lý sinh học phần 1 pps

Tia phóng xạ HUSHTĐ
1. Tia γ hay tia X
1
2. Tia bêta (β)
1
3. Notron chậm và notron nhiệt 5
4. Notron nhanh 10
5. Proton 10
6. Tia anpha (α)
10-20

Đơn vị của liều tương đương là Rem.
(Roentgen Equivalent for Man)
Rem là liều lượng của bất kỳ tia phóng xạ nào, gây ra hiệu ứng sinh học giống như hiệu
ứng sinh học khi ta chiếu tia Roentgen hay gamma với liều lượng là 1 Roentgen.
Công thức qui đổi giữa Rem và Rad:
Liều chiếu (Rem) = Liều chiếu (Rad) . HUSHTĐ (9.1)
Với tia Roentgen hay γ có HUSHTĐ = 1 thì 1Rad=1Rem còn với proton thì
1Rad=10Rem.
- Độ phóng xạ: Đơn vị đo độ phóng xạ là Curie (Ci).
Curie là độ phóng xạ của một nguồn, trong một giây có 3,7.10
10
hạt nhân nguyên tử bị
phân rã. Đơn vị nhỏ hơn là mili Curie (1mCi=10
-3
Ci) và micro Curie (1μCi=10
-6
Ci).
II. Tương tác của tia Roentgen và tia γ đối với vật chất
Tùy theo mức năng lượng của tia mà nó tương tác với vật chất theo 1 trong 3 hiệu ứng

sau:
h
γ

Photon
e
-
Quang điện tử
e
-
Nguyên tử vật chất
Hình 9.2: Hiệu ứng quang điện
1. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng chủ yếu xảy ra đối với tia X và γ
có năng lượng từ 0,01→0,1MeV. Vì photon
có năng lượng thấp nên không thể xuyên sâu
mà chỉ va chạm với điện tử (e
-
) ở vành ngoài.
Photon đã truyền toàn bộ năng lượng cho
điện tử và đánh bật điện tử ra khỏi quĩ đạo
của nó để trở thành điện tử tự do, gọi là
quang điện tử. Năng lượng của quang điện tử
được xác định:
h
γ

Photon
h
γ

'
e
-
điện tử
Compton
e
-
Nguyên tử vật chất
E=hγ - E
o
(9.2)
hγ: Năng lượng của photon
E
0
: Năng lượng cần thiết để đánh bất
điện tử ra khỏi vành (theo hình 9.2 thì
điện tử ở vành n=2). Quang điện tử có
năng lượng lại tiếp tục gây ra sự ion hóa
các nguyên tử vật chất khác.
Hình 9.3: Hiệu ứng Compton

2. Hiệu ứng Compton
Hiệu ứng chủ yếu xảy ra với tia phóng xạ có năng lượng lớn hơn 0,1MeV→5MeV.
Do có năng lượng cao hơn so với hiệu ứng quang điện nên photon không những đánh bật
điện tử ra khỏi quĩ đạo của nó (gọi là điện tử Compton), photon bị mất một phần năng
lượng và bị lệch hướng (gọi là tia thứ cấp có năng lượng là hγ').
Điện tử Compton và tia thứ cấp tùy thuộc vào năng lượng mà chúng có, lại tiếp tục gây
ra sự ion hóa tiếp theo hay bị mất dần năng lượng trên đường đi của nó.
3. Hiệu ứng tạo cặp electron (e
-

) và pozitron (e
+
)
Hiệu ứng tạo cặp xảy ra với tia X và tia γ có
mức năng lượng E>1,022MeV. Khi đó photon
sẽ xuyên sâu vào hạt nhân nguyên tử, đánh bật
ra 1 electron (e
-
) và 1 pozitron (e
+
). Hai hạt này
có khối lượng bằng nhau nhưng mang điện tích
trái dấu nên dễ dàng kết hợp với nhau, gây ra sự
hủy cặp, giải phóng ra năng lượng E=0,511MeV
dưới dạng tia γ. Tia γ được tạo thành lại tiếp tục
tương tác với vật chất theo hiệu ứng quang điện
hay Compton.
h
γ

Photon
e
-
e
+
Nguyên tử vật chất
Hình 9.4: Hiệu ứng tạo cặp
III. Tác dụng của tia phóng xạ có bản chất hạt đối với vật chất
1. Tương tác của bức xạ α đối với vật chất
Khi hạt α đi qua môi trường vật chất nó sẽ tương tác với các nguyên tử của vật chất và

