Quang sinh học (photobiology) • • • Ngành khoa học nghiên cứu tương tác xạ không ion hóa với thể sống Ranh giới xạ ion hóa không ion hóa thường cho 10 keV, lượng đủ để ion hóa nguyên tử oxi Lĩnh vực nghiên cứu bao gồm tất tượng sinh học có tham gia xạ không ion hóa mà xạ không ion hóa gây nên biến đổi quang hóa hoặc/và quang lý hệ sinh học àcác hiệu ứng quang sinh Phân loại xạ không ion hóa Bức xạ không ion hóa chia thành nhóm chính: Ánh sáng nhìn thấy (λ: 400 – 800nm), có ý nghĩa cho nhìn nhiều đáp ứng quang sinh quang sinh khác Bức xạ hồng ngoại (IF) ( λ >800nm), người không cảm thụ thị giác, làm nóng lên vật chất hấp thụ Bức xạ tử ngoại (UV), (λ 1000nm Các trình quang sinh • • Quá trình quang sinh trình (chuỗi phản ứng) hấp thụ photon phân tử sinh lý chức kết thúc hiệu ứng sinh lý tương ứng mô thể sinh vật Để trình quang sinh xảy , thường cần có mặt chất hấp thụ ánh sáng đặc thù Các phân tử chất hấp thụ ánh sáng (photon) cách chọn lọc chuyển lên trạng thái kích thíchà …à tạo sản phẩm hoặc/và đáp ứng sinh lý Các giai đoạn trình quang sinh Các phân tử chất đặc thù trình hấp thụ photon cách chọn lọc chuyển lên trạng thái kích thích, Khử trạng thái kích thích phân tử hấp thụ photon : – Hoặc giải phóng lượng hấp thụ trình quang lý tỏa nhiệt, phát quang, huỳnh quang, lân quang – Hoặc chuyển phần lượng hấp thụ từ photon cho phân tử loại khác phân tử trạng thái kích thích – Hoặc kích hoạt phản ứng quang hoá (phản ứng sáng) dẫn tới sản phẩm quang hoá không bền vững Những phản ứng tối, trung gian với tham gia phân tử trạng thái kích thích hay sản phẩm quang hoá không bền nói để tạo nên sản phẩm quang hoá bền vững (gọi phản ứng tối lúc tham gia trực tiếp lượng tử ánh sáng) Các hiệu ứng sinh vật Một số đặc điểm trình quang sinh Hiệu suất lượng tử • • • • Không phải tất phân tử hấp thụ photon trực tiếp hay gián tiếp tham gia vào phản ứng quang hoá số phân tử bị kích thích tham gia vào phản ứng quang hóa nhỏ số phân tử hấp thụ ánh sáng (số photon bị hấp thụ) Hiệu suất lượng tử ϕ = Số phân tử tham gia phản ứng ÷ Số phân tử hấp thụ ánh sáng Hiệu suất lượng tử cho ta biết hiệu suất sử dụng lượng trình quang sinh khảo sát Phổ tác dụng • • Đường cong biểu diễn phụ thuộc lượng hiệu ứng sinh vật ánh sáng gây nên vào bước sóng ánh sáng chiếu điều kiện chiếu lượng xạ chiếu bị hấp thụ gọi phổ tác dụng Thí dụ: – phụ thuộc số lượng vi khuẩn bị tiêu diệt vào bước sóng xạ UV chiếu – Sự phụ thuộc lượng sản phẩm trình quang hợp (oxi, ) vào bước sóng chiếu Ý nghĩa phổ tác dụng So sánh phổ tác dụng với phổ hấp thụ phân tử thành phần đối tượng khảo sát • Nếu có phân tử mà phổ hấp thụ giống phổ tác dụng bước sóng hấp thụ cực đại gần bước sóng tác dụng cực đại, ta xác định phân tử đóng vai trò chủ yếu trình quang sinh khảo sát • Dựa vào phổ tác dụng bước sóng tác dụng cực đại ta xác định phân tử loại khác có tham gia vai trò yếu hơn, không trực tiếp tham gia mà lượng ánh sáng hấp thụ từ phân tử phụ chuyển đến phân tử Phân loại trình quang sinh Trên quan điểm