Ly sinh hoc

ĐOÀN SUY NGHĨ (chủ biên) LÊ VĂN TRỌNG

LÝ SINH HỌC

Huế 2005

Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com

LỜI NÓI ĐẦU

Ở Việt Nam và trên thế giới Lý sinh (biophysics) là môn học cơ sở được dạy trong các trường đại học Khoa học, đai học Y - Dược, đại học Nông nghiệp, đại học Sư phạm, đại học Thuỷ sản v.v... Hiểu được Lý sinh, cùng với một số môn khoa học cơ bản khác sẽ hiểu được các nguyên lí của các quá trình sinh học, đặc biệt là cơ chế hoá lí và bản chất vật lý của các hiện tượng sống. Để viết được giáo trình Lý sinh vừa bao hàm những kiến thức cơ bản vừa cập nhật những thông tin mới, thật là một công việc hết sức khó khăn. Nhưng với mong muốn phục vụ kịp thời kiến thức cơ bản về Lý sinh trong khuôn khổ của dự án Giáo dục đại học mức B, chúng tôi đã mạnh dạn viết giáo trình này. Giáo trình Lý sinh không chỉ phục vụ cho các sinh viên của các trường thuộc Đại học Huế mà còn là tài liệu cần thiết cho những ai quan tâm đến chuyên ngành Lý sinh. Phân công nội dung: - Mở đầu, chương 1, 2, 3, 7, 8, 9 do Tiến sỹ Đoàn Suy Nghĩ biên soạn. - Chương 4, 5, 6 do Tiến sỹ Lê Văn Trọng biên soạn. Để viết được giáo trình này, chúng tôi xin chân thành cảm ơn Ban dự án Giáo dục đại học của Đại học Huế, GS. TS. Nguyễn Thị Kim Ngân và GS. TSKH. Lê Doãn Diên đã đọc và đóng góp những ý kiến quí báu cho giáo trình này. Để giáo trình ngày càng hoàn thiện, chúng tôi mong nhận được sự góp ý của người đọc gần xa. Chủ biên Tiến sỹ: Đoàn Suy Nghĩ


MỞ ĐẦU

LÝ SINH, SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN

Sự áp dụng kiến thức vật lý vào nghiên cứu sinh học đã được thực hiện vào cuối thế kỷ XVIII. Năm 1780 hai nhà khoa học Pháp là Lavoadie và Laplace đã tiến hành thí nghiệm để khảo sát tính đúng đắn của định luật I nhiệt động học khi áp dụng vào hệ thống sống. Năm 1791, Galvani, giáo sư giải phẫu trường đại học Bolon (Italia) đã công bố kết quả nghiên cứu trong quyển sách "Bàn về các lực điện động vật trong co cơ", khẳng định có tồn tại dòng điện sinh vật. Năm 1859, Raymond đã phát hiện phần trước và phần sau cầu mắt động vật có xương sống tồn tại một hiệu điện thế và đo được giá trị từ 10 đến 38mV, gọi là điện thế tĩnh (hay điện thế nghỉ ngơi). Năm 1865, Holgreen phát hiện được giá trị hiệu điện thế giữa phần trước và phần sau cầu mắt động vật có xương sống sẽ tăng lên khi mắt được chiếu sáng. Sau này các nhà khoa học xác định, đó chính là điện thế hoạt động (hay điện thế hưng phấn). Năm 1875, Calton khẳng định khi mắt được chiếu sáng, không những điện cầu mắt tăng lên như Holgreen đã phát hiện mà điện ở vùng thị giác trên bán cầu đại não cũng tăng lên. Sau này các nhà khoa học xác định đó chính là dòng điện hưng phấn xuất hiện khi mắt được chiếu sáng, đã lan truyền theo dây thần kinh thị giác tới vùng thị giác trên bán cầu đại não, dẫn tới hiệu ứng sinh học là cảm nhận được ánh sáng. Năm 1922, Erlanger và Gasser dùng dao động ký âm cực để đo dòng điện hưng phấn xuất hiện trong dây thần kinh. Năm 1922,Viện Lý sinh ở Liên Xô cũ được thành lập. Năm 1929, Berger ghi được điện não đồ của động vật. Lịch sử hình thành Lý sinh đã được Taruxop, giáo sư trường Đai học tổng hợp Lomonoxop khẳng định: "Lý sinh được xem như là một khoa học bắt đầu được hình thành từ thế kỷ XIX". Thế kỷ XX là thế kỷ phát triển mạnh mẽ những nghiên cứu khoa học về Lý sinh trong các lĩnh vực: Nhiệt động học, động học của các quá trình sinh vật, vận chuyển chất qua màng tế bào, quang sinh học và phóng xạ sinh học v.v... Thời kỳ đầu Lý Sinh được xác định như là một ngành khoa học nghiên cứu các hiện tượng vật lý trong hệ thống sống. Sau đó Lý sinh được xác định như là một ngành khoa học nghiên cứu các cơ chế vật lí, đặc biệt là cơ chế hoá lý của các quá trình xảy ra trong hệ thống sống ở mức độ phân tử, tế bào, mô và cơ thể. Bước sang thế kỷ XXI, hàng loạt vấn đề đang được đặt ra cho các nhà Lý sinh cần phải nghiên cứu. Đó là năng lượng sinh học, sự chuyển hoá năng lượng và sử dụng năng lượng của hệ thống sống? Bản chất và cơ chế hình thành điện thế sinh vật? Hiện tượng phân cực ở trong hệ thống sống xảy ra như thế nào và có gì khác so với ở hệ vật lý ? Bản chất của quá trình hưng phấn là vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu. Các chỉ số đặc trưng về vật lý và hoá lý đối với tế bào, mô, cơ quan, cơ thể có mối liên quan như thế nào trong hệ thống tiến hoá ? Vấn đề tự điều chỉnh các quá trình sinh học của cơ thể sống trước những thay đổi của yếu tố môi trường cũng đang được các nhà Lý sinh quan tâm nghiên cứu. Sinh học phóng xạ hiện đang thu hút nhiều nhà khoa học đi sâu nghiên cứu nhằm phục vụ cho công tác chọn giống mới, bảo quản lương thực, thực phẩm, công cuộc chinh phục vũ trụ, sử dụng năng lượng hạt nhân vì mục đích hoà bình


và không loại trừ khả năng có cuộc chạy đua vũ trang trong việc nắm giữ "đòn hạt nhân đầu tiên" với tham vọng bá quyền thế giới ?


Chương 1 NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT

I. Nhiệt động học hệ sinh vật và hướng nghiên cứu Nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực nghiên cứu hiệu ứng năng lượng, sự chuyển hoá giữa các dạng năng lượng, khả năng tiến triển, chiều hướng và giới hạn tự diễn biến của các quá trình xảy ra trong hệ thống sống. Cơ thể sống trong quá trình sinh trưởng và phát triển đều có sử dụng năng lượng vì vậy nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực cần được nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu của nhiệt động học hệ sinh vật là cơ thể sống, đó là một hệ mở do luôn xảy ra sự trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh, có khả năng tự điều chỉnh, tự sinh sản... nên khác với hệ vật lí như chất rắn, chất lỏng hay chất khí... Hiện nay nhiệt động học hệ sinh vật có các hướng nghiên cứu chủ yếu sau: - Nghiên cứu sự chuyển biến năng lượng ở mức độ phân tử, tế bào, mô, cơ quan hay toàn bộ cơ thể khi ở trạng thái sinh lý bình thường và trạng thái đang hoạt động. Xác định hiệu suất sử dụng năng lượng của các quá trình sinh vật và năng lượng liên kết trong các liên kết của các cao phân tử sinh học. - Nghiên cứu tính chất nhiệt động của các quá trình diễn ra trong cơ thể sống như quá trình khuyếch tán, thẩm thấu, vận chuyển tích cực... - Nghiên cứu cơ chế tác động của sự thay đổi các yếu tố môi trường lên quá trình chuyển hoá năng lượng và sự trao đổi năng lượng giữa cơ thể sống với môi trường. II. Một số khái niệm và đại lượng cơ bản - Hệ: Hệ là một vật thể hay một nhóm vật thể được dùng làm đối tượng để nghiên cứu. Ví dụ khi chọn cá thể để nghiên cứu thì cá thể là một hệ còn khi chọn quần thể để nghiên cứu thì quần thể là một hệ. - Hệ cô lập: Là hệ không có sự trao đổi vật chất và năng lượng giữa hệ với môi trường xung quanh. Trên thực tế khó xác định được một hệ cô lập hoàn toàn nhưng ở qui mô thí nghiệm các nhà khoa học có thể thiết kế được hệ cô lập như bom nhiệt lượng dùng để nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của các phản ứng oxy hóa. - Hệ kín: Là hệ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh nhưng có trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh. - Hệ mở: Là hệ có trao đổi cả vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh. Ví dụ: cơ thể sống là một hệ mở. - Tham số trạng thái: Là các đại lượng đặc trưng cho trạng thái của một hệ, ví dụ như nhiệt độ, áp suất, thể tích, nội năng, entropi... - Trạng thái cân bằng: Là trạng thái trong đó các tham số trạng thái đạt một giá trị nhất định và không đổi theo thời gian. - Quá trình cân bằng: Là quá trình trong đó các tham số trạng thái thay đổi với tốc độ chậm tới mức sao cho tại mỗi thời điểm có thể xem như trạng thái của hệ là trạng thái cân bằng. - Quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp, đẳng tích là quá trình diễn ra trong đó nhiệt độ, áp suất và thể tích luôn không đổi trong suốt quá trình diễn ra.


- Quá trình thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trở về trạng thái ban đầu không kèm theo bất cứ một sự biến đổi nào của môi trường xung quanh. - Quá trình bất thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trở về trạng thái ban đầu làm thay đổi môi trường xung quanh. - Hàm trạng thái: Một đại lượng được xem là một hàm trạng thái, đặc trưng cho trạng thái của hệ, khi sự biến thiên giá trị của nó trong bất cứ quá trình nào cũng chỉ phụ thuộc vào giá trị đầu và giá trị cuối mà không phụ thuộc vào con đường chuyển biến. Nội năng (U), năng lượng tự do (F), thế nhiệt động (Z hay G), entanpi (H), entropi (S) là những hàm trạng thái. - Năng lượng: Năng lượng là đại lượng có thể đo được, có thể biến đổi một cách định lượng luôn theo cùng một tỉ lệ thành nhiệt lượng. Năng lượng phản ánh khả năng sinh công của một hệ. Đơn vị dùng để đo năng lượng là Calo (Cal) hay Joule (J). - Công và nhiệt: Đó là hai hình thức truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác. Nếu như sự truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác gắn liền với sự di chuyển vị trí của hệ thì sự truyền đó được thực hiện dưới dạng công. Ví dụ khi chạy 100 mét thì năng lượng tiêu tốn đã được dùng vào thực hiện công để di chuyển vị trí. Nếu sự truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác làm tăng tốc độ chuyển động của phân tử ở hệ nhận năng lượng thì sự truyền đó được thực hiện dưới dạng nhiệt. Công và nhiệt là hàm số của quá trình vì chúng đều phụ thuộc vào cách chuyển biến. - Nội năng: Nội năng của một vật thể bao gồm động năng của các phân tử chuyển động và thế năng tương tác do sự hút và đẩy lẫn nhau giữa các phân tử cùng với năng lượng của hạt nhân nguyên tử và năng lượng của các điện tử. III. Định luật I nhiệt động học và những hệ quả của nó Định luật I nhiệt động học được hình thành qua các công trình nghiên cứu của các tác giả như M. V. Lomonoxob (1744), G. I. Heccer (1836), R. Majo (1842), Helmholtz (1849), Joule (1877)... Định luật I nhiệt động học được phát biểu như sau: "Trong một quá trình nếu năng lượng ở dạng này biến đi thì năng lượng ở dạng khác sẽ xuất hiện với lượng hoàn toàn tương đương với giá trị của năng lượng dạng ban đầu". Định luật I nhiệt động học bao gồm hai phần: - Phần định tính khẳng định năng lượng không mất đi mà nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác. - Phần định lượng khẳng định giá trị năng lượng vẫn được bảo toàn (tức giữ nguyên giá trị khi qui đổi thành nhiệt lượng) khi chuyển từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác. Giá trị năng lượng chỉ được bảo toàn khi quá trình xảy ra là quá trình thuận nghịch và hiệu suất của quá trình đạt 100%. Đối với quá trình bất thuận nghịch, hiệu suất của quá trình nhỏ hơn 100% thì ngoài phần năng lượng truyền cho hệ phải cộng thêm phần năng lượng đã toả ra môi trường xung quanh. Biểu thức toán học của định luật I nhiệt động học: Một hệ cô lập ở trạng thái ban đầu có nội năng U1, nếu cung cấp cho hệ một nhiệt lượng Q thì một phần nhiệt lượng hệ sử dụng để thực hiện công A, phần còn lại làm thay đổi trạng thái của hệ từ trạng thái ban đầu có nội năng U1 sang trạng thái mới có nội năng U2 (U2>U1). Từ nhận xét trên ta có biểu thức: Q = ΔU + A (1.1)


Trong đó ΔU = U2 - U1

Công thức (1.1) có thể viết dưới dạng: ΔU = U1 - U1 = Q - A (1.2) Đối với quá trình biến đổi vô cùng nhỏ, phương trình (1.2) có thể viết dưới dạng: dU = δQ - δA (1.3) dU: Chỉ sự biến đổi nội năng, là hàm số trạng thái δQ và δA: Chỉ sự biến đổi nhiệt và công, là hàm số của quá trình. Từ biểu thức (1.2), định luật I nhiệt động học có thể phát biểu như sau: "Sự biến thiên nội năng của hệ bằng nhiệt lượng do hệ nhận được trừ đi công do hệ đã thực hiện". Từ định luật I nhiệt động học dẫn đến các hệ quả sau đây: - Nếu hệ biến đổi theo một chu trình kín (có trạng thái đầu và trạng thái cuối trùng nhau) thì nội năng của hệ sẽ không thay đổi (U2 = U1→ΔU = 0). - Khi cung cấp cho hệ một nhiệt lượng, nếu hệ không thực hiện công thì toàn bộ nhiệt lượng mà hệ nhận được sẽ làm tăng nội năng của hệ. Theo (1.2) ΔU = U2 - U1 = Q - A, nếu A = 0 → U2 - U1 = Q. Hệ nhận nhiệt nên Q > 0 → U2 - U1 = Q > 0 → U2 > U1. - Khi không cung cấp nhiệt lượng cho hệ mà hệ muốn thực hiện công thì chỉ có cách là làm giảm nội năng của hệ. Theo (1.2) ΔU = U2 - U1 = Q - A, nếu Q = 0 → U2 - U1 = -A → A = U1 - U2. Hệ muốn thực hiện công, tức A > 0 → U1 - U2 > 0 → U1 > U2. Sau khi thực hiện công (tức A > 0), nội năng của hệ đã giảm từ U1 xuống U2 nhỏ hơn. - Hệ thực hiện theo chu trình kín, nếu không cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì hệ sẽ không có khả năng sinh công. Theo (1.2) ΔU = Q - A, nếu hệ thực hiện theo chu trình kín, theo hệ quả 1 thì ΔU = 0 → Q - A = 0 → Q = A Do vậy, nếu Q = 0, tức không cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì hệ cũng không có khả năng sinh công, tức A = 0. Hệ quả này, có thể phát biểu dưới dạng: "Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại một, là loại động cơ không cần cung cấp năng lượng nhưng vẫn có khả năng sinh công". IV. Định luật Heccer Được Heccer tìm ra năm 1836, sau này được các nhà khoa học xếp thuộc vào hệ quả của định luật I nhiệt động học. Định luật Heccer phát biểu như sau: "Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hoá học chỉ phụ thuộc vào dạng và trạng thái của chất đầu và chất cuối mà không phụ thuộc vào cách chuyển biến". Ví dụ: Phản ứng tạo khí CO2 từ than nguyên chất là cacbon (C) có thể tiến hành theo 2 cách sau: Cách 1: Đốt trực tiếp than nguyên chất thành khí CO2 sẽ giải phóng nhiệt lượng là Q1. Phản ứng xảy ra:


C + O2 → CO2 + Q1

Cách 2: Chuyển than nguyên chất thành CO theo phản ứng:

C + 21

O2 → CO + Q2

Từ CO chuyển tiếp thành CO2 theo phản ứng:

CO + 21

O2 → CO2 + Q3

Sơ đồ minh hoạ:

C

Q2 Q3

CO

Q1 CO2

Theo định luật Heccer, chất đầu tham gia phản ứng (C) và sản phẩm của phản ứng (CO2) giống nhau nên có hiệu ứng nhiệt giống nhau: Q1 = Q2 + Q3

Trong thực nghiệm, hiệu ứng nhiệt của quá trình đốt than thành CO không thể đo trực tiếp được vì khi than cháy không bao giờ chỉ cho CO mà còn cho một ít CO2. Nhưng thực nghiệm lại đo trực tiếp được Q1 = 97 KCal/M và Q3 = 68 KCal/M. Từ đó dễ dàng suy ra giá trị Q2 = Q1 - Q3 = 97 KCal - 68 KCal Q2 = 29 KCal/M. Định luật Heccer có ý nghĩa rất quan trọng đối với hệ sinh vật. Trong hệ sinh vật diễn ra nhiều phản ứng phức tạp, cho đến nay vẫn còn nhiều phản ứng trung gian chưa có thể đo trực tiếp được hiệu ứng nhiệt. Dựa vào định luật Heccer có thể giải quyết được khó khăn này. V. Định luật I nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật Người đầu tiên tiến hành thí nghiệm để chứng minh tính đúng đắn của định luật I nhiệt động học khi áp dụng vào hệ thống sống là hai nhà khoa học Pháp Lavoisier và Laplace vào năm 1780. Đối tượng thí nghiệm là chuột khoang. Thí nghiệm cách ly cơ thể khỏi môi trường bên ngoài bằng cách nuôi chuột trong nhiệt lượng kế ở nhiệt độ 0oC. Dùng một lượng thức ăn đã xác định trước để nuôi chuột thí nghiệm. Trong cơ thể chuột sẽ diễn ra các phản ứng phân huỷ thức ăn tới sản phẩm cuối cùng là khí CO2 và H2O, đồng thời giải phóng ra nhiệt lượng Q1. Nếu coi ở điều kiện 0oC, chuột đứng yên, không thực hiện công mà chỉ sử dụng nhiệt lượng giải phóng ra do oxy hoá


thức ăn để cung cấp nhiệt lượng cho cơ thể và tỏa nhiệt ra môi trường, qua nhiệt kế đo được sự tăng nhiệt độ, theo công thức sẽ tính được nhiệt lượng Q1. Đồng thời lấy một lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn đã cho chuột ăn trước khi thí nghiệm đem đốt cháy trong bom nhiệt lượng kế cũng tới khí CO2 và H2O, giải phóng ra nhiệt lượng Q2. So sánh hai kết quả thí nghiệm thấy giá trị Q1 tương đương với Q2. Điều này chứng tỏ nhiệt lượng giải phóng ra từ các phản ứng hoá sinh diễn ra trong cơ thể sống hoàn toàn tương đương với nhiệt lượng giải phóng ra từ các phản ứng ôxy hoá diễn ra ở ngoài cơ thể sống. Nói cách khác, hiệu ứng nhiệt của quá trình ôxy hoá chất diễn ra ở trong cơ thể sống và hiệu ứng nhiệt của quá trình ôxy hoá chất diễn ra ở ngoài cơ thể sống là hoàn toàn tương đương. Để tăng độ chính xác của thí nghiệm, sau này có nhiều mô hình thí nghiệm của nhiều nhà nghiên cứu được tiến hành nhưng đáng chú ý nhất là của Atwater và Rosa vào năm 1904. Đối tượng thí nghiệm là người và thời gian thí nghiệm là một ngày đêm (24 giờ). Trong thời gian thí nghiệm, cho người tiêu thụ một lượng thức ăn nhất định, thông qua đo lượng khí ôxy hít vào (hay khí CO2 thở ra), nhiệt thải ra từ phân và nước tiểu... sẽ tính được hiệu ứng nhiệt của các phản ứng phân huỷ thức ăn diễn ra ở cơ thể người trong 24 giờ. Đồng thời đốt lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn mà người đã tiêu thụ ở trong bom nhiệt lượng kế sẽ đo được nhiệt lượng toả ra. Kết quả thí nghiệm: Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng diễn ra ở cơ thể người trong 24 giờ: Nhiệt lượng toả ra xung quanh : 1374 KCal Nhiệt lượng toả ra do thở ra : 181 KCal Nhiệt lượng toả ra do bốc hơi qua da: 227 KCal Nhiệt do khí thải ra : 43 KCal Nhiệt toả ra từ phân và nước tiểu : 23 KCal Hiệu đính (do sai số) : 31 KCal Tổng cộng nhiệt lượng thải ra : 1879 KCal Nhiệt lượng do thức ăn cung cấp: 56,8 gam Protein : 237 KCal 79,9 gam Gluxit : 335 KCal 140,0 gam Lipit : 1307 KCal Tổng cộng : 1879 KCal Lưu ý: Khi ôxy hoá 1 gam Protein ở trong bom nhiệt lượng kế tới khí CO2 và H2O, giải phóng ra 5,4 KCal còn trong cơ thể sống phân giải 1 gam Protein tới urê chỉ giải phóng khoảng 4,2 KCal. Khi oxy hoá hoàn toàn 1 gam Gluxit, giải phóng khoảng 4,2 KCal còn ôxy hoá hoàn toàn 1 gam Lipit giải phóng từ 9,3 đến 9,5 KCal. Kết quả thí nghiệm của Atwater và Rosa khẳng định năng lượng chứa trong thức ăn sau khi cơ thể tiêu thụ đã chuyển thành năng lượng giải phóng thông qua quá trình phân giải bởi các phản ứng hoá sinh diễn ra trong cơ thể sống. Năng lượng chứa trong thức ăn và năng lượng giải phóng ra sau khi cơ thể phân giải thức ăn là hoàn toàn tương đương. Nhiệt lượng trong cơ thể người được chia làm hai loại là nhiệt lượng cơ bản (hay nhiệt lượng sơ cấp) và nhiệt lượng tích cực (hay nhiệt lượng thứ cấp). Nhiệt lượng cơ bản xuất hiện ngay sau khi cơ thể hấp thụ thức ăn và tiêu thụ ôxy để thực hiện phản ứng ôxy hoá


đồng thời giải phóng ra nhiệt lượng. Ví dụ khi cơ thể hấp thụ 1 phân tử gam (tức 1M) glucose, lập tức xảy ra phản ứng ôxy hoá đường và giải phóng ra 678 KCal (nhiệt lượng cơ bản). Cơ thể sẽ sử dụng nhiệt lượng cơ bản vào các hoạt động sống, nếu còn dư sẽ được tích luỹ vào ATP. Phần nhiệt lượng tích luỹ vào các hợp chất cao năng gọi là nhiệt lượng tích cực. Trong cơ thể sống, nhiệt lượng cơ bản và nhiệt lượng tích cực có liên quan với nhau. Nếu nhiệt lượng cơ bản nhiều mà cơ thể sử dụng ít thì nhiệt lượng tích cực sẽ tăng lên. Nếu nhiệt lượng cơ bản không có thì không những nhiệt lượng tích cực bằng không mà cơ thể phải phân giải ATP, giải phóng ra năng lượng để cung cấp cho các hoạt động sống. Ở trạng thái sinh lý bình thường, cơ thể sống sẽ duy trì mối tương quan nhất định giữa nhiệt lượng cơ bản và nhiệt lượng tích cực. Ở mức độ tế bào, có khoảng 50% năng lượng của chất dinh dưỡng được tích luỹ vào ATP. VI. Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp và nguyên tắc hoạt động của cơ thể sống Phương pháp đo nhiệt lượng của Lavoadie và Laplace dùng trong thí nghiệm chứng minh tính đúng đắn của định luật I nhiệt động học khi áp dụng vào hệ sinh vật, gọi là phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp. Cơ sở của phương pháp này là dựa vào lượng khí ôxy tiêu thụ hoặc lượng khí CO2 do cơ thể thải ra ở động vật máu nóng (động vật có vú và người), có liên quan chặt chẽ với nhiệt lượng chứa trong thức ăn. Ví dụ: Quá trình ôxy hóa glucose, phản ứng diễn ra như sau: C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 678 KCal (180gam) (134,4l) (134,4l) Từ phản ứng trên cho thấy cứ ôxy hoá hoàn toàn 1 phân tử gam glucose thì cần phải tiêu thụ 6 phân tử gam ôxy đồng thời thải ra 6 phân tử gam khí CO2 và giải phóng ra 678 KCal. Ở điều kiện tiêu chuẩn, mỗi phân tử gam chất khí đều chứa 22,4 lít. Do vậy 6 phân tử gam ôxy hoặc CO2 đều chứa: 6 x 22,4 lít = 134,4 lít. Từ đó suy ra, cơ thể cứ tiêu thụ 1 lít O2 để ôxy hoá hoàn toàn một phân tử gam glucose đồng thời thải ra 1 lít CO2 thì kèm theo giải phóng một nhiệt lượng là: 678 KCal: 134,4 lít = 5,047 KCal/lít và gọi là đương lượng nhiệt của ôxy. Dựa vào phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp, có thể xác định được sự thải nhiệt của bất kì động vật máu nóng nào thông qua số lít ôxy tiêu thụ (hoặc số lít CO2 thải ra). Từ phản ứng ôxy hóa glucose ở trên và sau này áp dụng chung cho Gluxit khi ôxy hoá hoàn toàn sẽ giải phóng ra nhiệt lượng được tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O2 ( hoặc số lít CO2) x 5,047 (1.4) Khi ôxy hóa Protein, nhiệt lượng giải phóng ra được tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O2 x 4,46 (1.5) Khi ôxy hoá Lipit, nhiệt lượng giải phóng ra được tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O2 x 4,74 (1.6) Mối quan hệ giữa thức ăn, số lít O2 tiêu thụ và số lít CO2 thải ra cùng đương lượng nhiệt của ôxy được thể hiện qua bảng 1.1. Bảng 1.1: Đương lượng nhiệt của ôxy đối với các loại thức ăn.

Thức ăn

Số lít O2 cần để ôxy hoá 1 gam

thức ăn

số lít CO2 thải ra sau khi ôxy hoá

1g thức ăn

Đương lượng nhiệt của ôxy


Gluxit 0,83 0,83 5,047

Protein 0,97 0,77 4,46

Lipit 2,03 1,42 4,74

Đối với thức ăn hỗn hợp gồm cả Gluxit, Protein và Lipit khi bị ôxy hoá, nhiệt lượng giải phóng ra được tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O2 x 4,825 (1.7) Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp còn có thể xác định được nhiệt lượng giải phóng ra khi ôxy hoá thức ăn thông qua: Thương số hô hấp là tỉ lệ khí CO2 trên khí O2. Thương số hô hấp cũng thay đổi tuỳ thuộc vào loại thức ăn được ôxy hoá. - Đối với phản ứng ôxy hoá glucose C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O

Số lít khí CO2 6 x 22,4 lít Thương số hô hấp = Số lít O2

=6 x 22,4 lít

= 1

Thương số hô hấp của glucose được sử dụng cho cả Gluxit. - Đối với phản ứng ôxy hóa Lipit có thương số hô hấp bằng 0,7, đối với Protein bằng 0,8 còn với thức ăn hỗn hợp có giá trị nằm trong khoảng từ 0,85 đến 0,9. Thương số hô hấp có liên quan với đương lượng nhiệt của ôxy, thể hiện qua bảng 1.2. Bảng 1.2: Thương số hô hấp (TS hô hấp) và đương lượng nhiệt của ôxy (ĐLN của ôxy)

TS hô hấp 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

ĐLN của ôxy 4,686 4,739 4,801 4,862 4,924 4,985 5,05

Khi ôxy hoá thức ăn, bằng cách đo lượng khí O2 tiêu thụ và lượng khí CO2 thải ra (đơn vị là lít), tính được thương số hô hấp. Dựa vào bảng 1.2, lấy giá trị đương lượng nhiệt của ôxy tương ứng với thương số hô hấp nhân với số lít O2 tiêu thụ sẽ biết được nhiệt lượng giải phóng (còn gọi là lượng nhiệt trao đổi hay trị số trao đổi năng lượng). Ví dụ: Nếu thương số hô hấp là 0,85 thì có đương lượng nhiệt của ôxy là 4,862 và biết cơ thể tiêu thụ 20 lít O2 thì trị số trao đổi năng lượng sẽ là: 4,862 x 20 lít O2 = 97,24 KCal VII. Phân biệt nguyên tắc hoạt động của cơ thể sống với máy nhiệt Máy nhiệt là động cơ dùng nhiên liệu đốt như dầu Diedel, xăng để sinh công như máy nổ ôtô, xe máy, máy bơm nước... Trong cơ học, hiệu suất sử dụng năng lượng của một cái máy nhiệt, được tính theo công thức:

2

12

TTT −

=η (1.8)

η: Hiệu suất của máy nhiệt (%) T1: Nhiệt độ Kelvin ở trạng thái đầu (oK) T2: Nhiệt độ Kelvin ở trạng thái cuối (oK)


Công thức chuyển đổi giữa nhiệt độ Kelvin và nhiệt độ bách phân (oC): T(oK) = t(oC) + 273 (1.9) Giả sử hiệu suất sử dụng năng lượng của một máy nhiệt đạt trung bình là 33% = 33/100 ≈ 1/3 Nếu ta cũng giả sử cơ thể sống hoạt động giống như một máy nhiệt, tức là cũng có hiệu suất sử dụng năng lượng là 33% ? Nhiệt độ ban đầu của cơ thể người là 37oC, theo công thức (1.9) tính ra: T1 = 37 + 273 = 310oK

Thay η = 33% ≈ 31 và T1 = 310oK vào công thức (1.8) sẽ được:

2

o2

TK310T

31 −= → 3.(T2 - 310oK)=T2

2T2 = 930oK → T2 = 465oK Áp dụng công thức (1.9) ta có: 465 = t2(oC) + 273 → t2 = 465 - 273 = 192oC Kết quả trên cho thấy cơ thể sống hoạt động không giống như một máy nhiệt. Đối với cơ thể sống, Protein bị biến tính ngay ở nhiệt độ từ 40oC đến 60oC còn ở 192oC thì không có một sinh vật nhân chuẩn nào có thể sống được. Điều đó khẳng định cơ thể sống hoạt động không giống như một máy nhiệt mà hoạt động theo nguyên lý của các quá trình sinh học. VIII. Định luật II nhiệt động học Định luật I nhiệt động học chỉ cho biết về sự biến đổi giữa các dạng năng lượng khác nhau, cho phép xác định biểu thức chỉ rõ sự liên quan về lượng giữa các dạng năng lượng khác nhau khi xuất hiện trong một quá trình cho trước. Song định luật I nhiệt động học không cho biết quá trình khi nào có thể xảy ra hoặc không xảy ra và chiều hướng diễn biến của quá trình nếu xảy ra thì theo chiều hướng nào? Định luật II nhiệt động học xác định được chiều hướng tự diễn biến của một quá trình cũng như cho biết quá trình tự diễn biến đến khi nào thì dừng lại và cho phép đánh giá khả năng sinh công của các hệ nhiệt động khác nhau. Định luật II nhiệt động học có ba cách phát biểu. Cách phát biểu thứ nhất còn gọi là tiên đề Clausius đưa ra 1850: "Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng". Từ đó suy ra rằng nhiệt nói riêng còn những quá trình nhiệt động nói chung chỉ có thể tự diễn ra nếu xảy ra sự truyền năng lượng từ mức độ cao đến mức độ thấp, tức là theo chiều gradien. Gradien của một thông số đặc trưng cho một tính chất nào đó về trạng thái của hệ (như nồng độ) được xác định bằng hiệu số giá trị của thông số đó ở tại hai điểm chia cho khoảng cách giữa hai điểm đó. Ví dụ: Giả sử tại vị trí 1 có nồng độ là C1 còn ở vị trí 2 có nồng độ là C2 và C1 > C2 thì hiệu số nồng độ sẽ là C1 - C2 còn hiệu số khoảng cách là x2 - x1. Đặt ΔC = C1 - C2 và Δx = x2 - x1 thì gradien nồng độ được xác định:

12

21

xxCC

xC

−−

=ΔΔ (1.10) C1

xB1 xB2

C2

• •

>


Gradien là một đại lượng vectơ, có giá trị về hướng và giá trị độ lớn. Khi so sánh một tế bào sống với một vật vô sinh như một hạt cát ta thấy rõ ngay rằng trong tế bào sống duy trì nhiều loại gradien khác nhau. Gradien màng để duy trì điện thế tĩnh và điện thế hoạt động, gradien nồng độ để duy trì nồng độ, gradien áp suất thẩm thấu để duy trì lượng nước trong tế bào... Nếu tế bào chết thì các loại gradien cũng bị triệt tiêu. Nếu xét ở mức độ gradien thì sự sống của tế bào luôn kèm theo sự tồn tại của các loại gradien. Cách phát biểu thứ hai do Thomson phát triển tiên đề của Clausius "Không thể có một quá trình biến đổi chuyển toàn bộ nhiệt lượng thành công". Theo cách phát biểu của Thomson thì hiệu suất hữu ích của quá trình bao giờ cũng nhỏ hơn 1 (tức η < 1). Điều này có nghĩa trong tự nhiên không có một quá trình nào có thể chuyển toàn bộ nhiệt lượng được cung cấp thành công hữu ích. Đối với các quá trình diễn ra trong hệ thống sống có tuân theo cách phát biểu của Thomson hay không? Vấn đề này sẽ đề cập đến ở phần sau. Cách phát biểu thứ ba trên cơ sở ý kiến của Planck, cho rằng Entropi là một tiêu chuẩn đầy đủ và cần thiết để xác định tính thuận nghịch và không thuận nghịch của bất cứ quá trình vật lí nào diễn ra trong thiên nhiên. Định luật II nhiệt động học phát biểu như sau: "Đối với hệ cô lập, mọi quá trình trong tự nhiên đều diễn biến theo chiều tăng của entropi". Vậy entropi là gì? Để hiểu rõ đại lượng này ta xét ví dụ về nguyên lý hoạt động của máy nhiệt. Theo hình 1.1, nguyên lý hoạt động của máy nổ như sau: Máy chỉ có khả năng sinh công A (tức bánh đã quay) khi được cung cấp năng lượng là xăng. Khi xăng bị đốt cháy có nhiệt độ là T1 và giải phóng nhiệt lượng là Q1. Một phần của nhiệt lượng Q1 dùng để sinh công, phần còn lại đã truyền cho nguồn nước làm lạnh máy là Q2, dẫn đến làm tăng nhiệt độ của nước là T2. Ở đây Q1>Q2 và T1>T2

Theo (1.8) thì hiệu suất hữu ích của quá trình thuận nghịch được xác định theo công thức:

1

21

1

21

1 TTT

QQQ

QA −

=−

==η (1.11)

Nguồn cung cấp nhiệt

Nguồn thu nhiệt

Máy sinh công

Q1

T2

T1

Q2

Cân bằng phương trình ta có: T1(Q1-Q2)=Q1(T1-T2) → T1Q1-T1Q2=Q1T1-Q1T2

Giản ước ta được: T1Q2=Q1T2 hay 2

2

1

1

TQ

TQ

= (1.12)

Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của máy nổ

Từ vật lý học cho biết sự thay đổi entropi của một hệ được xác định theo công thức:

TQS =Δ (1.13)

ΔS: sự thay đổi entropi của hệ.


Q: Nhiệt lượng cung cấp cho hệ (calo) T: Nhiệt độ Kelvin (oK) của hệ Đối với quá trình biến thiên vô cùng nhỏ, ta có:

TQdS δ

= (1.14)

Đơn vị của entropi là Cal/M.độ Entropi là một hàm trạng thái nên nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối cùng của hệ. Công thức (1.12) có thể biểu diễn qua hàm entropi như sau:

2

22

1

11 T

QS;TQS ==

S1: Entropi ở trạng thái đầu S2: Entropi ở trạng thái cuối Đối với quá trình thuận nghịch theo công thức (1.12) ta có: S1=S2 → S = Const (hằng số) (1.15) Trong một hệ nếu chỉ xảy ra các quá trình thuận nghịch thì hệ luôn duy trì ở trạng thái cân bằng nên entropi của hệ là không đổi. Đối với quá trình không thuận nghịch thì

TQS >Δ vì nhiệt lượng cung cấp cho hệ không chỉ làm thay đổi entropi của hệ mà còn

làm thay đổi entropi của môi trường xung quanh do sự ma sát và tỏa nhiệt. Thực nghiệm đã xác định đối với một quá trình không thuận nghịch thì entropi của hệ ở trạng cuối (tức S2) bao giờ cũng lớn hơn so với entropi của hệ ở trạng thái đầu (tức S1). Do vậy: S2-S1>0 (1.16) Trong một hệ xảy ra các quá trình không thuận nghịch thì entropi của hệ bao giờ cũng tăng lên. Do vậy, nếu là hệ cô lập thì các quá trình xảy ra trong hệ sẽ tiến triển theo chiều tăng của entropi và entropi của hệ sẽ đạt giá trị cực đại ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Tính chung cho cả quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch thì sự thay đổi entropi của hệ có thể viết như sau: ΔS ≥ 0 (1.17) Đối với quá trình thay đổi entropi vô cùng nhỏ (gọi là quá trình vi phân) thì: dS ≥ 0 (1.18) (Dấu bằng dùng cho quá trình thuận nghịch còn dấu lớn hơn dùng cho quá trình không thuận nghịch). Vật thể

Q

A

B

Hệ cô lập Ví dụ 1: Hệ cô lập gồm vật thể A và vật thể B. Vật thể A có nhiệt độ là TA còn vật thể B có nhiệt độ là TB. Giả sử T

Vật thể

B A>TBB thì theo định luật II nhiệt động học vật A sẽ truyền cho vật B một nhiệt lượng là Q. Sự thay đổi entropi của vật A do mất nhiệt là:

dSA=AT

Q− còn sự thay đổi entropi của vật B do


nhận nhiệt là dSB=BBT

Q (dấu trừ chỉ entropi của vật

A bị giảm). Sự thay đổi entropi của toàn hệ được xác định:

dS=dSA+dSB=BBT

Q

ATQ

− =BA

BA

T.T)T(TQ −

100oC

Cục nước đá (0oC)

Hệ cô lập Thùng dầu

Lớp cách nhiệt hoàn

toàn Vì TA>TB nên TB A-TBB>0 suy ra dS>0 Ví dụ 2: Ngâm cục nước đá có nhiệt độ là 0oC (tức tính ra nhiệt độ Kelvin là: T1=273+0oC=273oK) vào trong thùng dầu có nhiệt là 100oC. (tức T2=273+100=373oK). Nhiệt độ sẽ tự động truyền từ dầu sang cục nước đá qui ra nhiệt lượng là Q. Thực nghiệm xác định được Q=80cal. Dầu cung cấp nhiệt nên sự thay đổi entropi của dầu là:

dSD= 214,037380

−=− cal/độ (bị giảm đi).

Cục nước đá nhận nhiệt nên sự thay đổi entropi của nước đá là:

dDĐ=27380 =0,293cal/độ.

Sự thay đổi entropi của hệ (gồm dầu và cục nước đá) sẽ là: dShệ= dSD+dSĐ = 0,293cal/độ - 0,214cal/dộ = 0,079cal/độ > 0 Nhận xét: Đối với hệ cô lập, quá trình truyền nhiệt tự diễn biến theo chiều tăng của entropi. Điều này minh chứng cho tính đúng đắn của định luật II nhiệt động học. IX. Tính chất thống kê của định luật II nhiệt động học Định luật II nhiệt động học có tính chất thống kê nên độ chính xác phụ thuộc vào số phân tử có trong hệ. Trạng thái ít trật tự (tức có entropi lớn) có xác suất cao hơn trạng thái có trật tự cao (tức có entropi nhỏ). Giữa entropi và xác suất nhiệt động có mối quan hệ như thế nào? Năm 1896 Boltzmann là người đầu tiên tìm được mối liên quan giữa entropi và xác suất nhiệt động qua phương trình: S = klnW (1.19) S: Entropi của hệ k: Hằng số Boltzmann bằng 1,38.10-16ec/độ W: Xác suất nhiệt động Để hiểu rõ tính chất thống kê của định luật II nhiệt động học, ta xét ví dụ: Trong 1 bình có 6 phân tử được đánh số từ số 1 đến số 6. Ta ngăn bình thành 2 phần: phía bên phải không có phân tử nào cả. - Thời điểm ban đầu: Bên trái Bên phải

1 2

3 4

5 6

Thành ngăn


Sau khi bỏ thành ngăn do chuyển động nhiệt của các phân tử nên các phân tử sẽ chuyển động trong toàn bộ thể tích của bình tạo nên tất cả có 26 = 64 - Kiểu phân bố 5 phân tử ở bên trái bình còn 1 phân tử ở bên phải bình (có 6 kiểu phân bố).

2

3 4

5 6

Kiểu 1

1 1 2

4

5 6

Kiểu 3

3

1

3 4

5 6

Kiểu 2

2

1 2

3 4

5

Kiểu 6

6

1 2

3 4

6

Kiểu 5

5

1 2

3

5 6

Kiểu 4

4

Xác suất phân bố của phân tử trong bình được trình bày ở bảng 1.3. Xác suất nhiệt động là số kiểu có thể xảy ra của mỗi kiểu phân bố cho nên xác suất nhiệt động luôn luôn lớn hơn 1 hoặc nhỏ nhất là bằng 1. Xác suất toán học (kí hiệu là w) bao giờ cũng nhỏ hơn một và bằng 1 là lớn nhất. Xác suất toán học là khả năng xảy ra số kiểu trên toàn bộ số kiểu phân bố. Bảng 1.3: Sự phân bố của các phân tử giữa hai phần bình và xác suất phân bố của chúng.

Số phân tử Bên trái bình Bên phải bình

Xác suất nhiệt động W

Xác suất toán học w

6 0 1 1/64 5 1 6 6/64 4 2 15 15/64 3 3 20 20/64 2 4 15 15/64 1 5 6 6/64 0 6 1 1/64

Kết quả ở bảng 1.3 cho thấy sự phân bố cân bằng mỗi bên có 3 phân tử là có xác suất nhiệt động lớn nhất, tức W=20 nên theo công thức (1.19) thì entropi cũng có giá trị lớn nhất. Như vậy, trạng thái cân bằng là trạng thái có xác suất nhiệt động lớn nhất đồng thời cũng có entropi lớn nhất nên là trạng thái dễ xảy ra nhất. Trong 64 kiểu phân bố chỉ có 20


kiểu tuân theo định luật II nhiệt động học, tiến triển theo chiều hướng tăng của entropi và đạt tới entropi lớn nhất còn 42 kiểu (gồm 6+15+15+6) cũng tiến triển theo chiều tăng của entropi nhưng chưa đạt tới giá trị entropi lớn nhất. Đặc biệt chiều hướng tiến triển có 6 phân tử ở cùng một phía của bình có xác suất nhiệt động và entropi giống với trạng thái ban đầu (tức entropi không tăng lên). Điều này không đúng với định luật II nhiệt động học là quá trình luôn diễn ra theo chiều tăng của entropi. Khi số phân tử trong bình càng tăng lên, ví dụ là 50 phân tử thì tổng số kiểu phân bố sẽ là 250, là 1 con số cực kỳ lớn. Khi đó khả năng tiến triển có cả 50 phân tử ở một phía của bình cũng chỉ chiếm 1 khả năng (tức W=1) so với 250 khả năng và như vậy trường hợp xảy ra không đúng với định luật II

nhiệt động học sẽ càng ít đi ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

5021

. Đó chính là tính thống kê của định luật II nhiệt động

học, tức là khi số phân tử trong hệ càng lớn thì tính đúng đắn của định luật II nhiệt động học sẽ càng cao. X. Định luật II nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật Hệ thống sống là một hệ thống mở, luôn xảy ra quá trình trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường ngoài. Theo cách phát biểu của Thomson: "Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại hai" là động cơ có hiệu suất hữu ích là 100%, khi áp dụng vào hệ thống sống là hoàn toàn đúng đắn. Thực nghiệm đã xác định mọi quá trình diễn ra trong hệ thống sống đều có hiệu suất hữu ích nhỏ hơn 100% (xem bảng 1.4). Bảng 1.4: Hiệu suất của một số quá trình sinh vật

TT Quá trình sinh vật Hiệu suất (η)

1 Quá trình glicoliz (tiêu glucoza) 36%

2 Quá trình co cơ 30%

3 Quá trình oxy hóa photphorin hóa 55%

4 Quá trình quang hợp 75%

5 Quá trình phát quang của vi khuẩn 90%

Quá trình quang hợp của thực vật có hiệu suất 75% có nghĩa là cây xanh cứ hấp thụ 100calo từ năng lượng ánh sáng mặt trời thì có 75 calo được sử dụng vào tổng hợp chất (phần năng lượng có ích) còn 25 calo tỏa nhiệt sởi ấm cơ thể hay phát tán nhiệt ra môi trường xung quanh (phần năng lượng vô ích). * Vai trò của entropi Đối với hệ cô lập, định luật II nhiệt động học đã khẳng định mọi quá trình diễn biến đều diễn ra theo chiều tăng của entropi và đạt giá trị cực đại khi đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt động thì dừng hẳn. Cơ thể sống là một hệ mở cho nên không thể áp dụng định luật II nhiệt động học trực tiếp lên cơ thể sống. Định luật II nhiệt động học chỉ có thể áp dụng vào hệ sinh vật nếu xem hệ bao gồm cả cơ thể sống và môi trường sống. Ta hãy xét sự

thay đổi entropi của hệ (kí hiệu là dt

dS) có liên quan tới sự thay đổi entropi của cơ thể


sống (kí hiệu là dt

dSC ) và sự thay đổi entropi của môi trường (kí hiệu là dt

dSm ) như thế

nào? Entropi là một hàm trạng thái và có tính chất cộng tính (tức là entropi của hệ bằng tổng entropi của các thành phần nằm trong hệ) nên sự thay đổi entropi của hệ sẽ được xác định theo công thức:

dt

dSdt

dSdtdS mC += (1.20)

Thành phần dt

dSC = 0 khi các quá trình diễn ra trong cơ thể sống đều là quá trình thuận

nghịch. Song trên thực tế phần lớn các quá trình diễn ra ở cơ thể sống là những quá trình

bất thuận nghịch, do vậy dt

dSC >0

Thành phần dt

dSm = 0 khi giữa cơ thể sống và môi trường không xảy ra quá trình trao đổi

vật chất và năng lượng. Điều này không xảy ra vì trái với thực tế. Quá trình trao đổi vật chất và năng lượng giữa cơ thể sống với môi trường là quá trình bất thuận nghịch (nhất là

quá trình trao đổi nhiệt) do vậy dt

dSm >0. Như vậy, khi dt

dSC >0 và dt

dSm >0 thì dtdS >0.