đánh bật điện tử ra khỏi nguyên tử. Điện tử bị đánh bật ra mang điện tích âm, gọi là ion
âm còn nguyên tử bị mất điện tử nên mang điện tích dương, gọi là ion dương. Đó là hiện
tượng ion hóa vật chất. Trong môi trường không khí, năng lượng cần thiết để tạo ra một
cặp ion mang điện tích trái dấu là 32,5eV. Một electron vôn (1eV) là năng lượng của một
điện tử có được khi qua thế hiệu 1 vôn với khoảng cách giữa hai điện cực là 1 xentimét.
Nếu năng lượng của hạt α chưa đủ để đánh bật điện tử ra khỏi quĩ đạo của nó thì hạt α
chỉ làm cho điện tử chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao, tức là hạt α
đã gây ra hiện tượng kích thích điện tử. Quá trình hạt α trực tiếp gây ra hiện tượng ion
hóa thì gọi là sự ion hóa trực tiếp còn điện tử sau khi bị đánh bật ra nếu có năng lượng
cao lại gây ra sự ion hóa nguyên tử tiếp theo, gọi là sự ion hóa gián tiếp.
2. Tương tác của hạt bêta (β) đối với vật chất
Hạt β cũng giống như hạt α, khi va chạm với nguyên tử của vật chất sẽ gây ra hiện tượng
ion hóa hoặc hiện tượng kích thích. Khả năng ion hóa của hạt β yếu hơn nhiều so với hạt α
vì hạt β có điện tích ít hơn so với hạt α.
Ví dụ: Hạt α và hạt β có cùng một mức năng lượng là 1MeV nhưng hạt α tạo ra được
7500 cặp ion trên 1mm đường đi còn hạt β chỉ tạo được 53 cặp ion trên 1Cm đường đi
của nó.
3. Tương tác của notron (n) đối với vật chất
Hạt notron trung hòa điện nên không có khả năng ion hóa và vì thế nó có thể xuyên qua
nhiều lớp vỏ điện tử để tiến đến gần hạt nhân nguyên tử theo 3 kiểu sau đây:
- Kiểu khuyếch tán đàn hồi, chủ yếu xảy ra đối với notron trung gian có
E=1keV→500keV. Trong khuyếch tán đàn hồi, notron truyền một phần năng lượng cho
hạt nhân nguyên tử, sau đó notron bị đổi hướng và năng lượng giảm dần.
- Kiểu khuyếch tán không đàn hồi xảy ra đối với notron nhanh có E=1MeV→10MeV.
Sau khi tương tác với hạt nhân nguyên tử, làm cho hạt nhân nguyên tử bị kích thích còn
bản thân notron cũng bị đổi hướng và năng lượng giảm dần.
- Kiểu thâu đoạt notron xảy ra đối với notron nhiệt có E=0,025eV. Khi hạt nhân thâu đoạt
notron nó sẽ trở thành hạt nhân mới và ở trạng thái kích thích. Sau đó hạt nhân bị vỡ ra
(hay bị phân hạch) thành hai hạt nhân kèm theo sự phát ra hạt notron.

IV. Cơ chế chung về tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống
Tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống lần lượt phải trải qua hai giai đoạn sau:
- Giai đoạn hóa lý: Giai đoạn này có thời gian tồn tại rất ngắn, từ 10
-16
đến 10
-6
giây.
Trong giai đoạn này các phân tử sinh học chịu sự tác dụng trực tiếp hoặc tác dụng gián
tiếp của tia phóng xạ. Thuyết tác dụng trực tiếp cho rằng đối tượng bị chiếu xạ (có thể là
cơ thể, mô hay cơ quan, tế bào, phân tử nghiên cứu) sẽ trực tiếp hấp thụ năng lượng của
tia và dẫn đến tổn thương hoặc tử vong. Thuyết tác dụng gián tiếp lại cho rằng đối tượng
bị chiếu xạ không trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia mà chúng tương tác với các sản
phẩm của quá trình phân ly phóng xạ nước nên dẫn đến tổn thương hoặc tử vong. Đối với
những thí nghiệm invitro thì quan niệm trên dễ phân biệt còn với thí nghiệm invivo, các
nhà nghiên cứu lại qui ước: Khi bị chiếu xạ nếu là tác dụng trực tiếp thì các phân tử hữu
cơ sẽ trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia và bị tổn thương cấu trúc nên dẫn đến tổn
thương chức năng. Nếu là tác dụng gián tiếp thì các phân tử hữu cơ sẽ không trực tiếp
hấp thụ năng lượng của tia mà tương tác với các sản phẩm của quá trình phân ly phóng xạ
nước và bị tổn thương cấu trúc nên dẫn đến tổn thương chức năng.
Trong giai đoạn hóa lý một số phân tử sinh học quan trọng như enzyme, nucleoprotein đã bị
tổn thương, người ta gọi đó là những tổn thương hóa sinh.
- Giai đoạn sinh học: Giai đoạn này thường kéo dài từ vài ngày đến hàng chục năm sau
khi bị chiếu xạ. Trong giai đoạn sinh học những tổn thương hóa sinh không hồi phục
được sẽ kéo theo những tổn thương chuyển hóa, dẫn đến những tổn thương hình thái và
chức năng. Có thể tóm tắt cơ chế chung về tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống theo
sơ đồ sau:

Tác dụng trực tiếp
Giai
đoạn
hóa
lý
(
)
s10
6−

Chiếu tia phóng xạ
Tác dụng gián tiếp
H
2
O
O
2

Tạo ion và gốc tự do.

Phân
t

ử bị thích thích



Tác dụng lên các phân tử sinh học quan
trọng và các cơ quan tử của tế bào

Giai
đoạn
sinh
học



Rối loạn chuyển hóa và chức năng tế bào



Gây ra các hiệu ứng sinh học
(tổn thương hoặc tử vong)




Hình 9.5: Sơ đồ tổng quát về tác dụngáinh học của tia phóng xạ

V. Tác dụng hóa học của tia phóng xạ


Trong cơ thể sống, nước vừa là môi trường vừa tham gia vào thành phần cấu trúc của tế

bào. Ở người, nước chiếm trung bình 65%, cá biệt có mô nước chiếm 85%. Do vậy, khi
chiếu tia phóng xạ lên cơ thể sống sẽ gây ra hiện tượng ion hóa các phân tử nước:

H
2
O+hγ→H
2
O
+
+ e
-

Các ion
H
2
O + e
-
→ H
2
O
-
H
2
O
+
→ H
+
+ OH
o
gốc tự do

H
2
O
-
→ OH
-
+ H
o
H
2
O

+ hγ → H
2
O
+
+ e
-
→ H
2
O
*
→ H
o
+ OH
o
Gốc tự do H
o
có thời gian sống ngắn từ 10
-6

