Chương 8: QUANG SINH HỌC docx

Chương 8
QUANG SINH HỌC

I. Bản chất của ánh sáng
Ánh sáng là bức xạ điện từ trường lan truyền trong không gian với vận tốc vô cùng lớn
(trong chân không vận tốc ánh sáng đạt 300.000km/s). Ánh sáng được chia thành 3 vùng
cơ bản:
• Vùng nhìn thấy (vùng khả kiến) có bước sóng (λ) từ 400 → 700nm
• Vùng tử ngoại có λ = 200nm → 400nm
• Vùng hồng ngoại có λ = 700nm → 1000nm
Trong hệ sinh vật, các loài có vùng khả kiến không giống nhau. Ví dụ với người vùng
khả kiến có λ = 400nm → 700nm nhưng với côn trùng, vùng khả kiến lại có λ = 320nm
→ 500nm.
Ánh sáng vừa có tính sóng (đặc trưng bởi bước sóng và tần số ) vừa có tính chất hạt
(đặc trưng bởi các lượng tử ánh sáng hay còn gọi là photon). Photon có khối lượng nhỏ
hơn khối lượng của điện tử khoảng 1 triệu lần (khối lượng photon bằng 1,785.10
-27
gam).
Mỗi photon có mang một giá trị năng lượng được tính theo công thức:

γ= .hE
Hoặc
λ
=
v
.hE
(8.1)
E: Năng lượng của photon
γ
: Tần số ánh sáng bằng số dao động ánh sáng trong 1 giây
v: Vận tốc ánh sáng bằng 300.000km/s

λ: Bước sóng ánh sáng
h: Hằng số Planck bằng 6,62.10
-27
erg.s

Đơn vị dùng xác định năng lượng photon là electron vôn (hay điện tử vôn), ký hiệu là eV
hoặc Kcal. Một điện tử vôn là năng lượng cần thiết cung cấp cho 1 điện tử đi qua thế hiệu
một vôn với khoảng cách giữa hai điện cực là 1Cm. Công thức chuyển đổi giữa các đơn
vị đo năng lượng:
1eV=1,602.10
-12
erg và 1 Kcal=4,2.10
10
erg
Thay giá trị hằng số Planck và vận tốc ánh sáng vào công thức (8.1) sẽ tính được năng
lượng của photon có bước sóng tính theo:

)eV(
)nm(
1244
E
λ
=
(8.2)
Nếu quan niệm một photon tương tác với một phân tử thì để chuyển một phân tử gam vật
chất (1M) chứa 6,023.10
23
phân tử lên trạng thái kích thích cần có 6,023.10
23
photon, gọi

là cần cung cấp một mol lượng tử (hay một Einstein). Năng lượng của một mol lượng tử
tính theo đơn vị Kcal được tính theo công thức:

)nm(
650.28
E
λ
=
(Kcal/M) (8.3)
Từ các công thức trên thấy rằng năng lượng của ánh sáng tỷ lệ thuận với tần số ánh sáng
(
γ
) còn tỷ lệ nghịch với bước sóng ánh sáng (λ). Năng lượng ánh sáng có bước sóng
ngắn lớn hơn năng lượng ánh sáng có bước sóng dài. Ví dụ năng lượng tia tử ngoại có
bước sóng λ=200nm, có giá trị 143,25Kcal/M còn ánh sáng khả kiến có λ=750nm chỉ đạt
38,2Kcal/M.
II. Qui luật hấp thụ ánh sáng
Sự hấp thụ ánh sáng của vật chất được biểu hiện ở chỗ cường độ ánh sáng bị yếu đi sau
khi xuyên qua lớp vật chất nghiên cứu. Năm 1760, Lambert và sau đó năm 1852, Beer đã
tìm ra qui luật hấp thụ ánh sáng bởi vật chất.
Sự biến đổi cường độ ánh sáng (ký hiệu là
dI) khi đi qua lớp mỏng vật chất (ký hiệu là
dl) sẽ tỷ lệ với cường độ ánh sáng chiếu (ký
hiệu là I) và nồng độ (ký hiệu là C) cũng
như hệ số k, đặc trưng cho khả năng hấp thụ
của vật chất. Biểu thức toán học của định
luật Lambert - Beer có thể viết như sau:
Chùm sáng tới Chùm sáng ló
I
o

C

l

I

Hình 8.1: Ánh sáng truyền qua dung dịch
có nồng độ C và chiều dày l.

dl
dI
−
= k.I.C (8.4)
Dấu trừ biểu thị sự hấp thụ ánh sáng bởi vật chất. Phương trình (8.4) có thể viết dưới
dạng:

I
dI
= -k.C.dl (8.5)
Lấy tích phân vế trái theo cường độ ánh sáng từ I
o
đến I và vế phải theo chiều dày từ O
đến l ta được:

∫∫
−=
I
I
l
O

o
dl.C.k
I
dI


l.C.kIln
I
I
o
−=

lnI - lnI
o
= -k.C.l (8.6)

l.C.k
Io
I
ln −=
(8.7)
I = I
o
kCl
e
−
(8.8)
I
o
: Cường độ ánh sáng tới I: Cường độ ánh sáng ló

C: Nồng độ vật chất k: Hệ số hấp thụ
l: Chiều dày vật chất (tính theo Centimet)
Công thức (8.6) có thể viết dưới dạng:
lnI
o
- lnI = k.C.l

I
I
ln
o
= k.C.l (8.9)
Đặt
I
I
lnD
o
=
, gọi là mật độ quang học của dung dịch. Khi đó công thức (8.9) có thể viết
như sau:
D = k.C.l (8.10)
Từ công thức (8.10) suy ra rằng: mật độ quang học của dung dịch tỷ lệ thuận với nồng
độ dung dịch và chiều dày của lớp vật chất mà ánh sáng truyền qua. Khi l = 1Cm thì mật
độ quang học (D) tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch (C), thể hiện trên hình 8.2.
D

D
3

D

2

D
1
O C
1
C
2
C
3
C
Khi nồng độ dung dịch C = 1M và l = 1Cm
thì từ (8.10) suy ra D = k. Như vậy, hệ số
hấp thụ chính bằng mật độ quang học của
dung dịch có chiều dày 1Cm và nồng độ
1M.




Hình 8.2: Sự phụ thuộc của D vào C
Công thức (8.10) được áp dụng để tính mật độ quang học của hệ đồng nhất (là hệ không
có ranh giới phân chia ra các phần có nồng độ khác nhau). Đối với hệ dị thể như hệ sinh
vật, có nhiều phần có nồng độ chất khác nhau thì mật độ quang học của toàn hệ sẽ bằng
tổng mật độ quang học của từng thành phần riêng rẽ theo công thức sau:
D = D
1
+ D
2
+ D

3
+ D
n
(8.11)
D: Mật độ quang học của hệ
D
1
, D
2
, D
3
D
n
: Mật độ quang học của lớp 1, 2, 3 lớp n.
Để đánh giá phần trăm lượng ánh sáng mà mẫu vật đã hấp thụ, người ta đưa vào khái
niệm độ truyền qua, ký hiệu là T, được tính theo công thức:

o
I
I
T =
(8.12)
T: Độ truyền qua (đơn vị là %)
I
o
: Cường độ ánh sáng tới
I: Cường độ ánh sáng ló
Khi mẫu vật hấp thụ ánh sáng hoàn toàn, tức I=0 thì T=0. Nếu mẫu vật hoàn toàn không
hấp thụ ánh sáng, tức I=I
o

thì T=1 (hay 100%).
Lượng ánh sáng hệ hấp thụ được tính theo công thức:
I
h
= I
o
- I (8.13)
I
h
: Cường độ ánh sáng đã bị hệ hấp thụ
I
o
: Cường độ ánh sáng tới
I: Cường độ ánh sáng ló
Từ (8.12) có I = I
o
.T và thay I vào (8.13) ta được:
I
h
= I
o
- (I
o
.T) = I
o
(1-T) →
o
h
I
I

