Bài giảng sinh học tế bào chương 2 đặng minh hiếu

Lord Rayleigh, Agnes Pockels và nhiều người khác bắt đầu nghiên cứu về sự dàn ra của dầu trên mặt nước Langmuir xuất bản mô hình làm thế nào các phân tử tai mặt phân cách không khí/nước

CHƯƠNG II: MÀNG TẾ BÀO VÀ QUÁ TRÌNH

VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT THÔNG TIN

2.1 Lược sử nghiên cứu màng tế bào 2.2 Cấu trúc màng sinh chất

2.3 Màng tế bào và quá trình vận chuyển vật chất, thông tin

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội - Bài giảng Sinh học tế bào – Đặng Minh Hiếu, Ph.D

1

¢ Lodish, H., et al Molecular Cell Biology , 5thEdition (August 2003), W H Freeman &

Company

¢ Bernardi, G (General Editor) Biochemistry of Lipids, Lipoproteins and Membranes , 4thEdition (2002), Elservier.

¢ Krauss, G Biochemistry of Signal Transduction and Regulation , 3rdEdition

(2003), Wiley-VCH Verlag.

Lord Rayleigh, Agnes Pockels

và nhiều người khác bắt đầu nghiên cứu về

sự dàn ra của dầu trên mặt nước

Langmuir xuất bản

mô hình làm thế nào các phân tử tai mặt phân cách không khí/nước dực trên sự phát triển của mô hình Pockels

Danieli và Davson mô tả sự ảnh hưởng của

mô hình màng

có gắn chất béo

và protein

Tính lưu động của màng chất béo được phát hiện bằng vài phương pháp

Sự khuyếch tán ngang và xoay của các protein màng bắt đầu được chứng minh bởi vài phòng thí nghiệm.

Sau nhiều tranh cãi, giả thuyết các chất béo được xắp xếp như một lớp kép được đưa ra

Sự quan trọng của các quá trình vận chuyển qua màng

để đạt được trạng thái cân bằng ổn định màng – sinh chất bắt đầu được quan tâm

Chúng ta đang chờ đợi kết hợp các đặc tính của màng tế bào có nhân điển hình, điều mà đã trở lên cấp bách kể từ khi chúng lần đầu tiên được xác định.

Overton mô tả hàng rào chất béo giữa nguyên sinh chất của tế bào nhân chuẩn và môi trường bên ngoài Thí nghiệm này cũng tập trung sự chú ý vào lớp màng bề mặt của tế bào

có thể dễ dàng sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm

Gortel và Grendel

sử dụng phương pháp Langmuir để nghiên cứu lớp màng kép của tế bào máu.

Robertson tranh luận rằng các màng tế bào có cấu trúc tương tự

Các dữ liệu về thành phần protein màng kết hợp vào mô hình thể khảm lưu động của màng tế bào

Mô hình vùng được đề xuất chỉ

ra rằng các màng

có thể ở thể khảm hơn là thể lưu động.

Thực tế rằng các chất béo màng và các vùng protein có rất nhiều chức năng thuộc tế bào bắt đầu được chấp nhận

Dòng thời gian | Thế kỷ về lớp màng kép của tế bào

4

(Những năm 1920 - 1930)

HÀNG RÀO CỦA TẾ BÀO VÀ TÍNH THẨM THẤU

qCác phân tử hòa tan trong chất béo thường dễ đi qua hàng rào

tế bào hơn là những phân tử hay ion hoa tan trong nước

> Hàng rào bề mặt tế bào được phỏng đoán là các lipid hay chất tương tự chứa nhiều cholesterol và phospholipid

qMàng tế bào có độ dày khoảng 4 nm (Fricke, 1925) và được bao bọc bởi các protein (Harvey và Cole, 1935; Danielli và Davson, 1935)

5

(Những năm 1920 - 1930)

MÀNG LIPID ĐƠN VÀ CẤU TRÚC MÀNG

qNăm 1917, Langmuir cải tiến phương pháp của Pockels đo sức căng của màngphân tử khi được trải ra trên bề mặt nước và chỉ ra rằng các lipids tạo thành lớpmàng đơn trên bề mặt nước; và các chuỗi hydrocarbon linh hoat và bị bẻ cong khi hướng ra khỏi bề mặt nước

qNăm 1925, Sử dụng phương phápLangmuir xác định diện tích trải ra củacác phân tử lipid của tế bào máu, Gorter

và Grendel kết luận rằng“các tế bào máu được bao bọc bởi lớp màng có độ dày 2 phân tử lipid”.

