ch2. Sinh ly te bao

Những nguyên lý cơ bản trong sinh lý được giới thiệu trong chương này gồm: thể dịch, trong đó đặc biệt nhấn mạnh đến sự khác biệt giữa dịch nội bào và dịch ngoại bào; sự chênh lệch nồng

19

Chương 2 SINH LÝ TẾ BÀO

Sự hiểu biết về chức năng của các hệ cơ quan đòi hỏi phải có những hiểu biết cơ bản nhất về hoạt động sinh lý của tế bào Mặc dù mỗi hệ cơ quan có chức năng riêng khác nhau nhưng đều có chung những nguyên lý sinh lý nhất định

Những nguyên lý cơ bản trong sinh lý được giới thiệu trong chương này gồm: thể dịch, trong

đó đặc biệt nhấn mạnh đến sự khác biệt giữa dịch nội bào và dịch ngoại bào; sự chênh lệch nồng độ giữa hai bên màng tế bào; điện sinh học tế bào; phương thức hoạt động hay liên hệ giữa tế bào thần kinh với các tế bào khác thông qua synapse và vai trò của chất dẫn truyền thần kinh; và cuối cùng là

cơ chế của sự co cơ

Những nguyên lý trong hoạt động sinh lý của tế bào thiết lập nên một hệ thống điều khiển tuần hoàn trong cơ thể Một khi hiểu được những nguyên lý này, có thể dễ dàng áp dụng chúng trong việc tìm hiểu cơ chế hoạt động và mối quan hệ giữa các hệ cơ quan trong cơ thể

1 MÀNG TẾ BÀO (PLASMA MEMBRANE)

Tế bào được bao bọc bởi một màng kép (double membrane), màng này ngăn cách các thành phần của tế bào với dịch ngoại bào Màng có tính thấm chọn lọc cao, cho phép các chất dinh dưỡng

đi vào tế bào và giải phóng các sản phẩm của tế bào ra ngoài Nhờ tính thấm chọn lọc này mà thành phần của các chất bên trong tế bào chất rất khác với dịch ngoại bào Tính thấm chọn lọc của màng phụ thuộc vào các cơ chế trao đổi chất qua màng Mặt khác, trên bề mặt của màng tế bào có nhiều vị trí gắn kết với các chất hóa học đặc hiệu do các tế bào khác sản xuất ra, làm cho màng tế bào có vai trò quan trọng trong sự kết nối của tế bào với các tế bào khác

Màng tế bào được cấu tạo chủ yếu bởi lipid và protein Tỷ lệ lipid và protein ở các tế bào khác nhau thì có thể khác nhau, phản ánh chức năng của tế bào Ví dụ như màng tế bào Schwann có thành phần lipid rất cao với nhiệm vụ đệm đỡ và cách điện Lipid cấu tạo nên màng gồm có phospholipid, cholesterol và glycolipid Nhờ có cấu tạo này mà các chất tan trong lipid như CO2, O2, acid béo và các hormone có bản chất steroid có thể dễ dàng di chuyển qua màng tế bào Cấu tạo này cũng giúp màng tế bào ngăn cản sự di chuyển của các chất tan trong nước như các ion, đường hay amino acid

MỤC TIÊU

Sau khi học xong chương này, sinh viên có thể:

- Trình bày được cấu trúc của màng tế bào và liên hệ được chức năng của những

cấu trúc đó

- Trình bày được các phương thức vận chuyển qua màng

- Giải thích được cơ sở vật lý của điện màng cũng như cơ chế của điện nghỉ và

điện hoạt động của tế bào

- Hiểu rõ bản chất của sự hô hấp tế bào và mối quan hệ giữa hô hấp và chuyển

hóa

- Hiểu biết được cấu tạo của cơ và giải thích được cơ chế của sự co cơ thông qua

đặc điểm sinh lý của cơ vân

- Trình bày được sự trao đổi vật chất và năng lượng của tế bào thông qua tìm

hiểu sự trao đổi chất và năng lượng trong co cơ

ra và vào màng Thành phần protein của màng gồm có các kênh vận chuyển, các enzyme trên màng, các thụ thể, kháng nguyên bề mặt tế bào, các kênh ion hay kênh nước