= 1 - T (8.14)
Tỷ số
o
h
I
I
gọi là độ hấp thụ. Khi mẫu vật hoàn toàn không hấp thụ ánh sáng, tức T=1 thì
độ hấp thụ bằng không. Nếu mẫu vật hấp thụ hoàn toàn ánh sáng, tức T=0 thì độ hấp thụ
bằng một. Các giá trị mật độ quang học (D), độ truyền qua (T), độ hấp thụ
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
o
h
I
I
được đo
trên máy quang phổ kế.
Trên thực tế, thường sử dụng phương pháp xác định quang phổ hấp thụ của vật chất.
Phương pháp này đo sự phụ thuộc của mật độ quang học (D) vào bước sóng (λ) hay tần
số (γ) của ánh sáng chiếu. Mỗi chất có một quang phổ hấp thụ đặc trưng riêng. Tức là,
mỗi chất chỉ hấp thụ cực đại ở một số bước sóng nhất định. Ví dụ quang phổ hấp thụ của
một số phân tử sinh học quan trọng:
- Quang phổ hấp thụ của protein đạt giá trị cực đại ở bước sóng λ=280nm.
- Quang phổ hấp thụ của carotin đạt giá trị cực đại ở bước sóng λ=480nm.

- Quang phổ hấp thụ của rodopxin đạt giá trị cực đại ở bước sóng λ=550nm.
- Quang phổ hấp thụ của diệp lục a đạt giá trị cực đại ở hai bước sóng λ
1
=440nm và
λ
2
=700nm.
- Mắt người có thể phân biệt được 300 màu sắc khác nhau nhưng chủ yếu hấp thụ ba màu
cơ bản là màu đỏ (có λ=600nm), màu xanh (có λ=550nm) và màu da cam (có λ=450nm).
III. Các giai đoạn cơ bản của quá trình quang sinh học
Các quá trình quang sinh học thường được đánh giá theo hai quan điểm sau:
- Quan điểm một là những phản ứng mà các sản phẩm cuối cùng của nó có dự trữ năng
lượng cao hơn so với năng lượng của các chất ban đầu tham gia vào phản ứng, được gọi
là những phản ứng tạo năng lượng. Ví dụ như quá trình quang hợp ở thực vật.
- Quan điểm hai là các phản ứng quang sinh học trong đó ánh sáng đóng vai trò là nguồn
năng lượng hoạt hóa các phân tử khi tham gia vào phản ứng hóa sinh hoặc là dưới tác
dụng của ánh sáng đã dẫn tới các phản ứng phá hủy biến tính ở mức độ phân tử, tế bào,
mô hay cơ thể. Xét theo quan điểm nào, quá trình quang sinh học cũng đều trải qua
những giai đoạn nối tiếp nhau như sau:
1. Hấp thụ lượng tử ánh sáng bởi các sắc tố hoặc tế bào (như tế bào que, tế bào nón) gây
nên trạng thái hưng phấn hay còn gọi là trạng thái kích thích.
2. Khử trạng thái kích thích điện tử của phân tử. Giai đoạn này xảy ra các quá trình sau:
- Thải hồi năng lượng qua các quá trình quang lý (như phát huỳnh quang hay lân quang).
- Thải hồi năng lượng qua các quá trình quang hóa dẫn tới hình thành nên những sản
phẩm quang hóa không bền vững đầu tiên. Đối với quá trình quang hợp đó là các sản
phẩm NADPH và ATP.
- Thải hồi năng lượng bằng cách tỏa nhiệt ra môi trường.
3. Diễn ra các phản ứng trung gian không cần tới sự chiếu sáng (gọi là phản ứng tối) với
sự tham gia của các sản phẩm quang hóa không bền vững nói trên để tạo thành sản phẩm
quang hóa bền vững (với quá trình quang hợp, đó là hydratcacbon).

4. Hiệu ứng sinh học cuối cùng như các biểu hiện sinh lý cảm nhận màu sắc, sự vật, sự
sinh trưởng và phát triển v.v
Giai đoạn hấp thụ lượng tử ánh sáng và giai đoạn khử trạng thái kích thích điện tử của
phân tử, đặc trưng chung cho tất cả các phản ứng quang sinh vật (xem hình 8.3).

S
2
(Singlet 2)
S
1
(Singlet 1)
T (Triplet)
S
o
(Singlet)
A a
4
1
3 2
c
b

Hình 8.3: Sơ đồ biểu diễn các mức năng lượng của phân tử
và các bước chuyển giữa các mức năng lượng đó.

