Mục lục bài họcĐang ở d08-b1
Gas Exchange and Infectious Disease
Gas exchange surfaces are Fick's law made visible
The rate of diffusion is proportional to surface area times concentration difference divided by distance, and every feature of the lung is an attack on one of those three terms. Some $300$ million alveoli give a surface area of about $70\ \text{m}^2$. The wall of an alveolus is a single layer of flattened squamous epithelium, and the capillary wall is a single endothelial cell, so the total diffusion distance is under one micrometre. Capillaries are so narrow that red blood cells are squeezed against the wall, and ventilation plus continuous blood flow keep the concentration difference steep. The airways are protected by goblet cells that secrete mucus and ciliated epithelium that sweeps it upwards; tar in cigarette smoke paralyses the cilia, which is why smokers cough.
Four diseases the syllabus names
Cholera is caused by the bacterium Vibrio cholerae, spread in water contaminated with faeces. Its toxin makes intestinal cells secrete chloride ions, which lowers the water potential of the gut contents so water leaves the blood by osmosis — hence severe diarrhoea and dehydration. Malaria is caused by Plasmodium, a protoctist, transmitted by female Anopheles mosquitoes acting as vectors. Tuberculosis is caused by Mycobacterium tuberculosis, spread in airborne droplets, favoured by crowding and by weakened immunity. HIV is a virus transmitted in body fluids; it infects and destroys T helper cells, and when their number falls far enough the person can no longer resist opportunistic infections, which is AIDS.
Antibiotics and resistance
Antibiotics work on structures that bacteria have and human cells do not — the peptidoglycan wall, the $70$S ribosome, bacterial enzymes. Viruses have none of these and reproduce inside host cells, so antibiotics have no target and no effect. Resistance arises by chance mutation, not by exposure: a resistant bacterium already exists in the population, and the antibiotic then acts as a selection pressure that kills the others and leaves it to multiply. Resistance genes are often carried on plasmids and can be passed between bacteria, including between species.
Bề mặt trao đổi khí là định luật Fick được vẽ ra
Tốc độ khuếch tán tỉ lệ với diện tích nhân chênh lệch nồng độ chia quãng đường, và mọi đặc điểm của phổi đều tấn công vào một trong ba số hạng đó. Khoảng $300$ triệu phế nang cho diện tích chừng $70\ \text{m}^2$. Thành phế nang chỉ là một lớp biểu mô dẹt, thành mao mạch chỉ là một tế bào nội mô, nên tổng quãng đường khuếch tán chưa tới một micromet. Mao mạch hẹp tới mức hồng cầu bị ép sát vào thành, còn động tác thở cộng với dòng máu chảy liên tục giữ cho chênh lệch nồng độ luôn dốc. Đường dẫn khí được bảo vệ bằng tế bào hình đài tiết chất nhầy và biểu mô có lông rung quét chất nhầy lên trên; nhựa trong khói thuốc làm liệt lông rung, đó là lý do người hút thuốc bị ho.
Bốn bệnh mà syllabus nêu tên
Cholera do vi khuẩn Vibrio cholerae, lây qua nước nhiễm phân. Độc tố của nó làm tế bào ruột tiết ion chloride ra lòng ruột, làm thế nước trong lòng ruột giảm nên nước rời máu đi ra bằng thẩm thấu — hậu quả là tiêu chảy dữ dội và mất nước. Malaria do Plasmodium, một protoctist, truyền qua muỗi Anopheles cái đóng vai vật trung gian. Lao do Mycobacterium tuberculosis, lây qua giọt bắn trong không khí, thuận lợi khi ở chật chội và khi miễn dịch suy yếu. HIV là virus lây qua dịch cơ thể; nó xâm nhập và phá huỷ tế bào T hỗ trợ, và khi số tế bào đó tụt đủ thấp thì cơ thể không còn chống nổi các nhiễm trùng cơ hội — đó là AIDS.
Kháng sinh và kháng thuốc
Kháng sinh tác động lên những cấu trúc chỉ vi khuẩn có mà tế bào người không có: thành peptidoglycan, ribosome $70$S, các enzyme riêng của vi khuẩn. Virus không có thứ nào trong đó và lại nhân lên bên trong tế bào chủ, nên kháng sinh không có đích để tác động. Kháng thuốc phát sinh do đột biến ngẫu nhiên, không phải do bị phơi nhiễm: một cá thể kháng thuốc đã tồn tại sẵn trong quần thể, và kháng sinh chỉ đóng vai áp lực chọn lọc giết những cá thể còn lại rồi để nó nhân lên. Gene kháng thuốc thường nằm trên plasmid và truyền được giữa các vi khuẩn, kể cả khác loài.
Giải thích theo từng bước vì sao độc tố của Vibrio cholerae gây tiêu chảy nước dữ dội, và giải thích vì sao dung dịch bù nước đường uống lại phải chứa cả muối và glucose.
Bước 1 — độc tố gắn vào tế bào ruột. Độc tố tả gắn vào màng tế bào biểu mô ruột non và làm mở vĩnh viễn các kênh chloride ở màng đỉnh.
Bước 2 — chloride tràn ra lòng ruột. Ion $\ce{Cl-}$ đi ra rất nhiều, và ion $\ce{Na+}$ đi theo để giữ cân bằng điện tích.
Bước 3 — thế nước trong lòng ruột giảm. Thêm nhiều ion nghĩa là thế nước ở đó thấp hơn hẳn thế nước trong máu và trong tế bào.
Bước 4 — nước đi ra bằng thẩm thấu. Nước rời máu và tế bào, đi vào lòng ruột theo chiều thế nước. Lượng nước đổ ra có thể tới nhiều lít mỗi ngày, gây mất nước và mất muối nghiêm trọng, và người bệnh có thể chết vì tụt huyết áp chứ không phải vì bản thân vi khuẩn.
Vì sao dung dịch bù nước phải có cả muối và glucose. Uống nước lã thì nước vào lòng ruột nhưng không có gì kéo nó trở lại máu, thậm chí còn bị đẩy ra tiếp. Ruột có protein đồng vận chuyển mang natri và glucose vào tế bào cùng lúc; protein này vẫn hoạt động bình thường dù có độc tố tả.
Khi natri và glucose được hấp thu vào tế bào, thế nước trong tế bào giảm và nước theo vào bằng thẩm thấu. Thiếu glucose thì protein đồng vận chuyển không chạy, và thiếu natri thì cũng vậy — phải có cả hai. Đây là lý do một công thức đơn giản gồm muối và đường đã cứu được hàng triệu sinh mạng.
Một bệnh viện dùng rộng rãi một loại kháng sinh; sau hai năm, phần lớn các chủng vi khuẩn phân lập được ở đó đều kháng thuốc đó. Giải thích quá trình, và chỉ ra chỗ sai trong câu 'vi khuẩn đã quen dần với kháng sinh nên trở nên kháng thuốc'.
Bước 1 — biến dị có sẵn. Trong quần thể vi khuẩn luôn có đột biến ngẫu nhiên. Một số đột biến tình cờ tạo ra enzyme phân huỷ kháng sinh, hoặc đổi hình protein đích, hoặc tạo bơm tống kháng sinh ra ngoài. Những đột biến này xảy ra trước khi vi khuẩn gặp kháng sinh.
Bước 2 — kháng sinh là áp lực chọn lọc. Khi dùng kháng sinh, các cá thể không mang đột biến bị giết. Cá thể mang đột biến sống sót.
Bước 3 — sinh sản. Cá thể sống sót nhân lên rất nhanh — vi khuẩn chia khoảng $20$ phút một lần — và truyền allele kháng thuốc cho con cháu. Sau nhiều thế hệ, phần lớn quần thể mang allele đó.
Bước 4 — truyền ngang. Gene kháng thuốc thường nằm trên plasmid, và plasmid truyền được sang vi khuẩn khác, kể cả khác loài, qua tiếp hợp. Vì thế tính kháng lan nhanh hơn nhiều so với chỉ di truyền dọc.
Chỗ sai của câu 'quen dần'. Nó ngụ ý rằng từng cá thể vi khuẩn thay đổi bản thân để đáp lại kháng sinh, tức là một lối giải thích kiểu Lamarck. Thực tế cá thể không đổi gì cả; cái đổi là tỉ lệ các kiểu gene trong quần thể. Kháng sinh không tạo ra đột biến, nó chỉ chọn lọc những đột biến đã tồn tại sẵn.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Gas Exchange, Infectious Disease and Immunity gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.