Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng Lý sinh: Phần 1 cung cấp cho người học những kiến thức như: nhiệt động học hệ sinh vật; tính thấm của tế bào và mô; sự vận chuyển máu và khí trong cơ thể sống; điện động học. Mời các bạn cùng tham khảo!
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY NGUYÊN KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN & CÔNG NGHỆ BỘ MÔN SINH HỌC BÀI GIẢNG LÝ SINH Đắk Lắk, 2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY NGUYÊN KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN & CÔNG NGHỆ BỘ MÔN SINH HỌC BÀI GIẢNG LÝ SINH Biên soạn: Nguyễn Minh Trung Đắk Lắk, 2019 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 MỤC TIÊU MÔN HỌC MỘT SỐ KHÁI NIỆM VAI TRÒ VẬT LÝ VÀ SINH HỌC TRONG LÝ SINH HỌC VỊ TRÍ CỦA LÝ SINH HỌC TRONG NỀN KHOA HỌC KỸ THUẬT HIỆN ĐẠI SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN LÝ SINH HỌC Chương NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT 1.1 NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN 1.2.1 Hệ nhiệt động 1.2.2 Trạng thái 1.2.3 Quá trình 1.2.4 Năng lượng – Nội 1.2.5 Công nhiệt 1.3 ĐỊNH LUẬT I NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT 10 1.3.1 Định luật I nhiệt động học 10 1.3.2 Hiệu ứng nhiệt phản ứng hóa học Định luật Hess 11 1.3.3 Các dạng công nhiệt thể sống 12 1.3.4 Áp dụng định luật I nhiệt động học vào hệ thống sống 14 1.3.5 Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp 14 1.4 ĐỊNH LUẬT II NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT 16 1.4.1 Quá trình thuận nghịch trình bất thuận nghịch 16 1.4.2 Một vài thông số nhiệt động quan trọng 16 1.4.3 Định luật II nhiệt động học 19 1.4.4 Áp dụng định luật II nhiệt động học vào hệ thống sống 19 Chương TÍNH THẤM CỦA TẾ BÀO VÀ MÔ 24 2.1 PHÂN TỬ VÀ DUNG DỊCH TRONG CƠ THỂ SINH VẬT 24 2.1.1 Phân tử ion thể sinh vật 24 2.1.2 Dung dịch thể sinh vật 25 2.2 CÁC HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT CƠ BẢN TRONG CƠ THỂ SINH VẬT 26 2.2.1 Hiện tượng khuếch tán 26 2.2.2 Hiện tượng thẩm thấu 28 2.2.3 Hiện tượng lọc siêu lọc 31 2.3 MÀNG TẾ BÀO VÀ CÁC CON ĐƯỜNG THÂM NHẬP CỦA VẬT CHẤT VÀO TRONG TẾ BÀO 32 2.3.1 Màng tế bào 32 2.3.2 Các đường thâm nhập vật chất vào tế bào 35 2.4 ĐỘNG LỰC VÀ CƠ CHẾ VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT QUA MÀNG 35 2.4.1 Vận chuyển thụ động 35 2.4.2 Vận chuyển tích cực 37 2.4.3 Thực bào ẩm bào 42 2.5 SỰ THÂM NHẬP CỦA NƯỚC VÀO TRONG TẾ BÀO 42 2.5.1 Sự thẩm thấu .43 2.5.2 Quá trình siêu lọc nước 43 2.6 TÍNH THẤM CỦA TẾ BÀO VÀ MƠ ĐỐI VỚI ACID VÀ KIỀM 44 2.6.1 Đối với acid mạnh, kiềm mạnh 44 2.6.2 Đối với acid yếu, kiềm yếu .44 Chương SỰ VẬN CHUYỂN MÁU VÀ KHÍ TRONG CƠ THỂ SỐNG .46 3.1 TRẠNG THÁI VẬT LÝ, VẬT CHẤT CỦA CÁC CHẤT LỎNG VÀ KHÍ 46 3.1.1 Tính chất vật lý chất khí chất lỏng 46 3.1.2 Các mơ hình dịng tính đặc biệt dòng thực 49 3.2 SỰ VẬN CHUYỂN MÁU TRONG CƠ THỂ SỐNG 52 3.2.1 Sơ lược tính chất vật lý hệ tuần hoàn 52 3.2.2 Sự thay đổi áp suất tốc độ chảy máu đoạn mạch 56 3.2.3 Đặc điểm thể dịch máu hệ tuần hoàn máu .58 3.2.4 Những yếu tố khách quan ảnh hưởng đến tuần hoàn máu .59 3.3 SỰ VẬN CHUYỂN KHÍ TRONG CƠ THỂ NGƯỜI .61 3.3.1 Sơ lược quan hô hấp hoạt động hô hấp .61 3.3.2 Sự vận chuyển khí thể .62 3.3.3 Vai trò máu trao đổi khí 64 3.3.4 Những yếu tố ảnh hưởng tới q trình trao đổi khí 65 Chương ĐIỆN ĐỘNG HỌC 68 4.1 CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC 68 4.1.1 Điện di .68 4.1.2 Điện thẩm 68 4.1.3 Điện chảy 69 4.1.4 Điện lắng 69 4.2 BẢN CHẤT CỦA THẾ ĐIỆN ĐỘNG 69 4.2.1 Nguồn gốc điện tích bề mặt .69 4.2.2 Cấu trúc lớp điện kép .70 4.2.3 Điện Zeta () cách xác định 71 4.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện Zeta 72 4.2.5 Ý nghĩa sinh học Zeta điện 72 4.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN DI .73 4.3.1 Phương pháp điện di dung dịch tự 73 4.3.2 Phương pháp điện di chất giá 74 4.3.3 Phương pháp vi điện di 75 Chương DÒNG ĐIỆN VÀ SỰ SỐNG 77 5.1 CÁC LOẠI ĐIỆN THẾ CƠ BẢN 78 5.1.1 Điện điện cực (electrode) 78 5.1.2 Điện ion 79 5.2 CÁC LOẠI ĐIỆN THẾ SINH VẬT 81 5.2.1 Điện tĩnh 81 5.2.2 Điện hoạt động 82 5.2.3 Điện tổn thương 85 5.3 BẢN CHẤT VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH ĐIỆN THẾ SINH VẬT 86 5.3.1 Nguồn gốc chất điện tĩnh 86 5.3.2 Bản chất chế hình thành điện hoạt động 88 5.3.3 Hạn chế lý thuyết ion màng vai trò ion Ca++ 90 5.4 ĐẠI CƯƠNG VỀ KÍCH THÍCH CƠ VÀ THẦN KINH 91 5.4.1 Nguồn kích thích thời gian kích thích 91 5.4.2 Đáp ứng kích thích 92 5.4.3 Sự dẫn truyền xung động thần kinh 92 Chương HIỆN TƯỢNG ÂM TRÊN CƠ THỂ SỐNG 98 6.1 DAO ĐỘNG VÀ SÓNG TRONG VẬT LÝ 98 6.1.1 Các loại dao động tính chất chung chúng 98 6.1.2 Sóng học, sóng âm Hiệu ứng Doppler 100 Hiệu ứng Doppler 105 6.2 LÝ SINH QUÁ TRÌNH NGHE 106 6.2.1 Sơ lược quan cảm thụ nghe cảm giác âm 106 b Các đặc trưng cảm giác âm 107 6.2.2 Cơ chế trình nghe 109 6.3 ỨNG DỤNG ÂM VÀ SIÊU ÂM TRONG Y SINH HỌC 111 6.3.1 Phương pháp âm chẩn đoán bệnh 111 6.3.2 Ứng dụng siêu âm ngành Y 113 