Giáo trình - Lý sinh học - chương 9

Chia sẻ: Lit Ga | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

176
lượt xem 50
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương 9 PHÓNG XẠ SINH HỌC I. Các nguồn tia phóng xạ Trong tự nhiên, tia phóng xạ được chia thành hai loại sau: - Tia phóng xạ có bản chất là sóng điện từ có bước sóng cực ngắn (λ

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình - Lý sinh học - chương 9

Chương 9 PHÓNG XẠ SINH HỌC I. Các nguồn tia phóng xạ Trong tự nhiên, tia phóng xạ được chia thành hai loại sau: o - Tia phóng xạ có bản chất là sóng điện từ có bước sóng cực ngắn (λ
E2 − Eo lượng thấp (gọi là Eo) sẽ phát ra tia Roentgen có tần số: γ = (9.1) (h: hằng số h Planck) Khi đó tia Rơnghen sẽ có năng lượng: ⎛ C⎞ ⎜γ = ⎟ E = h.γ (9.2) λ⎠ ⎝ C: Vận tốc ánh sáng và λ là bước sóng ánh sáng. Khi điện tử đập vào Anốt chỉ có 0,2% năng lượng phát ra tia Roentgen còn 99,8% năng lượng chuyển thành nhiệt, đốt nóng Anốt. Ống phóng tia Roentgen hoạt động dưới điện o áp 400KV, phát ra tia Roentgen có bước sóng ngắn nhất là 0,03 A còn trung bình là o 0,06 A . 1.2. Tia gamma (γ) o Tia gamma có λ
( P ) thành lưu huỳnh ( S) sẽ phát ra tia bêta âm theo 32 32 Ví dụ: Sự phân rã của phốtpho 15 16 phản ứng: →16 S + e − 32 32 15 P - Điện tử (e ) phát ra có năng lượng cực đại Emax=1,7MeV. Trên thực tế để tính năng lượng () 1 trong phân rã β- người ta qui ước lấy giá trị năng lượng trung bình E bằng năng 3 1 lượng cực đại. Trong ví dụ trên ta có E = .1,7MeV≈0,57MeV. 3 Điện tử mang điện tích âm và chuyển động với vận tốc 3 vạn km/giây. - Phân rã bêta dương (β+): Khi hạt nhân nguyên tử thừa proton, nó sẽ chuyển về trạng thái ổn định bằng cách chuyển proton thành notron và phát ra pozitron (e+), gọi là phân rã bêta dương kèm theo thể notrino (γ) theo phản ứng: p→ n + e+ + γ ( P ) thành Silic ( Si) sẽ phát ra tia bêta dương theo 30 30 Ví dụ: Sự phân rã của phốtpho 15 14 phản ứng: P →14 Si + e + + γ 30 30 15 Pozitron có khối lượng bằng khối lượng điện tử và mang điện tích dương. So với điện tử thì pozitron rất không bền, nó rất dễ kết hợp với điện tử (gọi là sự hủy cặp) và phát ra hai lượng tử gamma có năng lượng 0,51MeV. 2.3.Proton (p) Năm 1919, Rutherford phát hiện ra hiện tượng hạt α đi qua môi trường không khí đã làm xuất hiện hạt proton theo phản ứng: α + 14 N →17 O + p(proton ) 7 8 Proton chính là hạt nhân của nguyên tử hydro (H+), mang điện tích dương. 2.4.Notron (n) Notron và proton là thành phần cấu trúc nên hạt nhân nguyên tử. Notron là thể trung hòa điện (tức không mang điện tích) và có khối lượng xấp xỉ bằng khối lượng của proton. () Nguồn notron thu được khi dùng hạt α bắn phá các nguyên tử nhẹ như Bery 9 Be theo 4 phản ứng: α + 9 Be →12 C + n (notron ) 4 6 Các hạt notron có E đạt vài MeV gọi là notron nhanh, E nằm trong khoảng 10KeV→500KeV gọi là notron trung gian, E
Ngoài ra còn dùng đơn vị Culông trên kg (C/kg) với công thức qui đổi 1C/kg không khí = 3876R. - Liều hấp thụ phóng xạ (Radiation absorbed dose: Ký hiệu là Rad): Rad dùng để tính liều hấp thụ đối với tất cả các tia phóng xạ. Rad là liều hấp thụ 100ec bởi 1 gam vật chất khi bị chiếu bởi bất kỳ tia phóng xạ nào. Công thức qui đổi: 1ec=0,625.1012eV - Đơn vị Gray (ký hiệu là Gy): Gray là liều hấp thụ 1J/kg môi trường vật chất khi bị chiếu bất kỳ tia phóng xạ nào. Công thức qui đổi: 1Gy=100Rad - Liều tương đương: Cùng một năng lượng hấp thụ như nhau nhưng lại chiếu các tia phóng xạ có bản chất khác nhau thì sẽ gây ra đối với người và động vật có vú những hiệu ứng sinh học khác nhau. Nguyên nhân là do các tia phóng xạ có hiệu ứng sinh học tương đối (HUSHTĐ) như sau:
Tia phóng xạ HUSHTĐ 1. Tia γ hay tia X 1 2. Tia bêta (β) 1 3. Notron chậm và notron nhiệt 5 4. Notron nhanh 10 5. Proton 10 6. Tia anpha (α) 10-20 Đơn vị của liều tương đương là Rem. (Roentgen Equivalent for Man) Rem là liều lượng của bất kỳ tia phóng xạ nào, gây ra hiệu ứng sinh học giống như hiệu ứng sinh học khi ta chiếu tia Roentgen hay gamma với liều lượng là 1 Roentgen. Công thức qui đổi giữa Rem và Rad: Liều chiếu (Rem) = Liều chiếu (Rad) . HUSHTĐ (9.1) Với tia Roentgen hay γ có HUSHTĐ = 1 thì 1Rad=1Rem còn với proton thì 1Rad=10Rem. - Độ phóng xạ: Đơn vị đo độ phóng xạ là Curie (Ci). Curie là độ phóng xạ của một nguồn, trong một giây có 3,7.1010 hạt nhân nguyên tử bị phân rã. Đơn vị nhỏ hơn là mili Curie (1mCi=10-3Ci) và micro Curie (1μCi=10-6Ci). II. Tương tác của tia Roentgen và tia γ đối với vật chất Tùy theo mức năng lượng của tia mà nó tương tác với vật chất theo 1 trong 3 hiệu ứng e- sau: e- hγ 1. Hiệu ứng quang điện Quang điện tử Photon Hiệu ứng chủ yếu xảy ra đối với tia X và γ có năng lượng từ 0,01→0,1MeV. Vì photon có năng lượng thấp nên không thể xuyên sâu mà chỉ va chạm với điện tử (e-) ở vành ngoài. Photon đã truyền toàn bộ năng lượng cho điện tử và đánh bật điện tử ra khỏi quĩ đạo Nguyên tử vật chất của nó để trở thành điện tử tự do, gọi là quang điện tử. Năng lượng của quang điện tử Hình 9.2: Hiệu ứng quang điện được xác định: e- E=hγ - Eo (9.2) điện tử hγ: Năng lượng của photon Compton - hγ e E0: Năng lượng cần thiết để đánh bất hγ' Photon điện tử ra khỏi vành (theo hình 9.2 thì điện tử ở vành n=2). Quang điện tử có năng lượng lại tiếp tục gây ra sự ion hóa các nguyên tử vật chất khác. Nguyên tử vật chất Hình 9.3: Hiệu ứng Compton
2. Hiệu ứng Compton Hiệu ứng chủ yếu xảy ra với tia phóng xạ có năng lượng lớn hơn 0,1MeV→5MeV. Do có năng lượng cao hơn so với hiệu ứng quang điện nên photon không những đánh bật điện tử ra khỏi quĩ đạo của nó (gọi là điện tử Compton), photon bị mất một phần năng lượng và bị lệch hướng (gọi là tia thứ cấp có năng lượng là hγ'). Điện tử Compton và tia thứ cấp tùy thuộc vào năng lượng mà chúng có, lại tiếp tục gây ra sự ion hóa tiếp theo hay bị mất dần năng lượng trên đường đi của nó. 3. Hiệu ứng tạo cặp electron (e-) và pozitron (e+) e- Hiệu ứng tạo cặp xảy ra với tia X và tia γ có mức năng lượng E>1,022MeV. Khi đó photon hγ sẽ xuyên sâu vào hạt nhân nguyên tử, đánh bật - + ra 1 electron (e ) và 1 pozitron (e ). Hai hạt này Photon có khối lượng bằng nhau nhưng mang điện tích e+ trái dấu nên dễ dàng kết hợp với nhau, gây ra sự hủy cặp, giải phóng ra năng lượng E=0,511MeV Nguyên tử vật chất dưới dạng tia γ. Tia γ được tạo thành lại tiếp tục tương tác với vật chất theo hiệu ứng quang điện Hình 9.4: Hiệu ứng tạo cặp hay Compton. III. Tác dụng của tia phóng xạ có bản chất hạt đối với vật chất 1. Tương tác của bức xạ α đối với vật chất Khi hạt α đi qua môi trường vật chất nó sẽ tương tác với các nguyên tử của vật chất và đánh bật điện tử ra khỏi nguyên tử. Điện tử bị đánh bật ra mang điện tích âm, gọi là ion âm còn nguyên tử bị mất điện tử nên mang điện tích dương, gọi là ion dương. Đó là hiện tượng ion hóa vật chất. Trong môi trường không khí, năng lượng cần thiết để tạo ra một cặp ion mang điện tích trái dấu là 32,5eV. Một electron vôn (1eV) là năng lượng của một điện tử có được khi qua thế hiệu 1 vôn với khoảng cách giữa hai điện cực là 1 xentimét. Nếu năng lượng của hạt α chưa đủ để đánh bật điện tử ra khỏi quĩ đạo của nó thì hạt α chỉ làm cho điện tử chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao, tức là hạt α đã gây ra hiện tượng kích thích điện tử. Quá trình hạt α trực tiếp gây ra hiện tượng ion hóa thì gọi là sự ion hóa trực tiếp còn điện tử sau khi bị đánh bật ra nếu có năng lượng cao lại gây ra sự ion hóa nguyên tử tiếp theo, gọi là sự ion hóa gián tiếp. 2. Tương tác của hạt bêta (β) đối với vật chất Hạt β cũng giống như hạt α, khi va chạm với nguyên tử của vật chất sẽ gây ra hiện tượng ion hóa hoặc hiện tượng kích thích. Khả năng ion hóa của hạt β yếu hơn nhiều so với hạt α vì hạt β có điện tích ít hơn so với hạt α. Ví dụ: Hạt α và hạt β có cùng một mức năng lượng là 1MeV nhưng hạt α tạo ra được 7500 cặp ion trên 1mm đường đi còn hạt β chỉ tạo được 53 cặp ion trên 1Cm đường đi của nó. 3. Tương tác của notron (n) đối với vật chất Hạt notron trung hòa điện nên không có khả năng ion hóa và vì thế nó có thể xuyên qua nhiều lớp vỏ điện tử để tiến đến gần hạt nhân nguyên tử theo 3 kiểu sau đây:
- Kiểu khuyếch tán đàn hồi, chủ yếu xảy ra đối với notron trung gian có E=1keV→500keV. Trong khuyếch tán đàn hồi, notron truyền một phần năng lượng cho hạt nhân nguyên tử, sau đó notron bị đổi hướng và năng lượng giảm dần. - Kiểu khuyếch tán không đàn hồi xảy ra đối với notron nhanh có E=1MeV→10MeV. Sau khi tương tác với hạt nhân nguyên tử, làm cho hạt nhân nguyên tử bị kích thích còn bản thân notron cũng bị đổi hướng và năng lượng giảm dần. - Kiểu thâu đoạt notron xảy ra đối với notron nhiệt có E=0,025eV. Khi hạt nhân thâu đoạt notron nó sẽ trở thành hạt nhân mới và ở trạng thái kích thích. Sau đó hạt nhân bị vỡ ra (hay bị phân hạch) thành hai hạt nhân kèm theo sự phát ra hạt notron. IV. Cơ chế chung về tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống Tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống lần lượt phải trải qua hai giai đoạn sau: - Giai đoạn hóa lý: Giai đoạn này có thời gian tồn tại rất ngắn, từ 10-16 đến 10-6 giây. Trong giai đoạn này các phân tử sinh học chịu sự tác dụng trực tiếp hoặc tác dụng gián tiếp của tia phóng xạ. Thuyết tác dụng trực tiếp cho rằng đối tượng bị chiếu xạ (có thể là cơ thể, mô hay cơ quan, tế bào, phân tử nghiên cứu) sẽ trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia và dẫn đến tổn thương hoặc tử vong. Thuyết tác dụng gián tiếp lại cho rằng đối tượng bị chiếu xạ không trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia mà chúng tương tác với các sản phẩm của quá trình phân ly phóng xạ nước nên dẫn đến tổn thương hoặc tử vong. Đối với những thí nghiệm invitro thì quan niệm trên dễ phân biệt còn với thí nghiệm invivo, các nhà nghiên cứu lại qui ước: Khi bị chiếu xạ nếu là tác dụng trực tiếp thì các phân tử hữu cơ sẽ trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia và bị tổn thương cấu trúc nên dẫn đến tổn thương chức năng. Nếu là tác dụng gián tiếp thì các phân tử hữu cơ sẽ không trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia mà tương tác với các sản phẩm của quá trình phân ly phóng xạ nước và bị tổn thương cấu trúc nên dẫn đến tổn thương chức năng. Trong giai đoạn hóa lý một số phân tử sinh học quan trọng như enzyme, nucleoprotein đã bị tổn thương, người ta gọi đó là những tổn thương hóa sinh. - Giai đoạn sinh học: Giai đoạn này thường kéo dài từ vài ngày đến hàng chục năm sau khi bị chiếu xạ. Trong giai đoạn sinh học những tổn thương hóa sinh không hồi phục được sẽ kéo theo những tổn thương chuyển hóa, dẫn đến những tổn thương hình thái và chức năng. Có thể tóm tắt cơ chế chung về tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống theo sơ đồ sau:
Chiếu tia phóng xạ Tác dụng gián tiếp Tác dụng trực tiếp H2O Giai đoạn O2 hóa lý (10 −6 s) Tạo ion và gốc tự do. Phân tử bị thích thích Tác dụng lên các phân tử sinh học quan trọng và các cơ quan tử của tế bào Rối loạn chuyển hóa và chức năng tế bào Giai đoạn sinh Gây ra các hiệu ứng sinh học học (tổn thương hoặc tử vong) Hình 9.5: Sơ đồ tổng quát về tác dụngáinh học của tia phóng xạ V. Tác dụng hóa học của tia phóng xạ Trong cơ thể sống, nước vừa là môi trường vừa tham gia vào thành phần cấu trúc của tế bào. Ở người, nước chiếm trung bình 65%, cá biệt có mô nước chiếm 85%. Do vậy, khi chiếu tia phóng xạ lên cơ thể sống sẽ gây ra hiện tượng ion hóa các phân tử nước: H2O+hγ→H2O+ + e- Các ion
H2O + e-→ H2O- H2O+ → H+ + OHo gốc tự do H2O- → OH- + Ho H2O + hγ → H2O+ + e- → H2O* → Ho + OHo Gốc tự do Ho có thời gian sống ngắn từ 10-6→10-5 giây. Trong thời gian này nó có thể tham gia vào các phản ứng: Ho + Ho → H2 Ho + OHo → H2O Khi có oxy hòa tan trong nước sẽ xảy ra các phản ứng: Ho + O2 → HO o 2 HO o + HO o → H2O2 2 2 Ho + HO o → H2O2 (hidro peroxit) 2 Hidro peroxit là một độc tố đối với tế bào. Gốc tự do OHo tham gia vào các phản ứng: - Phản ứng oxy hóa: Fe++ + OHo → Fe+++ + OH- - Phản ứng tách nguyên tử hidro ra khỏi phân tử hữu cơ: CH3 - CH2OH + OHo → CH3 - CHOH + H2O - Phá vỡ liên kết đôi: CH2 = CH + OHo → OH - CH2 - CH ⏐ ⏐ CN CN Như vậy, dưới tác dụng của tia phóng xạ đã xảy ra quá trình phân ly phóng xạ nước dẫn tới hình thành nên các trung tâm hoạt động là những gốc tự do, chúng có khả năng tham gia vào các phản ứng rất cao. Ngoài ra, trong điều kiện có oxy sẽ dẫn tới hình thành nên H2O2 là một độc tố đối với tế bào.
