các hiện tượng động học

Sự chuyển động của các hạt của pha phân tán trong điện trường hướng tới điện cực trái dấu gọi là điện di.. Đất sét có điện tích âm nên chuyển dịch về cực dương, do đó nước ở đây bị đục,

CHƯƠNG IV

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

 4.1.Phân loại các hiện tượng điện động học

 4.2 Bản chất thế điện động

 4.3.Các phương pháp điện di

 4.4 Điện thế điện động học của các đối

tượng sinh vật.

 4.5 Ứng dụng các hiện tượng điện động

học trong sinh hoc va y học

CHƯƠNG IV

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

 4.1.Phân loại các hiện tượng điện động học

 4.1.1.Điện di

Nếu đặt một điện trường không đổi lên một hệ dị thể, các pha của hệ sẽ chuyển động Sự chuyển động của các hạt của pha phân tán trong điện trường hướng tới điện cực trái dấu gọi là điện di Đất sét có điện tích

âm nên chuyển dịch về cực dương, do đó nước ở đây bị đục, bên cực âm nước vẫn trong

 4.1.2.Điện thẩm

Là sự chuyển động của môi trường phân tán tới điện cực cùng dấu với điện tích bề mặt của pha phân tán Mực nước ở cực âm cao hơn cực dương và vẫn

trong do nước chuyển động đến cực âm Quá trình điện thẩm có thể xảy ra qua các tổ chức như da ếch, thành các mao quản

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

 4.1.3.Điện thế chảy

 Điện thế chảy xuất hiện khi chất lỏng chuyển động

do tác dụng của áp suất thuỷ tĩnh qua các mao

quản hoặc các lỗ mà thành lỗ có màng điện tích hiện tượng này ngược 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.

 Nếu tăng áp suất ở mức bình bên trái chất lỏng sẽ chuyển động về bên phải bình, do đó giữa hai phía của bình sẽ xuất hiện hiệu điện thế Chất lỏng bên phải màng ngăn có điện thế dương so với chất

lỏng ở phía bên trái.

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

 4.1.4.Điện thế lắng

Xuất hiện giữa lớp trên và lớp dưới của

hệ trong quá trình lắng các hạt của pha phân tán dưới tác dụng của trọng lực Hiện tượng này ngược với điện di Các thành phần hữu hình của máu ( hồng cầu, bạch cầu ) có trọng lượng riêng lớn hơn huyết thanh nên sẽ lắng xuống đáy, lúc này hình thành điện thế lắng Các ion dương sẽ tách ra khỏi sự chuyển động của các thành phần hữu hình Do vậy các lớp dưới có diện tích âm còn lớp trên có điện tích dương.

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

4.2 Bản chất thế điện động

 4.2.1.Nguồn gốc điện tích bề mặt

Sự xuất hiện điện tích trên bề mặt của các hạt keo đặc biệt là trên bề mặt các đối

tượng sinh vật có thể do 2 cơ chế

-Cơ chế ion hoá các nhóm phân ly

-Cơ chế hấp phụ các ion của môi trường phân tán trên bề mặt của pha phân tán.

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

 a.Cơ chế ion hoá

 Sự xuất hiện điện tích trên bề mặt các hạt do sự ion hoá thường xảy ra ở các phân tử protein hoặc các phân tử hữu cơ do sự có mặt của các nhóm cacboxyl, hydroxyl, amin hoặc nhóm phân cực khác Do quá trình ion hoá các nhóm trong phân tử nên một số ion sẽ đi vào môi trường phân tán, chúng được gọi là các ion nghịch Các ion còn lại sẽ cố định trên bề mặt pha phân tán, vì

chúng sẽ xác định dấu của điện tích bề mặt nên gọi là các ion tạo thể

 Ví dụ : Đối với phân tử protein điện tích trên bề mặt phụ thuộc vào nhóm COOH và NH2 trong phân tử, bởi vậy phân tử protein là phân tử lưỡng tính

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

 b.Cơ chế hấp phụ:

Trên bề mặt các pha phân tán có khả

năng hấp phụ các ion (ví dụ các hạt keo),

âm hoặc dương, nhưng khả năng hấp phụ các ion âm cao hơn vì ion âm ít bị hydrat hoá hơn ion dương Do đó năng lượng để tách các ion âm ra khỏi dung dịch để hấp phụ rất nhỏ.

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

khoảng cách rất nhỏ ( cỡ kích thước phân tử )

và được giữ thật sát bề mặt hạt keo nhờ lực hấp phụ đặc biệt, chúng tạo thành lớp hấp phụ.

-Loại thứ hai chuyển động tự do trong môi

trường phân tán tạo thành lớp khuếch tán.

