LUẬN VĂN CÁC PHẢN ỨNG CỦA MÀNG TẾ BÀO ĐỐI VỚI TÁC DỤNG CỦA CÁC XUNG ĐIỆN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN





NGUYỄN THỊ THÙY NHUNG






CÁC PHẢN ỨNG CỦA MÀNG TẾ BÀO
ĐỐI VỚI TÁC DỤNG CỦA CÁC XUNG ĐIỆN










LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN




NGUYỄN THỊ THÙY NHUNG






CÁC PHẢN ỨNG CỦA MÀNG TẾ BÀO
ĐỐI VỚI TÁC DỤNG CỦA CÁC XUNG ĐIỆN



Ngành : Vât lý
Chuyên ngành : Vật lý lý thuyết và vật lý toán.

Mã số : 60. 44. 01


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
GS. TSKH. Nguyễn Ái Việt










Hà Nội – 2010
Mục lục
Lời cảm ơn 3
Mở đầu 5
1 Tổng quan về màng tế bào 8
1.1 Khái niệm màng tế bào . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Thành phần cấu tạo của màng tế bào . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Sự vận chuyển chất hoà tan qua màng . . . . . . . . . . . 12
2 Thuyết electroporation 18
2.1 Trạng thái không thuận nghịch của hiện tượng electroporation 21
2.2 Trạng thái khả nghịch của hiện tượng electroporation . . 22

2.3 Những ảnh hưởng của điện thế chuyển màng . . . . . . . . 23
3 Phương pháp kết hợp 26
3.1 Mô hình Kotnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2 Mô hình xấp xỉ Wanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 Các bước tiến hành và kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.1 Các xung dài và xung cực ngắn . . . . . . . . . . . 38
3.3.2 Tế bào thường và tế bào ung thư . . . . . . . . . . 42
3.3.3 Mitochondria_ mô hình tế bào ba lớp màng . . . . 46
4 Kết luận 49
1
Danh sách hình vẽ
1 Màng tế bào plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1 Cấu trúc hai lớp của màng sinh học . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Thí nghiệm phát hiện vai trò của các kênh ion . . . . . . . 17
1.3 Sơ đồ dòng ion đi qua một kênh theo thời gian . . . . . . . 17
3.1 Mô hình màng tế bào . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 màng trong (gián đoạn) và màng ngoài (liên tục) V
m
đối với
trường hợp xung dài. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 màng trong (gián đoạn) và màng ngoài (liên tục) V
m
đối với
trường hợp xung ngắn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4 Điện thế màng đối với các xung dài. . . . . . . . . . . . . . 39
3.5 Điện thế màng đối với các xung ngắn hơn . . . . . . . . . 39
3.6 Điện thế cảm ứng biến đổi theo thời gian do kích thích của
trường điện một chiều. Đường gạch: kết quả của Kotnik [1],
đường liền: những tính toán của chúng tôi. . . . . . . . . . 40
3.7 Điện thế cảm ứng biến đổi theo thời gian do kích thích của

trường điện một chiều. Đường gạch: kết quả của Kotnik [1],
đường liền: những tính toán của chúng tôi. . . . . . . . . . 40
3.8 Điện thế cảm ứng thay đổi theo thời gian khi chịu kích thích
của xung điện hình thang. Đường gạch: kết quả của Kotnik
[1], đường liền: những tính toán của chúng tôi. . . . . . . . 40
3.9 Điện thế cảm ứng thay đổi theo thời gian khi chịu kích thích
của xung điện hình thang. Đường gạch: kết quả của Kotnik
[1], đường liền: những tính toán của chúng tôi. . . . . . . . 40
2
3.10 Mật độ dòng qua lỗ (Đường gạch) và qua tụ (Đường liền)
trong trường hợp xung dài . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.11 Mật độ lỗ theo thời gian đối với tác dụng của các xung dài 41
3.12 Mật độ dòng qua lỗ (Đường gạch) và qua tụ (Đường liền)
trong trường hợp xung ngắn . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.13 Mật độ lỗ theo thời gian đối với tác dụng của các xung ngắn 41
3.14 Điện thế của màng TB (Đường liền) và của màng bào quan
(Đường gạch) của TB B thường . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.15 Điện thế của màng TB (Đường liền) và của màng bào quan
(Đường gạch) của TB B ung thư. . . . . . . . . . . . . . . 43
3.16 Điện thế của màng TB (Đường liền) và của màng bào quan
(Đường gạch) của TB B thường, sử dụng các thông số mới. 44
3.17 Điện thế của màng tế bào (Đường liền) và của màng bào
quan (Đường gạch) của TB B ung thư, sử dụng các thông
số mới. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.18 Sự phân bố năng lượng của TB B thường theo tần số,
(Đường đậm: màng trong, đường liền nhạt: màng ngoài,
đường gạch: môi trường ngoài). . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.19 Sự phân bố năng lượng của TB B ung thư theo tần số,
(Đường đậm: màng trong, đường liền nhạt: màng ngoài,
đường gạch: môi trường ngoài). . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.20 Năng lượng tiêu thụ đối với trường hợp xung, (Đường liền:
TB B ung thư, đường gạch: TB B thường). . . . . . . . . . 46
3.21 Sự phụ thuộc của các điện thế vào tần số. Đường đậm: TB,
đường gạch: mito. trong, đường chấm: mito. ngoài, đường
liền: màng trong kết hợp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.22 Tỉ lệ điện thế. đường liền: |∆Ψ
outermito
|/|∆Ψ
cell
|, đường gạch:
|∆Ψ
innermito
|/|∆Ψ
cell
| . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3
Lời cảm ơn
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn tới GS. TSKH.
Nguyễn Ái Việt, Viện vật lý Hà nội đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi
trong suốt quá trình tôi làm luận văn.
Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa vật lý, Đại
học khoa học tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã động viên, giúp đỡ
và chỉ dạy cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập
của tôi tại trường.
Cảm ơn bạn Lê Thanh Tùng, người đã giúp tôi rất nhiều trong học tập
và trong quá trình tính toán các kết quả của luận văn.
Sau cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn tới bạn bè và gia đình đã động
viên, ủng hộ tôi trong quá trình làm luận văn.
Hà Nội, ngày 30 tháng 12 năm 2009.
4

