QUANG SINH HỌC ĐH Y DƯỢC TP HCM

III. QUANG SINH HỌC
1.
2.
3.
4.

QUANG SINH -TỔNG QUAN
SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG
CẢM NHẬN ÁNH SÁNG
TIA TỬ NGOẠI

1


MỤC TIÊU
1. Hiểu biết được các dạng cơ bản và các
giai đoạn chung của quá trình quang
sinh xảy ra trong hệ sinh học
2. Giải thích được cơ chế tác động của
ánh sáng lên hệ sinh học
3. Nêu được các hiệu ứng và ứng dụng
của quang sinh trong y sinh
2


1. QUANG SINH
KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LỌAI

•

Các quá trình xảy ra trong hệ sinh học

khi hấp thu năng lượng tia sáng được
gọi là Quang sinh. Có 3 nhóm cơ bản:
1. Quang tổng hợp: quang hợp gluxit và tổng hợp
các sắc tố, các chất hữu cơ đơn giản
2. Cảm nhận ánh sáng (thông tin): trong thị giác
động vật và tính hướng sáng của thực vật
3. Phá hủy cấu trúc sống, biến đổi các liên kết
sinh học quan trọng: hấp thu tia tử ngoại
3


1. QUANG SINH
THUYẾT LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG
• Ánh sáng truyền dưới dạng những hạt riêng rẽ
gọi là photon hay lượng tử ánh sáng
• Mỗi photon mang năng lượng E = hυ = hc/λ
- h = 6,625.10-34Js là hằng số Planck
- υ và λ là tần số và bước sóng ánh sáng
- c ~ 3.108m/s là vận tốc ánh sáng

• Nguyên tử hấp thu cũng như phát xạ photon một
cách gián đọan
• Năng lượng hấp thu hay phát xạ bằng hiệu số
năng lượng giữa hai mức đầu và cuối:
E = E1 – E2 = hυ = hc/λ
4


1. QUANG SINH
SỰ CHUYỂN MỨC NĂNG LƯỢNG

• Các electron quay quanh hạt nhân nguyên tử theo
những bán kính “quỹ đạo” nhất định xác định Mức
năng lượng của chúng
• Khi Nguyên tử hấp thu năng lượng các electron sẽ
chuyển ra quỹ đạo xa hơn và nguyên tử nằm trong
trạng thái kích thích (*)
• Khi electron chuyển từ quỹ đạo xa hơn về quỹ đạo
cơ bản, nguyên tử sẽ phát xạ ra năng lượng dưới
dạng lượng tử sóng điện từ:
E = E1 – E2 = hυ = hc/λ
•
• Khi hấp thu hay phát xạ năng lượng, Phân tử cũng
chuyển mức năng lượng sang mức khác
5


1. QUANG SINH
CÁC GIAI ĐOẠN CỦA QUÁ TRÌNH
HẤP THU ÁNH SÁNG
KÍCH THÍCH PHÂN TỬ

CHUYỂN
NĂNG
LƯỢNG

CHUYỂN
TRẠNG
THÁI

PHẢN ỨNG

QUANG
HÓA

PHÁT
QUANG

CHUYỂN
THÀNH
NHIỆT

PHẢN ỨNG
SINH HÓA

ỨNG XỬ
SINH LÝ

6


1. QUANG SINH
PHẢN ỨNG QUANG HÓA
1.
2.
3.
4.
5.

Quang ion hóa: tách electron khỏi phân tử bằng bức
xạ lượng tử, biến chúng thành các ion và gốc tự do.
Quang oxy hóa khử: chuyển electron từ phân tử qua

phân tử, một phân tử oxy hóa, phân tử kia khử.
Quang ly: phân rã phân tử ra các ion dưới tác động
của bức xạ lượng tử
Quang đồng phân hóa: biến đổi cấu hình phân tử
dưới tác động ánh sáng, thay đổi cấu trúc phân tử.
Quang nhị trùng hóa: thành lập các liên kết hóa học
giữa các đơn chất dưới tác động của photon ánh
sáng.
7


