Các sự thẩm thấu là dòng chảy có hướng của các hạt phân tử qua màng bán thấm. Trong sinh học, nó có tầm quan trọng trung tâm trong việc điều chỉnh sự cân bằng nước trong tế bào.
Thẩm thấu là gì?
Thẩm thấu có nghĩa là "thâm nhập" trong tiếng Hy Lạp. Nó được mô tả là sự di chuyển tự phát của các dung môi như nước qua một màng thấm có chọn lọc. Màng chỉ thấm dung môi chứ không thấm các chất hòa tan. Sự khuếch tán chọn lọc chỉ của một thành phần dẫn đến sự cân bằng của điện thế hóa học trên cả hai mặt của màng.
Sự thẩm thấu là phổ biến trong tự nhiên. Trong màng sinh học nói riêng, cần có sự trao đổi chọn lọc các chất để quá trình vận chuyển sinh học diễn ra. Tuy nhiên, các quá trình vận chuyển tích cực, tiêu tốn nhiều năng lượng cũng đảm bảo áp suất thẩm thấu phát sinh thụ động không có tác động phá hủy tế bào.
Trong khi không thể đảo ngược quá trình khuếch tán bình thường, thẩm thấu là một quá trình thuận nghịch.
Chức năng & nhiệm vụ
Trong thẩm thấu, các phân tử của dung dịch hoặc dung môi tinh khiết khuếch tán có chọn lọc qua màng cho đến khi điện thế hóa học cân bằng trên cả hai mặt của màng này. Ví dụ, một dung dịch đậm đặc ở phía bên kia được pha loãng bởi dung môi cho đến khi áp suất thủy tĩnh tăng lên ngăn cản sự khuếch tán thêm.
Các phân tử có thể di chuyển qua màng, bất kể chúng đến từ phía nào. Tuy nhiên, chúng luôn có nhiều khả năng khuếch tán theo hướng của sự khác biệt tiềm ẩn lớn nhất.
Khi thế năng cân bằng, số hạt di chuyển từ trái sang phải cũng như từ phải sang trái. Vì vậy, bên ngoài không có gì thay đổi nữa. Tuy nhiên, do sự pha loãng mong muốn của dung dịch đậm đặc, một mặt, một lượng chất lỏng lớn hơn đã tích tụ, tạo nên áp suất cao (áp suất thẩm thấu). Nếu màng không còn chịu được áp suất, tế bào có thể bị phá hủy.
Quá trình vận chuyển tích cực qua màng đảm bảo rằng một số chất được loại bỏ với việc sử dụng năng lượng. Một ví dụ sinh động về quá trình thẩm thấu là sự phồng lên của quả anh đào chín khi thêm nước vào chúng. Nước thấm qua vỏ ngoài của quả, còn đường không thoát ra ngoài được. Quá trình pha loãng trong quả tiếp tục cho đến khi nó vỡ ra.
Trong cơ thể, sự kết hợp của các quá trình thẩm thấu và vận chuyển tích cực, tiêu tốn năng lượng đảm bảo rằng các quá trình sinh hóa diễn ra trơn tru trong không gian được ngăn cách bởi các màng sinh học. Tế bào có thể tồn tại tách biệt với môi trường bên ngoài, nhưng luôn trao đổi chất với nó.
Các bào quan cũng có trong tế bào, nơi có thể diễn ra các phản ứng riêng biệt. Để ngăn áp suất thẩm thấu tăng đến mức màng sinh học bị vỡ, các phân tử bị đẩy ra ngoài thông qua các quá trình vận chuyển tích cực.
Trong tế bào động vật có vú, khi áp suất thẩm thấu tăng, protein NFAT5 được tạo ra với mức độ lớn hơn. Nó cung cấp một số cơ chế chống lại để bảo vệ tế bào khỏi căng thẳng ưu trương (áp suất dư thừa). Trong quá trình này, các protein vận chuyển được tạo ra, sử dụng năng lượng, chuyển các chất nhất định ra khỏi tế bào. Trong số những thứ khác, các chất trong nước tiểu như glucose và các chất điện giải dư thừa được bài tiết qua thận để điều chỉnh áp suất thẩm thấu trong cơ thể.
Bệnh tật & ốm đau
Thẩm thấu cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh cân bằng điện giải. Chất điện phân là muối hòa tan và bao gồm các ion kim loại mang điện tích dương như ion natri, kali, magiê hoặc canxi và các anion mang điện tích âm như anion clorua, bicacbonat hoặc photphat.
Chúng hiện diện với các nồng độ khác nhau trong tế bào (nội bào), bên ngoài tế bào (kẽ) hoặc trong máu (nội mạch). Sự khác biệt về nồng độ tạo ra điện áp trên màng tế bào và do đó kích hoạt vô số quá trình ở cấp độ tế bào. Nếu sự khác biệt về nồng độ bị xáo trộn, toàn bộ cân bằng điện giải cũng bị xáo trộn.
Thận điều chỉnh sự cân bằng điện giải này thông qua nhiều cơ chế khác nhau như cơ chế khát, quá trình nội tiết tố hoặc peptide hoạt động trên thận. Khi bị tiêu chảy nặng, nôn mửa, mất máu hoặc suy thận, cân bằng nước và điện giải có thể bị rối loạn. Mỗi chất điện giải có thể xảy ra ở nồng độ quá cao hoặc quá thấp.
Rối loạn cân bằng nước và điện giải đôi khi đe dọa tính mạng, tùy thuộc vào mức độ nghiêm trọng của chúng. Ví dụ về các tình trạng như vậy bao gồm mất nước, tăng nước, tăng và giảm thể tích tuần hoàn (thể tích máu tăng hoặc giảm), giảm và tăng natri máu, giảm và tăng kali huyết hoặc giảm và tăng calci huyết.
Mỗi tình trạng này đều cần điều trị chuyên sâu. Theo quy luật, cân bằng nước và điện giải nhanh chóng cân bằng trở lại. Tuy nhiên, nếu cơ chế điều hòa giữa quá trình vận chuyển tích cực và quá trình thẩm thấu bị rối loạn do suy thận hoặc một bệnh khác thì có thể dẫn đến rối loạn điện giải mãn tính. Kết quả là xảy ra các chứng phù nề, các bệnh tim mạch, phù não, các trạng thái lú lẫn hoặc co giật.
Mối quan hệ giữa cân bằng nước và điện giải và các quá trình sinh học trong cơ thể rất phức tạp nên các triệu chứng tương tự thường được quan sát thấy đối với tất cả các dạng rối loạn điện giải. Việc xác định cân bằng điện giải nên là một trong những xét nghiệm tiêu chuẩn nếu các triệu chứng này là mãn tính.
