Bên cạnh vai trò của 5 gradien kể trên thì hướng vận chuyển của dòng vật chất còn phụ thuộc vào cường độ trao đổi chất của tế bào. Khi tương quan giữa các quá trình tổng hợp và phân huỷ ở trong tế bào thay đổi thì hướng vận chuyển của dòng vật chất cũng bị thay đổi. Ví dụ ở những tế bào hồng cầu non thường xảy ra quá trình tích lũy các chất nên ion kali và photphat thường thấm vào trong tế bào với cường độ lớn. Ở những tế bào hồng cầu già thì nhu cầu tích luỹ các chất ít còn quá trình phân hủy các nucleotide diễn ra mạnh nên ion kali và photphat lại thải ra môi trường ngoài với cường độ lớn mặc dù vẫn tồn tại gradien màng hồng cầu. Cuối cùng còn phải kể đến vai trò của các chất kích thích hoặc gây thương tổn đối với tế bào. Lý thuyết hưng phấn chỉ ra rằng tại những vùng màng sợi trục noron, khi có sóng hưng phấn truyền qua thì tính thấm của màng đối với ion tăng lên. Khi dùng thuốc để phá hủy các tế bào ung thư thì giải phóng gốc photphat. V. Quá trình khuyếch tán và định luật Fich Cơ chế vận chuyển chủ yếu của các chất hoà tan trong nước qua màng là quá trình khuyếch tán. Nếu vật chất chuyển động cùng với dòng dung môi theo hướng tổng gradien, gọi là quá trình khuyếch tán thuận. Trong trường hợp chỉ tồn tại gradien nồng độ thì vật chất vận chuyển theo hướng gradien nồng độ, gọi là quá trình khuyếch tán. Năm 1856, Fich đã tìm ra định luật khuyếch tán của vật chất. Tốc độ khuyếch tán của vật chất trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với gradien nồng độ và diện tích màng nơi vật chất thấm qua. Biểu thức toán học của định luật Fich: dx dC .S.D dt dm −= (3.1) dt dm : tốc độ khuyếch tán của vật chất (gam/giây). D : hệ số khuyếch tán. Đối với mỗi chất nó là một hằng số. Ví dụ với đường mía thì D=0,384, với đường Mantoza thì D=0,373. Đơn vị của hệ số khuyếch tán là Cm -1 . s -1 . S: Diện tích bề mặt màng tế bào nơi vật chất thấm qua (cm 2 ). dx dC : gradien nồng độ. Dấu trừ ở vế phải của phương trình (3.1) thể hiện sự khuyếch tán của vật chất theo chiều từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp làm cho sự chênh lệch về nồng độ sẽ giảm dần. Định luật Fich có thể được trình bày qua dòng khuyếch tán i k , là lượng vật chất thấm qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian. dt.S dm i k = (3.2) So sánh phương trình (3.2) với phương trình (3.1) rút ra: dx dC Di k −= (3.3) Từ (3.3) suy ra, nếu gradien nồng độ dx dC không thay đổi theo thời gian thì dòng khuyếch tán vật chất i k cũng không thay đổi theo thời gian, khi đó tế bào ở trạng thái cân bằng dừng. Từ phương trình (3.1) cho thấy với một chất xác định thì tốc độ khuyếch tán trong một đơn vị thời gian chỉ còn phụ thuộc vào gradien nồng độ dx dC . Trên thực tế xác định độ dày của màng tế bào là dx gặp rất nhiều khó khăn vì độ dày màng thường thay đổi theo sinh lý tế bào như hồng cầu độ dày của màng thay đổi từ 30 đến vài trăm Angstron ( ). Bởi vậy, hai tác giả là Berlien và Colender đã đưa ra phương trình : o A o A )CC(S.P dt dm 21 −= (3.4) C 1 , C 2 là nồng độ chất ở hai phía của màng tế bào. P: Hằng số thấm phụ thuộc vào bản chất của các chất thấm, được xác định bằng tỉ số giữa lượng vật chất thấm ra bên ngoài và lượng vật chất có trong tế bào. Với ion Natri ( Na + ) thì P = [Na + ] thấm ra ngoài / [ Na + ] trong tế bào ([Na + ] là nồng độ ion Natri). Khuyếch tán là quá trình vận chuyển thụ động của các chất hoà tan trong nuớc nên nếu xảy ra cơ chế khuyếch tán liên hợp tức là sự vận chuyển đồng thời hai chất cùng một lúc nên hằng số thấm không chỉ liên quan tới một chất mà còn liên quan tới chất khuyếch tán liên hợp. Ví dụ sự khuyếch tán của Na + có liên quan tới sự khuyếch tán của K + nên hằng số thấm phụ thuộc cả vào Na + lẫn K + . Ngoài quá trình khuyếch tán thường, sự xâm nhập của vật chất vào trong tế bào còn được thực hiện theo cơ chế khuyếch tán trao đổi và khuyếch tán liên hợp. -Khuyếch tán trao đổi : bằng phương pháp đồng vị phóng xạ đánh dấu, các nhà khoa học phát hiện ra rằng Na + và các ion khác ở hồng cầu thường được thay thế bởi chính ion đó ở môi trường bên ngoài. Theo Uxing, quá trình trao đổi Na + ở bên trong và bên ngoài màng có sự tham gia của chất mang ( hay chất chuyển ). Đầu tiên chất mang liên kết với Na + ở trong nội bào sau đó vận chuyển ra bên ngoài màng. Ở bên