QUANG SINH H C. C M TH ÁNH SÁNG M TỌ Ả Ụ Ở Ắ
Quang sinh h c (photobiology)ọ
• Ngành khoa h c nghiên c u s t ng tác c a b c x không ion hóa v i các c th s ng.ọ ứ ự ươ ủ ứ ạ ớ ơ ể ố
• Ranh gi i gi a b c x ion hóa và không ion hóa th ng đc cho là 10 keV, năng l ngớ ữ ứ ạ ườ ượ ượ
đ đ ion hóa nguyên t oxiủ ể ử
•Lĩnh v c nghiên c u bao g m t t c các hi n t ng sinh h c có s tham gia c a b c xự ứ ồ ấ ả ệ ượ ọ ự ủ ứ ạ
không ion hóa mà trong đó b c x không ion hóa gây nên các bi n đi quang hóaứ ạ ế ổ
ho c/và quang lý trong các h sinh h c ặ ệ ọ àcác hi u ng quang sinhệ ứ
Phân lo i b c x không ion hóaạ ứ ạ
B c x không ion hóa đc chia thành 3 nhóm chính: ứ ạ ượ
1. Ánh sáng nhìn th y (ấλ: 400 – 800nm), có ý nghĩa cho s nhìn và nhi u đáp ng quangự ề ứ
sinh quang sinh khác
2. B c x h ng ngo i (IF) ( ứ ạ ồ ạ λ >800nm), con ng i không c m th đc b ng th giác, làmườ ả ụ ượ ằ ị
nóng v t ch t h p th nóậ ấ ấ ụ
3. B c x t ngo i (UV), (ứ ạ ử ạ λ <400nm), con ng i không c m th đc b ng th giác, đi uườ ả ụ ượ ằ ị ề
khi n m t s ph n ng quang sinh và nhi u ph n ng quang hóa quan tr ng.ể ộ ố ả ứ ề ả ứ ọ
B c x UV chia thành 4 vùng: (UV chân không) (100 – 200 nm), UV-C (200 – 280 nm),ứ ạ
UV-B (280 – 315 nm) and UV-A (315 – 400 nm). Ta ch quan tâm UV A, B và Cỉ
UVA và UVB xuyên qua khí quy n, toàn b UVC và m t ph n UVB b h p th b i l pể ộ ộ ầ ị ấ ụ ở ớ
ozone. Do đó ph n chính c a b c x UV chúng ta b chi u là UVA và m t l ng nhầ ủ ứ ạ ị ế ộ ượ ỏ
UVB
B c sóng ng n nh t c a b c x m t tr i đn t i b m t trái đt kho ng 295nm, cácướ ắ ấ ủ ứ ạ ặ ờ ế ớ ề ặ ấ ả
b c sóng ng n h n đc l c b i l p ozon c a t ng bình l u N u l p ozon b m ngướ ắ ơ ượ ọ ở ớ ủ ầ ư ế ớ ị ỏ
đi, b c x UV b c sóng ng n s đn trái đt nhi u h n và gây nên các tác d ng có h iứ ạ ướ ắ ẽ ế ấ ề ơ ụ ạ
nghiêm tr ng lên con ng i, đng th c v t và các c th s ng khác. ọ ườ ộ ự ậ ơ ể ố
Các quá trình quang sinh
•Quá trình quang sinh là quá trình (chu i ph n ng) b t đu t s h p th photonỗ ả ứ ắ ầ ừ ự ấ ụ
b i ởcác ch t h p th ánh sáng đc thùấ ấ ụ ặ và k t thúc b ng các hi u ng sinh lý t ngế ằ ệ ứ ươ
ng trong các mô ho c c th sinh v t.ứ ặ ơ ể ậ
Các giai đo n c a m t quá trình quang sinhạ ủ ộ
1. Các phân t ch t đc thù c a quá trình h p th photon m t cách ch n l c ử ấ ặ ủ ấ ụ ộ ọ ọ à ho c chuy nặ ể
lên tr ng thái kích thích ho c bi n đi tr ng tháiạ ặ ế ổ ạ
2. S bi n đi này kích ho t m t chu i các ph n ng hóa h cự ế ổ ạ ộ ỗ ả ứ ọ
3. Các ph n ng hóa h c t o ra các s n ph m cu i cùng ho c d n đn các đáp ng sinh h cả ứ ọ ạ ả ẩ ố ặ ẫ ế ứ ọ
mang tính v t lý nh c h c, đi n. T t c g i chung là hi u ng sinh h cậ ư ơ ọ ệ ấ ả ọ ệ ứ ọ
Ph tác d ngổ ụ
•Đng cong bi u di n s ph thu c v ườ ể ễ ự ụ ộ ề l ng c a hi u ng sinh v tượ ủ ệ ứ ậ do ánh sáng gây
nên vào b c sóng c a ánh sáng chi uướ ủ ế trong cùng đi u ki n chi u và năng l ng b c xề ệ ế ượ ứ ạ
