Nhiệt động học với hệ sinh vật

Ôn tập Lý Sinh Hoàng Hữu Chung BVTV-K51A 1 1. Nguyên lý I nhiệt động học với hệ sinh vật: Phát biểu nguyên lý I: Nhiệt lượng Q mà hệ nhận được trong một quá trình bằng tổng công A mà hệ sinh ra cộng với độ biến thiên nội năng ∆U của hệ: Q = A + ∆U Trong quá trình biến đổi vô cùng nhỏ ta có: δQ = δA + dU Nguyên lý I với hệ sinh vật: Theo nguyên lý I, năng lượng của hệ thay đổi do có sự trao đổi năng lượng giữa hệ kín với môi trường, và trong quá trình biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác luôn có sự tương đương về số lượng. Hệ sinh vật cũng không phải là một trường hợp ngoại lệ. Người ta đã làm các thí nghiệm chứng tỏ rằng sựu oxi hoá các chất dinh dưỡng trong cơ thể sẽ cho một nhiệt lượng tương đương với lượng nhiệt mà cơ thể tiêu hao khi dùng đúng lượng các chất dinh dưỡng đó. Ta hãy xét sự cân bằng nhiệt lượng trên người sau một ngày đêm: Nhiệt lượng nhận được do oxi hoá các chất (kcal) Nhiệt lượng toả ra theo các con đường khác nhau (kcal) 56.8g protein: 237 40g chất béo: 1307 79.9g đường: 335 Tổng cộng: 1879 kcal Nhiệt lượng toả ra: 1374 kcal Nhiệt lượng thải ra theo Chất khí: 43 Theo nước tiểu: 23 Bay hơi qua hô hấp: 181 Bay hơi qua da: 227 Hiệu chính: 11 Tổng cộng: 1859 Bảng cân bằng năng lượng cho thấy cơ thể sinh vật không phải là nguồn năng lượng mới, muốn sinh công và duy trì sự sống thì cơ thể sinh vật phải trao đổi năng lượng với môi trường. Vấn đề đặt ra là hệ sinh vật sinh công có phải do nhận nhiệt từ bên ngoài hay không? Như vậy đã biết các máy nhiệt muốn sinh công phải nhận nhiệt từ bên ngoài. Hiệu suất làm việc của máy được xác định theo công thức: T1 – T2 H = T1 Trong đó T1, T2 là nhiệt độ của nguồn nòng và nguồn lạnh (K0) Ôn tập Lý Sinh Hoàng Hữu Chung BVTV-K51A 2 Bây giờ ta giả sử tế bào cơ hoạt động giống như một máy nhiệt khi nhiệt độ môi trường T2 = 250C = 25 + 273 = 2890K với hiệu suất hữu ích là 30% (≈ 1/3). Hỏi tế bào hoạt động ở nhiệt độ cao T1 bằng bao nhiêu? Ta có: T1 = 4470K = 1740C Nghĩa là theo giả thiết trên, tế bào cơ sinh công phải hoạt động ơ rhai nguồn nhiệt có nhiệt độ 250C và 1740C. Điều này không thể xảy ra trong thực tế vì các phân tử protein có trong thành phần tế bào cơ bị biến tính và không thực hiện được các chức nang sinh học của mình ngay ở nhiệt độ 40 – 60 0C. Vậy hệ sinh vật không thể sinh công do nhận năng lượng từ môi trường ngoài dưới dạng nhiệt, mà phải nhận năng lượng dưới dạng đặc biệt dạng hoá năng: Các chất dinh dưỡng khi bị oxi hoá trong cơ thể sẽ giải phóng ra năng lượng cần thiết cung cấp cho cơ thể thực hiện các công sinh học của mình 2. Nguyên lý II nhiệt động học với hệ sinh vật: Phát biểu nguyên lý II: + Phát biểu của Clausiut: Nhiệt lượng không thể truyền tự động từ vật lạnh sang vật nóng hơn. + Phát biểu của Tomxon: Không thể chế tạo động cơ vĩnh cửu loại 2, là động cơ hoạt động tuần hoàn biến đổi liên tục nhiệt lượng thành công mà chỉ tiếp xúc với một nguồn nhiệt duy nhất và môi trường xung quanh không chịu một sự thay đổi đồng thời nào. Quá trình diễn biến trong hệ cô lập xảy ra theo chiều entropi của hệ không giảm. ∆S ≥ 0 ( > 0 với quá trình thuận nghịch) Nguyên lý II cho phép xác định chiều diễn biến của quá trình nhiệt, đồng thời cũng cho thấy mọi quá trình biến đổi nhiệt lượng thành công (như trong động cơ nhiệt) thì chỉ được một phần và luôn kèm theo hao phí một phần dưới dạng nhiệt lượng truyền cho các vật khác và môi trường. Như vậy quá trình biến đổi nhiệt thành công cũng là bất thuận nghịch và hao phí năng lượng càng lớn thì bất thuận nghịch càng mạnh. Các quá trình thuận nghịch không kèm theo sự hao phí năng lượng chỉ là các quá trình lý tưởng, trong thực tế chỉ xảy ra các quá trình bất thuận nghịch nên nguyên lý tăng entropy luôn đúng. Nguyên lý II với hệ sinh vật: Theo nguyên lý II, mọi hệ biến đổi nhiệt lượng thành công (như động cơ nhiệt) luôn có hiệu suất nhỏ hơn 100%. Quá trình sống trong hệ sinh vật cũng không thoát khỏi điều đó. Bởi vì các quá trình sống trong hệ sinh vật luôn kèm thao sự hao phí năng lượng dưới dạng nhiệt và là các quá trình bất thuận nghịch. Ta xét một số ví dụ: Ôn tập Lý Sinh Hoàng Hữu Chung BVTV-K51A 3 Quá trình hô hấp ưa khi slà quá trình phân huỷ 1 mol glucoza thành CO2 và H2O trong điều kiện có oxy, sẽ tạo ra 38 phân tử ATP (adenozin triphotphat) Muốn tạo được 1 phân tử ATP cần khoảng 8 kcal, như vậy để tạo ra 38 phân tử ATP cần 304 kcal, trong khi đó nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy trực tiếp 1 mol glucoza là 688 kcal. Vậy hiệu suất sinh học của 1 mol glucoza là: ≈ 44% Thực tế thì năng lượng còn bị hao phí dưới dạng nhiệt qua một loạt quá trình hoá sinh khác nhau nên hiệu suất thực tế chỉ đạt 4 – 10% Tương tự hiệu suất của quá trình co cơ khoảng 30%, quá trình quang hợp 70% Bây giờ ta xét xem nguyên lý tăng entropi có vai trò thế nào với các qúa trình sinh học Trước hết ta xét vai trò của entropi về chiều diễn biến của quá trình: Ta đã biết, nguyên lý tăng entropi được thiết lập với hệ cô lập, trong khi đó hệ sống là hệ mở. Nếu ta xét hệ tổng thể của cả hệ sống và môi trường thì entropi của hệ tổng tăng, tức là tuân theo nguyên lý tăng entropi; Nhưng nếu chỉ xét riêng hệ thống này thì entropi có thể tăng giẳm, hoặc không đổi điều này có nghĩa là trong hệ sinh vật sống có quá trình giảm entropi, nhưng quá trình đó luôn được bù lại bởi các phía trong hệ entropi ở các phần khác, xảy ran gay trong hệ sinh vật hoặc xảy ra ở ngoài môi trường. Như vậy, mặc dù trong hệ sinh vật luôn có các quá trình biến đổi kèm theo sự biến đổi entropi, nhưng entropi không còn đóng vai trò quyết định chiều hướng diễn biến của các quá trình sinh học. Chiều hướng chung của mọi hoạt động sống bị chi phối bởi một quy luật khác đó là quy luật tiến hoá của sinh giới Tiếp tho ta xét vai trò của entropi liên quan đến trật tự của hệ. Ta đã biết entropi là thước đo mức độ hỗn loạn về phân bố phân tử trong hệ, phân bố của hệ càng hỗn loạn thì entropi của hệ càng lớn và ngược lại Ví dụ: Với hệ nhiệt động vật lý là chất lỏng thì quá trình đông đặc đưa các phân tử đến trạng thái sắp xếp tại những vị trí xác định, tính hỗn loạn giảm, tính trật tự tăng lên, quá trình này toả nhiệt và entropi giảm. Nguyên nhân sự thay đổi entropi ở quá trình trên là do sự thay đổi chuyển động nhiệt của phân tử và tương tác giữa các phân tử của hệ. Đối với hệ sinh vật: Thuyết tiến hoá của Dacuyn cho thấy cấu trúc của cơ thể động thực vật ngày càng hoàn chỉnh, tinh vi, trật tự hơn và sự phối hợp giữa các quá trình sống trong cơ thể sinh vật cũng hoàn thiện hơn tương ứng với entropi giảm. Tuy nhiên tính trật tự Ôn tập Lý Sinh Hoàng Hữu Chung BVTV-K51A 4 trong hệ sinh vật không phải là kết quả của chuyển động phân tử đơn giản, mà là kết quả của sự tiến hoá, bị chi phối bởi các quy luật sinh vật. Như vậy, trong hệ sinh vật, sự thay đổi entropi luôn kèm theo các biến đổi hoá lý, nhưng nó không có vai trò quyết định chi phối chiều hướng diễn biến của các quá trình và không quyết định bản chất tính chật tự của hệ. 3. Trạng thái dừng của hệ mở: Vì hệ sống luôn có sự trao đổi chất và năng lượng với môi trường bên ngoài, nó là hệ mở. Độ biến đổi entropi của hệ mở bao gồm hai thành phần: dS dS1 dS2 dt = dt + dt Trong đó thành phần dSi/dt là do các quá trình bất thuận nghịch trong bản thân hệ gây ra, còn thành phần dSe/dt là độ biến đổi entropi do sự trao đổi chất và năgn lượng giữa hệ mở và môi trường gây ra. Vì các quá trình xảy ra trong hệ sinh vật đều có tính bất thuận nghịch nên dSi/dt > 0. Theo nhiệt động học các hệ mở, thành phần dSe/dt có thể có các giá trị sau: dS2 dt > 0 Khi đó dS/dt tăng hay là entropi của hệ tăng theo đúng nguyên lý II. dS2 dt = 0 Khi đó hệ là cô lập và entropy của hệ tăng nếu trong hệ xảy ra các quá trình bất thuận nghịch. dS2 dt < 0 Nhưng: 0 hay entropi của hệ tăng │dS2│ │dt│ │dS1│ │dt│ dS dt Ôn tập Lý Sinh Hoàng Hữu Chung BVTV-K51A 5 Nhưng: Ngược lại thì < 0 và entropi của hệ mở giảm, trường hợp này chỉ xảy ra Khi ở môi trường ngoài có quá trình tăng entropi của hệ tổng thể mở - môi trường, luôn tăng lên. Ta thấy chính vì có sự trao đổi chất và năng lượng giữa hệ mở và môi trường mà trạng thái entropi giảm ngược với nguyên lý 2 được khắc phục. CBNĐ và TTD đều có các tham số trạng thái không đổi theo thời gian. Tuy nhiên chúng khác nhau ở phương thức duy trì trạng thái. Sở dĩ CBNĐ có dS/dt = 0 là do trong hệ chỉ xảy ra các quá trình thuận nghịch ứng với dS1/dt = 0 và do hệ không trao đổi chất và năng lượng với môi trường nên thành phần dS2/dt = 0. Song ở trạng thái dừng chính nhờ sự trao đổi với môi trường mà độ tăng của thành phần dS1/dt được bù trừ đúng bằng độ giảm dS2/dt, kết quả là dS/dt = 0 do vậy S = const. 