Sự vận chuyển chất

Hầu hết các quá trình sinh học diễn ra trong các dung dịch chứa nước. Trong những dung dịch này, mỗi phân tử hoặc ion đều được bao quanh bởi các phân tử dung môi. Nồng độ của một chất hòa tan trong dung dịch có thể được định lượng theo nhiều cách khác nhau.

• Nồng độ mol (nồng độ molar): c = n_solute/V_solution
  • Đơn vị: mol/L hoặc M
  • c = nồng độ mol (M), n_solute = số mol chất tan (mol), V_solution = thể tích dung dịch (L)
• Nồng độ molal: b = n_solute/m_solvent
  • Đơn vị: mol/kg
  • b = nồng độ molal (mol/kg), n_solute = số mol chất tan (mol), m_solvent = khối lượng dung môi (kg)
  • Hữu ích trong những trường hợp thay đổi nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến thể tích dung dịch.
• Hoạt độ
  • Được định nghĩa là "nồng độ hiệu dụng" của một loài hóa học trong dung dịch, có tính đến hành vi không lý tưởng thường xảy ra trong các dung dịch đậm đặc
  • Minh họa cách một chất tương tác trong một phản ứng hóa học, cung cấp một góc nhìn sâu hơn thay vì chỉ dựa vào nồng độ mol đơn thuần
  • Quan trọng khi phân tích các hỗn hợp thực (không lý tưởng)

Trong khi nồng độ mol dựa trên thể tích và có thể bị ảnh hưởng bởi những thay đổi nhiệt độ làm thay đổi thể tích dung dịch, thì nồng độ molal dựa trên khối lượng, cung cấp các phép đo nhất quán bất kể sự dao động của nhiệt độ.

Đặc tính hòa tan của các phân tử trong hệ đa pha

• Hệ đa pha: bao gồm nhiều lớp (hoặc pha) không hòa tan vào nhau với độ phân cực khác nhau, ví dụ như nước (phân cực) và dầu (không phân cực)
• Nồng độ của các phân tử hòa tan: Nồng độ của các phân tử trong một pha nhất định sẽ cao hơn khi độ phân cực của pha đó phù hợp với độ phân cực của phân tử.
  • Các phân tử phân cực và ion: dễ dàng hòa tan trong các dung môi phân cực, ví dụ: nước
  • Các phân tử không phân cực: hòa tan hiệu quả hơn trong các dung môi không phân cực, ví dụ: dầu
  • Phân tử lưỡng cực: thể hiện cả đặc tính phân cực và không phân cực

Hành vi hòa tan trong các hệ đa pha có thể được mô tả định lượng bằng hệ số phân bố Nernst, giúp dự đoán cách một chất phân bố giữa hai pha dựa trên độ phân cực của chúng.

Chất tương đồng hòa tan nhau!

Khuếch tán

Khuếch tán là quá trình trộn lẫn tự phát trong một dung dịch, đặc trưng bởi sự di chuyển thuần của các hạt chất tan từ vùng có nồng độ cao đến vùng có nồng độ thấp.

• Nguyên nhân: phát sinh từ chuyển động nhiệt ngẫu nhiên của các hạt, vốn không có hướng cố định
• 1. Định luật khuếch tán Fick: Tốc độ khuếch tán (luồng hạt) tỷ lệ thuận với gradient nồng độ, tức là sự chênh lệch nồng độ giữa hai vùng.
• Hiệu quả
  • Các hạt tự nhiên khuếch tán từ vùng nồng độ cao sang vùng nồng độ thấp.
  • Gradient nồng độ càng dốc, tốc độ luồng hạt càng lớn.
• Hệ số phân bố Nernst: định lượng sự phân bố của một chất giữa hai pha không hòa tan (ví dụ: nước và dầu, hoặc nước và ether) tại trạng thái cân bằng
  • Công thức: K = c_{A in phase 1}/c_{Ain phase 2}
  • K = hệ số phân bố (không đơn vị), c_{A in phase 1} = nồng độ của chất A trong pha 1 (mol/L), c_{A in phase 2}= nồng độ của chất A trong pha 2 (mol/L)

Trong một hệ kín, quá trình khuếch tán cuối cùng sẽ dẫn đến sự cân bằng nồng độ, loại bỏ mọi sự chênh lệch nồng độ giữa các pha.

Khuếch tán qua màng

Khuếch tán không chỉ xảy ra tự do trong các dung dịch mà còn xảy ra qua các màng thấm.

