c.
Tác dụng của các gốc tự do lên ADN :
Các gốc tự do sẽ khuếch tán ra chung quanh vùng chúng hình thành, tập trung quanh những phân tử nước hay tương tác với các phân tử sinh học và làm thay đổi cấu trúc hóa học của chúng. Thường thì các gốc tự do lấy đi các nguyên tử hidro của các phân tử sinh học, chẳng hạn lấy hidro của cầu nối hidro trong ADN.
Các gốc tự do này có thời gian sống chỉ khoảng vài micro giây nên không thể đi xa được. Do đó chúng chỉ có thể phá hoại ADN trong phạm vi bán kính khoảng 10 nm, khoảng bằng ½ đường kính của thớ của nhiễm sắc thể (Chromatin fibrillar). Thời gian sống của các gốc hydroxyl có thể được kéo dài khi có mặt oxy hay các phân tử ái electron. Ngược lại, một số phân tử khác có thể thu hút các gốc này và làm giảm tác dụng sinh học của chúng. Những bức xạ có khả năng ion hóa mạnh như neutron hay hạt nặng mang điện tạo ra trên đường đi của chúng một vệt ion hóa đậm, do đó nếu nó đi băng qua một ADN thì có thể gây nên hiệu ứng trực tiếp, ngay cả khi không có oxy.
Chúng cũng có nhiều khả năng gây nên những đứt gãy không hồi phục được trên chuỗi xoắn kép của ADN.
Do tác dụng của trực tiếp hay gián tiếp, ADN có thể chịu các tổn thương sau:
– Đứt một nhánh.
– Đứt hai nhánh.
Đối với bức xạ có LET bé, tỉ lệ giữa tổn thương 1 nhánh và hai nhánh là 20:1.
Số lượng đứt một nhánh tăng tỉ lệ bình phương liều hấp thụ: ~ D^2.
Số lượng đứt hai nhánh tăng tỉ lệ liều hấp thụ: ~ D.
Cho đến nay người ta thấy việc đứt một nhánh và hai nhánh chỉ do bức xạ ion hóa gây nên, còn tia tử ngoại chỉ có khả năng gây nên sự sai hỏng base, do chỉ được hấp thụ trong các base Thymin và Cytosin.
− Tổn thương base: làm thay đổi base hay thay đổi liên kết giữa các base. Sự tổn thương của base có thể dẫn tới việc đứt mối liên kết hidro giữa hai base, hay làm biến đổi cấu trúc hoá học của base, làm mất một base, làm ghép vào một base không đúng hay nối hai base nằm đối diện và chéo nhau chéo (cross linking). Một dạng đặc biệt của sai hỏng base là
sự nhị trùng hóa hai base (base dimerization): hai base cùng phía nối nhau. Điều này chỉ xảy ra đối với base loại Thymin (T) hay Cytosin (C). Sự nhị trùng hóa này xảy ra chủ yếu khi ADN bị chiếu bởi tia tử ngoại.
− Nối giữa các phân tử trong ADN.
− Nối giữa ADN và protein.
− Tổn thương bội (bulky lession).
Thuộc loại tổn thương gây tử vong (
lethal damage).
Không sửa chữa được.
3. Giai đoạn hóa sinh – Quá trình sửa chữa tổn thương của ADN :
Quá trình hóa sinh kéo dài từ 10-2 s đến nhiều giờ. Ở đầu giai đoạn này ta có ADN bị tổn thương, ở giữa giai đoạn là quá trình sửa chữa tổn thương và ở cuối giai đoạn là những tổn thương không hồi phục được.
a.
Cơ chế sửa chữa :
Trong quá trình tiến hóa của loài người, do thường xuyên bị bức xạ chiếu và do sự biến dị tự phát, trong các tế bào đã hình thành nên một cơ chế sửa chữa rất hiệu quả. Cơ chế này nhận biết những biến đổi phân tử của ADN và trong phần lớn trường hợp có thể sửa chữa lại chúng bằng những quá trình điều khiển bởi enzym. Trong bào tương cũng có những chất có thể trung hòa các gốc tự do trước khi chúng kịp công phá ADN hay các bào quan.
Hiệu quả hoạt động của các cơ chế sửa chữa và bảo vệ này phụ thuộc vào pha của tế bào trong chu kỳ, vào hàm lượng năng lượng của tế bào, vào mật độ của các enzym sửa chữa cũng như của các chất bảo vệ có mặt trong bào tương cũng như vào nhiệt độ. Các cơ chế này chịu trách nhiệm việc tiêu diệt những thay đổi về cấu trúc và thông tin của tế bào gây bởi bức xạ hay bởi các tác nhân hoá học khác, để cho tế bào sau khi bị chiếu bởi một liều không cao lắm, có thể hồi phục trở lại.
b.
