Bài 9. Trao đổi chất qua màng sinh chất

I. Khái niệm trao đổi chất ở tế bào

- Trao đổi chất ở tế bào là tập hợp các phản ứng hoá học diễn ra trong tế bào và sự trao đổi các chất giữa tế bào với môi trường. 

- Có hai hình thức trao đổi chất qua màng:

• Vận chuyển thụ động.
• Vận chuyển chủ động. 

II. Sự vận chuyển thụ động qua màng sinh chất

1. Sự khuếch tán

- Gradient nồng độ là sự chênh lệch nồng độ của một chất giữa hai vùng.

- Sự khuếch tán diễn ra theo chiều gradient nồng độ và trong môi trường lỏng, khí.

- Khi các phân tử phân bố đồng đều trong môi trường, sự khuếch tán đạt đến cân bằng. Ở trạng thái cân bằng này, các phân tử vẫn di chuyển nhưng theo hai chiều như nhau nên gọi là cân bằng động.

- Những phân tử có thể đi qua lớp lipid kép bao gồm: các chất khí, các phân tử kị nước.

→ Đây là hình thức khuếch tán đơn giản.

- Những phân tử ưa nước như đường, amino acid đi qua lớp lipid với tốc độ rất thấp, còn các ion thì hầu như không đi qua được nên chúng cần có protein vận chuyển. 

→ Đây là hình thức khuếch tán tăng cường.

2. Sự thẩm thấu

- Thẩm thấu là sự di chuyển của các phân tử nước qua màng bán thấm ngăn cách giữa hai vùng có nồng độ chất tan khác nhau. Màng này có tính thấm với nước nhưng không thấm với một số phân tử chất tan nhất định.

- Vùng có nhiều phân tử nước được gọi là vùng có thế nước cao. Vùng có ít phân tử nước hơn là vùng có thế nước thấp.

- Khi tế bào ở trong các dung dịch có nồng độ khác nhau, các phân tử nước sẽ di chuyển qua màng theo 3 trường hợp:

• Dung dịch đẳng trương: khi dung dịch có nồng độ chất tan bằng nồng độ chất tan trong tế bào và các phân tử nước di chuyển ở trạng thái cân bằng.
• Dung dịch nhược trương: khi dung dịch có nồng độ chất tan nhỏ hơn bên trong tế bào và các phân tử nước thẩm thấu vào trong tế bào.
• Dung dịch ưu trương: khi dung dịch có nồng độ chất tan lớn hơn bên trong tế bào và phân tử nước thẩm thấu ra ngoài tế bào.

- Tế bào thực vật có thành tế bào vững chắc nên khi nhiều phân tử nước đi vào trong tế bào sẽ làm tế bào trương lên và gây ra áp lực lên thành tế bào (áp suất trương) dẫn đến sự ngăn cản các phân tử nước khác đi vào. Khi số lượng lớn phân tử nước đi ra khỏi tế bào, tế bào chất co lại, màng tế bào tách khỏi thành tế bào, gọi là hiện tượng co nguyên sinh.

III. Sự vận chuyển chủ động qua màng sinh chất

- Sự vận chuyển chủ động qua màng sinh chất là sự vận chuyển các chất ngược chiều gradient nồng độ với sự tham gia của protein vận chuyển và tiêu tốn năng lượng.

- Thông qua sự vận chuyển chủ động, tế bào lấy các chất cần thiết và điều hoà nồng độ các chất tế bào.

IV. Sự nhập bào và xuất bào

- Các phân tử lớn như protein, polysaccharide,... được vận chuyển trong các túi được hình thành từ màng thông qua sự nhập bào và xuất bào.

→ Đây cũng là một dạng vận chuyển chủ động và tiêu tốn năng lượng.

- Trong quá trình nhập bào, tế bào có thể vận chuyển các phân tử lớn hay thậm chí cả tế bào khác (sự thực bào) hoặc một lượng lớn chất lỏng (sự ẩm bào).

V. Thực hành về sự vận chuyển qua màng

1. Tìm hiểu về tính thấm chọn lọc của tế bào sống

* Chuẩn bị

- Mẫu tươi: một số mầm giá đỗ dài khoảng 3 - 4 cm.

- Hoá chất: nước cất; dung dịch xanh methylene 0,5 %; bình đựng nước sôi (khoảng 100 ^oC).

- Dụng cụ: kính hiển vi quang học, lam kính, dao lam, đĩa đồng hồ, cốc thuỷ tinh, lamen.

* Tiến hành

- Làm tiêu bản

• Ngâm một nửa số mầm giá đỗ trong nước sôi trong 5 phút.
• Cho hai mầm giá đỗ: một mầm giá đỗ sống và một mầm giá đỗ đã ngâm nước sôi vào đĩa đồng hồ đựng thuốc nhuộm xanh methylene khoảng 10 phút.
• Sau đó, dùng panh kẹp gắp hai mầm giá đỗ ra khỏi dung dịch xanh methylene, rửa sạch bằng nước cất.
• Đặt hai mầm giá đỗ lên lam kính và dùng dao lam cắt 2 - 3 lát mỏng từ mỗi mầm giá đỗ. Nhỏ nước lên lát cắt và đậy lamen.

- Quan sát tiêu bản dưới kính hiển vi

• Đặt và cố định tiêu bản trên bàn kính.
• Quan sát tiêu bản ở vật kính 10x rồi chuyển sang vật kính 40x.

* Báo cáo: Báo cáo kết quả thí nghiệm theo mẫu và trả lời câu hỏi sau:

- Thuốc nhuộm methylene có mặt trong tế bào ở mầm giá đỗ nào? Giải thích.

2. Tìm hiểu về sự co nguyên sinh và phản co nguyên sinh ở tế bào thực vật

* Chuẩn bị

- Mẫu tươi: lá cây thài lài tía.

- Hoá chất: nước cất, dung dịch NaCl 10 %.

- Dụng cụ: kính hiển vi quang học, lam kính, kim mũi mác, đĩa đồng hồ, giấy thấm.

* Tiến hành

- Làm tiêu bản đối chứng

• Lấy một lam kính và nhỏ một giọt nước cất vào giữa lam kính.
• Dùng kim mũi mác bóc một lớp tế bào mặt dưới của lá cây thài lài tía đặt lên giọt nước trên lam kính rồi đậy lamen và dùng giấy thấm bớt nước dư ở phía ngoài.
• Quan sát tiêu bản ở vật kính 10x rồi chuyển sang vật kính 40x.

- Làm tiêu bản mẫu co nguyên sinh

• Lấy tiêu bản đối chứng ra khỏi kính hiển vi và dùng ống nhỏ giọt nhỏ vào mép của một phía lam lamen một giọt dung dịch NaCl 10 %.
• Dùng giấy thấm hút hết nước ở phía kia của lamen nhằm thay thế hoàn toàn nước cất bằng dung dịch NaCl 10 %.
• Lặp lại việc nhỏ và thấm trên khoảng 2 - 3 lần đảm bảo thay thế hoàn toàn dung dịch NaCl 10 % bằng nước cất.
• Sau 5 - 10 phút, quan sát tiêu bản dưới kính hiển vi.

- Làm tiêu bản mẫu phản co nguyên sinh

• Lấy tiêu bản mẫu mẫu co nguyên sinh ra khỏi kính hiển vi và nhỏ một giọt nước cất vào mép của một phía lamen.
• Dùng giấy thấm hút hết nước thừa ở phái kia của lamen.
• Lặp lại việc nhỏ và thấm khoảng 2 - 3 lần nhằm thay thế hoàn toàn dung dịch NaCl 10% bằng nước cất.
• Sau 10 phút, quan sát tiêu bản dưới kính hiển vi.

* Báo cáo

- Mô tả hình dạng và vẽ các tế bào biểu bì và các tế bào cấu tạo nên khí khổng ở mẫu đối chứng, mẫu co nguyên sinh và phản co nguyên sinh. Viết báo cáo theo mẫu.

1. Trao đổi chất ở tế bào là quá trình tế bào trao đổi các chất như chất dinh dưỡng, chất thải,... với môi trường.

2. Vận chuyển thụ động là sự vận chuyển các chất từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp (theo chiều gradient nồng độ). Vận chuyển thụ động qua màng sinh chất bao gồm sự khuếch tán đơn giản của các chất qua lớp phospholipid kép, khuếch tán tăng cường với sự tham gia của protein vận chuyển và thẩm thấu của các phân tử nước.

3. Vận chuyển chủ động là sự vận chuyển các chất qua màng ngược gradient nồng độ và tiêu tốn năng lượng. Vận chuyển thụ động và vận chuyển chủ động đảm bảo cung cấp các chất cần thiết cho tế bào và điều hoà nồng độ các chất hai bên màng sinh chất.

4. Sự nhập bào và xuất bào đều là hình thức vận chuyển chủ động các phân tử lớn như protein, polysaccharide hay lượng lớn chất lỏng và thậm chí cả tế bào. Trong nhập bào, màng tế bào lõm vào hình thành các túi bao quanh các phân tử lớn hay tế bào (thực bào), nước và các chất hoà tan (ẩm bào). Trong xuất bào, các túi mang các phân tử đi đến màng, nhập với màng và giải phóng chúng ra bên ngoài.