chi u b h p th nh nhau g i là ph tác d ng. ế ị ấ ụ ư ọ ổ ụ
• Thí d : ụ
– s ph thu c s l ng vi khu n b tiêu di t vào b c sóng b c x UV chi u ự ụ ộ ố ượ ẩ ị ệ ướ ứ ạ ế
– S ph thu c l ng s n ph m quá trình quang h p (oxi, ...) vào b c sóng chi u ự ụ ộ ượ ả ẩ ợ ướ ế
Ý nghĩa c a ph tác d ngủ ổ ụ
So sánh ph tác d ng v i ph h p th c a các phân t thành ph n trong đi t ng kh o sát ổ ụ ớ ổ ấ ụ ủ ử ầ ố ượ ả
•N u có phân t mà ph h p th khá gi ng ph tác d ng và các b c sóng h p th c c điế ử ổ ấ ụ ố ổ ụ ướ ấ ụ ự ạ
r t g n b c sóng tác d ng c c đi, ta có th xác đnh đc phân t đó đã đóng vai tròấ ầ ướ ụ ự ạ ể ị ượ ử
ch y u trong quá trình quang sinh kh o sát. ủ ế ả
•D a vào ph tác d ng và các b c sóng tác d ng c c đi ta còn xác đnh đc các phân tự ổ ụ ướ ụ ự ạ ị ượ ử
lo i khác có tham gia nh ng vai trò y u h n ho c không tham gia hoàn toànạ ư ế ơ ặ
Phân lo i các quá trình quang sinhạ
Trên quan đi m hi u ng sinh v t có th chia các quá trình quang sinh thành hai nhóm l n:ể ệ ứ ậ ể ớ
I. Các quá trình phá hu bi n tính ỷ ế
II. Các quá trình sinh lý ch c năng . Các quá trình sinh lý ch c năng có th làứ ứ ể :
– Quá trình sinh t ng h p: t o các s n ph m tích tr năng l ng (thí d : quangổ ợ ạ ả ẩ ữ ượ ụ
h p,...) hay t o các s c t , các vitamin, ... ợ ạ ắ ố
– Quá trình thông tin trong đó t ch c s ng c m th l ng t ánh sáng và chuy nổ ứ ố ả ụ ượ ử ể
thành thông tin. K t qu là c th nh n đc l ng thông tin v môi tr ng bênế ả ơ ể ậ ượ ượ ề ườ
ngoài và có th có nh ng đáp ng c n thi t, t i u cho ho t đng s ng c a nóể ữ ứ ầ ế ố ư ạ ộ ố ủ
(thí d : th giác đng v t, h ng quang, quang hình thái th c v t, đng v t,ụ ị ở ộ ậ ướ ở ự ậ ộ ậ
ng i).ườ
– ...
Tác dụng quang động lực (TDQĐL)
Khái ni m ệ
Tác d ng quang đng l c đc đnh nghĩa nh m t s t n th ng không h i ph c m t sụ ộ ự ượ ị ư ộ ự ổ ươ ồ ụ ộ ố
ch c năng sinh lý và c u trúc c a đi t ng sinh v t d i tác d ng c a ánh sáng v i s cóứ ấ ủ ố ượ ậ ướ ụ ủ ớ ự
m t c a O2 và ch t ho t hoá (ch t màu, ch t gây nh y sáng – photosensitizer)ặ ủ ấ ạ ấ ấ ạ
C ch TDQĐL ơ ế
Ch t ho t hoá (ch t màu) tham gia trong nh ng ph n ng này là nh ng ch t có ái l c hoáấ ạ ấ ữ ả ứ ữ ấ ự
h c l n v i O2 và có kh năng lân quangọ ớ ớ ả
S liên h p gi a ch t màu v i ánh sáng và O2 là m t đi u ki n c n thi t c a ph n ngự ợ ữ ấ ớ ộ ề ệ ầ ế ủ ả ứ
gây nên TDQĐL
Trong TDQĐL, tác d ng c a ánh sáng lên đi t ng sinh v t là tác d ng gián ti p,ụ ủ ố ượ ậ ụ ế các
phân t ch t n n th c ch t không h p th tr c ti p năng l ng t b c x mà l i b t nử ấ ề ự ấ ấ ụ ự ế ượ ừ ứ ạ ạ ị ổ
th ng, ch t màu h p th photon đóng vai trò ch t xúc tác không th thi u đc. ươ ấ ấ ụ ấ ể ế ượ
Các ch t màu có kh năng lân quang. Nó h p th photon và ấ ả ấ ụ à singlet kích thích . T singletừ
kích thích à triplet t ng đi b n( t > 10ươ ố ề -9s).