- Đường a, A khi phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng để chuyển từ mức năng lượng cơ
bản ban đầu là S
o
lên mức năng lượng cao hơn là S
1
hoặc S
2
.
- Theo cơ học lượng tử thì không có bước chuyển phát xạ (tức phát ra sóng ánh sáng) khi
phân tử chuyển từ mức S
2
về mức S
o
và cũng không có bước chuyển thẳng từ mức S
o
lên
mức triplet (gọi là bước cấm).
- Khi phân tử chuyển từ mức S
1
về mức cơ bản S
o
sẽ phát huỳnh quang (đường b) hoặc
chuyển từ mức triplet về mức cơ bản S
o
sẽ phát lân quang (đường c).
- Các đường 1, 2, 3, 4, là phân tử thải hồi năng lượng dưới dạng tỏa nhiệt ra môi trường.
Quá trình phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng để chuyển lên trạng thái kích thích và sau

đó trở về trạng thái ban đầu, là một quá trình bất thuận nghịch.

IV. Sự phát quang
Phân tử sau khi hấp thụ năng lượng ánh sáng để chuyển lên trạng thái kích thích có mức
năng lượng là S
1
hoặc S
2
đều có giá trị lớn hơn mức năng lượng ban đầu của phân tử là
S
o
. Trong khoảng 10
-13
giây, phân tử ở mức năng lượng E
2
phải giải phóng một phần
năng lượng dư thừa qua con đường thải nhiệt ra môi trường để trở về trạng thái kích thích
có mức năng lượng thấp hơn là S
1
(con đường 1 ở hình 8.3). Khi phân tử ở mức năng
lượng S
1
nó sẽ trở về mức năng lượng cơ bản S
o
qua các con đường sau:
Quá trình tỏa nhiệt (đường 2, 3, 4 trên hình 8.3)
Phát huỳnh quang (đường b trên hình 8.3)
S
1
Phát lân quang (đường c trên hình 8.3)

Vận chuyển năng lượng
Cung cấp năng lượng cho các phản ứng quang hóa
1. Sự phát huỳnh quang
Khi các phân tử chuyển từ trạng thái kích thích có mức năng lượng thấp nhất là S
1
xuống
trạng thái cơ bản là S
o
thì sẽ phát ra ánh sáng huỳnh quang. Sự phát ra ánh sáng huỳnh
quang có thể biểu diễn dưới dạng:
S
1
→ S
o
+ hγ'
γ': Tần số ánh sáng huỳnh quang
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
λ
=γ
'
v
'

v: Vận tốc ánh sáng; λ': Bước sóng huỳnh quang
Thời gian phân tử dừng ở trạng thái singlet S

1
là từ 10
-9
đến 10
-8
giây, cho nên cũng được
xem là thời gian kéo dài của sự phát ra ánh sáng huỳnh quang. Do vậy, sự phát huỳnh
quang chỉ xảy ra trong thời gian chiếu sáng mẫu vật, còn khi ngừng chiếu sáng thì sự phát
huỳnh quang sẽ tắt.
Đặc trưng của ánh sáng huỳnh quang là phổ huỳnh quang. Phổ huỳnh quang là đường
cong phụ thuộc của cường độ huỳnh quang vào bước sóng ánh sáng huỳnh quang (λ'). Để
nghiên cứu phổ huỳnh quang, các nhà nghiên cứu dùng hệ thống các kính lọc, được bố trí
theo sơ đồ sau:

1

3

2

4
h
γ
'
,
h
γ

Hình 8.4: Sơ đồ ghi phổ huỳnh quang.
1) Kính lọc chỉ cho ánh sáng có λ mà dung dịch nghiên cứu hấp thụ (với dung dịch
protein thì λ = 280 nm) đi qua.
2) Dung dịch nghiên cứu phổ huỳnh quang (dung dịch protein).
3) Kính lọc chỉ cho ánh sáng huỳnh quang do phân tử chất nghiên cứu phát ra.
4) Máy ghi phổ huỳnh quang.
Sự phát huỳnh quang tuân theo các qui luật sau:
* Qui luật Stock: Phổ huỳnh quang luôn dịch chuyển về phía bước sóng dài hơn so với
điểm hấp thụ cực đại của phổ hấp thụ. Bởi vì phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng kích
thích có E = h.γ = h.
λ
v
(đường A trên hình 8.3) đã mất một phần năng lượng do thải nhiệt
(đường 1 trên hình 8.3) để trở về mức S
1
và khi chuyển về mức S
o
đã phát ra ánh sáng
huỳnh quang có năng lượng E' = hγ' = h.
'
v
λ
. Ở đây E > E' nên λ < λ', tức là năng lượng ánh
sáng kích thích lớn hơn năng lượng ánh sáng huỳnh quang nên bước sóng ánh sáng kích
thích ngắn hơn so với bước sóng ánh sáng huỳnh quang. Ví dụ chiếu dung dịch protein ánh
sáng kích thích có λ=280nm thì các phân tử protein sẽ phát ra ánh sáng huỳnh quang có
bước sóng dài hơn là λ=340nm.

