Vận chuyển các chất qua màng

Vận chuyển các chất qua các màng sinh học có thể được thực hiện nhờ 3 cơ chế khác nhau về mặt nguyên lí sau, phụ thuộc vào kích thước phân tử, mức độ kị nước các đặc điểm cấu trúc của chúng: 1. Khuyến tán đơn giản qua lớp lipid và ở một mức độ nào đó – qua vùng phân cực của màng. 2. Vận chuyển đặc hiệu với sự tham gia của các chất vận chuyển, loại vận chuyển này bao gồm cả các hệ thống trong đó những chất...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Vận chuyển các chất qua màng VẬN CHUYỂN QUA MÀNG MỞ ĐẦU Vận chuyển các chất qua các màng sinh học có thể được thực hiện nhờ 3 cơ chế khác nhau về mặt nguyên lí sau, phụ thuộc vào kích thước phân tử, mức độ kị nước các đặc điểm cấu trúc của chúng: 1. Khuyến tán đơn giản qua lớp lipid và ở một mức độ nào đó – qua vùng phân cực của màng. 2. Vận chuyển đặc hiệu với sự tham gia của các chất vận chuyển, loại vận chuyển này bao gồm cả các hệ thống trong đó những chất được vận chuyển phải trải qua một số biến đổi hóa học nhất định trong quá trình vận chuyển. 3. các cơ chế vận chuyển đồng hành với những biến đổi đáng kể trong kiến trúc của màng (dù là những biến đổi nhất thời), như sự ẩm bào và vận chuyển các biopolymer. Các định luật khuyếch tán Định luật 1 Fic Số lượng hạt của một chất (n) khuyếch tán dọc theo trục x qua 1 đơn vị diện tích (1/A) vuông góc với trục này trong 1 đơn vị thời gian bằng: (1/A).(dn/dt) = - D.(∂c/∂x) Trong đó A là diện tích bề mặt, D là hệ số khuyếch tán, c là nồng độ của chất khuyếch tán Khi nghiên cứu quá trình vận chuyển thì vế trái của phương trình trên được gọi là dòng (của chất khuyếch tán) và được kí hiệu bằng kí tự J. Như vậy, theo định luật 1 Fic thì dòng của một chất tỉ lệ thuận với hệ số khuyếch tán và gradient nồng độ của chất đó (∂c/∂x) tại một điểm đã cho trên trục x vào một thời điểm nhất định, dấu “−” trong công thức này vì dòng di chuyển các chất ngược chiều với hướng của gradient nồng độ các chất đó. định luật 2 Fic Tuy nhiên trong trường hợp đơn giản nhất định luật 1 Fic cũng chỉ đúng khi khuyếch tán qus một lớp mỏng chất lỏng phân cách 2 khoang chứa với các dung dịch không bị pha trộn. Khi mô tả quá trình khuyếch tán trên một khoảng cách lớn hơn, trong trường hợp đơn giản nhất cũng không áp dụng được định luật 1, vì quá trình có ít nhất 4 thông số, Trong trường hợp này phải chuyển phương trình mô tả định luật 1 sang dạng phương trình vi phân trong các đạo hàm riêng, sẽ được phương trình vi phân mô tả sự khuyếch tán trên một khoảng cách lớn hơn: (∂c/∂t) = D .(∂2c/∂x2) Đây chính là định luật 2 Fic. Theo định luật này, tốc độ biến đổi nồng độ tỉ lệ thuận với đạo hàm bậc 2 của nồng độ theo trục x. Phương trình Teorell Về mặt hiện tượng, định luật 1 Fic có thể được coi là trường hợp riêng của phương trình (công thức) khái quát của khuyếch tán (Teorell) đối với dòng chất: Dòng chất = độ di động × nồng độ × động lực toàn phần Khi khác ngoại lực thì hệ thống sẽ tiến tới trạng thái cân bằng. trong trạng thái này chất đó có thế năng hóa học như nhau tại mọi điểm trong dung dịch (vf dung dịch đồng nhất, không có sự khác biệt về nồng độ của chất hòa tan). Khi mô tả quá trình khuyếch tán động lực toàn phần của quá trình chính là thế năng hóa học μ, và định luật 1 có thể viết ở dạng: J = (1/A).(dn/dt) = - Uc.(∂µ/∂x) Trong đó U độ di động của chất khuyếch tán, c là nồng độ của nó . Thế năng hóa học của các phân tử trong dung dịch loãng lí tưởng là: μ = μo + RT lnc Từ đó dễ thấy hệ số khuyếch tán D = RTU Hệ số khuyếch tán của các chất có phân tử lượng thấp khoảng 10-5 cm2/s (của nước là 2,5⋅10-5 cm2/s và của sacaroza là 0,5⋅10-5 cm2/s). Bởi vì trong quá trình khuyếch tán nồng độ các chất biến đổi theo khoảng cách x và thời gian t, nên định luật 2 Fic phải viết ở dạng: ∂c(x, t)/∂t = D .[∂2(x, t)c/∂x2] từ đó có thể tính được bình phương của sự dich chuyển trung bình của các chất; x2 = (1/n) ∫c(x, t)x2dx Với tích phân xác định được tính theo thời gian từ −∞ đến +∞. Các tính toán cho kết quả sau: x2 = 2Dt Thay giá trị D = 10-5 cm2/s đối với đa số các phân tử có kích thước bé vào phương trình trên sẽ nhận được giá trị dịch chuyển trung bình của các phân tử này là 4,4 μm/s, hay 34,6 μm/min, 0,27 cm/h hoặc 1,31 cm/ngày đêm. Như vậy, khuyếch tán trên những khoảng cách nhỏ là một quá trình nhanh và khuyếch tán trên những khoảng cách lớn là một quá trình chậm. Sự khuyếch tán qua màng Khác với khuyếch tán trong thể tích là lĩnh vực áp dụng định luật 2 Fic (phương trình khuyếch tán trong các đạo hàm bậc 2), sự khuyếch tán các các chất qua màng có thể mô tả được bằng phương trình vi phân bình thường (định luật 1 Fic). Ở dạng chung hơn định luật 1 Fic cũng áp dụng được cho trường hợp khuyếch tán gián tiếp, tức là nhờ các chất vận chuyển trung gian. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã khẳng định tính đúng đắn của kết luận này. Trên thực tế dòng chất qua màng phụ thuộc vào bào độ thấm của màng đối với chất đó (P, P = D/l) và sự chênh lệch nồng độ của nó ở 2 phía của màng Δc, trong đó dx = l (l là độ dày của màng sinh học). Hệ số khuyếch tán thực tế phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của các hạt. Đối với các phân tử protein có công thức sau: DMr ...