H ướng dẫn học chương 3
4.4. Tổn thương do bức xạ ion hóa
4.4.1. Tổn thương ở mức độ phân tử:
- Cơ thể sinh vật chứa rất nhiều loại phân tử vơ cơ và hữu cơ khác nhau, được chia thành 2 nhĩm:
+ Loại phân tử kích thước nhỏ nhưđường đơn, acid amin, acid béo,...và trong mỗi tế bào cĩ khoảng 750 loại phân tử khác nhau
+ Nhĩm đại phân tử trong đĩ acid nucleic, chất mang thơng tin di truyền và protein, sản phẩm được hình thành từ thơng tin di truyền cĩ vai trị quan trọng nhất. Hiện các nhà khoa học phán đốn trong tế bào đang tồn tại hơn 200 loại đại phân tử.
- Tổn thương ở phân tử hữu cơ sẽ dẫn đến tổn thương ở tế bào và cơ thể sinh vật. Tổn thương phân tử do bức xạ ion hĩa thường cĩ một số biểu hiện sau:
+ Hàm lượng một số chất hữu cơ (các enzim, protein đặc hiệu, acid nhân,…) bị giảm vì quá trình sản sinh hay tổng hợp ra chúng bị kìm hãm, hoặc chúng bị phân hủy trong quá trình chiếu xạ
+ Hoạt tính sinh học của các phân tử hữu cơ bị suy giảm hoặc mất hẳn do cấu trúc phân tử bị vỡ hoặc bị tổn thương.
+ Thay đổi hàm lượng một số chất cĩ sẵn hoặc xuất hiện những chất lạ, thường là chất độc hại trong hệ sinh vật, do sự phân hủy của các phân tử hữu cơ hoặc xảy ra các phản ứng hĩa học mới dưới tác dụng của bức xạ ion hĩa.
Ta xét cụ thể hơn về tác dụng gây tổn thương của bức xạ ion hĩa lên một sốđại phân tử hữu cơ.
a) Tác dụng lên phân tử protein:
Phân tử protein cĩ rất nhiều chức năng quan trọng đối với sự sống: Nĩ là thành phần cấu trúc của màng và các cơ quan của tế bào, là enzim xúc tác cho các phản ứng hĩa sinh và cĩ chức năng trong quá trình vận chuyển trao đổi chất.
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Giáo trình Lý sinh ……….……..… . 105 Tác dụng của bức xạ ion hố đối với protein phụ thuộc vào trạng thái của nĩ (bị biến tính hay khơng), cấu trúc của nĩ (dạng sợi hoặc dạng hình cầu), thành phần, độ sạch của nĩ và cường độ của bức xạ ion hố. Trong protein cĩ nhiều liên kết nhạy cảm với các bức xạ ion hố, chủ yếu là các liên kết cộng hố trị và các liên kết hydro. Khi cĩ nước tự do, trước tiên các liên kết hydro cĩ thể bị bẻ gãy làm biến đổi các cấu trúc bậc 4 của phân tử, gây ra sự polymer hố, sự đơng tụ hoặc sự kết tủa. Những protein enzim bị biến tính như vậy sẽ làm cho enzym mất hoạt tính, những protein cĩ màu sẽ bịđổi màu. Những biến đổi xảy ra đối với protein cũng cĩ thể xảy ra đối với các acid amin. Những acid amin nhạy cảm nhất là merthionin, cystesm, histidine, arginin và tyrosin,… Thực nghiệm nghiên cứu invitro cho thấy những biến đổi về cấu trúc, phân hủy hay biến tính phân tử protein chỉ xảy ra khi liều lượng chiếu xạ khá cao (lớn hơn nhiều lần liều gây tử vong hồn tồn cơ thể hay tế bào sinh vật); Trong khi đĩ sự biến đổi về cấu hình phân tử thường xảy ra ở liều chiếu xạ nhỏ, nhất là trong điều kiện invivo.
b) Tác dụng lên glucid:
Hiệu quả của các bức xạ ion hố đối với glucid phụ thuộc vào hàm lượng nước trong sản phẩm. Khi sản phẩm khơng cĩ nước thì các bức xạ ion hố cĩ thểđủ năng lượng để bẻ gãy các liên kết cộng hĩa trịđơn giản trong gluxid, tạo ra các gốc tự do, vì vậy tạo ra rất nhiều hợp chất khác nhau như aldehyd, ceton, acid, các đường (khoảng >30 chất khác nhau). Khi trong sản phẩm cĩ nhiều nước tạo thành dung dịch, sự ion hố glucid ngồi bẻ gãy trực tiếp các liên kết cộng hố trị cịn cĩ tác dụng gián tiếp của các gốc tự do OH*được tạo ra do sự phân hủy nước và tạo ra nhiều hợp chất khác nhau tuỳ thuộc vào sự cĩ mặt (hay vắng mặt) của oxy.