(McConnell và Chapman).

qMột vài protein có thể dễ dàng khuyếch tán tronglớp lipid kép (Cone, Poo, Frye và Edidin; những năm1970s)

7

(Những năm 1950 - 1980) CÁC MÀNG CÓ THỂ KHẢM

qThí nghiệm của Singer và Nicolson năm 1972 phân biệt các protein bề mặt và protein gắn trongmàng tế bào máu đã chỉ ra mô hình thể khảm lưuđộng của màng tế bào Các thể khảm là các protein gắn trên màng

qTrên mô hình 1980s, các màng phần lớn có cấutrúc lớp kép lipid với các protein được gắn trên đó

Lớp màng kép có tính động học cao; các lipid, protein có thể linh hoạt, quay và khuyếch tán bêntrong lớp màng

8

9

Nguồn: http://www.life-enhancement.com/

ØBao bọc quanh tế bào, phân cách phần bên trong của tế bào với môi trường bên ngoài

ØCấu trúc hai lớp, chứa chủ yếu là các protein và lipid

ØProtein hoạt động như các kênh vận chuyển, khảm vào lớp lipid kép một cách linh động Ngoài ra còn một số các phân tử carbonhydrates và các cholesteron có chức năng tăng cường sự ổn định

11

Nguồn: http://www.nature.com/

12

Phospholipid là lớp các lipid trong thành phần cơ bản của màng tế bào Các phân tử Phospholipid cấu tạo bởi một gốc diglyceride, một nhóm phosphate và một phân tử hữu

cơ đơn giản như Choline

13

Sphingolipid là lớp các lipid có nguồn gốc từ rượu béo sphingosine amin, là chất đóng vai trò quan trọng trong vận chuyển tín hiệu và nhận biết tế bào

15

“ Mảng lipid ”

(Lipid rafts) là khu vực giàu sphingolipid và cholesterol ở lớp ngoài của màng

tế bào.

16

Glycoprotein là các protein chứa các oligosaccharide liên kết cộng hóa trị với chuỗi polypeptide Các glycoprotein thường là các protein liên kết màng quan trọng, đóng vai trò trong tương tác tế bào với tế bào.

17

Các protein ngoại vi, protein gắn màng và các kênh vận chuyển

Thành tế bàolà lớp màng cứng, linh hoạt nhưng đôi lúckhá cứng nhắc, bao quanh một số loại tế bào Thành tếbào bao bọc bên ngoài lớp màng tế bào, hỗ trợ cấu trúc

và bảo vệ tế bào, đồng thời hoạt động như một lớpmàng lọc

Cấu trúc:

vCellulose (Thực vật)

vPeptidoglycan (Vi khuẩn)

vGlycoprotein, seudopeptidoglycanhay polysaccharide (vi khuẩn cổ)

vChitin (nấm)

vGlycoprotein và polysaccharide (tảo xanh)

19

ØVỏ tế bàolà cấu trúc của những tếbào không nhân như vi khuẩn Vỏ tế bàobao bọc bên ngoài thành tế bào vathường cấu trúc bởi các polysaccharide, nhưng đôi khi cũng có thể cấu trúc từ

vật liệu khác (vi dụ polypeptide trên B

anthracis).

ØVỏ tế bàothường được xem là tác nhân virut vì nó tăng cường khả năng gâybệnh của vi khuẩn Vỏ cũng chứa nước để bảo vệ vi khuẩn chống lại sự thiếu nước, ngăn chặn các virus và các loại vật liệu độc kỵ nước như chất tẩy rửa Có 14 loại vỏ

tế bào khác nhau, mỗi loại truyền đạt loại kháng nguyên cụ thể Miễn dịch đối với một loại kháng nguyên không co nghĩa miễn dịch đối với các loại khác Vỏ tế bào còn giúp các tế bào bám vào các bề mặt

