Lý sinh học phần 4

Chia sẻ: Danh Ngoc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

203
lượt xem 26
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ho + O2→ OHo + Oo (nảy nhánh) Oo + H2→ OHo + Ho (tiếp tục mạch phản ứng) OHo + H2→ H2O + Ho (tiếp tục mạch phản ứng) Gốc tự do Ho tương tác với thành bình sẽ làm ngắt mạch phản ứng. Một số trường hợp quá trình tạo trung tâm hoạt động có thể không phải do các gốc tự do ban đầu trực tiếp gây nên mà do sản phẩm của phản ứng dây chuyền tạo nên. Ví dụ: Ro+O2→ROOo

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Lý sinh học phần 4

14 giảm lượng gốc tự do như các chất ức chế sự hình thành gốc tự do sẽ làm giảm tốc độ phản ứng dây chuyền. * Phản ứng dây chuyền nảy nhánh Phản ứng dây chuyền nảy nhánh là phản ứng ở mỗi mạch của phản ứng khi một gốc tự do tham gia vào phản ứng có thể tạo ra hai hay nhiều gốc tự do mới. Phản ứng ôxy hóa hydro là một phản ứng dây chuyền nảy nhánh: H2 + O2→ Ho + H O o (tạo mạch) 2 Ho + O2→ OHo + Oo (nảy nhánh) Oo + H2→ OHo + Ho (tiếp tục mạch phản ứng) OHo + H2→ H2O + Ho (tiếp tục mạch phản ứng) Gốc tự do Ho tương tác với thành bình sẽ làm ngắt mạch phản ứng. Một số trường hợp quá trình tạo trung tâm hoạt động có thể không phải do các gốc tự do ban đầu trực tiếp gây nên mà do sản phẩm của phản ứng dây chuyền tạo nên. Ví dụ: Ro+O2→ROOo ROOo+RH→ROOH+Ro ROOH→ROo+OHo Độ tăng lượng gốc tự do ở phản ứng dây chuyền nảy nhánh được xác định qua phương trình: dn =wo+ϕ.n (2.40) dt n: Nồng độ gốc tự do wo: Tốc độ tạo trung tâm hoạt động. ϕ=f-g, trong đó f là tốc độ nảy nhánh còn g là tốc độ đứt mạch. Nếu f>g thì nồng độ gốc tự do sẽ được xác định theo công thức: w n= o (2.41) g−f Giải phương trình (2.40) sẽ thu được nghiệm: ( ) w n = o e ϕt −1 (2.42) ϕ Nếu tích số ϕ.t rất lớn hơn 1 thì nghiệm được tính theo công thức:
15 w o ϕt n= e (2.43) ϕ * Đặc điểm của phản ứng dây chuyền Phản ứng dây chuyền có các đặc điểm sau: - Phản ứng dây chuyền có thời gian tiềm ẩn. Trong thời gian này chủ yếu tạo trung tâm hoạt động đầu tiên. - Phản ứng dây chuyền có hai giới hạn nồng độ. Ở giới hạn nồng độ gốc tự do thấp thì gốc tự do dễ tương tác với thành bình hay với phân tử chất ức chế nên phản ứng không tiến triển được. Ở giới hạn nồng độ gốc tự do quá cao thì các gốc tự do dễ tương tác với nhau gây ra hiện tượng đứt mạch nên làm cho tốc độ phản ứng tiến triển chậm lại. - Tốc độ phản ứng dây chuyền nảy nhánh không tuân theo định luật Arrhenius. Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng dây chuyền nảy nhánh tăng gấp bội so với định luật Arrenius. Taruxop theo cơ chế của phản ứng dây chuyền nảy nhánh đã giải thích sự tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống. Khi chiếu xạ, nếu xét về mặt năng lượng thì có giá trị rất thấp nhưng lại gây ra hiệu ứng sinh học cao (gọi là hiệu ứng nghịch lý năng lượng). Điều này được giải thích là do tia bức xạ đã gây ra hiện tượng ion hóa, tạo ra các trung tâm hoạt động là những gốc tự do và chính