Điều này là phù hợp với định luật II nhiệt động học. Trong cơ thể sống xảy ra trường hợp khi quá trình đồng hóa diễn ra với cường độ mạnh

hơn so với quá trình dị hóa thì dt

dSC <0. Trường hợp này gặp ở quá trình quang hợp của

thực vật, khi đó có dt

dSC <0. Bù lại, quá trình trao đổi chất giữa thực vật với môi trường

nước, không khí và nhất là sự hấp thu năng lượng từ ánh sáng mặt trời đã làm tăng entropi của môi trường lên rất cao nhất là ở trung tâm mặt trời đã xảy ra các phản ứng hạt nhân để giải phóng năng lượng ánh sáng chiếu xuống trái đất. Các phản ứng hạt nhân bao

giờ cũng có entropi vô cùng lớn. Do vậy, giá trị dt

dSm sẽ lớn hơn không rất nhiều nên sự

thay đổi entropi của hệ là dtdS vẫn lớn hơn không, phù hợp với định luật II nhiệt động

học. Tóm lại khi áp dụng định luật II nhiệt động học vào hệ thống sống thì ta không nên tách rời cơ thể sống ra khỏi môi trường sống mà phải xem cơ thể sống và môi trường sống là cùng nằm trong một hệ. Về mối liên quan giữa entropi và độ trật tự cấu trúc của cơ thể sống, Schrodinger cho rằng: "Sự sống là sự hấp thụ entropi âm". Giải thích quan điểm này, theo tác giả là cơ thể sống luôn luôn duy trì độ trật tự cao của mình bằng cách hấp thụ chất dinh dưỡng có độ trật tự cao như protit, Gluxit, Lipit qua thức ăn. Thực ra, khi tiêu thụ chất dinh dưỡng, cơ thể sống không sử dụng chúng như một nguồn trật tự (để nguyên và dùng làm nguyên liệu để xây dựng nên cơ thể sống) mà chất dinh dưỡng sau khi hấp thụ được phân giải thành chất để tế bào có thể hấp thu được. Chẳng hạn Protein của thịt gà có độ trật tự cao (tức entropi thấp) khi được cơ thể hấp thụ nó sẽ bị phân giải thành các axit amin nên có


độ trật tự kém hơn (tức entropi cao). Do vậy, quan điểm của Schrodinger là hoàn toàn không phản ánh đúng bản chất của quá trình tiêu hóa và hấp thu của cơ thể sống. Độ trật tự cấu trúc và độ trật tự của các quá trình sinh học diễn ra trong cơ thể sống không phải do entropi quyết định mà do cơ thể sử dụng nguồn năng lượng tự do từ nguồn thức ăn để duy trì sự tồn tại và phát triển của cơ thể sống. Trong quá trình phát sinh và hình thành sự sống trên trái đất, trải qua thời gian tiến hóa với sự chọn lọc của tự nhiên đã hình thành nên các loài sinh vật có sự thích nghi cao với từng loại môi trường sống. Do các nguyên lí của các quá trình sinh học quyết định đã làm cho cơ thể sống thích nghi cả về mặt cấu trúc cũng như thích nghi về mặt chức năng chứ không phải hoàn toàn do entropi quyết định như trong hệ lý hóa. Tuy nhiên mọi quá trình sinh lý, sinh hóa diễn ra trong cơ thể sống đều kèm theo sự thay đổi của entropi. Khi xét entropi riêng của một cơ thể sống mà không gắn với entropi của môi trường sống thì khi cơ thể ở trạng thái cân bằng dừng, entropi có một giá trị xác định nhưng không phải là cực đại và không đổi. Khi cơ thể sống nhiễm phóng xạ, nhiễm chất độc hại, nhiễm virut thì entropi sẽ tăng và có giá trị lớn hơn so với entropi khi ở trạng thái cân bằng dừng. Khi cơ thể sống có quá trình sinh tổng hợp chất (như quá trình quang hợp ở thực vật) diễn ra mạnh hơn so với quá trình phân hủy chất thì entropi sẽ giảm và có giá trị nhỏ hơn so với entropi khi ở trạng thái cân bằng dừng là trạng thái có tốc độ phản ứng tổng hợp cân bằng với tốc độ phản ứng phân hủy. Sự thay đổi entropi diễn ra trong cơ thể sống không vi phạm định luật II nhiệt động học vì cơ thể sống là một hệ mở chứ không phải là một hệ cô lập. XI. Năng lượng tự do Từ định luật I nhiệt động học đã thiết lập được công thức (1.3) là: dU = δQ- δA Từ định luật II nhiệt động học đã thiết lập được công thức (1.14) là:

TQdS δ

= → δQ = T.dS

Thay δQ = T . dS vào công thức (1.3) ta được: dU = T . dS - δA → -δA = dU - T . dS (1.21) Đối với quá trình đẳng nhiệt (là quá trình diễn ra ở nhiệt độ luôn không đổi) ta có thể viết: -δA = d(U - T.S) (1.22) Người ta đặt F = U - T.S và gọi F là năng lượng tự do. Năng lượng tự do là một hàm trạng thái . Thay F vào (1. 22) ta được: - dF = δA (1.23) Dấu trừ thể hiện quá trình sử dụng năng lượng tự do để thực hiện công. Đối với quá trình thuận nghịch, năng lượng tự do, được chuyển toàn bộ thành công. Từ vật lí đã xác định được đối với quá trình đẳng áp (là quá trình diễn ra ở áp suất luôn không đổi) nếu công sinh ra chỉ để chống lại áp suất bên ngoài thì công được tính theo công thức: δA = P . dV (1.24) δA: Công thực hiện


P: Áp suất dV: Sự thay đổi thể tích Thay (1.24) vào (1.3) ta có: dU = δQ - P . dV → δQ = dU + P . dV (1.25) Đối với quá trình đẳng áp (P=hằng số), công thức (1.25) có thể viết: δQ = d(U + P . V) (1.26) Người ta đặt H = U + P . V và gọi H là hàm entanpi. Entanpi là một hàm trạng thái. Công thức (1.26) có thể viết lại như sau: δQ = dH (1.27) Đối với quá trình diễn ra ở điều kiện nhiệt độ và áp suất không thay đổi, người ta đưa vào hàm thế nhiệt động, kí hiệu là Z và được tính theo công thức: dZ = dH - T . dS (1.28) Hàm thế nhiệt động của phản ứng được tính theo công thức: ΔZ = ΔZo + R.T.lnK (1.29) ΔZo: Thế nhiệt động chuẩn khi phản ứng diễn ra ở nhiệt độ là 25oC. R: Hằng số khí T: Nhiệt độ Kelvin (oK) K: Hệ số cân bằng của phản ứng Dựa trên nghiên cứu sự phụ thuộc hệ số cân bằng của phản ứng vào nhiệt độ sẽ xác định được sự thay đổi của entanpi theo công thức:

2RTQ

dTKlnk δ= (1.30)

→ dT

Klnd.T.RQ 2=δ (1.31)

Xác định được δQ, dựa vào công thức (1.27) sẽ tính ra dH. 1. Quá trình hình thành năng lượng tự do trong cơ thể sống Năng lượng tự do được hình thành trong cơ thể sống là do quá trình phân hủy các chất dinh dưỡng. Theo Crebs và Gonberg quá trình hình thành năng lượng tự do chia làm 3 giai đoạn chính sau đây: - Phân hủy các cao phân tử sinh học tới monome (đơn phân tử), như từ Protein tới axit amin, từ Gluxit tới glucose, từ Lipit tới glixerin và axit béo. Năng lượng tự do được giải phóng ra ở giai đoạn này chỉ chiếm từ 0,1% đến 0,5% năng lượng dự trữ có trong cao phân tử. - Sự chuyển hóa của các monome kể trên tới axit Piruvic và axetyl coenzim A (là axit Axetic đã hoạt hóa) và một số hợp chất nằm trong chu trình Crebs đã giải phóng ra năng lượng tự do đạt từ 15% đến 30% năng lượng dự trữ có trong monome. - Quá trình oxy hóa axetyl coenzim A tới khí CO2 và H2O trong chu trình Crebs, năng lượng tự do được giải phóng ra đạt từ 70% đến 80% năng lượng dự trữ có trong axetyl coenzim A. Hay quá trình oxy hóa axit palmatic, năng lượng tự do được giải phóng ra chiếm 60%.


2. Sử dụng năng lượng tự do của cơ thể sống - Cơ thể sống sử dụng năng lượng tự do để cung cấp nhiệt cho cơ thể (ổn định nhiệt độ cơ thể vào mùa hè cũng như mùa đông). - Cơ thể sống sử dụng năng lượng tự do để thực hiện công cơ học (co cơ), công thẩm thấu (hấp thụ hay bài tiết nước và các sản phẩm chất dinh dưỡng), công hô hấp, công điện (duy trì điện thế tĩnh hay phát xung điện thế hoạt động)... - Quan trọng hơn cả là cơ thể sống có khả năng tích lũy năng lượng tự do ở dạng các hợp chất cao năng (ATP). Hợp chất cao năng ATP chính là nguồn năng lượng vạn năng của mọi cơ thể sống nên được ví là "tiền tệ năng lượng". 3. Trạng thái cân bằng nhiệt động và trạng thái cân bằng dừng Trạng thái cân bằng nhiệt động: Là trạng thái chỉ đặc trưng cho hệ cô lập. Khi hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động sẽ có năng lượng tự do đạt giá trị cực tiểu và không đổi do vậy hệ không có khả năng sinh ra công. Khi hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động sẽ có entropi đạt giá trị cực đại, do vậy hệ có độ mất trật tự cao nhất. Trên thực tế khó bắt gặp trạng thái cân bằng nhiệt động vì khó tìm thấy hệ cô lập hoàn toàn. Trạng thái cân bằng dừng: Là trạng thái đặc trưng cho hệ mở nói chung và hệ sinh vật nói riêng. Khi hệ ở trạng thái cân bằng dừng thì sự thay đổi năng lượng tự do luôn xảy ra nhưng với một tốc độ không đổi. Sở dĩ như vậy là do hệ luôn nhận năng lượng tư do từ bên ngoài qua con đường thức ăn. Khi hệ ở trạng thái cân bằng dừng, entropi của hệ đạt giá trị xác định và nhỏ hơn giá trị cực đại. Cơ thể sống luôn có xu hướng duy trì trạng thái cân bằng dừng. Ví dụ như ở động vật ổn nhiệt luôn duy trì thân nhiệt ổn định theo thời gian (ở người là 37oC).


1

Chương 2

ĐỘNG HỌC CỦA CÁC PHẢN ỨNG SINH VẬT

Động học của các phản ứng sinh vật là nghiên cứu những cơ chế và các qui luật tiến triển theo thời gian của các phản ứng hóa sinh diễn ra trong cơ thể sống. Trong cơ thể sống thường xuyên diễn ra các phản ứng của quá trình trao đổi chất. Phản ứng diễn ra có thể là phản ứng bậc không, bậc một, bậc 2..., phản ứng tự xúc tác, phản ứng nối tiếp, phản ứng song song, phản ứng vòng, phản ứng dây chuyền...Tùy điều kiện ban đầu và với sự tham gia của chất xúc tác hay chất ức chế mà các phản ứng hóa sinh xảy ra với tốc độ khác nhau và bằng các con đường khác nhau. I. Bậc phản ứng và tốc độ phản ứng Bậc phản ứng: Bậc của phản ứng bằng số lượng các loại phân tử (hay nguyên tử) tham gia trong một đơn vị cơ bản của chuyển biến hoá học mà nồng độ hay áp suất của chúng quyết định tốc độ phản ứng. Theo Gunberd và Vaag thì tốc độc của phản ứng: A = M+ N Được xác định bằng công thức:

dtdCv −= = k . C

v: Tốc độ phản ứng k: Hằng số tốc độ phản ứng C: Nồng độ chất A Dấu trừ thể hiện sự giảm nồng độ chất A theo thời gian diễn ra phản ứng. Với phản ứng tổng quát: aA + bB = mM + nN Tốc độ phản ứng được xác định theo công thức: v = k. [A]aB]b (2.1) [A] và [B] là nồng độ chất A và nồng độ chất B còn a và b là các hệ số của chất A và của chất B còn k là hằng số tốc độ phản ứng. Bậc của phản ứng (n) là tổng các số mũ của nồng độ các chất ở trong biểu thức tính tốc độ phản ứng (2.1), tức là n = a + b Dựa vào đó, người ta chia ra phản ứng bậc một, phản ứng bậc hai, phản ứng bậc ba. Ví dụ 1: Phản ứng:N2O = N2 + 1/2 O2 có v = k [N2O]là phản ứng bậc một.


2

Ví dụ 2: Phản ứng: 2HI=H2 + I2 có v = k [HI]2 là phản ứng bậc hai. Ví dụ 3: Phản ứng: 2NO + H2 = N2O + H2O có v = k [NO]2 [H2] là phản ứng bậc ba. II. Phản ứng bậc một Phản ứng bậc một là phản ứng: A P ⎯→⎯k

Tốc độ phản ứng được xác định theo công thức:

v =dtdC

− = kC (2.2)

C: Nồng độ chất A k: Hằng số tốc độ phản ứng Giả thiết vào thời điểm ban đầu trước khi phản ứng diễn ra là to

= 0, ứng với nồng độ chất A là Co còn vào thời điểm t nồng độ chất A là C. Phương trình (2.2) có thể viết dưới dạng sau:

kdtCdC

−=

Lấy tích phân 2 vế ta có:

∫ ∫−=C

C

t

00

dt.kCdC

to

CC t.kCln

o−= → lnC - lnCo = - kt

lnoC

C =-k.t → oC

C =e-kt

C = Co e-kt (2.3)

t Thời gian

C

O

Co

Nồng độ

Hình 2.1: Sự thay đổi nồng độ chất A theo thời gian của phản ứng bậc 1.

Phương trình (2.3) biểu diễn dưới dạng đồ thị: (hình 2.1) Từ đồ thị thể hiện nồng độ chất A giảm theo thời gian sau khi phản ứng xảy ra và giảm theo qui luật hàm số mũ.


3

III. Phản ứng bậc hai Phản ứng bậc hai là phản ứng: A+B P ⎯→⎯k

Theo định nghĩa, tốc độ phản ứng bậc 2 được xác định theo công thức:

dtdP

dtdCv =−= =k.Ca.Cb (2.4)

Giả thiết ở thời điểm ban đầu trước khi phản ứng diễn ra là to=0, ứng với nồng độ chất A là a còn nồng độ chất B là b. Sau một thời gian là t, phản ứng xảy ra, tạo thành sản phẩm có nồng độ là x, thì tốc độ phản ứng có thể viết dưới dạng sau:

v =dtdx = k(a-x) (b-x) (2.5)

Suy ra: =−− )xb()xa(

dx k.dt

Để giải phương trình trên, lấy tích phân 2 vế:

∫∫ −−=

x

o

t

o )xb()xa(dxdt.k

→ k.t = .)ba(

1−

ln)xb()xa(

−− + C (2.6)

Để tìm hằng số C, dựa vào điều kiện khi to=0 thì x = 0 Thay vào (2.6) sẽ được:

k.0 = .)ba(

1−

lnba +C → C = -ln

ba → C = ln

ab

Thay hằng số C vào phương trình (2.6) sẽ xác định được hằng số tốc độ phản ứng:

x)-a(bx)-(abln.

t).ba(1k−

= (2.7)

IV. Phản ứng bậc ba Phản ứng bậc 3 là phản ứng:

A + B + C P ⎯→⎯k

Theo định nghĩa, tốc độ phản ứng bậc 3 được xác định theo công thức:

==−=dtdP

dtdCv k.Ca.Cb.Cc (2.8)


4

Giả thiết ở thời điểm ban đầu trước khi phản ứng diễn ra là to=0, ứng với nồng độ chất A là a, nồng độ B là b, nồng độ chất C là c. Sau một thời gian t phản ứng xảy ra, tạo thành sản phẩm có nồng độ là x, thì tốc độ phản ứng có thể viết dưới dạng sau:

v =dtdx = k(a-x) (b-x) (c-x) (2.9)

hoặc: )xc()xb()xa(

dx−−−

= k.dt

Để giải phương trình trên, xét trường hợp đơn giản: a = b = c Phương trình khi đó sẽ có dạng:

k.dt = 3)xa(dx−

Lấy tích phân hai vế phương trình trên sẽ được:

∫∫ −=

x

o3

t

o )xa(dxdt.k

→ Ca1

)xa(1

21t.k 22 +⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−

−= (2.10)

Để tìm hằng số C, dựa vào điều kiện khi to=0 thì x=0 Thay vào (2.10):

Ca1

a1

210.k 22 +⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ −= → C = 0

Vậy hằng số tốc độ của phản ứng bậc 3 khi nồng độ các chất tham gia vào phản ứng bằng nhau, được xác định theo công thức:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

−= 22 a

1)xa(

1t.2

1k (2.11)

V. Phản ứng thuận nghịch

Phản ứng thuận nghịch đơn giản nhất có dạng: A⎯→⎯ 1k

2k P

k1: Hằng số tốc độ phản ứng thuận k2: Hằng số tốc độ phản ứng nghịch


5

Giả thiết ở thời điểm bắt đầu xảy ra phản ứng to=0, chất A có nồng độ là a, sau thời gian t phản ứng xảy ra, tạo sản phẩm P có nồng độ là x, khi đó nồng độ chất A sẽ là (a-x). Tốc độ phản ứng thuận nghịch được xác định theo phương trình:

2121 .)( vvxkxakdtdx

dtdCv −=−−==−= (2.12)

v1=k1(a-x) là tốc độ phản ứng thuận v2=k2.x là tốc độ phản ứng nghịch Khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch (v1=v2) thì tốc độ của quá trình sẽ bằng không (v=0) và hệ ở trạng thái cân bằng. Khi hệ ở trạng thái cân bằng, phương trình (2.12) được viết như sau: k1(a*-x*)-k2x*=0 (2.13) a*: Nồng độ chất A khi hệ ở trạng thái cân bằng x*: Nồng độ chất P khi hệ ở trạng thái cân bằng Từ (2.13) suy ra:

*

**1

2 x)xa(kk −

= (2.14)

Thay k2 vào phương trình (2.12) sẽ được:

xx

xakxakdtdx .)()( *

**

11−

−−=

*

**

x)xaax(

dtdx −

= .k1 →)xaax(

dxxdt.k **

*

1 −= (2.15)

Lấy tích phân hai vế phương trình (2.15) ta có:

)x-a*ax(

dxxdtk *

x

o

*t

o1 ∫∫ =

C)xaaxln(axt.k x

o**

*

*

1 +−−= →

k1.t [ ] C)xaaxln(axlnax ***

*

*+−−= (2.16)

Để tìm hằng số C, dựa vào điều kiện khi to=0 thì x=0. Thay vào phương trình (2.16) tính được C=0


6

Khi đó hằng số tốc độ phản ứng thuận được xác định theo công thức:

)xaax(

axlnta

xk **

*

*

*

1 −= (2.17)

Thay k1 vào phương trình (2.14) sẽ tính được hằng số tốc độ của phản ứng nghịch:

)(

ln.)(**

*

*

*

*

**

2 xaaxax

tax

xxak

−−

=

)xaax(

axlnta

)xa(k **

*

*

**

2 −−

= (2.18)

VI. Phản ứng song song Trong cơ thể sống có nhiều chất tham gia vào các phản ứng song song. Thí dụ như glucose có thể bị oxy hóa theo con đường oxy hóa khử của chu trình Crebs hoặc theo chu trình hecxozamonophotphat. Phản ứng song song đơn giản có dạng:

A

C

B

k2

k1 Giả thiết ở thời điểm bắt đầu xảy ra phản ứng to=0, chất A có nồng độ là ao, sau thời gian t phản ứng xảy ra tạo ra sản phẩm B có nồng độ là b và sản phẩm C có nồng độ là c còn nồng độ chất A khi đó là a. Tốc độ phản ứng được xác định theo phương trình:

akdtdbv 11 == và ak

dtdcv 22 == (2.19)

v1: Tốc độ phản ứng chất A chuyển thành chất B v2: Tốc độ phản ứng chất A chuyển thành chất C Tốc độ của cả quá trình:

a).kk(a.ka.kdtdc

dtdb

dtdav 2121 +=+=+=−= (2.20)



7

∫∫ +−=t

o21

a

a

dt).kk(a

da

o

t).kk(o21

o

21e.aat).kk(aaln +−=→+−= (2.21)

Thay a vào phương trình (2.19) ta được:

dt.e.a.kdtdbv t).kk(

o1121+−==

db = k1. dt.e.a t).kk(o

21+−

Lấy tích phân hai vế ta có:

→ ∫∫ −−=t

o

t.)k(ko1

b

o

dt.ea.kdb 21

[ t)kk(

21

o1 21e1.)kk(

a.kb +−−+

= ] (2.22)

Từ phương trình (2.19) suy ra:

a.ka.k

dtdc

dtdb

vv

2

1

2

1 == → 2

1

kk

dcdb

= → k1.dc=k2.db (2.23)


b.kkcb.kckdbkdck

1

22

b

o12

c

o1 =→=→= ∫∫ (2.24)

Thay giá trị b từ phương trình (2.22) vào (2.24) tính được nồng độ chất C

[ ]t).kk(

21

o1

1

2

1

2 21e1.)kk(

a.k.kkb.

kkc +−−

+==

[ t).kk(

21

o2 21e1.)kk(

a.kc +−−+

= ] (2.25)

Từ phương trình (2.23) cho biết trong phản ứng song song, nếu hai phản ứng bậc 1 xảy ra cùng một lúc thì tỉ số hằng số tốc độ phản ứng sẽ bằng tỉ số nồng độ sản phẩm được tạo nên. Trường hợp nếu có 1 trong 2 phản ứng là phản ứng bậc không (là phản ứng có tốc độ phản ứng không phụ thuộc vào nồng độ chất tham gia vào phản ứng) thì phản ứng bậc 1 sẽ có ý nghĩa quyết định đến tốc độ giảm nồng độ chất A theo thời gian.


8

Trên cơ sở đó Hinshenvut rút ra một kết luận quan trọng: "Đối với cơ thể sống khi nồng độ cơ chất có nồng độ thấp thì phản ứng do men xúc tác sẽ xảy ra theo phản ứng bậc 1 còn khi nồng độ cơ chất bão hòa thì một số phản ứng do men xúc tác tiến triển theo phản ứng bậc không còn một số phản ứng do men xúc tác vẫn tiến triển theo phản ứng bậc 1 và chính phản ứng bậc 1 sẽ xác định tốc độ của toàn bộ quá trình". Thí dụ: Trong cơ thể thường xảy ra phản ứng song song. Axit hipyric

Axit benzoic Glucuronit

Glicocol k1

k2 Glucuronic

Khi nồng độ axit benzoic nhỏ thì cả hai phản ứng đều tiến triển theo phản ứng bậc một. Song trên thực tế k1>k2 nên phản ứng chủ yếu xảy ra theo hướng axit benzoic kết hợp với glicocol để tạo thành axit hipuric, cho nên trong nước tiểu chỉ phát hiện được axit hipuric. Khi nồng độ axit hipuric lớn thì phản ứng chuyển axit benzoic thành axit hipuric là phản ứng bậc không. Do vậy phần lớn axit benzoic kết hợp với axit glucuronic để tạo thành glucuronit, nên xét nghiệm thấy nồng độ axit hipuric không tăng còn nồng độ glucuronit tăng lên rất nhanh. VII. Phản ứng nối tiếp Phản ứng nối tiếp có dạng:

CBA 21 kk ⎯→⎯⎯→⎯Tốc độ của phản ứng từ chất A tạo thành chất B được xác định theo phương trình của phản ứng bậc nhất:

Cakdt

dCav 1=−= (2.26)

Giải phương trình này đã thu được kết quả ở phần phương trình bậc nhất:

Ca = Co. (2.27) t.k1e−

Co: Nồng độ chất A tại thời điểm ban đầu (to=0) Ca: Nồng độ chất A tại thời điểm t Tốc độ sự tạo thành chất B sẽ bằng hiệu số giữa tốc độ hình thành chất B từ chất A và tốc độ phân hủy chất B thành chất C, xác định theo phương trình:


9

b2a1b C.kC.k

dtdCv −== (2.28)

Cb: Nồng độ chất B ở thời điểm t Để giải phương trình trên cần dựa vào điều kiện biên: Khi to=0 thì nồng độ chất A là Co còn chất B chưa được tạo thành nên Cb=0. Nghiệm của phương trình (2.28) theo cách giải từ phương trình vi phân được tìm dưới dạng:

Cb= (2.29) t.k2

t.k1

21 e.e. −− α+α

Trong đó α1, α2 là những hệ số cần phải xác định. Lấy đạo hàm nghiệm Cb theo thời gian t ta có:

t.k22

t.k11

b 21 e.k.e.k.dt

dC −− α−α−= (2.30)

Thay Ca=Co. , Ct.k1e− b từ (2.29) và dt

dCb từ (2.30) vào phương trình (2.28)

ta được:

=α−α− −− t.k22

t.k11

21 ek.ek. ( ) ( )t.k2

t.k12

t.ko1

211 e.e.ke.Ck −−− α+α−

Giản ước còn lại:

12

1112111

...kk

CkkCkk oo −

=→−=− ααα

Thay giá trị α1 vào phương trình (2.29) sẽ thu được:

t.k2

t.k

12

o1b

21 ee.kk

CkC −− α+−

=

Khi to = 0 thì Cb = 0 → 2112

o12 kk

Ckα−=α→

−−=α

Khi biết α1 và α2, thay vào (2.29) sẽ thu được kết quả nồng độ chất B tại thời điểm t.

( tktk

12

o1b

21 eekk

CkC −− −−

= ) (2.31)

Tốc độ hình thành chất C sẽ được xác định qua nồng độ chất B và hằng số k2 theo phương trình:

b2b Ck

dtdCv =−=


10

hay b2c Ck

dtdCv == (2.32)

Cc: nồng độ chất C ở thời điểm t Thay giá trị Cb ở phương trình (2.31) vào phương trình (2.32) ta được:

).(..21

12

21 tktkoc eekkCkk

dtdC −− −

−=

dtekkCkkdte

kkCkkdC tk

12

o21tk

12

o21c

2I −−

−−

−=

Lấy tích phân 2 vế ta được:

dtekkCkkdte

kkCkkdC

t

o

tk

12

o21t

o

tk

12

o21C

oc

21c

∫∫∫ −−

−−

−=

( )1ek1dte tk

1

t

o

tk 11 −−= −−∫

( )1ek1dte tk

2

t

o

tk 22 −−= −−∫

Kết quả nồng độ chất C tại thời điểm t sẽ được xác định:

( ) ( )[ ]tk1

tk2

12

oc

21 e1ke1kkk

CC −− −−−−

= (2.33)

Biểu diễn các phương trình (2.27), (2.31), (2.33) về sự thay đổi nồng độ chất A, B, C tham gia vào phản ứng nối tiếp theo thời gian trên đồ thị sẽ có dạng như trên hình 2.2. Hình 2.2: Sự thay đổi nồng độ chất A, B, C theo thời gian

A B C

0

C

t

Xét một số trường hợp cụ thể: - Nếu k1 lớn hơn rất nhiều so với k2 thì giai đoạn đầu tiến triển nhanh gấp bội giai đoạn hai và cả hai giai đoạn đều tiến triển theo động học của phản ứng bậc nhất. Trong trường hợp này tốc độ chung của phản ứng nối tiếp


11

được xác định bằng tốc độ của giai đoạn hai vì là giai đoạn tiến triển chậm nhất. - Nếu k1 nhỏ hơn rất nhiều so với k2 thì chất B được tạo thành sẽ không bền và bị phân giải nhanh để hình thành nên chất C (tức k2 lớn). Theo qui định của phản ứng nối tiếp, phản ứng nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định tốc độ của toàn bộ quá trình. Trong trường hợp này thì k1 sẽ quyết định tốc độ của phản ứng nối tiếp. VIII. Phản ứng vòng Phản ứng vòng là một chuỗi các phản ứng diễn ra theo chu trình như chu trình Crebs, chu trình Glioxilic, chu trình Ocnitin... giữ một vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của cơ thể sống. Tốc độ của chu trình phụ thuộc vào nồng độ tương đối của các chất tham gia vào từng giai đoạn của chu trình. Cơ thể có khả năng điều chỉnh nồng độ của các chất tham gia vào chu trình nhờ vào cơ chế điều hòa tốc độ phản ứng. Dạng đơn giản nhất của phản ứng vòng là phản ứng men - cơ chất (hình 2.3).

MC

MC P

M: Men C: Cơ chất MC: Phức chất men - cơ chất P: Sản phẩm của phản ứng

Hình 2.3. Phản ứng men - cơ chất IX. Phản ứng bậc không Phản ứng bậc không là phản ứng có tốc độ không thay đổi và tốc độ phản ứng không phụ thuộc vào nồng độ chất tham gia vào phản ứng. Tốc độ phản ứng bậc không được xác định theo phương trình:

okdtdCv =−= (2.34)

Phản ứng bậc không điển hình là phản ứng men tiến triển trong điều kiện thừa cơ chất. Trong điều kiện đó, tất cả các phân tử men đều ở dạng liên kết với cơ chất và tốc độ phản ứng được xác định bởi tốc độ của phản ứng phân hủy phức hợp men - cơ chất để tạo thành sản phẩm P. Như vậy, tốc độ hình thành sản phẩm P sẽ không phụ thuộc vào nồng độ cơ chất mà phụ thuộc vào nồng độ men tham gia xúc tác cho phản ứng. Phản ứng bậc không là một hệ thống gồm nhiều phản ứng. Trong cơ thể nếu có xảy ra phản ứng bậc không thì phản ứng tạo sản phẩm phải xảy ra ít nhất qua hai giai đoạn như kiểu phản ứng men - cơ chất, đã xét ở trên.


12

X. Phản ứng tự xúc tác Phản ứng tự xúc tác là phản ứng tạo thành sản phẩm và sản phẩm lại đóng vai trò là một chất xúc tác.

Ví dụ phản ứng tự xúc tác: A B ⎯→⎯k

Tốc độ phản ứng tự xúc tác sẽ phụ thuộc vào cả nồng độ chất A (kí hiệu Ca) và nồng độ chất B (kí hiệu là Cb).

v = dt

dCb =k.CaCb (2.35)

Khi sản phẩm của phản ứng tăng thì tốc độ phản ứng cũng tăng lên. Một đặc trưng riêng của phản ứng tự xúc tác là trong khoảng thời gian tương đối dài, lượng sản phẩm của phản ứng tương đối nhỏ nhưng sau đó chuyển sang giai đoạn tiến triển cực nhanh của phản ứng. Trong cơ thể phần lớn phản ứng chuyển từ Proenzyme thành enzyme là phản ứng tự xúc tác. Ví dụ phản ứng chuyển pepxinogen thành pepxin là phản ứng tự xúc tác. XI. Phản ứng dây chuyền Phản ứng dây chuyền là một hệ thống các phản ứng và có sự xúc tác của sản phẩm trung gian. Điều kiện để có thể xảy ra phản ứng dây chuyền là phải có các trung tâm hoạt động đầu tiên. Các trung tâm hoạt động đầu tiên thường là các gốc tự do. Các gốc tự do có các điện tử không được ghép đôi nên chúng có khả năng tham gia vào phản ứng hoá học rất cao do vậy chúng thường có thời gian sống rất ngắn. Gốc tự do khi tham gia vào phản ứng với các phân tử ngoài tạo thành sản phẩm cuối cùng còn có khả năng tạo ra sản phẩm trung gian là những gốc tự do mới và gốc tự do mới này lại tiếp tục tương tác với các phân tử khác để gây ra phản ứng tiếp theo. Năng lượng hoạt hóa của các phản ứng dây chuyền thường rất cao nên ở trong điều kiện bình thường rất khó xảy ra. Dưới tác dụng của tia phóng xạ sẽ dẫn tới phản ứng dây chuyền, chẳng hạn như quá trình chiếu xạ nước đã gây ra các phản ứng sau:

hv+H2O H⎯→⎯−e2O+→H++OHO (gốc tự do)

hv+H2O H⎯→⎯+e2O-→OH-+HO (gốc tự do)

OHo+OHO→H2O2→H2O+Oo (gốc tự do) v.v... * Phản ứng dây chuyền không nảy nhánh Phản ứng dây chuyền không nảy nhánh là phản ứng khi một gốc tự do tham gia vào phản ứng mất đi thì một gốc tự do mới xuất hiện. Như vậy,


13

lượng gốc tự do vẫn giữ nguyên cho tới khi xảy ra sự đứt mạch. Sự đứt mạch đồng nghĩa với phản ứng dây chuyền chấm dứt và sẽ không còn khả năng tạo ra gốc tự do mới. Có hai nguyên nhân chính dẫn tới sự đứt mạch. Nguyên nhân thứ nhất là do gốc tự do bị thành bình phản ứng hấp thụ hoặc gốc tự do tương tác với tạp chất làm chúng không có khả năng tạo ra gốc tự do mới. Nguyên nhân thứ hai là khi nồng độ gốc tự do cao, chúng sẽ tương tác với nhau nên dẫn tới sự đứt mạch. Phản ứng tạo HCl là phản ứng dây chuyền không nảy nhánh: Clo+H2→HCl+Ho

Ho+Cl→HCl+Clo v.v... Hai phản ứng trên là một mắt xích của phản ứng dây chuyền. Số mắt xích được tạo ra do một gốc tự do ban đầu được gọi là chiều dài của mạch. Nếu gọi β là xác suất đứt mạch, thì xác suất tiếp tục mạch sẽ là 1-β. Xác suất mạch có n mắt xích được tính theo công thức: Pn=(1-β)n.β (2.36) Chiều dài trung bình của mạch sẽ bằng:

ββ−

=1l (2.37)

Chiều dài của mạch phụ thuộc vào bản chất của phản ứng dây chuyền, điều kiện tiến triển của phản ứng như bình phản ứng, nhiệt độ, áp suất... Tốc độ của phản ứng dây chuyền không nảy nhánh được xác định theo công thức:

dtdn =no-g.n (2.38)

no: Số trung tâm hoạt động được tạo thành g: Tốc độ đứt mạch n: Nồng độ gốc tự do Nếu tốc độ tạo mạch là wo thì tốc độ phản ứng dây chuyền không nảy nhánh cũng được xác định theo công thức: w = wo.l (2.39) l: Chiều dài trung bình của mạch. Qua các công thức trên cho thấy tốc độ phản ứng dây chuyền không nảy nhánh chủ yếu phụ thuộc vào lượng trung tâm hoạt động được tạo thành (tức nồng độ gốc tự do). Nếu các yếu tố bên ngoài làm tăng lượng gốc tự do như các chất bị chiếu sáng hay bị chiếu xạ sẽ làm tăng lượng gốc tự do dẫn tới tăng tốc độ của phản ứng dây chuyền. Ngược lại, các yếu tố làm


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 (tạo mạch) o2O

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:

dtdn =wo+ϕ.n (2.40)

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:

fg

wn o

−= (2.41)

Giải phương trình (2.40) sẽ thu được nghiệm:

( )1to ewn −ϕ

ϕ= (2.42)

Nếu tích số ϕ.t rất lớn hơn 1 thì nghiệm được tính theo công thức:


15

to ewn ϕ

ϕ= (2.43)

* 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 :

N*=N. RTE

e−

(2.44) 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

Boltzmann. Đồ thị biểu diễn số phân tử N theo vận tốc v (E=2

mv2).

T1 < T2

Ehh E

N

0

a)

Ehh E

N

0

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.

K= p.z. RTEh

e−

(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:

lnK = ln(p.z) - RTEh (2.46)

Đặt y = lnK ; x = T1 ; a =

REh− ; b = ln(p.z)

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:

tgα =REh → Eh = R.tgα

Biết tgα sẽ xác định được năng lượng hoạt hóa.


18

1/T

lnK

b

α O

lnK

b

α O

Hình 2.5: Sự phụ thuộc của lnK vào nhiệt độ ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

T1

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.

Q10=1

2

KK (2.48)

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

phương trình Arrenius (2.45), thay K2=p.z. 2

h

T.RE

e−

và K1=pz. 1

h

T.RE

e−

vào phương trình (2.48) ta được:

Q10=pz. 2

h

T.RE

e−

/ pz. 1

h

T.RE

e−

Q10= 1

h

T.RE

e . 2

h

T.RE

e−

=⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛−

21

h

T1

T1

RE

e

Q10 = ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −

21

12h

T.TTT

RE

e thay T2 - T1 = 10 ta được:


19

Q10 = 21

h

T.RT10.E

e → lnQ10 = 21

h

T.RTE10

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

Tu0

K T

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<T<Tu) khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng tăng là do phân tử men vẫn còn giữ được hoạt tính xúc tác. Tu là nhiệt độ tối ưu. Phản ứng diễn ra ở nhiệt độ tối ưu có tốc độ phản ứng lớn nhất. Khi nhiệt độ tăng cao hơn giá trị nhiệt độ tối ưu thì các phân tử men bị phá hủy cấu trúc nên mất hoạt tính xúc tác, dẫn tới tốc độ phản ứng giảm. XIV. Phương pháp phức hoạt hóa Phương pháp phức hoạt hóa là phương pháp lý thuyết để xác định tốc độ của phản ứng hóa sinh đơn giản, dựa trên tính chất của các nguyên tử hay phân tử tham gia vào phản ứng và các tham số nhiệt động như sự thay đổi của entropi, của entanpi... Cơ sở của phương pháp phức hoạt hóa là dựa trên quan niệm về sự tồn tại của một phức chất hoạt hóa (còn gọi là ở trạng thái hoạt hóa) và phản ứng chỉ có thể xảy ra khi các phân tử ở trạng thái hoạt hóa va chạm với nhau. Trong phản ứng, sự thay đổi thế năng của các chất tham gia trước và sau khi phản ứng diễn ra được biểu diễn trên hình 2.7. Các nguyên tử hay phân tử muốn tham gia vào phản ứng phải đạt mức năng lượng bằng hoặc lớn hơn giá trị năng lượng hoạt hóa (hay nguyên tử hoặc phân tử đã được hoạt hóa). Phân tử chất ban đầu (chất A) có giá trị năng lượng Eo, nếu xảy ra va chạm sẽ không dẫn tới phản ứng. Phân tử chất A muốn tham gia vào phản ứng thì phải được hoạt hóa, tức là cung cấp thêm cho nó giá trị năng lượng E1≥Eh. Năng lượng E1 dùng để làm giảm thế năng tương tác (tức làm giảm lực hút) giữa các nguyên tử hay nhóm nguyên tử trong phân tử để làm giảm năng lượng liên kết bên trong phân tử. Nếu phản ứng xảy ra theo chiều thuận thì Eo là giá trị năng lượng của chất ban đầu, E1 là năng lượng hoạt hóa của phản ứng thuận và E1>Eo.


21

Eo A

E1

E2

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 E1<E2 nên E1-E2<0. Do vậy, đây là phản ứng tỏa nhiệt. Nếu phản ứng diễn ra theo chiều nghịch thì chất P ban đầu phải có giá trị năng lượng hoạt hóa bằng E2 mới dẫn tới phản ứng tạo thành sản phẩm A có giá trị năng lượng là E1. Ở đây E2>E1 nên E2-E1>0 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 A* → P (sản phẩm) K*

hoặc: A (A+E) → P (sản phẩm) 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.

[ ][ ]AAK

** = hoặc [ ]

[ ][ ]E.AEAK* +

= (2.51)

[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:

lnK*=T.RH

RS Δ−

Δ → K*= T.RH

RS

e.eΔ

−Δ

(2.53)

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:

K=K*

h.NT.R (2.54)

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:

TRH

RS

eehNTRK ..... Δ

−Δ

= (2.55)

So sánh với phương trình Arrenius ở công thức (2.45)

T.REh

e.z.pK−

=

Thành phần (p.z) tương đương với thành phần ⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ ΔRS

e.h.NT.R và sự thay đổi

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.

[ ] [ ][ ]ATP

PADPK += (2.56)


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 C... P ⎯→⎯ 1K ⎯→⎯ 2K ⎯→⎯ nK

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

S A K Z ⎯→⎯ 1K ⎯→⎯ 2K ⎯→⎯ 3K Nguồn ⎯⎯⎯← −1K Sản phẩm dị hóa

⎯⎯⎯← −3K

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:

0dt

dCa = và 0dt

dCk = (2.57)


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 glucoza - 6 - 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

⎯⎯ →⎯enzym

⎯⎯ →⎯enzym


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 1

1H) còn có nguyên tố phóng xạ như tritium (ký hiệu là 3

1H). 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

58Co) thay cho Coban bình thường (5927Co) để tổng hợp nên Vitamin B12,

sau đó nghiên cứu quá trình hấp thụ B12 của cơ thể sống trong khoảng thời gian xác định. II. Màng tế bào và vai trò của màng tế bào Màng tế bào đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong hoạt động trao đổi chất của tế bào. Theo Frank: “có thể nói một cách chắc chắn rằng, các chức năng quan trọng nhất của tê bào không những bị chi phối mà còn chỉ có thể thực hiện được nhờ chức năng đa dạng của các loại màng”. Màng tế bào phải có cấu trúc đáp ứng được yêu cầu của quá trình trao đổi vật chất và năng lượng giữa tế bào với môi trường, đảm bảo thực hiện các chức năng sống của tế bào. Đã có nhiều mô hình cấu trúc màng tế bào được đưa ra như mô hình Dawson-Danielli (1935), mô hình Robertson (1959), mô hình Singer-Nicolson (1972). Mô hình Singer-Nicolson vẫn kế thừa mô hình cấu trúc màng 3 lớp: Protein - lớp kép Lipit - Protein do Rorbetson đưa ra nhưng dựa trên các kết quả nghiên cứu sau này hai ông đã đưa ra mô hình màng khảm lỏng (hình 3.1) Theo các tác giả, màng tế bào là một lớp lipit kép ở trạng thái lỏng còn các phân tử protein được nhúng (khảm) vào lớp lipit với mức độ nông hoặc sâu khác nhau. Do ở trạng thái lỏng nên các phân tử lipit và protein có thể di chuyển theo cả chiều dọc lẫn chiều ngang. Tính lỏng của màng tế bào phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ giữa 3 thành phần cơ bản tham gia vào cấu trúc màng là photpholipit, cholesteron, protein.

Hình 3.1: Mô hình cấu trúc màng tế bào do Singer-Nicolson đưa ra năm 1972

Các nhà khoa học cho rằng duy trì trạng thái bán lỏng của lớp lipit kép thuộc màng tế bào sẽ có những ý nghĩa sinh học như: -Khả năng thích nghi của tế bào đối với nhiệt độ cao hay thấp. -Tạo sự di động dễ dàng của các phức hợp hoócmôn - thụ quan ở bên trong màng tế bào trong việc tiếp nhận thông tin. -Tăng cường sự hoạt động của một số enzyme vận chuyển các chất qua màng tế bào. -Giải thích được cơ chế vận chuyển các ion qua màng tế bào, đặc biệt là Na+, K+ trong sự hình thành điện thế tĩnh và điện thế hoạt động.


-Giải thích được sự biến mất của màng nhân ở trung kỳ và sự xuất hiện màng nhân ở mạt kỳ trong phân bào nguyên nhiễm và giảm nhiễm. Màng tế bào có những chức năng cơ bản sau đây: -Ngăn cách giữa các tế bào với nhau, giữa tế bào với môi trường bên ngoài và giữ vai trò bảo vệ tế bào. -Thực hiện quá trình trao đổi vật chất và năng lượng giữa tế bào với môi trường, góp phần thực hiện các chức năng sống của tế bào. -Bài tiết các chất thải hoặc chất được tổng hợp ở bên trong tế bào ra môi trường bên ngoài. -Thực hiện sự nhận diện tế bào. Theo giả thiết của Ehrlich Tylerweiss thì trên bề mặt màng tế bào có những thụ quan nhận biết tế bào theo kiểu giống như sự nhận biết kháng thể với kháng nguyên. -Thực hiện sự kết dính tế bào. Chất kết dính có bản chất glucoProtein được tổng hợp ở bên trong tế bào và được tiết ra môi trường bên ngoài dưới dạng hoà tan làm nhiệm vụ kết dính tế bào như kiểu trứng cầu gai tiết ra chất hoà tan trong nước biển có tác dụng vừa dẫn dụ vừa tạo sự kết dính giữa tinh trùng với trứng. -Thực hiện dễ dàng sự di chuyển của tế bào. Ví dụ như Amip có thể tạo chân giả để di chuyển theo phương nằm ngang ở cả bốn hướng để bắt mồi. -Thực hiện sự sinh sản của tế bào. Bình thường tế bào có chỉ số tỷ lệ giữa thể tích nhân và thể tích tế bào chất (bằng thể tích của tế bào trừ đi thể tích nhân) đạt một giá trị hằng định thì tế bào không phân chia. Khi chỉ số này giảm do thể tích tế bào chất tăng lên thì tế bào phải thực hiện quá trình gián phân. -Màng tế bào còn là nơi “cư trú” của các enzyme nhất là các enzyme tham gia vào quá trình vận chuyển hay xúc tác cho các phản ứng phân giải chất độc làm tăng tính đề kháng của tế bào. -Màng tế bào có tính bán thấm nên có vai trò duy trì sự bất đối xứng ion giữa bên ngoài và bên trong tế bào, hình thành nên điện thế tĩnh. -Màng tế bào còn có tính chất vật lý như tính lưỡng chiết quang, sức căng mặt ngoài nhỏ, điện trở lớn và có cấu trúc không đồng nhất... III.Quy luật chung về sự xâm nhập của vật chất vào trong tế bào Các chất xâm nhập vào trong tế bào theo 2 con đường chính sau đây: -Các chất xâm nhập vào trong tế bào qua siêu lỗ. Trên màng tế bào có những lỗ nhỏ (siêu lỗ) có đường kính từ 3,5 A0 - 8 A0. Bên trong siêu lỗ thường chứa nước còn bề mặt có thể chứa một số nhóm phân cực. Con đường này dành cho các chất hoà tan trong nước như đường, axit amin, ion... Các chất này muốn xuyên qua màng qua siêu lỗ thì phải vượt qua được các trở ngại như phải tách ra khỏi các lớp vỏ hydrat hoá (nếu là ion hay phân tử có chứa các nhóm phân cực), phải lách qua được lớp phân tử rất chặt chẽ trên bề mặt màng tế bào, phải thắng được lực tương tác tĩnh điện (lực hút nếu là ion khác dấu và lực đẩy trở lại nếu là ion cùng dấu điện tích với các nhóm phân cực nằm trên bề mặt của siêu lỗ), phải vượt qua được hàng rào điện thế (ở đây là điện thế màng tế bào). Do vậy, các chất muốn xâm nhập vào bên trong tế bào thì phải có một giá trị năng lượng nhất định để thắng được bốn lực cản trên. Nếu năng lượng cần thiết để thắng được bốn lực cản trên càng lớn thì càng có ít chất xâm nhập được vào bên trong tế bào.


-Các chất xâm nhập được vào bên trong tế bào qua con đường hoà tan trong lipit: Con đường này dành cho các chất không hoà tan trong nước nhưng hoà tan tốt trong lipit. Năm 1899, Overton khi nghiên cứu tính thấm của tế bào và mô đối với các chất gây mê đã phát hiện thấy mối liên quan thuận là tốc độ thấm của các chất này càng cao khi khả năng hoà tan của chúng trong lipit càng lớn. Sau này gọi là hiệu ứng Overton. Jacobs đã giải thích hiệu ứng Overton theo cấu trúc điện của các phân tử. Theo Jacobs các hợp chất hoá học được phân thành 2 nhóm chính theo tính chất phân cực của chúng. Nhóm thứ nhất là những phân tử có chứa các nhóm phân cực như NH2, COOH, OH... nên gọi là các phân tử có cực. Nhóm này hoà tan trong lipit kém nên khả năng thấm vào trong tế bào ít. Nhóm thứ hai là những phân tử chứa các nhóm không phân cực như metyl, etyl, phenyl (CH3, C2H5, C6H5) nên gọi là các phân tử không phân cực. Nhóm này hoà tan tốt trong lipit nên khả năng thấm vào bên trong tế bào rất nhanh. Song cũng có trường hợp ngoại lệ như urê và glucose hoà tan kém trong lipit và có kích thước lớn hơn siêu lỗ nhưng lại thấm vào trong tế bào rất nhanh. Ngược lại, Citrat trimetyl hoà tan tốt trong Lipit nhưng lại rất khó thấm vào bên trong tế bào. Điều này được giải thích do urê và glucose là hai chất có mặt trong quá trình trao đổi chất của tế bào nên trên màng tế bào đã có chất vận chuyển trung gian còn Citrat trimetyl thì không . IV. Quá trình vận chuyển thụ động Vận chuyển thụ động là quá trình xâm nhập của các chất theo tổng đại số véctơ của các loại gradien và không hao tốn năng lượng của quá trình trao đổi chất. Vận chuyển thụ động diễn ra là do sự tồn tại của các loại gradien sau: -Gradien nồng độ: Là sự chênh lệch về nồng độ giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào. -Gradien áp suất thẩm thấu: Là sự chênh lệch về áp suất thẩm thấu, đặc biệt là áp suất thẩm thấu keo do các phân tử protein gây nên, giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào. -Gradien màng: Xuất hiện do tính bán thấm của màng. Đó là do màng chỉ thấm các chất có kích thước nhỏ như ion, các chất vô cơ còn các phân tử có kích thước lớn như protein, lipit, gluxit thì hoàn toàn không thấm. Do vậy giữa hai phía của màng có sự chênh lệch về nồng độ đã tạo nên gradien màng. -Gradien độ hoà tan: Xuất hiện trên ranh giới giữa hai pha không trộn lẫn như pha nước và pha lipit khi khả năng hoà tan của các chất ở trong hai pha ấy là khác nhau, dẫn đến sự chênh lệch về nồng độ đã tạo nên gradien độ hoà tan. -Gradien điện thế: Xuất hiện do sự chênh lệch về điện thế giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào. Trong 5 loại gradien kể trên thì gradien nào có giá trị tuyệt đối lớn hơn cả sẽ quyết định hướng vận chuyển của dòng vật chất. Ví dụ ở tế bào hồng cầu, cơ, dây thần kinh, tồn tại gradien màng có giá trị tuyệt đối lớn hơn cả cho nên lượng ion kali ở trong tế bào luôn cao gấp từ 30 đến 50 lần so với ở bên ngoài. Đặc biệt ở một số loài tảo biển, nồng độ iốt ở trong tế bào cao gấp hơn hai triệu lần so với nước biển là do gradien màng. Các gradien kể trên đều là hàm số của sinh lý tế bào và chúng có liên quan với nhau. Trong quá trình hoạt động sống của tế bào không những độ lớn của các gradien bị thay đổi mà có khi cả hướng của chúng cũng bị thay đổi. Các gradien giữ vai trò quan trọng trong việc điều khiển tốc độ vận chuyển thụ động các chất vào trong tế bào hoặc đi ra khỏi tế bào.


Bên cạnh vai trò của 5 gradien kể trên thì hướng vận chuyển của dòng vật chất còn phụ thuộc vào cường độ trao đổi chất của tế bào. Khi tương quan giữa các quá trình tổng hợp và phân huỷ ở trong tế bào thay đổi thì hướng vận chuyển của dòng vật chất cũng bị thay đổi. Ví dụ ở những tế bào hồng cầu non thường xảy ra quá trình tích lũy các chất nên ion kali và photphat thường thấm vào trong tế bào với cường độ lớn. Ở những tế bào hồng cầu già thì nhu cầu tích luỹ các chất ít còn quá trình phân hủy các nucleotide diễn ra mạnh nên ion kali và photphat lại thải ra môi trường ngoài với cường độ lớn mặc dù vẫn tồn tại gradien màng hồng cầu. Cuối cùng còn phải kể đến vai trò của các chất kích thích hoặc gây thương tổn đối với tế bào. Lý thuyết hưng phấn chỉ ra rằng tại những vùng màng sợi trục noron, khi có sóng hưng phấn truyền qua thì tính thấm của màng đối với ion tăng lên. Khi dùng thuốc để phá hủy các tế bào ung thư thì giải phóng gốc photphat. V. Quá trình khuyếch tán và định luật Fich Cơ chế vận chuyển chủ yếu của các chất hoà tan trong nước qua màng là quá trình khuyếch tán. Nếu vật chất chuyển động cùng với dòng dung môi theo hướng tổng gradien, gọi là quá trình khuyếch tán thuận. Trong trường hợp chỉ tồn tại gradien nồng độ thì vật chất vận chuyển theo hướng gradien nồng độ, gọi là quá trình khuyếch tán. Năm 1856, Fich đã tìm ra định luật khuyếch tán của vật chất. Tốc độ khuyếch tán của vật chất trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với gradien nồng độ và diện tích màng nơi vật chất thấm qua. Biểu thức toán học của định luật Fich:

dxdC.S.D

dtdm

−= (3.1)

dtdm : tốc độ khuyếch tán của vật chất (gam/giây).

