CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về cholesterol và cảm biến sinh học 1.1 Tổng quan về cholesterol 1.1 Cholesterol là gì? Cholesterol có tên gọi xuất phát từ tiếng Hi Lạp chole- (mật) và stereos (rắn), vì nó được phát hiện lần đầu ở dạng rắn trong sỏi mật. Cholesterol là một dạng chất béo có trong máu, có vai trò tạo nên lớp màng cho các tế bào, được hình thành một cách tự nhiên trong cơ thể hoặc do cơ thể hấp thu được qua ăn uống. Cholesterol có mặt ở tất cả các bộ phận trên cơ thể, không hòa tan trong máu mà lưu thông khắp nơi nhờ vào sự hỗ trợ của các chất “protein vận chuyển” (transporter protein). Cholesterol có nhiều loại khác nhau, thường gặp là ba loại có tác động tới sức khỏe đó là cholesterol HDL (High-density lipoprotein), cholesterol LDL (Low-density lipoprotein) và chất béo triglyceride.
Trong khi cholesterol HDL được xem là tốt vì giảm được lượng chất béo dư thừa trong cơ thể bằng cách chuyển chúng từ hệ thống động mạch tới gan để xử lý và thải ra ngoài, thì cholesterol LDL bị xem là xấu do tích tụ nhiều ở động mạch khiến động mạch ngày càng hẹp đi, cản trở tuần hoàn máu, dễ dẫn đến các bệnh tim mạch cũng như nhiều sự cố khác. Lượng cholesterol trong máu cao hay thấp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như di truyền, chế độ dinh dưỡng, béo phì, tuổi tác, giới tính, thói quen sinh hoạt… Lượng cholesterol trong máu cao sẽ dẫn đến tình trạng các chất béo dư thừa bám vào thành mạch máu, lâu ngày khiến chúng bị chai (bệnh xơ cứng động mạch) hoặc thu nhỏ lại, gây cản trở tuần hoàn máu, dẫn đến nguy cơ đau thắt ngực, nhồi máu cơ tim và tai biến mạch máu não.1: Cấu trúc hóa học của cholesterol LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 Cholesterol được tổng hợp chủ yếu từ acetyl CoA theo đường HMG-CoA reductase ở nhiều tế bào/mô. Khoảng 20–25% lượng cholesterol tổng hợp mỗi ngày (~1 g/ngày) xảy ra ở gan, các vị trí khác có tỉ lệ tổng hợp cao gồm ruột, tuyến thượng thận và cơ quan sinh sản. Với một người khoảng 68 kg, tổng lượng cholesterol trung bình trong cơ thể khoảng 35g (35.
Trong một ngày lượng nội sinh trung bình khoảng 1000 mg và từ thức ăn trung bình khoảng 200 đến 300 mg. Sự di chuyển cholesterol trong cơ thể có tính chất tuần hoàn, nó được bài tiết ở gan qua mật đến cơ quan tiêu hóa. Khoảng 50% lượng cholesterol bài tiết được tái hấp thu ở ruột non vào hệ tuần hoàn. Phytosterols có thể cạnh tranh với cholesterol trong công tác tái hập thu của ruột vì vậy làm suy giảm độ tái hấp thu của cholesterol vào máu.011,15] heptacos -7-en-5-ol - Khối lượng phân tử: 386.65 g/mol - Hình dạng: tinh thể rắn màu trắng - Khối lượng riêng: 1.052 g/cm3 - Nhiệt độ nóng chảy: 148-150ºC - Nhiệt độ sôi: 360 ºC (phân hủy) - Độ tan trong nước: 0.095mg/L - Tan trong các dung môi: acetone, benzene, chloroform, ethanol, ether, hexan, methanol, isopropyl myristate.2 Vai trò của cholesterol trong cơ thể Khoảng 80% lượng cholesterol trong cơ thể được chuyển thành cholic acid tại gan, cholic acid sẽ kết hợp với các thành phần khác hình thành muối mật có tác dụng xác tác trong quá trình tiêu hóa và hấp thụ các chất béo.
