Sinh lý ôn cao học đại học y hà nộiSINH LÝ TẾ BÀO- TRAO ĐỔI CHẤT QUA MÀNG TẾ BÀO

SINH LÝ TẾ BÀO- TRAO ĐỔI CHẤT QUA MÀNG TẾ BÀO

1.  Trình bày các hình thức khuếch tán qua màng tế bào, đặc điểm và các yếu tố ảnh hưởng.

a.  Định nghĩa khuếch tán

-       Hình thức vận chuyển vật chất thuận chiều bậc thang điện hóa (vật chất đi từ nơi có nồng độ, điện thế, áp suất cao đến nơi có nồng độ, điện thế, áp suất thấp).

-       Quá trình chuyển động này nhờ năng lượng tự nhiên sẵn có của vận động động học của vật chất (chuyển động nhiệt).

-       Các phân tử, các hạt vật chất (có thể là ion, nước, chất tan trong nước, chất tan trong các dịch nội bào, ngoại bào, chất khí) chuyển động không cần năng lượng từ hóa năng (ATP) của tế bào nên hình thức vận chuyển này được coi là vận chuyển thụ động (khuếch tán thụ động)

b.  Các hình thức khuếch tán

-       Khuếch tán đơn thuần qua lớp lipid kép

-       Khuếch tán đơn thuần qua các kênh (lỗ) protein

-       Khuếch tán được thuận hóa

c.   Đặc điểm của các hình thức khuếch tán

-       Là sự vận động liên tục, thụ động của các hạt vật chất

-       Vận chuyển vật chất thuận chiều theo bậc thang điện hóa

-       Là các vận động nhiệt: chuyển động nhờ năng lượng tự nhiên sẵn có của vận động động học của vật chất (chuyển động Brow). Vật chất chỉ ngừng chuyển động khi ở nhiệt độ 0⁰C (-27,3⁰F hay 10⁰K).

-       Là vận chuyển thụ động, không cần năng lượng từ hóa năng (ATP)

-       Nói chung không cần chất mang (trừ khuếch tán được thuận hóa)

d.  Các yếu tố ảnh hưởng đến khuếch tán: 4 yếu tố ảnh hưởng

-       Tính thấm của màng đối với chất khuếch tán

s  Là tốc độ khuếch tán thực của chất đó qua 1 đơn vị diện tích màng, dưới tác dụng của 1 đơn vị chênh lệch nồng độ (khi không có chênh lệch áp suất và điện thế).

s  Hệ số khuếch tán qua màng của 1 chất:

D = P × A

D: hệ số khuếch tán qua màng của 1 chất

P: tính thấm của màng đối với chất đó

A: diện tích toàn màng

s  Những yếu tố ảnh hưởng đến tính thấm của màng:

o  Độ dày của màng: màng càng dày tốc độ khuếch tán càng chậm

o  Độ hòa tan trong lipid của chất khuếch tán: độ hòa tan trong lipid  của chất khuếch tán càng cao thì tốc độ khuếch tán của chất đó càng lớn.

o  Số lượng kênh protein của màng: tốc độ khuếch tán tỷ lệ thuận với số kênh protein có trên 1 đơn vị diện tích của màng.

o  Nhiệt độ: nhiệt độ càng cao thì chuyển động nhiệt của phân tử và ion trong dung dịch càng mạnh, do đó tăng tốc độ khuếch tán.

o  Trọng lượng phân tử của chất khuếch tán: TLPT càng thấp thì càng dễ khuếch tán, làm tăng tốc độ khuếch tán. Tốc độ chuyển động nhiệt của 1 chất hòa tan tỷ lệ nghịch với căn bậc 2 của TLPT đó.

o  Kích thước của phân tử khuếch tán: càng nhỏ càng dễ khuếch tán.

-       Ảnh hưởng của chênh lệch nồng độ

s  Tốc độ khuếch tán thực tỷ lệ thuận với chênh lệch nồng độ chất ở 2 bên màng.

s  Tốc độ khuếch tán thực = α D (C_o – C_i)

D: hệ số khuếch tán

C_o: nồng độ chất ở ngoài màng

C_i: nồng độ chất ở trong màng

-       Ảnh hưởng của chênh lệch áp suất

s  Tốc độ khuếch tán thực tỷ lệ thuận với chênh lệch áp suất ở 2 bên màng.

s  Khi có chênh lệch áp suất lớn giữa 2 bên màng thì có dòng các phân tử vận chuyển từ bên áp suất cao sang bên áp suất thấp.