các gốc tự do đã gây ra phản ứng dây chuyền nảy nhánh, dẫn tới hiệu ứng tổn thương ở sinh vật bị chiếu xạ. Taruxop cũng cho rằng các chất có tác dụng hạn chế tổn thương do tia xạ gây ra (gọi là các chất bảo vệ phóng xạ) là do nó ngăn chặn được phản ứng dây chuyền nảy nhánh. Phản ứng miễn dịch ở người khi tiêm kháng nguyên, sau thời gian ủ bệnh (thường từ 3 đến 21 ngày) kháng thể chưa xuất hiện trong máu, sau đó là giai đoạn nồng độ kháng thể tăng theo hàm số mũ, không tỷ lệ thuận với lượng kháng nguyên đưa vào cơ thể. Theo E. Manuel, phản ứng tạo kháng thể diễn ra theo kiểu phản ứng dây chuyền nảy nhánh. Ví dụ khi tiêm vaccine phòng bệnh bạch cầu, đưa vào cơ thể người chỉ 0,36mg nhưng sau thời gian ủ bệnh, lượng kháng thể trong máu đã suất hiện lớn gấp 1 triệu lần so với lượng kháng nguyên. E. Manuel cũng cho rằng cơ thể khi bị nhiễm các độc tố như nọc độc của rắn, bò cạp, iperit, rixin... thì phản ứng tạo kháng thể xảy ra theo kiểu phản ứng dây chuyền nảy nhánh. XII. Nhiệt độ và tốc độ phản ứng Theo lý thuyết động học của các quá trình hoá học thì tốc độ phản ứng bao giờ cũng phụ thuộc vào nồng độ chất tham gia vào phản ứng và phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng cũng tăng. Ban
16 đầu được giải thích do tăng số lần va chạm của các nguyên tử hay phân tử tham gia vào phản ứng hoá học. Trên cơ sở tính toán xác suất va chạm, nếu va chạm nào giữa các nguyên tử hay phân tử cũng dẫn tới phản ứng thì tốc độ phản ứng sẽ tăng lên từ 102 đến 106 lần so với tốc độ thực tế đo được nếu ta tăng nhiệt độ trong khoảng từ 0oC đến 100oC. Từ đó các nhà nghiên cứu cho rằng chỉ một phần trong số các va chạm đó mới có khả năng tạo phản ứng hoá học. Phản ứng chỉ có thể xảy ra khi các nguyên tử hay phân tử đạt được một giá trị năng lượng nhất định gọi là năng lượng hoạt hóa. Năng lượng hoạt hóa là giá trị năng lượng nhỏ nhất mà nguyên tử hay phân tử cần phải đạt được mới có thể tham gia vào phản ứng. Các nhà nghiên cứu đã áp dụng hàm phân bố Maxwell - Boltzmann để giải thích mối liên quan giữa tốc độ phản ứng và năng lượng hoạt hóa. Maxwell - Boltzmann đã thiết lập được công thức : E − * N =N. e (2.44) RT * N : Số phân tử đạt giá trị năng lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng hoạt hóa. N: Tổng số phân tử ban đầu trong một đơn vị thể tích. E: Năng lượng hoạt hóa của phân tử và R là hằng số khí T: Nhiệt độ tuyệt đối (nhiệt độ Kelvin) Công thức (2.44) biểu diễn trên đồ thị (hình 2.4) gọi là hàm phân bố mv 2 Boltzmann. Đồ thị biểu diễn số phân tử N theo vận tốc v (E= ). 2 N N T1 < T2 0 E0 Ehh E Ehh a) b) Hình 2.4: Sự phân bố của các phân tử theo năng lượng Qua đồ thị (hình 2.4a) cho thấy chỉ có một số phân tử có năng lượng bằng hoặc lớn hơn giá trị năng lượng hoạt hóa (Eh) thì mới có khả năng tham gia vào phản ứng. Khi nhiệt độ tăng lên (T2>T1) thì đường cong phân