20

II.3.1 Động học của các quá trình vận chuyển II.3.2 Vận chuyển thụ động

out

in

Vận chuyển không qua trung gian (non-mediated

transport) là quá trình khuyếch tán đơn giản, trong khi vận

chuyển qua trung gian (mediated transport ) là quá trình

có sự tham gia của các protein vận chuyển

A

G

D

y D

Thế điện hóa của ion AĐiện thế màng

A

Z Điện tích của ion A

[ ] A Nồng độ của ion A

II.3.2 Vận chuyển thụ động

Ø Là quá trình vận chuyển mà trong đó các phân tử dịch

chuyển từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ

1 Carrier ionophores: làm tăng tính thẩm thấu của màng bằng cách gắn

với ion chọn lọc sau đó khuyếch tán qua màng và giải phóng ion ở mộtmặt khác của màng

2 Channel forming ionophores: tạo thành các kênh hay lỗ, qua đó các ion

có thể khuyếch tán qua màng

24

vi khuẩn gram âm và một số

vi khuẩn gram dương, trên

ty thể và luc lạp

Ø Porin thường kiểm soátviệc vận chuyển các chấtnhư đường, ion và axit amin

Tất cả các tế bào đều có những kênh ion đặc biệt cho phép vận chuyển nhanh chóng các ion như Na+, K+, và Cl- Sự di chuyển của các ion này qua các kênh cùng với

sự vận chuyển chủ động, là cần thiết để đảm bảo sự cân bằng thẩm thấu, sự vận chuyển tín hiệu, và những thay đổi trong tiềm năng màng

27

Cấu trúc X-ray của kênh K+ KcsA

Cấu trúc homotetramer, mỗi tiểu phần gồm haichuỗi xoắn 4 chuỗi xoắn ở giữa tạo thành lỗ trungtâm, trong khi 4 chuỗi xoắn ngoài đối diện lớpmàng lipid kép Các ion K+ và các phân tử nướcchiếm khu vực trung tâm của lỗ

28

Các ion K+ được bao bọc bởi một lớp vỏ hydrate Lớp vở này sẽ được gỡ bỏ khi ion K+

di chuyển dọc kênh

Các nguyên tử O trongchuỗi acid amin của cácprotein xắp xếp dọc kênhtạo thành các vòng cókích thước chỉ phù hợpvới các ion K+ đã loại lớp

vỏ hydrate mà khôngphải các ion Na+ có kíchthước nhỏ hơn Do vậytính chọn lọc của kênhđối với K+ cao hơn nhiều

so với Na+

29

Các kênh ion thường đóng và chỉ mở để thực hiện một vài nhiệm vụ đặc biệt của tếbào Quá trình đóng và mở của các kênh ion, được biết đến như là quá trình đóng mởvan, có thể xuất hiện để đáp ứng một trong các kích thích sau:

1 Kênh mechanosensitive (Mechanosensitive channels): mở để đáp ứng sự biến

dạng cục bộ trên lớp lipid kép, chẳng hạn đáp ứng các kích thichs vật lý như tiếpxúc, tiếng động, và những thay đổi trong áp suất thẩm thấu

2 Kênh van phối tử (ligand-gated channels): mở khi đáp ứng các kích thích hóa

học bên ngoài tế bào, chẳng hạn các dẫn chuyền thần kinh

3 Kênh van tín hiệu (signal-gated channels): mở khi liên kết với ion Ca2+ trong tế

bào hoặc một vài phân tử tín hiệu khác

4 Kênh van điện thế (voltage-gated channels): mở khi đáp ứng các thay đổi trong

điện thế màng

Xung thần kinh được truyền bởi các điện thế hoạt động (action potentials)Điện thế màng cục bộ tăng kích thích kênh van điện thế Na+ bên cạnh mở Quá trình khử phâncực (depolarization) khiến kênh van điện thếK+ gần đó mở, cho phép các ion K+ chảy ra khỏi

tế bào trong quá trình gọi là tái phân cực(repolarization) Tuy nhiên ngay trước khi sựphân bố ion Na+ và K+ qua màng tế bào đạt cânbằng thì các kênh Na+ và K+ đồng loạt đóng