-       Ảnh hưởng sự chênh lệch điện thế đối với sự khuếch tán của các ion

s  Khi có chênh lệch điện thế giữa 2 bên màng thì các ion, do tích điện, sẽ khuếch tán qua màng mặc dù không có sự chênh lệch nồng độ của chúng ở 2 bên màng.

s  Ví dụ: nồng độ các ion âm ở 2 bên màng hoàn toàn bằng nhau. Nếu bên phải màng tích điện dương và bên trái tích điện âm thì sẽ tạo ra 1 bậc thang điện tích qua màng.

o  Điện tích (+) ở bên P màng sẽ hấp dẫn ion (-), còn điện tích (-) ở bên T màng sẽ đẩy chúng. Vì vậy sẽ xuất hiện quá trình khuếch tán thực của ion âm từ T sang P.

o  Sau 1 thời gian, 1 lượng lớn ion (-) được chuyển sang P và tạo ra sự chênh lệch nồng độ lại làm cho các ion vận chuyển về bên T trong khi sự chênh lệch điện thế đẩy chúng về bên P.

o  Sự chênh lệch nồng độ tăng dần đến mức xu thế khuếch tán do chênh lệch nồng độ bằng xu thế khuếch tán do chênh lệch điện thế, lúc này hệ thống ở vào trạng thái cân bằng động.

s  Ở nhiệt độ cơ thể (37^oC), khi chênh lệch điện thế cân bằng với chênh lệch nồng độ của những ion hóa trị 1 như Na⁺, K⁺, Cl^- có thể xác định được điện thế đó theo phương trình Nernst:

EMF = ± 61 log

EMF: lực điện động giữa 2 bên màng (tức điện thế)

C₁: nồng độ ion ở bên 1

C₂: nồng độ ion ở bên 2

Trong phương trình trên, dấu điện thế là (+) đối với các ion (-) và là (-) đối với các ion (+).

2.  Trình bày hình thức khuếch tán đơn thuần qua lớp lipid kép.

a.  Định nghĩa khuếch tán

b.  Yếu tố quan trọng để 1 chất được vận chuyển qua lớp lipid kép của màng là độ hòa tan trong mỡ của chất đó.

-       Các chất có bản chất là lipid được vận chuyển dễ dàng qua lớp lipid kép.

-       Các chất không phải là lipid nhưng tan trong lipid (mỡ) cũng được vận chuyển qua lớp lipid kép rất nhanh: khí oxy, nitơ, CO₂, các vitamin tan trong dầu (A, D, E, K), rượu, cồn. Các chất này tiếp xúc với màng, chúng lập tức hòa tan vào thành phần lipid kép và tiếp tục khuếch tán qua màng. Tốc độ khuếch tán qua màng của 1 chất tỷ lệ thuận với độ hòa tan của chất đó trong mỡ.

-       Nước và các phân tử không tan trong lipid

s  Nước không hòa tan trong lớp lipid kép của màng TB nhưng nước đi qua màng rất nhanh, phần lớn đi qua lớp lipid kép, phần nhỏ đi qua kênh protein.

s  Ví dụ số lượng nước thấm qua màng hồng cầu trong 1s lớn hơn thể tích mỗi HC 100 lần.

s  Nguyên nhân nước vận chuyển nhanh qua màng chưa rõ, cho rằng do kích thước phân tử của chúng rất nhỏ trong khi động năng của chúng rất lớn nên nước có thể thấm qua lớp lipid kép của màng giống như những viên đạn, làm cho phần kỵ nước của màng chưa kịp ngăn cản thì phân tử nước đã qua rồi.

s  Các phân tử khác không tan trong mỡ nhưng nếu kích thước của chúng rất nhỏ thì cũng có thể đi qua lớp lipid kép giống như phân tử nước. Khi kích thước tăng lên thì tốc độ khuếch tán của chúng giảm rất nhanh. VD đường kính phân tử urê chỉ lớn hơn phân tử nước 20% nhưng tốc độ thấm qua màng của ure thấp hơn của nước 1000 lần.

s  Các ion không thể thấm qua lớp lipid kép mặc dù kích thước của ion rất nhỏ. Các ion Na⁺, K⁺, H⁺… thấm qua lớp lipid kép với tốc độ chậm hơn của nước 1 triệu lần, chúng chỉ đi qua các kênh protein của màng do:

o  Các ion tích điện làm cho các phân tử nước gắn vào các ion, tạo thành những ion gắn nước (thủy hợp, hợp nước) có kích thước rất to, không  qua được lớp lipid kép.

o  Điện tích của các ion tương tác với điện tích của lớp lipid kép (phần quay ra 2 phía ngoài của lớp lipid kép tích điện âm), do đó khi các ion mang điện cố gắng đi qua hàng rào tích điện âm thì chúng bị giữ lại hoặc bị xua đuổi, không qua được lớp lipid kép.