4. Năng lượng tự do trong quá trình thuỷ phân: Trong hoá sinh người ta thấy năng lượng tự do của quá trình tạo chất trong đó có sự bứt đứt mối liên kết cũ để tạo liên kết mới không quan trọng bằng loại năng lượng tự do của các phản ứng trong đó có sự chuyển nhóm nguyên tử giữa các hợp chất theo kiểu phản ứng trao đổi. Phản ứng thuỷ phân là kiểu phản ứng trong đo có sự chuyển nhóm nguyên tử giữa phân tử chất và phân tử H2O. Ví dụ phản ứng thuỷ phân glixerin – glixerin: NH2 – CH2 – CO – NH – CH2 – COOH + H2O  2NH2 – CH2 – COOH Trong đó nhóm (1) được vận chuyển đến hydroxyl của phân tử H2O, còn H của phân tử H2O được vận chuyển đến nhóm (2) của phân tử glixelrin – glixerin. Những hợp chất khi thuỷ phân giải phóng ra một năng lượng tự do từ 7 đến hơn 10 kcal/mol được gọi là hợp chất giàu năng lượng. Xét ATP: Cấu tạo của phân tử ATP có thể tóm tắt như sau: Ademin – riboza – P – O ~ P – O ~ P – OH dS dt (1) (2) O ׀׀ O ׀׀ ׀ HO ׀ OH O ׀׀ ׀ HO Ôn tập Lý Sinh Hoàng Hữu Chung BVTV-K51A 6 Trong đó các liên kết P – O gọi là liên kết thường, khi thuỷ phân chỉ cho ∆Z = -2,5 kcal/mol, còn liên kết O ~ P là liên kết giàu năng lượng. Khi thuỷ phân ATP, nhóm photphát cuối cùng của ATP được vận chuyển đến nhóm OH của phân tử H2O để tạo axit photphoric và ADP. Trong điều kiện chuẩn, pH = 7,0 nhiệt độ = 370C, nồng độ các chất phản ứng và sản phẩm phản ứng là 0,1M với sự có mặt của Mg2+, phản ứng thuỷ phân ATP là phản ứng tự diễn biến, giá trị ∆Z = -7,3 kcal/mol. Trong nội bào ∆Z đạt tới -12kcal/mol. Khi nghiên cứu các π – electron của phân tử ATP người ta thấy mạch chính mang điện dương - +P - +O - +P - O+ và chính do lực đẩy tĩnh điện giữa nhứng điện tích dương sẽ làm tăng năng lượng được giải phóng khi ATP bị thuỷ phân, còn bốn nhóm hydroxyl do bị phân ly mạnh nên quanh mạch chính sẽ tích điện âm. – P – O ~ P – O ~ P – O- Vì lớp điện tích âm này có tác dụng bảo vệ, nhờ đó mặc dù ATP có ∆Z với giá trị âm nhưng nó vẫn khả năng bền vững trong dung dịch nước. Tóm lại, về phương diện nhiệt động học ∆Z mới là chỉ tiêu cần mà chưa đủ, nó cho phép đánh giá khả năng tự diễn của một quá trình, song phản ứng có xảy ra được hay không lại còn tuỳ thuộc vào những điều kiện khác nhau như điều kiện cấu trúc, điều kiện nhiệt động học... 5. Chuyển hoá năng lượng: 5.1 Nhu cầu năng lượng Năng lượng là nhu cầu tuyệt đối của sự sống. Mọi hoạt động sống của tế bào và cơ thể động thực vật đều cần năng lượng. Các quá trình tổng hợp chất, các kiểu vận động của tế bào và cơ thể kể cả vận động của dòng nội chất trong tế bao, quá trình vận chuyển các chất ngược chiều gradien qua màng sinh học đều đòi hỏi phải tiêu tốn năng lượng. Năng lượng cần thiết sản xuất nhiệt lượng cho cơ thể. Năng lượng cần cho quá trình điện của tế bào vào cơ thể, như tạo ra sự tích điện trên các màng sinh chất, hoặc có khả năng phóng điện mạnh (đến mức làm sáng bóng đèn) như một vài loài lươn cá để bảo vệ, chống kẻ thù. Năng lượng cần cho hiện tượng phát quang ở một số loài các sống dưới biển, hoặc ở đom đóm... 5.2 Chu trình năng lượng trong tế bào ׀׀ ׀׀ ׀׀ ׀ -O ׀ -O ׀ -O Ôn tập Lý Sinh Hoàng Hữu Chung BVTV-K51A 7 Quá trình trao đổi chất ở tế bào bao gồm hai quá trình ngược nhau cùng song song tồn tại, đó là quá trình dị hoá và quá trình đồng hoá. Ở đây chỉ xét hai quá trình đó về mặt năng lượng. Quá trình dị hoá gồm một hệ các phản ứng men phân huỷ các cao phân tử chất hữu cơ như gluxit, lipit, protein đến các chất đơn hơn như axit puruvic, axit axetic, CO2, amoniac, H2O, urê... Nếu xét theo S thì quá trình dị hoá là quá trình tăng entropi S. Trong quá trình sẽ giải phóng ra năng lượng Quá trình đồng hoá là quá trình tổng hợp các chất cua tế bào như gluxit, protein, lipit, axit nucleic từ các chất đơn giản hơn. Quá trình tổng hợp này dẫn đến sự tăng kích thước của phân tử nên quá trình này kèm theo sự giảm entropi và do đó cần phải tiêu hao năng lượng. Chu trình năng lượng trong tế bào như sau: Năng lượng được giải phóng ra trong quá trình dị hoá không được tế bào sử dụng trực tiếp, mà trước hết được cất dấu trong các liên kết giàu năng lượng của ATP. Phân tử ATP sau đó có thể khuếch tán đến nơi mà tế bào cần năng lượng. Tại đây, nhóm photphat của ATP được vận chuyển đến phân tử chất nhận là phân tử nước, đồng thời năng lượng được cất giữ từ trước sẽ được giải phóng, cung cấp cho tế bào thực hiện công sinh học hữu ích. Chính vì vậy ATP được gọi là nguồn năng lượng di động của tế bào. Trong tế bào còn có một hình thức khác nhằm chuyển giao năng lượng từ các phản ứng oxi hoá khử trong quá trình dị hoá đến phản ứng tổng hợp chất trong quá trình đồng hoá: đó là quá trình vận chuyển electron. Trong tế bào khi cần tổng hợp các phân tử giàu hydro, ví dụ các axit béo và colesteron cần phải có hydro và các electron để khử các liên kết đôi. Các e giàu năng lượng bứt ra khỏi các phản ứng oxi hoá trong quá trình dị hoá sẽ được chuyển giao cho các nhóm khử là các nhóm liên kết đôi C = C hoặc C = O với sự giúp đỡ của một số cophecmen, trong đó quan trọng nhất là NADP. Như vậy NADP đóng vai trò chất vận chuyển các e giàu năng lượng sinh ra trong các phản ứng của quá trình dị hoá đến phản ứng cần e trong quá trình đồng hoá. 5.3 Sự trao đổi năng lượng trong hệ sinh vật Nguồn năng lượng duy nhất cho thế giới sinh vật là năng lượng mặt trời. Mặt trời phát năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ với các bước sóng khác nhau. Trong