c) Tác dụng lên lipid:
Bằng cách đo cộng hưởng spin điện tử, người ta thấy rằng sự chiếu xạđưa đến hình thành những gốc tự do trong sản phẩm. Trong điều kiện cĩ mặt của oxy, các gốc tự do này tham gia phản ứng để hình thành các gốc tự do mới như peroxyd. Những hợp chất này thường xuyên bay hơi gây ra mùi khét khĩ chịu. Vì vậy khi bảo quản những sản phẩm giàu lipid nên chiếu xạ trong điều kiện thiếu oxy.
d) Tác dụng lên vitamin:
Nhìn chung, vitamin bị phân giải do quá trình chiếu xạ sản phẩm. Song mức độ phân giải vitamin phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Khi vitamin ở trạng thái tinh thể bị phân giải ít hơn ở trạng thái hồ tan. Chẳng hạn caroten ở trạng thái tinh thể hồn tồn ổn định ở liều xạ 15 kGy, khi ở trạng thái hồ tan (trong benzen, cyclohexan…) bị phân giải hồn tồn ở liều 2kGy. Sự mất mát vitamin cịn phụ thuộc vào bản chất hố học của vitamin: Vitamin A, E, B là nhạy cảm nhất, vitamin C ít thay đổi, cịn vitamin K mất hầu như hồn tồn. Sự phân giải vitamin giảm đi khi chiếu xạ sản phẩm ở nhiệt độ thấp và khơng cĩ oxy. Sự phá huỷ vitamin cịn phụ thuộc vào liều xạ hấp thụ của sản phẩm.
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Giáo trình Lý sinh ……….……..… . 106 Các loại acid nucleic (như DNA, RNA) cĩ vai trị đặc biệt quan trọng trong quá trình tích lũy, truyền thơng tin và sinh tổng hợp. Acid nucleic khi bị chiếu xạ cĩ thể xảy ra các khả năng sau:
- Hai chuỗi xoắn kép của DNA bịđứt.
- Các phân tử DNA liên kết với nhau, đĩ là hiệu ứng khâu đính các chuỗi polinucleotid với nhau.
- Làm biến đổi các gốc bazơ nitơ của phân tử DNA; Các bazơ này cĩ thể được giải phĩng ra khỏi phân tử DNA hoặc bị biến đổi về cấu trúc.
- Xảy ra phản ứng amin hĩa giải phĩng phân tử NH3 và gốc PO4.
Ví dụ: Năm 1981, các nghiên cứu của Amada, Goya, Ishio đã chỉ ra rằng, bức xạ gamma liều 3kGy gây ra sự phân giải DNA thành ribozophosphat vơ cơ và nucleotid.
Kết quả của những biến đổi về cấu trúc và hĩa học của các phân tử acid nucleic đều làm nĩ mất chức năng sinh học.
4.4.2. Tổn thương ở mức độ tế bào:
- Tế bào sinh vật là đơn vị nhỏ nhất của sự sống, tế bào cũng trải qua các giai đoạn hình thành, phát triển , tạo thế hệ mới và già rồi chết. Cĩ thể chia chu trình sống của tế bào làm 4 giai đoạn chính như sau:
+ Giai đoạn thứ nhất (pha G1): Tế bào vừa được hình thành từ quá trình phân bào, chủ yếu thực hiện các quá trình sinh tổng hợp protein và các chất chuyển hĩa để phát triển về thể tích và tích lũy các chất cần thiết cho quá trình tổng hợp DNA. Giai đoạn này chiếm khoảng một nửa thời gian của chu kỳ sống của tế bào.
+ Giai đoạn thứ hai (pha S): Là giai đoạn tổng hợp DNA, trong giai đoạn này DNA trong tế bào tăng lên gấp đơi.
+ Giai đoạn thứ ba (pha G2): Tế bào tổng hợp các loại enzim tham gia trực tiếp vào quá trình phân bào.
+ Giai đoạn thứ tư (pha M): Tế bào phân chia (4 kỳ), thời gian của giai đoạn này rất ngắn.
- Tác động của bức xạ ion hĩa lên tế bào phụ thuộc vào liều lượng chiếu xạ: Liều lượng lớn sẽ làm chết tế bào. Liều lượng nhỏ thì tế bào cĩ thể khơng chết nhưng khơng phân chia được hoặc tế bào sống nhưng cĩ sự rối loạn trong cơ chế di truyền.
