LUẬN VĂN CÁC PHẢN ỨNG CỦA MÀNG TẾ BÀO ĐỐI VỚI TÁC DỤNG CỦA CÁC XUNG ĐIỆN

LUẬN VĂN CÁC PHẢN ỨNG CỦA MÀNG TẾ BÀO ĐỐI VỚI TÁC DỤNG CỦA CÁC XUNG ĐIỆN Màng tế bào là ranh giới ngăn cách tế bào sống với môi trường chung quanh nó. Màng tế bào kiểm...

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ THÙY NHUNG CÁC PHẢN ỨNG CỦA MÀNG TẾ BÀO ĐỐI VỚI TÁC DỤNG CỦA CÁC XUNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ THÙY NHUNG CÁC PHẢN ỨNG CỦA MÀNG TẾ BÀO ĐỐI VỚI TÁC DỤNG CỦA CÁC XUNG ĐIỆN Ngành : Vât lý Chuyên ngành : Vật lý lý thuyết và vật lý toán. Mã số : 60. 44. 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : GS. TSKH. Nguyễn Ái Việt Hà Nội – 2010 Mục lục Lời cảm ơn 3 Mở đầu 5 1 Tổng quan về màng tế bào 8 1.1 Khái niệm màng tế bào . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 Thành phần cấu tạo của màng tế bào . . . . . . . . . . . . 10 1.3 Sự vận chuyển chất hoà tan qua màng . . . . . . . . . . . 12 2 Thuyết electroporation 18 2.1 Trạng thái không thuận nghịch của hiện tượng electroporation 21 2.2 Trạng thái khả nghịch của hiện tượng electroporation . . 22 2.3 Những ảnh hưởng của điện thế chuyển màng . . . . . . . . 23 3 Phương pháp kết hợp 26 3.1 Mô hình Kotnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2 Mô hình xấp xỉ Wanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3 Các bước tiến hành và kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.3.1 Các xung dài và xung cực ngắn . . . . . . . . . . . 38 3.3.2 Tế bào thường và tế bào ung thư . . . . . . . . . . 42 3.3.3 Mitochondria_ mô hình tế bào ba lớp màng . . . . 46 4 Kết luận 49 1 Danh sách hình vẽ 1 Màng tế bào plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1 Cấu trúc hai lớp của màng sinh học . . . . . . . . . . . . . 10 1.2 Thí nghiệm phát hiện vai trò của các kênh ion . . . . . . . 17 1.3 Sơ đồ dòng ion đi qua một kênh theo thời gian . . . . . . . 17 3.1 Mô hình màng tế bào . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2 màng trong (gián đoạn) và màng ngoài (liên tục) V m đối với trường hợp xung dài. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.3 màng trong (gián đoạn) và màng ngoài (liên tục) V m đối với trường hợp xung ngắn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.4 Điện thế màng đối với các xung dài. . . . . . . . . . . . . . 39 3.5 Điện thế màng đối với các xung ngắn hơn . . . . . . . . . 39 3.6 Điện thế cảm ứng biến đổi theo thời gian do kích thích của trường điện một chiều. Đường gạch: kết quả của Kotnik [1], đường liền: những tính toán của chúng tôi. . . . . . . . . . 40 3.7 Điện thế cảm ứng biến đổi theo thời gian do kích thích của trường điện một chiều. Đường gạch: kết quả của Kotnik [1], đường liền: những tính toán của chúng tôi. . . . . . . . . . 40 3.8 Điện thế cảm ứng thay đổi theo thời gian khi chịu kích thích của xung điện hình thang. Đường gạch: kết quả của Kotnik [1], đường liền: những tính toán của chúng tôi. . . . . . . . 40 3.9 Điện thế cảm ứng thay đổi theo thời gian khi chịu kích thích của xung điện hình thang. Đường gạch: kết quả của Kotnik [1], đường liền: những tính toán của chúng tôi. . . . . . . . 40 2 3.10 Mật độ dòng qua lỗ (Đường gạch) và qua tụ (Đường liền) trong trường hợp xung dài . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.11 Mật độ lỗ theo thời gian đối với tác dụng của các xung dài 41 3.12 Mật độ dòng qua lỗ (Đường gạch) và qua tụ (Đường liền) trong trường hợp xung ngắn . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.13 Mật độ lỗ theo thời gian đối với tác dụng của các xung ngắn 41 3.14 Điện thế của màng TB (Đường liền) và của màng bào quan (Đường gạch) của TB B thường . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.15 Điện thế của màng TB (Đường liền) và của màng bào quan (Đường gạch) của TB B ung thư. . . . . . . . . . . . . . . 43 3.16 Điện thế của màng TB (Đường liền) và của màng bào quan (Đường gạch) của TB B thường, sử dụng các thông số mới. 44 3.17 Điện thế của màng tế bào (Đường liền) và của màng bào quan (Đường gạch) của TB B ung thư, sử dụng các thông số mới. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.18 Sự phân bố năng lượng của TB B thường theo tần số, (Đường đậm: màng trong, đường liền nhạt: màng ngoài, đường gạch: môi trường ngoài). . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.19 Sự phân bố năng lượng của TB B ung thư theo tần số, (Đường đậm: màng trong, đường liền nhạt: màng ngoài, đường gạch: môi trường ngoài). . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.20 Năng lượng tiêu thụ đối với trường hợp xung, (Đường liền: TB B ung thư, đường gạch: TB B thường). . . . . . . . . . 46 3.21 Sự phụ thuộc của các điện thế vào tần số. Đường đậm: TB, đường gạch: mito. trong, đường chấm: mito. ngoài, đường liền: màng trong kết hợp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.22 Tỉ lệ điện thế. đường liền: |∆Ψ outermito |/|∆Ψ cell |, đường gạch: |∆Ψ innermito |/|∆Ψ cell | . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3 Lời cảm ơn Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn tới GS. TSKH. Nguyễn Ái Việt, Viện vật lý Hà nội đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi làm luận văn. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa vật lý, Đại học khoa học tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã động viên, giúp đỡ và chỉ dạy cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập của tôi tại trường. Cảm ơn bạn Lê Thanh Tùng, người đã giúp tôi rất nhiều trong học tập và trong quá trình tính toán các kết quả của luận văn. Sau cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn tới bạn bè và gia đình đã động viên, ủng hộ tôi trong quá trình làm luận văn. Hà Nội, ngày 30 tháng 12 năm 2009. 4 Mở đầu Sự kết hợp giữa vật lý và sinh học đã thúc đẩy các nghiên cứu về màng mỏng trong suốt vài thập kỷ qua bao gồm các nghiên cứu có tính chất cụ thể (thuộc về sinh học) và các nghiên cứu có tính chất tổng quát hơn (thuộc về vật lý). Các nhà vật lý luôn bị cuốn hút bởi sự đa dạng trong các cấu trúc và sự vận động của màng tế bào. Hình 1: Màng tế bào plasma Các quá trình vận động của màng tế bào được nghiên cứu và tìm hiểu sâu hơn cùng với sự phát triển của kỹ thuật thực nghiệm. Tế bào là thành phần không thể thiếu được trong mỗi cơ thể sống. Mỗi tế bào được bảo vệ bởi màng tế bào. Lớp màng đôi lipid là một trong những 5 viên gạch cấu trúc quan trọng bậc nhất trong tế bào . Một lớp màng bao gồm một rào thế linh động ngăn cách phần bên trong và bên ngoài của tế bào, bảo vệ các bào quan (nhân và các vật liệu