số đó chỉ có 30% năng lượng bức xạ đến được trái đất, còn 70% bị khí quyển hấp thụ. Phần năng lượng đến được trái đất phần lớn bị biến thành nhiệt, hay phát bức xạ ra ngoài vũ trụ dưới dạng sóng hồng ngoại, dùng để bốc hơi nước hoặc tạo ra những đám mây chỉ còn 0.02% trong số 30% là được thực vật quang hợp hấp thụ. Cây xanh và tảo là những sinh vật đầu tiên hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời nhờ các lục lạp. Trong quá trình quang hợp, tảo và cây xanh sử dụng ánh sáng mặt trời làm Ôn tập Lý Sinh Hoàng Hữu Chung BVTV-K51A 8 nguồn năng lượng để tổng hợp cacbonhydrat từ CO2 và H2O có sãn trong môi trường, ngoài ra chúng còn có thể tổng hợp được các chất hữu cơ khác như lipit, protein, với sự tham gia của các muối khoáng.! Động vật không sử dụng trực tiếp ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng mà sử dụng gián tiếp thông qua sự đồng hoá các sản phẩm, hoặc ăn các động vật khác. Bằng phân huỷ thức ăn, giải phóng năng lượng có trong thức ăn và dự trữ năng lượng này dưới các dạng ATP để sử dụng dần dần cho các loại công sinh học của tế bào. Trong các nguồn thức ăn thì gluxit là nguồn thức ăn quan trọng nhất. Vật chất thực vật dự trữ dưới dạng tinh bột, còn động vật dự trữ glucogen trong tế bào của mình. 6. Các hình thức vận chuyển vật chất qua màng tế bào: Mặc dù cấu trúc và tính chất hoá lý của các phân tử chất thấm vào tế bào rất khác nhau, song chúng đều thâm nhập qua màng thông qua hai con đường chính: con đường qua các siêu lỗ và con đường thâm nhập của chất thấm nhờ khả năng hoà tan của chúng trong lipit của màng. Con đường thứ nhất chủ yếu đặc trưng cho các chất dễ tan trong nước như đường, chất khoáng. Con đường thứ hai phụ thuộc vào thành phần hoá học của các chất. Phân tử nào có số lượng các nhóm OH, COOH, NH2 lơn là những phân tử khó thấm, vì các phân tử này thuộc loại phân cực, khó tan trong lipit. Trái lại trong thành phần phân tử chứa nhiều nhiều metyl, etyl là những phân tử không phân cực, dễ hoà tan trong lipit nên dễ thấm. Quá trình thâm nhập của các chất từ môi trường vào tế bào là một quá trình rất phức tạp, căn cứ vào cơ chế thâm nhập người ta có thể phân biệt các dạng vận chuyển khác nhau. 6.1 Vận chuyển thụ động Động lực của quá trình vận chuyển thụ động là do sự có mặt của các loại gradien sau đây: a) Gradien nồng độ, do sự chênh lệch nồng độ các chất giữa môi trường và tế bào gây ra. b) Gradien thẩm thấu – xuất hiện khi có sự chênh lệch về áp suất thẩm thấu, đặc biệt là áp suất thẩm thấu keo giữa bên trong và bên ngoài tế bào. c) Gradien màng – vì màng có tính bán thấm, các phân tử nhỏ thường đi qua một cách dễ dàng, còn các cao phân tử thâm nhập hoặc giải phóng khỏi tế bào khó khăn, kết quả làm xuất hiện sự chênh lệch về độ phân bố các chất ở hai phía trong của màng và do đó xuất hiện gradien màng. d) Gradien độ hoà tan xuất hiện trên danh giới giữa hai pha không trộn lẫn khi khả năng hoà tan của các chất trong hai pha khác nhau. Thí dụ, đối với hệ màng thì đó là hai pha lipit – protein và như đã biết, ở trạng thái cân bằng nhiệt động tỷ số nồng độ của các chất trong hệ hai pha là không đổi Ôn tập Lý Sinh Hoàng Hữu Chung BVTV-K51A 9 e) Gradien điện thế: Gây ra bởi sự phân bố không đều của các ion Na+, K+, Cl- ở bên trong và bên ngoài tế bào. Như vậy, dòng vật chất vận chuyển theo hướng vectơ tổng của các loại gradien. Ta có định nghĩa: Vận chuyển thụ động là quá trình thâm nhập vật chất qua màng theo vectơ tổng của các loại gradien và không đòi hỏi tiêu thụ năng lượng trong quá trình vận chuyển. 6.1.1 Cơ chế khuếch tán thường: Là cơ chế vận chuyển chủ yếu của các chất hoà tan trong nước qua màng. Định luật Fich: ∆C ∆n = -DS ∆x ∆t D: hệ số khuếch tán S: diện tích ∆C: độ chênh lệch nồng độ chất chuyển ở hai phía màng ∆x: bề dày ngang ∆C/∆x: gọi là gradien nồng độ của chất. P = -D/∆x là hệ số thấm của màng. Khi đó: ∆n ∆t = PS(C1 – C2) Hiện tượng khuếch tán không những xảy ra đối với các hạt hoà tan mà cả với phân tử dung môi, thí dụ phân tử nước. Đặc điểm của sự vận chuyển bằng khuếch tán là rất chậm. 6.1.2 Khuếch tán liên hợp Phụ thuộc vào nồng độ, nhưng khác với khuếch tán thường, khi độ chênh lệch về nồng độ đạt tới giá trị nhất định nào đó thì tốc độ xâm nhập các chất không phụ thuộc tuyến tính vào gradien nồng độ. Mặt khác phân tử vật chất chỉ có thể đi qua màng nhờ gắn vào một loịa phân tử khác có trong màng gọi là chất mang hay chất tải. Các chất như glucoza, glyxerin, một số axit amin và một số chất hữu cơ khác vận chuyển theo cơ chế này. Khi đó chất chuyển (C) gắn với chất tải (T) tạo thành phức hợp (CT) vận chuyển qua màng. Như vậy, sự vận chuyển phụ thuộc vào độ chênh lệch nồng độ, vào sự phân bố chất tải và tốc độ phân ly cũng như tái hợp của phức chất (CT). 