Bài học

Ôn tập: Vận chuyển qua màng sinh chất

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em áp dụng lại đúng chuỗi quyết định để phân loại bất kỳ tình huống vận chuyển qua màng sinh chất nào vào một trong năm cơ chế đã học: khuếch tán đơn giản, khuếch tán tăng cường, thẩm thấu, vận chuyển chủ động, hoặc nhập bào — xuất bào.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài này không dạy khái niệm mới. Nó gom lại toàn bộ nội dung đã học ở khóa Trao đổi chất qua màng sinh chất (same-grade bridge): khuếch tán và khuếch tán tăng cường, cơ chế thẩm thấu, tế bào trong các loại môi trường, vận chuyển chủ động, nhập bào và xuất bào — dựa trên chính lớp phospholipid kép với protein khảm động vừa ôn ở Chương 2.

Khởi động

Glucose và oxygen đều đi vào tế bào từ nơi nồng độ cao đến nơi nồng độ thấp, cùng chiều gradient — nhưng một chất cần protein kênh hỗ trợ, chất kia thì không. Vì sao cùng chiều gradient mà cách qua màng lại khác nhau?

Kiến thức trọng tâm

Toàn bộ chủ đề vận chuyển qua màng quy về một chuỗi câu hỏi liên tiếp. Trước tiên: đối tượng là một khối vật chất lớn (vi khuẩn, mảnh tế bào, giọt dịch) hay một phân tử/ion đơn lẻ? Khối lớn luôn đi bằng nhập bào (đưa vào — thực bào cho vật rắn, ẩm bào cho giọt lỏng) hoặc xuất bào (đưa ra), cả hai đều tiêu tốn ATP vì tế bào phải biến dạng cả một vùng màng.

Với một phân tử/ion đơn lẻ, hỏi tiếp: xuôi hay ngược chiều gradient nồng độ của chính chất đó? Xuôi gradient là vận chuyển thụ động, không cần ATP — hỏi thêm liệu có cần protein hỗ trợ: phân tử nhỏ, không phân cực (oxygen, carbon dioxide) lọt thẳng qua lớp lipid bằng khuếch tán đơn giản; phân tử phân cực hoặc tích điện (glucose, ion) cần protein kênh hoặc protein mang, gọi là khuếch tán tăng cường; riêng nước dùng kênh aquaporin, gọi tên riêng là thẩm thấu — luôn di chuyển từ nơi nồng độ chất tan thấp sang nơi nồng độ chất tan cao. Ngược chiều gradient bắt buộc là vận chuyển chủ động: cần một bơm protein đặc hiệu và năng lượng ATP, ví dụ bơm natri-kali hay hấp thụ khoáng ở rễ cây.

Ba loại môi trường xác định theo nồng độ chất tan so với bên trong tế bào: ưu trương (ngoài cao hơn, nước ra khỏi tế bào), nhược trương (ngoài thấp hơn, nước vào tế bào), đẳng trương (bằng nhau). Hồng cầu không có thành nên co lại ở môi trường ưu trương, phồng và có thể vỡ ở môi trường nhược trương; tế bào thực vật có thành cellulose nên chỉ co nguyên sinh (màng tách khỏi thành) ở môi trường ưu trương chứ không vỡ, và trương nước ở môi trường nhược trương mà không vỡ vì thành cản lại.

Nhập bào và xuất bào đáng nói kỹ hơn vì đây là cách duy nhất một khối vật chất lớn qua được màng. Nhập bào chia thành hai hình thức theo đối tượng: thực bào nuốt trọn một hạt rắn — một vi khuẩn xâm nhập, một mảnh tế bào chết — đặc trưng ở tế bào bạch cầu làm nhiệm vụ miễn dịch; ẩm bào hớp một giọt dịch lỏng chứa các phân tử hoà tan, không phân biệt loại phân tử cụ thể. Xuất bào là chiều ngược lại: túi màng chứa sẵn vật chất bên trong tế bào di chuyển tới sát màng sinh chất, hợp nhất với màng, giải phóng toàn bộ nội dung ra ngoài — con đường chính để tế bào tiết hormone, enzyme tiêu hoá, hay chất dẫn truyền thần kinh, đúng bước cuối của con đường sáu bước tiết protein đã ôn ở Chương 2. Cả nhập bào lẫn xuất bào đều tiêu tốn ATP, vì tế bào phải chủ động làm biến dạng cả một vùng màng lớn và di chuyển túi màng bằng khung xương tế bào — hai chi tiết này giải thích vì sao cả hai luôn xếp cùng nhóm với vận chuyển chủ động về mặt năng lượng, dù đối tượng vận chuyển khác hẳn nhau về kích thước. Toàn bộ năm cơ chế trong chương này chỉ khác nhau ở ba biến số: kích thước đối tượng, chiều gradient, và nhu cầu ATP — nắm chắc ba biến số đó là nắm chắc cả chương.

