Mục lục bài họcĐang ở d03-b2
Membrane Transport and Cell Compartmentalisation
Four ways across a membrane
- Simple diffusion — small, non-polar molecules ($\ce{O2}$, $\ce{CO2}$, steroids) dissolve straight through the hydrophobic core. Rate is proportional to the concentration gradient and never saturates.
- Facilitated diffusion — ions and polar molecules such as glucose pass through channel or carrier proteins, still down the gradient and still without ATP, but the rate saturates once every protein is occupied.
- Osmosis — net movement of water across a partially permeable membrane from a region of higher (less negative) water potential to a region of lower water potential. Water potential falls as solute is added and rises with pressure.
- Active transport — pump proteins move solute against its gradient using ATP. The sodium-potassium pump exports $3\ \ce{Na+}$ and imports $2\ \ce{K+}$ per ATP hydrolysed, so it is electrogenic and leaves the inside of the cell more negative.
Material too large for any protein moves by endocytosis and exocytosis, in which the membrane itself invaginates or fuses to form vesicles. Both require ATP and both depend on the fluidity of the bilayer.
Compartmentalisation
Eukaryotic cells divide their volume into membrane-bound compartments. The nucleus holds DNA and carries out transcription; ribosomes translate; rough ER folds and channels secreted proteins; the Golgi apparatus modifies and packages them; lysosomes hold hydrolytic enzymes at pH $4.5$; mitochondria carry out aerobic respiration on a folded inner membrane; chloroplasts hold thylakoids for photosynthesis. Compartmentalisation raises efficiency because enzymes and substrates are concentrated in a small volume, incompatible conditions can coexist, damaging enzymes are kept away from the cytoplasm, and membrane surface is created for membrane-bound enzyme systems. On top of this, cell specialisation means different cell types express different genes and therefore build different organelle profiles.
Bốn con đường qua màng
- simple diffusion (khuếch tán đơn giản): phân tử nhỏ, không phân cực như $\ce{O2}$, $\ce{CO2}$ tan thẳng qua lõi kị nước. Tốc độ tỉ lệ thuận với gradient nồng độ và không bao giờ bão hoà, vì không phụ thuộc protein nào cả.
- facilitated diffusion (khuếch tán tăng cường): ion và phân tử phân cực như glucose đi qua channel protein hoặc carrier protein. Vẫn xuôi gradient, vẫn không tốn ATP, nhưng bão hoà khi mọi protein đã bận.
- osmosis (thẩm thấu): nước đi từ nơi có water potential cao hơn (ít âm hơn) sang nơi thấp hơn, qua màng bán thấm. Thêm chất tan thì water potential giảm; thêm áp suất thì tăng. Nước tinh khiết ở áp suất khí quyển có water potential bằng $0$, nên mọi dung dịch đều âm.
- active transport (vận chuyển chủ động): protein bơm đẩy chất tan ngược gradient, tốn ATP. sodium-potassium pump đẩy $3\ \ce{Na+}$ ra và kéo $2\ \ce{K+}$ vào cho mỗi ATP, nên mỗi vòng bơm chuyển ra một điện tích dương ròng, làm trong tế bào âm hơn.
Thứ quá lớn cho mọi protein thì đi bằng endocytosis (màng lõm vào rồi thắt lại thành túi) và exocytosis (túi dung hợp với màng rồi nhả ra ngoài). Cả hai đều cần ATP và đều phụ thuộc độ linh động của lớp kép.
Ngăn hoá (compartmentalisation) — vì sao chia ngăn lại hiệu quả hơn
Bào quan và việc của chúng: nucleus giữ ADN và làm transcription; ribosome làm translation; rough ER gấp và dẫn protein tiết; Golgi apparatus sửa và đóng gói; lysosome chứa enzim thuỷ phân ở pH $4{,}5$; mitochondria hô hấp hiếu khí trên màng trong gấp nếp; chloroplast chứa thylakoid để quang hợp. Bốn lợi ích của việc chia ngăn: (1) enzim và cơ chất bị dồn vào thể tích nhỏ nên nồng độ cao, phản ứng nhanh hơn; (2) các điều kiện không thể chung sống vẫn tồn tại song song, ví dụ pH $4{,}5$ trong lysosome cạnh bào tương pH $7{,}2$; (3) enzim nguy hiểm bị nhốt, rò ra là tế bào tự tiêu; (4) màng gấp nếp tạo diện tích cho hệ enzim gắn màng. Thêm vào đó, cell specialisation nghĩa là mỗi loại tế bào biểu hiện một bộ gen khác nhau nên có hồ sơ bào quan khác nhau — tế bào tiết thì đầy rough ER và Golgi, tế bào cơ tim thì đầy ti thể.
Dùng đồ thị khối lượng trụ khoai tây trong bài này. Hãy nêu cách xác định thế nước của mô khoai từ đồ thị, giải thích vì sao phải dùng điểm cắt trục hoành chứ không dùng điểm khối lượng lớn nhất, và cho biết chuyện gì xảy ra với tế bào khoai ở nồng độ $0{,}6$ mol/dm3.
Cách đọc. Trục tung là phần trăm thay đổi khối lượng, nên điểm cắt trục hoành là nồng độ mà khối lượng không đổi, tức không có dòng nước ròng ra hay vào. Không có dòng nước ròng nghĩa là hai bên màng có water potential bằng nhau. Đồ thị cắt tại $0{,}25$ mol/dm3, và dung dịch sucrose $0{,}25$ mol/dm3 có thế nước $-0{,}70$ MPa, nên mô khoai cũng có thế nước $-0{,}70$ MPa.
Vì sao không lấy điểm khối lượng lớn nhất. Khối lượng lớn nhất nằm ở nước cất, nơi chênh lệch thế nước là lớn nhất chứ không phải bằng không. Lấy điểm đó là trả lời nhầm câu hỏi: đề hỏi điểm cân bằng, mà cân bằng ứng với thay đổi bằng $0$.
Ở $0{,}6$ mol/dm3. Dung dịch âm hơn mô rất nhiều nên nước rời tế bào. Không bào co lại, màng sinh chất tách khỏi thành tế bào — đó là plasmolysis. Thành cellulose vẫn giữ nguyên hình dạng bên ngoài, nên trụ khoai không teo nhìn thấy được nhiều nhưng mất tới $20\%$ khối lượng.
Bẫy thao tác thí nghiệm: phải thấm khô trụ khoai theo đúng một cách trước và sau khi ngâm. Nước bám ngoài không phải nước đi vào tế bào, và nó đủ để đẩy điểm cắt lệch đi cả một nấc nồng độ.
Dùng đồ thị tốc độ vận chuyển theo nồng độ chất tan trong bài này. Ở $20$ mmol/dm3, khuếch tán tăng cường nhanh hơn khuếch tán đơn giản; ở $40$ mmol/dm3 thì ngược lại. Hãy giải thích, và cho biết điều gì xảy ra với cả ba đường nếu ta thêm chất ức chế hô hấp cyanide.
Vì sao đổi ngôi. Khuếch tán tăng cường phụ thuộc số protein vận chuyển có trên màng. Khi nồng độ còn thấp, các protein này giữ chất tan và đưa qua nhanh hơn nhiều so với việc tự chui qua lõi kị nước, nên đường xanh lá vượt lên: ở $20$ mmol/dm3 nó đạt $20$ đơn vị còn khuếch tán đơn giản chỉ $12$. Nhưng số protein là hữu hạn, nên đường xanh lá bão hoà quanh $22$ đơn vị.
Khuếch tán đơn giản không dùng protein nào, nên nó chỉ tuân theo gradient: gradient gấp đôi thì tốc độ gấp đôi, đường thẳng đi mãi. Ở $40$ mmol/dm3 nó đạt $24$ đơn vị và vượt qua đường đã bão hoà. Điểm giao nhau nằm quanh $37$ mmol/dm3.
Khi thêm cyanide. Cyanide chặn chuỗi vận chuyển electron nên tế bào hết ATP. Chỉ active transport phụ thuộc ATP, nên đường đỏ tụt về gần $0$. Hai đường còn lại là quá trình thụ động, chạy bằng năng lượng của chính gradient nồng độ, nên trước mắt không đổi.
Bước suy luận thứ hai mà đề IB hay hỏi thêm: về lâu dài hai đường thụ động cũng chậm lại, vì bơm ngừng làm gradient bị san phẳng dần, mà gradient chính là động lực của chúng.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Theme B1–B2 — Molecules and Membranes gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận, ra khó hơn đề thật 30–50%. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.