D : hệ số khuyếch tán. Đối với mỗi chất nó là một hằng số. Ví dụ với đường mía thì D=0,384, với đường Mantoza thì D=0,373. Đơn vị của hệ số khuyếch tán là Cm-1. s-1. S: Diện tích bề mặt màng tế bào nơi vật chất thấm qua (cm2).

dxdC : gradien nồng độ.

Dấu trừ ở vế phải của phương trình (3.1) thể hiện sự khuyếch tán của vật chất theo chiều từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp làm cho sự chênh lệch về nồng độ sẽ giảm dần. Định luật Fich có thể được trình bày qua dòng khuyếch tán ik, là lượng vật chất thấm qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian.

dt.S

dmik = (3.2)

So sánh phương trình (3.2) với phương trình (3.1) rút ra:

dxdCDik −= (3.3)


Từ (3.3) suy ra, nếu gradien nồng độ dxdC không thay đổi theo thời gian thì dòng khuyếch

tán vật chất ik cũng không thay đổi theo thời gian, khi đó tế bào ở trạng thái cân bằng dừng. Từ phương trình (3.1) cho thấy với một chất xác định thì tốc độ khuyếch tán trong một

đơn vị thời gian chỉ còn phụ thuộc vào gradien nồng độ dxdC . Trên thực tế xác định độ

dày của màng tế bào là dx gặp rất nhiều khó khăn vì độ dày màng thường thay đổi theo

sinh lý tế bào như hồng cầu độ dày của màng thay đổi từ 30 đến vài trăm Angstron

( ). Bởi vậy, hai tác giả là Berlien và Colender đã đưa ra phương trình :

oA

oA

)CC(S.Pdtdm

21 −= (3.4)

C1, C2 là nồng độ chất ở hai phía của màng tế bào. P: Hằng số thấm phụ thuộc vào bản chất của các chất thấm, được xác định bằng tỉ số giữa lượng vật chất thấm ra bên ngoài và lượng vật chất có trong tế bào. Với ion Natri ( Na+ ) thì P = [Na+] thấm ra ngoài / [ Na+] trong tế bào ([Na+] là nồng độ ion Natri). Khuyếch tán là quá trình vận chuyển thụ động của các chất hoà tan trong nuớc nên nếu xảy ra cơ chế khuyếch tán liên hợp tức là sự vận chuyển đồng thời hai chất cùng một lúc nên hằng số thấm không chỉ liên quan tới một chất mà còn liên quan tới chất khuyếch tán liên hợp. Ví dụ sự khuyếch tán của Na+ có liên quan tới sự khuyếch tán của K+ nên hằng số thấm phụ thuộc cả vào Na+ lẫn K+. Ngoài quá trình khuyếch tán thường, sự xâm nhập của vật chất vào trong tế bào còn được thực hiện theo cơ chế khuyếch tán trao đổi và khuyếch tán liên hợp. -Khuyếch tán trao đổi : bằng phương pháp đồng vị phóng xạ đánh dấu, các nhà khoa học phát hiện ra rằng Na+ và các ion khác ở hồng cầu thường được thay thế bởi chính ion đó ở môi trường bên ngoài. Theo Uxing, quá trình trao đổi Na+ ở bên trong và bên ngoài màng có sự tham gia của chất mang ( hay chất chuyển ). Đầu tiên chất mang liên kết với Na+ ở trong nội bào sau đó vận chuyển ra bên ngoài màng. Ở bên ngoài, Na+ ở trong tế bào được giải phóng còn Na+ có sẵn ở môi trường bên ngoài lại liên kết với chất mang và được vận chuyển vào trong nội bào. Ở trong tế bào, Na+ có nguồn gốc từ môi trường lại được giải phóng còn chất mang lập lại quá trình trao đổi ion tiếp theo. Quá trình khuyếch tán trao đổi Na+ vẫn đảm bảo nồng độ Na+ ở hai phía của màng không thay đổi. -Khuyếch tán liên hợp : là quá trình vận chuyển của chất này có liên quan tới quá trình vận chuyển của chất khác hoặc là tạo phức chất với một chất khác. Ví dụ sự vận chuyển của Na+ ra bên ngoài tế bào có liên quan tới sự vận chuyển của K+ vào trong tế bào. Nếu dùng tác nhân ngoài ức chế dòng vận chuyển ra của Na+ thì dòng vận chuyển vào của K+ cũng bị ức chế theo. Khuyếch tán liên hợp theo kiểu tạo phức chất được đưa ra để giải thích sự xâm nhập của glucose, glixerin, axit amin và một số chất khác vào trong tế bào. Glucose hầu như không tan trong lipit và có kích thước lớn hơn kích thước siêu lỗ nhưng glucose lại thấm qua màng rất nhanh. Cơ chế thấm của glucose được giải thích do phân tử glucose (kí hiệu là G) kết hợp với chất mang (kí hiệu là M) tạo thành phức chất (kí hiệu là GM) và phức chất này lại hoà tan tốt trong lipit nên thấm vào tế bào rất nhanh. Ở trong tế bào


glucose được giải phóng còn chất mang ở trạng thái tự do sẽ quay lại định vị trên màng tế bào, tham gia vào vận chuyển phân tử glucose tiếp theo.

VI. Quá trình vận chuyển tích cực Vận chuyển tích cực là quá trình vận chuyển các chất ngược hướng tổng gradien và có tiêu tốn năng lượng của quá trình trao đổi chất. Ở trạng thái sinh lí bình thường do màng tế bào có tính bán thấm nên dẫn tới sự phân bố không đồng đều của một số ion giữa bên trong và bên ngoài màng. Điều này được thể hiện qua bảng 3.1. Bảng 3.1: Nồng độ ion trong tế bào cơ và dịch gian bào

Nồng độ ion (đơn vị là mili phân tử gam) Na+ K+ Cl- HCO3-

Dịch gian bào 145 4 120 27

Trong tế bào 12 115 3.8 8

Kết quả từ bảng 3.1 cho thấy nồng độ Na+ ở bên ngoài cao hơn trong tế bào trên 10 lần, nồng độ K+ trong tế bào lại cao hơn bên ngoài gần 30 lần còn nồng độ Cl - ở bên ngoài cao hơn trong tế bào cũng gần 30 lần. Sự phân bố không đồng đều của một số ion giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào ở những đối tượng sinh vật khác nhau thì khác nhau. Trong hoạt động sống của tế bào, do nhu cầu quá trình trao đổi chất đòi hỏi phải vận chuyển ion và một số chất ngược hướng tổng gradien nên phải cần tới quá trình vận chuyển tích cực mới đáp ứng được. Ví dụ : đối với những hồng cầu non do nhu cầu tích luỹ các chất cao nên K+ được thấm vào trong tế bào với cường độ lớn mặc dù phải vận chuyển ngược gradien nồng độ. Song khi hồng cầu đã trở thành một tế bào hoàn chỉnh thì sự vận chuyển tích cực của K+ vào trong tế bào sẽ chấm dứt. Quá trình vận chuyển tích cực đòi hỏi phải hao tốn năng lượng của quá trình trao đổi chất. Maidel và Haris đã chứng minh rằng ở nhiệt độ bình thường của cơ thể khi trong môi trường có chất gluxit thì các ion dương có thể vận chuyển ngược gradien nồng độ. Nếu dùng thêm axit monoiôt axêtic hoặc floritnatri thì sự vận chuyển tích cực các ion dương sẽ giảm đi rõ rệt. Điều này được giải thích do quá trình glicoliz đã phân giải gluxit thành axit lactic và giải phóng ra năng lượng được tích luỹ vào 2 phân tử ATP (phân giải yếm khí) còn phân giải hiếu khí sẽ giải phóng ra năng lượng cao gấp 20 lần phân giải yếm khí. Đây chính là nguồn năng lượng để cung cấp cho sự vận chuyển tích cực các ion dương. Khi thêm axit monoiôt axêtic hay florit natri, hai chất này đã phá huỷ quá trình glicoliz nên không còn năng lượng để cung cấp, vì vậy sự vận chuyển tích cực các ion dương bị giảm đi. Quá trình vận chuyển tích cực bao giờ cũng là sự vận chuyển có tính chọn lọc và chỉ diễn ra khi có nhu cầu của tế bào. * Quá trình vận chuyển chủ động các ion dương Giả thuyết đầu tiên đưa ra để giải thích cơ chế vận chuyển các ion dương là của Hacxley và Convay, đã được đa số các nhà nghiên cứu ủng hộ . Hai ông cho rằng trên màng phải có một bộ máy gọi là “bơm Natri”. Khi tế bào ở trạng thái tĩnh, “bơm Natri” có khả năng “bơm” Na+ từ nội bào ra môi trường ngược gradien nồng độ. “Bơm Natri” hoạt động thông qua hệ thống enzyme và sử dụng năng lượng của quá trình trao đổi chất. “Bơm Natri” thực chất là một chất mang có sẵn trong màng hay được hình thành do sự tương tác của Na+ với một thành phần nào đó của màng. Khi đó phức chất “chất mang gắn Na+"

sẽ xuyên qua màng ra môi trường ngoài và dưới tác dụng của enzyme thì Na+ được giải phóng còn chất mang ở trạng thái tự do lại trở về định vị trên màng tế bào để thực hiện


chu trình vận chuyển Na+ tiếp theo. Sau này Hodgkin, Katz và Scou (1954) đều thống nhất cho rằng màng có một bộ máy gọi là “bơm Natri - Kali”. Bơm này có khả năng “bơm” K+ từ môi trường vào nội bào và “bơm” Na+ từ nội bào ra môi trường, khi tế bào ở trạng thái tĩnh. Nguồn năng lượng cung cấp trực tiếp cho "bơm Natri - Kali” hoạt động được lấy từ ATP. Các tác giả cho rằng “bơm Natri - Kali" thực chất là một chất chuyển trung gian có sẵn trong màng hay được tạo thành do nhu cầu của sự vận chuyển tích cực của ion. Chất chuyển trung gian có khả năng liên kết với Na+ ở mặt trong của màng , sau đó chuyển Na+ ra mặt ngoài của màng tế bào. Ở môi trường ngoài, Na+ được tách ra còn K+ lại liên kết với chất chuyển và được đưa vào mặt trong của màng tế bào. Ở trong tế bào, K+ được giải phóng còn chất chuyển ở trạng thái tự do lại thực hiện chu trình vận chuyển ion Na+ và K+ tiếp theo. Hodgkin tính toán lí thuyết cho rằng năng lượng thủy phân 1mol ATP đủ để vận chuyển 1mol ion dương (cation) qua màng ngược gradien điện thế có giá trị khoảng 400mV. Thực nghiệm mới chỉ xác định tính toán của Hodgkin phù hợp với sự vận chuyển H+ qua màng dạ dày có gradien điện thế lớn khoảng 400mV. Ở noron thần kinh có gradien điện thế gần bằng 120 mV nên năng lượng thuỷ phân 1ATP đủ để vận chuyển từ 2 đến 3Na+, ngược gradien điện thế. Thực nghiệm đã xác định “bơm Natri – Kali” chính là chất chuyển trung gian, định vị trên màng tế bào (xem hình 3.2). Để thực hiện sự vận chuyển chủ động Na+ và K+ thì chính hai ion này đã hoạt hoá enzyme ATPase để xúc tác cho phản ứng thuỷ phân ATP, giải phóng ra năng lượng cung cấp cho quá trình vận chuyển Na+ ra bên ngoài đồng thời vận chuyển K+ vào trong tế bào qua chất chuyển trung gian.

Hình 3.2: Sơ đồ cơ chế hoạt động của “bơm Natri – Kali”

(theo giả thuyết Hodgkin, Katz và Scou)

Kết quả nghiên cứu trên noron thần kinh và tế bào thận đã xác định do nhu cầu cần có sự vận chuyển ion chủ động, trong màng xuất hiện (hoặc đã có trước) chất chuyển trung gian có bản chất là lipoProtein hoặc photphoProtein. Quá trình vận chuyển chủ động Na+ và K+ trải qua 3 giai đoạn sau: - Giai đoạn 1: Xảy ra phản ứng photphoril hóa (tức chuyển gốc photphat cho chất chuyển trung gian). Phản ứng chỉ có thể xảy ra khi enzyme ATPase được hoạt hóa bởi Na+ đã xúc tác cho phản ứng thủy phân ATPđể giải phóng năng lượng và chuyển gốc photphat. Kết quả là Na+ và gốc photphat đã được gắn vào chất chuyển trung gian và phản ứng xảy ra ở bên trong tế bào: ATP + photphoprotein + Na+ Na⎯⎯ →⎯ATPase + - photphoprotein - P+ADP.


- Giai đoạn 2: Phức chất Na+ - photphoprotein - P xuyên qua màng tế bào ra môi trường ngoài. Ở bên ngoài, xảy ra phản ứng trao đổi ion: Na+ - photphoprotein - P + K+ → K+ - photphoprotein - P + Na+ - Giai đoạn 3: Phức chất K+ - photphoprotein - P lại xuyên qua màng vào trong nội bào. Ở trong tế bào, xảy ra phản ứng dephotphat (loại bỏ gốc photphat) và giải phóng K+. K+ - photphoprotein - P → K+ + photphoprotein + P Phân tử photphoprotein ở trạng thái tự do lại tiếp tục tham gia vào quá trình vận chuyển chủ động Na+ và K+ khác. Để giải thích vì sao chất chuyển trung gian lại có thể khi thì gắn với Na+, khi lại gắn với K+, các nhà khoa học đã dựa vào thuyết Eidenman. Thuyết này cho rằng chất chuyển trung gian có điện tích âm, khi nó thay đổi các nhóm mang điện tích âm sẽ thay đổi lực hút tĩnh điện. Do vậy, chất chuyển trung gian có khả năng khi thì "hút" Na+, khi lại "hút" K+. - Giả thuyết Opit và Trernoc: Hai ông cho rằng "bơm Natri - Kali" thực chất là một protein xuyên màng, là thành phần cấu trúc của màng tế bào.

Hình 3.3. Sơ đồ hoạt động của "bơm Natri - Kali" (Theo Bruce Alberts et all, 1994)

Protein xuyên màng có hai miền A và B, trong đó miền A có ái lực (lực hút tĩnh điện) đối với Na+ còn miền B lại có ái lực đối với K+. Khi tế bào có nhu cầu vận chuyển chủ động ion thì ATP tương tác với protein xuyên màng dẫn tới có sự gắn Na+ vào miền A đồng thời khi chuyển gốc photphat từ ATP sang protein xuyên màng đã làm cho phân tử protein xuyên màng thay đổi hình thù (hoặc quay 180o). Bây giờ cả miền A và miền B đã quay ra phía ngoài màng và Na+ được giải phóng ra môi trường ngoại bào còn K+ lại được gắn vào miền B của protein xuyên màng. Tiếp đó xảy ra phản ứng dephotphat (loại bỏ gốc photphat) và phân tử protein xuyên màng trở về vị trí lúc ban đầu (hoặc quay 180o). Bây giờ miền B lại quay về phía trong màng và K+ lại được giải phóng ra tế bào chất còn phân tử protein xuyên màng lại tiếp tục vòng vận chuyển chủ động ion Na+ và K+ khác.


Còn theo Bruce Alberts et all (xem hình 3.3) thì protein xuyên màng là ATPase cũng có miền nhận Na+ và miền nhận K+. Nhờ phản ứng thủy phân ATP mà gốc photphat từ ATP đã được chuyển sang protein xuyên màng, làm cho phân tử protein xuyên màng thay đổi hình thù (tức mặt trong của nó mở ra) để cho Na+ gắn vào miền A. Sau đó mặt trong đóng lại còn mặt ngoài lại mở ra để giải phóng Na+ đồng thời K+ lại được gắn vào miền B. Tiếp theo ATPase loại bỏ gốc photphat để trở về hình thù ban đầu (tức mặt ngoài đóng lại còn mặt trong mở ra) để giải phóng K+ vào trong tế bào. Phân tử ATPase ở trạng thái tự do lại tham gia vào quá trình vận chuyển ion tiếp theo. VII. Quá trình vận chuyển các chất hữu cơ Quá trình vận chuyển chủ động các chất hữu cơ (đặc biệt là đường và axit amin) nó phụ thuộc vào cấu trúc màng tế bào và cấu trúc phân tử chất hữu cơ. Ví dụ tế bào cơ ếch chỉ thấm các loại đường glucose, galactose, dạng L-azabinose còn không thấm đối với dạng D-azabinose (có nhóm OH nằm phía bên phải nguyên tử cacbon đứng liền sau nhóm COOH). Tế bào gan lại thấm đường hecxose, pentose rất nhanh còn đường mantose lại thấm rất ít. Quá trình vận chuyển chủ động các axit amin cũng xảy ra theo cơ chế tương tự như đối với đường. Ví dụ màng thể riboxom thấm glixin, dạng D-alanin (nhóm NH2 nhằm phía bên phải nguyên tử cacbon đứng liền sau nhóm COOH) và dạng L-valin dễ dàng, trong khi đó lại hoàn toàn không thấm đối với dạng L-alanin. * Cơ chế vận chuyển chủ động đối với đường: Các nhà khoa học cũng cho rằng để vận chuyển đường ngược gradien nồng độ cũng cần có sự tham gia của chất chuyển đặc trưng, enzyme và ATP. Điều này đã được Heliman và Ianoy chứng minh bằng thực nghiệm vào năm 1971. Hai ông thấy rằng màng tế bào bêta của tuyến tụy ở động vật có vú có khả năng thấm dạng D-glucose ngược gradien nồng độ còn hoàn toàn không thấm dạng L-glucose. Nhưng nếu thêm vào môi trường nuôi cấy ít chất floritzin (là một độc tố) thì khả năng thấm của tế bào bêta tuyến tụy đối với dạng D-glucose cũng bị mất đi. Điều này chỉ có thể giải thích do floritzin đã ngăn cản phản ứng thủy phân ATP để cung cấp năng lượng hay ức chế enzyme xúc tác cho phản ứng liên kết giữa chất chuyển đặc trưng với D-glucose hoặc ngăn cản cả hai phản ứng trên. Bằng chứng tiếp theo là kết quả nghiên cứu của Udas theo dõi sự vận chuyển glucose qua màng nhau thai cừu. Udas thấy rằng nếu nồng độ glucose ở môi trường ngoài nhỏ hơn giá trị nồng độ giới hạn, nếu tăng nồng độ glucose lên thì quá trình vận chuyển glucose qua màng nhau thai cừu cũng tăng theo. Song nếu nồng độ glucose ở môi trường ngoài tiếp tục tăng khi lớn hơn giá trị nồng độ giới hạn thì sự vận chuyển glucose qua màng nhau thai cừu không tăng thêm nữa. Từ đó Udas cho rằng phải có một chất chuyển đặc trưng đối với đường glucose. Khi nồng độ glucose ở môi trường nhỏ hơn nồng độ giới hạn nếu tăng lên thì vẫn đủ chất chuyển đặc trưng (với quan niệm một chất chuyển gắn với một phân tử đường) nên sự vận chuyển glucose qua màng nhau thai cừu cũng tăng theo. Khi nồng độ glucose ở môi trường ngoài tăng cao vượt quá nồng độ giới hạn do nồng độ chất chuyển đặc trưng không tăng thêm nữa nên sự vận chuyển glucose qua màng nhau thai cừu sẽ không tăng. Quá trình vận chuyển chủ động của đường còn theo cơ chế khuyếch tán liên hợp. Đường hòa tan tốt trong nước nhưng không hòa tan trong lipit và có kích thước lớn hơn đường kính siêu lỗ nên không thể thấm trực tiếp qua màng tế bào. Khi đó phân tử đường sẽ tạo phức với chất chuyển đặc trưng (phần lớn tạo phức với enzyme). Phức chất này khi đó lại hòa tan tốt trong lipit nên khuyếch tán qua màng tế bào một cách dễ dàng. Ở trong tế bào, phức chất bị enzyme phân giải thành chất chuyển đặc trưng và phân tử đường. Như vậy, phân tử đường đã được vận chuyển vào trong tế bào còn chất chuyển đặc trưng lại quay


trở lại màng tế bào để tiếp tục quá trình vận chuyển mới. Đường cũng có thể được vận chuyển chủ động nhờ vào hệ thống enzyme với sự tham gia của ATP. Ví dụ đường glucose bình thường không thể thấm ngược gradien nồng độ. Nhờ enzyme hexokinase xúc tác đã dẫn tới phản ứng:

Glucose + ATP glucozo - 6 - P + ADP ⎯⎯⎯⎯hexokinase→Khi đó nồng độ glucozo - 6 - P ở bên ngoài lại cao hơn bên trong tế bào và hòa tan trong Lipit nên dễ dàng thấm vào trong tế bào. Ở trong tế bào, với sự xúc tác của enzyme glucozo - 6 -photphatase đã dẫn tới phản ứng:

Glucozo - 6 - P glucose ⎯⎯⎯⎯⎯ →⎯ −− ephotphatas6G

Như vậy, nhờ hai enzyme với sự tham gia của ATP mà glucose đã được vận chuyển ngược gradien nồng độ vào trong tế bào. Quá trình vận chuyển đường còn phụ thuộc vào độ pH và nhiệt độ môi trường. Theo các tác giả Arnost, Ausiello, Denis (1970), sự hấp thụ đường xảy ra mạnh ở độ pH từ 6,2 đến 8,2. Tốc độ thấm các loại đường qua màng liên quan tới nhiệt độ được giải thích bằng phương trình do Michalis và Menthen đưa ra dùng để giải thích sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng men vào nhiệt độ. Đó là:

mKS

Svv+

=][

].[max (3.5)

v: Tốc độ phản ứng vmax: tốc độ phản ứng cực đại ở nhiệt độ thích ứng [S]: Nồng độ cơ chất Km: Hằng số Michalis có giá trị từ 10-1 đến 10-6

Áp dụng đối với đường:

KC

Cvvn

n

+=

.max (3.6)

v: Tốc độ thấm của đường qua màng vmax: Tốc độ thấm cực đại của đường ở nhiệt độ thích ứng Cn: Nồng độ đường ở môi trường ngoài K: Hằng số liên quan tới khả năng liên kết giữa phân tử đường với chất chuyển đặc trưng. Ở mỗi đối tượng nghiên cứu, hằng số K có một giá trị xác định. Ví dụ ở chuột đồng, với đường glucose thì K=9mM còn với đường galactose thì K=35mM. * Cơ chế vận chuyển chủ động đối với axit amin: Cũng giống như con đường vận chuyển chủ động đối với đường, sự vận chuyển chủ động các axit amin cũng có sự tham gia của chất chuyển đặc trưng, ATP và enzyme. Ví dụ quá trình tái hấp thu axit amin của tế bào biểu mô ống lượn của thận, nhờ xúc tác bởi enzyme gamaglutamyltransferase mà xảy ra phản ứng chuyển nhóm glutamyl của glutathion cho axit amin diễn ra như sau: transferase axit amin + glutathion → gamaglutamyltransferase - a.amin + xystenylglixin Sau đó gamaglutamyl - a.amin và xystenylglixxin đều thấm vào bào tương. Trong bào tương axit amin được tách ra còn gamaglutamyl lại kết hợp với xystenylglixin tạo thành


glutathion. Các phản ứng chuyển nhóm, tách nhóm và kết hợp có sự cung cấp năng lượng từ 3ATP. Glutathion sau khi được tái lập lại tiếp tục vòng vận chuyển axit amin khác. Quá trình thấm các axit amin phụ thuộc vào độ pH. Theo Lidonald (1971), trừ glixin và alanin còn phần lớn các axit amin sự hấp thu ở độ pH=7 diễn ra mạnh hơn nhiều so với ở độ pH=5 hoặc pH=6. Quá trình vận chuyển các chất hữu cơ có liên quan tới một số ion, chẳng hạn như Na+. Thực nghiệm đã chứng minh xtrophantin là chất ức chế sự vận chuyển Na+ đồng thời xtrophantin cũng ức chế sự vận chuyển các loại đường, nucleotide, peptide, axit amin. VIII. Tính thấm của tế bào đối với nước Quá trình thấm nước của tế bào được thực hiện nhờ các yếu tố sau: - Do sự chênh lệch về áp suất thẩm thấu, đặc biệt là áp suất thẩm thấu keo do các đại phân tử sinh học gây nên (protein, lipit...) - Do sự chênh lệch về áp suất thủy tĩnh. - Do sự chênh lệch về điện thế. - Do sự thay đổi cấu hình phân tử protein. Cơ chế này đặc trưng cho các loài sinh vật tiến hóa thấp có cơ quan điều hòa nước là những không bào co bóp do sự thay đổi cấu hình của các phân tử protein. Quá trình thấm nước vào trong tế bào được thực hiện theo những con đường chủ yếu sau: - Sự thẩm thấu: Màng tế bào có tính chất bán thấm, chỉ cho một số chất đi qua như ion, nước, muối khoáng, đường, axit amin... còn các cao phân tử sinh học thì hoàn toàn không thấm qua. Các chất hòa tan trong nước đã tạo nên áp suất thẩm thấu. Theo định luật VantHoff, áp suất thẩm thấu P của dung dịch tỷ lệ thuận với nồng độ chất tan C (mol) và nhiệt độ tuyệt đối T (oK) theo công thức: P=α.C.R.T (3.7) α: Hệ số phân ly (đối với chất không phân ly thì α=1) R: Hằng số khí bằng 0,082lít.atmôtphe /M. độ Khi nồng độ chất tan càng cao thì áp suất thẩm thấu cũng càng lớn nhưng do màng tế bào có tính bán thấm nên các phân tử chất tan không thể khuyếch tán từ nơi có nồng độ chất tan cao đến nơi có nồng độ chất tan thấp. Do vậy, để hạ bớt nồng độ chất tan chỉ có các phân tử nước sẽ thẩm thấu từ nơi có áp suất thẩm thấu thấp (tức có nồng độ chất tan thấp) sang nơi có áp suất thẩm thấu cao (tức có nồng độ chất tan cao). Như vậy, sự thẩm thấu của nước thực chất là quá trình khuyếch tán nên có thể áp dụng định luật Fich để xác định tốc độ khuyếch tán của nước qua một đơn vị diện tích màng, trong một đơn vị thời gian. Từ phương trình (3.1) của định luật Fich cho biết tốc độ khuyếch tán của nước tỷ lệ thuận với tiết diện S, tức là tỷ lệ thuận với bình phương bán kính siêu lỗ. - Quá trình siêu lọc của nước: Ngoài cơ chế khuyếch tán, sự vận chuyển của nước còn được thực hiện theo cơ chế siêu lọc, do sự chênh lệch của áp suất thủy tĩnh. Tốc độ vận chuyển của nước theo cơ chế siêu lọc tuân theo định luật Puazeli giống như chuyển động của chất lỏng qua mao quản thủy tinh do áp lực từ sự chênh lệch của áp suất thủy tĩnh.

l

PPrdtdv

.8).( 21

4

ηπ −

= (3.8)


dtdv : Tốc độ chuyển động của nước qua mao quản (cm3/giây)

r: Bán kính mao quản (cm) P: Áp suất thủy tĩnh (P1>P2) η: Độ nhớt của nước (Centipuazơ: Cp) l: Chiều dài mao quản (cm) Kích thước siêu lỗ có ảnh hưởng đến sự vận chuyển của nước theo cả cơ chế khuyếch tán lẫn siêu lọc. Tùy thuộc vào kích thước siêu lỗ mà cơ chế nào chiếm ưu thế hơn. Theo

Renkin và Papenhanner (1957), nếu bán kính siêu lỗ bằng 5 thì cơ chế khuyến tán và

siêu lọc là tương đương nhau. Khi bán kính siêu lỗ lớn hơn 5 , quá trình siêu lọc sẽ lớn

hơn quá trình khuyếch tán còn khi bán kính siêu lỗ nhỏ hơn 5 thì quá trình siêu lọc lại nhỏ hơn quá trình khuyếch tán.

oA

oA

oA

Ví dụ điển hình về mối tương quan giữa tính thấm khuyếch tán và siêu lọc là thí nghiệm về sự vận chuyển nước qua da ếch. Trước thí nghiệm, nước khuyếch tán qua da ếch chiếm gần 356ml/cm2/giờ còn thấm siêu lọc chiếm 9,2ml/cm2/giờ. Sau khi phun hoóc môn tuyến yên là pituitrin lên da ếch thì nước khuyếch tán qua da ếch chỉ tăng lên từ 12% đến 13% trong khi đó cơ chế thấm siêu lọc tăng lên hơn hai lần. Kết quả cho thấy hoóc môn tuyến yên đã làm tăng đường kính của siêu lỗ trên da ếch. Sự thẩm thấu và siêu lọc có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình trao đổi nước giữa máu và mô. Áp suất thẩm thấu của máu người và động vật có vú do các chất tan là vô cơ và hữu cơ tạo nên, có giá trị từ 7,8 đến 8 atmotphe (at). Song chỉ có áp suất thẩm thấu keo do các phân tử Protein tạo nên là giữ vai trò đối với sự trao đổi nước giữa máu và mô. Áp suất thẩm thấu keo của máu người bằng 30mmHg còn áp suất thẩm thấu keo của dịch mô và bạch huyết bằng 10mmHg. Nhờ đó nước sẽ thẩm thấu từ dịch mô và bạch huyết (nơi có áp suất thẩm thấu keo thấp) vào máu (nơi có áp suất thẩm thấu keo cao). Sự trao đổi nước giữa máu và bạch huyết còn liên quan tới áp suất thủy tĩnh. Áp suất thủy tĩnh được tạo ra từ sự co bóp của tim. Ở cuối động mạch, áp suất thủy tĩnh lớn hơn áp suất thẩm thấu keo, do đó nước được siêu lọc từ máu (nơi có áp suất thủy tĩnh cao) vào bạch huyết và mô liên kết (nơi có áp suất thủy tĩnh thấp). Ngược lại, ở cuối tĩnh mạch, áp suất thủy tĩnh giảm nên nhỏ hơn áp suất thẩm thấu keo, do đó nước lại được thẩm thấu từ mô liên kết và bạch huyết (nơi có áp suất thẩm thấu keo nhỏ) vào máu (nơi có áp suất thẩm thấu keo lớn). Ở phần giữa của động mạch và tĩnh mạch có áp suất thẩm thấu keo và áp suất thủy tĩnh bằng nhau. Khi cơ thể khỏe mạnh, sự trao đổi nước diễn ra bình thường thì nước được vận chuyển từ bạch huyết vào máu ở cuối tĩnh mạch và từ máu vào bạch huyết ở cuối động mạch sẽ cân bằng nhau nên đảm bảo lượng nước trong cơ thể ổn định. Theo quan điểm nhiệt động học thì cơ thể khỏe mạnh sẽ luôn duy trì trạng thái cân bằng dừng. Khi cơ thể bị bệnh cao huyết áp thì cân bằng giữa áp suất thẩm thấu keo và áp suất thủy tĩnh sẽ bị phá vỡ. Ở bệnh nhân cao huyết áp sẽ có số nhịp đập của tim tăng lên, do vậy áp suất thủy tĩnh tăng cao. Ở bệnh nhân hạ huyết áp do mất máu nhiều, bị nhiễm phóng xạ, bị đói kéo dài... sẽ làm áp suất thẩm thấu keo của máu giảm mạnh. Do vậy, ở bệnh nhân cao huyết áp và hạ huyết áp đều dẫn tới sự trao đổi nước của cơ thể bị rối loạn.


Trong hệ sinh vật, do điều kiện môi trường sống mà cơ thể có cơ quan điều hòa áp suất thẩm thấu. Ở sinh vật bậc thấp như các loài tiêm mao nước ngọt có không bào thường co bóp để tiết ra dịch nhược trương để duy trì áp suất thẩm thấu cho tế bào. Do vậy, nước ở bên ngoài sẽ không thẩm thấu vào trong tế bào làm cho tế bào không bị trương lên. Ở các loài tôm nước ngọt có tuyến dưới râu là cơ quan điều hòa áp suất thẩm thấu và cũng tiết ra dịch nhược trương (có nồng độ muối rất nhỏ hoặc bằng không) để cân bằng với áp suất thẩm thấu ở môi trường ngoài. Ở cá nước ngọt cũng như cá biển, cơ quan điều hòa áp suất thẩm thấu là mang. Mang cá nước ngọt thì tiết ra dịch nhược trương (giống ở tôm nước ngọt) còn mang cá nước mặn lại tiết ra dịch ưu trương (có nồng độ muối cao) để cân bằng với áp suất thẩm thấu của nước biển, giữ cho cá khỏi bị mất nước. Ở người và động vật có vú thì cơ quan điều hòa áp suất thẩm thấu là thận. Thận thải ra nước tiểu nhược trương so với máu khi cơ thể ăn thức ăn lỏng (cơ thể thừa nước) còn thận thải ra nước tiểu ưu trương khi cơ thể ăn thức ăn khô (cơ thể thiếu nước). IX. Tính thấm của tế bào và mô đối với axit và kiềm * Đối với axit mạnh và kiềm mạnh: Trong dung dịch axit mạnh được đặc trưng bởi nồng độ H+ cao còn kiềm mạnh đặc trưng bởi nồng độ OH- cao. Mặc dù kích thước của ion nhỏ hơn kích thước siêu lỗ nhưng các ion không thể đi qua siêu lỗ. Điều này được giải thích do trong dung dịch các ion bao giờ cũng bị hydrat hóa hay bị các ion khác dấu bao bọc xung quanh. Ion có kích thước càng nhỏ thì lớp vỏ hydrat càng dày. Ví dụ K+ có

đường kính 2,6 chỉ có 4 phân tử nước bao quanh còn NaoA + có đường kính 1,9 lại có

tới 8 phân tử nước bao quanh. Do vậy, kích thước thực tế của ion trong dung dịch lớn hơn rất nhiều so với kích thước của siêu lỗ. Mặt khác, các ion do bị lớp vỏ hydrat bao bọc nên hạn chế khả năng tương tác tĩnh điện với các ion trên thành siêu lỗ. Điều đặc biệt là các ion H

oA

+ và OH- đều có khả năng tham gia vào các phản ứng hoá học rất cao cho nên chúng dễ bị các phân tử trên bề mặt màng hấp phụ. Chính vì vậy tế bào và mô không bị tổn thương bởi axit hay kiểm thì chúng cũng hoàn toàn không thấm axit mạnh và kiềm mạnh. Axit mạnh và kiềm mạnh chỉ thấm vào trong tế bào khi tế bào đã bị tổn thương do tác nhân vật lí hay hoá học. Trakhochin đã tiến hành thí nghiệm trên trứng cầu gai. Ông đã tiêm vital không màu (một chất chỉ thị gặp axit sẽ cho màu đỏ) vào trứng cầu gai và sau đó thả trứng vào nước biển có nồng độ H2SO4 thấp. Vì H2SO4 là axit mạnh nên trứng cầu gai hoàn toàn không thấm nên trứng vẫn có màu như trứng bình thường. Song nếu dùng tia tử ngoại để chiếu lên trứng cầu gai thì trứng sẽ bị tổn thương nên H2SO4 dễ dàng đi vào tế bào làm trứng cầu gai sẽ có màu đỏ (do vital phản ứng với H2SO4 cho hợp chất có màu đỏ). * Đối với axit yếu và kiềm yếu: Các axit yếu và kiềm yếu có thể thấm qua màng tế bào một cách dễ dàng vì chúng hòa tan tốt trong Lipit. Khi đã ở trong tế bào các axit yếu và kiềm yếu có thể bị phân ly thành các ion ít khuyếch tán và lại bị hydrat hóa nên chúng không thoát ra ngoài môi trường được. Đó là nguyên nhân dẫn đến làm cho các chất điện phân yếu thường có nồng độ cao ở trong tế bào. Hiện tượng trên gọi là tính thấm một chiều. Tính thấm của tế bào đối với axit yếu và kiềm yếu phụ thuộc vào độ pH và thành phần hóa học của môi trường. Nếu độ pH của môi trường dịch chuyển về phía axit (tức giàu H+) thì độ phân ly của axit yếu sẽ giảm xuống nên dễ xâm nhập vào trong tế bào. Nếu độ pH của môi trường dịch chuyển về phía kiềm (tức giàu OH-) thì độ phân ly của các bazơ yếu sẽ giảm xuống nên cũng dễ xâm nhập vào trong tế bào. Vấn đề này đã được Overton thí nghiệm trên nòng nọc ếch. Nòng nọc sống trong nước ngọt, nếu thêm vào


nước một ít chất nitratstricnin nồng độ 0,01% thì nòng nọc vẫn sống bình thường mặc dù ion stricnin rất độc nhưng nó hoàn toàn không thấm qua da nòng nọc được. Nếu ta tiếp tục thêm vào một ít chất cacbonat natri thì nòng nọc sẽ chết ngay. Nguyên nhân do ion stricnin đã kết hợp với ion cacbonat tạo thành axit yếu là stricnin cacbonat và dễ dàng thấm qua da nòng nọc nên làm cho nòng nọc bị chết nhanh. Axit yếu và kiềm yếu có tính thấm một chiều theo hướng từ môi trường vào trong tế bào. Bản chất của hiện tượng tính thấm một chiều theo Rubinstein là do sự khác nhau về giá trị của các tham số hóa lý ở môi trường và trong nội bào, do đó sẽ gây nên sự thay đổi trạng thái hóa lý của các chất thấm qua màng tế bào. Thí dụ ở môi trường bên ngoài phân tử ở dạng không phân ly, khuyếch tán mạnh (ví dụ như H2CO3) nhưng khi thấm vào trong tế bào, phân tử lại phân ly (H2CO3 → H+ + HCO3

-) và khuyếch tán yếu. Khi ở dạng các ion, chúng sẽ bị lớp vỏ hidrat bao bọc nên không thể thấm ra môi trường ngoài được. X. Thực bào và uống bào Ngoài hai cơ chế vận chuyển thụ động và vận chuyển chủ động, sự xâm nhập của vật chất vào trong tế bào còn theo cơ chế thực bào và uống bào. Để phân hủy các hạt chất rắn hay giọt chất lỏng khi chúng bị thực bào hay uống bào, trong tế bào có bào quan đóng vai trò như một bào quan tiêu hóa. Đó chính là lizoxom, một bào quan bên trong có chứa nhiều enzyme có thể phân giải nhiều chất khi được tế bào hấp thu. * Thực bào: Đa số tế bào ở trạng thái tự do như sinh vật đơn bào (tảo) hay nằm trong thành phần của mô như sinh vật đa bào (mô cơ, mô gan, mô ruột non...) đều có thể thực bào. Thực bào là hiện tượng tế bào có khả năng hấp thụ các hạt như vi khuẩn, virus... Quá trình thực bào thường xảy ra hai giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất là tế bào hấp phụ hạt và giữ chặt hạt trên bề mặt màng tế bào. Giai đoạn thứ hai là màng tế bào uốn lõm vào phía trong tế bào chất để bọc lấy hạt cần đưa vào nội bào. Giai đoạn hấp phụ hạt chủ yếu liên quan tới các yếu tố hóa lý như điện tích bề mặt hoặc do tương tác hoá học. Giai đoạn hai chủ yếu liên quan đến màng tế bào. Cơ chế thực bào để hấp phụ chất dinh dưỡng hay gặp ở những loài sinh vật tiến hóa thấp như vi sinh vật, tảo, động vật nguyên sinh (amip). Ở sinh vật tiến hóa cao như động vật có vú và người, sự thực bào có ý nghĩa chính là để bảo vệ cơ thể. Ở động vật có vú thì bạch cầu hạt, tế bào Kuffer có hoạt động thực bào thường xuyên như tiêu diệt vi khuẩn, virus khi cơ thể bị nhiễm cũng như tiêu diệt tế bào hồng cầu già, mảnh xác tế bào bị thương tổn... * Uống bào: Là hiện tượng tế bào có khả năng hút những giọt chất lỏng như giọt mỡ vào trong nội bào. Hiện tượng uống bào đã được Maxt và Doil tiến hành thí nghiệm và quan sát trên đối tượng amip vào năm 1934. Hai ông sử dụng phương pháp đánh dấu phân tử protein bằng chất phát quang để nhỏ vào môi trường gần con amip. Chỉ sau thời gian ngắn đã quan sát được có một lượng lớn protein đã được con amip hấp thụ theo cơ chế uống bào. Quá trình uống bào cũng diễn ra theo hai giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên là giai đoạn hấp phụ giọt chất lỏng lên bề mặt màng tế bào. Giai đoạn thứ hai là màng tế bào uốn lõm vào phía trong tế bào chất để bọc lấy giọt chất lỏng, tạo không bào để đưa vào nội bào. Thí dụ điển hình về uống bào là hoạt động của các tế bào tủy xương. Trong vùng tủy tạo hồng cầu, có loại tế bào ngoại biên chứa đầy các phân tử pheritin. Quan sát dưới kính hiển vi thấy rõ các phân tử pheritin thoát ra khỏi tế bào ngoại vi sau đó được hấp phụ lên bề mặt của nguyên hồng cầu. Tiếp theo bề mặt của nguyên hồng cầu uốn lõm vào phía trong tế bào chất để tạo nên một giọt nhỏ bọc lấy phân tử pheritin và đưa vào trong


tế bào. Ở trong tế bào, màng bao bọc phân tử pheritin bị hòa tan còn phân tử pheritin được sử dụng để tổng hợp nên phân tử hemoglobin. Kết quả nghiên cứu về sự thấm hút mỡ ở tế bào biểu mô ruột non qua kính hiển vi điện tử cho thấy thực chất của quá trình này là hiện tượng siêu uống bào. Nếu cho động vật ăn mỡ ngô thì chỉ sau ít phút đã quan sát thấy những giọt mỡ ngô cực nhỏ nằm giữa các siêu nhung mao của tế bào biểu mô ruột non và một số giọt mỡ (lipit) đã nằm gọn trong vùng uốn cong vào của màng siêu nhung mao. Thời gian càng về sau thì số lượng các giọt mỡ bị hấp thụ bởi tế bào biểu mô ruột non càng nhiều. Quá trình thực bào và uống bào cũng là quá trình hấp thụ chất một cách tích cực, đòi hỏi phải sử dụng năng lượng song có tính chọn lọc không cao. Do vậy, trong một số trường hợp tế bào hấp thụ lên bề mặt cả những chất độc, có hại đối với nó.


73

Chương 4

ĐIỆN TRỞ CỦA TẾ BÀO VÀ MÔ

I. Điện trở của tế bào và mô. Khi nghiên cứu tính chất điện của hệ thống sống, các quá trình

điện sinh học của cơ thể, ta cần phải nắm vững các kiến thức vật lý ứng dung vào các hệ thống sống. Ngày nay, việc ứng dụng các hiện tượng điện sinh vật để khảo sát, thăm dò và điều trị trong Y học là việc làm tương đối phổ biến. Xác định các thông số điện của tế bào, mô, sợi cơ...để làm cơ sở cho việc chẩn đoán và điều trị bệnh. Việc trị liệu bằng phương pháp này nhằm giải thích sự hoạt động của cơ thể hoặc hệ thống sống, ở trạng thái trao đổi chất bình thường cũng như phân tích trong các tình trạng bệnh lý khác nhau.

Như vậy bằng phương pháp lý sinh dựa trên hiện tượng điện học, khoa học đã đưa ra được nhiều đại lượng đặc thù, các thông số trạng thái đặc trưng cho cơ thể. Hơn nữa, ngày nay nhờ vào các thiết bị với kỹ thuật hiện đại đã cung cấp cho ta nhiều hướng nghiên cứu mới trên tổ chức sống.

Thực nghiệm cho thấy rằng, điện trở hoặc độ dẫn điện của các đối tượng sinh vật có giá trị hằng định trong cùng một điều kiện xác định. Đó là các thông số đặc trưng cần thiết trong xét nghiệm cận lâm sàng, các chỉ số hết sức cơ bản trong nghiên cứu y-sinh học. Vì vậy nghiên cứu tính chất điện như đo độ điện dẫn, điện thế... của các tế bào và mô có một ý nghĩa thật sự quan trọng. Việc nghiên cứu thông số điện nhằm mục đích để tìm hiểu một số đặc tính, cấu trúc cũng như sự ảnh hưởng của các tác nhân vật lý lên các cơ quan, tổ chức sinh vật.

Việc xác định giá trị điện trở xuất, điện dẫn xuất, tính dẫn điện hay nói chung là các thông số điện của tế bào và mô cho phép ta đánh giá được trạng thái sinh lý và chức năng hoạt động của các đối tượng khảo sát. Ngoài ra, từ các thông số ghi đo được, người nghiên cứu cũng có thể suy đoán ra được cấu trúc của các tổ chức sống một cách dễ dàng. Bằng nhiều phương pháp khác nhau của lý sinh học, ta có thể nhận biết về bản chất của tổ chức sinh vật, mà không cần phải phá huỷ cấu trúc của đối tượng khảo sát.

Ngay từ thế đầu kỷ thứ XIX, các nhà khoa học đã biết cách chọn

phương pháp nghiên cứu đúng theo hình thức đo điện. Bằng cách dễ dàng


74

nhất đó là đo điện trở cũng như xác định độ dẫn điện của máu, tế bào, mô sống, cơ, sợi thần kinh. Đồng thời cũng có thể đưa ra được nhiều thông số liên quan mà nhiều công trình nghiên cứu sau này đã đề cập đến. Đó là các đề tài nghiên cứu về điện trở, điện dẫn, tính dẫn điện trên các động vật, hoặc ngay cả trên các tế bào thực vật ...

Nhiều kết quả thực nghiệm trước đây đã chứng minh cho ta thấy rằng: Với các tế bào động vật hoặc thực vật cũng như đối với các mô sống, dưới tác động của dòng một chiều thì điện trở suất có giá trị trung bình vào khoảng 106 ÷ 107 Ω/cm. Nên dưới tác dụng của dòng điện một chiều cho thấy, độ dẫn điện của các đối tượng sinh vật gần giống như tính dẫn của một chất bán dẫn điện. Còn dưới tác dụng của dòng điện xoay chiều thì giá trị điện dẫn đo được có giá trị nhỏ hơn rất nhiều.

Để xác định được thông số về điện trở thuần, điện trở kháng của

các hệ thống sống là một việc làm không đơn giản. Thông thường, ta gặp phải những khó khăn và phức tạp trong khi đo vì:

- Đối tượng sống là một hệ đa pha và tổ chức không đồng nhất về cấu trúc.

- Thể tích tế bào không cố định mà có thể biến đổi tuỳ theo trạng thái sinh lý của đối tượng khi khảo sát.

- Bề mặt tế bào có một lớp vỏ protéin bao bọc, lớp màng bảo vệ tế bào có độ điện dẫn rất lớn.

- Ngoài ra, dòng điện đi vào mô chủ yếu chạy qua lớp gian bào có độ dẫn điện tôt vì bản thân nó chứa nhiều loại ion với nồng độ rất cao.

- Các vi điện cực làm tổn thương màng. Những số liệu đáng tin cậy là đo điện trở của các tế bào có kích

thước nhỏ với hình dạng dễ tính toán và ở thể huyền phù. Để phù hợp với kết quả nghiên cứu từ thực nghiệm, khi đó sử dụng công thức Maxwell để đo thông số điện trở. Phương trình này có dạng như sau:

(4.1)

2

1

2

1

2

1

2

1

1

1

+

−=

− r

+rr

r

rrrr

β

Trong đó, r : điện trở suất của dung dịch.

r1 : điện trở suất của môi trường.


75

r2 : điện trở suất của tế bào. β : là tỷ số giữa thể tích của tế bào với toàn bộ thể tích của

dung dịch. Với phương pháp xác định như trên, thực nghiệm cho ta thấy rằng

điện trở suất của hồng cầu có giá trị khoảng 1012 Ω/cm. Như vậy hồng cầu là một vật thể có đặc trưng của một chất điện môi.

Ngày nay từ các kết quả nghiên cứu được, người ta đã đưa ra nhiều

phương pháp khác nhau để xác định các thông số điện của đối tượng khảo sát tuỳ theo yêu cầu. Việc ứng dụng trong lâm sàng cũng có một ý nghĩa hết sức to lớn. Ngoài ra, cơ sở lý thuyết cũng được xây dựng một cách hoàn chỉnh, cũng như giải thích được cho nhiều cơ chế hình thành một cách hợp lý việc ứng dụng hiện tượng điện trong nghiên cứu y-sinh học.

II. Điện trở của tế bào và mô dưới ảnh hưởng dòng điện

một chiều. Để xác định giá trị về điện trở thuần trên cơ thể người và động vật,

ta có thể tiến hành theo một số phương pháp đơn giản. Đo điện trở bằng cách dùng điện cực đặt tại hai vị trí khác nhau trên đối tượng nghiên cứu, được mô phỏng như (hình 4.1) dưới đây:

AG

+-

Hình 4.1: Đo điện trở tại hai vị trí xác định của cơ thể.


76

Kết quả thực nghiệm cho ta thấy rằng: Với các tế bào, mô sống khác nhau thì giá trị ghi nhận được cũng khác nhau. Thật vậy, khi cho dòng điện một chiều đi qua các đối tượng nghiên cứu trên thì cường độ dòng điện đo được không phải là một hằng số. Giá trị đo được giảm một cách liên tục theo thời gian đến một giá trị xác định nào đó, mặc dù hiệu điện thế của nguồn cung cấp là không đổi.

