Mục lục bài họcĐang ở d04-b2
Osmosis, Water Potential and Active Transport
Water potential, and why it is always negative in cells
Water potential $\psi$ measures the tendency of water to leave a system, in kilopascals. Pure water at atmospheric pressure has $\psi = 0$, the highest value possible, and water always moves from higher water potential to lower water potential. In a cell, $\psi = \psi_s + \psi_p$, where the solute potential $\psi_s$ is always negative because dissolved solutes lower water potential, and the pressure potential $\psi_p$ is positive in a turgid plant cell because the cell wall pushes back on the protoplast.
Plant cell, animal cell, same rule, different endings
Place a plant cell in pure water and water enters; the protoplast presses on the wall, $\psi_p$ rises and eventually cancels the inward pull, so the cell becomes turgid and stops taking in water. Place it in a strong solution and water leaves; the protoplast shrinks away from the wall — plasmolysis. The point at which the protoplast has just stopped pressing on the wall, so $\psi_p = 0$ and $\psi = \psi_s$, is incipient plasmolysis. An animal cell has no wall, so in pure water it swells and bursts (haemolysis in a red blood cell) and in a strong solution it shrinks and becomes crenated.
Active transport and bulk transport
Active transport moves a substance against its concentration gradient using a carrier protein and ATP. The carrier binds the solute, ATP is hydrolysed, the carrier changes shape and releases the solute on the far side. The classic example is the sodium–potassium pump, which moves three $\ce{Na+}$ out for every two $\ce{K+}$ in. Because active transport depends on respiration, it is stopped by respiratory inhibitors such as cyanide and by lack of oxygen — the standard experimental test for distinguishing it from diffusion. Endocytosis and exocytosis move bulk quantities inside vesicles, and both also require ATP.
Water potential, và vì sao trong tế bào nó luôn âm
Water potential $\psi$ (thế nước) đo xu hướng nước rời khỏi một hệ, đơn vị kilopascal. Nước tinh khiết ở áp suất khí quyển có $\psi = 0$ — giá trị cao nhất có thể — và nước luôn đi từ nơi thế nước cao sang nơi thế nước thấp, tức từ ít âm sang âm hơn. Trong tế bào, $\psi = \psi_s + \psi_p$, trong đó solute potential $\psi_s$ luôn âm vì chất tan làm hạ thế nước, còn pressure potential $\psi_p$ dương ở tế bào thực vật trương nước vì thành tế bào ép ngược lại khối nguyên sinh.
Cùng một luật, hai kết cục khác nhau
Đặt tế bào thực vật vào nước cất: nước đi vào, khối nguyên sinh ép lên thành, $\psi_p$ tăng dần và cuối cùng triệt tiêu lực hút vào, nên tế bào trương nước và ngừng nhận nước. Đặt vào dung dịch đặc: nước đi ra, khối nguyên sinh co lại rời khỏi thành — plasmolysis (co nguyên sinh). Thời điểm khối nguyên sinh vừa thôi ép lên thành, tức $\psi_p = 0$ và $\psi = \psi_s$, gọi là incipient plasmolysis (co nguyên sinh chớm). Tế bào động vật không có thành, nên trong nước cất nó phồng lên rồi vỡ (haemolysis ở hồng cầu), còn trong dung dịch đặc thì teo lại và răn reo.
Vận chuyển chủ động và vận chuyển khối
Active transport đưa chất đi ngược gradient nồng độ, dùng protein mang và ATP. Chất tan gắn vào protein mang, ATP bị thuỷ phân, protein đổi hình và nhả chất tan ở phía bên kia. Ví dụ kinh điển là sodium–potassium pump: đẩy ba ion $\ce{Na+}$ ra để đổi lấy hai ion $\ce{K+}$ vào. Vì phụ thuộc hô hấp, vận chuyển chủ động bị chặn bởi chất ức chế hô hấp như cyanide và bởi thiếu oxygen — đó chính là phép thử thực nghiệm chuẩn để phân biệt nó với khuếch tán. Endocytosis và exocytosis chuyển khối lượng lớn trong túi màng, và cả hai cũng đều cần ATP.