VI. Độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật Độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật trên trái đất với mức độ tiến hóa khác nhau thì rất khác nhau. Nhìn chung ở những loài tiến hóa càng cao, sự biệt hóa càng phức tạp thì có độ nhạy cảm phóng xạ càng cao. Để đánh giá độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật, các nhà sinh học phóng xạ đưa vào khái niệm liều bán tử vong (Lethally Dose) ký hiệu là LD50/30 là liều gây chết 50% động vật thí nghiệm trong 30 ngày theo dõi kể từ sau khi bị chiếu xạ. Độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật thể hiện: Loài nào có LD50/30 càng nhỏ thì độ nhạy cảm phóng xạ càng cao còn ngược lại LD50/30 càng lớn thì độ nhạy cảm phóng xạ càng thấp. Sau đây là độ nhạy cảm phóng xạ của một số sinh vật, xếp theo thứ tự từ cao đến thấp. Bảng 9.1: Độ nhạy cảm phóng xạ của một số sinh vật (từ cao đến thấp) TT Sinh vật LD50/30 1 Người 300R 2 Chó 300R 3 Heo 335R 4 Khỉ 500R 5 Chuột nhắt trắng 550R 6 Chuột cống trắng 600R 7 Thỏ 900R 103R 8 Ếch, nhái, cá 9 Rùa 1500R 8.103-2.104R 10 Rắn 104R - 106R 11 Côn trùng 2.106R 12 Virus Trong cùng một cơ thể, các tế bào và mô cũng có độ nhạy cảm phóng xạ khác nhau. Sau đây là độ nhạy cảm phóng xạ của tế bào và mô xếp theo thứ tự từ cao đến thấp: 1. Bạch cầu lympho; 2. Hồng cầu non và bạch cầu hạt; 3. Tủy bào; 4. Tế bào mô tinh hoàn, mô ruột non, tế bào trứng, tế bào của các tuyến, tế bào phế nang, tế bào ống dẫn mật; 5. Tế bào mô liên kết; 6. Tế bào thận; 7. Tế bào xương; 8. Tế bào thần kinh; 9. Tế bào não; 10. Tế bào cơ. VII. Các hiệu ứng sinh học liên quan tới sự chiếu xạ 1. Hiệu ứng tích lũy Các sinh vật khi bị chiếu xạ đều thể hiện hiệu ứng tích lũy. Ví dụ: Liều gây tử vong đối với động vật có vú là 103R. Nếu chiếu xạ 5 lần, mỗi lần chiếu 200R thì sau khi chiếu lần thứ 5 động vật đã hấp thụ đủ 103R nên dẫn đến tử vong. Như vậy những tổn thương sau mỗi lần chiếu xạ sinh vật đã không hồi phục được hoàn toàn mà vẫn còn lưu lại nên sau mỗi lần chiếu xạ tổn thương càng nặng thêm, cuối cùng vượt quá giới hạn chịu đựng sẽ dẫn tới tử vong. 2. Hiệu ứng nghịch lý năng lượng Các tia phóng xạ có khả năng gây ra các hiệu ứng sinh học rất lớn ngay cả khi chiếu xạ liều không cao (xét về mặt năng lượng thì có giá trị nhỏ). Ví dụ: Liều gây tử vong cho động vật có vú là 103R, tương đương với 84000ec hay 0,002cal/g, với năng lượng này chỉ đủ tăng nhiệt độ 1 lít nước lên 1oC. Để giải thích hiệu
ứng nghịch lý năng lượng, các nhà nghiên cứu đều dựa vào thuyết tác dụng trực tiếp hay thuyết tác dụng gián tiếp. 3. Hiệu ứng pha loãng Khi chiếu xạ liều lượng xác định lên dung dịch enzyme nó thể hiện: Nếu tia phóng xạ tác dụng theo cơ chế trực tiếp với quan niệm một hạt (hay 1 photon) "bắn trúng"một phân tử enzyme sẽ làm cho nó bị mất hoạt tính thì số phân tử enzyme bị mất hoạt tính có liên quan tới nồng độ enzyme lúc ban đầu. Nếu nồng độ loãng thì số phân tử enzyme bị mất hoạt tính ít còn nếu nồng độ cao thì số phân tử enzyme bị mất hoạt tính nhiều. Nếu tia phóng xạ tác dụng theo cơ chế gián tiếp thì số phân tử enzyme bị mất hoạt tính chỉ liên quan tới số lượng gốc tự do được hình thành trong dung dịch mà không liên quan tới nồng độ của enzyme (trừ trường hợp nồng độ enzyme quá loãng hoặc quá cao). Các nhà sinh học phóng xạ đã chiếu xạ vi khuẩn E.Coli ở trạng thái bình thường có nước (đặc trưng cho cơ chế tác dụng gián tiếp) và ở trạng thái khô (đặc trưng cho cơ chế tác dụng trực tiếp), kết quả thu được như sau: Bảng 9.2: Số phân tử sinh học của tế bào E.Coli bị phá hủy khi chiếu xạ. Phân tử No N1 N2 N1+N2 sinh học 2,1.104 ADN 48 14 62 4,2.104 ARN 96 28 124 4,7.106 Protein 230 370 600 4,1.107 Lipit 182 43 225 No: Số phân tử trong 1 tế bào. N1: Số phân tử bị phá hủy theo cơ chế gián tiếp. N2: Số phân tử bị phá hủy theo cơ chế trực tiếp. Với kết quả này thì cơ chế tác dụng gián tiếp chiếm ưu thế hơn so với cơ chế tác dụng trực tiếp (tỷ lệ 3 tác dụng gián tiếp: 1 tác dụng trực tiếp). 4. Hiệu ứng oxy Hiệu ứng oxy thể hiện là trong khi đang chiếu xạ, nếu tăng nồng độ oxy thì độ nhạy cảm phóng xạ tăng lên còn nếu giảm nồng độ oxy thì độ nhạy cảm phóng xạ lại giảm xuống. Nếu ta tăng hay giảm nồng độ oxy trước hoặc sau khi chiếu xạ thì độ nhạy cảm phóng xạ sẽ không thay đổi. Ví dụ: Chiếu xạ chuột bạch liều 1200R ở điều kiện oxy chiếm 21% thì chuột chết 100%. Ngược lại, ở điều kiện oxy chiếm 5% nếu vẫn chiếu xạ liều trên thì chuột sống 100%. Ngoài oxy thì oxít Nitơ (NO) cũng làm tăng độ nhạy cảm phóng xạ. Sự tăng độ nhạy cảm phóng xạ khi tăng nồng độ oxy chỉ trong một giới hạn nhất định. Nếu nồng độ oxy tăng quá 20% so với nồng độ bình thường thì độ nhạy cảm phóng xạ không tăng lên nữa. Hiệu ứng oxy thể hiện rõ đối với tia X, tia γ, tia β nhanh còn không thể hiện đối với tia α, tia proton. Gray giải thích hiệu ứng oxy theo cơ chế tác dụng gián tiếp của tia phóng xạ. Theo Gay, dưới tác dụng của tia phóng xạ đã hình thành nên một số lượng lớn các gốc tự do vô cơ (Ho, OHo) và hữu cơ (Ro). Trong điều kiện chiếu xạ có oxy sẽ hình thành nên các peroxýt vô cơ (H2O2) và hữu cơ (RO2) là những độc tố đã giết chết tế bào.
