Bài học

Thẩm thấu: nước di chuyển qua màng bán thấm như thế nào

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em định nghĩa đúng thẩm thấu là sự di chuyển của nước chứ không phải chất tan, giải thích được vai trò của màng bán thấm và kênh aquaporin, và dự đoán đúng chiều di chuyển của nước giữa hai dung dịch dựa trên nồng độ chất tan của chúng.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã học khuếch tán tăng cường: một số phân tử cần một protein màng làm lối đi để qua màng theo đúng gradient nồng độ của chính chúng (same-grade bridge). Nước cũng có một loại kênh riêng gọi là aquaporin, hoạt động theo đúng nguyên lý đó — và bài này gọi tên chính xác cho hiện tượng nước di chuyển qua màng: thẩm thấu.

Khởi động

Nếu ngâm một quả trứng đã bóc hết vỏ cứng, chỉ còn lại lớp màng mỏng bên trong, vào một cốc nước lã, rồi so với ngâm một quả trứng tương tự vào một cốc nước muối rất đậm đặc, điều gì sẽ xảy ra với hai quả trứng sau vài giờ? Vì sao cùng là nước đi qua một lớp màng, kết quả lại trái ngược nhau?

Kiến thức trọng tâm

Thẩm thấu là sự khuếch tán của các phân tử nước — không phải chất tan — qua một màng bán thấm, tức một màng chỉ cho nước và một số phân tử rất nhỏ đi qua, không cho các chất tan lớn hơn (đường, muối, protein) lọt qua. Nước di chuyển từ nơi có nồng độ nước cao hơn, tức nơi có nồng độ chất tan thấp hơn, sang nơi có nồng độ nước thấp hơn, tức nơi có nồng độ chất tan cao hơn. Cần nhấn mạnh điều này vì rất dễ nhầm: chính nước mới là đối tượng di chuyển, chất tan thường không hề đi qua được màng trong hiện tượng thẩm thấu.

Màng sinh chất bán thấm vì hai lý do. Thứ nhất, lớp kép phospholipid tự nó đã cho một lượng nhỏ nước lọt qua khe hở giữa các phân tử, dù chậm. Thứ hai và quan trọng hơn, màng có sẵn các protein kênh chuyên biệt gọi là aquaporin, tạo một đường hầm hẹp chỉ vừa cho phân tử nước đi qua, giúp tốc độ thẩm thấu nhanh hơn hẳn so với chỉ đi qua khe hở lipid. Aquaporin chính là một trường hợp riêng của khuếch tán tăng cường: nước vẫn xuôi gradient của chính nó, và protein không hề tiêu tốn ATP. Aquaporin có mặt dày đặc ở tế bào ống thận, nơi cơ thể cần tái hấp thu một lượng nước rất lớn mỗi ngày, và ở tế bào lông hút của rễ cây, nơi nước được hút liên tục từ đất vào mạch dẫn.

Vì khái niệm nồng độ nước khó hình dung trực tiếp, người ta thường quy ước theo chiều ngược lại, dựa trên nồng độ chất tan: nước luôn di chuyển từ nơi có nồng độ chất tan thấp hơn sang nơi có nồng độ chất tan cao hơn, cho tới khi nồng độ chất tan hai bên màng bằng nhau hoặc áp suất thẩm thấu cân bằng với áp lực cản trở. Áp suất thẩm thấu là áp lực cần tác động ngược chiều để ngăn dòng nước tiếp tục di chuyển; dung dịch càng đậm đặc chất tan thì áp suất thẩm thấu càng lớn, và nước bên ngoài càng có xu hướng di chuyển vào đó mạnh hơn. Đây là quy tắc thực dụng em sẽ dùng trong mọi bài toán về thẩm thấu.

Thẩm thấu luôn là nước di chuyển; đường không qua được màng bán thấm trong thí nghiệm minh hoạ này.

