Bài giảng Lý sinh học - TS. Đoàn Suy Nghĩ

167 trang phuongnguyen 2230

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Lý sinh học - TS. Đoàn Suy Nghĩ", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_ly_sinh_hoc_ts_doan_suy_nghi.pdf

Nội dung text: Bài giảng Lý sinh học - TS. Đoàn Suy Nghĩ

Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ĐOÀN SUY NGHĨ (chủ biên) LÊ VĂN TRỌNG LÝ SINH HỌC Huế 2005
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - LỜI NÓI ĐẦU Ở Việt Nam và trên thế giới Lý sinh (biophysics) là môn học cơ sở được dạy trong các trường đại học Khoa học, đai học Y - Dược, đại học Nông nghiệp, đại học Sư phạm, đại học Thuỷ sản v.v Hiểu được Lý sinh, cùng với một số môn khoa học cơ bản khác sẽ hiểu được các nguyên lí của các quá trình sinh học, đặc biệt là cơ chế hoá lí và bản chất vật lý của các hiện tượng sống. Để viết được giáo trình Lý sinh vừa bao hàm những kiến thức cơ bản vừa cập nhật những thông tin mới, thật là một công việc hết sức khó khăn. Nhưng với mong muốn phục vụ kịp thời kiến thức cơ bản về Lý sinh trong khuôn khổ của dự án Giáo dục đại học mức B, chúng tôi đã mạnh dạn viết giáo trình này. Giáo trình Lý sinh không chỉ phục vụ cho các sinh viên của các trường thuộc Đại học Huế mà còn là tài liệu cần thiết cho những ai quan tâm đến chuyên ngành Lý sinh. Phân công nội dung: - Mở đầu, chương 1, 2, 3, 7, 8, 9 do Tiến sỹ Đoàn Suy Nghĩ biên soạn. - Chương 4, 5, 6 do Tiến sỹ Lê Văn Trọng biên soạn. Để viết được giáo trình này, chúng tôi xin chân thành cảm ơn Ban dự án Giáo dục đại học của Đại học Huế, GS. TS. Nguyễn Thị Kim Ngân và GS. TSKH. Lê Doãn Diên đã đọc và đóng góp những ý kiến quí báu cho giáo trình này. Để giáo trình ngày càng hoàn thiện, chúng tôi mong nhận được sự góp ý của người đọc gần xa. Chủ biên Tiến sỹ: Đoàn Suy Nghĩ
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - MỞ ĐẦU LÝ SINH, SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN Sự áp dụng kiến thức vật lý vào nghiên cứu sinh học đã được thực hiện vào cuối thế kỷ XVIII. Năm 1780 hai nhà khoa học Pháp là Lavoadie và Laplace đã tiến hành thí nghiệm để khảo sát tính đúng đắn của định luật I nhiệt động học khi áp dụng vào hệ thống sống. Năm 1791, Galvani, giáo sư giải phẫu trường đại học Bolon (Italia) đã công bố kết quả nghiên cứu trong quyển sách "Bàn về các lực điện động vật trong co cơ", khẳng định có tồn tại dòng điện sinh vật. Năm 1859, Raymond đã phát hiện phần trước và phần sau cầu mắt động vật có xương sống tồn tại một hiệu điện thế và đo được giá trị từ 10 đến 38mV, gọi là điện thế tĩnh (hay điện thế nghỉ ngơi). Năm 1865, Holgreen phát hiện được giá trị hiệu điện thế giữa phần trước và phần sau cầu mắt động vật có xương sống sẽ tăng lên khi mắt được chiếu sáng. Sau này các nhà khoa học xác định, đó chính là điện thế hoạt động (hay điện thế hưng phấn). Năm 1875, Calton khẳng định khi mắt được chiếu sáng, không những điện cầu mắt tăng lên như Holgreen đã phát hiện mà điện ở vùng thị giác trên bán cầu đại não cũng tăng lên. Sau này các nhà khoa học xác định đó chính là dòng điện hưng phấn xuất hiện khi mắt được chiếu sáng, đã lan truyền theo dây thần kinh thị giác tới vùng thị giác trên bán cầu đại não, dẫn tới hiệu ứng sinh học là cảm nhận được ánh sáng. Năm 1922, Erlanger và Gasser dùng dao động ký âm cực để đo dòng điện hưng phấn xuất hiện trong dây thần kinh. Năm 1922,Viện Lý sinh ở Liên Xô cũ được thành lập. Năm 1929, Berger ghi được điện não đồ của động vật. Lịch sử hình thành Lý sinh đã được Taruxop, giáo sư trường Đai học tổng hợp Lomonoxop khẳng định: "Lý sinh được xem như là một khoa học bắt đầu được hình thành từ thế kỷ XIX". Thế kỷ XX là thế kỷ phát triển mạnh mẽ những nghiên cứu khoa học về Lý sinh trong các lĩnh vực: Nhiệt động học, động học của các quá trình sinh vật, vận chuyển chất qua màng tế bào, quang sinh học và phóng xạ sinh học v.v Thời kỳ đầu Lý Sinh được xác định như là một ngành khoa học nghiên cứu các hiện tượng vật lý trong hệ thống sống. Sau đó Lý sinh được xác định như là một ngành khoa học nghiên cứu các cơ chế vật lí, đặc biệt là cơ chế hoá lý của các quá trình xảy ra trong hệ thống sống ở mức độ phân tử, tế bào, mô và cơ thể. Bước sang thế kỷ XXI, hàng loạt vấn đề đang được đặt ra cho các nhà Lý sinh cần phải nghiên cứu. Đó là năng lượng sinh học, sự chuyển hoá năng lượng và sử dụng năng lượng của hệ thống sống? Bản chất và cơ chế hình thành điện thế sinh vật? Hiện tượng phân cực ở trong hệ thống sống xảy ra như thế nào và có gì khác so với ở hệ vật lý ? Bản chất của quá trình hưng phấn là vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu. Các chỉ số đặc trưng về vật lý và hoá lý đối với tế bào, mô, cơ quan, cơ thể có mối liên quan như thế nào trong hệ thống tiến hoá ? Vấn đề tự điều chỉnh các quá trình sinh học của cơ thể sống trước những thay đổi của yếu tố môi trường cũng đang được các nhà Lý sinh quan tâm nghiên cứu. Sinh học phóng xạ hiện đang thu hút nhiều nhà khoa học đi sâu nghiên cứu nhằm phục vụ cho công tác chọn giống mới, bảo quản lương thực, thực phẩm, công cuộc chinh phục vũ trụ, sử dụng năng lượng hạt nhân vì mục đích hoà bình
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - và không loại trừ khả năng có cuộc chạy đua vũ trang trong việc nắm giữ "đòn hạt nhân đầu tiên" với tham vọng bá quyền thế giới ?
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Chương 1 NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT I. Nhiệt động học hệ sinh vật và hướng nghiên cứu Nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực nghiên cứu hiệu ứng năng lượng, sự chuyển hoá giữa các dạng năng lượng, khả năng tiến triển, chiều hướng và giới hạn tự diễn biến của các quá trình xảy ra trong hệ thống sống. Cơ thể sống trong quá trình sinh trưởng và phát triển đều có sử dụng năng lượng vì vậy nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực cần được nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu của nhiệt động học hệ sinh vật là cơ thể sống, đó là một hệ mở do luôn xảy ra sự trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh, có khả năng tự điều chỉnh, tự sinh sản nên khác với hệ vật lí như chất rắn, chất lỏng hay chất khí Hiện nay nhiệt động học hệ sinh vật có các hướng nghiên cứu chủ yếu sau: - Nghiên cứu sự chuyển biến năng lượng ở mức độ phân tử, tế bào, mô, cơ quan hay toàn bộ cơ thể khi ở trạng thái sinh lý bình thường và trạng thái đang hoạt động. Xác định hiệu suất sử dụng năng lượng của các quá trình sinh vật và năng lượng liên kết trong các liên kết của các cao phân tử sinh học. - Nghiên cứu tính chất nhiệt động của các quá trình diễn ra trong cơ thể sống như quá trình khuyếch tán, thẩm thấu, vận chuyển tích cực - Nghiên cứu cơ chế tác động của sự thay đổi các yếu tố môi trường lên quá trình chuyển hoá năng lượng và sự trao đổi năng lượng giữa cơ thể sống với môi trường. II. Một số khái niệm và đại lượng cơ bản - Hệ: Hệ là một vật thể hay một nhóm vật thể được dùng làm đối tượng để nghiên cứu. Ví dụ khi chọn cá thể để nghiên cứu thì cá thể là một hệ còn khi chọn quần thể để nghiên cứu thì quần thể là một hệ. - Hệ cô lập: Là hệ không có sự trao đổi vật chất và năng lượng giữa hệ với môi trường xung quanh. Trên thực tế khó xác định được một hệ cô lập hoàn toàn nhưng ở qui mô thí nghiệm các nhà khoa học có thể thiết kế được hệ cô lập như bom nhiệt lượng dùng để nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của các phản ứng oxy hóa. - Hệ kín: Là hệ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh nhưng có trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh. - Hệ mở: Là hệ có trao đổi cả vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh. Ví dụ: cơ thể sống là một hệ mở. - Tham số trạng thái: Là các đại lượng đặc trưng cho trạng thái của một hệ, ví dụ như nhiệt độ, áp suất, thể tích, nội năng, entropi - Trạng thái cân bằng: Là trạng thái trong đó các tham số trạng thái đạt một giá trị nhất định và không đổi theo thời gian. - Quá trình cân bằng: Là quá trình trong đó các tham số trạng thái thay đổi với tốc độ chậm tới mức sao cho tại mỗi thời điểm có thể xem như trạng thái của hệ là trạng thái cân bằng. - Quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp, đẳng tích là quá trình diễn ra trong đó nhiệt độ, áp suất và thể tích luôn không đổi trong suốt quá trình diễn ra.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - - Quá trình thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trở về trạng thái ban đầu không kèm theo bất cứ một sự biến đổi nào của môi trường xung quanh. - Quá trình bất thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trở về trạng thái ban đầu làm thay đổi môi trường xung quanh. - Hàm trạng thái: Một đại lượng được xem là một hàm trạng thái, đặc trưng cho trạng thái của hệ, khi sự biến thiên giá trị của nó trong bất cứ quá trình nào cũng chỉ phụ thuộc vào giá trị đầu và giá trị cuối mà không phụ thuộc vào con đường chuyển biến. Nội năng (U), năng lượng tự do (F), thế nhiệt động (Z hay G), entanpi (H), entropi (S) là những hàm trạng thái. - Năng lượng: Năng lượng là đại lượng có thể đo được, có thể biến đổi một cách định lượng luôn theo cùng một tỉ lệ thành nhiệt lượng. Năng lượng phản ánh khả năng sinh công của một hệ. Đơn vị dùng để đo năng lượng là Calo (Cal) hay Joule (J). - Công và nhiệt: Đó là hai hình thức truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác. Nếu như sự truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác gắn liền với sự di chuyển vị trí của hệ thì sự truyền đó được thực hiện dưới dạng công. Ví dụ khi chạy 100 mét thì năng lượng tiêu tốn đã được dùng vào thực hiện công để di chuyển vị trí. Nếu sự truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác làm tăng tốc độ chuyển động của phân tử ở hệ nhận năng lượng thì sự truyền đó được thực hiện dưới dạng nhiệt. Công và nhiệt là hàm số của quá trình vì chúng đều phụ thuộc vào cách chuyển biến. - Nội năng: Nội năng của một vật thể bao gồm động năng của các phân tử chuyển động và thế năng tương tác do sự hút và đẩy lẫn nhau giữa các phân tử cùng với năng lượng của hạt nhân nguyên tử và năng lượng của các điện tử. III. Định luật I nhiệt động học và những hệ quả của nó Định luật I nhiệt động học được hình thành qua các công trình nghiên cứu của các tác giả như M. V. Lomonoxob (1744), G. I. Heccer (1836), R. Majo (1842), Helmholtz (1849), Joule (1877) Định luật I nhiệt động học được phát biểu như sau: "Trong một quá trình nếu năng lượng ở dạng này biến đi thì năng lượng ở dạng khác sẽ xuất hiện với lượng hoàn toàn tương đương với giá trị của năng lượng dạng ban đầu". Định luật I nhiệt động học bao gồm hai phần: - Phần định tính khẳng định năng lượng không mất đi mà nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác. - Phần định lượng khẳng định giá trị năng lượng vẫn được bảo toàn (tức giữ nguyên giá trị khi qui đổi thành nhiệt lượng) khi chuyển từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác. Giá trị năng lượng chỉ được bảo toàn khi quá trình xảy ra là quá trình thuận nghịch và hiệu suất của quá trình đạt 100%. Đối với quá trình bất thuận nghịch, hiệu suất của quá trình nhỏ hơn 100% thì ngoài phần năng lượng truyền cho hệ phải cộng thêm phần năng lượng đã toả ra môi trường xung quanh. Biểu thức toán học của định luật I nhiệt động học: Một hệ cô lập ở trạng thái ban đầu có nội năng U1, nếu cung cấp cho hệ một nhiệt lượng Q thì một phần nhiệt lượng hệ sử dụng để thực hiện công A, phần còn lại làm thay đổi trạng thái của hệ từ trạng thái ban đầu có nội năng U1 sang trạng thái mới có nội năng U2 (U2>U1). Từ nhận xét trên ta có biểu thức: Q = ΔU + A (1.1)
