Vận chuyển tích cực lă quâ trình vận chuyển câc chất ngược hướng tổng gradien vă có tiíu tốn năng lượng của quâ trình trao đổi chất. Ở trạng thâi sinh lí bình thường do măng tế băo có tính bân thấm nín dẫn tới sự phđn bố không đồng đều của một số ion giữa bín trong vă bín ngoăi măng. Điều năy được thể hiện qua bảng 3.1.
Bảng 3.1: Nồng độ ion trong tế băo cơ vă dịch gian băo
Nồng độ ion (đơn vị lă mili phđn tử gam) Na+ K+ Cl- HCO3- Dịch gian băo 145 4 120 27 Trong tế băo 12 115 3.8 8
Kết quả từ bảng 3.1 cho thấy nồng độ Na+ở bín ngoăi cao hơn trong tế băo trín 10 lần, nồng độ K+ trong tế băo lại cao hơn bín ngoăi gần 30 lần còn nồng độ Cl - ở bín ngoăi cao hơn trong tế băo cũng gần 30 lần. Sự phđn bố không đồng đều của một số ion giữa bín trong vă bín ngoăi măng tế băo ở những đối tượng sinh vật khâc nhau thì khâc nhau. Trong hoạt động sống của tế băo, do nhu cầu quâ trình trao đổi chất đòi hỏi phải vận chuyển ion vă một số chất ngược hướng tổng gradien nín phải cần tới quâ trình vận chuyển tích cực mới đâp ứng được. Ví dụ : đối với những hồng cầu non do nhu cầu tích luỹ câc chất cao nín K+ được thấm văo trong tế băo với cường độ lớn mặc dù phải vận chuyển ngược gradien nồng độ. Song khi hồng cầu đê trở thănh một tế băo hoăn chỉnh thì sự vận chuyển tích cực của K+ văo trong tế băo sẽ chấm dứt. Quâ trình vận chuyển tích cực đòi hỏi phải hao tốn năng lượng của quâ trình trao đổi chất. Maidel vă Haris đê chứng minh rằng ở nhiệt độ bình thường của cơ thể khi trong môi trường có chất gluxit thì câc ion dương có thể vận chuyển ngược gradien nồng độ. Nếu dùng thím axit monoiôt axític hoặc floritnatri thì sự vận chuyển tích cực câc ion dương sẽ giảm đi rõ rệt. Điều năy được giải thích do quâ trình glicoliz đê phđn giải gluxit thănh axit lactic vă giải phóng ra năng lượng được tích luỹ văo 2 phđn tử ATP (phđn giải yếm khí) còn phđn giải hiếu khí sẽ giải phóng ra năng lượng cao gấp 20 lần phđn giải yếm khí. Đđy chính lă nguồn năng lượng để cung cấp cho sự vận chuyển tích cực câc ion dương. Khi thím axit monoiôt axític hay florit natri, hai chất năy đê phâ huỷ quâ trình glicoliz nín không còn năng lượng để cung cấp, vì vậy sự vận chuyển tích cực câc ion dương bị giảm đi. Quâ trình vận chuyển tích cực bao giờ cũng lă sự vận chuyển có tính chọn lọc vă chỉ diễn ra khi có nhu cầu của tế băo.
* Quâ trình vận chuyển chủđộng câc ion dương
Giả thuyết đầu tiín đưa ra để giải thích cơ chế vận chuyển câc ion dương lă của Hacxley vă Convay, đê được đa số câc nhă nghiín cứu ủng hộ . Hai ông cho rằng trín măng phải có một bộ mây gọi lă “bơm Natri”. Khi tế băo ở trạng thâi tĩnh, “bơm Natri” có khả năng “bơm” Na+ từ nội băo ra môi trường ngược gradien nồng độ. “Bơm Natri” hoạt động thông qua hệ thống enzyme vă sử dụng năng lượng của quâ trình trao đổi chất. “Bơm Natri” thực chất lă một chất mang có sẵn trong măng hay được hình thănh do sự tương tâc của Na+ với một thănh phần năo đó của măng. Khi đó phức chất “chất mang gắn Na+" sẽ xuyín qua măng ra môi trường ngoăi vă dưới tâc dụng của enzyme thì Na+được giải phóng còn chất mang ở trạng thâi tự do lại trở vềđịnh vị trín măng tế băo để thực hiện
chu trình vận chuyển Na+ tiếp theo. Sau năy Hodgkin, Katz vă Scou (1954) đều thống nhất cho rằng măng có một bộ mây gọi lă “bơm Natri - Kali”. Bơm năy có khả năng “bơm” K+ từ môi trường văo nội băo vă “bơm” Na+ từ nội băo ra môi trường, khi tế băo ở
trạng thâi tĩnh. Nguồn năng lượng cung cấp trực tiếp cho "bơm Natri - Kali” hoạt động
được lấy từ ATP. Câc tâc giả cho rằng “bơm Natri - Kali" thực chất lă một chất chuyển trung gian có sẵn trong măng hay được tạo thănh do nhu cầu của sự vận chuyển tích cực của ion. Chất chuyển trung gian có khả năng liín kết với Na+ở mặt trong của măng , sau
đó chuyển Na+ ra mặt ngoăi của măng tế băo. Ở môi trường ngoăi, Na+được tâch ra còn K+ lại liín kết với chất chuyển vă được đưa văo mặt trong của măng tế băo. Ở trong tế
băo, K+được giải phóng còn chất chuyển ở trạng thâi tự do lại thực hiện chu trình vận chuyển ion Na+ vă K+ tiếp theo. Hodgkin tính toân lí thuyết cho rằng năng lượng thủy phđn 1mol ATP đủđể vận chuyển 1mol ion dương (cation) qua măng ngược gradien điện thế có giâ trị khoảng 400mV. Thực nghiệm mới chỉ xâc định tính toân của Hodgkin phù hợp với sự vận chuyển H+ qua măng dạ dăy có gradien điện thế lớn khoảng 400mV. Ở
noron thần kinh có gradien điện thế gần bằng 120 mV nín năng lượng thuỷ phđn 1ATP
đủđể vận chuyển từ 2 đến 3Na+, ngược gradien điện thế.
