Lý sinh học phần 4 doc

14
giảm lượng gốc tự do như các chất ức chế sự hình thành gốc tự do sẽ làm
giảm tốc độ phản ứng dây chuyền.
* Phản ứng dây chuyền nảy nhánh
Phản ứng dây chuyền nảy nhánh là phản ứng ở mỗi mạch của phản ứng
khi một gốc tự do tham gia vào phản ứng có thể tạo ra hai hay nhiều gốc
tự do mới. Phản ứng ôxy hóa hydro là một phản ứng dây chuyền nảy
nhánh:
H
2
+ O
2
→ H
o
+ H (tạo mạch)
o
2
O
H
o
+ O
2
→ OH
o
+ O
o
(nảy nhánh)
O
o
+ H
2

→ OH
o
+ H
o
(tiếp tục mạch phản ứng)
OH
o
+ H
2
→ H
2
O + H
o
(tiếp tục mạch phản ứng)

Gốc tự do H
o
tương tác với thành bình sẽ làm ngắt mạch phản ứng.
Một số trường hợp quá trình tạo trung tâm hoạt động có thể không phải do
các gốc tự do ban đầu trực tiếp gây nên mà do sản phẩm của phản ứng dây
chuyền tạo nên.
Ví dụ: R
o
+O
2
→ROO
o
ROO
o
+RH→ROOH+R

o
ROOH→RO
o
+OH
o
Độ tăng lượng gốc tự do ở phản ứng dây chuyền nảy nhánh được xác định
qua phương trình:

dt
dn
=w
o
+ϕ.n (2.40)
n: Nồng độ gốc tự do
w
o
: Tốc độ tạo trung tâm hoạt động.
ϕ=f-g, trong đó f là tốc độ nảy nhánh còn g là tốc độ đứt mạch.
Nếu f>g thì nồng độ gốc tự do sẽ được xác định theo công thức:

fg
w
n
o
−
=
(2.41)
Giải phương trình (2.40) sẽ thu được nghiệm:

(

)
1t
o
e
w
n
−ϕ
ϕ
=
(2.42)
Nếu tích số ϕ.t rất lớn hơn 1 thì nghiệm được tính theo công thức:

15

t
o
e
w
n
ϕ
ϕ
=
(2.43)
* Đặc điểm của phản ứng dây chuyền
Phản ứng dây chuyền có các đặc điểm sau:
- Phản ứng dây chuyền có thời gian tiềm ẩn. Trong thời gian này chủ yếu
tạo trung tâm hoạt động đầu tiên.
- Phản ứng dây chuyền có hai giới hạn nồng độ. Ở giới hạn nồng độ gốc tự
do thấp thì gốc tự do dễ tương tác với thành bình hay với phân tử chất ức
chế nên phản ứng không tiến triển được. Ở giới hạn nồng độ gốc tự do quá

cao thì các gốc tự do dễ tương tác với nhau gây ra hiện tượng đứt mạch
nên làm cho tốc độ phản ứng tiến triển chậm lại.
- Tốc độ phản ứng dây chuyền nảy nhánh không tuân theo định luật
Arrhenius. Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng dây chuyền nảy nhánh
tăng gấp bội so với định luật Arrenius.
Taruxop theo cơ chế của phản ứng dây chuyền nảy nhánh đã giải thích
sự tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống. Khi chiếu xạ, nếu xét về mặt
năng lượng thì có giá trị rất thấp nhưng lại gây ra hiệu ứng sinh học cao
(gọi là hiệu ứng nghịch lý năng lượng). Điều này được giải thích là do tia
bức xạ đã gây ra hiện tượng ion hóa, tạo ra các trung tâm hoạt động là
những gốc tự do và chính các gốc tự do đã gây ra phản ứng dây chuyền
nảy nhánh, dẫn tới hiệu ứng tổn thương ở sinh vật bị chiếu xạ. Taruxop
cũng cho rằng các chất có tác dụng hạn chế tổn thương do tia xạ gây ra
(gọi là các chất bảo vệ phóng xạ) là do nó ngăn chặn được phản ứng dây
chuyền nảy nhánh. Phản ứng miễn dịch ở người khi tiêm kháng nguyên,
sau thời gian ủ bệnh (thường từ 3 đến 21 ngày) kháng thể chưa xuất hiện
trong máu, sau đó là giai đoạn nồng độ kháng thể tăng theo hàm số mũ,
không tỷ lệ thuận với lượng kháng nguyên đưa vào cơ thể. Theo
E. Manuel, phản ứng tạo kháng thể diễn ra theo kiểu phản ứng dây chuyền
nảy nhánh. Ví dụ khi tiêm vaccine phòng bệnh bạch cầu, đưa vào cơ thể
người chỉ 0,36mg nhưng sau thời gian ủ bệnh, lượng kháng thể trong máu
đã suất hiện lớn gấp 1 triệu lần so với lượng kháng nguyên. E. Manuel
cũng cho rằng cơ thể khi bị nhiễm các độc tố như nọc độc của rắn, bò cạp,
iperit, rixin thì phản ứng tạo kháng thể xảy ra theo kiểu phản ứng dây
chuyền nảy nhánh.
XII. Nhiệt độ và tốc độ phản ứng
Theo lý thuyết động học của các quá trình hoá học thì tốc độ phản ứng
bao giờ cũng phụ thuộc vào nồng độ chất tham gia vào phản ứng và phụ
thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng cũng tăng. Ban