hiệu ứng sinh vật chia trình quang sinh thành hai nhóm lớn: I Các trình phá huỷ biến tính II Các trình sinh lý chức : cần thiết cho tế bào hay thể để thực chức sinh lý bình thường chúng Các trình sinh lý chức tạm chia làm nhóm nhỏ: Quá trình sinh tổng hợp: tạo sản phẩm tích trữ lượng (thí dụ: quang hợp, ) hay tạo sắc tố, vitamin, Quá trình thông tin tổ chức sống cảm thụ lượng tử ánh sáng chuyển thành thông tin Kết thể nhận lượng thông tin môi trường bên có đáp ứng cần thiết, tối ưu cho hoạt động sống (thí dụ: thị giác động vật, hướng quang, quang hình thái thực vật, động vật, người) Tác dụng quang động lực (TDQĐL) Khái niệm Tác dụng quang động lực định nghĩa tổn thương không hồi phục số chức sinh lý cấu trúc đối tượng sinh vật tác dụng ánh sáng với có mặt O2 chất hoạt hoá (chất màu, chất gây nhạy sáng – photosensitizer) Cơ chế TDQĐL Chất hoạt hoá (chất màu) tham gia phản ứng chất có lực hoá học lớn với O2 có khả lân quang Sự liên hợp chất màu với ánh sáng O2 điều kiện cần thiết phản ứng gây nên TDQĐL Trong TDQĐL, tác dụng ánh sáng lên đối tượng sinh vật tác dụng gián tiếp, phân tử không màu (chất nền) thực chất không hấp thụ trực tiếp lượng từ xạ mà lại bị tổn thương, chất màu hấp thụ photon đóng vai trò chất xúc tác thiếu Năng lượng ánh sáng động lực dẫn tới phản ứng làm tổn thương chất Các chất màu có khả lân quang Nó hấp thụ photon nhảy lên singlet kích thích Từ singlet kích thích chuyển triplet tương đối bền(năng lượng hấp thụ giữ thời gian dài > 10-9s) Chính nhờ khả mà chúng gọi chất màu Khi chuyển singlet bản, lượng giải phóng không biến thành photon (lân quang, xem lại lý thuyết huỳnh quang, lân quang) mà chuyển cho O2 làm O2 biến đổi thành trạng thái singlet kích thích có khả oxi hóa mạnh O2 singlet kích thích oxi hóa (phá hủy) protein, ADN, enzyme, chức năng, mật mã thông tin tế bào bị phá hủy Vì chế mà phổ tác dụng tác dụng quang động lực trùng với phổ hấp thụ chất màu (đã thực nghiệm chứng minh) Phản ứng oxi hóa không xảy chất màu tức chất màu làm chất trở nên dễ bị tổn thương bị chiếu sáng hay trở nên mẫn cảm với ánh sáng Vì chất màu gọi chất gây nhạy sáng Nhiều cấu trúc chức mức độ thể, tế bào, phân tử nhạy cảm với TDQĐL Tác dụng có hại tia tử ngoại lên tế bào • • • • • UV có khả biến đổi DNA tế bào sống Trong ánh nắng mặt trời có UVA UVB Cả UVA UVB gây nên tổn thương, biến tính làm đứt gẫy DNA UVA xuyên sâu UVB UVA vào lớp da (the dermis) , UVB vào đến lớp da (the epidermis) UVB nguy hiểm dễ gây ung thư da UVA thể có khả sửa chữa hư hỏng DNA UVA gây Mặc dù tượng bắt nắng đen da dẫn đến hiệu ứng thẩm mỹ không làm vui cách mà thể bảo vệ thân khỏi tác động có hại UV Bằng cách tăng lượng sắc tố nâu melanin da, da hấp thụ UV tốt sắc tố DNA bảo vệ DNA • • UVC vùng nguy hiểm nhất, có xạ nhân tạo Do ứng dụng để tiệt trùng Từ phổ tác dụng tiệt trùng = UV ta thấy bước sóng 264 nm bước sóng có tính chất tiệt trùng mạnh nhất, bước sóng hấp thụ cực đại DNA Điều nói lên nguồn gốc hiệu ứng phá hủy biến tính tế bào DNA bị tổn