3.  Trình bày hình thức khuếch tán qua kênh protein.

a.  Định nghĩa khuếch tán

b.  Các kênh protein là các con đường sũng nước tạo thành những khe hở chạy xuyên qua các phân tử protein xuyên màng. Đó là những kênh hình ống, nối dịch nội bào với dịch ngoại bào, các chất có thể khuếch tán trực tiếp qua các kênh này.

c.   Đặc tính của các kênh protein

-       Kênh protein có tính thấm chọn lọc cao:

s  Chỉ cho nước hoặc 1 vài ion hay phân tử đặc hiệu đi qua kênh.

s  Tính chọn lọc phụ thuộc vào đặc điểm của kênh như hình dáng, đường kính, diện tích ở mặt trong của kênh.

s  Ví dụ:

o  Kênh Na⁺ có kích thước 0,3 × 0,5 nm, mặt trong tích điện âm rất mạnh. Điện tích âm ở mặt trong sẽ kéo ion Na⁺ từ dịch ngoại bào vào dịch nội bào khi cánh cổng của kênh mở ra → kênh Na⁺ chỉ cho ion Na⁺ đi qua.

o  Kênh K⁺ có kích thước nhỏ hơn kênh Na⁺ (0,3 × 0,3 nm), mặt trong kênh không tích điện âm, vì vậy không có lực hấp dẫn để kéo các ion đi vào trong kênh và các ion cũng không bị tách khỏi các phân tử nước đã kết hợp với chúng. Các ion K⁺ ngậm nước có đường kính nhỏ hơn dạng ngậm nước của ion Na⁺ nên có thể dễ dàng khuếch tán qua các kênh K⁺ nhỏ hơn này.

-       Cổng của kênh protein và sự đóng, mở các kênh

s  Cổng của kênh protein hoạt động đóng mở giúp cho sự kiểm soát tính thấm của các kênh.

s  Cổng có thể khép cánh đóng lại hoặc đẩy cánh mở ra, đóng hay mở là do biến đổi hình dạng phân tử protein.

s  Ion Na⁺ có nhiều ở dịch ngoại bào và cánh cổng của kênh Na⁺ đóng mở ở mặt ngoài tế bào. Ion K⁺ có nồng độ cao ở trong tế bào và cánh cổng của kênh K⁺ đóng mở ở mặt trong màng tế bào.

d.  Sự đóng mở các kênh được kiểm soát bằng 2 cơ chế

-       Đóng mở do điện thế:

s  Sự thay đổi hình dáng phân tử của cổng phụ thuộc vào điện thế màng.

s  Ví dụ: điện tích âm trong màng làm cổng Na⁺ đóng chặt. Khi mặt trong màng mất điện tích âm thì cổng Na⁺  mở ra, cho phép 1 lượng lớn ion Na⁺ đi qua kênh để vào trong tế bào → nguyên nhân chính gây ra các điện thế hoạt động ở dây TK khi có xung động xuất hiện.

-       Đóng mở do chất kết nối:

s  Là đóng mở kênh khi protein kênh gắn với 1 phân tử khác. Phân tử gắn vào protein kênh được gọi là chất kết nối. Sự gắn này làm thay đổi hình dạng phân tử protein và làm đóng hoặc mở cổng.

s  Ví dụ: Ach gắn vào pr kênh Ach, làm cổng của kênh mở ra, cho phép các phân tử và ion dương có kích thước nhỏ hơn kích thước của kênh đi qua. Loại cổng này có vai trò quan trọng trong dẫn truyền xung động TK qua synap (dẫn truyền xung động TK từ TBTK này đến TBTK khác hoặc từ TBTK đến TB cơ).

4.  So sánh hình thức vận chuyển tích cực nguyên phát và thứ phát

a.  Giống nhau

-       Đều là vận chuyển tích cực là sự chuyển động của các phân tử và ion ngược chiều bậc thang điện hóa. Bậc thang điện hóa là tổng các lực tạo ra sự chuyển động, bao gồm chênh lệch nồng độ, chênh lệch áp suất, chênh lệch điện thế.

-       Nhất thiết cần phải có chất mang và cần cung cấp năng lượng từ bên ngoài do vận chuyển tích cực đi ngược chiều bậc thang điện hóa.