* Qui luật Vavilốp: Sự phát ra ánh sáng huỳnh quang của một chất nào đó (chẳng hạn
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 S
1
→S
o
. Khi phân tử hấp thụ
năng lượng ánh sáng để chuyển lên các mức năng lượng cao hơn S
1
, qua con đường thải
nhiệt để cuối cùng đều chuyển về mức S
1
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 λ
o
(xem
hình 8.5). Qui luật đúng với phân tử có cấu trúc đơn giản.








1
2

λ
1
λ
o
λ
2
λ
D

Hình 8.5: Phổ hấp thụ (1) và phổ huỳnh quang (2) đối xứng qua λ
o
2. Sự phát lân quang
Khi phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng để chuyển từ mức năng lượng cơ bản S
o
lên
mức kích thích S
1
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 S
o
và phát ra ánh
sáng lân quang (đường c, hình 8.3). Sự phát lân quang có thể biểu diễn dưới dạng:
T→S
o
+hγ
*
γ
*
: Tần số ánh sáng lân quang

⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
λ
=γ
*
*
v
.
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
huỳnh quang. Nguyên do vì
*
lq
'
hqht
v
.hE
'
v
.hE
v
.hE
λ
=>
λ

=>
λ
=
suy ra bước sóng ánh
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.


1
2
λ

λ
'

λ

D

3
λ
*

Hình 8.6: Phổ hấp thụ (1), phổ huỳnh quang (2) và phổ lân quang (3) (λ<λ'<λ
*
).
3. Sự vận chuyển năng lượng
Phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng đã chuyển từ mức năng lượng thấp là S
o
lên mức
năng lượng cao là S
1
. Khi phân tử chuyển từ mức năng lượng S
1
→S
o
, nó có thể qua con
đường thải nhiệt, phát huỳnh quang hay lân quang, hoặc nó có thể chuyền năng lượng
cho phân tử khác. Giả sử phân tử ở trạng thái kích thích là chất cho năng lượng (ký hiệu
là ) còn chất nhận năng lượng là phân tử ở trạng thái cơ bản (ký hiệu là M
*
1
M
o
) thì quá

trình chuyền năng lượng có thể viết dưới dạng:
+M
*
1
M
o
→M
1
+
*
0
M
*
0
M
là phân tử ở trạng thái kích thích và có mức năng lượng cao hơn so với năng lượng
của phân tử M
o
.
Quá trình chuyền năng lượng là một quá trình vật lý, không kèm theo sự biến đổi hoá học
và không cần M
1
va chạm với M
o
. Sự chuyền năng lượng có thể xảy ra theo nhiều cơ chế
nhưng ở đây chỉ xét cơ chế chuyền năng lượng theo cộng hưởng cảm ứng. Để có sự
chuyền năng lượng theo cơ chế này cần có một số điều kiện sau:
- Chất cho năng lượng phải có khả năng phát huỳnh quang, đặc trưng bởi cường độ
phát quang là J.
*

1
M
- Phổ huỳnh quang của chất cho phải có vùng chung với phổ hấp thụ của chất nhận
M
*
1
M
o
(xem hình 8.7), đặc trưng bởi mật độ quang học là D.
J
D
λ

- Khoảng cách giữa chất cho và chất nhận năng
lượng M
*
1
M
o
phải nhỏ hơn giá trị tới hạn cho phép. Ở một
số điều kiện khi khoảng cách trung bình giữa chất cho
và chất nhận năng lượng đạt khoảng cách từ 20 đến
100 thì có thể chuyền toàn bộ năng lượng cho
M
o
A
*
1
M
o

, tức là hiệu suất chuyển năng lượng bằng một
(ϕ=1). Với hệ có chứa nhiều phân tử có khả năng hấp
thụ ánh sáng để chuyển lên trạng thái kích thích thì khả
năng xảy ra sự chuyền năng lượng đối với phân tử
protein đạt chỉ vài phần trăm còn axit nucleic đạt 30%
J D