Mở đầu
Sự kết hợp giữa vật lý và sinh học đã thúc đẩy các nghiên cứu về màng
mỏng trong suốt vài thập kỷ qua bao gồm các nghiên cứu có tính chất
cụ thể (thuộc về sinh học) và các nghiên cứu có tính chất tổng quát hơn
(thuộc về vật lý). Các nhà vật lý luôn bị cuốn hút bởi sự đa dạng trong
các cấu trúc và sự vận động của màng tế bào.
Hình 1: Màng tế bào plasma
Các quá trình vận động của màng tế bào được nghiên cứu và tìm hiểu
sâu hơn cùng với sự phát triển của kỹ thuật thực nghiệm.
Tế bào là thành phần không thể thiếu được trong mỗi cơ thể sống. Mỗi
tế bào được bảo vệ bởi màng tế bào. Lớp màng đôi lipid là một trong những
5
viên gạch cấu trúc quan trọng bậc nhất trong tế bào . Một lớp màng bao
gồm một rào thế linh động ngăn cách phần bên trong và bên ngoài của
tế bào, bảo vệ các bào quan (nhân và các vật liệu di truyền), có vai trò
như là một trung tâm chức năng hoá cho việc sản sinh các protein. Màng
sinh học có nhiều hình dạng khác nhau phụ thuộc vào cấu trúc, chức năng,
như hình phẳng (màng plasma), hình cầu, hình trụ hoặc có dạng phức tạp
hơn (Endoplasmic Recticulum, ER và bộ máy Golgi). Bề mặt của màng
lipid có hệ các điện tích linh động bao quanh, tính chất tương tự như các
hệ điện tử trên bề mặt hêli lỏng. Bề mặt của màng tế bào trong các môi
trường dung dịch có thể tích điện âm. Các lớp điện tích khuyếch tán từ
dung dịch rất linh động. Chúng sẽ chắn mặt màng và hình thành các lớp
điện tích dương hai chiều tích tụ ở sát mặt trong và mặt ngoài của màng
tế bào. Thêm vào đó, do các ion khác loại của các kênh ion trên màng có
khả năng thẩm thấu khác nhau nên phần trong của màng luôn được duy
trì ở mức điện thế âm hơn so với phía bên ngoài môi trường. Các cơ chế
cổng của các kênh ion trên màng tế bào được cho là có thể mở ra việc sử
dụng các cổng cảm nhận điện thế và đang là một vấn đề mở trong lý sinh
học.

Hiện nay, một hướng nghiên cứu mới về các phản ứng của màng tế
bào chống lại tác dụng của các xung điện là có xem xét đến hiện tượng
electroporation. Electroporation, hay electropermeabilization, là sự tăng
đáng kể về độ dẫn điện và độ từ thẩm của màng plasma tế bào. Điều này
xuất hiện là do tác dụng của một trường điện ngoài. Electroporation được
sử dụng trong sinh học phân tử để đưa một số chất vào trong tế bào.
Những chất kích thích này có thể làm thay đổi chức năng của tế bào, hoặc
một đoạn mã DNA.
Electroporation là một hiện tượng động lực phụ thuộc vào điện thế của
nội màng. Thực nghiệm chứng tỏ rằng, đối với mỗi xung có hình dạng
và độ dài xác định, sẽ tồn tại một ngưỡng thế đặc trưng cho hiện tượng
electroporation (từ 0.5V đến 1V). Điều này dẫn đễn sự định rõ cường
độ ngưỡng cho hiện tượng Electroporation E
ngng
. Chỉ khi các tế bào ở
6
trong khoảng E < E
ngng
thì mới xuất hiện hiện tượng mở lỗ trên màng
tế bào. Nếu cường độ điện trường bằng hoặc vượt qua ngưỡng, hiện tượng
electroporation sẽ gây tổn hại đến sự tồn tại của tế bào.
Trong sinh học phân tử, quá trình electroporation thường được sử dụng
cho sự chuyển hoá của vi khuẩn, nấm và các tế bào trần. Ngoài các màng
lipid, vi khuẩn cũng có các thành tế bào. Các thành này khác với các màng
lipid, được tạo thành bởi peptidoglycan và các dẫn xuất của nó. Các thành
có lỗ hoạt động như các vỏ cứng đơn bảo vệ vi khuẩn khỏi một vài tác động
của môi trường. Nếu các vi khuẩn và plasmid được trộn với nhau, plasmid
có thể được đưa vào tế bào sau quá trình electroporation. Các tế bào phải
được bảo vệ vô cùng cẩn thận cho đến khi chúng có cơ hội để phân chia
thành các tế bào mới có chứa các plasmid tái sinh. Quá trình này có hiệu