- ðộ nhạy cảm phĩng xạ của tế bào cũng phụ thuộc giai đoạn phát triển của tế bào. Thường độ nhạy cảm phĩng xạ tăng ở những giai đoạn chuyển từ giai đoạn này sang giai đoạn khác. Chẳng hạn chiếu xạ vào giai đoạn chuyển từ G1 → S thì quá trình S bịức chế nên quá trình tổng hợp DNA ngừng và chu trình phát triển của tế bào dừng lại ở giai đoạn này.
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Giáo trình Lý sinh ……….……..… . 107 Nếu chiếu xạ vào giai đoạn chuyển S → G2 thì giai đoạn G2 và M bịức chế nên thường xuất hiện các tế bào khổng lồ cĩ lượng DNA gấp đơi bình thường mà khơng phân chia.
Tổn thương tế bào sinh vật dưới tác dụng của bức xạ ion hĩa thường biểu hiện ở một số dạng sau:
a) Tổn thương chức năng:
- Khi bức xạ ion hĩa gây ra tổn thương cho các phân tử cấu tạo nên tế bào thì sẽ gây ảnh hưởng đến các chức năng của tế bào. Do tế bào bị giảm hay mất chức năng sản sinh ra các protein đặc hiệu phục vụ hoạt động của nĩ nên dẫn đến làm giảm khả năng trao đổi chất và năng lượng, khả năng hơ hấp, chuyển hĩa cũng như khả năng miễn dịch,…ðặc biệt tổn thương về cấu trúc hoặc sắp xếp của các phân tử DNA trong gen (đột biến gen) làm ảnh hưởng đễn chức năng phân chia để tái sinh sản của tế bào: Tạo ra các tế bào mới khơng cĩ khả năng hoạt động bình thường như các tế bào thế hệ cũ và các đột biến này cịn cĩ thể di truyền sang các thế hệ tiếp sau. Các bức xạ ion hĩa cũng cĩ thể làm giảm lượng DNA được tổng hợp, dẫn đến giảm tốc độ phân chia của tế bào. Bức xạ ion hĩa cũng àm ảnh hưởng đến chức năng điều khiển, biệt hĩa các cơ quan của tế bào. Dưới đây ta sẽ nghiên cứu chi tiết thêm về các quá trình này.
- Ảnh hưởng của bức xạ ion hĩa đến quá trình phân bào:
+ Từ kết quả nghiên cứu tác động của bức xạ ion hĩa đến quá trình phân bào, người ta thấy độ nhạy cảm phĩng xạ của tế bào tỷ lệ với khả năng phân bào và tỷ lệ nghịch với mức độ phân lập của tế bào.
Ví dụ: Ởđộng vật bậc cao thì các cơ quan chứa tế bào dễ phân chia như cơ quan tạo máu, niêm mạc ruột, cơ quan sinh sản,…cĩ độ nhạy cảm phĩng xạ cao. Các tế bào đặc biệt phân lập, chỉ thực hiện những chức năng đặc trưng thì cĩ độ nhạy cảm phĩng xạ thấp hơn. Ứng dụng đặc tính trên, người ta dùng bức xạ ion hĩa để diệt các tế bào ung thư, vì các tế bào này phân chia rất nhanh và ít phân lập so với các tế bào xung quanh.
Tuy nhiên cũng cĩ một số trường hợp ngoại lệ, như tế bào thần kinh, tế bào bạch cầu khơng phân chia và rất phân lập lại cĩ độ nhạy cảm phĩng xạ cao.
+ Trong một khoảng liều lượng nhất định, cĩ thể một số tế bào chết, nhưng đa số vẫn sống thì bức xạ ion hĩa cĩ thể làm quá trình phân bào bị chậm tốc độ (với tế bào đang ở giai đoạn thứ 4 của quá trình phân bào) hoặc bịức chế hồn tồn (với tế bào đang ở giai đoạn thứ 1,2,3 của quá trình phân bào). Một số trường hợp quá trình phân chia bị ức chế hồn tồn nhưng tế bào vẫn phát triển, tạo ra nhưng tế bào khổng lồ.
+ Liều lượng ức chế quá trình phân bào phụ thuộc loại tế bào, chẳng hạn ở các tế bào bình thường của động thực vật thì liều ức chế tạm thời là 50R, nhưng ở tế bào trứng của một số động vật khơng xương sống ở biển là 10kR. Ở tế bào đầu rễ cây đậu ngựa, với liều 250R thì 4 giờ sau khi chiếu xạđã cĩ 50% số tế bào bịức chế quá trình phân bào nhưng với liều đĩ, sau 12 giờ thì sự phân chia lại được phục hồi; Nếu chiếu xạ liều 500R thì 12 giờ sau cĩ 100% tế bào bịức chế phân bào.