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Trong đó ΔU = U2 - U1 Công thức (1.1) có thể viết dưới dạng: ΔU = U1 - U1 = Q - A (1.2) Đối với quá trình biến đổi vô cùng nhỏ, phương trình (1.2) có thể viết dưới dạng: dU = δQ - δA (1.3) dU: Chỉ sự biến đổi nội năng, là hàm số trạng thái δQ và δA: Chỉ sự biến đổi nhiệt và công, là hàm số của quá trình. Từ biểu thức (1.2), định luật I nhiệt động học có thể phát biểu như sau: "Sự biến thiên nội năng của hệ bằng nhiệt lượng do hệ nhận được trừ đi công do hệ đã thực hiện". Từ định luật I nhiệt động học dẫn đến các hệ quả sau đây: - Nếu hệ biến đổi theo một chu trình kín (có trạng thái đầu và trạng thái cuối trùng nhau) thì nội năng của hệ sẽ không thay đổi (U2 = U1→ΔU = 0). - Khi cung cấp cho hệ một nhiệt lượng, nếu hệ không thực hiện công thì toàn bộ nhiệt lượng mà hệ nhận được sẽ làm tăng nội năng của hệ. Theo (1.2) ΔU = U2 - U1 = Q - A, nếu A = 0 → U2 - U1 = Q. Hệ nhận nhiệt nên Q > 0 → U2 - U1 = Q > 0 → U2 > U1. - Khi không cung cấp nhiệt lượng cho hệ mà hệ muốn thực hiện công thì chỉ có cách là làm giảm nội năng của hệ. Theo (1.2) ΔU = U2 - U1 = Q - A, nếu Q = 0 → U2 - U1 = -A → A = U1 - U2. Hệ muốn thực hiện công, tức A > 0 → U1 - U2 > 0 → U1 > U2. Sau khi thực hiện công (tức A > 0), nội năng của hệ đã giảm từ U1 xuống U2 nhỏ hơn. - Hệ thực hiện theo chu trình kín, nếu không cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì hệ sẽ không có khả năng sinh công. Theo (1.2) ΔU = Q - A, nếu hệ thực hiện theo chu trình kín, theo hệ quả 1 thì ΔU = 0 → Q - A = 0 → Q = A Do vậy, nếu Q = 0, tức không cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì hệ cũng không có khả năng sinh công, tức A = 0. Hệ quả này, có thể phát biểu dưới dạng: "Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại một, là loại động cơ không cần cung cấp năng lượng nhưng vẫn có khả năng sinh công". IV. Định luật Heccer Được Heccer tìm ra năm 1836, sau này được các nhà khoa học xếp thuộc vào hệ quả của định luật I nhiệt động học. Định luật Heccer phát biểu như sau: "Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hoá học chỉ phụ thuộc vào dạng và trạng thái của chất đầu và chất cuối mà không phụ thuộc vào cách chuyển biến". Ví dụ: Phản ứng tạo khí CO2 từ than nguyên chất là cacbon (C) có thể tiến hành theo 2 cách sau: Cách 1: Đốt trực tiếp than nguyên chất thành khí CO2 sẽ giải phóng nhiệt lượng là Q1. Phản ứng xảy ra:
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - C + O2 → CO2 + Q1 Cách 2: Chuyển than nguyên chất thành CO theo phản ứng: 1 C + O2 → CO + Q2 2 Từ CO chuyển tiếp thành CO2 theo phản ứng: 1 CO + O2 → CO2 + Q3 2 Sơ đồ minh hoạ: Q 1 C CO2 Q2 Q3 CO Theo định luật Heccer, chất đầu tham gia phản ứng (C) và sản phẩm của phản ứng (CO2) giống nhau nên có hiệu ứng nhiệt giống nhau: Q1 = Q2 + Q3 Trong thực nghiệm, hiệu ứng nhiệt của quá trình đốt than thành CO không thể đo trực tiếp được vì khi than cháy không bao giờ chỉ cho CO mà còn cho một ít CO2. Nhưng thực nghiệm lại đo trực tiếp được Q1 = 97 KCal/M và Q3 = 68 KCal/M. Từ đó dễ dàng suy ra giá trị Q2 = Q1 - Q3 = 97 KCal - 68 KCal Q2 = 29 KCal/M. Định luật Heccer có ý nghĩa rất quan trọng đối với hệ sinh vật. Trong hệ sinh vật diễn ra nhiều phản ứng phức tạp, cho đến nay vẫn còn nhiều phản ứng trung gian chưa có thể đo trực tiếp được hiệu ứng nhiệt. Dựa vào định luật Heccer có thể giải quyết được khó khăn này. V. Định luật I nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật Người đầu tiên tiến hành thí nghiệm để chứng minh tính đúng đắn của định luật I nhiệt động học khi áp dụng vào hệ thống sống là hai nhà khoa học Pháp Lavoisier và Laplace vào năm 1780. Đối tượng thí nghiệm là chuột khoang. Thí nghiệm cách ly cơ thể khỏi môi trường bên ngoài bằng cách nuôi chuột trong nhiệt lượng kế ở nhiệt độ 0oC. Dùng một lượng thức ăn đã xác định trước để nuôi chuột thí nghiệm. Trong cơ thể chuột sẽ diễn ra các phản ứng phân huỷ thức ăn tới sản phẩm cuối cùng là o khí CO2 và H2O, đồng thời giải phóng ra nhiệt lượng Q1. Nếu coi ở điều kiện 0 C, chuột đứng yên, không thực hiện công mà chỉ sử dụng nhiệt lượng giải phóng ra do oxy hoá
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - thức ăn để cung cấp nhiệt lượng cho cơ thể và tỏa nhiệt ra môi trường, qua nhiệt kế đo được sự tăng nhiệt độ, theo công thức sẽ tính được nhiệt lượng Q1. Đồng thời lấy một lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn đã cho chuột ăn trước khi thí nghiệm đem đốt cháy trong bom nhiệt lượng kế cũng tới khí CO2 và H2O, giải phóng ra nhiệt lượng Q2. So sánh hai kết quả thí nghiệm thấy giá trị Q1 tương đương với Q2. Điều này chứng tỏ nhiệt lượng giải phóng ra từ các phản ứng hoá sinh diễn ra trong cơ thể sống hoàn toàn tương đương với nhiệt lượng giải phóng ra từ các phản ứng ôxy hoá diễn ra ở ngoài cơ thể sống. Nói cách khác, hiệu ứng nhiệt của quá trình ôxy hoá chất diễn ra ở trong cơ thể sống và hiệu ứng nhiệt của quá trình ôxy hoá chất diễn ra ở ngoài cơ thể sống là hoàn toàn tương đương. Để tăng độ chính xác của thí nghiệm, sau này có nhiều mô hình thí nghiệm của nhiều nhà nghiên cứu được tiến hành nhưng đáng chú ý nhất là của Atwater và Rosa vào năm 1904. Đối tượng thí nghiệm là người và thời gian thí nghiệm là một ngày đêm (24 giờ). Trong thời gian thí nghiệm, cho người tiêu thụ một lượng thức ăn nhất định, thông qua đo lượng khí ôxy hít vào (hay khí CO2 thở ra), nhiệt thải ra từ phân và nước tiểu sẽ tính được hiệu ứng nhiệt của các phản ứng phân huỷ thức ăn diễn ra ở cơ thể người trong 24 giờ. Đồng thời đốt lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn mà người đã tiêu thụ ở trong bom nhiệt lượng kế sẽ đo được nhiệt lượng toả ra. Kết quả thí nghiệm: Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng diễn ra ở cơ thể người trong 24 giờ: Nhiệt lượng toả ra xung quanh : 1374 KCal Nhiệt lượng toả ra do thở ra : 181 KCal Nhiệt lượng toả ra do bốc hơi qua da: 227 KCal Nhiệt do khí thải ra : 43 KCal Nhiệt toả ra từ phân và nước tiểu : 23 KCal Hiệu đính (do sai số) : 31 KCal Tổng cộng nhiệt lượng thải ra : 1879 KCal Nhiệt lượng do thức ăn cung cấp: 56,8 gam Protein : 237 KCal 79,9 gam Gluxit : 335 KCal 140,0 gam Lipit : 1307 KCal Tổng cộng : 1879 KCal Lưu ý: Khi ôxy hoá 1 gam Protein ở trong bom nhiệt lượng kế tới khí CO2 và H2O, giải phóng ra 5,4 KCal còn trong cơ thể sống phân giải 1 gam Protein tới urê chỉ giải phóng khoảng 4,2 KCal. Khi oxy hoá hoàn toàn 1 gam Gluxit, giải phóng khoảng 4,2 KCal còn ôxy hoá hoàn toàn 1 gam Lipit giải phóng từ 9,3 đến 9,5 KCal. Kết quả thí nghiệm của Atwater và Rosa khẳng định năng lượng chứa trong thức ăn sau khi cơ thể tiêu thụ đã chuyển thành năng lượng giải phóng thông qua quá trình phân giải bởi các phản ứng hoá sinh diễn ra trong cơ thể sống. Năng lượng chứa trong thức ăn và năng lượng giải phóng ra sau khi cơ thể phân giải thức ăn là hoàn toàn tương đương. Nhiệt lượng trong cơ thể người được chia làm hai loại là nhiệt lượng cơ bản (hay nhiệt lượng sơ cấp) và nhiệt lượng tích cực (hay nhiệt lượng thứ cấp). Nhiệt lượng cơ bản xuất hiện ngay sau khi cơ thể hấp thụ thức ăn và tiêu thụ ôxy để thực hiện phản ứng ôxy hoá
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - đồng thời giải phóng ra nhiệt lượng. Ví dụ khi cơ thể hấp thụ 1 phân tử gam (tức 1M) glucose, lập tức xảy ra phản ứng ôxy hoá đường và giải phóng ra 678 KCal (nhiệt lượng cơ bản). Cơ thể sẽ sử dụng nhiệt lượng cơ bản vào các hoạt động sống, nếu còn dư sẽ được tích luỹ vào ATP. Phần nhiệt lượng tích luỹ vào các hợp chất cao năng gọi là nhiệt lượng tích cực. Trong cơ thể sống, nhiệt lượng cơ bản và nhiệt lượng tích cực có liên quan với nhau. Nếu nhiệt lượng cơ bản nhiều mà cơ thể sử dụng ít thì nhiệt lượng tích cực sẽ tăng lên. Nếu nhiệt lượng cơ bản không có thì không những nhiệt lượng tích cực bằng không mà cơ thể phải phân giải ATP, giải phóng ra năng lượng để cung cấp cho các hoạt động sống. Ở trạng thái sinh lý bình thường, cơ thể sống sẽ duy trì mối tương quan nhất định giữa nhiệt lượng cơ bản và nhiệt lượng tích cực. Ở mức độ tế bào, có khoảng 50% năng lượng của chất dinh dưỡng được tích luỹ vào ATP. VI. Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp và nguyên tắc hoạt động của cơ thể sống Phương pháp đo nhiệt lượng của Lavoadie và Laplace dùng trong thí nghiệm chứng minh tính đúng đắn của định luật I nhiệt động học khi áp dụng vào hệ sinh vật, gọi là phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp. Cơ sở của phương pháp này là dựa vào lượng khí ôxy tiêu thụ hoặc lượng khí CO2 do cơ thể thải ra ở động vật máu nóng (động vật có vú và người), có liên quan chặt chẽ với nhiệt lượng chứa trong thức ăn. Ví dụ: Quá trình ôxy hóa glucose, phản ứng diễn ra như sau: C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 678 KCal (180gam) (134,4l) (134,4l) Từ phản ứng trên cho thấy cứ ôxy hoá hoàn toàn 1 phân tử gam glucose thì cần phải tiêu thụ 6 phân tử gam ôxy đồng thời thải ra 6 phân tử gam khí CO2 và giải phóng ra 678 KCal. Ở điều kiện tiêu chuẩn, mỗi phân tử gam chất khí đều chứa 22,4 lít. Do vậy 6 phân tử gam ôxy hoặc CO2 đều chứa: 6 x 22,4 lít = 134,4 lít. Từ đó suy ra, cơ thể cứ tiêu thụ 1 lít O2 để ôxy hoá hoàn toàn một phân tử gam glucose đồng thời thải ra 1 lít CO2 thì kèm theo giải phóng một nhiệt lượng là: 678 KCal: 134,4 lít = 5,047 KCal/lít và gọi là đương lượng nhiệt của ôxy. Dựa vào phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp, có thể xác định được sự thải nhiệt của bất kì động vật máu nóng nào thông qua số lít ôxy tiêu thụ (hoặc số lít CO2 thải ra). Từ phản ứng ôxy hóa glucose ở trên và sau này áp dụng chung cho Gluxit khi ôxy hoá hoàn toàn sẽ giải phóng ra nhiệt lượng được tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O2 ( hoặc số lít CO2) x 5,047 (1.4) Khi ôxy hóa Protein, nhiệt lượng giải phóng ra được tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O2 x 4,46 (1.5) Khi ôxy hoá Lipit, nhiệt lượng giải phóng ra được tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O2 x 4,74 (1.6) Mối quan hệ giữa thức ăn, số lít O2 tiêu thụ và số lít CO2 thải ra cùng đương lượng nhiệt của ôxy được thể hiện qua bảng 1.1. Bảng 1.1: Đương lượng nhiệt của ôxy đối với các loại thức ăn. Số lít O2 cần để số lít CO2 thải ra Đương lượng Thức ăn ôxy hoá 1 gam sau khi ôxy hoá nhiệt của ôxy thức ăn 1g thức ăn
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Gluxit 0,83 0,83 5,047 Protein 0,97 0,77 4,46 Lipit 2,03 1,42 4,74 Đối với thức ăn hỗn hợp gồm cả Gluxit, Protein và Lipit khi bị ôxy hoá, nhiệt lượng giải phóng ra được tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O2 x 4,825 (1.7) Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp còn có thể xác định được nhiệt lượng giải phóng ra khi ôxy hoá thức ăn thông qua: Thương số hô hấp là tỉ lệ khí CO2 trên khí O2. Thương số hô hấp cũng thay đổi tuỳ thuộc vào loại thức ăn được ôxy hoá. - Đối với phản ứng ôxy hoá glucose C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O Số lít khí CO2 6 x 22,4 lít = = 1 Thương số hô hấp = Số lít O2 6 x 22,4 lít Thương số hô hấp của glucose được sử dụng cho cả Gluxit. - Đối với phản ứng ôxy hóa Lipit có thương số hô hấp bằng 0,7, đối với Protein bằng 0,8 còn với thức ăn hỗn hợp có giá trị nằm trong khoảng từ 0,85 đến 0,9. Thương số hô hấp có liên quan với đương lượng nhiệt của ôxy, thể hiện qua bảng 1.2. Bảng 1.2: Thương số hô hấp (TS hô hấp) và đương lượng nhiệt của ôxy (ĐLN của ôxy) TS hô hấp 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 ĐLN của ôxy 4,686 4,739 4,801 4,862 4,924 4,985 5,05 Khi ôxy hoá thức ăn, bằng cách đo lượng khí O2 tiêu thụ và lượng khí CO2 thải ra (đơn vị là lít), tính được thương số hô hấp. Dựa vào bảng 1.2, lấy giá trị đương lượng nhiệt của ôxy tương ứng với thương số hô hấp nhân với số lít O2 tiêu thụ sẽ biết được nhiệt lượng giải phóng (còn gọi là lượng nhiệt trao đổi hay trị số trao đổi năng lượng). Ví dụ: Nếu thương số hô hấp là 0,85 thì có đương lượng nhiệt của ôxy là 4,862 và biết cơ thể tiêu thụ 20 lít O2 thì trị số trao đổi năng lượng sẽ là: 4,862 x 20 lít O2 = 97,24 KCal VII. Phân biệt nguyên tắc hoạt động của cơ thể sống với máy nhiệt Máy nhiệt là động cơ dùng nhiên liệu đốt như dầu Diedel, xăng để sinh công như máy nổ ôtô, xe máy, máy bơm nước Trong cơ học, hiệu suất sử dụng năng lượng của một cái máy nhiệt, được tính theo công thức: TT− η = 2 1 (1.8) T2 η: Hiệu suất của máy nhiệt (%) o T1: Nhiệt độ Kelvin ở trạng thái đầu ( K) o T2: Nhiệt độ Kelvin ở trạng thái cuối ( K)