→10
-5
giây. Trong thời gian này nó có thể
tham gia vào các phản ứng:
H
o
+ H
o
→ H
2
H
o
+ OH
o
→ H
2
O
Khi có oxy hòa tan trong nước sẽ xảy ra các phản ứng:
H
o
+ O
2
→
o
2
HO
+ → H
o
2
HO

o
2
HO
2
O
2
H
o
+ → H
o
2
HO
2
O
2
(hidro peroxit)
Hidro peroxit là một độc tố đối với tế bào.
Gốc tự do OH
o
tham gia vào các phản ứng:
- Phản ứng oxy hóa: Fe
++
+ OH
o
→ Fe
+++
+ OH
-
- Phản ứng tách nguyên tử hidro ra khỏi phân tử hữu cơ:
CH

3
- CH
2
OH + OH
o
→ CH
3
- CHOH + H
2
O
- Phá vỡ liên kết đôi:
CH
2
= CH + OH
o
→ OH - CH
2
- CH
⏐ ⏐
CN CN
Như vậy, dưới tác dụng của tia phóng xạ đã xảy ra quá trình phân ly phóng xạ nước dẫn
tới hình thành nên các trung tâm hoạt động là những gốc tự do, chúng có khả năng tham
gia vào các phản ứng rất cao. Ngoài ra, trong điều kiện có oxy sẽ dẫn tới hình thành nên
H
2
O
2
là một độc tố đối với tế bào.
VI. Độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật
Độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật trên trái đất với mức độ tiến hóa khác nhau thì rất

khác nhau. Nhìn chung ở những loài tiến hóa càng cao, sự biệt hóa càng phức tạp thì có
độ nhạy cảm phóng xạ càng cao. Để đánh giá độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật, các
nhà sinh học phóng xạ đưa vào khái niệm liều bán tử vong (Lethally Dose) ký hiệu là
LD50/30 là liều gây chết 50% động vật thí nghiệm trong 30 ngày theo dõi kể từ sau khi
bị chiếu xạ. Độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật thể hiện: Loài nào có LD50/30 càng nhỏ
thì độ nhạy cảm phóng xạ càng cao còn ngược lại LD50/30 càng lớn thì độ nhạy cảm
phóng xạ càng thấp.
Sau đây là độ nhạy cảm phóng xạ của một số sinh vật, xếp theo thứ tự từ cao đến thấp.
Bảng 9.1: Độ nhạy cảm phóng xạ của một số sinh vật (từ cao đến thấp)
TT Sinh vật LD50/30

1 Người 300R
2 Chó 300R
3 Heo 335R
4 Khỉ 500R
5 Chuột nhắt trắng 550R
6 Chuột cống trắng 600R
7 Thỏ 900R
8 Ếch, nhái, cá 10
3
R
9 Rùa 1500R
10 Rắn 8.10
3
-2.10
4
R
11 Côn trùng 10
4
R - 10

6
R
12 Virus 2.10
6
R

Trong cùng một cơ thể, các tế bào và mô cũng có độ nhạy cảm phóng xạ khác nhau. Sau
đây là độ nhạy cảm phóng xạ của tế bào và mô xếp theo thứ tự từ cao đến thấp: 1. Bạch
cầu lympho; 2. Hồng cầu non và bạch cầu hạt; 3. Tủy bào; 4. Tế bào mô tinh hoàn, mô
ruột non, tế bào trứng, tế bào của các tuyến, tế bào phế nang, tế bào ống dẫn mật; 5. Tế
bào mô liên kết; 6. Tế bào thận; 7. Tế bào xương; 8. Tế bào thần kinh; 9. Tế bào não; 10.
Tế bào cơ.
VII. Các hiệu ứng sinh học liên quan tới sự chiếu xạ
1. Hiệu ứng tích lũy
Các sinh vật khi bị chiếu xạ đều thể hiện hiệu ứng tích lũy. Ví dụ: Liều gây tử vong đối
với động vật có vú là 10
3
R. Nếu chiếu xạ 5 lần, mỗi lần chiếu 200R thì sau khi chiếu lần
thứ 5 động vật đã hấp thụ đủ 10
3
R nên dẫn đến tử vong. Như vậy những tổn thương sau
mỗi lần chiếu xạ sinh vật đã không hồi phục được hoàn toàn mà vẫn còn lưu lại nên sau
mỗi lần chiếu xạ tổn thương càng nặng thêm, cuối cùng vượt quá giới hạn chịu đựng sẽ
dẫn tới tử vong.
2. Hiệu ứng nghịch lý năng lượng
Các tia phóng xạ có khả năng gây ra các hiệu ứng sinh học rất lớn ngay cả khi chiếu xạ
liều không cao (xét về mặt năng lượng thì có giá trị nhỏ).
Ví dụ: Liều gây tử vong cho động vật có vú là 10
3
R, tương đương với 84000ec hay

0,002cal/g, với năng lượng này chỉ đủ tăng nhiệt độ 1 lít nước lên 1
o
C. Để giải thích hiệu
ứng nghịch lý năng lượng, các nhà nghiên cứu đều dựa vào thuyết tác dụng trực tiếp hay
thuyết tác dụng gián tiếp.
3. Hiệu ứng pha loãng
Khi chiếu xạ liều lượng xác định lên dung dịch enzyme nó thể hiện: Nếu tia phóng xạ
tác dụng theo cơ chế trực tiếp với quan niệm một hạt (hay 1 photon) "bắn trúng"một phân
tử enzyme sẽ làm cho nó bị mất hoạt tính thì số phân tử enzyme bị mất hoạt tính có liên
quan tới nồng độ enzyme lúc ban đầu. Nếu nồng độ loãng thì số phân tử enzyme bị mất
hoạt tính ít còn nếu nồng độ cao thì số phân tử enzyme bị mất hoạt tính nhiều. Nếu tia
phóng xạ tác dụng theo cơ chế gián tiếp thì số phân tử enzyme bị mất hoạt tính chỉ liên
quan tới số lượng gốc tự do được hình thành trong dung dịch mà không liên quan tới
nồng độ của enzyme (trừ trường hợp nồng độ enzyme quá loãng hoặc quá cao). Các nhà
sinh học phóng xạ đã chiếu xạ vi khuẩn E.Coli ở trạng thái bình thường có nước (đặc
trưng cho cơ chế tác dụng gián tiếp) và ở trạng thái khô (đặc trưng cho cơ chế tác dụng
trực tiếp), kết quả thu được như sau:
Bảng 9.2: Số phân tử sinh học của tế bào E.Coli bị phá hủy khi chiếu xạ.
Phân tử
sinh học