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Giáo trình Lý sinh ……….……..… . 108
- Ảnh hưởng của bức xạ ion hĩa đến quá trình phát triển và điều khiển:
Cơ chếđiều khiển quá trình phát triển, biệt hĩa các cơ quan ở sinh vật cĩ vai trị quan trọng của RNA thơng tin (i-RNA), khi sự tổng hợp i-RNA bịức chế thì cơ chếđiều khiển quá trình phát triển, biệt hĩa các cơ quan sẽ bịảnh hưởng. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chứng tỏ rằng sựức chế tổng hợp i-RNA bởi bức xạ ion hĩa là hậu quả của những tổn thương trước đĩ, đĩ là đã gây tổn thương lên quá trình hình thành, tích lũy các chất tác ứng cần thiết cho phát triển cơ thể.
b) Tổn thương cấu trúc:
Mức độ tổn thương cấu trúc của tế bào dưới tác dụng của bức xạ ion hĩa phụ thuộc loại tế bào, liều lượng và điều kiện chiếu xạ và thường biểu hiện ở một số dạng sau:
- Tổn thương màng tế bào: Liều lượng chiếu xạ thấp sẽ gây ra những rối loạn quá trình trao đổi vật chất và năng lượng qua màng, làm thay đổi giá trị các gradien ở hai phía màng, dẫn đến làm thay đổi tính thấm chọn lọc của màng. Liều lượng chiếu xạ lớn cĩ thể làm rách, thủng màng, dễ dẫn đến phá hủy tế bào.
- Tổn thương bào tương: Liều lượng thấp cĩ thể làm bào tương bị quánh lại như khi bị đun nĩng. Liều lượng chiếu xạ lớn cĩ thể phá hủy các tiểu thểở trong bào tương như ty lạp thể, Ribosom,…
- Tổn thương ở nhân: Thực nghiệm cho thấy tổn thương phĩng xạ khi chiếu lên nhân tế bào là cao hơn nhiều so với chiếu xạ lên nguyên sinh chất.
Ví dụ: ðể cùng gây hiệu ứng tổn thương như nhau ở tế bào cây dương xỉ hoặc trứng ong, tằm thì chiếu xạ lên nguyên sinh chất cần liều lượng cao hơn 20 lần liều lượng chiếu xạ trực tiếp vào nhân.
Tùy liều lượng chiếu xạ mà tổn thương ở nhân cĩ mức độ khác nhau, liều lượng lớn cĩ thể làm nhân bị phá ra thành nhiều mảnh,… các mảnh nhân đĩ nằm rải rác trong bào tương và dần dần bị tiêu hủy dẫn đến sự tiêu hủy của cả tế bào. Liều lượng chiếu xạ nhỏ cĩ thể làm nhân bị trương lên, bị nứt, bị biến dạng hay làm xuất hiện những khoảng trống trong nhân dẫn đến làm tăng thể tích tế bào,... Tổn thương ở nhân tế bào trước hết biểu hiện ở tổn thương nhiễm sắc thể, tạo ra các nhiễm sắc thể bị gãy, đứt đoạn. Tiếp sau đĩ, các đoạn nhiễm sắc thể bị gãy đứt cĩ thể bị tiêu hủy hay gắn kết với nhau tạo ra nhiễm sắc thể khổng lồ.
4.4.3. Tổn thương ở mức độ các mơ:
Dưới tác dụng cúa bức xạ ion hĩa, các tế bào bị tổn thương dẫn đến tổn thương các mơ, điều này đặc biệt thấy rất rõ ở các mơ động vật;
- Biểu hiện của tác động của bức xạ ion hĩa lên máu và cơ quan tạo máu ở động vật (tủy xương) được biểu hiện trước hết ở sự thay đổi hình dạng các tế bào tạo máu trong tủy xương và sự thay đổi số lượng các tế bào trong máu ngoại vi; Sự suy giảm tế bào máu dẫn đến các bệnh về máu như thiếu máu, giảm sức đề kháng của cơ thể, dễ xuất huyết,…
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội - Giáo trình Lý sinh ……….……..… . 109 - Bức xạ ion hĩa ảnh hưởng rất mạnh đến bào thai, tùy theo liều lượng và giai đoạn chiếu xạ mà cĩ thể làm bào thai chết, tạo ra quái thai hay các dị tật bẩm sinh.