Cấu trúc lớp điện kép

(Double electric layer)

z

e

The Electrochemical Double Layer

neutral bulk electrolyte

+++

solid

Ion concentrations

0 continuum region

Electrostatic potential

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

 +Khi hạt chuyển động, nếu tất cả các ion ngược dấu đều tách ra khỏi hạt keo thì

trên mặt ngăn cách giữa hạt keo và dung môi sẽ xuất hiện bước nhảy thế toàn bộ E

và được gọi là thế nhiệt động Song thực

tế phần ion ngược dấu trong lớp hấp phụ bao giờ cũng chuyển động cùng với hạt Vì vậy bước nhảy thế sẽ xuất hiện giữa lớp

hấp phụ và lớp khuếch tán Bước nhảy thế này gọi là thế điện động hay  điện thế

( Zeta điện thế ) do đó  < E.

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

 +Khi hạt chuyển động, nếu tất cả các ion ngược dấu đều tách ra khỏi hạt keo thì

trên mặt ngăn cách giữa hạt keo và dung môi sẽ xuất hiện bước nhảy thế toàn bộ E

và được gọi là thế nhiệt động Song thực

tế phần ion ngược dấu trong lớp hấp phụ bao giờ cũng chuyển động cùng với hạt Vì vậy bước nhảy thế sẽ xuất hiện giữa lớp

hấp phụ và lớp khuếch tán Bước nhảy thế này gọi là thế điện động hay điện thế

( Zeta điện thế ) do đó  < E.

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

 + Các Yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc lớp điện kép đều làm thay đổi  điện thế

 -Tăng nồng độ ion làm cho độ dày lớp khuếch tán sẽ

giảm như vậy  giảm

 -Pha loãng thì lớp điện kép sẽ giãn ra do đó  điện thế tăng

 Tuy nhiên có trường hợp khi pha loãng làm giảm sự hấp phụ của ion tạo thế dẫn đến E giảm và  điện thế giảm

 -Thay đổi nhiệt độ sẽ thay đổi lớp điện kép Khi nhiệt độ tăng làm chuyển động nhiệt của các ion làm cho lớp

khuếch tán giãn ra và  điện thế tăng

 -Bản chất của môi trường phân tán cũng ảnh hưởng đến

 điện thế Lớp điện kép chỉ có thể tồn tại trong môi

trường phân cực, độ phân cực càng yếu thì  điện thế càng nhỏ

 4.3 Các phương pháp điện di

4.3.1 Cơ sở của hiện tượng điện di

 Một hạt mang điện tích q đặt trong điện trường đều có cường độ E sẽ chịu tác dụng của một lực f

 Dưới tác dụng của điện trường hạt tích điện dương

chuyển động cùng chiều điện trường còn hạt tích điện âm chuyển động ngược chiều điện trường Sự chuyển động của các hạt mang điện gọi là sự điện di hay điện chuyển

Có hai loại hạt mang điện

 -Các ion (+) hoặc (-) phân ly từ các phân tử chất điện ly (axit, bazơ, muối tan trong nước )

 -Các hạt keo, vi khuẩn, hồng cầu, tinh trùng, các phân tử protein, ADN

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

 Khi đặt trong điện trường không đổi, hạt tích điện chuyển động với vận tốc (v) :

 Trong đó x là quãng đường chuyển động

 t là thời gian chuyển động

 Vậy vận tốc điện di phụ thuộc vào điện tích q của hạt, vào hệ số ma sát (f) và cường độ điện trường E ( hiệu thế).

 Hệ số ma sát f lại phụ thuộc kích thước hình dạng phân tử của hạt và độ nhớt của môi trường Nếu hạt ở dạng cầu ta

 + Giữa điện tích q của hạt, bán kính r

của hạt, hằng số điện môi  của dung dịch và  điện thế có mối tương quan như sau

 Thay (6) vào (5) ta có :

v= (E)/ (6)

= v (6)/ (E)

 Và đây là công thức Smolukhovski

 Như vậy nếu biết v, , , E ta có thể tính  đ iện thế của các hạt hình cầu

4.3.2 Điện di trong dung dịch tự do

 Thiết bị chính là Cuvet hình chữ U, phần dưới của Cuvet chứa dung dịch nghiên cứu, phần trên chứa dung dịch đệm Dung dịch đệm lựa chọn sao cho giữa dung dịch đệm và dung

dịch nghiên cứu hình thành ranh giới không trộn lẫn Cuvet có cấu tạo đặc biệt cho phép nạp các dung dịch dễ dàng mà không bị xáo trộn Hai đầu ống chữ U được nối với điện

cực, các điện cực

 Thiết bi được nối với dòng điện một chiều ổn định.