• Khuếch tán qua màng: D = P × A × Δc (được dẫn xuất từ định luật Fick)
  • Đơn vị: mol/s
  • D = tốc độ khuếch tán (mol/s), P = hệ số thấm (đặc thù cho chất tan và màng), A = diện tích màng (cm²), Δc = chênh lệch nồng độ qua màng (mol/cm³)
  • Ví dụ tính toán
    • Một màng tế bào có hệ số thấm là 1×10⁻⁷ cm/s đối với phân tử tryptophan.
    • Tốc độ khuếch tán là bao nhiêu nếu chênh lệch nồng độ qua màng là 500 μmol/cm³ và diện tích màng là 2 cm²?
      • Tìm: tốc độ khuếch tán D
      • Cho biết: hệ số thấm P, diện tích màng A, chênh lệch nồng độ Δc
        • D = P × A × Δc = 1 × 10⁻⁷cm/s × 2 cm² × 500 μmol/cm³ = 1 × 10⁻⁴ μmol/s
        • Tryptophan được vận chuyển qua màng với tốc độ khuếch tán là 1 × 10⁻⁴ μmol/s.

Ngay cả những chất không thể tự do đi qua màng cũng có thể "khuếch tán" với sự hỗ trợ của các protein vận chuyển chuyên biệt, chẳng hạn như các protein vận chuyển (carriers) hoặc kênh (channels). Quá trình này được gọi là khuếch tán thuận lợi. Trong kịch bản này, số lượng protein vận chuyển sẵn có sẽ giới hạn tốc độ luồng hạt, điều này có thể dẫn đến trạng thái bão hòa. Do đó, phương trình khuếch tán đơn giản trở nên không phù hợp, vì khuếch tán thuận lợi bao gồm các tương tác đặc hiệu giữa chất tan và các protein vận chuyển.

Thẩm thấu

• Thẩm thấu: một dạng khuếch tán đặc biệt xảy ra qua màng bán thấm, đặc trưng bởi sự di chuyển thuần của nước từ vùng có nồng độ chất tan thấp hơn đến vùng có nồng độ chất tan cao hơn
• Nồng độ thẩm thấu (Osmolarity): số lượng các hạt có hoạt tính thẩm thấu trên một đơn vị thể tích dung dịch, tương tự như nồng độ mol; giá trị này phụ thuộc vào nhiệt độ
  • Công thức: c_osmotic = n_osmotic/V_solution
    • Đơn vị: osmol/L
    • c_osmotic = nồng độ thẩm thấu (osmol/L); n_osmotic = số hạt có hoạt tính thẩm thấu (mol); V = thể tích dung dịch (L)
  • Nồng độ thẩm thấu thay đổi tùy theo số lượng hạt hòa tan; ví dụ, NaCl phân ly thành Na⁺ và Cl⁻, làm cho nồng độ thẩm thấu của nó xấp xỉ gấp đôi nồng độ mol.
• Độ thẩm thấu (Osmolality): số lượng các hạt có hoạt tính thẩm thấu so với khối lượng của dung môi, tương tự như nồng độ molal; giá trị này không phụ thuộc vào nhiệt độ
  • Công thức: b_osmotic = n_osmotic/m_solvent
    • Đơn vị: osmol/kg
    • b_osmotic = độ thẩm thấu (osmol/kg); n_osmotic = số hạt có hoạt tính thẩm thấu (mol); m = khối lượng dung môi (kg)
• Tính chất cộng hợp: phụ thuộc vào nồng độ của các hạt chất tan hòa tan hơn là bản chất của chúng; điều này rất quan trọng để hiểu cách các chất tan ảnh hưởng đến tính chất vật lý của dung dịch
  • Hệ số van 't Hoff (i): đại diện cho số lượng hạt mà một đơn vị công thức của chất tan phân ly ra trong dung dịch
    • Chất tan không phân ly: ví dụ, i = 1 đối với glucose
    • Chất tan phân ly: ví dụ, i ≈ 2 đối với NaCl (phân ly thành Na+ và Cl−) hoặc i ≈ 3 (1 + 2) đối với MgCl₂, (phân ly thành Mg²⁺ và 2Cl^-)
  • Sự hạ áp suất hơi: các chất tan làm giảm áp suất hơi của dung môi
  • Sự nâng điểm sôi: các chất tan làm tăng điểm sôi, được tính bằng: ΔT_b = i × K_b × m
    • ΔTb = độ thay đổi điểm sôi (°C), i = hệ số van 't Hoff (không đơn vị), K_b = hằng số sôi (°C kg/osmol), m = nồng độ molal (mol/kg)
  • Sự hạ điểm đông đặc: các chất tan làm giảm điểm đông đặc, được tính bằng: ΔT_f = i × K_f × m
    • ΔT_f = độ thay đổi điểm đông đặc (°C), i = hệ số van 't Hoff (không đơn vị), K_f = hằng số đông đặc (°C kg/osmol), m = nồng độ molal (mol/kg)
• Áp suất thẩm thấu: áp suất cần thiết để ngăn chặn dòng nước chảy vào qua một màng bán thấm
  • Công thức (phương trình van 't Hoff): π = i × c × R × T
    • Đơn vị: Pa
      • π = áp suất thẩm thấu (Pa), i = hệ số van 't Hoff (không đơn vị), c = nồng độ mol của chất tan (mol/L), R = hằng số khí lý tưởng (8.314 Pa⋅m³/K⋅mol), T = nhiệt độ tuyệt đối (K)
    • Khi nồng độ các hạt ở một bên của màng tăng lên, áp suất thẩm thấu tăng, dẫn đến nước di chuyển về phía vùng có nồng độ cao hơn cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng.
• Áp suất keo: áp suất thẩm thấu do các chất keo (như protein) trong dung dịch tạo ra
  • Hệ số phản xạ σ: mô tả tính chọn lọc của một màng đối với một chất tan
    • σ = 0: màng thấm hoàn toàn (không có hiệu ứng thẩm thấu)
    • σ = 1: màng không thấm (hiệu ứng thẩm thấu tối đa)
    • Màng bán thấm: cho phép dung môi (ví dụ: nước) đi qua trong khi hạn chế một số chất tan nhất định (với σ = 1)