6.1.3 Khuyếch tán trao đổi Tương tự với khuếch tán liên hợp, sự vận chuyển bằng khuếch tán trao đổi cũng cần chất tải T, nhưng khác với trường hợp trên, ở đây chất tải thực hiện qúa trình vận chuyển theo vòng: Sau khi đưa chất chuyển ra ngoài màng tế bào chất tải lại gắn với một phân tử Ôn tập Lý Sinh Hoàng Hữu Chung BVTV-K51A 10 khác cùng loại ở ngoài màng chuyển vào trong tế bào. Kết quả là nồng độ chất chuyển ở hai phía màng là không thay đổi. Cơ chế này không những cho phép giải thích sự trao đổi ion Na+ (mà còn đối với một số ion khác và một số chất) qua màng tế bào hồng cầu đã được phát hiện bằng phươgn pháp đánh dấu phóng xạ 6.2 Vận chuyển tích cực Định nghĩa: Đặc biệt trong hệ thống sống, bên cạnh vận chuyển thụ động thuận chiều với tổng vectơ các loại gradien còn có quá trình vận chuyển ngược chiều gọi là vận chuyển tích cực. Dĩ nhiên quá trình đòi hỏi thu năng lượng tự do của tế bào chủ yếu dưới dạng ATP để sinh công chống lại tổng các loại gradien. Vậy vận chuyển tích cực là quá trình thâm nhập các chất qua màng tế bào ngược chiều gradien nồng độ, ngược vectơ tổng các loại gradien và cần sử dụng năng lượng tự do của tế bào để sinh công chống lại các loại gradien. Nguyên tắc hoạt động bơm Natri – Kali Bơm là bộ máy vận chuyển tích cực của Na+ và K+ được hình thành trong quá trình trao đổi chất. Bơm đẩy ion Na+ ra khỏi tế bào khiến cho nồng độ của nó trong tế bào giảm và nồng độ ngoài tế bào tăng lên, kết quả làm xuất hiện gradien điện thế dương hướng từ ngoài môi trường vào nội bào. Gradien này lại là động lực cho quá trình vận chuyển ion K+, glucoza, axit amin...Bơm hoạt động nhờ sử dụng năng lượng ATP trong tế bào, theo tính toán gần đây thì năng lượng thuỷ phân của 1 mol ATP có thể vận chuyển 3 ion Na+ ra khỏi tế bào và 2 ion K+ đi vào. Nguyên tắc chung của bơm là bảo đảm cân bàn các quá trình đẩy và hút các chất qua màng nhằm làm cho áp suất thẩm thấu trong tế bào ổn định, tránh cho tế bào khỏi bị trương và chết. Cơ chế vận chuyển ion Na+ và K+ qua màng tế bào. Ngày nay người ta khẳng đinh chất chuyển tải Na+ và K+ qua màng tế bào là ATP– aza, loại enzim có bản chất protein tập trung ở các thành phần màng. Mặt khác nó còn đóng vai trò xúc tác cho quá trình thuỷ phân ATP, nhờ đó mà sự vận chuyển được cung cấp năng lượng. Quá trình vận chuyển Na+ và K+ được thực hiện qua hai giai đoạn: - Giai đoạn 1: ATP-aza được ion Na+ trong tế bào kích thích kết hợp với nhóm photphat cuối cùng của ATP từ đó tạo ra chất trung gian là phân tử enzim đã được photphorin hoá. Với ký hiệu ATP – aza = E ta sẽ có: Na+ + E + ATP  (Na+.E ~ P) + ADP - Giai đoạn 2: Phức chất (Na+.E ~ P) chuyển đến màng ngoài được ion K+ hoạt hoá và bị thuỷ phân giải phóng ion Na+ ra ngoài môi trường, đồng thời bị khử photphorin hoá. Phân tử enzim lại kết hợp với ion K+ đưa vào nội bào: (Na+.E ~ P) + K+  (K+.E ~ P) + Na+ (ra ngoài) (K+.E ~ P)  K+ + E + P (đi vào tế bào) Ôn tập Lý Sinh Hoàng Hữu Chung BVTV-K51A 11 Tóm lại, màng đóng vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất do đó để giải quyết đúng đắn vấn đề động học của quá trình, lý thuyết vận chuyển tích cực phải được xây dựng cả trên cơ sở vai trò của các quá trình trao đổi chất bên trong tế bào và vai trò của màgn tế bào. Về thực chất đó là một hệ thống cấu trúc phức tạp theo cơ chế hoá học của các enzim, các chất trong mối liên quan tương hỗ với các quá trình sinh hoá bên trong nhằm đảm bảo cho tế bào thực hiện chức năng hoạt động của mình. 7. Điện thế cực hệ hoá lý 7.1 Điện thế cực: loại điện thế xuất hiện trên ranh giới giữa hai pha tiếp xúc với nhau khi chúng chứa các ion hay các phân tử có cực. Chẳng hạn điện thế trên ranh giới giữa kim loại và dung dịch của muối kim loại đó. Hay, là điện thế xuất hiện ở chỗ tiếp giáp giữa hai pha khi chúng chứa các ion hoặc các phân tử phân cực. Thí dụ trên danh giới giữa hệ gồm một thanh bạc và dung dịch AgNO3 - Trường hợp thế hoá học của ion kim loại trong điện cực nhỏ hơn trong dung dịch: µic < µid Thì dưới tác dụng của gradien thế hoá học ion kim loại sẽ chuyển vào điện cực và kết tủa ở đó. Quá trình này làm cho thanh kim loại tích điện dương ngày càng nhiều, đồng thời xung quanh điện cực cũng hình thành lớp ion âm ngày càng tăng, giữa lớp điện tích kép trên ranh giới điện cực xuất hiện một điện trường tĩnh tăng lên. Khi lực gradien thế hoá học cân bằng với lự điện trường, quá trình vận chuyển ion kim loại vào điện cực kết thúc, ta nói rằng có sự cân bằng điện hoá, trong đó có sự chênh lệch điện thế hoá học của ion trong kim loại và dung dịch sai khác nhau một giá trị bằng giá trị của lớp điện tích kép: µid - µic = Zi.F.