Khi ch t màu chuy n v singlet c b n, năng l ng gi i phóng ra không bi n thành photonấ ể ề ơ ả ượ ả ế
(lân quang, xem l i lý thuy t hu nh quang, lân quangạ ế ỳ ) mà chuy n cho O2 và làm O2ể
chuy n lên tr ng thái O2 singlet kích thích ho c t o ra các ch t ROS (Reactive Oxygenể ạ ặ ạ ấ
Species), t t c đu có kh năng oxi hóa r t m nhấ ả ề ả ấ ạ
O2 singlet kích thích ho c ROS s oxi hóa (phá h y) các protein, ADN, các enzyme,... ặ ẽ ủ à
ch c năng, m t mã thông tin c a t bào b phá h yứ ậ ủ ế ị ủ
• Các chất màu (photosensitizer – PS) hấp thụ photon à
singlet kích thích à triplet tương đối bền(t > 10
-9
s).
• PS từ triplet àtrạng thái cơ bản, E giải phóng ra không
biến thành photon (lân quang) mà chuyển cho O2 và làm
O2 àO2 singlet hoặc tạo các chất ROS có khả năng oxi
hóa rất mạnh
Vì c ch trên mà ph tác d ng c a tác d ng quang đng l c khá trùng v i ph h p thơ ế ổ ụ ủ ụ ộ ự ớ ổ ấ ụ
c a ch t màu (đã đc th c nghi m ch ng minh).ủ ấ ượ ự ệ ứ
Ph n ng oxi hóa không x y ra khi không có ch t màu t c là ch t màu làm ch t n n trả ứ ả ấ ứ ấ ấ ề ở
nên d b t n th ng khi b chi u sáng hay tr nên m n c m v i ánh sáng. Vì th ch t màuễ ị ổ ươ ị ế ở ẫ ả ớ ế ấ
còn đc g i là ch t gây nh y sángượ ọ ấ ạ
Nhi u c u trúc và ch c năng trên các m c đ c th , t bào, phân t nh y c m v iề ấ ứ ứ ộ ơ ể ế ử ạ ả ớ
TDQĐL
Tác d ng có h i c a tia t ngo i lên t bàoụ ạ ủ ử ạ ế
• UV có kh năng bi n đi DNA c a các t bào s ngả ế ổ ủ ế ố
• Trong ánh n ng m t tr i h u nh ch có UVA và UVB. C UVA và UVB đu gây nên cácắ ặ ờ ầ ư ỉ ả ề
t n th ng, bi n tính ho c làm đt g y DNA.ổ ươ ế ặ ứ ẫ
•UVA xuyên sâu h n UVB. UVA vào đc l p gi a c a da (the dermis) , UVB vào đcơ ượ ớ ữ ủ ượ
đn l p ngoài c a da (the epidermis) ế ớ ủ
• UVB nguy hi m h n và d gây ung th da h n UVA ể ơ ễ ư ơ
•M c dù hi n t ng b t n ng đen da có th d n đn các hi u ng th m m không làmặ ệ ượ ắ ắ ể ẫ ế ệ ứ ẩ ỹ
chúng ta vui nh ng đy chính là cách mà c th b o v b n thân kh i tác đng có h i c aư ấ ơ ể ả ệ ả ỏ ộ ạ ủ
UV. B ng cách tăng l ng s c t nâu melanin trong da, các s c t đó s h p th ph n l nằ ượ ắ ố ắ ố ẽ ấ ụ ầ ớ
UV ch không ph i DNA do đó b o v DNA. Các s c t melanin đó h p th và bi n năngứ ả ả ệ ắ ố ấ ụ ế
l ng UV thành nhi t, b n thân thì không b phá h y), do đó có tác d ng «ượ ệ ả ị ủ ụ h ng đnứ ạ » cho
DNA
Đc thêmọ : các lo i kem ch ng n ng đã đc khoa h c ch ng minh là…làm tăng nguy c ungạ ố ắ ượ ọ ứ ơ
