Ghi chép Exhaustive về Hóa lý Hệ keo Sinh học và Quang sinh học

Hóa lý các Hệ keo Sinh học và Các Hệ thống Giải pháp

• Hóa lý (Physical Chemistry): Là môn khoa học nghiên cứu về các hiện tượng vĩ mô và hạt trong các hệ thống hóa học dựa trên các nguyên tắc, thực tiễn và các khái niệm vật lý như chuyển động, năng lượng, lực, thời gian, nhiệt động lực học, hóa học lượng tử, cơ học thống kê, động lực học phân tích và cân bằng hóa học.

• Hóa keo (Colloidal Chemistry): Là lĩnh vực hóa học nghiên cứu về cách chế tạo, đặc điểm và sự biến đổi của các hệ keo.

• Định nghĩa Dung dịch keo (Colloidal Solution): Là một hệ phân tán dị thể, bao gồm:     - Pha liên tục (Continuous phase): Môi trường phân tán (thường là chất lỏng).     - Pha phân tán (Dispersed phase): Bao gồm các phân tử chia nhỏ với kích thước và hình dáng khác nhau, được gọi là tiểu phân keo hoặc hạt keo.

• Phân loại hệ phân tán dựa trên kích thước hạt:     - Hệ phân tán thô (Suspension): Hạt lớn hơn $1000\,nm$ (hoặc $1\,mm$ tùy định nghĩa), có thể nhìn thấy bằng mắt thường, không đồng nhất, dễ tách bằng phương pháp vật lý, có hiện tượng Tyndall, không ổn định (dễ kết tủa).     - Hệ keo (Colloid): Kích thước hạt từ $1\,nm$ đến $1000\,nm$ (hoặc $10^{-5}$ đến $10^{-7}\,cm$), không đồng nhất nhưng hạt đủ nhỏ để duy trì trạng thái phân tán, không thể tách bằng lọc thông thường, có hiện tượng Tyndall rõ rệt, tính chất ở mức trung gian giữa đồng nhất và không đồng nhất.     - Hệ đồng nhất (True solution): Kích thước hạt dưới $1\,nm$, đồng nhất ở mức phân tử, không có hiện tượng Tyndall, ổn định tuyệt đối, không thể tách bằng phương pháp vật lý thông thường.

• Hiệu ứng Tyndall: Là sự tán xạ ánh sáng bởi các hạt trong hệ keo hoặc hệ phân tán thô, làm cho chùm sáng trở nên có thể quan sát được khi đi qua môi trường.

• Hệ keo cao phân tử: Các chất cao phân tử được phân tán trong một môi trường đồng nhất.

• Ví dụ về hệ keo sinh học:     - Máu: Các tế bào máu được giữ trong dung dịch bởi các chất keo như albumin, globulin và fibrinogen.     - Nước bọt: Hệ keo của chất béo và nước.     - Sữa: Hạt protein và mỡ phân tán trong nước.     - Mô liên kết: Sợi collagen và elastin giữ các tế bào tạo thành mô và cơ.

Phân tử và Ion trong Cơ thể Sống

• Thành phần nguyên tố: Chứa các nguyên tố phổ biến (C, H, N, S, P, Cl, Ca, K, Na) và các nguyên tố vi lượng (F, I, Fe, Cu, Pb, Al…).

• Đặc điểm: Hình dạng và kích thước đa dạng, cấu trúc phức tạp, tham gia vào mọi quá trình sinh học.

• Kích thước và khối lượng một số phân tử mẫu:     - Hydro: $0.1\,nm$, khối lượng $2$.     - H2O: $0.2\,nm$, khối lượng $18$.     - Hemoglobin người: $5.5 - 6.5\,nm$, khối lượng $67,000$.     - Albumin người: $4 - 15\,nm$, khối lượng $69,000$.     - Fibrinogen bò: $4 - 70\,nm$, khối lượng $580,000$.

• Vai trò của phân tử/ion:     - Là thành phần cấu trúc của cơ thể.     - Lưu trữ, vận chuyển và giải phóng năng lượng.     - Chứa đựng thông tin di truyền.

Liên kết Hóa học trong Biopolymer

• Cấu trúc Biopolymer: Được tạo thành từ các đơn phân (monomers):     - Protein: Từ các amino acid.     - Polysaccharide: Từ các carbohydrate.     - Acid nucleic: Từ các nucleotide.     - Lipid: Nhóm hợp chất không phân cực đa dạng (không phải polymer thực thụ).

• Các loại liên kết hóa học:     - Liên kết Cộng hóa trị (Covalent Bond): Chia sẻ cặp electron. Năng lượng liên kết: $50 - 110\,kcal/mol$. Gồm cộng hóa trị không cực ($H_2$) và có cực ($H_2O$).     - Lực hút Ion (Ionic attraction): Thu hút giữa các điện tích trái dấu (cation + và anion -). Năng lượng: $3 - 7\,kcal/mol$. Ví dụ: $2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl$.     - Liên kết Hydrogen: Lực hút tĩnh điện giữa nguyên tử H (liên kết cộng hóa trị với nguyên tử độ âm điện cao) và một nguyên tử độ âm điện cao khác (O hoặc N). Năng lượng: $3 - 7\,kcal/mol$. Có thể hình thành nội phân tử hoặc liên phân tử.     - Tương tác kỵ nước (Hydrophobic interaction): Các chất không phân cực tụ lại với nhau trong môi trường phân cực (nước). Năng lượng: $1 - 2\,kcal/mol$.     - Tương tác Van der Waals: Lực hút yếu nhất, hình thành do sự phân bố electron không đều tạm thời. Năng lượng: $1\,kcal/mol$. Ví dụ: giúp bàn chân tắc kè bám dính nhờ các nhú lông siêu nhỏ.

Cấu trúc và Tính chất của Protein

• Đơn phân: Gồm 20 loại amino acid chính. Cấu tạo gồm nhóm Amino ($-NH_2$), nhóm Acid ($-COOH$) và chuỗi bên R.

• Phân loại chuỗi bên R:     - Không phân cực (Kỵ nước): Glycine, Alanine, Valine, Leucine, Isoleucine, Methionine, Phenylalanine, Tryptophan, Proline.     - Phân cực (Ưa nước): Serine, Threonine, Cysteine, Tyrosine, Asparagine, Glutamine.     - Tích điện (Ưa nước): Acid (Aspartic acid, Glutamic acid) và Base (Lysine, Arginine, Histidine).

• Các cấp bậc cấu trúc:     - Cấu trúc bậc 1: Trình tự các amino acid liên kết bằng liên kết peptide.     - Cấu trúc bậc 2: Cuộn xoắn cục bộ thành xoắn $\alpha$ hoặc phiến gấp $\beta$, ổn định bằng liên kết hydrogen.     - Cấu trúc bậc 3: Sự gập ghềnh tạo hình dạng không gian 3D, ổn định bởi liên kết hydrogen, cầu nối disulfide ($S-S$), liên kết ion và tương tác kỵ nước. Ví dụ: bovine ribonuclease a.     - Cấu trúc bậc 4: Sự kết hợp của nhiều chuỗi polypeptide. Ví dụ: Hemoglobin gồm 2 chuỗi $\alpha$ và 2 chuỗi $\beta$.

Carbohydrate, Acid Nucleic và Lipid

• Carbohydrate:     - Monosaccharide: Glucose, fructose, galactose, deoxyribose, ribose.     - Disaccharide: Maltose (glucose-glucose), Sucrose (glucose-fructose), Lactose.     - Polysaccharide: Tinh bột (liên kết $\alpha\,1-4$ glycosidic), Cellulose (liên kết $\beta\,1-4$ glycosidic), Glycogen.

• Acid Nucleic: Cấu tạo từ nucleotide (gồm gốc phosphate, đường pentose và base nitơ).     - Base Nitơ: Pyrimidines (Cytosine, Thymine trong DNA, Uracil trong RNA) và Purines (Adenine, Guanine).     - Đường: Deoxyribose (DNA) và Ribose (RNA).

• Lipid: Kỵ nước, không tạo polymer.     - Chất béo (Fats/Oils): Triglyceride tạo từ glycerol và 3 acid béo. Lưu trữ năng lượng.     - Phospholipid: Thành phần màng tế bào, có đầu ưa nước và đuôi kỵ nước.     - Steroid: Khung carbon gồm 4 vòng gắn kết. Ví dụ: Cholesterol (thành phần màng tế bào động vật).

Dịch cơ thể và Vai trò Sinh lý

• Phân bố nước trong cơ thể: Tỷ lệ thay đổi theo tuổi thọ (thai nhi: $95\%$, trẻ em: $75\%$, người lớn: $60 - 70\%$, người già: $50\%$).

• Các khoang dịch:     - Dịch nội bào (ICF): Chiếm khoảng $60\%$ tổng lượng nước cơ thể ($\sim 57\%$ TBW).     - Dịch ngoại bào (ECF): Chiếm $\sim 43\%$ TBW, bao gồm:         - Dịch kẽ (Interstitial fluid - ISF): Bao quanh tế bào ($\sim 20\%$ TBW).         - Huyết tương (Plasma): Trong mạch máu ($\sim 6.7\%$ TBW).         - Dịch xuyên bào (Transcellular): Trong các khoang được lót bởi màng biểu mô (dịch não tủy, dịch tiêu hóa…) ($1 - 2.5\%$ TBW).

• Vai trò của dịch: Vận chuyển chất, môi trường phản ứng hóa sinh, bảo vệ tế bào, facilitate trao đổi chất qua màng, điều hòa thân nhiệt.

Tính chất Vật lý của Hệ keo Sinh học

• Độ nhớt cấu trúc (Structural Viscosity):     - Độ nhớt là ma sát nội do sự gắn kết phân tử gây ra lực cản dòng chảy. Đơn vị: Poise (P) hoặc $Cp$.     - Máu người bình thường duy trì $4.5 - 6\,Cp$ ở $20^{\circ}C$.     - Tăng độ nhớt khi hưng phấn hoặc chấn thương; giảm khi gây mê.     - Phụ thuộc vào pH (thay đổi hình thái biopolymer), tốc độ dòng chảy (phá vỡ các kết nối tạm thời).

• Áp suất thẩm thấu keo (Colloid Osmotic Pressure):     - Áp suất thẩm thấu tạo ra bởi các phân tử lớn (keo) được gọi là áp suất keo (oncotic pressure).     - Cùng với áp suất thủy tĩnh (hydrostatic pressure), nó kiểm soát sự phân bố nước giữa các khoang.

• Động điện học (Electrodynamics):     - Điện di (Electrophoresis): Hạt keo di chuyển trong điện trường.     - Điện thẩm (Electroosmosis): Dịch đệm di chuyển trong điện trường.     - Tiềm năng sa lắng (Sedimentation potential): Hiệu điện thế xuất hiện khi hạt lắng xuống.     - Tiềm năng chảy (Streaming potential): Hiệu điện thế khi dịch chảy qua mao dẫn.     - Vai trò: Chống đông máu, vận chuyển lympho bào (đến vùng nhiễm trùng ở mức $100 - 150\,mV$), cơ chế miễn dịch (ngưng kết vi khuẩn).

• Độ dẫn điện: Tế bào và mô dẫn điện kém ($10^5 - 10^6\,\Omega/cm$). Tổng trở gồm Điện trở (phụ thuộc nồng độ ion, độ nhớt) và Điện kháng (do sự phân cực màng).

Nhiệt động lực học và Cơ thể Sống

• Định nghĩa: Nhiệt động lực học là khoa học mô tả sự chuyển hóa năng lượng nhiệt và ảnh hưởng của nó lên vật chất.

• Hệ thống nhiệt động lực:     - Hệ lập (Isolated): Không trao đổi chất và năng lượng.     - Hệ kín (Closed): Chỉ trao đổi năng lượng, không trao đổi chất.     - Hệ hở (Open): Trao đổi cả chất và năng lượng. Sinh vật là hệ hở (đặc biệt ở khả năng tái sinh và tự phát triển).

• Các định luật:     - Định luật 0: Nếu A và B cân bằng nhiệt với C, thì A và B cân bằng nhiệt với nhau. Ứng dụng: Đo nhiệt độ cơ thể.     - Định luật 1 (Bảo toàn năng lượng): Năng lượng không tự sinh ra hay mất đi. Công thức: $\Delta Q = \Delta A + \Delta U$ ($Q$: nhiệt, $A$: công, $U$: nội năng). Trong cơ thể, năng lượng thực phẩm đầu vào cân bằng với năng lượng tiêu hao (nhiệt, bài tiết, bay hơi).     - Định luật 2 (Entropy): Trong hệ cô lập, entropy luôn tăng hướng tới trạng thái hỗn loạn cực đại. Sinh vật duy trì trật tự (giảm entropy nội tại) bằng cách tăng entropy của môi trường (thải nhiệt, chất thải đơn giản như $CO_2$, $H_2O$).

• Thân nhiệt:     - Nhiệt độ trung tâm: Trực tràng ($36.3 - 37.1^{\circ}C$), miệng (thấp hơn $0.2 - 0.6^{\circ}C$), nách (thấp hơn $0.5 - 1^{\circ}C$).     - Nhiệt độ ngoại vi: Trán ($33.5^{\circ}C$), lòng bàn tay ($32^{\circ}C$), mu bàn chân ($28^{\circ}C$).

• Các dạng công sinh học: Công hóa học (tổng hợp chất), công cơ học (co cơ, hô hấp), công thẩm thấu (vận chuyển tích cực), công điện (truyền xung thần kinh).

Vận chuyển Vật chất qua Màng Tế bào

• Cấu trúc màng: Khảm lỏng, phospholipid kép, cholesterol ($20\%$), glycolipid ($5\%$), protein ($2\%$ số lượng nhưng $50\%$ khối lượng).

• Vận chuyển thụ động (Passive Transport): Không tốn năng lượng, theo gradient nồng độ.     - Khuếch tán đơn giản: Chất tan (O2, CO2, lipid tan) đi trực tiếp qua màng.     - Khuếch tán thuận lợi: Cần protein kênh (channel) hoặc protein mang (carrier - như GLUT cho glucose). Uniporter vận chuyển 1 chất theo 1 hướng.     - Thẩm thấu (Osmosis): Khuếch tán nước từ nơi nồng độ chất tan thấp sang cao. Cần aquaporin.

• Vận chuyển chủ động (Active Transport): Cần ATP, ngược gradient nồng độ.     - Sơ cấp (Direct): Dùng ATP trực tiếp. Ví dụ: Bơm $Na^+/K^+\text{-ATPase}$ (đưa $3\,Na^+$ ra, $2\,K^+$ vào).     - Thứ cấp (Indirect): Dùng gradient do bơm sơ cấp tạo ra. Gồm Symporter (cùng hướng - ví dụ SGLT cho glucose) và Antiporter (ngược hướng - ví dụ bộ trao đổi $Na^+/Ca^{2+}$).

• Vận chuyển đại phân tử (Vesicular transport):     - Thực bào (Phagocytosis): Ăn vi khuẩn, mảnh vụn (tế bào miễn dịch).     - Ẩm bào (Pinocytosis): Uống dịch ngoại bào.     - Endocytosis qua thụ thể: Cần clathrin để bắt giữ đặc hiệu (Cholesterol, Insulin).     - Xuất bào (Exocytosis): Giải phóng chất ra ngoài.

Điện thế Sinh học (Biopotentials)

• Điện thế nghỉ (Resting Potential):     - Hiệu điện thế giữa trong và ngoài màng khi tế bào tĩnh ($-50\,mV$ đến $-94\,mV$).     - Bên trong màng tích điện âm so với bên ngoài.     - Giả thuyết Bernstein (1902): Ở trạng thái tĩnh, màng chỉ thấm với $K^+$; lực hút tĩnh điện giữ ion lại tạo phân cực bền vững.     - Phương trình Nernst cho $K^+$: Dự đoán điện thế cân bằng dựa trên nồng độ.

• Điện thế hoạt động (Action Potential):     - Xuất hiện khi tế bào bị kích thích đạt ngưỡng.     - Cơ chế: Kênh $Na^+$ mở nhanh gây đảo cực (trong dương), sau đó kênh $K^+$ mở chậm và màng tái cực.     - Lan truyền: Nhảy bậc (saltatory) trên sợi có bao myelin (nhanh, ít tốn năng lượng) hoặc liên tục trên sợi không myelin (chậm).

• Khớp thần kinh (Synapse):     - Hóa học: Dùng chất dẫn truyền (Acetylcholine - ACh). ACh liên kết thụ thể gây mở kênh ion. Enzyme Acetylcholinesterase phân hủy ACh để đóng kênh.     - Điện: Qua các liên kết khe (gap junctions), truyền tín hiệu cực nhanh nhưng không thể ức chế.     - Thụ thể: Ionotropic (kênh ion trực tiếp - nhanh) và Metabotropic (qua tín hiệu thứ cấp - chậm).

• Volume Conduction: Tổng hợp hoạt động điện từ nhiều tế bào tạo ra ECG (tim), EEG (não), EMG (cơ).

Phóng xạ Sinh học (Radiobiology)

• Định nghĩa: Nghiên cứu tác động của bức xạ ion hóa lên sinh vật.

• Hạt nhân và Đồng vị:     - Đồng vị bền: Tỷ lệ $\text{neutron/proton} = 1 - 1.6$.     - Đồng vị phóng xạ: Không bền do dư hoặc thiếu neutron, phân rã phát ra hạt $\alpha, \beta$, positron hoặc tia $\gamma$.     - Hoạt độ phóng xạ: Đơn vị Curie ($1\,Ci = 3.7 \times 10^{10}\,Bq$) hoặc Becquerel ($1\,Bq = 1$ phân rã/giây).

• Bức xạ Ion hóa: Có năng lượng đủ để tách electron khỏi nguyên tử ($\sim 10 - 15\,eV$ cho cơ thể sống).     - Bản chất: Sóng điện từ (X-ray, $\gamma\text{-ray}$) hoặc hạt (alpha, beta, neutron).     - Tác động: Trực tiếp (cắt trực tiếp DNA/RNA) hoặc Gián tiếp (tạo gốc tự do $HO^{\bullet}$ từ nước).

• Độ nhạy phóng xạ (Định luật Bergonic & Tribondeau): Tỷ lệ thuận với hoạt động phân bào và tỷ lệ nghịch với mức độ biệt hóa.     - Rất nhạy: Tủy xương, cơ quan lympho, niêm mạc ruột.     - Ít nhạy: Cơ, tế bào thần kinh.

• Hội chứng phóng xạ cấp tính (ARS): 4 giai đoạn: Tiền triệu (nôn, tiêu chảy) -> Tiềm tàng -> Phát bệnh -> Hồi phục hoặc tử vong.

• Liều lượng:     - Gray (Gy): $1\,J/kg$ (liều hấp thụ). $1\,Gy = 100\,rad$.     - Sievert (Sv): Liều tương đương (ảnh hưởng sinh học). $1\,Sv = 100\,rem$.

Chẩn đoán Hình ảnh: X-ray và CT-Scanner

• Tia X: Khám phá bởi Röntgen (1895). Bước sóng $10\,pm - 10\,nm$.     - Cơ chế tạo tia X: Bắn electron vào bia kim loại (thường là Tungsten). Tạo ra bức xạ hãm (Bremsstrahlung) và tia X đặc trưng.     - Độ tương phản: Dựa trên sự hấp thụ khác nhau của mô (xương hấp thụ mạnh, khí ít).

• CT-Scanner (Computed Tomography): Chụp cắt lớp vi tính.     - Phát minh năm 1972 bởi Godfrey Hounsfield.     - Kết hợp nhiều lát cắt 2D để tái tạo hình ảnh 3D.     - Đơn vị Hounsfield (HU): Xương ($+1000$), Nước ($0$), Mỡ ($-100$), Khí ($-1000$).     - Ưu điểm: Tốt cho xương và chấn thương cấp cứu. Rẻ và nhanh hơn MRI.

Quang sinh học (Photobiology)

• Bản chất ánh sáng: Lưỡng tính sóng - hạt. Hạt ánh sáng gọi là photon (quanta).     - Năng lượng photon: $E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$.     - Năng lượng 1 mol lượng tử: $E = \frac{28,650}{\lambda\,(nm)}\,(Kcal/M)$.

• Quy luật hấp thụ (Beer-Lambert): $I = I_0 e^{-\epsilon Cl}$ hoặc $OD = \log\left(\frac{I_0}{I}\right)$. Mật độ quang học tỷ lệ thuận với nồng độ và chiều dày mẫu.

• Quang hợp (Photosynthesis):     - Phản ứng tổng quát: $6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{h\nu} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$.     - Gồm pha sáng (trong grana, tạo ATP, NADPH) và pha tối (chu trình Calvin trong stroma, tạo đường).

• Sự phát quang (Luminescence):     - Huỳnh quang (Fluorescence): Phát sáng ngay khi hấp thụ năng lượng và tắt nhanh ($S_1^* \rightarrow S_0$). Ví dụ: Động vật dưới nước ($90\%$ phát quang).     - Lân quang (Phosphorescence): Duy trì phát sáng sau khi tắt kích thích do chuyển trạng thái triplet xuống cơ bản (chậm hơn).     - Phát quang sinh học: Dùng enzyme luciferase tác động lên cơ chất luciferin (đom đóm, vi khuẩn biển).

• Ứng dụng: Quang phổ học (định lượng vitamin, hormone), hình ảnh huỳnh quang trong sinh học tế bào, điều trị bằng laser.