1.1 Lớp lipid kép của màng tế bào

Lớp lipid kép của màng tế bào có đặc điểm là rất mỏng (7,5 – 10 nm), mềm mại, có thể uốn khúc, trượt và dễ biến dạng Tính chất mềm mại và dễ biến dạng làm cho nó có khả năng hòa màng Hiện tượng hòa màng có thể xảy ra cả màng tế bào và các bào quan, thường gặp trong quá trình tạo

ra các túi vận chuyển, túi tiêu hóa, túi thực bào, Lớp này có 2 phân tử chính là phospholipid và cholesterol Phospholipid có hai đầu, một đầu là gốc hyroxyl ưa nước, một đầu là acid béo kỵ nước Phân tử cholesterol cũng có hai đầu là hydroxyl ưa nước và steroid kỵ nước Đầu kỵ nước của hai phân tử này bị dịch gian bào và dịch nội bào đẩy, nên chúng quay vào trong, gặp nhau, hấp dẫn nhau

và nằm trong trung tâm của màng Đầu ưa nước nằm ở hai phía của màng, tiếp xúc với dịch ngoại bào và dịch nội bào

Hình 2.1 Mô hình màng tế bào khảm lỏng 1.2 Protein của màng tế bào

Protein là thành phần quan trọng của các màng sinh học Các khối protein nằm xen giữa lớp lipid kép Chúng thuộc loại protein dạng cầu hoặc dạng chữ S, hầu hết có bản chất là glycoprotein

Có hai loại protein: protein xuyên màng (nằm xuyên qua suốt chiều dày của màng tế bào, hai đầu thò

ra bên màng) và protein ngoại vi (chỉ bám vào một phía của màng tế bào) Hai loại protein này có cấu tạo và chức năng khác nhau

Protein xuyên màng (Transmembrane protein)

Protein xuyên màng thường có kích thước lớn, được tổng hợp chủ yếu bởi mạng lưới nội chất

và bộ máy Golgi trong hoạt động của tế bào Có rất nhiều loại protein xuyên màng với cấu tạo và chức năng khác nhau

21

Nhiều phân tử protein xuyên màng có các kênh (lỗ) xuyên suốt khối protein Qua kênh này, các chất tan trong nước, đặc biệt là các ion có thể khuếch tán qua lại giữa dịch ngoại bào và dịch nội bào Các kênh protein này thường được gọi là protein mang (carrier) làm nhiệm vụ vận chuyển vật chất Những protein mang này có thể vận chuyển vật chất thuận chiều với gradient điện hóa (hay thang điện hóa - electrochemical gradient), tức là đi từ nơi có nồng độ, áp suất, điện thế cao đến nơi có nồng độ, áp suất, điện thế thấp hơn Một số protein mang khác thì vận chuyển vật chất ngược chiều với gradient điện hóa Các protein mang có thể chỉ vận chuyển một chất duy nhất (uniport) hoặc vận chuyển được hai chất cùng một lúc theo cùng một chiều, gọi là đồng vận chuyển (symport) hoặc vận chuyển hai chất cùng lúc nhưng theo hai chiều ngược nhau, gọi là vận chuyển ngược (antiport) Các kênh protein này có thể có cổng (gate) có khả năng đóng mở, và nhờ các cổng này mà quá trình vận chuyển vật chất được chọn lọc Cổng của kênh có tính chọn lọc, cho phép một chất khuếch tán qua

ưu tiên hơn so với chất khác Có hai loại cổng: cổng mở do điện thế (voltage – gated) và một loại cổng đóng mở do phối tử (ligand – gated)

Các tế bào có thể tổng hợp ra các protein có các hoạt tính gọi là các enzyme Các enzyme này

có thể xúc tác cho các phản ứng bên trong tế bào hoặc cũng có thể xúc tác cho các phản ứng bên ngoài tế bào Các con đường chuyển hóa sinh hóa bên trong tế bào thường được xúc tác bởi các enzyme dạng này

Hình 2.2 Protein trên màng tế bào và những chức năng của nó

Protein xuyên màng cũng có thể đóng vai trò như một thụ thể (receptor) để thu nhận các tín hiệu từ các tế bào khác Thông qua cơ chế truyền tin mà tế bào có thể có các đáp ứng phù hợp Những kiểu thụ thể là các protein xuyên màng thường đáp ứng với các phân tử tín hiệu không thể xuyên

màng Vì thế, tín hiệu truyền vào bên trong có thể được thực hiện bởi chuối các phản ứng sinh hóa bên trong tế bào

Một số protein khác thì liên kết với các phân tử carbohydrate để hình thành nên glycoprotein Các glycoprotein có vai trò quan trọng trong cơ chế nhận diện tế bào Thông qua các glycoprotein đặc hiệu này mà các tế bào có thể nhận biết các tế bào cùng loại, hoặc giúp cho bạch cầu nhận biết đâu là tế bào của cơ thể, đâu là tế bào lạ Do liên quan đến miễn dịch, nên các glycoprotein giúp nhận diện tế bào thường được gọi là kháng nguyên

