Lý sinh học phần 10

Chia sẻ: Danh Ngoc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

121
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'lý sinh học phần 10', tài liệu phổ thông, sinh học phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Lý sinh học phần 10

Chlorophyll) không phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích vì ánh sáng huỳnh quang được phát ra khi phân tử chuyển từ mức năng lượng S1→So. Khi phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng để chuyển lên các mức năng lượng cao hơn S1, qua con đường thải nhiệt để cuối cùng đều chuyển về mức S1 để sau đó phát ánh sáng huỳnh quang. Ví dụ Chlorophyll có thể hấp thụ cả ánh sáng xanh (λ=440nm) và ánh sáng đỏ (λ=700nm) nên khi chiếu dung dịch Chlorophyll dù là ánh sáng xanh hay ánh sáng đỏ thì phổ huỳnh quang của Chlorophyll vẫn không thay đổi. * Qui luật Levin: Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang đối xứng quanh một bước sóng λo (xem hình 8.5). Qui luật đúng với phân tử có cấu trúc đơn giản. D 1 2 λ1 λo λ2 λ Hình 8.5: Phổ hấp thụ (1) và phổ huỳnh quang (2) đối xứng qua λo 2. Sự phát lân quang Khi phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng để chuyển từ mức năng lượng cơ bản So lên mức kích thích S1 và khi trở về trạng thái ban đầu có thể bằng sự thải nhiệt (đường 2, hình 8.3) hoặc phát huỳnh quang (đường b, hình 8.3), hoặc thải nhiệt để chuyển về mức triplet (đường 3, hình 8.3), sau đó phân tử chuyển từ mức triplet về mức So và phát ra ánh sáng lân quang (đường c, hình 8.3). Sự phát lân quang có thể biểu diễn dưới dạng: T→So+hγ* ⎛ v⎞ γ*: Tần số ánh sáng lân quang ⎜ γ * = * ⎟ . λ⎠ ⎝ Lân quang cũng được đặc trưng bởi phổ lân quang. Phổ lân quang là đường cong phụ thuộc của cường độ ánh sáng lân quang vào bước sóng ánh sáng lân quang (λ*). Phổ lân quang luôn dịch chuyển về phía ánh sáng có bước sóng dài hơn so với phổ hấp thụ và phổ v v v huỳnh quang. Nguyên do vì E ht = h. > E 'hq = h. > E lq = h. * suy ra bước sóng ánh λ λ' λ sáng hấp thụ (λ) nhỏ hơn bước sóng ánh sáng huỳnh quang và bước sóng ánh sáng huỳnh quang (λ') lại nhỏ hơn bước sóng ánh sáng lân quang (λ*) (xem hình 8.6). Sự phát lân quang kéo dài từ 10-4 đến 10-2 giây, tức là lâu hơn so với sự phát huỳnh quang. Do vậy khi đã tắt ánh sáng chiếu nhưng sự phát lân quang vẫn có thể xảy ra.
D 1 2 3 λ λ* λ' λ Hình 8.6: Phổ hấp thụ (1), phổ huỳnh quang (2) và phổ lân quang (3) (λ
và ở hệ có nhiều phân tử hấp thụ ánh sáng thì có thể đạt tới 100%. V. Phản ứng quang hóa Phản ứng quang hóa là những phản ứng xảy ra trong hệ dưới tác dụng của ánh sáng. Phản ứng quang hóa nào cũng đều trải qua hai giai đoạn. Giai đoạn đầu là giai đoạn được chiếu sáng đã xảy ra sự hấp thụ năng lượng ánh sáng để tạo nên những phân tử bị kích thích, các ion và các gốc tự do. Giai đoạn thứ hai là giai đoạn tối (không cần sự chiếu sáng) tiếp tục xảy ra các phản ứng với sự tham gia của các sản phẩm quang hóa được hình thành từ giai đoạn sáng để tạo nên sản phẩm quang hóa bền vững. Tốc độ phản ứng quang hóa được xác định bằng nồng độ phân tử chất tham gia vào phản ứng trong một đơn vị thời dC ). Phân tử chỉ có thể tham gia vào phản ứng khi đã hấp thụ lượng tử gian (ký hiệu là dt ánh sáng để chuyển lên trạng thái kích thích (tức đã được hoạt hóa). Do vậy, tốc độ phản ứng quang hóa phải bằng số lượng tử ánh sáng được hấp thụ trong một đơn vị thời gian dN (ký hiệu là ). Từ đó có phương trình: dt dC dN = (8.15) dt dt Số lượng tử ánh sáng được hấp thụ trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với số lượng tử ánh sáng chiếu vào hệ (ký hiệu là I), nồng độ phân tử chất hấp thụ (C) và tiết diện bề mặt bị chiếu sáng (S). Từ đó có phương trình: dN = S.C.I (8.16) dt Từ (8.15) suy ra: dC = S.C.I (8.17) dt Tuy nhiên, không phải tất cả năng lượng photon đều được các phân tử hấp thụ để chuyển lên trạng thái kích thích và sau đó phân tử kích thích tiếp tục tham gia vào phản ứng mà có một số phân tử kích thích không tham gia vào phản ứng mà trở về trạng thái ban đầu bằng cách thải nhiệt ra môi trường hay phát quang. Vì thế có khái niệm hiệu suất quang hóa (hay suất lượng tử, ký hiệu là ϕ) được xác định theo công thức: Số photon được phân tử hấp thụ để tham gia vào phản ứng (N2) ϕ= Số photon được hệ hấp thụ (N1) N2 ϕ= Hay: (8.18) N1 Trên thực tế giá trị ϕ bao giờ cũng nhỏ hơn 1 và chỉ đạt vài phần trăm đến vài chục phần trăm. Ví dụ như hiệu suất quang hóa của phản ứng khử hoạt tính của men khi bị chiếu sáng chỉ đạt từ 10-3 đến 10-2 (tức từ 1 0 00 →1%), nghĩa là một phân tử men phải hấp thụ từ
100 đến 1000 photon mới bị mất hoạt tính xúc tác. Sở dĩ hiệu suất quang hóa có giá trị thấp như vậy là do chỉ có một số ít phân tử sau khi hấp thụ photon đã tham gia vào phản ứng. Từ đó dẫn tới khái niệm tiết diện quang sinh (δ) và được cho rằng chỉ khi photon đập trúng tiết diện quang sinh của phân tử mới dẫn tới phân tử tham gia vào phản ứng. Bây giờ hiệu suất quang hóa được tính theo công thức: δ ϕ= (8.19) S δ
Nếu chất A hấp thụ năng lượng ánh sáng nhưng tham gia vào phản ứng quang hóa lại là chất B thì phổ hoạt động và phổ hấp thụ của chất B phải trùng nhau. Như vậy có nghĩa là chất A đã chuyền năng lượng cho chất B (A+hγ→A*→B→B*) để chất B chuyển lên trạng thái kích thích (B*) và tham gia vào phản ứng quang hóa. Nếu trong hệ có nhiều chất, khi chiếu sáng và nghiên cứu phổ hoạt động, sau đó so sánh với phổ hấp thụ của những chất đã biết sẽ xác định được chất nào đã chuyền năng lượng (nên không có phổ hoạt động) và chất nào đã tham gia vào phản ứng quang hóa (nên có phổ hoạt động). VI. Phương pháp đo độ hấp thụ trong vùng ánh sáng trông thấy và tử ngoại Khi đo độ hấp thụ, các nhà nghiên cứu hay dùng máy quang phổ kế (còn gọi là máy so màu). Sơ đồ cấu tạo máy quang phổ kế được mô tả trên hình 8.8. 0 1 2 3 4 5 Hình 8.8: Sơ đồ cấu tạo máy quang phổ kế 1) Nguồn chiếu sáng 2) Kính lọc bước sóng ánh sáng 3) Cốc đựng mẫu (cuvét) 4) Tế bào quang điện 5) Màn hình thiết bị đo giá trị mật độ quang học (D) hay độ truyền qua (T) Nguyên tắc đo: Cho dung môi (chất dùng để pha dung dịch nghiên cứu) vào ống thủy tinh số 3 và chỉnh thiết bị đo số 5, cho kim chỉ số không. Sau đó đổ dung môi ra, tráng sạch, sấy khô, để nguội rồi đổ dung dịch nghiên cứu vào, trên màn hình thiết bị đo số 5, kim sẽ chỉ giá trị mật độ quang học D hay độ truyền qua T. Lưu ý cả dung môi và dung dịch nghiên cứu đều đo ở bước sóng đã