thương trực tiếp UV Tác dụng có lợi UV – phản ứng quang tổng hợp vitamin D • • • Vitamin D3 tổng hợp quang hóa da từ 7-dehydrocholesterol 7-dehydrocholesterol tạo với số lượng lớn da động vật có xương sống, gồm người Chất béo tác dụng với UVB bước sóng 270 and 300 nm tạo thành vitamin D, cực đại tổng hợp 295 - 297 nm Sự thụ cảm ánh sáng mắt • Ánh sáng qua thủy tinh dịch đến võng mạc Tại võng mạc ánh sáng cảm thụ hình ảnh tạo thành • Võng mạc dày ∼ 0.5 mm, màu hồng, chiếm ∼ 3/4 mặt nhãn cầu, cỡ tem (mặt cầu mở ánh sáng vào) Gần võng mạc có vùng trắng gần tròn 2x1.5 mm gọi đĩa quang hay điểm mù Đây nơi sợi trục thần kinh khỏi mắt tạo thành dây thần kinh thị giác, tế bào thụ cảm ánh sáng nên gọi điểm mù • Thành phần quan trọng Võng mạc tế bào thụ cảm ánh sáng có hình thù đặc trưng mà dựa vào gọi tế bào nón tế bào que • Các phản ứng hóa học tế bào siêu nhạy sáng khởi đầu trình biến lượng ánh sáng thành xung điện truyền não để phân tích tạo hình ảnh • Các tế bào nón que tạo nên mạng lưới ken dày đặc Mỗi mắt chứa tới 100 triệu tế bào que 3-7triệu tế bào nón Tuy nhiên tế bào phân bố võng mạc không • Nón phân bố dày đặc trung tâm võng mạc Que chủ yếu phân bố vành võng mạc rìa mật độ giảm • Vết lõm màu vàng trung tâm võng mạc, đối diện thẳng với đồng tử gọi vết lõm (fovea) điểm vàng nơi gần có tế bào nón với mật độ cao • Để thu hình ảnh rõ nét, ánh sáng từ vật cần phải hội tụ xác điểm vàng Vùng lại võng mạc (chiếm phần lớn) cho hình ảnh ngoại biên Hình ảnh ngoại biên không rõ nét hình ảnh trung tâm điểm vàng mật độ tế bào thụ cảm sáng thấp toàn que Cấu trúc tế bào nón que • Dải tế bào nón que có chứa cấu trúc đặc biệt màng tế bào gấp thành nhiều nếp tạo thành đĩa que lược nón • Trên thành đĩa lược có cắm nhiều phân tử protein đáp ứng sáng • Ở que phân tử rhodopsin, nón iodopsin.Các phân tử sắc tố mât màu • Trong tế bào que chứa khoảng 1000 đĩa, đĩa 104 phân tử rhodopsin • Do cách thức đáp ứng sáng giống nhau, ta xét rhodopsin ví dụ tiêu biểu Sự hấp thụ ánh sáng rhodopsin • Rhodopsin = Opsin + retinal • Opsin – protein gắn kết vào màng • Retinal (dẫn xuất vitamin A) gắn vào opsin • Retinal phần định đáp ứng sáng phân tử rhodopsin • Retinal tồn hai dạng cis- trans• Trong bóng tối retinal dạng cis- Có ánh sáng, cis-retinal hấp thụ photon chuyển thành dạng trans-retinal nhanh (cỡ ms) tách khỏi opsin kích ứng rhodopsin • Phản ứng ngược từ trans- sang cis- cần phải có tham gia phản ứng men, diễn lâu (vài phút) cần lượng từ ATP • Mỗi phân tử rhodopsin với cis-retinal có khả hấp thụ photon Một photon hấp thụ có khả kích ứng que • Sư kích ứng phân tử rhodopsin photon đủ để gây thay đổi đáng kể tính thấm màng tế bào que à…à phát sinh xung điện hoạt động truyền thần kinh trung ương • Tham khảo : Que nhạy cảm với ánh sáng, điều có nhờ giai đoạn có tính khuếch đại trình cảm quang Rhodopsin hấp thụ ánh sáng, bị kích ứng kéo theo chuỗi kiện dẫn đến đóng kênh Na+ tế bào que Chính xác màng tế bào que bị phân cực vượt mức photon hấp thụ Xung điện hoạt động