ψ µid : điện thế hoá học của ion nào đó trong dung dịch µic: điện thế hoá học của ion đó trong điện cực Zi: điện tích ion F: số Farday Ψ: thế điện cực đối với dung dịch - µic > µid: Hiện tượng xảy ra ngược lại, điện cực kim loại bị tan dần vào dung dịch cho tới khi đạt trạng thái thăng bằng. - µic = µid: Vì không có sự hoà tan hay kết tủa ion kim loại ở điện cực nên điện thế của điện cực so với dung dịch bằng không. Necxow đã xuất phát từ cách tính công thẩm thấu cần thiết phải thực hiện để làm tăng nồng độ chất hoà tan trong dung dịch lên 1g/mol. Khi áp suất thẩm thấu thay đổi từ P1 – P2: P1 A = R.T.ln P2 Ôn tập Lý Sinh Hoàng Hữu Chung BVTV-K51A 12 R: hằng số khí lý tưởng T: Nhiệt độ tuyệt đối Gọi U là độ biến đổi điện thế cực thì công để thay đổi nồng độ dung dịch bằng: AĐ = F.U R.T P2 U = F ln P1 Ta đã biết áp suất thẩm thấu tỷ lệ thuận với nồng độ: R.T Cc U = F ln Cd Cho kim loại hoá trị n: R.T Cc U = nF ln Cd 7.2 Điện thế nồng độ Khi nhúng hai điện cực làm bằng cùng một kim loại vào hai dung dịch muối của kim loại đó nhưng nồng độ khác nhau thì thế điện cực sẽ khác nhau, do đó giữa chúng có một hiệu điện thế. Tính như sau: R.T Cc R.T Cc U = U1 – U2 = nF Ln C1 - nF Ln C2 => R.T C2 U = nF Ln C1 Cần lưu ý nồng độ hoạt tính của ion kim loại khác với nồng độ tuyệt đối của dung dịch, Nồng độ hoạt tính gọi là hoạt độ a Được xác định bằng tích số giữa nồng độ tuyệt đối (c) với hệ số hoạt độ (f): a = c.f Ở điều kiện thường t = 200C, R = 8.31erg/mol.độ, F = 96.500 c thì điện thế nồng độ có thể viết dưới dạng: 0.58 C2 U = n Ln C1 7.3 Điện thế oxy hoá khử: Trong cơ thể sống luôn luôn xảy ra hàng loạt phản ứng oxy hoá khử, phản ứng thải hổi và thu nhận điện tử. Điện thế xuất hiện trong quá trình đó gọi là điện thế oxy hoá khử. Ví dụ: platin nhúng vào hai dung dịch FeCl2 và FeCl3, song một trong hai muối này ở hai dung dịch có nồng độ dung dịch khác nhau, khi đó giữa hai điện cực có một điện thế gọi là điện thế oxy hoá khử: R.T C13+ C23+ U = nF (ln C12+ - ln C22+ ) Trong đó: Ôn tập Lý Sinh Hoàng Hữu Chung BVTV-K51A 13 Thế oxy hoá khử ở mỗi điện cực: R.T C13+ V = nF ln C12+ + V0 ĐK thường: 0.58 C13+ V = n ln C12+ + V0 8. Phân loại điện thế sinh vật 8.1 Điện thế tĩnh: Ở trạng thái bình thường của cơ thể sống, điện thế xuất hiện giữa các vùng có cường độ trao đổi chất khác nhau gọi là điện thế tĩnh. Mức độ trao đổi chất khác nhau có thể do nhiều nguyên nhân, như khác nhau về chức năng, cường độ hô hấp, về mức độ hấp phụ ánh sáng... Tuy nhiên vùng nào có cường độ trao đổi chất lớn hơn vùng đó có điện thế âm hơn. Thí dụ trên 1 chiếc lá cây chỗ chiếu sáng tích điện âm (-), nơi bị che tối tính điện dương (+). Để xác định điện thế tĩnh người ta thường dùng phương pháp vi điện cực Đặc điểm đặc trưng của điện thế tĩnh là cố định về hướng và giá trị giảm rất chậm. Ở các đối tượng khác nhau điện thế tĩnh khác nhau, dao động trong khoảng 0.02 – 100mv. Đối với thực vật có đặc điểm là cơ thể sống tĩnh tại, cường độ trao đổi chất nói chung mang tính chất đơn giản và giống nhau, vì vậy điện thế tĩnh tương đối ổn định và tăng dần từ rễ lên ngọn. Thí dụ dọc theo rễ cây hành đuôi rễ bao giờ cũng tích điện âm so với đầu cuống (chênh lệch về điện thế tĩnh cỡ 20mv). Sự xuất hiện hiệu điện thế tĩnh giữa hệ rễ và phần trên của cây chủ yếu liên quan đến sự vận chuyển của nước, khoáng và các chất hữu cơ. Như vậy, điện thế tĩnh là một đặc trưng cho trạng thái sinh lý bình thường, nói cách khác, đặc trưng cho trạng thái cân bằng dừng của hệ thống sống, điều đó được biểu hiện ở sự ổn định về giá trị của điện thế tĩnh. 8.2 Điện thế tổn thương: Điện thế tổn thương là loại điện thế xuất hiện giữa vùng bị tổn thương và vùng còn nguyên vẹn trên bất kỳ bộ phận nào của cơ thể động vật cũng như thực vật. Nguyên nhân gây tổn thương có thể bằng cơ học (cắt, ép...), nhiệt độ (đốt, làm lạnh...), xử lý hoá học (axit, kiềm...) hoặc bằng phóng xạ... Đặc điểm điển hình của điện thế tổn thương là cố định về hướng, chỗ bị thương điện thế âm hơn, giá trị của nó suy giảm rất chậm theo thời gian. Giữa các đối tượng khác nhau điện thế tổn thương biến đổi rất lớn từ một đến hàng trăm milivon. Chẳng hạn ở cơ vân của ống dẫn nước tiểu của chó chỉ có khoảng 2mV, trong khi đó ở cơ xương lên tới 80 – 90mV. Sự khác biệt như vậy rõ ràng tuỳ thuộc vào sự thay đổi trạng thái sinh lý và trạng thái chức năng của từng cơ quan bị tổn thương. Ôn tập Lý Sinh Hoàng Hữu Chung BVTV-K51A 14 Thực nghiệm cho thấy điện thế tổn thương chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Trong đó các tác nhân như nhiệt, chất gây độc, các muối vô cơ và tình trạng thiếu oxy... đều có tác dụng gây ức chế. Không chỉ động vật mà thực vật cũng mang những tính chất điện khá