N
o
N
1
N
2
N
1
+N

2
ADN 2,1.10
4
48 14 62
ARN 4,2.10
4
96 28 124
Protein 4,7.10
6
230 370 600
Lipit 4,1.10
7
182 43 225

N
o
: Số phân tử trong 1 tế bào.
N
1
: Số phân tử bị phá hủy theo cơ chế gián tiếp.
N
2
: Số phân tử bị phá hủy theo cơ chế trực tiếp.

Với kết quả này thì cơ chế tác dụng gián tiếp chiếm ưu thế hơn so với cơ chế tác dụng
trực tiếp (tỷ lệ 3 tác dụng gián tiếp: 1 tác dụng trực tiếp).
4. Hiệu ứng oxy
Hiệu ứng oxy thể hiện là trong khi đang chiếu xạ, nếu tăng nồng độ oxy thì độ nhạy
cảm phóng xạ tăng lên còn nếu giảm nồng độ oxy thì độ nhạy cảm phóng xạ lại giảm
xuống. Nếu ta tăng hay giảm nồng độ oxy trước hoặc sau khi chiếu xạ thì độ nhạy cảm

phóng xạ sẽ không thay đổi. Ví dụ: Chiếu xạ chuột bạch liều 1200R ở điều kiện oxy
chiếm 21% thì chuột chết 100%. Ngược lại, ở điều kiện oxy chiếm 5% nếu vẫn chiếu xạ
liều trên thì chuột sống 100%. Ngoài oxy thì oxít Nitơ (NO) cũng làm tăng độ nhạy cảm
phóng xạ. Sự tăng độ nhạy cảm phóng xạ khi tăng nồng độ oxy chỉ trong một giới hạn
nhất định. Nếu nồng độ oxy tăng quá 20% so với nồng độ bình thường thì độ nhạy cảm
phóng xạ không tăng lên nữa. Hiệu ứng oxy thể hiện rõ đối với tia X, tia γ, tia β nhanh
còn không thể hiện đối với tia α, tia proton. Gray giải thích hiệu ứng oxy theo cơ chế tác
dụng gián tiếp của tia phóng xạ. Theo Gay, dưới tác dụng của tia phóng xạ đã hình thành
nên một số lượng lớn các gốc tự do vô cơ (H
o
, OH
o
) và hữu cơ (R
o
). Trong điều kiện
chiếu xạ có oxy sẽ hình thành nên các peroxýt vô cơ (H
2
O
2
) và hữu cơ (RO
2
) là những
độc tố đã giết chết tế bào.
Alecxander lại giải thích hiệu ứng oxy theo cơ chế tác dụng trực tiếp. Khi chiếu xạ chính
các phân tử hữu cơ đã trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia và hình thành nên các gốc tự
do hữu cơ (R
o
). Trong điều kiện chiếu xạ có oxy đã tạo thành peroxýt hữu cơ (RO
2
) là

một độc tố đã giết chết tế bào.
5. Hiệu ứng bảo vệ phóng xạ
Dayli (1942) tiến hành chiếu tia X lên dung dịch enzyme thấy rằng: Nếu thêm vào dung
dịch chất thiourê hay lưu huỳnh thì số lượng phân tử enzyme bị mất hoạt tính sẽ giảm
xuống. Baron (1949) phát hiện xistein có khả năng hạn chế tử vong nếu tiêm cho chuột
liều từ 950mg→1200mg/kg vào thời điểm 5 phút trước khi chiếu xạ liều 800R. Sau này
các nhà khoa học đã tiếp tục phát hiện ra nhiều chất có khả năng giống như xistein và
được gọi là những chất bảo vệ phóng xạ. Để đánh giá hiệu lực của các chất bảo vệ phóng
xạ (BVPX), các nhà nghiên cứu đã đưa vào yếu tố giảm liều lượng (YTGLL) và được
tính theo công thức:
LD50/30 (lô sử dụng chất BVPX)
YTGLL =
LD50/30 (lô không sử dụng chất BVPX)
(9.3)
LD50/30: Liều gây chết 50% động vật có sử dụng chất BVPX (hay không sử dụng chất
BVPX) trong 30 ngày theo dõi sau khi bị chiếu xạ (gọi là liều bán tử vong). Những chất
BVPX bao giờ cũng có YTGLL>1. Chất có ký hiệu WR-2721 do Mỹ sản xuất là chất
BVPX có YTGLL cao nhất, đạt 2,6.
Theo cơ chế tác dụng gián tiếp, các nhà nghiên cứu cho rằng các gốc tự do được hình
thành do chiếu xạ dễ dàng phản ứng với các chất BVPX hơn là các phân tử hữu cơ. Chính
vì vậy đã bảo vệ được các phân tử sinh học, nên hạn chế được sự tử vong.
Theo cơ chế tác dụng trực tiếp, các nhà nghiên cứu lại cho rằng các phân tử sinh học tuy
trực tiếp hấp thụ năng lượng tia nhưng lại truyền cho các chất BVPX để trở lại cấu trúc
ban đầu nên cũng hạn chế được sự tử vong. Hoặc chất BVPX làm giảm nồng độ oxy
trong cơ thể hay giải phóng chất BVPX có sẵn ở trong cơ thể, đều có tác dụng hạn chế sự
tử vong.
VIII. Các thuyết giải thích cơ chế tổn thương do tác dụng của phóng xạ
1. Thuyết "bia"
Thuyết "bia" do Desauer (1922), Crouser (1924) và Lee (1935) đưa ra. Trên cơ sở một
số thí nghiệm chiếu xạ dung dịch enzyme, dung dịch tế bào thấy rằng: Ở nồng độ dung