Chương QUANG SINH HỌC 116 7.1 BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG 116 7.1.1 Những lý thuyết 116 7.1.2 Thuyết sóng điện từ 116 7.1.3 Thuyết lượng tử ánh sáng 118 7.1.4 Các mức lượng điện tử nguyên tử 118 7.2 CÁC GIAI ĐOẠN CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH QUANG SINH HỌC 119 7.2.1 Quy luật hấp thụ ánh sáng 120 7.2.2 Sự phát quang 122 7.2.3 Sự di chuyển lượng hệ sinh vật 125 7.2.4 Phản ứng quang hóa 127 7.3 MỘT SỐ TÁC DỤNG CỦA ÁNH SÁNG LÊN CƠ THỂ SỐNG 129 7.3.1 Quang hợp 129 7.3.2 Sinh tổng hợp sắc tố vitamin 131 7.3.3 Tác dụng quang động lực 132 7.3.4 Tia tử ngoại hiệu ứng sinh học 133 7.4 LÝ SINH THỊ GIÁC 136 7.4.1 Sơ lược cấu trúc giải phẩu quan thị giác 136 7.4.2 Cơ chế quang hóa thụ cảm ánh sáng xảy võng mạc 137 7.4.3 Một số tượng đặc biệt 139 7.5 PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ 140 7.5.1 Cơ sở vật lý 140 7.5.2 Các ứng dụng 142 7.4.3 Ưu điểm phép phân tích quang phổ 143 Chương BỨC XẠ ION HÓA VÀ CƠ THỂ SỐNG 145 8.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ BỨC XẠ ION HÓA 145 8.1.1 Các nguồn xạ ion hóa 145 8.1.2 Bức xạ ion hóa có chất sóng điện từ 145 8.1.3 Bức xạ ion hóa có chất hạt 146 8.2 TÁC DỤNG CỦA BỨC XẠ ION HÓA LÊN VẬT CHẤT 148 8.2.1 Tác dụng xạ ion hóa có chất sóng điện từ 149 8.2.2 Tác dụng xạ ion hóa có chất hạt 150 8.2.3 Những đơn vị đo liều lượng 151 8.3 TÁC DỤNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ ION HÓA 153 8.3.1 Cơ chế chung tác dụng sinh học xạ ion hóa 154 8.3.2 Tổn thương xạ ion hóa 155 8.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng sinh học xạ ion hóa 159 8.4 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA BỨC XẠ ION HÓA 161 8.4.1 Phân tích cấu trúc vật chất tia X 161 7.4.2 Ứng dụng đồng vị phóng xạ y sinh học 163 8.5 AN TỒN PHĨNG XẠ 164 8.5.1 Khái niệm 164 8.5.2 Chiếu xạ nhiễm xạ 165 8.5.3 Các ngun tắc kiểm sốt an tồn phóng xạ 165 8.5.4 Các biện pháp đảm bảo an tồn phóng xạ 166 TÀI LIỆU THAM KHẢO 169 MỞ ĐẦU MỤC TIÊU MÔN HỌC Lý sinh môn học sở giảng dạy cho sinh viên khối ngành y dược sinh học Trường Đại học Tây Nguyên Đây môn khoa học cần thiết cho người nghiên cứu lĩnh vực sinh vật học y sinh học Để đáp ứng nhu cầu học tập sinh viên, biên soạn tập giảng Lý sinh nhằm mục đích cung cấp kiến thức nhằm đưa người học vươn tới mục tiêu tổng quát sau: Trình bày khái niệm Lý sinh học Giải thích chế vật lý trình sinh học Áp dụng kiến thức học vào thực tế học tập nghiên cứu Trình bày số phương pháp vật lý sử dụng nghiên cứu lý sinh Có khả tiếp cận làm việc với số thiết bị đo lường lý sinh đại MỘT SỐ KHÁI NIỆM Thế giới tự nhiên chất vật chất Vật chất tồn khách quan, tác động vào giác quan gây cho ta cảm giác Vật chất tồn dạng chất trường, vận động khơng ngừng, nhiều dạng hình Vận động phương thức tồn vật chất, thuộc tính bên trong, bao gồm biến đổi, trình xảy tự nhiên từ di chuyển đơn giản đến tư phức tạp Nghiên cứu giới tự nhiên, tức nghiên cứu giới vật chất Mục đích mơn khoa học tự nhiên nghiên cứu dạng vận động vật chất để tìm qui luật biến đổi nó, hiểu chất trình, chinh phục sử dụng phục vụ đời sống người Căn vào dạng vận động cụ thể vật chất, người ta phân loại môn khoa học tự nhiên như: Vật lý, Hóa học, Sinh học… Vật lý học môn khoa học nghiên cứu dạng vận động tổng quát giới vật chất không gian thời gian, với khái niệm liên hệ lượng lực Đối tượng nghiên cứu dạng vận động vật lý, bao gồm: vận động cơ, vận động hấp dẫn, vận động nhiệt, vận động điện từ, vận động nguyên tử, vận động hạt nhân Phương pháp nghiên cứu vật lý học gồm có hai phương pháp chính: − Phương pháp quan sát thí nghiệm: Tiến hành lập nên mơ hình thí nghiệm cho tượng, lặp lại thí nghiệm, thay đổi điều kiện chi phối tượng rút kết luận có tính quy luật tượng Phương pháp nhằm tìm định luật vật lý: mơ tả chất, mối liên hệ thuộc tính tượng tự nhiên − Phương pháp lý thuyết: Để giải thích tính chất, định luật tượng, người ta đưa giả thuyết, mô chất tượng Xây dựng nên giả thuyết thường kèm theo đơn giản hóa, sơ đồ hóa tượng Sự đắn giả thuyết, tùy thuộc vào mức độ phù hợp với thực nghiệm kết suy từ giả thuyết Sinh học mơn khoa học sống Nó nhánh khoa học tự nhiên, tập trung nghiên cứu cá thể sống, mối quan hệ chúng với môi trường Đối tượng nghiên cứu sinh học cách tổng quát thể sống mối liên hệ thể sống với môi trường Cụ thể là: Cấu trúc sống, cấu trúc chức thể sống, đa dạng tiến hóa sinh vật mối quan hệ hữu sinh Không sử dụng cơng thức tốn học để miêu tả q trình sinh lý hệ thống sinh học vật lý học, sinh học sử dụng hệ thống khái niệm nguyên lý riêng bao gồm: tính phổ biến (universality), tiến hóa (evolution), tính đa dạng (diversity), tính liên tục (continuity), trạng thái cân nội môi mối quan hệ hữu (interactions) Trong trình phát triển khoa học, gắn kết môn khoa học tự nhiên quan tâm nhà khoa học để tìm chất chung tượng tự nhiên Do vậy, môn khoa học liên ngành hóa lý, hóa sinh, lý sinh đời Hiệp hội lý sinh giới (Biophysical Society https://www.biophysics.org/) định nghĩa: Lý