Thẩm thấu và tế bào

Các màng sinh học là màng bán thấm, khiến thẩm thấu trở thành một hiện tượng quan trọng trong y khoa. Sự di chuyển của nước từ vùng có nồng độ chất tan thấp hơn đến vùng có nồng độ chất tan cao hơn có tác động đáng kể đến tế bào và mô.

• Trương độ: đo lường gradient áp suất thẩm thấu hiệu dụng giữa hai hệ thống được ngăn cách bởi một màng bán thấm, mô tả cách một dung dịch ảnh hưởng đến thể tích tế bào
  • Dung dịch đẳng trương
    • Tế bào: Áp suất thẩm thấu hiệu dụng bên trong tế bào bằng với áp suất của môi trường xung quanh.
    • Môi trường: Áp suất thẩm thấu của môi trường đẳng trương khớp với áp suất trong tế bào.
    • Hiệu quả: Khi một tế bào được đặt trong môi trường đẳng trương, không có sự thẩm thấu thuần, và thể tích tế bào duy trì ổn định.
  • Dung dịch ưu trương
    • Tế bào: Áp suất thẩm thấu hiệu dụng trong tế bào thấp hơn trong môi trường xung quanh.
    • Môi trường: Áp suất thẩm thấu của môi trường ưu trương lớn hơn áp suất trong tế bào.
    • Hiệu quả: Trong môi trường ưu trương, nước thoát ra khỏi tế bào, khiến tế bào bị co lại (nhăn nheo).
  • Dung dịch nhược trương
    • Tế bào: Áp suất thẩm thấu hiệu dụng trong tế bào cao hơn trong môi trường xung quanh.
    • Môi trường: Áp suất thẩm thấu của môi trường nhược trương thấp hơn áp suất trong tế bào.
    • Hiệu quả: Khi đặt trong môi trường nhược trương, nước đi vào tế bào, khiến tế bào sưng lên và có khả năng bị vỡ (ly giải). Do đó, phải tránh truyền nước cất vào cơ thể.
      • Cơ chế bảo vệ: Protein đồng vận chuyển kali-clo có thể giúp vận chuyển các ion K+ và Cl− ra khỏi tế bào, làm giảm áp suất thẩm thấu nội bào để ngăn ngừa hiện tượng ly giải.

Phù
Phù là sự tích tụ dịch trong các mô (khoảng kẽ) khi dịch rò rỉ từ các mao mạch. Dòng chảy này được điều chỉnh bởi sự cân bằng giữa áp suất thủy tĩnh (đẩy dịch ra ngoài) và áp suất keo (kéo dịch vào trong). Phù có thể là kết quả của: áp suất thủy tĩnh trong mao mạch cao, áp suất keo thấp do giảm nồng độ protein (ví dụ: albumin) trong máu, hoặc áp suất keo trong mô cao do tăng các chất có hoạt tính thẩm thấu.

Lợi niệu thẩm thấu
Các nguyên lý thẩm thấu cũng áp dụng cho sự bài tiết dịch trong cơ thể. Khi có quá nhiều chất có hoạt tính thẩm thấu (ví dụ: glucose) trong các ống thận, nước bị giữ lại do thẩm thấu, dẫn đến tăng lượng nước tiểu. Tình trạng này thường gặp trong bệnh đái tháo đường và được ứng dụng trong điều trị bằng các thuốc lợi tiểu thẩm thấu.