Alecxander lại giải thích hiệu ứng oxy theo cơ chế tác dụng trực tiếp. Khi chiếu xạ chính các phân tử hữu cơ đã trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia và hình thành nên các gốc tự do hữu cơ (Ro). Trong điều kiện chiếu xạ có oxy đã tạo thành peroxýt hữu cơ (RO2) là một độc tố đã giết chết tế bào. 5. Hiệu ứng bảo vệ phóng xạ Dayli (1942) tiến hành chiếu tia X lên dung dịch enzyme thấy rằng: Nếu thêm vào dung dịch chất thiourê hay lưu huỳnh thì số lượng phân tử enzyme bị mất hoạt tính sẽ giảm xuống. Baron (1949) phát hiện xistein có khả năng hạn chế tử vong nếu tiêm cho chuột liều từ 950mg→1200mg/kg vào thời điểm 5 phút trước khi chiếu xạ liều 800R. Sau này các nhà khoa học đã tiếp tục phát hiện ra nhiều chất có khả năng giống như xistein và được gọi là những chất bảo vệ phóng xạ. Để đánh giá hiệu lực của các chất bảo vệ phóng xạ (BVPX), các nhà nghiên cứu đã đưa vào yếu tố giảm liều lượng (YTGLL) và được tính theo công thức: LD50/30 (lô sử dụng chất BVPX) YTGLL = (9.3) LD50/30 (lô không sử dụng chất BVPX) LD50/30: Liều gây chết 50% động vật có sử dụng chất BVPX (hay không sử dụng chất BVPX) trong 30 ngày theo dõi sau khi bị chiếu xạ (gọi là liều bán tử vong). Những chất BVPX bao giờ cũng có YTGLL>1. Chất có ký hiệu WR-2721 do Mỹ sản xuất là chất BVPX có YTGLL cao nhất, đạt 2,6. Theo cơ chế tác dụng gián tiếp, các nhà nghiên cứu cho rằng các gốc tự do được hình thành do chiếu xạ dễ dàng phản ứng với các chất BVPX hơn là các phân tử hữu cơ. Chính vì vậy đã bảo vệ được các phân tử sinh học, nên hạn chế được sự tử vong. Theo cơ chế tác dụng trực tiếp, các nhà nghiên cứu lại cho rằng các phân tử sinh học tuy trực tiếp hấp thụ năng lượng tia nhưng lại truyền cho các chất BVPX để trở lại cấu trúc ban đầu nên cũng hạn chế được sự tử vong. Hoặc chất BVPX làm giảm nồng độ oxy trong cơ thể hay giải phóng chất BVPX có sẵn ở trong cơ thể, đều có tác dụng hạn chế sự tử vong. VIII. Các thuyết giải thích cơ chế tổn thương do tác dụng của phóng xạ 1. Thuyết "bia" Thuyết "bia" do Desauer (1922), Crouser (1924) và Lee (1935) đưa ra. Trên cơ sở một số thí nghiệm chiếu xạ dung dịch enzyme, dung dịch tế bào thấy rằng: Ở nồng độ dung dịch vừa phải khi thay đổi liều chiếu xạ từ thấp đến cao thì số phân tử enzyme bị mất hoạt tính cũng tăng lên làm cho đường cong tỷ lệ % sống sót có dạng đường thẳng (hình 9.6). Khi nồng độ dung dịch quá loãng thì các hạt của tia phóng xạ sẽ tương tác với nhau hoặc khi nồng độ dung dịch quá cao làm cho các hạt của tia phóng xạ sẽ va đập lần 2 hay lần 3 với phân tử enzyme đã bị mất hoạt tính (hay tế bào đã chết). Khi đó tỷ lệ % sống sót sẽ có dạng hình chữ S (hình 9.7).
% sống sót % sống sót 100 100 O O Liều chiếu Liều chiếu Hình 9.6: Tỷ lệ % sống sót Hình 9.7: Tỷ lệ % sống sót dạng đường thẳng dạng chữ S Các tác giả cho rằng sự tử vong của tế bào hay là sự mất hoạt tính của enzyme xảy ra khi chiếu xạ là do chỉ cần va chạm một lần giữa hạt của tia phóng xạ với "bia" của tế bào hay phân tử enzyme. Theo các tác giả thì "bia" chính là nhân tế bào hay trung tâm hoạt động của phân tử enzyme. Thuyết "bia" chỉ giải thích được cơ chế tác dụng trực tiếp của tia phóng xạ lên dung dịch enzyme, dung dịch protein, dung dịch ADN... còn không giải thích được hiệu ứng oxy. 2. Thuyết độc tố Dựa trên cơ sở động vật khi bị nhiễm hóa chất độc hại sẽ dẫn tới sự tử vong nên các nhà sinh học phóng xạ cho rằng khi bị chiếu xạ, trong cơ thể đã tạo thành chất độc nào đó và chính độc tố này là nguyên nhân dẫn tới sự tử vong. Thực nghiệm đã xác định trong cơ thể bị chiếu xạ có hình thành độc tố là peroxýt nhưng nó không phải tác nhân đầu tiên mà là sản phẩm của quá trình phân ly phóng xạ nước, được tạo thành ở giai đoạn cuối của quá trình tổn thương phóng xạ. 3. Thuyết giải phóng enzyme Trên cơ sở thí nghiệm hoạt tính enzyme ở tế bào sau khi bị chiếu xạ tăng lên rõ rệt nên Bacq và Alecxander (1952) đã đưa ra thuyết giải phóng enzyme. Khi tế bào ở trạng thái sinh lý bình thường, nồng độ enzyme ở trong tế bào được kiểm soát theo cơ chế điều hòa cảm ứng. Khi tế bào bị chiếu xạ thì tổn thương trước tiên là màng tế bào, màng nhân và màng các bào quan. Ví dụ: ADNase có ở trong ty thể và lạp thể còn ADN có ở trong nhân nên khi màng nhân và màng ty lạp thể bị tổn thương đã làm tăng phản ứng phân giải ADN. Sau này Duver cho rằng lizoxom là bào quan chứa đủ loại enzyme, nếu màng lizoxom bị tổn thương sẽ giải phóng ra các enzyme đủ giết chết tế bào. Thuyết giải phóng enzyme chưa giải thích được màng tế bào có khả năng chịu đựng được liều chiếu xạ rất lớn tới 10KR, trong khi đó liều tử vong của động vật có vú chỉ 1KR? Mặt khác, khi chiếu xạ không phải hoạt tính enzyme nào cũng tăng lên, chẳng hạn ADNase, ATPase, ARNase hoạt tính tăng không nhiều, thậm chí khi tăng khi giảm. 4. Thuyết phản ứng dây chuyền