di truyền), có vai trò như là một trung tâm chức năng hoá cho việc sản sinh các protein. Màng sinh học có nhiều hình dạng khác nhau phụ thuộc vào cấu trúc, chức năng, như hình phẳng (màng plasma), hình cầu, hình trụ hoặc có dạng phức tạp hơn (Endoplasmic Recticulum, ER và bộ máy Golgi). Bề mặt của màng lipid có hệ các điện tích linh động bao quanh, tính chất tương tự như các hệ điện tử trên bề mặt hêli lỏng. Bề mặt của màng tế bào trong các môi trường dung dịch có thể tích điện âm. Các lớp điện tích khuyếch tán từ dung dịch rất linh động. Chúng sẽ chắn mặt màng và hình thành các lớp điện tích dương hai chiều tích tụ ở sát mặt trong và mặt ngoài của màng tế bào. Thêm vào đó, do các ion khác loại của các kênh ion trên màng có khả năng thẩm thấu khác nhau nên phần trong của màng luôn được duy trì ở mức điện thế âm hơn so với phía bên ngoài môi trường. Các cơ chế cổng của các kênh ion trên màng tế bào được cho là có thể mở ra việc sử dụng các cổng cảm nhận điện thế và đang là một vấn đề mở trong lý sinh học. Hiện nay, một hướng nghiên cứu mới về các phản ứng của màng tế bào chống lại tác dụng của các xung điện là có xem xét đến hiện tượng electroporation. Electroporation, hay electropermeabilization, là sự tăng đáng kể về độ dẫn điện và độ từ thẩm của màng plasma tế bào. Điều này xuất hiện là do tác dụng của một trường điện ngoài. Electroporation được sử dụng trong sinh học phân tử để đưa một số chất vào trong tế bào. Những chất kích thích này có thể làm thay đổi chức năng của tế bào, hoặc một đoạn mã DNA. Electroporation là một hiện tượng động lực phụ thuộc vào điện thế của nội màng. Thực nghiệm chứng tỏ rằng, đối với mỗi xung có hình dạng và độ dài xác định, sẽ tồn tại một ngưỡng thế đặc trưng cho hiện tượng electroporation (từ 0.5V đến 1V). Điều này dẫn đễn sự định rõ cường độ ngưỡng cho hiện tượng Electroporation E ngng . Chỉ khi các tế bào ở 6 trong khoảng E < E ngng thì mới xuất hiện hiện tượng mở lỗ trên màng tế bào. Nếu cường độ điện trường bằng hoặc vượt qua ngưỡng, hiện tượng electroporation sẽ gây tổn hại đến sự tồn tại của tế bào. Trong sinh học phân tử, quá trình electroporation thường được sử dụng cho sự chuyển hoá của vi khuẩn, nấm và các tế bào trần. Ngoài các màng lipid, vi khuẩn cũng có các thành tế bào. Các thành này khác với các màng lipid, được tạo thành bởi peptidoglycan và các dẫn xuất của nó. Các thành có lỗ hoạt động như các vỏ cứng đơn bảo vệ vi khuẩn khỏi một vài tác động của môi trường. Nếu các vi khuẩn và plasmid được trộn với nhau, plasmid có thể được đưa vào tế bào sau quá trình electroporation. Các tế bào phải được bảo vệ vô cùng cẩn thận cho đến khi chúng có cơ hội để phân chia thành các tế bào mới có chứa các plasmid tái sinh. Quá trình này có hiệu quả gấp khoảng 10 lần so với quá trình chuyển hoá hoá học. Trong luận văn này, chúng tôi xét mô hình màng tế bào được kích thích bởi các xung điện cực mạnh. Khi chịu tác dụng này, trên màng tế bào sẽ xuất hiện điện thế cảm ứng, dẫn đến hiện tượng electroporation. Kotnik (2006) [?] đã nghiên cứu về điện thế chuyển màng nhưng không tính đến hiện tượng electroporation. Ở đây, chúng tôi đã đưa ra một phương pháp mới, phương pháp K-Wand để tính điện thế cảm ứng trên màng tế bào và chứng minh sự tồn tại của hiện tượng electroporation. Phương pháp của chúng tôi không chỉ áp dụng cho màng lipid kép mà còn có thể dùng cho tế bào 3 lớp màng, mitochodria và xác định các tế bào ung thư qua việc xác định năng lượng làm nóng chúng. Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được chia thành 3 chương: Chương I, chúng tôi trình bày tổng quan về màng tế bào. Sơ lược về lý thuyết electroporation được trình bày trong chương II. Cuối cùng, chương III là phương pháp và các kết quả đạt được của chúng tôi khi nghiên cứu về các phản ứng của màng tế bào đối với kích thích của các xung điện mạnh cực ngắn. 7 Chương 1 Tổng quan về màng tế bào Cuối thế kỉ 19, các nhà sinh học bắt đầu nghi ngờ rằng lớp vỏ bao quanh tế bào có chứa thành phần lipid từ công trình nghiên cứu của Ernst Overton (1899). Ông đã chỉ ra rằng một vài loại phân tử nhuộm không tích điện, về mặt hoá học gần giống với lipid, có thể xâm nhập vào trong tế bào dễ dàng hơn các phân tử cấu tạo không giống lipid. Nhờ có công trình của Chevural đầu thế kỷ XVIII, tính chất vật lý và hoá học của axit béo đã được hiểu một cách đầy đủ. Sử dụng bazơ và triglixerit mạnh là chất thử, ông đã tìm ra các tính chất của các phân tử có liên quan đến việc dự trữ năng lượng và sản xuất màng tế bào này. Sau đó, vào năm 1925, một thí nghiệm đánh dấu một bước ngoặt lớn trong ngành tế bào học được thực hiện bởi E. Gorter và F. Grendel, liên quan đến việc lấy các tế bào máu hoà tan các màng tế bào trong các dung môi hữu cơ. Về mặt hoá học, vì các lipid giống các dung môi hữu cơ hơn là nước nên chúng có thể được sàng lọc khỏi phần còn lại của tế bào theo cách này. Khi có các thành phần lipid tinh khiết của màng tế bào, họ đặt chúng lên mặt nước. Như đã được tiên đoán, đầu cực của các phần lipid tương đối nhỏ liên kết đặc biệt với bề mặt nước trong khi các thành phần không cực dài hơn được gắn lên trên mặt phẳng trong không khí. Gorter and Grendel đã có thể khiến bề mặt của màng lipid tự nhân đôi và hình thành màng hai lớp giống như những gì chúng ta đã biết về bản chất thực sự của các màng tế bào. Đây là thí nghiệm đầu tiên khẳng định sự tồn tại 8 [...].. .của lớp lipid kép trong màng tế bào 1.1 Khái niệm màng tế bào Tế bào có cấu tạo phức tạp Màng tế bào hay màng sinh chất là một bộ phận của tế bào bao quanh lớp sinh chất Các màng tế bào vạch rõ ranh giới giữa tế bào và môi trường bên ngoài, đồng thời điều khiển dòng phân tử đi qua ranh giới đó Màng chia không gian trong tế bào thành các bộ phận riêng biệt, các thành phần riêng rẽ Chúng tổ chức phản. .. thuộc của điện thế cảm ứng vào các thông số điện tích và các thông số hình học 26 đặc trưng cho tế bào và vùng lân cận Kotnik đã chỉ ra rằng, tại tần số cao, đối với khoảng các giá trị tham số, điện thế cảm ứng trên màng bào quan có thể vượt quá điện thế cảm ứng trên màng tế bào Đặc biệt là, nó có thể xuất hiện nếu bên trong tế bào quan dẫn điện hơn bào tương, hoặc nếu màng tế bào quan có độ điện thẩm... nồng độ mol của ion trong dung dịch Với các nồng độ như ở bảng 1.1, điện thế xuyên màng cỡ −30 → −70mV Điện thế trên bề mặt của đa số các tế bào động vật là không thay đổi theo thời gian Chỉ riêng với các tế bào thần kinh và tế bào cơ là các loại tế bào sử dụng xung điện lan truyền đi trong việc điều khiển hoạt động dựa