Các protein trên màng tế bào còn có chức năng đặc biệt quan trọng trong việc liên kết các tế bào cùng cấu tạo và nguồn gốc lại với nhau để hình thành nên đám mô Thông qua các protein liên kết này mà các tế bào có thể gắn kết với nhau mà hình thành cơ quan Trong y học, đặc biết là trong các liệu pháp tế bào, protein liên kết này có vai trò rất lớn trong việc định hướng di chuyển của các

tế bào trị liệu đến cơ quan đích

Protein ngoại vi (Peripheral protein)

Là những protein có phân tử lượng nhỏ hơn protein xuyên màng, bám vào đầu phía trong của protein xuyên Những phân tử protein này có chức năng và hoạt tính hầu như hoàn toàn là enzyme 1.3 Carbohydrate của màng tế bào

Thành phần carbohydrate (glucid) chiếm khoảng 2 - 10% khối lượng màng Chúng thường kết hợp với protein tạo thành glycoprotein hoặc kết hợp với lipid thành dạng glycolipid

Chức năng của carbohydrate chủ yếu là:

- Tích điện âm nên thường đẩy những vật chất tích điện âm

- Lớp vỏ lỏng lẻo bên ngoài màng tế bào này sẽ gắn với tế bào khác, làm cho các tế bào dính nhau

- Một số carbohydrate nằm trên bề mặt màng tế bào có tác dụng như receptor có khả năng gắn kết với những chất đặc hiệu như hormone

- Một số carbohydrate tham gia phản ứng miễn dịch

2 SỰ VẬN CHUYỂN QUA MÀNG TẾ BÀO

Tế bào sống luôn luôn phải trao đổi vật chất và năng lượng với dịch ngoại bào, tuy nhiên, do tính thấm có chọn lọc, nên thành phần vật chất trong dịch nội bào và dịch ngoại bào là rất khác nhau

Có sự khác biệt này là do các cơ chế vận chuyện vật chất qua màng tế bào tạo ra Có hai hình thức vận chuyển vật chất qua màng tế bào là vận chuyển tích cực (active transport) và khuếch tán thụ động (passive diffusion)

2.1 Khuếch tán thụ động (passive diffusion)

Khuếch tán thụ động là phương thức vận chuyển vật chất thuận theo thang điện hóa (electrochemical gradient), tức là vật chất đi từ nơi có nồng độ, áp suất, điện thế cao đến nơi có nồng

độ, áp suất và điện thế thấp hơn Quá trình chuyển động này nhờ năng lượng tự nhiên, sẵn có của nhiệt động học của vật chất Do không cần năng lượng từ hóa năng (năng lượng ATP) của tế bào nên hình thức vận chuyển này được coi là thụ động

Khuếch tán là quá trình vận động liên tục của các hạt vật chất Hạt vật chất càng nhiều thì sự

va chạm giữa các hạt sinh nhiệt càng cao Một khi một hạt vật chất vận động sẽ đập vào các hạt vật chất khác trên đường đi, làm hạt ban đầu giảm vận động tức mất đi một phần động năng từ đó dẫn đến quá trình khuếch tán của các hạt vật chất

Khuếch tán được thực hiện dưới hai hình thức là khuếch tán đơn thuần (simple diffusion) và khuếch tán được thuận hóa (facilitated diffusion) Trong đó, khuếch tán đơn thuần có mức độ khuếch tán được xác định bởi lượng chất được vận chuyển và tốc độ chuyển động nhiệt Trong khi đó, khuếch

23

tán được thuận hóa cần phải có protein mang để gắn với các chất mang được vận chuyển và đưa chúng qua màng

Khuếch tán đơn thuần qua màng lipid kép

Như đã đề cập ở trên, màng tế bào là một màng lipid kép Các chất tan trong lipid như oxy, nitơ, CO2 và rượu đi qua màng tế bào rất nhanh Tốc độ khuếch tán qua màng tỉ lệ thuận với độ tan trong lipid

hơn 1 triệu lần khi so sánh

với nước Nguyên nhân là

do chúng tích điện, dẫn

đến hiện tượng chúng

được áo bởi một số phân

tử nước, từ đó làm kích

thước của chúng lớn Hơn

thế nữa, điện tích của các

ion tương tác với điện tích

của lớp lipid kép, do đó khi các ion mang điện cố gắng đi qua hàng rào tích điện âm thì chúng bị giữ lại hoặc bị đẩy, không qua được lớp lipid kép

