Sự khuếch tán dễ qua màng tế bào

Sự khuếch tán qua màng tế bào được chia thành hai dạng được gọi là khuếch tán đơn giản (simple diffusion) và khuếch tán được làm dễ (facilitated diffusion).

Khuếch tán đơn giản nghĩa là động lực di chuyển của phân tử or ion xảy ra khi màng tế bào mở hay chúng vượt qua giữa các gian phân tử không có bất kỳ ảnh hưởng từ các protein mang. Tỷ lệ khuếch tán được xác định bởi số lượng các chất có hiệu lực,  vận tốc của động lực chuyển động, và số lượng kích cỡ mở của màng tế bào mà phân tử hay ion có thể vượt qua.

Khuếch tán được làm dễ cần đến sự giúp đỡ của protein mang. Protein mang giúp một phân tử hay ion đi qua màng bởi liên kết hóa học với chúng.

Giống như hình trên, khuếch tán đơn giản có thể xảy ra theo 2 cách: (1) vvượt qua các kẽ hở của màng lipid nếu các chất hòa tan trong lipid;(2) vượt qua các protein vận chuyển khi các phân tử đó hòa tan trong nước không thể đi qua màng trực tiếp.

Khuếch tán của các chất tan trong lipid qua màng tế bào: một nhân tố quan trọng xác định một chất khuếch tán nhanh qua màng lipid bằng cơ chế nào đó là xác định chất đó tan trong lipid hay không. Ví dụ, lipid hòa tan được oxygen, nitrogen, CO2, và alcolhols rất cao, vì vậy nên chúng có thể đi qua màng tế bào trực tiếp.

Khuếch tán của nước và các phân tử không tan trong lipid qua các kệnh protein: mặc dù nước không thể tn được trong lipid, nhưng nó vượt qua màng bằng các kênh của phân tử protein. Sự nhanh chóng đi qua màng tế bào của nước là một sự đáng kinh ngạc, ví dụ, tổng lượng nước khuếch tán qua màng tế bào hồng cầu trong mỗi giây là 100 lần thể tích của hồng cầu. Những chất không tan trong lipid khác cũng có thể đi qua các kênh protein trong một vài cách như nước nếu chúng hòa tan và đủ nhỏ. Tuy nhiên, khi chúng là những chất có cấu tạo lớn hơn sự thâm nhập cũng không còn nhanh chóng nữa. Ví dụ, đường kính của phân tử ure chỉ lớn hơn 20% của nước nhưng chúng lại đi qua màng tế bào bằng 1/1000 lần của nước.

Khuếch tán qua lỗ protein và kênh protein, sự chọn lọc của kênh: Bằng kỹ thuật điện toán hình ảnh 3D người ta đã cho tháy các lỗ hay kênh protein có lối mòn dạng hình ống cho các phân tử đi qua. Các chất có thể khuếch tán đơn giản qua những lỗ này. Những cái lỗ như vậy được tạo thành từ toàn bộ protein màng bằng cách mở các ống xuyên màng và chúng luôn luôn mở. Tuy nhiên đường kính của các lỗ này lại có sự chọn lọc với các phân tử. Ví dụ, kênh aquaporin hay còn gọi là kênh nước, cho phép nước đi qua nhanh chóng nhưng lại chặn những phân tử khác. Có ít nhất 13 loại kênh aquaporin khác nhau được tìm thấy trên màng tế bào của cơ thể người.

Kênh protein có sự khác biệt ở 2 nhân tố quan trọng: (1) chúng thường có tính thâm schọn lọc cao và(2) nhiều kênh có thể đóng mở bởi tín hiệu có liên quan, như tín hiệu điện thế(voltage-gated channels) hay liên kết hóa học (ligand-gated channels).

Tính chọn lọc của kênh protein: nhiều kênh protein có tính chọn lọc cao với 1 hay nhiều ion đặc biệt. Điều này là kết quả của nhiều nhân tố:đương kính, sự sắp xếp hình dạng đặc thù, tự nhiên của chênh lệch điện hay liên kết hóa học bề mặt.

Hình. Vận chuyển các ion natri và kali thông qua các kênh protein. Cũng hiển thị là những thay đổi về hình dạng trong các phân tử protein để mở hoặc đóng cổng, canh gác bảo vệ các kênh.

Kênh protein hoạt hóa nhờ tín hiệu: có nghĩa là kênh protein bị điều khiển bởi tín hiệu mà kênh nhận được. Ví dụ như kênh Na và K như trên.

Hình. A, Một bản ghi dòng chảy qua một kênh natri điện áp đơn, thể hiện nguyên tắc tất cả hoặc không để mở và đóng kênh. B, Phương pháp vá kẹp để ghi dòng chảy thông qua một kênh protein. Ở bên trái, ghi được thực hiện từ một bản vá lỗi của một màng tế bào sống. Ở bên phải, ghi âm là từ một miếng vá màng đã bị xé ra khỏi tế bào.

Cơ chế đóng mở được điều khiển bởi 2 cách chủ yếu:

Voltage gating: kênh protein có những vùng chứa điện tích rất lớn, khi điện thế giữa hai bên màng tế bào thay đổi bất thường cơ chế sẽ làm cho những iên kết hóa học biến đổi cấu trúc trong không gian, làm cho mở kênh do thay đổi điện thế.

