intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Quang sinh học, cảm thụ ánh sáng ở mắt

Chia sẻ: Lê Thị Na | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:8

173
lượt xem
10
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung tài liệu Quang sinh học, cảm thụ ánh sáng ở mắt giúp sinh viên nắm rõ khái niệm quang sinh học (photobiology), phân loại bức xạ không ion hóa, các quá trình quang sinh, các giai đoạn của một quá trình quang sinh,... Tham khảo nội dung bài giảng để nắm bắt nội dung chi tiết.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Quang sinh học, cảm thụ ánh sáng ở mắt

  1. QUANG SINH HỌC. CẢM THỤ ÁNH SÁNG Ở MẮT Quang sinh học (photobiology) • Ngành khoa học nghiên cứu sự tương tác của bức xạ không ion hóa với các cơ thể sống. • Ranh giới giữa bức xạ ion hóa và không ion hóa thường được cho là 10 keV, năng lượng  đủ để ion hóa nguyên tử oxi • Lĩnh vực nghiên cứu bao gồm tất cả các hiện tượng sinh học có sự tham gia của bức xạ  không  ion hóa   mà  trong  đó   bức  xạ  không  ion  hóa   gây nên các  biến  đổi  quang hóa   hoặc/và quang lý trong các hệ sinh học àcác hiệu ứng quang sinh Phân loại bức xạ không ion hóa  Bức xạ không ion hóa được chia thành 3 nhóm chính:  1. Ánh sáng nhìn thấy (λ: 400 – 800nm), có ý nghĩa cho sự  nhìn và nhiều đáp  ứng quang  sinh quang sinh khác 2. Bức xạ hồng ngoại (IF) ( λ >800nm), con người không cảm thụ được bằng thị giác, làm  nóng vật chất hấp thụ nó 3. Bức xạ tử ngoại (UV), (λ 
  2. • Đường cong biểu diễn sự  phụ  thuộc về  lượng của hiệu  ứng sinh vật do ánh sáng gây  nên vào bước sóng của ánh sáng chiếu trong cùng điều kiện chiếu và năng lượng bức xạ  chiếu bị hấp thụ như nhau gọi là phổ tác dụng.  • Thí dụ:  – sự phụ thuộc số lượng vi khuẩn bị tiêu diệt vào bước sóng bức xạ UV chiếu  – Sự phụ thuộc lượng sản phẩm quá trình quang hợp (oxi, ...) vào bước sóng chiếu  Ý nghĩa của phổ tác dụng So sánh phổ tác dụng với phổ hấp thụ của các phân tử thành phần trong đối tượng khảo sát  • Nếu có phân tử mà phổ hấp thụ khá giống phổ tác dụng và các bước sóng hấp thụ cực đại  rất gần bước sóng tác dụng cực đại, ta có thể  xác định được phân tử  đó đã  đóng vai trò   chủ yếu trong quá trình quang sinh khảo sát.  • Dựa vào phổ tác dụng và các bước sóng tác dụng cực đại ta còn xác định được các phân tử  loại khác có tham gia nhưng vai trò yếu hơn hoặc không tham gia hoàn toàn Phân loại các quá trình quang sinh Trên quan điểm hiệu ứng sinh vật có thể chia các quá trình quang sinh thành hai nhóm lớn: I. Các quá trình phá huỷ biến tính  II. Các quá trình sinh lý chức năng . Các quá trình sinh lý chức năng có thể là : – Quá trình sinh tổng hợp: tạo các sản phẩm tích trữ  năng lượng (thí dụ: quang   hợp,...) hay tạo các sắc tố, các vitamin, ...      – Quá trình thông tin trong đó tổ  chức sống cảm thụ lượng tử ánh sáng và chuyển   thành thông tin. Kết quả là cơ thể nhận được lượng thông tin về môi trường bên  ngoài và có thể  có những đáp  ứng cần thiết, tối  ưu cho hoạt động sống của nó   (thí dụ: thị giác ở động vật, hướng quang, quang hình thái ở  thực vật, động vật,  người). – ... Tác dụng quang động lực (TDQĐL) Khái niệm   Tác dụng quang động lực được định nghĩa như một sự tổn thương không hồi phục một số  chức năng sinh lý và cấu trúc của đối tượng sinh vật dưới tác dụng của  ánh sáng với sự có  mặt của O2 và chất hoạt hoá (chất màu, chất gây nhạy sáng – photosensitizer) Cơ chế TDQĐL   Chất hoạt hoá (chất màu) tham gia trong những phản  ứng này là những chất có ái lực hoá   học lớn với O2 và có khả năng lân quang  Sự  liên hợp giữa chất màu với ánh sáng và O2 là một điều kiện cần thiết của phản  ứng  gây nên TDQĐL   Trong TDQĐL, tác dụng của ánh sáng lên đối tượng sinh vật là tác dụng gián tiếp,  các  phân tử  chất nền thực chất không hấp thụ  trực tiếp năng lượng từ  bức xạ  mà lại bị  tổn   thương, chất màu hấp thụ photon đóng vai trò chất xúc tác không thể thiếu được.   Các chất màu có khả năng lân quang. Nó hấp thụ photon và  à singlet kích thích . Từ singlet  kích thích à triplet tương đối bền( t  > 10­9s). 
  3.  Khi chất màu chuyển về singlet cơ bản, năng lượng giải phóng ra không biến thành photon  (lân quang,  xem lại   lý thuyết huỳnh quang, lân quang) mà chuyển cho O2 và làm O2  chuyển lên trạng thái O2 singlet kích thích hoặc tạo ra các chất ROS (Reactive Oxygen   Species), tất cả đều có khả năng oxi hóa rất mạnh  O2 singlet kích thích hoặc ROS sẽ  oxi hóa (phá hủy) các protein, ADN, các enzyme,...   à chức năng, mật mã thông tin của tế bào bị phá hủy • Các chất màu (photosensitizer – PS) hấp thụ photon à singlet kích thích à triplet tương đối bền(t > 10-9s). • PS từ triplet à trạng thái cơ bản, E giải phóng ra không biến thành photon (lân quang) mà chuyển cho O2 và làm O2 à O2 singlet hoặc tạo các chất ROS có khả năng oxi hóa rất mạnh  Vì cơ  chế  trên mà phổ  tác dụng của tác dụng quang động lực khá trùng với phổ  hấp thụ  của chất màu (đã được thực nghiệm chứng minh).  Phản  ứng oxi hóa không xảy ra khi không có chất màu tức là chất màu làm chất nền trở  nên dễ bị tổn thương khi bị chiếu sáng hay trở nên mẫn cảm với ánh sáng. Vì thế chất màu  còn được gọi là chất gây nhạy sáng  Nhiều cấu trúc và  chức năng trên các  mức   độ  cơ  thể,  tế  bào, phân tử  nhạy cảm với  TDQĐL   Tác dụng có hại của tia tử ngoại lên tế bào • UV có khả năng biến đổi DNA của các tế bào sống • Trong ánh nắng mặt trời hầu như chỉ có UVA và UVB. Cả UVA và UVB đều gây nên các   tổn thương, biến tính hoặc làm đứt gẫy  DNA. • UVA xuyên sâu hơn UVB. UVA vào được lớp giữa của da (the dermis) , UVB vào được  đến lớp ngoài của da (the epidermis)  • UVB nguy hiểm hơn và dễ gây ung thư da hơn UVA  • Mặc dù hiện tượng bắt nắng đen da có thể  dẫn đến các hiệu  ứng thẩm mỹ  không làm  chúng ta vui nhưng đấy chính là cách mà cơ thể bảo vệ bản thân khỏi tác động có hại của 
  4. UV. Bằng cách tăng lượng sắc tố nâu melanin trong da, các sắc tố  đó sẽ hấp thụ phần lớn   UV chứ không phải DNA do đó bảo vệ DNA. Các sắc tố melanin đó hấp thụ và biến năng   lượng UV thành nhiệt, bản thân thì không bị phá hủy), do đó có tác dụng « hứng đạn » cho  DNA Đọc thêm : các loại kem chống nắng đã được khoa học chứng minh là…làm tăng nguy cơ ung   thư da. Ngoài ra, giống như mọi loại kem bôi da, mỹ phẩm khác, đó là các hóa chất độc hại,   gần như ngay lập tức sẽ ngấm vào máu chúng ta, bít kín các l   ỗ chân lông của chúng ta. • UVC là vùng nguy hiểm nhất, nhưng chỉ có trong bức xạ nhân tạo. Do đó ứng dụng để tiệt  trùng • Từ phổ tác dụng tiệt trùng bằng tia UV ta thấy bước sóng 264 nm là bước sóng có tính chất   tiệt trùng mạnh nhất, đây cũng là bước sóng hấp thụ  cực đại của DNA. Điều đó nói lên  rằng nguồn gốc hiệu ứng phá hủy biến tính tế bào là do chính DNA bị tổn thương trực tiếp  bởi UV. Tác dụng có lợi của UV – phản ứng quang tổng hợp vitamin D  • Vitamin D3 được tổng hợp quang hóa trong da từ 7­dehydrocholesterol  • 7­dehydrocholesterol được tạo ra với số lượng lớn trong da các động vật có xương sống,   gồm cả người • Chất béo này tác dụng với UVB ở bước sóng giữa 270 and 300 nm tạo thành vitamin D, cực  đại tổng hợp tại 295 ­ 297 nm Sự thụ cảm ánh sáng ở mắt • Ánh sáng qua thủy tinh dịch đến võng mạc. Tại võng mạc ánh sáng được cảm thụ  và   hình ảnh được tạo thành • Võng mạc dày ∼  0.5 mm, màu hồng, chiếm ∼  3/4 mặt nhãn cầu, cỡ một con tem (mặt  cầu mở để cho ánh sáng vào). Gần giữa võng mạc có vùng trắng gần tròn 2x1.5 mm gọi   là đĩa quang hay điểm mù. Đây là nơi các sợi trục thần kinh đi ra khỏi mắt và tạo thành   dây thần kinh thị giác, tại đó không có tế bào thụ cảm ánh sáng nên gọi là điểm mù • Thành phần quan trọng nhất của Võng mạc là các tế bào thụ cảm ánh sáng là tế bào nón  và tế bào que.  • Các phản  ứng hóa học trong các tế  bào siêu nhạy sáng này là khởi đầu quá trình biến   năng lượng ánh sáng thành các xung điện được truyền về não để phân tích tạo hình ảnh • Các tế bào nón và que tạo nên mạng lưới ken dày đặc. Mỗi con mắt chứa tới 100 triệu   tế  bào que và 3­7triệu tế  bào nón. Tuy nhiên các tế  bào này phân bố  trên võng mạc  không đều • Nón phân bố dày đặc tại trung tâm võng mạc. Que chủ  yếu phân bố   ở  vành ngoài của  võng mạc và càng ở rìa mật độ càng giảm 
  5. • Vết lõm màu vàng tại trung tâm võng mạc, đối diện thẳng với đồng tử  gọi là vết lõm  hoặc điểm vàng là nơi gần như chỉ có các tế bào nón với mật độ cao • Để thu được hình ảnh rõ nét, ánh sáng từ vật cần phải hội tụ chính xác trên điểm vàng  này. Vùng còn lại của võng mạc (chiếm phần lớn) cho hình  ảnh ngoại biên. Hình ảnh  ngoại biên không rõ nét bằng hình ảnh trung tâm vì ngoài điểm vàng mật độ tế bào thụ  cảm sáng thấp và vì tại đó toàn que  Cấu trúc các tế bào nón và que • Dải ngoài các tế bào nón và que có chứa các cấu trúc đặc biệt do màng tế bào gấp thành   rất nhiều nếp tạo thành các đĩa trong que và răng lược trong nón • Trên thành đĩa và răng lược có cắm rất nhiều các phân tử protein đáp ứng sáng.  • Ở que là các phân tử rhodopsin, ở nón là iodopsin. (đều là opsin, một  ở que, một ở nón ) • Trong 1 tế bào que chứa khoảng 1000 đĩa, mỗi đĩa 104  phân tử rhodopsin  • Do cách thức đáp  ứng sáng cơ  bản giống nhau, ta sẽ  xét rhodopsin như  là ví dụ  tiêu   biểu.  Sự hấp thụ ánh sáng bởi rhodopsin • Rhodopsin = Opsin + retinal • Opsin – protein gắn kết vào màng các đĩa • Retinal (dẫn xuất của vitamin A) gắn vào opsin • Retinal là phần quyết định sự đáp ứng sáng của phân tử rhodopsin • Retinal tồn tại ở hai dạng cis­ và trans­ • Trong bóng tối retinal ở dạng cis­ .Có ánh sáng, cis­retinal hấp thụ photon chuyển thành   dạng trans­retinal rất nhanh (cỡ ms) và tách khỏi opsin à kích ứng rhodopsin • Phản ứng ngược từ trans­ sang cis­ diễn ra lâu (vài phút) và cần năng lượng từ ATP  • Mỗi phân tử  rhodopsin với cis­retinal có khả  năng hấp thụ  chỉ  1 photon. Một photon   được hấp thụ có khả năng kích ứng một que • Sư kích ứng một phân tử rhodopsin bởi 1 photon đủ để gây ra sự thay đổi đáng kể tính   thấm của màng tế bào que à…à sự phát sinh xung điện thế hoạt động truyền về thần   kinh trung ương.  • Quá trình tương tự cũng diễn ra ở tế bào nón nhưng cần tối thiểu 100 photon để kích  hoạt tế bào nón.  • Chính vì độ nhạy cảm ánh sáng của nón kém hơn nhiều so với tế bào que mà trong điều   kiện chiếu sáng rất yếu, chạng vạng, chỉ có tế bào que tham gia vào quá trình nhìn – lúc   đó ta dùng thị giác scoto (scotopic vision). Trong điều kiện chiếu sáng tốt, cả  2 loại tế  bào nón và que cùng tham gia quá trình nhìn – lúc đó ta dùng thị  giác photo (photopic  vision)
  6. • • Trên đây là các đường cong nhạy sáng tương  ứng thị  giác scoto và thị  giác photo (xem   SGK mới nhất năm 2011, tr 285 về « độ nhạy của mắt ») • Từ  các đường cong nhạy sáng, cũng là một dạng của phổ tác dụng, ta kết hợp so sánh   với phổ  hấp thụ  của rhodopsin thì thấy hai cực đại của các phổ  đó trùng nhau  à  thị  giác scoto hoàn do tế  bào que thực hiện . Xem về phổ hấp thụ của các opsin trong tế  bào  que và nón trình bầy sau HIỆN TƯỢNG THÍCH NGHI TỐI  • Trong điều kiện chiếu sáng tốt mắt nhìn bằng thị  giác photo. Gần như  tất cả  các phân   tử rhodopxin trong các tế bào que đều bị phân hủy thành dạng opxin + retinal. • Khi đi vào bóng tối, để  có thể  cảm thụ  ánh sáng bằng tế  bào que (thị  giác scoto), các  phân tử rhodopxin cần phải được tổng hợp lại từ đầu. Quá trình tổng hợp lại rhodopxin   từ  opxin và retinal như  ta đã biết cần thời gian, mất vài phút và tốn năng lượng ATP.   Chỉ  sau khi tổng hợp lại một lượng rhodopxin tốt thiểu nào đó rồi thì khi chúng phân   hủy lại mới cho chúng ta cảm giác sáng và quan trọng hơn, có tế bào que bị kích ứng, có   tế bào không à cho ta đường nét các vật thể trong bóng tối Đọc thêm: Khi lái máy bay, bay từ vùng sáng đột ngột bay vào vùng rất tối (mây dày) có thể   gây ra hiện tượng mất nhiều thời gian thích nghi tối của mắt phi công  à nguy hiểm. Để khắc   phục trường hợp đó, phi công bay trên trời  phải đeo kính đỏ. Lý do là, kính đỏ lọc ánh sáng và   ánh sáng đi vào mắt phi công là ánh sáng vùng đỏ của phổ ánh sáng trắng, mà ánh sáng vùng   đỏ  kích thích rhodopsin rất yếu (xem phổ hấp thụ rhodópin ở  sau), do đó khi bay trong  vùng   sáng, chỉ một phần không nhiều  rhodopsin trong que bị phân hủy thành opsin và retinal, thời   gian thích nghi tối sẽ không cần nhiều khi bay vào vùng tối. Thật là một ý tưởng thông minh có   được từ hiểu biết khoa học Cảm thụ màu sắc • Tế bào que cảm thụ được ánh sáng nhưng xung điện (tín hiệu) do sự cảm thụ ánh sáng   bởi que được truyền về não không cho cảm giác màu