Quá trình sửa chữa :
Một số công việc sửa chữa được điều khiển bởi enzym có thể được tiến hành ngay sau khi xuất hiện các tổn thương và có thể kết thúc trong vòng vài phút hay vài giờ. Nếu nó xảy ra trước khi nhân đôi ADN và trước khi phân bào, thì người ta gọi là
sự sửa chữa trước nhân đôi. Quá trình diễn tiến của các sửa chữa trước nhân đôi là khác nhau, tùy theo nguyên nhân và loại tổn thương ADN. Nếu tổn thương của ADN xảy ra ngay trước hay trong khi nhân đôi ADN và không kịp sửa chữa trước phase mitose, thì quá trình sửa chữa
sau nhân đôi sẽ vào cuộc.
Một số sửa chữa cần có năng lượng ánh sáng, được gọi là sửa chữa quang (photorepair). Các loại sửa chữa còn lại sử dụng năng lượng dự trữ trong tế bào và không cần ánh sáng. Nếu quá trình phân bào xảy ra càng nhanh, thì về trung bình, thời gian để sửa chữa trước nhân đôi càng bé, khi đó sự sửa chữa càng kém hiệu quả. Điều này giải thích tại sao
các tế bào có tốc độ phân bào càng cao thì càng nhạy đối với bức xạ. Trong tế bào ung thư, bên cạnh tốc độ phân bào cao, bộ máy sửa chữa và các enzym sửa chữa của chúng cũng bị những sai sót, do đó chúng nhạy với bức xạ hơn tế bào lành.
c.
Phân loại các tổn thương do bức xạ :
Các tổn thương do bức xạ lên tế bào có thể được chia thành 3 loại :
−
Tổn thương gây chết (
lethal damage): không hồi phục được, sẽ dẫn đết chết tế bào. Các tổn thương bội thuộc loại này.
−
Tổn thương dưới mức chế (
sublethal damage): có thể sửa chữa trong vài giờ, trừ khi bị thêm những tổn thương dưới mức chết khác, dẫn đến tổn thương gây chết.
−
Tổn thương có khả năng gây chết (
potentially lethal damage): có thể sửa chữa nếu tế bào được duy trì trong trạng thái không phân bào.
4. Quá trình sinh học – Từ vài giờ đến nhiều năm – Từ mức tế bào đến mức mô :
Bắt đầu: các ADN bị tổn thương không hồi phục được; kết thúc: tế bào chết, xảy ra đột biến, ung thư, các hiệu ứng sớm và muộn.
a.
Ảnh hưởng đến nhiễm sắc thể (NST)
Nếu tổn thương do bức xạ gây nên trên ADN là đủ lớn, thì có thể quan sát thấy những rối loạn của nhiễm sắc thể (chromosome aberration), như hình vẽ dưới. Rối loạn nhiễm sắc thể xảy ra khi một đoạn dài của ADN bị thay đổi, nó bao gồm: nhân đôi (duplication), bị cắt bỏ (deletion), thêm vào một đoạn gen (inversion), chuyển đoạn gen sang nhiễm sắc thể khác (translocation).
Rối loạn nhiễm sắc thể xuất hiện ở hai giai đoạn, ở giai đoạn đầu, xuất hiện một đứt nhánh đôi không hồi phục được hoặc một sự mất ổn định hoá học trong nhiễm sắc thể có thể dẫn đến sự phân rã của nhiễm sắc thể, ở giai đoạn sau, là sự nối lại các nhánh bị đứt. Người ta phân biệt sự rối loạn nội nhiễm sắc thể (xảy ra bên trong một NST và rối loạn giữa các NST (do sự trao đổi các nhánh của các NST khác nhau). Những rối loạn NST rất tiêu biểu do tác dụng của bức xạ là sự hình thành NST hai tâm (dicentric) và NST vòng.
b.
Các tác dụng của bức xạ lên tế bào :
Ở cấp tế bào, ba hiệu ứng chính có thể quan sát được từ sự chiếu xạ ADN là sự chết của tế bào (cell death), và sự đột biến dẫn đến bệnh ung thư ác tính (malignant disease) hay tổn thương di truyền (genetic damage).
c.
Sự chết của tế bào :
Sự chết của tế bào có thể chia làm hai loại: chết giữa phase (interphase death) và chết khả năng sinh sản (reproductive cell death). Một liều rất cao (vài trăm Gy) có thể hủy hoại mọi hoạt động của tế bào và làm tế bào chết giữa pha.
http://farm4.static.flickr.com/3233/...8d1963.jpg?v=0
a) NST bình thường. b) trái: đứt ở cuối; phải: đứt một khe. c) rối loạn NST, trái: mất một khoảng ở giữa; phải mất ở cuối. d) hai đoạn của nhánh này bị cắt và nối sang nhánh khác. e) NST bị nối thành vòng. f) hai nhánh bị cắt nối thành vòng. g) một cặp NST bình thường. h) Hai NST dính lại thành một NST hai tâm + hai đoạn đứt hỗn hợp. i) Hai NST trao đổi các đoạn cho nhau. Từ b-f: nội NST. Trường hợp h + i: giữa các NST.
d.
