Sự vận chuyển các chất qua màng sinh chất

01Trao đổi chất ở tế bào là gì?

Trao đổi chất ở tế bào là toàn bộ các quá trình tế bào lấy các chất từ môi trường, biến đổi chúng trong tế bào (tổng hợp và phân giải các chất, kèm theo chuyển hoá năng lượng) và thải các chất không cần thiết ra môi trường. Nhờ trao đổi chất, tế bào tồn tại, sinh trưởng và thực hiện chức năng.

• Trao đổi chất qua màng: các chất đi vào, đi ra khỏi tế bào qua màng sinh chất (nội dung chính của bài này).
• Chuyển hoá vật chất và năng lượng bên trong tế bào: các phản ứng tổng hợp và phân giải, có enzyme xúc tác (học ở các bài ATP, enzyme, tổng hợp và phân giải các chất).

02Màng sinh chất có tính thấm chọn lọc

Màng sinh chất được cấu tạo chủ yếu từ lớp kép phospholipid xen kẽ các phân tử protein. Phần đuôi kị nước của phospholipid quay vào trong, tạo thành một lớp ngăn cản phần lớn các chất tan trong nước đi qua tự do.

• Các phân tử nhỏ, không phân cực như O₂, CO₂ có thể khuếch tán trực tiếp qua lớp phospholipid.
• Các ion và phân tử phân cực, kích thước lớn (như glucose) cần đi qua các protein vận chuyển.
• Nước đi qua màng chủ yếu nhờ kênh protein đặc hiệu gọi là aquaporin.

Vì chỉ cho một số chất đi qua theo những cách nhất định, màng sinh chất được gọi là màng có tính thấm chọn lọc. Nhờ đó tế bào duy trì được thành phần bên trong khác với môi trường bên ngoài.

03Vận chuyển thụ động

Vận chuyển thụ động là sự di chuyển các chất qua màng theo chiều gradient nồng độ, từ nơi có nồng độ chất tan cao đến nơi có nồng độ thấp, không tiêu tốn năng lượng ATP.

• Khuếch tán trực tiếp qua lớp kép phospholipid: các chất nhỏ, không phân cực. Ví dụ: O₂ từ phế nang khuếch tán vào máu.
• Khuếch tán qua kênh protein hoặc nhờ protein mang: các ion, các chất phân cực. Ví dụ: glucose đi vào hồng cầu nhờ protein mang.
• Thẩm thấu: sự khuếch tán của nước qua màng có tính thấm chọn lọc. Khi chất tan không đi qua được màng, dòng nước ròng hướng từ nơi có nồng độ chất tan thấp (nhiều nước tự do hơn) sang nơi có nồng độ chất tan cao.

Tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào sự chênh lệch nồng độ hai bên màng, nhiệt độ, kích thước và tính chất của phân tử, cũng như số lượng kênh vận chuyển trên màng.

Ý nghĩa: vận chuyển thụ động giúp tế bào trao đổi nhiều chất với môi trường (lấy O₂, thải CO₂, cân bằng nước) mà không tốn năng lượng.

04Vận chuyển chủ động

Vận chuyển chủ động là sự vận chuyển các chất qua màng ngược chiều gradient nồng độ, từ nơi có nồng độ thấp đến nơi có nồng độ cao. Quá trình này cần protein vận chuyển đặc hiệu (thường gọi là bơm) và tiêu tốn năng lượng, thường lấy từ ATP.

Ví dụ điển hình là bơm Na⁺–K⁺: mỗi chu kì sử dụng một phân tử ATP để đưa 3 ion Na⁺ ra ngoài và 2 ion K⁺ vào trong tế bào, duy trì sự chênh lệch nồng độ ion hai bên màng. Tế bào lông hút ở rễ cũng hấp thụ chủ động nhiều ion khoáng từ đất dù nồng độ các ion này trong đất thấp hơn trong tế bào.

Ý nghĩa: nhờ vận chuyển chủ động, tế bào lấy được những chất cần thiết ngay cả khi nồng độ của chúng bên ngoài thấp hơn bên trong, thải ra những chất không cần thiết và duy trì chênh lệch nồng độ ion hai bên màng.

05Nhập bào và xuất bào

Các phân tử có kích thước lớn hoặc các tiểu phần không đi qua được kênh protein. Tế bào vận chuyển chúng bằng cách biến dạng màng sinh chất, quá trình này cũng tiêu tốn năng lượng.

• Nhập bào: màng sinh chất lõm vào, bao lấy chất cần đưa vào rồi tách ra thành bóng nhập bào. Thực bào là nhập các tiểu phần rắn kích thước lớn như vi khuẩn, mảnh vỡ tế bào (ví dụ bạch cầu bắt vi khuẩn); ẩm bào là nhập các giọt dịch chứa chất hoà tan.
• Nhập bào qua thụ thể: chất cần nhập liên kết với thụ thể đặc hiệu trên màng rồi mới được đưa vào tế bào.
• Xuất bào: các bóng chứa chất (ví dụ protein, hormone) hoà màng với màng sinh chất và giải phóng chất ra ngoài tế bào. Ví dụ: tế bào tuyến tuỵ tiết enzyme tiêu hoá, tế bào tiết hormone insulin.

06Co và phản co nguyên sinh

Tế bào thực vật có thành tế bào cứng bao bên ngoài màng sinh chất. Khi đặt tế bào vào dung dịch ưu trương, nước đi ra khỏi tế bào, khối nguyên sinh chất co lại và tách khỏi thành tế bào. Hiện tượng này gọi là co nguyên sinh.

Nếu sau đó chuyển tế bào đang co nguyên sinh vào nước cất (môi trường nhược trương), nước đi vào tế bào, khối nguyên sinh chất trương lên và áp sát thành tế bào trở lại. Hiện tượng này gọi là phản co nguyên sinh.

Thành tế bào ngăn không cho tế bào thực vật bị vỡ trong môi trường nhược trương. Tế bào động vật như hồng cầu không có thành tế bào: trong môi trường ưu trương hồng cầu mất nước và co lại, trong môi trường quá nhược trương hồng cầu trương lên và có thể vỡ.

07Vận dụng trong thực tiễn

• Muối dưa, muối cà: môi trường nhiều muối là ưu trương so với tế bào rau, nước từ tế bào đi ra làm rau quả quắt lại.
• Dịch truyền vào tĩnh mạch thường là dung dịch đẳng trương (như NaCl 0,9%) để tế bào hồng cầu không bị co lại hoặc trương vỡ.
• Bón quá nhiều phân cho cây làm dung dịch đất trở nên ưu trương, rễ khó hút nước và cây có thể bị héo.

Thực hành và luyện tập