Ví dụ

Dự đoán chiều di chuyển của nước giữa tế bào và dung dịch bên ngoài

1
Một tế bào có nồng độ chất tan bên trong là 0,9%, được đặt trong một dung dịch NaCl 3%. Nước sẽ di chuyển theo chiều nào?
2
Bên trong tế bào có nồng độ chất tan 0,9%, thấp hơn nồng độ 3% của dung dịch bên ngoài.
3
Theo quy tắc thẩm thấu, nước luôn di chuyển từ nơi nồng độ chất tan thấp sang nơi nồng độ chất tan cao — tức từ bên trong tế bào ra dung dịch bên ngoài.
4
Nồng độ chất tan bên trong thấp hơn đồng nghĩa nồng độ nước bên trong cao hơn; nước di chuyển từ nơi nhiều nước (bên trong) sang nơi ít nước (bên ngoài), khớp với kết luận ở bước trên. (1)
5
Vậy nước di chuyển ra khỏi tế bào theo đúng chiều đã xác định ở (1), khiến tế bào mất nước.

Ví dụ

So sánh ba mẫu khoai tây trong ba dung dịch (dạng đề kiểm tra)

1
Ba miếng khoai tây khối lượng bằng nhau được ngâm riêng trong ba cốc dung dịch đường trong 30 phút: cốc A là nước cất (nồng độ đường 0%), cốc B là dung dịch đường 1%, cốc C là dung dịch đường 5%. Biết nồng độ chất tan bên trong tế bào khoai tây xấp xỉ 1%. Dự đoán khối lượng mỗi miếng khoai tây thay đổi ra sao.
2
Nồng độ chất tan bên ngoài (0%) thấp hơn bên trong tế bào khoai tây (khoảng 1%), nên nước di chuyển từ ngoài vào trong tế bào — khối lượng miếng khoai tây ở cốc A tăng lên.
3
Nồng độ chất tan bên ngoài (1%) xấp xỉ bằng bên trong tế bào — đây là môi trường gần như đẳng trương, nước ra vào với tốc độ gần như ngang nhau, khối lượng miếng khoai tây gần như không đổi.
4
Nồng độ chất tan bên ngoài (5%) cao hơn hẳn bên trong tế bào, nên nước di chuyển từ trong tế bào ra ngoài — khối lượng miếng khoai tây ở cốc C giảm xuống.
5
Ba kết quả xếp theo đúng thứ tự nồng độ đường bên ngoài tăng dần (0% rồi 1% rồi 5%) cho khối lượng thay đổi giảm dần (tăng, gần như không đổi, rồi giảm), khớp với quy tắc nước luôn di chuyển theo chiều nồng độ chất tan tăng.
6
Vậy khối lượng khoai tây tăng ở cốc A, gần như không đổi ở cốc B, và giảm ở cốc C — đúng như dự đoán từ chênh lệch nồng độ chất tan giữa mỗi cốc và tế bào.

Sai lầm thường gặp

Một nhầm lẫn khá phổ biến là mô tả thẩm thấu như thể chất tan (đường, muối) đang di chuyển qua màng để pha loãng bên đặc hơn. Thực ra trong thẩm thấu, chính các phân tử nước mới là đối tượng di chuyển qua màng bán thấm; chất tan thường không lọt qua được loại màng này. Nếu đề bài hỏi chất gì di chuyển trong thẩm thấu, câu trả lời luôn là nước, không phải chất tan. Cách kiểm tra nhanh khi làm bài: nếu một phương án mô tả 'đường di chuyển' hay 'muối di chuyển' qua màng bán thấm, phương án đó gần như chắc chắn sai — vì đối tượng của thẩm thấu luôn phải là nước.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Thẩm thấu là nước — không phải chất tan — di chuyển qua màng bán thấm, từ nơi nồng độ chất tan thấp sang nơi nồng độ chất tan cao, nhờ khe hở lipid và các kênh aquaporin, không tiêu tốn ATP.

Bài tiếp theo dùng chính quy tắc thẩm thấu này để dự đoán số phận của tế bào động vật và tế bào thực vật trong ba loại môi trường khác nhau.