Quang sinh học. cảm thụ ánh sáng ở mắt

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: Ánh sáng nhìn thấy (l: 400 – 800nm), có ý nghĩa cho sự nhìn và nhiều đáp ứng quang sinh quang sinh khác Bức xạ hồng ngoại (IF) ( l >800nm), con người không cảm thụ được bằng thị giác, làm nóng vật chất hấp thụ nó Bức xạ tử ngoại (UV), (l <400nm), con người không cảm thụ được bằng thị giác, điều khiển một số phản ứng quang sinh và nhiều phản ứng quang hóa quan trọng. Bức xạ UV chia thành 4 vùng: (UV chân không) (100 – 200 nm), UV-C (200 – 280 nm), UV-B (280 – 315 nm) and UV-A (315 – 400 nm). Ta chỉ quan tâm UV A, B và C UVA và UVB xuyên qua khí quyển, toàn bộ UVC và một phần UVB bị hấp thụ bởi lớp ozone. Do đó phần chính của bức xạ UV chúng ta bị chiếu là UVA và một lượng nhỏ UVB Bước sóng ngắn nhất của bức xạ mặt trời đến tới bề mặt trái đất khoảng 295nm, các bước sóng ngắn hơn được lọc bởi lớp ozon của tầng bình lưu Nếu lớp ozon bị mỏng đi, bức xạ UV bước sóng ngắn sẽ đến trái đất nhiều hơn và gây nên các tác dụng có hại nghiêm trọng lên con người, động thực vật và các cơ thể sống khác. Các quá trình quang sinh Quá trình quang sinh là quá trình (chuỗi phản ứng) bắt đầu từ sự hấp thụ photon bởi các chất hấp thụ ánh sáng đặc thù và kết thúc bằng các hiệu ứng sinh lý tương ứng trong các mô hoặc cơ thể sinh vật. Các giai đoạn của một quá trình quang sinh Các phân tử chất đặc thù của quá trình hấp thụ photon một cách chọn lọc à hoặc chuyển lên trạng thái kích thích hoặc biến đổi trạng thái Sự biến đổi này kích hoạt một chuỗi các phản ứng hóa học Các phản ứng hóa học tạo ra các sản phẩm cuối cùng hoặc dẫn đến các đáp ứng sinh học mang tính vật lý như cơ học, điện. Tất cả gọi chung là hiệu ứng sinh học Phổ tác dụng 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: Các quá trình phá huỷ biến tính 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 > 10-9s). 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 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 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 làlàm 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 lỗ 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 7-dehydrocholesterol 7-dehydrocholesterol 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 3-7triệu 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 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, cis-retinal hấp thụ photon chuyển thành dạng trans-retinal 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 cis-retinal 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 àà 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) 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 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 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: 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. 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