không phát sinh tế bào que mà tế bào thần kinh hai cực nối với qua synap ức chế • Quá trình tương tự diễn tế bào nón cần tối thiểu 100 photon để kích ứng tế bào nón • Chính độ nhạy cảm ánh sáng nón nhiều so với tế bào que mà điều kiện chiếu sáng yếu, chạng vạng, có tế bào que tham gia vào trình nhìn – lúc ta dùng thị giác scoto Trong điều kiện chiếu sáng tốt, loại tế bào nón que tham gia trình nhìn – lúc ta dùng thị giác photo Cảm thụ màu sắc • Tế bào que cảm thụ ánh sáng xung điện (tín hiệu) cảm thụ ánh sáng que truyền não không cho cảm giác màu • Màu sắc cảm thụ nhờ tín hiệu có từ cảm thụ ánh sáng tế bào nón, chứa phân tử protein nhạy sáng khác iodopsin • Giống que Iodopsin = opsin + retinal • Một tế bào nón chứa loại opsin, loại Opsin khác khác với opsin rhodopsin • Để phân biệt, người ta gọi opsin nón photopsin, que scotopsin • Sự khác loại photopsin scotopsin tính chất hấp thụ ánh sáng chúng • Cực đại hấp thụ loại phân tử bước sóng khác • • • Que có cực đại hấp thụ 495 nm loại tế bào nón tương ứng có cực đại hấp thụ 419 nm, 531nm 559 nm thường gọi nón “lam” , nón “lục” nón “đỏ” để dễ hình dung • Tuy thuật ngữ khoa học “short”, “medium” “long” • Tỷ lệ tương đối loại tế bào nón: red cones (60%); green cones (30%); blue cones 10% • Do tính chất hấp thụ ánh sáng khác nhau, số lượng tế bào nón loại bị kích hoạt phụ thuộc phổ ánh sáng tới • Một điểm sáng bên cho ta ảnh điểm võng mạc Tỷ lệ loại tế bào nón số lượng loại tế bào nón bị kich hoạt điểm cho ta cảm giác màu điểm sáng • Từng tế bào nón không trực tiếp cho thông tin bước sóng photon mà hấp thụ • Màu sắc cảm thụ não cách tổng hợp từ số lượng xung điện (tín hiệu) truyền từ loại tế bào nón • Ngoài tín hiệu từ tế bào nón, cảm thụ màu sắc chịu ảnh hưởng từ yếu tố tâm lý màu sắc, độ chói vật thể xung quanh • Cơ chế cảm thụ màu sắc gọi chế tổng hợp ba màu • Từ ta có hai kết luận sau: Các phổ ánh sáng tới khác cho ta cảm giác màu sắc giống Hai phổ ánh sáng khác kích hoạt số lượng loại tế bào nón giống cảm giác màu sắc giống Cùng phổ ánh sáng tới vật gây cảm giác màu sắc khác người khác loài vật • Mù màu người tượng có loại tế bào nón võng mạc hai loại tế bào nón có cực đại hấp thụ gần trùng LƯU HÌNH • Hiện tượng ảnh (hoặc ấn tượng ảnh?) đối tượng tiếp tục tồn võng mạc (hoặc ý thức?) khoảng 1/24 giây sau đối tượng biến không tồn vị trí cũ Chưa giải thích cách thỏa đáng khoa học CẢM GIÁC NỔI • Do nhìn hai mắt chiếu sáng, kinh nghiệm, màu sắc HIỆN TƯỢNG THÍCH NGHI TỐI • Trong điều kiện chiếu sáng tốt mắt nhìn thị giác photo Gần tất phân tử rhodopxin tế bào que bị phân hủy thành dạng opxin + retinal • Khi vào bóng tối, để cảm thụ ánh sáng tế bào que (thị giác scoto), phân tử rhodopxin cần phải tổng hợp lại từ đầu Quá trình tổng hợp lại rhodopxin từ opxin retinal ta biết cần thời gian, vài phút tốn lượng ATP Chỉ sau tổng hợp lại lượng rhodopxin tốt thiểu chúng phân hủy lại cho cảm giác sáng quan trọng hơn, có tế bào que bị kích ứng, có tế bào không cho ta đường nét vật thể bóng tối