Vận chuyển chủ động các chất qua màng tế bào (Active Transport)

Cùng một thời gian, nồng độ cao của các chất được đòi hủy phải duy trì bên trong tế bào trong khi đó nồng độ bên ngoài lại rất thấp. Điều này hoàn toàn là sự thật, một ví dụ như tế bào luôn phải giữ nồng độ K bên trong tế bào cao hơn rất nhiều so với bên ngoài và ngược lại nồng độ Na bên trong thấp hơn bên ngoài. Chính vì vậy cần có một cơ chế để duy trì một điều như vậy, và điều đó được thực hiện nhờ vào vận chuyển tích cực, tế bào chủ động lấy những chất hay ion cần thiết cho mình mặc dù bên ngoài nồng dộ của các chất này là rất ít. Tức là đã đi ngược lại thang nồng độ.

Có nhiều chất khác nhau được vận chuyển tích cực qua màng bao gồm Na, K, Ca, H, I, ure, một vài đường khác và hầu hết các acid amins.

Vận chuyển tích cực nguyên phát và thứ phát

Vận chuyển tích cực được chia thành hai dạng theo nguồn năng lượng được dùng để gây ra sự vận chuyển đó là: vận chuyển tích cực nguyên phát và thứ phát.

Trong vận chuyển tích cực nguyên phát, năng lượng được sử dụng trực tiếp từ việc bẻ gẫy phân tử ATP hay của một vài hợp chất chứa liên kết phosphate cao năng lượng. Trong vận chuyển tích cực thứ phát, năng lượng nhận thứ phát nhận được từ những năng lược được dự trữ ở dạng nồng độ ion khác nhau giữa hai bên màng tế bào, nguồn gốc của sự chênh lệch là từ vận chuyển tích cực nguyên phát. Cả 2 ví dụ, vận chuyển phụ thuộc vào protein mang xuyên màng, đều là khuếch tán được làm dễ. Tuy nhiên, vận chuyển tích cực, chứ năng của protein mang khác với chất mang trong khuếch tns được làm dễ vì nó có khả năng truyền năng lượng tới chất được vận chuyểnđể di chuyển ngược chiều gradient điện hóa(electrochemical gradient).

Vận chuyển chủ động nguyên phát

Hình. Cơ chế của bơm natri-kali. ADP, adenosine diphosphate; ATP, adenosine triphosphate; Pi, ion photphat.

Các chất được vận chuyển bằng cơ chế chủ động nguyên phát: Na, K, Ca, H, Cl, và một vài ion khác

Cơ chế vận chuyển chủ động được nghiên cứu đến chi tiết nhất là bơm Na-K, vận chuyển Na ra ngoài tế bào, và K từ ngoài vào bênh trong. Bơm này có trách nhiệm duy trì nồng độ Na và K khác nhau giữa hai bên màng té bào, thiết lập điện thế âm bên trong màng tế bào và điện thế dương bên ngoài tế bào.

Ở hình trên, Protein mang là tổ hợp của 2 tiểu phần: tiểu phần lớn α và và tiểu phần nhỏ hơn β. Tiểu phần lớn có 3 receptor để gắn Na và có 2 để gắn K, bên trong phần chia của protein này gần vị trí gắng Na có ATPase hoạt động.

Cơ chế: khi 2 ion K gắn vào bên ngoài của protein mang có 3 ion Na gắn vào bên trong, chức năng của ATPase bắt đầu hoạt động. Nó cắt 1 liên kết phosphat cao năng của ATP biến thành ADP và 1 phosphat, điều này giúp thay đổi cấu hình của bơm và giúp đưa 3Na ra bên ngoài và 2K vào trong tế bào. Và cũng giống như những enzym khác, Bơm Na-K-ATPase cũng có thể tạo ATP từ ADP và phosphat khi thang điện hóa của Na và K chênh lệch ở 2 bên màng đủ lớn để thắng lại quá trình bình thường của bơm.

Một chức năng quan trọng của bơm này là điều hòa thể tích tế bào: nếu không có chức năng của bơm này thì mọi tế bào cơ thể sẽ giãn nở thể tích cho đến khi nổ tung. Trong tế bào có rất nhiều protein và các phân tử khác không thể thoát ra ngoài tế bào, điều đó thì tăng áp suất thẩm thấu của tế bào và làm hút nước vào bên trong tế bào, nhưng khi có cơ chế của bơm này thì lượng ion dương mất đi trong mỗi lần bơm cao hơn 1 phân tử nên cũng làm giảm áp suất thẩm thấu cảu dịch nội bào. Nếu tế bào bắt đầu lấy nước và giãn nở vì bất kì lí do gì, thì bơm Na-K tự động hoạt động mạnh hơn, bơm nhiều ion tra bên ngoài từ đó kéo nước theo và duy trì thể tích tế bào.