ngoài, Na + ở trong tế bào được giải phóng còn Na + có sẵn ở môi trường bên ngoài lại liên kết với chất mang và được vận chuyển vào trong nội bào. Ở trong tế bào, Na + có nguồn gốc từ môi trường lại được giải phóng còn chất mang lập lại quá trình trao đổi ion tiếp theo. Quá trình khuyếch tán trao đổi Na + vẫn đảm bảo nồng độ Na + ở hai phía của màng không thay đổi. -Khuyếch tán liên hợp : là quá trình vận chuyển của chất này có liên quan tới quá trình vận chuyển của chất khác hoặc là tạo phức chất với một chất khác. Ví dụ sự vận chuyển của Na + ra bên ngoài tế bào có liên quan tới sự vận chuyển của K + vào trong tế bào. Nếu dùng tác nhân ngoài ức chế dòng vận chuyển ra của Na + thì dòng vận chuyển vào của K + cũng bị ức chế theo. Khuyếch tán liên hợp theo kiểu tạo phức chất được đưa ra để giải thích sự xâm nhập của glucose, glixerin, axit amin và một số chất khác vào trong tế bào. Glucose hầu như không tan trong lipit và có kích thước lớn hơn kích thước siêu lỗ nhưng glucose lại thấm qua màng rất nhanh. Cơ chế thấm của glucose được giải thích do phân tử glucose (kí hiệu là G) kết hợp với chất mang (kí hiệu là M) tạo thành phức chất (kí hiệu là GM) và phức chất này lại hoà tan tốt trong lipit nên thấm vào tế bào rất nhanh. Ở trong tế bào glucose được giải phóng còn chất mang ở trạng thái tự do sẽ quay lại định vị trên màng tế bào, tham gia vào vận chuyển phân tử glucose tiếp theo. VI. Quá trình vận chuyển tích cực Vận chuyển tích cực là quá trình vận chuyển các chất ngược hướng tổng gradien và có tiêu tốn năng lượng của quá trình trao đổi chất. Ở trạng thái sinh lí bình thường do màng tế bào có tính bán thấm nên dẫn tới sự phân bố không đồng đều của một số ion giữa bên trong và bên ngoài màng. Điều này được thể hiện qua bảng 3.1. Bảng 3.1: Nồng độ ion trong tế bào cơ và dịch gian bào Nồng độ ion (đơn vị là mili phân tử gam) Na + K + Cl - HCO 3 - Dịch gian bào 145 4 120 27 Trong tế bào 12 115 3.8 8 Kết quả từ bảng 3.1 cho thấy nồng độ Na + ở bên ngoài cao hơn trong tế bào trên 10 lần, nồng độ K + trong tế bào lại cao hơn bên ngoài gần 30 lần còn nồng độ Cl - ở bên ngoài cao hơn trong tế bào cũng gần 30 lần. Sự phân bố không đồng đều của một số ion giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào ở những đối tượng sinh vật khác nhau thì khác nhau. Trong hoạt động sống của tế bào, do nhu cầu quá trình trao đổi chất đòi hỏi phải vận chuyển ion và một số chất ngược hướng tổng gradien nên phải cần tới quá trình vận chuyển tích cực mới đáp ứng được. Ví dụ : đối với những hồng cầu non do nhu cầu tích luỹ các chất cao nên K + được thấm vào trong tế bào với cường độ lớn mặc dù phải vận chuyển ngược gradien nồng độ. Song khi hồng cầu đã trở thành một tế bào hoàn chỉnh thì sự vận chuyển tích cực của K + vào trong tế bào sẽ chấm dứt. Quá trình vận chuyển tích cực đòi hỏi phải hao tốn năng lượng của quá trình trao đổi chất. Maidel và Haris đã chứng minh rằng ở nhiệt độ bình thường của cơ thể khi trong môi trường có chất gluxit thì các ion dương có thể vận chuyển ngược gradien nồng độ. Nếu dùng thêm axit monoiôt axêtic hoặc floritnatri thì sự vận chuyển tích cực các ion dương sẽ giảm đi rõ rệt. Điều này được giải thích do quá trình glicoliz đã phân giải gluxit thành axit lactic và giải phóng ra năng lượng được tích luỹ vào 2 phân tử ATP (phân giải yếm khí) còn phân giải hiếu khí sẽ giải phóng ra năng lượng cao gấp 20 lần phân giải yếm khí. Đây chính là nguồn năng lượng để cung cấp cho sự vận chuyển tích cực các ion dương. Khi thêm axit monoiôt axêtic hay florit natri, hai chất này đã phá huỷ quá trình glicoliz nên không còn năng lượng để cung cấp, vì vậy sự vận chuyển tích cực các ion dương bị giảm đi. Quá trình vận chuyển tích cực bao giờ cũng là sự vận chuyển có tính chọn lọc và chỉ diễn ra khi có nhu cầu của tế bào. * Quá trình vận chuyển chủ động các ion dương Giả thuyết đầu tiên đưa ra để giải thích cơ chế vận chuyển các ion dương là của Hacxley và Convay, đã được đa số các nhà nghiên cứu ủng hộ . Hai ông cho rằng trên màng phải có một bộ máy gọi là “bơm Natri”. Khi tế bào ở trạng thái tĩnh, “bơm Natri” có khả năng “bơm” Na + từ nội bào ra môi trường ngược gradien nồng độ. “Bơm Natri” hoạt động thông qua hệ thống enzyme và sử dụng năng lượng của quá trình trao đổi chất. “Bơm