Màng sinh học được cấu tạo từ các lớp kép lipid, tạo nên một môi trường chủ yếu là không phân cực. Đặc điểm cấu trúc này cho phép tính thấm đối với các phân tử không phân cực, chẳng hạn như carbon dioxide và hormone steroid. Tuy nhiên, lớp kép lipid phần lớn không thấm đối với các ion mang điện, các phân tử phân cực (ví dụ: đường) và các phân tử lớn.

Do đó, tế bào dựa vào các cơ chế vận chuyển được kiểm soát đối với các chất này. Có hai loại vận chuyển chính: vận chuyển bằng túi, trong đó các phân đoạn của màng di chuyển cùng với chất vận chuyển, và vận chuyển qua trung gian protein màng, trong đó các protein chuyên biệt (như các kênh hoặc protein vận chuyển) tạo điều kiện cho sự di chuyển của các chất.

Trong vận chuyển dịch chuyển màng, các phần của màng tế bào hoặc màng bào quan bị thắt lại để tạo thành các túi chứa các chất cần vận chuyển, quá trình này được gọi là vận chuyển túi. Quá trình vận chuyển vào trong tế bào được gọi là nhập bào, trong khi vận chuyển ra khỏi tế bào được gọi là xuất bào. Trong vận chuyển xuyên bào, các chất trải qua quá trình nhập bào, được vận chuyển xuyên qua tế bào và sau đó được giải phóng thông qua xuất bào. Các hình thức vận chuyển này được điều hòa bởi một nhóm G-protein đặc hiệu gọi là protein Rab, giúp đảm bảo các túi vận chuyển đến đúng màng đích đã định.

Nhập bào

Nhập bào bao gồm việc đưa các phân tử vào trong tế bào thông qua sự hình thành túi. Quá trình này có thể được chia thành ba loại chính: uống bào, thực bào và nhập bào thông qua thụ thể. Cả ba quá trình đều dẫn đến việc hình thành các túi chứa các hạt; tuy nhiên, cơ chế của chúng là khác nhau.

Thực bào

Thực bào ("ăn tế bào") được thực hiện bởi các tế bào thực bào chuyên biệt như đại thực bào và tế bào gai. Các tế bào này biểu hiện các thụ thể opsonin để gắn với các opsonin (ví dụ: yếu tố bổ thể hoặc kháng thể) - những chất đánh dấu các hạt (ví dụ: tế bào vi khuẩn) để bị thực bào, đóng vai trò như một cầu nối giữa tế bào thực bào và hạt mục tiêu. Quá trình này cho phép hấp thu các hạt có kích thước lớn và toàn bộ tế bào.

• Quá trình
  1. Hạt được đánh dấu bằng opsonin gắn vào thụ thể opsonin của tế bào thực bào
  2. Hình thành chân giả: Màng tế bào mở rộng ra ngoài, bao quanh hoàn toàn hạt, với sự hỗ trợ của quá trình polyme hóa actin.
  3. Màng thắt lại để tạo thành phagosome, đây là một túi nhập bào

Uống bào

Uống bào ("uống tế bào") bao gồm việc hấp thu dịch ngoại bào và các chất hòa tan. Khác với thực bào và nhập bào thông qua thụ thể, uống bào điển hình không đặc hiệu với thụ thể và xảy ra tự phát ở nhiều loại tế bào khác nhau.

• Quá trình
  1. Màng tế bào tự lõm vào xung quanh chất lỏng cần được đưa vào trong
  2. Sự tái cấu trúc actin hỗ trợ quá trình lõm vào và hình thành túi.
  3. Túi thắt lại hướng vào trong để vận chuyển chất lỏng.

Nhập bào thông qua thụ thể

Trong nhập bào thông qua thụ thể, các hạt đặc hiệu có kích thước nhỏ đến trung bình (ligand) được đưa vào trong tế bào với sự hỗ trợ của các thụ thể gắn trên màng. Quá trình này đóng vai trò quan trọng đối với các chức năng như chuyển hóa cholesterol (ví dụ: hấp thu LDL) và đồng hóa sắt gắn transferrin.

• Quá trình
  1. Các ligand gắn vào các thụ thể đặc hiệu, dẫn đến sự tập trung các thụ thể và tương tác với các protein adaptin
  2. Màng lõm vào với sự gắn kết của các phân tử clathrin bên trong tế bào, tạo thành một hố bao
  3. Quá trình lõm vào sâu hơn xung quanh phức hợp ligand-thụ thể diễn ra
  4. Túi thắt lại và đi vào bên trong tế bào thông qua protein dynamin.
  5. Túi sau khi mất lớp bao sẽ hòa màng với một endosome sớm.
  6. Môi trường axit bên trong endosome khiến ligand tách khỏi thụ thể.
  7. Thụ thể được tái chế trở lại màng, trong khi ligand được vận chuyển đến lysosome để phân hủy hoặc đến bộ máy Golgi để xử lý.