Theo định luật Ohm, cường độ dòng điện (I) sẽ biến đổi một cách tuyến tính theo hiệu số điện thế áp đặt vào mạch đo. Với nguồn điện một chiều thì cường độ dòng (I) là không đổi, nhưng ở đây kết quả ghi nhận được thì hoàn toàn có sự khác biệt. Thật vậy, kết quả thực nghiệm cho ta thấy rằng dòng điện ghi đo được trên đối tượng sống không phải là hằng số mà giá trị của nó bị thay đổi nhiều theo thời gian. Cường độ dòng điện là một hàm số biến đổi theo thời gian như (hình 4.2):

I

I = Const.

I = f (t)

t

Hình 4.2: Sự phụ thuộc cường độ dòng điện (I) theo thời gian (t). Nguyên nhân có sự giảm dòng điện như đã nêu trên là do hiện

tượng phân cực xảy ra trong đối tượng nghiên cứu. Khi cho dòng điện một chiều đi qua, thì ngay trên bản thân hệ thống sống đã xuất hiện một suất điện động (E). Hiện tượng phân cực P(t) tăng đến một giá trị xác định nào đó và phát triển theo chiều hướng ngược lại so với sự phân cực ban đầu. Sự phân cực toàn phần này làm hiệu điện thế toàn mạch giảm, do đó dòng điện ngoài cũng giảm theo. Áp dụng định luật OHM cho một mạch kín, trong trường hợp này ta có:

RtPUI )(−

= (4.2)


77

Trong đó: U: là hiệu điện thế áp đặt vào đối tượng khảo sát

I : là cường độ dòng điện qua đoạn mạch R : là điện trở của tế bào, mô sống mà ta nghiên cứu. Tương tự như vậy, trong hệ thống sống vì có sự phân cực khi cho

dòng điện chạy qua, nên ta cũng có thể xác định được giá trị điện dung C tương ứng theo hằng số điện môi của các đối tượng nghiên cứu bằng biểu thức:

dSCπε

4= (4.3)

Với: ε : hằng số điện môi S : diện tích bề mặt bản cực

d : khoảng cách giữa 2 bản cực. Trong tế bào gồm điện dung tỉnh và điện dung phân cực (Cp) của

các loại tế bào, mô sống, cơ ...dưới tác dụng của dòng điện: (4.4) t

)( 0

0

tp IIR

IdtC

−=

∫ Trong đó:

I0, It : Cường độ dòng điện tại điểm t = 0 và tại thời điểm t bất kỳ

I : Cường độ dòng điện của đoạn mạch. Ở hệ thống sống, trong trạng thái bình thường thì điện dung phân

cực có giá trị lớn, còn khi đối tượng này bị tổn thương hay hoại tử thì kết quả đo được về điện dung lại có giá trị nhỏ hơn nhiều.

Điện dung phân cực của các đối tượng sinh vật nói chung có giá trị

trung bình vào khoảng từ 0,1 μF/cm2 đến 10 μF/cm2 , còn đối với các sợi cơ thì điện dung của nó có thể lên đến khoảng 40 μF/cm2.


78

III. Sự biến đổi điện trở theo tần số dòng xoay chiều. Dưới tác dụng của dòng điện xoay chiều thì trở kháng của tế bào,

mô sống phụ thuộc nhiều vào tần số (ω) của nguồn phát. Do đó, thành phần điện kháng của đối tượng sinh vật như cảm kháng, dung kháng và tổng trở mạch sẽ phụ thuộc nhiều vào tần số của nguồn.

Khi ở một trạng thái sinh lý nào đó, ứng với một tần số nhất định của nguồn xoay chiều thì điện trở của tế bào và mô sống có giá trị không đổi.

Từ năm 1920, nhiều công trình nghiên cứu khảo sát sự biến đổi của điện trở dưới tác dụng của nguồn xoay chiều cho thấy: Điện trở của hầu hết các loại mô, cơ, tế bào sống sẽ bị thay đỗi dưới các tần số khác nhau. Đặc tuyến biến đổi của điện trở theo tần số (ω) có dạng như (hình 4.3) dưới đây: R

ω1 ω ω 2

Hình 4.3: Sự biến đổi điện trở của tế bào mô theo tần số. Từ đố thị trên ta thấy: Với ω < ω và ω > ω : điện trở tương đối ổn định. 1 2

ω < ω < ω : điện trở giảm khi tần số tăng. 1 2Quy luật này hoàn toàn xảy ra và biến đổi là như nhau với mọi loại

tế bào, mô và nhiều đối tượng khác. Đặc biệt, kết quả xảy ra cũng tương tự đối với các sợi cơ mặc dù giá trị trở kháng tuyệt đối của cơ là khác nhau.

2Các giá trị ω1 ÷ω2 có giá trị thay đổi trong khoảng từ 10 ÷108 Hz.


79

Đa số các mô sống, điện trở cực tiểu hay trị số độ dẫn điện cao ứng với tần số khoảng 106 Hz, còn đối với sợi thần kinh thì giá trị này tương ứng với tần số vào khoảng 109 Hz.

Từ thực nghiệm cho thấy, độ dẫn điện của tế bào và mô thay đổi chủ yếu ở tần số thấp. Ở tần số cao tính chất này ít thay đổi hơn vì ở tần số thấp hiện tượng phân cực diễn ra chậm chạp và rõ rệt hơn nhiều.

Sự phụ thuộc độ dẫn điện vào tần số là đại lượng đặc trưng biểu diễn cho đối tượng là tế bào hoặc mô sống. Đối với các tế bào, mô bị tổn thương tuỳ theo mức độ, tính chất này cũng giảm dần theo, đến khi tế bào chết thì tính chất đó cũng không còn nữa. Nghĩa là điện trở của tế bào khi bị tổn thương không còn phụ thuộc nhiều vào tần số.

Để hiểu rõ điều đó, ta khảo sát điện trở của một số mô thực vật ở trạng thái sinh lý bình thường và bị tổn thương với các mức độ khác nhau dưới tác dụng nhiệt, như (h.4.4):

ω

R

(1) (2

)(3

(1)

(4)

Hình 4.4: Biến đổi điện trở mô thực vật theo tần số ở trạng thái sinh lý

bình thường và khi bị tổn thương. (1): Trạng thái bình thường. (2): Đun ở 500C trong 2 phút (3): Đun ở 500C trong 4 phút (4): Đun ở 1000C trong 20 phút.

Từ đặc trưng biến đổi của tổng trở theo tần số của dòng điện xoay

chiều ở trên, ta thấy tại nhiệt độ cao nếu thời gian tác dụng càng dài thì mức độ tổn thương càng lớn, đồng thời sự phụ thuộc của điện trở theo tần số ít hơn.

Dựa trên cơ sở nghiên cứu về các thông số điện có thể dễ dàng xác định, đánh giá cũng như để mô tả đối tượng theo các chỉ số sinh học của


80

một tổ chức sống ở trạng thái sinh lý bình thường hay bị bệnh lý. Ngày nay người ta thường biểu diễn chỉ số sinh học qua đặc trưng biến đổi của điện trở theo tần số R(ω) cho các loại tế bào, mô sống cũng như để xác định cho nhiều đối tượng nghiên cứu sinh vật khác.

IV. Tổng trở của tế bào và mô. Để đặc trưng định lượng cho mối liên hệ kể trên, đồng thời để tiện

việc khảo sát, Tarutxop đã đưa ra hệ số K cho việc đánh giá đối tượng nghiên cứu sẽ nhanh và có ý nghĩa hơn, thay vì dùng đồ thị biểu diễn sự biến đỗi của điện trở như đã trình bày trên. Hệ số này được xác định như sau:

(2.5)

Trong đó ω1 , ω2 được chọn tuỳ theo đối tượng nghiên cứu. Ví du:û Khi khảo sát trên một dây thần kinh, thực nghiệm cho thấy

rằng điện trở có giá trị cực tiểu ở tần số ω2 = 109 Hz và ω1 = 104 Hz nên:

(2.6)

Giá trị K càng lớn sự phụ thuộc của điện trở vào tần số này càng mạnh và ngược lại giá trị này nhỏ khi tế bào, mô đã bị chết.

Trong các tế bào và mô bình thường, hệ số K phụ thuộc vào vị trí của đối tượng theo bậc thang tiến hoá của sự sống.

Ví dụ: Hệ số K của gan động vật có vú khoảng 9 ÷ 10 Hệ số K của gan động vật máu lạnh khoảng 2 ÷ 3

Còn trong cơ thể người hoặc động vật, hệ số K phụ thuộc vào cường độ trao đổi chất của từng loại mô.

- Ở các mô sống có cường độ trao đổi chất mạnh mẽ như gan, lách thì hệ số K có giá trị lớn.

- Còn ở một số cơ quan có cường độ trao đổi chất thấp hơn (cơ) thì hệ số K lại có giá trị nhỏ.

Các giá trị Rω1, Rω2 được tiến hành trong cùng nhiệt độ, điều kiện thí nghiệm như nhau, và thời gian rất gần nhau. Nên tỷ số đo được tương đối ổn định khi mô và tế bào ở trạng thái sinh lý bình thường (ở tần số cao điện trở của cơ ít thay đổi trong một thời gian dài, trong khi đó điện trở ở vùng tần số nguồn điện thấp bị thay đổi nhiều hơn)

2

1

ω

ω

RR

k =

9

4

10

10

RR

K =


81

Sự thay đổi điện trở làm cho tính dẫn điện của tế bào và mô bị thay đổi theo, nguồn gốc chính là do khả năng xảy ra hiện tượng phân cực của chúng. Do đó hệ số K còn được gọi là hệ số phân cực

V. Áp dụng phương pháp đo điện trong chẩn đoán và điều trị bệnh.

1. Trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Ngày nay, phương pháp đo điện trở bằng dòng điện thụ động đã

được sử dụng rộng rải trong việc nghiên cứu quá trình diễn biến xảy ra ở tế bào, mô sống và các tổ chức sinh học dưới tác nhân của các yếu tố vật lý, hoá học cũng như ở các quá trình biến đổi trong trạng thái bệnh lý.

Vì sử dụng với nguồn điện áp có giá trị nhỏ, do đó tác nhân này không gây nên những biến đổi nhiều về tính chất lý hoá trong tổ chức sống cũng như không làm tổn thương đến đối tượng nghiên cứu là các tổ chức sinh vật.

Thực nghiệm cho ta thấy rằng, tình trạng bệnh lý biến đổi có liên quan nhiều đến sự thay đổi về giá trị điện trở, điện dẫn và các thông số điện điện của tế bào. Khi một tổ chức sinh học bị viêm nhiễm thì ngay trong giai đoạn đầu, thể tích tế bào bị trương lên, khoảng không gian giữa các tế bào bị thu hẹp lại, điện trở của mô tăng lên rất nhanh. Dấu hiệu dễ dàng thấy nhất là dưới tác dụng của dòng điện có tần số thấp, điện trở của mô lúc này được xác định chủ yếu bởi điện trở của các thành phần chất dịch ở khoảng gian bào.

Ở giai đoạn đầu trong quá trình viêm, các thành phần và nhất là

cấu trúc tế bào chưa có sự thay đổi đáng kể. Thể tích tế bào biến đổi không đáng kể, nên giá trị điện dung của nó chưa có sự thay đổi nhiều.

Hiển nhiên rằng: Khi tăng giá trị điện trở mà điện dung vẫn giữ nguyên không thay đổi thì đó là dấu hiệu của sự trương tế bào, ngược lại nếu giảm điện trở mà vẫn giữ nguyên giá trị điện dung thì đó là dấu hiệu của sự giảm thể tích của tế bào.

Ở giai đoạn sau trong qúa trình viêm nhiễm, ta thấy có sự thay đổi

về cấu trúc tế bào một cách rõ rệt, hiện tượng viêm làm tăng độ thấm qua màng tế bào. Vì vậy làm thay đổi tính dẫn điện của tế bào và mô sống, dẫn đến sự giảm giá trị điện dung và điện trở.

Ngày nay hiện tượng điện sinh học được ứng dụng nhiều cho việc

chẩn đoán, điều trị ứng dụng trong y học dựa vào các tham số trên. Chẳng hạn, áp dụng phương pháp đo điện trở để xác định nhãn áp, đo độ chênh


82

lệch điện trở giữa nữa mặt bên phải và bên trái, đo điện ốc tai, khảo sát phản ứng cơ bằng cách đo suất Galvanic. Xác định mức độ tổn thương tế bào dưới các tác nhân thông qua các giá trị đo độ điện dẫn, đo giá trị điện trở thuần và trở kháng của da...

2. Phân cực trong hệ thống sống. Nhiều nhà khoa học cho rằng, sự phân cực các ion chủ yếu xảy ra

trên bề mặt của màng tế bào. Quan niệm phân cực màng đã xác định là tế bào sống giống như một vật thể, mà bản thân nó có chứa các chất điện phân trong cấu trúc thành phần của hệ. Các chất điện ly thường nằm ở trạng thái tự do.

Thật vậy, khi ở trạng thái sinh lý bình thường, tế bào không cho một số chất đi qua chẳng hạn như đối với ion Na+ mà chỉ thấm một chiều đối với ion K+.

Khi có điện trường bên ngoài, các ion trong tế bào sẽ di chuyển về các cực điện tương ứng, tuỳ thuộc vào dấu của điện tích. Cuối cùng các ion trái dấu sẽ tập trung ở hai phía đầu cực của màng tế bào. Tương ứng với sự tích tụ điện tích ion ở phía bên trong màng, thì môi trường bên ngoài màng tế bào ở phía đối diện cũng có sự tích tụ các điện tích ion mang dấu ngược lại. Như vậy, hai phía cực của màng sẽ xuất hiện hai lớp điện tích bề mặt. Hiện tượng tạo thành trên tế bào được mô tả giống như hai bản cực của một tụ điện và cùng giữ vai trò tích điện trong chất điện môi.

Đây là giả thuyết đưa ra để giải thích về sự xuất hiện giá trị điện dung của một tế bào. Điện dung phụ thuộc vào hằng số điện môi của tế bào, còn giá trị điện trở xuất hiện được xác định thông qua điện trở bề mặt của nó. Ngày nay bằng phương pháp đồng vị phóng xạ đã kiểm chứng được điều đó. Màng tế bào không chỉ thấm đối với ion K+ mà còn thấm đồng thời đối với cả nhiều loại ion khác nhau. Trong trạng thái sinh lý bình thường hay ở quá trình trao đổi chất bình thường, ta thấy luôn luôn xảy ra hiện tượng vận chuyển các loại ion Na+ - K+ qua lại hai phiá của màng.

Bằng nhiều kết quả thực nghiệm khác nhau, ta dễ dàng thấy rằng

sự phân cực trong tế bào không chỉ xuất hiện trên bề mặt của màng mà còn xảy ra trong toàn bộ thể tích của tế bào. Thật vậy, do hiện tượng điện hưởng các vật dẫn dưới tác dụng của điện trường ngoài, đã làm cho các điện tích tự do dịch chuyển. Các phần tử tích điện tương ứng có sự phân bố điện tích trở lại trên phía đối diện trong các tế bào, nên các lớp bên trong tế bào cũng có sự tích điện với dấu điện tích phù hợp.


83

Hình 4.5: Sự hình thành sức điện động phân cực.

P (t)

E

Tế bào sinh vật được xem như là một hệ đa pha, mỗi pha có tính

chất hoá lý khác nhau, do đó điện trở và điện dẫn của nó cũng khác nhau. Đồng thời các chất khi thâm nhập vào tế bào sống cũng tồn tại ở các pha hoà tan hoàn toàn khác nhau.

Sự phân cực xảy ra trong toàn bộ thể tích của tế bào, ngay trên bề mặt và kể cả các thành phần bên trong tổ chức sống. Đặc biệt sự phân cực trong nội bào đóng một vai trò hết sức quan trọng.

Đa số các dịch sinh vật trong hệ thống sống là các dung dịch điện

ly, chứa các ion và các đại phân tử tích điện. Do đó, cơ chế phân cực trong hệ thống sống có liên quan với tính chất của một dịch đa điện phân trong dung dịch điện ly của đại đa số các phân tử sinh vật.

Trong cơ thể, đa số các tổ chức đều có các màng ngăn cách giữa

các cơ phận với nhau hoặc các tổ chức riêng biệt. Theo thực tế cơ thể có cấu trúc phức tạp, giống như bản thân chúng được chia ra thành nhiều ngăn độc lập. Sự dịch chuyển của các ion qua các vách ngăn vì thế cũng không còn tự do dưới tác dụng của điện trường ngoài. Các ion tích tụ trên tế bào, mô sống, trong các tổ chức sinh vật tạo ra một quá trình phân cực điện dưới tác dụng của điện trường ngoài như (hình 4.6) dưới đây:


84

Hình 4.6: Sự cực tính hoá tổ chức sống.

Ngày nay các số liệu thực nghiệm cho thấy rằng, quá trình phân cực ở hệ thống sống được xác định không những bởi sự phân cực của các ion mà còn được xác định bởi sự phân cực (có tính lưỡng cực điện) các chất hữu cơ. Các phân tử protein, nucleotid đều có giá trị moment lưỡng cực khá lớn, hằng số điện môi của dung dịch điện ly cũng bị thay đổi nhiều theo tần số dòng điện bên ngoài.

Đại đa số các phân tử nằm trong thành phần nguyên sinh chất đều chứa các nhóm phân cực, dưới tác dụng của các yếu tố bên ngoài gây tổn thương trong nguyên sinh chất. Do đó, trạng thái thay đổi thường hình thành hàng loạt cấu trúc mới có sự định hướng khác nhau.

Sự phân cực điện môi trong hệ thống sống cũng có thể do sự dịch chuyển điện tích trong thành phần cấu trúc, mà bao gồm số phần lớn là các phân tử hữu cơ. Quá trình này thường được gọi là sự phân cực điện trong cấu trúc vĩ mô.

VI. Một số phương pháp điện di Điện di là phương pháp phân tích dựa trên sự dịch chuyển các điện

tích, phân tử nhiễm điện dưới tác dụng của trường lực điện không đổi. Các thành phần khác nhau trong dịch sinh vật khi nhiễm điện sẽ mang một điện lượng có độ lớn và dấu điện tích khác nhau. Tuỳ theo loại phân tử mà các hạt nhiễm điện sẽ dịch chuyển với tốc độ nhanh hay chậm dưới tác dụng của điện trường ngoài. Các phân tử sinh vật dễ dàng nhiễm điện và tích điện, nên dựa vào tính chất này đễ xây dựng một số phương pháp điện di. Ngày nay, phương pháp điện di được áp dụng rộng rãi và ứng dụng nhiều trong các nghiên cứu y - sinh học.

Thông thường, ta sử dụng phương pháp điện di để tách chiết các thành phần albumin, globulin trong huyết thanh; điện di protein (phức chất lipide với protein); điện di glucoprotein (xác định các thành phần của protein và glucide trong huyết thanh).


85

Năm 1937, Tiselius là người đầu tiên đã đưa ra phương pháp điện di trong môi trường tự do để khảo sát sự hiện diện của protein trong huyết thanh. Sau Tiselius, Cremer ta thấy có nhiều nhà khoa học khác như Durrum đã xây dựng lý thuyết hoàn chỉnh về hiện tượng này một cách tường minh và phát hiện thêm nhiều chỉ tiêu đo đạt khác trong các thiết bị mới của mình. Năm 1950, các nhà sản xuất đã đưa ra một loại thiết bị mới hơn, đó là sự phân tích dựa trên phương pháp “điện di hiển thị” và khảo sát thông tin bệnh lý bằng cách ghi lại các đặc tuyến biến đổi của nó trên “băng giấy chỉ thị”.

Ngày nay có nhiều công trình nghiên cứu y-sinh học đã áp dụng phương pháp điện di, dựa trên nguyên tắc dịch chuyển ion để tách chiết và phân tích nhiều thành phần khác nhau của dịch sinh vật. Các hướng nghiên cứu bằng phương pháp điện di thường tập trung trong ba loại chủ yếu là:

- Phát hiện sự dịch chuyển của các phân tử bằng cách khảo sát dưới kính hiển vi (điện di tế bào).

- Điện di trong dung dịch tự do (xác định theo độ linh động của các hạt nhiễm điện trong dung dịch).

- Điện di trên các chất giá (phương pháp điện di khảo sát trên băng giấy).


86

Chương 5

ĐIỆN SINH HỌC

I. Mở đầu: Từ lâu ở châu Âu, người ta đã tiến hành những thí nghiệm lý thú

để khám phá về các khả năng làm xuất hiện dòng điện trên cơ thể động vật. Từ đó khái niệm về điện động vật mới xuất hiện và đã được chứng minh sự tồn tại của nó.

Một số loài cá sinh sống ở sông và biển có bộ phận bảo vệ đặc biệt để phát điện như cá trê điện, cá đuối điện, chình điện...Ngược dòng lịch sử về sự phát hiện ra các dòng điện từ sinh vật trên cho thấy, từ rất lâu người Ai Cập đã gặp phải và làm quen với những hiện tượng điện này.

Một tính chất đặc trưng của tế bào động vật là giữa chúng và môi trường bên ngoài luôn luôn tồn tại một sự chênh lệch điện thế. Đo hiệu điện thế trên các loại tế bào khác nhau thì sự chênh lệch này vào khoảng 0,1 V. Đặc biệt có một số loài cá điện có thể sinh ra các xung điện rất cao đến khoảng 600V, với dòng điện cở hàng trăm mA.

Tính chất điện sinh học đã được Dr. Louis De Galvanie khám phá. Sau đó, đề tài này đã thu hút nhiều nhà khoa học khác quan tâm và đầu tư vào việc nghiên cứu một cách lý thú.

Tuy nhiên sau hơn 100 năm, kể từ những phát hiện đầu tiên dưới sự ghi nhận của các nhà khoa học, con người vẫn chưa giải thích được cơ chế hình thành hiện tượng điện sinh vật một cách rõ ràng. Các kết quả thực nghiệm vẫn còn đóng khung trong việc mô tả hiện tượng. Trong vài thập kỉ gần đây, nhờ các phương tiện ghi đo có độ nhạy cao, chính xác, cũng như các thiết bị điện tử hiện đại...người ta mới khám phá được nhiều qui luật hình thành dòng điện của tế bào. Từ kết quả thực nghiệm đo được bằng các phương pháp khác nhau như đồng vị phóng xạ, động học phân tử, hiển vi điện tử, hoá tế bào..., các nhà khoa học đã cho thấy bản chất của dòng điện sinh học.

Việc xây dựng cơ sở lý thuyết và giải thích cơ chế của việc hình thành dòng điện sinh học còn có nhiều hạn chế. Sỡ dĩ như vậy là vì khi nghiên cứu hiện tượng điện sinh vật thường gặp phải một số giới hạn sau:

- Tốc độ biến đổi tín hiệu trên đối tượng nghiên cứu thay đổi quá nhanh, trong khi các giá trị đo được thường rất nhỏ, nên yêu cầu về thiết bị nghiên cứu phải là các dụng cụ ghi đo thật nhạy và có độ chính xác thật cao.


87

- Đối tượng nghiên cứu thường có kích thước hết sức nhỏ (vào cở kích thước tế bào).

- Điều kiện nghiên cứu, phải được tiến hành với phương pháp như thế nào để không làm ảnh hưởng đến trạng thái sinh lý của đối tượng khảo sát.

Trước khi tìm hiểu về các loại điện thế sinh vật, ta lưu ý rằng các

dịch thể ở hai phía trong và ngoài màng tế bào là các dung dịch điện phân (electrolytic solutions). Nồng độ trung bình của các anion có giá trị khoảng 155 mEq/l, đông thời có xuất hiện một nồng độ tương ứng của các loại cation phát triển theo phía ngược lại.

Theo cơ chế vận chuyển vật chất qua màng sinh học ta thấy có sự phân bố trở lại của các anion và cation ở hai phía màng. Đồng thời với quá trình vận chuyển tích cực, thì có cả sự khuyếch tán của các ion với các độ thấm khác nhau. Kết quả cuối cùng là trong toàn bộ quá trình hệ có sự chênh lệch nồng độ ion ở hai phía màng, do đó làm xuất hiện một hiệu số điện thế màng (membranne potential).

Hai yếu tố cơ bản có liên quan đến sự hình thành hiệu thế màng sinh học có ý nghĩa quyết định đó là:

- Sự khuyếch tán những ion qua màng do sự chênh lệch nồng độ của các loại ion ở hai phía màng.

- Sự vận chuyển tích cực của những ion qua màng khi chuyển dịch từ pha (phase) này sang pha khác, tạo thành một cân bằng mới đó là sự cân bằng đặc biệt của các ion.

Với một số đặc điểm nêu trên thì mục đích và yêu cầu khi nghiên cứu hiện tượng điện sinh vật đó là:

Hiểu được bản chất của các loại điện thế sinh vật cơ bản như loại điện thế nghỉ, điện thế tổn thương, điện thế hoạt động...Ngoài ra cần nắm vững về cách ghi đo, điều kiện thí nghiệm, các giai đoạn xuất hiện.

Xây dựng lý thuyết phù hợp để giải thích sự hình thành các loại điện thế trên. Giải thích về các kết quả ghi nhận được, kể cả các mối quan hệ giữa chúng.

Tìm hiểu một số ứng dụng điện sinh học của các công trình nghiên cứu trong Y-Sinh học. Đưa ra một số ứng dụng hiện tượng điện trong công tác chẩn đoán, thăm dò chức năng, cũng như các ứng dụng để điều trị bệnh trong Y học.

Việc nghiên cứu các hiện tượng điện sinh vật và kỹ thuật ghi đo các thông số liên quan có một ý nghĩa hết sức quan trọng. Đặc biệt, ngày nay với các thiết bị khoa học hiện đại, việc ứng dụng hiện tượng điện


88

trong Y học, xét nghiệm trên cận lâm sàng được sử dụng khá phổ biến. Do đó ta cần phải nắm kỷ phương pháp ghi đo, hiểu rõ bản chất của các loại điện thế sinh vật cơ bản.

II. Điện thế màng và điện thế pha. 1. Điện thế pha. * Gradient điện thế (the electric gradient) Ở trạng thái bình thường ta thấy có sự phân bố không đều của các

ion ở hai phía của màng sinh vật. Do có sự chênh lệch nồng độ, các ion này sẽ khuyếch tán qua màng từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn. Dưới ảnh hưởng của gradien nồng độ, các ion có khuynh hướng tiến tới trạng thái cân bằng mới, đồng thời hình thành giữa nó một lớp điện tích kép ngay ở trong dịch sinh vật.

Ảnh hưởng của điện trường ngoài sẽ làm xuất hiện gradien điện thế do sự phân cực của màng. Các ion dương có xu hướng rời môi trường cũ để đến phía âm, ngược lại ion âm dịch chuyển về môi trường có thế dương hơn. Sự chuyển dời của các hạt mang điện sẽ dừng lại khi lực tác dụng lên các ion dưới ảnh hưởng của gradien điện thế cân bằng với gradien nồng độ. Trong đó gradien nồng độ đã phát triển theo hướng ngược lại so với gradien điện thế như (hình 5.1) dưới đây:

Hình 5.1: Ảnh hưởng của gradien điện thế và gradien nồng độ

: Dòng chuyển dịch dưới tác dụng gradient điện thế : Dòng chuyển dịch dưới tác dụng gradient nồng độ


89

* Điện thế điện cực (electrode) Điện thế điện cực là hiệu thế được hình thành giữa điên cực và

dung dịch điện phân. Hay nói cách khác là điện thế xuất hiện ở lớp điện kép khi điện cực nhúng vào dung dịch điện phân.

Ví dụ: Có thể lấy ví dụ bằng cách khảo sát trường hợp hiệu thế này

khi sử dụng điện cực bạc (Ag) trong dung dịch nitrat bạc (AgNO3). Nếu gọi: μiđc là thế hoá học ion kim loại trong điện cực μidd là thế hoá học của ion trong dung dịch. Ta thấy: - Nếu μiđc < μidd , dưới ảnh hưởng của gradient thế hoá học làm

các ion bạc (Ag+) chuyển dịch vào kim loại làm thanh kim loại tích điện dương. Chuyển động của các ion này dừng lại khi hệ thống ở trạng thái cân bằng điện hoá.

Thanh kim loại tích điện dương và xung quanh sẽ có một lớp ion NO3- bao bọc tạo thành lớp điện kép.

Ở trạng thái cân bằng điện hoá, sự chênh lệch điện thế hoá học giữa điện cực (đc) và dung dịch (dd) sẽ có giá trị bằng hiệu số điện thế điện hoá của lớp điện tích kép này. Ta được:

ZFψ = μidd - μiđc (5.1) Trong đó:

ψ : Điện thế của điện cực đối với dung dịch Z : Hoá trụ của các ion tự do F : Hằng số Faraday

- Nếu μiđc > μidd Điện cực sẽ tích điện âm và xung quanh có lớp ion Ag+ vì các ion

Ag+ sẽ rời khỏi thanh kim loại để đi vào dung dịch. Điện cực bị hoà tan dần dần trong dung dịch, hiện tượng chuyển dịch ion chỉ dừng lại khi đạt tới trạng thái cân bằng điện hoá.

- Nếu μiđc = μidd Trong trường hợp này sự chuyển dịch của ion theo hai hướng là

cân bằng nhau, nên thế điện cực bằng không. Dựa vào biểu thức tính công thẩm thấu phải thực hiện khi tăng

nồng độ dung dịch lên 1gam/mol, nghĩa là làm thay đổi áp suất thẩm thấu ion từ P1 đến P2 để tính hiệu thế điện cực. Ta có:

1

2lnPPRTA = (5.2)


90

Trong đó A: là công thẩm thấu R: Hằng số khí lý tưởng. T: Nhiệt độ tuyệt đối của môi trường.

Ngoài ra, công của lực điện trong quá trình chuyển hoá đã làm thay

đổi nồng độ ion trong dung dịch. Công này được xác định trong trường thế năng tĩ nh điện là:

A = UF (5.3) Công của quá trình điện hoá và công thẩm thấu trong mỗi quá trình

cân bằng nhau, nên từ (5.2) và (5.3) ta được:

(5.4) (5.5)

Theo phương trình Vant’ Hoff thì áp suất thẩm thấu tỉ lệ thuận với nồng độ nên:

(5.6)

Trong thí nghiêm trên thì C1, C2 chính là nồng độ ion trong dung

dịch (Cdd) và trong điện cực (Cđc). Với Z là hoá trị của ion kim loại, nên tổng quát ta có thể viết lại hiệu đ iện thế ion như sau:

(5.7)

Với Ui là hiệu điện thế xuất hiện do sự chênh lệch điện thế của các

ion tạo thành. Đây chính là phương trình Nernst để xác định giá trị hiệu số điện thế điện hoá (electrochemical potential different) của các dung dịch điện ly.

* Hiệu điện thế pha. Nếu nhúng hai điện cực cùng kim loại vào hai bình đựng dung dịch

chứa cùng một chất điện ly với độ hoà tan C1 và C2 khác nhau. Ở mỗi điện cực, sau khi đạt đến trạng thái cân bằng sẽ xuất hiện một điện thế mà độ

UFPRT =ln 2

P1

1

2

PFln PRTU =

1

2lnCC

FRTU =

dd

âci C

CZFRTU ln=


91

lớn của nó sẽ tỷ lệ với tỷ số nồng độ các ion kim loại trong điện cực và trong dung dịch .

Vì nồng độ ion kim loại trong hai dung dịch là khác nhau nên giá

trị điện thế xuất hiện trên mỗi điện cực cũng khác nhau, giữa chúng tồn tại một hiệu điện thế Uc gọi là hiệu điện thế nồng độ.

(5.8) 21 ccc UUU −=

(5.9)

21

lnlnCC

ZFRT

CC

ZFRTU âcâc

c −=

(5.10)

1

2lnCC

ZFRTUc =

Với C1, C2 là các nồng độ ion kim loại trong dung dịch. Do đó, khi

nghiên cứu trên thân nhiệt người bình thường, để nhanh chóng cho việc tính toán người ta thay vào các giá trị hằng định, công thức được xác định lại là:

1

2log61CC

ZUC = (5.11)

Như trên ta thấy dưới ảnh hưởng của gradient nồng độ và gradient

điện thế mà các ion khuyếch tán qua màng với tốc độ khác nhau. Nói cách khác mỗi loại ion có d? linh động khác nhau. Do sự khuyếch tán của mỗi loại ion khác nhau, nên giữa hai lớp dung dịch có nồng độ khác nhau thì lớp điện tích kép xuất hiện cũng có giá trị khác nhau. Hiệu điện thế hình thành nên do sự khyếch tán của từng loại ion, đã tạo thành các pha hoà tan trong mỗi dung dịch. Hiệu điện thế này được gọi là hiệu điện thế pha khuyếch tán (UKT) được xác định :

(5.12)

1

2lnCC

ZFRTU KT −+

−+

+−

=νννν

với ν+ , ν- là độ linh động của các ion dương và ion âm Hiệu điện thế pha (khuyếch tán) tồn tại trong một thời gian rất

ngắn cho đến khi có sự phân bố đồng đều trở lại các ion âm và ion dương


92

trong toàn bộ thể tích dung dịch. Đối với dịch sinh vật có dạng là một hệ điện ly rất phức tạp, nên việc ứng dụng công thức này vào hệ thống sống cũng gặp phải rất nhiều khó khăn vì tồn tại nhiều đại phân tử ion hoá khác nhau.

2. Điện thế màng * Cân bằng Gibbs - Donnan Trong chương trước đã trình bày về trạng thái cân bằng Gibbs-

Donnan, nên ở phần này ta chỉ nhắc đến một số tính chất có liên quan về hiện tượng điện mà thôi, đó là:

-Trong cơ thể người và động vật có các protein (R+) ở dạng muối, nó là các đại phân tử không lọt được qua màng. Mặc dầu các phân tử này không qua được màng nhưng nó đã đóng một vai trò hết sức quan trọng, đó là đã làm ảnh hưởng nhiều đến tác dụng của áp suất thẩm thấu lên màng.

-Do sự phân phối trở lại các ion khi trạng thái cân bằng động được hình thành, nên ở hai phía màng có sự chênh lệch nồng độ các ion (có khả năng khuyếch tán được) qua màng.

- Một số ion khác còn lại mà không có khả năng chuyển dịch từ pha này đến pha kia được, thì sẽ tạo thành một sự cân bằng đặc biệt. Đó chính là cân bằng Donnan. Thực nghiệm cho thấy cân bằng Gibbs-Donnan không những phụ thuộc vào bản chất dung dịch, tính thấm chọn lọc ion, kích thước của màng mà còn phụ thuộc nhiều vào loại điện tích của các ion trong hệ sinh vật.

Để hiểu rõ bản chất sự phân bố các loại ion trong cân bằng trên, ta

khảo sát thí nghiệm dưới đây: Dung dịch Protein cho vào bình thứ nhất RCl, đ ược ion R+ là các

proteine mang điện tích dương có kích thước lớn không qua được màng ngăn cách giữa hai bình. Bình thứ 2 chứa dung dịch muối NaCl, các ion Na+ và Cl- có thể dễ dàng qua màng. Bình thứ nhất có nồng độ C1, bình thứ hai có nồng độ C2. Ở trạng thái ban đầu các ion được phân bố trong mỗi bình như sau:

[R+]1 = [Cl-]1 = C1[Na+]2 = [Cl-]2 = C2 (5.13)

Có thể biểu diễn sự phân bố các loại ion ở hai bình (1) và (2) chứa dung dịch RCl và NaCl có nồng độ ban đầu là (C1) và (C2) . Hai bình (1) và (2) ngăn cách nhau bằng một màng ở giữa như mô hình dưới đây:


93

(RCl) (NaCl) R+ (C1) Na+ (C2) Cl- (C1) Cl- (C2)

(1)

Hình 5.2 : Sơ đồ phân bố ion ở hai phía màng trong trạng thái ban đầu. Giả sử sau một thời gian ngắn, sẽ có một lượng ion Na+ và Cl- đi

qua màng với nồng độ X. Như vậy đã có sự di chuyển của Na+ và Cl- từ bình (2) sang bình (1). Bây giờ ta thấy nồng độ của mỗi loại ion ở hai phía màng được phân bố trở lại trong quá trình cân bằng mới ở trạng thái tiếp theo, được mô tả như sơ đồ dưới đây:

(RCl) (NaCl) R+ (C1) Na+ (X) Na+ (C2-X) Cl- (C1+X) Cl-

(C2-X)

(1)

Hình 5.3 : Sơ đồ phân bố ion ở hai phía màng ở trạng thái cân bằng mới

Để tránh tình trạng tích tụ điện tích dương về một phía, nên sự di chuyển thường xảy ra một cách đồng thời với cả hai loại ion Na+ và Cl- . Sự dịch chuyển của các ion chỉ tạm dừng lại khi tiến đến trạng thái cân bằng :

[Na+]1 [Cl-]1 = [Na+]2 [Cl-]2 (5.14)


94

Cân bằng mới này được gọi là trạng thái cân bằng Donnan (Donnan equilibrium). Đặc điểm của trạng thái này là khi cân bằng diễn ra, trong mỗi ngăn đều có sự trung hoà về điện:

[R+]1 + [Na+]1 = [Cl-]1 [Na+]2 = [Cl-]2 (5.15)

Ở trạng thái sau là trạng thái mà hệ tiến tới sự cân bằng động. Khi

trạng thái cân bằng xảy ra, nếu thay các giá trị (5.15) vào phương trình (5.14) ta được:

(C2 - X )2 = (C1 + X ) X

21

22

2CCC

X+

=(5.16)

Khảo sát trong các trường hợp đặc biệt, từ phương trình trên ta

thấy: *Nếu nồng độ ion R+ hay Cl- lúc đầu rất bé (C1 << C2 ), thì có thể

xem như nồng độ C1 rất loãng so với C2 (C1 ≈ 0), nên cơ chất đã vận chuyển qua màng trong trường hợp này là:

X = C2 / 2 (5.17) *Nếu ion R+ hay Cl- ở môi trường bên trong rất lớn (C1 >>C2 )

so với môi trường bên ngoài, thì cơ chất khuyếch tán qua màng xem như không đáng kể:

X ≈ 0 (5.18) *Nếu nồng độ dung dịch hoà tan giữa hai môi trường cân bằng

nhau (C1 = C2 ) thì : X = C2 / 3 (5.19)

Từ các trường hợp trên ta có nhận xét là: Khi tế bào tiếp xúc với dung dịch chất điện ly có cùng loại và với gốc proteine là đại phân tử ion chính của tế bào, thì trong tất cả các trường hợp đều có một lượng chất nhất định đi vào tế bào. Dưới ảnh hưởng của quá trình vận chuyển đã làm cho áp suất thẩm thấu phía bên trong của tế bào luôn luôn có giá trị lớn hơn so với môi trường xung quanh.

* Hiệu điện thế Ở trạng thái cân bằng Gibbs - Donnan thì giữa hai phía màng luôn

luôn tồn tại một sự chênh lệch điện thế. Hiệu điện thế xuất hiện là do có sự


95

phân bố không đồng đều các ion ở trạng thái cân bằng Donnan. Hiệu điện thế đó được gọi là hiệu điện thế màng (Um).

Theo thí dụ trên ta thấy, khi cân bằng diễn ra thì phương trình cân bằng Gibbs -Donnan cho ta:

[Na+]1 [Cl-]1 = [Na+]2 [Cl-]2

Có thể viết lại theo tỷ số nồng độ ion như sau:

1

2

2

1

][][

][][

+

+

−

−

=NaNa

ClCl (5.20)

Lúc đó, phương trình hiệu số điện thế điện hoá của Nernst được

viết lại cho hiệu điện thế màng là:

2

1

1

2

][][

ln][][

ln−

−

+

+

==ClCl

ZFRT

NaNa

ZFRTU m (5.21)

III. Điện thế tĩnh. Trong cơ thể động vật, trên các tế bào, mô sống thường xuất hiện

và tồn tại nhiều loại điện thế khác nhau. Các loại điện thế này có cùng nguồn gốc như nhau nhưng tuỳ theo nguyên nhân xuất hiện, phương pháp đo đạc và điều kiện thí nghiệm mà ta có thể phân chia ra thành nhiều loại có tên gọi khác nhau. Đó là các loại điện thế cơ bản như điện thế nghỉ, điện thế tổn thương, điện thế hoạt động, điện thế tại chỗ.

Điện thế tĩnh hay còn gọi là điện thế nghỉ. Đó là điện thế đặc trưng

cho trạng thái sinh lý bình thường của đối tượng sinh vật. Nói cách khác, điện thế này cũng đặc trưng cho tính chất điện của hệ thống sống ở trạng thái trao đổi chất bình thường.

Điện thế tĩnh chính là hiệu điện thế bình thường tồn tại ở hai phía

màng, được xác định bằng cách ghi đo sự chênh lệch hiệu thế giữa tế bào chất và dịch ngoại bào. Có thể tiến hành thí nghiệm như dưới đây.

1. Thí nghiệm. Để khảo sát sự biến đổi dòng điện và đo hiệu điện thế màng của

một tế bào (mô sống hay một sợi thần kinh...) nào đó, thông thường ta hay sử dụng phương pháp ghi đo vi điện cực nội bào.

Thí nghiệm được tiến hành như hình 5.4 (a,b,c) dưới đây:


96

Hình 5.4: Ghi đo điện thế nghỉ.

(a

(b

(c

a) Đặt hai điện cực phía ngoài màng sinh học. b) Đặt một điện cực bên ngoài và một vi điện cực xuyên

qua màng. c) Cắm hai vi điện cực xuyên qua màng.

Ghi đo bằng cách đặt hai điện cực trên bề mặt sợi thần kinh, ta thấy kim điện kế ở đồng hồ đo dòng điện không lệch khỏi điểm không. Điều đó chứng tỏ không có sự chênh lệch điện thế giữa chúng (hình 5.4a).

Nếu đặt một điện cực ở phía bên ngoài màng và một vi điện cực cắm xuyên qua màng, ta thấy giữa hai điện cực này có xuất hiện một hiệu điện thế (hình 5.4b).

Còn khi chọc cả hai vi điện cực xuyên qua màng thì ta cũng thấy kim điện kế vẫn chỉ giá trị không. Điều đó chứng tỏ giữa hai điện cực không có một sự chênh lệch điện thế nào. (Hình 5.4c).

Kết quả thí nghiệm trên cho thấy: Giữa mặt ngoài tế bào không bị tổn thương và môi trường bên

ngoài không có sự chênh lệch điện thế. Ngược lại giữa phần bên trong tế bào và môi trường bên ngoài luôn luôn tồn tại một hiệu điện thế nào đó. Sự chênh lệch điện thế này được gọi là điện thế nghỉ hay điện thế tĩnh của màng (Resting membrane potential).

2. Đặc điểm.

Điện thế nghỉ có hai đặc điểm như sau: - Mặt trong tế bào sống luôn luôn có giá trị điện thế âm so với mặt

bên ngoài. Nói cách khác chiều điện thế nghỉ là không đổi. - Bình thường điện thế nghỉ có giá trị điện thế biến đổi rất chậm

theo thời gian. Bằng các phương pháp và kỷ thuật ghi đo tốt, ta có thể duy trì

dòng điện này trong một thời gian dài. Độ lớn điện thế giảm chậm theo thời gian. Giá trị này chỉ giảm đi khi chức năng của tế bào, hay của sợi cơ bắt đầu xuất hiện.


97

3.Các yếu tố ảnh hưởng đến điện thế nghỉ. Điện thế nghỉ đặc trưng cho trạng thái sinh lý bình thường của hệ

thống sống. Nếu thay đổi trạng thái sinh lý sẽ liên quan đến trạng thái chức năng của hệ. Do đó bất kỳ yếu tố nào làm ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất bình thường của nó cũng đều ảnh hưởng đến điện thế nghỉ của hệ, chẳng hạn như:

- Dưới tác dụng của dòng điện bên ngoài. - Giá trị điện thế bị thay đổi khi làm thay đổi thành phần ion của

môi trường. - Sự tác động của một số độc tố lên hệ thống sống cũng làm biến

đổi nhanh điện thế màng. - Khi thay đổi lượng oxy trong môi trường cũng sẽ liên quan đến

quá trình hô hấp của mô, cơ..., do đó sẽ làm ảnh hưởng đến điện thế nghỉ.

- ... Ở các loại tế bào khác nhau thì điện thế nghỉ cũng có giá trị khác

nhau. Giá trị này thay đổi trong khoảng từ -10mV đến -100mV. Sự chênh lệch điện thế tồn tại giữa các phần khác nhau trong một hệ sinh vật cũng là một trong những yếu tố đặc trưng cho cơ thể sống.

IV. Điện thế tổn thương. Điện thế tổn thương là hiệu điện thế xuất hiện do sự chênh lệch

điện thế giữa vùng bị tổn thương và vùng không bị tổn thương. Sự tổn thương xảy ra có thể do nhiều nguyên nhân khác nhau (như dưới tác động cơ học, nhiệt, điện, hoặc hoá học ...) đều làm xuất hiện sự chênh lệch điện thế. Loại điện thế này có cùng dạng như nhau trên các đối tượng sinh vật. Đặc trưng cơ bản của điện thế tổn thương là:

- Giá trị của hiệu điện thế giảm dần và biến đổi chậm theo thời gian.

- Điện thế tổn thương phụ thuộc nhiều vào điều kiện khảo sát và phương pháp ghi đo.

- Độ lớn điện thế bị ảnh hưởng nhiều tuỳ thuộc vào điều kiện sinh lý của các đối tượng nghiên cứu.

1. Đối tượng động vật. Thực nghiệm cho thấy rằng, ở trạng thái sinh lý bình thường thì

các thành phần ion ở mặt trong màng tế bào (mô, cơ...) và phía bên ngoài có sự phân bố ổn định. Còn giữa các vị trí khác nhau ở môi trường bên ngoài không bị tổn thương so với môi trường xung quanh sẽ không có sự


98

chênh lệch nào về điện thế. Nói cách khác, ở trạng thái sinh lý bình thường ta thấy có sự phân bố điện tích ban đầu ở hai phía màng sinh học. Nếu khi các tế bào (mô) bị tổn thương, sẽ làm ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển chất, mà cụ thể là sự trao đổi các chất qua màng tế bào. Nói tóm lại, sự tổn thương đối tượng sống mà cụ thể như tế bào (mô, cơ,..) đã làm thay đổi trạng thái chức năng của tế bào hay sẽ làm thay đổi trạng thái sinh lý bình thường của các đối tượng nghiên cứu.

2. Đối tượng thực vật. Khảo sát tính chất điện trên đối tượng thực vật cũng cho thấy có

nhiều điểm tương tự như ở động vật, đó là: - Có sự chênh lệch điện thế giữa vùng bị tổn thương và vùng

không bị tổn thương. - Điện thế tổn thương có giá trị âm. - Điện thế này tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn. - Giá trị điện thế giảm nhanh theo thời gian và tuỳ thuộc vào

điều kiện thí nghiệm, phụ thuộc vào khoảng cách giữa các vùng khảo sát.

- Khả năng xuất hiện điện thế này chỉ khu trú tại vùng bị thương tổn.

3. Các yếu tố ảnh hưởng. Thực nghiệm chứng tỏ rằng, các yếu tố nào làm ảnh hưởng đến

quá trình trao đổi chất bình thường của tế bào và mô đều làm thay đổi giá trị điện thế tổn thương như:

- Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường. - Thay đổi thành phần môi trường, nhất là đối với Oxy liên quan

nhiều trong quá trình trao đổi chất. - Sự tác động của các trường lực điện bên ngoài (điện trường, từ

trường..) liên quan đến sự chuyển dịch của các ion qua màng. - Sự tác động của các độc tố vào môi trường có liên quan đến sự

thay đổi điều kiện sinh lý bình thường.

V. Điện thế hoạt động. Điện thế hoạt động là sự dao động nhanh của điện thế màng. Dao

động điện màng xuất hiện trong các tế bào thần kinh, cơ, và một số tế bào khác khi có sóng hưng phấn truyền qua. Do đó dòng điện làm xuất hiện điện thế này còn được gọi là dòng điện hưng phấn. Tất cả tế bào sống đều có đặc tính dễ bị kích thích, tức là có khả năng chuyển từ điều kiện sinh lý bình thường ở trạng thái tĩnh sang trạng thái hoạt hoá. Dưới ảnh hưởng


99

của tác nhân kích thích nào đó, tế bào sẽ dễ dàng bị thay đổi tính chất hoá lý của màng.

Khi có sóng hưng phấn truyền đến, dấu hiệu điện tích ở hai phía màng tế bào bị đảo ngược hẳn lại so với giá trị điện thế nghỉ lúc ban đầu. Hiệu điện thế này xuất hiện là do có sự chênh lệch về giá trị điện thế giữa hai phía của màng. Lúc này giá trị của điện thế ở mặt bên ngoài sẽ âm hơn so với điện thế mặt bên trong của nó. Để xác định điện thế hoạt động, thông thường ta sử dụng các kỹ thuật ghi đo vi điện cực nội bào. Có thể tiến hành khảo sát sự xuất hiện điện thế hoạt động bằng hai phương pháp như dưới đây:

1. Phương pháp 2 pha. Có thể tiến hành khảo sát trên sợi thần kinh được kích thích tại ví

trí (1), hai điện cực đặt tại hai vị trí (2) và (3) trên mặt sợi thần kinh. Theo dõi sự biến đổi giá trị điện thế của chúng qua một điện kế G nhạy nối giữa hai điện cực như hình (5.5):

Hình 5.5: Ghi đo điện thế hoạt động hai pha a) Kích thích tại vị trí (1). b) Sóng hưng phấn truyền đến vị trí (2). c) Sóng hưng phấn nằm giữa vị trí (2) và (3). d) Sóng hưng phấn truyền đến vị trí (3).

