Respiration, Internal Environment, Coordination and Gene Technology

Chạy nước rút để kịp xe buýt và cơ thể bạn biểu diễn một bản giao hưởng: cơ bắp đốt cháy glucose nhanh hơn, tim tăng gấp đôi công suất, thông khí sâu hơn, mồ hôi bắt đầu tiết ra, và thận tinh chỉnh lại khả năng tái hấp thu nước — tất cả đều được kiểm soát mà không cần ý thức chủ động. Đơn vị học này đi theo bộ máy vận hành đó: hô hấp ở quy mô phân tử, cơ và tim ở quy mô mô, thần kinh và hormone đóng vai trò điều khiển, và công nghệ gen là cánh cửa hiện đại nhìn thấu vào chúng.

WBI15 Hô hấp, Môi trường nội sinh, Điều phối và Công nghệ Gen là đơn vị IA2 thứ hai: 1 giờ 45 phút, 90 điểm. Nó đánh giá Chủ đề 7 (Hô hấp, Cơ bắp và Môi trường nội sinh) và Chủ đề 8 (Điều phối, Phản ứng và Công nghệ Gen), và một câu hỏi 20 điểm được xây dựng trên một bài báo khoa học được phát hành trước — bạn đã nghiên cứu bài báo này từ trước.

Hô hấp giải phóng năng lượng từng bước, mỗi bước được xúc tác bởi một enzyme đặc hiệu. Tóm tắt hô hấp hiếu khí:

Điều kiện kỵ khí dừng chuỗi truyền — NAD khử không thể tái chế — nên pyruvate chấp nhận hydro của nó và trở thành lactat trong cơ bắp. Sau khi tập luyện, lactat được vận chuyển đến gan và tái tổng hợp thành glucose (cần oxy: nợ oxy).

Hệ số hô hấp: $\mathrm{RQ} = \mathrm{CO_2}\ \text{produced} / \mathrm{O_2}\ \text{consumed}$. Carbohydrate 1.0, protein 0.9, lipid ≈ 0.7 — RQ của sinh vật tiết lộ nguồn nhiên liệu đang bị đốt cháy.

Ví dụ minh họa. Một respirometer cho thấy 60 cm³ CO₂ được sản sinh và 60 cm³ O₂ tiêu thụ trong cùng một khoảng thời gian: RQ = 1.0 — carbohydrate. Một hạt giống nảy mầm có RQ 0.7 đang đốt cháy dự trữ lipid.

A gân nối cơ với xương; một dây chằng nối xương với xương qua khớp; cơ hoạt động theo cặp đối kháng. Một sợi cơ xương là tế bào hợp bào đa nhân chứa đầy sợi cơ của actin và myosin.

Co cơ là chu kỳ trượt sợi: điện thế action giải phóng Ca²⁺; calcium lộ các vị trí liên kết của actin; đầu myosin được năng lượng (ATP đã phân ly) gắn vào, kéo actin, rồi tách ra khi ATP mới liên kết — hàng nghìn đầu mỗi giây, mỗi nhịp kéo vài nanometre.

Sợi co nhanh: dày, ít ti thể, nhanh và mạnh, mỏi nhanh (chạy nước rút). Sợi co chậm: nhiều ti thể, cung cấp máu dồi dào, myoglobin — bền bỉ.

Cơ tim là tự phát: nó đập mà không cần tín hiệu thần kinh. Nút xoang nhĩ đặt nhịp độ; sóng lan khắp nhĩ đến nút nhĩ thất, sau đó dọc theo sợi Purkyne đến thất — nhĩ co trước, thất co sau một chút.

Trung tâm điều khiển tuần hoàn và trung tâm hô hấp trong tủy não điều chỉnh cả hai hệ thống theo nhu cầu: thụ thể hóa học cảm nhận CO₂ và pH, thụ thể áp lực cảm nhận huyết áp.

Kiểm tra có hướng dẫn. Khi nghỉ ngơi: 70 cm³ × 72 min⁻¹ ≈ 5.0 dm³ min⁻¹. Khi vận động: 120 cm³ × 150 min⁻¹ = 18 dm³ min⁻¹ — bảng số liệu mà đề thi yêu thích. Thông khí tăng theo tỷ lệ, đọc từ đồ thị spirometer (thể tích tidal × tần số thở = thông khí phút).

Homeostasis duy trì môi trường bên trong ở trạng thái cân bằng động — không phải tĩnh, mà các biến số dao động trong giới hạn hẹp. Phản hồi âm sửa chữa sai lệch theo bất kỳ hướng nào (kiểu nhiệt kế); phản hồi dương khuếch đại chúng (dạng xoắn ốc, không phải vòng lặp — như trong điện thế action hoặc sốt cao mất kiểm soát).

Điều hòa thân nhiệt diễn ra qua vùng dưới đồi: mất nhiệt qua giãn mạch và đổ mồ hôi; giữ nhiệt qua co mạch, run rẩy và dựng lông. Adrenaline chuẩn bị cho phản ứng chiến đấu hay bỏ chạy — nhịp tim, đường huyết và đường hô hấp đều đáp ứng đồng thời.

Máu đi vào cầu thận của nephron với áp suất cao — động mạch trước rộng hơn động mạch sau — và các phân tử nhỏ bị ép qua podocytes và màng nền vào bao Bowman (lọc siêu vi: mọi thứ trừ tế bào và protein lớn). Ống cong gần tái hấp thu toàn bộ glucose và axit amin cùng hầu hết muối và nước (vận chuyển chủ động rồi thẩm thấu). Vòng Henle thiết lập gradient thế nước xuống tủy thận thông qua nhân đôi ngược dòng. Ống thu thập đưa ra quyết định cuối cùng: ADH từ tuyến pituitary chèn aquaporin để tái hấp thu thêm nước — nước tiểu cô đặc khi thiếu nước, loãng khi không.

Axit amin dư thừa bị khử amin trong gan; amoniac độc hại trở thành urea để bài tiết.

Kiểm tra có hướng dẫn. Có ADH → thành ống thu thập thấm nước → nước rời khỏi theo gradient vào máu tủy thận → thể tích nhỏ, nước tiểu cô đặc. Alcohol ức chế ADH → thể tích lớn, nước tiểu loãng.

Một yếu tố phiên mã gắn vào vùng khởi động của gen và bật/tắt quá trình phiên mã. Hormone steroid khuếch tán qua màng và đóng vai trò trực tiếp như yếu tố phiên mã — một gen có thể phục vụ nhiều mô. Biểu sinh làm im lặng gen mà không thay đổi trình tự base: methyl hóa DNA và biến đổi histone (acetyl hóa) nén DNA ra khỏi tầm với của máy móc phiên mã. Sai sót quan trọng: gen ức chế khối u bị methyl hóa không thể kiểm soát sự phân chia tế bào; lỗi imprinting giải hội chứng Prader–Willi.

Neuron nghỉ bơm Na⁺ ra ngoài và K⁺ vào trong (bơm natri-kali), giữ điện thế nội bào khoảng −70 mV. Kích thích vượt ngưỡng (khoảng −55 mV) mở kênh natri: điện thế action kiểu tất-cả-hoặc-không-cái-gì spike lên +30 mV, sau đó kênh kali khử cực; giai đoạn bất khả nhiễm ngăn truyền ngược và đặt tần số tối đa.

Trong tế bào thần kinh có bao myelin, xung điện nhảy từ nấc này sang nấc khác (dẫn truyền saltatory) — nhanh hơn nhiều. Tại synapse, sự xâm nhập của calcium kích hoạt các vesicle chất dẫn truyền thần kinh fuse với màng trước synapse; chất dẫn truyền khuếch tán và liên kết với thụ thể sau synapse; enzyme sau đó làm sạch khe synapse. Thuốc tác động tại đây: SSRIs ngăn chặn tái hấp thu serotonin, giúp tín hiệu kéo dài; lidocaine chặn kênh natri; ecstasy (MDMA) tràn ngập khe synapse bằng serotonin rồi làm cạn kiệt nó.

Hệ thần kinh được phân chia: CNS (não, tủy sống) và PNS — somatic (thụ ý) và autonomic (vô ý; giao cảm tăng tốc, nội giao cảm làm dịu). Thụ thể là bộ chuyển đổi: tế bào que (ánh sáng yếu, nhiều tế bào cho một tế bào hai cực — độ nhạy), tế bào nón (màu sắc, tỷ lệ 1-1 — độ sắc nét), cùng với thụ thể nhiệt, thụ thể hóa học, thụ thể áp suất, nociceptors (đau). Cung phản xạ tủy sống truyền tín hiệu sensory → relay → motor neurone trong chất xám tủy sống — nhanh, vô ý, bảo vệ. Habituation là sự giảm dần phản ứng đối với một kích thích vô hại lặp lại.

Phytochrome chuyển đổi giữa Pr (hấp thụ ánh sáng đỏ) và Pfr (hấp thụ ánh sáng xa đỏ); thiên lệch ánh sáng đỏ của mặt trời để lại Pfr chiếm ưu thế, kiểm soát nảy mầm và ra hoa theo độ dài ngày. Auxin kéo dài tế bào bằng cách acid hóa thành tế bào; gibberellins gây ra enzyme (amylase trong lớp aleurone) huy động tinh bột trong quá trình nảy mầm.

Dấu mốc và chức năng: bán cầu não (thụ ý, tư duy), tiểu não (phối hợp, thăng bằng), giả hypothalamus và tuyến yên bên dưới chúng (duy trì cân bằng nội môi, hormone), đồi não trung tâm (tim, hô hấp). MRI hiển thị cấu trúc; fMRI hiển thị hoạt động qua dòng máu giàu oxy; CT quét cấu trúc nhanh; PET đo trao đổi chất với chất đánh dấu phóng xạ.

Trước hết là hóa học: Parkinson là thiếu hụt dopamine — được điều trị bằng L-Dopa, đi qua hàng rào máu-não và chuyển hóa thành dopamine trong não. Serotonin thấp liên quan đến trầm cảm — là mục tiêu của SSRIs.

DNA tái tổ hợp: enzyme giới hạn cắt DNA tại trình tự nhận diện, tạo ra đầu dính; gen người (được tạo ra không có intron từ mRNA) được nối vào plasmid bằng ligase DNA; plasmid biến đổi vi khuẩn chủ; gen đánh dấu (kháng sinh hoặc huỳnh quang) chọn lọc các tế bào đã tiếp nhận. Mở rộng quy mô trong lên men và vi khuẩn tiết ra insulin người — sạch hơn và an toàn hơn so với chiết xuất từ lợn. Động vật GM sản xuất protein người trong sữa; rủi ro và lợi ích của cây trồng GM (kháng bệnh, năng suất so với dòng chảy gen sang họ hàng hoang dã) là tiêu chuẩn đánh giá.

Microarrays xác định gen đang hoạt động: mẫu mRNA lai ghép với các probe bổ sung trên chip; các đốm phát huỳnh quang đánh dấu các gen đang được phiên mã. Tin sinh học so sánh trình tự across các loài và cá nhân — cách mà mức độ liên quan hiện nay được đo lường.

1. Tên giai đoạn hô胞 diễn ra trong ma trận ti thể và một đầu vào của nó.
2. Cơ bắp của vận động viên tạo ra lactate. Giải thích tại sao, và những gì xảy ra với lactate sau đó.
3. Đầu myosin không thể tách rời nếu không có ATP. Điều này có ý nghĩa gì đối với cơ bắp sau khi chết?
4. Tính toán lưu lượng tim cho thể tích nhào 85 cm³ và nhịp tim 140 min⁻¹.
5. Giải thích tại sao động mạch vào rộng hơn động mạch ra.
6. Nêu hai điểm khác biệt giữa phản hồi âm và phản hồi dương, kèm theo một ví dụ cho mỗi loại.
7. Tại sao có bao myelin lại tăng tốc độ dẫn truyền?
8. Ngưỡng của axon là −55 mV. Một kích thích di chuyển nó đến −60 mV. Điều gì xảy ra, và tại sao?
9. Ánh sáng đỏ chuyển phytochrome thành dạng nào?
10. Giải thích tại sao L-Dopa được dùng thay vì chính dopamine.
11. Một đốm trên microarray phát huỳnh quang mạnh. Điều này cho thấy gì?
12. Tại sao gen insulin người phải được tổng hợp từ mRNA thay vì từ DNA bộ gen khi đưa vào vi khuẩn?

Đáp án: 1 phản ứng liên kết (hoặc chu trình Krebs) — đầu vào là pyruvate ( hoặc acetyl); 2 thiếu oxy nên NAD bị khử được tái tạo bằng cách khử pyruvate thành lactat; sau đó lactat đi đến gan và chuyển hóa lại thành glucose, sử dụng oxy; 3 không có ATP, myosin vẫn gắn với actin — co cứng; 4 $85 \times 140 = 11\,900\ \text{cm}^3\,\text{min}^{-1} = 11.9\ \text{dm}^3\,\text{min}^{-1}$; 5 chênh lệch áp suất thúc đẩy lọc siêu nhanh plasma vào bao Bowman; 6 phản hồi âm đưa biến số về điểm đặt (điều hòa thân nhiệt); phản hồi dương đẩy nó xa hơn (sốt tăng); 7 xung thần kinh nhảy giữa các nút Ranvier thay vì khử cực toàn bộ màng — ít bước hơn nhưng lớn hơn; 8 không có gì — ngưỡng không đạt, nên không có điện thế hành động (tất cả hay không có gì); 9 Pfr; 10 dopamine không thể vượt qua hàng rào máu-não nhưng L-Dopa thì có, và được chuyển đổi thành dopamine bên trong não; 11 gen đó đang được phiên mã tích cực — mRNA của nó có mặt và lai ghép; 12 vi khuẩn không thể cắt bỏ intron, nên gen phải đến từ mRNA trưởng thành vốn đã không chứa intron.