sinh học môn khoa học ứng dụng nguyên tắc vật lý hóa học với phương pháp tốn học thống kê mơ hình máy tính để tìm hiểu hoạt động hệ thống sống Định nghĩa cho thấy: − Mục đích lý sinh học tìm hiểu vai trị quy luật vật lý, hóa lý chi phối q trình xảy tổ chức sống từ mức độ phân tử, tế bào đến thể − Để hiểu lý sinh cần có vốn kiến thức định môn khoa học khác sinh học, vật lý, hóa học, tốn học thống kê… − Về đối tượng nghiên cứu, lý sinh có đối tượng nghiên cứu gần với sinh học Về phương pháp nghiên cứu lý sinh gần với vật lý học Về tổng thể, thấy rằng, ta dùng vật lý học để hiểu biết sinh học làm ngược lại VAI TRÒ VẬT LÝ VÀ SINH HỌC TRONG LÝ SINH HỌC Lý sinh môn khoa học liên ngành, vật lý đóng vai trị phương pháp nghiên cứu lý thuyết nhằm giải thích q trình sinh học Cụ thể là: Vật lý học cung cấp phương pháp để giúp nhà khoa học có nhìn rõ hệ thống sống mối liên hệ chúng cơng cụ như: o Kính hiển vi: quang học, điện tử, AFM, STM, SNOM, SMD o X-Quang, cộng hưởng từ hạt nhân o Mơ hình tốn học, tin sinh học Ngoài ra, lý thuyết vật lý cung cấp nguyên tắc để giải thích chế tượng mô tả định lượng chúng Cụ thể: o o o o o Phân cực điện hóa (phân cực màng, dẫn truyền thần kinh, …) H, S, G (trao đổi chất, cuộn gấp…) Khuếch tán (trao đổi chất qua màng tế bào) Mô chuyển động phân tử Lý thuyết hệ thống hoàn chỉnh Nếu vật lý đóng vai trị “cơng cụ” sinh học đóng vai trò đối tượng nghiên cứu lý sinh học Các hệ thống hoàn chỉnh sinh học cần giải thích cung cấp cho vật lý học đối tượng tuyệt vời cho khám phá vật lý Theo giáo sư Hans Frauenfelder: Trong lý sinh học, vật lý phục vụ với mục tiêu làm rõ ràng để tìm hiểu sinh học thể sống Một mục tiêu lý sinh học Tức áp suất khoang (𝑃𝑘 ) nhỏ áp suất khí giá trị (𝑃𝑙 ) áp suất lồng ngực (𝑃𝑙 ) Do áp suất khoang thường coi giá trị âm coi áp suất khí Áp suất âm khoang làm cho lồng ngực xu hướng co lại nghĩa có xu hướng ngược với sức căng phổi Động tác hít vào thực nhờ tăng thể tích lồng ngực cách nâng xương sườn lên hạ hoành xuống Cơ hoành quan trọng cho hơ hấp đảm bảo cho 2/3 việc thơng khí phổi Thể tích lồng ngực tăng lên trước hết làm giảm áp suất khoang màng phổi, nhờ phổi giãn (theo đinh luật Boyle – Mariotte) áp suất phế nang giảm xuống Sự xuất liệu áp suất khí phế nang làm cho khơng khí di chuyển thành dòng từ màng trở vào phổi Lưu lượng khí tính theo cơng thức: 𝑉= Δ𝑝 𝑅 (3.31) Trong đó: 𝑉 lưu lượng khí tính lít/giây; Δ𝑝 hiệu áp suất khí phế nang; 𝑅 sức cản động học chất khí gây ma sát dịng khí với thành đường hô hấp lực nội ma sát bên lịng chất khí Sức cản động học chất khí tăng theo chiều tăng lưu lượng khí chuyển động từ dịng lớp sang dịng xốy Sự tạo thành dịng xốy đường chuyển dịng khí gặp chướng ngại vật: dị dạng, khối u nhỏ thành ống, dịch nhày cản trở chuyển động Khi bị hen suyễn sức cản tăng lên 7-8 lần so với người bình thường b Cơ chế thở Khơng khí từ phổi đẩy ngồi thể tích lồng ngực bị giảm xuống Điều làm tăng áp lực khoang màng phổi, phế nang co lại, làm cho áp suất khơng khí phế nang tăng lên cao áp suất khí Do dịng khơng khí từ phổi ngồi Cơ chế làm cho thể tích lồng ngực giảm xuống thở sau: Khi trương lực hít vào giảm tác dụng lực đàn hồi lồng ngực, quan lồng ngực bắt đầu giảm xuống Đó q trình tự nhiên khơng địi hỏi phải gắng sức Ngồi cịn có số (cơ liên sườn trong, bụng…) Khi co làm cho thể tích lồng ngực giảm xuống Cơ hoành nâng lên làm cho thể tích lồng ngực hẹp lại rõ rệt Ngồi động tác thở cịn có vai trị lực đàn hồi phủ tạng bụng bị hồnh dồn ép xuống tối đa hít vào Khi lực đàn hồi phổi cân với áp suất khoang màng phổi động tác thở kết thúc Vì phổi cịn lượng khơng khí chưa đẩy ngồi Nhìn chung tác động hô hấp lên phổi thực thông qua gián tiếp thay đổi áp suất khoang, điều ảnh hưởng tới áp suất phế nang Nếu lồng ngực bị thủng, bị tràn khí màng phổi bị xẹp lại, q trình hơ hấp khơng xảy bình thường dẫn đến tình trạng suy hơ hấp 3.3.2 Sự vận chuyển khí thể a Sự vận chuyển khí hơ hấp tn theo định luật vật lý (chủ yếu định luật khuếch tán) Định luật Henry phát biểu: Lượng khí thâm nhập (khuếch tán) vào chất lỏng tỷ lệ với áp suất riêng phần chất khí bề mặt chất lỏng Chúng ta biết hệ số khuyếch tán khí phụ thuộc vào chất khí thành phần hỗn hợp khí 62 Định luật Đanton phát biểu: Trong trường hợp khí lý tưởng, tổng áp suất riêng phần chất khí thành phần áp suất hỗn hợp khí 𝑛 𝑝 = ∑ 𝑝𝑖 (3.32) 𝑖=𝑖 𝑝 áp suất hỗn hợp khí Máu chứa nhiều thành phần việc xâm nhập khí vào máu khơng phụ thuộc vào thành phần khí mà cịn phụ thuộc vào đặc điểm máu Cecenov nghiên cứu thẩm thấu CO2 vào dung dịch thấy lượng khí hịa tan vào dung dịch tỉ lệ nghịch với nồng độ muối chất hịa tan (protein, lipit…) Tác giả tìm công thức biểu thị mối liên hệ nồng độ 𝐶 chất điện ly dung dịch lượng khí hịa tan 𝑆 là: lg 𝑆𝑜 = 𝐾 𝐶 𝑆 (3.33) Trong đó: 𝑆𝑜 lượng khí hịa tan vào nước; 𝑆 lượng khí hịa tan vào dung dịch có chất điện ly nơng độ 𝐶, 𝐾 số b Sự phụ thuộc áp suất riêng phần khí thành phần Người ta đo đạc thấy áp suất trung bình phế nang lúc hít vào tương đương với