17 bố Boltzmann dịch chuyển về phía bên phải, tức là số lượng phân tử có E≥Eh tăng lên (phần gạch ngang hình 2.4b) vì vậy tốc độ phản ứng tăng lên. Nhiều phản ứng, nhất là các phản ứng hóa sinh, tuy có nồng độ, nhiệt độ và năng lượng hoạt hóa giống nhau nhưng tốc độ phản ứng vẫn khác nhau. Như vậy, không phải mọi va chạm giữa các nguyên tử hay phân tử có năng lượng bằng hay lớn hơn năng lượng hoạt hóa đều dẫn tới phản ứng. Điều này được giải thích do tốc độ phản ứng còn liên quan tới cấu trúc hình học của các phân tử va chạm, gọi là yếu tố lập thể (ký hiệu là p). XIII. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng hóa sinh vào nhiệt độ Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ được mô tả qua phương trình Arrenius. Eh − K= p.z. e RT (2.45) K: Tốc độ phản ứng p: Yếu tố lập thể Eh: Năng lượng hoạt hóa z: Số lần va chạm R: Hằng số khí bằng 1,987 KCal/M.độ T: Nhiệt độ tuyệt đối Phương trình Arrenius có thể viết dưới dạng logarit: E lnK = ln(p.z) - h (2.46) RT E 1 ; a = − h ; b = ln(p.z) Đặt y = lnK ; x = T R Phương trình (2.46) có thể viết dưới dạng: y = a.x + b (2.47) Đây là phương trình bậc nhất, đồ thị của nó có dạng đường thẳng (hình 2.5). Dựa vào đồ thị xác định được: Eh tgα = → Eh = R.tgα R Biết tgα sẽ xác định được năng lượng hoạt hóa.
18 lnK b α O 1/T ⎛1⎞ Hình 2.5: Sự phụ thuộc của lnK vào nhiệt độ ⎜ ⎟ ⎝T⎠ Năng lượng hoạt hóa là đại lượng để đánh giá khả năng tham gia vào phản ứng của các chất. Để đánh giá sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ, đại lượng đặc trưng cho sự tăng (hoặc giảm) tốc độ phản ứng khi tăng (hoặc giảm) nhiệt độ là hệ số VantHoff (còn gọi là hệ số nhiệt phản ứng) ký hiệu là Q10. K Q10= 2 (2.48) K1 K2: Tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T±10 K1: Tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T Giữa năng lượng hoạt hóa và hệ số Q10 có mối liên quan với nhau. Theo Eh Eh − − R .T2 R .T1 phương trình Arrenius (2.45), thay K2=p.z. e và K1=pz. e vào phương trình (2.48) ta được: Eh Eh − − R .T2 R .T1 Q10=pz. e / pz. e Eh ⎛ 1 1⎞ ⎜ ⎟ Eh Eh − − R ⎜ T1 T2 ⎟ R .T1 R .T2 ⎝ ⎠ Q10= e .e =e E h ⎛ T2 −T1 ⎞ ⎜ ⎟ R ⎜ T1 .T2 ⎟ ⎝ ⎠ Q10 = e thay T2 - T1 = 10 ta được:
19 E h .10 10E h → lnQ10 = RT1 .T2 Q10 = e RT1 .T2 Eh = 0,1 RT1T2. lnQ10 (2.49) Thay R=1,987KCal/M.độ và đổi logarit cơ số e (ln) thành logarit cơ số 10 (lg) ta được: Eh=0,46 T1 T2 lg Q10 (2.50) Đơn vị tính năng lượng hoạt hóa là KCal/M. Những phản ứng có bản chất khác nhau thường có năng lượng hoạt hóa khác nhau và như vậy hệ số Q10 cũng khác nhau. Các phản ứng hoá học có năng lượng hoạt hóa khoảng vài chục KCal/M, thường có Q10 bằng 2 đến 3. Năng lượng hoạt hóa của các phản ứng men khoảng từ 4 đến 12KCal/M, Q10 thường nhỏ hơn 2. Quá trình khuyếch tán năng lượng hoạt hóa thấp, Q10 xấp xỉ bằng 1. Đặc trưng của phản ứng men là có năng lượng hoạt hóa thấp nên các phân tử dễ dàng tham gia vào phản ứng. Nguyên nhân là do các phân tử men có vai trò làm giảm năng lượng hoạt hóa của các phân tử tham gia vào phản ứng khi men kết hợp với phân tử tạo phức chất trung gian, làm cho quá trình phân hủy phức chất diễn ra nhanh hơn. Ví