được chọn trước. Ví dụ đo mật độ quang học của dung dịch ADN thì phải chọn bước sóng λ=260nm. Mỗi chất hấp thụ cực đại ở một bước sóng nhất định (ký hiệu là λmax) và khi chiếu ánh sáng λmax, đối với mỗi chất có một hệ số hấp thụ xác định (ký hiệu là kmax). Song cũng có những chất hấp thụ cực đại ở một số bước sóng khác nhau như triptophan, tirozin, phenilalanin và do vậy chúng cũng có các hệ số hấp thụ tương ứng (xem bảng 8.1). Bảng 8.1: Độ hấp thụ và hệ số hấp thụ ở bước sóng λmax. λmax (nm) Các chất kmax (1,4; 8; 48).10-3 Tirozin 274; 222; 193 (0,2; 9,3; 60).10-3 Phenilalanin 257; 206; 188 (5,6; 47).10-3 Triptophan 280; 219 5,9.10-3 Hixtidin 211 0,3.10-3 Xistein 250 13,4.10-3 Adenin 260,5 14,9.10-3 Adenozin 259,5 13,6.10-3 Guanozin 252,5 10,7.10-3 Guanin 246 6,1.10-3 Xitozin 267 9,1.10-3 Xitidin 271
10,1.10-3 Uraxin 261,1 7,9.10-3 Timin 264,5 9,7.10-3 Timidin 267 6,6.10-3 ADN 260 7,4.10-3 ARN 258 Phương pháp đo quang phổ hấp thụ trong vùng tử ngoại và ánh sáng nhìn thấy được áp dụng để xác định nồng độ. Vì theo định luật Lambert - Beer thì mật độ quang học (D) tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch (C). Vì vậy, muốn xác định nồng độ của một chất cần nghiên cứu thì trước tiên phải có đồ thị chuẩn D = f(λ) của chất nghiên cứu chuẩn (tự làm hay lấy từ tài liệu tham khảo (xem hình 8.2). Sau đó lấy dung dịch chất cần nghiên cứu đo được giá trị mật độ quang học là Dx, dựa vào đồ thị chuẩn sẽ suy ra được nồng độ Cx. Để xác định nồng độ vi khuẩn (Cvk) cách làm D(650nm) cũng tương tự, chỉ việc thay nồng độ phân tử D=f(λ) gam (M) bằng số lượng vi khuẩn trong 1ml và đo ở bước sóng λ=650nm (xem hình 8.9). Ví dụ: Từ đồ thị chuẩn D = f(λ=260nm) của dung dịch ADN chuẩn đã biết được nếu D260 (mật độ quang học đo ở λ=260nm) bằng 1 sẽ tương ứng với nồng độ ADN là 50 Dx microgam/ml, nếu D260 bằng 0,5 tương ứng với nồng độ ADN là 25 microgam/ml, nếu D260 bằng 0,1 tương ứng với nồng độ ADN là 5 O Cx C microgam/ml. Hình 8.9: Nồng độ vi khuẩn (Cvk) xác định bằng cách đo mật độ quang học (D) Phương pháp đo quang phổ hấp thụ còn có thể cho phép xác định thành phần của phân tử. Từ bảng 8.1 đã biết hệ số hấp thụ kmax của 4 bazơ Nitơ là Adenin, Timin, Guanin, Xitozin. Dựa vào bước sóng λmax trong bảng 8.1 sẽ đo được mật độ quang học tương ứng của mỗi bazơ Nitơ. Áp dụng công thức (8.10) D = k.C.l và khi chọn cuvét có độ dày l = D 1Cm thì suy ra D = k.C. Khi biết D và k sẽ tính được nồng độ C = . k * Phương pháp phân tích hấp thụ nguyên tử - Phân tích định tính: Sự hấp thụ của nguyên tử vật chất đối với ánh sáng mang tính chất chọn lọc, nghĩa là mỗi nguyên tử chỉ hấp thụ ở một bước sóng ánh sáng nhất định. Điều này cho phép nhận dạng được nguyên tố có mặt trong mẫu đem phân tích khi so sánh quang phổ hấp thụ của mẫu với quang phổ hấp thụ của các nguyên tố hoá học đã biết trước. - Phân tích định lượng: Áp dụng định luật Lambert - Beer và sử dụng công thức (8.10) sẽ xác định được nồng độ của chất nghiên cứu khi đo được mật độ quang học D và hệ số hấp thụ nguyên tử k ở ánh sáng chiếu có bước sóng xác định (ánh sáng đơn sắc). Phương pháp phân tích hấp thụ nguyên tử có độ chính xác cao hơn nhiều so với phương pháp dùng quang phổ kế.