dịch vừa phải khi thay đổi liều chiếu xạ từ thấp đến cao thì số phân tử enzyme bị mất
hoạt tính cũng tăng lên làm cho đường cong tỷ lệ % sống sót có dạng đường thẳng (hình
9.6). Khi nồng độ dung dịch quá loãng thì các hạt của tia phóng xạ sẽ tương tác với nhau
hoặc khi nồng độ dung dịch quá cao làm cho các hạt của tia phóng xạ sẽ va đập lần 2 hay
lần 3 với phân tử enzyme đã bị mất hoạt tính (hay tế bào đã chết). Khi đó tỷ lệ % sống sót
sẽ có dạng hình chữ S (hình 9.7).













% sống sót
O
100
Liều chiếu
Hình 9.6: Tỷ lệ % sống sót
dạng đường thẳng
% sống sót
O
100
Liều chiếu
Hình 9.7: Tỷ lệ % sống sót

dạng chữ S

Các tác giả cho rằng sự tử vong của tế bào hay là sự mất hoạt tính của enzyme xảy ra khi
chiếu xạ là do chỉ cần va chạm một lần giữa hạt của tia phóng xạ với "bia" của tế bào hay
phân tử enzyme. Theo các tác giả thì "bia" chính là nhân tế bào hay trung tâm hoạt động
của phân tử enzyme. Thuyết "bia" chỉ giải thích được cơ chế tác dụng trực tiếp của tia
phóng xạ lên dung dịch enzyme, dung dịch protein, dung dịch ADN còn không giải
thích được hiệu ứng oxy.
2. Thuyết độc tố
Dựa trên cơ sở động vật khi bị nhiễm hóa chất độc hại sẽ dẫn tới sự tử vong nên các nhà
sinh học phóng xạ cho rằng khi bị chiếu xạ, trong cơ thể đã tạo thành chất độc nào đó và
chính độc tố này là nguyên nhân dẫn tới sự tử vong. Thực nghiệm đã xác định trong cơ
thể bị chiếu xạ có hình thành độc tố là peroxýt nhưng nó không phải tác nhân đầu tiên mà
là sản phẩm của quá trình phân ly phóng xạ nước, được tạo thành ở giai đoạn cuối của
quá trình tổn thương phóng xạ.
3. Thuyết giải phóng enzyme
Trên cơ sở thí nghiệm hoạt tính enzyme ở tế bào sau khi bị chiếu xạ tăng lên rõ rệt nên
Bacq và Alecxander (1952) đã đưa ra thuyết giải phóng enzyme. Khi tế bào ở trạng thái
sinh lý bình thường, nồng độ enzyme ở trong tế bào được kiểm soát theo cơ chế điều hòa
cảm ứng. Khi tế bào bị chiếu xạ thì tổn thương trước tiên là màng tế bào, màng nhân và
màng các bào quan. Ví dụ: ADNase có ở trong ty thể và lạp thể còn ADN có ở trong
nhân nên khi màng nhân và màng ty lạp thể bị tổn thương đã làm tăng phản ứng phân giải
ADN. Sau này Duver cho rằng lizoxom là bào quan chứa đủ loại enzyme, nếu màng
lizoxom bị tổn thương sẽ giải phóng ra các enzyme đủ giết chết tế bào.
Thuyết giải phóng enzyme chưa giải thích được màng tế bào có khả năng chịu đựng được
liều chiếu xạ rất lớn tới 10KR, trong khi đó liều tử vong của động vật có vú chỉ 1KR?
Mặt khác, khi chiếu xạ không phải hoạt tính enzyme nào cũng tăng lên, chẳng hạn
ADNase, ATPase, ARNase hoạt tính tăng không nhiều, thậm chí khi tăng khi giảm.
4. Thuyết phản ứng dây chuyền
Dựa vào thực nghiệm là các loại mỡ kỹ thuật có thể xảy ra phản ứng dây chuyền và

phản ứng dây chuyền nảy nhánh cũng như tốc độ phản ứng dây chuyền tăng mạnh dưới
tác dụng của tia phóng xạ nên Taruxop (1952) đã đưa ra thuyết phản ứng dây chuyền.
Taruxop cho rằng: Tế bào ở trạng thái sinh lý bình thường có một hệ thống các enzyme
chống oxy hóa nên các thành phần lipit của tế bào không bị oxy hóa theo phản ứng dây
chuyền mà oxy hóa có sự kiểm soát. Khi bị chiếu xạ, hệ thống enzyme chống oxy hóa bị
phá hủy nên xảy ra phản ứng dây chuyền:
RH + hγ → R
o
+ H
o
R
o
+ O
2
→ RO
2
RO
2
+ RH → ROOH + R
o
ROOH → RO + OH
o
R
o
, H
o
, OH
o
là những trung tâm của phản ứng dây chuyền cùng với độc tố RO
2