dụ phản ứng phân hủy đường saccharose bởi axit có năng lượng hoạt hóa bằng 25,6KCal/M nhưng nếu thủy phân đường saccharose có sự xúc tác của men amilase thì năng lượng hoạt hóa giảm xuống còn 11 KCal/M. Năng lượng hoạt hóa của đa số các quá trình diễn ra trong hệ sinh vật thường có giá trị thuộc vào một trong ba giá trị là 8; 12; 18 KCal/M. Tuy vậy, năng lượng hoạt hóa của các quá trình biến tính lại có năng lượng hoạt hóa rất cao. Ví dụ như phản ứng đông tụ hemoglobin có năng lượng hoạt hóa tới 60 KCal/M hay phản ứng tan huyết dưới tác dụng của nước nóng có năng lượng hoạt hóa là 64 KCal/M v.v... Đối với các quá trình sinh vật, ngoài giá trị năng lượng hoạt hóa, hệ số nhiệt Q10 còn được đặc trưng bởi giá trị nhiệt độ thích ứng. Theo Klein, nhiệt độ thích ứng là nhiệt độ quá trình xảy ra với tốc độ lớn nhất. Cần phân biệt nhiệt độ thích ứng với khoảng nhiệt độ thích ứng. Khoảng nhiệt độ thích ứng là khoảng nhiệt độ mà giá trị Q10 có giá trị không đổi. Trong hệ sinh vật, khoảng nhiệt độ thích ứng rộng hay hẹp là tùy thuộc vào loài. Trong hệ sinh vật, động vật ổn nhiệt có nhiệt độ thích ứng khác nhau. Ví dụ: người là 37oC, chó là 39,2oC, gà vịt là 42,5oC, bồ câu 44oC v.v... Đối với các phản ứng có sự xúc tác của men thì đường cong phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ có dạng như trên hình 2.6.
20 K T 0 Tu Hình 2.6: Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng có men xúc tác vào nhiệt độ Đường cong trên hình 2.6 là kết quả của phản ứng trao đổi hoá học và phản ứng phân hủy cấu trúc. Trong khoảng nhiệt độ (0
21 A* E1 E2 Eo A P Hình 2.7: Sự thay đổi năng lượng của các chất tham gia vào phản ứng Khi các phân tử chất A đã được hoạt hóa (A*) va chạm với nhau sẽ dẫn tới phản ứng tạo sản phẩm P có giá trị năng lượng là E2. Đối với phản ứng thuận E10 và phản ứng nghịch là phản ứng thu nhiệt. Các nhà nghiên cứu cho rằng giữa các phân tử tham gia vào phản ứng (chất A) và các phân tử ở trạng thái hoạt hóa (A*) luôn có sự cân bằng. Phản ứng xảy ra như sau: A* → P (sản phẩm) A K* (A+E) → P (sản phẩm) hoặc: A E là enzyme còn (A+E) là phức hợp enzym với cơ chất A.thái và được xác định bằng tỉ số nồng độ phân tử ở trạng thái hoạt hóa trên nồng độ phân tử ở trạng thái ban đầu. [A ] [A + E] * K* = K* = hoặc (2.51) [A] [A][E] . [A]: Nồng độ chất A trước phản ứng [A*]: Nồng độ chất A ở trạng thái hoạt hóa
22 [A+E]: Nồng độ phức hợp enzym với cơ chất A [E]: Nồng độ enzyme Đại lượng K* liên quan mật thiết tới sự thay đổi nhiệt độ, năng lượng tự do, entropi của phản ứng tạo phức chất hoạt hóa nên K* được xem như hằng số cân bằng của phản ứng và được xác định theo phương trình: R.T.lnK* = T.