- Một tỷ lệ nhỏ cholesterol được sử dụng theo các con đường: + Được tuyến thượng thận sử dụng để tổng hợp hormone vỏ tuyến thượng thận, + Hình thành estrogen và progesterol tại buồng trứng, + Được dịch hoàn sử dụng để tổng hợp testostereone, + Cholesterol tham gia cấu trúc màng tế bào, + Một lượng nhỏ cholesterol có mặt tại biểu bì da, cùng với các chất béo khác, cholesterol tạo cho da các chức năng: Kháng lại việc hấp thu các chất hòa tan trong nước Kháng tác động của nhiều hóa chất Ngăn cản quá trình bốc hơi nước từ da LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 Như vậy cholesterol có vai trò rất quan trọng trong cơ thể con người khi hàm lượng của nó ở mức phù hợp. Ở người trưởng thành, cholesterol toàn phần ở mức bình thường vào khoảng 4 – 5. Những gười có mức cholesterol cao hơn mức này sẽ dẫn đến nhiều bệnh khác nhau.3 Ảnh hưởng của hàm lượng cholesterol tới sức khỏe Cholesterol tồn tại trong mọi tế bào của cơ thể và rất cần thiết trong việc xây dựng các tế bào khỏe mạnh và kích thích tố. Tuy nhiên, cholesterol cũng là nguyên nhân gây nên các bệnh tim mạch như xơ vữa động mạch, cao huyết áp, thiểu năng mạch vành, nhồi máu cơ tim, tai biến mạch máu não.Vấn đề về tim nghiêm trọng có thể là kết quả của hàm lượng cholesterol trong cơ thể quá cao.
Cholesterol cao không phải là kết quả của việc ăn các loại thực phẩm chứa nhiều chất béo trong một vài ngày, vài tuần hoặc thậm chí một vài tháng, nhưng nếu sau nhiều năm ăn uống như vậy thì hàm lượng cholesterol cao là điều khó tránh. Có hai loại cholesterol là cholesterol tốt và xấu. Cholesterol xấu (LDL), là sự tích tụ của cholesterol có thể gây ra tắc nghẽn động mạch. Cholesterol tốt (HDL), giúp ngăn ngừa sự tích tụ cholesterol trong động mạch trở về gan.
Trên thế giới cũng như ở nước ta, các bệnh về tim mạch ngày càng gia tăng và là nguyên nhân gây tử vong hàng đầu ở nhiều nước. Ở Mỹ, hàng năm có khoảng 6 triệu người bị bệnh tim, trong số này có khoảng 1,5 triệu người bị đau tim và một phần ba số này chết. Khoảng 1/5 trong số các trường hợp đau tim không hề có triệu chứng hay dấu hiệu cảnh báo trước. Tần số đàn ông Mỹ bị chết vì bệnh tim là khoảng 200/100.000 dân số, còn ở Anh, tỷ suất này là khoảng 250/100.1 (200 – 239) Giới hạn cao ≥6.0 (130 – 159) Giới hạn cao 4.8 (160 – 189) Cao LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.5 (400) Rất cao Bảng I.1: Giới hạn hàm lượng cholesterol trong máu của người trưởng thành 1.4 Biện pháp điều chỉnh cholesterol trong máu Để giảm cholesterol trong máu có nhiều biện pháp khác nhau như sử dụng các loại thuốc có chứa chất simvastatine và chất ezetimibe hay các loại thuốc có chứa statin, nhưng một biện pháp hữu hiệu để điều chỉnh cholesterol trong máu là bằng chế độ ăn uống hợp lý.
Do sở thích ăn uống và sự thiếu hiểu biết về thành phần dinh dưỡng của các loại thực phẩm, một số người thường xuyên sử dụng một số lượng lớn các thực phẩm có hàm lượng cholesterol cao như óc, gan, các loại thịt có chứa nhiều chất béo (thịt gà, heo, cá) và đặc biệt là trứng. Có một số người ăn một lượng lớn trứng trong một thời gian dài mà không biết tới hậu quả mà nó sẽ gây ra. Trứng là thức ăn rất bổ dưỡng cho cơ thể, tuy nhiên chúng ta chỉ nên ăn với một lượng hợp lý để góp phần đề phòng và giảm lượng cholesterol trong máu nhằm tránh các bệnh về tim mạch.2 Tổng quan về cảm biến sinh học 1.1 Khái niệm cảm biến sinh học Cảm biến sinh học (Biosensor) thực chất là một thiết bị phân tích chuyển một tín hiệu sinh học thành một tín hiệu điện. Đầu tiên, Cảm biến sinh học sẽ nhận dạng hiện tượng và biên dịch thành một đặc tính có thể định lượng được, sau đó đặc tính định lượng này được chuyển đổi thành một tín hiệu điện bởi một bộ biến năng.