Hình 8.7: Phổ phát quang của chất
*
1
M
là J và phổ hấp thụ của chất M
o
là D
có vùng chung (phần gạch ngang)
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
gian (ký hiệu là
dt
dC

). Phân tử chỉ có thể tham gia vào phản ứng khi đã hấp thụ lượng tử
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
(ký hiệu là
dt
dN
). Từ đó có phương trình:

dt
dN
dt
dC
= (8.15)
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:

dt
dN
= S.C.I (8.16)
Từ (8.15) suy ra:

dt
dC
= S.C.I (8.17)
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 (N
2
)
ϕ =
Số photon được hệ hấp thụ (N
1
)
Hay:
1
2
N
N
=ϕ
(8.18)
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
00
0
→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:

S
δ
=ϕ
(8.19)

δ < S → ϕ < 1
Phương trình (8.17), thay khái niệm tiết diện bề mặt bị chiếu sáng bằng tiết diện quang
sinh sẽ được viết dưới dạng:

dt
dC
= -
δ.C.I (8.20)
Dấu trừ biểu hiện nồng độ phân tử kích thích khi tham gia vào phản ứng quang hóa sẽ
giảm dần theo thời gian. Phương trình (8.20) có thể viết dưới dạng:

C
dC
= - δ.I.dt (8.21)
Nếu lấy thời gian bắt đầu xảy ra phản ứng quang hóa là không giây, ứng với nồng độ ban
đầu của các phân tử tham gia vào phản ứng quang hóa là C
o
thì sau thời gian là t, số phân
tử kích thích chưa tham gia vào phản ứng là C. Lấy tích phân hai vế (8.21) ta có:

∫
δ−=

C
C
t
O
o
dtI.
C
dC
∫
→
o
C
C
ln
= - δ.I.t

t.I.
o
t.I.
o
e.CCe
C
C
δ−δ−
=→=
(8.22)
Nồng độ phân tử kích thích tham gia vào phản ứng quang hóa sẽ giảm dần theo thời gian.
Để đánh giá tốc độ phản ứng quang hóa có phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng chiếu (
λ),
người ta đo tốc độ phản ứng quang hóa

⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
dt
dC
ở những bước sóng khác nhau nhưng có
cùng một cường độ ánh sáng là I (tức là cùng số lượng tử ánh sáng chiếu vào mẫu vật).
Khi đó giá trị
dt
dC
/I sẽ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng chiếu được gọi là đo quang phổ
hoạt động của phản ứng quang hóa.
Quang phổ hoạt động của phản ứng quang hóa có dạng trùng với quang phổ hấp thụ của
các phân tử đã tham gia vào phản ứng quang hóa.
Ví dụ: Trong quang phổ hoạt động của quá trình quang hợp, xuất hiện đỉnh cực đại ở
vùng bước sóng 480nm - 500nm mà carotin cũng có đỉnh hấp thụ cực đại tại vùng bước
sóng này, chứng tỏ carotin có tham gia vào quá trình quang hợp. Hoặc khi chiếu ánh sáng
lên dung dịch men thể hiện phổ hoạt động của phản ứng quang hóa dẫn tới khử hoạt tính
men trùng với phổ hấp thụ của axit amin thơm. Điều này chứng tỏ axit amin thơm trong
thành phần cấu tạo của phân tử men đã tham gia vào phản ứng quang hóa nên dẫn tới làm
cho phân tử men bị mất hoạt tính xúc tác.
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+h
γ→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.






1 2 3 4 5
0
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
λ
max
) và khi chiếu ánh sáng λ
max
, đối với mỗi chất có một hệ số
hấp thụ xác định (ký hiệu là k
max
). 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 λ
max
.

Các chất

λ
max
(nm)
k
max
Tirozin 274; 222; 193 (1,4; 8; 48).10
-3
Phenilalanin 257; 206; 188 (0,2; 9,3; 60).10
-3
Triptophan 280; 219 (5,6; 47).10
-3
Hixtidin 211 5,9.10
-3

Xistein 250 0,3.10
-3
Adenin 260,5 13,4.10
-3
Adenozin 259,5 14,9.10
-3
Guanozin 252,5 13,6.10
-3
Guanin 246 10,7.10
-3
Xitozin 267 6,1.10
-3
Xitidin 271 9,1.10
-3
Uraxin 261,1 10,1.10
-3
Timin 264,5 7,9.10
-3
Timidin 267 9,7.10
-3
ADN 260 6,6.10
-3
ARN 258 7,4.10
-3