quả gấp khoảng 10 lần so với quá trình chuyển hoá hoá học.
Trong luận văn này, chúng tôi xét mô hình màng tế bào được kích thích
bởi các xung điện cực mạnh. Khi chịu tác dụng này, trên màng tế bào sẽ
xuất hiện điện thế cảm ứng, dẫn đến hiện tượng electroporation. Kotnik
(2006) [?] đã nghiên cứu về điện thế chuyển màng nhưng không tính đến
hiện tượng electroporation. Ở đây, chúng tôi đã đưa ra một phương pháp
mới, phương pháp K-Wand để tính điện thế cảm ứng trên màng tế bào và
chứng minh sự tồn tại của hiện tượng electroporation. Phương pháp của
chúng tôi không chỉ áp dụng cho màng lipid kép mà còn có thể dùng cho
tế bào 3 lớp màng, mitochodria và xác định các tế bào ung thư qua việc
xác định năng lượng làm nóng chúng.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được chia thành 3 chương:
Chương I, chúng tôi trình bày tổng quan về màng tế bào. Sơ lược về lý
thuyết electroporation được trình bày trong chương II. Cuối cùng, chương
III là phương pháp và các kết quả đạt được của chúng tôi khi nghiên cứu
về các phản ứng của màng tế bào đối với kích thích của các xung điện
mạnh cực ngắn.
7
Chương 1
Tổng quan về màng tế bào
Cuối thế kỉ 19, các nhà sinh học bắt đầu nghi ngờ rằng lớp vỏ bao
quanh tế bào có chứa thành phần lipid từ công trình nghiên cứu của Ernst
Overton (1899). Ông đã chỉ ra rằng một vài loại phân tử nhuộm không tích
điện, về mặt hoá học gần giống với lipid, có thể xâm nhập vào trong tế bào
dễ dàng hơn các phân tử cấu tạo không giống lipid. Nhờ có công trình của
Chevural đầu thế kỷ XVIII, tính chất vật lý và hoá học của axit béo đã được
hiểu một cách đầy đủ. Sử dụng bazơ và triglixerit mạnh là chất thử, ông
đã tìm ra các tính chất của các phân tử có liên quan đến việc dự trữ năng
lượng và sản xuất màng tế bào này.
Sau đó, vào năm 1925, một thí nghiệm đánh dấu một bước ngoặt lớn

trong ngành tế bào học được thực hiện bởi E. Gorter và F. Grendel, liên
quan đến việc lấy các tế bào máu hoà tan các màng tế bào trong các dung
môi hữu cơ. Về mặt hoá học, vì các lipid giống các dung môi hữu cơ hơn
là nước nên chúng có thể được sàng lọc khỏi phần còn lại của tế bào theo
cách này. Khi có các thành phần lipid tinh khiết của màng tế bào, họ đặt
chúng lên mặt nước. Như đã được tiên đoán, đầu cực của các phần lipid
tương đối nhỏ liên kết đặc biệt với bề mặt nước trong khi các thành phần
không cực dài hơn được gắn lên trên mặt phẳng trong không khí. Gorter
and Grendel đã có thể khiến bề mặt của màng lipid tự nhân đôi và hình
thành màng hai lớp giống như những gì chúng ta đã biết về bản chất thực
sự của các màng tế bào. Đây là thí nghiệm đầu tiên khẳng định sự tồn tại
8
của lớp lipid kép trong màng tế bào.
1.1 Khái niệm màng tế bào
Tế bào có cấu tạo phức tạp. Màng tế bào hay màng sinh chất là một bộ
phận của tế bào bao quanh lớp sinh chất. Các màng tế bào vạch rõ ranh
giới giữa tế bào và môi trường bên ngoài, đồng thời điều khiển dòng phân
tử đi qua ranh giới đó. Màng chia không gian trong tế bào thành các bộ
phận riêng biệt, các thành phần riêng rẽ. Chúng tổ chức phản ứng liên tục
và là trung tâm của việc dự trữ năng lượng, thông tin qua lại từ tế bào
này sang tế bào khác. Mọi hoạt động sinh học của màng bắt nguồn từ tính
chất vật lý đặc biệt của chúng.
Các màng bền vững nhưng linh hoạt, tự khép kín, thẩm thấu có chọn
lọc đối với các chất tan có cực. Tính linh hoạt làm cho nó thay đổi có định
hướng, đồng thời làm cho nó vừa lớn lên, vừa di chuyển. Tính khép kín
giúp nó vừa tự liền các chỗ vỡ tạm thời của hai màng lúc đưa chất thải ra
ngoài tế bào hay trong quá trình phân chia tế bào vừa không gây ra các lỗ
lớn trên mặt màng. Tính thẩm thấu có chọn lọc của màng giúp tế bào giữ
lại các chất và các ion nhất định đặc trưng, đồng thời ngăn chặn những
vật chất có thể gây ảnh hưởng xấu đến hoạt động của tế bào đi vào trong

tế bào.
Màng tế bào không phải là tấm chắn thụ động. Chúng bao gồm các loại
protein đặc biệt kích thích hay xúc tác khác nhau. Các bơm vận chuyển
các chất tan hữu cơ đặc biệt và các ion vô cơ qua màng ngược với gradient
nồng độ, biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác.
Màng được chia thành ba miền: miền ngoài, miền trong và miền giữa.
Phân tích hoá học cho thấy màng chủ yếu được cấu tạo từ các lớp kép
photpho-lipid được bao phủ bởi các ion tự do, lớp này thường tích điện
âm với nồng độ rất cao tức là ở trạng thái plasma. Vì vậy, màng sinh chất
còn được gọi là màng kiểu plasma. Plasma tế bào đóng vai trò quan trọng
trong việc trao đổi chất và trao đổi thông tin qua lại giữa tế bào và môi
9
trường.
1.2 Thành phần cấu tạo của màng tế bào
Để hiểu được chức năng của màng tế bào, ta phải xác định rõ các thành
phần cấu tạo của chúng. Cấu tử chính của màng sinh chất là các protein
và lipid có cực. Tỷ lệ giữa protein và lipid khác nhau ở các loại màng khác
nhau. Các lipid trong màng tế bào chủ yếu là photpho-lipid, ngoài ra còn
có các lipid khác như galactolipit, triaxylixerol
Hình 1.1: Cấu trúc hai lớp của màng sinh học
Tất cả các màng sinh chất đều có tính chất cơ bản: Chúng không có
khả năng thẩm thấu đối với nhiều chất tan có cực hay tích điện nhưng có
khả năng thẩm thấu đối với các hợp chất không cực. Khi quan sát lớp cắt
ngang nhờ kính hiển vi điện tử, màng dày từ 5-8 nm. Màng có cấu trúc
khảm lỏng. Độ lỏng của lớp kép photpho-lipid phụ thuộc vào nhiệt độ. Cụ
thể, nhiệt độ có thể làm cho chúng chuyển từ dạng tinh thể đặc tới lỏng
hơn.
Thành phần và kết cấu của lipid
Hợp chất phospholipids trong tế bào tự động tạo nên các lớp màng đôi
phospholipids dạng tấm mỏng, với độ dày khoảng hai lần kích thước phân

10
tử. Các chuỗi hydrocarbon trong mỗi lớp tạo nên nhân kỵ nước dày khoảng
3-4 nm trong hầu hết mọi màng sinh học.
Tiết diện cắt ngang của tất cả các màng đôi trông giống như một "đường
ray": Hai đường tối, mỏng là các nhóm đầu và khoảng sáng dày 2 nm là
phần đuôi kỵ nước.[6]
Các loại màng trong tự nhiên có nhiều hình dạng khác nhau tuỳ theo
chức năng của tế bào. Bề mặt trơn nhẵn của màng plasma của tế bào hồng
cầu cho phép loại tế bào này có thể luồn lách qua các mao mạch rất hẹp.
Một vài loại màng tế bào khác lại có các phần mở rộng mỏng dài dạng
lông mao. Chuyển động của các lông mao này gây ra dòng chất lỏng chảy
dọc trên bề mặt của các biểu mô hay giúp cho một vài loại tế bào (như
tinh trùng ) bơi được trong môi trường. Thân của các tế bào thần kinh
lại được bọc bởi nhiều lớp màng plasma tạo thành màng bọc myelin. Mặc
dù có nhiều hình dạng và chức năng khác nhau, tất cả các màng sinh học
đều có cấu trúc hai lớp phổ biến.
Mỗi màng có thành phần lipid đặc trưng. Từng loại mô và từng cơ quan
gắn với tế bào lại có thành phần lipid khác nhau. Các tế bào có cơ chế
kiểm soát các loại và tổng số lipid đã tổng hợp của màng.
Một màng sinh học điển hình được cấu tạo từ ba loại lipids: phospho-
glycerides, sphingolipids và steroids. Cả ba loại lipid này đều có tính chất
vừa ưa nước, vừa kỵ nước (amphipathic) vì có một nhóm đầu cực ưa nước
và đuôi kỵ nước. Hiệu ứng kỵ nước là tương tác Val-der- Waals làm cho
các nhóm tự kết hợp vào một lớp màng đôi với các nhóm đầu cực được
định hướng về phía môi trường ngoài. Mặc dù các loại lipid trên màng phổ
biến đều có tính chất amphipathic nhưng chúng khác nhau trong cấu trúc
hoá học và chức năng sinh học.
Các lipid màng vận động liên tục, chuyển động tự do trên mặt màng.
Mặc dù màng có cấu trúc hai lớp lipid rất ổn định, những phân tử photpho-
lipid và sterol riêng của chúng tự do chuyển động trên mặt màng. Các phân

tử khuyếch tán ra các bên với tốc độ rất nhanh.
11
Protein
Màng sinh chất khác nhau có protein khác nhau. Nhiều loại protein đóng
vai trò như chất vận chuyển, mỗi loại phụ trách vận chuyển một chất hoà
tan riêng đi qua màng. Một số protein có liên kết cộng hoá trị với một hoặc
nhiều lipid. Protein sắp xếp không đối xứng do khác nhau về chức năng.
Ta có thể chia protein màng thành hai loại: Protein xuyên màng và protein
rìa màng. Protein xuyên màng liên kết chặt chẽ với màng còn protein rìa
màng thì liên kết yếu hơn. Protein xuyên màng không tan trong nước. Sự
không tan của chúng là do sự có mặt của phần lớn các axit amin giàu nhóm
kỵ nước. Còn các protein rìa màng dễ dàng hoà tan trong nước. [6]
Protein rìa màng liên kết thuận nghịch với màng. Rất nhiều protein
rìa màng được gắn chắc với màng nhờ tương tác tĩnh điện và liên kết hy-
dro với vùng ưa nước của protein xuyên màng và các nhóm đầu phân cực
của các lipid màng. Protein rìa màng đóng vai trò như các chất điều hoà
các enzym liên kết màng hay giới hạn sự chuyển động của một số protein
màng. Khi nghiên cứu cấu trúc màng sinh chất, người ta đặc biệt chú ý
đến các protein xuyên màng. Protein xuyên màng có tác dụng nối buộc lớp
kép lipid, điều khiển chất tan hoặc các tín hiệu đi qua màng. Chúng bắc
qua bề dày của lớp kép và kéo lồi ra cả bên trong và bên ngoài bề mặt màng.
1.3 Sự vận chuyển chất hoà tan qua màng
Mọi tế bào sống lấy ở xung quanh các nguyên liệu thô để tổng hợp sản
xuất năng lượng và thải ra môi trường những chất không cần thiết. Màng
sinh chất chứa các protein đặc biệt giúp mang vào tế bào các chất cần
thiết như đường, các axit amin, các ion vô cơ Trong nhiều trường hợp,
các thành phần này chuyển vào trong tế bào ngược với gradien nồng độ.
Một số loại khác được bơm ra để duy trì nồng độ thấp hơn ở môi trường
xung quanh. Sự di chuyển của các phân tử nhỏ đi qua màng sinh chất nhờ
12

các quá trình trung gian của protein, thông qua các kênh vận chuyển màng
hoặc qua chất mang hay còn gọi là bơm.
Vận chuyển bị động
Khi màng tế bào được đặt trong trường chất nguyên sinh và môi trường
ngoài có chứa nồng độ chất tan hoặc ion không cân bằng nhau, chất tan
chuyển động từ vùng có nồng độ cao, qua màng, tới vùng có nồng độ thấp
hơn, đến khi hai bên có nồng độ chất tan bằng nhau. Tuy nhiên, sự thẩm
thấu đơn giản này hạn chế bởi tính thẩm thấu chọn lọc. Để vượt qua lớp
kép, chất tan có cực hay tích điện phải từ bỏ mối quan hệ của chúng với
phân tử nước của vỏ hydrad của chúng. Sự đi qua màng của các chất tan
có cực hoặc ion có thể thực hiện được nhờ protein màng hạ thấp năng
lượng hoạt hoá cho sự vận chuyển bằng cách cung cấp con đường xen kẽ
đối với các chất tan đặc biệt thông qua lớp kép lipid. Protein màng làm
tăng tốc độ chuyển động của dung dịch qua màng nhờ sự thẩm thấu được
gọi là chất vận chuyển hay enzym thấm lọc.
Vận chuyển chủ động
Sự vận chuyển chủ động gây ra sự chuyển động chất tan ngược với gradien
nồng độ do đó không xảy ra sự tích tụ chúng. Vận chuyển này dẫn tới tích
luỹ chất tan ở trong một phía của màng. Người ta chia thành hai loại vận
chuyển chủ động: sơ cấp và thứ cấp. Trong vận chuyển chủ động sơ cấp, sự
tích luỹ chất tan gắn liền trực tiếp với phản ứng toả nhiệt. Sự vận chuyển
chủ động thứ cấp diễn ra khi vận chuyển thu nhiệt của một chất tan được
gắn liền với dòng toả nhiệt của chất tan khác đã được bơm lên nguyên vẹn
nhờ sự vận chuyển chủ động sơ cấp. Loại vận chuyển này được tăng cường
và điều khiển nhờ enzym ATP. Thông thường, vận chuyển chủ động tiêu
tốn nhiều năng lượng. Nhiều tế bào động vật duy trì nồng độ Na
+
thấp
13
Loại ion Trong tế bào (mM) Ngoài tế bào (mM)

K
+
139 4
Na
+
12 145
Cl
−
4 116
HCO
−
3
12 29
X
−
138 9
Mg
2
+ 0.8 1.5
Ca
2
+ <0.0002 1.8
Bảng 1.1: Nồng độ các ion điển hình trong tế bào động vật
và nồng độ K
+
cao hơn so với môi trường xung quanh.
Sự không cân bằng này được duy trì nhờ hệ thống vận chuyển tích cực
trong màng sinh chất gồm có enzym Na
+
K

+
− AT P − aza. Cứ ba Na
+
vận chuyển ra ngoài đổi lại thường là hai K
+
vận chuyển vào trong. Quá
trình này tích điện làm cho màng có hiệu điện thế âm so với bên ngoài. Ở
thực vật bậc cao, hiệu điện thế giữa trong và ngoài màng cỡ 250mV.
Vận chuyển thông qua các kênh ion
Các kích thích khác nhau trên màng sinh chất làm biến đổi nhanh chóng
hiệu điện thế qua màng dẫn tới sự mở và đóng nhanh các kênh ion.
Nhờ chất axetylcholin, kênh ion mở cho các cation Na
+
và K
+
đi qua,
làm giảm nhanh gradient nồng độ và không cho các cation khác cũng như
tất cả các anion đi qua. Tốc độ vận chuyển đi qua kênh rất nhanh. Kênh
ion cảm nhận axetylcholin là tiêu biểu của nhiều kênh ion trong tế bào và
sản sinh hoặc trả lời tín hiệu điện: Nó có cửa mở trả lời cho sự kích thích
và một cơ chế giới hạn thời gian đóng cửa. Thế tín hiệu axetylcholin là
nhất thời-một tín hiệu quan trọng cho sự dẫn có dấu hiệu điện. Để hiểu
tại sao sự vận chuyển có chọn lọc của ion sinh ra một hiệu điện thế màng
tế bào, ta xét thí nghiệm hình 1.2 dưới đây:
Một màng ngăn cách hai ngăn chứa hai dung dịch muối có nồng độ
khác nhau. Ngăn phải là dung dịch KCl 15 mM, ngăn trái là dung dịch
14
KCl 150 mM. Một volt kế được nối với hai ngăn để đo hiệu điện thế giữa
hai ngăn. Nếu màng tế bào không có các kênh ion, không có dòng ion nào
được khuếch tán qua màng và giữa hai ngăn không có sự chênh lệch điện

thế. Trên thực tế, màng tế bào có nhiều protein xuyên màng đóng vai trò
các kênh vận chuyển ion như kênh Na
+
, K
+
, Kênh K
+
cho phép ion K
+
đi qua nhưng ngăn chặn các loại ion khác như Cl
−
, sự vận chuyển này là
do cơ chế khuyếch tán gây ra bởi gradient nồng độ. Dòng ion dương khuếch
tán có xu hướng tập trung ở ngăn phải hình 1.2c gây ra một sự tích điện
dương ở ngăn phải và âm ở ngăn trái. Sự dư thừa các ion này chỉ xuất hiện
ở khu vực gần màng bởi các điện tích trái dấu hút nhau. Kết quả là, một
điện trường trên màng được sinh ra kèm theo sự chênh lệch điện thế giữa
ngăn phải và ngăn trái, ngăn trái có điện thế âm so với ngăn phải. Trạng
thái cân bằng được thiết lập nhanh chóng ứng với độ chênh thế xác định
khi các yếu tố gây ra dòng khuếch tán cân bằng nhau: đó là gradient nồng
độ và điện thế trên màng. Đây là loại màng bán thấm, về chức năng thì
giống với một tụ điện gồm phần điện môi (lõi ưa nước) và phần bản tụ
(các nhóm đầu cực phospholipid và các ion trong dung dịch). Ở trạng thái
cân bằng, hiệu điện thế cân bằng liên hệ với nồng độ khối cation của hai
ngăn bởi phương trình Nernst [6]: V
K
=
RT
ZF
ln

[K]
l
[K]
r
với R là hằng số khí, F là hằng số Faraday, T là nhiệt độ tuyệt đối, Z là
số điện tích ion (Z
K
= +1) và [I] là nồng độ mol của ion trong dung dịch.
Với các nồng độ như ở bảng 1.1, điện thế xuyên màng cỡ −30 → −70mV .
Điện thế trên bề mặt của đa số các tế bào động vật là không thay đổi theo
thời gian. Chỉ riêng với các tế bào thần kinh và tế bào cơ là các loại tế bào
sử dụng xung điện lan truyền đi trong việc điều khiển hoạt động dựa trên
sự thay đổi đột ngột của điện thế xuyên màng.
Quá trình đóng, mở của các kênh ion là quá trình bột phát xảy ra trong
thời gian ngắn cỡ ms. Bằng kỹ thuật kẹp mẩu (patch clamping), người ta
có thể nghiên cứu hoạt động của từng kênh ion đơn lẻ. Kỹ thuật này cho
phép ta xác định lượng ion ra vào một kênh mở và thời gian đóng mở của
kênh.
15
Ví dụ như đối với kênh Na, kênh này dưới tác dụng của xung điện có
thể mở ra trong vài ms và trong mỗi ms, khoảng 9900 ion Na
+
tràn qua
kênh này (hình 1.3 là sơ đồ mô tả dòng ion qua các kênh. Chỗ hõm sâu
ứng với sự mở kênh. Những sự dao động nhỏ khác là do nhiễu nền.)
16
Hình 1.2: Thí nghiệm phát hiện vai trò của các kênh ion
Hình 1.3: Sơ đồ dòng ion đi qua một kênh theo thời gian
17
Chương 2

Thuyết electroporation
Electroporation [7] là hiện tượng màng sinh học liên quan đến những biểu
hiện cơ bản của tế bào và các màng giả hai lớp. Hiện tượng này thu hút
sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học không chỉ vì những ảnh hưởng
sâu sắc của nó lên những biểu hiện của màng mà còn vì các ứng dụng
điện thế quan trọng trong sinh học, công nghệ sinh học và y học. Vì thế,
những hiểu biết cơ bản về cơ chế của hiện tượng electroporation là rất
quan trọng. Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày về những mô hình lý
thuyết đã được đề xuất, những giả thiết, sự thành công cũng như những
thất bại của các mô hình này. Chúng tôi đặc biệt quan tâm đến các mô
hình lỗ tạm thời do nước tạo thành, mà có thể giải thích cho : (1) những
đặc trưng điển hình của sự bất định cơ học (hệ quả bất khả nghịch của
electroporation) trong hai lớp lipid phẳng tại những hiệu điện thế cao. (2)
Những biểu hiện điện khả nghịch điển hình của các màng phẳng nói chung
và của các màng của tế bào và (3) Một vài đặc trưng của sự vận chuyển
phân tử.
Hiện tượng điện từ thầm hoá (electropermeabilization hay electropora-
tion) của tế bào đã được biết đến từ vài thập kỷ và gần đây đã nhận được
sự quan tâm của những nghiên cứu về tế bào và các mô. Rất nhiều quan
sát ban đầu đã đề xuất rằng một vài loại "phá vỡ do điện " có thể xuất hiện
trong các màng được kích thích điện. Gần mười năm sau đó, các báo cáo
đã đưa về sự việc các xung điện có thể giết chết các vi sinh vật và không
18
sinh nhiệt. Và không lâu, với việc tìm ra nhờ các túi sinh học, giới khoa
học đã đánh dấu một một mốc quan trọng về hiện tượng electroporation.
Những nghiên cứu thực nghiệm sau đó đã được thúc đẩy nhanh hơn, như
việc khám phá ra hệ thống vận chuyển các phân tử trong tế bào máu và
sự tăng độ dẫn của một màng cụ thể lên khoảng 1 Scm
−
2 trong 1 µs khi

cho một xung điện mạnh tác dụng lên màng. Khi nghiên cứu vấn đề này,
người ta đã chỉ ra rằng trường điện tác dụng lên phần lipid của màng tế
bào. Sự mô hình hoá các hệ lipid trở thành vấn đề rất được quan tâm bởi
vì nó cho phép tìm hiểu về cơ chế phân tử của hiện tượng electroporation.
Như vậy, cách hiểu của ta là hiện tượng học, vì nó dựa trên sự đo đạc
dòng điện chạy qua các màng kép và dựa trên sự vận chuyển phân tử vào
trong hoặc ra ngoài các tế bào, phụ thuộc vào các xung điện. Rất nhiều thí
nghiệm đã quan sát được có thể gọi là hiện tượng "electropermeabilization"
của màng, ví dụ như sự tăng đáng kể độ từ thẩm (permeability) hoặc độ
dẫn (conductivity) và trong một vài trường hợp là sự gián đoạn cơ học.
Bằng chứng trực tiếp cho điều này không tồn tại ở mức màng. Tuy nhiên,
có những bằng chứng gián tiếp về chúng. Những kết quả quan sát bằng kính
hiển vi electron chỉ ra rằng sự thay đổi cấu trúc nội màng phải từng xảy
ra, nhưng không phản ảnh các điểm khuyết sơ cấp (the primary defects)
hay còn gọi là các lỗ được gây ra bởi hiệu điện thế màng tăng cao. Tóm lại,
những bằng chứng gần đây chỉ ra hiện tượng electroporation không những
gây nên sự tăng đột ngột độ dẫn điện (hoặc độ từ thẩm) mà còn giải thích
cho sự đứt gãy ngẫu nhiên của màng phẳng.
Những tài liệu về hiện tượng electroporation chủ yếu bắt nguồn từ những
thí nghiệm được tiến hành trên ba hệ thống: (1) Sự treo tế bào, (2) Các tế
bào riêng rẽ, và (3) các màng lipid kép phẳng. Mỗi một trong ba hệ thống
này có những ưu điểm và những hạn chế riêng. Một đặc trưng chung nhất
và cũng là quan trong nhất là màng tế bào đóng vai trò rất lớn trong việc
khuếch đại điện trường đặt vào. Ví dụ, khi tế bào hình cầu có màng không
dẫn được đặt trong điện trường ngoài, E
e
thì sự phân bố điện thế trong
miền xung quanh tế bào được mô tả bằng phương trình Laplace với những
19
điều kiện biên thích hợp. Nó có nghiệm:

U = 1.5r
cell
E
e
cosθ (2.1)
trong đó U là thế màng chuyển, r
cell
là bán kính và θ là góc giữa mặt trên
màng tế bào nơi U được đo và hướng của
−→
E
e
. Ở các cực (θ = 0, π), 75%
điện thế tập trung ở vùng gần tế bào, dọc theo các màng của chúng. Cường
độ điện trường của màng chuyển, E
m
, lớn hơn so với E
e
. Độ khuếch đại
tương ứng với sự tập trung trường này là E
m
/E
e
= 1.5r
cell
/h = 2 × 10
3
đối với r
cell
= 10µm và độ dày của màng là h ≈ 5 × 10

−7
cm. Điều này là
hệ quả của việc vùng nội bào là cân bằng điện thế. Vì vậy, nếu điện thế
màng chuyển đạt được 0.5V đối với một bán kính tế bào khoảng 10µm thì
ta cần một trường khoảng 300 V cm
−
1
Để làm sáng tỏ cơ chế của hiện tượng electroporation, một vài thuộc
tính của các màng kép phẳng nhân tạo đã được khai thác. Thứ nhất, sự
khuyếch đại là lớn hơn rất nhiều bởi vì tất cả sự chênh lệch điện thế giữa
các điện cực xuất hiện ngang qua màng. Thời gian tác dụng thích hợp, τ
chg
,
là một vài microgiây. Vì vậy, đối với sự nghiên cứu các xung điện ngắn,
khoảng xung tác dụng cùng độ lớn với τ
chg
, sự chênh lệch điện thế toàn
phần qua các điện cực không xuất hiện ngang qua màng và điều này cũng
bao gồm cả điện trở của đường dẫn điện . Đối với các xung điện dài hơn,
toàn bộ sự chênh lệch điện thế về cơ bản là xuất hiện giữa các điện cực
ngang qua màng. Ở đây, sự khuếch đại là (L
electrode
/h) trong đó L
electrode
là khoảng cách giữa các điện cực và h là độ dày của màng. Điều này có
nghĩa là để nhận được hiệu điện thể màng chuyển là 0.5V, phải có nửa volt
được đặt vào các điện cực. Tuy nhiên, khi hiện tượng electroporation bắt
đầu, sự phân chia điện thế sẽ xuất hiện bởi vì sự giảm nhanh của điện trở
màng và điện trở cố định của môi trường ngoài, các điện cực và điện trở
lối ra của máy phát xung. Điều này dẫn tới sự giảm điện thế qua màng.

20
2.1 Trạng thái không thuận nghịch của hiện tượng
electroporation
Một đặc trưng quan trọng trong cấu hình thực nghiệm của lớp màng kép
phẳng là sau sự tích điện của màng, điện thế của các điện cực và điện thế
chuyển màng trở nên cân bằng nhau, nếu điện trở của màng lớn ở thời
điểm trước khi các lỗ được tạo thành trên màng.
Các đo đạc thực nghiệm về dòng qua màng chuyển, I(t) chỉ ra rằng tiếp
theo sự chuyển trong điện thế được đặt vào các điện cực, U
0
sau quá trình
tích điện ở màng, một dòng ổn định sẽ xuất hiện, phụ thuộc vào U. Sau
đó, dòng sẽ dao động δI do sự tăng một chiều I tới giá trị bão hoà. Trong
miền bão hoà của I, trên màng bị thủng (rupture). Điều này được khẳng
định bằng việc hiệu điện thế U giảm và dòng I qua các lỗ màng có giá trị
giống như không có màng . Nếu một màng mới được tạo ra và ta lặp lại thí
nghiệm này thì dòng I được sản ra vẫn có giá trị cũ, tuy nhiên, thời gian
sống của màng, τ
m
(được định nghĩa là thời gian từ khi điện thế ở mức
0 đến khi lên mức 1 của sự tăng dòng mạnh) thường sẽ khác. Đặc trưng
của các thăng giáng, và khoảng thời gian hiện tượng thăng giáng diễn ra,
cũng khác nhau. Tóm lại, độ dẫn và thời gian sống của màng đều thể hiện
những thuộc tính biến thiên ngẫu nhiên. Đó là kết luận chính để có thể
nói rằng hiện tượng tạo lỗ trên màng không có cơ chế hoàn toàn tất định.
Thêm vào đó, khi U tăng thời gian sống trung bình của màng được nhận
thấy là giảm đi rất nhanh. Trong một nghiên cứu điển hình, màng lipid của
não được sử dụng với điện thế bước V
0
= 0.4V [8]. Thời gian sống trung