Xuất bào

Trong xuất bào, các phân tử có kích thước trung bình đến lớn được giải phóng vào môi trường ngoại bào, bao gồm các sản phẩm do tế bào tổng hợp như hormone hoặc các sản phẩm phân hủy không thể tiêu hóa.

• Quá trình
  1. Phân tử cần giải phóng được đóng gói vào một túi, thường được hình thành trong bộ máy Golgi.
     1. Các túi này được bao quanh bởi một lớp kép lipid đơn và chứa các protein bao đặc hiệu, thay đổi tùy theo vị trí của chúng trong con đường bài tiết.
  2. Túi sau đó hòa màng với màng tế bào.
  3. Khi túi hòa nhập với màng, phân tử sẽ được giải phóng vào khoảng ngoại bào.
• Điều hòa: thường được kích hoạt bởi sự gia tăng nồng độ canxi nội bào hoặc thông qua các tín hiệu qua trung gian thụ thể
• Tiết phân ly (hoặc apocytosis): một hình thức xuất bào đặc biệt, trong đó tế bào giải phóng các thành phần bên trong cùng với một phần màng tế bào, dẫn đến mất một phần tế bào chất
  • Ví dụ: Quá trình này đặc biệt rõ rệt ở tuyến vú đang cho con bú (trong việc giải phóng các giọt chất béo) và ở các tuyến mồ hôi đầu tiết (apocrine sweat glands).

Vận chuyển xuyên bào

Vận chuyển xuyên bào đề cập đến quá trình vận chuyển các phân tử ngoại bào xuyên qua tế bào thông qua trung gian thụ thể, về cơ bản là sự kết hợp giữa nhập bào và xuất bào. Cơ chế này rất quan trọng ở các lớp tế bào có liên kết chặt, chẳng hạn như các tế bào biểu mô ruột, cho phép các chất vượt qua các rào cản một cách hiệu quả.

Vận chuyển qua các protein màng

Các quá trình vận chuyển thay đổi màng chủ yếu được sử dụng để vận chuyển các chất có kích thước lớn, trong khi việc vận chuyển nhanh các phân tử nhỏ hoặc ion thường diễn ra thông qua các protein màng. Có hai nhóm protein màng chính: protein kênh và protein vận chuyển.

• Vận chuyển thụ động: xảy ra mà không tiêu tốn năng lượng trực tiếp và di chuyển các chất theo gradient điện hóa của chúng
  • Khuếch tán đơn giản: bao gồm sự di chuyển thuần của các phân tử nhỏ, không phân cực (như O₂ và CO₂) trực tiếp qua lớp kép lipid mà không cần sự hỗ trợ của protein
  • Khuếch tán tăng cường
    • Được sử dụng cho các chất có kích thước lớn, phân cực hoặc mang điện (ví dụ: glucose, các ion) vốn không thể tự đi qua màng
    • Yêu cầu các protein xuyên màng (kênh hoặc protein vận chuyển)
    • Quá trình này có tính đặc hiệu đối với chất được vận chuyển
    • Có hiện tượng bão hòa
  • Thẩm thấu: có thể xảy ra thông qua khuếch tán đơn giản hoặc được hỗ trợ bởi các kênh đặc hiệu gọi là aquaporin
• Vận chuyển chủ động: cần năng lượng để di chuyển các chất ngược gradient điện hóa của chúng
  • Vận chuyển chủ động sơ cấp: sử dụng trực tiếp năng lượng từ quá trình thủy phân ATP để thúc đẩy vận chuyển
  • Vận chuyển chủ động thứ cấp: kết hợp việc vận chuyển một chất theo gradient của nó để thúc đẩy vận chuyển một chất khác ngược gradient, tiêu thụ ATP một cách gián tiếp

Protein kênh

Protein kênh là các protein xuyên màng cố định tạo ra một lỗ hổng chứa đầy nước, tạo điều kiện cho việc vận chuyển các hạt nhỏ, chủ yếu là các ion.