(a)

(1) (2) (3)

U = 0

(b)

(1) (2) (3)

U = 60V

(c)

(1) (2) (3)

U = 0

(d)

(1) (2) (3)

U = -60V


100

Nếu dùng một tác nhân nào đó kích thích sợi thần kinh tại vị trí (1); thì theo quan niệm cổ điển sẽ có một sóng hưng phấn mang điện tích âm truyền dọc theo sợi thần kinh.

- Khi sóng kích thích lan truyền đến vị trí (2) thì giữa hai điện cưc đặt tại vị trí (2) và (3) sẽ xuất hiện một giá trị hiệu điện thế U nào đó, khoảng 60 mV (hình 5.5b)

- Sóng kích thích lan dần về vị trí (3) thì hiệu điện thế này giảm dần và tiến gần đến giá trị điện áp bằng không (U = O mV) khi sóng hưng phấn ở trong vùng giữa vị trí (2) và (3). Khi sóng kích thích tiến tới vị trí (3) thì hiệu điện thế giữa hai cực biến đổi về phía điện thế âm (hình 5.5c).

- Khi sóng kích thích truyền đến vị trí (3) thì điện thế âm này đạt giá trị điện áp tới hạn (Uth) (Uth = -60 mV) như hình 5.5d.

- Khi sóng rời khỏi vị trí (3) thì hiệu điện thế giữa hai điện cực trở về lại giá trị U bằng không như ban đầu. Theo dõi đặc tuyến biến đổi theo thời gian ta được dạng điện thế hoạt động như (hình 5.6):

Ub

Ud

U

0 t

Hình 5.6: Đặc tuyến biến đổi của điện thế hoạt động hai pha theo thời gian

2. Phương pháp một pha. * Phương pháp ghi đo. Phương pháp một pha là phương pháp ghi đo điện thế hoạt động

bằng cách dùng một điện cực đặt tại vị trí (2) và một vi điện cực khác cắm xuyên qua màng đặt ở vị trí (3). Sau đó kích thích tại vị trí (1) và khảo sát sóng hưng phấn kích thích truyền dọc theo đối tượng nghiên cứu (tế bào, sợi cơ, ...) như (hình 5.7):


101

(

a)

(1) (2) (3)

U = -60V

(c)

(1) (2) (3)

U = -60V

(b)

(1) (2) (3)

U = 0

Hình 5.7: Sơ đồ ghi đo điện thế hoạt động một pha trên sợi thần kinh.

a) Kích thích tại vị trí (1). b) Sóng kích thích truyền đến vị trí (2). c) Sóng kích thích truyền đến vị trí (3).

- Khi chưa kích thích, giữa điện cực (2) và vi điện cực (3), có xuất

hiện một sự chênh lệch điện thế, đó là điện thế nghỉ của sợi thần kinh. Điện thế này có giá trị khoảng - 60mV đến - 100mV.

- Khi kích thích tại vị trí (1), sóng hưng phấn lan truyền đến vị trí (2) thì hiệu điện thế này tăng dần lên từ giá trị điện thế âm đến giá trị không. Hiệu thế này tăng nhanh và đạt tới giá trị cao nhất tại điện thế không (U = 0) khi sóng hưng phấn đến vị trí (2) (hình 5.7b).

- Khi sóng hưng phấn truyền từ vị trí (2) đến (3) thì hiệu điện thế hoạt động một pha giảm trở lại về điện thế nghỉ như lúc đầu (-80mV)

Vậy điện thế hoạt động một pha chính là sự biến đổi nhanh chóng

của điện thế ngh ỉ dưới tác dụng của một tác nhân kích thích nào đó. Dạng điện thế hoạt động một pha biến đổi theo thời gian trong thí

nghiệm trên một sợi thần kinh, được biểu diễn như (hình 5.8):


102

Hình 5.8: Đặc tuyến biến đổi của điện thế hoạt động một pha

-40

-80

0

U(mV)

a b ct

theo thời gian. * Các giai đoạn hình thành. Khoảng vài thập niên trở lại đây, nhờ các thiết bị ghi đo hiện đại,

điện thế hoạt động một pha được biểu diễn một cách tỉ mỉ, chính xác hơn. Sự hình thành điện thế hoạt động được chia ra làm nhiều giai đoạn như (hình 5.9). Đo trên sợi thần trục khổng lồ của thần kinh cá mực, ta thấy điện thế nghỉ có giá trị khoảng -60mV phần đỉnh của điện thế hoạt động có giá trị khoảng 50mV.

Hình 5.9: Các giai đoạn biến đổi của điện thế hoạt động

-20

-40-60-80

60

40

20

O

U (mV)

A

A’

B

B’

C D

Kêch thêch

Càõm vi âiãûn cæûc


103

Điện thế hoạt động có các giai đoạn biến đổi là: + Giai đoạn khử cực (Depolarization), đoạn AA’. Lúc này hiệu

điện thế ở hai phía màng biến đổi từ giá trị điện thế nghỉ (U nghỉ) đến điểm có điện thế bằng không (U = 0 mV)

+ Giai đoạn quá khử cực, đoạn A’BB’. Trong giai đoạn này hiệu điện thế ở hai phía màng vượt quá giá trị điện thế không, tiếp tục biến đổi về phía có điện thế dương.

+ Giai đoạn phân cực lại (Repolarization), đoạn B’C. Đó là giai đoạn mà hiệu điện thế ở hai phía màng giảm trở lại về giá trị điện thế nghỉ.

+ Giai đoạn quá phân cực, đoạn CD. Giai đoạn này ứng với lúc hiệu điện thế ở hai phía màng có giá trị âm hơn điện thế nghỉ.

Nếu kích thích có cường độ đủ lớn ta nhận thấy rằng: - Trong thời gian xuất hiện pha lên (nhánh lên) điện thế màng vượt

quá giá trị điện thế không, ta thấy có sự đảo cực của điện thế màng. - Trong pha xuống (nhánh xuống), màng có sự phân cực lại. Điện

thế hoạt động ở pha này phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai điện cực và phụ thuộc nhiều vào tốc độ dẫn truyền hưng phấn.

Các nghiên cứu của Erlange và Gatse đã chứng minh rằng: -Điện

thế hoạt động ghi được từ một thần kinh là tổng các điện thế lan truyền trên các sợi tơ cơ cấu tạo nên sợi trục thần kinh đó (hình 5.10)

0,4

1,2

2,4

0

50

100

U (mV)

t (ms)

Hình 5.10: Điện thế hoạt động của tơ cơ và sợi thần kinh. Từ đặc tuyến trên, tác giả đã giải thích cho ta thấy rằng:-Có sự tương

ứng giữa giá trị điện thế hoạt động ghi đo được trên sợi của thần kinh của


104

mèo (nét đứt) và điện thế hoạt động xuất hiện ghi đo được trên từng sọi tơ thần kinh tổng hợp nên sợi trục thần kinh đó (nét liền).

VI. Bản chất của điện thế tĩnh và điện thế tổn thương. Để giải thích về cơ chế, bản chất và nguồn gốc của các loại điện

thế sinh vật, ta dựa vào một số giả thuyết, các lý thuyết ion cũng như một số cách lý giải khác của các nhà khoa học:

Có nhiều quan điểm khác nhau để giải thích về sự hình thành điện thế sinh học. Tuy nhiên lý thuyết mà đang được nhiều nhà khoa học chấp nhận và có cơ sở vững chắc hơn cả, đó là “Lý thuyết ion màng”.

Theo thuyết này, trong quá trình hình thành điện thế sinh vật thì các ion (đặc biệt là các ion Na+, K+, Cl-) ở trong dịch nội bào và bên ngoài tế bào đóng vai trò quyết định. Cho đến nay lý thuyết này vẫn chiếm nhiều ưu thế trong việc giải thích hiện tượng điện sinh vật. Dựa vào lý thuyết trên, ta có thể giải thích về sự hình thành các loại điện thế sinh vật cơ bản.

Trước khi giải thích cơ chế hình thành điện thế nghỉ và điện thế tổn

thương, ta khảo sát sự phân bố các loại ion chính ảnh hưởng đến hiệu thế màng. Ở trạng thái bình thường, có thể xác định được giá trị điện thế tĩnh tương ứng với sự phân bố nồng độ ion ở hai phía màng. Chẳng hạn như sự phân bố ion trong tế bào “cơ Mamalian” như (bảng 5.1):

Bảng 5.1: Nồng độ một số loại ion trong tế bào cơ Mamalian

Nồng độ ion dịch ngoại bào [ion]0

(μM/cm3)

Nồng độ ion dịch nội bào [ion]i

(μM/cm3)

[ion]0 / [ion]i εm (mV)

Cations: Na+ 145 K+ 4 H+ 3,8.10-5

.. .. .. ion khác 5

Cations Na+ 12 K+ 155 H+ 13.10-5

.. .. ..

12,1 1/39 1/3,4

66 -97 -32


105

Anion Cl- 120 HCO3

- 27 .. .. .. Ion khác 7

Anion Cl- 4 HCO3

- 8 .. .. .. A- 155

30 3,7

-90 -32

Điện thế 0 -90 1/30 -90

1. Nhận xét: Khảo sát các thành phần tương tự như trên ở nhiều đối tượng

nghiên cứu khác nhau, như thần kinh ếch, tim chuột cống, cơ xương chó .. .., ta thấy có sự phân bố không đồng đều của các loại ion ở hai phía màng. Đặc biệt, đối với các loại ion Na+, K+, Cl- cho thấy tỷ lệ giữa các ion này thường là:

- Ion K+ trong tế bào lớn hơn bên ngoài khoảng vài chục lần. - Ion Na+ ở bên ngoài lớn hơn bên trong rất nhiều. - Ion Cl- ở bên ngoài lớn hơn bên trong khoảng 30 lần.

2. Lý thuyết ion màng

Bernstein là người đầu tiên cho rằng, điện thế tĩnh là kết quả của sự phân bố không đều các ion ở hai phía màng tế bào. Ở trạng thái tĩnh, màng không thấm ion Na+ và Cl- mà chỉ cho các ion K+ lọt qua. Hiện tượng vận chuyển các chất xảy ra, do đó có sự phân bố không đều cả ba loại ion này ở hai phía màng tế bào. Ngoài ra màng có tính bán thấm và tính thấm của màng đối với từng loại ion là khác nhau, đó là yếu tố cơ bản đã tạo nên điện thế tĩnh. Điện thế tĩnh có các giá trị khác nhau tuỳ thuộc vào đối tượng nghiên cứu.

Boyler và Conwey phát triển thêm quan điểm của Bernstein, bằng cách chứng minh cho ta thấy rằng màng đã thấm đồng thời đối với cả ion K+ và Cl-. Ở trạng thái tĩnh, các ion Na+, K+, Cl- được phân bố trở lại tại hai phía màng. Quá trình vận chuyển và cơ chế hoạt động giống như sự phân bố của các ion trong trạng thái cân bằng Donnan.

Do đó, điện thế tĩnh (US) cũng được xác định bằng tỉ số nồng độ của các loại ion đã khuyếch tán qua màng. Hơn nữa do tính bán thấm của màng đối với từng loại ion mà có sự phân bố lại các điện tích của chúng ở hai phía màng. Thực nghiệm cho thấy phía trong màng tích điện âm còn phía ngoài màng tích điện dương.


106

Khi cân bằng Donnan điện thế tĩnh của màng tế bào động vật có thể xác định bởi công thức:

0

0

][][ln

][][ln −

−

+

+

==ClCl

ZFRT

KK

ZFRTU i

iS

(5.22) Trong đó: [K+]0 và [Cl-]0 là các nồng độ ion ở môi trường bên ngoài tế bào. [K+]i và [Cl-]i là các nồng độ ion ở phía bên trong tế bào.

Goldmann đã đưa ra giả thuyết là: - Màng tế bào có tính đồng nhất về cấu trúc và điện trường tác

dụng lên màng tại mọi vị trí là không đổi. - Dung dịch điện ly của các dịch sinh vật được coi như là dung

dịch lý tưởng. - Màng có tính chất bán thấm nhưng không phải hoàn toàn tuyệt

đối, nghĩa là có thể cho ion này qua còn ion khác thì không thể qua được. Để đặc trưng cho khả năng dịch chuyển của các ion qua được màng nhiều hay ít, ta dùng đại lượng hệ số thấm (P) cho từng loại ion.

- Các ion Natri cũng có tham gia vào quá trình hình thành nên điện thế tĩnh này.

Do đó công thức về điện thế tĩnh được Goldmann xác định lại như sau:

(5.23)

0

00

][][][ln

−++ ++=

PPPFU S

][][][ −++ ++ClNaKClPNaPKPRT

CliNaiK

iClNaK

Trong đó: PK, PNa, PCl, là hệ số thấm đối với các ion Kali, Natri và

Clo. Những nghiên cứu gần đây đã xác định về sự hiện diện của ion Natri tham gia vào quá trình hình thành điện thế màng. Bằng phương pháp đồng vị phóng xạ đánh dấu đã cho ta kết quả như sau:

-Màng tế bào thấm tốt đối với ion K+ , Cl- và ít thấm đối với ion Na+ (tốc độ dòng ion Natri vào khoảng 14. 10-12 mol/ cm2 /sec).

Từ các kết quả thực nghiệm, Hodgkin và Keynes đã khẳng định

một cách chắc chắn rằng: -“Màng tế bào thấm đối với ion Natri, mặc dầu ít nhưng không thể bỏ qua được”.

Tóm lại thuyết ion màng đã chiếm nhiều ưu thế về việc giải thích bản chất sự hình thành điện thế tĩnh. Kết quả đo từ thực nghiệm hoàn toàn phù hợp với lý thuyết. Thực vậy, giá trị tính toán từ lý thuyết gần đúng với kết quả đo được từ thực tế. Tuy nhiên lý thuyết càng rắc rối và cũng không


107

thể dễ dàng giải thích trên nhiều đối tượng khi mà điều kiện thí nghiệm khá phức tạp.

Thật vậy lý thuyết ion màng cho rằng, các ion đều khuyếch tán qua màng dưới ảnh hưởng của Gradient. Tuy nhiên khi nghiên cứu trên một số động vật thì các ion Kali không phải hoàn toàn ở trạng thái tự do mà có thể còn liên kết với các chất bên trong tế bào. Kết quả lý thuyết và thực nghiệm khi khảo sát trên cơ ếch theo ba phương pháp được xác định như (hình 5.13).

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0,5

Hình 5.13: Giá trị điên thế tĩnh của cơ ếch theo các phép đo Nếu làm thay đổi nồng độ ion Kali ở môi trường bên ngoài cơ ếch

thì điện thế tĩnh đo được có sự sai khác nhau ít nhiều so với các kết quả tính toán từ lý thuyết.

VII. Bản chất của điện thế hoạt động. Tất cả tế bào sống đều có đặc tính dễ bị kích thích, nghĩa là có

nhiều khả năng để chuyển từ trạng thái tĩnh sang trạng thái hoạt hoá dưới ảnh hưởng của các tác nhân. Sự biến đổi các thông số đặc trưng cho trạng thái, thực ra là do bị thay đổi tính thấm của màng.

Tuy nhiên thuật ngữ “tế bào dễ hưng phấn” thông thường hay

được sử dụng đối với các loại tế bào thần kinh, cơ.. ..nghĩa là các đối tượng này có khả năng đáp ứng ngay dưới tác dụng của nguồn kích thích. Đáp ứng thay đổi do kích thích thường được biểu hiện bằng sự xuất hiện

1 5 10 50 100[K+]O

mM/ l

UM (mV)

Kãút quaí thæûc nghiãûm Tênh theo Goldmann Tênh theo Nernst


108

một điện thế hoạt động. Về bản chất và cơ chế hình thành điện thế khá phức tạp, dựa vào lý thuyết ion màng ta mới có thể giải thích một cách hợp lý nhất.

1. Sự khử cực và tái phân cực. - Ta biết rằng ở trạng thái nghỉ, có sự phân bố các loại ion ở hai

phía màng làm cho bên trong màng tích điện âm và phía bên ngoài màng tích điện dương. Điện thế đó chính là giá trị cuả điện thế nghỉ của tế bào trạng thái bình thường (hình 5.14a).

- Khi màng tế bào được kích thích thì tế bào ở trạng thái hưng phấn. Theo Bernstein và một số tác giả khác đã cho rằng màng tế bào thấm với một số loại ion nào đó. Khi tính thấm của màng đối với những ion Na+ đột nhiên tăng, thì nhiều ion Na+ thấm từ ngoài vào phía trong màng, mang đủ lượng điện tích dương vào phía trong. Trạng thái nghỉ bình thường biến mất, phía trong màng có giá trị điện thế dương hơn so với giá trị điện thế âm lúc bình thường. Sự phân cực trở lại trong lúc này được gọi là điện thế biến đổi (reversal potention) và giai đoạn này được gọi là giai đoạn khử cực (hình 5.14b).

a) Trạng thái nghỉ b)Trạng thái khử cực c)Trạng thái phân cực lại

Hình 5.14: Sự phân bố điện tích ở các giai đoạn

của điện thế hoạt động

- Ngay lập tức sau khi có sự khử cực khoảng một phần trăm giây (milisecond), màng hầu như thấm hoàn toàn đối với các ion Na+. Do mất cân bằng ion thì bơm Na+ và K+ xuất hiện đưa ion Na+ quay trở lại. Vì vậy tạo thành đã tạo sự cân bằng mới của các ion giữa hai phía màng. Sự phân cực lúc đó của màng giống như sự phân bố ion lúc ban đầu, nên giai đoạn này được gọi là giai đoạn phân cực lại (hình 5.14c).


109

2. Sự thay đổi tính thấm của màng. Theo Hodgkin hay Huxley thì giữa điện thế màng và những ion đi

qua màng có mối liên quan với nhau. Các ion đi qua màng tuỳ thuộc vào tính thấm của màng, nên dựa vào tính chất này đối với các loại ion hoặc nói một cách khác là có thể dựa vào sự thay đổi về độ dẫn điện bởi các ion. Điện dẫn thay đổi làm điện thế màng (Um) cũng thay đổi theo khi đối tượng sinh vật trong trạng thái hoạt động.

* Khảo sát đồ thị biểu diễn độ dẫn điện của ion Na+ và ion K+ ,

tương ứng như khi khảo sát đặc trưng tính thấm của màng, ta được kết quả như (hình 5.15).

Ta thấy mọi sự khử cực màng đều làm tăng tính thấm của màng đối với ion Na+ . Khi sự khử cực đạt tới một giá trị nào đó (ngưỡng khử cực) thì tính thấm của màng đối với ion Na+ đột nhiên tăng vọt lên. Tương ứng khi đó độ dẫn điện của màng đối với các ion Na+ cũng tăng lên hàng ngàn lần. Sự gia tăng này chỉ tạm thời trong suốt thời gian rất ngắn, khoảng một phần nhỏ của mili giây (ms).

Còn đối với ion K+ ta thấy lúc màng ở trạng thái nghỉ, độ dẫn điện

của ion K+ lớn gấp khoảng 100 lần đối với ion Na+. Nhưng trong giai đoạn đầu hình thành điện thế hoạt động, độ dẫn ion K+ chỉ tăng lên khoảng 30 lần đến 40 lần trong khi độ dẫn đối với ion Na+ lại tăng lên hàng ngàn lần.

Vì tính thấm ion K+ xảy ra trễ hơn và kéo dài trong một thời gian lâu hơn so với sự gia tăng của ion Na+. Các giai đoạn biến đổi trong điện thế hoạt động thường không đồng bộ nhau, nên ta phải khảo sát điện thế hoạt động dựa trên sự thay đổi về tỉ số độ thấm giữa chúng, nghĩa là dựa vào giá trị:

PNa / PK Hoặc tương ứng với sự thay đổi về tính thấm, ta cũng có thể khảo

sát sự biến đổi phụ thuộc theo tỉ số độ dẫn điện: δNa / δK


110

Hình 5.15: Biến đổi độ dẫn Na+, K+ màng tế bào tương ứng với sự

hình thành điện thế hoạt động (theo Hodgkim và Huxley).

PNa

PK

0,001

0,01

0,1

100

10

1

10 1,5

0,5

ms

Âiãûn thãú

Âiãûn thãú hoaût âäüng

Tyí säú âäü dáùn

0

20

60

40

- 20 - 40 - 60 - 80 - 100

0,01

0,1

100

0,001

10

1


111

+ Sự phát triển của giai đoạn khử cực: Trong giai đoạn này, thì độ dẫn của ion Na+ tăng lên hàng ngàn lần, đồng thời khi đó độ dẫn của ion K+ thay đổi không đáng kể. Kết quả đo được cho thấy có sự phân cực ngược trở lại so với ban đầu. Lúc này độ dẫn của ion Na+ lớn hơn độ dẫn của ion K+ khoảng 30 lần. Nói cách khác tính thấm của màng đối với ion Na+ bây giờ lớn hơn nhiều so với ion K+.

Vì vậy điện thế màng trong giai đoạn này được xác định gần như hoàn toàn bởi sự khuyếch tán của ion Na+ hơn là do bởi các ion K+.

Dựa vào công thức tính điện thế ion, ta được.

(3.24)

Vậy khi tế bào ở trạng thái hưng phấn, màng tế bào bị khử đi dẫn đến làm điện thế nghỉ giảm. Sự giảm điện thế nghỉ làm cho các ion Na+ chuyển động theo hướng gradient nồng độ vào tế bào một cách mạnh mẽ hơn trước. Dòng điện do các ion này tạo ra càng bị khử cực mạnh, đó chính là giai đoạn quá khử cực của màng (hình 5.14b).

iNa Na

NaZFRTU

][][

ln 0+

+

=

+ Giai đoạn phân cực lại: Độ dẫn điện của ion Na+ lớn hơn độ dẫn điện của ion K+ chỉ trong

khoảng thời gian vài mili giây (milisecond), nên giai đoạn tiếp theo sau đó ta thấy màng giống như trở nên “không hoạt động” nữa. Tính thấm của màng đối với ion Na+ lại bị ức chế, còn tính thấm của màng đối với ion K+ lại tăng lên.

Điện thế màng lúc này chịu sự ảnh hưởng nhiều bởi ion K+. Tính thấm K+ gia tăng trễ nhưng kéo dài lâu hơn, lượng ion K+ khuyếch tán từ trong ra ngoài tế bào qua màng theo hướng gradient nồng độ một cách mạnh mẽ làm cho mặt trong tế bào có giá trị âm hơn mặt bên ngoài. Quá trình phát triển theo khuynh hướng tiến tới cân bằng, và điện thế lúc này được xác định chủ yếu bởi sự tham gia của ion K+, màng bị tăng nhanh quá trình phân cực trở lại ở hai phía màng.

Hậu quả của giai đoạn trên kết hợp cùng với sự hoạt động của bơm ion Na+ - K+ trong giai đoạn phân cực lại đã đưa màng trở về điện thế nghỉ ban đầu. Màng càng có giá trị điện thế âm hơn nhiều. Đồng thời với sự phát triển của ion K+ lúc này khuyếch tán qua màng một cách hoàn toàn, làm cho màng có sự phân cực nhiều hơn. Do đó điện thế phía trong màng lúc này có giá trị âm hơn điện thế nghỉ bình thường. Giai đoạn hình thành của điện thế hoạt động này chính là giai đoạn quá phân cực của màng tế bào.


112

Dựa vào công thức Nernst để xác định giá trị điện thế hình thành trong giai đoạn phân cực lại (chủ yếu do K+ tạo nên), ta được:

iK K

KZFRTU

][][

ln 0+

+

= (3.25)

VIII. Áp dụng phương pháp đo điện thế trong chẩn đoán

và điều trị bệnh. Hiện tượng điện động, ngày nay đã được sử dụng một cách phổ

biến trong Y-Sinh học. Dựa vào các quy luật tự nhiên, các phương pháp vật lý, lý thuyết lý sinh để nghiên cứu hệ thống sống một cách khoa học. Tuỳ theo nguồn tác nhân có bản chất lý hoá khác nhau mà làm thay đổi quá trình phân bố điện tích ở hai phía màng tế bào, thay đổi tính thấm, thay đổi áp suất thẩm thấu ...của đối tượng sinh vật. Nói chung, các yếu tố tác động trên đều làm thay đổi trạng thái nhiệt động, do đó làm ảnh hưởng quá trình trao đổi chất, dẫn đến sự thay đổi trạng thái chức năng của các cơ quan trong hệ thống sống.

Tuy nhiên dưới ảnh hưởng của tác nhân là các loại dòng điện ngoài có thể xảy ra nhiều tác dụng khác nhau về nhiều mặt lên cơ thể người và động vật. Chẳng hạn như:

- Dưới tác dụng của dòng điện một chiều, ta thấy các điện tích-ion chịu tác động của lực điện trường. Sự phân bố trở lại các điện tích trên đối tượng khảo sát đã làm ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất cũng như trao đổi ion qua màng.

Nói một cách khái quát là có sự thay đổi tính chất hoá lý, các chỉ tiêu sinh học của những đối tượng sinh vật. Dòng điện một chiều được ứng dụng nhiều trong Y học để làm nguồn tác nhân kích thích cơ quan thụ cảm thần kinh, đo suất Galvanotonus, hoặc sử dụng điều trị trong ion liệu pháp (thí nghiệm LeDue)

- Dưới tác dụng của dao động điện từ : Dòng điện cao tần được sử dụng rộng rãi trong y học để điều trị bệnh. Dựa trên các hiệu ứng nhiệt, hiệu ứng điện - cơ không mang bản chất nhiệt hoặc hiệu ứng kích thích. Ngày nay trong vật lý trị liệu ứng dụng loại dòng điện này để điều trị các bệnh về xương, khớp, kích thích cơ, thần kinh và phục hồi chức năng...

- Dưới tác dụng của nguồn kích thích dạng xung dòng điện hay xung điện áp với cường độ nhỏ và biến đổi trong khoảng thời gian ngắn, tần số thích hợp để tạo các kích thích điện. Trong Vật lý trị liệu, người ta thường dùng xung kích thích để điều trị các


113

bệnh thần kinh, mạch máu, rối loạn chuyển hoá...Trong lâm sàng, người ta còn sử dụng nguồn tác nhân kích thích để tạo các kích thích điện, sốc điện (electric shock). Để thăm dò chức năng hoạt động của cơ, thần kinh, trong nghiên cứu y học người ta thường đưa ra các thông số như thời trị (Chronaxy), thời gian đáp ứng hoặc để xác định về ngưỡng kích thích (Rhéobase) của các đối tượng nghiên cứu.

- Dựa trên hiện tượng điện động để làm thay đổi tính chất hoá lý của các tế bào, thay đổi quá trình trao đổi ion cũng như trao đổi chất trong hệ thống sống. Tóm lại, ngày nay việc ứng dụng về hiện tượng điện động trong Y-Sinh được sử dụng khá phổ biến và đóng vai trò thiết yếu không thể thiếu trong việc chẩn đoán, thăm dò và điều trị bệnh.


114

Chương 6

ĐIỆN ĐỘNG HỌC

I. Các hiện tượng điện động học. Các tế bào, các tổ chức sống, các cơ quan của hệ thống sống

là một hệ keo dị thể phức tạp bao gồm nhiều pha khác nhau. Do tác động của điện trường ngoài không đổi đã làm xuất hiện sự chuyển động tương đối giữa các pha trong hệ, ngược lại nếu các pha có thành phần chất hoà tan khác nhau thì dưới chuyển động cơ học của các ion cũng sẽ tạo nên trong hệ một hiệu điện thế nào đó. Các hiện tượng điện xuất hiện trong quá trình này được gọi là các hiện tượng điện động và chúng được phân thành các loại sau đây như: điện di, điện thẩm, điện thế chảy, điện thế lắng...

Năm 1809 Reis là người đầu tiên phát hiện thấy các hiện tượng điện động học khi nghiên cứu chuyển động của các hạt đất sét dưới tác dụng của dòng điện một chiều. Qua thí nghiệm của mình, Reis thấy rằng các hạt keo mang điện tích cũng có khả năng vận chuyển được trong điện trường, đồng thời cùng với quá trình biến đổi đó thì môi trường phân tán cũng sẽ chuyển động theo. Như vậy trong thí nghiệm trên, Reis đã phát hiện ra hai hiện tượng đặc biệt quan trọng, là khi các hạt tích điện sẽ dịch chuyển dưới tác dụng của điện trường ngoài, đó là hiện tượng điện di hay điện thẩm.

1. Điện thẩm. Là sự chuyển động của các môi trường phân tán tới phía điện

cực cùng dấu với diện tích bề mặt của pha phân tán. Dựa vào sự dịch chuyển của các ion trong điện trường ta dễ dàng phân tích một hỗn hợp polime sinh vật bằng hiện tượng điện thẩm hay điện chuyển trên băng ghi. Dịch sinh vật là các dung dịch điện ly có nhiều thành phần, với độ hoà tan khác nhau. Do đó dưới tác dụng của điện trường ngoài, các dung dịch loãng và các đại phân tử ion hoá có tốc độ dịch chuyển khác nhau. Hiện tượng điện thẩm dễ dàng phân biệt được đó là sự chuyển động của dòng chất lỏng, trong khi đó dòng chuyển động của các hạt (phân tử và các đại phân tử ion hoá) là do hiện tượng điện di tạo nên. Qúa trình điện thẩm có thể xảy ra trong nhiều trường hợp và qua các tổ chức sinh học khác nhau, chẳng hạn như da ếch, màng tế bào, thành động mạch, mao quản, vách mao mạch...


115

Dựa vào giá trị hiệu số điện thế điện hoá của lớp điện tích kép ( ξ ), Smolukhovski đã đưa ra công thức để xác định tốc độ chuyển động tương đối của các hạt giữa hai lớp là:

(6.1)

Ev

πηξε

=4

Trong đó: ε là hằng số điện môi của môi trường

η là hệ số nội ma sát của dung dịch, E là cường độ điện trường tĩnh (ξ và E được tính theo đơn vị mV )

2. Điện thế chảy. Điện thế chảy xuất hiện khi chất lỏng chuyển động dưới tác

dụng của áp suất thuỷ tĩnh qua các mao quản, hoặc các lỗ nhỏ của màng, mà thành lỗ có mang điện tích. Hiện tượng dịch chuyển của các chất làm xuất hiện điện thế chảy theo chiều hướng ngược lại so với hiện tượng điện thẩm. Ở đây sự chuyển động của môi trường phân tán sẽ tạo nên một hiệu điện thế trong bản thân hệ.

Để thấy rõ điều này, ta tiến hành thí nghiệm như sau: -Dùng

một bình thuỷ tinh hai ngăn chứa dung dịch sinh lý, ngăn cách nhau bằng một màng da ếch. Ở đây dung dịch sinh vật là các môi trường phân tán, còn màng da ếch đóng vai trò để tạo ra các pha phân tán. Hiện tượng xảy ra được biểu diễn như (hình 6.1) dưới đây:

Hình 6.1: Điện thế chảy xuất hiện qua các lỗ màng.

Nếu tăng áp suất ở nữa bình phía bên trái thì chất lỏng sẽ

chuyển động về bên phải bình, đồng thời giữa hai phía của bình sẽ xuất hiện một hiệu điện thế. Điện thế mới hình thành đó chính là giá trị của điện thế chảy. Sự chênh lệch điện thế ở hai bình là hiệu điện


116

thế đo được ở hai phía của màng ngăn cách hai dung dịch. Nguyên nhân xuất hiện hiệu điện thế trên là do trạng thái cân bằng tĩnh điện bị phá vỡ. Điện thế chảy cũng dễ dàng khảo sát được khi tiến hành thí nghiệm với các dịch sinh vật và cho chuyển động qua các màng xốp hay các màng bán thấm. Do đó, dựa vào hiện tượng đã trình bày trên, thông thường người ta hay sử dụng các màng lọc để đo độ xốp của các đối tượng nghiên cứu là các tổ chức sinh vật.

3. Điện thế lắng. Điện thế lắng là hiệu số điện thế xuất hiện giữa lớp trên và lớp

dưới của dung dịch đa pha trong quá trình lắng các hạt mang điện của các pha phân tán dưới tác dụng của trọng lực. Bản chất của hiện tượng làm xuất hiện loại điện thế này khác hẳn so với hiện tượng làm xuất hiện hiệu điện thế trong quá trình điện di.

Có thể khảo sát hiện tượng xảy ra trong quá trình lắng của máu chẳng hạn (hình 6.2). Máu là một dung dịch keo, các thành phần hữu hình của máu (hồng cầu, bạch cầu) có trọng lượng riêng lớn hơn huyết thanh nên sẽ lắng xuống đáy bình. Trong quá trình lắng máu đã làm xuất hiện một sự chênh lệch điện thế giữa lớp trên và lớp dưới của dịch sinh vật. Điện thế xuất hiện trong trường hợp này chính là điện thế lắng.

Hình 6.2: Điện thế lắng trong quá trình lắng máu

Quá trình chuyển động làm xuất hiện điện thế lắng của máu

có thể giải thích như sau: Hiện tượng lắng máu làm các ion dương tách ra khỏi sự chuyển động của các thành phần hữu hình. Kết quả thực nghiệm cho ta thấy rõ điều đó, các lớp dưới của dung dịch có điện thế âm vì mang điện lượng âm, còn các lớp trên mang điện thế dương vì có nhiều điện tích dương.


117

Tất cả các hiện tượng điện động đều liên quan đến sự xuất hiện hiệu điện thế giữa pha phân tán và môi trường phân tán.

Điện thế này còn được gọi là điện thế điện động hoặc Zeta điện thế (ξ - điện thế). Thế điện động chỉ xuất hiện do quá trình chuyển động của các pha trong hệ dị thể. Hiệu điện thế này được hình thành trên ranh giới giữa màng dung môi cực mỏng (gọi là lớp hấp phụ) trên bề mặt của hạt và toàn bộ phần chất lỏng còn lại của dung dịch.

4. Điện di. Điện di là phương pháp phân tích dựa trên sự dịch chuyển các

điện tích, phân tử nhiễm điện dưới tác dụng của trường lực điện không đổi. Thông thường, ta sử dụng phương pháp điện di để tách chiết các thành phần albumin, globulin trong huyết thanh; điện di protéin (phức chất lipid với protéin); điện di glucoprotéin (xác định các thành phần của protéin và glucid trong huyết thanh).

Năm 1937, Tiselius là người đầu tiên đã đưa ra phương pháp điện di trong môi trường tự do để khảo sát sự hiện diện của protéin trong huyết thanh. Sau Tiselius, Cremer ta thấy có nhiều nhà khoa học khác như Durrum đã xây dựng lý thuyết về hiện tượng này một cách tường minh. Trong hệ thống sống, các dịch sinh vật là các dung dịch điện ly, thông thường là sự phân ly không tuyệt đối hoàn toàn. Nếu gọi α là hệ số phân ly, với quá trình sinh vật thuận nghịch thì phản ứng sẽ diễn ra như sau:

Thí dụ: Khảo sát sự hoà tan của Axit Acetic trong nước. Nếu dung dịch có nồng độ C mol Axit Axetic khi hoà tan trong một lít nước, ta có:

CH3 - COOH CH3COO- + H+ Và nồng độ phân tử gam là: C(1- α ) Cα Cα

Với α là hệ số phân ly. Theo định luật Guldberg và Waage thì:

(6.2)

.)1(

. ConstC

CC=

−ααα

KC

=−α

α1

2

(6.3) Với K là hằng số ion.


118

Tốc độ của các loại ion là khác nhau, nên nếu gọi ν+ và ν- là độ linh động của các ion dương và âm thì mật độ dòng điện là:

(6.4) )( −+ += ννne

Si

Với i là dòng điện bên ngoài, S là tiết diện của vật. Khi hạt mang điện có điện lượng q là các đại phân tử Protéin,

các hạt keo hay hạt mixen thì dưới tác dụng của điện trường E, chúng sẽ dịch chuyển với vận tốc v. Còn khi lực điện trường (fe) mà cân bằng với lực ma sát (fms) thì hạt sẽ chuyển động đều:

qE = k v (6.5) v = qE/ k (6.6)

Trong đó k là hệ số ma sát phụ thuộc vào hình dạng, kích thước phân tử hoà tan và độ nhớt của dung dịch.

Theo định luật Stock, ta có lực nội ma sát được xác định là: Fms = 6πηrv (6.7)

Với: r là bán kính hạt nhiễm điện η là độ nhớt của môi trường

Từ (6.5) và (6.7) ta được:

v = qE/ 6πηr (6.8) Do hiện tượng nội ma sát xảy ra, khi quả cầu có bán kính r,

chuyển động tịnh tiến trong khối chất lưu, thì quả cầu sẽ kéo lớp chất lưu ở gần mặt tiếp xúc với nó chuyển động theo. Vận tốc biến đổi theo hướng chuyển động, được biểu diễn như (hình 6.3) dưới đây:

v

2/3 r

Hình 6.3: Lực tác dụng lên quả cầu bán kính r

chuyển động trong chất lưu


119

Nếu đặt U là độ linh động điện di, thì theo định nghĩa: U = ν / E = q / k

Khi điện trường E có giá trị bằng một đơn vị cường độ điện trường thì:

U = ν. Vậy: Độ linh động điện di chính là tốc độ di chuyển điện di

của các hạt nhiễm điện dưới tác dụng điện trường ngoài có cường độ điện trường là 1Volt/mét (V/m).

Vì lực điện trường là trường lực thế, ta có thể áp dụng công thức thế năng trường lực điện khi làm dịch chuyển một đơn vị điện tích từ điểm khảo sát xa ra vô cùng, nên điện thế Zeta (ξ ) được xác định là:

ξ = q / εr (6.9) ξε = q / r (6.10)

Thế (6.10) vào (6.8), ta được:

ν = ξε E / 6 πη (6.11)

Hay:

(6.12) v

Eεπηξ 6

= Đây là công thức Smolukhovski để xác định Zeta (ξ - điện thế

của các phân tử, đại phân tử ion, các hạt hình cầu mang điện của lớp điện tích kép trong hiện tượng điện di.

II. Nguồn gốc điện tích bề mặt. 1. Phân bố điện tích mặt. Dịch sinh vật là các chất được cấu tạo từ các dung dịch hoà

tan, đặc biệt trong đó có chứa nhiều đại phân tử (như protéin, polisacarit, axit nucléid...) chất hoà tan, ở trạng thái keo. Đại phân tử sinh vật luôn luôn là dạng các polime cao phân tử được phân bố một cách rải rác chứa các nhóm phân cực. Các nhóm có cực này giữ chặt với các phân tử nước, do đó chúng không còn hút lẫn nhau nữa hoặc là bị ion hoá và tất cả các phân tử này đều mang những điện tích cùng dấu nên chúng thường đẩy nhau.


120

Các tế bào động vật, các tổ chức sinh học trong hệ thống sống là các đại phân tử phức tạp, đó là các hệ keo. Trong sinh vật ta thấy có các polime cao phân tử như:

- Protéin tạo thành từ các mạch peptid của các axit amin - Polisacarit là các polime của glucopirano - Axit nucleid là các polime của nucléotid. Thông thường, trên ranh giới giữa hai pha của hệ trong dịch

sinh vật có thể xuất hiện một hiệu điện thế do các lớp điện tích bề mặt. Các điện tích tự do xuất hiện dưới sự phân ly ion trong các nhóm chức của các đại phân tử.

Chẳng hạn như đại phân tử protéin ở dạng lưỡng tính:

NH3+

R

NH

R

2

Trong môi trường axit, các phân tử protéin đóng vai trò của

một ion dương:

NH3+

R + HCl

NH3+

R + Cl-

Trong dung dịch kiềm, thì đại phân tử Protéin lại đóng vai trò của một dạng ion âm:

NH2 R + NaOH

NH2 R

+Na+ +H2O

Cl- và Na+ là các ion nghịch Kết quả sự tạo thành hai loại ion ở đây là do quá trình ion hoá

các nhóm NH2 và COOH.


121

Tóm lại, các điện tích tự do tồn tại trên bề mặt các hạt có liên quan đến pha phân tán. Sự xuất hiện điện tích trên bề mặt của các đối tượng sinh vật có thể do hai cơ chế:

- Cơ chế ion hoá các nhóm phân ly. - Cơ chế hấp phụ các ion của môi trường phân tán lên bề mặt

của các đại phân tử. Trong một số các loại ion, ta thấy có sự xuất hiện của ion H+

hay OH-. Do cơ chế hấp phụ khác nhau mà điện tích bề mặt của các đại phân tử sinh học có điện lượng khác nhau nhiều. Nói cách khác, điện tích mặt ngoài có thể xác định được qua sự biến đổi độ pH của dung dịch.

Trong thí dụ ở trên ta thấy, đối với môi trường toan (axit mạnh) thì đại phân tử sinh học mang điện tích dương, ngược lại trong môi trường kiềm (độ pH cao) thì đại phân tử sinh học lại mang điện tích âm. Như vậy do hiện tượng điện chuyển mà dấu của điện tích của các đại phân tử phụ thuộc vào độ pH của môi trường.

Do sự phân bố lại các điện tích ở hai pha phân tán trong dịch

sinh vật đã làm xuất hiện một thế điện động do lớp điện tích kép tạo thành. Do quá trình ion hoá các nhóm chức trong phân tử mà một số ion sẽ đi vào môi trường phân tán, những ion này gọi là những ion nghịch.

Một số ion còn lại trong môi trường trên sẽ cố định trên các hạt pha phân tán, chúng sẽ xác định dấu của điện tích bề mặt gọi là ion tạo thế.

III. Điện thế Zetta và phương pháp xác định. Lớp điện tích kép xuất hiện trong cấu trúc sinh vật có thể diễn

ra theo nhiều cơ chế khác nhau. Với quan điểm tĩnh điện học, ta thấy sự xuất hiện lớp điện tích kép đó là do hiện tượng phân bố các loại điện tích ở hai phía màng sinh học. Nói một cách tổng quát hơn đó là sự sắp xếp của hai loại ion trái dấu nhau trên ranh giới giữa hai pha phân tán và môi trường phân tán như (hình 6.4) dưới đây:


122

(a) (b)

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Â + +

Âaûi phán t í SH + + + + + +

+ + + +

Hình 6.4: Lớp điện tích kép trên bề mặt đại phân tử sinh học (a) và trên màng tế bào (b).

Hai lớp điện tích kép trên cách nhau một khoảng d. Theo

Debye và Huxkey, ta có thể xác định được bề dày d của lớp điện kép tại nhiệt độ 250C là:

(6.13) )(5,.3 0Ad

μ=

Với μ là lực ion. Theo lý thuyết này, lực ion có giá trị được xác định bằng nửa

tổng số các nồng độ (gam/lit) ion có mặt, còn nồng độ các thành phần thì được tính bằng cách nhân với bình phương hoá trị nguyên tố tương ứng.

Thí dụ: Dung dịch NaCl (0,01N) có:

μ = (0,01 . 12 + 0,01 . 12 ) / 2 = 0,01 Hiệu điện thế giữa hai lớp điện kép gọi là điện thế Zeta (ξ).

Có thể xác định ξ điện thế dựa vào hiện tượng điện chuyển dưới tác dụng của lực điện trường như sau:

Nếu gọi (ε) là hằng số điện môi của môi trường, (d) là chiều dày lớp điện tích kép, (ξ) là hiệu điện thế lớp kép, thì điện tích mặt ngoài (q) của các đại phân tử sinh vật được xác định là:

ξπε

dq

4= (6.14)

Dưới tác dụng của điện trường ngoài thì các đại phân tử

chịu tác dụng của lực tĩnh điện là: E


123

(6.15) EqF =

Tác dụng của lực điện trường làm cho các đại phân tử dịch

chuyển với vận tốc v. Giả sử khi ion ở môi trường (lớp ngoài) không chuyển động và ( là hệ số nhớt của môi trường thì độ lớn của lực điện trường được xác định là:

(6.16) dvEq η=

Từ (6.14) và (6.16), ta có:

ξπεη

4==

Evqd (6.17)

Công thức (6.17) chính là phương trình Smolukhovski. Trong đó ξ được tính bằng milivolt (mV), E là V/cm, v là

(m/s thì đối với nước (ε = 80), ta được: ν = 0,0778 ξE

Cấu tạo lớp điện tích kép cũng có thể biểu diễn theo sơ đồ

như (hình 6.5). Trong dung dịch điện ly, các ion tạo thế nằm trên bề mặt hạt keo, còn các ion trái dấu thì được phân thành hai trường hợp sau:

- Trường hợp thứ nhất là các hạt mang điện nằm gần bề mặt

hạt keo (cỡ kích thước phân tử) được giữ chặt cạnh bề mặt hạt nhờ vào lực hấp phụ và được gọi là lớp hấp phụ.

- Trường hợp thứ hai là các hạt mang điện chuyển động tự do dưới tác dụng nhiệt trong môi trường phân tán tạo thành lớp khuyếch tán.

AB: là bề dày lớp phân tử, lớp này có bề dày d còn được

gọi là lớp hấp phụ BC: là mặt phẳng riêng khi các phân tử, đại phân tử sắp

xếp trong điện trường.


124

+ - + + - + - + - + - + - - - + + - + - + + - - + - + - + - + - - + + - -

+ - + - + - + - - - + + - + + - - + - + - - + +

A B C

xξ

E

d

(a)

(b)

Hình 6.5: Thế nhiệt động học và thế điện động. (a): Sơ đồ cấu tạo lớp điện kép (b): Đặc trưng điện thế theo khoảng cách các lớp

Trong sơ đồ trên ta có: E : thế nhiệt động học. ξ: thế điện động

IV. Các yếu tố ảnh hưởng đến điện thế Zetta. Khi các phân tử trong hệ chuyển động, nếu tất cả các ion trái

dấu đều bị tách ra khỏi bề mặt hạt keo thì giữa hai lớp điện tích này sẽ xuất hiện một hiệu điện thế E gọi là thế nhiệt động. Thực tế cho thấy, do lực liên kết các ion trái dấu trong lớp hấp phụ bao giờ cũng chuyển động cùng với hạt keo. Do đó dòng điện tạo ra chỉ bởi các hạt mang điện tự do còn hiệu điện thế bây giờ được xác định chủ yếu xảy


125

ra giữa lớp hấp phụ và lớp khuyếch tán. Hiệu điện thế giữa hai lớp này được gọi là thế điện động hay ξ - điện thế. Do vậy trong sinh vật, thế điện động bao giờ cũng có giá trị nhỏ hơn thế nhiệt động.

Tính chất môi trường ảnh hưởng nhiều đến giá trị của ξ - điện thế. Chẳng hạn như khi thay đổi nồng độ ion trong môi trường phân tán, nhiệt độ môi trường đã làm thay đổi khả năng hấp phụ ion. Do đó thay đổi lớp điện tích kép làm cho giá trị ξ - điện thế thay đổi theo. Đại lượng ξ - điện thế là một chỉ số vật lý đặc trưng cho hệ thống sống. Dựa vào hệ số này có thể đánh giá trạng thái bệnh lý của các đối tượng sinh vật.

Chẳng hạn như ở trạng thái bình thường, tế bào hồng cầu máu người có giá trị khoảng 16,3 mv còn nếu có sự sai khác thì đó là dấu hiệu của bệnh lý hoặc rối loạn về trạng thái chức năng.

IV. Ý nghĩa sinh học của Zetta điện thế. Dựa vào bảng phân tích về thành phần các chất cấu trúc bên

trong và bên ngoài màng tế bào hay số liệu về ξ - điện thế của các đối tượng sinh vật, ta thấy chúng phụ thuộc nhiều vào môi trường phân tán. Trong nhóm axit phân ly mạnh (nhóm photphat định hướng của phân tử xephalin) cho thấy thế ξ thay đổi phụ thuộc vào độ pH của môi trường.

Thật vậy đối với hồng cầu, ta thấy điện thế ξ phụ thuộc vào

điện tích tự do trên bề mặt tế bào. Các điện tích bề mặt hồng cầu lại bị chi phối bởi mức độ ion hóa của các nhóm phân ly trong phân tử photpholipit.

Nghiên cứu trên một số động vật, các số liệu ghi nhận được cho thấy rằng: Các động vật khác nhau sẽ có thế điện động khác nhau như bảng (6.1).

Bảng 6.1: Thế điện động của hồng cầu động vật trong dung

dịch đệm photphat pH=7.4 (đẳng trương). (Theo: Nguyễn Thị Kim Ngân-Lý sinh học-ĐHQG Hà nội-2001)

Đối tượng (-điện thế (mV) Thỏ Lợn Chuột nhắt Người Khỉ

7 12.5 14.2 16.3 17.0


126

Mèo Chuột bạch Chó

17.8 18.6 21.1

Các loài vi sinh vật thường có khả năng hấp phụ cao đối với

phân tử protéin cũng như các chất hữu cơ. Thật vậy trong dịch sinh vật có các loại albumin, gelatin hoặc các sản phẩm phân huỷ từ tế bào, sự hấp phụ trên bề mặt màng cũng khác nhau, do đó thế điện động xuất hiện cũng có giá trị tương ứng. Ngoài ra sự hấp phụ bề mặt còn phụ thuộc vào đối tượng, thành phần cũng như đặc điểm cấu trúc bề mặt của chúng.