Trong cảm biến sinh học, hiện tượng được nhận dạng bởi một hệ thống sinh học gọi là cơ quan thụ cảm sinh học (bioreceptor). Hệ thống này sẽ tiếp xúc trực tiếp với mẫu phân tích LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 gây ra phản ứng và tạo thành hợp chất nhạy cảm cho cảm biến sinh học. Cơ quan thụ cảm sinh học có đặc tính chọn lọc đặc biệt đối với chất phân tích.2: Sơ đồ cấu tạo của cảm biến sinh học 1.2 Đặc điểm, yêu cầu của cảm biến sinh học Để định lượng, cảm biến sinh học phải đáp ứng yêu cầu liên quan đến đo lường: khả năng lặp lại, khả năng tái sử dụng cao, tính chọn lọc, tính nhạy cảm, vùng trả lời tuyến tính và thời gian đáp ứng tín hiệu tốt. Các phép đo có độ lặp lại tốt nếu như hai loạt kết quả thu được tương tự nhau được thực hiện bởi cùng người phân tích, sử dụng cùng cảm biến sinh học trong cùng một mẫu phân tích.
Phương pháp đo có khả năng tái sử dụng cao nếu các kết quả trước có thể đạt được khi tiến hành phân tích lặp lại lần hai. Tính chọn lọc của cảm biến sinh học thể hiện ở khả năng nhận ra một hợp chất đơn trong hỗn hợp các cấu tử của mẫu, khả năng này phụ thuộc vào cơ quan thụ cảm sinh học và bộ biến năng. Một cảm biến sinh học có tính chọn lọc cao nếu như thành phần tạp chất của mẫu thấp. Tính nhạy cảm của cảm biến sinh học thể hiện ở sự thay đổi về lượng thì sẽ gây ra sự thay đổi về tín hiệu trả lời: Da = sDm Trong đó Da: Độ dao động về biên độ của dòng ra Dm: Độ dao động về biên độ của dòng vào s: Độ nhạy cảm của cảm biến sinh học, đặc trưng cho mức độ phù hợp của cảm biến sinh học trong một ứng dụng cụ thể.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Đối với Cảm biến sinh học đo bằng điện thế thì biên độ của tín hiệu trả lời tỷ lệ thuận với logarite của nồng độ chất phân tích. Theo định luật Nernst: Da = sD(logc). Vùng tín hiệu tuyến tính thu được là một đường cong hiệu chỉnh của tín hiệu trả lời với nồng độ khác nhau của chất phân tích. Đường cong chỉ thật sự có ý nghĩa nếu tiến hành hiệu chỉnh cả hai loạt nồng độ tăng và giảm.
Đường cong hiệu chỉnh gọi là tốt nếu như tín hiệu trả lời ổn định theo thời gian. Thời gian đáp ứng khá dài bởi bản chất của đường cong hiệu chỉnh, nó cho biết một phương pháp đo cho tín hiệu trả lời nhanh hay chậm khi thay đổi nồng độ.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học Các chất cần phân tích trong mẫu phân tích sẽ đi vào trong điện cực, màng ngoài (external membrane) của cảm biến sinh học sẽ cho các chất cần phân tích thấm qua. Các thành phần sinh học (enzym, tế bào vi sinh vật, mô, cơ quan) sẽ phản ứng với chất cần phân tích và tạo ra các đáp ứng mà các bộ biến năng (transducer) có thể phát hiện được. Các thành phần sinh học ở đây thực hiện các hoạt động sau: Biến đổi các chất cần phân tích thành các chất hóa học khác thông qua các phản ứng sinh hóa (biểu diễn bằng vòng tròn rỗng trong sơ đồ).