHUNG • Khi có kích thích bên ngồi g y ra điện thế phát động ở màng tế bào cảm nhận • Điện thế phát động trong đầu d y thần kinh là các tín hiệu truyền thơng tin • Tần số f xuất hiện điện thế tác động tỷ lệ theo hàm logarit... Stocs) 2.Giai đoạn quang ion hóa: AH* A.H+ + eA.H+ A + H+ 3 Phản ứng của các gốc và electron solvat: A + 02 -> A.00 H+ + e- + H2N-R -> NH3 + R 4 Tạo thành các sản phẩm bền có độc tính, tác động với protein và tiêu h y cấu trúc của chúng 31 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, th y phân, quang nhị trùng hóa