TÍNH THẤM CỦA TẾ BÀO VÀ MÔ

Chương 3 TÍNH THẤM CỦA TẾ BÀO VÀ MÔ I. Các phương pháp nghiên cứu tính thấm Tính thấm của tế bào và mô là khả năng cho các chất đi qua màng tế bào không có tính chọn lọc (vận chuyển thụ động) hoặc có tính chọn lọc (vận chuyển chủ động). Để nghiên cứu tính thấm của tế bào, các nhà khoa học thường sử dụng các phương pháp sau: - Phương pháp thể tích: Theo dõi thể tích của tế bào ở trạng thái sinh lý bình thường và thể tích của tế bào khi ở dung dịch nhược trương. Tùy mục đích và điều kiện thiết bị mà sử dụng các phương pháp: * Ly tâm huyền dịch tế bào sau đó xác định thể tích của chúng bằng hồng cầu kế. * Xác định sự thay đổi độ trong suốt của tế bào bằng phương pháp trắc quang. *Xác định sự thay đổi chiết xuất của tế bào. Phương pháp thể tích chỉ có thể áp dụng để nghiên cứu những đối tượng có kích thước lớn và có độ bền cao trong dung dịch như tảo hay hồng cầu. Ví dụ như theo dõi tính thấm của mô cơ ếch đối với nước bằng phương pháp trọng lượng (xem thực hành Lý sinh). - Phương pháp sử dụng chất màu và chất chỉ thị màu: phương pháp này được tiến hành bằng cách quan sát trực tiếp dưới kính hiển vi quá trình tích luỹ các chất có màu vào trong tế bào. Các chất chỉ thị màu được sử dụng để nghiên cứu tốc độ thấm của các loại axit và kiềm khác nhau vào trong tế bào. Nhược điểm của phương pháp này là khi dùng các chất màu và chỉ thị màu có nồng độ thấp thì khó phát hiện còn dùng nồng độ cao thì chúng trở thành những độc tố đối với tế bào. Khi sử dụng phương pháp này cần lưu ý các chất có màu và chỉ thị màu vừa phụ thuộc vào mức độ thấm của chúng vào trong tế bào lại vừa phụ thuộc vào khả năng liên kết của chúng với các phân tử Protein, axit amin và các phân tử khác ở trên màng hay ở trong tế bào. Ví dụ như sử dụng Xanhmetylen là một chất có màu để nghiên cứu tính thấm một chiều của da ếch (xem thực hành Lý sinh). - Phương pháp phân tích hoá học: Đây là phương pháp phân tích hoá học các chất có nồng độ rất nhỏ ở trong tế bào. Tuy nhiên với đối tượng nghiên cứu nhỏ như tế bào lại có thành phần hoá học phức tạp thì việc định lượng một chất nào đó là rất khó khăn. Nhưng hiện nay đã có những thiết bị phân tích hiện đại như máy quang phổ huỳnh quang, máy quang phổ hấp thụ nguyên tử, máy quang kế ngọn lửa... có thể xác định chính xác nồng độ chất cần nghiên cứu ở nồng độ rất nhỏ. Phương pháp phân tích hoá học được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong đó có nghiên cứu tính thấm của tế bào và mô. Ví dụ như xác định nồng độ natri (Na) bằng máy quang phổ hấp thụ nguyên tử cho kết quả rất chính xác. - Phương pháp dùng các chất đồng vị phóng xạ đánh dấu: Trong hoá học, ngoài nguyên tố bình thường như Hydro (ký hiệu là 11H) còn có nguyên tố phóng xạ như tritium (ký hiệu là 31H). Nguyên tố tritium khác nguyên tố Hydro ở chỗ trong hạt nhân nguyên tử có thêm hai hạt notron (n) không mang điện tích (gọi là trung hoà điện). Chất phóng xạ là nó luôn phát ra các hạt có mang điện tích hoặc các hạt không mang điện tích và chính các hạt khi phát ra nhờ máy đo sẽ xác định được chất có gắn chất phóng xạ. Phương pháp sử dụng chất phóng xạ đánh