Thực nghiệm đê xâc định “bơm Natri – Kali” chính lă chất chuyển trung gian, định vị
trín măng tế băo (xem hình 3.2). Để thực hiện sự vận chuyển chủ động Na+ vă K+ thì chính hai ion năy đê hoạt hoâ enzyme ATPase để xúc tâc cho phản ứng thuỷ phđn ATP, giải phóng ra năng lượng cung cấp cho quâ trình vận chuyển Na+ ra bín ngoăi đồng thời vận chuyển K+ văo trong tế băo qua chất chuyển trung gian.
Hình 3.2: Sơđồ cơ chế hoạt động của “bơm Natri – Kali” (theo giả thuyết Hodgkin, Katz vă Scou)
Kết quả nghiín cứu trín noron thần kinh vă tế băo thận đê xâc định do nhu cầu cần có sự
vận chuyển ion chủ động, trong măng xuất hiện (hoặc đê có trước) chất chuyển trung gian có bản chất lă lipoProtein hoặc photphoProtein. Quâ trình vận chuyển chủđộng Na+ vă K+ trải qua 3 giai đoạn sau:
- Giai đoạn 1: Xảy ra phản ứng photphoril hóa (tức chuyển gốc photphat cho chất chuyển trung gian). Phản ứng chỉ có thể xảy ra khi enzyme ATPase được hoạt hóa bởi Na+ đê xúc tâc cho phản ứng thủy phđn ATPđể giải phóng năng lượng vă chuyển gốc photphat. Kết quả lă Na+ vă gốc photphat đê được gắn văo chất chuyển trung gian vă phản ứng xảy ra ở bín trong tế băo:
- Giai đoạn 2: Phức chất Na+ - photphoprotein - P xuyín qua măng tế băo ra môi trường ngoăi. Ở bín ngoăi, xảy ra phản ứng trao đổi ion:
Na+ - photphoprotein - P + K+→ K+ - photphoprotein - P + Na+
- Giai đoạn 3: Phức chất K+ - photphoprotein - P lại xuyín qua măng văo trong nội băo.
Ở trong tế băo, xảy ra phản ứng dephotphat (loại bỏ gốc photphat) vă giải phóng K+. K+ - photphoprotein - P → K+ + photphoprotein + P
Phđn tử photphoprotein ở trạng thâi tự do lại tiếp tục tham gia văo quâ trình vận chuyển chủ động Na+ vă K+ khâc. Để giải thích vì sao chất chuyển trung gian lại có thể khi thì gắn với Na+, khi lại gắn với K+, câc nhă khoa học đê dựa văo thuyết Eidenman. Thuyết năy cho rằng chất chuyển trung gian có điện tích đm, khi nó thay đổi câc nhóm mang
điện tích đm sẽ thay đổi lực hút tĩnh điện. Do vậy, chất chuyển trung gian có khả năng khi thì "hút" Na+, khi lại "hút" K+.
- Giả thuyết Opit vă Trernoc: Hai ông cho rằng "bơm Natri - Kali" thực chất lă một protein xuyín măng, lă thănh phần cấu trúc của măng tế băo.
Hình 3.3. Sơ đồ hoạt động của "bơm Natri - Kali"
(Theo Bruce Alberts et all, 1994)
Protein xuyín măng có hai miền A vă B, trong đó miền A có âi lực (lực hút tĩnh điện) đối với Na+ còn miền B lại có âi lực đối với K+. Khi tế băo có nhu cầu vận chuyển chủđộng ion thì ATP tương tâc với protein xuyín măng dẫn tới có sự gắn Na+ văo miền A đồng thời khi chuyển gốc photphat từ ATP sang protein xuyín măng đê lăm cho phđn tử
protein xuyín măng thay đổi hình thù (hoặc quay 180o). Bđy giờ cả miền A vă miền B
đê quay ra phía ngoăi măng vă Na+được giải phóng ra môi trường ngoại băo còn K+ lại
được gắn văo miền B của protein xuyín măng. Tiếp đó xảy ra phản ứng dephotphat (loại bỏ gốc photphat) vă phđn tử protein xuyín măng trở về vị trí lúc ban đầu (hoặc quay 180o). Bđy giờ miền B lại quay về phía trong măng vă K+ lại được giải phóng ra tế băo chất còn phđn tử protein xuyín măng lại tiếp tục vòng vận chuyển chủđộng ion Na+ vă K+ khâc.
Còn theo Bruce Alberts et all (xem hình 3.3) thì protein xuyín măng lă ATPase cũng có miền nhận Na+ vă miền nhận K+. Nhờ phản ứng thủy phđn ATP mă gốc photphat từ
ATP đê được chuyển sang protein xuyín măng, lăm cho phđn tử protein xuyín măng thay
đổi hình thù (tức mặt trong của nó mở ra) để cho Na+ gắn văo miền A. Sau đó mặt trong
đóng lại còn mặt ngoăi lại mở ra để giải phóng Na+đồng thời K+ lại được gắn văo miền B. Tiếp theo ATPase loại bỏ gốc photphat để trở về hình thù ban đầu (tức mặt ngoăi
đóng lại còn mặt trong mở ra) để giải phóng K+ văo trong tế băo. Phđn tử ATPase ở trạng thâi tự do lại tham gia văo quâ trình vận chuyển ion tiếp theo.