Dựa vào thực nghiệm là các loại mỡ kỹ thuật có thể xảy ra phản ứng dây chuyền và phản ứng dây chuyền nảy nhánh cũng như tốc độ phản ứng dây chuyền tăng mạnh dưới tác dụng của tia phóng xạ nên Taruxop (1952) đã đưa ra thuyết phản ứng dây chuyền. Taruxop cho rằng: Tế bào ở trạng thái sinh lý bình thường có một hệ thống các enzyme chống oxy hóa nên các thành phần lipit của tế bào không bị oxy hóa theo phản ứng dây chuyền mà oxy hóa có sự kiểm soát. Khi bị chiếu xạ, hệ thống enzyme chống oxy hóa bị phá hủy nên xảy ra phản ứng dây chuyền: RH + hγ → Ro + Ho Ro + O2 → RO2 RO2 + RH → ROOH + Ro ROOH → RO + OHo Ro, Ho, OHo là những trung tâm của phản ứng dây chuyền cùng với độc tố RO2 đã giết chết tế bào. Thuyết phản ứng dây chuyền giải thích được hiệu ứng nghịch lý năng lượng, nhưng lại không giải thích được hiện tượng đột biến di truyền có liên quan tới phân tử ADN? 5. Thuyết cấu trúc chuyển hóa Trên cơ sở giữa vi cấu trúc và quá trình trao đổi chất của tế bào có mối liên quan mật thiết với nhau mà Cudin đã đưa ra thuyết cấu trúc chuyển hóa (1972). Thuyết này cho rằng tia phóng xạ tác động lên cả vi cấu trúc lẫn quá trình trao đổi chất của tế bào. Sự thay đổi của cả hai quá trình này có ảnh hưởng đến nhau, dẫn đến xảy ra nhiều hiệu ứng gây tổn thương hoặc giết chết tế bào. Thuyết này giống thuyết "bia" ở chỗ xem tế bào là một hệ dị thể, có độ nhạy cảm phóng xạ khác nhau ở từng pha (dịch nhân, màng nhân, các bào quan...). Thuyết này khác thuyết "bia" ở chỗ xem sự xuất hiện tổn thương như là xác xuất va chạm của tia phóng xạ với các thành phần quan trọng của tế bào. Cudin đặc biệt nhấn mạnh sự biến đổi tính thấm của màng nhân, đóng vai trò quan trọng trong quá trình bị tổn thương do tia phóng xạ gây ra. Song thực nghiệm lại xác định màng nhân không phải là cấu trúc đầu tiên bị tổn thương phóng xạ. Vì thế giả thuyết của Cudin và những giả thuyết trên vẫn chưa giải thích đầy đủ cơ chế tổn thương phóng xạ đầu tiên diễn ra ở cơ thể sống. IX. Tác dụng của tia phóng xạ lên phân tử sinh học Trong các tế bào sống luôn có các phân tử vô cơ và hữu cơ nhưng quan trọng nhất là các cao phân tử sinh học như ADN, protein, lipit, gluxít... Tổn thương ở các phân tử hữu cơ sẽ dẫn đến tổn thương ở mức độ tế bào, mô, cơ thể. Các phân tử hữu cơ có thể nhận năng lượng của tia phóng xạ một cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Biểu hiện chung ở các phân tử bị tổn thương do chiếu xạ là: - Gây hiện tượng đứt mạch dẫn tới làm giảm trọng lượng của phân tử hoặc khâu mạch sẽ làm tăng trọng lượng phân tử. - Làm thay đổi tính chất hóa lý dung dịch bị chiếu xạ như thay đổi độ nhớt, thay đổi hệ số lắng, thay đổi điểm đẳng điện của phân tử nghiên cứu... - Gây tổn thương cấu trúc hoặc phá hủy cấu trúc phân tử. - Làm thay đổi hoặc phá hủy chức năng sinh học của phân tử. Tổn thương của phân tử ADN dưới tác dụng của tia phóng xạ là sự thay đổi cấu trúc bậc 1, 2, 3, ảnh hưởng đến tính chất di truyền của phân tử. Setlov và Doyle (1954) khi chiếu
xạ ADN khô trong điều kiện chân không sẽ gây ra sự phá hủy cấu trúc và làm mất khả năng hòa tan của ADN. Với mẫu ADN khô, khi chiếu xạ thì hiệu ứng oxy thể hiện rất yếu còn trong mẫu mà lượng oxy bằng lượng nước thì hiệu ứng oxy thể hiện rất rõ. Khi không có oxy thì chủ yếu xảy ra sự đứt mạch. Đối với protein, khi bị chiếu xạ thì thường dẫn tới các hiện tượng: - Phá vỡ liên kết peptit trong mạch chính hoặc phá hủy cầu disunfit, dẫn tới làm giảm trọng lượng phân tử. - Xảy ra hiện tượng khâu mạch là sự dính kết giữa các phân tử protein với nhau làm cho độ nhớt dung dịch protein tăng lên. - Phá hủy cấu trúc phân tử dẫn tới làm mất chức năng sinh học của nó như đối với enzyme thì bị mất hoạt tính xúc tác. Trong nghiên cứu hay dùng enzyme hay vi khuẩn là những đối tượng được xem như ở mức độ phân tử hay tế bào và dễ đánh giá là còn hay mất hoạt tính sinh học. Khi chiếu xạ các đối tượng này, các nhà nghiên cứu đã rút ra qui luật logarit của tỉ số sống sót (hoặc hoạt tính sinh học) sẽ tỷ lệ nghịch với liều chiếu xạ theo công thức: N = − k.D (9.3) ln No No: Số phân tử ban đầu N: Số phân tử còn hoạt tính D: Liều chiếu xạ k: Hằng số (k đạt một giá trị nhất định đối với một loại phân tử sinh học xác định, bị chiếu xạ bởi một loại bức xạ và ở trong điều kiện chiếu xạ nhất định). Công thức (9.3) có thể viết dưới dạng: N=No.e - kD (9.4) Khi liều chiếu xạ càng cao thì số phân tử còn hoạt tính sẽ càng giảm. Để đánh giá khả năng phá hủy phân tử của tia phóng xạ trong nghiên cứu người ta tính trị số G (gọi là hiệu suất hóa phóng xạ). Đó là số phân tử của chất nghiên cứu bị phá hủy khi hấp thụ năng lượng 100eV trong quá trình bị chiếu xạ. Trị số G của các bazơ Nitơ trong phân tử ADN khi bị chiếu xạ tia X hay tia γ được trình bày trong bảng 9.3. Bảng 9.3: Trị số G của các bazơ Nitơ trong phân tử ADN khi bị chiếu tia X hay γ Bazơ Nitơ Trị số G Trong dung dịch có O2 Trong phân tử ADN Adenin 1,09 0,22 Guanin 1,09 0,17 Timin 1,89 0,40 Xitozin 2,15 0,38 Khi chiếu xạ, số phân tử bị phá hủy chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong tổng số các phân tử có trong tế bào nhưng cũng đủ gây ra đột biến di truyền, làm tổn thương hình thái và chức năng, nếu nặng có thể giết chết tế bào.