  7. • Màu sắc được cảm thụ  nhờ  các tín hiệu có được từ  sự  cảm thụ  ánh sáng bởi tế  bào   nón, chứa phân tử protein nhạy sáng khác là iodopsin • Giống như ở que Iodopsin = opsin + retinal • Một tế bào nón chỉ có thể chứa một trong 3 loại opsin, 3 loại Opsin này  khác nhau và  khác với opsin trong rhodopsin   • Để phân biệt, người ta còn gọi opsin trong nón là photopsin, trong que là scotopsin • Sự  khác nhau giữa 3 loại photopsin và scotopsin là  ở  tính chất hấp thụ  ánh sáng của  chúng • Cực đại hấp thụ của 4 loại phân tử này tại các bước sóng khác nhau • Que có cực đại hấp thụ tại 495 nm • 3 loại  tế bào nón tương ứng có các cực đại hấp thụ tại 420 nm, 534nm và 564 nm (các   giá trị  tiêu biểu, không phải là như  nhau  ở  các cá nhân nhưng  khác nhau không nhiều)   thường gọi là nón “lam” , nón “lục” và nón “đỏ” để dễ hình dung  • Tuy vậy thuật ngữ khoa học là “short”, “medium” và “long” Nhờ công trình về khác biệt hấp thụ ánh sáng của các opsin trong các tế bào nón thực hiện   vào những năm 50, George Wald nhận giải Nobel • Tỷ  lệ  tương đối các loại tế  bào nón: red cones (60%); green cones (30%); blue cones  10% • Do tính chất hấp thụ ánh sáng khác nhau, số lượng các tế bào nón mỗi loại bị kích hoạt  phụ thuộc phổ ánh sáng tới  
  8. • Một điểm sáng bên ngoài cho ta  ảnh tại một điểm trên võng mạc. Tỷ  lệ  các loại  tế bào nón (1) và số lượng từng loại tế bào nón (2) bị kich hoạt tại điểm đó cho ta   cảm giác màu của điểm sáng.  • Từ đó ta thấy cường độ ánh sáng cũng cho ta cảm giác màu sắc khác nhau (2) • Từng tế bào nón không trực tiếp cho thông tin về bước sóng các photon mà nó hấp thụ • Màu sắc được cảm thụ  bởi não bằng cách tổng hợp từ  số  lượng xung điện (tín   hiệu) truyền về từ mỗi loại tế bào nón.  • Ngoài chính các tín hiệu từ các tế bào nón, cảm thụ màu sắc của một vật thể còn chịu  ảnh hưởng từ các yếu tố tâm lý và màu sắc, độ chói của các vật thể xung quanh vật thể  đó • Cơ chế cảm thụ màu sắc như thế được gọi là cơ chế tổng hợp ba màu cơ bản Từ đó ta có hai kết luận sau: 1. Các phổ ánh sáng tới khác nhau có thể cho ta cảm giác màu sắc giống nhau. Hai phổ ánh  sáng khác nhau nhưng kích hoạt số lượng từng loại tế bào nón giống nhau  à cảm giác  màu sắc vẫn giống nhau.  2. Cùng một phổ  ánh sáng tới hoặc cùng một vật có thể  gây các cảm giác màu sắc khác   nhau giữa những con người khác nhau và chắc là càng phải khác ở các loài vật • Mù màu ở người là hiện tượng khi có ít hơn 3 loại tế  bào nón trên võng mạc hoặc hai  loại tế bào nón nào đó có các cực đại hấp thụ gần như trùng nhau Đọc thêm:  trừ  một số  loài khỉ,   các loài vật có vú như  chó, mèo, bò,… chỉ  có hai loại   photopsin tức là “nhìn bằng hai màu”. Trong trò “phi thể thao” là đấu bò, đấu sĩ giơ khăn   màu đỏ  nhằm làm con bò điên tiết. Thực ra khăn màu trắng hay khăn màu đỏ  thì đều gây   cảm giác màu sắc như nhau ở bò
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2