Chương 7 CƠ SỞ HÓA LÝ CỦA SỰ HƯNG PHẤN

I. Khái niệm hưng phấn và ngưỡng hưng phấn * Khái niệm hưng phấn Hưng phấn là sự chuyển từ trạng thái nghỉ ngơi sang trạng thái hoạt động. Hưng phấn bao gồm hai cơ chế: Cơ chế tiếp nhận kích thích bởi các thụ quan và cơ chế chuyển tín hiệu kích thích thành tín hiệu điện, truyền về não để xử lý thông tin và phát tín hiệu thực hiện phản ứng trả lời. Tín hiệu kích thích rất đa dạng nhưng chủ yếu là tín hiệu vật lý (nhiệt, ánh sáng, áp suất...) và tín hiệu hóa học (hoócmôn, mùi, vị...). Chức năng chuyển tín hiệu kích thích thành tín hiệu điện (tức sóng hưng phấn) và dẫn truyền sóng hưng phấn do noron thực hiện. Thực hiện phản ứng trả lời có thể là cơ quan, mô, tế bào và cả ở mức độ phân tử. Trong hệ sinh vật, từ sinh vật đơn bào tới sinh vật đa bào tuy có mức độ tiến hóa khác xa nhau nhưng đều tồn tại tính hưng phấn để thích nghi với sự thay đổi của môi trường sống. * Khái niệm ngưỡng hưng phấn

E

D

B

C O

1 Reobaz A

2 Reobaz G

Cườ

ng độ

Thời gian Thời trị

Thời gian có ích

Hình 7.1: Tương quan giữa cường độ và thời gian kích thích

Ngưỡng hưng phấn được xác định bằng cường độ nhỏ nhất và thời gian kích thích ngắn nhất để có thể tạo nên sự hưng phấn. Cường độ nhỏ nhất kích thích để tạo ra được phản ứng trả lời gọi là 1 reobaz. Thời gian ngắn nhất khi kích thích 1 reobaz để tạo ra được phản ứng trả lời là thời gian có ích (xem hình 7.1). Trong thực nghiệm xác định thời gian có ích rất khó nên Lapicque lấy thời gian ứng với 2 reobaz để đo ngưỡng thời gian kích thích, gọi là thời trị. Đường biểu diễn tương quan giữa cường độ và thời gian kích thích là đường hipecbol, ứng với phương trình do Weiss đưa ra năm 1901:

btai += (7.1)

i: Cường độ ngưỡng t: Thời gian ngưỡng


a: Hằng số ứng với đường thẳng thời gian chạy song song với trục tung b: Hằng số ứng với đường thẳng cường độ chạy song song với trục hoành Nếu cường độ i = 2b, nghĩa là bằng 2 reobaz thì phương trình (7.1) sẽ có dạng:

2b = ta

+ b (7.2) → b = ta

→ t = ba

Thời trị thay đổi tùy theo mô. Ví dụ ở người thời trị của cơ duỗi dài gấp từ 1,5 đến 2 lần so với cơ gập.

II. Lý thuyết hưng phấn của Heinbrun (1928) Trên cơ sở những số liệu thực nghiệm về quá trình hưng phấn có liên quan tới sự thay đổi cấu trúc hóa lý của nguyên sinh chất, như là thay đổi tính chất keo thể hiện ở tế bào thực vật bậc cao và động vật nguyên sinh (amip) mà Heinbrun đã đưa ra thuyết đông tụ vào năm 1928. Heinbrun cho rằng: Tất cả các yếu tố kích thích đều gây nên quá trình đông tụ nguyên sinh chất kèm theo sự tăng đột ngột độ nhớt cấu trúc của nó. Quan niệm này được củng cố qua số liệu về các chất ức chế sự hưng phấn như thuốc ngủ, thuốc mê đều làm giảm độ nhớt của nguyên sinh chất. Thuyết đông tụ của Heinbrun giải thích các yếu tố kích thích có bản chất khác nhau khi tác dụng lên các tế bào của thụ quan, trước tiên giải phóng Ca++ mà trước đó trong nguyên sinh chất Ca++ lại ở trạng thái liên kết. Chính do Ca++ được giải phóng đã dẫn tới làm đông tụ nguyên sinh chất. Thuyết đông tụ của Heinbrun mới chỉ giải thích được hiện tượng sự kích thích dẫn tới làm đông tụ nguyên sinh chất còn nhiều hiện tượng khác liên quan tới sự hưng phấn, thuyết đông tụ không giải thích được. III. Thuyết phá hủy cấu trúc của Naxonov và Alecxandrov (1940-1943) Naxonov và Alecxandrov đã xem quá trình hưng phấn như là một quá trình phá hủy cấu trúc. Hai ông quan niệm nguyên sinh chất là pha không hòa tan trong nước và sự phân bố không đồng đều của các chất ở trong nội bào và ngoài môi trường là do khả năng hòa tan của các chất ở pha nước và nguyên sinh chất khác nhau và do khả năng liên kết của các chất với phân tử protein. Trong tế bào các chất điện phân phần lớn liên kết với các phân tử protein, chỉ số ít ở trạng thái tự do. Khi bị kích thích hay bị tổn thương nguyên sinh chất có những thay đổi sau: - Độ phân tán của các hạt keo giảm xuống rõ rệt và độ đục của hạt nhân và nguyên sinh chất xuất hiện rất sớm. - Sự tăng độ nhớt của nguyên sinh chất gồm 2 pha: Khi yếu tố kích thích yếu thì độ nhớt nguyên sinh chất giảm và khi yếu tố kích thích tăng lên thì độ nhớt nguyên sinh chất tăng lên rất nhanh. - Khi kích thích, ban đầu quá trình tạo hạt trong nguyên sinh chất tăng lên và sau đó quá trình này bị ức chế. - Khi kích thích độ pH của nguyên sinh chất dịch chuyển về phía axit.

- Khi kích thích K+, , creatin được giải phóng ra môi trường còn Na−34PO +, Cl- lại xâm

nhập vào trong tế bào rất nhanh.


Cũng như thuyết đông tụ, thuyết phá hủy cấu trúc đưa ra chỉ là để giải thích về sự thay đổi tính chất hóa lý của nguyên sinh chất, mới giải thích hiện tượng của quá trình hưng phấn mà chưa giải thích được bản chất của quá trình hưng phấn.

IV. Lý thuyết hưng phấn của Nernst (1899) Năm 1887, Arenius công bố các chất khi hòa tan trong nước sẽ phân ly thành các ion dương và ion âm, dưới tác dụng của dòng điện ngoài, các ion sẽ chạy về điện cực mang điện tích trái dấu với điện tích ion. Các ion có kích thước và bản chất điện tích khác nhau nên có vận tốc chuyển động về hai cực cũng khác nhau. Sau khoảng thời gian nhất định sẽ tạo nên những lớp có mật độ ion khác nhau, tức sẽ xuất hiện một hiệu điện thế. Nếu ngắt nguồn điện bên ngoài, thay vào đó cắm 2 điện cực vào dung dịch điện phân, nối với một bóng điện thì đèn sẽ sáng. Đó là dòng điện xuất hiện trong dung dịch điện phân. Năm 1899, Nernst dựa trên kết quả nghiên cứu của Arenius cũng xem tế bào như một dung dịch chất điện phân được bao bọc bởi màng tế bào. Dưới tác dụng của dòng điện kích thích, các ion âm và dương trong tế bào chất sẽ chạy về hướng điện cực kích thích có điện tích trái dấu với điện tích ion. Sau một thời gian các ion âm và dương chuyển động theo hai hướng khác nhau sẽ tập trung ở hai phía của màng tế bào. Ở ngoại bào cũng có các ion dương và âm, do lực hút tĩnh điện, nếu ở một phía tế bào, mặt trong tích điện âm thì mặt ngoài màng tích điện dương còn ở phía kia của tế bào ở mặt trong sẽ tích điện dương và mặt ngoài màng tích điện âm. Kết quả là giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào đã hình thành nên một hiệu điện thế và khi điện thế này đạt giá trị ngưỡng thì tạo ra sự hưng phấn. Sự chênh lệch về nồng độ ion liên quan đến cường độ và thời gian kích thích và để tạo ra hưng phấn phải thỏa mãn công thức:

kt.i.CC o γ=− (7.3)

C: Nồng độ ion tự do khi tế bào hưng phấn Co: Nồng độ ion tự do khi tế bào ở trạng thái nghỉ ngơi γ: Số lượng ion được dịch chuyển do một đơn vị cường độ dòng điện i: Cường độ dòng điện; t: Thời gian kích thích k: Hệ số khuyếch tán của ion Nếu kích thích bằng dòng điện một chiều thì mối liên quan giữa cường độ dòng điện và thời gian kích thích phải thỏa mãn công thức:

ti = hằng số (7.4) Trong giới hạn về cường độ dòng điện kích thích thì nếu cường độ dòng điện tăng thì thời gian kích thích giảm và ngược lại, để duy trì tích số của cường độ dòng điện với thời gian luôn là một hằng số. Nếu kích thích bằng dòng điện xoay chiều thì mối liên quan giữa cường độ và tần số dòng điện phải thỏa mãn công thức:

ωi = hằng số (7.5)

Trong giới hạn về cường độ dòng điện kích thích, nếu tần số cao thì cường độ dòng điện phải lớn còn tần số thấp thì cường độ dòng điện nhỏ, để duy trì tỷ số giữa cường độ và


tần số luôn là một hằng số. Các công thức trên do Nernst đưa ra chỉ đúng trong phạm vi tần số 100 Hz đến 3 kHz. Kết quả thực nghiệm cho thấy nếu kích thích cường độ dưới ngưỡng và kích thích lâu hoặc kích thích cường độ lớn với thời gian kích thích ngắn thì đều không gây ra hưng phấn. Ở mỗi đối tượng nghiên cứu khi kích thích cường độ dòng điện là 1 reobaz thì có một thời gian kích thích cần thiết (thời gian hữu ích). Bảng 7.1: Thời gian hữu ích của một số đối tượng nghiên cứu

TT

Đối tượng nghiên cứu Thời gian hữu ích

1 Cơ trơn dạ dày ếch 1 giây 2 Cơ trơn của nhuyễn thể 10-1 giây 3 Cơ chân của nhuyễn thể 10-2 giây 4 Thần kinh ếch 10-3 giây 5 Thần kinh động vật máu nóng 10-4 giây

Lý thuyết hưng phấn của Nernst không nêu ra cụ thể sự thay đổi nồng độ của những ion nào và giới hạn ngưỡng nồng độ là bao nhiêu để có thể tạo ra hưng phấn.

V. Lý thuyết hưng phấn của Bernstein (1906) Năm 1906, Bernstein đưa ra lý thuyết hưng phấn để giải thích cơ chế hình thành điện thế tĩnh khi tế bào ở trạng thái nghỉ ngơi và cơ chế hình thành điện thế hoạt động khi tế bào ở trạng thái hưng phấn. Bernstein cho rằng tế bào khi ở trạng thái nghỉ ngơi do màng có tính bán thấm tức là thấm K+ dễ dàng còn Na+ thấm ít, trong khi đó hoàn toàn không thấm các phân tử hữu cơ mang điện tích âm (gọi là các amion hữu cơ). Do vậy, tế bào ở trạng thái tĩnh, bên trong có điện tích âm còn ngoài màng có điện tích dương nên tồn tại điện thế tĩnh và chiều điện trường hướng từ ngoài vào trong tế bào. Bernstein đơn thuần chỉ xét sự chênh lệch nồng độ K+ ở bên trong và bên ngoài tế bào, áp dụng công thức của Nernst tính được giá trị điện thế tĩnh phù hợp với giá trị đo trực tiếp bằng phương pháp vi điện cực. Sau này có nhiều số liệu thực nghiệm làm sáng tỏ thêm lý thuyết của Bernstein. Xegan đã chứng minh các ion hóa trị hai (như Ca++, Mg++,...) hút phân tử nước (H2O) mạnh hơn so với ion hóa trị một (như Na+, K+, Cl-...). Vì thế lớp vỏ hidrat hóa của ion hóa trị hai dày hơn so với ion hóa trị một, nên ion hóa trị hai khó lọt qua siêu lỗ ở trên màng so với ion hóa trị một. Mặt khác, cùng một loại ion, nếu ion nào có kích thước nhỏ (hay nguyên tử lượng bé) sẽ có điện trường lớn so với ion có kích thước lớn (hay nguyên tử lượng lớn). Vì thế ion có kích thước bé hút nước mạnh hơn so với ion có kích thước lớn nên xảy ra hiện tượng, trong dung dịch ion có kích nhỏ lại khó thấm qua siêu lỗ trên màng so với ion có kích thước lớn hơn. Ví dụ Na+ có đường kính 1,9A0 bị 8 phân tử H2O bao quanh còn K+ có đường kính 2,6A0 chỉ có 4 phân tử H2O bao quanh nên K+ thấm qua siêu lỗ trên màng dễ hơn so với Na+. Năm 1955, Hodgkin và Katz bằng phương pháp đồng vị phóng xạ đánh dấu xác định được khi tế bào ở trạng thái tĩnh, dòng Na+ đi ra bằng dòng Na+ đi vào còn dòng K+ đi ra lớn gấp xấp xỉ 1,63 lần so với dòng K+ đi vào. Hơn nữa khi tế bào ở trạng thái tĩnh, nồng độ Na+ ở bên ngoài lớn hơn so với bên trong nên chiều gradien nồng độ Na+ hướng từ ngoài vào trong còn nồng độ K+ bên trong lại cao hơn bên ngoài nên chiều gradien nồng độ K+ lại hướng từ trong ra ngoài . Song do tính bán thấm của màng, theo tính toán của Goldman cho thấy K+ đi ra theo gradien nồng độ K+ nhanh gấp 76 lần so với Na+ đi vào cùng chiều gradien nồng độ Na+. Kết quả


thực nghiệm khẳng định tính đúng đắn của giả thuyết Bernstein, tính bán thấm của màng là nguyên nhân dẫn đến sự phân bố không đồng đều của các ion giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào nên đã tạo thành điện thế tĩnh. Sau này, năm 1942, Cuatite và Cole lại chứng minh rằng K+ đóng vai trò chính trong việc duy trì điện thế tĩnh. Hai ông đã tăng nồng độ K+ ở ngoại bào lên (tức làm giảm sự chênh lệch nồng độ K+ giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào) thì giá trị điện thế tĩnh cũng giảm dần. Khi nồng độ K+ ở bên ngoài bằng nồng độ K+ ở bên trong tế bào thì điện thế tĩnh sẽ bằng không. Khi giảm dần nồng độ K+ ở bên ngoài về giá trị như lúc ban đầu thì điện thế tĩnh lại được khôi phục. Song nếu tăng nồng độ Na+ ở trong tế bào lên thì điện thế tĩnh vẫn không thay đổi. Khi bị kích thích, tế bào đã chuyển từ trạng thái tĩnh sang trạng thái hưng phấn và tế bào bị đổi cực, tức là bên trong tế bào có điện tích dương còn bên ngoài có điện tích âm. Khi tế bào hưng phấn, Bernstein cho rằng màng tế bào đã mất tính bán thấm nên không còn phân biệt tính thấm giữa K+ với Na+ và cho cả các anion hữu cơ thấm ra bên ngoài. Chính do các anion hữu cơ thấm ra ngoài và các Na+ thấm vào trong dễ dàng hơn so với K+ thấm ra ngoài đã làm cho tế bào bị đổi cực. Sau này thực nghiệm đo được giá trị tuyệt đối của điện thế hoạt động lớn hơn giá trị tuyệt đối của điện thế tĩnh nhưng theo giả thuyết của Bernstein thì không giải thích được bản chất của hiện tượng này. Ví dụ noron thần kinh lúc nghỉ ngơi có điện thế tĩnh là -90mV còn khi hưng phấn có điện thế hoạt động từ 120 đến 130mV. Năm 1949, Hodgkin và Katz đã làm thí nghiệm chứng minh rằng khi noron hưng phấn tính thấm của màng đối với Na+ vào trong tế bào tăng lên 500 lần so với khi noron nghỉ ngơi. Ngược lại, khi noron nghỉ ngơi màng tế bào cho K+ thấm ra ngoài lại nhanh gấp 76 lần so với Na+ thấm vào trong tế bào. Sau này Goldman đưa ra công thức để tính điện thế tĩnh và điện thế hoạt động. Mỗi ion có một hệ số thấm đặc trưng. Khi noron nghỉ ngơi, nếu lấy tính thấm của màng đối với K+ làm đơn vị so sánh và qui ước PK+ =1 thì tính thấm của màng đối với Na+ là PNa+ = 0,013 còn tính thấm của màng đối với Cl- là PCl-_= 0,045. Cùng với việc xác định nồng độ K+, Na+, Cl- ở bên ngoài và bên trong noron lúc nghỉ ngơi, thay các giá trị đã biết vào công thức Gondman sẽ tính được điện thế tĩnh bằng -89mV. Khi noron hưng phấn nếu vẫn lấy PK+ = 1 làm đơn vị để so sánh thì PNa+ = 20, PCl- = 0,045. Cũng xác định nồng độ K+, Na+, Cl- ở bên trong và bên ngoài noron lúc hưng phấn, thay các giá trị đã biết vào công thức Goldman sẽ tính được điện thế hoạt động bằng 38mV. Khi noron hưng phấn, điện màng đã chuyển từ -89mV lên 38mV, do vậy giá trị tuyệt đối của điện thế hoạt động phải là |-89mV|+38mV=127mV. Như vậy, bản chất của hiện tượng điện thế hoạt động có giá trị tuyệt đối lớn hơn giá trị tuyệt đối của điện thế tĩnh. Khi ngừng kích thích, màng noron sẽ khôi phục lại tính bán thấm để duy trì sự chênh lệch về nồng độ ion giống như lúc ban đầu, tức là duy trì điện thế tĩnh. Lý thuyết màng của Bernstein chưa đề cập đến vai trò của các ion hóa trị hai như Ca++, Mg++... Nhiều kết quả thực nghiệm đã xác định vai trò của Ca++ trong quá trình hình thành điện thế sinh vật. Một số nhà khoa học giả thiết rằng, ở trên màng tế bào có các kênh dẫn "nhanh" và "chậm" đối với các ion. Khi tế bào hưng phấn, các kênh dẫn "nhanh" cho dòng Na+ vào trong tế bào để khử cực tế bào (tức đổi dấu điện tích âm sang dương). Sau đó các kênh dẫn "chậm" tiếp tục cho Na+ và Ca++ vào trong tế bào để kết thúc quá trình khử cực (tức là xuất hiện điện thế hoạt động). Lý thuyết màng của Bernstein, mặc dù đã được các nhà khoa học bổ sung nhưng vẫn chưa đầy đủ. Do vậy, vấn đề này vẫn còn phải tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện. VI. Lý thuyết hưng phấn của Laxarev


Năm 1887, Ringer là người đầu tiên phát hiện dung dịch đẳng trương NaCl có cho thêm KCl và CaCl2 theo một tỷ lệ nhất định, giữ cho cơ ếch có phản xạ co cơ giống như trong cơ thể còn nguyên vẹn trong thời gian lâu hơn nhiều so với cơ ếch chỉ ngâm trong dung dịch đẳng trương NaCl. Sau này Zac và Lob tiến hành thí nghiệm trên trứng cá Fundulus thấy rằng: Trứng không nở trong dung dịch chỉ có NaCl. Nếu dùng dung dịch CaSO4 có nồng độ xác định để thêm vào dung dịch NaCl với một tỷ lệ thích hợp, tạo ra sự tương quan tối ưu giữa các ion thì trứng cá Fundulus sẽ đạt tỷ lệ tạo thành phôi cao nhất là 75%. Sau này tiếp tục có nhiều số liệu thực nghiệm chứng minh rằng noron thần kinh chỉ có thể hưng phấn khi trong bào tương của sợi trục có cả ion hóa trị một và ion hóa trị hai. Từ những kết quả nghiên cứu trên, Laxarev đã đưa ra lý thuyết ion về sự tương thích hoặc đối kháng giữa một số ion. Ông cho rằng, khi tế bào ở trạng thái nghỉ ngơi sẽ duy trì tỷ lệ giữa ion hóa trị một và ion hóa trị hai ở một giá trị xác định và không thay đổi:

21

CC = hằng số (7.6)

C1: Nồng độ ion hóa trị 1 C2: Nồng độ ion hóa trị 2 Khi kích thích, tỷ số này bị thay đổi dẫn đến sự hưng phấn nếu tỷ số này tăng hoặc dẫn tới sự ức chế hưng phấn nếu tỷ số này giảm. Lý thuyết hưng phấn của Laxarev giải thích được kết quả thí nghiệm của Flygn. Đó là hiện tượng kích thích bằng dòng điện một chiều, khi đóng mạch thì hưng phấn xuất hiện ở cực âm còn cực dương thì bị ức chế. Ngược lại khi ngắt mạch, hưng phấn lại xuất hiện ở cực dương còn cực âm lại bị ức chế. Laxarev giải thích như sau: Khi đóng mạch, các ion dương sẽ rời khỏi cực dương về phía cực âm theo hướng của điện trường. Ion dương hóa trị một linh động hơn so với ion dương hóa trị hai cho nên tập trung ở cực âm nhiều hơn. Do vậy, ở cực âm tỷ lệ giữa ion hóa trị một trên ion hóa trị hai tăng lên, dẫn đến hưng phấn xuất hiện ở cực âm. Ngược lại ở cực dương, các ion dương hóa trị hai rời chậm nên có nồng độ cao hơn so với ion dương hóa trị một đã rời nhanh làm cho tỷ lệ ion hóa trị một trên ion hóa trị hai giảm xuống gây ra sự ức chế hưng phấn ở cực dương. Khi ngắt mạch, không còn dòng điện kích thích, các ion sẽ trở về trạng thái phân bố như lúc ban đầu (lúc chưa kích thích). Các ion dương lại di chuyển từ cực âm về phía cực dương. Ion dương hóa trị một bị ít phân tử nước bao quanh so với ion dương hóa trị hai nên ion dương hóa trị một dễ dàng thoát ra khỏi các phân tử nước bao quanh hơn ion hóa trị hai. Tại cực dương, tỷ lệ ion dương hóa trị một trên ion dương hóa trị hai tăng lên, dẫn đến hưng phấn lại xuất hiện ở cực dương. Ngược lại, ở cực âm, các ion dương hóa trị hai rời chậm nên lại có nồng độ cao hơn so với ion dương hóa trị một đã rời nhanh làm cho tỷ lệ ion hóa trị một trên ion hóa trị hai giảm xuống, gây ra sự ức chế hưng phấn tại cực âm. Lý thuyết hưng phấn của Laxarev chưa đưa ra cụ thể ngưỡng về tỷ lệ giữa ion hóa trị một và ion hóa trị hai khi tế bào ở trạng thái nghỉ ngơi bằng bao nhiêu? Để từ đó biết được khi có kích thích dẫn đến tỷ lệ ion hóa trị một trên ion hóa trị hai đạt giá trị vượt ngưỡng sẽ gây ra hưng phấn còn bằng hoặc nhỏ hơn ngưỡng sẽ không gây ra sự hưng phấn. Vấn đề này các nhà khoa học đang tiếp tục nghiên cứu nhất là về vai trò cụ thể của ion hóa trị hai để bổ sung cho quan điểm của Laxarev.

VII. Cơ chế dẫn truyền sóng hưng phấn trong dây thần kinh


Thí nghiệm của Hodgkin và Katz đã chứng minh dòng điện hưng phấn xuất hiện trong dây thần kinh khi bị kích thích có bản chất ion. Hodgkin và Katz cũng chỉ rõ K+ có vai trò chính trong việc duy trì điện thế tĩnh còn Na+ lại có vai trò chính trong việc hình thành nên điện thế hoạt động (tức sóng hưng phấn). Tùy thuộc vào bản chất của dây thần kinh như có mielin bao bọc hay không, đường kính sợi trục, chức năng của noron mà có tốc độ dẫn truyền sóng hưng phấn khác nhau (xem bảng 7.2). Bảng 7. 2: Kiểu sợi thần kinh và tốc độ dẫn truyền sóng hưng phấn trong dây thần kinh

Tốc độ truyền (m/s) Kiểu sợi

Đường kính sợi

(μ) Biến nhiệt

(20oC) Đồng nhiệt

(37oC)

Chức năng

Anpha 10-20 20-40 60-120 Sợi vận động cơ Beta 7 - 15 15-30 40 - 90 Sợi thụ cảm (sờ mó)

Gamma 4 - 8 8 - 15 30 - 45 Sợi hướng tâm từ cơ Denta 2,5-5 5 - 9 15 - 25 Sợi thụ cảm da (nóng, lạnh)

B 1 - 3 2 - 6 3 - 5 Sợi tiền hạch dinh dưỡng C 0,3-1,5 0,3 - 0,8 0,5 - 2 Sợi hậu hạch giao cảm

Kết quả ở bảng 7.2 cho thấy động vật đồng nhiệt (chim, thú, người) có tốc độ dẫn truyền sóng hưng phấn trong dây thần kinh nhanh hơn so với động vật biến nhiệt (ếch, cá, lưỡng thê). Các sợi thần kinh dẫn truyền cảm giác đau đớn có tốc độ dẫn truyền chậm nhất (0,7-1,3m/s), các sợi hướng tâm dẫn truyền cảm giác sờ mó, có tốc độ cao hơn đạt 50m/s còn các sợi vận động có tốc độ dẫn truyền nhanh nhất đạt tới 160m/s. Sợi trục thần kinh cũng là một dây dẫn điện và nếu là sợi trần (không có mielin bao bọc) thì dịch bào tương bên trong sợi trục có điện trở là Rt còn màng noron có điện trở là Rm. Đối với dây thần kinh có mielin bao bọc và do mielin là một chất cách điện rất tốt nên noron chỉ tiếp xúc với môi trường ngoài qua eo Ranvie. Khi đó noron chỉ tiếp nhận kích thích qua eo Ranvie và dòng điện hưng phấn cũng chỉ bị suy giảm do truyền điện ra bên ngoài qua eo Ranvie. Khi bị kích thích sẽ xuất hiện xung điện thế hoạt động tại điện cực kích thích (cực âm) và được ký hiệu là Vo. Do bị tiêu hao một phần năng lượng điện để thắng điện trở trong của bào tương sợi trục và bị rò điện qua màng noron nên giá trị của điện thế hoạt động bị giảm dần. Điện trở trong của bào tương càng nhỏ thì điện thế hoạt động bị giảm càng ít và điện trở màng noron càng lớn thì điện thế hoạt động cũng bị giảm càng ít. Ngược lại điện trở trong của bào tương lớn thì điện thế hoạt động bị giảm nhiều và điện trở màng noron nhỏ thì điện thế hoạt động bị giảm càng nhiều. Các nhà khoa học đã xác định được giá trị điện thế hoạt động sau khi phát sinh là Vo, truyền theo sợi trục thần kinh quãng đường là x có giá trị là Vx được tính theo công thức:

Vx=Vo. t

m

RRx

e

−

(7.7) Rm: Điện trở màng noron tỷ lệ thuận với điện trở riêng của 1cm2 màng (kí hiệu là rm) và tỷ lệ nghịch với bán kính sợi trục thần kinh (kí hiệu là r).

r2

rR mm π= (7.8)

Rt : Điện trở trong của bào tương cũng tỷ lệ thuận với điện trở riêng của 1cm3 bào tương (kì hiệu là rt) và tỷ lệ nghịch với bình phương bán kính sợi trục (r).


2t

t rrRπ

= (7.9)

Các nhà khoa học đã tính được ở động vật thuộc lớp thú, sợi trục dây thần kinh có mielin bao bọc có bán kính r =15μm, rm = 5000Ω/cm2 và rt =50Ω/cm3, điện thế hoạt động Vo truyền được 1mm (là khoảng cách giữa 2 eo Ranvie) còn lại giá trị Vx được tính theo công thức: Vx = Vo.0,5 (7.10) Nếu điện cực kích thích đặt ở eo Ranvie thứ nhất (gọi là Ranvie 1) làm phát sinh điện thế hoạt động là Vo=100mV khi truyền đến eo Ranvie thứ hai (gọi là Ranvie 2) theo công thức (7.10) sẽ còn 50mV. Thực nghiệm xác định eo Ranvie có ngưỡng kích thích điện là 20mV. Do đó, dòng điện hưng phấn, tức điện thế hoạt động phát sinh ở eo Ranvie 1 có giá trị là 100mV khi truyền đến eo Ranvie 2 còn 50mV đã kích thích eo Ranvie 2 phát sinh điện thế hoạt động cũng có giá trị 100mV. Cứ lặp lại như vậy, dòng điện hưng phấn hay các xung điện thế hoạt động có độ lớn 100mV được truyền đi theo noron cảm giác về hệ thần kinh trung ương để phát tín hiệu truyền theo noron vận động đến mô hay cơ quan thực hiện phản ứng trả lời. Đối với dây thần kinh không có mielin bao bọc, khi kích thích một vùng nào đó thì tại vùng đó màng mất phân cực rồi đảo cực nên có điện tích trái dấu với vùng xung quanh còn đang ở trạng thái tĩnh (xem hình 7.1). Tại vùng hưng phấn xuất hiện dòng điện hưng phấn nó lại kích thích vùng lân cận và lại tạo ra dòng điện hưng phấn mới giống như dòng điện hưng phấn phát sinh tại vùng bị kích thích. Sự xuất hiện của dòng điện hưng phấn sau khi bị kích thích cứ lan truyền như vậy trên suốt chiều dài của dây thần kinh một cách liên tục. Vì vậy, tốc độ dẫn truyền của dòng điện hưng phấn trong dây thần kinh không có mielin bao bọc thường chậm và tiêu hao nhiều năng lượng.

A B C + - +

1

3

- + 2 - -

Hình 7.1: Dẫn truyền hưng phấn trong dây thần kinh không có mielin bao bọc

A và C: Vùng noron ở trạng thái tĩnh (trong âm, ngoài dương) B: Vùng noron ở trạng thái hưng phấn (trong dương, ngoài âm) : Sợi trục noron 2 : Dòng điện hưng phấn 3 : Hướng truyền của dòng điện hưng phấn về hệ thần kinh trung ương


Đối với dây thần kinh có mielin bao bọc, do mielin là một chất cách điện tốt nên màng noron chỉ tiếp nhận kích thích ở eo Ranvie và màng noron cũng chỉ mất phân cực và đảo cực (tức phát sinh điện thế hoạt động) ở tại eo Ranvie (xem hình 7.2).

R1 R2 R3 + - 3 + - - + 3 - + - + - tĩnh + hưng phấn + tĩnh

1 4 2

2

Hình 7.2: Dẫn truyền hưng phấn trong dây thần kinh có mielin bao bọc R1 và R3: Eo Ranvie 1 và eo Ranvie 3 ở trạng thái tĩnh R2: Eo Ranvie 2 ở trạng thái hưng phấn khi bị kích thích : Sợi trục noron; 2: Bao mielin 3 : Dòng điện hưng phấn 4 : Hướng truyền của dòng điện hưng phấn về hệ thần kinh trung ương Theo hình 7.2, khi kích thích ở eo Ranvie 2 thì màng noron hưng phấn dẫn tới bị đảo cực (trong có điện tích dương (+), ngoài có điện tích âm (-)), có điện tích trái dấu với eo Ranvie 1 và eo Ranvie 3 đang ở trạng thái tĩnh (trong có điện tích âm (-), ngoài có điện tích dương (+)). Tại eo Ranvie 2 sẽ xuất hiện điện thế hoạt động (tức dòng điện hưng phấn) và dòng điện hưng phấn này khi truyền đến eo Ranvie 3 tuy đã giảm đi khoảng một nửa nhưng vẫn lớn hơn ngưỡng gây kích thích nên đã tạo ra hưng phấn ở eo Ranvie 3, tức là lại tạo ra điện thế hoạt động mới có độ lớn giống như điện thế hoạt động phát sinh lúc ban đầu ở eo Ranvie 2. Dòng điện hưng phấn cứ lan truyền theo kiểu "nhảy" từ eo Ranvie này đến eo Ranvie lân cận với khoảng cách bước nhảy là 1 milimét, theo hướng về hệ thần kinh trung ương nên có tốc độ truyền nhanh hơn và ít tiêu hao năng lượng hơn so với dây thần kinh không có mielin bao bọc. Như ở hình (7.1) dòng điện hưng phấn truyền theo hướng từ vùng B đến vùng C còn ở hình 7.2, dòng điện hưng phấn "nhảy" từ eo Ranvie 2 sang eo Ranvie 3 theo hướng về hệ thần kinh trung ương (hoặc tủy sống) đối với dây thần kinh hướng tâm còn theo hướng từ tủy sống hay hệ thần kinh trung ương tới mô hay cơ quan để thực hiện phản ứng trả lời với dây thần kinh ly tâm. Mặc dù vậy, với dây thần kinh trần, phía ngoài màng noron có dòng điện truyền từ vùng C về vùng B (hình 7.1), từ eo Ranvie 3 về eo Ranvie 2 (hình 7.2) nhưng đều không gây ra hưng phấn vì khi đó màng noron trơ tuyệt đối nếu đang ở pha mất phân cực và đảo cực (khoảng 1 miligiây (ms)) hoặc trơ tương đối nếu đang ở pha tái phân cực (khoảng 3 ms) nên không tiếp nhận kích thích. Như vậy, khi kích thích vùng B xuất hiện dòng điện hưng phấn truyền đến kích thích vùng phía trước là C thì hưng phấn lại xuất hiện dễ dàng còn nếu đã truyền đến vùng C lại quay về vùng B thì màng noron không tiếp nhận sự kích thích. Đối với dây thần kinh động vật máu nóng, thời gian trơ tuyệt đối kéo dài khoảng 0,002 giây -


0,0004 giây. Từ bảng 7.1, nếu ta lấy vận tốc dẫn truyền trung bình của dây thần kinh nhóm A là 60m/s, khi truyền từ eo Ranvie 2 sang eo Ranvie 3 rồi quay trở về eo Ranvie 2, quãng đường là 2mm, tính ra thời gian chỉ mất có 0,3ms, nhỏ hơn 1ms nên eo Ranvie 2 đang trơ tuyệt đối nên không tiếp nhận bất kỳ kích thích nào. Do vậy, dòng điện hưng phấn truyền trong dây thần kinh chỉ theo một chiều xác định. Do màng noron có tính trơ nên màng noron không thể phát sinh các xung điện thế hoạt động một cách liên tục được. Thời gian trơ càng dài thì số lượng tối đa các xung điện thế hoạt động được màng noron phát sinh trong một đơn vị thời gian càng ít và ngược lại. Vedenski đã đưa ra khái niệm tính linh hoạt chức năng để biểu thị khả năng hưng phấn của các tổ chức sống. Noron có tính linh hoạt chức năng càng cao khi có khả năng truyền được số lượng tối đa các xung điện thế hoạt động trong một đơn vị thời gian càng nhiều. Ngược lại, số lượng tối đa các xung điện thế hoạt động được truyền đi trong một đơn vị thời gian càng ít thì tính linh hoạt chức năng của noron càng thấp. Ví dụ, các noron vận động có thời gian trơ là 2%o giây thì tối đa chúng chỉ truyền được 500 xung điện thế hoạt động trong một giây. Các noron trung gian có thời gian trơ nhỏ hơn 1%o giây nên chúng có thể truyền tối đa 1000 xung điện thế hoạt động trong một giây. Rõ ràng các noron trung gian có tính linh hoạt chức năng cao hơn so với các noron vận động. VIII. Cơ chế bàn giao hưng phấn qua xinap 1. Cấu tạo xinap

Hình 7.3: Cấu trúc một xinap

Các vị trí tận cùng sợi trục của một noron tiếp xúc với các noron khác và với các tế bào cơ được gọi là các xinap. Cấu trúc một xinap thể hiện trên hình 7.3 gồm màng trước xinap, khe xinap và màng sau xinap. Cúc xinap là phần phình to của mút các nhánh của sợi trục noron trước. Trong cúc xinap chứa thành phần quan trọng nhất, đó là các bóng xinap. Bên trong các bóng xinap chứa chất môi giới. Giữa màng trước xinap và màng sau xinap là khe xinap, rộng khoảng 150A0 đối với xinap noron - noron, còn rộng khoảng 500A0 ở xinap noron - cơ. Màng sau xinap có những thụ quan (receptor) chuyên biệt để nhận biết chất môi giới. 2. Bàn giao hưng phấn qua xinap theo cơ chế vật lý


Dòng điện hưng phấn muốn truyền từ noron trước sang noron sau phải vượt qua màng trước xinap, khe xinap và màng sau xinap. Cả ba thành phần này đều có điện trở. Theo Katz, sau khi dòng điện hưng phấn vượt qua ba điện trở thuộc cấu trúc của xinap thì điện thế hoạt động từ giá trị ban đầu khoảng 120mV, khi đến màng sau xinap chỉ còn khoảng 0,01mV . Thực nghiệm đã xác định, ngưỡng kích thích màng sau xinap để gây ra hưng phấn là từ 20mV đến 40mV. Số liệu do Katz đưa ra là không phù hợp với thực nghiệm. Để giải thích cơ chế truyền xung điện thế hoạt động qua xinap theo cơ chế vật lý, các nhà khoa học cho rằng màng trước, màng sau và khe xinap có cấu trúc đặc biệt nên có điện trở rất bé. Do vậy, xung điện thế hoạt động dễ dàng vượt qua ba thành phần điện trở trên nên khi đến màng sau xinap giá trị điện thế hoạt động tuy có bị giảm nhưng vẫn lớn hơn 40mV. Với giá trị vượt ngưỡng gây hưng phấn, nó đã kích thích màng sau xinap làm cho màng sau xinap mất phân cực rồi đảo cực nên lại phát sinh xung điện thế hoạt động cũng có giá trị 120mV và tiếp tục được truyền đi theo sợi trục của noron sau. Tuy nhiên, giả thiết về ba thành phần cấu trúc của xinap có điện trở nhỏ, thực nghiệm còn chưa xác định được. 3. Bàn giao hưng phấn qua xinap theo cơ chế hoá học Năm 1912 và 1921, Levi tiến hành thí nghiệm buộc hai tim cô lập vào ống thông tim trong có chứa dung dịch sinh lý để hai tim thông với nhau. Khi kích thích dây mê tẩu của tim một thì tim một đập chậm và yếu, có khi ngừng đập. Đồng thời tim hai cũng đập chậm và yếu, có khi ngừng đập giống như tim một. Nếu kích thích dây giao cảm của tim một thì làm cho cả tim một và tim hai đều đập nhanh và đập mạnh. Levi đã xác định dây mê tẩu khi bị kích thích đã phát sinh chất axetincolin có tác dụng kìm hãm còn dây giao cảm khi kích thích sẽ phát sinh chất adrenalin ở ếch còn noradrenalin ở người có tác dụng thúc đẩy tăng nhịp đập của tim. Thí nghiệm của Levi khẳng định khi kích thích, hưng phấn xuất hiện với sự tham gia của chất môi giới, đã truyền từ tim một sang tim hai. Cúc xinap, khi noron ở trạng thái tĩnh, có sự tổng hợp axetincolin từ axetat và colin. Lúc đầu axetat kết hợp với coenzym A, tạo thành axetin KoA. Nhờ xúc tác của enzyme colinaxetilase, xảy ra phản ứng giữa axetin KoA với colin tạo thành axetincolin và coenzymA (KoA). Axetincolin sau khi tổng hợp sẽ được tích lũy lại trong các bóng xinap có đường kính 0,02 - 0,03μm, nằm rải rác ở bào chất của cúc xinap. Khi dòng điện hưng phấn truyền đến cúc xinap đã gây tác dụng kích thích làm cho các bóng xinap phóng thích axetincolin vào khe hở xinap. Ở chuột, mỗi xung điện thế hoạt động khi truyền đến cúc xinap noron - cơ đã kích thích bóng xinap giải phóng vài triệu phân tử axetincolin vào khe hở xinap. Các phân tử axetincolin vượt qua khe hở xinap mất khoảng 0,5ms. Axetincolin làm thay đổi tính thấm của màng sau xinap vì màng sau xinap rất nhạy cảm trước tác động của axetincolin. Từ sự thay đổi tính thấm của màng sau xinap đã dẫn đến sự mất phân cực và đảo cực, phát sinh điện thế hoạt động có độ lớn giống như xung điện thế hoạt động đã truyền đến màng trước xinap. Nếu là xinap noron - noron thì xung điện thế hoạt động phát sinh ở màng sau xinap, tiếp tục được truyền đi theo sợi trục của noron sau. Đồng thời màng sau xinap cũng giải phóng enzyme axetincolinesterase để xúc tác cho phản ứng: Axetincolin + H2O → Axetat + colin Một phân tử enzyme axetincolinesterase ở 25oC, trong 1 giây, có thể thủy phân được 300 ngàn phân tử axetincolin. Như vậy, mỗi phân tử enzyme chỉ cần 1/300.000 giây là phân hủy xong 1 phân tử axetincolin nên mới giải phóng toàn bộ chất axetincolin cũ ở khe


xinap, trước khi có một xung điện thế hoạt động mới truyền tới, lại có một đợt axetincolin mới đi vào khe xinap. Ngưỡng gây kích thích màng sau xinap của axetincolin chỉ cần ở nồng độ vô cùng nhỏ từ 10-16 đến 10-15M. Các xinap giải phóng chất môi giới là axetincolin là các xinap kích thích vì kích thích màng sau xinap làm phát sinh xung điện thế hoạt động mới giống như xung điện thế hoạt động đã truyền đến màng trước ninap. Trong cơ thể sống còn tồn tại các xinap ức chế giải phóng chất môi giới ức chế vì làm ức chế màng sau xinap, không làm phát sinh xung điện thế hoạt động mới ở màng sau xinap (tức không tạo ra sự hưng phấn ở màng sau xinap). Trường hợp này xảy ra ở xinap noron - cơ tim của ếch đã được Levi phát hiện khi kích thích dây mê tẩu đã dẫn đến giải phóng chất ức chế là axetincolin có tác dụng ức chế nhịp đập của tim làm cho tim đập chậm và yếu. Kết quả nghiên cứu khẳng định hiệu ứng hưng phấn hoặc ức chế ở màng sau xinap không phải do chất môi giới quyết định mà do bản chất của các thụ quan (receptor) ở màng sau xinap quyết định. Do vậy, axetincolin kích thích ở xinap noron - cơ nhưng lại ức chế ở xinap noron - cơ tim. Hiện nay các nhà khoa học đã xác định được một số chất môi giới và tác dụng của chúng (xem bảng 7.3).


Bảng 7.3: Các chất môi giới và tác dụng của chúng

Chất môi giới Tác dụng Axetincolin Kích thích hoặc ức chế Adrenalin Kích thích hoặc ức chế Noradrenalin Kích thích hoặc ức chế Dopamin Kích thích hoặc ức chế Serotonin Kích thích hoặc ức chế Axit gamma - aminobutylic Ức chế Glixin Ức chế Axit glutamic Ức chế Enxephalin Ức chế v.v...


Chương 8 QUANG SINH HỌC

I. Bản chất của ánh sáng Ánh sáng là bức xạ điện từ trường lan truyền trong không gian với vận tốc vô cùng lớn (trong chân không vận tốc ánh sáng đạt 300.000km/s). Ánh sáng được chia thành 3 vùng cơ bản: • Vùng nhìn thấy (vùng khả kiến) có bước sóng (λ) từ 400 → 700nm • Vùng tử ngoại có λ = 200nm → 400nm • Vùng hồng ngoại có λ = 700nm → 1000nm Trong hệ sinh vật, các loài có vùng khả kiến không giống nhau. Ví dụ với người vùng khả kiến có λ = 400nm → 700nm nhưng với côn trùng, vùng khả kiến lại có λ = 320nm → 500nm. Ánh sáng vừa có tính sóng (đặc trưng bởi bước sóng và tần số...) vừa có tính chất hạt (đặc trưng bởi các lượng tử ánh sáng hay còn gọi là photon). Photon có khối lượng nhỏ hơn khối lượng của điện tử khoảng 1 triệu lần (khối lượng photon bằng 1,785.10-27gam). Mỗi photon có mang một giá trị năng lượng được tính theo công thức: γ= .hE

Hoặc λ

=v.hE (8.1)

E: Năng lượng của photon γ : Tần số ánh sáng bằng số dao động ánh sáng trong 1 giây v: Vận tốc ánh sáng bằng 300.000km/s λ: Bước sóng ánh sáng h: Hằng số Planck bằng 6,62.10-27erg.s

Đơn vị dùng xác định năng lượng photon là electron vôn (hay điện tử vôn), ký hiệu là eV hoặc Kcal. Một điện tử vôn là năng lượng cần thiết cung cấp cho 1 điện tử đi qua thế hiệu một vôn với khoảng cách giữa hai điện cực là 1Cm. Công thức chuyển đổi giữa các đơn vị đo năng lượng: 1eV=1,602.10-12erg và 1 Kcal=4,2.1010erg Thay giá trị hằng số Planck và vận tốc ánh sáng vào công thức (8.1) sẽ tính được năng lượng của photon có bước sóng tính theo:

)eV()nm(

1244Eλ

= (8.2)

Nếu quan niệm một photon tương tác với một phân tử thì để chuyển một phân tử gam vật chất (1M) chứa 6,023.1023 phân tử lên trạng thái kích thích cần có 6,023.1023 photon, gọi là cần cung cấp một mol lượng tử (hay một Einstein). Năng lượng của một mol lượng tử tính theo đơn vị Kcal được tính theo công thức:


)nm(

650.28Eλ

= (Kcal/M) (8.3)

Từ các công thức trên thấy rằng năng lượng của ánh sáng tỷ lệ thuận với tần số ánh sáng ( γ ) còn tỷ lệ nghịch với bước sóng ánh sáng (λ). Năng lượng ánh sáng có bước sóng ngắn lớn hơn năng lượng ánh sáng có bước sóng dài. Ví dụ năng lượng tia tử ngoại có bước sóng λ=200nm, có giá trị 143,25Kcal/M còn ánh sáng khả kiến có λ=750nm chỉ đạt 38,2Kcal/M. II. Qui luật hấp thụ ánh sáng Sự hấp thụ ánh sáng của vật chất được biểu hiện ở chỗ cường độ ánh sáng bị yếu đi sau khi xuyên qua lớp vật chất nghiên cứu. Năm 1760, Lambert và sau đó năm 1852, Beer đã tìm ra qui luật hấp thụ ánh sáng bởi vật chất. Sự biến đổi cường độ ánh sáng (ký hiệu là dI) khi đi qua lớp mỏng vật chất (ký hiệu là dl) sẽ tỷ lệ với cường độ ánh sáng chiếu (ký hiệu là I) và nồng độ (ký hiệu là C) cũng như hệ số k, đặc trưng cho khả năng hấp thụ của vật chất. Biểu thức toán học của định luật Lambert - Beer có thể viết như sau:

Chùm sáng tới Chùm sáng ló

Io C

l

I

Hình 8.1: Ánh sáng truyền qua dung dịch có nồng độ C và chiều dày l.

dldI

− = k.I.C (8.4)

Dấu trừ biểu thị sự hấp thụ ánh sáng bởi vật chất. Phương trình (8.4) có thể viết dưới dạng:

I

dI = -k.C.dl (8.5)

Lấy tích phân vế trái theo cường độ ánh sáng từ Io đến I và vế phải theo chiều dày từ O đến l ta được:

∫ ∫−=I

I

l

Oo

dl.C.kI

dI

l.C.kIln I

Io−=

lnI - lnIo = -k.C.l (8.6)

l.C.kIoIln −= (8.7)

I = Io kCle− (8.8)

Io: Cường độ ánh sáng tới I: Cường độ ánh sáng ló C: Nồng độ vật chất k: Hệ số hấp thụ l: Chiều dày vật chất (tính theo Centimet) Công thức (8.6) có thể viết dưới dạng: lnIo - lnI = k.C.l


I

Iln o = k.C.l (8.9)

Đặt I

IlnD o= , gọi là mật độ quang học của dung dịch. Khi đó công thức (8.9) có thể viết

như sau: D = k.C.l (8.10) Từ công thức (8.10) suy ra rằng: mật độ quang học của dung dịch tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch và chiều dày của lớp vật chất mà ánh sáng truyền qua. Khi l = 1Cm thì mật độ quang học (D) tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch (C), thể hiện trên hình 8.2.