Quá trình khử phân cực của một khu vực màngkích thích mở kênh Na+ trên khu vực khác củamàng Quá trình lan truyền thay đổi trong điệnthế màng (membrane potential) như vậy đượcgọi là điện thế hoạt động (action potential)

31

Các tiểu phần của tất cả các kênhvan điện thế K+ bao gồm 220 gốcacid đầu N trong tế bào chất.,

250 gốc vùng xuyên màng gồm 6 chuỗi xoắn từ S1 đến S6, và mộtchuỗi 150 gốc đầu C trong tế bàochất Giữa tiểu phần S5 và S6 cómột vòng P có cấu trúc tươngđồng với kênh KcsA Vùng T1 gồm 100 gốc không thay đổitrong các kênh van điện thế K+

32

Kênh van điện thế K+ có hai van nhạycảm điện thế, một van để mở kênh khiđiện thế màng tăng (Na+ chảy vào trong

tế bào) và một van để đóng kênh mộtthời gian ngắn sau đó

Mô hình van cho các kênh Kv

Quá trình đóng kênh xảy ra khi cấutrúc dạng cầu, gồm 20 gốc tại đầu

N, của Kv channel di chuyển và gắnvào lỗ trung tâm trên kênh K+

33

Các kênh Cl- khác các kênh cation

Cấu trúc X-ray của kênh Cl- ClC của Salmonella typhimurium

Cấu trúc của kênh Cl- của vi khuẩn cho thấy kênh Cl- có cấu trúc homodimer (đồngnhị hợp) với mỗi tiểu phần tạo thành một lỗ chọn lọc anion Mỗi tiểu phần gồm 18 chuỗi xoắn xuyên màng có độ dài thay đổi Trên hình, các tiểu phần có màu sắc khác

Kênh Cl- xuất hiện trêntất cả các tế bào chophép vận chuyển các ion Cl- dọc gradien nồng độ

Trong động vật có vú, nồng độ Cl- bên ngoài tếbào là ~120 mM và trong

tế bào là ~4 mM

Cấu trúc X-ray của Aquaporin AQP1 từ máu bò

Mô hình kênh vận chuyển nước của Aquaporin AQP1 từ trong màng

35

Mô hình vận chuyển glucose bởi GLUT1 (protein vận chuyển glucose trên tế bào máu )

1 Glucose liên kết với protein tại một mặtcủa màng

2 Sự thay đổi về cấu tạo đóng vị trí liênkết đầu tiên và mở vị trí liên kết tại mặtkia của màng

3 Glucose tách khỏi protein

4 Vòng vận chuyển được hoàn thành vớiviệc chuyển đổi của GLUT1 về hình dạngcấu tạo ban đầu với sự vắng mặt củaglucose

36

1 Uniport: Vận chuyển một phân

tử trong 1 lần Ví dụ GLUT1 làmột uniport

2 Symport: Vận chuyển cùng

chiều cùng lúc hai phân tử khácnhau

3 Antiport: Vận chuyển ngược

chiều cùng lúc hai phân tử khácnhau

37

II.3.3 Vận chuyển chủ động

Ø Vận chuyển chủ động là quá trình thu nhiệt trong đó gắn liền với hoạt động thủy phân ATP

Ø Có hai loại vận chuyển chủ động

1 Vận chuyển chủ động chính: các cation được vận chuyển bởi các

enzym ATPase gắn màng

2 Vận chuyển chủ động phụ: vận chuyển bằng gradien điện từ tạo bởi

một cơ chế khác, chẳng hạn các bơm ion ATPase (sử dụng để vậnchuyển các phân tử trung tính ngược với gradien nồng độ của chúng)

(Na + -K + )-ATPase

Sơ đồ vận chuyển chủ động ion Na + và K + bởi (Na + -K + )-ATPase

3Na+(vào) + 2K+(ra) + ATP + H2O ⇋ 3Na+(ra) + 2K+(vào) + ADP + Pi

39

Sơ đồ vận chuyển chủ động ion Ca 2+ bởi (Ca 2+ )-ATPase

40

Vận chuyển Glucose trong biểu mô ruột

41

Sơ đồ quá trình đồng vận chuyển proton H + và lactose bởi lactose permease trên E.coli