Khuếch tán qua các kênh protein

Các kênh protein là con đường được tạo thành những khe hở chạy xuyên qua các phân tử protein xuyên màng Những kênh hình ống này nối dịch nội bào với dịch ngoại bào Các kênh protein có cấu trúc và độ lớn khác nhau sẽ cho các vật chất đặc hiệu đi qua, từ đó quy định tính thấm chọn lọc của màng tế bào Bên cạnh đó, các kênh này còn có các cổng có khả năng đóng mở để cho các chất đi qua

Kênh protein cho phép nước hoặc

một vài ion hay phân tử đặc hiệu đi qua

Tính chọn lọc của kênh là do hình dáng,

đường kính và điện tích ở mặt trong của

kênh Ví dụ, kênh Na+ có kích thước 0,3 x

0,5nm, mặt trong tích điện âm Điện tích

âm ở mặt trong sẽ kéo ion Na từ dịch ngoại

bào vào dịch nội bào khi cánh cổng kênh

mở ra Như vậy kênh Na+ chỉ cho Na+ đi

qua Tương tự, kênh K+ chỉ cho K+ đi qua

Kênh K+ có kích thước nhỏ hơn kênh natri

(0,3 x 0,3 nm), mặt trong kênh không tích

điện âm, vì vậy không có lực hấp dẫn để

kéo các ion dương đi vào kênh và các ion

cũng không bị tách khỏi các phân tử nước

đã kết hợp với chúng Dạng ngậm nước của

Hình 2.3 Khuếch tán đơn thuần qua màng tế bào

Hình 2.4 Ion khuếch tán qua kênh

ion K+ có đường kính nhỏ hơn dạng ngậm nước của ion Na+, do đó chúng có thể đi quan kênh K+này

Cổng kênh protein (gate) hoạt động đóng mở giúp cho sự kiểm soát tính thấm của các kênh Cổng có thể khép cánh đóng hoặc đẩy cánh mở ra, đóng hay mở là do biến đổi hình dạng phân tử protein Sự đóng mở kênh được kiếm soát bằng 2 cơ chế:

- Đóng mở do điện thế (voltage gating): sự thay đổi hình dáng phân tử protein của cổng phụ thuộc vào điện thế màng Điện tích âm trong màng làm cổng Na+ đóng chặt Khi mặt trong màng tế bào mất điện tích âm thì kênh Na+ mở ra, cho phép một lượng lớn ion Na+ đi qua kênh đi vào trong tế bào Đó là nguyên nhân chính gây ra điện thế hoạt động ở dây thần kinh khi có xung điện động xuất hiện Cổng của kênh K+ cũng mở khi mặt trong màng trở thành điện tích dương, nhưng đáp ứng của cổng này chậm hơn nhiều so với các cổng Na+

- Đóng mở do phối tử (ligand-gating): đóng mở do có hay không có sự kết hợp của phối tử Sự gắn kết này làm thay đổi hình dạng của phân tử protein và làm đóng hoặc mở cổng Ví dụ, phân tử acetylcholine gắn vào kênh, làm cổng kênh mở ra, cho phép các phân tử và ion dương

có kích thước nhỏ của kênh đi qua Cổng này có vai trò quan trọng trong sự dẫn truyền xung động thần kinh qua synapse

Quá trình khuếch tán được thuận hóa phụ thuộc vào chất mang bởi vì chính chất mang là điều kiện cho sự di chuyển của phân tử vận chuyển Chính vì thế, khuếch tán được thuận hóa có tốc độ khuếch tán nhanh hơn so với khuếch tán đơn thuần Tuy nhiên, ở nồng độ cao, chất mang bị bảo hòa

và sự khuếch tán tăng cường này dừng lại, trong khi sự khuếch tán đơn thuần vẫn tiếp tục diễn ra cho đến khi đạt được cân bằng Một ví dụ tốt cho sự khuếch tán tăng cường là quá trình vận chuyển glucose vào cơ vân và tế bào mô mỡ bởi chất mang GLUT4 Sự vận chuyển glucose có thể diễn ra khi nồng độ glucose trong máu cao hơn dịch nội bào và chất mang không bị bảo hòa Những phân tử đường đơn như D-galactose, 3-O-methy glucose hay phlorizin có khả năng ức chế sự vận chuyển glucose bởi bị chúng cũng kết hợp với các vị trí vận chuyển của GLUT4

a b c

Hình 2.5 Sự khuếch tán thụ động qua kênh protein trên màng tế bào

Hình 2.5.a mô tả sự vận chuyển của ion qua màng tế bào, trong đó, nồng độ ion bên ngoài cao hơn so với bên trong tế bào, ion di chuyển qua kênh theo chiều nồng độ Ngược lại, ở hình 2.5.b do nồng độ ion bên trong cao hơn, ion di chuyển qua kênh trên màng theo chiều nồng độ từ trong ra ngoài tế bào Như vậy, sự khuếch thụ động qua kênh diễn ra theo cả hai chiều cho tới khi đạt sự cân bằng Trong khi đó, các chất mang hay protein đặc hiệu trên màng có cấu trúc đặc hiệu để vận chuyển chất mà chúng vận chuyển, trong trường hợp ở hình 2.5.c, nồng độ chất tan bên ngoài cao hơn bên trong tế bào, các phân tử liên kết với các chất mang làm cho hình dạng của chất mang bị biến đổi cho phép phân tử chất tan di chuyển vào bên trong tế bào Cũng chính bởi vì chất mang chỉ biến đổi khi

có phân tử phối tử kết hợp thì chúng mới vận chuyển vào bên trong tế bào nên quá trình vận chuyển qua cổng kênh kiểu này thường chậm hơn và có chọn lọc hơn

25

2.2 Vận chuyển chủ động (active transport)

Vận chuyển chủ động qua màng là

hình thức mà một hay nhiều phân tử chất

tan được vận chuyển ngược chiều nồng

độ hay điện thế (uphill) Hay nói cách

khác, phân tử chất tan được vận chuyển

từ nơi có nồng độ (hoặc điện thế) thấp

sang nơi có nồng độ hoặc điện thế cao

hơn Quá trình vận chuyển ngược chiều

này đòi hỏi phải được cung cấp năng

lượng thông qua phân tử ATP Trong quá

trình này, ATP bị thủy phân thành ADP

(adenosine diphosphate) và một phân tử

phosphate vô cơ (inorganic phosphate)

cùng một lượng năng lượng từ liên kết

cao năng giữa liên kết phosphate trong

năng lượng từ việc phân giải ATP hoặc

một số chất phosphate giàu năng lượng

như creatin phosphate

Khi phân tử phosphate được giải

phóng, chúng được chuyển đến kênh

protein vận chuyển, bắt đầu quá trình

phosphoryl hóa và phản phosphoryl hóa

Ba ví dụ cơ bản nhất cho quá trình vận

chuyển sơ cấp sử dụng trực tiếp năng

lượng ATP này là quá trình vận chuyển

vật chất của bơm NaK hiện diện ở tất cả

các loại tế bào; hoạt động của bơm vận chuyển Ca2+, Ca2+-ATPase, hiện diện ở mạng lưới nội chất của tế bào; và hoạt động của H+-K+-ATPase ở tế bào thành của dạ dày

Vận chuyển tích cực thứ phát

Vận chuyển chủ động thứ phát là quá trình vận chuyển vật chất qua màng có sự kết hợp của nhiều chất tan gọi là đồng vận chuyển Một trong số các chất tan, thường là Na+, di chuyển theo chiều nồng độ - điện thế (downhill), trong khi chất tan còn lại di chuyển ngược chiều nồng độ điện thế (uphill) Sự di chuyển downhill của Na+ cung cấp năng lượng cho quá trình di chuyển uphill của chất tan kia Vì thế, trong hoạt động trao đổi năng lượng, ATP đã không được sử dụng trực tiếp cho quá trình vận chuyển chất tan, mà nó được sử dụng gián tiếp thông qua quá trình vận chuyển Na+ Quá

Hình 2.6 Cơ chế hoạt động của bơm NaK

trình như thế gọi là đồng vận chuyển tích cực thứ phát cùng chiều (cotransport hoặc symport) Ức chế hoạt động của bơm NaK (ví dụ như bị trúng độc ouabain) sẽ làm giảm sự vận chuyển Na+ ra ngoài, từ đó, làm giảm bớt sự chênh lệch nồng độ Na+ hai bên màng tế bào Đi kèm với nó là hàng loạt các chất khác đồng vận chuyển với Na+ cùng bị ức chế theo

Hình 2.7 Đồng vận chuyển cùng chiều Na+- Glucose ở tế bào biểu mô ruột non và đồng vận

chuyển nghịch chiều Na+- Ca2+ ở tế bào cơ

Một phương thức vận chuyển khác của vận chuyển chủ động thứ phát là đồng vận chuyển nghịch chiều (countertransport, antiport hay exchange) Tương tự như đồng vận chuyển cùng chiều,

để tạo ra được sự chênh lệch về nồng độ giữa bên trong và bên ngoài màng, cần có hoạt động của bơm NaK Sự huy động Na+ ra ngoài làm giảm nồng độ Na+ bên trong màng Sự suy giảm này dẫn đến sự khuếch tán Na+ vào và làm phóng thích Ca2+ ra ngoài