VII. Quang hợp 1. Phương trình quang hợp tổng quát Trên trái đất chỉ có hai nguồn năng lượng mà thế giới sinh vật có thể sử dụng là năng lượng hoá học của các chất vô cơ có nguồn gốc từ trái đất và năng lượng ánh sáng có nguồn gốc từ vũ trụ. Năng lượng ánh sáng là nguồn năng lượng vô tận, có ý nghĩa quyết định tới sự sống ở trên trái đất được thực vật và nhiều loài vi sinh vật quang dưỡng chuyển hóa thành năng lượng hoá học trong các phân tử hữu cơ. Nhờ quá trình quang hợp mà mỗi năm trên trái đất có 5.1010 tấn chất hữu cơ được tổng hợp, hấp thụ 2.1012 tấn CO2 và thải ra 13.1010 tấn O2 vào khí quyển. Phản ứng tổng quát của quang hợp là phản ứng tổng hợp các chất hữu cơ (hydratcacbon) từ các chất vô cơ (khí CO2 và H2O) dưới tác dụng của ánh sáng (ký hiệu là hγ). hγ 6CO2 + 6H2O ⎯diep⎯→ C6H12O6 + 6O2 ⎯ luc Quá trình quang hợp diễn ra ở thực vật bậc cao và thực vật bậc thấp. Một loại quang hợp khác diễn ra ở vi khuẩn theo phản ứng: CO2 + 2H2S ⎯hγ CH2O + H2O + 2S ⎯→ Đối với vi khuẩn, quá trình quang hợp không thải ra oxy mà thải ra khí lưu huỳnh. 2. Năng lượng trong quá trình quang hợp Để định lượng vai trò của ánh sáng có thể tính tổng năng lượng các liên kết ở các chất tham gia vào phản ứng và các sản phẩm cuối cùng của quá trình quang hợp theo phương trình tổng quát sau đây: O=C=O+H⎯O⎯H ⎯hγ → H⎯C=O+O=O ⎯ ⏐ H Ở các chất tham gia có: 2 nối C=O có năng lượng là: 2x190 Kcal/M 2 nối O ⎯ H có năng lượng là: 2x110 Kcal/M Năng lượng tổng cộng là: 600 Kcal/M Ở sản phẩm quang hợp có: 1 nối O=O có năng lượng là: 1x116 Kcal/M 1 nối C=O có năng lượng là: 1x190 Kcal/M 2 nối C ⎯ H có năng lượng là: 2x92 Kcal/M Năng lượng tổng cộng là: 490 Kcal/M So sánh năng lượng trước và sau phản ứng ta có: 600Kcal/M-490 Kcal/M=110Kcal/M Như vậy năng lượng ánh sáng cung cấp cho quá trình quang hợp cũng chính bằng 110 Kcal/M để phá vỡ liên kết cũ (chất tham gia) và hình thành liên kết mới (sản phẩm). Theo tính toán lý thuyết 1 photon ánh sáng đỏ (λ=690nm) có năng lượng khoảng 42Kcal/M và như vậy để có 110Kcal/M, thực vật chỉ cần hấp thụ 3 photon ánh sáng đỏ là đủ thực hiện quá trình quang hợp. Trên thực tế, theo dẫn liệu của nhiều tác giả để tạo ra 1 phân tử oxy,
tối thiểu phải cần từ 4 đến 12 photon. Nếu lấy giá trị trung bình số photon cần thiết cho quá trình quang hợp là 8 thì hiệu suất trung bình của quá trình quang hợp sẽ là: 3 photon × 42Kcal η= = 0,375 hay đạt 37,5% 8 photon × 42Kcal Hiệu suất cực đại của quá trình quang hợp có thể đạt được là: 3 photon × 42Kcal η= = 0,75 hay đạt 75% 4 photon × 42Kcal 3. Sắc tố cảm quang Để thực hiện được quá trình quang hợp, các tế bào thực vật, các vi khuẩn phải có các sắc tố cảm quang để tiếp nhận năng lượng ánh sáng. Có ba nhóm sắc tố chính là: Porphyrin, Phycobilin và Carotenoid. - Sắc tố nhóm Porphyrin: Tất cả các loài thực vật và vi khuẩn có quang hợp đều chứa Chlorophyll ở các dạng khác nhau. Tế bào thực vật chứa Chlorophyll còn vi khuẩn quang hợp chứa Bacteriochlorophyll. Chlorophyll ở các loài khác nhau không đáng kể về cấu trúc phân tử nhưng lại khác nhau về quang phổ hấp thụ ở bước sóng λmax. Các cơ thể tiến hành quang