Mục lục bài họcĐang ở d04-b1
The Fluid Mosaic Model and Passive Transport
The fluid mosaic model
A cell surface membrane is a phospholipid bilayer about $7$ nm thick. Each phospholipid has a hydrophilic phosphate head that faces the water on either side and two hydrophobic fatty acid tails that face inwards, so the bilayer forms spontaneously in water. The layer is fluid because individual phospholipids are free to move sideways, and it is a mosaic because proteins of many kinds are scattered through it. Intrinsic proteins span the whole bilayer and act as channels, carriers, pumps or receptors; extrinsic proteins sit on one surface only. Cholesterol packs between the phospholipid tails and regulates fluidity: it stops the membrane becoming too fluid when warm and stops the tails packing solid when cold. Short carbohydrate chains attached to proteins and lipids form glycoproteins and glycolipids, which act in cell recognition and as receptor sites.
What can cross, and how
Small non-polar molecules such as oxygen, carbon dioxide and steroid hormones dissolve in the hydrophobic core and cross by simple diffusion, moving down a concentration gradient without any protein and without ATP. Water crosses partly by simple diffusion and mainly through protein channels called aquaporins. Ions and larger polar molecules such as glucose cannot pass the hydrophobic core, so they use facilitated diffusion through channel or carrier proteins — still down a gradient and still without ATP, but limited by the number of proteins available.
Fick's law tells you what to change
The rate of diffusion is proportional to $\dfrac{\text{surface area} \times \text{difference in concentration}}{\text{distance}}$. Every gas exchange adaptation in the syllabus is an application of this one relationship: alveoli and villi give a huge surface area, a wall one cell thick gives a short distance, and a rich blood supply or ventilation keeps the concentration difference steep.
Mô hình khảm động
Màng sinh chất là một lớp kép phospholipid dày khoảng $7$ nm. Mỗi phospholipid có đầu phosphate ưa nước quay ra phía nước ở hai bên, và hai đuôi acid béo kỵ nước quay vào trong; nhờ vậy lớp kép tự hình thành trong nước mà không cần năng lượng. Màng động vì từng phân tử phospholipid trượt ngang tự do được, và là khảm vì có đủ loại protein cắm rải rác trong đó. Protein intrinsic xuyên hết bề dày và đóng vai kênh, chất mang, bơm hoặc thụ thể; protein extrinsic chỉ bám một mặt. Cholesterol nằm chèn giữa các đuôi acid béo và điều hoà độ linh động: nóng thì nó giữ cho màng khỏi quá lỏng, lạnh thì nó ngăn các đuôi xếp sát thành khối cứng. Các chuỗi carbohydrate ngắn gắn vào protein và lipid tạo thành glycoprotein và glycolipid, làm nhiệm vụ nhận diện tế bào và làm vị trí thụ thể.
Chất nào qua được, và qua bằng cách nào
Phân tử nhỏ không phân cực như oxygen, carbon dioxide và hormone steroid tan được trong lõi kỵ nước nên qua bằng simple diffusion, đi xuôi gradient nồng độ, không cần protein và không cần ATP. Nước qua một phần bằng khuếch tán đơn giản, nhưng chủ yếu qua kênh protein gọi là aquaporin. Ion và phân tử phân cực lớn như glucose không lọt qua lõi kỵ nước được, nên phải dùng facilitated diffusion qua protein kênh hoặc protein mang — vẫn xuôi gradient và vẫn không tốn ATP, nhưng bị chặn bởi số lượng protein có sẵn.
Định luật Fick cho biết phải đổi cái gì
Tốc độ khuếch tán tỉ lệ với $\dfrac{\text{diện tích bề mặt} \times \text{chênh lệch nồng độ}}{\text{quãng đường}}$. Mọi thích nghi trao đổi khí trong syllabus đều là ứng dụng của đúng một hệ thức này: phế nang và lông ruột cho diện tích khổng lồ, thành dày một lớp tế bào cho quãng đường ngắn, còn máu chảy liên tục hay động tác thở giữ cho chênh lệch nồng độ luôn dốc.
Bốn chất cần vào một tế bào: oxygen, ion $\ce{Na+}$, glucose và một hormone steroid. Với mỗi chất, cho biết cách qua màng và lý do rút ra từ cấu tạo của màng.
Oxygen — simple diffusion. Phân tử nhỏ và không phân cực, nên tan được trong lõi kỵ nước của lớp kép và đi thẳng qua. Không cần protein, không cần ATP, đi xuôi gradient.
Hormone steroid — cũng simple diffusion. Steroid có bản chất lipid nên hoà tan rất tốt trong lõi kỵ nước. Đây là lý do thụ thể của hormone steroid nằm bên trong tế bào, khác với hormone protein phải có thụ thể trên bề mặt.
Glucose — facilitated diffusion. Glucose phân cực và khá lớn nên lõi kỵ nước chặn lại. Nó qua nhờ protein mang chuyên biệt, vẫn đi xuôi gradient và không tốn ATP. Vì số protein mang có hạn nên tốc độ hấp thu bão hoà ở nồng độ ngoài đủ cao.
Ion $\ce{Na+}$ — tuỳ chiều gradient. Ion mang điện nên không thể xuyên lõi kỵ nước; nếu đi xuôi gradient thì qua kênh ion bằng facilitated diffusion. Nhưng ở tế bào thần kinh, natri phải bị đẩy ra ngoài ngược gradient, và khi đó phải dùng active transport với bơm natri–kali và ATP.
Nguyên tắc gói gọn: hỏi hai câu — chất có tan trong lipid không, và nó đi xuôi hay ngược gradient. Hai câu đó xác định luôn cả bốn trường hợp.
Một mô hình mô có tốc độ khuếch tán $8$ đơn vị. Diện tích bề mặt được tăng gấp ba, quãng đường khuếch tán giảm còn một nửa, và chênh lệch nồng độ giảm đi một phần ba so với ban đầu. Tính tốc độ mới.
Bước 1 — viết hệ thức. Tốc độ tỉ lệ với $\dfrac{A \times \Delta C}{d}$.
Bước 2 — chuyển từng thay đổi thành hệ số. Diện tích gấp ba: nhân $3$. Quãng đường còn một nửa: chia cho $0{,}5$, tức nhân $2$. Chênh lệch nồng độ giảm đi một phần ba nghĩa là còn lại hai phần ba: nhân $\dfrac{2}{3}$.
Bước 3 — nhân các hệ số. $3 \times 2 \times \dfrac{2}{3} = 4$.
Bước 4 — áp vào giá trị ban đầu. Tốc độ mới $= 8 \times 4 = 32$ đơn vị.
Hai chỗ dễ sai. Thứ nhất, quãng đường nằm ở mẫu số, nên giảm một nửa làm tốc độ tăng gấp đôi; nhiều bài làm nhân $0{,}5$ và ra kết quả nhỏ hơn bốn lần. Thứ hai, 'giảm đi một phần ba' khác hẳn 'giảm còn một phần ba': cái trước cho hệ số $\dfrac{2}{3}$, cái sau cho $\dfrac{1}{3}$. Đề Cambridge dùng cách diễn đạt này rất có chủ ý.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Cell Membranes and Transport gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.