2.3 Thẩm thấu

Thấm thấu là dòng di chuyển của nước qua một màng bán thấm do sự chênh lệch về nồng độ chất tan Sự khác biệt về nồng độ chất tan dẫn đến sự khác biệt về áp suất thẩm thấu, từ đó hình thành nên dòng di chuyển của nước Sự tăng lên của nước phía dung dịch có nồng độ chất tan cao hơn hình thành nên một áp suất

Hình 2.8 Áp suất thẩm thấu và cơ chế cân bằng áp suất thẩm thấu

2.4 Hiện tượng nhập bào, tiêu hóa chất và xuất bào

Nhập bào (Endocytosis)

Là hiện tượng vật chất được thu nhận vào bên trong tế bào Có hai phương thức nhập bào là ẩm bào và thực bào

27

Ẩm bào (pinocytosis) là tế bào thu

nhập dịch lỏng và các sản phẩm có kích

thước nhỏ Ẩm bào xảy ra liên tục ở màng

của hầu hết các tế bào và hiện tượng này

xảy ra nhanh ở một số tế bào như đại thực

bào

Thực bào (phagocytosis) là hiện

tượng tế bào thu nhận các sản phẩm như

vi khuẩn, mô chết, các bạch cầu đa

nhân,… hay các chất có kích thước lớn

Nếu như hầu hết các tế bào bên trong cơ

thể có khả năng ẩm bào thì chỉ có một số

tế bào nhất định, như tế bào bạch cầu, thì

mới có khả năng thực bào Có hai phương

thức thực bào phổ biến là thực bào trực

tiếp thông qua sự lõm vào của màng tế bào

từ đó tạo túi tiêu thể và nhập bào gián tiếp

thông qua các thụ thể trên màng

Tiêu hóa các chất nhập bào

Các túi thực bào sau khi được hình

thành thì di chuyển vào tế bào chất, hòa

màng và hợp nhất với lysosome

Lysosome chứa enzyme tiêu hóa có khả

năng thủy phân (hydrolase) và phân hủy

các chất trong túi Các sản phẩm được tiêu

hóa như amino acid, acid béo, glucose, các

ion,… khuếch tán qua màng túi thực bào

và bào tương, còn các chất cặn bã thì ở lại

trong túi thực bào

Xuất bào

Quá trình giải phóng các chất ra

khỏi tế bào gọi là xuất bào (exocytosis)

Các không bào tiêu hóa hay các túi tiết

được vận chuyển đến màng tế bào, hòa

màng và giải phóng các chất ra khỏi tế

bào Quá trình xuất bào cần được cung cấp

calci và cũng cần năng lượng

3 SINH LÝ MÀNG TẾ BÀO

Màng tế bào là một màng thấm chọn

lọc và khi chúng còn sống, sự thấm chọn

lọc của màng tế bào hình thành nên sự

chênh lệch về ion giữa bên trong và bên

ngoài màng, từ đó hình thành nên sự chênh

lệch về điện thế Hầu hết các loại tế bào

đều có điện thế ở hai bên màng Ngoài ra,

Trường hợp: kết quả xét nghiệm tổng quát hàng năm của một cậu bé 14 tuổi báo cáo rằng thường hay đi tiểu và khát nước Kết quả thử que thử cho thấy lượng đường trong nước tiểu cao Thử nghiệm sâu thì thấy cậu

bé bị tiểu đường tuýp I Cậu bé được điều trị bằng cách tiêm insulin và kết quả đo đường bằng que sau đó trở về bình thường

Mô tả: mặc dù tiểu đường tuýp I là một bệnh phức tạp, thảo luận này chỉ đề cập đến triệu chứng đi tiểu nhiều và đường trong nước tiểu cao Glucose trong máu được lọc qua quản cầu thận, tuy nhiên chúng sẽ được tái hấp thu bởi các tế bào biểu mô ở ống lượn gần, vì thế, glucose thường không có trong nước tiểu Và cũng chính vì như vậy, thông thường que thử glucose trong nước tiểu thường âm tính Nếu

tế bào biểu mô lót thành ống lượn gần không hấp thu toàn bộ glucose có trong nước tiểu

sơ khởi thì sẽ có sự hiện diện của glucose trong nước tiểu Cơ chế tái hấp thu glucose ở ống lượn gần là quá trình đồng vận chuyện

Na+-glucose, và bởi vì quá trình này được thực hiện bởi các protein mang nên một khi các kênh protein bị lấp đầy toàn bộ là glucose (kênh protein bị bảo hòa) thì sự tái hấp thu đường sẽ không diễn ra nữa

