Khuếch tán qua màng mao mạch: trao đổi nước và các chất giữa máu và dịch kẽ

Chức năng chính của vi tuần hoàn là vận chuyển các chất dinh dưỡng đến các mô và loại bỏ các chất thải của tế bào. Các tiểu động mạch nhỏ kiểm soát lưu lượng máu đến từng mô và tình trạng tại chỗ của mô, bằng cách kiểm soát đường kính của các tiểu động mạch. Như vậy, trong hầu hết các trường hợp, việc điều chỉnh dòng chảy của mỗi mô liên quan đến nhu cầu của riêng của nó.

Thành của các mao mạch rất mỏng và được cấu tạo bởi một lớp tế bào nội mô có tính thấm cao. Vì vậy, nước, chất dinh dưỡng tế bào và sản phẩm bài tiết của tế bào có thể trao đổi một cách nhanh chóng và dễ dàng giữa các mô và máu lưu thông.

Hệ tuần hoàn ngoại vi của cơ thể người có khoảng 10 tỷ mao mạch với tổng diện tích bề mặt ước tính là 500 đến 700 mét vuông (khoảng 1/8 diện tích bề mặt của một sân bóng đá). Như vậy bất kỳ tế bào hoạt động chức năng nào cũng có một mao mạch nuôi nó không cách xa quá 20-30 micromet.

Cho đến nay khuếch tán là phương thức quan trọng nhất của trao đổi chất giữa huyết tương và dịch kẽ.

Hình: Khuếch tán của các phân tử hòa tan và các phân tử không hòa tan giữa mao mạch và khoảng kẽ

Hình minh họa quá trình này, cho thấy khi máu chảy dọc trong lòng mao mạch thì rất nhiều phân tử nước và các hạt hòa tan khuếch tán qua lại qua thành mao mạch, tạo nên một sự pha trộn liên tục giữa huyết tương và dịch kẽ. Hiện tượng khuếch tán các phân tử nước và chất tan có chuyển động nhiệt di chuyển ngẫu nhiên theo hướng này rồi lại đổi hướng khác.

Các chất hòa tan trong lipid khuếch tán trực tiếp qua các màng tế bào ở lớp nội mạc của các mao mạch

Nếu một chất hòa tan trong lipid, nó có thể khuyếch tán trực tiếp qua màng tế bào nội mô mà không cần phải đi qua các lỗ. Trong số này có oxy và carbon dioxide. Bởi vì các chất này có thể thâm nhập vào mọi vị trí của màng tế bào nội mô, tốc độ khuếch tán nhanh hơn nhiều lần so với các chất lipid không tan, như các ion natri và glucose (chỉ có thể đi qua các lỗ).

Khuếch tán chất hòa tan trong nước, các chất không hòa tan trong lipid qua các “Lỗ” trong màng tế bào nội mô

Nhiều chất cần thiết cho mô có thể hòa tan trong nước, nhưng không thể đi qua các màng lipid của tế bào nội mô; các chất này bao gồm các phân tử nước, các ion natri, ion clorua, và glucose.

Mặc dù chỉ có 1/1000 diện tích bề mặt của các mao mạch là khe gian bào giữa các tế bào nội mô, vận tốc của chuyển động nhiệt của các phân tử ở khe lớn đến nỗi mà ngay cả diện tích nhỏ này là đủ để cho phép khuếch tán một lượng lớn nước và nước chất hòa tan trong nước qua các khe- lỗ này. Tốc độ khuếch tán như vậy nhanh gấp 80 lần vận tốc di chuyển tuyến tính của huyết tương dọc lòng mao mạch. Nói cách khác, trong thời gian một giọt máu đi hết qua một mao mạch thì nước trong huyết tương chứa giọt máu đó với nước trong dịch kẽ đã đủ thì giờ khuếch tán vào nhau, pha trộn nhau, trao đổi chất cho nhau được 80 lần rồi.