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 D
x
, dựa vào đồ thị chuẩn sẽ suy ra được nồng độ C
x
.
Để xác định nồng độ vi khuẩn (C
vk
) cách làm
cũng tương tự, chỉ việc thay nồng độ phân tử
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 D
260

(mật độ quang học đo ở
λ=260nm) bằng 1 sẽ
tương ứng với nồng độ ADN là 50
microgam/ml, nếu D
260
bằng 0,5 tương ứng với
nồng độ ADN là 25 microgam/ml, nếu D
260

bằng 0,1 tương ứng với nồng độ ADN là 5
microgam/ml.
D(650nm)

D
x
O C
x
C
D=f(
λ
)

Hình 8.9: Nồng độ vi khuẩn (C
vk
)
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 k
max
của 4 bazơ Nitơ là Adenin, Timin, Guanin,
Xitozin. Dựa vào bước sóng
λ
max
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 =

1Cm thì suy ra D = k.C. Khi biết D và k sẽ tính được nồng độ
k
D
C
=
.
* 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 5.10
10
tấn chất hữu cơ được tổng hợp, hấp thụ 2.10
12
tấn
CO

2
và thải ra 13.10
10
tấn O
2
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 CO
2
và H
2
O) dưới
tác dụng của ánh sáng (ký hiệu là h
γ).
6CO
2
+ 6H
2
O C
γ
⎯⎯→⎯
h
lucdiep
6
H
12
O
6
+ 6O
2
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:
CO
2
+ 2H
2
S CH⎯→⎯
γh
2
O + H
2
O + 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 H⎯C=O+O=O ⎯→⎯
γh

⏐
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:

375,0
Kcal42photon8
Kcal42photon3
=
×
×
=η
hay đạt 37,5%
Hiệu suất cực đại của quá trình quang hợp có thể đạt được là:

75,0
Kcal42photon4
Kcal42photon3
=
×
×

=η
hay đạt 75%
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
λ
max
. 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/dm
3
và khoảng cách trung bình giữa các phân tử sắc tố chỉ khoảng từ
10 đến 20 . Sự chuyền năng lượng giữa các phân tử sắc tố xảy ra theo cơ chế cộng hưởng
cảm ứng.
o
A
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 (
λ
max
) 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 = h
γ → 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:
4H
2
O 4H
γ
⎯⎯→⎯
h

toSac
+
+ 4OH
-
4OH
-
4e ⎯⎯→⎯
-
+ 4OH
4OH O
++
−
⎯⎯→⎯
Mn
Cl
2
+ 2H
2
O
Kết quả: 2H
2
O 4H⎯⎯→⎯
+
+ 4e
-
+ O
2
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 NADPH
2
. Tóm tắt phản ứng của pha
sáng như sau:
2H
2
O + 2ADP + 2H
3
PO
4
+ 2NADP 2ATP + 2NADPH
γ
⎯⎯→⎯
h
toSac
2
+ O
2
↑
Sản phẩm của pha sáng là ATP, NADPH
2
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 CO

2
.
* 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, NADPH
2
và CO
2
. Sản phẩm đầu tiên của pha tối quang hợp là
tổng hợp nên glucose (C
6
H
12
O
6
). Có 3 con đường tổng hợp glucose từ CO
2
ứng với 3
nhóm thực vật khác nhau là thực vật C
3
, thực vật C
4
và thực vật CAM (Crasulacean Acid
Metabolism), được thực hiện theo các chu trình C
3
, C
4
, 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⎯NH
2
N = C⎯OH
⏐ ⏐ ⏐ ⏐
CH C
⎯N CH C⎯N +NH
3

⏐⏐

⏐⏐
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 CH
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

⏐⏐

⏐⏐

⏐⏐

⏐⏐


CH
3
CH
3

HN -CH
3
H
3
C- NH HN NH

+ O= =O
O NH NH O NH H H NH

hV
OH
2
⎯⎯→⎯
+
h

γ

hV
OH
2
⎯⎯→⎯
+

h
γ

hV
OH
2
⎯⎯→⎯
+

h
γ
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 (
λ
max
=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 AH
⎯→⎯
γh
*
(trạng thái kích thích)
(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.