th da. Ngoài ra, gi ng nh m i lo i kem bôi da, m ph m khác, đó là các hóa ch t đc h i,ư ố ư ọ ạ ỹ ẩ ấ ộ ạ
g n nh ngay l p t c s ng m vào máu chúng ta, bít kín các l chân lông c a chúng ta.ầ ư ậ ứ ẽ ấ ỗ ủ
• UVC là vùng nguy hi m nh t, nh ng ch có trong b c x nhân t o. Do đó ng d ng đ ti tể ấ ư ỉ ứ ạ ạ ứ ụ ể ệ
trùng
•T ph tác d ng ti t trùng b ng tia UV ta th y b c sóng 264 nm là b c sóng có tính ch từ ổ ụ ệ ằ ấ ướ ướ ấ
ti t trùng m nh nh t, đây cũng là b c sóng h p th c c đi c a DNA. Đi u đó nói lênệ ạ ấ ướ ấ ụ ự ạ ủ ề
r ng ngu n g c hi u ng phá h y bi n tính t bào là do chính DNA b t n th ng tr c ti pằ ồ ố ệ ứ ủ ế ế ị ổ ươ ự ế
b i UV.ở
Tác d ng có l i c a UV – ph n ng quang t ng h p vitamin D ụ ợ ủ ả ứ ổ ợ
• Vitamin D3 đc t ng h p quang hóa trong da t 7-dehydrocholesterol ượ ổ ợ ừ
• 7-dehydrocholesterol đc t o ra v i s l ng l n trong da các đng v t có x ng s ng,ượ ạ ớ ố ượ ớ ộ ậ ươ ố
g m c ng iồ ả ườ
• Ch t béo này tác d ng v i UVB b c sóng gi a 270 and 300ấ ụ ớ ở ướ ữ nm t o thành vitamin D, c cạ ự
đi t ng h p t i 295 - 297ạ ổ ợ ạ nm
S th c m ánh sáng m tự ụ ả ở ắ
•Ánh sáng qua th y tinh d ch đn võng m c. T i võng m c ánh sáng đc c m th vàủ ị ế ạ ạ ạ ượ ả ụ
hình nh đc t o thànhả ượ ạ
•Võng m c dày ạ∼ 0.5 mm, màu h ng, chi m ồ ế ∼ 3/4 m t nhãn c u, c m t con tem (m tặ ầ ỡ ộ ặ
c u m đ cho ánh sáng vào). G n gi a võng m c có vùng tr ng g n tròn 2x1.5 mm g iầ ở ể ầ ữ ạ ắ ầ ọ
là đĩa quang hay đi m mù. Đây là n i các s i tr c th n kinh đi ra kh i m t và t o thànhể ơ ợ ụ ầ ỏ ắ ạ
dây th n kinh th giác, t i đó không có t bào th c m ánh sáng nên g i là đi m mùầ ị ạ ế ụ ả ọ ể
• Thành ph n quan tr ng nh t c a Võng m c là các t bào th c m ánh sáng là t bào nónầ ọ ấ ủ ạ ế ụ ả ế
và t bào que. ế
• Các ph n ng hóa h c trong các t bào siêu nh y sáng này là kh i đu quá trình bi nả ứ ọ ế ạ ở ầ ế
năng l ng ánh sáng thành các xung đi n đc truy n v não đ phân tích t o hình nhượ ệ ượ ề ề ể ạ ả
• Các t bào nón và que t o nên m ng l i ken dày đc. M i con m t ch a t i 100 tri uế ạ ạ ướ ặ ỗ ắ ứ ớ ệ
t bào que và 3-7tri u t bào nón. Tuy nhiên các t bào này phân b trên võng m cế ệ ế ế ố ạ
không đuề
•Nón phân b dày đc t i trung tâm võng m c. Que ch y u phân b vành ngoài c aố ặ ạ ạ ủ ế ố ở ủ
võng m c và càng rìa m t đ càng gi m ạ ở ậ ộ ả
• V t lõm màu vàng t i trung tâm võng m c, đi di n th ng v i đng t g i là v t lõmế ạ ạ ố ệ ẳ ớ ồ ử ọ ế
ho c đi m vàng là n i g n nh ch có các t bào nón v i m t đ caoặ ể ơ ầ ư ỉ ế ớ ậ ộ
•Đ thu đc hình nh rõ nét, ánh sáng t v t c n ph i h i t chính xác trên đi m vàngể ượ ả ừ ậ ầ ả ộ ụ ể
này. Vùng còn l i c a võng m c (chi m ph n l n) cho hình nh ngo i biên. Hình nhạ ủ ạ ế ầ ớ ả ạ ả
ngo i biên không rõ nét b ng hình nh trung tâm vì ngoài đi m vàng m t đ t bào thạ ằ ả ể ậ ộ ế ụ
c m sáng th p và vì t i đó toàn que ả ấ ạ
C u trúc các t bào nón và queấ ế
•D i ngoài các t bào nón và que có ch a các c u trúc đc bi t do màng t bào g p thànhả ế ứ ấ ặ ệ ế ấ
r t nhi u n p t o thành các đĩa trong que và răng l c trong nónấ ề ế ạ ượ
• Trên thành đĩa và răng l c có c m r t nhi u các phân t protein đáp ng sáng. ượ ắ ấ ề ử ứ
• que là các phân t rhodopsin, nón là iodopsin. (đu là opsin, m t que, m t nón )Ở ử ở ề ộ ở ộ ở
•Trong 1 t bào que ch a kho ng 1000 đĩa, m i đĩa 10ế ứ ả ỗ 4 phân t rhodopsin ử
• Do cách th c đáp ng sáng c b n gi ng nhau, ta s xét rhodopsin nh là ví d tiêuứ ứ ơ ả ố ẽ ư ụ
bi u. ể
S h p th ánh sáng b i rhodopsinự ấ ụ ở
• Rhodopsin = Opsin + retinal
•Opsin – protein g n k t vào màng các đĩaắ ế
• Retinal (d n xu t c a vitamin A) g n vào opsinẫ ấ ủ ắ
• Retinal là ph n quy t đnh s đáp ng sáng c a phân t rhodopsinầ ế ị ự ứ ủ ử
• Retinal t n t i hai d ng cis- và trans-ồ ạ ở ạ
•Trong bóng t i retinal d ng cis- .Có ánh sáng, cis-retinal h p th photon chuy n thànhố ở ạ ấ ụ ể
d ng trans-retinal r t nhanh (c ms) và tách kh i opsin ạ ấ ỡ ỏ à kích ng rhodopsinứ
• Ph n ng ng c t trans- sang cis- di n ra lâu (vài phút) và c n năng l ng t ATP ả ứ ượ ừ ễ ầ ượ ừ
•M i phân t rhodopsin v i cis-retinal có kh năng h p th ch 1 photon. M t photonỗ ử ớ ả ấ ụ ỉ ộ
đc h p th có kh năng kích ng m t queượ ấ ụ ả ứ ộ
•S kích ng m t phân t rhodopsin ư ứ ộ ử b i 1 photonở đ đ gây ra s thay đi đáng k tínhủ ể ự ổ ể
th m c a màng t bào que ấ ủ ế à…à s phát sinh xung đi n th ho t đng truy n v th nự ệ ế ạ ộ ề ề ầ
kinh trung ng. ươ
•Quá trình t ng t cũng di n ra t bào nón nh ng c n ươ ự ễ ở ế ư ầ t i thi u 100 photonố ể đ kíchể
ho t t bào nón. ạ ế
•Chính vì đ nh y c m ánh sáng c a nón kém h n nhi u so v i t bào que mà trong đi uộ ạ ả ủ ơ ề ớ ế ề
ki n chi u sáng r t y u, ch ng v ng, ch có t bào que tham gia vào quá trình nhìn – lúcệ ế ấ ế ạ ạ ỉ ế
đó ta dùng th giác scoto (scotopic vision). Trong đi u ki n chi u sáng t t, c 2 lo i tị ề ệ ế ố ả ạ ế
bào nón và que cùng tham gia quá trình nhìn – lúc đó ta dùng th giác photo (photopicị
vision)