áp suất khí átmôtphe Tuy nhiên nhiệt độ 370C thể với điều kiện bão hòa nước, nước phế nang ln ln có áp suất riêng phần khoảng 47 Tor Vì áp suất tổng cộng N2, O2 , CO2 phế nang là: 760 - 47 = 713 (Tor) Ta biết không khí phế nang thành phần khí chiếm tỷ lệ: N2: 80,7%, O2:13,8% CO2 5,5% Nên áp suất riêng phần phế nang là: 𝑝𝑁2 = 713 𝑥 80,7% = 575 𝑇𝑜𝑟 𝑝𝑂2 = 713 𝑥 13,8% = 98 𝑇𝑜𝑟 𝑝𝐶𝑂2 = 713 𝑥 5,5% = 39 𝑇𝑜𝑟 Nếu xét riêng khuếch tán đơn thể tích khí 𝑉 tính theo cơng thức: 𝑉= 𝐾 𝑝𝑛 𝑝 (3.34) Trong đó: 𝑝𝑛 áp suất riêng phần; 𝑝 áp suất khí quyển; 𝐾 hệ số khuếch tán khí CO2, O2 N2 vào huyết tương có giá trị khác Chẳng hạn với máu 𝐾𝐶𝑂2 = 0,07; 𝐾𝑂2 = 0,023; 𝐾𝑁2 = 0,013 Ta tính thể tích mà chất khí xâm nhập vào máu theo quy tắc khuếch tán đơn sau: 0,47𝑥39 = 0,0241 (𝑚𝑙) 760 0,023𝑥99 = = 0,0030 (𝑚𝑙) 760 𝑉𝐶𝑂2 = 𝑉𝑂2 63 𝑉𝑁2 = 0,013𝑥575 = 0,0098 (𝑚𝑙) 760 Do tượng khuếch tán tượng sinh học khác Các chất khí N2, O2, CO2 thâm nhập vào nơi thể có giá trị khác Kết đo đạc áp suất riêng phần chất khí thể trình bày theo bảng sau: Bảng 3.2 Áp suất riêng phần CO2, O2 N2 (Đơn vị tính Tor) Chất khí Phế nang Máu động mạch chủ Máu phổi Máu tổ chức O2 99,8 99 38 20 – 40 CO2 39 39,6 45 – 48 53 – 76 N2 571 550 550 Theo định luật Henry hiểu chiều vận chuyển O2 CO2 thể Do chênh lệch áp suất O2 khuếch tán từ phế nang (phân áp 99,8 Tor) đến máu mao mạch tĩnh mạch 38 Tor Máu mang O2 đến tế bào mô khắp thể Ở mô, O2 từ máu động mạch (phân áp 99 Tor) chuyển dịch vào gian bào (phân áp 20 Tor), phân áp CO2 cao (53 – 76 Tor) nên CO2 khuếch tán từ dịch gian bào vào máu động mạch (39,6 Tor) 3.3.3 Vai trò máu trao đổi khí Trong q trình trao đổi khí ngồi quy luật vật lý (do chênh lệch áp suất) ảnh hưởng yếu tố hóa lý khác thể sinh học người ta thấy vai trị máu đóng vai trị quan trọng a Vai trò máu vận chuyển O2 Hồng cầu yếu tố vận chuyển O2 Hồng cầu gồm phân tử Hemoglobin (Hb) Mỗi phân tử Hemoglobin có trọng lượng 67.000 chứa gốc Hem Trong cấu trúc gốc Hem có nguyên tử Fe Mỗi nguyên tử Fe có khả kết hợp với phân tử O2 nghĩa phân tử Hb có khả kết hợp với phân tử O2 để tạo thành phức hợp Oxyhemoglobin (HbO2) viết: Hb + O2 HbO2 Phản ứng thuận nghịch phụ thuộc vào áp suất oxy Lúc áp suất O2 cao, phản ứng xảy theo chiều thuận; Lúc áp suất O2 thấp, phản ứng xảy theo chiều nghịch Sự liên kết phân ly O2 với Hemoglobin phụ thuộc vào nồng độ oxy nồng độ CO2 Khi CO2 phản ứng với nước tạo thành axit cacbonic H2CO3 Vì nồng độ CO2 tăng cao độ axit máu tăng thêm, khả Hemoglobin liên kết với oxy lúc giảm Trong máu động mạch người áp suất oxy 100mmHg 100ml máu có khoảng 19ml oxy Trong máu tĩnh mạch áp suất oxy 39 Tor, 100ml máu chứa 12ml O2 7ml O2 cung cấp cho mơ Vì phút có khoảng lít máu chảy qua mơ nên thể thời gian thu nhận 350ml O2 trạng thái tĩnh, tế bào thể cần phải nhận 250ml O2 phút lao động chân tay yêu cầu O2 tăng lên 10 - 15 lần 64 b Vai trò vận chuyển CO2 máu Nếu theo chế khuếch tán đơn thể tích khí CO2 khoảng 2,4ml/ 100ml máu thực tế máu tĩnh mạch chứa tới 52% CO2 (52ml/100ml máu) Qua nghiên cứu cụ thể cho thấy có khoảng - 10% lượng CO2 kết hợp với Hemoglobin để trở thành Cacbohemoglobin (HbCO2), hầu hết H2CO3 theo phản ứng: CO2 + H2O ↔ H2CO3 Đây phản ứng thuận nghịch, chiều phản ứng tùy thuộc nhiều yếu tố áp suất riêng phần CO2 chỗ, tác dụng men, độ pH… Tại mô, phản ứng xảy theo chiều từ trái sang phải tạo nên H2CO3 kết hợp với muối carbonate, phosphate máu thành hợp chất dễ phân ly, phổi Hb có tác dụng acid yếu phân ly H2CO3 thành CO2 H2O để đẩy Các trình tùy thuộc vào phân áp khí chỗ 3.3.4 Những yếu tố ảnh hưởng tới trình trao đổi khí a Yếu tố bên Mọi hoạt động thở, lưu thơng khí, hoạt động phế nang ảnh hưởng đến hô hấp Ảnh hưởng tuần hoàn thay đổi khối lượng chất lượng máu (kể hồng cầu huyết tương) ảnh hưởng trực tiếp đến vận chuyển O2 CO2 Hoạt động chuyển hóa tế bào, mô làm cho tốc độ sử dụng O2 sản sinh CO2 khác Tất yếu tố đến ảnh hưởng tới hô hấp Mọi hoạt động chức người liên quan chặt chẽ đến hơ hấp b Các yếu tố bên ngồi - Ảnh hưởng trọng trường Khi hô hấp, lực cản khí liên quan tới trường hấp dẫn Trái Đất thay đổi theo giai đoạn chu kỳ hơ hấp vị trí thể khơng gian Ở mặt đất, hít vào trọng lượng lồng ngực gây lực cản, hít vào thở ra, nhân tố làm giảm thể tích lồng ngực Trọng lực quan ổ bụng (ở tư đứng) tác động lên hồnh có xu hướng kéo xuống điều tạo điều kiện cho động tác hít vào, cản trở động tác thở Ảnh hưởng nhân tố trường hấp dẫn lên q trình hơ hấp xác định so sánh số học thơng khí hơ hấp trạng thái nằm đứng - Ảnh hưởng tỷ lệ khí thành phần Như ta biết oxy cần cho thể, thể bình thường thích nghi với áp suất khoảng 100 Tor, CO2 có tác dụng kích thích hơ hấp Do thể địi hỏi khơng khí có hàm lượng O2 CO2 bình thường Nếu hàm lượng oxy tăng lên tới 50% thể cịn chịu thở đơn O2 thể rối loạn nghiêm trọng tử vong - Ảnh hưởng áp suất khí 65 Khi nên cao áp suất khí giảm phân áp khí thành phần giảm điều dẫn đến tình trạng thiếu oxy thể Để đáp ứng, hoạt động hô hấp thể tăng lên thể bị rối loạn tùy theo mức độ Khi