D

D3

D2

D1

O C1 C2 C3 C

Khi nồng độ dung dịch C = 1M và l = 1Cm thì từ (8.10) suy ra D = k. Như vậy, hệ số hấp thụ chính bằng mật độ quang học của dung dịch có chiều dày 1Cm và nồng độ 1M. Hình 8.2: Sự phụ thuộc của D vào C Công thức (8.10) được áp dụng để tính mật độ quang học của hệ đồng nhất (là hệ không có ranh giới phân chia ra các phần có nồng độ khác nhau). Đối với hệ dị thể như hệ sinh vật, có nhiều phần có nồng độ chất khác nhau thì mật độ quang học của toàn hệ sẽ bằng tổng mật độ quang học của từng thành phần riêng rẽ theo công thức sau: D = D1 + D2 + D3 + ... Dn (8.11) D: Mật độ quang học của hệ D1, D2, D3 ... Dn: Mật độ quang học của lớp 1, 2, 3... lớp n. Để đánh giá phần trăm lượng ánh sáng mà mẫu vật đã hấp thụ, người ta đưa vào khái niệm độ truyền qua, ký hiệu là T, được tính theo công thức:

oI

IT = (8.12)

T: Độ truyền qua (đơn vị là %) Io: Cường độ ánh sáng tới I: Cường độ ánh sáng ló Khi mẫu vật hấp thụ ánh sáng hoàn toàn, tức I=0 thì T=0. Nếu mẫu vật hoàn toàn không hấp thụ ánh sáng, tức I=Io thì T=1 (hay 100%). Lượng ánh sáng hệ hấp thụ được tính theo công thức: Ih = Io- I (8.13) Ih: Cường độ ánh sáng đã bị hệ hấp thụ Io: Cường độ ánh sáng tới I: Cường độ ánh sáng ló


Từ (8.12) có I = Io .T và thay I vào (8.13) ta được:

Ih = Io - (Io.T) = Io(1-T) → o

h

II

= 1 - T (8.14)

Tỷ số o

h

II

gọi là độ hấp thụ. Khi mẫu vật hoàn toàn không hấp thụ ánh sáng, tức T=1 thì

độ hấp thụ bằng không. Nếu mẫu vật hấp thụ hoàn toàn ánh sáng, tức T=0 thì độ hấp thụ

bằng một. Các giá trị mật độ quang học (D), độ truyền qua (T), độ hấp thụ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

o

h

II được đo

trên máy quang phổ kế. Trên thực tế, thường sử dụng phương pháp xác định quang phổ hấp thụ của vật chất. Phương pháp này đo sự phụ thuộc của mật độ quang học (D) vào bước sóng (λ) hay tần số (γ) của ánh sáng chiếu. Mỗi chất có một quang phổ hấp thụ đặc trưng riêng. Tức là, mỗi chất chỉ hấp thụ cực đại ở một số bước sóng nhất định. Ví dụ quang phổ hấp thụ của một số phân tử sinh học quan trọng: - Quang phổ hấp thụ của protein đạt giá trị cực đại ở bước sóng λ=280nm. - Quang phổ hấp thụ của carotin đạt giá trị cực đại ở bước sóng λ=480nm. - Quang phổ hấp thụ của rodopxin đạt giá trị cực đại ở bước sóng λ=550nm. - Quang phổ hấp thụ của diệp lục a đạt giá trị cực đại ở hai bước sóng λ1=440nm và λ2=700nm. - Mắt người có thể phân biệt được 300 màu sắc khác nhau nhưng chủ yếu hấp thụ ba màu cơ bản là màu đỏ (có λ=600nm), màu xanh (có λ=550nm) và màu da cam (có λ=450nm). III. Các giai đoạn cơ bản của quá trình quang sinh học Các quá trình quang sinh học thường được đánh giá theo hai quan điểm sau: - Quan điểm một là những phản ứng mà các sản phẩm cuối cùng của nó có dự trữ năng lượng cao hơn so với năng lượng của các chất ban đầu tham gia vào phản ứng, được gọi là những phản ứng tạo năng lượng. Ví dụ như quá trình quang hợp ở thực vật. - Quan điểm hai là các phản ứng quang sinh học trong đó ánh sáng đóng vai trò là nguồn năng lượng hoạt hóa các phân tử khi tham gia vào phản ứng hóa sinh hoặc là dưới tác dụng của ánh sáng đã dẫn tới các phản ứng phá hủy biến tính ở mức độ phân tử, tế bào, mô hay cơ thể. Xét theo quan điểm nào, quá trình quang sinh học cũng đều trải qua những giai đoạn nối tiếp nhau như sau: 1. Hấp thụ lượng tử ánh sáng bởi các sắc tố hoặc tế bào (như tế bào que, tế bào nón) gây nên trạng thái hưng phấn hay còn gọi là trạng thái kích thích. 2. Khử trạng thái kích thích điện tử của phân tử. Giai đoạn này xảy ra các quá trình sau: - Thải hồi năng lượng qua các quá trình quang lý (như phát huỳnh quang hay lân quang). - Thải hồi năng lượng qua các quá trình quang hóa dẫn tới hình thành nên những sản phẩm quang hóa không bền vững đầu tiên. Đối với quá trình quang hợp đó là các sản phẩm NADPH và ATP. - Thải hồi năng lượng bằng cách tỏa nhiệt ra môi trường.


3. Diễn ra các phản ứng trung gian không cần tới sự chiếu sáng (gọi là phản ứng tối) với sự tham gia của các sản phẩm quang hóa không bền vững nói trên để tạo thành sản phẩm quang hóa bền vững (với quá trình quang hợp, đó là hydratcacbon). 4. Hiệu ứng sinh học cuối cùng như các biểu hiện sinh lý cảm nhận màu sắc, sự vật, sự sinh trưởng và phát triển v.v... Giai đoạn hấp thụ lượng tử ánh sáng và giai đoạn khử trạng thái kích thích điện tử của phân tử, đặc trưng chung cho tất cả các phản ứng quang sinh vật (xem hình 8.3).

S2 (Singlet 2)

S1 (Singlet 1)

T (Triplet)

So (Singlet)

A a

4

1

3 2

c

b

Hình 8.3: Sơ đồ biểu diễn các mức năng lượng của phân tử và các bước chuyển giữa các mức năng lượng đó.

- Đường a, A khi phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng để chuyển từ mức năng lượng cơ bản ban đầu là So lên mức năng lượng cao hơn là S1 hoặc S2. - Theo cơ học lượng tử thì không có bước chuyển phát xạ (tức phát ra sóng ánh sáng) khi phân tử chuyển từ mức S2 về mức So và cũng không có bước chuyển thẳng từ mức So lên mức triplet (gọi là bước cấm). - Khi phân tử chuyển từ mức S1 về mức cơ bản So sẽ phát huỳnh quang (đường b) hoặc chuyển từ mức triplet về mức cơ bản So sẽ phát lân quang (đường c). - Các đường 1, 2, 3, 4, là phân tử thải hồi năng lượng dưới dạng tỏa nhiệt ra môi trường. Quá trình phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng để chuyển lên trạng thái kích thích và sau đó trở về trạng thái ban đầu, là một quá trình bất thuận nghịch. IV. Sự phát quang Phân tử sau khi hấp thụ năng lượng ánh sáng để chuyển lên trạng thái kích thích có mức năng lượng là S1 hoặc S2 đều có giá trị lớn hơn mức năng lượng ban đầu của phân tử là So. Trong khoảng 10-13 giây, phân tử ở mức năng lượng E2 phải giải phóng một phần năng lượng dư thừa qua con đường thải nhiệt ra môi trường để trở về trạng thái kích thích có mức năng lượng thấp hơn là S1 (con đường 1 ở hình 8.3). Khi phân tử ở mức năng lượng S1 nó sẽ trở về mức năng lượng cơ bản So qua các con đường sau: Quá trình tỏa nhiệt (đường 2, 3, 4 trên hình 8.3) Phát huỳnh quang (đường b trên hình 8.3) S1 Phát lân quang (đường c trên hình 8.3)


Vận chuyển năng lượng Cung cấp năng lượng cho các phản ứng quang hóa 1. Sự phát huỳnh quang Khi các phân tử chuyển từ trạng thái kích thích có mức năng lượng thấp nhất là S1 xuống trạng thái cơ bản là So thì sẽ phát ra ánh sáng huỳnh quang. Sự phát ra ánh sáng huỳnh quang có thể biểu diễn dưới dạng: S1 → So + hγ'

γ': Tần số ánh sáng huỳnh quang ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

λ=γ

'v'

v: Vận tốc ánh sáng; λ': Bước sóng huỳnh quang Thời gian phân tử dừng ở trạng thái singlet S1 là từ 10-9 đến 10-8 giây, cho nên cũng được xem là thời gian kéo dài của sự phát ra ánh sáng huỳnh quang. Do vậy, sự phát huỳnh quang chỉ xảy ra trong thời gian chiếu sáng mẫu vật, còn khi ngừng chiếu sáng thì sự phát huỳnh quang sẽ tắt. Đặc trưng của ánh sáng huỳnh quang là phổ huỳnh quang. Phổ huỳnh quang là đường cong phụ thuộc của cường độ huỳnh quang vào bước sóng ánh sáng huỳnh quang (λ'). Để nghiên cứu phổ huỳnh quang, các nhà nghiên cứu dùng hệ thống các kính lọc, được bố trí theo sơ đồ sau:

1

3

2 4 hγ',

hγ

Hình 8.4: Sơ đồ ghi phổ huỳnh quang. 1) Kính lọc chỉ cho ánh sáng có λ mà dung dịch nghiên cứu hấp thụ (với dung dịch protein thì λ = 280 nm) đi qua. 2) Dung dịch nghiên cứu phổ huỳnh quang (dung dịch protein). 3) Kính lọc chỉ cho ánh sáng huỳnh quang do phân tử chất nghiên cứu phát ra. 4) Máy ghi phổ huỳnh quang. Sự phát huỳnh quang tuân theo các qui luật sau: * Qui luật Stock: Phổ huỳnh quang luôn dịch chuyển về phía bước sóng dài hơn so với điểm hấp thụ cực đại của phổ hấp thụ. Bởi vì phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng kích

thích có E = h.γ = h.λv (đường A trên hình 8.3) đã mất một phần năng lượng do thải nhiệt

(đường 1 trên hình 8.3) để trở về mức S1 và khi chuyển về mức So đã phát ra ánh sáng

huỳnh quang có năng lượng E' = hγ' = h.'

vλ

. Ở đây E > E' nên λ < λ', tức là năng lượng ánh

sáng kích thích lớn hơn năng lượng ánh sáng huỳnh quang nên bước sóng ánh sáng kích thích ngắn hơn so với bước sóng ánh sáng huỳnh quang. Ví dụ chiếu dung dịch protein ánh sáng kích thích có λ=280nm thì các phân tử protein sẽ phát ra ánh sáng huỳnh quang có bước sóng dài hơn là λ=340nm. * Qui luật Vavilốp: Sự phát ra ánh sáng huỳnh quang của một chất nào đó (chẳng hạn


Chlorophyll) không phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích vì ánh sáng huỳnh quang được phát ra khi phân tử chuyển từ mức năng lượng S1→So. Khi phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng để chuyển lên các mức năng lượng cao hơn S1, qua con đường thải nhiệt để cuối cùng đều chuyển về mức S1 để sau đó phát ánh sáng huỳnh quang. Ví dụ Chlorophyll có thể hấp thụ cả ánh sáng xanh (λ=440nm) và ánh sáng đỏ (λ=700nm) nên khi chiếu dung dịch Chlorophyll dù là ánh sáng xanh hay ánh sáng đỏ thì phổ huỳnh quang của Chlorophyll vẫn không thay đổi. * Qui luật Levin: Phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang đối xứng quanh một bước sóng λo (xem hình 8.5). Qui luật đúng với phân tử có cấu trúc đơn giản.

12

λ1 λo λ2 λ

D

Hình 8.5: Phổ hấp thụ (1) và phổ huỳnh quang (2) đối xứng qua λo

2. Sự phát lân quang Khi phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng để chuyển từ mức năng lượng cơ bản So lên mức kích thích S1 và khi trở về trạng thái ban đầu có thể bằng sự thải nhiệt (đường 2, hình 8.3) hoặc phát huỳnh quang (đường b, hình 8.3), hoặc thải nhiệt để chuyển về mức triplet (đường 3, hình 8.3), sau đó phân tử chuyển từ mức triplet về mức So và phát ra ánh sáng lân quang (đường c, hình 8.3). Sự phát lân quang có thể biểu diễn dưới dạng: T→So+hγ*

γ*: Tần số ánh sáng lân quang ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

λ=γ *

* v .

Lân quang cũng được đặc trưng bởi phổ lân quang. Phổ lân quang là đường cong phụ thuộc của cường độ ánh sáng lân quang vào bước sóng ánh sáng lân quang (λ*). Phổ lân quang luôn dịch chuyển về phía ánh sáng có bước sóng dài hơn so với phổ hấp thụ và phổ

huỳnh quang. Nguyên do vì *lq'hqht

v.hE'

v.hEv.hEλ

=>λ

=>λ

= suy ra bước sóng ánh

sáng hấp thụ (λ) nhỏ hơn bước sóng ánh sáng huỳnh quang và bước sóng ánh sáng huỳnh quang (λ') lại nhỏ hơn bước sóng ánh sáng lân quang (λ*) (xem hình 8.6). Sự phát lân quang kéo dài từ 10-4 đến 10-2 giây, tức là lâu hơn so với sự phát huỳnh quang. Do vậy khi đã tắt ánh sáng chiếu nhưng sự phát lân quang vẫn có thể xảy ra.


12

λ λ' λ

D

3

λ*

Hình 8.6: Phổ hấp thụ (1), phổ huỳnh quang (2) và phổ lân quang (3) (λ<λ'<λ*). 3. Sự vận chuyển năng lượng Phân tử hấp thụ năng lượng ánh sáng đã chuyển từ mức năng lượng thấp là So lên mức năng lượng cao là S1. Khi phân tử chuyển từ mức năng lượng S1→So, nó có thể qua con đường thải nhiệt, phát huỳnh quang hay lân quang, hoặc nó có thể chuyền năng lượng cho phân tử khác. Giả sử phân tử ở trạng thái kích thích là chất cho năng lượng (ký hiệu là ) còn chất nhận năng lượng là phân tử ở trạng thái cơ bản (ký hiệu là M*

1M o) thì quá trình chuyền năng lượng có thể viết dưới dạng:

+M*1M o→M1+ *

0M*0M là phân tử ở trạng thái kích thích và có mức năng lượng cao hơn so với năng lượng

của phân tử Mo. Quá trình chuyền năng lượng là một quá trình vật lý, không kèm theo sự biến đổi hoá học và không cần M1 va chạm với Mo. Sự chuyền năng lượng có thể xảy ra theo nhiều cơ chế nhưng ở đây chỉ xét cơ chế chuyền năng lượng theo cộng hưởng cảm ứng. Để có sự chuyền năng lượng theo cơ chế này cần có một số điều kiện sau:

- Chất cho năng lượng phải có khả năng phát huỳnh quang, đặc trưng bởi cường độ phát quang là J.

*1M

- Phổ huỳnh quang của chất cho phải có vùng chung với phổ hấp thụ của chất nhận M

*1M

o (xem hình 8.7), đặc trưng bởi mật độ quang học là D.

JD

λ

- Khoảng cách giữa chất cho và chất nhận năng lượng M

*1M

o phải nhỏ hơn giá trị tới hạn cho phép. Ở một số điều kiện khi khoảng cách trung bình giữa chất cho và chất nhận năng lượng đạt khoảng cách từ 20 đến

100 thì có thể chuyền toàn bộ năng lượng cho M

oA *

1Mo, tức là hiệu suất chuyển năng lượng bằng một

(ϕ=1). Với hệ có chứa nhiều phân tử có khả năng hấp thụ ánh sáng để chuyển lên trạng thái kích thích thì khả năng xảy ra sự chuyền năng lượng đối với phân tử protein đạt chỉ vài phần trăm còn axit nucleic đạt 30%

J D

Hình 8.7: Phổ phát quang của chất *1M

là J và phổ hấp thụ của chất Mo là D có vùng chung (phần gạch ngang)


và ở hệ có nhiều phân tử hấp thụ ánh sáng thì có thể đạt tới 100%. V. Phản ứng quang hóa Phản ứng quang hóa là những phản ứng xảy ra trong hệ dưới tác dụng của ánh sáng. Phản ứng quang hóa nào cũng đều trải qua hai giai đoạn. Giai đoạn đầu là giai đoạn được chiếu sáng đã xảy ra sự hấp thụ năng lượng ánh sáng để tạo nên những phân tử bị kích thích, các ion và các gốc tự do. Giai đoạn thứ hai là giai đoạn tối (không cần sự chiếu sáng) tiếp tục xảy ra các phản ứng với sự tham gia của các sản phẩm quang hóa được hình thành từ giai đoạn sáng để tạo nên sản phẩm quang hóa bền vững. Tốc độ phản ứng quang hóa được xác định bằng nồng độ phân tử chất tham gia vào phản ứng trong một đơn vị thời

gian (ký hiệu là dtdC ). Phân tử chỉ có thể tham gia vào phản ứng khi đã hấp thụ lượng tử

ánh sáng để chuyển lên trạng thái kích thích (tức đã được hoạt hóa). Do vậy, tốc độ phản ứng quang hóa phải bằng số lượng tử ánh sáng được hấp thụ trong một đơn vị thời gian

(ký hiệu là dtdN ). Từ đó có phương trình:

dtdN

dtdC

= (8.15)

Số lượng tử ánh sáng được hấp thụ trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với số lượng tử ánh sáng chiếu vào hệ (ký hiệu là I), nồng độ phân tử chất hấp thụ (C) và tiết diện bề mặt bị chiếu sáng (S). Từ đó có phương trình:

dtdN = S.C.I (8.16)

Từ (8.15) suy ra:

dtdC = S.C.I (8.17)

Tuy nhiên, không phải tất cả năng lượng photon đều được các phân tử hấp thụ để chuyển lên trạng thái kích thích và sau đó phân tử kích thích tiếp tục tham gia vào phản ứng mà có một số phân tử kích thích không tham gia vào phản ứng mà trở về trạng thái ban đầu bằng cách thải nhiệt ra môi trường hay phát quang. Vì thế có khái niệm hiệu suất quang hóa (hay suất lượng tử, ký hiệu là ϕ) được xác định theo công thức:

Số photon được phân tử hấp thụ để tham gia vào phản ứng (N2) ϕ =

Số photon được hệ hấp thụ (N1)

Hay: 1

2

NN

=ϕ (8.18)

Trên thực tế giá trị ϕ bao giờ cũng nhỏ hơn 1 và chỉ đạt vài phần trăm đến vài chục phần trăm. Ví dụ như hiệu suất quang hóa của phản ứng khử hoạt tính của men khi bị chiếu sáng chỉ đạt từ 10-3 đến 10-2 (tức từ 1 00

0 →1%), nghĩa là một phân tử men phải hấp thụ từ


100 đến 1000 photon mới bị mất hoạt tính xúc tác. Sở dĩ hiệu suất quang hóa có giá trị thấp như vậy là do chỉ có một số ít phân tử sau khi hấp thụ photon đã tham gia vào phản ứng. Từ đó dẫn tới khái niệm tiết diện quang sinh (δ) và được cho rằng chỉ khi photon đập trúng tiết diện quang sinh của phân tử mới dẫn tới phân tử tham gia vào phản ứng. Bây giờ hiệu suất quang hóa được tính theo công thức:

Sδ

=ϕ (8.19)

δ < S → ϕ < 1 Phương trình (8.17), thay khái niệm tiết diện bề mặt bị chiếu sáng bằng tiết diện quang sinh sẽ được viết dưới dạng:

dtdC = - δ.C.I (8.20)

Dấu trừ biểu hiện nồng độ phân tử kích thích khi tham gia vào phản ứng quang hóa sẽ giảm dần theo thời gian. Phương trình (8.20) có thể viết dưới dạng:

C

dC = - δ.I.dt (8.21)

Nếu lấy thời gian bắt đầu xảy ra phản ứng quang hóa là không giây, ứng với nồng độ ban đầu của các phân tử tham gia vào phản ứng quang hóa là Co thì sau thời gian là t, số phân tử kích thích chưa tham gia vào phản ứng là C. Lấy tích phân hai vế (8.21) ta có:

∫ δ−=C

C

t

Oo

dtI.C

dC∫ →

oCCln = - δ.I.t

t.I.o

t.I.

o

e.CCeCC δ−δ− =→= (8.22)

Nồng độ phân tử kích thích tham gia vào phản ứng quang hóa sẽ giảm dần theo thời gian. Để đánh giá tốc độ phản ứng quang hóa có phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng chiếu (λ),

người ta đo tốc độ phản ứng quang hóa ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

dtdC ở những bước sóng khác nhau nhưng có

cùng một cường độ ánh sáng là I (tức là cùng số lượng tử ánh sáng chiếu vào mẫu vật).

Khi đó giá trị dtdC /I sẽ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng chiếu được gọi là đo quang phổ

hoạt động của phản ứng quang hóa. Quang phổ hoạt động của phản ứng quang hóa có dạng trùng với quang phổ hấp thụ của các phân tử đã tham gia vào phản ứng quang hóa. Ví dụ: Trong quang phổ hoạt động của quá trình quang hợp, xuất hiện đỉnh cực đại ở vùng bước sóng 480nm - 500nm mà carotin cũng có đỉnh hấp thụ cực đại tại vùng bước sóng này, chứng tỏ carotin có tham gia vào quá trình quang hợp. Hoặc khi chiếu ánh sáng lên dung dịch men thể hiện phổ hoạt động của phản ứng quang hóa dẫn tới khử hoạt tính men trùng với phổ hấp thụ của axit amin thơm. Điều này chứng tỏ axit amin thơm trong thành phần cấu tạo của phân tử men đã tham gia vào phản ứng quang hóa nên dẫn tới làm cho phân tử men bị mất hoạt tính xúc tác.


Nếu chất A hấp thụ năng lượng ánh sáng nhưng tham gia vào phản ứng quang hóa lại là chất B thì phổ hoạt động và phổ hấp thụ của chất B phải trùng nhau. Như vậy có nghĩa là chất A đã chuyền năng lượng cho chất B (A+hγ→A*→B→B*) để chất B chuyển lên trạng thái kích thích (B*) và tham gia vào phản ứng quang hóa. Nếu trong hệ có nhiều chất, khi chiếu sáng và nghiên cứu phổ hoạt động, sau đó so sánh với phổ hấp thụ của những chất đã biết sẽ xác định được chất nào đã chuyền năng lượng (nên không có phổ hoạt động) và chất nào đã tham gia vào phản ứng quang hóa (nên có phổ hoạt động). VI. Phương pháp đo độ hấp thụ trong vùng ánh sáng trông thấy và tử ngoại Khi đo độ hấp thụ, các nhà nghiên cứu hay dùng máy quang phổ kế (còn gọi là máy so màu). Sơ đồ cấu tạo máy quang phổ kế được mô tả trên hình 8.8.

1 2 3 4 5

0

Hình 8.8: Sơ đồ cấu tạo máy quang phổ kế

1) Nguồn chiếu sáng 2) Kính lọc bước sóng ánh sáng 3) Cốc đựng mẫu (cuvét) 4) Tế bào quang điện 5) Màn hình thiết bị đo giá trị mật độ quang học (D) hay độ truyền qua (T) Nguyên tắc đo: Cho dung môi (chất dùng để pha dung dịch nghiên cứu) vào ống thủy tinh số 3 và chỉnh thiết bị đo số 5, cho kim chỉ số không. Sau đó đổ dung môi ra, tráng sạch, sấy khô, để nguội rồi đổ dung dịch nghiên cứu vào, trên màn hình thiết bị đo số 5, kim sẽ chỉ giá trị mật độ quang học D hay độ truyền qua T. Lưu ý cả dung môi và dung dịch nghiên cứu đều đo ở bước sóng đã được chọn trước. Ví dụ đo mật độ quang học của dung dịch ADN thì phải chọn bước sóng λ=260nm. Mỗi chất hấp thụ cực đại ở một bước sóng nhất định (ký hiệu là λmax) và khi chiếu ánh sáng λmax, đối với mỗi chất có một hệ số hấp thụ xác định (ký hiệu là kmax). Song cũng có những chất hấp thụ cực đại ở một số bước sóng khác nhau như triptophan, tirozin, phenilalanin và do vậy chúng cũng có các hệ số hấp thụ tương ứng (xem bảng 8.1). Bảng 8.1: Độ hấp thụ và hệ số hấp thụ ở bước sóng λmax.

Các chất

λmax (nm) kmax

Tirozin 274; 222; 193 (1,4; 8; 48).10-3

Phenilalanin 257; 206; 188 (0,2; 9,3; 60).10-3

Triptophan 280; 219 (5,6; 47).10-3

Hixtidin 211 5,9.10-3

Xistein 250 0,3.10-3

Adenin 260,5 13,4.10-3

Adenozin 259,5 14,9.10-3

Guanozin 252,5 13,6.10-3

Guanin 246 10,7.10-3

Xitozin 267 6,1.10-3

Xitidin 271 9,1.10-3


Uraxin 261,1 10,1.10-3

Timin 264,5 7,9.10-3

Timidin 267 9,7.10-3

ADN 260 6,6.10-3

ARN 258 7,4.10-3

Phương pháp đo quang phổ hấp thụ trong vùng tử ngoại và ánh sáng nhìn thấy được áp dụng để xác định nồng độ. Vì theo định luật Lambert - Beer thì mật độ quang học (D) tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch (C). Vì vậy, muốn xác định nồng độ của một chất cần nghiên cứu thì trước tiên phải có đồ thị chuẩn D = f(λ) của chất nghiên cứu chuẩn (tự làm hay lấy từ tài liệu tham khảo (xem hình 8.2). Sau đó lấy dung dịch chất cần nghiên cứu đo được giá trị mật độ quang học là Dx, dựa vào đồ thị chuẩn sẽ suy ra được nồng độ Cx. Để xác định nồng độ vi khuẩn (Cvk) cách làm cũng tương tự, chỉ việc thay nồng độ phân tử gam (M) bằng số lượng vi khuẩn trong 1ml và đo ở bước sóng λ=650nm (xem hình 8.9). Ví dụ: Từ đồ thị chuẩn D = f(λ=260nm) của dung dịch ADN chuẩn đã biết được nếu D260 (mật độ quang học đo ở λ=260nm) bằng 1 sẽ tương ứng với nồng độ ADN là 50 microgam/ml, nếu D260 bằng 0,5 tương ứng với nồng độ ADN là 25 microgam/ml, nếu D260 bằng 0,1 tương ứng với nồng độ ADN là 5 microgam/ml.

D(650nm)

Dx

O Cx C

D=f(λ)

Hình 8.9: Nồng độ vi khuẩn (Cvk) xác định bằng cách đo mật độ

quang học (D) Phương pháp đo quang phổ hấp thụ còn có thể cho phép xác định thành phần của phân tử. Từ bảng 8.1 đã biết hệ số hấp thụ kmax của 4 bazơ Nitơ là Adenin, Timin, Guanin, Xitozin. Dựa vào bước sóng λmax trong bảng 8.1 sẽ đo được mật độ quang học tương ứng của mỗi bazơ Nitơ. Áp dụng công thức (8.10) D = k.C.l và khi chọn cuvét có độ dày l =

1Cm thì suy ra D = k.C. Khi biết D và k sẽ tính được nồng độ kDC = .

* Phương pháp phân tích hấp thụ nguyên tử - Phân tích định tính: Sự hấp thụ của nguyên tử vật chất đối với ánh sáng mang tính chất chọn lọc, nghĩa là mỗi nguyên tử chỉ hấp thụ ở một bước sóng ánh sáng nhất định. Điều này cho phép nhận dạng được nguyên tố có mặt trong mẫu đem phân tích khi so sánh quang phổ hấp thụ của mẫu với quang phổ hấp thụ của các nguyên tố hoá học đã biết trước. - Phân tích định lượng: Áp dụng định luật Lambert - Beer và sử dụng công thức (8.10) sẽ xác định được nồng độ của chất nghiên cứu khi đo được mật độ quang học D và hệ số hấp thụ nguyên tử k ở ánh sáng chiếu có bước sóng xác định (ánh sáng đơn sắc). Phương pháp phân tích hấp thụ nguyên tử có độ chính xác cao hơn nhiều so với phương pháp dùng quang phổ kế.


VII. Quang hợp 1. Phương trình quang hợp tổng quát Trên trái đất chỉ có hai nguồn năng lượng mà thế giới sinh vật có thể sử dụng là năng lượng hoá học của các chất vô cơ có nguồn gốc từ trái đất và năng lượng ánh sáng có nguồn gốc từ vũ trụ. Năng lượng ánh sáng là nguồn năng lượng vô tận, có ý nghĩa quyết định tới sự sống ở trên trái đất được thực vật và nhiều loài vi sinh vật quang dưỡng chuyển hóa thành năng lượng hoá học trong các phân tử hữu cơ. Nhờ quá trình quang hợp mà mỗi năm trên trái đất có 5.1010 tấn chất hữu cơ được tổng hợp, hấp thụ 2.1012 tấn CO2 và thải ra 13.1010 tấn O2 vào khí quyển. Phản ứng tổng quát của quang hợp là phản ứng tổng hợp các chất hữu cơ (hydratcacbon) từ các chất vô cơ (khí CO2 và H2O) dưới tác dụng của ánh sáng (ký hiệu là hγ).

6CO2 + 6H2O Cγ

⎯⎯ →⎯h

lucdiep 6H12O6 + 6O2

Quá trình quang hợp diễn ra ở thực vật bậc cao và thực vật bậc thấp. Một loại quang hợp khác diễn ra ở vi khuẩn theo phản ứng: CO2 + 2H2S CH⎯→⎯ γh

2O + H2O + 2S Đối với vi khuẩn, quá trình quang hợp không thải ra oxy mà thải ra khí lưu huỳnh. 2. Năng lượng trong quá trình quang hợp Để định lượng vai trò của ánh sáng có thể tính tổng năng lượng các liên kết ở các chất tham gia vào phản ứng và các sản phẩm cuối cùng của quá trình quang hợp theo phương trình tổng quát sau đây: O=C=O+H⎯O⎯H H⎯C=O+O=O ⎯→⎯ γh

⏐

H Ở các chất tham gia có: 2 nối C=O có năng lượng là: 2x190 Kcal/M 2 nối O ⎯ H có năng lượng là: 2x110 Kcal/M Năng lượng tổng cộng là: 600 Kcal/M Ở sản phẩm quang hợp có: 1 nối O=O có năng lượng là: 1x116 Kcal/M 1 nối C=O có năng lượng là: 1x190 Kcal/M 2 nối C ⎯ H có năng lượng là: 2x92 Kcal/M Năng lượng tổng cộng là: 490 Kcal/M So sánh năng lượng trước và sau phản ứng ta có: 600Kcal/M-490 Kcal/M=110Kcal/M Như vậy năng lượng ánh sáng cung cấp cho quá trình quang hợp cũng chính bằng 110 Kcal/M để phá vỡ liên kết cũ (chất tham gia) và hình thành liên kết mới (sản phẩm). Theo tính toán lý thuyết 1 photon ánh sáng đỏ (λ=690nm) có năng lượng khoảng 42Kcal/M và như vậy để có 110Kcal/M, thực vật chỉ cần hấp thụ 3 photon ánh sáng đỏ là đủ thực hiện quá trình quang hợp. Trên thực tế, theo dẫn liệu của nhiều tác giả để tạo ra 1 phân tử oxy,


tối thiểu phải cần từ 4 đến 12 photon. Nếu lấy giá trị trung bình số photon cần thiết cho quá trình quang hợp là 8 thì hiệu suất trung bình của quá trình quang hợp sẽ là:

375,0Kcal42photon8Kcal42photon3

=××

=η hay đạt 37,5%

Hiệu suất cực đại của quá trình quang hợp có thể đạt được là:

75,0Kcal42photon4Kcal42photon3

=××

=η hay đạt 75%

3. Sắc tố cảm quang Để thực hiện được quá trình quang hợp, các tế bào thực vật, các vi khuẩn phải có các sắc tố cảm quang để tiếp nhận năng lượng ánh sáng. Có ba nhóm sắc tố chính là: Porphyrin, Phycobilin và Carotenoid. - Sắc tố nhóm Porphyrin: Tất cả các loài thực vật và vi khuẩn có quang hợp đều chứa Chlorophyll ở các dạng khác nhau. Tế bào thực vật chứa Chlorophyll còn vi khuẩn quang hợp chứa Bacteriochlorophyll. Chlorophyll ở các loài khác nhau không đáng kể về cấu trúc phân tử nhưng lại khác nhau về quang phổ hấp thụ ở bước sóng λmax. Các cơ thể tiến hành quang hợp thải oxy như thực vật bậc cao, tảo và vi khuẩn Cyanobacteria hấp thụ cực đại ở bước sóng 650nm và 680nm. Vi khuẩn xanh lục chủ yếu chứa Bacteriochlorophyll c, d, e lại hấp thụ cực đại ở bước sóng 725nm; 740nm; 760nm còn vi khuẩn tía chứa Bacteriochlorophyll a hấp thụ cực đại đến bước sóng 950nm và chứa Bacteriochlorophyll b hấp thụ cực đại ở bước sóng 1020nm đến 1100nm. - Phycobiliprotein: Là các sắc tố màu đỏ hoặc xanh lam, có mặt ở vi khuẩn lam, tảo đỏ, tảo nâu... Nhờ có Phycobiliprotein mà tế bào vi khuẩn lam hấp thụ ánh sáng có bước sóng vùng 450-700nm. Các sắc tố như Phycoerythrin hấp thụ cực đại ở bước sóng 565nm, Phycocyanin hấp thụ cực đại ở bước sóng 620nm, Allophycocianin hấp thụ cực đại ở bước sóng 654nm... - Carotenoid: Nhóm Carotenoid có thể chia làm ba loại: không vòng, đơn vòng hoặc hai vòng. Ở thực vật bậc cao có mặt Carotenoid thuộc loại hai vòng, ở vi khuẩn tía có Carotenoid thuộc loại không vòng còn ở vi khuẩn xanh có đến 80-85% Carotenoid thuộc loại một vòng. Nhờ có tập hợp các sắc tố quang hợp đa dạng như vậy nên các sinh vật có quang hợp đã hấp thụ được hầu hết phổ ánh sáng mặt trời chiếu xuống trái đất (bước sóng từ 350 đến 1100nm). Sự khác nhau về vùng ánh sáng bị hấp thụ ở các nhóm sinh vật khác nhau đã làm cho chúng không phải cạnh tranh với nhau về nguồn năng lượng chiếu sáng. 4. Sự chuyền năng lượng trong quang hợp Tập hợp các sắc tố tham gia vào quá trình quang hợp, giữa chúng có xảy ra sự chuyền năng lượng. Các nhà khoa học đã tính toán trong gran của lục lạp có nồng độ Chlorophyll rất cao từ 0,1 đến 1M/dm3 và khoảng cách trung bình giữa các phân tử sắc tố chỉ khoảng từ

10 đến 20 . Sự chuyền năng lượng giữa các phân tử sắc tố xảy ra theo cơ chế cộng hưởng cảm ứng.

oA

Ở thực vật bậc cao và tảo, bằng phương pháp phá vỡ tế bào, tách riêng lấy lục lạp và dùng phương pháp điện di, sắc ký đã tách được phức hợp sắc tố - protein. Trong thành phần phức hợp sắc tố - protein có khoảng 50-60% Chlorophyll của tế bào thực vật hay tảo. Trong phức hợp sắc tố này có hai dạng Chlorophyll phát huỳnh quang cực đại ở bước


sóng 680nm và 695nm. Vì vậy, người ta cho rằng có hai kênh vận chuyển năng lượng, bắt đầu từ sự nhận năng lượng ánh sáng bởi Chlorophyll b sau đó vận chuyển năng lượng cho Chlorophyll a hấp thụ cực đại ở bước sóng 680nm (ký hiệu là Chl.a (680)) và Chlorophyll a hấp thụ cực đại ở bước sóng 695nm (Chl.a (695)). Chlorophyll có khả năng hấp thụ ánh sáng chọn lọc, chuyền năng lượng hấp thụ được từ ánh sáng sang cho hệ vận chuyển điện tử quang hợp để chuyển thành hóa năng. Nhóm sắc tố Carotenoid cũng có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng rồi chuyển năng lượng cho hệ Chlorophyll để thực hiện quá trình quang hợp. Nhóm sắc tố Phycobilin cũng có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng ở vùng bước sóng ngắn và chuyển năng lượng cho Chlorophyll để thực hiện quá trình quang hợp. Ví dụ: Ở vi khuẩn lam, quá trình vận chuyển năng lượng diễn ra theo chiều hướng sau: Phycoerythrin → Phycocianin → Allophycocianin → (565nm) (620nm) (654nm) Allophycocianin B → Chlorophyll a. (671nm) (680nm) Các số ghi trong ngoặc ở dưới là bước sóng hấp thụ cực đại (λmax) của mỗi sắc tố. 5. Cơ chế của quá trình quang hợp Quá trình quang hợp được chia ra 2 giai đoạn (hay 2 pha, được gọi là pha sáng và pha tối). * Pha sáng quang hợp Đây là pha đầu tiên của quang hợp, có sự tham gia trực tiếp của ánh sáng. Sắc tố quang hợp là Chlorophyll (Chl) đã hấp thụ năng lượng ánh sáng do photon chuyền cho để chuyển lên trạng thái kích thích (Chl*) có mức năng lượng cao hơn so với trạng thái ban đầu (Chl).

E = hγ → Chl → Chl*

Điện tử của phân tử Chlorophyll ở trạng thái kích thích, khi trở về trạng thái ban đầu đã chuyển năng lượng cho hệ chuyền điện tử định vị trong lục lạp để tổng hợp nên ATP. Ở pha sáng quang hợp có sự tham gia của phân tử nước. Dưới tác dụng của ánh sáng với sự tham gia của hệ sắc tố và hệ oxy hóa trong lục lạp mà phân tử nước bị phân li, gọi là sự quang phân li nước. Quang phân li nước xảy ra qua nhiều giai đoạn như sau:

4H2O 4Hγ

⎯⎯ →⎯h

toSac+ + 4OH -

4OH - 4e ⎯⎯→⎯ - + 4OH

4OH O++

−⎯⎯→⎯Mn

Cl 2 + 2H2O

Kết quả: 2H2O 4H⎯⎯ →⎯ + + 4e - + O2

Oxy được thải vào không khí còn proton (tức H+) và điện tử (e-) sẽ tham gia vào các quá trình tiếp sau. Điện tử được vận chuyển qua hệ vận chuyển điện tử quang hợp để tổng hợp nên ATP còn H+ kết hợp với NADP- để tạo nên NADPH2. Tóm tắt phản ứng của pha sáng như sau:


2H2O + 2ADP + 2H3PO4 + 2NADP 2ATP + 2NADPHγ

⎯⎯ →⎯h

toSac 2 + O2↑

Sản phẩm của pha sáng là ATP, NADPH2 sẽ tiếp tục tham gia vào phản ứng tiếp theo của pha tối để tổng hợp nên chất hữu cơ với sự tham gia của CO2. * Pha tối quang hợp Các phản ứng của pha tối diễn ra không có sự tham gia trực tiếp của ánh sáng chiếu mà có sự tham gia của ATP, NADPH2 và CO2. Sản phẩm đầu tiên của pha tối quang hợp là tổng hợp nên glucose (C6H12O6). Có 3 con đường tổng hợp glucose từ CO2 ứng với 3 nhóm thực vật khác nhau là thực vật C3, thực vật C4 và thực vật CAM (Crasulacean Acid Metabolism), được thực hiện theo các chu trình C3, C4, CAM. VIII. Tia tử ngoại và các hiệu ứng sinh học của nó 1. Tia tử ngoại và hiệu ứng tác dụng của nó ở mức độ tế bào Trong thiên nhiên nguồn bức xạ tử ngoại là mặt trời. Trên đường đi tới trái đất, phần lớn năng lượng của tia cực tím bị tầng Ozôn hấp thụ và chỉ còn lại phần ánh sáng có bước sóng từ 200nm đến 400nm (nanômét) tác dụng lên cơ thể sinh vật. Tia tử ngoại thường được chia ra 3 vùng chính sau: - Vùng cực tím sóng dài có λ = 320nm đến 400nm - Vùng cực tím sóng trung có λ = 280nm đến 320nm - Vùng cực tím sóng ngắn có λ = 200nm đến 280nm Khác với tia gamma (γ) và tia Roentgen (X), tia tử ngoại vùng 200nm đến 400nm không có khả năng gây ra quá trình ion hóa các phân tử sinh học. Tia tử ngoại chỉ gây ra hiện tượng kích thích làm cho điện tử của các phân tử sinh học từ mức cơ bản chuyển lên mức kích thích có năng lượng cao hơn, tức là đã hoạt hóa các phân tử đó. Do vậy, các phân tử sinh học đã được hoạt hóa, chúng dễ dàng tham gia vào các phản ứng hóa sinh dẫn tới gây kích thích hoặc làm tổn thương cơ thể sinh vật. Mặt khác, khả năng xuyên sâu của tia tử ngoại kém, chỉ vài milimét, do đó nó chỉ gây nên các hiệu ứng sinh học ở lớp tế bào ngoài cùng. Tia tử ngoại có tác dụng làm xạm da, gây phát ban đỏ hoặc gây bỏng da. Tia cực tím sóng trung kích thích sự tổng hợp vitamin D có tác dụng chống còi xương... Tia cực tím sóng ngắn có tác dụng làm thay đổi cấu trúc đặc trưng của lipit và protein, có tác dụng diệt khuẩn. Hầu hết các công trình nghiên cứu trên các đối tượng như vi khuẩn, vi sinh vật, tế bào thực vật và động vật, đều phát hiện qui luật chung là khả năng gây ra tử vong nhiều, khi chiếu tia tử ngoại có bước sóng nhỏ hơn 300nm và tử vong nhiều nhất ở bước sóng 260nm. Điều này có liên quan tới sự tổn thương của phân tử ADN vì nó hấp thụ cực đại ở bước sóng 260nm. Tia tử ngoại còn gây ra hiệu ứng ức chế sự phân bào hoặc kích thích sự phân chia tế bào tùy thuộc vào bước sóng ánh sáng chiếu. Ví dụ như Coviadin khi chiếu tia tử ngoại có bước sóng 256nm lên các tế bào nấm men đã gây ra sự ức chế phân chia tế bào. Vraigerchi chiếu tia tử ngoại có bước sóng 265nm và 280nm đã dẫn tới phá hủy quá trình phát triển phôi. Như vậy, sự ức chế quá trình phân chia tế bào có liên quan tới sự hấp thụ tia tử ngoại của phân tử ADN ở bước sóng 260nm và phân tử protein ở bước sóng 280nm. Năm 1914, Lep là người đầu tiên phát hiện ra hiệu ứng kích thích khi chiếu xạ trứng cầu gai với liều lượng thấp. Sau này các nhà nghiên cứu tiếp tục phát hiện trên các đối tượng vi khuẩn, vi sinh vật, tảo đơn bào, dưới tác dụng của tia tử ngoại liều lượng thấp thấy tốc độ phân chia tế bào tăng lên từ 110% đến 170%. Theo Kimball,


hiệu ứng kích thích phân chia tế bào có liên quan tới sự hấp thụ của một số loại protein và lipit. Pomper và Atvut lại giải thích rằng dưới tác dụng của tia tử ngoại, có một số tế bào bị tổn thương nặng đã tiết ra một số chất có khả năng kích thích sự phân chia tế bào, làm cho sự phân chia tế bào diễn ra nhanh hơn. IX. Tác dụng của tia tử ngoại lên axit nucleic Nhiều công trình nghiên cứu trên các đối tượng như vi sinh vật, thực vật và động vật đều đi đến kết luận là dưới tác dụng của tia tử ngoại, tính chất vật lí của phân tử axit Nucleic bị thay đổi. Khi chiếu tia tử ngoại lên dung dịch ADN, Sugar nhận thấy độ nhớt của dung dịch giảm còn trọng lượng phân tử ADN không bị thay đổi. Song nếu chiếu liều tia tử ngoại cao hơn sẽ dẫn tới phá hủy chuỗi Polynucleotide, tạo nên các Oligonucleotide, giải phóng Timine và phốtphát vô cơ. Khi chiếu tia tử ngoại lên dung dịch ARN cũng gây ra hiệu ứng tương tự như với dung dịch ADN. Trung tâm hấp thụ tia tử ngoại của axit Nucleic là các bazơ Nitơ. Khi chiếu tia tử ngoại lên dung dịch axit Nucleic thường dẫn tới xảy ra các phản ứng như quang oxy hóa, quang thủy phân, quang nhị hợp. Ví dụ: Phản ứng quang oxy hóa xảy ra với Adenine theo dạng sau:

Adenine Hypoxantin N = C⎯NH2 N = C⎯OH ⏐ ⏐ ⏐ ⏐

CH C⎯N CH C⎯N +NH3

⏐⏐ ⏐⏐ CH ⏐⏐ ⏐⏐ CH N⎯ C⎯N N⎯ C⎯NH Phản ứng quang thủy phân xảy ra với Uraxin theo dạng sau: Uraxin Uraxin O O ⏐⏐ ⏐⏐ HN HN CH2 CHOH

O NH O NH Phản ứng quang nhị hợp xảy ra giữa hai phân tử Timine theo dạng sau: Timine Timine Nhị hợp Timine-Timine (T-T) O O O O ⏐⏐ ⏐⏐ ⏐⏐ ⏐⏐ CH3 CH3 HN -CH3 H3C- NH HN NH

+ O= =O

O NH NH O NH H H NH

hV

OH2⎯⎯ →⎯

+

hγ

hV

OH2⎯⎯ →⎯

+

hγ

hV

OH2⎯⎯ →⎯

+

hγ


Phản ứng quang nhị hợp có thể xảy ra giữa hai phân tử cùng gốc hoặc có thể xảy ra giữa hai phân tử khác gốc. Khi chiếu tia tử ngoại lên dung dịch Xitozine và Uraxin sẽ xảy ra sự kết hợp giữa hai phân tử cùng gốc, tạo nên nhị hợp Timine - Timine (T-T), tạo nên nhị hợp Uraxin-Uraxin (U-U), hoặc giữa hai phân tử khác gốc, tạo nên nhị hợp Timine-Uraxin (T-U). Setlau khi chiếu tia tử ngoại lên axit Polydezoxyinozin và axit Polydezoxyxitidin thấy tỷ lệ tạo nhị hợp T-T chiếm 50%, tạo nhị hợp T-X chiếm 40% còn nhị hợp X -X chiếm 10%. Phản ứng quang nhị hợp giữa hai phân tử Timine là tác nhân chính dẫn tới làm tổn thương cấu trúc và phá hủy tính chất sinh học của phân tử ADN khi bị chiếu tia tử ngoại. Tóm lại, khi chiếu tia tử ngoại lên ADN đã xảy ra các quá trình nối tiếp nhau như sau: - Đầu tiên là tháo xoắn hai chuỗi của phân tử ADN ở vùng có Timine (gọi là tổn thương vùng). - Xảy ra phản ứng quang nhị hợp giữa hai phân tử Timine và cố định cấu hình biến dạng tại vùng bị tổn thương của phân tử ADN. - Hạn chế hoặc phá hủy chức năng của phân tử ADN (như mất khả năng tách chuỗi để nhân đôi ADN). X. Tác dụng của tia tử ngoại lên protein Khi chiếu tia tử ngoại lên dung dịch protein sẽ dẫn tới làm thay đổi độ đục, độ nhớt, độ lắng... Chứng tỏ đã xảy ra sự thay đổi cấu trúc phân tử protein. Các protein hoặc polypeptide có hoạt sính sinh học như enzyme, hormone, kháng thể, kháng nguyên... khi bị chiếu tia tử ngoại sẽ giảm hoạt tính hoặc mất hẳn hoạt tính. Khi chiếu tia tử ngoại lên protein các nhà nghiên cứu nhận thấy phổ hấp thụ của protein (λmax=280nm) có liên quan tới phổ hấp thụ của một số axit amin như tirozin, triptophan, xistein. Khi chiếu tia tử ngoại có bước sóng 260nm đến 280nm lên dung dịch enzyme sẽ dẫn tới khử hoạt tính enzyme. Với bước sóng chiếu trên thì chỉ có tirozin và triptophan hấp thụ. Vì vậy, người ta cho rằng chủ yếu do tirozin và triptophan đã hấp thụ tia tử ngoại nên bị phá hủy cấu trúc, dẫn tới làm mất hoạt tính của enzyme. Thực nghiệm xác định để ức chế enzyme là tripsin thì cần phải phá hủy một trong bốn gốc triptophan và một trong sáu gốc xistein còn để khử hoạt tính của pepsin chỉ cần phá hủy một gốc triptophan. Quá trình hấp thụ tia tử ngoại của axit amin theo dạng sau:

AH AH⎯→⎯ γh * (trạng thái kích thích) (axit amin) Tiếp theo xảy ra quá trình quang ion hóa của axit amin đã được hoạt hóa (kích thích):

AH* AH⎯→⎯ + + e- A + H⎯→⎯ + + e-

A + B A - B ⎯→⎯Axit amin do sự quang ion hóa đã mất một proton (H+) và một điện tử (e -) để sau đó kết hợp với một chất khác (ký hiệu là B) tạo thành phức chất (A-B). Chính phức chất này đã làm biến đổi cấu hình phân tử protein dẫn tới làm mất hoạt tính enzyme. Tóm lại, sự tổn thương cấu trúc và sự khử hoạt tính của phân tử protein chủ yếu liên quan tới sự hấp thụ tia tử ngoại của các axit amin thơm như tirozin, triptophan, phenilalamin. Ngoài ra, proton (H+) được hình thành do sự quang ion hóa axit amin cũng làm đứt liên kết hydro góp phần thay đổi cấu trúc phân tử protein.



