Cân bằng thẩm thấu và điều hòa thể tích tế bào

Các tế bào phải giữ nước ở trạng thái cân bằng thẩm thấu trong khi duy trì gradient ion hỗ trợ điện thế nghỉ. Vì màng tế bào có khả năng thấm tự do đối với nước, bất kỳ sự mất cân bằng nào về nồng độ chất tan đều đẩy nước qua màng, do đó các tế bào có khả năng kích thích sử dụng vận chuyển ion chủ động và các cơ chế điều hòa để giữ thể tích của chúng ổn định.

Definition

Cân bằng thẩm thấu là trạng thái ổn định trong đó dòng nước qua màng tế bào bằng 0 vì áp suất thẩm thấu nội bào và ngoại bào được cân bằng; điều hòa thể tích tế bào là tập hợp các quá trình vận chuyển mà một tế bào phục hồi và duy trì sự cân bằng đó, chủ yếu bằng cách kiểm soát hàm lượng ion nội bào.

Scope

Chủ đề này bao gồm lý do tại sao các chất tan nội bào không thấm có xu hướng kéo nước vào tế bào, cách hiệu ứng Donnan có thể làm mất ổn định thể tích nếu không được đối kháng, và cách bơm natri chủ động cùng với các dòng ion điều hòa thể tích duy trì cân bằng nội môi về thẩm thấu và thể tích. Nó kết nối chủ đề bơm ion với câu hỏi rộng hơn về cách một tế bào duy trì thể tích không đổi trong khi duy trì các gradient của nó.

Core questions

• Tại sao protein nội bào và các chất tan không thấm khác có nguy cơ làm tế bào sưng lên?
• Hiệu ứng Donnan là gì và nó liên quan đến thể tích tế bào như thế nào?
• Vận chuyển natri chủ động giúp giữ thể tích tế bào ổn định như thế nào (cân bằng bơm-rò rỉ)?
• Các tế bào phản ứng như thế nào với sự sưng hoặc co lại cấp tính do thẩm thấu?

Key concepts

• Áp suất thẩm thấu và tính thấm nước
• Các chất tan nội bào không thấm
• Cân bằng Donnan
• Cân bằng bơm-rò rỉ
• Giảm và tăng thể tích điều hòa
• Kênh nước Aquaporin

Key theories

Giả thuyết bơm-rò rỉ về sự ổn định thể tích

Các anion nội bào không thấm tạo ra xu hướng Donnan cho natri và nước đi vào và làm tế bào sưng lên; sự đẩy natri chủ động liên tục bằng Na+/K+-ATPase bù đắp cho sự rò rỉ này, làm cho natri hoạt động hiệu quả như một chất tan ngoại bào không thấm và giữ thể tích tế bào không đổi.

Mechanisms

Các tế bào chứa protein và các anion hữu cơ không thể vượt qua màng và, cùng với các đối ion liên quan, làm tăng áp suất thẩm thấu nội bào. Vì nước dễ dàng đi qua màng, điều này sẽ kéo nước vào và làm tế bào sưng lên, một xu hướng được thể hiện bởi hiệu ứng Donnan, cũng hạn chế sự phân bố ion. Tế bào chống lại điều này bằng cách liên tục bơm natri ra ngoài bằng Na+/K+-ATPase, sao cho natri hoạt động gần như thể nó là một chất tan ngoại bào không thấm cân bằng các chất tan bên trong; sự cân bằng bơm-rò rỉ này giữ cho áp suất thẩm thấu được cân bằng và thể tích ổn định, và nó liên kết kiểm soát thể tích với cùng một vận chuyển chủ động duy trì điện thế nghỉ, như Thomas (1972) đã thảo luận. Khi các thách thức thẩm thấu làm xáo trộn thể tích, các tế bào triển khai giảm hoặc tăng thể tích điều hòa, thu nhận hoặc thải bỏ các ion và các chất thẩm thấu hữu cơ thông qua các kênh và chất vận chuyển để trở về thể tích đã thiết lập của chúng, các cơ chế được Hoffmann và cộng sự (2009) tổng quan toàn diện.

Clinical relevance

Cân bằng thẩm thấu và điều hòa thể tích có ý nghĩa quan trọng ở bất cứ nơi nào các tế bào phải đối mặt với sự thay đổi về trương lực ngoại bào, và sự thất bại của các cơ chế này góp phần gây sưng tế bào trong mô bị thiếu năng lượng hoặc bị tổn thương. Mục này mô tả sinh lý học cơ bản như tài liệu tham khảo và không cung cấp hướng dẫn chẩn đoán hoặc điều trị.

Evidence & guidelines

Các nguyên tắc dựa trên lý thuyết thẩm thấu và Donnan cổ điển và trên sinh lý học vận chuyển rộng rãi, được củng cố trong các bài tổng quan và sách giáo khoa; chủ đề này là tài liệu tham khảo cơ chế hơn là nội dung hướng dẫn.

History

Frederick Donnan đã mô tả sự phân bố cân bằng của các ion khi có mặt các loài tích điện không thấm vào đầu thế kỷ XX. Việc nhận ra rằng vận chuyển natri chủ động bù đắp cho sự sưng Donnan do đó, khái niệm bơm-rò rỉ, đã phát triển cùng với nghiên cứu về bơm natri vào giữa thế kỷ, và các phản ứng điều hòa chủ động của tế bào đối với stress thẩm thấu đã được tổng hợp trong các bài tổng quan sau này như của Hoffmann và cộng sự (2009).

Key figures

• Frederick Donnan
• Roger C. Thomas
• Else K. Hoffmann

Seminal works

• hoffmann-2009
• thomas-1972

Frequently asked questions

Tại sao một tế bào sẽ sưng lên nếu bơm của nó ngừng hoạt động?

Các chất tan nội bào không thấm hút nước vào bằng thẩm thấu; nếu không có sự đẩy natri chủ động để bù đắp xu hướng Donnan này, natri và nước tích tụ bên trong và tế bào sưng lên.

Điều hòa thể tích tế bào liên quan đến điện thế nghỉ như thế nào?

Cả hai đều phụ thuộc vào cùng một vận chuyển ion chủ động. Na+/K+-ATPase duy trì các gradient đằng sau điện thế nghỉ cũng đẩy natri ra ngoài để giữ cân bằng thẩm thấu, do đó kiểm soát thể tích và điện thế màng chia sẻ một bộ máy chung.