lặn xuống sâu áp suất nước tác động lên lồng ngực tăng dần Do ảnh hưởng đến khả hơ hấp thể Các tính tốn chiều sâu tối đa người hoạt động bình thường 35m, 90m chịu 1-2 Tuy vậy, từ độ sâu đột ngột ngoi lên cao mà khơng có biện pháp bảo vệ nguy hiểm đến tính mạng Đó tượng tạo bọt khí lịng mạch máu mạch máu nhỏ tim, não Cơ chế phát sinh bọt khí tai biến sau: Ở nước sâu người chịu áp suất lớn 1at Các khí khuếch tán vào máu tăng lên tỷ lệ với áp suất cao Ví dụ, áp suất bình thường 1ml máu có 0,0098ml khí Nitơ lặn xuống sâu 40m thể chịu áp suất 5at hàm lượng Nitơ khuếch tán vào máu tăng gấp lần so với mức bình thường Nếu sau đột ngột ngoi lên mặt nước, lượng Nitơ máu giảm dần tùy theo áp suất độ sâu gây ra, phần khí cịn lại nhanh chóng trở dạng khí, khí chưa kịp thấm để khuếch tán tạo thành bọt khí lịng mạch Vì biện pháp quan trọng phải giảm áp suất từ từ cách ngoi lên dùng thiết bị để làm giảm dần áp suất khí xung quanh thể lên bờ Tóm lại trao đổi khí thể tn theo quy luật động học chất khí chịu tác dụng trực tiếp nhiều quy luật sinh học phức tạp Chức hô hấp liên quan chặt chẽ với chức khác chịu ảnh hưởng trực tiếp điều kiện mơi trường bên ngồi TĨM TẮT CHƯƠNG Trạng thái rắn, lỏng khí định mật độ phân tử lực tương tác phân tử với Người ta thấy lúc nhịêt độ thấp nhiệt độ tới hạn đó, nén mạnh chất khí, biến sang trạng thái lỏng Chất lưu bao gồm chất lỏng chất khí Về mặt học, chất lưu môi trường liên tục tạo thành chất điểm liên kết với lực tương tác Sự vận chuyển máu có vai trị quan trọng thể, đem dinh dưỡng, O2 cung cấp cho quan, nhận từ quan chất thải, khí CO2, ngồi cịn có tác dụng điều hịa thân nhiệt Trong hệ tuần hồn, tim mạch máu có vai trị động lực Hoạt động co bóp tim, tính đàn hồi, trương lực mạch máu đảm bảo cho dòng chảy liên tục hệ tuần hoàn Áp suất tốc độ máu chảy đoạn mạch phụ thuộc vào tiết diện, chiều dài mạch sức cản ngoại vi thành mạch Máu gồm nhiều thành phần cấu tạo nên lưu thông máu xuất lực ma sát đáng kể Hoạt động hệ tuần hoàn chịu ảnh hưởng hoạt động bắp, trọng trường, nhiệt độ môi trường Hoạt động hô hấp thực quan hơ hấp, tuần hồn máu, mơ tế bào thể Cơ quan hô hấp gồm mũi, hầu, khí phế quản phổi Tác động hô hấp lên phổi thực cách gián tiếp thông qua thay đổi áp suất khoang Nguyên nhân trực tiếp làm cho khơng khí di chuyển qua đường hơ hấp dao động có chu kỳ áp suất phế nang Sự vận chuyển khí hơ hấp tn theo quy luật vật lý, quy luật khuếch tán khí, Định luật henry, Định luật Dalton Khi hít vào khơng khí đến tận phế nang Ngồi ra, q trình trao đổi khí khơng tn theo quy luật áp suất mà chịu ảnh hưởng nhiều phản ứng hóa lý khác, đó, máu giữ vai trị vơ quan trọng 66 Q trình trao đổi khí liên quan mật thiết đến hoạt động chức khác nên có nhiều yếu tố bên bên ảnh hưởng trực tiếp gián tiếp đến trao đổi khí CÂU HỎI ƠN TẬP Trình bày đặc điểm thuộc tính chất lưu Mơ tả mơ hình dịng chảy Phân biệt chất lỏng thực chất lỏng lý tưởng Phân tích tính đặc biệt dịng chảy thực Mô tả sơ lược hệ hoạt động hệ tuần hồn máu Phân tích vai trị thuộc tính thành mạch đến tác dụng vận chuyển máu hệ mạch Phân tích phụ thuộc áp suất tốc độ chảy máu đoạn mạch vào tiết diện, chiều dài mạch sức cản ngoại vi thành mạch Tại máu xuất lực ma sát lớn trình lưu thông? Mối quan hệ áp suất thẩm thấu áp suất keo trình trao đổi nước máu mô nào? Ý nghĩa việc phân tích hệ số nhớt máu 10 Phân tích yếu tố khách quan ảnh hưởng đến tuần hồn máu 11 Mơ tả sơ lược hệ hơ hấp 12 Phân tích mối quan hệ áp suất phế nang, áp suất khoang màng phổi áp suất gây co tính đàn hồi phổi hoạt động hơ hấp 13 Phân tích quy luật vận chuyển khí thể 14 Máu có vai trị hoạt động đổi khí thể? 15 Phân tích yếu tố ảnh hưởng tới hoạt động trao đổi khí thể người 67 Chương ĐIỆN ĐỘNG HỌC MỤC TIÊU Sau học xong chương này, sinh viên có thể: - Phân biệt tượng điện động học; - Giải thích tượng điện động sở phân tích nguồn gốc điện tích bề mặt; - Phân tích cấu trúc lớp điện kép, - điện phương pháp xác định; - Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến - điện ý nghĩa sinh học điện thế; - Nắm vững phương pháp điện di ứng dụng 4.1 CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN ĐỘNG HỌC Năm 1809, Reis người phát hiện tượng điện động nghiên cứu chuyển động hạt đất sét tác dụng dịng điện chiều Qua thí nghiệm mình, Reis thấy hạt keo mang điện tích có khả di chuyển điện trường, đồng thời + môi trường phân tán chuyển động Như vậy, Reis phát hai tượng đặc biệt nước quan trọng điện di điện thẩm Các tế bào, quan hệ thống sống cát hệ keo dị thể phức tạp gồm nhiều pha khác Dưới tác động điện trường ngồi khơng đổi làm xuất chuyển động tương đối pha hệ, ngược lại pha có thành phần Chuyển dịch chất hoà tan khác thực chuyển động hạt đất sét học tạo nên hệ hiệu điện Chuyển dịch Các tượng gọi tượng điện động phân thành: điện di, điện thẩm, Hình 4-1 Thí nghiệm Reis điện chảy, điện lắng 4.1.1 Điện di Nếu đặt điện trường không đổi lên hệ di thể, pha hệ chuyển động Sự chuyển động hạt pha phân tán điện trường hướng tới điện cực trái dấu gọi điện di Các hạt sét mang điện tích âm nên chuyển dịch cực dương Bên cực dương, nước đục, bên cực âm nước 4.1.2 Điện thẩm Điện thẩm chuyển động mơi trường phân tán phía điện cực dấu với điện tích bề mặt pha phân tán Mực nước cực âm cao cực dương nước nước chuyển động đến cực âm Hiện tượng điện thẩm chuyển động dịng chất lỏng Q trình điện thẩm xảy nhiều trường hợp qua tổ chức khác da ếch, màng tế bào, thành động mạch, mao quản, vách mao mạch 68 4.1.3 Điện chảy Tiến hành thí nghiệm: dùng bình thuỷ tinh hai ngăn chứa dung dịch sinh lý, ngăn cách màng da ếch Ở dung dịch sinh vật mơi trường phân tán, cịn màng da ếch đóng vai trị để tạo pha phân tán Hiện tượng xảy biểu diễn sau: Nếu tăng áp suất bình phía bên trái chất lỏng chuyển động bên phải bình, đồng thời hai phía Hình 4-2 Điện chảy xuất bình xuất hiệu điện Điện hình qua lỗ màng thành giá trị điện chảy Điện chảy xuất chất lỏng chuyển động tác dụng áp suất thuỷ tĩnh qua mao quản, lỗ nhỏ màng mà thành lỗ có mang điện tích Hiện tượng làm phát sinh điện chảy theo chiều hướng ngược lại so với tượng điện thẩm Ở chuyển động môi trường phân tán tạo nên hiệu điện thân hệ Nguyên nhân xuất điện chảy trạng thái cân tĩnh điện bị phá vỡ 4.1.4 Điện lắng Khảo sát tượng trình lắng máu, ta thấy rằng: Máu dung dịch keo, thành phần hữu hình máu (hồng cầu, bạch cầu) có trọng lượng riêng lớn huyết nên lắng xuống đáy bình Trong trình lắng máu làm xuất chênh lệch điện lớp lớp dịch sinh vật Điện xuất trường hợp điện lắng Quá trình giải thích sau: Hiện Hình 4-3 Điện lắng tượng lắng máu làm ion dương tách khỏi trình lắng máu chuyển động thành phần hữu hình Điện lắng hiệu điện xuất lớp lớp dung dịch đa pha trình lắng hạt mang điện tác dụng trọng lực Bản chất tượng làm xuất điện lắng ngược với tượng điện di Tất tượng điện động liên quan đến xuất hiệu điện pha phân tán môi trường phân tán Điện gọi điện điện động Zeta điện ( – điện thế) Thế điện động xuất trình chuyển động pha hệ dị thể Hiệu điện hình thành ranh giới màng dung môi cực mỏng (gọi lớp hấp phụ) bề mặt hạt toàn phần chất lỏng lại dung dịch 4.2 BẢN CHẤT CỦA THẾ ĐIỆN ĐỘNG 4.2.1 Nguồn gốc điện tích bề mặt Trong điều kiện định, ranh giới hai pha hệ dịch sinh vật xuất hiệu điện lớp điện tích bề mặt Sự xuất điện tích bề mặt đối tượng sinh vật hai chế: − Cơ chế ion hố nhóm phân ly: Dưới phân ly ion nhóm chức đại phân tử làm xuất điện tích tự − Cơ chế hấp phụ ion môi trường phân tán lên bề mặt đại phân tử: Cơ chế hấp phụ theo nguyên tắc hấp phụ ion âm nhiều ion dương ion âm bị hydrate 69 Do chế hấp phụ khác mà điện tích bề mặt đại phân tử sinh học có điện lượng khác Sự phân bố lại điện tích hai pha phân tán dịch sinh vật làm xuất điện động lớp điện tích kép tạo thành − Các điện tích tự tạo thành chế ion hóa nhóm phân ly vào môi trường gọi ion nghịch − Một số ion lại cố định hạt pha phân tán xác định dấu điện tích bề mặt gọi ion tạo Ví dụ: Đối với phân tử protein, điện tích bề mặt chủ yếu phụ thuộc vào nhóm acid kiềm phân tử Phản ứng acid phân tử protein nhóm carboxyl, cịn phản ứng kiềm lại xác định nhóm amin Do có mặt lúc nhóm acid nhóm kiềm nên protein phân tử lưỡng tính Trong dung dịch acid, phân tử protein giữ vai trị ion dương Nhóm NH3+ ion tạo thế, Cl- ion nghịch Trong dung dịch kiềm, phân tử protein giữ vai trò ion âm Nhóm COO- ion tạo tế, Na+ ion nghịch Kết q trình ion hóa nhóm – NH2 – COOH tạo hai ion: loại thứ gọi ion tạo nằm bề mặt pha phân tán, loại thứ hai gọi ion nghịch nằm môi trường phân tán Trên ranh giới pha phân tán môi trường phân tán lúc xuất lớp điện kép, điện tích bị phân ly toàn hệ trung hòa điện 4.2.2 Cấu trúc lớp điện kép Theo quan niệm nay, cấu trúc lớp điện kép biểu diễn sau: Toàn ion tạo nằm bề mặt hạt keo, ion ngược dấu phân thành hai loại: − Loại thứ nằm bề mặt hạt keo khoảng cỡ kích thước phân tử giữ thật sát bề mặt hạt keo nhờ lực hấp phụ đặc biệt tạo thành lớp hấp phụ − Loại thứ hai chuyển động tự môi trường phân tán tạo thành lớp khuếch tán Khi hạt chuyển động, tất ion ngược dấu tách khỏi hạt keo mặt ngăn cách hạt keo dung môi xuất bước nhảy toàn E, gọi nhiệt động Song thực tế phần ion ngược dấu lớp hấp phụ chuyển động với hạt Vì bước nhảy xuất lớp hấp phụ lớp khuếch tán Bước nhảy gọi điện động hay - điện Như điện động phần nhiệt động nhỏ nhiệt động 70 Cấu trúc lớp điện kép biểu diễn sau: a) Hình 4-3 Thế nhiệt động học điện động (a) Sơ đồ cấu tạo lớp điện kép (b) Đặc trưng điện theo khoảng cách lớp b) AB phân cách ion lớp hấp phụ lớp khuếch tán; E nhiệt động; điện động 4.2.3 Điện Zeta () cách xác định Bước nhảy điện lớp hấp phụ lớp khuếch tán hay hiệu điện lớp điện kép gọi điện Zeta () Có thể xác định điện dựa vào tượng điện di tác dụng lực điện trường sau: Khi hạt mang điện có điện lượng q đại phân tử protein, hạt keo hay hạt mixen tác dụng điện trường E, chúng dịch chuyển với vận tốc v Khi lực điện trường (fe) cân với lực ma sát (fms) hạt chuyển động đều: 𝑞𝐸 = 𝑘𝑣 (4.1) 𝑞𝐸⁄ 𝑣= (4.2) 𝑘 k hệ số ma sát phụ thuộc vào hình dạng, kích thước phân tử hồ tan độ nhớt dung dịch Đối với hạt hình cầu, ta có công thức Stock: 𝐹𝑚𝑠 = 6𝜋𝜂𝑟𝑣 (4.3) với r bán kính hạt nhiễm điện; η độ nhớt môi trường Từ (4.1), (4.2) (4.3) ta được: 𝑞𝐸 𝑣= (4.4) 6𝜋𝜂𝑟 Giữa điện tích q hạt, bán kính r hạt, số điện mơi dung dịch - điện có mối liên hệ sau: 𝑞 𝜁= (4.5) 𝜀𝑟 𝑞 𝜁𝜀 = (4.6) 𝑟 Thế (4.6) vào (4.4), ta được: 𝜁𝜀𝐸 (4.7) 𝑣= 6𝜋𝜂 hay 6𝜋𝜂 𝜁= 𝑣 (4.8) 𝜀𝐸 Đây công thức Smolukhovski để xác định Zeta ( – điện thế) phân tử, đại phân tử ion, hạt hình cầu mang điện lớp điện tích kép tượng điện di 71 4.