Người bệnh nhân này bị tiểu đường tuýp I, hormone insulin do tế bào  của tuyến tụy không được cung cấp đủ nhu cầu Insulin cần thiết cho hoạt động tái hấp thu glucose bình thường vào gan, mô cơ hay các tế bào khác Khi không có insulin, nồng độ glucose trong máu tăng vì glucose không được tế bào hấp thu, vì thế, có nhiều glucose hơn trong nước tiểu sơ khởi, vượt ngoài khả năng tái hấp thu của tế bào biểu mô ống lượn gần

Điều trị: có thể điều trị bệnh nhân tiểu đường tuyp I thông qua việc tiêm insulin ngoại sinh

Sự hiện diện đủ lượng insulin do tế bào  tiết

ra hoặc cung cấp đủ insulin ngoại sinh sẽ làm giảm được đường trong máu thông qua việc thúc đẩy sự hấp thu glucose vào trong tế bào Khi đó, lượng glucose trong nước tiểu sơ khởi không còn cao nữa, thận có khả năng hấp thu gần như toàn bộ glucose vì các kênh protein không bị bảo hòa Một điểm đáng lưu

ý là sự làm dụng insulin ngoại sinh trong điều trị bệnh tiểu đường sẽ làm suy giảm khả năng hoạt động của tụy nội tiết

Liên hệ thực tế: Tiểu đường

tế bào thần kinh và tế bào cơ là hai tế bào có tính hưng phấn (excitability) cao, tức có khả năng phát sinh những xung động điện – hóa trên màng, những xung động này có thể di chuyển dọc theo màng Một số tế bào khác như tế bào bạch cầu, tế bào tuyến, tế bào có lông,… lại có những phản ứng khác khi có sự thay đổi điện màng

3.1 Cơ sở vật lý của điện màng

Điện thế khuếch tán (diffusion potential)

Điện thế khuếch tán, tính bằng đơn vị milivol (mV), là điện thế màng hình thành do sự khuếch tán của ion qua màng

Ở trạng thái bình thường, dịch nội bào có nồng độ K+ rất cao (khoảng 120mEq/L) trong khi K+trong dịch ngoại bào là rất thấp (4mEq/L) K+ có xu hướng bị khuếch tán ra ngoài, Kênh K trên màng

tế bào có xác suất mở nhất định, khi K+ vốn mang điện tích dương khi khuếch tán ra ngoài sẽ để lại các ion với điện tích âm bên trong Sự phân ly các điện tích làm hình thành nên một hiệu điện thế kéo các ion K+ trở lại Ở tế bào thần kinh của động vật có vú, điện thế -90 mV bên trong màng đủ để ngăn không cho K+ đi ra bên ngoài Như vậy, sự khuếch tán của các ion, mà chủ yếu là K+ đã phát sinh ra điện thế khuếch tán Vậy, điện thế khuếch tán là điện thế màng được tạo ra do sự khuếch tán của ion qua màng

Phương trình Nernst – tương quan giữa điện thế khuếch tán và hiệu nồng độ ion Điện thế Nernst hay gọi là điện thế khuếch tán đối với một loại ion nào đó là điện thế màng được tạo ra do sự khuếch tán của ion đó qua màng Điện thế này ở hai bên màng cũng vừa vặn ngăn cản sự khuếch tán của các ion qua màng gọi là điện thế Nernst đối với ion đó

Giá trị của điện thế Nernst phụ thuộc vào tỉ lệ giữa nồng độ ion hai bên màng, tỉ lệ nồng độ càng lớn thì xu hướng khuếch tán càng mạnh, và vì thế điện thế Nernst càng cao Mối tương quan đó thể hiện bằng phương trình:

𝐸 =−2,3 𝑅 𝑇

𝐶𝐶Trong đó, E (lực điện động – Equilibrium potential, mV); , là một hằng số có giá trị là 60

mV ở 37 oC; z là hóa trị của ion (Na+ là +1, Ca 2+ là +2, Cl- là -1); Ci là nồng độ của ion đang xét ở bên trong tế bào; Ce là nồng độ của ion đang xét ở bên ngoài tế bào

Với phương trình Nernst cùng với nồng độ ion đo được ở bên trong và ngoài màng, giá trị lực điện động đo được ở như sau:

𝐸 = +65 mV

𝐸 = +120 mV

𝐸 = -85 mV

𝐸 = -90 mV 3.2 Điện thế nghỉ

Khái niệm

Điện thế nghỉ của màng tế bào (resting membrane potential) là điện thế hình thành do sự chênh lệch về điện giữa hai bên màng tế bào, ví dụ như tế bào cơ hay tế bào thần kinh, đo được trong khoảng