Ảnh hưởng của kích thước phân tử đi qua các lỗ

Lỗ ở mao mạch, tức là khe gian bào có chiều rộng từ 6-7 nanomet, gấp khoảng 20 lần đường kính phân tử nước là phân tử nhỏ nhất đi qua lỗ. Đường kính của các phân tử protein huyết tương lớn hơn chiều rộng của các lỗ. Các chất khác, như ion natri, ion clorua, glucose, và urê, có đường kính trung gian. Do đó, tính thấm của lỗ mao mạch với các chất khác nhau tùy theo đường kính phân tử của chúng.

Bảng liệt kê mối liên quan của lỗ mao mạch trong cơ xương với các chất thường gặp.

Bảng. Mối liên quan của lỗ mao mạch trong cơ xương với các chất có kích thước khác nhau

Chất - Khối lượng phân tử - Tính thấm

Nước - 18 - 1.00

NaCl - 58.5 - 0.96

Urea - 60 - 0.8

Glucose - 180 - 0.6

Sucrose - 342 - 0.4

Inulin - 5000 - 0.2

Myoglobin - 17,600 - 0.03

Hemoglobin - 68,000 - 0.01

Albumin - 69,000 - 0.001

Qua đây ta thấy tính thấm với các phân tử glucose là 0,6 lần so với các phân tử nước, trong khi tính thấm cho các phân tử albumin rất thấp chỉ bằng 1/1000 lần các phân tử nước.

Cần biết rằng các mao mạch ở các mô khác nhau có tính thấm khác nhau. Ví dụ, lỗ mao mạch của các xoang mao mạch gan có tính thấm rất cao mà ngay cả protein huyết tương cũng vượt qua gần như dễ dàng như nước và các chất khác. Ngoài ra, tính thấm của màng cầu thận thận với nước và các chất điện giải cao gấp khoảng 500 lần so với tính thấm của mao mạch cơ, tuy nhiên màng này không để lọt protein huyết tương; các protein có tính thấm mao mạch là rất nhỏ, như trong các mô và các cơ quan khác.

Khi chúng ta nghiên cứu sự khác nhau của các cơ quan trong sách này, sẽ dễ dàng hiểu lý do tại sao một số mô đòi hỏi tính thấm mao mạch hơn so với các mô khác. Ví dụ, mức độ cao hơn của tính thấm mao mạch được yêu cầu cho gan để vận chuyển một lượng lớn các chất dinh dưỡng giữa các tế bào máu và nhu mô gan và thận để cho phép lọc một số lượng lớn dịch cho việc tạo thành nước tiểu.

Ảnh hưởng của hiệu nồng độ lên tốc độ khuếch tán chung qua màng tế bào nội mô

Thông qua các màng tế bào nội mô. Tốc độ khuếch tán thực của chất qua màng tế bào bất kỳ tỷ lệ thuận với hiệu nồng độ các chất giữa hai bên của màng tế bào. Đó là: hiệu nồng độ một chất càng lớn thì chất đó vận chuyển trực tiếp qua màng càng lớn. Ví dụ, nồng độ oxy trong máu mao mạch thường lớn hơn trong dịch kẽ. Do vậy, một lượng lớn oxy thường di chuyển từ máu vào các mô. Ngược lại, nồng độ carbon dioxide trong các mô hơn trong máu, tạo ra carbon dioxide dư thừa để di chuyển vào trong máu và được mang đi khỏi các mô.

Hình. Cấu trúc của khoảng kẽ. Sợi proteoglycan ở mọi nơi trong không gian giữa các nhánh sợi collagen. Các túi dịch tự do và một lượng nhỏ dịch từ các kênh đôi khi xuất hiện

Tốc độ khuếch tán qua màng mao mạch của hầu hết các chất dinh dưỡng quan trọng nhất lớn đến nỗi chỉ hiệu nồng độ thấp cũng đủ để tạo ra nhiều sự vận chuyển hơn trong vận chuyển giữa huyết tương và dịch kẽ. Ví dụ, nồng độ oxy trong dịch kẽ ngay bên ngoài mao mạch là không nhiều hơn một vài phần trăm so với nồng độ của nó trong huyết tương của máu, nên chỉ cần sự chênh lệch nồng độ rất nhỏ cũng đủ oxy để cung cấp cho quá trình chuyển hóa các mô-thường nhiều như vài lít oxy mỗi phút trong trạng thái hoạt động nặng của cơ thể.