Natri” thực chất là một chất mang có sẵn trong màng hay được hình thành do sự tương tác của Na + với một thành phần nào đó của màng. Khi đó phức chất “chất mang gắn Na + " sẽ xuyên qua màng ra môi trường ngoài và dưới tác dụng của enzyme thì Na + được giải phóng còn chất mang ở trạng thái tự do lại trở về định vị trên màng tế bào để thực hiện chu trình vận chuyển Na + tiếp theo. Sau này Hodgkin, Katz và Scou (1954) đều thống nhất cho rằng màng có một bộ máy gọi là “bơm Natri - Kali”. Bơm này có khả năng “bơm” K + từ môi trường vào nội bào và “bơm” Na + từ nội bào ra môi trường, khi tế bào ở trạng thái tĩnh. Nguồn năng lượng cung cấp trực tiếp cho "bơm Natri - Kali” hoạt động được lấy từ ATP. Các tác giả cho rằng “bơm Natri - Kali" thực chất là một chất chuyển trung gian có sẵn trong màng hay được tạo thành do nhu cầu của sự vận chuyển tích cực của ion. Chất chuyển trung gian có khả năng liên kết với Na + ở mặt trong của màng , sau đó chuyển Na + ra mặt ngoài của màng tế bào. Ở môi trường ngoài, Na + được tách ra còn K + lại liên kết với chất chuyển và được đưa vào mặt trong của màng tế bào. Ở trong tế bào, K + được giải phóng còn chất chuyển ở trạng thái tự do lại thực hiện chu trình vận chuyển ion Na + và K + tiếp theo. Hodgkin tính toán lí thuyết cho rằng năng lượng thủy phân 1mol ATP đủ để vận chuyển 1mol ion dương (cation) qua màng ngược gradien điện thế có giá trị khoảng 400mV. Thực nghiệm mới chỉ xác định tính toán của Hodgkin phù hợp với sự vận chuyển H + qua màng dạ dày có gradien điện thế lớn khoảng 400mV. Ở noron thần kinh có gradien điện thế gần bằng 120 mV nên năng lượng thuỷ phân 1ATP đủ để vận chuyển từ 2 đến 3Na + , ngược gradien điện thế. Thực nghiệm đã xác định “bơm Natri – Kali” chính là chất chuyển trung gian, định vị trên màng tế bào (xem hình 3.2). Để thực hiện sự vận chuyển chủ động Na + và K + thì chính hai ion này đã hoạt hoá enzyme ATPase để xúc tác cho phản ứng thuỷ phân ATP, giải phóng ra năng lượng cung cấp cho quá trình vận chuyển Na + ra bên ngoài đồng thời vận chuyển K + vào trong tế bào qua chất chuyển trung gian. Hình 3.2: Sơ đồ cơ chế hoạt động của “bơm Natri – Kali” (theo giả thuyết Hodgkin, Katz và Scou) Kết quả nghiên cứu trên noron thần kinh và tế bào thận đã xác định do nhu cầu cần có sự vận chuyển ion chủ động, trong màng xuất hiện (hoặc đã có trước) chất chuyển trung gian có bản chất là lipoProtein hoặc photphoProtein. Quá trình vận chuyển chủ động Na + và K + trải qua 3 giai đoạn sau: - Giai đoạn 1: Xảy ra phản ứng photphoril hóa (tức chuyển gốc photphat cho chất chuyển trung gian). Phản ứng chỉ có thể xảy ra khi enzyme ATPase được hoạt hóa bởi Na + đã xúc tác cho phản ứng thủy phân ATPđể giải phóng năng lượng và chuyển gốc photphat. Kết quả là Na + và gốc photphat đã được gắn vào chất chuyển trung gian và phản ứng xảy ra ở bên trong tế bào: ATP + photphoprotein + Na + Na⎯⎯→⎯ ATPase + - photphoprotein - P+ADP. - Giai đoạn 2: Phức chất Na + - photphoprotein - P xuyên qua màng tế bào ra môi trường ngoài. Ở bên ngoài, xảy ra phản ứng trao đổi ion: Na + - photphoprotein - P + K + → K + - photphoprotein - P + Na + - Giai đoạn 3: Phức chất K + - photphoprotein - P lại xuyên qua màng vào trong nội bào. Ở trong tế bào, xảy ra phản ứng dephotphat (loại bỏ gốc photphat) và giải phóng K + . K + - photphoprotein - P → K + + photphoprotein + P Phân tử photphoprotein ở trạng thái tự do lại tiếp tục tham gia vào quá trình vận chuyển chủ động Na + và K + khác. Để giải thích vì sao chất chuyển trung gian lại có thể khi thì gắn với Na + , khi lại gắn với K + , các nhà khoa học đã dựa vào thuyết Eidenman. Thuyết này cho rằng chất chuyển trung gian có điện tích âm, khi nó thay đổi các nhóm mang điện tích âm sẽ thay đổi lực hút tĩnh điện. Do vậy, chất chuyển trung gian có khả năng khi thì "hút" Na + , khi lại "hút" K + . - Giả thuyết Opit và Trernoc: Hai ông cho rằng "bơm Natri - Kali" thực chất là một protein xuyên màng, là thành phần cấu trúc của màng tế bào. Hình 3.3. Sơ đồ hoạt động của "bơm Natri - Kali" (Theo Bruce Alberts et all, 1994) Protein xuyên màng có hai miền A và B, trong đó miền A có ái lực (lực hút tĩnh điện) đối với Na + còn miền B lại có ái lực đối với K + . Khi tế bào có nhu cầu vận chuyển chủ động ion thì ATP tương tác với protein xuyên