bình quan sát thấy là ¯τ ≈ 1s. Dòng trong trạng thái cân bằng trước khi
cấu trúc màng bị phá vỡ là I
ss
= 5 × 10
−9
A và dòng sau khi màng thủng
là I
sat
= 5 × 10
−5A
(bị giới hạn bởi điện trở của các lỗ (chamber)). Trong
suốt thời gian sống, một màng sẽ trải qua hai trạng thái: (1) Trạng thái
dòng cân bằng và (2) Trạng thái dòng thăng giáng. Đôi khi, màng chuyển
từ trạng thái thăng giáng trước khi bị thủng về trạng thái ban đầu của nó,
và (nếu độ rộng xung không quá dài) màng vẫn nguyên vẹn. Nếu có một
21
điện thế lớn được đặt vào màng trong một thời gian ngắn, thì màng ban
đầu thường chuyển sang trạng thái bị kích thích dài riêng biệt (khoảng 10
phút), được đặc trưng bởi độ dẫn và thăng giáng dòng lớn thậm chí ở thế
U thấp hơn. Trạng thái đặc biệt này được gọi bằng thuật ngữ "Trạng thái
ứng suất". Hiện tượng phá vỡ cấu trúc không thuận nghịch (thủng) cũng
được nghiên cứu bằng các dùng kỹ thuật xung điện [9]. Trong nghiên cứu
xung điện đầu tiên, màng được tích điện có U = 0.1V (độ rộng xung 400
ns). Sự phóng điện rất thấp. Trong thí nghiệm khác, một xung có cùng
độ rộng nhưng màng được tích hiệu điện thế 0.4V, sau 300 đến 400 µs U
giảm đến 0 theo hình sigma do hiện tượng thủng.
Để xác định cơ chế thủng trên màng, cần làm rõ sự phụ thuộc của ¯τ vào
rất nhiều các thông số, đặc biệt là điện thế màng chuyển U(t). Một số kết
quả điển hình: Điện thế tăng từ 300 đến 600 mV, phụ thuộc vào log
10

¯τ U
gần như tuyến tính. Do đó, khi tăng U đến 100 mV thì ¯τ giảm đi 10 lần.
Với hiệu điện thế U lớn hơn, sự giảm ¯τ tương ứng với sự tăng U trở nên
kém rõ ràng hơn. Ví dụ, khi U tăng từ 200 mV đến 1.4 V, ¯τ
m
giảm hơn
sáu lần độ lớn, đạt tới khoảng 10µs. Trạng thái này phù hợp với lý thuyết
về lỗ sẽ được trình bày trong phần 2.2 .
2.2 Trạng thái khả nghịch của hiện tượng electropo-
ration
Phương pháp phục hồi điện tích cũng đã được dùng để chỉ ra rằng khi
màng cholesterol bị oxy hoá được tích điện nhanh (400ns) đạt khoảng 1V,
độ lớn của điện trở của màng giảm thuận nghịch xuống gần chín bậc [9].
Điểm đáng chú ý là điện thế không thể vượt quá U ≈ 1.2V dù cường độ
xung tiếp tục tăng mạnh. Thêm vào đó, sau khi phóng điện, màng vẫn cân
bằng về mặt cơ học, và có thể lặp lại như quá trình đã diễn ra. Do đó, ta có
thể quan sát được hiện tượng electroporation khả nghịch (gọi tắt là REP)
trên màng phẳng trong thời gian đầu. Bốn loại biểu hiện có thể được phân
biệt trong màng cholesterol phẳng bị oxy hoá được chỉ ra trong bảng (2.1)
22
Trạng thái điện tích đặc trưng Cường độ xung
"Sự đánh thủng thuận nghịch"; Lớn nhất
màng phóng điện đến khi U=0
Sự đánh thủng không hoàn toàn Nhỏ hơn
màng phóng điện đến khi U=0
Sự thủng (về cơ học); Nhỏ hơn nữa
Sự phóng điện chậm theo hình xich-ma
Màng tích điện không có U Nhỏ nhất
Bảng 2.1: Bốn trạng thái khác nhau của hiện tượng electroporation trên màng kép phẳng
Hiện tượng electroporation khả nghịch tiếp đó được nghiên cứu dựa trên

kỹ thuật kẹp (clamp) điện thế. Trạng thái điển hình của I(t) đối với các
ứng dụng thành công trong 20 µs của các xung có điện thế điều chỉnh ở các
độ lớn khác nhau đối với màng cholecterol bị oxy hoá liên quan đến một
vài đặc trưng hồi dòng của I(t). Ban đầu dòng điện nạp trội hơn nhưng
nó nhanh chóng phân rã. Cùng lúc đó, một dòng dẫn của màng chuyển
xuất hiện, và chỉ sau khoảng 5 µs nó trở thành dòng chủ đạo. Cuối cùng,
ở điện thế U = 0.7V dòng dẫn đạt khoảng 5 × 10
−5
A, tương ứng với độ
dẫn G = 10
−5
đến 10
−6
S. Vì vậy, G(t) tăng vượt mức độ dẫn ban đầu,
G
0
= 10
−10
S đến 10
−9
S, 10
4
đến 10
5
lần. Nếu độ rộng xung ngắn hơn,
sự tăng G(t) là khả nghịch, và dòng I(t) đạt giá trị tương tự khi áp dụng
lại xung giống như lần đầu. Tuy nhiên, một xung dài có thể biến hiện
tượng khả nghịch của G(t) trở thành không thuận nghịch. Sự tăng cường
độ xung, V
0

dẫn tới sự tăng nhanh của dòng I(t). Đáng chú ý, hiện tượng
electroporation của tế bào cũng liên quan đến trạng thái khả nghịch giống
trạng thái khả nghịch của màng cholesterol bị oxy hoá.
2.3 Những ảnh hưởng của điện thế chuyển màng
Các lỗ thấm nước (sau đây sẽ gọi là lỗ) về mặt điện tích có thể được coi
như là có năng lượng tương ứng với sự thay đổi của điện dung riêng của
nó, C
LW
, như lipid được thay bằng nước [14]. Người ta thấy rằng, việc các
23