ΔS - ΔH (2.52) R: Hằng số khí T: Nhiệt độ tuyệt đối (oK) ΔS: Sự thay đổi của entropi (nói lên sự thay đổi trật tự của hệ khi bị hoạt hóa) ΔH: Sự thay đổi của entanpi (nói lên lượng liên kết cần phải phá vỡ để tạo phức hoạt hóa) Phương trình (2.52) có thể viết lại như sau: ΔH ΔS ΔS ΔH − * K*= e R . e R .T → − lnK = (2.53) R R.T Trong cơ học thống kê đã xác lập được mối quan hệ giữa hằng số cân bằng giữa hai trạng thái là K* và hằng số tốc độ phản ứng là K theo phương trình: R.T K=K* (2.54) N.h N: Số Avogadro và h là hằng số Planck Thay giá trị K* từ phương trình (2.53) vào phương trình (2.54) sẽ được: ΔH ΔS R.T R − R.T K= .e .e (2.55) N .h So sánh với phương trình Arrenius ở công thức (2.45) Eh − K = p.z.e R .T ⎛ R.T ΔS ⎞ .e R ⎟ và sự thay đổi Thành phần (p.z) tương đương với thành phần ⎜ ⎟ ⎜ N.h ⎠ ⎝ entanpi (ΔH) tương đương với giá trị năng lượng hoạt hóa (Eh). Trong cơ thể sống, phần lớn các phản ứng hóa sinh xảy ra đều có sự tham gia của enzyme, tức là đều trải qua giai đoạn tạo phức chất hoạt hóa nên có thể áp dụng phương pháp phức hoạt hóa.
23 Thuyết phức hoạt hóa có thể giải thích được phản ứng biến tính hay phân hủy của Protein. Ví dụ nếu đun nóng dung dịch Protein hay cho vào dung dịch Protein các chất như urê, cồn, axit... sẽ làm biến tính hay phân hủy phân tử Protein. Khi đó biểu hiện rõ nhất là độ hòa tan của Protein bị giảm xuống còn độ nhớt lại tăng lên. Phản ứng biến tính hay phân hủy Protein bình thường không xảy ra vì có năng lượng hoạt hóa rất cao. Một nguyên tử hay phân tử muốn tham gia vào phản ứng thì chúng phải được hoạt hóa. Năng lượng hoạt hóa phần lớn được dùng vào làm thay đổi trật tự và cấu trúc phân tử (tức liên quan tới yếu tố thay đổi entropi) còn phần nhỏ được dùng vào để phá vỡ các liên kết trong phân tử (tức liên quan tới yếu tố thay đổi entanpi). Ví dụ: Trong phản ứng phân hủy pepxin có 45.000KCal/M dùng để thay đổi trật tự và cấu trúc phân tử pepxin còn 18.300KCal/M được dùng vào phá vỡ các liên kết của phân tử pepxin. XV. Sự điều hòa tốc độ phản ứng trong cơ thể sống Quá trình đồng hóa thức ăn từ môi trường là một quá trình phức tạp, phải trải qua nhiều giai đoạn biến đổi và mỗi giai đoạn lại được đặc trưng bởi các phản ứng sinh hóa. Quá trình biến đổi từ chất A thành chất K để cho tế bào có thể đồng hóa được, gọi là quá trình chuyển hóa. Ví dụ: Quá trình chuyển hóa từ Protein thành axit amin, từ Lipit thành axit béo và glixerin, từ Gluxit thành glucose v.v... Trong cơ thể sống, quá trình chuyển hóa không diễn ra một cách đơn lẻ mà giữa các chất tham gia vào quá trình chuyển hóa chúng còn có mối liên hệ với nhau, thể hiện trên hai mặt cơ bản là: nguyên liệu và năng lượng. Mối liên quan về mặt nguyên liệu là khả năng chuyển hóa một chất này thành chất kia thông qua một số sản phẩm trung gian chung. Ví dụ saccharide dễ dàng chuyển thành Lipit (lipide) thông qua hợp chất trung gian là axetil Coenzym A. Mối liên quan về mặt năng lượng thể hiện khi phân giải một hợp chất nào đó, giải phóng ra năng lượng và được tích lũy vào ATP. Nguồn ATP được dùng để hoạt hóa phân tử (đối với phản ứng thu năng lượng), các quá trình sinh tổng hợp các chất trong cơ thể như sự hoạt hóa các axit amin trong tổng hợp Protein và thực hiện công như quá trình co cơ v.v... Cơ chế điều hòa giữa quá trình oxy hóa (giải phóng ra năng lượng) và quá trình photphorin hóa (tích lũy năng lượng) được xác định qua tỉ số nồng độ ADP và photpho vô cơ trên nồng độ ATP. [ADP] + [P] K= (2.56) [ATP]