Vận chuyển tích cực nguyên phát của ion Ca: ion Ca được duy trì với nồng độ rất thấp trong nội bào, nồng độ bên trong thấp hơn khoảng 1000 lần bên ngoài. Vì vậy cần có 2 quá trình vận chuyển chủđoộng nguyên phát. Một ở trong màng tế bào và bơm Ca đưa ra ngoài tế bào. Bơm khác nữa ở bên trong tế bào của các mạng lưới nội chất với tế bào cơ và mitochodria ở tất cả tế bào.

Vận chuyển chủ động nguyên phát của ion H: tại 2 nơi, mà quá trình vận chuyển ion H là quan trọng nhất đó là (1) dạ dày tuyến của dạ dày (2)và ống lượn xa và ống góp của thận.

Ở dạ dày tuyến, nằm ở thành của tế bào đỉnh có quá trình vận chuyển chủ động nguyên phát. Trong việc tiết ra dịch vị, với ion H và Cl

Ở ống thận, số lượng lớn ion H được tiết từ máu vào nước tiểu mục đich thải trừ ion H cũng theo cơ chế vận chuyển chủ động nguyên phát

Vận chuyển chủ động thứ phát - đồng vận và đối vận

Khi Na được vận chuyển qua màng tế bào theo cơ chế vận chuyển chủ động nguyên phát làm cho nồng độ Na bên ngoài nhiều hơn rất nhều so với bên trong. Gradient nồng độ này tạo ra một dang năng lượng, và điều đó làm khuếch tán Na trở lại bên trong tế bào. Dưới tác động như vậy, Na khuếch tán và có thể kéo theo các chất khác đi cùng. Đó là cơ chế đồng vận chuyển và thuộc dang vận chuyển tích cực thứ phát.

Trong đối vận, ion Na cố gắng khuếch tán vào bên trong tế bào vì nồng độ bên ngoài quá cao. Tuy nhiên, cùng lúc đó, có một chất cũng được vận chuyển từ trong ra ngoài. Vì vậy, ion Na gắn vào protein mang nơi tiếp nhận bên ngoài tế bào, trong khi đó thì chất đồng vận gắn vào vị trí bên trong của protein mang. Một khi cả hai được gắn kết, xuất hiện sự thay đổi về hình dạng protein, và năng lượng được giải phóng bởi ion Na di chuyển vào bên trong gây ra việc chất khác di chuyển ra bên ngoài.

Hình. Các cơ chế cho natri đồng vận chuyển glucose. Đồng vận của Glucose và một số acid amin với ion Na

Đối vận Na-Ca, Na-H: hai cơ chế đối vận quan trọng như hình dưới

Hình. Natri vận chuyển ngược canxi và ion hydro

Vận chuyển chủ động qua mảng tế bào (Cellular Sheets)

Tại những nơi của cơ thể, các chất có thể được vận chuyển bởi tất cả các con đường qua một mảng tế bào thay vào qua 1 màng tế bào đơn giản. Vận chuyển theo kiểu này xảy ra ở: (1) biểu mô ruột (intestinal epithelium), (2) biểu mô của ống thận, biểu mô của tất cả các tuyến ngoại tiết, (4) biểu mô của gallbladder, (5) màng nhện của não (the choroid plexus of the brain) và một số màng khác.

Cơ chế cơ bản vận chuyển một chất qua 1 mảng tế bào là (1) chủ động ở một bên mảng tế bào và (2) khuếch tán ở bên đối diện.

Hình. Cơ chế cơ bản của vận chuyển tích cực trên một lớp tế bào

Hình trên mô tả cơ chế vận chuyển ion Na qua một biểu mô(ống tiêu hóa, ống thận hay gallbladder). Các tế bào biểu mô được liên kết chặt chẽ với nhau tại các cực bởi khoảng giữa của mối nối được gọi là các chỗ chạm nhẹ. Bờ bàn chải của bề mặt tiếp xúc(lumen) của tế bào thấm được cả Na và nước. Vì vậy, Na và nước khuếch tán dễ dàng từ lumen vào bào tương. Và sau đó tại màng cơ sở và màng bên, Na được vận chuyển tích cực vào dịch kẽ của mô liên kết lân cận và mạch máu. Việc này gây ra chênh lệch nồng độ ion cao qua màng tế bào, nó gây thẩm thấu của nước tốt hơn. Vì vậy, vận chuyển chủ động Na tại bờ bàn chải của tế bào biểu mô, kết quả không chỉ Na mà còn mang theo nước.

Cơ chế này có ở hầu hết các dưỡng chất, ion, và chất khác được hấp thu vào máu từ ruột; nó cũng là cách một vài chất được tái hấp thu ở ống thận.