Chương 9 PHÓNG XẠ SINH HỌC

I. Các nguồn tia phóng xạ Trong tự nhiên, tia phóng xạ được chia thành hai loại sau:

- Tia phóng xạ có bản chất là sóng điện từ có bước sóng cực ngắn (λ<10oA ) gồm tia Roentgen

(hay còn gọi là tia X) và tia gamma (γ). - Tia phóng xạ có bản chất là hạt như hạt anpha (α), proton (p), notron (n), dòng điện tử (e-), dòng pozitron (e+)... Nguyên tố hoá học được ký hiệu , trong X là nguyên tố hoá học, A là số khối bằng tổng của proton (p) và notron (n) có trong hạt nhân nguyên tử (A=p+n) còn Z là nguyên tử số bằng số proton và xác định điện tích dương của hạt nhân. Trong bảng tuần hoàn Mendeleev các hạt nhân có nhiều hơn 126 notron và nguyên tử số lớn hơn 82 thì đều là những nguyên tố phóng xạ. Có 4 họ phóng xạ là Thôri

XAZ

( ),Th23290 Urani ( ),U238

92 Urani ( ),U235

92 Neptuni ( )Np23793 .

1. Tia phóng xạ có bản chất là sóng điện từ 1.1. Tia Roentgen

Tia Roentgen có λ<10 , được hình thành từ ống phóng Roentgen (hình 9.1). oA

2

Chân không cao Thủy tinh đặc biệt

50→100KV

A K

1

••

••

••

Hình 9.1: Ống phóng Roentgen A: Anốt (cực dương); K: Katốt (cực âm). 1: Các điện tử; 2: Tia Roentgen được phát ra. Khi Katốt được đốt nóng và dưới tác dụng của điện trường từ nguồn điện cực lớn 100KV, các điện tử sẽ thoát ra khỏi Katốt và "bay" cực nhanh về hướng cực Anốt. Khi điện tử đập vào Anốt, nó sẽ bị dừng lại một cách đột ngột và nhường phần lớn năng lượng cho các điện tử của nguyên tử chất làm cực Anốt. Khi đó các điện tử ở trạng thái kích thích có mức năng lượng cao (gọi là E2) khi trở về trạng thái ban đầu có mức năng


lượng thấp (gọi là Eo) sẽ phát ra tia Roentgen có tần số: h

EE o2 −=γ (9.1) (h: hằng số

Planck) Khi đó tia Rơnghen sẽ có năng lượng:

E = h.γ (9.2) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ =

λγ C

C: Vận tốc ánh sáng và λ là bước sóng ánh sáng. Khi điện tử đập vào Anốt chỉ có 0,2% năng lượng phát ra tia Roentgen còn 99,8% năng lượng chuyển thành nhiệt, đốt nóng Anốt. Ống phóng tia Roentgen hoạt động dưới điện

áp 400KV, phát ra tia Roentgen có bước sóng ngắn nhất là 0,03 còn trung bình là

0,06 .

oA

oA

1.2. Tia gamma (γ)

Tia gamma có λ<1 , được phát ra do sự phân rã của hạt nhân nguyên tử Coban thành nguyên tử Niken theo phản ứng sau:

oA

60Co→ 60Ni+γ1+γ2

Tia γ1: Có năng lượng 1,17MeV (Mega electron Vôn) Tia γ2: Có năng lượng 1,33 MeV ( 1 MeV = 106 eV ) 2. Tia phóng xạ có bản chất là hạt 2.1. Tia anpha (α) Tia α được phát ra do sự biến đổi của hạt nhân nguyên tử Radi (Ra) thành nguyên tử Radon (Rn) và phát ra tia α theo phản ứng:

+→ RnRa 22286

22688 phát ra hạt α

Hạt α chính là hạt nhân nguyên tử Heli ( )He42 . Thông thường mỗi nguyên tố phóng xạ

phát ra hạt α có một mức năng lượng xác định. Song cũng có trường hợp nguyên tố phóng xạ phát ra hai loại tia α có năng lượng khác nhau. Như ví dụ trên, sự biến đổi của hạt nhân nguyên tử sẽ phát ra tia α có E=4,77MeV chiếm 94,3% và E=4,59MeV (Mega electron Vôn) chiếm 5,7%.

RnRa 22286

22688 →

Hạt α mang điện tích dương nên có khả năng ion hóa cao nhưng nó lại có khối lượng tương đối lớn nên khả năng xuyên sâu yếu. Trong không khí, hạt α có năng lượng từ 4→10MeV, quãng đường đi của hạt α chỉ đạt từ 3→5cm. Vận tốc của hạt α có thể đạt tới 3 vạn km/giây. 2.2. Tia bêta (β) Có hai loại: - Bêta âm (β-): Khi hạt nhân nguyên tử thừa notron, nó sẽ chuyển về trạng thái ổn định bằng cách chuyển notron thành proton và phát ra điện tử (goi là bêta âm) và notrino (γ) là một thể trung hòa điện, có năng lượng rất thấp. Phản ứng xảy ra như sau: n→p+e-+γ


Ví dụ: Sự phân rã của phốtpho ( )P3215 thành lưu huỳnh ( )S32

16 sẽ phát ra tia bêta âm theo phản ứng: −+→ eSP 32

163215

Điện tử (e-) phát ra có năng lượng cực đại Emax=1,7MeV. Trên thực tế để tính năng lượng

trong phân rã β- người ta qui ước lấy giá trị năng lượng trung bình ( )E bằng 31 năng

lượng cực đại. Trong ví dụ trên ta có E =31 .1,7MeV≈0,57MeV.

Điện tử mang điện tích âm và chuyển động với vận tốc 3 vạn km/giây. - Phân rã bêta dương (β+): Khi hạt nhân nguyên tử thừa proton, nó sẽ chuyển về trạng thái ổn định bằng cách chuyển proton thành notron và phát ra pozitron (e+), gọi là phân rã bêta dương kèm theo thể notrino (γ) theo phản ứng:

p→ n + e+ + γ Ví dụ: Sự phân rã của phốtpho ( )P30

15 thành Silic ( )Si3014 sẽ phát ra tia bêta dương theo

phản ứng: γ++→ +eSiP 30

143015

Pozitron có khối lượng bằng khối lượng điện tử và mang điện tích dương. So với điện tử thì pozitron rất không bền, nó rất dễ kết hợp với điện tử (gọi là sự hủy cặp) và phát ra hai lượng tử gamma có năng lượng 0,51MeV. 2.3.Proton (p) Năm 1919, Rutherford phát hiện ra hiện tượng hạt α đi qua môi trường không khí đã làm xuất hiện hạt proton theo phản ứng: )proton(pON 17

8147 +→+α

Proton chính là hạt nhân của nguyên tử hydro (H+), mang điện tích dương.

2.4.Notron (n) Notron và proton là thành phần cấu trúc nên hạt nhân nguyên tử. Notron là thể trung hòa điện (tức không mang điện tích) và có khối lượng xấp xỉ bằng khối lượng của proton. Nguồn notron thu được khi dùng hạt α bắn phá các nguyên tử nhẹ như Bery ( )Be9

4 theo phản ứng: )notron(nCBe 12

694 +→+α

Các hạt notron có E đạt vài MeV gọi là notron nhanh, E nằm trong khoảng 10KeV→500KeV gọi là notron trung gian, E<10KeV gọi là notron chậm còn E=0,025eV gọi là notron nhiệt (thường bị hấp thụ).

3. Những đơn vị đo lường cơ bản - Đơn vị Roentgen (ký hiệu là R): Roentgen là liều chiếu tia Roentgen hay gamma, tạo ra được 2,08.109 cặp ion trong 1cm3 không khí ở điều kiện tiêu chuẩn (p=1at, to=0oC) hay tạo ra được 1,61.1012 cặp ion trong 1gam không khí cũng ở điều kiện tiêu chuẩn.


Ngoài ra còn dùng đơn vị Culông trên kg (C/kg) với công thức qui đổi 1C/kg không khí = 3876R. - Liều hấp thụ phóng xạ (Radiation absorbed dose: Ký hiệu là Rad): Rad dùng để tính liều hấp thụ đối với tất cả các tia phóng xạ. Rad là liều hấp thụ 100ec bởi 1 gam vật chất khi bị chiếu bởi bất kỳ tia phóng xạ nào. Công thức qui đổi: 1ec=0,625.1012eV - Đơn vị Gray (ký hiệu là Gy): Gray là liều hấp thụ 1J/kg môi trường vật chất khi bị chiếu bất kỳ tia phóng xạ nào. Công thức qui đổi: 1Gy=100Rad - Liều tương đương: Cùng một năng lượng hấp thụ như nhau nhưng lại chiếu các tia phóng xạ có bản chất khác nhau thì sẽ gây ra đối với người và động vật có vú những hiệu ứng sinh học khác nhau. Nguyên nhân là do các tia phóng xạ có hiệu ứng sinh học tương đối (HUSHTĐ) như sau:


Tia phóng xạ HUSHTĐ 1. Tia γ hay tia X 1 2. Tia bêta (β) 1 3. Notron chậm và notron nhiệt 5 4. Notron nhanh 10 5. Proton 10 6. Tia anpha (α) 10-20

Đơn vị của liều tương đương là Rem. (Roentgen Equivalent for Man) Rem là liều lượng của bất kỳ tia phóng xạ nào, gây ra hiệu ứng sinh học giống như hiệu ứng sinh học khi ta chiếu tia Roentgen hay gamma với liều lượng là 1 Roentgen. Công thức qui đổi giữa Rem và Rad: Liều chiếu (Rem) = Liều chiếu (Rad) . HUSHTĐ (9.1) Với tia Roentgen hay γ có HUSHTĐ = 1 thì 1Rad=1Rem còn với proton thì 1Rad=10Rem. - Độ phóng xạ: Đơn vị đo độ phóng xạ là Curie (Ci). Curie là độ phóng xạ của một nguồn, trong một giây có 3,7.1010 hạt nhân nguyên tử bị phân rã. Đơn vị nhỏ hơn là mili Curie (1mCi=10-3Ci) và micro Curie (1μCi=10-6Ci). II. Tương tác của tia Roentgen và tia γ đối với vật chất Tùy theo mức năng lượng của tia mà nó tương tác với vật chất theo 1 trong 3 hiệu ứng sau:

hγ Photon

e-

Quang điện tử

e-

Nguyên tử vật chất

Hình 9.2: Hiệu ứng quang điện

1. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng chủ yếu xảy ra đối với tia X và γ có năng lượng từ 0,01→0,1MeV. Vì photon có năng lượng thấp nên không thể xuyên sâu mà chỉ va chạm với điện tử (e-) ở vành ngoài. Photon đã truyền toàn bộ năng lượng cho điện tử và đánh bật điện tử ra khỏi quĩ đạo của nó để trở thành điện tử tự do, gọi là quang điện tử. Năng lượng của quang điện tử được xác định:

hγ Photon

hγ' e-

điện tử Compton

e-


E=hγ - Eo (9.2) hγ: Năng lượng của photon E0: Năng lượng cần thiết để đánh bất điện tử ra khỏi vành (theo hình 9.2 thì điện tử ở vành n=2). Quang điện tử có năng lượng lại tiếp tục gây ra sự ion hóa các nguyên tử vật chất khác.

Hình 9.3: Hiệu ứng Compton


2. Hiệu ứng Compton Hiệu ứng chủ yếu xảy ra với tia phóng xạ có năng lượng lớn hơn 0,1MeV→5MeV. Do có năng lượng cao hơn so với hiệu ứng quang điện nên photon không những đánh bật điện tử ra khỏi quĩ đạo của nó (gọi là điện tử Compton), photon bị mất một phần năng lượng và bị lệch hướng (gọi là tia thứ cấp có năng lượng là hγ'). Điện tử Compton và tia thứ cấp tùy thuộc vào năng lượng mà chúng có, lại tiếp tục gây ra sự ion hóa tiếp theo hay bị mất dần năng lượng trên đường đi của nó. 3. Hiệu ứng tạo cặp electron (e-) và pozitron (e+) Hiệu ứng tạo cặp xảy ra với tia X và tia γ có mức năng lượng E>1,022MeV. Khi đó photon sẽ xuyên sâu vào hạt nhân nguyên tử, đánh bật ra 1 electron (e-) và 1 pozitron (e+). Hai hạt này có khối lượng bằng nhau nhưng mang điện tích trái dấu nên dễ dàng kết hợp với nhau, gây ra sự hủy cặp, giải phóng ra năng lượng E=0,511MeV dưới dạng tia γ. Tia γ được tạo thành lại tiếp tục tương tác với vật chất theo hiệu ứng quang điện hay Compton.

hγ Photon

e-

e+


Hình 9.4: Hiệu ứng tạo cặp

III. Tác dụng của tia phóng xạ có bản chất hạt đối với vật chất 1. Tương tác của bức xạ α đối với vật chất Khi hạt α đi qua môi trường vật chất nó sẽ tương tác với các nguyên tử của vật chất và đánh bật điện tử ra khỏi nguyên tử. Điện tử bị đánh bật ra mang điện tích âm, gọi là ion âm còn nguyên tử bị mất điện tử nên mang điện tích dương, gọi là ion dương. Đó là hiện tượng ion hóa vật chất. Trong môi trường không khí, năng lượng cần thiết để tạo ra một cặp ion mang điện tích trái dấu là 32,5eV. Một electron vôn (1eV) là năng lượng của một điện tử có được khi qua thế hiệu 1 vôn với khoảng cách giữa hai điện cực là 1 xentimét. Nếu năng lượng của hạt α chưa đủ để đánh bật điện tử ra khỏi quĩ đạo của nó thì hạt α chỉ làm cho điện tử chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao, tức là hạt α đã gây ra hiện tượng kích thích điện tử. Quá trình hạt α trực tiếp gây ra hiện tượng ion hóa thì gọi là sự ion hóa trực tiếp còn điện tử sau khi bị đánh bật ra nếu có năng lượng cao lại gây ra sự ion hóa nguyên tử tiếp theo, gọi là sự ion hóa gián tiếp. 2. Tương tác của hạt bêta (β) đối với vật chất Hạt β cũng giống như hạt α, khi va chạm với nguyên tử của vật chất sẽ gây ra hiện tượng ion hóa hoặc hiện tượng kích thích. Khả năng ion hóa của hạt β yếu hơn nhiều so với hạt α vì hạt β có điện tích ít hơn so với hạt α. Ví dụ: Hạt α và hạt β có cùng một mức năng lượng là 1MeV nhưng hạt α tạo ra được 7500 cặp ion trên 1mm đường đi còn hạt β chỉ tạo được 53 cặp ion trên 1Cm đường đi của nó. 3. Tương tác của notron (n) đối với vật chất Hạt notron trung hòa điện nên không có khả năng ion hóa và vì thế nó có thể xuyên qua nhiều lớp vỏ điện tử để tiến đến gần hạt nhân nguyên tử theo 3 kiểu sau đây:


- Kiểu khuyếch tán đàn hồi, chủ yếu xảy ra đối với notron trung gian có E=1keV→500keV. Trong khuyếch tán đàn hồi, notron truyền một phần năng lượng cho hạt nhân nguyên tử, sau đó notron bị đổi hướng và năng lượng giảm dần. - Kiểu khuyếch tán không đàn hồi xảy ra đối với notron nhanh có E=1MeV→10MeV. Sau khi tương tác với hạt nhân nguyên tử, làm cho hạt nhân nguyên tử bị kích thích còn bản thân notron cũng bị đổi hướng và năng lượng giảm dần. - Kiểu thâu đoạt notron xảy ra đối với notron nhiệt có E=0,025eV. Khi hạt nhân thâu đoạt notron nó sẽ trở thành hạt nhân mới và ở trạng thái kích thích. Sau đó hạt nhân bị vỡ ra (hay bị phân hạch) thành hai hạt nhân kèm theo sự phát ra hạt notron.

IV. Cơ chế chung về tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống Tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống lần lượt phải trải qua hai giai đoạn sau: - Giai đoạn hóa lý: Giai đoạn này có thời gian tồn tại rất ngắn, từ 10-16 đến 10-6 giây. Trong giai đoạn này các phân tử sinh học chịu sự tác dụng trực tiếp hoặc tác dụng gián tiếp của tia phóng xạ. Thuyết tác dụng trực tiếp cho rằng đối tượng bị chiếu xạ (có thể là cơ thể, mô hay cơ quan, tế bào, phân tử nghiên cứu) sẽ trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia và dẫn đến tổn thương hoặc tử vong. Thuyết tác dụng gián tiếp lại cho rằng đối tượng bị chiếu xạ không trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia mà chúng tương tác với các sản phẩm của quá trình phân ly phóng xạ nước nên dẫn đến tổn thương hoặc tử vong. Đối với những thí nghiệm invitro thì quan niệm trên dễ phân biệt còn với thí nghiệm invivo, các nhà nghiên cứu lại qui ước: Khi bị chiếu xạ nếu là tác dụng trực tiếp thì các phân tử hữu cơ sẽ trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia và bị tổn thương cấu trúc nên dẫn đến tổn thương chức năng. Nếu là tác dụng gián tiếp thì các phân tử hữu cơ sẽ không trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia mà tương tác với các sản phẩm của quá trình phân ly phóng xạ nước và bị tổn thương cấu trúc nên dẫn đến tổn thương chức năng. Trong giai đoạn hóa lý một số phân tử sinh học quan trọng như enzyme, nucleoprotein đã bị tổn thương, người ta gọi đó là những tổn thương hóa sinh. - Giai đoạn sinh học: Giai đoạn này thường kéo dài từ vài ngày đến hàng chục năm sau khi bị chiếu xạ. Trong giai đoạn sinh học những tổn thương hóa sinh không hồi phục được sẽ kéo theo những tổn thương chuyển hóa, dẫn đến những tổn thương hình thái và chức năng. Có thể tóm tắt cơ chế chung về tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống theo sơ đồ sau:


Tác dụng trực tiếp

Giai đoạn hóa lý

( )s10 6−

Chiếu tia phóng xạ

Tác dụng gián tiếp

H2O

O2

Tạo ion và gốc tự do.

Phân tử bị thích thích

Tác dụng lên các phân tử sinh học quan trọng và các cơ quan tử của tế bào

Giai đoạn sinh học

Rối loạn chuyển hóa và chức năng tế bào

Gây ra các hiệu ứng sinh học

(tổn thương hoặc tử vong)

Hình 9.5: Sơ đồ tổng quát về tác dụngáinh học của tia phóng xạ V. Tác dụng hóa học của tia phóng xạ Trong cơ thể sống, nước vừa là môi trường vừa tham gia vào thành phần cấu trúc của tế bào. Ở người, nước chiếm trung bình 65%, cá biệt có mô nước chiếm 85%. Do vậy, khi chiếu tia phóng xạ lên cơ thể sống sẽ gây ra hiện tượng ion hóa các phân tử nước:

H2O+hγ→H2O+ + e- Các ion


H2O + e-→ H2O-

H2O+ → H+ + OHogốc tự do

H2O- → OH- + Ho

H2O + hγ → H2O+ + e- → H2O* → Ho + OHo

Gốc tự do Ho có thời gian sống ngắn từ 10-6→10-5 giây. Trong thời gian này nó có thể tham gia vào các phản ứng: Ho + Ho → H2

Ho + OHo → H2O Khi có oxy hòa tan trong nước sẽ xảy ra các phản ứng: Ho + O2 → o

2HO

+ → Ho2HO o

2HO 2O2

Ho + → Ho2HO 2O2 (hidro peroxit)

Hidro peroxit là một độc tố đối với tế bào. Gốc tự do OHo tham gia vào các phản ứng: - Phản ứng oxy hóa: Fe++ + OHo → Fe+++ + OH-

- Phản ứng tách nguyên tử hidro ra khỏi phân tử hữu cơ: CH3 - CH2OH + OHo → CH3 - CHOH + H2O - Phá vỡ liên kết đôi: CH2 = CH + OHo → OH - CH2 - CH ⏐ ⏐ CN CN Như vậy, dưới tác dụng của tia phóng xạ đã xảy ra quá trình phân ly phóng xạ nước dẫn tới hình thành nên các trung tâm hoạt động là những gốc tự do, chúng có khả năng tham gia vào các phản ứng rất cao. Ngoài ra, trong điều kiện có oxy sẽ dẫn tới hình thành nên H2O2 là một độc tố đối với tế bào.


VI. Độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật Độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật trên trái đất với mức độ tiến hóa khác nhau thì rất khác nhau. Nhìn chung ở những loài tiến hóa càng cao, sự biệt hóa càng phức tạp thì có độ nhạy cảm phóng xạ càng cao. Để đánh giá độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật, các nhà sinh học phóng xạ đưa vào khái niệm liều bán tử vong (Lethally Dose) ký hiệu là LD50/30 là liều gây chết 50% động vật thí nghiệm trong 30 ngày theo dõi kể từ sau khi bị chiếu xạ. Độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật thể hiện: Loài nào có LD50/30 càng nhỏ thì độ nhạy cảm phóng xạ càng cao còn ngược lại LD50/30 càng lớn thì độ nhạy cảm phóng xạ càng thấp. Sau đây là độ nhạy cảm phóng xạ của một số sinh vật, xếp theo thứ tự từ cao đến thấp. Bảng 9.1: Độ nhạy cảm phóng xạ của một số sinh vật (từ cao đến thấp)

TT Sinh vật LD50/30

1 Người 300R 2 Chó 300R 3 Heo 335R 4 Khỉ 500R 5 Chuột nhắt trắng 550R 6 Chuột cống trắng 600R 7 Thỏ 900R 8 Ếch, nhái, cá 103R 9 Rùa 1500R 10 Rắn 8.103-2.104R 11 Côn trùng 104R - 106R 12 Virus 2.106R

Trong cùng một cơ thể, các tế bào và mô cũng có độ nhạy cảm phóng xạ khác nhau. Sau đây là độ nhạy cảm phóng xạ của tế bào và mô xếp theo thứ tự từ cao đến thấp: 1. Bạch cầu lympho; 2. Hồng cầu non và bạch cầu hạt; 3. Tủy bào; 4. Tế bào mô tinh hoàn, mô ruột non, tế bào trứng, tế bào của các tuyến, tế bào phế nang, tế bào ống dẫn mật; 5. Tế bào mô liên kết; 6. Tế bào thận; 7. Tế bào xương; 8. Tế bào thần kinh; 9. Tế bào não; 10. Tế bào cơ. VII. Các hiệu ứng sinh học liên quan tới sự chiếu xạ 1. Hiệu ứng tích lũy Các sinh vật khi bị chiếu xạ đều thể hiện hiệu ứng tích lũy. Ví dụ: Liều gây tử vong đối với động vật có vú là 103R. Nếu chiếu xạ 5 lần, mỗi lần chiếu 200R thì sau khi chiếu lần thứ 5 động vật đã hấp thụ đủ 103R nên dẫn đến tử vong. Như vậy những tổn thương sau mỗi lần chiếu xạ sinh vật đã không hồi phục được hoàn toàn mà vẫn còn lưu lại nên sau mỗi lần chiếu xạ tổn thương càng nặng thêm, cuối cùng vượt quá giới hạn chịu đựng sẽ dẫn tới tử vong. 2. Hiệu ứng nghịch lý năng lượng Các tia phóng xạ có khả năng gây ra các hiệu ứng sinh học rất lớn ngay cả khi chiếu xạ liều không cao (xét về mặt năng lượng thì có giá trị nhỏ). Ví dụ: Liều gây tử vong cho động vật có vú là 103R, tương đương với 84000ec hay 0,002cal/g, với năng lượng này chỉ đủ tăng nhiệt độ 1 lít nước lên 1oC. Để giải thích hiệu


ứng nghịch lý năng lượng, các nhà nghiên cứu đều dựa vào thuyết tác dụng trực tiếp hay thuyết tác dụng gián tiếp. 3. Hiệu ứng pha loãng Khi chiếu xạ liều lượng xác định lên dung dịch enzyme nó thể hiện: Nếu tia phóng xạ tác dụng theo cơ chế trực tiếp với quan niệm một hạt (hay 1 photon) "bắn trúng"một phân tử enzyme sẽ làm cho nó bị mất hoạt tính thì số phân tử enzyme bị mất hoạt tính có liên quan tới nồng độ enzyme lúc ban đầu. Nếu nồng độ loãng thì số phân tử enzyme bị mất hoạt tính ít còn nếu nồng độ cao thì số phân tử enzyme bị mất hoạt tính nhiều. Nếu tia phóng xạ tác dụng theo cơ chế gián tiếp thì số phân tử enzyme bị mất hoạt tính chỉ liên quan tới số lượng gốc tự do được hình thành trong dung dịch mà không liên quan tới nồng độ của enzyme (trừ trường hợp nồng độ enzyme quá loãng hoặc quá cao). Các nhà sinh học phóng xạ đã chiếu xạ vi khuẩn E.Coli ở trạng thái bình thường có nước (đặc trưng cho cơ chế tác dụng gián tiếp) và ở trạng thái khô (đặc trưng cho cơ chế tác dụng trực tiếp), kết quả thu được như sau: Bảng 9.2: Số phân tử sinh học của tế bào E.Coli bị phá hủy khi chiếu xạ.

Phân tử sinh học

No N1 N2 N1+N2

ADN 2,1.104 48 14 62 ARN 4,2.104 96 28 124

Protein 4,7.106 230 370 600 Lipit 4,1.107 182 43 225

No: Số phân tử trong 1 tế bào. N1: Số phân tử bị phá hủy theo cơ chế gián tiếp. N2: Số phân tử bị phá hủy theo cơ chế trực tiếp. Với kết quả này thì cơ chế tác dụng gián tiếp chiếm ưu thế hơn so với cơ chế tác dụng trực tiếp (tỷ lệ 3 tác dụng gián tiếp: 1 tác dụng trực tiếp). 4. Hiệu ứng oxy Hiệu ứng oxy thể hiện là trong khi đang chiếu xạ, nếu tăng nồng độ oxy thì độ nhạy cảm phóng xạ tăng lên còn nếu giảm nồng độ oxy thì độ nhạy cảm phóng xạ lại giảm xuống. Nếu ta tăng hay giảm nồng độ oxy trước hoặc sau khi chiếu xạ thì độ nhạy cảm phóng xạ sẽ không thay đổi. Ví dụ: Chiếu xạ chuột bạch liều 1200R ở điều kiện oxy chiếm 21% thì chuột chết 100%. Ngược lại, ở điều kiện oxy chiếm 5% nếu vẫn chiếu xạ liều trên thì chuột sống 100%. Ngoài oxy thì oxít Nitơ (NO) cũng làm tăng độ nhạy cảm phóng xạ. Sự tăng độ nhạy cảm phóng xạ khi tăng nồng độ oxy chỉ trong một giới hạn nhất định. Nếu nồng độ oxy tăng quá 20% so với nồng độ bình thường thì độ nhạy cảm phóng xạ không tăng lên nữa. Hiệu ứng oxy thể hiện rõ đối với tia X, tia γ, tia β nhanh còn không thể hiện đối với tia α, tia proton. Gray giải thích hiệu ứng oxy theo cơ chế tác dụng gián tiếp của tia phóng xạ. Theo Gay, dưới tác dụng của tia phóng xạ đã hình thành nên một số lượng lớn các gốc tự do vô cơ (Ho, OHo) và hữu cơ (Ro). Trong điều kiện chiếu xạ có oxy sẽ hình thành nên các peroxýt vô cơ (H2O2) và hữu cơ (RO2) là những độc tố đã giết chết tế bào.


Alecxander lại giải thích hiệu ứng oxy theo cơ chế tác dụng trực tiếp. Khi chiếu xạ chính các phân tử hữu cơ đã trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia và hình thành nên các gốc tự do hữu cơ (Ro). Trong điều kiện chiếu xạ có oxy đã tạo thành peroxýt hữu cơ (RO2) là một độc tố đã giết chết tế bào. 5. Hiệu ứng bảo vệ phóng xạ Dayli (1942) tiến hành chiếu tia X lên dung dịch enzyme thấy rằng: Nếu thêm vào dung dịch chất thiourê hay lưu huỳnh thì số lượng phân tử enzyme bị mất hoạt tính sẽ giảm xuống. Baron (1949) phát hiện xistein có khả năng hạn chế tử vong nếu tiêm cho chuột liều từ 950mg→1200mg/kg vào thời điểm 5 phút trước khi chiếu xạ liều 800R. Sau này các nhà khoa học đã tiếp tục phát hiện ra nhiều chất có khả năng giống như xistein và được gọi là những chất bảo vệ phóng xạ. Để đánh giá hiệu lực của các chất bảo vệ phóng xạ (BVPX), các nhà nghiên cứu đã đưa vào yếu tố giảm liều lượng (YTGLL) và được tính theo công thức:

LD50/30 (lô sử dụng chất BVPX) YTGLL =

LD50/30 (lô không sử dụng chất BVPX) (9.3)

LD50/30: Liều gây chết 50% động vật có sử dụng chất BVPX (hay không sử dụng chất BVPX) trong 30 ngày theo dõi sau khi bị chiếu xạ (gọi là liều bán tử vong). Những chất BVPX bao giờ cũng có YTGLL>1. Chất có ký hiệu WR-2721 do Mỹ sản xuất là chất BVPX có YTGLL cao nhất, đạt 2,6. Theo cơ chế tác dụng gián tiếp, các nhà nghiên cứu cho rằng các gốc tự do được hình thành do chiếu xạ dễ dàng phản ứng với các chất BVPX hơn là các phân tử hữu cơ. Chính vì vậy đã bảo vệ được các phân tử sinh học, nên hạn chế được sự tử vong. Theo cơ chế tác dụng trực tiếp, các nhà nghiên cứu lại cho rằng các phân tử sinh học tuy trực tiếp hấp thụ năng lượng tia nhưng lại truyền cho các chất BVPX để trở lại cấu trúc ban đầu nên cũng hạn chế được sự tử vong. Hoặc chất BVPX làm giảm nồng độ oxy trong cơ thể hay giải phóng chất BVPX có sẵn ở trong cơ thể, đều có tác dụng hạn chế sự tử vong. VIII. Các thuyết giải thích cơ chế tổn thương do tác dụng của phóng xạ 1. Thuyết "bia" Thuyết "bia" do Desauer (1922), Crouser (1924) và Lee (1935) đưa ra. Trên cơ sở một số thí nghiệm chiếu xạ dung dịch enzyme, dung dịch tế bào thấy rằng: Ở nồng độ dung dịch vừa phải khi thay đổi liều chiếu xạ từ thấp đến cao thì số phân tử enzyme bị mất hoạt tính cũng tăng lên làm cho đường cong tỷ lệ % sống sót có dạng đường thẳng (hình 9.6). Khi nồng độ dung dịch quá loãng thì các hạt của tia phóng xạ sẽ tương tác với nhau hoặc khi nồng độ dung dịch quá cao làm cho các hạt của tia phóng xạ sẽ va đập lần 2 hay lần 3 với phân tử enzyme đã bị mất hoạt tính (hay tế bào đã chết). Khi đó tỷ lệ % sống sót sẽ có dạng hình chữ S (hình 9.7).


% sống sót

O

100

Liều chiếu Hình 9.6: Tỷ lệ % sống sót

dạng đường thẳng

% sống sót

O

100

Liều chiếu Hình 9.7: Tỷ lệ % sống sót

dạng chữ S

Các tác giả cho rằng sự tử vong của tế bào hay là sự mất hoạt tính của enzyme xảy ra khi chiếu xạ là do chỉ cần va chạm một lần giữa hạt của tia phóng xạ với "bia" của tế bào hay phân tử enzyme. Theo các tác giả thì "bia" chính là nhân tế bào hay trung tâm hoạt động của phân tử enzyme. Thuyết "bia" chỉ giải thích được cơ chế tác dụng trực tiếp của tia phóng xạ lên dung dịch enzyme, dung dịch protein, dung dịch ADN... còn không giải thích được hiệu ứng oxy. 2. Thuyết độc tố Dựa trên cơ sở động vật khi bị nhiễm hóa chất độc hại sẽ dẫn tới sự tử vong nên các nhà sinh học phóng xạ cho rằng khi bị chiếu xạ, trong cơ thể đã tạo thành chất độc nào đó và chính độc tố này là nguyên nhân dẫn tới sự tử vong. Thực nghiệm đã xác định trong cơ thể bị chiếu xạ có hình thành độc tố là peroxýt nhưng nó không phải tác nhân đầu tiên mà là sản phẩm của quá trình phân ly phóng xạ nước, được tạo thành ở giai đoạn cuối của quá trình tổn thương phóng xạ. 3. Thuyết giải phóng enzyme Trên cơ sở thí nghiệm hoạt tính enzyme ở tế bào sau khi bị chiếu xạ tăng lên rõ rệt nên Bacq và Alecxander (1952) đã đưa ra thuyết giải phóng enzyme. Khi tế bào ở trạng thái sinh lý bình thường, nồng độ enzyme ở trong tế bào được kiểm soát theo cơ chế điều hòa cảm ứng. Khi tế bào bị chiếu xạ thì tổn thương trước tiên là màng tế bào, màng nhân và màng các bào quan. Ví dụ: ADNase có ở trong ty thể và lạp thể còn ADN có ở trong nhân nên khi màng nhân và màng ty lạp thể bị tổn thương đã làm tăng phản ứng phân giải ADN. Sau này Duver cho rằng lizoxom là bào quan chứa đủ loại enzyme, nếu màng lizoxom bị tổn thương sẽ giải phóng ra các enzyme đủ giết chết tế bào. Thuyết giải phóng enzyme chưa giải thích được màng tế bào có khả năng chịu đựng được liều chiếu xạ rất lớn tới 10KR, trong khi đó liều tử vong của động vật có vú chỉ 1KR? Mặt khác, khi chiếu xạ không phải hoạt tính enzyme nào cũng tăng lên, chẳng hạn ADNase, ATPase, ARNase hoạt tính tăng không nhiều, thậm chí khi tăng khi giảm. 4. Thuyết phản ứng dây chuyền


Dựa vào thực nghiệm là các loại mỡ kỹ thuật có thể xảy ra phản ứng dây chuyền và phản ứng dây chuyền nảy nhánh cũng như tốc độ phản ứng dây chuyền tăng mạnh dưới tác dụng của tia phóng xạ nên Taruxop (1952) đã đưa ra thuyết phản ứng dây chuyền. Taruxop cho rằng: Tế bào ở trạng thái sinh lý bình thường có một hệ thống các enzyme chống oxy hóa nên các thành phần lipit của tế bào không bị oxy hóa theo phản ứng dây chuyền mà oxy hóa có sự kiểm soát. Khi bị chiếu xạ, hệ thống enzyme chống oxy hóa bị phá hủy nên xảy ra phản ứng dây chuyền: RH + hγ → Ro + Ho

Ro + O2 → RO2

RO2 + RH → ROOH + Ro

ROOH → RO + OHo

Ro, Ho, OHo là những trung tâm của phản ứng dây chuyền cùng với độc tố RO2 đã giết chết tế bào. Thuyết phản ứng dây chuyền giải thích được hiệu ứng nghịch lý năng lượng, nhưng lại không giải thích được hiện tượng đột biến di truyền có liên quan tới phân tử ADN? 5. Thuyết cấu trúc chuyển hóa Trên cơ sở giữa vi cấu trúc và quá trình trao đổi chất của tế bào có mối liên quan mật thiết với nhau mà Cudin đã đưa ra thuyết cấu trúc chuyển hóa (1972). Thuyết này cho rằng tia phóng xạ tác động lên cả vi cấu trúc lẫn quá trình trao đổi chất của tế bào. Sự thay đổi của cả hai quá trình này có ảnh hưởng đến nhau, dẫn đến xảy ra nhiều hiệu ứng gây tổn thương hoặc giết chết tế bào. Thuyết này giống thuyết "bia" ở chỗ xem tế bào là một hệ dị thể, có độ nhạy cảm phóng xạ khác nhau ở từng pha (dịch nhân, màng nhân, các bào quan...). Thuyết này khác thuyết "bia" ở chỗ xem sự xuất hiện tổn thương như là xác xuất va chạm của tia phóng xạ với các thành phần quan trọng của tế bào. Cudin đặc biệt nhấn mạnh sự biến đổi tính thấm của màng nhân, đóng vai trò quan trọng trong quá trình bị tổn thương do tia phóng xạ gây ra. Song thực nghiệm lại xác định màng nhân không phải là cấu trúc đầu tiên bị tổn thương phóng xạ. Vì thế giả thuyết của Cudin và những giả thuyết trên vẫn chưa giải thích đầy đủ cơ chế tổn thương phóng xạ đầu tiên diễn ra ở cơ thể sống. IX. Tác dụng của tia phóng xạ lên phân tử sinh học Trong các tế bào sống luôn có các phân tử vô cơ và hữu cơ nhưng quan trọng nhất là các cao phân tử sinh học như ADN, protein, lipit, gluxít... Tổn thương ở các phân tử hữu cơ sẽ dẫn đến tổn thương ở mức độ tế bào, mô, cơ thể. Các phân tử hữu cơ có thể nhận năng lượng của tia phóng xạ một cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Biểu hiện chung ở các phân tử bị tổn thương do chiếu xạ là: - Gây hiện tượng đứt mạch dẫn tới làm giảm trọng lượng của phân tử hoặc khâu mạch sẽ làm tăng trọng lượng phân tử. - Làm thay đổi tính chất hóa lý dung dịch bị chiếu xạ như thay đổi độ nhớt, thay đổi hệ số lắng, thay đổi điểm đẳng điện của phân tử nghiên cứu... - Gây tổn thương cấu trúc hoặc phá hủy cấu trúc phân tử. - Làm thay đổi hoặc phá hủy chức năng sinh học của phân tử. Tổn thương của phân tử ADN dưới tác dụng của tia phóng xạ là sự thay đổi cấu trúc bậc 1, 2, 3, ảnh hưởng đến tính chất di truyền của phân tử. Setlov và Doyle (1954) khi chiếu


xạ ADN khô trong điều kiện chân không sẽ gây ra sự phá hủy cấu trúc và làm mất khả năng hòa tan của ADN. Với mẫu ADN khô, khi chiếu xạ thì hiệu ứng oxy thể hiện rất yếu còn trong mẫu mà lượng oxy bằng lượng nước thì hiệu ứng oxy thể hiện rất rõ. Khi không có oxy thì chủ yếu xảy ra sự đứt mạch. Đối với protein, khi bị chiếu xạ thì thường dẫn tới các hiện tượng: - Phá vỡ liên kết peptit trong mạch chính hoặc phá hủy cầu disunfit, dẫn tới làm giảm trọng lượng phân tử. - Xảy ra hiện tượng khâu mạch là sự dính kết giữa các phân tử protein với nhau làm cho độ nhớt dung dịch protein tăng lên. - Phá hủy cấu trúc phân tử dẫn tới làm mất chức năng sinh học của nó như đối với enzyme thì bị mất hoạt tính xúc tác. Trong nghiên cứu hay dùng enzyme hay vi khuẩn là những đối tượng được xem như ở mức độ phân tử hay tế bào và dễ đánh giá là còn hay mất hoạt tính sinh học. Khi chiếu xạ các đối tượng này, các nhà nghiên cứu đã rút ra qui luật logarit của tỉ số sống sót (hoặc hoạt tính sinh học) sẽ tỷ lệ nghịch với liều chiếu xạ theo công thức:

D.kNNln

o−= (9.3)

No: Số phân tử ban đầu N: Số phân tử còn hoạt tính D: Liều chiếu xạ k: Hằng số (k đạt một giá trị nhất định đối với một loại phân tử sinh học xác định, bị chiếu xạ bởi một loại bức xạ và ở trong điều kiện chiếu xạ nhất định). Công thức (9.3) có thể viết dưới dạng: N=No.e - kD (9.4) Khi liều chiếu xạ càng cao thì số phân tử còn hoạt tính sẽ càng giảm. Để đánh giá khả năng phá hủy phân tử của tia phóng xạ trong nghiên cứu người ta tính trị số G (gọi là hiệu suất hóa phóng xạ). Đó là số phân tử của chất nghiên cứu bị phá hủy khi hấp thụ năng lượng 100eV trong quá trình bị chiếu xạ. Trị số G của các bazơ Nitơ trong phân tử ADN khi bị chiếu xạ tia X hay tia γ được trình bày trong bảng 9.3. Bảng 9.3: Trị số G của các bazơ Nitơ trong phân tử ADN khi bị chiếu tia X hay γ

Trị số G Bazơ Nitơ Trong dung dịch có O2 Trong phân tử ADN

Adenin 1,09 0,22 Guanin 1,09 0,17 Timin 1,89 0,40

Xitozin 2,15 0,38 Khi chiếu xạ, số phân tử bị phá hủy chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong tổng số các phân tử có trong tế bào nhưng cũng đủ gây ra đột biến di truyền, làm tổn thương hình thái và chức năng, nếu nặng có thể giết chết tế bào.


X. Tác dụng của tia phóng xạ lên quá trình phân bào Chu kỳ sống của tế bào gồm 4 giai đoạn phát triển chính: - Giai đoạn đầu tiên ký hiệu là pha G1 (Gap có nghĩa là pha hay giai đoạn) khi tế bào mới được hình thành sau quá trình phân bào. Ở pha này tế bào thực hiện sinh tổng hợp protein và tích lũy các chất cần thiết cho sự tổng hợp ADN ở pha sau đồng thời tế bào tăng về thể tích. Pha này kéo dài nhất, có khi chiếm gần một nửa chu kỳ sống của tế bào. - Giai đoạn tiếp theo gọi là pha S (Synthesis nghĩa là tổng hợp) là giai đoạn tổng hợp ADN. Ở pha này hàm lượng ADN trong nhân tế bào đã tăng lên gấp đôi. - Giai đoạn thứ ba gọi là pha G2, là pha hậu tổng hợp. Tế bào chủ yếu tổng hợp các chất chuẩn bị cho quá trình phân bào. - Giai đoạn thứ tư ký hiệu là pha M (Mitose có nghĩa là phân bào nguyên nhiễm) xảy ra quá trình phân bào. Bergone và Tribondeau từ kết quả nghiên cứu đã rút ra định luật, gọi là định luật phóng xạ: "Độ nhạy cảm của tế bào trước tia bức xạ tỷ lệ thuận với khả năng sinh sản và tỷ lệ nghịch với mức độ biệt hóa tế bào". Trường hợp ngoại lệ, tế bào lympho đã biệt hóa hoàn toàn nhưng lại có độ nhạy cảm phóng xạ cao nhất. Khi chiếu xạ liều thấp, đối với những tế bào chưa bước vào pha phân bào thì bị ngừng hẳn quá trình phân bào còn tế bào đã bước vào pha phân chia thì sự phân bào sẽ bị chậm lại hoặc ngừng hẳn quá trình phân bào. Nếu tế bào đã ở pha S tức là ADN đã được nhân đôi, nếu tế bào ngừng phân chia và tiếp tục phát triển sẽ dẫn tới hiện tượng đa bội thể. Đa số tế bào động vật và thực vật có liều ức chế tạm thời quá trình phân bào là 50R. Đặc biệt trứng của một số động vật không xương sống ở biển như trứng cầu gai, liều ức chế phân bào là 104R. Serclo sử dụng Poloni chiếu lên bào tử cây dương xỉ thấy rằng: Hiện tượng ức chế quá trình phân bào xảy ra cả khi chỉ chiếu xạ nhân hay chỉ chiếu xạ nguyên sinh chất. Song liều gây ức chế sự phân bào khi chỉ chiếu xạ nguyên sinh chất cao gấp 20 lần liều khi chỉ chiếu xạ nhân. Kết quả tương tự cũng thu được khi chiếu xạ lên trứng của ong hay tằm. Khi chiếu xạ, sự tổn thương của hạt nhân có ý nghĩa quyết định tới sự tổn thương hay gây chết tế bào. Điều này lại được Axtrakhob (1947) xác định qua thí nghiệm: Lấy hạt nhân của tế bào bị chiếu xạ đem cấy vào tế bào không chiếu xạ đã bị lấy mất nhân thì tế bào ghép có nhân bị chiếu xạ còn nguyên sinh chất không chiếu xạ chỉ sống được 3 ngày. Trong khi đó tế bào ghép có nhân không chiếu xạ và nguyên sinh chất bị chiếu xạ đã sống được tới 3 tuần. Vai trò của nhân trong hoạt động sống của tế bào, thực chất là vai trò của phân tử ADN - phân tử lưu giữ thông tin di truyền của tế bào. Do vậy, khi chiếu xạ, tổn thương ở nhân sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng tới hoạt động sống của tế bào. XII. Một số ứng dụng của nguồn tia phóng xạ ion hóa * Phương pháp chiếu xạ gây ra biến dị để tạo giống mới Qua quá trình sử dụng nguồn tia phóng xạ tác dụng lên đối tượng sinh vật, gây ra biến dị để tạo giống mới, các nhà khoa học đã rút ra những nhận xét sau: - Kết quả chiếu xạ chịu ảnh hưởng vào các điều kiện của hạt khi chiếu xạ như nhiệt độ, độ ẩm, oxy, độ pH... Do vậy, với một lô đem chiếu xạ, phải chọn các hạt đồng nhất về trọng lượng, kích thước, độ ẩm, nhiệt độ, nồng độ oxy, độ pH v.v... - Liều chiếu xạ gây ra đột biến để tạo giống mới thường sử dụng từ 10KRad đến 100KRad.


- Suất liều lượng ảnh hưởng đến số lượng đột biến. Liều gây đột biến gấp đôi đột biến xuất hiện ngẫu nhiên gọi là "liều gấp đôi". Thực tế xác định khoảng từ 15-30 Rad trong một lần chiếu còn nếu chiếu liều thấp và thời gian chiếu lâu thì "liều gấp đôi" sẽ lên tới 100 Rad. Khi tổng liều chiếu nhỏ hơn 1 KRad thì sử dụng suất liều là 10-100 Rad/phút còn khi tổng liều chiếu lớn hơn 1 KRad thì sử dụng suất liều là 500 Rad/phút. - Sau chiếu xạ, tần số gây ra đột biến có lợi là rất thấp và đa số trường hợp đột biến xuất hiện đã không di truyền được cho thế hệ sau. Qui trình chiếu xạ để chọn giống mới, tuần tự theo các bước sau: 1. Chiếu xạ hạt để gây ra đột biến 2. Thử nghiệm để chọn lọc những đột biến có lợi 3. Xác định thuộc tính mới có lợi và mức độ ổn định qua các thế hệ. 4. Nhân giống. * Ứng dụng phương pháp chiếu xạ để tiêu diệt côn trùng có hại Có nhiều phương pháp để tiêu diệt côn trùng gây hại nhưng sử dụng phương pháp chiếu xạ lại rất hiệu quả và không gây ra ô nhiễm môi trường. Phương pháp sử dụng là chiếu xạ lên côn trùng để tạo ra những thuộc tính bất lợi cho côn trùng như chết yểu, con đực vô sinh, con cái đẻ ít trứng hay có tỷ lệ sinh con đực cao... Kết quả đã thu được đối với ruồi gây hại cho ngành chăn nuôi ở phía Nam nước Mỹ và Mehico bằng cách thả 50 triệu con đực vô sinh, cuối cùng giống ruồi này đã bị tiêu diệt. * Sử dụng phương pháp chiếu xạ để khử trùng Phương pháp khử trùng dùng tia bức xạ ion hóa rất hiệu quả và sạch, đặc biệt đối với những vi khuẩn và nấm mốc, khử trùng bằng nhiệt độ cao đã không tiêu diệt hết được. Trong công tác khử trùng bằng nhiệt, người ta hay dùng liều tử vong 90% (ký hiệu là LD90) là liều cần thiết để diệt 90% số vi khuẩn đem chiếu xạ và còn gọi là liều thập phân. Liều thập phân (LD90) rất thích hợp cho việc tính toán liều khử trùng. Với chủng vi khuẩn có No là số tế bào ban đầu còn N là số tế bào vi khuẩn còn sống sót sau chiếu xạ liều D thì liều chiếu được tính theo công thức: D=LD90.(logNo-logN) (9.5) Để khử trùng thực phẩm, năm 1960, Smit và Nate đã đề xuất phương pháp xác định trực tiếp liều LD90 với quần thể ban đầu là 109 bào tử. Cách thực hiện: chọn 20 hộp thịt (hay nước hoa quả) cần khử trùng, được cấy thêm vào mỗi hộp 1ml hỗn dịch chứa 108 bào tử Clostridium botilium rồi đóng hộp lại. Sau khi chiếu xạ liều D xác định rồi để các hộp vào tủ ấm 37oC trong một thời gian (chẳng hạn 1 tháng). Sau 1 tháng, kiểm tra xem có hộp nào bị hỏng như có độc tố hoặc còn bị nhiễm khuẩn. Trường hợp có độc tố, tách chiết độc tố và tiêm phúc mạc chuột để thử độc tính. Gọi M là tổng số bào tử đã tiêm vào cả 20 hộp thịt còn D là liều chiếu xạ và N là số hộp có chứa độc tố. Liều thập phân được xác định theo công thức:

NlogMlog

DLD90 −= (9.6)


Trong thực tế để diệt nấm mốc và vi khuẩn, người ta hay áp dụng liều từ 300KRad đến 1 triệu Rad. * Sử dụng phương pháp chiếu xạ để bảo quản lương thực, thực phẩm Phạm vi áp dụng và liều sử dụng như sau: - Chiếu xạ liều nhỏ hơn 100KRad để chống nảy mầm ở khoai tây, hành, tỏi v.v..., làm trái cây chậm chín như chuối, cam, quýt..., tiêu diệt côn trùng để bảo quản ngũ cốc như lúa, ngô, lạc, đậu tương v.v... - Chiếu xạ liều từ 100KRad → 1 triệu Rad để bảo quản thịt tươi, cá tươi, trứng v.v... - Chiếu liều từ 1 triệu Rad → 5 triệu Rad để khử trùng các chất phụ gia, gia vị, chế phẩm enzyme v.v... * Sử dụng nguồn phóng xạ trong y học hạt nhân Trong y học hạt nhân thường sử dụng tia gamma (γ), liều dùng từ 100 Rad → 103 Rad để điều trị bệnh ung thư. Để chẩn đoán bệnh các bác sỹ thường sử dụng các chất đồng vị phóng xạ để ghi hình cơ quan, từ đó có hướng điều trị. Ví dụ để chẩn đoán bệnh về tuyến giáp, bác sỹ sẽ cho bệnh nhân sử dụng thuốc có đánh dấu Iốt phóng xạ (I131). Sau một thời gian, phần lớn Iốt tập trung ở tuyến giáp và phát ra tia γ, dùng máy ghi hình nhấp nháy sẽ cho hình ảnh của tuyến giáp. Nếu tuyến giáp to sẽ mắc bệnh cường năng tuyến giáp còn tuyến giáp nhỏ sẽ mắc bệnh thiểu năng tuyến giáp. Cùng với xác định một số chỉ tiêu sinh hóa, các bác sĩ sẽ có hướng điều trị cụ thể cho bệnh nhân.

--------- ---------


Education

Ly sinh hoc