dấu cho phép nghiên cứu tính thấm của tế bào và mô trong một cơ thể hoàn chỉnh (invivo) và còn dùng để nghiên cứu tiến triển của quá trình chuyển hoá và đào thải chất đó ra khỏi tế bào. Ví dụ như các nhà khoa học đã sử dụng coban phóng xạ (2758Co) thay cho Coban bình thường (5927Co) để tổng hợp nên Vitamin B12, sau đó nghiên cứu quá trình hấp thụ B12 của cơ thể sống trong khoảng thời gian xác định. II. Màng tế bào và vai trò của màng tế bào Màng tế bào đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong hoạt động trao đổi chất của tế bào. Theo Frank: “có thể nói một cách chắc chắn rằng, các chức năng quan trọng nhất của tê bào không những bị chi phối mà còn chỉ có thể thực hiện được nhờ chức năng đa dạng của các loại màng”. Màng tế bào phải có cấu trúc đáp ứng được yêu cầu của quá trình trao đổi vật chất và năng lượng giữa tế bào với môi trường, đảm bảo thực hiện các chức năng sống của tế bào. Đã có nhiều mô hình cấu trúc màng tế bào được đưa ra như mô hình Dawson- Danielli (1935), mô hình Robertson (1959), mô hình Singer-Nicolson (1972). Mô hình Singer-Nicolson vẫn kế thừa mô hình cấu trúc màng 3 lớp: Protein - lớp kép Lipit - Protein do Rorbetson đưa ra nhưng dựa trên các kết quả nghiên cứu sau này hai ông đã đưa ra mô hình màng khảm lỏng (hình 3.1) Theo các tác giả, màng tế bào là một lớp lipit kép ở trạng thái lỏng còn các phân tử protein được nhúng (khảm) vào lớp lipit với mức độ nông hoặc sâu khác nhau. Do ở trạng thái lỏng nên các phân tử lipit và protein có thể di chuyển theo cả chiều dọc lẫn chiều ngang. Tính lỏng của màng tế bào phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ giữa 3 thành phần cơ bản tham gia vào cấu trúc màng là photpholipit, cholesteron, protein. Hình 3.1: Mô hình cấu trúc màng tế bào do Singer-Nicolson đưa ra năm 1972 Các nhà khoa học cho rằng duy trì trạng thái bán lỏng của lớp lipit kép thuộc màng tế bào sẽ có những ý nghĩa sinh học như: -Khả năng thích nghi của tế bào đối với nhiệt độ cao hay thấp. -Tạo sự di động dễ dàng của các phức hợp hoócmôn - thụ quan ở bên trong màng tế bào trong việc tiếp nhận thông tin. -Tăng cường sự hoạt động của một số enzyme vận chuyển các chất qua màng tế bào. -Giải thích được cơ chế vận chuyển các ion qua màng tế bào, đặc biệt là Na+, K+ trong sự hình thành điện thế tĩnh và điện thế hoạt động. -Giải thích được sự biến mất của màng nhân ở trung kỳ và sự xuất hiện màng nhân ở mạt kỳ trong phân bào nguyên nhiễm và giảm nhiễm. Màng tế bào có những chức năng cơ bản sau đây: -Ngăn cách giữa các tế bào với nhau, giữa tế bào với môi trường bên ngoài và giữ vai trò bảo vệ tế bào. -Thực hiện quá trình trao đổi vật chất và năng lượng giữa tế bào với môi trường, góp phần thực hiện các chức năng sống của tế bào. -Bài tiết các chất thải hoặc chất được tổng hợp ở bên trong tế bào ra môi trường bên ngoài. -Thực hiện sự nhận diện tế bào. Theo giả thiết của Ehrlich Tylerweiss thì trên bề mặt màng tế bào có những thụ quan nhận biết tế bào theo kiểu giống như sự nhận biết kháng thể với kháng nguyên. -Thực hiện sự kết dính tế bào. Chất kết dính có bản chất glucoProtein được tổng hợp ở bên trong tế bào và được tiết ra môi trường bên ngoài dưới dạng hoà tan làm nhiệm vụ kết dính tế bào như kiểu trứng cầu gai tiết ra chất hoà tan trong nước biển có tác dụng vừa dẫn dụ vừa tạo sự kết dính giữa tinh trùng với trứng. -Thực hiện dễ dàng sự di chuyển của tế bào. Ví dụ như Amip có thể tạo chân giả để di chuyển theo phương nằm ngang ở cả bốn hướng để bắt mồi. -Thực hiện sự sinh sản của tế bào. Bình thường tế bào có chỉ số tỷ lệ giữa thể tích nhân và thể tích tế bào chất (bằng thể tích của tế bào trừ đi thể tích nhân) đạt một giá trị hằng định thì tế bào không phân chia. Khi chỉ số này giảm do thể tích tế bào chất tăng lên thì tế bào phải thực hiện quá trình gián phân. -Màng tế bào còn là nơi “cư trú” của các enzyme nhất là các enzyme tham gia vào quá trình vận chuyển hay xúc tác cho các phản ứng phân giải chất độc làm tăng tính đề kháng của tế bào. -Màng tế bào có tính bán thấm nên có vai trò duy trì sự bất đối xứng ion giữa bên ngoài và bên trong tế bào, hình thành nên điện thế tĩnh. -Màng tế bào còn có tính chất vật lý như tính lưỡng chiết quang, sức căng mặt ngoài nhỏ, điện trở lớn và có cấu trúc không đồng nhất... III.Quy luật chung về sự xâm nhập của vật chất vào trong tế bào Các chất xâm nhập vào trong tế bào theo 2 con đường chính sau đây: -Các chất xâm nhập vào trong tế bào qua siêu lỗ. Trên màng tế bào có những lỗ nhỏ (siêu lỗ) có đường kính từ 3,5 A0 - 8 A0. Bên trong siêu lỗ thường chứa nước còn bề mặt có thể chứa một số nhóm phân cực. Con đường này dành cho các chất hoà tan trong nước như đường, axit amin, ion... Các chất này muốn xuyên qua màng qua siêu lỗ thì phải vượt qua được các trở ngại như phải tách ra khỏi các lớp vỏ hydrat hoá (nếu là ion hay phân tử có chứa các nhóm phân cực), phải lách qua được lớp phân tử rất chặt chẽ trên bề mặt màng tế bào, phải thắng được lực tương tác tĩnh điện (lực hút nếu là ion khác dấu và lực đẩy trở lại nếu là ion cùng dấu điện tích với các nhóm phân cực nằm trên bề mặt của siêu lỗ), phải vượt qua được hàng rào điện thế (ở đây là điện thế màng tế bào). Do vậy, các chất muốn xâm nhập vào bên trong tế bào thì phải có một giá trị năng lượng nhất định để thắng được bốn lực cản trên. Nếu năng lượng cần thiết để thắng được bốn lực cản trên càng lớn thì càng có ít chất xâm nhập được vào bên trong tế bào. -Các chất xâm nhập được vào bên trong tế bào qua con đường hoà tan trong lipit: Con đường này dành cho các chất không hoà tan trong nước nhưng hoà tan tốt trong lipit. Năm 1899, Overton khi nghiên cứu tính thấm của tế bào và mô đối với các chất gây mê đã phát hiện thấy mối liên quan thuận là tốc độ thấm của các chất này càng cao khi khả năng hoà tan của chúng trong lipit càng lớn. Sau này gọi là hiệu ứng Overton. Jacobs đã giải thích hiệu ứng Overton theo cấu trúc điện của các phân tử. Theo Jacobs các hợp chất hoá học được phân thành 2 nhóm chính theo tính chất phân cực của chúng. Nhóm thứ nhất là những phân tử có chứa các nhóm phân cực như NH2, COOH, OH... nên gọi là các phân tử có cực. Nhóm này hoà tan trong lipit kém nên khả năng thấm vào trong tế bào ít. Nhóm thứ hai là những phân tử chứa các nhóm không phân cực như