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

 +Dưới tác dụng của điện trường các hạt sẽ chuyển động đến các điện cực ngược dấu với chúng Do đó ranh giới giữa dung dịch nghiên cứu và dung dịch đệm sẽ chuyển động, vì vận tốc điện di phụ thuộc điện tích của hạt khác nhau sẽ khác nhau Mỗi loại hạt sẽ tương ứng với một giới hạn riêng

 +Dòng điện sẽ làm nóng dung dịch không đều nên dẫn đến xuất hiện dòng đối lưu chất lỏng từ đó ảnh hưởng

đến sự phân bố nồng độ Người ta thường tiến hành điện

di ở nhiệt độ thấp (00 - 40C)

 + Để quan sát sự dịch chuyển ranh giới ứng với mỗi loại hạt nào đó trong dung dịch nghiên cứu cần chụp ảnh

Cuvet ở hai thời điểm t1 và t2, từ quãng đường dịch

chuyển x ta tính được vận tốc điện di (v), từ v và các

tham số khác sẽ tính được độ linh động điện di

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

 Trường hợp này các hạt nghiên cứu được đặt

trên các chất giá Ưu điểm của phương pháp này

là loại bỏ được dòng đối lưu trong phương pháp điện di trong dung dịch tự do.

 Điện di trên giá có thể phân tích hỗn hợp protein thành các vùng tương ứng với các cấu tử riêng biệt chất giá có thể là giấy, tinh bột, thạch, gel polyacrilamit

 Ví dụ : Điện di trên giấy

Điện di ADN

Điện di đứng

Máy điện di nằm ngang

Điện di đồ

Quy trình điện di trên gel

Polyacrylamide

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

bào động thực vật, hồng cầu, vi khuẩn.

 Bộ phận chính của thiết bị là buồng điện

di, buồng điện di là một khe hẹp hình hộp chữ nhật chứa dung dịch nghiên cứu đặt

trên bàn của kính hiển vi

 4.4.Điện thế điện học của các đối tượng sinh học

Ở một số loại tế bào giá trị thế điện động rất ổn định, trong khi đó ở một số loại tế bào khác  điện thế bị thay đổi khi thay đổi tính chất lý hoá của

môi trường cũng như tác động của nhiều yếu tố

khác.

Ví dụ : Tốc độ điện di của tế bào hồng cầu bình thường của cùng một loài động vật là một đại

lượng cố định Điều đó chứng tỏ thế điện động

trên bề mặ hồng cầu được xác định bởi điện tích

tự nhiên của bề mặt và hồng cầu không có khả

năng hấp phụ các protein và các ion Khi thành

phần hoá lý trên bề mặt hồng cầu thay đổi mới

dẫn đến sự thay đổi  điện thế Thông thường sự thay đổi thế điện động ở động vật là dấu hiệu

bệnh lý.

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC

 Một chỉ tiêu khác về tính chất lý hoá bề mặt tế bào là

điểm đẳng điện Điểm đẳng điện của hạt cũng được xác định bằng phương pháp vi điện di Điểm đẳng điện của hồng cầu bị thay đổi

 Ở vi sinh vật vì bề mặt của chúng có khả năng hấp phụ cao các phân tử protein và các chất hữu cơ nên thế điện động của chúng không ổn định Ví dụ : Trong môi trường dinh dưỡng có nhiều albumin, gelatin hoặc các sản phẩm phân huỷ tế bào bị chết thì những chất này sẽ được vi

sinh vật hấp phụ lên bề mặt và giá trị thế điện động sẽ thay đổi tương ứng Khả năng hấp phụ bề mặt của các tế bào vi khuẩn phụ thuộc vào thành phần hoá học và đặc điểm cấu trúc của bề mặt

  điện thế của hồng cầu của một loài thường có giá trị cố định nhưng ở các loài vật khác nhau lại rất khác nhau

Gel Electrophoresis: Example

Direction of DNA movement

Smaller fragments

travel farther

Molecular Cell Biology, 4th edition

electrophoresis

electrophoresi s

electrophoresis

If DNA is too large for conventional electrophoresis….

electrophoresis

Electroosmotic Flow

Basics cont.

 A photocathode is then used to measure the

represented graphically

2. Size and charge of the solute

3. Viscosity of the buffer

A gel being run

Agarose blockPositive electrode

DNA loaded inwells in the agarose

Black background

To make loading wells easierComb

Buffer

A gel as seen under UV light - some samples had 2 fragments

of DNA, while others had none or one

More ……

 Many samples can

be run on one gel- but it is important

comparison

SDS denatures protein and coats it with

negative charge.

Separates on basis of size.

Can do under

non-reducing or non-reducing conditions

SDS-PAGE – the result

The end