đã giết
chết tế bào. Thuyết phản ứng dây chuyền giải thích được hiệu ứng nghịch lý năng lượng,
nhưng lại không giải thích được hiện tượng đột biến di truyền có liên quan tới phân tử
ADN?
5. Thuyết cấu trúc chuyển hóa
Trên cơ sở giữa vi cấu trúc và quá trình trao đổi chất của tế bào có mối liên quan mật
thiết với nhau mà Cudin đã đưa ra thuyết cấu trúc chuyển hóa (1972). Thuyết này cho
rằng tia phóng xạ tác động lên cả vi cấu trúc lẫn quá trình trao đổi chất của tế bào. Sự
thay đổi của cả hai quá trình này có ảnh hưởng đến nhau, dẫn đến xảy ra nhiều hiệu ứng
gây tổn thương hoặc giết chết tế bào. Thuyết này giống thuyết "bia" ở chỗ xem tế bào là
một hệ dị thể, có độ nhạy cảm phóng xạ khác nhau ở từng pha (dịch nhân, màng nhân,
các bào quan ). Thuyết này khác thuyết "bia" ở chỗ xem sự xuất hiện tổn thương như là
xác xuất va chạm của tia phóng xạ với các thành phần quan trọng của tế bào. Cudin đặc
biệt nhấn mạnh sự biến đổi tính thấm của màng nhân, đóng vai trò quan trọng trong quá
trình bị tổn thương do tia phóng xạ gây ra. Song thực nghiệm lại xác định màng nhân
không phải là cấu trúc đầu tiên bị tổn thương phóng xạ. Vì thế giả thuyết của Cudin và
những giả thuyết trên vẫn chưa giải thích đầy đủ cơ chế tổn thương phóng xạ đầu tiên
diễn ra ở cơ thể sống.
IX. Tác dụng của tia phóng xạ lên phân tử sinh học
Trong các tế bào sống luôn có các phân tử vô cơ và hữu cơ nhưng quan trọng nhất là
các cao phân tử sinh học như ADN, protein, lipit, gluxít Tổn thương ở các phân tử hữu
cơ sẽ dẫn đến tổn thương ở mức độ tế bào, mô, cơ thể. Các phân tử hữu cơ có thể nhận
năng lượng của tia phóng xạ một cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Biểu hiện chung ở các
phân tử bị tổn thương do chiếu xạ là:
- Gây hiện tượng đứt mạch dẫn tới làm giảm trọng lượng của phân tử hoặc khâu mạch sẽ
làm tăng trọng lượng phân tử.
- Làm thay đổi tính chất hóa lý dung dịch bị chiếu xạ như thay đổi độ nhớt, thay đổi hệ số
lắng, thay đổi điểm đẳng điện của phân tử nghiên cứu
- Gây tổn thương cấu trúc hoặc phá hủy cấu trúc phân tử.
- Làm thay đổi hoặc phá hủy chức năng sinh học của phân tử.

Tổn thương của phân tử ADN dưới tác dụng của tia phóng xạ là sự thay đổi cấu trúc bậc
1, 2, 3, ảnh hưởng đến tính chất di truyền của phân tử. Setlov và Doyle (1954) khi chiếu
xạ ADN khô trong điều kiện chân không sẽ gây ra sự phá hủy cấu trúc và làm mất khả
năng hòa tan của ADN. Với mẫu ADN khô, khi chiếu xạ thì hiệu ứng oxy thể hiện rất yếu
còn trong mẫu mà lượng oxy bằng lượng nước thì hiệu ứng oxy thể hiện rất rõ. Khi
không có oxy thì chủ yếu xảy ra sự đứt mạch.
Đối với protein, khi bị chiếu xạ thì thường dẫn tới các hiện tượng:
- Phá vỡ liên kết peptit trong mạch chính hoặc phá hủy cầu disunfit, dẫn tới làm giảm
trọng lượng phân tử.
- Xảy ra hiện tượng khâu mạch là sự dính kết giữa các phân tử protein với nhau làm cho
độ nhớt dung dịch protein tăng lên.
- Phá hủy cấu trúc phân tử dẫn tới làm mất chức năng sinh học của nó như đối với
enzyme thì bị mất hoạt tính xúc tác.
Trong nghiên cứu hay dùng enzyme hay vi khuẩn là những đối tượng được xem như ở
mức độ phân tử hay tế bào và dễ đánh giá là còn hay mất hoạt tính sinh học. Khi chiếu xạ
các đối tượng này, các nhà nghiên cứu đã rút ra qui luật logarit của tỉ số sống sót (hoặc
hoạt tính sinh học) sẽ tỷ lệ nghịch với liều chiếu xạ theo công thức:

D.k
N
N
ln
o
−=
(9.3)
N
o
: Số phân tử ban đầu
N: Số phân tử còn hoạt tính
D: Liều chiếu xạ

k: Hằng số (k đạt một giá trị nhất định đối với một loại phân tử sinh học xác định, bị
chiếu xạ bởi một loại bức xạ và ở trong điều kiện chiếu xạ nhất định).
Công thức (9.3) có thể viết dưới dạng:
N=N
o
.e
- kD
(9.4)
Khi liều chiếu xạ càng cao thì số phân tử còn hoạt tính sẽ càng giảm.
Để đánh giá khả năng phá hủy phân tử của tia phóng xạ trong nghiên cứu người ta tính trị
số G (gọi là hiệu suất hóa phóng xạ). Đó là số phân tử của chất nghiên cứu bị phá hủy khi
hấp thụ năng lượng 100eV trong quá trình bị chiếu xạ. Trị số G của các bazơ Nitơ trong
phân tử ADN khi bị chiếu xạ tia X hay tia γ được trình bày trong bảng 9.3.
Bảng 9.3: Trị số G của các bazơ Nitơ trong phân tử ADN khi bị chiếu tia X hay γ
Trị số G Bazơ Nitơ
Trong dung dịch có O
2
Trong phân tử ADN
Adenin 1,09 0,22
Guanin 1,09 0,17
Timin 1,89 0,40
Xitozin 2,15 0,38
Khi chiếu xạ, số phân tử bị phá hủy chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong tổng số các phân tử
có trong tế bào nhưng cũng đủ gây ra đột biến di truyền, làm tổn thương hình thái và
chức năng, nếu nặng có thể giết chết tế bào.
X. Tác dụng của tia phóng xạ lên quá trình phân bào
Chu kỳ sống của tế bào gồm 4 giai đoạn phát triển chính:
- Giai đoạn đầu tiên ký hiệu là pha G
1
(Gap có nghĩa là pha hay giai đoạn) khi tế bào mới

được hình thành sau quá trình phân bào. Ở pha này tế bào thực hiện sinh tổng hợp protein
và tích lũy các chất cần thiết cho sự tổng hợp ADN ở pha sau đồng thời tế bào tăng về thể
tích. Pha này kéo dài nhất, có khi chiếm gần một nửa chu kỳ sống của tế bào.
- Giai đoạn tiếp theo gọi là pha S (Synthesis nghĩa là tổng hợp) là giai đoạn tổng hợp
ADN. Ở pha này hàm lượng ADN trong nhân tế bào đã tăng lên gấp đôi.
- Giai đoạn thứ ba gọi là pha G
2
, là pha hậu tổng hợp. Tế bào chủ yếu tổng hợp các chất
chuẩn bị cho quá trình phân bào.
- Giai đoạn thứ tư ký hiệu là pha M (Mitose có nghĩa là phân bào nguyên nhiễm) xảy ra
quá trình phân bào.
Bergone và Tribondeau từ kết quả nghiên cứu đã rút ra định luật, gọi là định luật phóng
xạ: "Độ nhạy cảm của tế bào trước tia bức xạ tỷ lệ thuận với khả năng sinh sản và tỷ lệ
nghịch với mức độ biệt hóa tế bào". Trường hợp ngoại lệ, tế bào lympho đã biệt hóa hoàn
toàn nhưng lại có độ nhạy cảm phóng xạ cao nhất.
Khi chiếu xạ liều thấp, đối với những tế bào chưa bước vào pha phân bào thì bị ngừng
hẳn quá trình phân bào còn tế bào đã bước vào pha phân chia thì sự phân bào sẽ bị chậm
lại hoặc ngừng hẳn quá trình phân bào. Nếu tế bào đã ở pha S tức là ADN đã được nhân
đôi, nếu tế bào ngừng phân chia và tiếp tục phát triển sẽ dẫn tới hiện tượng đa bội thể. Đa
số tế bào động vật và thực vật có liều ức chế tạm thời quá trình phân bào là 50R. Đặc biệt
trứng của một số động vật không xương sống ở biển như trứng cầu gai, liều ức chế phân
bào là 10
4
R. Serclo sử dụng Poloni chiếu lên bào tử cây dương xỉ thấy rằng: Hiện tượng
ức chế quá trình phân bào xảy ra cả khi chỉ chiếu xạ nhân hay chỉ chiếu xạ nguyên sinh
chất. Song liều gây ức chế sự phân bào khi chỉ chiếu xạ nguyên sinh chất cao gấp 20 lần
liều khi chỉ chiếu xạ nhân. Kết quả tương tự cũng thu được khi chiếu xạ lên trứng của ong
hay tằm. Khi chiếu xạ, sự tổn thương của hạt nhân có ý nghĩa quyết định tới sự tổn
thương hay gây chết tế bào. Điều này lại được Axtrakhob (1947) xác định qua thí
nghiệm: Lấy hạt nhân của tế bào bị chiếu xạ đem cấy vào tế bào không chiếu xạ đã bị lấy

mất nhân thì tế bào ghép có nhân bị chiếu xạ còn nguyên sinh chất không chiếu xạ chỉ
sống được 3 ngày. Trong khi đó tế bào ghép có nhân không chiếu xạ và nguyên sinh chất
bị chiếu xạ đã sống được tới 3 tuần. Vai trò của nhân trong hoạt động sống của tế bào,
thực chất là vai trò của phân tử ADN - phân tử lưu giữ thông tin di truyền của tế bào. Do
vậy, khi chiếu xạ, tổn thương ở nhân sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng tới hoạt động sống của
tế bào.
XII. Một số ứng dụng của nguồn tia phóng xạ ion hóa
* Phương pháp chiếu xạ gây ra biến dị để tạo giống mới
Qua quá trình sử dụng nguồn tia phóng xạ tác dụng lên đối tượng sinh vật, gây ra biến
dị để tạo giống mới, các nhà khoa học đã rút ra những nhận xét sau:
- Kết quả chiếu xạ chịu ảnh hưởng vào các điều kiện của hạt khi chiếu xạ như nhiệt độ,
độ ẩm, oxy, độ pH Do vậy, với một lô đem chiếu xạ, phải chọn các hạt đồng nhất về
trọng lượng, kích thước, độ ẩm, nhiệt độ, nồng độ oxy, độ pH v.v
- Liều chiếu xạ gây ra đột biến để tạo giống mới thường sử dụng từ 10KRad đến
100KRad.
- Suất liều lượng ảnh hưởng đến số lượng đột biến. Liều gây đột biến gấp đôi đột biến
xuất hiện ngẫu nhiên gọi là "liều gấp đôi". Thực tế xác định khoảng từ 15-30 Rad trong
một lần chiếu còn nếu chiếu liều thấp và thời gian chiếu lâu thì "liều gấp đôi" sẽ lên tới
100 Rad.
Khi tổng liều chiếu nhỏ hơn 1 KRad thì sử dụng suất liều là 10-100 Rad/phút còn khi
tổng liều chiếu lớn hơn 1 KRad thì sử dụng suất liều là 500 Rad/phút.
- Sau chiếu xạ, tần số gây ra đột biến có lợi là rất thấp và đa số trường hợp đột biến xuất
hiện đã không di truyền được cho thế hệ sau.
Qui trình chiếu xạ để chọn giống mới, tuần tự theo các bước sau:
1. Chiếu xạ hạt để gây ra đột biến
2. Thử nghiệm để chọn lọc những đột biến có lợi
3. Xác định thuộc tính mới có lợi và mức độ ổn định qua các thế hệ.
4. Nhân giống.
* Ứng dụng phương pháp chiếu xạ để tiêu diệt côn trùng có hại
Có nhiều phương pháp để tiêu diệt côn trùng gây hại nhưng sử dụng phương pháp chiếu