Phép thử duy nhất: chiều gradient nồng độ, và có tiêu tốn ATP hay không.

Ví dụ

Phân loại bốn tình huống vận chuyển qua màng

1
Phân loại từng tình huống sau vào đúng cơ chế vận chuyển: (a) oxygen khuếch tán từ phế nang vào máu; (b) glucose đi vào tế bào ruột nhờ một protein mang, cùng chiều gradient; (c) ion natri được bơm ra khỏi tế bào thần kinh, ngược chiều gradient; (d) một bạch cầu nuốt trọn một vi khuẩn xâm nhập.
2
(a) Oxygen là phân tử nhỏ, không phân cực, xuôi gradient, không cần protein → khuếch tán đơn giản. (b) Glucose là phân tử phân cực, xuôi gradient nhưng cần protein mang → khuếch tán tăng cường. (1)
3
(c) Ion natri di chuyển ngược chiều gradient nồng độ → bắt buộc là vận chuyển chủ động, cần bơm protein và ATP. (d) Vi khuẩn là một khối vật chất lớn, không phải phân tử đơn lẻ → nhập bào, cụ thể là thực bào. (2)
4
Từ (1) và (2): (a) khuếch tán đơn giản, (b) khuếch tán tăng cường, (c) vận chuyển chủ động, (d) thực bào (một hình thức nhập bào).

Ví dụ

Hồng cầu và tế bào thực vật trong ba loại môi trường (dạng đề kiểm tra)

1
Đặt hồng cầu người và một tế bào thực vật vào cùng một dung dịch muối có nồng độ chất tan cao hơn hẳn bên trong hai loại tế bào. Dự đoán trạng thái của mỗi loại tế bào và giải thích vì sao hai kết quả khác nhau dù cùng một dung dịch.
2
Nồng độ chất tan bên ngoài cao hơn bên trong tế bào — đây là môi trường ưu trương so với cả hai loại tế bào. Theo quy tắc thẩm thấu, nước sẽ di chuyển từ trong tế bào ra ngoài ở cả hai trường hợp. (1)
3
Từ (1), hồng cầu chỉ có một lớp màng sinh chất mỏng, không có cấu trúc nào chống đỡ từ bên ngoài, nên mất nước và co lại.
4
Từ (1), tế bào thực vật cũng mất nước, nhưng có thêm thành tế bào cellulose cứng bên ngoài màng sinh chất; màng co lại và tách rời khỏi thành — hiện tượng co nguyên sinh — trong khi thành vẫn giữ nguyên hình dạng tế bào.
5
Vậy trong cùng một môi trường ưu trương: hồng cầu co lại (có thể biến dạng nghiêm trọng vì không có gì chống đỡ), còn tế bào thực vật chỉ co nguyên sinh mà không đổi hình dạng tổng thể, vì thành tế bào cellulose giữ vững khung ngoài.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến nhất là cho rằng cứ cần protein là vận chuyển chủ động — sai: khuếch tán tăng cường cũng cần protein (kênh hoặc protein mang) nhưng vẫn xuôi gradient và không cần ATP, nên vẫn là vận chuyển thụ động. Phép thử đúng luôn là chiều gradient trước, protein chỉ là chi tiết phụ.

Bài tiếp theo dùng chính ATP vừa nhắc tới ở vận chuyển chủ động làm trung tâm, ôn lại cấu trúc và chu trình của ATP cùng cơ chế enzyme xúc tác cho hầu hết phản ứng trong tế bào.