màng dẫn tới có sự gắn Na + vào miền A đồng thời khi chuyển gốc photphat từ ATP sang protein xuyên màng đã làm cho phân tử protein xuyên màng thay đổi hình thù (hoặc quay 180 o ). Bây giờ cả miền A và miền B đã quay ra phía ngoài màng và Na + được giải phóng ra môi trường ngoại bào còn K + lại được gắn vào miền B của protein xuyên màng. Tiếp đó xảy ra phản ứng dephotphat (loại bỏ gốc photphat) và phân tử protein xuyên màng trở về vị trí lúc ban đầu (hoặc quay 180 o ). Bây giờ miền B lại quay về phía trong màng và K + lại được giải phóng ra tế bào chất còn phân tử protein xuyên màng lại tiếp tục vòng vận chuyển chủ động ion Na + và K + khác. Còn theo Bruce Alberts et all (xem hình 3.3) thì protein xuyên màng là ATPase cũng có miền nhận Na + và miền nhận K + . Nhờ phản ứng thủy phân ATP mà gốc photphat từ ATP đã được chuyển sang protein xuyên màng, làm cho phân tử protein xuyên màng thay đổi hình thù (tức mặt trong của nó mở ra) để cho Na + gắn vào miền A. Sau đó mặt trong đóng lại còn mặt ngoài lại mở ra để giải phóng Na + đồng thời K + lại được gắn vào miền B. Tiếp theo ATPase loại bỏ gốc photphat để trở về hình thù ban đầu (tức mặt ngoài đóng lại còn mặt trong mở ra) để giải phóng K + vào trong tế bào. Phân tử ATPase ở trạng thái tự do lại tham gia vào quá trình vận chuyển ion tiếp theo. VII. Quá trình vận chuyển các chất hữu cơ Quá trình vận chuyển chủ động các chất hữu cơ (đặc biệt là đường và axit amin) nó phụ thuộc vào cấu trúc màng tế bào và cấu trúc phân tử chất hữu cơ. Ví dụ tế bào cơ ếch chỉ thấm các loại đường glucose, galactose, dạng L-azabinose còn không thấm đối với dạng D-azabinose (có nhóm OH nằm phía bên phải nguyên tử cacbon đứng liền sau nhóm COOH). Tế bào gan lại thấm đường hecxose, pentose rất nhanh còn đường mantose lại thấm rất ít. Quá trình vận chuyển chủ động các axit amin cũng xảy ra theo cơ chế tương tự như đối với đường. Ví dụ màng thể riboxom thấm glixin, dạng D-alanin (nhóm NH 2 nhằm phía bên phải nguyên tử cacbon đứng liền sau nhóm COOH) và dạng L-valin dễ dàng, trong khi đó lại hoàn toàn không thấm đối với dạng L-alanin. * Cơ chế vận chuyển chủ động đối với đường: Các nhà khoa học cũng cho rằng để vận chuyển đường ngược gradien nồng độ cũng cần có sự tham gia của chất chuyển đặc trưng, enzyme và ATP. Điều này đã được Heliman và Ianoy chứng minh bằng thực nghiệm vào năm 1971. Hai ông thấy rằng màng tế bào bêta của tuyến tụy ở động vật có vú có khả năng thấm dạng D-glucose ngược gradien nồng độ còn hoàn toàn không thấm dạng L-glucose. Nhưng nếu thêm vào môi trường nuôi cấy ít chất floritzin (là một độc tố) thì khả năng thấm của tế bào bêta tuyến tụy đối với dạng D-glucose cũng bị mất đi. Điều này chỉ có thể giải thích do floritzin đã ngăn cản phản ứng thủy phân ATP để cung cấp năng lượng hay ức chế enzyme xúc tác cho phản ứng liên kết giữa chất chuyển đặc trưng với D-glucose hoặc ngăn cản cả hai phản ứng trên. Bằng chứng tiếp theo là kết quả nghiên cứu của Udas theo dõi sự vận chuyển glucose qua màng nhau thai cừu. Udas thấy rằng nếu nồng độ glucose ở môi trường ngoài nhỏ hơn giá trị nồng độ giới hạn, nếu tăng nồng độ glucose lên thì quá trình vận chuyển glucose qua màng nhau thai cừu cũng tăng theo. Song nếu nồng độ glucose ở môi trường ngoài tiếp tục tăng khi lớn hơn giá trị nồng độ giới hạn thì sự vận chuyển glucose qua màng nhau thai cừu không tăng thêm nữa. Từ đó Udas cho rằng phải có một chất chuyển đặc trưng đối với đường glucose. Khi nồng độ glucose ở môi trường nhỏ hơn nồng độ giới hạn nếu tăng lên thì vẫn đủ chất chuyển đặc trưng (với quan niệm một chất chuyển gắn với một phân tử đường) nên sự vận chuyển glucose qua màng nhau thai cừu cũng tăng theo. Khi nồng độ glucose ở môi trường ngoài tăng cao vượt quá nồng độ giới hạn do nồng độ chất chuyển đặc trưng không tăng thêm nữa nên sự vận chuyển glucose qua màng nhau thai cừu sẽ không tăng. Quá trình vận chuyển chủ động của đường còn theo cơ chế khuyếch tán liên hợp. Đường hòa tan tốt trong nước nhưng không hòa tan trong lipit và có kích thước lớn hơn đường kính siêu lỗ nên không thể thấm trực tiếp qua màng tế bào. Khi đó phân tử đường sẽ tạo phức với chất chuyển đặc trưng (phần lớn tạo phức với enzyme). Phức chất này khi đó lại hòa tan tốt trong lipit nên khuyếch tán qua màng tế bào một