trên sự thay đổi đột ngột của điện thế xuyên màng Quá trình đóng, mở của các kênh... hơn lên màng tế bào, trong khi đó, các xung điện dài hơn và yếu hơn thì có biểu hiện ngược lại Các hiệu ứng này là kết quả của điện thế cảm ứng trên các màng Trong bài báo của mình, Kotnik đã tìm các điều kiện sao cho điện thế cảm ứng trên màng bào quan vượt quá điện thế cảm ứng trên màng tế bào Điều này sẽ giải thích hợp lý cho những hiệu ứng quan sát được đối với các xung cực ngắn Phân tích miền tần... τchg , là một vài microgiây Vì vậy, đối với sự nghiên cứu các xung điện ngắn, khoảng xung tác dụng cùng độ lớn với τchg , sự chênh lệch điện thế toàn phần qua các điện cực không xuất hiện ngang qua màng và điều này cũng bao gồm cả điện trở của đường dẫn điện Đối với các xung điện dài hơn, toàn bộ sự chênh lệch điện thế về cơ bản là xuất hiện giữa các điện cực ngang qua màng Ở đây, sự khuếch đại là (Lelectrode... không được sử dụng phổ biến, các xung lưỡng cực chữ nhật và các xung chữ nhật biến điệu hình sin cũng làm xuất hiện hiện tượng electroporation Việc đặt tế bào vào trong trường điện ngoài cũng sinh ra điện thế trên màng bào quan bên trong tế bào, nhưng điện thế này thường nhỏ hơn điện thế cảm ứng trên màng tế bào Vì các điện thế quá thấp để thực hiện hiệu ứng electroporation, mặc dù màng tế bào đưa ra... nhất là các kênh điện thế được điều khiển bằng xung, có thể phản ứng mạnh làm điện thế cảm ứng thấp hơn ngưỡng electroporation, do đó thay đổi các tính chất điện của màng Các kênh mở cũng dẫn đến sự tăng độ dẫn điện, cản sự tăng của điện thế màng và có thể cản hiệu ứng electroporation Rõ ràng, điều này không xảy ra với màng plasma của tế bào bởi vì hiện tượng electroporation của màng đạt được với khoảng... nghiệm của phương trình Poisson trong hệ toạ độ cầu [1] Sau đó ông sử dụng các điều kiện liên tục của các điện thế Ψ đối với 5 miền và đối với mật độ dòng trung bình jr = ΛE = σE + Er Sau khi giải các phương trình được đề cập trên, ông có được biểu thức giải tích của các điện thế màng chuyển của màng trong và màng ngoài Đối với các điện trường dạng xung sin, Λ trở thành σ + jω và E là cường độ điện. .. được gắn chắc với màng nhờ tương tác tĩnh điện và liên kết hydro với vùng ưa nước của protein xuyên màng và các nhóm đầu phân cực của các lipid màng Protein rìa màng đóng vai trò như các chất điều hoà các enzym liên kết màng hay giới hạn sự chuyển động của một số protein màng Khi nghiên cứu cấu trúc màng sinh chất, người ta đặc biệt chú ý đến các protein xuyên màng Protein xuyên màng có tác dụng nối buộc... kín giúp nó vừa tự liền các chỗ vỡ tạm thời của hai màng lúc đưa chất thải ra ngoài tế bào hay trong quá trình phân chia tế bào vừa không gây ra các lỗ lớn trên mặt màng Tính thẩm thấu có chọn lọc của màng giúp tế bào giữ lại các chất và các ion nhất định đặc trưng, đồng thời ngăn chặn những vật chất có thể gây ảnh hưởng xấu đến hoạt động của tế bào đi vào trong tế bào Màng tế bào không phải là tấm chắn . NGUYỄN THỊ THÙY NHUNG CÁC PHẢN ỨNG CỦA MÀNG TẾ BÀO ĐỐI VỚI TÁC DỤNG CỦA CÁC XUNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC . nghiên cứu về các phản ứng của màng tế bào đối với kích thích của các xung điện mạnh cực ngắn. 7 Chương 1 Tổng quan về màng tế bào Cuối thế kỉ 19, các nhà sinh