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Công thức chuyển đổi giữa nhiệt độ Kelvin và nhiệt độ bách phân (oC): T(oK) = t(oC) + 273 (1.9) Giả sử hiệu suất sử dụng năng lượng của một máy nhiệt đạt trung bình là 33% = 33/100 ≈ 1/3 Nếu ta cũng giả sử cơ thể sống hoạt động giống như một máy nhiệt, tức là cũng có hiệu suất sử dụng năng lượng là 33% ? Nhiệt độ ban đầu của cơ thể người là 37oC, theo công thức (1.9) tính ra: o T1 = 37 + 273 = 310 K 1 o Thay η = 33% ≈ và T1 = 310 K vào công thức (1.8) sẽ được: 3 o 1 T2 − 310 K o = → 3.(T2 - 310 K)=T2 3 T2 o o 2T2 = 930 K → T2 = 465 K Áp dụng công thức (1.9) ta có: o o 465 = t2( C) + 273 → t2 = 465 - 273 = 192 C Kết quả trên cho thấy cơ thể sống hoạt động không giống như một máy nhiệt. Đối với cơ thể sống, Protein bị biến tính ngay ở nhiệt độ từ 40oC đến 60oC còn ở 192oC thì không có một sinh vật nhân chuẩn nào có thể sống được. Điều đó khẳng định cơ thể sống hoạt động không giống như một máy nhiệt mà hoạt động theo nguyên lý của các quá trình sinh học. VIII. Định luật II nhiệt động học Định luật I nhiệt động học chỉ cho biết về sự biến đổi giữa các dạng năng lượng khác nhau, cho phép xác định biểu thức chỉ rõ sự liên quan về lượng giữa các dạng năng lượng khác nhau khi xuất hiện trong một quá trình cho trước. Song định luật I nhiệt động học không cho biết quá trình khi nào có thể xảy ra hoặc không xảy ra và chiều hướng diễn biến của quá trình nếu xảy ra thì theo chiều hướng nào? Định luật II nhiệt động học xác định được chiều hướng tự diễn biến của một quá trình cũng như cho biết quá trình tự diễn biến đến khi nào thì dừng lại và cho phép đánh giá khả năng sinh công của các hệ nhiệt động khác nhau. Định luật II nhiệt động học có ba cách phát biểu. Cách phát biểu thứ nhất còn gọi là tiên đề Clausius đưa ra 1850: "Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng". Từ đó suy ra rằng nhiệt nói riêng còn những quá trình nhiệt động nói chung chỉ có thể tự diễn ra nếu xảy ra sự truyền năng lượng từ mức độ cao đến mức độ thấp, tức là theo chiều gradien. Gradien của một thông số đặc trưng cho một tính chất nào đó về trạng thái của hệ (như nồng độ) được xác định bằng hiệu số giá trị của thông số đó ở tại hai điểm chia cho khoảng cách giữa hai điểm đó. Ví dụ: Giả sử tại vị trí 1 có nồng độ là C1 còn ở vị trí 2 có nồng độ là C2 và C1 > C2 thì hiệu số nồng độ sẽ là C1 - C2 còn hiệu số khoảng cách là x2 - x1. Đặt ΔC = C1 - C2 và Δx = x2 - x1 thì gradien nồng độ được xác định: ΔC CC− = 1 2 (1.10) C1 > C2 Δx x2− x 1 • • x1B x2B
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Gradien là một đại lượng vectơ, có giá trị về hướng và giá trị độ lớn. Khi so sánh một tế bào sống với một vật vô sinh như một hạt cát ta thấy rõ ngay rằng trong tế bào sống duy trì nhiều loại gradien khác nhau. Gradien màng để duy trì điện thế tĩnh và điện thế hoạt động, gradien nồng độ để duy trì nồng độ, gradien áp suất thẩm thấu để duy trì lượng nước trong tế bào Nếu tế bào chết thì các loại gradien cũng bị triệt tiêu. Nếu xét ở mức độ gradien thì sự sống của tế bào luôn kèm theo sự tồn tại của các loại gradien. Cách phát biểu thứ hai do Thomson phát triển tiên đề của Clausius "Không thể có một quá trình biến đổi chuyển toàn bộ nhiệt lượng thành công". Theo cách phát biểu của Thomson thì hiệu suất hữu ích của quá trình bao giờ cũng nhỏ hơn 1 (tức η Q2 Máy sinh và T1>T2 công Theo (1.8) thì hiệu suất hữu ích của quá trình thuận nghịch được xác định theo công thức: Q2 A QQ− TT− η = = 1 2 = 1 2 (1.11) T Q1 Q1 T1 Nguồn thu nhiệt 2 Cân bằng phương trình ta có: Hình 1.1: Nguyên lý T1(Q1-Q2)=Q1(T1-T2) → T1Q1-T1Q2=Q1T1-Q1T2 hoạt động của máy nổ Q1 Q2 Giản ước ta được: T1Q2=Q1T2 hay = (1.12) T1 T2 Từ vật lý học cho biết sự thay đổi entropi của một hệ được xác định theo công thức: Q ΔS = (1.13) T ΔS: sự thay đổi entropi của hệ.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Q: Nhiệt lượng cung cấp cho hệ (calo) T: Nhiệt độ Kelvin (oK) của hệ Đối với quá trình biến thiên vô cùng nhỏ, ta có: δQ dS = (1.14) T Đơn vị của entropi là Cal/M.độ Entropi là một hàm trạng thái nên nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối cùng của hệ. Công thức (1.12) có thể biểu diễn qua hàm entropi như sau: Q1 Q2 S1 =;S2 = T1 T2 S1: Entropi ở trạng thái đầu S2: Entropi ở trạng thái cuối Đối với quá trình thuận nghịch theo công thức (1.12) ta có: S1=S2 → S = Const (hằng số) (1.15) Trong một hệ nếu chỉ xảy ra các quá trình thuận nghịch thì hệ luôn duy trì ở trạng thái cân bằng nên entropi của hệ là không đổi. Đối với quá trình không thuận nghịch thì Q ΔS > vì nhiệt lượng cung cấp cho hệ không chỉ làm thay đổi entropi của hệ mà còn T làm thay đổi entropi của môi trường xung quanh do sự ma sát và tỏa nhiệt. Thực nghiệm đã xác định đối với một quá trình không thuận nghịch thì entropi của hệ ở trạng cuối (tức S2) bao giờ cũng lớn hơn so với entropi của hệ ở trạng thái đầu (tức S1). Do vậy: S2-S1>0 (1.16) Trong một hệ xảy ra các quá trình không thuận nghịch thì entropi của hệ bao giờ cũng tăng lên. Do vậy, nếu là hệ cô lập thì các quá trình xảy ra trong hệ sẽ tiến triển theo chiều tăng của entropi và entropi của hệ sẽ đạt giá trị cực đại ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Tính chung cho cả quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch thì sự thay đổi entropi của hệ có thể viết như sau: ΔS ≥ 0 (1.17) Đối với quá trình thay đổi entropi vô cùng nhỏ (gọi là quá trình vi phân) thì: dS ≥ 0 (1.18) (Dấu bằng dùng cho quá trình thuận nghịch còn dấu lớn hơn dùng cho quá trình không thuận nghịch). Vật thể Hệ cô lập Ví dụ 1: Hệ cô lập gồm vật thể A và vật thể B. Vật thể A có nhiệt độ là TA còn vật thể B có nhiệt độ là A TB.B Giả sử TA>TB B thì theo định luật II nhiệt động học vật A sẽ truyền cho vật B một nhiệt lượng là Q. Q Sự thay đổi entropi của vật A do mất nhiệt là: Q dSA= − còn sự thay đổi entropi của vật B do TA B Vật thể
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Q nhận nhiệt là dSB=B (dấu trừ chỉ entropi của vật TB A bị giảm). Sự thay đổi entropi của toàn hệ được xác định: Q Q Q(TAB− T ) dS=dSA+dSB=B − = T T T .T B A AB Cục nước Lớp cách o Vì TA>TB B nên TA-TB>0B suy ra dS>0 đá (0 C) nhiệt hoàn Ví dụ 2: Ngâm cục nước đá có nhiệt độ là toàn 0oC (tức tính ra nhiệt độ Kelvin là: o o T1=273+0 C=273 K) vào trong thùng dầu o o Thùng dầu 100 C có nhiệt là 100 C. Hệ cô lập o (tức T2=273+100=373 K). Nhiệt độ sẽ tự động truyền từ dầu sang cục nước đá qui ra nhiệt lượng là Q. Thực nghiệm xác định được Q=80cal. Dầu cung cấp nhiệt nên sự thay đổi entropi của dầu là: 80 dSD= − = −0,214 cal/độ (bị giảm đi). 373 Cục nước đá nhận nhiệt nên sự thay đổi entropi của nước đá là: 80 dDĐ= =0,293cal/độ. 273 Sự thay đổi entropi của hệ (gồm dầu và cục nước đá) sẽ là: dShệ= dSD+dSĐ = 0,293cal/độ - 0,214cal/dộ = 0,079cal/độ > 0 Nhận xét: Đối với hệ cô lập, quá trình truyền nhiệt tự diễn biến theo chiều tăng của entropi. Điều này minh chứng cho tính đúng đắn của định luật II nhiệt động học. IX. Tính chất thống kê của định luật II nhiệt động học Định luật II nhiệt động học có tính chất thống kê nên độ chính xác phụ thuộc vào số phân tử có trong hệ. Trạng thái ít trật tự (tức có entropi lớn) có xác suất cao hơn trạng thái có trật tự cao (tức có entropi nhỏ). Giữa entropi và xác suất nhiệt động có mối quan hệ như thế nào? Năm 1896 Boltzmann là người đầu tiên tìm được mối liên quan giữa entropi và xác suất nhiệt động qua phương trình: S = klnW (1.19) S: Entropi của hệ k: Hằng số Boltzmann bằng 1,38.10-16ec/độ W: Xác suất nhiệt động Để hiểu rõ tính chất thống kê của định luật II nhiệt động học, ta xét ví dụ: Trong 1 bình có 6 phân tử được đánh số từ số 1 đến số 6. Ta ngăn bình thành 2 phần: phía bên phải không có phân tử nào cả. - Thời điểm ban đầu: Bên trái Bên phải 1 2 3 4 Thành ngăn 5 6
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Sau khi bỏ thành ngăn do chuyển động nhiệt của các phân tử nên các phân tử sẽ chuyển động trong toàn bộ thể tích của bình tạo nên tất cả có 26 = 64 - Kiểu phân bố 5 phân tử ở bên trái bình còn 1 phân tử ở bên phải bình (có 6 kiểu phân bố). 2 1 1 2 1 2 3 4 3 4 4 3 5 6 5 6 5 6 Kiểu 1 Kiểu 2 Kiểu 3 1 2 1 2 1 2 3 4 3 4 3 4 5 6 6 5 5 6 Kiểu 4 Kiểu 5 Kiểu 6 Xác suất phân bố của phân tử trong bình được trình bày ở bảng 1.3. Xác suất nhiệt động là số kiểu có thể xảy ra của mỗi kiểu phân bố cho nên xác suất nhiệt động luôn luôn lớn hơn 1 hoặc nhỏ nhất là bằng 1. Xác suất toán học (kí hiệu là w) bao giờ cũng nhỏ hơn một và bằng 1 là lớn nhất. Xác suất toán học là khả năng xảy ra số kiểu trên toàn bộ số kiểu phân bố. Bảng 1.3: Sự phân bố của các phân tử giữa hai phần bình và xác suất phân bố của chúng. Số phân tử Xác suất Xác suất Bên trái bình Bên phải bình nhiệt động W toán học w 6 0 1 1/64 5 1 6 6/64 4 2 15 15/64 3 3 20 20/64 2 4 15 15/64 1 5 6 6/64 0 6 1 1/64 Kết quả ở bảng 1.3 cho thấy sự phân bố cân bằng mỗi bên có 3 phân tử là có xác suất nhiệt động lớn nhất, tức W=20 nên theo công thức (1.19) thì entropi cũng có giá trị lớn nhất. Như vậy, trạng thái cân bằng là trạng thái có xác suất nhiệt động lớn nhất đồng thời cũng có entropi lớn nhất nên là trạng thái dễ xảy ra nhất. Trong 64 kiểu phân bố chỉ có 20
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - kiểu tuân theo định luật II nhiệt động học, tiến triển theo chiều hướng tăng của entropi và đạt tới entropi lớn nhất còn 42 kiểu (gồm 6+15+15+6) cũng tiến triển theo chiều tăng của entropi nhưng chưa đạt tới giá trị entropi lớn nhất. Đặc biệt chiều hướng tiến triển có 6 phân tử ở cùng một phía của bình có xác suất nhiệt động và entropi giống với trạng thái ban đầu (tức entropi không tăng lên). Điều này không đúng với định luật II nhiệt động học là quá trình luôn diễn ra theo chiều tăng của entropi. Khi số phân tử trong bình càng tăng lên, ví dụ là 50 phân tử thì tổng số kiểu phân bố sẽ là 250, là 1 con số cực kỳ lớn. Khi đó khả năng tiến triển có cả 50 phân tử ở một phía của bình cũng chỉ chiếm 1 khả năng (tức W=1) so với 250 khả năng và như vậy trường hợp xảy ra không đúng với định luật II ⎛ 1 ⎞ nhiệt động học sẽ càng ít đi ⎜ ⎟ . Đó chính là tính thống kê của định luật II nhiệt động ⎝ 250 ⎠ học, tức là khi số phân tử trong hệ càng lớn thì tính đúng đắn của định luật II nhiệt động học sẽ càng cao. X. Định luật II nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật Hệ thống sống là một hệ thống mở, luôn xảy ra quá trình trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường ngoài. Theo cách phát biểu của Thomson: "Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại hai" là động cơ có hiệu suất hữu ích là 100%, khi áp dụng vào hệ thống sống là hoàn toàn đúng đắn. Thực nghiệm đã xác định mọi quá trình diễn ra trong hệ thống sống đều có hiệu suất hữu ích nhỏ hơn 100% (xem bảng 1.4). Bảng 1.4: Hiệu suất của một số quá trình sinh vật TT Quá trình sinh vật Hiệu suất (η) 1 Quá trình glicoliz (tiêu glucoza) 36% 2 Quá trình co cơ 30% 3 Quá trình oxy hóa photphorin hóa 55% 4 Quá trình quang hợp 75% 5 Quá trình phát quang của vi khuẩn 90% Quá trình quang hợp của thực vật có hiệu suất 75% có nghĩa là cây xanh cứ hấp thụ 100calo từ năng lượng ánh sáng mặt trời thì có 75 calo được sử dụng vào tổng hợp chất (phần năng lượng có ích) còn 25 calo tỏa nhiệt sởi ấm cơ thể hay phát tán nhiệt ra môi trường xung quanh (phần năng lượng vô ích). * Vai trò của entropi Đối với hệ cô lập, định luật II nhiệt động học đã khẳng định mọi quá trình diễn biến đều diễn ra theo chiều tăng của entropi và đạt giá trị cực đại khi đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt động thì dừng hẳn. Cơ thể sống là một hệ mở cho nên không thể áp dụng định luật II nhiệt động học trực tiếp lên cơ thể sống. Định luật II nhiệt động học chỉ có thể áp dụng vào hệ sinh vật nếu xem hệ bao gồm cả cơ thể sống và môi trường sống. Ta hãy xét sự dS thay đổi entropi của hệ (kí hiệu là ) có liên quan tới sự thay đổi entropi của cơ thể dt