cách dễ dàng. Ở trong tế bào, phức chất bị enzyme phân giải thành chất chuyển đặc trưng và phân tử đường. Như vậy, phân tử đường đã được vận chuyển vào trong tế bào còn chất chuyển đặc trưng lại quay trở lại màng tế bào để tiếp tục quá trình vận chuyển mới. Đường cũng có thể được vận chuyển chủ động nhờ vào hệ thống enzyme với sự tham gia của ATP. Ví dụ đường glucose bình thường không thể thấm ngược gradien nồng độ. Nhờ enzyme hexokinase xúc tác đã dẫn tới phản ứng: Glucose + ATP glucozo - 6 - P + ADP ⎯⎯⎯⎯ hexokinase → Khi đó nồng độ glucozo - 6 - P ở bên ngoài lại cao hơn bên trong tế bào và hòa tan trong Lipit nên dễ dàng thấm vào trong tế bào. Ở trong tế bào, với sự xúc tác của enzyme glucozo - 6 -photphatase đã dẫn tới phản ứng: Glucozo - 6 - P glucose ⎯⎯⎯⎯⎯→⎯ −− ephotphatas6G Như vậy, nhờ hai enzyme với sự tham gia của ATP mà glucose đã được vận chuyển ngược gradien nồng độ vào trong tế bào. Quá trình vận chuyển đường còn phụ thuộc vào độ pH và nhiệt độ môi trường. Theo các tác giả Arnost, Ausiello, Denis (1970), sự hấp thụ đường xảy ra mạnh ở độ pH từ 6,2 đến 8,2. Tốc độ thấm các loại đường qua màng liên quan tới nhiệt độ được giải thích bằng phương trình do Michalis và Menthen đưa ra dùng để giải thích sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng men vào nhiệt độ. Đó là: m KS Sv v + = ][ ].[ max (3.5) v: Tốc độ phản ứng v max : tốc độ phản ứng cực đại ở nhiệt độ thích ứng [S]: Nồng độ cơ chất K m : Hằng số Michalis có giá trị từ 10 -1 đến 10 -6 Áp dụng đối với đường: KC Cv v n n + = . max (3.6) v: Tốc độ thấm của đường qua màng v max : Tốc độ thấm cực đại của đường ở nhiệt độ thích ứng C n : Nồng độ đường ở môi trường ngoài K: Hằng số liên quan tới khả năng liên kết giữa phân tử đường với chất chuyển đặc trưng. Ở mỗi đối tượng nghiên cứu, hằng số K có một giá trị xác định. Ví dụ ở chuột đồng, với đường glucose thì K=9mM còn với đường galactose thì K=35mM. * Cơ chế vận chuyển chủ động đối với axit amin: Cũng giống như con đường vận chuyển chủ động đối với đường, sự vận chuyển chủ động các axit amin cũng có sự tham gia của chất chuyển đặc trưng, ATP và enzyme. Ví dụ quá trình tái hấp thu axit amin của tế bào biểu mô ống lượn của thận, nhờ xúc tác bởi enzyme gamaglutamyltransferase mà xảy ra phản ứng chuyển nhóm glutamyl của glutathion cho axit amin diễn ra như sau: transferase axit amin + glutathion → gamaglutamyltransferase - a.amin + xystenylglixin Sau đó gamaglutamyl - a.amin và xystenylglixxin đều thấm vào bào tương. Trong bào tương axit amin được tách ra còn gamaglutamyl lại kết hợp với xystenylglixin tạo thành glutathion. Các phản ứng chuyển nhóm, tách nhóm và kết hợp có sự cung cấp năng lượng từ 3ATP. Glutathion sau khi được tái lập lại tiếp tục vòng vận chuyển axit amin khác. Quá trình thấm các axit amin phụ thuộc vào độ pH. Theo Lidonald (1971), trừ glixin và alanin còn phần lớn các axit amin sự hấp thu ở độ pH=7 diễn ra mạnh hơn nhiều so với ở độ pH=5 hoặc pH=6. Quá trình vận chuyển các chất hữu cơ có liên quan tới một số ion, chẳng hạn như Na + . Thực nghiệm đã chứng minh xtrophantin là chất ức chế sự vận chuyển Na + đồng thời xtrophantin cũng ức chế sự vận chuyển các loại đường, nucleotide, peptide, axit amin. VIII. Tính thấm của tế bào đối với nước Quá trình thấm nước của tế bào được thực hiện nhờ các yếu tố sau: - Do sự chênh lệch về áp suất thẩm thấu, đặc biệt là áp suất thẩm thấu keo do các đại phân tử sinh học gây nên (protein, lipit ) - Do sự chênh lệch về áp suất thủy tĩnh. - Do sự chênh lệch về điện thế. - Do sự thay đổi cấu hình phân tử protein. Cơ chế này đặc trưng cho các loài sinh vật tiến hóa thấp có cơ quan điều hòa nước là những không bào co bóp do sự thay đổi cấu hình của các phân tử protein. Quá trình thấm nước vào trong tế bào được thực hiện theo những con đường chủ yếu sau: - Sự thẩm thấu: Màng tế bào có tính chất bán thấm, chỉ cho một số chất đi qua như ion, nước, muối khoáng, đường, axit amin còn các cao phân tử sinh học thì hoàn toàn không thấm qua. Các chất hòa tan trong nước đã tạo nên áp suất thẩm thấu. Theo định luật VantHoff, áp suất thẩm thấu P của dung dịch tỷ lệ thuận với nồng độ chất tan C (mol) và nhiệt độ tuyệt đối T ( o K) theo công thức: P= α.C.R.T (3.7) α: Hệ số phân ly (đối với chất không phân ly thì α=1) R: Hằng số khí bằng 0,082lít.atmôtphe /M. độ Khi nồng độ chất tan càng cao thì áp suất thẩm thấu cũng càng lớn nhưng do màng tế bào có tính bán thấm nên các phân tử chất tan không thể khuyếch tán từ nơi có nồng độ chất tan cao đến nơi có nồng độ chất tan thấp. Do vậy, để hạ bớt nồng độ chất tan chỉ có các phân tử nước sẽ thẩm thấu từ nơi có áp suất thẩm thấu thấp (tức có nồng độ chất tan thấp) sang nơi có áp suất thẩm thấu cao (tức có nồng độ chất tan cao). Như vậy, sự thẩm thấu của nước thực chất là quá trình khuyếch tán nên có thể áp dụng định luật Fich để xác định tốc độ khuyếch tán của nước qua một đơn vị diện tích màng, trong một đơn vị thời gian. Từ phương trình (3.1) của định luật Fich cho biết tốc độ khuyếch tán của nước tỷ lệ thuận với tiết diện S, tức là tỷ lệ thuận với bình phương bán kính siêu lỗ. - Quá trình siêu lọc của nước: Ngoài cơ chế khuyếch tán, sự vận chuyển của nước còn được thực hiện theo cơ chế siêu lọc, do sự chênh lệch của áp suất thủy tĩnh. Tốc độ vận chuyển của nước theo cơ chế siêu lọc tuân theo định luật Puazeli giống như chuyển động của chất lỏng qua mao quản thủy tinh do áp lực từ sự chênh lệch của áp suất thủy tĩnh. l PPr dt dv .8 ).( 21 4 η π − = (3.8) dt dv : Tốc độ chuyển động của nước qua mao quản (cm 3 /giây) r: Bán kính mao quản (cm) P: Áp suất thủy tĩnh (P 1 >P 2 ) η: Độ nhớt của nước (Centipuazơ: Cp) l: Chiều dài mao quản (cm) Kích thước siêu lỗ có ảnh hưởng đến sự vận chuyển của nước theo cả cơ chế khuyếch tán lẫn siêu lọc. Tùy thuộc vào kích thước siêu lỗ mà cơ chế nào chiếm ưu thế hơn. Theo Renkin và Papenhanner (1957), nếu bán kính siêu lỗ bằng 5 thì cơ chế khuyến tán và siêu lọc là tương đương nhau. Khi bán kính siêu lỗ lớn hơn 5 , quá trình siêu lọc sẽ lớn hơn quá trình khuyếch tán còn khi bán kính siêu lỗ nhỏ hơn 5 thì quá trình siêu lọc lại nhỏ hơn quá trình khuyếch tán. o A o A o A Ví dụ điển hình về mối tương quan giữa tính thấm khuyếch tán và siêu lọc là thí nghiệm về sự vận chuyển nước qua da ếch. Trước thí nghiệm, nước khuyếch tán qua da ếch chiếm gần 356ml/cm 2 /giờ còn thấm siêu lọc chiếm 9,2ml/cm 2 /giờ. Sau khi phun hoóc môn tuyến yên là pituitrin lên da ếch thì nước khuyếch tán qua da ếch chỉ tăng lên từ 12% đến 13% trong khi đó cơ chế thấm siêu lọc tăng lên hơn hai lần. Kết quả cho thấy hoóc môn tuyến yên đã làm tăng đường kính của siêu lỗ trên da ếch. Sự thẩm thấu và siêu lọc có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình trao đổi nước giữa máu và mô. Áp suất thẩm thấu của máu người và động vật có vú do các chất tan là vô cơ và hữu cơ tạo nên, có giá trị từ 7,8 đến 8 atmotphe (at). Song chỉ có áp suất thẩm thấu keo do các phân tử Protein tạo nên là giữ vai trò đối với sự trao đổi nước giữa máu và mô. Áp suất thẩm thấu keo của máu người bằng 30mmHg còn áp suất thẩm thấu keo của dịch mô và bạch huyết bằng 10mmHg. Nhờ đó nước sẽ thẩm thấu từ dịch mô và bạch huyết (nơi có áp suất thẩm thấu keo thấp) vào máu (nơi có áp suất thẩm thấu keo cao). Sự trao đổi nước giữa máu và bạch huyết còn liên quan tới áp suất thủy tĩnh. Áp suất thủy tĩnh được tạo ra từ sự co bóp của tim. Ở cuối động mạch, áp suất thủy tĩnh lớn hơn áp suất thẩm thấu keo, do đó nước được siêu lọc từ máu (nơi có áp suất thủy tĩnh cao) vào bạch huyết và mô liên kết (nơi có áp suất thủy tĩnh thấp). Ngược lại, ở cuối tĩnh mạch, áp suất thủy tĩnh giảm nên nhỏ hơn áp suất thẩm thấu keo, do đó nước lại được thẩm thấu từ mô liên kết và bạch huyết (nơi có áp suất thẩm thấu keo nhỏ) vào máu (nơi có áp suất thẩm thấu keo lớn). Ở phần giữa của động mạch và tĩnh mạch có áp suất thẩm thấu keo và áp suất thủy tĩnh bằng nhau. Khi cơ thể khỏe mạnh, sự trao đổi nước diễn ra bình thường thì nước được vận chuyển từ bạch huyết vào máu ở cuối tĩnh mạch và từ máu vào bạch huyết ở cuối động mạch sẽ cân bằng nhau nên đảm bảo lượng nước trong cơ thể ổn định. Theo quan điểm nhiệt động học thì cơ thể khỏe mạnh sẽ luôn duy trì trạng thái cân bằng dừng. Khi cơ thể bị bệnh cao huyết áp thì cân bằng giữa áp suất thẩm thấu keo và áp suất thủy tĩnh sẽ bị phá vỡ. Ở bệnh nhân cao huyết áp sẽ có số nhịp đập của tim tăng lên, do vậy áp suất thủy tĩnh tăng cao. Ở bệnh nhân hạ huyết áp do mất máu nhiều, bị nhiễm phóng xạ, bị đói kéo dài sẽ làm áp suất thẩm thấu keo của máu giảm mạnh. Do