1. QUANG SINH
PHẢN ỨNG QUANG HÓA

• Giai đoạn I (quang-vật lý):
Phân tử hấp thu bức xạ lượng tử  kích thích
A + hυ  A*
• Giai đoạn II (phản ứng trong bóng tối):
Các chất oxy hóa khử sơ cấp tạo ra ở giai đoạn I
có hoạt tính hóa học cao
Thực hiện phản ứng oxy hóa khử trong bóng tối
Làm thay đổi các phản ứng hóa sinh
Thay đổi trạng thái sinh lý chung của cơ thể
Cơ thể thực hiện một ứng xử sinh lý nào đó
8


1. QUANG SINH
QUÁ TRÌNH QUANG LÝ
• Quá trình quang sinh theo hướng phản ứng

quang hóa không phải là duy nhất.
• Năng lượng của phân tử bị kích thích có thể tiêu
tán theo hướng Quang lý:
1. Phát quang hoặc chuyển thành nhiệt;
2. Chuyển năng lượng cho phân tử khác hoặc
chuyển sang trạng thái kép.
• Sau khi đi theo hướng thứ hai phân tử lại có thể
thực hiện các phản ứng quang hóa tiếp theo
9


1. QUANG SINH
SỰ PHÁT QUANG
• Quá trình phát sáng của phân tử kéo theo sự
chuyển electron từ mức bị kích thích về mức cơ
bản gọi là Sự phát quang:
hυps = hυht – En
trong đó: υps- tần số phát quang, υht- tần số hấp thu,
En- phần năng lượng biến thành nhiệt

• Sự phát quang khi chuyển electron từ mức trạng
thái đơn bị kích thích thấp nhất xuống mức cơ
bản gọi là Huỳnh quang
• Sự phát quang khi chuyển electron từ mức trạng
thái kép trở về mức cơ bản gọi là Lân quang
10


1. QUANG SINH
CHUYỂN NĂNG LƯỢNG

• Sơ đồ quá trình:
A + hυ  A*
Kích thích phân tử A
A* + B  A + B* Năng lượng từ A sang B
• Đặc điểm:
-Không phát xạ
-Không hao tổn nhiệt
-Không tiếp xúc 2 phân tử
-Không tách điện tử
-Khoảng cách xa (so với nguyên tử)
11


1. QUANG SINH
TÓM TẮT

• Như vậy bất kỳ một quá trình quang sinh
nào đều theo sơ đồ: hấp thu lượng tử 
phản ứng quang hóa (hoặc quang lý) 
phản ứng sinh hóa  ứng xử sinh lý.
• Ứng xử sinh lý có thể là: thải ra oxy khi
quang hợp, chuyển động của lá cây ra
phía mặt trời, phản ứng của động vật với
ánh sáng, tử vong khi chiếu xạ mạnh…
12


2. SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG
KHÁI NIỆM

• Hiện tượng cường độ ánh sáng sau khi ra
khỏi môi trường bị giảm đi do sự hấp thu
của chính môi trường đó được gọi là “Sự
hấp thu ánh sáng”
• Năng lượng bị tiêu hao chủ yếu dưới dạng
chuyển động nhiệt hỗn lọan của các
nguyên tử, phân tử trong môi trường đó
(quá trình quang lý: chuyển thành nhiệt)
13


2. SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG
ĐỊNH LUẬT LAMBERT-BEER
• Sự hấp thu ánh sáng tuân theo đ/l Lambert-Beer:
I = I0.e-γ.C.ℓ, trong đó:
- I là cường độ ánh sáng khi qua khỏi mẫu chiếu
- I0 là cường độ dòng ánh sáng đi tới mẫu
- C là nồng độ chất của mẫu, ℓ là bề dày mẫu
- γ là hệ số hấp thu của mẫu

• D = γ.C. ℓ = lg(I0/I) gọi là Mật độ quang của mẫu.
• Phát biểu Đ/l: “Mật độ quang của mẫu tỷ lệ thuận
với nồng độ của chất trong mẫu và quang lộ”
• Mật độ quang D chính là khả năng hấp thu ánh
sáng của vật chất.
14


2. SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG
ĐỊNH LUẬT LAMBERT-BEER

Io

I
C

15


2. SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG
PHỔ HẤP THU
• Vật chất hấp thu (D) không như nhau đối với
ánh sáng có bước sóng (λ) khác nhau.
• Đường cong D = f(λ) gọi là Phổ hấp thu.
• Thường phổ hấp thu có tính liên tục, nhưng có
một số bước sóng mà ở đó mật độ quang đạt
cực đại. Ta gọi bước sóng đó là λmax
• Protein λmax= 280nm, axit nucleic λmax= 260 nm,
chlorophyll λmax = 430 nm và λmax = 680 nm.
• Phổ hấp thu đặc trưng cho từng chất phụ thuộc
vào cấu trúc và tính chất phân tử của chất đó.
16


2. SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG
PHỔ HẤP THU
λmax : Bước sóng hấp thụ cực đại
λ∈[ λ1 , λ2 ]: Miền hấp thụ
MN : Bề rộng bán hấp thụ
D

Dmax
M

Dmax/2

λ1

N

λ max

λ2

λ

17


2. SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG
PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THU
• Nghiên cứu phổ hấp thu của một quá trình cho ta biết
chất nào có trong quá trình đó (định tính).
• Dựa trên vị trí λmax có thể xác định độ dài bước sóng mà
chất đó có ưu thế hấp thu mạnh nhất.
• Biết độ dài bước sóng hấp thu ta xác định được năng
lượng của lượng tử ánh sáng và từ đó tính được sự
phân bố mức năng lượng electron và bước chuyển trạng
thái năng lượng của phân tử.
• Từ mật độ quang D  nồng độ của chất (định lượng)
• Phương pháp nghiên cứu với sự trợ giúp của phổ hấp

thu được gọi là phương pháp quang phổ hấp thu.
• Phổ hấp thu được ghi nhận với sự trợ giúp của thiết bị
chuyên dụng gọi là máy quang phổ.
18


MÁY QUANG PHỞ
Máy quang phổ có 3 thành phần chính:
• 1. Nguồn sáng
• 2. Bộ phận tán sắc (tạo tia đơn sắc)
• 3. Bộ phận ghi đo quang điện

19


MÁY QUANG PHỔ

20


MÁY QUANG PHỔ
CUVETTE

21


3. CẢM NHẬN ÁNH SÁNG
CÁC QUY LUẬT CHUNG
• Cơ thể phản ứng với môi trường bên ngoài.
• Chức năng nhận và xử lý thông tin về môi

trường do các cơ quan cảm giác đảm nhận.
• Các cơ quan cảm giác là các thiết bị đo để phân
tích các tác nhân kích thích vật lý bên ngoài và
cũng để đánh giá hiệu quả của các phản ứng do
cơ thể thực hiện
Làm nhiệm vụ liên lạc thông tin thuận nghịch
giữa cơ thể với môi trường bên ngoài
22


3. CẢM NHẬN ÁNH SÁNG
CÁC QUY LUẬT CHUNG

HỆ THẦN
KINH

TIẾP
NHẬN

KÍCH
THÍCH

MÔI
TRƯỜNG

PHẢN ỨNG

23

3. CẢM NHẬN ÁNH SÁNG
CÁC QUY LUẬT CHUNG
• Khi có kích thích bên ngoài gây ra điện thế phát
động ở màng tế bào cảm nhận.
• Điện thế phát động trong đầu dây thần kinh là
các tín hiệu truyền thông tin.
• Tần số f xuất hiện điện thế tác động tỷ lệ theo
hàm logarit với giá trị kích thích R:
•
f = m.lgR + n, (m và n là các hằng số)
• Sự phụ thuộc trên như là sự phụ thuộc giữa giá
trị cảm nhận và cường độ kích thích ở trên. Đây
là phương trình cơ bản để mã hóa thông tin
trong các cơ quan cảm giác.
24


3. CẢM NHẬN ÁNH SÁNG
TẾ BÀO CẢM NHẬN
• Tế bào cảm nhận ánh sáng là các tế bào hình
que và hình nón nằm trên võng mạc.
• Kích thích phát sinh trong tế bào cảm nhận ánh
sáng được truyền đến dây thần kinh thị giác qua
lớp tế bào kép.
• Phần ngoài của tế bào quang có cấu tạo lớp
như là các đĩa chồng lên nhau với số lượng
khoảng vài trăm cái.
• Độ nhạy cảm ánh sáng bề mặt của tế bào quang
tăng lên nhiều lần, đảm bảo xác suất cao của nó
tác động với lượng tử ánh sáng.

25