16
đầu được giải thích do tăng số lần va chạm của các nguyên tử hay phân tử
tham gia vào phản ứng hoá học. Trên cơ sở tính toán xác suất va chạm,
nếu va chạm nào giữa các nguyên tử hay phân tử cũng dẫn tới phản ứng
thì tốc độ phản ứng sẽ tăng lên từ 10
2
đến 10
6
lần so với tốc độ thực tế đo
được nếu ta tăng nhiệt độ trong khoảng từ 0
o
C đến 100
o
C. Từ đó các nhà
nghiên cứu cho rằng chỉ một phần trong số các va chạm đó mới có khả
năng tạo phản ứng hoá học. Phản ứng chỉ có thể xảy ra khi các nguyên tử
hay phân tử đạt được một giá trị năng lượng nhất định gọi là năng lượng
hoạt hóa. Năng lượng hoạt hóa là giá trị năng lượng nhỏ nhất mà nguyên
tử hay phân tử cần phải đạt được mới có thể tham gia vào phản ứng.
Các nhà nghiên cứu đã áp dụng hàm phân bố Maxwell - Boltzmann để
giải thích mối liên quan giữa tốc độ phản ứng và năng lượng hoạt hóa.
Maxwell - Boltzmann đã thiết lập được công thức :
N
*
=N.
RT
E
e
−
(2.44)

N
*
: Số phân tử đạt giá trị năng lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng hoạt
hóa.
N: Tổng số phân tử ban đầu trong một đơn vị thể tích.
E: Năng lượng hoạt hóa của phân tử và R là hằng số khí
T: Nhiệt độ tuyệt đối (nhiệt độ Kelvin)
Công thức (2.44) biểu diễn trên đồ thị (hình 2.4) gọi là hàm phân bố
Boltzmann. Đồ thị biểu diễn số phân tử N theo vận tốc v (E=
2
mv
2
).

T
1
< T
2
E
hh
E

N
0

a)

E
hh
E

N
0

b)







Hình 2.4: Sự phân bố của các phân tử theo năng lượng

Qua đồ thị (hình 2.4a) cho thấy chỉ có một số phân tử có năng lượng
bằng hoặc lớn hơn giá trị năng lượng hoạt hóa (E
h
) thì mới có khả năng
tham gia vào phản ứng. Khi nhiệt độ tăng lên (T
2
>T
1
) thì đường cong phân

17
bố Boltzmann dịch chuyển về phía bên phải, tức là số lượng phân tử có
E
≥E
h
tăng lên (phần gạch ngang hình 2.4b) vì vậy tốc độ phản ứng tăng

lên.
Nhiều phản ứng, nhất là các phản ứng hóa sinh, tuy có nồng độ, nhiệt độ
và năng lượng hoạt hóa giống nhau nhưng tốc độ phản ứng vẫn khác nhau.
Như vậy, không phải mọi va chạm giữa các nguyên tử hay phân tử có
năng lượng bằng hay lớn hơn năng lượng hoạt hóa đều dẫn tới phản ứng.
Điều này được giải thích do tốc độ phản ứng còn liên quan tới cấu trúc
hình học của các phân tử va chạm, gọi là yếu tố lập thể (ký hiệu là p).
XIII. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng hóa sinh vào nhiệt độ
Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ được mô tả qua phương
trình Arrenius.
K= p.z.
RT
E
h
e
−
(2.45)
K: Tốc độ phản ứng
p: Yếu tố lập thể
E
h
: Năng lượng hoạt hóa
z: Số lần va chạm
R: Hằng số khí bằng 1,987 KCal/M.độ
T: Nhiệt độ tuyệt đối
Phương trình Arrenius có thể viết dưới dạng logarit:
lnK = ln(p.z) -
RT
E
h

(2.46)
Đặt y = lnK ; x =
T
1
; a =
R
E
h
− ; b = ln(p.z)
Phương trình (2.46) có thể viết dưới dạng:
y = a.x + b (2.47)
Đây là phương trình bậc nhất, đồ thị của nó có dạng đường thẳng
(hình 2.5). Dựa vào đồ thị xác định được:
tg
α =
R
E
h
→ E
h
= R.tgα
Biết tg
α sẽ xác định được năng lượng hoạt hóa.



18

1/T
lnK
b
α

O


lnK
b
α

O

Hình 2.5: Sự phụ thuộc của lnK vào nhiệt độ
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
T

1

Năng lượng hoạt hóa là đại lượng để đánh giá khả năng tham gia vào phản
ứng của các chất. Để đánh giá sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt
độ, đại lượng đặc trưng cho sự tăng (hoặc giảm) tốc độ phản ứng khi tăng
(hoặc giảm) nhiệt độ là hệ số VantHoff (còn gọi là hệ số nhiệt phản ứng)
ký hiệu là Q
10
.
Q
10
=
1
2
K
K
(2.48)
K
2
: Tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T±10
K
1
: Tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T
Giữa năng lượng hoạt hóa và hệ số Q
10
có mối liên quan với nhau. Theo
phương trình Arrenius (2.45), thay K
2
=p.z.
2

h
T.R
E
e
−
và K
1
=pz.
1
h
T.R
E
e
−
vào
phương trình (2.48) ta được:
Q
10
=pz.
2
h
T.R
E
e
−
/ pz.
1
h
T.R
E

e
−

Q
10
=
1
h
T.R
E
e .
2
h
T.R
E
e
−
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
21
h
T

1
T
1
R
E
e
Q
10
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
21
12h
T.T
TT
R
E
e thay T
2
- T
1
= 10 ta được:

19
Q
10
=
21
h
T.RT
10.E
e → lnQ
10
=
21
h
T.RT
E10

E
h
= 0,1 RT
1
T
2
. lnQ
10
(2.49)
Thay R=1,987KCal/M.độ và đổi logarit cơ số e (ln) thành logarit cơ số 10
(lg) ta được:
E
h
=0,46 T