vậy, ở bệnh nhân cao huyết áp và hạ huyết áp đều dẫn tới sự trao đổi nước của cơ thể bị rối loạn. Trong hệ sinh vật, do điều kiện môi trường sống mà cơ thể có cơ quan điều hòa áp suất thẩm thấu. Ở sinh vật bậc thấp như các loài tiêm mao nước ngọt có không bào thường co bóp để tiết ra dịch nhược trương để duy trì áp suất thẩm thấu cho tế bào. Do vậy, nước ở bên ngoài sẽ không thẩm thấu vào trong tế bào làm cho tế bào không bị trương lên. Ở các loài tôm nước ngọt có tuyến dưới râu là cơ quan điều hòa áp suất thẩm thấu và cũng tiết ra dịch nhược trương (có nồng độ muối rất nhỏ hoặc bằng không) để cân bằng với áp suất thẩm thấu ở môi trường ngoài. Ở cá nước ngọt cũng như cá biển, cơ quan điều hòa áp suất thẩm thấu là mang. Mang cá nước ngọt thì tiết ra dịch nhược trương (giống ở tôm nước ngọt) còn mang cá nước mặn lại tiết ra dịch ưu trương (có nồng độ muối cao) để cân bằng với áp suất thẩm thấu của nước biển, giữ cho cá khỏi bị mất nước. Ở người và động vật có vú thì cơ quan điều hòa áp suất thẩm thấu là thận. Thận thải ra nước tiểu nhược trương so với máu khi cơ thể ăn thức ăn lỏng (cơ thể thừa nước) còn thận thải ra nước tiểu ưu trương khi cơ thể ăn thức ăn khô (cơ thể thiếu nước). IX. Tính thấm của tế bào và mô đối với axit và kiềm * Đối với axit mạnh và kiềm mạnh: Trong dung dịch axit mạnh được đặc trưng bởi nồng độ H + cao còn kiềm mạnh đặc trưng bởi nồng độ OH - cao. Mặc dù kích thước của ion nhỏ hơn kích thước siêu lỗ nhưng các ion không thể đi qua siêu lỗ. Điều này được giải thích do trong dung dịch các ion bao giờ cũng bị hydrat hóa hay bị các ion khác dấu bao bọc xung quanh. Ion có kích thước càng nhỏ thì lớp vỏ hydrat càng dày. Ví dụ K + có đường kính 2,6 chỉ có 4 phân tử nước bao quanh còn Na o A + có đường kính 1,9 lại có tới 8 phân tử nước bao quanh. Do vậy, kích thước thực tế của ion trong dung dịch lớn hơn rất nhiều so với kích thước của siêu lỗ. Mặt khác, các ion do bị lớp vỏ hydrat bao bọc nên hạn chế khả năng tương tác tĩnh điện với các ion trên thành siêu lỗ. Điều đặc biệt là các ion H o A + và OH - đều có khả năng tham gia vào các phản ứng hoá học rất cao cho nên chúng dễ bị các phân tử trên bề mặt màng hấp phụ. Chính vì vậy tế bào và mô không bị tổn thương bởi axit hay kiểm thì chúng cũng hoàn toàn không thấm axit mạnh và kiềm mạnh. Axit mạnh và kiềm mạnh chỉ thấm vào trong tế bào khi tế bào đã bị tổn thương do tác nhân vật lí hay hoá học. Trakhochin đã tiến hành thí nghiệm trên trứng cầu gai. Ông đã tiêm vital không màu (một chất chỉ thị gặp axit sẽ cho màu đỏ) vào trứng cầu gai và sau đó thả trứng vào nước biển có nồng độ H 2 SO 4 thấp. Vì H 2 SO 4 là axit mạnh nên trứng cầu gai hoàn toàn không thấm nên trứng vẫn có màu như trứng bình thường. Song nếu dùng tia tử ngoại để chiếu lên trứng cầu gai thì trứng sẽ bị tổn thương nên H 2 SO 4 dễ dàng đi vào tế bào làm trứng cầu gai sẽ có màu đỏ (do vital phản ứng với H 2 SO 4 cho hợp chất có màu đỏ). * Đối với axit yếu và kiềm yếu: Các axit yếu và kiềm yếu có thể thấm qua màng tế bào một cách dễ dàng vì chúng hòa tan tốt trong Lipit. Khi đã ở trong tế bào các axit yếu và kiềm yếu có thể bị phân ly thành các ion ít khuyếch tán và lại bị hydrat hóa nên chúng không thoát ra ngoài môi trường được. Đó là nguyên nhân dẫn đến làm cho các chất điện phân yếu thường có nồng độ cao ở trong tế bào. Hiện tượng trên gọi là tính thấm một chiều. Tính thấm của tế bào đối với axit yếu và kiềm yếu phụ thuộc vào độ pH và thành phần hóa học của môi trường. Nếu độ pH của môi trường dịch chuyển về phía axit (tức giàu H + ) thì độ phân ly của axit yếu sẽ giảm xuống nên dễ xâm nhập vào trong tế bào. Nếu độ pH của môi trường dịch chuyển về phía kiềm (tức giàu OH - ) thì độ phân ly của các bazơ yếu sẽ giảm xuống nên cũng dễ xâm nhập vào trong tế bào. Vấn đề này đã được Overton thí nghiệm trên nòng nọc ếch. Nòng nọc sống trong nước ngọt, nếu thêm vào [...]