-       Các chất được vận chuyển tích cực qua màng TB là ion Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Fe²⁺, H⁺, Cl^-, I^-, urat, một số đường đơn và phần lớn acid amin.

b.  Khác nhau: căn cứ vào nguồn năng lượng được sử dụng trong quá trình vận chuyển mà chia vận chuyển tích cực thành 2 loại:

-       Vận chuyển tích cực nguyên phát: sử dụng năng lượng từ phân giải ATP hoặc từ 1 số chất phosphat giàu năng lượng như creatin phosphat.

-       Vận chuyển tích cực thứ phát: sử dụng năng lượng từ những bậc thang nồng độ ion sinh ra. Bậc thang này là thứ phát, là hệ quả của vận chuyển tích cực trước đó (vận chuyển tích cực nguyên phát).

5.  Trình bày hình thức vận chuyển tích cực nguyên phát (cấu tạo, hoạt động, vai trò của bơm Na⁺- K⁺ ATPase).

Bơm natri- kali (bơm Na⁺- K⁺- ATPase) là cơ chế vận chuyển tích cực nguyên phát được nghiên cứu đầy đủ và rất chi tiết, đó là cơ chế bơm ion Na⁺ ra khỏi TB đồng thời bơm ion K⁺ vào trong TB. Bơm natri- kali có ở màng của mọi loại TB.

a.  Cấu tạo của bơm Na⁺- K⁺- ATPase

-       Là 1 pr mang có 2 phân tử pr dạng cầu, 1 to và 1 nhỏ.

s  Phân tử pr to có TLPT là 100.000 đơn vị dalton

s  Phân tử pr nhỏ có TLPT là 55.000 đơn vị dalton. Chưa biết chức năng của phân tử pr nhỏ.

-       Về mặt cấu tạo, pr to có 3 đặc điểm sau :

s  Ở mặt trong có 3 vị trí tiếp nhận (rec) đặc hiệu với ion Na⁺

s  Ở mặt ngoài có 2 vị trí tiếp nhận (rec) đặc hiệu với ion K⁺

s  Ở mặt trong, gần rec tiếp nhận ion Na⁺ có enzym ATPase

b.  Hoạt động của bơm Na⁺- K⁺- ATPase

Khi có 3 ion Na⁺ gắn ở mặt trong và 2 ion K⁺ gắn ở mặt ngoài phân tử pr mang thì enzym ATPase được hoạt hóa, phân giải 1 phân tử ATP và giải phóng năng lượng → thay đổi hình dạng phân tử pr mang để đưa 3 ion Na⁺ ra ngoài và 2 ion K⁺ vào trong TB.

c.   Vai trò của bơm Na⁺- K⁺- ATPase

-       Kiểm soát thể tích TB: đây là chức năng quan trọng nhất của bơm Na⁺- K⁺- ATPase.

s  Bên trong TB có 1 số lượng lớn pr và các hợp chất hữu cơ khác do kích thước lớn không thể thấm ra ngoài. Phần lớn các phân tử này mang điện tích âm, do đó chúng hấp dẫn các ion dương và gây ra 1 lực thẩm thấu hút nước vào bên trong TB, làm TB phồng lên và có thể vỡ.

s  Bơm Na⁺- K⁺- ATPase ngăn cản khuynh hướng phồng TB vì:

s  Khi hoạt động nó đưa 3 ion Na⁺ ra ngoài nhưng chỉ đưa 2 ion K⁺ vào trong. Màng TB ít thấm Na⁺ hơn K⁺ → ion Na⁺ được bơm ra ngoài thì có khuynh hướng ở lại bên ngoài và kéo nước ra theo.

s  Khi TB bắt đầu phồng lên thì sẽ hoạt hóa bơm Na⁺- K⁺- ATPase để đưa nhiều ion Na⁺ và nước hơn nữa ra ngoài, giữ cho thể tích TB không thay đổi.

-       Bơm Na⁺- K⁺- ATPase tạo điện thế nghỉ của màng: khi hoạt động bơm Na⁺- K⁺- ATPase chuyển 3 ion Na⁺ ra ngoài và 2 ion K⁺ vào trong → mỗi khi hoạt động bơm đã đưa 1 ion dương ra ngoài, làm cho ion dương ở bên ngoài tăng lên và ở bên trong giảm đi → bơm đã tạo điện tích âm ở bên trong màng khi TB nghỉ ngơi. Bơm Na⁺- K⁺- ATPase đóng vai trò quan trọng nhất trong các nguyên nhân tạo điện thế nghỉ của màng.