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - dS dS sống (kí hiệu là C ) và sự thay đổi entropi của môi trường (kí hiệu là m ) như thế dt dt nào? Entropi là một hàm trạng thái và có tính chất cộng tính (tức là entropi của hệ bằng tổng entropi của các thành phần nằm trong hệ) nên sự thay đổi entropi của hệ sẽ được xác định theo công thức: dS dS dS =C + m (1.20) dt dt dt dS Thành phần C = 0 khi các quá trình diễn ra trong cơ thể sống đều là quá trình thuận dt nghịch. Song trên thực tế phần lớn các quá trình diễn ra ở cơ thể sống là những quá trình dS bất thuận nghịch, do vậy C >0 dt dS Thành phần m = 0 khi giữa cơ thể sống và môi trường không xảy ra quá trình trao đổi dt vật chất và năng lượng. Điều này không xảy ra vì trái với thực tế. Quá trình trao đổi vật chất và năng lượng giữa cơ thể sống với môi trường là quá trình bất thuận nghịch (nhất là dS dS dS dS quá trình trao đổi nhiệt) do vậy m >0. Như vậy, khi C >0 và m >0 thì >0. dt dt dt dt Điều này là phù hợp với định luật II nhiệt động học. Trong cơ thể sống xảy ra trường hợp khi quá trình đồng hóa diễn ra với cường độ mạnh dS hơn so với quá trình dị hóa thì C <0. Trường hợp này gặp ở quá trình quang hợp của dt dS thực vật, khi đó có C <0. Bù lại, quá trình trao đổi chất giữa thực vật với môi trường dt nước, không khí và nhất là sự hấp thu năng lượng từ ánh sáng mặt trời đã làm tăng entropi của môi trường lên rất cao nhất là ở trung tâm mặt trời đã xảy ra các phản ứng hạt nhân để giải phóng năng lượng ánh sáng chiếu xuống trái đất. Các phản ứng hạt nhân bao dS giờ cũng có entropi vô cùng lớn. Do vậy, giá trị m sẽ lớn hơn không rất nhiều nên sự dt dS thay đổi entropi của hệ là vẫn lớn hơn không, phù hợp với định luật II nhiệt động dt học. Tóm lại khi áp dụng định luật II nhiệt động học vào hệ thống sống thì ta không nên tách rời cơ thể sống ra khỏi môi trường sống mà phải xem cơ thể sống và môi trường sống là cùng nằm trong một hệ. Về mối liên quan giữa entropi và độ trật tự cấu trúc của cơ thể sống, Schrodinger cho rằng: "Sự sống là sự hấp thụ entropi âm". Giải thích quan điểm này, theo tác giả là cơ thể sống luôn luôn duy trì độ trật tự cao của mình bằng cách hấp thụ chất dinh dưỡng có độ trật tự cao như protit, Gluxit, Lipit qua thức ăn. Thực ra, khi tiêu thụ chất dinh dưỡng, cơ thể sống không sử dụng chúng như một nguồn trật tự (để nguyên và dùng làm nguyên liệu để xây dựng nên cơ thể sống) mà chất dinh dưỡng sau khi hấp thụ được phân giải thành chất để tế bào có thể hấp thu được. Chẳng hạn Protein của thịt gà có độ trật tự cao (tức entropi thấp) khi được cơ thể hấp thụ nó sẽ bị phân giải thành các axit amin nên có
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - độ trật tự kém hơn (tức entropi cao). Do vậy, quan điểm của Schrodinger là hoàn toàn không phản ánh đúng bản chất của quá trình tiêu hóa và hấp thu của cơ thể sống. Độ trật tự cấu trúc và độ trật tự của các quá trình sinh học diễn ra trong cơ thể sống không phải do entropi quyết định mà do cơ thể sử dụng nguồn năng lượng tự do từ nguồn thức ăn để duy trì sự tồn tại và phát triển của cơ thể sống. Trong quá trình phát sinh và hình thành sự sống trên trái đất, trải qua thời gian tiến hóa với sự chọn lọc của tự nhiên đã hình thành nên các loài sinh vật có sự thích nghi cao với từng loại môi trường sống. Do các nguyên lí của các quá trình sinh học quyết định đã làm cho cơ thể sống thích nghi cả về mặt cấu trúc cũng như thích nghi về mặt chức năng chứ không phải hoàn toàn do entropi quyết định như trong hệ lý hóa. Tuy nhiên mọi quá trình sinh lý, sinh hóa diễn ra trong cơ thể sống đều kèm theo sự thay đổi của entropi. Khi xét entropi riêng của một cơ thể sống mà không gắn với entropi của môi trường sống thì khi cơ thể ở trạng thái cân bằng dừng, entropi có một giá trị xác định nhưng không phải là cực đại và không đổi. Khi cơ thể sống nhiễm phóng xạ, nhiễm chất độc hại, nhiễm virut thì entropi sẽ tăng và có giá trị lớn hơn so với entropi khi ở trạng thái cân bằng dừng. Khi cơ thể sống có quá trình sinh tổng hợp chất (như quá trình quang hợp ở thực vật) diễn ra mạnh hơn so với quá trình phân hủy chất thì entropi sẽ giảm và có giá trị nhỏ hơn so với entropi khi ở trạng thái cân bằng dừng là trạng thái có tốc độ phản ứng tổng hợp cân bằng với tốc độ phản ứng phân hủy. Sự thay đổi entropi diễn ra trong cơ thể sống không vi phạm định luật II nhiệt động học vì cơ thể sống là một hệ mở chứ không phải là một hệ cô lập. XI. Năng lượng tự do Từ định luật I nhiệt động học đã thiết lập được công thức (1.3) là: dU = δQ- δA Từ định luật II nhiệt động học đã thiết lập được công thức (1.14) là: δQ dS = → δQ = T.dS T Thay δQ = T . dS vào công thức (1.3) ta được: dU = T . dS - δA → -δA = dU - T . dS (1.21) Đối với quá trình đẳng nhiệt (là quá trình diễn ra ở nhiệt độ luôn không đổi) ta có thể viết: -δA = d(U - T.S) (1.22) Người ta đặt F = U - T.S và gọi F là năng lượng tự do. Năng lượng tự do là một hàm trạng thái . Thay F vào (1. 22) ta được: - dF = δA (1.23) Dấu trừ thể hiện quá trình sử dụng năng lượng tự do để thực hiện công. Đối với quá trình thuận nghịch, năng lượng tự do, được chuyển toàn bộ thành công. Từ vật lí đã xác định được đối với quá trình đẳng áp (là quá trình diễn ra ở áp suất luôn không đổi) nếu công sinh ra chỉ để chống lại áp suất bên ngoài thì công được tính theo công thức: δA = P . dV (1.24) δA: Công thực hiện
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - P: Áp suất dV: Sự thay đổi thể tích Thay (1.24) vào (1.3) ta có: dU = δQ - P . dV → δQ = dU + P . dV (1.25) Đối với quá trình đẳng áp (P=hằng số), công thức (1.25) có thể viết: δQ = d(U + P . V) (1.26) Người ta đặt H = U + P . V và gọi H là hàm entanpi. Entanpi là một hàm trạng thái. Công thức (1.26) có thể viết lại như sau: δQ = dH (1.27) Đối với quá trình diễn ra ở điều kiện nhiệt độ và áp suất không thay đổi, người ta đưa vào hàm thế nhiệt động, kí hiệu là Z và được tính theo công thức: dZ = dH - T . dS (1.28) Hàm thế nhiệt động của phản ứng được tính theo công thức: ΔZ = ΔZo + R.T.lnK (1.29) o ΔZo: Thế nhiệt động chuẩn khi phản ứng diễn ra ở nhiệt độ là 25 C. R: Hằng số khí T: Nhiệt độ Kelvin (oK) K: Hệ số cân bằng của phản ứng Dựa trên nghiên cứu sự phụ thuộc hệ số cân bằng của phản ứng vào nhiệt độ sẽ xác định được sự thay đổi của entanpi theo công thức: k ln K δQ = (1.30) dT RT2 dln K → δQ = R.T2 . (1.31) dT Xác định được δQ, dựa vào công thức (1.27) sẽ tính ra dH. 1. Quá trình hình thành năng lượng tự do trong cơ thể sống Năng lượng tự do được hình thành trong cơ thể sống là do quá trình phân hủy các chất dinh dưỡng. Theo Crebs và Gonberg quá trình hình thành năng lượng tự do chia làm 3 giai đoạn chính sau đây: - Phân hủy các cao phân tử sinh học tới monome (đơn phân tử), như từ Protein tới axit amin, từ Gluxit tới glucose, từ Lipit tới glixerin và axit béo. Năng lượng tự do được giải phóng ra ở giai đoạn này chỉ chiếm từ 0,1% đến 0,5% năng lượng dự trữ có trong cao phân tử. - Sự chuyển hóa của các monome kể trên tới axit Piruvic và axetyl coenzim A (là axit Axetic đã hoạt hóa) và một số hợp chất nằm trong chu trình Crebs đã giải phóng ra năng lượng tự do đạt từ 15% đến 30% năng lượng dự trữ có trong monome. - Quá trình oxy hóa axetyl coenzim A tới khí CO2 và H2O trong chu trình Crebs, năng lượng tự do được giải phóng ra đạt từ 70% đến 80% năng lượng dự trữ có trong axetyl coenzim A. Hay quá trình oxy hóa axit palmatic, năng lượng tự do được giải phóng ra chiếm 60%.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 2. Sử dụng năng lượng tự do của cơ thể sống - Cơ thể sống sử dụng năng lượng tự do để cung cấp nhiệt cho cơ thể (ổn định nhiệt độ cơ thể vào mùa hè cũng như mùa đông). - Cơ thể sống sử dụng năng lượng tự do để thực hiện công cơ học (co cơ), công thẩm thấu (hấp thụ hay bài tiết nước và các sản phẩm chất dinh dưỡng), công hô hấp, công điện (duy trì điện thế tĩnh hay phát xung điện thế hoạt động) - Quan trọng hơn cả là cơ thể sống có khả năng tích lũy năng lượng tự do ở dạng các hợp chất cao năng (ATP). Hợp chất cao năng ATP chính là nguồn năng lượng vạn năng của mọi cơ thể sống nên được ví là "tiền tệ năng lượng". 3. Trạng thái cân bằng nhiệt động và trạng thái cân bằng dừng Trạng thái cân bằng nhiệt động: Là trạng thái chỉ đặc trưng cho hệ cô lập. Khi hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động sẽ có năng lượng tự do đạt giá trị cực tiểu và không đổi do vậy hệ không có khả năng sinh ra công. Khi hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động sẽ có entropi đạt giá trị cực đại, do vậy hệ có độ mất trật tự cao nhất. Trên thực tế khó bắt gặp trạng thái cân bằng nhiệt động vì khó tìm thấy hệ cô lập hoàn toàn. Trạng thái cân bằng dừng: Là trạng thái đặc trưng cho hệ mở nói chung và hệ sinh vật nói riêng. Khi hệ ở trạng thái cân bằng dừng thì sự thay đổi năng lượng tự do luôn xảy ra nhưng với một tốc độ không đổi. Sở dĩ như vậy là do hệ luôn nhận năng lượng tư do từ bên ngoài qua con đường thức ăn. Khi hệ ở trạng thái cân bằng dừng, entropi của hệ đạt giá trị xác định và nhỏ hơn giá trị cực đại. Cơ thể sống luôn có xu hướng duy trì trạng thái cân bằng dừng. Ví dụ như ở động vật ổn nhiệt luôn duy trì thân nhiệt ổn định theo o thời gian (ở người là 37 C).
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Chương 2 ĐỘNG HỌC CỦA CÁC PHẢN ỨNG SINH VẬT Động học của các phản ứng sinh vật là nghiên cứu những cơ chế và các qui luật tiến triển theo thời gian của các phản ứng hóa sinh diễn ra trong cơ thể sống. Trong cơ thể sống thường xuyên diễn ra các phản ứng của quá trình trao đổi chất. Phản ứng diễn ra có thể là phản ứng bậc không, bậc một, bậc 2 , phản ứng tự xúc tác, phản ứng nối tiếp, phản ứng song song, phản ứng vòng, phản ứng dây chuyền Tùy điều kiện ban đầu và với sự tham gia của chất xúc tác hay chất ức chế mà các phản ứng hóa sinh xảy ra với tốc độ khác nhau và bằng các con đường khác nhau. I. Bậc phản ứng và tốc độ phản ứng Bậc phản ứng: Bậc của phản ứng bằng số lượng các loại phân tử (hay nguyên tử) tham gia trong một đơn vị cơ bản của chuyển biến hoá học mà nồng độ hay áp suất của chúng quyết định tốc độ phản ứng. Theo Gunberd và Vaag thì tốc độc của phản ứng: A = M+ N Được xác định bằng công thức: dC v = − = k . C dt v: Tốc độ phản ứng k: Hằng số tốc độ phản ứng C: Nồng độ chất A Dấu trừ thể hiện sự giảm nồng độ chất A theo thời gian diễn ra phản ứng. Với phản ứng tổng quát: aA + bB = mM + nN Tốc độ phản ứng được xác định theo công thức: v = k. [A]aB]b (2.1) [A] và [B] là nồng độ chất A và nồng độ chất B còn a và b là các hệ số của chất A và của chất B còn k là hằng số tốc độ phản ứng. Bậc của phản ứng (n) là tổng các số mũ của nồng độ các chất ở trong biểu thức tính tốc độ phản ứng (2.1), tức là n = a + b Dựa vào đó, người ta chia ra phản ứng bậc một, phản ứng bậc hai, phản ứng bậc ba. Ví dụ 1: Phản ứng:N2O = N2 + 1/2 O2 có v = k [N2O]là phản ứng bậc một.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - 2 Ví dụ 2: Phản ứng: 2HI=H2 + I2 có v = k [HI] là phản ứng bậc hai. 2 Ví dụ 3: Phản ứng: 2NO + H2 = N2O + H2O có v = k [NO] [H2] là phản ứng bậc ba. II. Phản ứng bậc một Phản ứng bậc một là phản ứng: A ⎯⎯→k P Tốc độ phản ứng được xác định theo công thức: dC v = − = kC (2.2) dt C: Nồng độ chất A k: Hằng số tốc độ phản ứng Giả thiết vào thời điểm ban đầu trước khi phản ứng diễn ra là to = 0, ứng với nồng độ chất A là Co còn vào thời điểm t nồng độ chất A là C. Phương trình (2.2) có thể viết dưới dạng sau: dC = −kdt C Lấy tích phân 2 vế ta có: C dC t ∫∫= − dt.k Nồng độ C C C 0 0 Co C t lnC= − k.t → lnC - lnCo = - kt Co o C C ln =-k.t → =e-kt Co Co -kt C = Co e (2.3) Phương trình (2.3) biểu diễn dưới dạng đồ thị: (hình 2.1) t O Từ đồ thị thể hiện nồng độ Thời gian chất A giảm theo thời gian Hình 2.1: Sự thay đổi nồng độ chất A sau khi phản ứng xảy ra và theo thời gian của phản ứng bậc 1. giảm theo qui luật hàm số mũ.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - III. Phản ứng bậc hai Phản ứng bậc hai là phản ứng: A+B ⎯⎯→k P Theo định nghĩa, tốc độ phản ứng bậc 2 được xác định theo công thức: dC dP v = − = =k.Ca.Cb (2.4) dt dt Giả thiết ở thời điểm ban đầu trước khi phản ứng diễn ra là to=0, ứng với nồng độ chất A là a còn nồng độ chất B là b. Sau một thời gian là t, phản ứng xảy ra, tạo thành sản phẩm có nồng độ là x, thì tốc độ phản ứng có thể viết dưới dạng sau: dx v = = k(a-x) (b-x) (2.5) dt dx Suy ra: = k.dt (a− x) (b − x) Để giải phương trình trên, lấy tích phân 2 vế: t x dx ∫k.dt = ∫ o o (a− x) (b − x) 1 (a− x) → k.t = .ln + C (2.6) (a− b) (b− x) Để tìm hằng số C, dựa vào điều kiện khi to=0 thì x = 0 Thay vào (2.6) sẽ được: 1 a a b k.0 = .ln +C → C = -ln → C = ln (a− b) b b a Thay hằng số C vào phương trình (2.6) sẽ xác định được hằng số tốc độ phản ứng: 1 b(a - x) k = .ln (2.7) (a− b).t a(b - x) IV. Phản ứng bậc ba Phản ứng bậc 3 là phản ứng: A + B + C ⎯⎯→k P Theo định nghĩa, tốc độ phản ứng bậc 3 được xác định theo công thức: dC dP v= − = = k.Ca.Cb.Cc (2.8) dt dt