24 Trong cơ thể sống, không có một chất nào là không tham gia vào mạng lưới của các phản ứng hóa sinh. Cơ thể sống là một hệ mở nên mạng lưới các phản ứng hóa sinh cũng là một hệ thống mở, luôn có sự xâm nhập của các chất từ môi trường bên ngoài vào qua con đường thức ăn, tiếp đến là quá trình chuyển hóa chất dinh dưỡng và sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất sẽ được thải hồi ra môi trường bên ngoài. Trong cơ thể, sự chuyển hóa của một chất nào đó có thể được thực hiện bằng nhiều con đường khác nhau. Hinhenvut đã đưa ra nguyên lí: "Trong cùng một điều kiện, con đường chuyển hóa nào có tốc độ phản ứng lớn hơn thì con đường đó có ý nghĩa quan trọng hơn". Ví dụ: glucose-6-photphat chuyển thành 3 photpho-glyxerin aldehit có thể được thực hiện qua con đường glicoliz hoặc qua chu trình pentozo photphat, tùy thuộc vào hiệu suất của quá trình chuyển hóa. Con đường nào ít tiêu tốn năng lượng và có tốc độ phản ứng diễn ra nhanh hơn sẽ quyết định hướng chuyển hóa của vật chất. Đối với hệ kín, quá trình diễn ra theo một chuỗi các phản ứng nối tiếp: A ⎯⎯→ B ⎯K 2 C... ⎯K n P K1 ⎯→ ⎯→ Phản ứng nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định tốc độ của toàn bộ quá trình chuyển hóa. Đối với hệ thống sống (hệ mở), quá trình chuyển hóa sẽ không phụ thuộc vào tốc độ phản ứng của một giai đoạn nào mà phụ thuộc vào sự tương quan giữa các hằng số tốc độ phản ứng. Một đặc tính quan trọng của cơ thể sống là khả năng duy trì trạng thái cân bằng dừng. Khi cơ thể ở trạng thái cân bằng dừng thì tất cả các quá trình thẩm thấu, chuyển hóa và thải hồi sẽ bổ chính cho nhau để duy trì nồng độ chất không đổi theo thời gian. Sau đây là mô hình đơn giản đặc trưng cho hệ mở nói chung và hệ thống sống nói riêng: Môi trường Màng Tế bào Màng Môi trường K1 ⎯⎯→ A ⎯⎯→ K ⎯⎯→ K2 K3 S Z ←⎯3⎯ ⎯ ←⎯1⎯ ⎯ K− Nguồn Sản phẩm dị hóa K− dinh dưỡng Khi tế bào ở trạng thái cân bằng dừng thì nồng độ chất A (Ca) và chất K(Ck) sẽ không đổi. Do vậy, nồng độ chất A và chất K phải thỏa mãn phương trình: dC a dC k = 0 và =0 (2.57) dt dt
25 Dưới tác động của yếu tố môi trường (chẳng hạn khi tăng nhiệt độ) sẽ làm cho hằng số tốc độ phản ứng K2 tăng lên dẫn tới nồng độ chất A giảm xuống còn nồng độ chất K tăng lên. Để duy trì nồng độ chất A và chất K không đổi thì quá trình vận chuyển chất A vào trong tế bào phải tăng lên (tức K1 tăng) và quá trình thải hồi chất K ra khỏi tế bào cũng phải tăng lên (tức K3 tăng). Khi chấm dứt tăng nhiệt độ thì tế bào không chuyển ngay về nhiệt độ ban đầu mà quá trình hạ nhiệt diễn ra từ từ nên các hằng số tốc độ phản ứng K1, K2, K3 cũng giảm từ từ. Do vậy, nồng độ chất A vẫn còn cao và nồng độ chất K vẫn còn thấp hơn so với ở trạng thái dừng ban đầu. Để chuyển nhanh về trạng thái cân bằng dừng, bắt buộc quá trình vận chuyển chất A ra khỏi tế bào và quá trình