Sự đột biến :
Những thay đổi không được phục hồi của thông tin di truyền được gọi là
sự đột biến (
mutation). Nếu sự đột biến đó chỉ gặp ở tế bào thân, thì người ta gọi đây là
đột biến cá thể (
somatic mutation). Nó không di truyền cho thế hệ con cháu. Nó có thể dẫn đến những thay đổi có tính chất ác tính của tế bào, phá hủy hoạt động của enzym hay thay đổi sự trao đổi chất của tế bào.
Nếu đột biến xảy ra ở tế bào sinh dục thì nó có thể di truyền cho thế hệ sau. Người ta gọi đây là
đột biến gen (
genetic mutation). Đa phần các đột biến loại này có tính lặn (recessive), nghĩa là nó thường tác dụng tới kiểu di truyền (genotype) mà không tác động tới kiểu hình (phenotype) của các thể bị biến dị đó.
Đột biến điểm : nếu sự biến đổi chỉ xảy ra trên một gen. Khi đó sự tổng hợp một protein bị thay đổi. Sự thay đổi này chỉ ảnh hưởng đến tế bào và cơ quan, nếu đoạn gen này của ADN là hoạt động (active).
e.
Sự hồi phục ở mức toàn thân :
Ở mức độ toàn thân (whole-body level), sự hồi phục khỏi những tổn thương do bức xạ được hỗ trợ thông qua sự tái tạo dân số (repopulation) của những tế bào sống sót. Nếu một mô nhận một liều đủ lớn, nó sẽ đáp ứng bằng cách co kích thước lại. Đây được gọi là sự thu nhỏ (atropy). Nguyên nhân là vì một số tế bào bị chết, bị loại ra (disintegrated) và bị mang đi nơi khác như những chất thải. Nếu có một số tế bào đủ lớn sống sót do chỉ nhận những liều dưới mức tử vong, thì những tế bào này có thể tăng trưởng và tái tạo số tế bào của cơ quan bị chiếu xạ.
Các quá trình tổ hợp của sự sửa chữa và sự tái tạo đóng góp vào sự hồi phục khỏi các tổn thương do bức xạ.
Sự hồi phục = các sửa chữa bên trong tế bào + sự tái tạo tế bào
5. Các yếu tố sinh học ảnh hưởng đến tác dụng sinh học của bức xạ lên tế bào :
Mức độ tác dụng sinh học của bức xạ được quyết định chủ yếu bởi liều hấp thụ. Bên cạnh đó, còn có những yếu tố khác có thể có ảnh hưởng đến tác dụng sinh học của bức xạ. Các yếu tố này có thể được phân làm 2 loại: các yếu tố vật lý và các yếu tố sinh học. Các yếu tố vật lý là LET, lượng Oxy, nhiệt độ (đã nói ở trên) hay suất liều, sự phân liều (sẽ nói sau). Còn sau đây chúng ta sẽ xét đến các yếu tố sinh học.
a.
Độ nhạy bức xạ của các tế bào khác nhau - Các định luật Bergonie & Tribondeau :
Vào năm 1906, hai nhà khoa học người Pháp là Bergonie và Tribondeau lần đầu tiên đã thiết lập được mối quan hệ giữa độ nhạy bức xạ và mức độ trưởng thành và mức độ trao đổi chất của tế bào. Các quan hệ này được phát biểu thành các định luật Bergonie và Tribondeau như sau:
1. Các tế bào mầm (stem cell) rất nhạy đối với phóng xạ. Tế bào càng trưởng thành, độ kháng tia càng cao.
2. Các mô và cơ quan càng trẻ thì càng nhạy bức xạ.
3. Mức độ trao đổi chất càng cao thì độ nhạy càng cao
4. Khi tốc độ tăng trưởng (proliferation rate) của các tế bào và tốc độ phát triển (growth rate) của các mô càng cao thì độ nhạy phóng xạ càng cao.
b.
Sự phụ thuộc của độ nhạy bức xạ vào chu kỳ tế bào :
Đối với những tế bào thuộc cùng một loại, kỹ thuật in vitro cũng cho phép khảo sát độ nhạy bức xạ vào các giai đoạn khác nhau của chúng. Một chu kỳ tiến hoá của tế bào có khả năng sinh sản có thể được chia làm 4 giai đoạn, căn cứ vào cấu trúc của nhiễm sắc thể (chromosome) chứa DNA.
− M (phân chia tế bào: mitosis)
− G1 (chuẩn bị tổng hợp: 1st growth)
− S (tổng hợp: synthetic)
− G2 (tăng trưởng: 2nd growth)
Độ nhạy của tế bào đối với bức xạ trong các giai đoạn này là không như nhau. Thực nghiệm cho thấy tế bào nhạy nhất đối với bức xạ khi nó đang ở giai đoạn G2, kém nhạy hơn khi đang ở giai đoạn S, kém hơn nữa khi ở giai đoạn G1 và ít nhạy bức xạ nhất khi ở giai đoạn M (hình bên dưới).