• Cơ chế
  • Kênh có thể là kênh rò rỉ (luôn mở) hoặc kênh có cổng (mở/đóng đáp ứng với các kích thích).
    • Kênh cổng điện thế
      • Kích hoạt: mở đáp ứng với những thay đổi về điện thế màng
      • Thời gian: chỉ mở trong vài mili giây trước khi chuyển sang trạng thái bất hoạt, ngăn chặn sự kích hoạt
      • Trạng thái nghỉ: sau trạng thái bất hoạt, kênh trở lại trạng thái đóng (có thể kích hoạt được)
      • Sự khuếch tán ion qua các kênh này là thiết yếu để thiết lập điện thế nghỉ của màng, điều này đóng vai trò quan trọng đối với tính hưng phấn điện của tế bào.
    • Kênh cổng phối tử: mở khi có sự gắn kết của một phối tử đặc hiệu, cho phép dòng ion chọn lọc đi qua
  • Bộ lọc chọn lọc: Protein kênh sở hữu các bộ lọc chọn lọc, là những vùng hẹp đảm bảo tính đặc hiệu cho các ion cụ thể.
    • Ví dụ: Một kênh kali cổng điện thế chỉ cho phép các ion K⁺ đã khử hydrat hóa đi qua phần hẹp nhất của nó, trong khi các ion Na⁺, vốn lớn hơn ngay cả khi đã khử hydrat hóa, sẽ bị chặn lại do tính chọn lọc của kênh.

Aquaporin là các protein xuyên màng chuyên biệt đóng vai trò là kênh nước, tạo điều kiện cho việc vận chuyển nước nhanh chóng qua màng sinh học. Chúng có thể vận chuyển tới 3 tỷ phân tử nước mỗi giây, đóng vai trò sống còn trong việc cấp nước và duy trì cân bằng nội môi cho tế bào.

Tính toán điện thế màng

• Phương trình Nernst: tính toán điện thế cân bằng (E_ion) cho một ion đơn lẻ
  • Đây là điện thế màng mà tại đó gradient hóa học (khuếch tán) và gradient điện (lực tĩnh điện) đối với ion đó cân bằng hoàn hảo, dẫn đến không có dòng ion thuần
  • Công thức: E_ion = (RT/zF) × ln([ion]_outside/[ion]_inside)
    • Đơn vị: vôn (V)
    • E_ion = điện thế điện (V); R = hằng số khí lý tưởng (J/(mol·K)); T = nhiệt độ tuyệt đối (K); z = điện tích của ion (không đơn vị); F = hằng số Faraday (C/mol), [ion]_outside: nồng độ ion bên ngoài tế bào (mol/L), [ion]_inside: nồng độ ion bên trong tế bào (mol/L)
• Phương trình Goldman-Hodgkin-Katz: tính toán điện thế nghỉ tổng thể (V_m) của tế bào
  • Xem xét đóng góp của tất cả các ion chính có thể đi qua màng (chủ yếu là K⁺, Na⁺ và Cl⁻)
  • Tính đến độ thấm tương đối (P) của màng đối với mỗi ion này
  • Điện thế nghỉ được quyết định bởi gradient nồng độ và độ thấm tương đối của các ion này
  • Công thức: V_m = (RT/F) × ln((P_K[K⁺]_out + P_Na[Na⁺]_out + P_Cl[Cl⁻]_in)/(P_K[K⁺]_in + P_Na[Na⁺]_in + P_Cl[Cl⁻]_out))
    • Đơn vị: vôn (V)
    • V_m = điện áp màng qua màng tế bào (V), R = hằng số khí phổ quát (∼ 8.314 J/(mol·K)), T = nhiệt độ tuyệt đối (K), F = hằng số Faraday (∼ 96485 C/mol), P_K, P_Na, P_Cl: độ thấm của các ion tương ứng (kali, natri và clorua; không đơn vị), [K⁺/Na⁺/Cl⁻]_out: nồng độ ion kali/natri/clorua bên ngoài tế bào (mol/L), [Cl⁻/K⁺/ Na⁺]_in: nồng độ ion clorua/kali/natri bên trong tế bào (mol/L)
  • Lưu ý: Nồng độ Clo (Cl⁻) được đảo ngược (trong/ngoài) vì điện tích âm của nó (z = -1).

Protein vận chuyển

Protein vận chuyển (hoặc transporters) là các protein xuyên màng liên kết với các chất đặc hiệu và thay đổi hình dạng để vận chuyển chúng qua màng.

• Phân loại
  • Theo số lượng chất được vận chuyển và hướng vận chuyển
    • Uniport (Vận chuyển đơn chiều): vận chuyển một chất theo một hướng
    • Symport (Vận chuyển đồng chiều): vận chuyển đồng thời hai chất khác nhau theo cùng một hướng
    • Antiport (Vận chuyển ngược chiều): vận chuyển hai chất khác nhau theo hai hướng ngược nhau
  • Theo cơ chế vận chuyển
    • Khuếch tán tăng cường (thụ động)
    • Vận chuyển chủ động sơ cấp
    • Vận chuyển chủ động thứ cấp

Vận chuyển chủ động sơ cấp

Trong vận chuyển chủ động sơ cấp, năng lượng từ ATP trực tiếp thúc đẩy các thay đổi về hình dạng cần thiết để vận chuyển ngược gradient nồng độ.