vận chuyển chất K vào trong tế bào phải tăng lên (tức cả K-1 và K-3 đều phải tăng). Để duy trì trạng thái cân bằng dừng (tức duy trì Ca và Ck không đổi) thì quá trình vận chuyển chất A vào trong tế bào và vận chuyển chất A ra khỏi tế bào cũng như quá trình vận chuyển chất K vào trong tế bào và vận chuyển chất K ra khỏi tế bào phải bổ chính cho nhau như đã giải thích ở trên. Mô hình trên thuộc phạm vi nguyên lí Lostalie, đặc trưng cho hệ mở: "Khi một hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu ta thay đổi một trong ba yếu tố (nồng độ; áp suất; thể tích) thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều có tác dụng ngược lại sự thay đổi đó". Trong ví dụ trên, khi tăng nhiệt độ tức là đã thay đổi yếu tố nồng độ A và chất K. Nếu nồng độ chất A giảm xuống thì sự vận chuyển chất A vào trong tế bào phải tăng lên, nhằm duy trì nồng độ chất A ổn định còn nồng độ chất K tăng lên thì sự thải hồi chất K ra khỏi tế bào phải tăng lên cũng nhằm duy trì nồng độ chất K ổn định. Một ví dụ điển hình về sự duy trì nồng độ glucose trong máu ở cơ thể người sẽ minh chứng cho nguyên lí Lostalie. Cơ thể người khỏe mạnh (tức duy trì trạng thái cân bằng dừng) thì hàm lượng glucose trong máu luôn có một giá trị ổn định. Nếu cơ thể thực hiện công (như chạy điền kinh) hay bị đói thì hàm lượng glucose trong máu sẽ giảm xuống. Để duy trì trạng thái dừng, lập tức glucogen tích lũy ở gan sẽ chuyển hóa thành glucoza-1-photphat ⎯enzym → glucoza - 6 - ⎯⎯ enzym photphat ⎯⎯⎯→ glucose và thấm vào trong máu để bù vào lượng glucose đã sử dụng. Hoặc cơ thể thực hiện công nhưng không sử dụng glucose trong máu mà sử dụng glucogen. Nhờ enzym photphorilaza xúc tác mà glucogen chuyển thành glucoza - 6 - photphat và tiếp tục bị oxy hóa ở điều kiện yếm khí để giải phóng ra năng lượng, cung cấp cho cơ thể thực hiện công. Ngược lại, nếu cơ thể ít thực hiện công hay dùng nhiều đường dẫn tới làm tăng hàm lượng đường trong máu thì lập tức xảy ra các phản ứng: glucose → glucoza - 6 - photphat → glucoza - 1 - photphat, sau
26 đó trùng hợp thành glucogen và được tích lũy ở gan. Ở đây nồng độ glucoza - 6 - photphat giữ vai trò điều khiển tốc độ của quá trình chuyển hóa thành glucogen để tích lũy ở gan hay thành glucose để thấm vào trong máu. Quá trình chuyển từ trạng thái cân bằng dừng này sang trạng thái cân bằng dừng khác là một quá trình bất thuận nghịch. Đó là sự già. Không ai chống lại được sự già. Sự phát triển của cơ thể chỉ diễn ra theo chiều thuận từ trẻ → già mà không diễn ra theo chiều nghịch từ già → trẻ. Một số thông số trạng thái của cơ thể như nhiệt độ, độ pH của máu, hàm lượng đường, muối khoáng trong máu thì hầu như không thay đổi trong suốt thời gian sống. Người ta gọi đó là tính chất cân bằng nội tĩnh của cơ thể sống (hay gọi là cân bằng dừng bền).
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 (27 Co) thay cho Coban bình thường (5927Co) để tổng hợp nên Vitamin B12, 58 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.