Bài học

Cấu tạo hoá học và tính chất của xương

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được vì sao xương vừa cứng vừa dẻo dựa trên hai thành phần hoá học của nó, và dự đoán được xương thay đổi ra sao khi mất đi một trong hai thành phần đó.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã biết bộ xương gồm ba phần và đảm nhiệm nhiều chức năng, trong đó có chức năng nâng đỡ nhờ độ cứng chắc của xương (same-grade bridge). Bài này lý giải độ cứng chắc đó đến từ đâu, và vì sao xương không giòn tan như một viên phấn dù cũng chứa nhiều canxi.

Khởi động

Một viên phấn viết bảng và một chiếc xương gà đều chứa nhiều canxi, nhưng viên phấn vỡ vụn ngay khi rơi xuống sàn, còn xương gà thường chỉ nứt hoặc gãy đôi chứ hiếm khi vỡ vụn thành nhiều mảnh. Điều gì tạo nên sự khác biệt đó?

Kiến thức trọng tâm

Xương là một loại mô liên kết đặc biệt, gồm hai thành phần hoá học chính gắn chặt với nhau. Thành phần thứ nhất là chất hữu cơ, còn gọi là cốt giao — chủ yếu là một loại protein tên collagen, tạo nên một mạng lưới sợi dẻo dai bên trong xương. Thành phần thứ hai là chất khoáng, chủ yếu là các muối canxi như canxi phosphat và canxi carbonat, lắng đọng dày đặc trong mạng lưới cốt giao đó, tạo nên độ cứng chắc. Hai thành phần này không tách rời mà đan xen vào nhau: cốt giao một mình sẽ dẻo nhưng không đủ cứng để chống đỡ cơ thể, còn chất khoáng một mình sẽ cứng nhưng giòn, dễ vỡ vụn như viên phấn ở phần khởi động.

Có thể kiểm chứng vai trò của từng thành phần bằng một thí nghiệm đơn giản. Nếu ngâm một mẩu xương (ví dụ xương đùi gà) vào dung dịch axit clohiđric loãng trong vài giờ, chất khoáng trong xương sẽ tan dần vào dung dịch axit, chỉ còn lại phần cốt giao. Lúc này mẩu xương trở nên mềm và dẻo hẳn, có thể uốn cong, thậm chí thắt thành nút mà không gãy — đúng như tính chất riêng của cốt giao. Ngược lại, nếu đốt một mẩu xương khác trên ngọn lửa, phần cốt giao (chất hữu cơ) sẽ cháy hết, bốc khói và có mùi khét, chỉ còn lại phần chất khoáng. Mẩu xương sau khi đốt vẫn giữ nguyên hình dạng nhưng trở nên rất giòn, chỉ cần bóp nhẹ là vỡ vụn.

Theo số liệu sách giáo khoa, ở người trưởng thành chất hữu cơ (cốt giao) chiếm khoảng một phần ba, chất khoáng chiếm khoảng hai phần ba khối lượng xương khô — đây là tỉ lệ trung bình, không phải con số tuyệt đối cho mọi xương.

Tỉ lệ giữa hai thành phần này không cố định suốt đời mà thay đổi dần theo tuổi. Ở trẻ em, tỉ lệ cốt giao trong xương cao hơn so với người trưởng thành, khiến xương trẻ em dẻo hơn — khi ngã, xương dễ bị uốn cong hoặc chỉ nứt một phần hơn là vỡ vụn hẳn. Càng lớn tuổi, tỉ lệ chất khoáng trong xương có xu hướng tăng lên trong khi tỉ lệ cốt giao giảm dần, khiến xương người cao tuổi giòn hơn, kém đàn hồi hơn, và dễ gãy hơn nhiều dù chỉ va chạm nhẹ — đây cũng là một phần lý do vì sao người già cần đặc biệt cẩn trọng khi vận động.

Ví dụ

Giải thích thí nghiệm ngâm xương trong axit

1
Một mẩu xương sau khi ngâm trong dung dịch axit clohiđric loãng khoảng một ngày trở nên mềm, có thể uốn cong dễ dàng mà không gãy. Hãy giải thích hiện tượng này.
2
Axit clohiđric loãng hoà tan các muối canxi — tức là chất khoáng — trong xương, khiến chất khoáng bị rút dần ra khỏi mẩu xương.
3
Sau khi chất khoáng tan hết, thành phần còn sót lại trong mẩu xương chủ yếu là cốt giao (chất hữu cơ), vốn có bản chất là một mạng sợi protein dẻo dai.
4
Cốt giao vốn dẻo và có khả năng uốn cong, đúng như tính chất mà mẩu xương thể hiện sau thí nghiệm — mềm, dẻo, uốn cong được mà không gãy.
5
Vậy mẩu xương trở nên mềm dẻo vì đã mất đi chất khoáng, chỉ còn lại phần cốt giao vốn có tính dẻo dai.

Ví dụ

Xác định thí nghiệm từ tính chất quan sát được (dạng đề kiểm tra)

1
Hai mẩu xương A và B được xử lí theo hai cách khác nhau (một mẩu ngâm axit, một mẩu đem đốt), sau đó thử uốn cong. Mẩu A rất giòn, vỡ vụn ngay khi bóp nhẹ. Mẩu B mềm, uốn cong được mà không gãy. Mẩu nào đã được đốt, mẩu nào đã được ngâm axit? Giải thích.
2
Xương giòn, dễ vỡ vụn là dấu hiệu của việc mất chất hữu cơ (cốt giao) — chỉ còn lại chất khoáng vốn cứng nhưng không đàn hồi. Chất hữu cơ chỉ mất đi khi bị đốt cháy, nên mẩu A là mẩu đã được đốt.
3
Xương mềm, uốn cong được là dấu hiệu của việc mất chất khoáng — chỉ còn lại cốt giao vốn dẻo dai. Chất khoáng chỉ tan ra khi ngâm trong axit, nên mẩu B là mẩu đã được ngâm axit.
4
Hai kết quả này khớp với nhau: đốt làm mất chất hữu cơ (mẩu giòn = mẩu đốt), ngâm axit làm mất chất khoáng (mẩu dẻo = mẩu axit) — không có mâu thuẫn nào giữa cách xử lí và tính chất quan sát được.
5
Vậy mẩu A đã được đốt (mất chất hữu cơ, còn lại chất khoáng giòn), mẩu B đã được ngâm axit (mất chất khoáng, còn lại cốt giao dẻo).

Sai lầm thường gặp

Một nhầm lẫn phổ biến là nghĩ xương càng nhiều canxi thì càng tốt, càng chắc chắn. Thực ra xương chắc chắn và dẻo dai đúng mức cần CẢ HAI thành phần cân đối — quá nhiều chất khoáng mà thiếu cốt giao (như xương người già) khiến xương giòn, dễ gãy chứ không hề 'chắc' theo nghĩa khó gãy.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Xương gồm hai thành phần chính: chất khoáng (chủ yếu muối canxi, tạo độ cứng) và chất hữu cơ — cốt giao (chủ yếu collagen, tạo độ dẻo). Ở người trưởng thành, chất khoáng chiếm khoảng hai phần ba, cốt giao khoảng một phần ba khối lượng xương khô. Tỉ lệ cốt giao giảm dần theo tuổi khiến xương người già giòn và dễ gãy hơn.

Xương chỉ phát huy hết vai trò nâng đỡ và vận động khi được nối với nhau đúng cách — bài tiếp theo học về các khớp xương, nơi hai hay nhiều xương gặp nhau.