... thái sinh lý và chức năng hoạt động của các đối tượng khảo sát Ngoài ra, từ các thông số ghi đo được, người nghiên cứu cũng có thể suy đoán ra được cấu trúc của các tổ chức sống một cách dễ dàng Bằng nhiều phương pháp khác nhau của lý sinh học, ta có thể nhận biết về bản chất của tổ chức sinh vật, mà không cần phải phá huỷ cấu trúc của đối tượng khảo sát Ngay từ thế đầu kỷ thứ XIX, các nhà khoa học. .. các tình trạng bệnh lý khác nhau Như vậy bằng phương pháp lý sinh dựa trên hiện tượng điện học, khoa học đã đưa ra được nhiều đại lượng đặc thù, các thông số trạng thái đặc trưng cho cơ thể Hơn nữa, ngày nay nhờ vào các thiết bị với kỹ thuật hiện đại đã cung cấp cho ta nhiều hướng nghiên cứu mới trên tổ chức sống Thực nghiệm cho thấy rằng, điện trở hoặc độ dẫn điện của các đối tượng sinh vật có giá trị... hạt cần đưa vào nội bào Giai đoạn hấp phụ hạt chủ yếu liên quan tới các yếu tố hóa lý như điện tích bề mặt hoặc do tương tác hoá học Giai đoạn hai chủ yếu liên quan đến màng tế bào Cơ chế thực bào để hấp phụ chất dinh dưỡng hay gặp ở những loài sinh vật tiến hóa thấp như vi sinh vật, tảo, động vật nguyên sinh (amip) Ở sinh vật tiến hóa cao như động vật có vú và người, sự thực bào có ý nghĩa chính là... BÀO VÀ MÔ I Điện trở của tế bào và mô Khi nghiên cứu tính chất điện của hệ thống sống, các quá trình điện sinh học của cơ thể, ta cần phải nắm vững các kiến thức vật lý ứng dung vào các hệ thống sống Ngày nay, việc ứng dụng các hiện tượng điện sinh vật để khảo sát, thăm dò và điều trị trong Y học là việc làm tương đối phổ biến Xác định các thông số điện của tế bào, mô, sợi cơ để làm cơ sở cho việc... nghiệm cận lâm sàng, các chỉ số hết sức cơ bản trong nghiên cứu y -sinh học Vì vậy nghiên cứu tính chất điện như đo độ điện dẫn, điện thế của các tế bào và mô có một ý nghĩa thật sự quan trọng Việc nghiên cứu thông số điện nhằm mục đích để tìm hiểu một số đặc tính, cấu trúc cũng như sự ảnh hưởng của các tác nhân vật lý lên các cơ quan, tổ chức sinh vật Việc xác định giá trị điện trở xuất, điện dẫn xuất,... đối tượng khảo sát tuỳ theo yêu cầu Việc ứng dụng trong lâm sàng cũng có một ý nghĩa hết sức to lớn Ngoài ra, cơ sở lý thuyết cũng được xây dựng một cách hoàn chỉnh, cũng như giải thích được cho nhiều cơ chế hình thành một cách hợp lý việc ứng dụng hiện tượng điện trong nghiên cứu y -sinh học II Điện trở của tế bào và mô dưới ảnh hưởng dòng điện một chiều Để xác định giá trị về điện trở thuần trên cơ... tiêu hóa Đó chính là lizoxom, một bào quan bên trong có chứa nhiều enzyme có thể phân giải nhiều chất khi được tế bào hấp thu * Thực bào: Đa số tế bào ở trạng thái tự do như sinh vật đơn bào (tảo) hay nằm trong thành phần của mô như sinh vật đa bào (mô cơ, mô gan, mô ruột non ) đều có thể thực bào Thực bào là hiện tượng tế bào có khả năng hấp thụ các hạt như vi khuẩn, virus Quá trình thực bào thường... ta gặp phải những khó khăn và phức tạp trong khi đo vì: - Đối tượng sống là một hệ đa pha và tổ chức không đồng nhất về cấu trúc - Thể tích tế bào không cố định mà có thể biến đổi tuỳ theo trạng thái sinh lý của đối tượng khi khảo sát - Bề mặt tế bào có một lớp vỏ protéin bao bọc, lớp màng bảo vệ tế bào có độ điện dẫn rất lớn - Ngoài ra, dòng điện đi vào mô chủ yếu chạy qua lớp gian bào có độ dẫn điện... một chiều theo hướng từ môi trường vào trong tế bào Bản chất của hiện tượng tính thấm một chiều theo Rubinstein là do sự khác nhau về giá trị của các tham số hóa lý ở môi trường và trong nội bào, do đó sẽ gây nên sự thay đổi trạng thái hóa lý của các chất thấm qua màng tế bào Thí dụ ở môi trường bên ngoài phân tử ở dạng không phân ly, khuyếch tán mạnh (ví dụ như H2CO3) nhưng khi thấm vào trong tế bào,... dụng công thức Maxwell để đo thông số điện trở Phương trình này có dạng như sau: r1 −1 r =β r1 +2 r r1 −1 r2 r1 +2 r2 Trong đó, r : điện trở suất của dung dịch r1 : điện trở suất của môi trường (4.1) 75 r2 : điện trở suất của tế bào β : là tỷ số giữa thể tích của tế bào với toàn bộ thể tích của dung dịch Với phương pháp xác định như trên, thực nghiệm cho ta thấy rằng điện trở suất của hồng cầu có giá . bình thường cũng như phân tích trong các tình trạng bệnh lý khác nhau. Như vậy bằng phương pháp lý sinh dựa trên hiện tượng điện học, khoa học đã đưa ra được nhiều đại lượng đặc thù, các thông. nhau của lý sinh học, ta có thể nhận biết về bản chất của tổ chức sinh vật, mà không cần phải phá huỷ cấu trúc của đối tượng khảo sát. Ngay từ thế đầu kỷ thứ XIX, các nhà khoa học đã biết. sống, các quá trình điện sinh học của cơ thể, ta cần phải nắm vững các kiến thức vật lý ứng dung vào các hệ thống sống. Ngày nay, việc ứng dụng các hiện tượng điện sinh vật để khảo sát, thăm