đặc trưng và có những quy luật tương tự. Trên cây dù ở lá, cành hay rễ nơi bị tổn thương tích điện âm so với vùng nguyên vẹn. Giá trị điện thế tổn thương ở loài thực vật thay đổi từ 20 – 120mV. Đặc biệt, khác với động vật điện thế tổn thương ở thực vật giảm rất nhanh rồi biến mất sau đó có thể đảo cực. Thí dụ ở thực vật Pirus cerasifera, sau khi gây tổn thương 1 giờ điện thế tổn thương biến đổi từ -86mV  -10mV và sau 24 giờ là +6mV. Tất nhiên ngay trong một cây, tốc độ giảm điện thế tổn thương phụ thuộc vào vị trí, mức độ tổn thương và các yếu tố ngoại cảnh khác. Hiện tượng điện thế tổn thương của thực vật có thời gian tồn tại ngắn có thể do nguyên nhân các mô thực vật được cấu tạo bởi các tế bào có kích thước nhỏ dễ bị tổn thương nặng và dễ bị tử vong sớm. Còn hiện tượng đảo cực xảy ra do nguyên nhân sản phẩm mới hình thành sau khi các mô tổn thương bị chết gây nên. Giống như ở tế bào động vật, điện thế tổn thương thực vật mang tính chất cục bộ. Ta có thể thấy lại các đặc điểm nói trên qua thí nghiệm đo điện thế tổn thương trên bề mặt lá. 8.3 Điện thế hoạt động Đó là loại điện thế xuất hiện trong cơ thể chỉ ở những nơi sóng hưng phấn truyền qua. Vùng sóng tơi sẽ có điện thế âm so với vùng khác. Như vậy tế bào ở trạng thái bình thường có điện thế tĩnh, muốn có điện thế hoạt động phải kích thích tế bào với mức độ đủ mạnh (trên ngưỡng), phương pháp kích thích có thể bằng cơ học, điện hoặc hoá học... Điện thế hoạt động là một biểu hiện của sự biến đổi bên trong tế bào, có dạng và tần số khác nhau đối với các loại tế bào khác nhau. Thí dụ điện tâm đồ, điện cơ đồ là một dạng của điện thế hoạt động. Thường người ta ghi được hai dạng biến đổi chính, dạng một pha và hai pha. - Dạng điện thế hoạt động hai pha xác định trên sợi dây thần kinh bằng phương pháp vi điện cực: a/ dây thần kinh không có sóng truyền qua b/ Sóng qua vùng điện cực 1: Biến đổi đột ngột, đồng thời xảy ra sự phân bố lại các ion nên điện thế trở nên âm hơn với vùng không có sóng. c/ Sóng truyền qua cả đoạn khảo sát, trên toàn vùng tích điện âm. Điện thế 0 d/ Sóng qua điện cực 1 nhưng vẫn còn ở điện cực 2, điện thế đổi dấu e/ Sóng dời khỏi vùng khảo sát, điện kế 0 - Dạng 1 pha thu được khi cắm 1 cực trên vùng đo, cực kia cắm vào môi trường chuẩn: Ôn tập Lý Sinh Hoàng Hữu Chung BVTV-K51A 15 Điện thế hoạt động có đặc điểm là độ lớn biến đổi nhanh theo thời gian. Trong các tham số đặc trưng cho điện thế hoạt động người ta chú ý nhiều đến tham số thời gian (thời gian điện thế đạt cực đại), chiều dài của xung điện và dạng của đồ thị. Tương quan giữa pha dương và âm phản ánh khá chính xác tốc độ truyền xung, chính vì vậy mà tham số thời gian là rất cần. Điện thế hoạt động phụ thuộc vào nhiều yếu tố: sự mỏi mệt có ảnh hưởng lớn đến mô hưng phấn, làm cho điện thế hoạt động không ổn định. Nhiệt độ thấp làm cho xung điện kéo dài, nhiệt độ cao chiều dài xung ngắn lại. Ngoài ra còn chịu tác dụng của các chất gây ức chế như strienin, cafein... Thực vật bị kích thích cũng làm xuất hiện điện thế hoạt động. Khi cường độ kích thích ở dưới ngưỡng thì điện thế hoạt động không lan truyền mà ở tại chỗ. Kích thích đủ mạnh thì sự biến đổi điện thế ở thực vật cũng như ở động vật. Thí dụ dạng điện thế 2 pha ở loài cây bắt ruồi hoặc ở cây xấu hổ. Ở đối tượng thực vật, điện thế truyền xung trong hệ mạch dẫn ở cành cây là đáng quan tâm hơn cả. 9. Nguồn gốc và bản chất của điện thế tĩnh và điện thế tổn thương Hai loại điện thế này có cùng nguồn gốc, đều là một dạng của điện thế trao đổi chất, song có khác nhau về nguyên nhân hình thành. Để giải quyết vấn đề bản chất của điện thế tĩnh, người ta đã nêu lên nhiều giả thuyết trong đó mỗi quan điểm đều gặp một số tồn tại, hiện nay chưa thống nhất, còn tiếp tục tranh luận. Giả thuyết lâu đời nhất và được thừa nhận hiện nay là do Bernstein nêu ra: Cơ sở chủ yếu của lý thuyết dựa vào tính chất bán thẩm thấu của màng tế bào. Theo tác giả, ở trạng thái tĩnh màng tế bào chỉ cho thấm ion K+ mà không cho thấm ion Na+ và Cl-. Vì ba loại ion này có nồng độ rất lớn ở bên trong tế bào và ngoài môi trường, bởi vậy nguyên nhân chủ yếu hình thành điện thế tĩnh là sự phân bố không đồng đều của các ion (K+, Na+, Cl-) do tính chất bán thẩm thấu của màng tế bào tạo ra. Người kế tục thuyết màng là Boyle và Conway, họ cho rằng ở trạng thái tĩnh màng cho thấm cả ion Cl- còn ion Na+ không thấm. Khi đó qua màng sẽ xác lập sự phân bố của các ion K+ và Cl-. Từ đó điện thế tĩnh được xác định theo công thức: [K+]T [Cl-]N U = -58ln [K+]N = -58ln [Cl-]T Theo số liệu thực nghiệm của hai tác giả trên thì trong khoảng giới hạn nồng độ [K+] ở môi trường ngoài từ 12 – 200mg ion/l công thức trên đảm bảo khá chính xác, có nghĩa là