Một tế bào thực vật có $\psi_s = -1100$ kPa và $\psi_p = 450$ kPa. Nó được đặt vào một dung dịch có thế nước $-800$ kPa. Tính thế nước của tế bào, cho biết nước đi vào hay đi ra, và giải thích điều gì xảy ra với $\psi_p$ sau đó.
Bước 1 — tính thế nước của tế bào. $\psi = \psi_s + \psi_p = -1100 + 450 = -650$ kPa. Chú ý dấu: $\psi_s$ luôn âm, $\psi_p$ ở tế bào trương nước thì dương, và ta cộng hai số chứ không trừ.
Bước 2 — so sánh. Tế bào $-650$ kPa, dung dịch $-800$ kPa. Số nào ít âm hơn thì thế nước cao hơn, ở đây là tế bào.
Bước 3 — kết luận chiều. Nước đi từ cao sang thấp, tức ra khỏi tế bào, vào dung dịch.
Bước 4 — điều gì xảy ra tiếp. Nước ra làm khối nguyên sinh co bớt, nên nó ép lên thành yếu đi và $\psi_p$ giảm. Đồng thời chất tan bên trong bị cô đặc lại nên $\psi_s$ càng âm thêm một chút. Cả hai đều kéo $\psi$ của tế bào xuống, và quá trình dừng khi $\psi$ của tế bào bằng $-800$ kPa.
Kiểm tính hợp lý: nếu $\psi_p$ tụt tới $0$ trước khi cân bằng thì tế bào đã tới incipient plasmolysis, và khi đó $\psi = \psi_s$. Ở bài này thì $\psi_s$ ban đầu là $-1100$, âm hơn $-800$, nên tế bào sẽ cân bằng trước khi co nguyên sinh hoàn toàn.
Rễ cây hấp thu ion nitrate từ đất nơi nồng độ nitrate rất thấp, trong khi nồng độ trong tế bào rễ cao hơn nhiều. Thiết kế bằng chứng cho thấy đây là vận chuyển chủ động chứ không phải khuếch tán, và nêu hai kết quả dự kiến.
Bằng chứng thứ nhất — chiều gradient. Nồng độ trong tế bào cao hơn ngoài đất mà chất vẫn tiếp tục đi vào. Khuếch tán theo định nghĩa chỉ chạy xuôi gradient, nên riêng dữ kiện này đã loại khuếch tán, dù đơn giản hay tăng cường.
Bằng chứng thứ hai — chặn hô hấp. Chia rễ thành hai lô giống nhau. Lô đối chứng để trong dung dịch nitrate có sục khí; lô thí nghiệm để trong đúng dung dịch đó nhưng thêm cyanide, chất ức chế chuỗi vận chuyển electron nên chặn tổng hợp ATP. Đo lượng nitrate hấp thu sau một khoảng thời gian.
Kết quả dự kiến: lô có cyanide hấp thu ít hơn rất nhiều, gần như bằng không. Nếu là khuếch tán thì cyanide không ảnh hưởng gì, vì khuếch tán không dùng ATP.
Bằng chứng thứ ba — thiếu oxygen. Lặp lại thí nghiệm nhưng thay cyanide bằng cách sục khí nitrogen để đuổi oxygen. Kết quả dự kiến cũng là hấp thu giảm mạnh, vì thiếu oxygen thì hô hấp hiếu khí dừng và ATP cạn.
Biến phải kiểm soát: nhiệt độ, nồng độ nitrate ngoài, khối lượng rễ và thời gian phải như nhau ở mọi lô — nếu không thì chênh lệch quan sát được có thể do chính chúng gây ra chứ không do ATP.
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.