xạ lại rất hiệu quả và không gây ra ô nhiễm môi trường.
Phương pháp sử dụng là chiếu xạ lên côn trùng để tạo ra những thuộc tính bất lợi cho côn
trùng như chết yểu, con đực vô sinh, con cái đẻ ít trứng hay có tỷ lệ sinh con đực cao
Kết quả đã thu được đối với ruồi gây hại cho ngành chăn nuôi ở phía Nam nước Mỹ và
Mehico bằng cách thả 50 triệu con đực vô sinh, cuối cùng giống ruồi này đã bị tiêu diệt.
* Sử dụng phương pháp chiếu xạ để khử trùng
Phương pháp khử trùng dùng tia bức xạ ion hóa rất hiệu quả và sạch, đặc biệt đối với
những vi khuẩn và nấm mốc, khử trùng bằng nhiệt độ cao đã không tiêu diệt hết được.
Trong công tác khử trùng bằng nhiệt, người ta hay dùng liều tử vong 90% (ký hiệu là
LD
90
) là liều cần thiết để diệt 90% số vi khuẩn đem chiếu xạ và còn gọi là liều thập phân.
Liều thập phân (LD
90
) rất thích hợp cho việc tính toán liều khử trùng. Với chủng vi khuẩn
có N
o
là số tế bào ban đầu còn N là số tế bào vi khuẩn còn sống sót sau chiếu xạ liều D
thì liều chiếu được tính theo công thức:
D=LD
90
.(logN
o
-logN) (9.5)
Để khử trùng thực phẩm, năm 1960, Smit và Nate đã đề xuất phương pháp xác định trực
tiếp liều LD
90
với quần thể ban đầu là 10
9
bào tử. Cách thực hiện: chọn 20 hộp thịt (hay

nước hoa quả) cần khử trùng, được cấy thêm vào mỗi hộp 1ml hỗn dịch chứa 10
8
bào tử
Clostridium botilium rồi đóng hộp lại. Sau khi chiếu xạ liều D xác định rồi để các hộp
vào tủ ấm 37
o
C trong một thời gian (chẳng hạn 1 tháng). Sau 1 tháng, kiểm tra xem có
hộp nào bị hỏng như có độc tố hoặc còn bị nhiễm khuẩn. Trường hợp có độc tố, tách
chiết độc tố và tiêm phúc mạc chuột để thử độc tính.
Gọi M là tổng số bào tử đã tiêm vào cả 20 hộp thịt còn D là liều chiếu xạ và N là số hộp
có chứa độc tố.
Liều thập phân được xác định theo công thức:

NlogMlog
D
LD
90
−
=
(9.6)
Trong thực tế để diệt nấm mốc và vi khuẩn, người ta hay áp dụng liều từ 300KRad đến 1
triệu Rad.
* Sử dụng phương pháp chiếu xạ để bảo quản lương thực, thực phẩm
Phạm vi áp dụng và liều sử dụng như sau:
- Chiếu xạ liều nhỏ hơn 100KRad để chống nảy mầm ở khoai tây, hành, tỏi v.v , làm trái
cây chậm chín như chuối, cam, quýt , tiêu diệt côn trùng để bảo quản ngũ cốc như lúa,
ngô, lạc, đậu tương v.v
- Chiếu xạ liều từ 100KRad → 1 triệu Rad để bảo quản thịt tươi, cá tươi, trứng v.v
- Chiếu liều từ 1 triệu Rad → 5 triệu Rad để khử trùng các chất phụ gia, gia vị, chế phẩm
enzyme v.v

* Sử dụng nguồn phóng xạ trong y học hạt nhân
Trong y học hạt nhân thường sử dụng tia gamma (γ), liều dùng từ 100 Rad → 10
3
Rad để
điều trị bệnh ung thư. Để chẩn đoán bệnh các bác sỹ thường sử dụng các chất đồng vị
phóng xạ để ghi hình cơ quan, từ đó có hướng điều trị. Ví dụ để chẩn đoán bệnh về tuyến
giáp, bác sỹ sẽ cho bệnh nhân sử dụng thuốc có đánh dấu Iốt phóng xạ (I
131
). Sau một
thời gian, phần lớn Iốt tập trung ở tuyến giáp và phát ra tia γ, dùng máy ghi hình nhấp
nháy sẽ cho hình ảnh của tuyến giáp. Nếu tuyến giáp to sẽ mắc bệnh cường năng tuyến
giáp còn tuyến giáp nhỏ sẽ mắc bệnh thiểu năng tuyến giáp. Cùng với xác định một số chỉ
tiêu sinh hóa, các bác sĩ sẽ có hướng điều trị cụ thể cho bệnh nhân.




^]