tương ứng với cân bằng Donnan: [K+]T [Cl-]T = [K+]N [Cl-]N Nhưng bằng phương pháp đánh dấu phóng xạ người ta lại thấy khi tế bào ở trạng thái tĩnh ion Na+ có thể thẩm thấu qua màng tự do. Đó là điều khó khăn cho thuyết màng Ôn tập Lý Sinh Hoàng Hữu Chung BVTV-K51A 16 Dean đã giải quyết điều đó với giả thiết rằng iong Na+ qua màng không phải vì tính thấm mà do trao đổi chất, vì vậy sự vận chuyển cần sử dụng năng lượng tự do của tế bào theo cơ chế bơm ion Na+ từ nội bào ra môi trường ngoài . Nếu tốc độ ion Na+ ra khỏi tế bào bằng tốc độ dòng Na+ đi vào tế bào theo gradien nồng độ thì ở trạng thái tĩnh sự vận chuyển ion Na+ không ảnh hưởng đến cân bằng Donnan, nghĩa là công thức trên vẫn đúng. Tóm lại: - Điện thế tĩnh xuất hiện do tính chất phân bố không đối xứng các ion (Na+, K+, Cl-) của màng kết hợp với đặc tính đa phà và tính đa điện phân của các thành phần cấu trúc cơ bản trong tế bào. - Sự vận chuyển tích cực qua màng tạo những dòng ion duy trì lớp điện tích. - Sự hình thành điện thế liên quan tới hệ oxi hoá khử vận chuyển điện tử. - Ở tế bào có những cao phân tử sinh học có cấu trúc dị thể vv... 10. Các giả thuyết về sự hình thành điện thế hoạt động Hiện nay có nhiều giả thuyết về cơ chế hình thành điện thế hoạt động. Nói chung có hai trường phái vẫn chưa thống nhất quan điểm là trường phái màng và lý thuyết pha. Theo lý thuyết màng của Bernstein thì ở trạng thái hưng phấn (bị kích thích) màng tế bào mất khả năng thấm chọn lọc, lúc đó màng sẽ cho tất cả các loại ion đi qua khiến cho các ion ở hai phía màng phân bố không đều. Vì vậy điện thế gây nên bởi sự phân bố không đồng đều của ion sẽ biến đổi và đạt tới giá trị. Do đó có thể coi điện thế hoạt động như là sóng phản cực (trái cực) của màng tế bào và biên độ của điện thế hoạt động không thể lớn hơn biên độ của điện thế tĩnh. Song thực nghiệm lại phát hiện thấy biên độ điện thế hoạt động có thể lớn hơn nhiều so với biên độ của điện thế tĩnh (khoảng từ 20 – 40V). Hơn nữa tại vùng bị kích thích điện thế màng không chỉ giảm đến 0 mà còn đổi dấu, do đó phía ngoài màng tích điện âm và trong màng tích điện dương so với vùng ở trạng thái tĩnh. Điều này cho thấy trong vùng bị kích thích có sự phân bố lại các ion, nhưng khi kích thích kết thúc, điện thế màng lại trở về giá trị cũ ứng với trạng thái phân bố điện tích ban đầu. Hiện tượng như thế biều hiện đặc biệt rõ ở dây thần kinh và màng cơ. Do không phù hợp với thực nghiệm nên quan điểm trên của lý thuyết màng không được chấp nhận. Giả thuyết của Hodgkin và Catz là có cơ sở hơn cả: Theo họ thì điện thế hoạt động ở pha đầu liên quan đến dòng ion Na+ thâm nhập vào tế bào với cường độ tăng gấp bội so với trạng thái tĩnh. Sở dĩ như vậy vì ở trạng thái hưng phấn tính thấm của màng đối với ion Na+ tăng lên. Cứ mỗi lần điện thế xuất hiện thì tính thấm của màng đối với ion Na+ tăng lên 20 lần, tốc độ dòng ion Na+ đi vào tế bào tăng lên 20 lần (tương ứng với khoảng 20 vạn ion Na+ thâm nhập vào tế bào trên 1 µ2). Sự trùng khớp giữa giả thuyết và thực nghiệm khẳng định giả thuyết của Hodgkin và Catz là đúng và như vậy sự trênh lệch ở đỉnh của điện thế Ôn tập Lý Sinh Hoàng Hữu Chung BVTV-K51A 17 hoạt động và điện thế tĩnh phải được tính theo phương trình Necxow trên cơ sở tỷ số nồng độ ion Na+ ngoài và trong nội bào dây thần kinh: RT [Na+]T U = F ln [Na+]N Tuy nhiên điều chứng minh trên chưa cho phép phân biệt được vai trò của mỗi loại ion trong từng giai đoạn nhất định của quá trình hình thành điện thế hoạt động. Để giải quyết vấn đề này các nhà nghiên cứu đã phải sử dụng đến phương pháp cố định điện thế màng, nghĩa là giữ cố định điện thế giữa nội bào và môi trường ở mức độ cần thiết trong thời gian khảo sát. Nhờ phương pháp đó người ta khẳng định được bản chất dòng điện của pha đầu tiên chạy từ ngoài vào trong tế bào kéo dài trong khoảng thời gian ngắn 20ns chính là dòng Na+. Ngay sau pha thứ nhất là pha thứ 2 ứng với dòng điện nhỏ hơn nhưng kéo dài hơn theo hướng ngược lại. Bằng phương pháp đánh dấu phóng xạ Hodgkin và Huxley chứng minh đó là dòng ion K+ từ nội bào đi ra. Pha thứ hai xem như pha ngắt chu trình hoạt động và trong tế bào sẽ có những cơ chế cho phép tế bào trở lại trạng thái tĩnh ban đầu bằng cách thải hồi ion Na+ và hấp thụ ion K+ sao cho sự phân bố của các ion này trở về trạng thái tĩnh. Sau 1 – 2 ms sợi thần kinh lại có khả năng truyền xung mới. Tóm lại, lý thuyết và thực nghiệm đều cho thấy một trong những tính chất đặc thù của màng tế bào là tính thấm chọn lọc. Trong quá trình tạo điện thế hoạt động tính thấm này thay đổi theo từng gia đoạn đối với từng loại ion giữ vai trò chủ yếu là ion Na+ và K+. Đồng thời đó cũng chính là cơ sở của sự lan truyền xung thần kinh.