– Trao đổi chất qua màng tế bào thực chất là quá trình vận chuyển các chất ra, vào tế bào qua màng tế bào. Tế bào không thể tồn tại nếu không có hoạt động trao đổi chất với mỗi trường bên ngoài. Vật chất mà tế bào cần trao đổi với môi trường có thể rất nhỏ như các loại ion cho tới các đại phân tử sinh học, thậm chí, tế bào bạch cầu của hệ miễn dịch có thể “nuốt” gọn cả một tế bào vi khuẩn hay tế bào bị bệnh của cơ thể. Màng tế bào được cấu tạo với thành phần hóa học chỉ cho những chất nhất định ra, vào tế bào. Vì vậy, có thể nói tế bào có cơ chế “chọn lọc” và kiểm soát sự trao đổi chất. Tế bào cần lấy các nguyên vật liệu để cấu tạo nên các phân tử sinh học như các loại đường đơn, amino acid, nucleotide, acid béo cũng như các loại nguyên tố vi lượng cần cho các hoạt động sống của tế bào. Những sản phẩm trao đổi chất thuộc loại phế thải luôn được thải vào môi trường như CO2 và nhiều chất khác. Các tế bào trong cơ thể đa bào thường trao đổi chất và truyền các tín hiệu cho nhau.

– Các phân tử nhỏ ra, vào tế bào chủ yếu dựa trên sự khuếch tán của các phân tử. Sự khuếch tán của các phân tử tuân theo các quy luật hóa lí. Tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào kích thước, bản chất phân tử và sự chênh lệch nồng độ của chất khuếch tán cũng như phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất của môi trường.

– Đối với những phân tử, vật thể lớn không thể khuếch tán qua màng tế bào, tế bào có các cơ chế đặc biệt để có thể vận chuyển chúng qua màng. Chúng ta sẽ cùng xem xét chi tiết các cơ chế trao đổi chất ở tế bào.

Trao đổi chất qua màng tế bào là sự vận chuyển các chất qua màng

a. Vận chuyển thụ động

Vận chuyển thụ động là sự khuếch tán của các phân tử từ nơi có nồng độ chất tan cao tới nơi có nồng độ chất tan thấp mà không tiêu tốn năng lượng.

 

– Sự khuếch tán đơn giản

Sự khuếch tán của các chất qua lớp kép phospholipid được gọi là khuếch tán đơn giản (H 10.1a).

Khuếch tán đơn giản là quá trình khuếch tán của các phân tử nhỏ, không phân cực qua màng tế bào.

 

– Khuếch tán tăng cường

Những chất không thể khuếch tán qua lớp kép phospholipid của màng tế bào như các ion, các chất phân cực, các amino acid,… có thể ra, vào tế bào nhờ các kênh protein chuyên biệt – protein xuyên màng. Kiểu khuếch tán của các chất qua protein xuyên màng được gọi là khuếch tán tăng cường.

Hình 10.1. Khuếch tán qua lớp kép phospholipid (a) khuếch tán qua protein kênh (b) và protein màng (c)

Khuếch tán tăng cường là sự khuếch tán của các phân tử nhỏ tích điện, phân cực qua các kênh protein của màng tế bào.

 

– Sự thẩm thấu

Sự khuếch tán của các phân tử nước qua màng tế bào được gọi là thẩm thấu.

Hình 10,2. Hình dạng tế báo thay đổi khi ở trong các môi trường khác nhau

– Môi trường bên ngoài chứa nồng độ chất tan cao hơn tổng nồng độ chất tan trong tế bào được gọi là ưu trương. Tế bào động vật ở trong môi trường ưu trương, nước trong tế bào thẩm thấu ra bên ngoài làm tế bào mất nước và bị co lại (H 10.2a). Các tế bào có thành như tế bào thực vật, khi mất nước chất nguyên sinh cùng màng sinh chất co lại, tách khỏi thành tế bào (hiện tượng co nguyên sinh) như ta thấy trong hình 10.2d. Tế bào bị co nguyên sinh sẽ xẹp xuống. Điều này giải thích vì sao lá rau bị héo khi mất nước và chỉ tươi khi trương nước.

– Môi trường bên ngoài có nồng độ chất tan bằng nồng độ các chất tan trong tế bào, được gọi là đẳng trương (H 10.2b, e).