1
T
2
lg Q
10
(2.50)
Đơn vị tính năng lượng hoạt hóa là KCal/M.
Những phản ứng có bản chất khác nhau thường có năng lượng hoạt hóa
khác nhau và như vậy hệ số Q
10
cũng khác nhau. Các phản ứng hoá học
có năng lượng hoạt hóa khoảng vài chục KCal/M, thường có Q
10
bằng
2 đến 3. Năng lượng hoạt hóa của các phản ứng men khoảng từ 4 đến
12KCal/M, Q
10
thường nhỏ hơn 2. Quá trình khuyếch tán năng lượng hoạt
hóa thấp, Q
10
xấp xỉ bằng 1. Đặc trưng của phản ứng men là có năng
lượng hoạt hóa thấp nên các phân tử dễ dàng tham gia vào phản ứng.
Nguyên nhân là do các phân tử men có vai trò làm giảm năng lượng hoạt
hóa của các phân tử tham gia vào phản ứng khi men kết hợp với phân tử
tạo phức chất trung gian, làm cho quá trình phân hủy phức chất diễn ra
nhanh hơn. Ví dụ phản ứng phân hủy đường saccharose bởi axit có năng
lượng hoạt hóa bằng 25,6KCal/M nhưng nếu thủy phân đường saccharose
có sự xúc tác của men amilase thì năng lượng hoạt hóa giảm xuống còn
11 KCal/M.
Năng lượng hoạt hóa của đa số các quá trình diễn ra trong hệ sinh vật

thường có giá trị thuộc vào một trong ba giá trị là 8; 12; 18 KCal/M. Tuy
vậy, năng lượng hoạt hóa của các quá trình biến tính lại có năng lượng
hoạt hóa rất cao. Ví dụ như phản ứng đông tụ hemoglobin có năng lượng
hoạt hóa tới 60 KCal/M hay phản ứng tan huyết dưới tác dụng của nước
nóng có năng lượng hoạt hóa là 64 KCal/M v.v
Đối với các quá trình sinh vật, ngoài giá trị năng lượng hoạt hóa, hệ số
nhiệt Q
10
còn được đặc trưng bởi giá trị nhiệt độ thích ứng. Theo Klein,
nhiệt độ thích ứng là nhiệt độ quá trình xảy ra với tốc độ lớn nhất. Cần
phân biệt nhiệt độ thích ứng với khoảng nhiệt độ thích ứng. Khoảng nhiệt
độ thích ứng là khoảng nhiệt độ mà giá trị Q
10
có giá trị không đổi. Trong
hệ sinh vật, khoảng nhiệt độ thích ứng rộng hay hẹp là tùy thuộc vào loài.
Trong hệ sinh vật, động vật ổn nhiệt có nhiệt độ thích ứng khác nhau. Ví
dụ: người là 37
o
C, chó là 39,2
o
C, gà vịt là 42,5
o
C, bồ câu 44
o
C v.v
Đối với các phản ứng có sự xúc tác của men thì đường cong phụ thuộc của
tốc độ phản ứng vào nhiệt độ có dạng như trên hình 2.6.

20

Tu
0
K






T

Hình 2.6: Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng có men xúc tác vào nhiệt độ
Đường cong trên hình 2.6 là kết quả của phản ứng trao đổi hoá học và
phản ứng phân hủy cấu trúc. Trong khoảng nhiệt độ (0<T<T
u
) khi nhiệt độ
tăng thì tốc độ phản ứng tăng là do phân tử men vẫn còn giữ được hoạt
tính xúc tác.
T
u
là nhiệt độ tối ưu. Phản ứng diễn ra ở nhiệt độ tối ưu có tốc độ phản
ứng lớn nhất. Khi nhiệt độ tăng cao hơn giá trị nhiệt độ tối ưu thì các phân
tử men bị phá hủy cấu trúc nên mất hoạt tính xúc tác, dẫn tới tốc độ phản
ứng giảm.
XIV. Phương pháp phức hoạt hóa
Phương pháp phức hoạt hóa là phương pháp lý thuyết để xác định tốc độ
của phản ứng hóa sinh đơn giản, dựa trên tính chất của các nguyên tử hay
phân tử tham gia vào phản ứng và các tham số nhiệt động như sự thay đổi
của entropi, của entanpi Cơ sở của phương pháp phức hoạt hóa là dựa
trên quan niệm về sự tồn tại của một phức chất hoạt hóa (còn gọi là ở

trạng thái hoạt hóa) và phản ứng chỉ có thể xảy ra khi các phân tử ở trạng
thái hoạt hóa va chạm với nhau. Trong phản ứng, sự thay đổi thế năng của
các chất tham gia trước và sau khi phản ứng diễn ra được biểu diễn trên
hình 2.7.
Các nguyên tử hay phân tử muốn tham gia vào phản ứng phải đạt mức
năng lượng bằng hoặc lớn hơn giá trị năng lượng hoạt hóa (hay nguyên tử
hoặc phân tử đã được hoạt hóa). Phân tử chất ban đầu (chất A) có giá trị
năng lượng E
o
, nếu xảy ra va chạm sẽ không dẫn tới phản ứng. Phân tử
chất A muốn tham gia vào phản ứng thì phải được hoạt hóa, tức là cung
cấp thêm cho nó giá trị năng lượng E
1
≥E
h
. Năng lượng E
1
dùng để làm
giảm thế năng tương tác (tức làm giảm lực hút) giữa các nguyên tử hay
nhóm nguyên tử trong phân tử để làm giảm năng lượng liên kết bên trong
phân tử. Nếu phản ứng xảy ra theo chiều thuận thì E
o
là giá trị năng lượng
của chất ban đầu, E
1
là năng lượng hoạt hóa của phản ứng thuận và E
1
>E
o
.

21













E
o
A

E
1
E
2

A
*
P

Hình 2.7: Sự thay đổi năng lượng của các chất tham gia vào phản ứng

Khi các phân tử chất A đã được hoạt hóa (A
*
) va chạm với nhau sẽ dẫn
tới phản ứng tạo sản phẩm P có giá trị năng lượng là E
2
. Đối với phản ứng
thuận E
1
<E
2
nên E
1
-E
2
<0. Do vậy, đây là phản ứng tỏa nhiệt. Nếu phản
ứng diễn ra theo chiều nghịch thì chất P ban đầu phải có giá trị năng lượng
hoạt hóa bằng E
2
mới dẫn tới phản ứng tạo thành sản phẩm A có giá trị
năng lượng là E
1
. Ở đây E
2
>E
1
nên E
2
-E
1
>0 và phản ứng nghịch là phản

ứng thu nhiệt.
Các nhà nghiên cứu cho rằng giữa các phân tử tham gia vào phản ứng
(chất A) và các phân tử ở trạng thái hoạt hóa (A
*
) luôn có sự cân bằng.
Phản ứng xảy ra như sau:
A A
*
→ P (sản phẩm)
K
*
hoặc: A (A+E) → P (sản phẩm)
E là enzyme còn (A+E) là phức hợp enzym với cơ chất A.thái và được xác
định bằng tỉ số nồng độ phân tử ở trạng thái hoạt hóa trên nồng độ phân tử
ở trạng thái ban đầu.

[
]
[]
A
A
K
*
*
=
hoặc
[
]
[][]
E.A

EA
K
*
+
= (2.51)
[A]: Nồng độ chất A trước phản ứng
[A
*
]: Nồng độ chất A ở trạng thái hoạt hóa

22
[A+E]: Nồng độ phức hợp enzym với cơ chất A
[E]: Nồng độ enzyme
Đại lượng K
*
liên quan mật thiết tới sự thay đổi nhiệt độ, năng lượng tự
do, entropi của phản ứng tạo phức chất hoạt hóa nên K
*
được xem như
hằng số cân bằng của phản ứng và được xác định theo phương trình:
R.T.lnK
*
= T.ΔS - ΔH (2.52)
R: Hằng số khí
T: Nhiệt độ tuyệt đối (
o
K)
ΔS: Sự thay đổi của entropi (nói lên sự thay đổi trật tự của hệ khi bị hoạt
hóa)
ΔH: Sự thay đổi của entanpi (nói lên lượng liên kết cần phải phá vỡ để tạo

phức hoạt hóa)
Phương trình (2.52) có thể viết lại như sau:
lnK
*
=
T.R
H
R
S
Δ
−
Δ
→ K
*
=
T.R
H
R
S
e.e
Δ
−
Δ
(2.53)
Trong cơ học thống kê đã xác lập được mối quan hệ giữa hằng số cân
bằng giữa hai trạng thái là K
*
và hằng số tốc độ phản ứng là K theo
phương trình:
K=K

*
h.N
T.R
(2.54)
N: Số Avogadro và h là hằng số Planck
Thay giá trị K
*
từ phương trình (2.53) vào phương trình (2.54) sẽ được:

TR
H
R
S
ee
hN
TR
K
.

.
.
Δ
−
Δ
= (2.55)
So sánh với phương trình Arrenius ở công thức (2.45)

T.R
E
h

e.z.pK
−
=
Thành phần (p.z) tương đương với thành phần
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
Δ
R
S
e.
h.N
T.R
và sự thay đổi
entanpi (
ΔH) tương đương với giá trị năng lượng hoạt hóa (E
h
).
Trong cơ thể sống, phần lớn các phản ứng hóa sinh xảy ra đều có sự tham
gia của enzyme, tức là đều trải qua giai đoạn tạo phức chất hoạt hóa nên
có thể áp dụng phương pháp phức hoạt hóa.

23
Thuyết phức hoạt hóa có thể giải thích được phản ứng biến tính hay phân
hủy của Protein. Ví dụ nếu đun nóng dung dịch Protein hay cho vào dung

dịch Protein các chất như urê, cồn, axit sẽ làm biến tính hay phân hủy
phân tử Protein. Khi đó biểu hiện rõ nhất là độ hòa tan của Protein bị giảm
xuống còn độ nhớt lại tăng lên. Phản ứng biến tính hay phân hủy Protein
bình thường không xảy ra vì có năng lượng hoạt hóa rất cao. Một nguyên
tử hay phân tử muốn tham gia vào phản ứng thì chúng phải được hoạt hóa.
Năng lượng hoạt hóa phần lớn được dùng vào làm thay đổi trật tự và cấu
trúc phân tử (tức liên quan tới yếu tố thay đổi entropi) còn phần nhỏ được
dùng vào để phá vỡ các liên kết trong phân tử (tức liên quan tới yếu tố
thay đổi entanpi).
Ví dụ: Trong phản ứng phân hủy pepxin có 45.000KCal/M dùng để thay
đổi trật tự và cấu trúc phân tử pepxin còn 18.300KCal/M được dùng vào
phá vỡ các liên kết của phân tử pepxin.
XV. Sự điều hòa tốc độ phản ứng trong cơ thể sống
Quá trình đồng hóa thức ăn từ môi trường là một quá trình phức tạp, phải
trải qua nhiều giai đoạn biến đổi và mỗi giai đoạn lại được đặc trưng bởi
các phản ứng sinh hóa. Quá trình biến đổi từ chất A thành chất K để cho tế
bào có thể đồng hóa được, gọi là quá trình chuyển hóa. Ví dụ: Quá trình
chuyển hóa từ Protein thành axit amin, từ Lipit thành axit béo và glixerin,
từ Gluxit thành glucose v.v Trong cơ thể sống, quá trình chuyển hóa
không diễn ra một cách đơn lẻ mà giữa các chất tham gia vào quá trình
chuyển hóa chúng còn có mối liên hệ với nhau, thể hiện trên hai mặt cơ
bản là: nguyên liệu và năng lượng. Mối liên quan về mặt nguyên liệu là
khả năng chuyển hóa một chất này thành chất kia thông qua một số sản
phẩm trung gian chung. Ví dụ saccharide dễ dàng chuyển thành Lipit
(lipide) thông qua hợp chất trung gian là axetil Coenzym A. Mối liên quan
về mặt năng lượng thể hiện khi phân giải một hợp chất nào đó, giải phóng
ra năng lượng và được tích lũy vào ATP. Nguồn ATP được dùng để hoạt
hóa phân tử (đối với phản ứng thu năng lượng), các quá trình sinh tổng
hợp các chất trong cơ thể như sự hoạt hóa các axit amin trong tổng hợp
Protein và thực hiện công như quá trình co cơ v.v Cơ chế điều hòa giữa

quá trình oxy hóa (giải phóng ra năng lượng) và quá trình photphorin hóa
(tích lũy năng lượng) được xác định qua tỉ số nồng độ ADP và photpho vô
cơ trên nồng độ ATP.

[
][]
[]
ATP
PADP
K
+
= (2.56)

24
Trong cơ thể sống, không có một chất nào là không tham gia vào mạng
lưới của các phản ứng hóa sinh. Cơ thể sống là một hệ mở nên mạng lưới
các phản ứng hóa sinh cũng là một hệ thống mở, luôn có sự xâm nhập của
các chất từ môi trường bên ngoài vào qua con đường thức ăn, tiếp đến là
quá trình chuyển hóa chất dinh dưỡng và sản phẩm cuối cùng của quá
trình trao đổi chất sẽ được thải hồi ra môi trường bên ngoài. Trong cơ thể,
sự chuyển hóa của một chất nào đó có thể được thực hiện bằng nhiều con
đường khác nhau. Hinhenvut đã đưa ra nguyên lí: "Trong cùng một điều
kiện, con đường chuyển hóa nào có tốc độ phản ứng lớn hơn thì con
đường đó có ý nghĩa quan trọng hơn".
Ví dụ: glucose-6-photphat chuyển thành 3 photpho-glyxerin aldehit có thể
được thực hiện qua con đường glicoliz hoặc qua chu trình pentozo
photphat, tùy thuộc vào hiệu suất của quá trình chuyển hóa. Con đường
nào ít tiêu tốn năng lượng và có tốc độ phản ứng diễn ra nhanh hơn sẽ
quyết định hướng chuyển hóa của vật chất. Đối với hệ kín, quá trình diễn
ra theo một chuỗi các phản ứng nối tiếp:

A B C P
⎯→⎯
1
K
⎯→⎯
2
K
⎯→⎯
n
K
Phản ứng nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định tốc độ của toàn bộ quá
trình chuyển hóa.
Đối với hệ thống sống (hệ mở), quá trình chuyển hóa sẽ không phụ thuộc
vào tốc độ phản ứng của một giai đoạn nào mà phụ thuộc vào sự tương
quan giữa các hằng số tốc độ phản ứng. Một đặc tính quan trọng của cơ
thể sống là khả năng duy trì trạng thái cân bằng dừng. Khi cơ thể ở trạng
thái cân bằng dừng thì tất cả các quá trình thẩm thấu, chuyển hóa và thải
hồi sẽ bổ chính cho nhau để duy trì nồng độ chất không đổi theo thời gian.
Sau đây là mô hình đơn giản đặc trưng cho hệ mở nói chung và hệ thống
sống nói riêng:
Môi trường Màng Tế bào Màng Môi trường
S A K Z
⎯→⎯
1
K
⎯→⎯
2K
⎯→⎯
3K

Nguồn
⎯
⎯
⎯
←
−1K
Sản phẩm dị hóa
⎯
⎯
⎯
←
−3K

dinh dưỡng
Khi tế bào ở trạng thái cân bằng dừng thì nồng độ chất A (C
a
) và chất
K(C
k
) sẽ không đổi. Do vậy, nồng độ chất A và chất K phải thỏa mãn
phương trình:

0
d
t
dC
a
= và 0
d
t

dC
k
= (2.57)

25
Dưới tác động của yếu tố môi trường (chẳng hạn khi tăng nhiệt độ) sẽ
làm cho hằng số tốc độ phản ứng K
2
tăng lên dẫn tới nồng độ chất A giảm
xuống còn nồng độ chất K tăng lên. Để duy trì nồng độ chất A và chất K
không đổi thì quá trình vận chuyển chất A vào trong tế bào phải tăng lên
(tức K
1
tăng) và quá trình thải hồi chất K ra khỏi tế bào cũng phải tăng lên
(tức K
3
tăng). Khi chấm dứt tăng nhiệt độ thì tế bào không chuyển ngay về
nhiệt độ ban đầu mà quá trình hạ nhiệt diễn ra từ từ nên các hằng số tốc độ
phản ứng K
1
, K
2
, K
3
cũng giảm từ từ. Do vậy, nồng độ chất A vẫn còn cao
và nồng độ chất K vẫn còn thấp hơn so với ở trạng thái dừng ban đầu. Để
chuyển nhanh về trạng thái cân bằng dừng, bắt buộc quá trình vận chuyển
chất A ra khỏi tế bào và quá trình vận chuyển chất K vào trong tế bào phải
tăng lên (tức cả K
-1

và K
-3
đều phải tăng). Để duy trì trạng thái cân bằng
dừng (tức duy trì C
a
và C
k
không đổi) thì quá trình vận chuyển chất A vào
trong tế bào và vận chuyển chất A ra khỏi tế bào cũng như quá trình vận
chuyển chất K vào trong tế bào và vận chuyển chất K ra khỏi tế bào phải
bổ chính cho nhau như đã giải thích ở trên. Mô hình trên thuộc phạm vi
nguyên lí Lostalie, đặc trưng cho hệ mở: "Khi một hệ đang ở trạng thái
cân bằng, nếu ta thay đổi một trong ba yếu tố (nồng độ; áp suất; thể tích)
thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều có tác dụng ngược lại sự thay đổi
đó".
Trong ví dụ trên, khi tăng nhiệt độ tức là đã thay đổi yếu tố nồng độ A và
chất K. Nếu nồng độ chất A giảm xuống thì sự vận chuyển chất A vào
trong tế bào phải tăng lên, nhằm duy trì nồng độ chất A ổn định còn nồng
độ chất K tăng lên thì sự thải hồi chất K ra khỏi tế bào phải tăng lên cũng
nhằm duy trì nồng độ chất K ổn định. Một ví dụ điển hình về sự duy trì
nồng độ glucose trong máu ở cơ thể người sẽ minh chứng cho nguyên lí
Lostalie. Cơ thể người khỏe mạnh (tức duy trì trạng thái cân bằng dừng)
thì hàm lượng glucose trong máu luôn có một giá trị ổn định. Nếu cơ thể
thực hiện công (như chạy điền kinh) hay bị đói thì hàm lượng glucose
trong máu sẽ giảm xuống. Để duy trì trạng thái dừng, lập tức glucogen tích
lũy ở gan sẽ chuyển hóa thành glucoza-1-photphat glucoza - 6 -
photphat glucose và thấm vào trong máu để bù vào lượng
glucose đã sử dụng. Hoặc cơ thể thực hiện công nhưng không sử dụng
glucose trong máu mà sử dụng glucogen. Nhờ enzym photphorilaza xúc
tác mà glucogen chuyển thành glucoza - 6 - photphat và tiếp tục bị oxy

hóa ở điều kiện yếm khí để giải phóng ra năng lượng, cung cấp cho cơ thể
thực hiện công. Ngược lại, nếu cơ thể ít thực hiện công hay dùng nhiều
đường dẫn tới làm tăng hàm lượng đường trong máu thì lập tức xảy ra các
phản ứng: glucose
→ glucoza - 6 - photphat → glucoza - 1 - photphat, sau
⎯⎯→⎯
enzym
⎯⎯→⎯
enzym

26
đó trùng hợp thành glucogen và được tích lũy ở gan. Ở đây nồng độ
glucoza - 6 - photphat giữ vai trò điều khiển tốc độ của quá trình chuyển
hóa thành glucogen để tích lũy ở gan hay thành glucose để thấm vào trong
máu. Quá trình chuyển từ trạng thái cân bằng dừng này sang trạng thái cân
bằng dừng khác là một quá trình bất thuận nghịch. Đó là sự già. Không ai
chống lại được sự già. Sự phát triển của cơ thể chỉ diễn ra theo chiều thuận
từ trẻ
→ già mà không diễn ra theo chiều nghịch từ già → trẻ. Một số
thông số trạng thái của cơ thể như nhiệt độ, độ pH của máu, hàm lượng
đường, muối khoáng trong máu thì hầu như không thay đổi trong suốt thời
gian sống. Người ta gọi đó là tính chất cân bằng nội tĩnh của cơ thể sống
(hay gọi là cân bằng dừng bền).

Chương 3

TÍNH THẤM CỦA TẾ BÀO VÀ MÔ
I. Các phương pháp nghiên cứu tính thấm
Tính thấm của tế bào và mô là khả năng cho các chất đi qua màng tế bào không có tính
chọn lọc (vận chuyển thụ động) hoặc có tính chọn lọc (vận chuyển chủ động). Để nghiên
cứu tính thấm của tế bào, các nhà khoa học thường sử dụng các phương pháp sau:
- Phương pháp thể tích: Theo dõi thể tích của tế bào ở trạng thái sinh lý bình thường và
thể tích của tế bào khi ở dung dịch nhược trương. Tùy mục đích và điều kiện thiết bị mà
sử dụng các phương pháp:
* Ly tâm huyền dịch tế bào sau đó xác định thể tích của chúng bằng hồng cầu kế.
* Xác định sự thay đổi độ trong suốt của tế bào bằng phương pháp trắc quang.
*Xác định sự thay đổi chiết xuất của tế bào. Phương pháp thể tích chỉ có thể áp dụng để
nghiên cứu những đối tượng có kích thước lớn và có độ bền cao trong dung dịch như tảo
hay hồng cầu. Ví dụ như theo dõi tính thấm của mô cơ ếch đối với nước bằng phương
pháp trọng lượng (xem thực hành Lý sinh).
- Phương pháp sử dụng chất màu và chất chỉ thị màu: phương pháp này được tiến hành
bằng cách quan sát trực tiếp dưới kính hiển vi quá trình tích luỹ các chất có màu vào
trong tế bào. Các chất chỉ thị màu được sử dụng để nghiên cứu tốc độ thấm của các loại
axit và kiềm khác nhau vào trong tế bào. Nhược điểm của phương pháp này là khi dùng
các chất màu và chỉ thị màu có nồng độ thấp thì khó phát hiện còn dùng nồng độ cao thì
chúng trở thành những độc tố đối với tế bào. Khi sử dụng phương pháp này cần lưu ý các
chất có màu và chỉ thị màu vừa phụ thuộc vào mức độ thấm của chúng vào trong tế bào
lại vừa phụ thuộc vào khả năng liên kết của chúng với các phân tử Protein, axit amin và
các phân tử khác ở trên màng hay ở trong tế bào. Ví dụ như sử dụng Xanhmetylen là một
chất có màu để nghiên cứu tính thấm một chiều của da ếch (xem thực hành Lý sinh).
- Phương pháp phân tích hoá học: Đây là phương pháp phân tích hoá học các chất có

nồng độ rất nhỏ ở trong tế bào. Tuy nhiên với đối tượng nghiên cứu nhỏ như tế bào lại có
thành phần hoá học phức tạp thì việc định lượng một chất nào đó là rất khó khăn. Nhưng
hiện nay đã có những thiết bị phân tích hiện đại như máy quang phổ huỳnh quang, máy
quang phổ hấp thụ nguyên tử, máy quang kế ngọn lửa có thể xác định chính xác nồng
độ chất cần nghiên cứu ở nồng độ rất nhỏ. Phương pháp phân tích hoá học được sử dụng
rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong đó có nghiên cứu tính thấm của tế bào và mô. Ví
dụ như xác định nồng độ natri (Na) bằng máy quang phổ hấp thụ nguyên tử cho kết quả
rất chính xác.
- Phương pháp dùng các chất đồng vị phóng xạ đánh dấu: Trong hoá học, ngoài nguyên
tố bình thường như Hydro (ký hiệu là
1
1
H) còn có nguyên tố phóng xạ như tritium (ký
hiệu là
3
1
H). Nguyên tố tritium khác nguyên tố Hydro ở chỗ trong hạt nhân nguyên tử có
thêm hai hạt notron (n) không mang điện tích (gọi là trung hoà điện). Chất phóng xạ là nó
luôn phát ra các hạt có mang điện tích hoặc các hạt không mang điện tích và chính các
hạt khi phát ra nhờ máy đo sẽ xác định được chất có gắn chất phóng xạ. Phương pháp sử
dụng chất phóng xạ đánh dấu cho phép nghiên cứu tính thấm của tế bào và mô trong một
cơ thể hoàn chỉnh (invivo) và còn dùng để nghiên cứu tiến triển của quá trình chuyển hoá
và đào thải chất đó ra khỏi tế bào. Ví dụ như các nhà khoa học đã sử dụng coban
phóng xạ (
27
58
Co) thay cho Coban bình thường (
59
27
Co) để tổng hợp nên Vitamin B

12
,
sau đó nghiên cứu quá trình hấp thụ B
12
của cơ thể sống trong khoảng thời gian xác định.
II. Màng tế bào và vai trò của màng tế bào
Màng tế bào đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong hoạt động trao đổi chất của tế
bào. Theo Frank: “có thể nói một cách chắc chắn rằng, các chức năng quan trọng nhất của
tê bào không những bị chi phối mà còn chỉ có thể thực hiện được nhờ chức năng đa dạng
của các loại màng”.
Màng tế bào phải có cấu trúc đáp ứng được yêu cầu của quá trình trao đổi vật chất và
năng lượng giữa tế bào với môi trường, đảm bảo thực hiện các chức năng sống của tế
bào. Đã có nhiều mô hình cấu trúc màng tế bào được đưa ra như mô hình Dawson-
Danielli (1935), mô hình Robertson (1959), mô hình Singer-Nicolson (1972). Mô hình
Singer-Nicolson vẫn kế thừa mô hình cấu trúc màng 3 lớp: Protein - lớp kép Lipit -
Protein do Rorbetson đưa ra nhưng dựa trên các kết quả nghiên cứu sau này hai ông đã
đưa ra mô hình màng khảm lỏng (hình 3.1)
Theo các tác giả, màng tế bào là một lớp lipit kép ở trạng thái lỏng còn các phân tử
protein được nhúng (khảm) vào lớp lipit với mức độ nông hoặc sâu khác nhau. Do ở
trạng thái lỏng nên các phân tử lipit và protein có thể di chuyển theo cả chiều dọc lẫn
chiều ngang. Tính lỏng của màng tế bào phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ giữa 3 thành phần
cơ bản tham gia vào cấu trúc màng là photpholipit, cholesteron, protein.

Hình 3.1: Mô hình cấu trúc màng tế bào do Singer-Nicolson đưa ra năm 1972

Các nhà khoa học cho rằng duy trì trạng thái bán lỏng của lớp lipit kép thuộc màng tế bào
sẽ có những ý nghĩa sinh học như:
-Khả năng thích nghi của tế bào đối với nhiệt độ cao hay thấp.
-Tạo sự di động dễ dàng của các phức hợp hoócmôn - thụ quan ở bên trong màng tế bào
trong việc tiếp nhận thông tin.

-Tăng cường sự hoạt động của một số enzyme vận chuyển các chất qua màng tế bào.
-Giải thích được cơ chế vận chuyển các ion qua màng tế bào, đặc biệt là Na
+
, K
+
trong sự
hình thành điện thế tĩnh và điện thế hoạt động.
-Giải thích được sự biến mất của màng nhân ở trung kỳ và sự xuất hiện màng nhân ở mạt
kỳ trong phân bào nguyên nhiễm và giảm nhiễm.
Màng tế bào có những chức năng cơ bản sau đây:
-Ngăn cách giữa các tế bào với nhau, giữa tế bào với môi trường bên ngoài và giữ vai trò
bảo vệ tế bào.
-Thực hiện quá trình trao đổi vật chất và năng lượng giữa tế bào với môi trường, góp
phần thực hiện các chức năng sống của tế bào.
-Bài tiết các chất thải hoặc chất được tổng hợp ở bên trong tế bào ra môi trường bên
ngoài.
-Thực hiện sự nhận diện tế bào. Theo giả thiết của Ehrlich Tylerweiss thì trên bề mặt
màng tế bào có những thụ quan nhận biết tế bào theo kiểu giống như sự nhận biết kháng
thể với kháng nguyên.
-Thực hiện sự kết dính tế bào. Chất kết dính có bản chất glucoProtein được tổng hợp ở
bên trong tế bào và được tiết ra môi trường bên ngoài dưới dạng hoà tan làm nhiệm vụ
kết dính tế bào như kiểu trứng cầu gai tiết ra chất hoà tan trong nước biển có tác dụng
vừa dẫn dụ vừa tạo sự kết dính giữa tinh trùng với trứng.
-Thực hiện dễ dàng sự di chuyển của tế bào. Ví dụ như Amip có thể tạo chân giả để di
chuyển theo phương nằm ngang ở cả bốn hướng để bắt mồi.
-Thực hiện sự sinh sản của tế bào. Bình thường tế bào có chỉ số tỷ lệ giữa thể tích nhân
và thể tích tế bào chất (bằng thể tích của tế bào trừ đi thể tích nhân) đạt một giá trị hằng
định thì tế bào không phân chia. Khi chỉ số này giảm do thể tích tế bào chất tăng lên thì tế
bào phải thực hiện quá trình gián phân.
-Màng tế bào còn là nơi “cư trú” của các enzyme nhất là các enzyme tham gia vào quá

trình vận chuyển hay xúc tác cho các phản ứng phân giải chất độc làm tăng tính đề kháng
của tế bào.
-Màng tế bào có tính bán thấm nên có vai trò duy trì sự bất đối xứng ion giữa bên ngoài
và bên trong tế bào, hình thành nên điện thế tĩnh.
-Màng tế bào còn có tính chất vật lý như tính lưỡng chiết quang, sức căng mặt ngoài nhỏ,
điện trở lớn và có cấu trúc không đồng nhất

III.Quy luật chung về sự xâm nhập của vật chất vào trong tế bào
Các chất xâm nhập vào trong tế bào theo 2 con đường chính sau đây:
-Các chất xâm nhập vào trong tế bào qua siêu lỗ. Trên màng tế bào có những lỗ nhỏ (siêu
lỗ) có đường kính từ 3,5 A
0
- 8 A
0
. Bên trong siêu lỗ thường chứa nước còn bề mặt có thể
chứa một số nhóm phân cực. Con đường này dành cho các chất hoà tan trong nước như
đường, axit amin, ion Các chất này muốn xuyên qua màng qua siêu lỗ thì phải vượt qua
được các trở ngại như phải tách ra khỏi các lớp vỏ hydrat hoá (nếu là ion hay phân tử có
chứa các nhóm phân cực), phải lách qua được lớp phân tử rất chặt chẽ trên bề mặt màng
tế bào, phải thắng được lực tương tác tĩnh điện (lực hút nếu là ion khác dấu và lực đẩy trở
lại nếu là ion cùng dấu điện tích với các nhóm phân cực nằm trên bề mặt của siêu lỗ),
phải vượt qua được hàng rào điện thế (ở đây là điện thế màng tế bào). Do vậy, các chất
muốn xâm nhập vào bên trong tế bào thì phải có một giá trị năng lượng nhất định để
thắng được bốn lực cản trên. Nếu năng lượng cần thiết để thắng được bốn lực cản trên
càng lớn thì càng có ít chất xâm nhập được vào bên trong tế bào.
-Các chất xâm nhập được vào bên trong tế bào qua con đường hoà tan trong lipit: Con
đường này dành cho các chất không hoà tan trong nước nhưng hoà tan tốt trong lipit.
Năm 1899, Overton khi nghiên cứu tính thấm của tế bào và mô đối với các chất gây mê
đã phát hiện thấy mối liên quan thuận là tốc độ thấm của các chất này càng cao khi khả
năng hoà tan của chúng trong lipit càng lớn. Sau này gọi là hiệu ứng Overton. Jacobs đã

giải thích hiệu ứng Overton theo cấu trúc điện của các phân tử. Theo Jacobs các hợp chất
hoá học được phân thành 2 nhóm chính theo tính chất phân cực của chúng. Nhóm thứ nhất
là những phân tử có chứa các nhóm phân cực như NH
2
, COOH, OH nên gọi là các phân
tử có cực. Nhóm này hoà tan trong lipit kém nên khả năng thấm vào trong tế bào ít. Nhóm
thứ hai là những phân tử chứa các nhóm không phân cực như metyl, etyl, phenyl (CH
3
,
C
2
H
5
, C
6
H
5
) nên gọi là các phân tử không phân cực. Nhóm này hoà tan tốt trong lipit nên
khả năng thấm vào bên trong tế bào rất nhanh.
Song cũng có trường hợp ngoại lệ như urê và glucose hoà tan kém trong lipit và có kích
thước lớn hơn siêu lỗ nhưng lại thấm vào trong tế bào rất nhanh. Ngược lại, Citrat
trimetyl hoà tan tốt trong Lipit nhưng lại rất khó thấm vào bên trong tế bào. Điều này
được giải thích do urê và glucose là hai chất có mặt trong quá trình trao đổi chất của tế
bào nên trên màng tế bào đã có chất vận chuyển trung gian còn Citrat trimetyl thì không .
IV. Quá trình vận chuyển thụ động
Vận chuyển thụ động là quá trình xâm nhập của các chất theo tổng đại số véctơ của các
loại gradien và không hao tốn năng lượng của quá trình trao đổi chất. Vận chuyển thụ
động diễn ra là do sự tồn tại của các loại gradien sau:
-Gradien nồng độ: Là sự chênh lệch về nồng độ giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào.
-Gradien áp suất thẩm thấu: Là sự chênh lệch về áp suất thẩm thấu, đặc biệt là áp suất

thẩm thấu keo do các phân tử protein gây nên, giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào.
-Gradien màng: Xuất hiện do tính bán thấm của màng. Đó là do màng chỉ thấm các chất
có kích thước nhỏ như ion, các chất vô cơ còn các phân tử có kích thước lớn như protein,
lipit, gluxit thì hoàn toàn không thấm. Do vậy giữa hai phía của màng có sự chênh lệch
về nồng độ đã tạo nên gradien màng.
-Gradien độ hoà tan: Xuất hiện trên ranh giới giữa hai pha không trộn lẫn như pha nước
và pha lipit khi khả năng hoà tan của các chất ở trong hai pha ấy là khác nhau, dẫn đến sự
chênh lệch về nồng độ đã tạo nên gradien độ hoà tan.
-Gradien điện thế: Xuất hiện do sự chênh lệch về điện thế giữa bên trong và bên ngoài
màng tế bào.
Trong 5 loại gradien kể trên thì gradien nào có giá trị tuyệt đối lớn hơn cả sẽ quyết định
hướng vận chuyển của dòng vật chất. Ví dụ ở tế bào hồng cầu, cơ, dây thần kinh, tồn tại
gradien màng có giá trị tuyệt đối lớn hơn cả cho nên lượng ion kali ở trong tế bào luôn
cao gấp từ 30 đến 50 lần so với ở bên ngoài. Đặc biệt ở một số loài tảo biển, nồng độ iốt
ở trong tế bào cao gấp hơn hai triệu lần so với nước biển là do gradien màng.
Các gradien kể trên đều là hàm số của sinh lý tế bào và chúng có liên quan với nhau.
Trong quá trình hoạt động sống của tế bào không những độ lớn của các gradien bị thay
đổi mà có khi cả hướng của chúng cũng bị thay đổi. Các gradien giữ vai trò quan trọng
trong việc điều khiển tốc độ vận chuyển thụ động các chất vào trong tế bào hoặc đi ra
khỏi tế bào.