X. Tác dụng của tia phóng xạ lên quá trình phân bào Chu kỳ sống của tế bào gồm 4 giai đoạn phát triển chính: - Giai đoạn đầu tiên ký hiệu là pha G1 (Gap có nghĩa là pha hay giai đoạn) khi tế bào mới được hình thành sau quá trình phân bào. Ở pha này tế bào thực hiện sinh tổng hợp protein và tích lũy các chất cần thiết cho sự tổng hợp ADN ở pha sau đồng thời tế bào tăng về thể tích. Pha này kéo dài nhất, có khi chiếm gần một nửa chu kỳ sống của tế bào. - Giai đoạn tiếp theo gọi là pha S (Synthesis nghĩa là tổng hợp) là giai đoạn tổng hợp ADN. Ở pha này hàm lượng ADN trong nhân tế bào đã tăng lên gấp đôi. - Giai đoạn thứ ba gọi là pha G2, là pha hậu tổng hợp. Tế bào chủ yếu tổng hợp các chất chuẩn bị cho quá trình phân bào. - Giai đoạn thứ tư ký hiệu là pha M (Mitose có nghĩa là phân bào nguyên nhiễm) xảy ra quá trình phân bào. Bergone và Tribondeau từ kết quả nghiên cứu đã rút ra định luật, gọi là định luật phóng xạ: "Độ nhạy cảm của tế bào trước tia bức xạ tỷ lệ thuận với khả năng sinh sản và tỷ lệ nghịch với mức độ biệt hóa tế bào". Trường hợp ngoại lệ, tế bào lympho đã biệt hóa hoàn toàn nhưng lại có độ nhạy cảm phóng xạ cao nhất. Khi chiếu xạ liều thấp, đối với những tế bào chưa bước vào pha phân bào thì bị ngừng hẳn quá trình phân bào còn tế bào đã bước vào pha phân chia thì sự phân bào sẽ bị chậm lại hoặc ngừng hẳn quá trình phân bào. Nếu tế bào đã ở pha S tức là ADN đã được nhân đôi, nếu tế bào ngừng phân chia và tiếp tục phát triển sẽ dẫn tới hiện tượng đa bội thể. Đa số tế bào động vật và thực vật có liều ức chế tạm thời quá trình phân bào là 50R. Đặc biệt trứng của một số động vật không xương sống ở biển như trứng cầu gai, liều ức chế phân bào là 104R. Serclo sử dụng Poloni chiếu lên bào tử cây dương xỉ thấy rằng: Hiện tượng ức chế quá trình phân bào xảy ra cả khi chỉ chiếu xạ nhân hay chỉ chiếu xạ nguyên sinh chất. Song liều gây ức chế sự phân bào khi chỉ chiếu xạ nguyên sinh chất cao gấp 20 lần liều khi chỉ chiếu xạ nhân. Kết quả tương tự cũng thu được khi chiếu xạ lên trứng của ong hay tằm. Khi chiếu xạ, sự tổn thương của hạt nhân có ý nghĩa quyết định tới sự tổn thương hay gây chết tế bào. Điều này lại được Axtrakhob (1947) xác định qua thí nghiệm: Lấy hạt nhân của tế bào bị chiếu xạ đem cấy vào tế bào không chiếu xạ đã bị lấy mất nhân thì tế bào ghép có nhân bị chiếu xạ còn nguyên sinh chất không chiếu xạ chỉ sống được 3 ngày. Trong khi đó tế bào ghép có nhân không chiếu xạ và nguyên sinh chất bị chiếu xạ đã sống được tới 3 tuần. Vai trò của nhân trong hoạt động sống của tế bào, thực chất là vai trò của phân tử ADN - phân tử lưu giữ thông tin di truyền của tế bào. Do vậy, khi chiếu xạ, tổn thương ở nhân sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng tới hoạt động sống của tế bào. XII. Một số ứng dụng của nguồn tia phóng xạ ion hóa * Phương pháp chiếu xạ gây ra biến dị để tạo giống mới Qua quá trình sử dụng nguồn tia phóng xạ tác dụng lên đối tượng sinh vật, gây ra biến dị để tạo giống mới, các nhà khoa học đã rút ra những nhận xét sau: - Kết quả chiếu xạ chịu ảnh hưởng vào các điều kiện của hạt khi chiếu xạ như nhiệt độ, độ ẩm, oxy, độ pH... Do vậy, với một lô đem chiếu xạ, phải chọn các hạt đồng nhất về trọng lượng, kích thước, độ ẩm, nhiệt độ, nồng độ oxy, độ pH v.v... - Liều chiếu xạ gây ra đột biến để tạo giống mới thường sử dụng từ 10KRad đến 100KRad.
- Suất liều lượng ảnh hưởng đến số lượng đột biến. Liều gây đột biến gấp đôi đột biến xuất hiện ngẫu nhiên gọi là "liều gấp đôi". Thực tế xác định khoảng từ 15-30 Rad trong một lần chiếu còn nếu chiếu liều thấp và thời gian chiếu lâu thì "liều gấp đôi" sẽ lên tới 100 Rad. Khi tổng liều chiếu nhỏ hơn 1 KRad thì sử dụng suất liều là 10-100 Rad/phút còn khi tổng liều chiếu lớn hơn 1 KRad thì sử dụng suất liều là 500 Rad/phút. - Sau chiếu xạ, tần số gây ra đột biến có lợi là rất thấp và đa số trường hợp đột biến xuất hiện đã không di truyền được cho thế hệ sau. Qui trình chiếu xạ để chọn giống mới, tuần tự theo các bước sau: 1. Chiếu xạ hạt để gây ra đột biến 2. Thử nghiệm để chọn lọc những đột biến có lợi 3. Xác định thuộc tính mới có lợi và mức độ ổn định qua các thế hệ. 4. Nhân giống. * Ứng dụng phương pháp chiếu xạ để tiêu diệt côn trùng có hại Có nhiều phương pháp để tiêu diệt côn trùng gây hại nhưng sử dụng phương pháp chiếu xạ lại rất hiệu quả và không gây ra ô nhiễm môi trường. Phương pháp sử dụng là chiếu xạ lên côn trùng để tạo ra những thuộc tính bất lợi cho côn trùng như chết yểu, con đực vô sinh, con cái đẻ ít trứng hay có tỷ lệ sinh con đực cao... Kết quả đã thu được đối với ruồi gây hại cho ngành chăn nuôi ở phía Nam nước Mỹ và Mehico bằng cách thả 50 triệu con đực vô sinh, cuối cùng giống ruồi này đã bị tiêu diệt. * Sử dụng phương pháp chiếu xạ để khử trùng Phương pháp khử trùng dùng tia bức xạ ion hóa rất hiệu quả và sạch, đặc biệt đối với những vi khuẩn và nấm mốc, khử trùng bằng nhiệt độ cao đã không tiêu diệt hết được. Trong công tác khử trùng bằng nhiệt, người ta hay dùng liều tử vong 90% (ký hiệu là LD90) là liều cần thiết để diệt 90% số vi khuẩn đem chiếu xạ và còn gọi là liều thập phân. Liều thập phân (LD90) rất thích hợp cho việc tính toán liều khử trùng. Với chủng vi khuẩn có No là số tế bào ban đầu còn N là số tế bào vi khuẩn còn sống sót sau chiếu xạ liều D thì liều chiếu được tính theo công thức: D=LD90.(logNo-logN) (9.5) Để khử trùng thực phẩm, năm 1960, Smit và Nate đã đề xuất phương pháp xác định trực tiếp liều LD90 với quần thể ban đầu là 109 bào tử. Cách thực hiện: chọn 20 hộp thịt (hay nước hoa quả) cần khử trùng, được cấy thêm vào mỗi hộp 1ml hỗn dịch chứa 108 bào tử Clostridium botilium rồi đóng hộp lại. Sau khi chiếu xạ liều D xác định rồi để các hộp vào tủ ấm 37oC trong một thời gian (chẳng hạn 1 tháng). Sau 1 tháng, kiểm tra xem có hộp nào bị hỏng như có độc tố hoặc còn bị nhiễm khuẩn. Trường hợp có độc tố, tách chiết độc tố và tiêm phúc mạc chuột để thử độc tính. Gọi M là tổng số bào tử đã tiêm vào cả 20 hộp thịt còn D là liều chiếu xạ và N là số hộp có chứa độc tố. Liều thập phân được xác định theo công thức: D LD 90 = (9.6) log M − log N
Trong thực tế để diệt nấm mốc và vi khuẩn, người ta hay áp dụng liều từ 300KRad đến 1 triệu Rad. * Sử dụng phương pháp chiếu xạ để bảo quản lương thực, thực phẩm Phạm vi áp dụng và liều sử dụng như sau: - Chiếu xạ liều nhỏ hơn 100KRad để chống nảy mầm ở khoai tây, hành, tỏi v.v..., làm trái cây chậm chín như chuối, cam, quýt..., tiêu diệt côn trùng để bảo quản ngũ cốc như lúa, ngô, lạc, đậu tương v.v... - Chiếu xạ liều từ 100KRad → 1 triệu Rad để bảo quản thịt tươi, cá tươi, trứng v.v... - Chiếu liều từ 1 triệu Rad → 5 triệu Rad để khử trùng các chất phụ gia, gia vị, chế phẩm enzyme v.v... * Sử dụng nguồn phóng xạ trong y học hạt nhân Trong y học hạt nhân thường sử dụng tia gamma (γ), liều dùng từ 100 Rad → 103 Rad để điều trị bệnh ung thư. Để chẩn đoán bệnh các bác sỹ thường sử dụng các chất đồng vị phóng xạ để ghi hình cơ quan, từ đó có hướng điều trị. Ví dụ để chẩn đoán bệnh về tuyến giáp, bác sỹ sẽ cho bệnh nhân sử dụng thuốc có đánh dấu Iốt phóng xạ (I131). Sau một thời gian, phần lớn Iốt tập trung ở tuyến giáp và phát ra tia γ, dùng máy ghi hình nhấp nháy sẽ cho hình ảnh của tuyến giáp. Nếu tuyến giáp to sẽ mắc bệnh cường năng tuyến giáp còn tuyến giáp nhỏ sẽ mắc bệnh thiểu năng tuyến giáp. Cùng với xác định một số chỉ tiêu sinh hóa, các bác sĩ sẽ có hướng điều trị cụ thể cho bệnh nhân. --------- ---------