• Na⁺/K⁺-ATPase (Bơm natri-kali): antiport
  • Quá trình vận chuyển: 3Na⁺_{nội bào} + 2K⁺_{ngoại bào} + ATP + H₂O → 3Na⁺_{ngoại bào} + 2K⁺_{nội bào} + ADP + P_i
  • Vị trí: màng tế bào của hầu hết các tế bào động vật
  • Chức năng
    • Kiểm soát thẩm thấu: điều hòa lượng nước bằng cách duy trì nồng độ Na⁺ nội bào thấp, ngăn tế bào trở nên ưu trương và bị sưng
    • Thiết lập gradient nồng độ
      • Tạo ra gradient Na⁺ thiết yếu cho vận chuyển chủ động thứ cấp
      • Duy trì gradient Na⁺ và K⁺ quan trọng cho điện thế nghỉ của màng
  • Cơ chế
    1. Bơm mở ra phía trong và liên kết với ba ion natri nội bào.
    2. ATP liên kết ở phía trong tế bào, quá trình thủy phân ATP xảy ra, chuyển ATP thành ADP và gắn một nhóm phosphate vào bơm.
    3. Sự phosphoryl hóa này gây ra sự thay đổi hình dạng, mở bơm ra phía ngoài, dẫn đến giải phóng các ion natri ra ngoài.
    4. Sau đó, hai ion kali ngoại bào liên kết với bơm, khởi động quá trình khử phosphoryl hóa.
    5. Quá trình khử phosphoryl hóa này gây ra một sự thay đổi hình dạng khác, mở bơm trở lại phía trong, cho phép các ion kali đi vào bào tương.

• Ca²⁺-ATPase (Bơm canxi): uniport
  • Vị trí: màng tế bào và lưới nội chất cơ/lưới nội chất (SERCA)
  • Chức năng: làm giảm nồng độ Ca²⁺ trong bào tương bằng cách bơm nó ra khỏi tế bào hoặc vào SR/ER, điều này rất cần thiết cho sự co cơ
• H⁺/K⁺-ATPase (Bơm proton-kali): antiport
  • Quá trình vận chuyển: K⁺_{lòng dạ dày} + H⁺_{bào tương} + ATP + H₂O → K⁺_{bào tương} + H⁺_{lòng dạ dày} + ADP + P_i
  • Vị trí: tế bào thành của dạ dày
  • Chức năng: tiết acid dạ dày

"3 natri ra, 2 kali vào", vì bơm Na⁺/K⁺-ATPase đẩy ba ion natri ra ngoài cho mỗi hai ion kali đi vào.

Loét dạ dày
Loét dạ dày là những vết loét hình thành trong thành dạ dày, có thể ảnh hưởng đến tất cả các lớp tùy theo mức độ nghiêm trọng. Chúng có thể phát sinh từ viêm mãn tính hoặc sản xuất acid dạ dày quá mức. Một chiến lược điều trị hiệu quả là nhắm vào H⁺/K⁺-ATPase trong tế bào thành, nơi điều hòa pH thấp của acid dạ dày. Các thuốc như omeprazole ức chế không hồi phục bơm này, làm giảm sản xuất acid dạ dày. Những thuốc này thường được gọi là thuốc ức chế bơm proton (PPIs).

Vận chuyển chủ động thứ cấp

Vận chuyển chủ động thứ cấp sử dụng gradient điện hóa được thiết lập bởi vận chuyển chủ động sơ cấp để di chuyển một chất khác ngược gradient của nó.

• Gradient điện hóa: sự chênh lệch nồng độ của một chất tan đồng thời có sự chênh lệch về điện tích qua màng.
  • Gradient này đại diện cho năng lượng tiềm năng được lưu trữ, có thể chuyển đổi thành công, phản ánh các nguyên lý về entropy và năng lượng tự do Gibbs.
    • Thiết lập gradient
      • Gradient được thiết lập thông qua vận chuyển chủ động sơ cấp, quá trình này yêu cầu năng lượng (có nguồn gốc từ ATP).
      • Sự phá vỡ gradient cung cấp năng lượng có thể được sử dụng theo nhiều cách:
        • Thúc đẩy vận chuyển chủ động thứ cấp để di chuyển các chất bổ sung ngược gradient của chúng.
        • Hỗ trợ tổng hợp ATP từ ADP và phosphate vô cơ (Pi).
• Ví dụ về các protein vận chuyển chủ động thứ cấp
  • Protein vận chuyển glucose phụ thuộc Na+ 1 (SGLT1): symport
    • Quá trình vận chuyển: Glucose_{lòng ruột} + 2Na⁺_{lòng ruột} → Glucose_{nội bào} + 2Na⁺_{nội bào}
      • Năng lượng cho việc vận chuyển glucose ngược gradient của nó đến từ sự phá vỡ gradient Na⁺ (sự di chuyển của Na⁺ vào trong tế bào)
    • Vị trí: tế bào biểu mô ruột (màng ở phía lòng ruột)
    • Chức năng: hấp thu glucose và galactose từ ruột
  • Enzyme ATP synthase
    • Quá trình vận chuyển: ADP + P_i + H⁺_{(khoảng gian màng)} → ATP + H₂O + H⁺_{(chất nền)}
      • Năng lượng để tổng hợp ATP đến từ sự di chuyển của H⁺ theo gradient điện hóa của nó
    • Vị trí: màng trong ty thể
    • Chức năng: enzyme xúc tác cho quá trình tổng hợp ATP (phosphoryl hóa oxy hóa)