metyl, etyl, phenyl (CH3, C2H5, C6H5) nên gọi là các phân tử không phân cực. Nhóm này hoà tan tốt trong lipit nên khả năng thấm vào bên trong tế bào rất nhanh. Song cũng có trường hợp ngoại lệ như urê và glucose hoà tan kém trong lipit và có kích thước lớn hơn siêu lỗ nhưng lại thấm vào trong tế bào rất nhanh. Ngược lại, Citrat trimetyl hoà tan tốt trong Lipit nhưng lại rất khó thấm vào bên trong tế bào. Điều này được giải thích do urê và glucose là hai chất có mặt trong quá trình trao đổi chất của tế bào nên trên màng tế bào đã có chất vận chuyển trung gian còn Citrat trimetyl thì không . IV. Quá trình vận chuyển thụ động Vận chuyển thụ động là quá trình xâm nhập của các chất theo tổng đại số véctơ của các loại gradien và không hao tốn năng lượng của quá trình trao đổi chất. Vận chuyển thụ động diễn ra là do sự tồn tại của các loại gradien sau: -Gradien nồng độ: Là sự chênh lệch về nồng độ giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào. -Gradien áp suất thẩm thấu: Là sự chênh lệch về áp suất thẩm thấu, đặc biệt là áp suất thẩm thấu keo do các phân tử protein gây nên, giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào. -Gradien màng: Xuất hiện do tính bán thấm của màng. Đó là do màng chỉ thấm các chất có kích thước nhỏ như ion, các chất vô cơ còn các phân tử có kích thước lớn như protein, lipit, gluxit thì hoàn toàn không thấm. Do vậy giữa hai phía của màng có sự chênh lệch về nồng độ đã tạo nên gradien màng. -Gradien độ hoà tan: Xuất hiện trên ranh giới giữa hai pha không trộn lẫn như pha nước và pha lipit khi khả năng hoà tan của các chất ở trong hai pha ấy là khác nhau, dẫn đến sự chênh lệch về nồng độ đã tạo nên gradien độ hoà tan. -Gradien điện thế: Xuất hiện do sự chênh lệch về điện thế giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào. Trong 5 loại gradien kể trên thì gradien nào có giá trị tuyệt đối lớn hơn cả sẽ quyết định hướng vận chuyển của dòng vật chất. Ví dụ ở tế bào hồng cầu, cơ, dây thần kinh, tồn tại gradien màng có giá trị tuyệt đối lớn hơn cả cho nên lượng ion kali ở trong tế bào luôn cao gấp từ 30 đến 50 lần so với ở bên ngoài. Đặc biệt ở một số loài tảo biển, nồng độ iốt ở trong tế bào cao gấp hơn hai triệu lần so với nước biển là do gradien màng. Các gradien kể trên đều là hàm số của sinh lý tế bào và chúng có liên quan với nhau. Trong quá trình hoạt động sống của tế bào không những độ lớn của các gradien bị thay đổi mà có khi cả hướng của chúng cũng bị thay đổi. Các gradien giữ vai trò quan trọng trong việc điều khiển tốc độ vận chuyển thụ động các chất vào trong tế bào hoặc đi ra khỏi tế bào. 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 (cm2). 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 ik, là lượng vật chất thấm qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian. dt.S dmik = (3.2) So sánh phương trình (3.2) với phương trình (3.1) rút ra: dx dCDik −= (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 ik 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) C1, C2 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- HCO3- 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 t