Bài tập ví dụ

Đề bài: nồng độ ion Ca2+ nội bào là là 10-7

mol/L và ngoại bào là 2×10-3 mol/L Lực điện

động của Ca2+ là bao nhiêu biết rằng 2,3 RT/F

= 60 mV ở nhiệt độ cơ thể

. =+129mV

29

giữa hai lần xung động (hay lúc tế bào ở trạng thái nghỉ) Ở trạng thái nghỉ, mặt trong của màng có trị số âm hơn so với mặt ngoài Trị số điện thế nghỉ của màng tế bào có thể khác nhau, tùy thuộc vào loại tế bào Ở thân neuron, giá trị điện thế nghỉ là -65mV, trong khi đó, ở sợi thần kinh lớn và sợi cơ vân là -90mV

Cơ sở của điện thế nghỉ

Mỗi một hạt phân tử ion có xu hướng di chuyển theo lực điện động của chúng Ion có tính thấm hay độ rò rỉ cao lúc nghỉ ngơi sẽ góp phần nhiều hơn cho sự hình thành điện thế màng, trong khi các ion có tính thấm kém sẽ đóng vai trò rất ít hoặc gần như không có vai trò trong việc hình thành nên điện thế màng

Điện thế nghỉ của màng thông thường có giá trị tương đương -70 ~ -80 mV Giá trị có được là

do sự tương tác giữa các ion bên trong và bên ngoài màng Ở trạng thái nghỉ, điện màng có giá trị tương đương với lực điện động của ion K+ và Cl- vì tính thấm của hai ion này rất cao lúc nghỉ, và ngược lại đối với trường hợp của ion Na+ và Ca2+

Giá trị của điện màng được tính toán theo phương trình Goldman, trong đó, phương trình thể hiện mối quan hệ của lực điện động của các ion với tính thấm (hay độ rò rỉ) của ion đó so với tổng tính thấm

Trong đó, Em là điện màng (membrane potential, mV), g là độ rò rỉ hay tính thấm

Điện thế nghỉ không chỉ được hình thành do sự rò rỉ chủ yếu của ion K+, ion có tính thấm cao hơn gấp 100 lần so với tính thấm của ion Na+ lúc nghỉ ngơi, điện thế màng còn được hình thành và duy trì bởi hoạt động của bơm NaK Với hoạt động của bơm này, mỗi lần tiêu tốn 1 ATP sẽ có 3 ion

Na+ bị đẩy ra ngoài, thay vào là 2 ion K+, như vậy là có sự liên tục mất điện tích dương ra ngoài màng

và tạo thêm một điện thế âm bên trong màng Ngoài những nguyên nhân trên, ion âm có kích thước lớn bên trong tế bào không có khả năng đi xuyên qua màng cũng góp phần làm cho điện thế bên trong màng âm hơn so với bên ngoài

3.3 Điện thế hoạt động

Khái niệm

Điện thế hoạt động (action potential) là hiện tượng sinh lý của các tế bào dễ hưng phấn như tế bào cơ hay tế bào thần kinh Điện thế hoạt động bắt đầu bằng một sự khử cực thật nhanh màng tế bào, theo sau đó là quá trình tái phân cực của màng tế bào Điện thế hoạt động là cơ chế cơ bản của quá trình dẫn truyền thông tin của hệ thần kinh và tất cả các tế bào cơ

Cơ sở của sự phát sinh điện thế động

Khi bị kích thích, có một khoảng thời gian ngắn tế bào không có sự thay đổi về điện thế, gọi là thời gian tiềm tàng, tương ứng với thời gian xung đi dọc sợi trục từ điểm kích thích đến điện cực ghi Sau thời gian tiềm tàng, sự thay đổi điện thế của tế bào xảy ra gồm một số giai đoạn như sau:

- Mất phân cực hay khử cực (depolarization) là quá trình làm màng tế bào ít âm hơn Bình thường

tế bào ở trạng thái nghỉ ngơi, điện thế màng mang chỉ số khoảng -70mV do bên trong âm hơn so với bên ngoài; nồng độ ion Na+ bên ngoài cao hơn bên trong, nồng độ K+ bên trong cao hơn bên ngoài

Do đó, ở trạng thái nghỉ ngơi, tế bào vừa có sự chênh lệch cả về nồng độ lẫn điện thế Khi tế bào bị kích thích và kích thích đủ ngưỡng, kênh Na+ mở do điện thế đáp ứng nhanh hơn, mở ra, làm cho ion