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 [...]... lượng 10 0eV 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 Bazơ Nitơ Trị số G Trong phân tử ADN Trong dung dịch có O2 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. .. 10 KRad đến 10 0KRad - 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 10 0 Rad Khi tổng liều chiếu nhỏ hơn 1 KRad thì sử dụng suất liều là 10 -10 0 Rad/phút còn khi tổng liều chiếu lớn hơn 1 KRad... 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... thực phẩm, năm 19 60, Smit và Nate đã đề xuất phương pháp xác định trực tiếp liều LD90 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 37oC trong một thời gian (chẳng hạn 1 tháng) Sau 1 tháng, kiểm... Chiếu xạ liều từ 10 0KRad → 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 10 0 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... 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 10 0KRad 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 10 0KRad → 1 triệu Rad để bảo quản thịt... bác sỹ sẽ cho bệnh nhân sử dụng thuốc có đánh dấu Iốt phóng xạ (I1 31) 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... tới sự tổn thương hay gây chết tế bào Điều này lại được Axtrakhob (19 47) 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... 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 10 KRad... của một số động vật không xương sống ở biển như trứng cầu gai, liều ức chế phân bào là 10 4R 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 . 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 12 4 Protein 4,7 .10 6 230 370 600 Lipit 4 ,1. 10 7 18 2. 6 Chuột cống trắng 600R 7 Thỏ 900R 8 Ếch, nhái, cá 10 3 R 9 Rùa 15 00R 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. γ có HUSHTĐ = 1 thì 1Rad=1Rem còn với proton thì 1Rad =10 Rem. - 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