Vận chuyển chủ động sơ cấp sử dụng trực tiếp năng lượng, chẳng hạn như ATP, để di chuyển các ion ngược gradient nồng độ của chúng. Ngược lại, vận chuyển chủ động thứ cấp dựa vào năng lượng lưu trữ trong các gradient nồng độ được tạo ra bởi các protein vận chuyển chủ động sơ cấp, dẫn đến việc sử dụng ATP gián tiếp.

Xơ nang
Xơ nang là một ví dụ điển hình về bệnh lý kênh ion gây ra bởi sự sai sót của kênh chloride CFTR. Khiếm khuyết này ngăn cản các ion chloride (Cl⁻) được vận chuyển đúng cách ra ngoài tế bào lên bề mặt biểu mô. Kết quả là, nước không thể được kéo ra khỏi tế bào một cách hiệu quả bằng cơ chế thẩm thấu. Vấn đề này chủ yếu ảnh hưởng đến các tuyến ngoại tiết, dẫn đến dịch tiết đặc và dính. Ví dụ, ở phổi, chất nhầy đặc không thể được làm sạch đúng cách, gây ra các đợt nhiễm trùng tái phát và nghiêm trọng ở phế quản và phổi.

Vận chuyển chủ động tam cấp

• Định nghĩa: bao gồm việc vận chuyển các chất sử dụng gradient nồng độ được tạo ra bởi các cơ chế vận chuyển chủ động thứ cấp
  • Ví dụ
    • Protein vận chuyển oligopeptide 1 (PEPT1) ở thận và ruột, sử dụng gradient H⁺ được thiết lập bởi vận chuyển chủ động thứ cấp (một bộ trao đổi Na⁺/H⁺)

Trong các mô, quá trình vận chuyển liên tục các chất giữa các tế bào kề nhau diễn ra thông qua nhiều cơ chế khác nhau: vận chuyển qua kẽ tế bào, vận chuyển gian bào và vận chuyển xuyên tế bào.

• Vận chuyển qua kẽ tế bào
  • Cơ chế
    • Diễn ra thông qua việc di chuyển duy nhất trong các khoảng không gian giữa các tế bào, trái ngược với việc đi xuyên qua hai màng (màng đỉnh và màng đáy bên) như trong vận chuyển xuyên tế bào
    • Chủ yếu diễn ra ở các mô biểu mô
  • Điều hòa: mức độ vận chuyển qua kẽ tế bào bị ảnh hưởng bởi độ chặt chẽ của các liên kết chặt giữa các tế bào
    • Biểu mô rò rỉ: Tại những vùng có các dải niêm phong phát triển kém, chẳng hạn như ống lượn gần của thận và ruột non, vận chuyển qua kẽ tế bào đóng vai trò quan trọng.
      • Lực đẩy: Một lực đẩy đặc biệt được gọi là lực kéo dung môi xảy ra trong quá trình vận chuyển nước qua kẽ tế bào, trong đó các hạt hòa tan bị kéo đi cùng với dòng nước.
    • Biểu mô chặt: Trong các cấu trúc như hàng rào máu não và ống lượn xa của thận, vận chuyển qua kẽ tế bào đóng vai trò thứ yếu do các liên kết được niêm phong chặt chẽ hơn.
    • Hàng rào không thấm: Tại những vùng có độ thấm rất thấp, chẳng hạn như biểu bì, vận chuyển qua kẽ tế bào không thể diễn ra.
• Vận chuyển gian bào: vận chuyển trực tiếp giữa các tế bào kề nhau thông qua các liên kết khe
  • Vị trí xuất hiện: ví dụ như tế bào cơ tim, tế bào biểu mô và tế bào thần kinh đệm
• Vận chuyển xuyên tế bào: vận chuyển đi xuyên qua một tế bào, băng qua cả màng đỉnh và màng đáy bên (ví dụ: thông qua vận chuyển xuyên bào hoặc thông qua các kênh/protein vận chuyển nằm trên các màng đối diện, cho phép các chất di chuyển hiệu quả qua các hàng rào tế bào)