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện Zeta Bất kỳ yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc lớp điện kép làm thay đổi – điện thế: − Khi thay đổi nồng độ ion làm thay đổi cấu trúc lớp điện kép Giá trị chủ yếu phụ thuộc vào pH môi trường + Khi tăng nồng độ ion mơi trường phân tán độ dày lớp khuếch tán giảm xuống + Khi pha loãng, giảm nồng độ ion môi trường phân tán, lớp điện kép dãn – điện tăng lên + Tuy nhiên, trường hợp đặc biệt pha loãng làm giảm hấp phụ ion tạo Do nhiệt động giảm – điện giảm − Khi thay đổi nhiệt độ làm thay đổi cấu trúc lớp điện kép + Khi nhiệt độ tăng, chuyển động nhiệt ion tăng lên làm lớp khuếch tán dãn – điện tăng + Mặt khác, tác dụng nhiệt độ, hấp phụ giảm xuống làm giảm nhiệt động E – điện − Bản chất môi trường phân tán ảnh hưởng tới – điện + Lớp điện kép tồn môi trường phân cực + Thực nghiệm cho thấy – điện nhỏ độ phân cực môi trường yếu 4.2.5 Ý nghĩa sinh học Zeta điện Đại lượng – điện số vật lý đặc trưng cho hệ thống sống Dựa vào số đánh giá trạng thái bệnh lý đối tượng sinh vật Chẳng hạn trạng thái bình thường, – điện tế bào hồng cầu người có giá trị khoảng 16,3 mV, có sai khác dấu hiệu bệnh lý rối loạn trạng thái chức Dựa vào bảng phân tích thành phần chất cấu trúc bên bên màng tế bào hay số liệu – điện đối tượng sinh vật, ta thấy giá trị – điện phụ thuộc nhiều vào môi trường phân tán khả hấp phụ cao với loại protein chất hữu khác Tuy nhiên, hấp phụ bề mặt phụ thuộc vào đối tượng, thành phần, đặc điểm cấu trúc bề mặt đối tượng sinh vật khác Bảng 4-1 Thế điện động hồng cầu động vật dung dịch đệm phosphate pH=7.4 (theo Nguyễn Thị Kim Ngân – Lý sinh học – ĐHQG Hà nội – 2001) Đối tượng Thỏ Lợn Chuột nhắt Khỉ Người Mèo Chuột bạch Chó Điện (mV) 12.5 14.2 16.3 17.0 17.8 18.6 21.1 72 Đối với nhóm sinh vật có cấu trúc bề mặt protetin, điện tích bề mặt xác định ion hóa nhóm phân li, – điện phụ thuộc vào pH mơi trường Đối với nhóm sinh vật có cấu trúc bề mặt polysaccharide, điện tích bề mặt quy định polysaccharide – điện không phụ thuộc vào độ pH môi trường Tuy vậy, cách phân chia tương đối Nghiên cứu – điện hồng cầu số động vật, số liệu ghi nhận cho thấy rằng: Các động vật khác có – điện khác Như vậy, giá trị – điện đặc trưng cho đối tượng sinh vật khác 4.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN DI Người ta dùng phương pháp điện di với hai mục đích: − Tách chiết phân tích thành phần hỗn hợp protein − Nghiên cứu tính di động hạt, tế bào bào quan điện trường Từ nghiên cứu đại lượng điện động tính chất điện hóa bề mặt đối tượng nghiên cứu 4.3.1 Phương pháp điện di dung dịch tự Bộ phận thiết bị điện di cuvet hình chữ U, phần cuvet chứa dung dịch nghiên cứu, phần chứa dung dịch đệm Dung dịch đệm lựa chọn cho dung dịch đệm dung dịch nghiên cứu hình thành ranh giới khơng trộn lẫn Cuvet có cấu tạo đặc biệt cho phép nạp dung dịch dễ dàng mà không bị xáo trộn Hai đầu ống chữ U nối với điện cực, điện cực nối Hình 4-4 Sơ đồ điện di dung dịch tự với nguồn điện chiều ổn định Dưới tác dụng điện trường, hạt chuyển động đến điện cực ngược dấu với chúng Ranh giới dung dịch nghiên cứu dung dịch đệm chuyển động Nếu dung dịch nghiên cứu chứa vài hạt có điện tích khác nhau, vận tốc điện di phụ thuộc vào điện tích hạt, quãng đường thời gian t hạt khác khác Mỗi loại hạt tương ứng với giới hạn riêng Quan sát dịch chuyển ranh giới ứng với thành phần dung dịch nghiên cứu cách chụp ảnh cuvet hai thời điểm t1 t2 ứng với quãng đường dịch chuyển t, từ tính vận tốc điện di Từ vận tốc điện di tham số khác tính độ linh động điện di hạt Độ linh động hạt phụ thuộc vào điện tích dấu điện tích Điện tích tự bề mặt phân tử protein phụ thuộc vào tỉ số nhóm acid kiềm phân tử protein đặc trưng điện hóa dung mơi Như vậy, độ linh động điện di protein điều kiện cho trước tham số vật lý quan trọng Nếu đặt U độ linh động điện di, theo định nghĩa: 𝑣 𝑞 𝑈= = (4.9) 𝐸 𝑘 73 Khi điện trường E có giá trị đơn vị cường độ điện trường thì: 𝑈 = 𝑣 (4.10) Như vậy, độ linh động điện di tốc độ di chuyển hạt nhiễm điện tác dụng điện trường ngồi có cường độ điện trường 1V/m Theo cơng thức Smolukhovski ta xác định động linh động điện di biết - điện hệ thức sau: 𝜁𝜀 𝑈= (4.11) 6𝜋𝜂 Dịng điện làm nóng dung dịch khơng nhau, dòng đối lưu chất lỏng ảnh hưởng đến phân bố nồng độ Vì cần phải ổn định nhiệt độ Người ta thường tiến hành điện di nhiệt độ thấp (0oC – 4oC) Điện di dung dịch tự cho phép: − Xác định độ linh động, điểm đẳng điện, nhận dạng protein; − Xác định mức độ nhất; − Phát thay đổi hóa học phân tử protein xử lý protein theo quy trình khác nhau; − Nghiên cứu phân hủy protein tác dụng enzyme 4.3.2 Phương pháp điện di chất giá Khác với điện di dung dịch tự do, dung dịch dẫn điện chứa hạt nghiên cứu ổn định chất giá, nhờ loại bỏ dịng đối lưu Thiết bị điện di theo phương pháp đơn giản cho phép phân chia hỗn hợp protetin thành vùng tương ứng với cấu tử riêng biệt Để làm chất giá ổn định, người ta dùng tinh bột, thạch, gel polyacrylamide… Điện di giấy phổ biến có nhiều ứng dụng Nguyên lý điện di giấy giống điện di dung dịch tự do: Dưới tác dụng điện trường, hạt mang điện chứa dung dịch làm ướt giấy chuyển động phía điện cực ngược dấu, vận tốc dịch chuyển phụ thuộc vào điện tích hạt Kết hạt có điện tích khác phân bố thành vùng khác giấy Tiến hành phân tích hỗn hợp protein thành thành phần khác phương pháp điện di giấy sau: − Thấm ướt giấy dung dịch đệm, hai đầu cuối tờ giấy nhúng vào bình điện cực dung dịch dẫn điện − Chấm dung dịch chứa hỗn hợp protein cần nghiên cứu bề mặt giấy vị trí thích hợp − Đóng mạch điện, phân tử protein chuyển động phía điện tích khác Sau khoảng thời gian định, loại protein chiếm vị trí xác định tờ giấy Nếu protein thuộc loại có màu chuyển động thấy cách dễ dàng Nếu protein thuộc loại khơng có màu vị trí chúng giấy xác định sau cố định nhuộm phẩm nhuộm thích hợp Phẩm màu khơng liên kết với giấy rửa khỏi giấy Định tính định lượng protein nhờ nhuộm màu điện di đồ dựa sở số phẩm nhuộm có khả liên kết với phân tử protein tỉ lệ định lượng Trước lúc nhuộm màu, protein chuyển thành dạng không tan cách biến tính protein nhiệt muối ion kim loại nặng Ở dạng này, protein hấp thụ màu nhanh rửa dễ loại trừ phần thừa phẩm màu; vùng protein có màu bền vững 74 Hình 4-5 Sơ đồ điện di băng giấy 4.3.3 Phương pháp vi điện di Phương pháp vi điện di thường sử dụng để xác định điện động bề mặt hạt có kích thước nhỏ quan sát kính hiển vi, chẳng hạn hạt keo sinh vật, tế bào động thực vật, vi khuẩn, hồng cầu… Bộ phận thiết bị buồng điện di, khe hẹp hình hộp chữ nhật chứa dung dịch nghiên cứu đặt bàn kính hiển vi Thế hiệu đặt vào buồng đo khoảng 80 – 100V dòng điện chiều ổn định Cường độ dòng điện qua buồng đo khoảng – 5mA Để tránh tượng phân cực, người ta thường dùng điện cực thủy tinh bên có chứa agar nấu dung dịch KCl bão hịa Qua kính hiển vi quan sát chuyển động hạt riêng lẻ Nhờ Micrometer, vật kính đồng hồ bấm giây, đo quãng đường x khoảng thời gian t, từ tính tốc độ điện di hạt Độ nhớt số điện môi dung dịch nghiên cứu xem biết Cường độ điện trường E tính E = V/d, với V hiệu hai đầu buồng đo, d chiều dài buồng đo Theo cơng thức Smolukhovski, ta tính – điện Hình 4-6 Sơ đồ vi điện di Tuy nhiên, cần phải ý tượng điện thẩm (sự chuyển động môi trường ngược chiều với pha phân tán) ảnh hưởng đến tốc độ chuyển động hạt Do có tượng điện thẩm nên tốc độ hạt khác độ sâu khác Smolukhovski tìm mối liên quan tốc độ chuyển động hạt vị trí chúng độ sâu khác sau: 𝑉𝑡ℎự𝑐 = 𝑉1/6 + 𝑉1/2 4 V1/6 tốc độ hạt chiều sâu 1/6 hộp; V1/2 tốc độ hạt chiều sâu ½ hộp Cũng xác định tốc độ hạt lớp mà môi trường phân tán không chuyển động Trong trường hợp này, tốc độ chuyển động hạt tương ứng với tốc độ điện di Theo tính tốn Smolukhovski, lớp nằm độ sâu 1/15 chiều sâu buồng điện di TÓM TẮT CHƯƠNG Các tế bào, tổ chức hệ thống sống hệ di thể phức tạp gồm nhiều pha khác Dưới tác dụng điện trường không đổi xuất chuyển động tương đối 75 pha hệ ngược lại pha chuyển động học tạo nên hệ hiệu điện Các tượng phân loại thành: điện di, điện thẩm, điện chảy điện lắng Sự xuất điện tích bề mặt hạt keo hai chế: ion hóa nhóm phân ly chế hấp thụ ion môi trường phân tán Sự phân bố ion bề mặt hạt keo hình thành nên hiệu điện tế gọi điện động, - điện - điện số vật lý quan trọng thể sống, xác định công thức Smolukhovski Sự thay đổi nồng độ ion, nhiệt độ chất môi trường phân tán làm thay đổi - điện Từ tính chất điện động hệ keo sinh vật, người ta xây dựng nên phương pháp điện di khác phục vụ nghiên cứu y – sinh học CÂU HỎI ÔN TẬP Phân biệt tượng điện di điện thẩm, điện lắng điện chảy Trình bày nguồn gốc điện tích bề mặt cấu trúc lớp điện kép - điện gì? Các yếu tố ảnh hưởng đến - điện ý nghĩa sinh học điện thế? Trình bày phương pháp xác định - điện công thức Smolukhovski Phân biệt phương pháp điện di chất giá phương pháp điện di dung dịch tự Trình bày phương pháp vi điện di 76 ... 11 1 6.3 .1 Phương pháp âm chẩn đoán bệnh 11 1 6.3.2 Ứng dụng siêu âm ngành Y 11 3 Chương QUANG SINH HỌC 11 6 7 .1 BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG 11 6 7 .1. 1... ngăn: phần I [Na+ ]1 = [Cl- ]1 + [P- ]1 phần II [Na+]2 = [Cl-]2 trạng thái ban đầu [P- ]1 = [Na+ ]1 = C1 [Na+]2 = [Cl-]2 = C2 Nếu gọi x số cặp ion Na+, Cl- chuyển qua màng từ phần II sang phần I đạt trạng... Na+P- phần I với dung dịch điện ly Na+Cl- phần II Các ion Na+ Cl- qua lại hai phía màng cịn Pthì khơng thể thấm qua màng Phần I Trạng thái cuối Na Na Cl- C1 C1 C2 C2 Na+ Cl- P + P- Na+ Cl- C1 C1