– Môi trường bên ngoài tế bào chứa nồng độ chất tan thấp hơn tổng nồng độ chất tan trong tế bào được gọi là nhược trương. Khi tế bào ở trong môi trường nhược trương, nước sẽ khuếch tán từ bên ngoài vào trong tế bào tạo nên một áp lực lên màng tế bào. Hình 10.2c cho thấy hình dạng của tế bào động vật trong môi trường nhược trương. Đối với các tế bào vi khuẩn, nấm và thực vật, nhờ có thành tế bào, nước chỉ đi vào một mức độ nhất định làm trương tế bào do thành tế bào tạo nên lực cản chống lại sự khuếch tán của các phân tử nước vào tế bào (H 10.2g).

Thẩm thấu là sự khuếch tán của các phần tử nước từ nơi có nồng độ chất tan thấp tới nơi có nồng độ chất tan cao.

 

b. Vận chuyển chủ động

 Vận chuyển chủ động (hay vận chuyển tích cực) là kiểu vận chuyển các chất qua màng từ nơi có nồng độ chất tan thấp tới nơi có nồng độ chất tan cao (ngược chiều gradient nồng độ) và cần tiêu tốn năng lượng. Để làm được điều này, tế bào cần có những protein kênh vận chuyển hoạt động như những chiếc bơm, bơm các chất từ nơi có nồng độ thấp tới nơi có nồng độ cao. Muốn bơm hoạt động, tế bào phải cung cấp cho nó năng lượng dưới dạng ATP (H 10.3).

Hình 10.3. Bơm Na – K là một loại protein, sử dụng năng lượng ATP để vận chuyển các ion Na⁺ và K⁺ ra vào tế bào ngược chiều gradient nồng độ

Vận chuyển chủ động là kiểu vận chuyển các chất từ nơi có nồng độ chất tan thấp tới nơi có nồng độ chất tan cao và cần có năng lượng.

 

c. Vận chuyển vật chất nhờ biến dạng màng tế bào

Vận chuyển vật chất nhờ biến dạng màng tế bào Các đại phân tử như protein, đường đa, DNA có kích thước quá lớn nên không thể vận chuyển qua các protein xuyên màng. Tế bào vận chuyển các chất này theo cách thức vận chuyển đặc biệt được gọi là thực bào, ẩm bào và xuất bảo thông qua sự biến dạng mạng tế bảo. Tất cả các hình thức vận chuyển này đều tiêu tốn năng lượng.

– Thực bào và ẩm bào

Thực bào là thuật ngữ chỉ hoạt động “ăn” của tế bào. Tế bào có thể lấy các phân tử có kích thước lớn, thậm chí là cả một tế bào, nhờ sự biến dạng màng tế bào. Màng tế bào bao bọc lấy vật cần vận chuyển tạo nên một túi vận chuyển tách rời khỏi màng và đi vào trong tế bào chất (H 10.4a). Tế bào lấy các chất tan từ môi trường theo cách tương tự được gọi là ẩm bào (H 10.4b).

Hình 10.4. Quá trình thực bào (a); ẩm bào (b); thực bảo nhờ thụ thể (c) và xuất bào (d)

Tế bào có thể “chọn” được những chất cần thiết nhờ những protein thụ thể trên màng tế bào (H 10.4c). Ví dụ: Cholesterol được vận chuyển trong máu dưới dạng lipoprotein, các lipoprotein này liên kết đặc hiệu với các thụ thể trên màng làm màng biến dạng, lõm vào phía trong tạo thành túi vận chuyển tách khỏi màng đi vào trong tế bào chất. i vận chuyển tách khỏi màng đi vào tro

– Xuất bào

Xuất bào là hình thức vận chuyển các chất có kích thước lớn ra khỏi tế bào. Các chất có kích thước lớn cần đưa ra khỏi tế bào được bao bọc trong túi vận chuyển, sau đó túi này liên kết với màng tế bào giải phóng các chất ra bên ngoài (H 10.4d). Ví dụ: Protein sữa sau khi được đóng gói trong túi vận chuyển và xuất ra khỏi tế bào tuyến sữa.

Các phân tử hay vật thể có kích thước lớn được vận chuyển qua màng bằng cách ẩm bảo, thực bào và xuất bảo nhờ sự biến dạng của màng tế bào và cần sử dụng năng lượng.