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giả thiết ở thời điểm ban đầu trước khi phản ứng diễn ra là to=0, ứng với nồng độ chất A là a, nồng độ B là b, nồng độ chất C là c. Sau một thời gian t phản ứng xảy ra, tạo thành sản phẩm có nồng độ là x, thì tốc độ phản ứng có thể viết dưới dạng sau: dx v = = k(a-x) (b-x) (c-x) (2.9) dt dx hoặc: = k.dt (a− x)(b − x)(c − x) Để giải phương trình trên, xét trường hợp đơn giản: a = b = c Phương trình khi đó sẽ có dạng: dx k.dt = (a− x)3 Lấy tích phân hai vế phương trình trên sẽ được: t x dx kdt. = ∫ ∫ 3 o o (a− x) 1 ⎡ 1 1 ⎤ → t.k = ⎢ 2− 2 ⎥ + C (2.10) 2 ⎣(a− x) a ⎦ Để tìm hằng số C, dựa vào điều kiện khi to=0 thì x=0 Thay vào (2.10): 1 ⎡ 1 1 ⎤ 0.k = − + C → C = 0 2 ⎣⎢a 2a 2 ⎦⎥ Vậy hằng số tốc độ của phản ứng bậc 3 khi nồng độ các chất tham gia vào phản ứng bằng nhau, được xác định theo công thức: 1 ⎡ 1 1 ⎤ k = ⎢ 2− 2 ⎥ (2.11) t.2 ⎣(a− x) a ⎦ V. Phản ứng thuận nghịch ⎯⎯→k1 Phản ứng thuận nghịch đơn giản nhất có dạng: A P k2 k1: Hằng số tốc độ phản ứng thuận k2: Hằng số tốc độ phản ứng nghịch
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Giả thiết ở thời điểm bắt đầu xảy ra phản ứng to=0, chất A có nồng độ là a, sau thời gian t phản ứng xảy ra, tạo sản phẩm P có nồng độ là x, khi đó nồng độ chất A sẽ là (a-x). Tốc độ phản ứng thuận nghịch được xác định theo phương trình: dC dx v = − = =k(). a − x − k x = v − v (2.12) dt dt 1 2 1 2 v1=k1(a-x) là tốc độ phản ứng thuận v2=k2.x là tốc độ phản ứng nghịch Khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch (v1=v2) thì tốc độ của quá trình sẽ bằng không (v=0) và hệ ở trạng thái cân bằng. Khi hệ ở trạng thái cân bằng, phương trình (2.12) được viết như sau: * * * k1(a -x )-k2x =0 (2.13) a*: Nồng độ chất A khi hệ ở trạng thái cân bằng x*: Nồng độ chất P khi hệ ở trạng thái cân bằng Từ (2.13) suy ra: k1 (a− x ) k 2 = (2.14) x* Thay k2 vào phương trình (2.12) sẽ được: dx ()a − x =k() a − x − k .x dt 1 1 x* dx (ax − a x) x* dx = .k1 → k1 .dt = (2.15) dt x* (ax − a x) Lấy tích phân hai vế phương trình (2.15) ta có: t x dx k dt= x* ∫1 ∫ * o o (ax * -a x) * x x k .t = − ln(ax − a x) + C → 1 a* o * x * k1.t = [ln ax− ln(ax − a x)] + C (2.16) a* Để tìm hằng số C, dựa vào điều kiện khi to=0 thì x=0. Thay vào phương trình (2.16) tính được C=0
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Khi đó hằng số tốc độ phản ứng thuận được xác định theo công thức: x* ax* k1 = ln (2.17) a* t (ax − a x) Thay k1 vào phương trình (2.14) sẽ tính được hằng số tốc độ của phản ứng nghịch: ()a − x x* ax* k = . ln 2 x* a* t ()ax − a x (a − x ) ax* k 2 = ln (2.18) a* t (ax − a x) VI. Phản ứng song song Trong cơ thể sống có nhiều chất tham gia vào các phản ứng song song. Thí dụ như glucose có thể bị oxy hóa theo con đường oxy hóa khử của chu trình Crebs hoặc theo chu trình hecxozamonophotphat. Phản ứng song song đơn giản có dạng: B k1 A k2 C Giả thiết ở thời điểm bắt đầu xảy ra phản ứng to=0, chất A có nồng độ là ao, sau thời gian t phản ứng xảy ra tạo ra sản phẩm B có nồng độ là b và sản phẩm C có nồng độ là c còn nồng độ chất A khi đó là a. Tốc độ phản ứng được xác định theo phương trình: db dc v = = k a và v = = k a (2.19) 1 dt 1 2 dt 2 v1: Tốc độ phản ứng chất A chuyển thành chất B v2: Tốc độ phản ứng chất A chuyển thành chất C Tốc độ của cả quá trình: da db dc v = − = + =k .a + k .a = (k + k ).a (2.20) dt dt dt 1 2 1 2 Lấy tích phân 2 vế ta có:
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - a da t = −(k + k ).dt ∫a ∫ 1 2 ao o a −(k1 + k 2 ).t ln = −(k1 + k 2 ).t → a = ao .e (2.21) a o Thay a vào phương trình (2.19) ta được: db v = = k .a .e−(k1 + k 2 ).t .dt 1 dt 1 o −(k1 + k 2 ).t db = k1. ao .e .dt Lấy tích phân hai vế ta có: b t −(k1 − k 2 ).t ∫db= k1 .a o ∫ e .dt → o o k .a −(k + k )t b = 1 o .1[− e 1 2 ] (2.22) (k1+ k 2 ) Từ phương trình (2.19) suy ra: v1 db dc k1 .a db k1 = = → = → k1.dc=k2.db (2.23) v2 dt dt k2 .a dc k 2 Lấy tích phân 2 vế ta có: c b k 2 ∫k1 dc= ∫ k2 db → k1 c = k2 .b → c = .b (2.24) o o k1 Thay giá trị b từ phương trình (2.22) vào (2.24) tính được nồng độ chất C k k k .a c =2 .b = 2 . 1 o .1[]− e−(k1 + k 2 ).t k1 k1 (k1+ k 2 ) k .a c = 2 o .1[− e−(k1 + k 2 ).t ] (2.25) (k1+ k 2 ) Từ phương trình (2.23) cho biết trong phản ứng song song, nếu hai phản ứng bậc 1 xảy ra cùng một lúc thì tỉ số hằng số tốc độ phản ứng sẽ bằng tỉ số nồng độ sản phẩm được tạo nên. Trường hợp nếu có 1 trong 2 phản ứng là phản ứng bậc không (là phản ứng có tốc độ phản ứng không phụ thuộc vào nồng độ chất tham gia vào phản ứng) thì phản ứng bậc 1 sẽ có ý nghĩa quyết định đến tốc độ giảm nồng độ chất A theo thời gian.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Trên cơ sở đó Hinshenvut rút ra một kết luận quan trọng: "Đối với cơ thể sống khi nồng độ cơ chất có nồng độ thấp thì phản ứng do men xúc tác sẽ xảy ra theo phản ứng bậc 1 còn khi nồng độ cơ chất bão hòa thì một số phản ứng do men xúc tác tiến triển theo phản ứng bậc không còn một số phản ứng do men xúc tác vẫn tiến triển theo phản ứng bậc 1 và chính phản ứng bậc 1 sẽ xác định tốc độ của toàn bộ quá trình". Thí dụ: Trong cơ thể thường xảy ra phản ứng song song. Axit hipyric Glicocol Axit benzoic k1 k 2 Glucuronic Glucuronit Khi nồng độ axit benzoic nhỏ thì cả hai phản ứng đều tiến triển theo phản ứng bậc một. Song trên thực tế k1>k2 nên phản ứng chủ yếu xảy ra theo hướng axit benzoic kết hợp với glicocol để tạo thành axit hipuric, cho nên trong nước tiểu chỉ phát hiện được axit hipuric. Khi nồng độ axit hipuric lớn thì phản ứng chuyển axit benzoic thành axit hipuric là phản ứng bậc không. Do vậy phần lớn axit benzoic kết hợp với axit glucuronic để tạo thành glucuronit, nên xét nghiệm thấy nồng độ axit hipuric không tăng còn nồng độ glucuronit tăng lên rất nhanh. VII. Phản ứng nối tiếp Phản ứng nối tiếp có dạng: ABC⎯⎯→k1 ⎯⎯→k2 Tốc độ của phản ứng từ chất A tạo thành chất B được xác định theo phương trình của phản ứng bậc nhất: dCa v = − = k Ca (2.26) dt 1 Giải phương trình này đã thu được kết quả ở phần phương trình bậc nhất: −k1 .t Ca = Co. e (2.27) Co: Nồng độ chất A tại thời điểm ban đầu (to=0) Ca: Nồng độ chất A tại thời điểm t Tốc độ sự tạo thành chất B sẽ bằng hiệu số giữa tốc độ hình thành chất B từ chất A và tốc độ phân hủy chất B thành chất C, xác định theo phương trình:
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - dC v =b =k .C − k .C (2.28) dt 1 a 2 b Cb: Nồng độ chất B ở thời điểm t Để giải phương trình trên cần dựa vào điều kiện biên: Khi to=0 thì nồng độ chất A là Co còn chất B chưa được tạo thành nên Cb=0. Nghiệm của phương trình (2.28) theo cách giải từ phương trình vi phân được tìm dưới dạng: −k1 .t −k2 .t Cb= α1.e + α2 .e (2.29) Trong đó α1, α2 là những hệ số cần phải xác định. Lấy đạo hàm nghiệm Cb theo thời gian t ta có: dC b = −α .k .e−k1 .t − α .k .e−k2 .t (2.30) dt 1 1 2 2 −k1 .t dCb Thay Ca=Co. e , Cb từ (2.29) và từ (2.30) vào phương trình (2.28) dt ta được: −k1 .t −k2 .t −k1 .t −k1 .t −k2 .t − α1.k 1 e − α2 .k 2 e = k1( C o .e)− k2( α 1 .e + α2 .e ) Giản ước còn lại: k1. Co −k1 α 1 = k 1 Co − k2α 1 → α 1 = k2− k 1 Thay giá trị α1 vào phương trình (2.29) sẽ thu được: k1 C o −k1 .t −k2 .t Cb = .e+ α 2 e k2− k 1 k1 C o Khi to = 0 thì Cb = 0 → α2 = − → α1 = −α 2 k2− k 1 Khi biết α1 và α2, thay vào (2.29) sẽ thu được kết quả nồng độ chất B tại thời điểm t. k1 C o −k1 t − k2 t Cb = (e− e ) (2.31) k2− k 1 Tốc độ hình thành chất C sẽ được xác định qua nồng độ chất B và hằng số k2 theo phương trình: dC v = −b = k C dt 2 b
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - dC hay v =c = k C (2.32) dt 2 b Cc: nồng độ chất C ở thời điểm t Thay giá trị Cb ở phương trình (2.31) vào phương trình (2.32) ta được: dC k k C c = 1 2 o .(e−k1 t− e − k2 t ) dt k2− k 1 k1 k 2 C o −kI t k1 k 2 C o −k2 t dCc = e dt − e dt k2− k 1 k2− k 1 Lấy tích phân 2 vế ta được: Cc t t k1 k 2 C o −k1 t k1 k 2 C o −k2 t ∫dCc = ∫e dt − ∫e dt o k2− k 1 o k2− k 1 o t 1 ∫e−k1 t dt = −()e−k1 t − 1 o k1 t 1 ∫e−k2 t dt = −()e−k2 t − 1 o k 2 Kết quả nồng độ chất C tại thời điểm t sẽ được xác định: Co −k1 t −k2 t Cc = []k2 ( 1− e) − k1( 1 − e ) (2.33) k2− k 1 Biểu diễn các phương trình (2.27), C (2.31), (2.33) về sự thay đổi nồng độ chất A, B, C tham gia vào phản ứng A B C nối tiếp theo thời gian trên đồ thị sẽ có dạng như trên hình 2.2. 0 t Hình 2.2: Sự thay đổi nồng độ chất A, B, C theo thời gian Xét một số trường hợp cụ thể: - Nếu k1 lớn hơn rất nhiều so với k2 thì giai đoạn đầu tiến triển nhanh gấp bội giai đoạn hai và cả hai giai đoạn đều tiến triển theo động học của phản ứng bậc nhất. Trong trường hợp này tốc độ chung của phản ứng nối tiếp
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - được xác định bằng tốc độ của giai đoạn hai vì là giai đoạn tiến triển chậm nhất. - Nếu k1 nhỏ hơn rất nhiều so với k2 thì chất B được tạo thành sẽ không bền và bị phân giải nhanh để hình thành nên chất C (tức k2 lớn). Theo qui định của phản ứng nối tiếp, phản ứng nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định tốc độ của toàn bộ quá trình. Trong trường hợp này thì k1 sẽ quyết định tốc độ của phản ứng nối tiếp. VIII. Phản ứng vòng Phản ứng vòng là một chuỗi các phản ứng diễn ra theo chu trình như chu trình Crebs, chu trình Glioxilic, chu trình Ocnitin giữ một vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của cơ thể sống. Tốc độ của chu trình phụ thuộc vào nồng độ tương đối của các chất tham gia vào từng giai đoạn của chu trình. Cơ thể có khả năng điều chỉnh nồng độ của các chất tham gia vào chu trình nhờ vào cơ chế điều hòa tốc độ phản ứng. Dạng đơn giản nhất của phản ứng vòng là phản ứng men - cơ chất (hình 2.3). M: Men M C: Cơ chất P C MC: Phức chất men - cơ chất P: Sản phẩm của phản ứng MC Hình 2.3. Phản ứng men - cơ chất IX. Phản ứng bậc không Phản ứng bậc không là phản ứng có tốc độ không thay đổi và tốc độ phản ứng không phụ thuộc vào nồng độ chất tham gia vào phản ứng. Tốc độ phản ứng bậc không được xác định theo phương trình: dC v = − = k (2.34) dt o Phản ứng bậc không điển hình là phản ứng men tiến triển trong điều kiện thừa cơ chất. Trong điều kiện đó, tất cả các phân tử men đều ở dạng liên kết với cơ chất và tốc độ phản ứng được xác định bởi tốc độ của phản ứng phân hủy phức hợp men - cơ chất để tạo thành sản phẩm P. Như vậy, tốc độ hình thành sản phẩm P sẽ không phụ thuộc vào nồng độ cơ chất mà phụ thuộc vào nồng độ men tham gia xúc tác cho phản ứng. Phản ứng bậc không là một hệ thống gồm nhiều phản ứng. Trong cơ thể nếu có xảy ra phản ứng bậc không thì phản ứng tạo sản phẩm phải xảy ra ít nhất qua hai giai đoạn như kiểu phản ứng men - cơ chất, đã xét ở trên.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - X. Phản ứng tự xúc tác Phản ứng tự xúc tác là phản ứng tạo thành sản phẩm và sản phẩm lại đóng vai trò là một chất xúc tác. Ví dụ phản ứng tự xúc tác: A ⎯⎯→k B Tốc độ phản ứng tự xúc tác sẽ phụ thuộc vào cả nồng độ chất A (kí hiệu Ca) và nồng độ chất B (kí hiệu là Cb). dCb v = =k.CaCb (2.35) dt Khi sản phẩm của phản ứng tăng thì tốc độ phản ứng cũng tăng lên. Một đặc trưng riêng của phản ứng tự xúc tác là trong khoảng thời gian tương đối dài, lượng sản phẩm của phản ứng tương đối nhỏ nhưng sau đó chuyển sang giai đoạn tiến triển cực nhanh của phản ứng. Trong cơ thể phần lớn phản ứng chuyển từ Proenzyme thành enzyme là phản ứng tự xúc tác. Ví dụ phản ứng chuyển pepxinogen thành pepxin là phản ứng tự xúc tác. XI. Phản ứng dây chuyền Phản ứng dây chuyền là một hệ thống các phản ứng và có sự xúc tác của sản phẩm trung gian. Điều kiện để có thể xảy ra phản ứng dây chuyền là phải có các trung tâm hoạt động đầu tiên. Các trung tâm hoạt động đầu tiên thường là các gốc tự do. Các gốc tự do có các điện tử không được ghép đôi nên chúng có khả năng tham gia vào phản ứng hoá học rất cao do vậy chúng thường có thời gian sống rất ngắn. Gốc tự do khi tham gia vào phản ứng với các phân tử ngoài tạo thành sản phẩm cuối cùng còn có khả năng tạo ra sản phẩm trung gian là những gốc tự do mới và gốc tự do mới này lại tiếp tục tương tác với các phân tử khác để gây ra phản ứng tiếp theo. Năng lượng hoạt hóa của các phản ứng dây chuyền thường rất cao nên ở trong điều kiện bình thường rất khó xảy ra. Dưới tác dụng của tia phóng xạ sẽ dẫn tới phản ứng dây chuyền, chẳng hạn như quá trình chiếu xạ nước đã gây ra các phản ứng sau: −e + + O hv+H2OH⎯⎯→ 2O →H +OH (gốc tự do) +e - - O hv+H2OH⎯⎯→ 2O →OH +H (gốc tự do) o O o OH +OH →H2O2→H2O+O (gốc tự do) v.v * Phản ứng dây chuyền không nảy nhánh Phản ứng dây chuyền không nảy nhánh là phản ứng khi một gốc tự do tham gia vào phản ứng mất đi thì một gốc tự do mới xuất hiện. Như vậy,
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - lượng gốc tự do vẫn giữ nguyên cho tới khi xảy ra sự đứt mạch. Sự đứt mạch đồng nghĩa với phản ứng dây chuyền chấm dứt và sẽ không còn khả năng tạo ra gốc tự do mới. Có hai nguyên nhân chính dẫn tới sự đứt mạch. Nguyên nhân thứ nhất là do gốc tự do bị thành bình phản ứng hấp thụ hoặc gốc tự do tương tác với tạp chất làm chúng không có khả năng tạo ra gốc tự do mới. Nguyên nhân thứ hai là khi nồng độ gốc tự do cao, chúng sẽ tương tác với nhau nên dẫn tới sự đứt mạch. Phản ứng tạo HCl là phản ứng dây chuyền không nảy nhánh: o o Cl +H2→HCl+H Ho+Cl→HCl+Clo v.v Hai phản ứng trên là một mắt xích của phản ứng dây chuyền. Số mắt xích được tạo ra do một gốc tự do ban đầu được gọi là chiều dài của mạch. Nếu gọi β là xác suất đứt mạch, thì xác suất tiếp tục mạch sẽ là 1-β. Xác suất mạch có n mắt xích được tính theo công thức: n Pn=(1-β) .β (2.36) Chiều dài trung bình của mạch sẽ bằng: 1−β l = (2.37) β Chiều dài của mạch phụ thuộc vào bản chất của phản ứng dây chuyền, điều kiện tiến triển của phản ứng như bình phản ứng, nhiệt độ, áp suất Tốc độ của phản ứng dây chuyền không nảy nhánh được xác định theo công thức: dn =no-g.n (2.38) dt no: Số trung tâm hoạt động được tạo thành g: Tốc độ đứt mạch n: Nồng độ gốc tự do Nếu tốc độ tạo mạch là wo thì tốc độ phản ứng dây chuyền không nảy nhánh cũng được xác định theo công thức: w = wo.l (2.39) l: Chiều dài trung bình của mạch. Qua các công thức trên cho thấy tốc độ phản ứng dây chuyền không nảy nhánh chủ yếu phụ thuộc vào lượng trung tâm hoạt động được tạo thành (tức nồng độ gốc tự do). Nếu các yếu tố bên ngoài làm tăng lượng gốc tự do như các chất bị chiếu sáng hay bị chiếu xạ sẽ làm tăng lượng gốc tự do dẫn tới tăng tốc độ của phản ứng dây chuyền. Ngược lại, các yếu tố làm
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - giảm lượng gốc tự do như các chất ức chế sự hình thành gốc tự do sẽ làm giảm tốc độ phản ứng dây chuyền. * Phản ứng dây chuyền nảy nhánh Phản ứng dây chuyền nảy nhánh là phản ứng ở mỗi mạch của phản ứng khi một gốc tự do tham gia vào phản ứng có thể tạo ra hai hay nhiều gốc tự do mới. Phản ứng ôxy hóa hydro là một phản ứng dây chuyền nảy nhánh: o o H2 + O2→ H + H O2 (tạo mạch) o o o H+ O2→ OH + O (nảy nhánh) o o o O+ H2→ OH + H (tiếp tục mạch phản ứng) o o OH + H2→ H2O + H (tiếp tục mạch phản ứng) Gốc tự do Ho tương tác với thành bình sẽ làm ngắt mạch phản ứng. Một số trường hợp quá trình tạo trung tâm hoạt động có thể không phải do các gốc tự do ban đầu trực tiếp gây nên mà do sản phẩm của phản ứng dây chuyền tạo nên. o o Ví dụ: R +O2→ROO ROOo+RH→ROOH+Ro ROOH→ROo+OHo Độ tăng lượng gốc tự do ở phản ứng dây chuyền nảy nhánh được xác định qua phương trình: dn =wo+ϕ.n (2.40) dt n: Nồng độ gốc tự do wo: Tốc độ tạo trung tâm hoạt động. ϕ=f-g, trong đó f là tốc độ nảy nhánh còn g là tốc độ đứt mạch. Nếu f>g thì nồng độ gốc tự do sẽ được xác định theo công thức: w n = o (2.41) g− f Giải phương trình (2.40) sẽ thu được nghiệm: w n = o (eϕt − 1 ) (2.42) ϕ Nếu tích số ϕ.t rất lớn hơn 1 thì nghiệm được tính theo công thức:
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - w n = o eϕt (2.43) ϕ * Đặc điểm của phản ứng dây chuyền Phản ứng dây chuyền có các đặc điểm sau: - Phản ứng dây chuyền có thời gian tiềm ẩn. Trong thời gian này chủ yếu tạo trung tâm hoạt động đầu tiên. - Phản ứng dây chuyền có hai giới hạn nồng độ. Ở giới hạn nồng độ gốc tự do thấp thì gốc tự do dễ tương tác với thành bình hay với phân tử chất ức chế nên phản ứng không tiến triển được. Ở giới hạn nồng độ gốc tự do quá cao thì các gốc tự do dễ tương tác với nhau gây ra hiện tượng đứt mạch nên làm cho tốc độ phản ứng tiến triển chậm lại. - Tốc độ phản ứng dây chuyền nảy nhánh không tuân theo định luật Arrhenius. Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng dây chuyền nảy nhánh tăng gấp bội so với định luật Arrenius. Taruxop theo cơ chế của phản ứng dây chuyền nảy nhánh đã giải thích sự tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống. Khi chiếu xạ, nếu xét về mặt năng lượng thì có giá trị rất thấp nhưng lại gây ra hiệu ứng sinh học cao (gọi là hiệu ứng nghịch lý năng lượng). Điều này được giải thích là do tia bức xạ đã gây ra hiện tượng ion hóa, tạo ra các trung tâm hoạt động là những gốc tự do và chính các gốc tự do đã gây ra phản ứng dây chuyền nảy nhánh, dẫn tới hiệu ứng tổn thương ở sinh vật bị chiếu xạ. Taruxop cũng cho rằng các chất có tác dụng hạn chế tổn thương do tia xạ gây ra (gọi là các chất bảo vệ phóng xạ) là do nó ngăn chặn được phản ứng dây chuyền nảy nhánh. Phản ứng miễn dịch ở người khi tiêm kháng nguyên, sau thời gian ủ bệnh (thường từ 3 đến 21 ngày) kháng thể chưa xuất hiện trong máu, sau đó là giai đoạn nồng độ kháng thể tăng theo hàm số mũ, không tỷ lệ thuận với lượng kháng nguyên đưa vào cơ thể. Theo E. Manuel, phản ứng tạo kháng thể diễn ra theo kiểu phản ứng dây chuyền nảy nhánh. Ví dụ khi tiêm vaccine phòng bệnh bạch cầu, đưa vào cơ thể người chỉ 0,36mg nhưng sau thời gian ủ bệnh, lượng kháng thể trong máu đã suất hiện lớn gấp 1 triệu lần so với lượng kháng nguyên. E. Manuel cũng cho rằng cơ thể khi bị nhiễm các độc tố như nọc độc của rắn, bò cạp, iperit, rixin thì phản ứng tạo kháng thể xảy ra theo kiểu phản ứng dây chuyền nảy nhánh. XII. Nhiệt độ và tốc độ phản ứng Theo lý thuyết động học của các quá trình hoá học thì tốc độ phản ứng bao giờ cũng phụ thuộc vào nồng độ chất tham gia vào phản ứng và phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng cũng tăng. Ban
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - đầu được giải thích do tăng số lần va chạm của các nguyên tử hay phân tử tham gia vào phản ứng hoá học. Trên cơ sở tính toán xác suất va chạm, nếu va chạm nào giữa các nguyên tử hay phân tử cũng dẫn tới phản ứng thì tốc độ phản ứng sẽ tăng lên từ 102 đến 106 lần so với tốc độ thực tế đo được nếu ta tăng nhiệt độ trong khoảng từ 0oC đến 100oC. Từ đó các nhà nghiên cứu cho rằng chỉ một phần trong số các va chạm đó mới có khả năng tạo phản ứng hoá học. Phản ứng chỉ có thể xảy ra khi các nguyên tử hay phân tử đạt được một giá trị năng lượng nhất định gọi là năng lượng hoạt hóa. Năng lượng hoạt hóa là giá trị năng lượng nhỏ nhất mà nguyên tử hay phân tử cần phải đạt được mới có thể tham gia vào phản ứng. Các nhà nghiên cứu đã áp dụng hàm phân bố Maxwell - Boltzmann để giải thích mối liên quan giữa tốc độ phản ứng và năng lượng hoạt hóa. Maxwell - Boltzmann đã thiết lập được công thức : E − N*=N. e RT (2.44) N*: Số phân tử đạt giá trị năng lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng hoạt hóa. N: Tổng số phân tử ban đầu trong một đơn vị thể tích. E: Năng lượng hoạt hóa của phân tử và R là hằng số khí T: Nhiệt độ tuyệt đối (nhiệt độ Kelvin) Công thức (2.44) biểu diễn trên đồ thị (hình 2.4) gọi là hàm phân bố mv2 Boltzmann. Đồ thị biểu diễn số phân tử N theo vận tốc v (E= ). 2 N N T1 T1) thì đường cong phân
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - bố Boltzmann dịch chuyển về phía bên phải, tức là số lượng phân tử có E≥Eh tăng lên (phần gạch ngang hình 2.4b) vì vậy tốc độ phản ứng tăng lên. Nhiều phản ứng, nhất là các phản ứng hóa sinh, tuy có nồng độ, nhiệt độ và năng lượng hoạt hóa giống nhau nhưng tốc độ phản ứng vẫn khác nhau. Như vậy, không phải mọi va chạm giữa các nguyên tử hay phân tử có năng lượng bằng hay lớn hơn năng lượng hoạt hóa đều dẫn tới phản ứng. Điều này được giải thích do tốc độ phản ứng còn liên quan tới cấu trúc hình học của các phân tử va chạm, gọi là yếu tố lập thể (ký hiệu là p). XIII. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng hóa sinh vào nhiệt độ Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ được mô tả qua phương trình Arrenius. E − h K= p.z. e RT (2.45) K: Tốc độ phản ứng p: Yếu tố lập thể Eh: Năng lượng hoạt hóa z: Số lần va chạm R: Hằng số khí bằng 1,987 KCal/M.độ T: Nhiệt độ tuyệt đối Phương trình Arrenius có thể viết dưới dạng logarit: E lnK = ln(p.z) - h (2.46) RT 1 E Đặt y = lnK ; x = ; a = − h ; b = ln(p.z) T R Phương trình (2.46) có thể viết dưới dạng: y = a.x + b (2.47) Đây là phương trình bậc nhất, đồ thị của nó có dạng đường thẳng (hình 2.5). Dựa vào đồ thị xác định được: Eh tgα = → Eh = R.tgα R Biết tgα sẽ xác định được năng lượng hoạt hóa.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - lnK b α O 1/T ⎛ 1 ⎞ Hình 2.5: Sự phụ thuộc của lnK vào nhiệt độ ⎜ ⎟ ⎝ T ⎠ Năng lượng hoạt hóa là đại lượng để đánh giá khả năng tham gia vào phản ứng của các chất. Để đánh giá sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ, đại lượng đặc trưng cho sự tăng (hoặc giảm) tốc độ phản ứng khi tăng (hoặc giảm) nhiệt độ là hệ số VantHoff (còn gọi là hệ số nhiệt phản ứng) ký hiệu là Q10. K 2 Q10= (2.48) K1 K2: Tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T±10 K1: Tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T Giữa năng lượng hoạt hóa và hệ số Q10 có mối liên quan với nhau. Theo E E − h − h T.R 2 T.R 1 phương trình Arrenius (2.45), thay K2=p.z. e và K1=pz.e vào phương trình (2.48) ta được: E E − h − h T.R 2 T.R 1 Q10=pz.e / pz. e E ⎛ 1 1 ⎞ Eh Eh h ⎜ − ⎟ − R ⎜ T T ⎟ T.R 1 T.R 2 ⎝ 1 2 ⎠ Q10= e . e = e Eh⎛ TT 2− 1 ⎞ ⎜ ⎟ R ⎝ T1 .T 2 ⎠ Q10 = e thay T2 - T1 = 10 ta được:
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Eh .10 RT1 .T 2 10E h Q10 = e → lnQ10 = RT1 .T 2 Eh = 0,1 RT1T2. lnQ10 (2.49) Thay R=1,987KCal/M.độ và đổi logarit cơ số e (ln) thành logarit cơ số 10 (lg) ta được: Eh=0,46 T1 T2 lg Q10 (2.50) Đơn vị tính năng lượng hoạt hóa là KCal/M. Những phản ứng có bản chất khác nhau thường có năng lượng hoạt hóa khác nhau và như vậy hệ số Q10 cũng khác nhau. Các phản ứng hoá học có năng lượng hoạt hóa khoảng vài chục KCal/M, thường có Q10 bằng 2 đến 3. Năng lượng hoạt hóa của các phản ứng men khoảng từ 4 đến 12KCal/M, Q10 thường nhỏ hơn 2. Quá trình khuyếch tán năng lượng hoạt hóa thấp, Q10 xấp xỉ bằng 1. Đặc trưng của phản ứng men là có năng lượng hoạt hóa thấp nên các phân tử dễ dàng tham gia vào phản ứng. Nguyên nhân là do các phân tử men có vai trò làm giảm năng lượng hoạt hóa của các phân tử tham gia vào phản ứng khi men kết hợp với phân tử tạo phức chất trung gian, làm cho quá trình phân hủy phức chất diễn ra nhanh hơn. Ví dụ phản ứng phân hủy đường saccharose bởi axit có năng lượng hoạt hóa bằng 25,6KCal/M nhưng nếu thủy phân đường saccharose có sự xúc tác của men amilase thì năng lượng hoạt hóa giảm xuống còn 11 KCal/M. Năng lượng hoạt hóa của đa số các quá trình diễn ra trong hệ sinh vật thường có giá trị thuộc vào một trong ba giá trị là 8; 12; 18 KCal/M. Tuy vậy, năng lượng hoạt hóa của các quá trình biến tính lại có năng lượng hoạt hóa rất cao. Ví dụ như phản ứng đông tụ hemoglobin có năng lượng hoạt hóa tới 60 KCal/M hay phản ứng tan huyết dưới tác dụng của nước nóng có năng lượng hoạt hóa là 64 KCal/M v.v Đối với các quá trình sinh vật, ngoài giá trị năng lượng hoạt hóa, hệ số nhiệt Q10 còn được đặc trưng bởi giá trị nhiệt độ thích ứng. Theo Klein, nhiệt độ thích ứng là nhiệt độ quá trình xảy ra với tốc độ lớn nhất. Cần phân biệt nhiệt độ thích ứng với khoảng nhiệt độ thích ứng. Khoảng nhiệt độ thích ứng là khoảng nhiệt độ mà giá trị Q10 có giá trị không đổi. Trong hệ sinh vật, khoảng nhiệt độ thích ứng rộng hay hẹp là tùy thuộc vào loài. Trong hệ sinh vật, động vật ổn nhiệt có nhiệt độ thích ứng khác nhau. Ví dụ: người là 37oC, chó là 39,2oC, gà vịt là 42,5oC, bồ câu 44oC v.v Đối với các phản ứng có sự xúc tác của men thì đường cong phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ có dạng như trên hình 2.6.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - K 0 T Tu Hình 2.6: Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng có men xúc tác vào nhiệt độ Đường cong trên hình 2.6 là kết quả của phản ứng trao đổi hoá học và phản ứng phân hủy cấu trúc. Trong khoảng nhiệt độ (0 Eo.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - A* E1 E2 Eo A P Hình 2.7: Sự thay đổi năng lượng của các chất tham gia vào phản ứng Khi các phân tử chất A đã được hoạt hóa (A*) va chạm với nhau sẽ dẫn tới phản ứng tạo sản phẩm P có giá trị năng lượng là E2. Đối với phản ứng thuận E1 E1 nên E2-E1>0 và phản ứng nghịch là phản ứng thu nhiệt. Các nhà nghiên cứu cho rằng giữa các phân tử tham gia vào phản ứng (chất A) và các phân tử ở trạng thái hoạt hóa (A*) luôn có sự cân bằng. Phản ứng xảy ra như sau: A A* → P (sản phẩm) K* hoặc: A (A+E) → P (sản phẩm) E là enzyme còn (A+E) là phức hợp enzym với cơ chất A.thái và được xác định bằng tỉ số nồng độ phân tử ở trạng thái hoạt hóa trên nồng độ phân tử ở trạng thái ban đầu. A* [AE+ ] K* = [ ] hoặc K* = (2.51) []A [][]A.E [A]: Nồng độ chất A trước phản ứng [A*]: Nồng độ chất A ở trạng thái hoạt hóa
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - [A+E]: Nồng độ phức hợp enzym với cơ chất A [E]: Nồng độ enzyme Đại lượng K* liên quan mật thiết tới sự thay đổi nhiệt độ, năng lượng tự do, entropi của phản ứng tạo phức chất hoạt hóa nên K* được xem như hằng số cân bằng của phản ứng và được xác định theo phương trình: R.T.lnK* = T.ΔS - ΔH (2.52) R: Hằng số khí T: Nhiệt độ tuyệt đối (oK) ΔS: Sự thay đổi của entropi (nói lên sự thay đổi trật tự của hệ khi bị hoạt hóa) ΔH: Sự thay đổi của entanpi (nói lên lượng liên kết cần phải phá vỡ để tạo phức hoạt hóa) Phương trình (2.52) có thể viết lại như sau: ΔS ΔH ΔS ΔH − lnK*= − → K*= eR . e T.R (2.53) R T.R Trong cơ học thống kê đã xác lập được mối quan hệ giữa hằng số cân bằng giữa hai trạng thái là K* và hằng số tốc độ phản ứng là K theo phương trình: T.R K=K* (2.54) h.N N: Số Avogadro và h là hằng số Planck Thay giá trị K* từ phương trình (2.53) vào phương trình (2.54) sẽ được: ΔS ΔH RT. − K = eR e RT. (2.55) N. h So sánh với phương trình Arrenius ở công thức (2.45) E − h K= p.z.e T.R ΔS ⎛ T.R ⎞ Thành phần (p.z) tương đương với thành phần ⎜ e. R ⎟ và sự thay đổi ⎜ ⎟ ⎝ h.N ⎠ entanpi (ΔH) tương đương với giá trị năng lượng hoạt hóa (Eh). Trong cơ thể sống, phần lớn các phản ứng hóa sinh xảy ra đều có sự tham gia của enzyme, tức là đều trải qua giai đoạn tạo phức chất hoạt hóa nên có thể áp dụng phương pháp phức hoạt hóa.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Thuyết phức hoạt hóa có thể giải thích được phản ứng biến tính hay phân hủy của Protein. Ví dụ nếu đun nóng dung dịch Protein hay cho vào dung dịch Protein các chất như urê, cồn, axit sẽ làm biến tính hay phân hủy phân tử Protein. Khi đó biểu hiện rõ nhất là độ hòa tan của Protein bị giảm xuống còn độ nhớt lại tăng lên. Phản ứng biến tính hay phân hủy Protein bình thường không xảy ra vì có năng lượng hoạt hóa rất cao. Một nguyên tử hay phân tử muốn tham gia vào phản ứng thì chúng phải được hoạt hóa. Năng lượng hoạt hóa phần lớn được dùng vào làm thay đổi trật tự và cấu trúc phân tử (tức liên quan tới yếu tố thay đổi entropi) còn phần nhỏ được dùng vào để phá vỡ các liên kết trong phân tử (tức liên quan tới yếu tố thay đổi entanpi). Ví dụ: Trong phản ứng phân hủy pepxin có 45.000KCal/M dùng để thay đổi trật tự và cấu trúc phân tử pepxin còn 18.300KCal/M được dùng vào phá vỡ các liên kết của phân tử pepxin. XV. Sự điều hòa tốc độ phản ứng trong cơ thể sống Quá trình đồng hóa thức ăn từ môi trường là một quá trình phức tạp, phải trải qua nhiều giai đoạn biến đổi và mỗi giai đoạn lại được đặc trưng bởi các phản ứng sinh hóa. Quá trình biến đổi từ chất A thành chất K để cho tế bào có thể đồng hóa được, gọi là quá trình chuyển hóa. Ví dụ: Quá trình chuyển hóa từ Protein thành axit amin, từ Lipit thành axit béo và glixerin, từ Gluxit thành glucose v.v Trong cơ thể sống, quá trình chuyển hóa không diễn ra một cách đơn lẻ mà giữa các chất tham gia vào quá trình chuyển hóa chúng còn có mối liên hệ với nhau, thể hiện trên hai mặt cơ bản là: nguyên liệu và năng lượng. Mối liên quan về mặt nguyên liệu là khả năng chuyển hóa một chất này thành chất kia thông qua một số sản phẩm trung gian chung. Ví dụ saccharide dễ dàng chuyển thành Lipit (lipide) thông qua hợp chất trung gian là axetil Coenzym A. Mối liên quan về mặt năng lượng thể hiện khi phân giải một hợp chất nào đó, giải phóng ra năng lượng và được tích lũy vào ATP. Nguồn ATP được dùng để hoạt hóa phân tử (đối với phản ứng thu năng lượng), các quá trình sinh tổng hợp các chất trong cơ thể như sự hoạt hóa các axit amin trong tổng hợp Protein và thực hiện công như quá trình co cơ v.v Cơ chế điều hòa giữa quá trình oxy hóa (giải phóng ra năng lượng) và quá trình photphorin hóa (tích lũy năng lượng) được xác định qua tỉ số nồng độ ADP và photpho vô cơ trên nồng độ ATP. [ADP][]+ P K = (2.56) []ATP
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Trong cơ thể sống, không có một chất nào là không tham gia vào mạng lưới của các phản ứng hóa sinh. Cơ thể sống là một hệ mở nên mạng lưới các phản ứng hóa sinh cũng là một hệ thống mở, luôn có sự xâm nhập của các chất từ môi trường bên ngoài vào qua con đường thức ăn, tiếp đến là quá trình chuyển hóa chất dinh dưỡng và sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất sẽ được thải hồi ra môi trường bên ngoài. Trong cơ thể, sự chuyển hóa của một chất nào đó có thể được thực hiện bằng nhiều con đường khác nhau. Hinhenvut đã đưa ra nguyên lí: "Trong cùng một điều kiện, con đường chuyển hóa nào có tốc độ phản ứng lớn hơn thì con đường đó có ý nghĩa quan trọng hơn". Ví dụ: glucose-6-photphat chuyển thành 3 photpho-glyxerin aldehit có thể được thực hiện qua con đường glicoliz hoặc qua chu trình pentozo photphat, tùy thuộc vào hiệu suất của quá trình chuyển hóa. Con đường nào ít tiêu tốn năng lượng và có tốc độ phản ứng diễn ra nhanh hơn sẽ quyết định hướng chuyển hóa của vật chất. Đối với hệ kín, quá trình diễn ra theo một chuỗi các phản ứng nối tiếp: A ⎯⎯→K1 B ⎯K⎯→2 C ⎯K⎯→n P Phản ứng nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định tốc độ của toàn bộ quá trình chuyển hóa. Đối với hệ thống sống (hệ mở), quá trình chuyển hóa sẽ không phụ thuộc vào tốc độ phản ứng của một giai đoạn nào mà phụ thuộc vào sự tương quan giữa các hằng số tốc độ phản ứng. Một đặc tính quan trọng của cơ thể sống là khả năng duy trì trạng thái cân bằng dừng. Khi cơ thể ở trạng thái cân bằng dừng thì tất cả các quá trình thẩm thấu, chuyển hóa và thải hồi sẽ bổ chính cho nhau để duy trì nồng độ chất không đổi theo thời gian. Sau đây là mô hình đơn giản đặc trưng cho hệ mở nói chung và hệ thống sống nói riêng: Môi trường Màng Tế bào Màng Môi trường S ⎯⎯→K1 A⎯⎯→K 2 K ⎯⎯→K 3 Z ←⎯K⎯−3⎯ Nguồn ←⎯⎯K −1⎯ Sản phẩm dị hóa dinh dưỡng Khi tế bào ở trạng thái cân bằng dừng thì nồng độ chất A (Ca) và chất K(Ck) sẽ không đổi. Do vậy, nồng độ chất A và chất K phải thỏa mãn phương trình: dC dC a = 0 và k = 0 (2.57) dt dt
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Dưới tác động của yếu tố môi trường (chẳng hạn khi tăng nhiệt độ) sẽ làm cho hằng số tốc độ phản ứng K2 tăng lên dẫn tới nồng độ chất A giảm xuống còn nồng độ chất K tăng lên. Để duy trì nồng độ chất A và chất K không đổi thì quá trình vận chuyển chất A vào trong tế bào phải tăng lên (tức K1 tăng) và quá trình thải hồi chất K ra khỏi tế bào cũng phải tăng lên (tức K3 tăng). Khi chấm dứt tăng nhiệt độ thì tế bào không chuyển ngay về nhiệt độ ban đầu mà quá trình hạ nhiệt diễn ra từ từ nên các hằng số tốc độ phản ứng K1, K2, K3 cũng giảm từ từ. Do vậy, nồng độ chất A vẫn còn cao và nồng độ chất K vẫn còn thấp hơn so với ở trạng thái dừng ban đầu. Để chuyển nhanh về trạng thái cân bằng dừng, bắt buộc quá trình vận chuyển chất A ra khỏi tế bào và quá trình vận chuyển chất K vào trong tế bào phải tăng lên (tức cả K-1 và K-3 đều phải tăng). Để duy trì trạng thái cân bằng dừng (tức duy trì Ca và Ck không đổi) thì quá trình vận chuyển chất A vào trong tế bào và vận chuyển chất A ra khỏi tế bào cũng như quá trình vận chuyển chất K vào trong tế bào và vận chuyển chất K ra khỏi tế bào phải bổ chính cho nhau như đã giải thích ở trên. Mô hình trên thuộc phạm vi nguyên lí Lostalie, đặc trưng cho hệ mở: "Khi một hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu ta thay đổi một trong ba yếu tố (nồng độ; áp suất; thể tích) thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều có tác dụng ngược lại sự thay đổi đó". Trong ví dụ trên, khi tăng nhiệt độ tức là đã thay đổi yếu tố nồng độ A và chất K. Nếu nồng độ chất A giảm xuống thì sự vận chuyển chất A vào trong tế bào phải tăng lên, nhằm duy trì nồng độ chất A ổn định còn nồng độ chất K tăng lên thì sự thải hồi chất K ra khỏi tế bào phải tăng lên cũng nhằm duy trì nồng độ chất K ổn định. Một ví dụ điển hình về sự duy trì nồng độ glucose trong máu ở cơ thể người sẽ minh chứng cho nguyên lí Lostalie. Cơ thể người khỏe mạnh (tức duy trì trạng thái cân bằng dừng) thì hàm lượng glucose trong máu luôn có một giá trị ổn định. Nếu cơ thể thực hiện công (như chạy điền kinh) hay bị đói thì hàm lượng glucose trong máu sẽ giảm xuống. Để duy trì trạng thái dừng, lập tức glucogen tích lũy ở gan sẽ chuyển hóa thành glucoza-1-photphat ⎯enzym⎯→⎯ glucoza - 6 - photphat ⎯enzym⎯→⎯ glucose và thấm vào trong máu để bù vào lượng glucose đã sử dụng. Hoặc cơ thể thực hiện công nhưng không sử dụng glucose trong máu mà sử dụng glucogen. Nhờ enzym photphorilaza xúc tác mà glucogen chuyển thành glucoza - 6 - photphat và tiếp tục bị oxy hóa ở điều kiện yếm khí để giải phóng ra năng lượng, cung cấp cho cơ thể thực hiện công. Ngược lại, nếu cơ thể ít thực hiện công hay dùng nhiều đường dẫn tới làm tăng hàm lượng đường trong máu thì lập tức xảy ra các phản ứng: glucose → glucoza - 6 - photphat → glucoza - 1 - photphat, sau
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - đó trùng hợp thành glucogen và được tích lũy ở gan. Ở đây nồng độ glucoza - 6 - photphat giữ vai trò điều khiển tốc độ của quá trình chuyển hóa thành glucogen để tích lũy ở gan hay thành glucose để thấm vào trong máu. Quá trình chuyển từ trạng thái cân bằng dừng này sang trạng thái cân bằng dừng khác là một quá trình bất thuận nghịch. Đó là sự già. Không ai chống lại được sự già. Sự phát triển của cơ thể chỉ diễn ra theo chiều thuận từ trẻ → già mà không diễn ra theo chiều nghịch từ già → trẻ. Một số thông số trạng thái của cơ thể như nhiệt độ, độ pH của máu, hàm lượng đường, muối khoáng trong máu thì hầu như không thay đổi trong suốt thời gian sống. Người ta gọi đó là tính chất cân bằng nội tĩnh của cơ thể sống (hay gọi là cân bằng dừng bền).
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Chương 3 TÍNH THẤM CỦA TẾ BÀO VÀ MÔ I. Các phương pháp nghiên cứu tính thấm Tính thấm của tế bào và mô là khả năng cho các chất đi qua màng tế bào không có tính chọn lọc (vận chuyển thụ động) hoặc có tính chọn lọc (vận chuyển chủ động). Để nghiên cứu tính thấm của tế bào, các nhà khoa học thường sử dụng các phương pháp sau: - Phương pháp thể tích: Theo dõi thể tích của tế bào ở trạng thái sinh lý bình thường và thể tích của tế bào khi ở dung dịch nhược trương. Tùy mục đích và điều kiện thiết bị mà sử dụng các phương pháp: * Ly tâm huyền dịch tế bào sau đó xác định thể tích của chúng bằng hồng cầu kế. * Xác định sự thay đổi độ trong suốt của tế bào bằng phương pháp trắc quang. *Xác định sự thay đổi chiết xuất của tế bào. Phương pháp thể tích chỉ có thể áp dụng để nghiên cứu những đối tượng có kích thước lớn và có độ bền cao trong dung dịch như tảo hay hồng cầu. Ví dụ như theo dõi tính thấm của mô cơ ếch đối với nước bằng phương pháp trọng lượng (xem thực hành Lý sinh). - Phương pháp sử dụng chất màu và chất chỉ thị màu: phương pháp này được tiến hành bằng cách quan sát trực tiếp dưới kính hiển vi quá trình tích luỹ các chất có màu vào trong tế bào. Các chất chỉ thị màu được sử dụng để nghiên cứu tốc độ thấm của các loại axit và kiềm khác nhau vào trong tế bào. Nhược điểm của phương pháp này là khi dùng các chất màu và chỉ thị màu có nồng độ thấp thì khó phát hiện còn dùng nồng độ cao thì chúng trở thành những độc tố đối với tế bào. Khi sử dụng phương pháp này cần lưu ý các chất có màu và chỉ thị màu vừa phụ thuộc vào mức độ thấm của chúng vào trong tế bào lại vừa phụ thuộc vào khả năng liên kết của chúng với các phân tử Protein, axit amin và các phân tử khác ở trên màng hay ở trong tế bào. Ví dụ như sử dụng Xanhmetylen là một chất có màu để nghiên cứu tính thấm một chiều của da ếch (xem thực hành Lý sinh). - Phương pháp phân tích hoá học: Đây là phương pháp phân tích hoá học các chất có nồng độ rất nhỏ ở trong tế bào. Tuy nhiên với đối tượng nghiên cứu nhỏ như tế bào lại có thành phần hoá học phức tạp thì việc định lượng một chất nào đó là rất khó khăn. Nhưng hiện nay đã có những thiết bị phân tích hiện đại như máy quang phổ huỳnh quang, máy quang phổ hấp thụ nguyên tử, máy quang kế ngọn lửa có thể xác định chính xác nồng độ chất cần nghiên cứu ở nồng độ rất nhỏ. Phương pháp phân tích hoá học được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong đó có nghiên cứu tính thấm của tế bào và mô. Ví dụ như xác định nồng độ natri (Na) bằng máy quang phổ hấp thụ nguyên tử cho kết quả rất chính xác. - Phương pháp dùng các chất đồng vị phóng xạ đánh dấu: Trong hoá học, ngoài nguyên 1 tố bình thường như Hydro (ký hiệu là 1H) còn có nguyên tố phóng xạ như tritium (ký 3 hiệu là 1H). Nguyên tố tritium khác nguyên tố Hydro ở chỗ trong hạt nhân nguyên tử có thêm hai hạt notron (n) không mang điện tích (gọi là trung hoà điện). Chất phóng xạ là nó luôn phát ra các hạt có mang điện tích hoặc các hạt không mang điện tích và chính các hạt khi phát ra nhờ máy đo sẽ xác định được chất có gắn chất phóng xạ. Phương pháp sử dụng chất phóng xạ đánh dấu cho phép nghiên cứu tính thấm của tế bào và mô trong một cơ thể hoàn chỉnh (invivo) và còn dùng để nghiên cứu tiến triển của quá trình chuyển hoá
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - và đào thải chất đó ra khỏi tế bào. Ví dụ như các nhà khoa học đã sử dụng coban 58 59 phóng xạ (27 Co) thay cho Coban bình thường ( 27Co) để tổng hợp nên Vitamin B12, sau đó nghiên cứu quá trình hấp thụ B12 của cơ thể sống trong khoảng thời gian xác định. II. Màng tế bào và vai trò của màng tế bào Màng tế bào đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong hoạt động trao đổi chất của tế bào. Theo Frank: “có thể nói một cách chắc chắn rằng, các chức năng quan trọng nhất của tê bào không những bị chi phối mà còn chỉ có thể thực hiện được nhờ chức năng đa dạng của các loại màng”. Màng tế bào phải có cấu trúc đáp ứng được yêu cầu của quá trình trao đổi vật chất và năng lượng giữa tế bào với môi trường, đảm bảo thực hiện các chức năng sống của tế bào. Đã có nhiều mô hình cấu trúc màng tế bào được đưa ra như mô hình Dawson- Danielli (1935), mô hình Robertson (1959), mô hình Singer-Nicolson (1972). Mô hình Singer-Nicolson vẫn kế thừa mô hình cấu trúc màng 3 lớp: Protein - lớp kép Lipit - Protein do Rorbetson đưa ra nhưng dựa trên các kết quả nghiên cứu sau này hai ông đã đưa ra mô hình màng khảm lỏng (hình 3.1) Theo các tác giả, màng tế bào là một lớp lipit kép ở trạng thái lỏng còn các phân tử protein được nhúng (khảm) vào lớp lipit với mức độ nông hoặc sâu khác nhau. Do ở trạng thái lỏng nên các phân tử lipit và protein có thể di chuyển theo cả chiều dọc lẫn chiều ngang. Tính lỏng của màng tế bào phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ giữa 3 thành phần cơ bản tham gia vào cấu trúc màng là photpholipit, cholesteron, protein. Hình 3.1: Mô hình cấu trúc màng tế bào do Singer-Nicolson đưa ra năm 1972 Các nhà khoa học cho rằng duy trì trạng thái bán lỏng của lớp lipit kép thuộc màng tế bào sẽ có những ý nghĩa sinh học như: -Khả năng thích nghi của tế bào đối với nhiệt độ cao hay thấp. -Tạo sự di động dễ dàng của các phức hợp hoócmôn - thụ quan ở bên trong màng tế bào trong việc tiếp nhận thông tin. -Tăng cường sự hoạt động của một số enzyme vận chuyển các chất qua màng tế bào. -Giải thích được cơ chế vận chuyển các ion qua màng tế bào, đặc biệt là Na+, K+ trong sự hình thành điện thế tĩnh và điện thế hoạt động.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - -Giải thích được sự biến mất của màng nhân ở trung kỳ và sự xuất hiện màng nhân ở mạt kỳ trong phân bào nguyên nhiễm và giảm nhiễm. Màng tế bào có những chức năng cơ bản sau đây: -Ngăn cách giữa các tế bào với nhau, giữa tế bào với môi trường bên ngoài và giữ vai trò bảo vệ tế bào. -Thực hiện quá trình trao đổi vật chất và năng lượng giữa tế bào với môi trường, góp phần thực hiện các chức năng sống của tế bào. -Bài tiết các chất thải hoặc chất được tổng hợp ở bên trong tế bào ra môi trường bên ngoài. -Thực hiện sự nhận diện tế bào. Theo giả thiết của Ehrlich Tylerweiss thì trên bề mặt màng tế bào có những thụ quan nhận biết tế bào theo kiểu giống như sự nhận biết kháng thể với kháng nguyên. -Thực hiện sự kết dính tế bào. Chất kết dính có bản chất glucoProtein được tổng hợp ở bên trong tế bào và được tiết ra môi trường bên ngoài dưới dạng hoà tan làm nhiệm vụ kết dính tế bào như kiểu trứng cầu gai tiết ra chất hoà tan trong nước biển có tác dụng vừa dẫn dụ vừa tạo sự kết dính giữa tinh trùng với trứng. -Thực hiện dễ dàng sự di chuyển của tế bào. Ví dụ như Amip có thể tạo chân giả để di chuyển theo phương nằm ngang ở cả bốn hướng để bắt mồi. -Thực hiện sự sinh sản của tế bào. Bình thường tế bào có chỉ số tỷ lệ giữa thể tích nhân và thể tích tế bào chất (bằng thể tích của tế bào trừ đi thể tích nhân) đạt một giá trị hằng định thì tế bào không phân chia. Khi chỉ số này giảm do thể tích tế bào chất tăng lên thì tế bào phải thực hiện quá trình gián phân. -Màng tế bào còn là nơi “cư trú” của các enzyme nhất là các enzyme tham gia vào quá trình vận chuyển hay xúc tác cho các phản ứng phân giải chất độc làm tăng tính đề kháng của tế bào. -Màng tế bào có tính bán thấm nên có vai trò duy trì sự bất đối xứng ion giữa bên ngoài và bên trong tế bào, hình thành nên điện thế tĩnh. -Màng tế bào còn có tính chất vật lý như tính lưỡng chiết quang, sức căng mặt ngoài nhỏ, điện trở lớn và có cấu trúc không đồng nhất III.Quy luật chung về sự xâm nhập của vật chất vào trong tế bào Các chất xâm nhập vào trong tế bào theo 2 con đường chính sau đây: -Các chất xâm nhập vào trong tế bào qua siêu lỗ. Trên màng tế bào có những lỗ nhỏ (siêu lỗ) có đường kính từ 3,5 A0 - 8 A0. Bên trong siêu lỗ thường chứa nước còn bề mặt có thể chứa một số nhóm phân cực. Con đường này dành cho các chất hoà tan trong nước như đường, axit amin, ion Các chất này muốn xuyên qua màng qua siêu lỗ thì phải vượt qua được các trở ngại như phải tách ra khỏi các lớp vỏ hydrat hoá (nếu là ion hay phân tử có chứa các nhóm phân cực), phải lách qua được lớp phân tử rất chặt chẽ trên bề mặt màng tế bào, phải thắng được lực tương tác tĩnh điện (lực hút nếu là ion khác dấu và lực đẩy trở lại nếu là ion cùng dấu điện tích với các nhóm phân cực nằm trên bề mặt của siêu lỗ), phải vượt qua được hàng rào điện thế (ở đây là điện thế màng tế bào). Do vậy, các chất muốn xâm nhập vào bên trong tế bào thì phải có một giá trị năng lượng nhất định để thắng được bốn lực cản trên. Nếu năng lượng cần thiết để thắng được bốn lực cản trên càng lớn thì càng có ít chất xâm nhập được vào bên trong tế bào.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - -Các chất xâm nhập được vào bên trong tế bào qua con đường hoà tan trong lipit: Con đường này dành cho các chất không hoà tan trong nước nhưng hoà tan tốt trong lipit. Năm 1899, Overton khi nghiên cứu tính thấm của tế bào và mô đối với các chất gây mê đã phát hiện thấy mối liên quan thuận là tốc độ thấm của các chất này càng cao khi khả năng hoà tan của chúng trong lipit càng lớn. Sau này gọi là hiệu ứng Overton. Jacobs đã giải thích hiệu ứng Overton theo cấu trúc điện của các phân tử. Theo Jacobs các hợp chất hoá học được phân thành 2 nhóm chính theo tính chất phân cực của chúng. Nhóm thứ nhất là những phân tử có chứa các nhóm phân cực như NH2, COOH, OH nên gọi là các phân tử có cực. Nhóm này hoà tan trong lipit kém nên khả năng thấm vào trong tế bào ít. Nhóm thứ hai là những phân tử chứa các nhóm không phân cực như metyl, etyl, phenyl (CH3, C2H5, C6H5) nên gọi là các phân tử không phân cực. Nhóm này hoà tan tốt trong lipit nên khả năng thấm vào bên trong tế bào rất nhanh. Song cũng có trường hợp ngoại lệ như urê và glucose hoà tan kém trong lipit và có kích thước lớn hơn siêu lỗ nhưng lại thấm vào trong tế bào rất nhanh. Ngược lại, Citrat trimetyl hoà tan tốt trong Lipit nhưng lại rất khó thấm vào bên trong tế bào. Điều này được giải thích do urê và glucose là hai chất có mặt trong quá trình trao đổi chất của tế bào nên trên màng tế bào đã có chất vận chuyển trung gian còn Citrat trimetyl thì không . IV. Quá trình vận chuyển thụ động Vận chuyển thụ động là quá trình xâm nhập của các chất theo tổng đại số véctơ của các loại gradien và không hao tốn năng lượng của quá trình trao đổi chất. Vận chuyển thụ động diễn ra là do sự tồn tại của các loại gradien sau: -Gradien nồng độ: Là sự chênh lệch về nồng độ giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào. -Gradien áp suất thẩm thấu: Là sự chênh lệch về áp suất thẩm thấu, đặc biệt là áp suất thẩm thấu keo do các phân tử protein gây nên, giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào. -Gradien màng: Xuất hiện do tính bán thấm của màng. Đó là do màng chỉ thấm các chất có kích thước nhỏ như ion, các chất vô cơ còn các phân tử có kích thước lớn như protein, lipit, gluxit thì hoàn toàn không thấm. Do vậy giữa hai phía của màng có sự chênh lệch về nồng độ đã tạo nên gradien màng. -Gradien độ hoà tan: Xuất hiện trên ranh giới giữa hai pha không trộn lẫn như pha nước và pha lipit khi khả năng hoà tan của các chất ở trong hai pha ấy là khác nhau, dẫn đến sự chênh lệch về nồng độ đã tạo nên gradien độ hoà tan. -Gradien điện thế: Xuất hiện do sự chênh lệch về điện thế giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào. Trong 5 loại gradien kể trên thì gradien nào có giá trị tuyệt đối lớn hơn cả sẽ quyết định hướng vận chuyển của dòng vật chất. Ví dụ ở tế bào hồng cầu, cơ, dây thần kinh, tồn tại gradien màng có giá trị tuyệt đối lớn hơn cả cho nên lượng ion kali ở trong tế bào luôn cao gấp từ 30 đến 50 lần so với ở bên ngoài. Đặc biệt ở một số loài tảo biển, nồng độ iốt ở trong tế bào cao gấp hơn hai triệu lần so với nước biển là do gradien màng. Các gradien kể trên đều là hàm số của sinh lý tế bào và chúng có liên quan với nhau. Trong quá trình hoạt động sống của tế bào không những độ lớn của các gradien bị thay đổi mà có khi cả hướng của chúng cũng bị thay đổi. Các gradien giữ vai trò quan trọng trong việc điều khiển tốc độ vận chuyển thụ động các chất vào trong tế bào hoặc đi ra khỏi tế bào.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Bên cạnh vai trò của 5 gradien kể trên thì hướng vận chuyển của dòng vật chất còn phụ thuộc vào cường độ trao đổi chất của tế bào. Khi tương quan giữa các quá trình tổng hợp và phân huỷ ở trong tế bào thay đổi thì hướng vận chuyển của dòng vật chất cũng bị thay đổi. Ví dụ ở những tế bào hồng cầu non thường xảy ra quá trình tích lũy các chất nên ion kali và photphat thường thấm vào trong tế bào với cường độ lớn. Ở những tế bào hồng cầu già thì nhu cầu tích luỹ các chất ít còn quá trình phân hủy các nucleotide diễn ra mạnh nên ion kali và photphat lại thải ra môi trường ngoài với cường độ lớn mặc dù vẫn tồn tại gradien màng hồng cầu. Cuối cùng còn phải kể đến vai trò của các chất kích thích hoặc gây thương tổn đối với tế bào. Lý thuyết hưng phấn chỉ ra rằng tại những vùng màng sợi trục noron, khi có sóng hưng phấn truyền qua thì tính thấm của màng đối với ion tăng lên. Khi dùng thuốc để phá hủy các tế bào ung thư thì giải phóng gốc photphat. V. Quá trình khuyếch tán và định luật Fich Cơ chế vận chuyển chủ yếu của các chất hoà tan trong nước qua màng là quá trình khuyếch tán. Nếu vật chất chuyển động cùng với dòng dung môi theo hướng tổng gradien, gọi là quá trình khuyếch tán thuận. Trong trường hợp chỉ tồn tại gradien nồng độ thì vật chất vận chuyển theo hướng gradien nồng độ, gọi là quá trình khuyếch tán. Năm 1856, Fich đã tìm ra định luật khuyếch tán của vật chất. Tốc độ khuyếch tán của vật chất trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với gradien nồng độ và diện tích màng nơi vật chất thấm qua. Biểu thức toán học của định luật Fich: dm dC = − .S.D (3.1) dt dx dm : tốc độ khuyếch tán của vật chất (gam/giây). dt D : hệ số khuyếch tán. Đối với mỗi chất nó là một hằng số. Ví dụ với đường mía thì D=0,384, với đường Mantoza thì D=0,373. Đơn vị của hệ số khuyếch tán là Cm-1. s-1. S: Diện tích bề mặt màng tế bào nơi vật chất thấm qua (cm2). dC : gradien nồng độ. dx Dấu trừ ở vế phải của phương trình (3.1) thể hiện sự khuyếch tán của vật chất theo chiều từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp làm cho sự chênh lệch về nồng độ sẽ giảm dần. Định luật Fich có thể được trình bày qua dòng khuyếch tán ik, là lượng vật chất thấm qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian. dm i = (3.2) k dt.S So sánh phương trình (3.2) với phương trình (3.1) rút ra: dC i= − D (3.3) k dx