Chemical(ligand) gating: một vài kênh protein hướng ligand được mở khi liên kết với những chát hóa học(ligand).

Tình trạng mở chống lại tình trạng đóng: nhìn vào hình dứoi ta thấy rằng khi mở thì các kênh mở tối đa, tất cả cùng mở và lúc đóng thì chúng đóng tất cả; điều này được gọi theo 1 cơ chế chung là tất cả các kênh hướng điện thế hoạt động "tất cả hay không có gì"(all or none).

Khuếch tán được làm dễ

Khuếch tán được làm dễ cũng được gọi là khuếch tán cần vật mang trung gian bởi vì một chất được vận chuyển trong cách khuếch tán qua màng sử dụng protein mang đặc biệt để giúp đỡ.

Khuếch tán được làm dễ khác với khuếch tán đơn giản ở những điểm: mặc dù tỷ lệ khuếch tán đơn giản đi qua các kênh mở tăng tỷ lệ với nồng độ của chất khuếch tán, trong khi khuếch tán được làm dễ gắng liền với nồng độ tối đa, gọi là Vmax khi nồng độ tăng lên. Điều khác biệt này được minh chứng rõ nhất ở hình dưới.

Hình. Ảnh hưởng của nồng độ của một chất đến tốc độ khuếch tán qua màng bằng cách khuếch tán đơn giản và khuếch tán thuận lợi. Biểu đồ này cho thấy khuếch tán thuận lợi đạt đến tốc độ tối đa được gọi là Vmax.

Vậy câu hỏi đặc ra là điều gì giới hạn khuếch tán được làm dễ?

Hình. Các cơ chế định đề cho khuếch tán thuận lợi

Câu trả lời là: việc khuếch tán được làm dễ phụ thuộc hoàn toàn vào số lượng của các kênh protein, khi một phân tử gắn vào một vùng tín hiệu(receptor) của protein mang, làm chúng thay đổi cấu hình và cho chất này đi qua. Khi nồng độ các chất tăng lên làm khả năng gắng kết các chất vào kênh tăng lên và làm tăng khả năng khuếch tán, nhưng ở ở đây vẫn có những khoảng dừng, chính là lúc mà tất cả các kênh protein đã gắng phân tử thì lúc này là vận tốc tối đa mà chúng có thể khuếch tán được, nếu nồng độ tăng nhiều thì cũng không mang lại hệ quả gây tăng tốc độ khuếch tán.

Trong hầu hết các chất đi qua màng tế bào theo cơ chế khuếch tán được làm dễ thì quang trọng nhất là glucose và hấu hết acid amins. Trong trường hợp của glucose, có ít nhất 5 loại kênh glucose được tìm thấy trong nhiều mô. Một vài trong số chúng cũng có thể cho các monosaccarid khác có cấu trúc tương tự đi qua, bao gồm cả galactose và frutose. Một kênh quan trọng là GLUT4, hoạt hóa bởi insulin, gây tăng khuếch tán glucose nhiều lên gấp 10 tới 20 lần khi mô bị kích thích bởi insulin. Điều này là cơ chế cơ bản mà insulin điều hòa nồng độ glucose trong máu.

Sự thẩm thấu chọn lọc của màng tế bào- Khuếch tán thực của nước

Hình. Thẩm thấu tại màng tế bào khi dung dịch natri clorua được đặt ở một bên của màng và nước được đặt ở phía bên kia.

Chất nhiều nhất khuếch tán qua màng tế bào chính là nước. Nước được khuếch tán từ nơi có thế nước cao đến nơi có thế nước thấp, hay có thể nói từ nơi có nồng độ chất thấp tới nơi có nồng độ chất hòa tan cao. Và sự khuếc tán nước trong những điều kiện như vậy gọi là sự thẩm thấu(osmosis). Tính thẩm thấu thể hiện khả năng thẩm thấu với nước của màng tế bào (osmotic).

Áp suất thẩm thấu(osmotic pressure): như hình trên, nếu sự thẩm thấu bị chặn lại, làm ngừng lại hay đảo ngược. Áp suất chính xác để ngăn chặn sự thẩm thấu chính là áp suất thẩm thấu của một dung dịch.

"Osmalality"- osmole: để làm rõ nồng độ của dung dịch trong giới hạn của số hạt, một đơn vị được gọi là osmole được sử dụng. 1 osmole là 1 gam phân tử của gây ra thẩm thấu, vì vậy 180 gam glucose sẽ tương đương 1 osmole vì glucose không phân hủy thành các ion khác. Nhưng nếu một phân tử trong dung dịch phân tách thành 2 ion, thì 1 gam phân tử của nó được tính là 2 osmole. Ví dụ khác, dung dịch NaCl có 58,5gam NaCl thì sẽ có 2osmoles.

Quan hệ giữa osmolality với osmotic pressure: ở nhiệt độ 37, nồng độ của 1 osmole trên lít sẽ gây ra 19300mmHg áp suất thẩm thấu. Cũng như vậy, nếu dung dịch có nồng độ osmole là 1miliosmole sẽ tạo ra áp suất thẩm thấu 19,3 mmHg.