hợp thải oxy như thực vật bậc cao, tảo và vi khuẩn Cyanobacteria hấp thụ cực đại ở bước sóng 650nm và 680nm. Vi khuẩn xanh lục chủ yếu chứa Bacteriochlorophyll c, d, e lại hấp thụ cực đại ở bước sóng 725nm; 740nm; 760nm còn vi khuẩn tía chứa Bacteriochlorophyll a hấp thụ cực đại đến bước sóng 950nm và chứa Bacteriochlorophyll b hấp thụ cực đại ở bước sóng 1020nm đến 1100nm. - Phycobiliprotein: Là các sắc tố màu đỏ hoặc xanh lam, có mặt ở vi khuẩn lam, tảo đỏ, tảo nâu... Nhờ có Phycobiliprotein mà tế bào vi khuẩn lam hấp thụ ánh sáng có bước sóng vùng 450-700nm. Các sắc tố như Phycoerythrin hấp thụ cực đại ở bước sóng 565nm, Phycocyanin hấp thụ cực đại ở bước sóng 620nm, Allophycocianin hấp thụ cực đại ở bước sóng 654nm... - Carotenoid: Nhóm Carotenoid có thể chia làm ba loại: không vòng, đơn vòng hoặc hai vòng. Ở thực vật bậc cao có mặt Carotenoid thuộc loại hai vòng, ở vi khuẩn tía có Carotenoid thuộc loại không vòng còn ở vi khuẩn xanh có đến 80-85% Carotenoid thuộc loại một vòng. Nhờ có tập hợp các sắc tố quang hợp đa dạng như vậy nên các sinh vật có quang hợp đã hấp thụ được hầu hết phổ ánh sáng mặt trời chiếu xuống trái đất (bước sóng từ 350 đến 1100nm). Sự khác nhau về vùng ánh sáng bị hấp thụ ở các nhóm sinh vật khác nhau đã làm cho chúng không phải cạnh tranh với nhau về nguồn năng lượng chiếu sáng. 4. Sự chuyền năng lượng trong quang hợp Tập hợp các sắc tố tham gia vào quá trình quang hợp, giữa chúng có xảy ra sự chuyền năng lượng. Các nhà khoa học đã tính toán trong gran của lục lạp có nồng độ Chlorophyll rất cao từ 0,1 đến 1M/dm3 và khoảng cách trung bình giữa các phân tử sắc tố chỉ khoảng từ o 10 đến 20 A . Sự chuyền năng lượng giữa các phân tử sắc tố xảy ra theo cơ chế cộng hưởng cảm ứng. Ở thực vật bậc cao và tảo, bằng phương pháp phá vỡ tế bào, tách riêng lấy lục lạp và dùng phương pháp điện di, sắc ký đã tách được phức hợp sắc tố - protein. Trong thành phần phức hợp sắc tố - protein có khoảng 50-60% Chlorophyll của tế bào thực vật hay tảo. Trong phức hợp sắc tố này có hai dạng Chlorophyll phát huỳnh quang cực đại ở bước
sóng 680nm và 695nm. Vì vậy, người ta cho rằng có hai kênh vận chuyển năng lượng, bắt đầu từ sự nhận năng lượng ánh sáng bởi Chlorophyll b sau đó vận chuyển năng lượng cho Chlorophyll a hấp thụ cực đại ở bước sóng 680nm (ký hiệu là Chl.a (680)) và Chlorophyll a hấp thụ cực đại ở bước sóng 695nm (Chl.a (695)). Chlorophyll có khả năng hấp thụ ánh sáng chọn lọc, chuyền năng lượng hấp thụ được từ ánh sáng sang cho hệ vận chuyển điện tử quang hợp để chuyển thành hóa năng. Nhóm sắc tố Carotenoid cũng có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng rồi chuyển năng lượng cho hệ Chlorophyll để thực hiện quá trình quang hợp. Nhóm sắc tố Phycobilin cũng có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng ở vùng bước sóng ngắn và chuyển năng lượng cho Chlorophyll để thực hiện quá trình quang hợp. Ví dụ: Ở vi khuẩn lam, quá trình vận chuyển năng lượng diễn ra theo chiều hướng sau: Phycoerythrin → Phycocianin → Allophycocianin → (565nm) (620nm) (654nm) Allophycocianin B → Chlorophyll a. (671nm) (680nm) Các số ghi trong ngoặc ở dưới là bước sóng hấp thụ cực đại (λmax) của mỗi sắc tố. 5. Cơ chế của quá trình quang hợp Quá trình quang hợp được chia ra 2 giai đoạn (hay 2 pha, được gọi là pha sáng và pha tối). * Pha sáng quang hợp Đây là pha đầu tiên của quang hợp, có sự tham gia trực tiếp của ánh sáng. Sắc tố quang hợp là Chlorophyll (Chl) đã hấp thụ năng lượng ánh sáng do photon chuyền cho để chuyển lên trạng thái kích thích (Chl*) có mức năng lượng cao hơn so với trạng thái ban đầu (Chl). E = hγ → Chl → Chl* Điện tử của phân tử Chlorophyll ở trạng thái kích thích, khi trở về trạng thái ban đầu đã chuyển năng lượng cho hệ chuyền điện tử định vị trong lục lạp để tổng hợp nên ATP. Ở pha sáng quang hợp có sự tham gia của phân tử nước. Dưới tác dụng của ánh sáng với sự tham gia của hệ sắc tố và hệ oxy hóa trong lục lạp mà phân tử nước bị phân li, gọi là sự quang phân li nước. Quang phân li nước xảy ra qua nhiều giai đoạn như sau: hγ 4H2O ⎯Sac to → 4H+ + 4OH - ⎯ ⎯ 4OH - ⎯⎯ → 4e - + 4OH ⎯ Mn + + ⎯Cl− → O2 + 2H2O ⎯ 4OH 2H2O ⎯⎯ → 4H+ + 4e - + O2 ⎯ Kết quả: Oxy được thải vào không khí còn proton (tức H+) và điện tử (e-) sẽ tham gia vào các quá trình tiếp sau. Điện tử được vận chuyển qua hệ vận chuyển điện tử quang hợp để tổng hợp nên ATP còn H+ kết hợp với NADP- để tạo nên NADPH2. Tóm tắt phản ứng của pha sáng như sau:
hγ 2H2O + 2ADP + 2H3PO4 + 2NADP ⎯Sac to → 2ATP + 2NADPH2 + O2↑ ⎯ ⎯ Sản phẩm của pha sáng là ATP, NADPH2 sẽ tiếp tục tham gia vào phản ứng tiếp theo của pha tối để tổng hợp nên chất hữu cơ với sự tham gia của CO2. * Pha tối quang hợp Các phản ứng của pha tối diễn ra không có sự tham gia trực tiếp của ánh sáng chiếu mà có sự tham gia của ATP, NADPH2 và CO2. Sản phẩm đầu tiên của pha tối quang hợp là tổng hợp nên glucose (C6H12O6). Có 3 con đường tổng hợp glucose từ CO2 ứng với 3 nhóm thực vật khác nhau là thực vật C3, thực vật C4 và thực vật CAM (Crasulacean Acid Metabolism), được thực hiện theo các chu trình C3, C4, CAM. VIII. Tia tử ngoại và các hiệu ứng sinh học của nó 1. Tia tử ngoại và hiệu ứng tác dụng của nó ở mức độ tế bào Trong thiên nhiên nguồn bức xạ tử ngoại là mặt trời. Trên đường đi tới trái đất, phần lớn năng lượng của tia cực tím bị tầng Ozôn hấp thụ và chỉ còn lại phần ánh sáng có bước sóng từ 200nm đến 400nm (nanômét) tác dụng lên cơ thể sinh vật. Tia tử ngoại thường được chia ra 3 vùng chính sau: - Vùng cực tím sóng dài có λ = 320nm đến 400nm - Vùng cực tím sóng trung có λ = 280nm đến 320nm - Vùng cực tím sóng ngắn có λ = 200nm đến 280nm Khác với tia gamma (γ) và tia Roentgen (X), tia tử ngoại vùng 200nm đến 400nm không có khả năng gây ra quá trình ion hóa các phân tử sinh học. Tia tử ngoại chỉ gây ra hiện tượng kích thích làm cho điện tử của các phân tử sinh học từ mức cơ bản chuyển lên mức kích thích có năng lượng cao hơn, tức là đã hoạt hóa các phân tử đó. Do vậy, các phân tử sinh học đã được hoạt hóa, chúng dễ dàng tham gia vào các phản ứng hóa sinh dẫn tới gây kích thích hoặc làm tổn thương cơ thể sinh vật. Mặt khác, khả năng xuyên sâu của tia tử ngoại kém, chỉ vài milimét, do đó nó chỉ gây nên các hiệu ứng sinh học ở lớp tế bào ngoài cùng. Tia tử ngoại có tác dụng làm xạm da, gây phát ban đỏ hoặc gây bỏng da. Tia cực tím sóng trung kích thích sự tổng hợp vitamin D có tác dụng chống còi xương... Tia cực tím sóng ngắn có tác dụng làm thay đổi cấu trúc đặc trưng của lipit và protein, có tác dụng diệt khuẩn. Hầu hết các công trình nghiên cứu trên các đối tượng như vi khuẩn, vi sinh vật, tế bào thực vật và động vật, đều phát hiện qui luật chung là khả năng gây ra tử vong nhiều, khi chiếu tia tử ngoại có bước sóng nhỏ hơn 300nm và tử vong nhiều nhất ở bước sóng 260nm. Điều này có liên quan tới sự tổn thương của phân tử ADN vì nó hấp thụ cực đại ở bước sóng 260nm. Tia tử ngoại còn gây ra hiệu ứng ức chế sự phân bào hoặc kích thích sự phân chia tế bào tùy thuộc vào bước sóng ánh sáng chiếu. Ví dụ như Coviadin khi chiếu tia tử ngoại có bước sóng 256nm lên các tế bào nấm men đã gây ra sự ức chế phân chia tế bào. Vraigerchi chiếu tia tử ngoại có bước sóng 265nm và 280nm đã dẫn tới phá hủy quá trình phát triển phôi. Như vậy, sự ức chế quá trình phân chia tế bào có liên quan tới sự hấp thụ tia tử ngoại của phân tử ADN ở bước sóng 260nm và phân tử protein ở bước sóng 280nm. Năm 1914, Lep là người đầu tiên phát hiện ra hiệu ứng kích thích khi chiếu xạ trứng cầu gai với liều lượng thấp. Sau này các nhà nghiên cứu tiếp tục phát hiện trên các đối tượng vi khuẩn, vi sinh vật, tảo đơn bào, dưới tác dụng của tia tử ngoại liều lượng thấp thấy tốc độ phân chia tế bào tăng lên từ 110% đến 170%. Theo Kimball,
hiệu ứng kích thích phân chia tế bào có liên quan tới sự hấp thụ của một số loại protein và lipit. Pomper và Atvut lại giải thích rằng dưới tác dụng của tia tử ngoại, có một số tế bào bị tổn thương nặng đã tiết ra một số chất có khả năng kích thích sự phân chia tế bào, làm cho sự phân chia tế bào diễn ra nhanh hơn. IX. Tác dụng của tia tử ngoại lên axit nucleic Nhiều công trình nghiên cứu trên các đối tượng như vi sinh vật, thực vật và động vật đều đi đến kết luận là dưới tác dụng của tia tử ngoại, tính chất vật lí của phân tử axit Nucleic bị thay đổi. Khi chiếu tia tử ngoại lên dung dịch ADN, Sugar nhận thấy độ nhớt của dung dịch giảm còn trọng lượng phân tử ADN không bị thay đổi. Song nếu chiếu liều tia tử ngoại cao hơn sẽ dẫn tới phá hủy chuỗi Polynucleotide, tạo nên các Oligonucleotide, giải phóng Timine và phốtphát vô cơ. Khi chiếu tia tử ngoại lên dung dịch ARN cũng gây ra hiệu ứng tương tự như với dung dịch ADN. Trung tâm hấp thụ tia tử ngoại của axit Nucleic là các bazơ Nitơ. Khi chiếu tia tử ngoại lên dung dịch axit Nucleic thường dẫn tới xảy ra các phản ứng như quang oxy hóa, quang thủy phân, quang nhị hợp. Ví dụ: Phản ứng quang oxy hóa xảy ra với Adenine theo dạng sau: Adenine Hypoxantin N = C⎯NH2 N = C⎯OH ⏐⏐ ⏐⏐ hγ hV ⎯+ H⎯→ CH C⎯N ⎯O CH C⎯N +NH3 2 ⏐⏐ ⏐⏐ ⏐⏐ ⏐⏐ CH CH N⎯ C⎯N N⎯ C⎯NH Phản ứng quang thủy phân xảy ra với Uraxin theo dạng sau: Uraxin Uraxin O O ⏐⏐ ⏐⏐ HN HN CH2 hγ hV ⎯+ H⎯→ ⎯O 2 CHOH O NH O NH Phản ứng quang nhị hợp xảy ra giữa hai phân tử Timine theo dạng sau: Timine Timine Nhị hợp Timine-Timine (T-T) O O O O ⏐⏐ ⏐⏐ ⏐⏐ ⏐⏐ CH3 CH3 HN -CH3 H3C- NH hγ HN NH hV ⎯+ H⎯→ ⎯O 2 + O= =O O NH NH O NH H H NH
Phản ứng quang nhị hợp có thể xảy ra giữa hai phân tử cùng gốc hoặc có thể xảy ra giữa hai phân tử khác gốc. Khi chiếu tia tử ngoại lên dung dịch Xitozine và Uraxin sẽ xảy ra sự kết hợp giữa hai phân tử cùng gốc, tạo nên nhị hợp Timine - Timine (T-T), tạo nên nhị hợp Uraxin-Uraxin (U-U), hoặc giữa hai phân tử khác gốc, tạo nên nhị hợp Timine- Uraxin (T-U). Setlau khi chiếu tia tử ngoại lên axit Polydezoxyinozin và axit Polydezoxyxitidin thấy tỷ lệ tạo nhị hợp T-T chiếm 50%, tạo nhị hợp T-X chiếm 40% còn nhị hợp X -X chiếm 10%. Phản ứng quang nhị hợp giữa hai phân tử Timine là tác nhân chính dẫn tới làm tổn thương cấu trúc và phá hủy tính chất sinh học của phân tử ADN khi bị chiếu tia tử ngoại. Tóm lại, khi chiếu tia tử ngoại lên ADN đã xảy ra các quá trình nối tiếp nhau như sau: - Đầu tiên là tháo xoắn hai chuỗi của phân tử ADN ở vùng có Timine (gọi là tổn thương vùng). - Xảy ra phản ứng quang nhị hợp giữa hai phân tử Timine và cố định cấu hình biến dạng tại vùng bị tổn thương của phân tử ADN. - Hạn chế hoặc phá hủy chức năng của phân tử ADN (như mất khả năng tách chuỗi để nhân đôi ADN). X. Tác dụng của tia tử ngoại lên protein Khi chiếu tia tử ngoại lên dung dịch protein sẽ dẫn tới làm thay đổi độ đục, độ nhớt, độ lắng... Chứng tỏ đã xảy ra sự thay đổi cấu trúc phân tử protein. Các protein hoặc polypeptide có hoạt sính sinh học như enzyme, hormone, kháng thể, kháng nguyên... khi bị chiếu tia tử ngoại sẽ giảm hoạt tính hoặc mất hẳn hoạt tính. Khi chiếu tia tử ngoại lên protein các nhà nghiên cứu nhận thấy phổ hấp thụ của protein (λmax=280nm) có liên quan tới phổ hấp thụ của một số axit amin như tirozin, triptophan, xistein. Khi chiếu tia tử ngoại có bước sóng 260nm đến 280nm lên dung dịch enzyme sẽ dẫn tới khử hoạt tính enzyme. Với bước sóng chiếu trên thì chỉ có tirozin và triptophan hấp thụ. Vì vậy, người ta cho rằng chủ yếu do tirozin và triptophan đã hấp thụ tia tử ngoại nên bị phá hủy cấu trúc, dẫn tới làm mất hoạt tính của enzyme. Thực nghiệm xác định để ức chế enzyme là tripsin thì cần phải phá hủy một trong bốn gốc triptophan và một trong sáu gốc xistein còn để khử hoạt tính của pepsin chỉ cần phá hủy một gốc triptophan. Quá trình hấp thụ tia tử ngoại của axit amin theo dạng sau: ⎯→ AH* (trạng thái kích thích) AH ⎯hγ (axit amin) Tiếp theo xảy ra quá trình quang ion hóa của axit amin đã được hoạt hóa (kích thích): AH* ⎯⎯→ AH+ + e- ⎯⎯→ A + H+ + e- A + B ⎯⎯→ A - B Axit amin do sự quang ion hóa đã mất một proton (H+) và một điện tử (e -) để sau đó kết hợp với một chất khác (ký hiệu là B) tạo thành phức chất (A-B). Chính phức chất này đã làm biến đổi cấu hình phân tử protein dẫn tới làm mất hoạt tính enzyme. Tóm lại, sự tổn thương cấu trúc và sự khử hoạt tính của phân tử protein chủ yếu liên quan tới sự hấp thụ tia tử ngoại của các axit amin thơm như tirozin, triptophan, phenilalamin. Ngoài ra, proton (H+) được hình thành do sự quang ion hóa axit amin cũng làm đứt liên kết hydro góp phần thay đổi cấu trúc phân tử protein.
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: