Chương 3 TẾ BÀO NHÂN CHUẨN

Tỉ lệ tương đôi giữa protein và lipit khác nhau trong các loại màng khác nhau bảng 3.1, phản ánh tính phong phú về vai trò của màng, vỏ miêlin, đóng vai trò như chất cách điện bị động b

Chương 3

TẾ BÀO NHÂN CHUẨN

I ĐẠI CƯƠNG VỀ TỂ BÀO NHÂN CHUẨN

Tế bào nhân sơ có hình dạng thuộc ba dạng phổ biến là hình que, hình phẩy hay xoắn và hình Cầuj còn các t ế bào nhân chuẩn thì hình dáng đa dạng hơn T ế bào biểu bì thực vật có hình dạng khôi vuông hay chữ nhật, vách phía tiếp xúc môi trường dày và hóa cutin ở lá, hoá bần ở th ân rễ Đặc biệt tế bào biểu bì rễ non còn có thể phình ra th à n h tế bào lông hút Tê bào tầng p h át sinh có hình khôi chữ nhật, thành mỏng, nhân lớn, tế bào chất nhiều Tế bào mô th ịt gần như quả trứng Tê bào mô thịt lá chứa nhiều lục lạp và h ạ t tinh bột Tế bào mach• • • X # • Idẫn có hình trụ rỗng dài, vạch hoá lignin, có tác dụng nâng đỡ

cơ học và dẫn dắt thức ăn từ dưối lên và tế bào có lỗ rây thì dẫn chất hữu cơ tổng hợp đến các bộ phận khác của cây Tế bào cánh hoa thì không bào lớn, chứa nhiều chất có màu sắc

Tế bào động vật cũng vô cùng đa dạng, phong phú Tuỳ loại mô khác n h au mà tế bào có hình dạng khác nhau Tế bào hồng cầu hình đĩa dẹp hai bên Tế bào cơ thì dài và gần nhọn hai đầu Tế bào th ần kinh có hình dạng sao có hình tua dài,

Tế bào n h ân chuẩn có hình dạng nói chung phức tạp, song cách cấu tạo r ấ t gần giông nhau: chúng đểu có vỏ, màng sinh

chất, n h ân và tê bào chất Trong tế bào chất thì có nhiều cơ

quan tử xây dựng nên nhờ hệ thống màng bên trong tế bào (hình 3.1)

Trong cơ thể động vật cũng như thực vật, các tế bào trên cơ sở

60

chức năng thông nhất hợp lại thành các mô Nhiều mô hợp lại thành cơ quan Nhiều cơ quan hợp lại thành cơ thê hoàn chỉnh.

Hình 3.1 Sơ dổ cấu trúc chi tiết tế bào động vật (biểu bì lông ruột)

Aer: lưới nội chất không có hạt; p: lỗ màng nhân; chr: thể nhiễm sắc;

ri' riboxom; d: thể sợi desmosoma; c: trung tử; nu: nhân; clr: gốc lông;

g: bộ máy Golgi; mv: túi của màng; li: lyzoxôm; mf: rành sâu;

pm: màng sinh chất; mi: ti thể; sv: túi tiết

Trưốc tiên chúng ta tìm hiểu màng sinh chất và chức năng

của màng sinh chât

II MÀNG SINH CHẤT VÀ CHỨC NĂNG

Điếu trưốc tiên muôn nói là tế bào xuất hiện chỉ khi có

màng hình thành Tế bào có th àn h phần cấu tạo hết sức phức

tạp Các màng vạch rõ ra ra n h giới bên ngoài và điều khiển

dòng phân tử qua ranh giới đó Màng chia không gian bên

trong tế bào ra thành các bộ phận riêng biệt, các quá trình và

thành phần riêng rẽ Chúng tổ chức phản ứng phức tạp liên tục

và chúng còn làm tru n g tâ m của việc dự trữ n ă n g lượng và

thông tin qua lại từ tế bào đến tế bào Các hoạt động~sinh học

của các màng bắt nguồn từ các tính chất vật lí đặc biệt của

chúng Các màng bển vững nhưng linh hoạt, tự khép kín và

thẩm thấu chon lọc đôi vối các chất tan có cực Tính linh hoạt• • • • của nó cho phép thay đổi có định hướng, đồng thời làm cho tê

bào vừa lớn lên vừa chuyển động (như amip) Khả năng đóng

kín các chỗ vỡ tạm thời cho màng liền lại cho phép sự hợp nhất

lại của hai màng như lúc thải ra khỏi t ế bào hay cho phép phần

màng đơn đóng sau khi phân chia, thu được hai ngărTđã kín,

như ở trong thực bào, hay trong sự phân chia tế bào không

sinh ra lỗ lớn thô thông qua bề m ặt của tế bào Vì màng có tính

thẩm thâu chọn lọc: giữ lại các chất và các ion nhất định đối

VỚI các tê bào và đôi với các phần của tê bào đặc trưng vầ ngăn

chặn các thứ khác

Các màng không phải là các tấm chán thụ động Chúng

bao gồm một loạt protein đặc biệt kích thích hay xúc tác khác

nhau của các phân tử Các bơm vận chuyên các chất tan hữu cơ

đặc biệt và các ion vô cơ qua màng ngược gradient nồng độ,

biên đối năng lượng từ dạng này sang dạng khác Chất nhận

62

(receptor) của màng sinh chất nhạy cảm với các dấu hiệu ngoài

tê bào, làm biến đổi chúng th àn h phân tử thay đổi trong tê bào

Các màng gồm có hai lớp phân tử và do đó rất mỏng, chúng được coi như hai đơn vị cơ bản Hầu hết các quá trình sinh lí tê bào là phôi hợp vối màng (thậm chí như sự tổng hợp các chất lipit và các chất protein và sự biến đổi năng lượng trong ti thê

và lục lạp) Vì các va chạm giữa các phân tử ở trong không gian hai lớp khác nhiều so với ở trong không gian ba lớp nên hiệu quả của các con đường xúc tác enzym nhất định xảy ra trong hai lớp được tăng lên rấ t lớn

Protein rìa màng TỂ BÀO CHẤT

Hình 3.2 Mô hình câu trúc màng sinh chất

Trong phần này, trước hết chúng ta mô tả thành phần của màng t ế bào và cấu tạo hoá học của chúng, cấu trúc lí học là nơi tao ra các màng chức năng sinh học Sau đó chúng ta

nghiên cứu sự vận chuyển màng và sự vận chuyển qua màng

có protein của các chất tan Trong phần cuối chúng ta sè tìm hiểu vai trò của màng trong trao đổi n ă n g lương, t ổng hdp mô, chuỵển.giao tín hiệur íổng hợp protein (hình 3.2)

1 Thành phần cấu tạo phân tử của màng sinh chất

Để hiểu chức năng của màng, ta phải nghiên cứu xác định ' thành phần của màng; ví dụ, th à n h phần nào là phổ biến nhất trong màng, đơn vị nào duy n h ấ t để màng có các chức năng dặc trưng, Hiểu biết thành phần cũng thay đổi trong các nghiên cứu của cấu trúc màng, như các mẫu đối với cấu trúc màng, cần thiết làm cho phù hợp và giải thích th à n h phần đã biết Trưốc khi làm rõ cấu trúc và chức năng của màng, chúng ta nghiên cứu xem xét thành phần phân tử của màng

Bảng 3.1 Các thành phán chủ yếu của màng sinh chất

của các loài khác nhau

Protein (%)

Photpho lipit (%) Các lipit khác

sterol (%) Loai sterol•

nhỏ là cacbohiđrat dạng glicoprotein Tỉ lệ tương đôi giữa protein và lipit khác nhau trong các loại màng khác nhau (bảng 3.1), phản ánh tính phong phú về vai trò của màng, vỏ miêlin, đóng vai trò như chất cách điện bị động bọc xung quanh sỢi của các tê bào nơron, bao gồm một lớp lipit sơ cấp; nhưng màng của vi sinh vật, của lục lạp, của ti thể, trong đó có nhiêu quá trình trao đồi chất xúc tác bởi enzym xảy ra tại chỗ chứa protein hơn lipit.

2 Mỗi màng có thành phần lipit đặc trưng

Đế nghiên cứu th à n h phần của màng, điều quan_£xạag dẩu tiên l ả tách dườc m àng th ích hdp Khi các tế bào nhân thực là đôi tượng đê nghiên cứu cơ chế, các màng sinh chất của chúng được xé vụn ra và tách phân đoạn, tách các thành phần t ế bào và các cơ quan tử gắn liền với màng như ti thể, lục lạp, lizôxôm, n h ân và p h ần khác Các phần cắt đoạn của màng sinh chất và các cơ quan tử đã cắt rời có thê được tách bằng kĩ t h u ậ t li tâm

Phân tích hoá học của màng tách ròi từ các nguồn khác nhau dẫn đến một sô" tính chất chung Thành phần lipit của màng là đặc trưng cho từng loại, từng loài, từng loại mô và từng loại cơ quan tử gắn liền với tế bào đã sử dụng (bảng 3.2)

Các tế bào có cơ chế rõ ràng kiểm soát các loại và tổng số các

lipit của màng đã tổng hợp và cung cấp các lipit đặc trưng cho các cơ quan tử cụ thể Sự phôi hợp tuyệt vời này được xem là các tiến bộ đặc biệt chỉ một không hai đối với các t ế bào và cơ thể trong quá trình tiến hoá; nhưng trong nhiều trương hợp, tầm quan trọng về chức năng của các hợp chất lipit đặc trưng này còn chưa được phát hiện

Bảng 3.2 Thành phần lipit của màng cơ quan tử

của tế bào gan chuột

3 Các màng giữ chức năng khác nhau có protein khác nhau

Hợp chất protein của các màng từ các nguồn khác nhau là khác nhau rấ t lớn so với hợp chất lipit của chúng, phản ánh sự đặc trưng về chức năng Đoạn ngoài tê bào que của võng mạc mắt động vật có xương sông là có đặc trưng cao đổi VỐI sự tiếp nhận ánh sáng Trôn 90% protein màng của nó là protein hấp thụ ánh sáng rhodopsin

Màng sinh chất không đặc trưng của hồng cầu có khoáng

20 loại thành phần protein đáng chú ý, một^âố lớn trong sô đó

có sô lượng ít Nhiều loại trong đó đóng vai trò như chất vận chuyển, mỗi loại chịu trách nhiệm vận chuyển một chất hqà

66

tan riêng đi qua màng Màng trong của E Coli chứa hàng trăm

protein khác nhau, các nhân tô vận chuyến khác nhau cũng như các một sô enzym tham gia vào quá trình trao đổi, biên đôi năng lượng, tổng hợp lipit, xuất ngoại protein và phân chia tê

bào Màng ngoài của E Coli có các protein có các chức năng

khác nhau và kiểu protein khác nhau Một sô loại protein màng có nhiêu cacbohiđrat liên kết cộng hoá trị Các cacbohiđrat có thê chiếm từ 1 - 70% của tổng khôi lượng của các glicoprotein này Trong rhodopsin của mắt động vật có xương sông một loại hèxasaccarit đơn chiếm 4% tổng sô" Trong glicophonn, một glicoprotem của màng sinh chất của hồng cầu, thì 60% của khôi lượng bao gồm các đơn vị polisaccarit phức tạp liên kết cộng hoá trị với các đuôi axit amin Ba đuôi axit amin như serin, threonm (Thr) và asparagin (Asp) thường là các điểm tiếp xúc Thông thường màng sinh chát chứa nhiều glicoprotein, nhưng các màng nội bào như màng lục lạp, màng

ti thể thì chứa ít các cacbohiđrat liên kết cộng hoá trị Các nửa của glicoprotein ỏ bề m ặt ảnh hương tới sự gấp cuộn của protein, vận chuyển tối bê mặt của tê bào và các chức năng thu nhận (reception) của các glicoprotein này

Một sô" các protein này có liên kêt cộng hoá trị với một hoặc nhiều lipit mà các lipit có thê giử vai trò như những cọc néo kị

nước, giu chát protein vói m àng Một nửa lipit trên một số

protein màng là axit béo gán với amit hay liên kết este Các protein có chuỗi dài isoprenoit liên kêt cộng hoá trị, và những protein khác liên kết vối photphatidylinositol (hình 3.3) thông qua polisaccarit phức tạp (glican)

arĩin o a xit đuôi cacbax^

Hình 3.3 Các lipit liên kết đống hoá trị néo các protein ria màng.

Chuỗi duôi íarnesyl là một isoprenoit.

68

4 Câu trúc phân tử của màng

Tất cả các màng sinh chất có các tính chất cơ bản Chúng không có khả năng thấm đối với nhiều chất tan có cực hay tích điện nhưng có khả năng thấm đôi vối các hợp chất không có cực; màng dày 5 - 8nm, có 3 lớp khi quan sát lớp cắt ngang nhờ kính^hiển vi điện tử mang lại Thành phán hoả hoc và các, nghiên cứu vât lí của sự thẩm th ấu và sư chuyển dông của các phân tử lipit và pro^ i n r i p n g hiệt t r n n g m à n g phrì hợp v ó i mỏ_hình khảm lỏng đối vối câu trúc màng_sinbJiQC (hình 3.4)

CÁC Đ ẨU ĐUÔ I A XY L C Ủ A MỠ ĐUÔI ẤM CACBONHĐRAT

(C Ó C Ụ C ) P H O T P H O L I P I T (V Ô CỰC) CÙAGLICOPROTEIN

Hinh 3.4 Máu kham long cua câu trúc màng

Chuỗi axyl mỡ phía trong màng tạo thành vùng lỏng, kị nước, các protein xuyên màng bơi trên biển mõ, giữ lại nhờ tương tác kị nước vói chuỗi bẽn axit amin không phân cực c ả protein và lipit tự do chuyển động bên trong mặt phẳng lóp kép, nhưng sự chuyển động của chất này từ mặt này của lớp kép đến mặt kia bị giởi hạn Các nửa cacbohiđrat gắn với vài protein và lipit của

màng sinh chất được xoay không cố định ra mặt ngoài của màng.

Photpholipit và sterol của “bọn lưỡng cư” hình thành lốp kép lipit có các vùng không phân cực của lipit trải lên nhau ở

I

phần lõi của lớp kép và cực của chúng hướng lên các nhóm trải

ra phía ngoài Trong những lớp kép lipit này, các protein hình cầu được ấn vào những khoảng cách không đều nhau, giừ lại bằng môi liên hệ không ưa nước giữa lipit của màng và các vùng kị nước trong các protein Một số” protein lồi ra từ bể mặt này hay bổ mặt kia của màng; hầu hết mở bề ngang của nó rộng ra Sự định hướng của các phân tử protein trong lớp kép

là không đôi xứng, làm cho màng có bờ Các vùng của protein chìa ra ngoài trên bể mặt phía này của lốp kép khác với phần chìa ra trên mặt phía kia, điều đó phản ánh sự không đốì xứng

về chức năng Các tiểu đơn vị của protein và lipit riêng trong màng tạo nôn thể khảm lỏng Khái niệm đó không giông như thể khảm của ngói gổm và vữa, mà tự do biến đối một cách ổn định Thô khảm màng là lỏng vì môi liên hệ qua lại giữa các lipit và giữa lipit vối protein là không đồng hoá trị, làm cho các phần tử lipit riêng và protein vận chuyển tự do phía bên kia trong sơ đồ của màng

Chúng ta sẽ nhìn thấy một sô" nét đặc trưng của mô hình thê khảm lỏng với nhiều chi tiết và xem xét bàng thực nghiệm

hỗ trợ thêm cho quan điểm đó

5 Lóp kép lipit là yếu tố cấu tạo cơ bản

Chúng ta đã thây ràng lipit, khi lẫn vào nước thì tự động tạo thành câu trúc hai lốp; hai lớp đó ổn định nhờ mốì quan hệ

của màng sinh học (5 - 6nm đo bằng kính hiển

vi điện tử) là bề dày đôi vối một lớp kép lipit dày 3nm với các protein lồi ra trên từng phía Sự nhiễu xạ tia X ở các màng giải thích tính chất phân bô m ật độ electron đã làm cho có cấu trúc lớp kép Các lizoxom (không bào mỡ) hình th àn h trong phòng thí nghiệm giải thích tính không thẩm th ấu tương đối như thê đôi vối các chât tan có cực như đã thấy trong các màng sinh học

70

ỉ (dù mối đây coi chúng có thê thẩm thấu đôi với các chất tan,

mà đôi với chúng có chất vận chuyển riêng) Tóm lại, tất cả

■ chứng cố chỉ ra rằng các màng sinh học có cấu tạo lớp kép lipit

Những lipit này sắp xếp không đôi xứng với nhau ở hai phía của lớp kép Dù không đổi xứng, nó cũng không giông vối protein của màng Ví dụ, trong màng sinh chất, các lipit nhất định được phát hiện đầu tiên trên bề mặt ngoài của lớp kép, còn một sô lipit khác là trên bề mặt trong (tê bào chất) (hình 3.Õ)

MẬT NGOÀI LỚP KÉP

LAMIN

LSERIN

)YLĨ\OSITOLMẬT TRONG LỚP KÉP

mặt ngoài của màng là không cân đối: Sphingomyelin

- P h o t p h a t i d y l c h o l i n - Photphatidyletanolamin Photphatidylserin

-Photphatidylinositol.

6 Các lipit màng vận động liên tục

Mặc dù cấu trúc hai lốp lipit tự nó là ổn định, các phân tủ photpholipit và sterol riêng của chúng tự do chuyển động trên mặt bằng của màng (hình 3.6) Các phân tử khuếch tán ra các bên nhanh đến nỗi một phân tử lipit riêng rẽ có thể đi vòng quanh một hồng cầu chỉ trong vài giây Phía giữa của lớp kép cũng lỏng, chuỗi cacbohiđrat riêng của axit béo cũng ở trong tình trạng chuyển động không ngừng nhờ sự quay quanh của các liên kết cacbon - cacbon của các chuỗi axyl dài

Độ lỏng phụ thuộc vào th à n h phần lipit và nhiệt độ ở nhiệt độ thâp, sự chuyển động của lipit tương đối ít xảy ra và lốp kép trong sáp xếp gần như tinh thể (paracrystallin) ở trên nhiệt độ đặc trưng cho mỗi màng, các lipit có thể chuyển động nhanh Nhiệt độ để làm cho chúng chuyển động từ dạng tinh thể đặc tới lỏng phụ thuộc vào th àn h phần lipit của màng Các axit béo no sắp xếp trong dạng tinh thể, nhưng các nút trong axit chưa no cản trở sự sắp xếp này, ngăn cản sự tạo ra trạng thái đặc paracrystallin Ở nhiệt độ cao, màng chuyển từ đặc sang lỏng chứa tỉ lệ cao của các axit béo no bão hoà

Thành phần sterol của màng cũng là một nhân tô" quan trọng quyết định nhiệt độ chuyển động này Cấu trúc planar (khung) cứng rắn của các nhân steroit cài vào giữa các chuỗi bên axyl mỡ có hai tác dụng đổi vối độ lỏng: dưới nhiệt độ biến đổi từ đặc đên lỏng thì sự chèn vào của sterol ngăn cản sự sắp xêp chặt của các chuỗi axyl mỡ vì vậy hoà lỏng màng Ở trên điểm nhiệt chuyển động, hệ thông vòng cứng rắn của sterol làm tính tự do của các chuỗi axyl mỡ nằm bên cạnh chuyển động nhờ sự quay của liên kêt cacbon - cacbon, vì vậy làm giảm sự hoá lỏng trong lõi của lớp kép Do vậy các sterol hướng tối làm giảm nhẹ mức độ đặc và lỏng của các màng, nơi chứa các sterol

72

Cả các tế bào vi khuẩn và các tế bào động vật nuôi cấy tự f,điều chỉnh thành phần lipit cho đạt tới độ lỏng bền vững dưới ị^các điều kiện sinh trưởng khác nhau Ví dụ, khi nuôi ở nhiệt độ ị.thấp, vi sinh vật tổng hợp nhiều axit béo chưa no và một ít axit béo no hơn so vối khi nucleotit ỏ nhiệt độ cao hơn (bảng 3.3) Kêt fquả của sự điều chỉnh này trong thành phần lipit các màng của

vi sinh vật nuôi ở nhiệt độ cao hay thấp có độ hoà tan như nhau

Dù sự di chuyển sang bên của các thành phần của màng và

sự uốn cong của nhiệt của chuồi axyl xảy ra rõ, loại chuyển

động thứ ba bị hạn chế: lớp kép vận chuyên hay sự khuếch tán

“flip - flop” sự vận chuyển của lipit từ mặt này của lốp kép đến măt kia của lớp kép (hình 3.6) Để cho sự chuvển động như

th ế xảy ra dấu của phân tử lipit nơi có phân cực và có thể tích điện, cần phải ròi bỏ khỏi môi trường nước của nó và chuyển vào trong phần kị nước của lớp kép; quá trình có kèm sự thay đổi năng lượng tự do dương và lớn (endergonic cao) Ví dụ, trong khi tổng họp màng sinh chất của vi sinh, các photpholipit

đã sản xuất trên mặt bên trong của màng nhất thiết phải trải qua thẩm thấu "Oip - flop” đi vào trong mặt ngoài của lớp kép

Ớ đây các protein dễ dàng khuếch tán flip - flop, miễn là con đường vận chuyển đó có lợi nhiều về m ặt năng lượng.

nhiệt độ nhât định; khi nhiệt độ hạ xuống, lipit trỏ nên đông đặc

(paracrystallin) Sự thẩm thấu kiểu 'ílip - f lo p ” rất ít.

74

Khi các phân tử protein riêng lẻ và các hỗn hợp phức tạp protein trong các màng sinh chất đã bị tách rời trong điều kiện nhiệt độ thâp nhờ kính hiển vi điện tử, một sô protein chỉ xuất hiện trên bê mặt của màng; một sô protein khác bác cầu qua qua độ dày lốn của lớp kép và kéo lồi ra cả bên trong và bên ngoài bể m ặt của màng - đó là các protein điều khiển chất tan hoặc các tín hiệu đi qua màng.

Sự định vị của protein màng cũng được nghiên cứu vối các chất, chúng phản ứng vối các chuỗi phụ protein, nhùng chúng không thể đi qua màng (hình 3.7) Hồng cầu của người là đôi tượng th u ận lợi cho nghiên cứu, vì màng sinh chất của nó chỉ

1EA

(a)

Hình 3.7 Các thí nghiệm xác dịnh trật tự

của các protein màng trên màng

a) Cả etylaxetim idat (EA) và iso-etionylaxetim idat (IEA) phản ứng vòi nhóm axit amin tự do trong các protein, nhưng c h ỉ dẫn xuất EA thẩm thấu

tự do qua màng.

Các thí nghiệm như đã để cập đến trong hình 3.7, giải thích ràng phân tử glicophorin xuyên qua màng hồng cầu Phần amin cuối (mang cacbohiđrat) lồi ra mặt ngoài của màng Phần amin cuối và cacboxyl cuôi chứa nhiều cực hoặc các phần phụ axit amin tích điện Vì t h ế chúng hoàn toàn ưa nước Cho

nên các đoạn dài ở trung tâm của protein chứa chủ yếu các phần axit amin kị nước P h á t hiện này xác định sự sắp xếp chuyển vận màng của glucophorin đã giải thích ở hình vẽ.

Màng hóng cầu gôm 3 protein

Màng tách rời, hòa tan trong SDS

điện di protein đã tách rời nhờ gel

ĩ Các protein sắp xếp không đối xứng

Ịjị, Thêm một yếu tô" nữa có thể được suy ra từ các kết quả :ủa thí nghiệm nhờ glucophorin: đó là chúng không chuyển động từ m ặt này của lớp kép tới m ặt kia; vị trí của nó trong màng là không đôi xứng Những nghiên cứu tương tự của protein màng khác giải thích rằn g mỗi loại có một định hưống riêng trong lớp kép Và sự định hướng tại protein nhờ sự khuêch tán flip - flop xảy ra r ấ t ít Hơn nữa các glucoprotein của m àng sinh chất được sắp xếp một cách cô định với các đuôi đường của chúng trên bề m ặt của tê bào Chúng ta sẽ thấy sự sắp xếp không đối xứng của các protein màng do không đôi xứng chức năng Ví dụ, t ấ t cả các phân tử của một cái bơm ion có định hướng giôVig nhau và do đó toàn bộ cả bơm đểu ở trong sự điều khiển giông nhau

9 Các protein xuyên màng không tan trong nước

Các protein của màng có thế phản chia ra hai nhỏm: nhóm

cú rjrrntpin Yuypn m à n s chúng_liêiT_kết chặt chẽ VỚI màng; và

các nhóm protein nạoai biên (rìa), chúng liên kết ít chặt chẽ

hơn, là liên kết th u ận nghịch Các protein rìa màng có thể bị tách rời khỏi màng bằng các xử lí nhẹ (hình 3.9), và lập tức tách khỏi màng, chúng hoà tan hoàn toàn trong nước Ngược lại sự tách rời của các protein xuyên màng từ màng đòi hỏi các chất hoạt động (chất ức chế, chất dung môi hữu cơ, chất kết tủa) Chúng bị cản trở bởi tương tác kị nưốc Thậm chí sau khi các protein xuyên màng bị hoà tan, sự chuyên động của chất ức chế có thể gảy ra kết tủa protein khi khôi kết tụ không hoà tan Sự không hoà tan của các protein màng do sự có mặt của phần lớn các axit amin giàu nhóm kị nước Các tương tác kị nước giữa protein và lipit của màng giải thích tính gắn bó chặt

#

của protein

hình 6 cạnh khác giới thiệu oligosaccarit chuỗi N - liên kết tới đuôi asparagin Đoạn của đuôi kị nước tạo ra xoắn - a đi qua lớp kép màng.

gel NAc = N axetyl D galactosanin Neu NAc = N axetyl neuraminic axit

78

CHẤT TẨY RỬA PHOTPHOLIPAZA c VÀ D

PKO I IIIN MỈ OAI IỈIKN C.ÁN I.IIMT

I*un I U N - < ; n ( \ N

I ' U ( ) I i : i \ N<;i YKN \ K S I.MIKN KI M O t D I O C 15 \<) r i u CH \ I I \ V |

Hình 3.9 Protein màng được phân biệt nhờ các điều kiện nhằm chuyển dời chúng từ màng Hầu hết protein xuyên màng có thể được dời đi nhờ thay đổi độ pH hay lực ion, sự vận chuyển Ca2* nhờ chất càng cua

(chelat) hay bổ sung thèm ure, nó bẻ gãy liên kết hiđro Các protein

xuyên màng Hên kết cộng hoá trị với lipit màng, có khi thông qua cọc néo photphatidỵlm ositol - glican, được dời chuyển nhờ phophatlipaza c hay

D Protein rìa có thể tách ra nhờ tẩy rửa, nó phá vỡ tương tác kị nước nhờ

lớp lipit kep, tạo nên các m ixel với các phân tử protein riêng rẽ.

10 Một số protein xuyên màng có các mâu néo vận chuyển màng

kị nưóc

Các protein xuyên màng có các phạm vi (vùng) giàu các axit amin kị nưốc Trong một số protein có chuỗi kị nước đơnò giữa protein (như trong glicophorin), hay ở đuôi tận cùng của amin hay cacboxyl Các protein màng khác có nhiều chuỗi kị nước phức tạp, mỗi cái đủ dài để bắc cầu lớp lipit khi ở trong hình dạng xoắn a

Một trong các protein bắc cầu màng biết rõ nhất là bactenorhodopsin, chứa 7 đoạn xuyên màng kị nước mạnh, và| xuyên qua lại lớp kép lipit 7 lần Bacteriorhodopsin là bơm proton hoạt động nhẹ, được sắp xếp dày đặc và điều hoà trong

màng màu tím của vi sinh vật Halobacterium halibium Khi sự

sắp xếp này được soi bằng kính hiển vi điện tử từ nhiều góc độ, nhiều hình ảnh thu được cho phép xây dựng lại kiểu ba chiểu của phân tử bacteriorhodopsin (hĩnh 3.10) Bảy đoạn xoắn a, từng đoạn đi qua lớp kép lipit, được nối lại nhờ các cuộn không xoắn heli ở mặt trong hay mặt ngoài của màng Chuỗi axit amin của bacteriorhodopsin có 7 đoạn với khoảng 20 đuôi kị nước, mỗi đoạn đủ dài để tạo ra cuộn, cuộn này mở rộng lớp kép lipit Tương tác kị nước giữa các axit amin không có cực và chuỗi bên axyl của các lipit màng néo chặt protein của màng, hoàn chỉnh đầy đủ con đường vận chuyển màng để chuyển dời protein

Mô hình của 7 chuỗi xoắn heli kị nước mở rộng màng này chứng tỏ có kiểu chung trong cấu trúc màng, đã thấy ít nhất 10

protein màng khác, tất cả liên quan đến sự tiếp nhận tín hiệu

Dù không có thông tin trên cấu trúc ba chiểu của những protein này, điều ấy có thể chứng minh có cấu trúc tương tự như bacteriorhodopsin Sự có m ặt của các vùng kị nưốc dài dọc theo dãy axit amin của protein m àng đã được tạo ra nhiều80

■ l

tâoạn đi qua lốp kép lipit, hoạt động như các mấu kị nước hoặc như sự hình th àn h các kênh vận chuyển trên màng Nhiêu kêt quả nghiên cứu thừa nhận có các vùng kị nước như th ế bắc qua màng sinh châ't

chứa đầy chuỗi axyl của lipit màng.

11 Cấu trúc tinh thể protein xuyên màng đã được xác định

' Những kĩ th u ậ t như nhau đã cho phép xác định cấu t r ú c ba :: chiểu của các protein hòa tan nói chung có thể được áp dụng : cho các protein màng Cho nên, rấ t ít protein màng bị tinh thể : hoá- chúng có khuynh hướng th ế chỗ cho sự tạo thành các khối

- tập hợp vô định hình

Protein có 4 tiểu đơn vị, ba đơn vị của chúng chứa các dạng

ví dụ) Các cấu trúc chỉ của một ít protein màng đã được biết nhưng ở phía ngoài kị nưốc của trung tâm phản ứng protein dường như có kiểu của các protein xuyên màng

12 Các protein rìa màng liên kết thuận nghịch với màng

Rất nhiêu protein rìa màng được gắn chắc vối màng nhờ tương tác tĩnh điện và liên kết hiđro với vùng ưa nước của protein xuyên màng và có lẽ cũng với các nhóm đầu phân cực của các lipit màng Protein rìa màng có thể bị bóc ra nhờ cácxủ

lí nhẹ là tác nhân gây cản trở các liên kết tĩnh điện hoặc bẻ gẫy các liên kêt hiđro (xem hình 3.9) Các protein rìa màng này có thê đóng vai trò như các chất điều hoà các enzym liên kết màng, hay n h ư các chỗ buộc nối các p ro tein xuyên màng VỚI

câu trúc bôn trong tê bào hay là giới h ạn sự chuyển động của một sô protein màng

Các lipit liên kêt cộng hoá trị tới một sô" protein màng (xem hình 3.3) néo các protein này tới lớp kép lipit nhờ tương tác kị nước Vì vậy các protein đã giữ đó có thể dời màng nhờ sự bẻ gãy nhánh của liên kêt dơn, ví dụ, hoạt động của photpholipaza (C hay D) giải phóng protein màng từ điểm kị nước của chỗ néo photphatidylinositol (hình 3.9) Điều đó giông kiểu cơ ché phóng thích nhanh, làm cho các tê bào có khả năng thay đổivị

82

trí của các protein chạy qua lại như con thoi giữa màng và dịch

Xế bào.

to

Dù các protein này với các néo lipit giông các protein xuyên màng, mà trong đó chúng có thể bị hoà tan nhò xử lí chất tẩy, chúng thường được coi như các protein rìa màng trên cơ sỏ các tính chất khác của chúng: - Sự hợp nhất của chúng với màng thường là yêu và th u ận nghịch; - Chúng không chứa các kị

"chuỗi kị nước dài, và lập tức hoà tan (nhờ hoạt động enzym photpholipaza), chúng có cách ứng xử như các kiểu protein tan

'13 Các protein màng thẩm thâu ở bên trong lớp kép

Các protein màng có tư t h ế như chúng bơi trong biển lipit KChúng ta đã chú ý từ lâu rằng lipit màng tự do thẩm thấu ở Lbên trong m ặt phẳng của lớp kép, và ở trong hoạt động ổn định Thí nghiệm đã được sơ đồ hoá trong hình 3.11, giải thích rằng đây cũng là sự thực của một sô"protein màng

: Kĩ th u ậ t thí nghiệm khác khẳng định nhiều trong số các

protein màng trải qua sự thẩm thấu bên nhanh, nhưng có

•nhiều ngoại lệ đối với sự khái quát hoá này Một số protein

• màng hợp n h ấ t protein màng gần kề để lập nên những tập hợp

• lốn trên bể m ặt của tế bào hay cơ quan tử, trong số các protein riêng rẽ không chuyển động tương hỗ đến phân tử khác Receptor axetylcholin tạo lập các nhóm dày đặc ở xinap Các protein màng khác bị néo với cấu trúc bên trong, ngăn cản thẩm thấu tự do của chúng trong lớp kép màng Trong màng

"hồng cầu cả glicophorin và yếu tô' trao đổi cloruacacbonat bị 'buộc chặt từ phía bên trong đến protein khung tế bào có dạng sợi — speetrin (hình 3.12)

TÉ B AO

N ÍỈL O I

TÉ BẢO CHUỘT

SỤ HOA TÉ BÀO NIỈÃN TẠO

Sự KHUẾCH TAN BÊN CỦA PRỎTÉIN MÃNG

Hình 3.11 Sựhoà nhập của tê bào chuột và người do sựsápxếp

Sau khi te bao hoa nhập, sự định vị của m ỗi kiểu protein màng được xác inh bang cach nhuộm tê bào vói các thuôc nhuộm kháng thể đặc trưng

uynh quang mau đặc trưng Quan sát kính hiển vi huỳnh quang, màu dng the được quan sat ơ trên mặt tê bào lai trong vài phút sau khi hod

n ạp, chì ra tóc độ thẩm thấu của protein m àng qua lớp kép lipit

84

1’HÓTKIN TRAO LK)I CLORIT - IỈICACBONAT

PKASMA MÀNG

ANKYRIN

SPKCTRIN

PIILC CHAI LIÈN KÉT

14 Sự tan ra của màng là trung tâm cho nhiều quá trình sinh học

Dù các màng là ổn định, nhưng không có nghĩa yên tĩnh Cấu trúc khảm lỏng năng động và linh hoạt đủ cho phép sự tan chảy của 2 màng VỚI hệ thông màng trong đã trình bày trên,

nó là tái tố chức bền của các thành phần của màng, như sự tạo

ra một số không bào nhỏ từ phức hệ Golgi vận chuyển các lipit

và protein mới đã tổng hợp tới các cơ quan tử khác và tới màng

sinh chất Sự đẩy ra khỏi tế bào(1), sự th u n h ận vào tế bào®

sự hợp nhất của tế bào trứng và tinh trùng, t ế bào phân chia, tất cả đòi hỏi sự tổ chức lại màng, mà ở đó hoạt động cơ bản là hoà nhập của hai đoạn màng mà không m ất tính liên tục(hình 3.13)

Hình 3.13 Hoà nhập màng là trung tâm của các quá trình tế bào khác nhau, bao gôm cả các cơ quan tử và cả màng sinh chát.

(1) Ngoại t h ẩ m bào = exocytosis

(2) Nội t h ấ m bào = endocytosts

86

Hình 3.14 Một mô hình có lẽ phù họp cho sựhoà nhập màng.

trỏ lại các cấu tạo lớp kép, hoặc là cấu trúc nguồn gốc, hoặc sản phẩm hoà hợp có thể hình thành Sự hoà nhập protein có thể xảy ra nhờ sư tao

thành các chất trung gian không p h ả i lớp kép.

Để hoà nhập, trưốc tiên hai màng cần đên gần nhau trong các khoảng cách, phân tử (độ vài nanomet) Nhiều bằng chứng thừa nhận rằng sự tăng nồng độ Ca2+ trong tế bào là dấu hiệu đôi với các hiện tượng hoà nhập nhất định như sự đẩy ra khỏi tê bào Các annexin là protein họ hàng cố định ngay ở dưới màng sinh chất Chúng liên kết chặt với các nhóm đầu của photpholipit trong các lớp kép, nhưng chỉ khi có mặt của Ca2+ Một số annexin cũng hợp nhất với các túi nội bào, đặc biệt để đẩy ra khỏi tế bào Các protein này tạo ra sự kết khối của các lizoxom trong in-vitro, đoán chừng là do các phân tử lipit liên kết qua lại giữa hai không bào khác nhau Ớ trong một mô hình đơn giản của sự hoà hợp màng (hình 3.14), các annexin gắn hai màng trong vị trí rất chặt

ổn định trong bước đầu tiên của sự hoà hợp

Người ta tin rằng các protein họ hàng hoạt động trong hoà hợp là các protein hoà hợp, mà những protein này là được dùng làm mẫu nhờ protein xuyên màng HA, cơ sở cho sự đi vào của virus cúm trong tê bào chủ (hình 3.13)

Giông như nhiều protein hoà hợp khác, protem HA có hai vùng giàu các amin axit không phân cực, một là vùng mở rộng màng tiêu biểu, một vùng khác là “peptit hoà hợp” giàu các đuôi alanin và glixin Protein hoà hợp có thể bắc cầu nối hai màng, trong khi vùng nối màng của nó ở trong màng này thì peptit hoà hợp đã vào trong màng kia (hình 3.14)

Các protein hoà hợp có thể làm xảy ra sự vặn vẹo chốc lát của cấu trúc lốp lép trong miền hoà hợp Các nghiên cứu vật lí của photpholipit tinh khiết trong in-vitro đã giải thích rằng nhiều cấu trúc không phải lốp kép, như các sợi mixel đảo ngược, có thê hình th àn h trong một sô' trường hợp

Trong mô hình giải thích trong hình 3.14, một cấu trúc

k h á c tồn t ạ i c â n b ằ n g VỚI lớp kép, và t iê u b iể u cho c ấ u trúc bán

88

dẫn giữa các màng không hoà hợp và hoà hợp Protein hoà hợp được cho là giong sự hình thành cấu trúc bán dẫn, vì thê dễ tố chức lại photpholipit do hoà hợp Lúc bố sung các annexin và các protein hoà hợp, nhiều protein khác chắc chắn được lôi cuốn vào, cách cấu tạo để hoà hợp có thế có nhiều phức tạp hơn

so với mẫu đơn giản đã trình bày ở đây

15 Sự vận chuyển chất hoà tan qua màng

Mọi tế bào sông đòi hỏi ở môi trường xung quanh các nguyên liệu thô cho tổng hợp và sản xuất năng lượng và cần thải ra môi trường các sản phẩm của trao đổi chất Màng sinh chất chứa các protein cấu tạo đặc biệt và mang vào tế bào nhiều chất cần thiết như đường, các amin axit, các ion vô cơ Trong nhiều trường hợp, các thành phần này chuyển vào trong tế bào ngược với gradient nồng độ - “bơm” vào Một sô" loại khác thì được bơm ra, để duy trì nồng độ dịch bào thấp hơn ở trong môi trường xung quanh Vối một loài ngoại lệ, sự di chuyển của các phân tử nhỏ đi qua màng sinh chất thực hiện nhờ các quá trình trung gian protein, thông qua các kênh vận chuyển màng, các chất mang hay là các bơm ờ tế bào nhân chuẩn, trong các thành phần khác nhau có nồng độ khác nhau về các chất trung gian trao đối chất và các sản phẩm trao đổi chất, và cũng chính các chất này cần vận chuyển qua các màng nội bào nhờ các qua trình trung gian protein có điều chỉnh sát sao

16 Sự vận chuyển bị động kiểu khuếch tán dốc ngược xuống đã

động này của chất tan là phù hợp với định luật thứ hai nhiệt

động học: Các phân tử sẽ hướng tới một cách tự p h á t m ang tính

chất phân bô đều đôi với sự lệch nhau lớn nhảt, nghĩa là entropy sẽ tăng lên.

Ci» c2 c, = c2

Dòng thực dòng không thực

-►

Hình 3.15 Tốc độ của sự chuyển vận của chất tan qua màng thẩm

chất tan ở bên trái và bên phải của màng.

Trong các cơ thể sống, sự thẩm thấu đơn giản bị cản trở bởi màng thẩm thấu chọn lọc - những màng tách các thành phần nội bào và các tế bào bao quanh Để vượt qua lớp kép, chất tan

có phân cực hay tích điện cần từ bỏ mốì quan hệ của chúng với các phân tử nước của vỏ hyđrat của chúng, sau đó thẩm thấu khoảng 3nm qua chất hoà tan trong đó nó hoà tan yếu (vùng trung tâm của lốp lép lipit), trước khi đi tối bên khác và “chuộc lại” vỏ hyđrat của nó (hình 3.16) Năng lượng thường dùng loại

bỏ vỏ hyđrat hoá và vận chuyển chất có phân cực từ nước vào lipit được bù lại khi hợp chất rời khỏi màng về phía khác và bị hvđrat hoá lại Do đó, giai đoạn trung gian của sự di chuyển qua màng tượng trưng cho trạng thái năng lượng cao có thể so với trạng thái bán dẫn trong phản ứng hoá xúc tác enzvm Trong cả

90

hai trường hợp, sự cản trở hoạt hoá cần vượt lên tới trạng thái trung gian Năng lượng hoạt hoá để vận chuyển chất tan có cực vượt qua lớp kép khá lón bởi khi lốp kép lipit tinh khiết, hầu như không thẩm thấu đối với chất có phân cực và tích điện.

Hình 3.16 Sự thay đổi năng lượng xảy ra khi chất tan trong dung

dịch nước vượt qua lớp kép lipit của màng sinh học

a Trong sự thẩm thấu đơn giản, sự vận chuyển của vỏ hiđrat thu nhiệt cao

và năng lượng (AG2+)(V hoạt hoá để thẩm thấu vượt qua lớp kép rất cao.

b Chất chuyên chở protein tạo ra tương tác không đồng hoá trị: - nhờ chất tan

đã hiđrat hoá đến vị trí liên kết hiđro nhờ nước, và nhờ sự chuẩn bị con đường vượt qua màng ưa nước - hạ thấp AG2+ để cho chất tan thấm qua màng.

(1) AG++: n ă n g l ư ợ n g h o ạ t hoá.

Riêng nước là ngoại lệ đổi với sự khái q u á t này Dù co phân cực, nước cũng thẩm thấu nhanh qua màng sinh học (cơ chế chưa hiểu biết đầy đủ) Khi nồng độ chất tan ở hai phía của màng r ấ t khác nhau, nghĩa là có sự chênh lệch nồng độ cúa các phân tử dung môi (nước), màng vận chuyển dòng chảy của nưốc cho tới khi lực thấm cân bằng trên cả hai phía của màng Một vài chất khí sinh học quan trọng cũng đi qua màng nhờ sự thẩm thấu đơn giản: phân tử oxi ( 0 2), ni tơ (N2) và metan (CH4), Tất cả các loại đó không phân cực.

Sự đi qua màng của các chất có phân cực và các ion là có thể thực hiện được nhờ các protein màng hạ thấp năng lượng

hoạt hoá cho sự vận chuyển bằng cách cung cắp một con đường

xen kẽ đối vối các chất tan đặc biệt thông qua lớp kép lipit Các protein hỗ trợ sự thẩm th ấ u dễ dàng ở trong con đường vận chuyển bị động không phải là các enzym “Chất nền” của chúng được vận động từ th àn h phần này sang th à n h phần khác, nhưng không bị thay đổi về m ặt hoá học Các protein máng làm tăng tốc độ chuyển động của dung dịch qua màng nhờ sự thấm thâu dễ dàng thì được gọi là châ't vận chuyển hay là các enzym thấm lọc(1)

Loại thông tin cấu trúc đã chi tiết hoá đã n h ận được đối với nhiều enzym hoà tan nhò sự chụp ảnh tinh thể tia X là không

có thê có đôi với nhiều chất vận chuyển qua màng; một nhóm các protein này vừa rấ t khó để tinh chế, vừa khó để tinh thể hoá Tuy nhiên do các nghiên cứu những nét riêng biệt và động học của chât vận chuyên mà người ta làm sáng rõ hoạt động của nó như các hoạt động của enzym Giông như các enzym chât vận chuyên liên kêt tối chât nền của nó thông qua tương tác yếu không đồng hoá trị và tối đặc trưng hoá học lập thể Sự

(1) Enzym t h ấ m lọc là enzym điểu chỉnh hiện tượng vận chuyển chủ động

thay đổi năng lượng tự do âm xảy ra với các tương tác yếu này, VAG - liên kết, làm cân bằng sự thay đồi năng lượng tự do dương đi kèm theo sự m ất nước từ chất nền AG - loại bỏ

■ hyđrat, vì vậy hạ thấp năng lượng hoạt hoá, AG2+, đôi vối sự vận chuyển qua màng (hình 3.16) Các chất protein vận chuyến kéo căng lớp kép lipit lập tức tạo nên kênh vận chuyển màng liên kêt với amin axit ưa nước chuỗi bên Kênh chuẩn bị con đường khác cho chất nền riêng biệt của nó vận chuyển qua lớp kép lipit, không hoà tan trong đó, xúc tiến sự hạ thấp AG2+ đôi với sự thẩm thấu qua màng Kết quả là tăng lên một cách từ từ tốc độ của sự thay đổi qua màng của cơ chất

17 Sự thẩm thâu glucozơ của hồng cầu điểu chỉnh sự vận

đoạn kị nước và chắc chắn bắc cầu qua màng 12 lần Nó cho phép glucozơ đi vào t ế bào với tốc độ 50.000 lần lốn hơn so với thẩm thấu không có sự hỗ trợ này thông qua lớp lipit kép Bởi

vì glucozơ vận chuyển vào trong hồng cầu là một kiểu ví dụ về

sự vận chuyên bị động, chúng ta sẽ gặp trong một vài chi tiết

Quá trình vận chuyển của glucozơ có thể được mô tả tương

tự với xúc tác enzym, trong đó "chất nền" là glucozơ ở ngoài tê bào [S (out)]\ “sản p h ẩ m ” là glucozơ bên trong [S (in)] và

“enzym” là chất chuyên chở (T) Khi tốc độ của glucozơ đi vào

được theo hàm số của nồng độ glucozơ ngoài thì đường biểu

* s (out) là s (ngoài), s (in) là s (trong), s là cơ chất.

diễn kết quả là hypecbon (hình 3.18) Ở các nông độ glucozơ ngoài cao thì tốíc độ lên cao xấp xỉ Vmax.

Một cách cơ bản quá trình được mô tả theo phương trình:S(out) + T ■ kk_\ > S(out) X T h -> S(in) X T kk_33—» S(in) + T

Ở đây kj, k 2, k 3 là các hằng số đường th ẳ n g và các hằng sô tốíc độ th u ậ n nghịch đối với từng bước p h ản ứng Bưốc đầu tiên

là liên kết của glucozơ với vị trí lập thể của protein vận chuyển trên bề m ặt bên ngoài của màng; bưốc hai là sự chuyển qua -màng của chất nền và bước thứ ba là sự rời của sản phẩm (chất

nền), bây giờ trên bề m ặt trong của màng, từ chắt vận chuyển

tới t ế bào chất

nồng độ thấp, 12 đoạn màng thấm tạo ra con đường ưa nước vượt qua

trung tâm kị nước của màng.

S(ngoài) * 5 m M GLUCOZƠ

94

Phương trình tốc độ cho quá trìn h này có the được mo ta chính xác khi phản ứng enzym thu được một kêt qua tương tự với phương trình Michaelis-Menten.

y _ V(max)[S](out)

° " Kt + [S](out)

Trong đó V0 là tốc độ tích luỹ ban đầu của glucozơ ở bên trong tế bào, lúc nồng độ của nó ở các vùng xung quanh là [S](out) và Kt (là k vận chuyển) là hằng số, tương tự vối hằng

sô Michaelis-Menten, một hợp chất của các h ằn g sô tôc độ đặc trưng của mỗi hệ thống vận chuyển Phương trình này mô tả tốc độ ban đầu là tốic độ quan sát được khi [S](in) = 0

Vì các liên kết không phải hoá học được tạo ra hay bị phá

vỡ trong sự biến đổi của [S](out) th à n h [S](in) hoặc không phải chất nền hoặc cũng không phải sản phẩm ổn định thực sự, và

do đó quá trình của sự đi vào là th u ậ n nghịch hoàn toàn Khi S(in) đạt tới S(out) thì tốc độ của sự đi ra và đi vào trở nên cân bằng Vì th ế hệ thông không có khả năng tích luỹ chất nên (glucozơ) trong tế bào ở nồng độ cao hơn nồng độ có ở môi trường xung quanh, nó đạt tối cân bằng glucozơ ở hai phía của màng ở tỉ lệ cao hơn nhiều so với lúc xảy ra khi không có mặt của chất chuyên chở riêng biệt Chất chuyên chở riêng biệt cho D-glucozơ, đối vối D-glucozơ Kt đo được là l,5mM Đối vối các chất tương tự gần gũi như D-mantozơ và D-galactozơ, chúng chỉ khác nhau trong vị trí của một nhóm hiđroxyl, các giá trị của Kt là 20 và 30mM, và đôi vối L-glucozơ, Kt vượt quá 3000mM! (Cho rằng Kt cao thường phản ánh ái lực thấp của chất chuyên chở đối với chất nền) Vì th ế chất chuyên chở glucozơ của hồng cầu giải thích 3 dấu hiệu của sự vận chuyển

bị động: các tôc độ cao của sự thẩm th ấ u ngược gradient nồng

độ, sự bão hoà và nét riêng biệt

96

18 Clorua và bicacbonat được vận chuyển cùng lúc qua màng

của hồng cầu

Tế bào hồng cầu chứa hệ thống thẩm thấu dễ dàng khác chất trao đổi anion, đóng vai trò quan trọng trong vận chuyển

C 02 từ các mô như cơ và gan tới phổi Châ't thải C 09 tách ra từ

mô hô hấp vào trong huyết tương rồi vào hồng cầu, ở đó nó biến đổi thành bicacbonat (HCO3) nhờ enzym anhydraza cacbonic (hình 3.19) (HCO3) một lần nữa lại vào huyết tương để vận chuyển tối phổi Vì HCO3 hoà tan mạnh trong huyết tương so với C 0 2, con đường vòng quanh này làm tăng khả năng vận chuyển C 02 của máu từ mô tới phổi Ờ phổi, HCOglại đi vào hồng cầu và bị biến đổi th àn h C 0 2 Cuối cùng C 02 sẽ bốc hơi

Để sự chuyển qua chuyển lại có hiệu quả, đòi hỏi có sự chuyển vận rấ t nhanh của HCO3 qua màng hồng cầu

Hìph 30 Chất trao đối clorua - bicacbonat của màng hóng cẩu cho phép vào và ra của H C O f không thay đổi thê điện màng Vai trò của

COj ĐƯƠC SẢN XUẤT NHỜ TRAO ĐỔI CHẤT

Chất trao đổi clorua - bicacbonat cũng được gọi là protein trao đổi anion, hoặc protein băng 3 (protein band 3), nó làm táng tính thấm của màng hồng cầu đối với HCO3 có lúc đến hàng triệu lần Giống như chất chuyên chở glucozơ, protein xuyên màng có thể được kéo dài đến 12 lần Khác với chất chuyên chỏ glucozơ, protein này điều hoà sự trao đổi hai chiều: đôi với mỗi ion, HCO3 chuyển động vào chiều này, còn ion c r cần chuyển động theo chiều ngược lại (hình 3.19) Kết quả của chuyển động cặp đôi này của hai anion hoá trị I là không thực sự trao đổi điện tích hoặc th ế điện qua màng hồng cầu: quá trình này không tích điện Sự chuyển động cặp đôi của Cl" và HCO3 là bắt buộc Khi vắng m ặt của Cl" thì sự vận chuyển HCO3 dừng Trong vấn

đề này, chất trao đổi ion giống với nhiều hệ thông khác thực hiện đồng thời hai chất tan qua màng, tấ t cả chúng là được gọi

là các hệ thống cổng cùng vận chuyển Trong trường hợp khi hai

chất nền chuyển động trong các phía đốì lập, quá trình này là

cổng đối nghịch Trong cổng cùng vận chuyển, hai chất nền

chuyển động đồng thời về cùng một phía (hình 3.20) Chất vận chuyển chỉ mang một chất nền, như sự thẩm th ấ u glucozơ, đôi

lúc được gọi là hệ thống đơn cổng.

19 Sự vận chuyển chủ động gây ra sự chuyển động chất tan

là không thích hợp theo nhiệt động học (endergonic)(1) và xảy ra

(1) Ender gonic: Một q u á t r ì n h g ắ n với p h ả n ứ n g s i n h ho á học m à sản

p h ấ m s a u p h ả n ứ n g có n ă n g l ư ợ n g t ự d o n h i ề u h ơ n c h ấ t l i ê u ban đâu Q uá t r ì n h liên q u a n vói sự đồng hoá.

9 «

chỉ khi cặp đôi (một cách trực tiếp hay gián tiếp) vối quá trình toả nhiệt (exergonic), như sự hấp thụ ánh sáng Mặt Trời, phản ứng oxi hoá, sự bẻ gãy ATP Trong sự vận chuyển chủ động sơ cấp, sự tích luỹ chất tan gắn liền trực tiếp với phản ứng toả nhiệt (nghĩa là sự biến đổi từ ATP đến ADP + p vô cơ) Sự vận chuyển chủ động thứ cấp xảy ra khi vận chuyển thu nhiệt (lên dốíc) của một chất tan được gắn liền tới dòng toả nhiệt (xuống dốc) của chất tan khác đã được bơm lên nguyên vẹn nhờ sự vận chuyển chủ động sơ cấp.

không phải loại vận chuyển chủ động hay bị động.

Tổng số năng lượng cần thiết để vận chuyển chất tan ngược

gradient có thể được tính toán dễ dàng từ gradient nồng độ lúc đầu Phương trình cơ bản cho sự thay đổi nầng lượng tự do trong quá trình hoá học biến đổi cơ chất phản ứng (S) thành sản phẩm (P) là: