Tiểu luận :"Sinh học phân tử cao học" pptx

Protein màng tế bào thực hiện tất cả các chức năng của tế bào sống như vận chuyển các chất qua màng dưới dạng các bơm ion, bơm proton chức năng cấu trúc chống đỡ như các protein bộ khung

TRƯỜNG ……….

KHOA………

- -TIỂU LUẬN CAO HỌC

Đề tài

Sinh học phân tử cao

học

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

NỘI DUNG 4

1 Những đặc điểm cơ bản của màng tế bào 4

1.1 Đặc điểm chung của màng tế bào 4

2 Các protein màng 5

2.1 Protein xuyên màng (intrinsic protein) 5

2.2 Protein bề mặt màng (peripheric protein) 7

2.3 Vai trò chung của các protein màng 7

3 Protein mang vµ vai trß cña nã trong qu¸ tr×nh vËn chuyÓn c¸c chÊt qua mµng tÕ bµo 8

3.1 C¸c protein vËn chuyÓn qua mµng 8

3.1.1 Protein mang 8

3.1.2 Protein kªnh 10

3.2 Qu¸ tr×nh vËn chuyÓn c¸c ion vµ ph©n tö nhá nhê protein mang qua mµng tÕ bµo 10

3.2.3 Protein mang vµ sù vËn chuyÓn tÝch cùc 13

KẾT LUẬN 16

TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

MỞ ĐẦU

Màng sinh chất không phải là một hàng rào thụ động trong trao đổi chất giữa tế bào và môi trường xung quanh Chúng là hàng rào thấm chọn lọc đối với các chất hoà tan của môi trường xung quanh hoặc giữ lại các hợp chất có phân tử lớn và các ion bên trong tế bào hoặc trong các xoang riêng biệt để thực hiện chức năng sống

Protein màng tế bào thực hiện tất cả các chức năng của tế bào sống như vận chuyển các chất qua màng dưới dạng các bơm ion, bơm proton chức năng cấu trúc chống đỡ như các protein bộ khung tế bào, chức năng truyền tín hiệu thông tin trao đổi chất và chức năng bảo vệ như các thụ thể màng (receptor) và hàng loạt chức năng xúc tác cho các phản ứng của quá trình phosphoryl hóa oxy hóa và quang hợp tạo năng lượng cho cơ thể sống Protein mang có vai trò quan trọng trong quá trình vận chuyển các ion

và phân tử nhỏ qua màng, chúng ta sẽ tìm hiểu rõ hơn về nguyên tắc và cơ chế hoạt động của các protein mang trên màng tế bào

NỘI DUNG

1 Những đặc điểm cơ bản của màng tế bào

1.1 Đặc điểm chung của màng tế bào

Các màng sinh học rất đa dạng về thành phần, cấu trúc cũng như chức năng tuỳ vào loại tế bào và loại sinh vật và tuỳ thuộc vào sự khác nhau của các kiểu bào quan Tuy nhiên, chúng giống nhau ở một số thuộc tính quan trọng sau:

- Màng có cấu trúc dạng bản, hình thành nên các ranh giới khép kín giữa các khoang khác nhau Độ dày của hầu hết các màng đơn vị sinh chất nằm trong khoảng 60nm - 100nm

- Màng bao gồm chủ yếu các lipid và các protein Các màng cũng chứa các hydratcacbon được liên kết với các phân tử lipid và protein

- Các lipid màng là những phân tử tương đối nhỏ, có một nửa ưa nước

và một nửa kị nước Những lipid này sẽ hình thành tức thì các tấm lipid kép (lipid bilayer) trong môi trường nước Những lớp kép lipid này là hàng rào ngăn cản các phân tử phân cực vượt qua

- Các protein đặc hiệu tạo nên các chức năng chuyên biệt của màng Các protein đóng vai trò là các bơm, kênh, thụ thể, các bộ máy chuyển đổi năng lượng và các enzym Các protein màng được gắn vào lớp lipid kép, tạo ra môi trường thích hợp cho hoạt động của chúng

- Màng được cấu thành bởi các cấu tử không liên kết cộng hoá trị với nhau Thành phần protein và các phân tử lipid được liên kết nhau bởi nhiều tương tác không cộng hoá trị, chúng mang tính hợp tác Đó là tương tác

kị nước, tương tác ion, liên kết hyđro, lực Vandecvan

- Màng không đối xứng, hai bề mặt của một màng sinh chất thường khác nhau về thành phần và tính chất của các phân tử lipid và protein

- Màng là các cấu trúc lỏng Các phân tử lipid khuếch tán nhanh chóng trong mặt phẳng của màng, và các protein cũng vậy, trừ khi chúng bị neo

bởi các tương tác đặc hiệu Ngược lại, đôi khi chúng cũng có thể quay ngược lại qua màng Màng có thể được coi là dung dịch hai chiều của các protein và lipid có định hướng

- Hầu hết các màng đều phân cực về điện, với phía trong màng tích điện

âm (thường là - 60 mV) Điện thế màng đóng vai trò rất quan trọng trong việc vận chuyển, chuyển hoá năng lượng, và đặc tính dễ bị kích thích

1.2 Chức năng chung của màng tế bào

- Duy trì hình dạng tế bào, che chắn và bảo vệ tế bào

- Tham gia vào quá trình phân chia tế bào Cụ thể màng tế bào được nối với các nhiễm sắc thể tham gia vào phân chia tế bào

- Tham gia vào phản ứng kết dính, màng tế bào có vai trò nhận biết và thực hiện chức năng tương tác giữa các tế bào

- Chức năng enzym: Sự xúc tác của các enzym trong hệ thống enzym gắn mỏ neo vào màng (màng ti thể, màng lục lạp) Tạo ra năng lượng sinh học, các phản ứng năng lượng trên màng và truyền năng lượng (màng ti thể, màng lục lạp)

- Tham gia truyền tín hiệu quang hoá và tín hiệu điều hoà trao đổi chất (màng tế bào võng mạc truyền tín hiệu photon trong cơ chế nhìn, màng tế bào gan truyền tín hiệu thông tin thứ nhất (hormon adrenalin, insulin) qua AMP vòng và protein G tác động đến điều hoà trao đổi đường trong máu

- Giám sát đáp ứng miễn dịch Trên bề mặt màng có vô số thụ thể và các phân tử biệt hóa (CD) có chức năng nhận biết và kiểm soát miễn dịch

- Vận chuyển các phân tử nhỏ và phân tử lớn qua màng

+ Vận chuyển đại phân tử Protein, lipid, axít nucleic, cấu trúc trên phân tử như vi khuẩn và virus bằng các cơ chế nuốt và nhập bào + Vận chuyển các ion qua màng (K+, Na+, Ca2+) bằng cơ chế bơm ion

- Truyền tín hiệu giữa các tế bào và tương tác giữa các tế bào như tín hiệu đáp ứng miễn dịch: Sự trình diện kháng nguyên, sự hoạt hoá và biệt hoá tế bào bằng các Cytokin…

2 Các protein màng

2.1 Protein xuyên màng (intrinsic protein)

Các protein này nằm xuyên qua chiều dày của màng và liên kết rất chặt chẽ với lớp kép lipid qua chuỗi acid béo Có loại protein xuyên qua màng một lần, ví dụ như glycophorin (màng hồng cầu) hoặc xuyên màng nhiều lần như màng vi khuẩn xuyên qua màng bảy lần Phần protein nằm trong màng là kị nước và liên kết với đuôi kị nước của lớp kép lipid Các đầu của phân tử protein thò ra phía bề mặt ngoài và bề mặt trong của màng là ưa nước và có thể là các tận cùng nhóm amin hoặc cacboxyl Các protein xuyên màng thường liên kết với hydratcacbon tạo nên các glycoprotein nằm

ở phía ngoài của màng

Hình 1 Protein rìa màng và protein xuyên màng

Ví dụ: Protein “băng 3” tìm thấy trong màng hồng cầu là một protein xuyên màng mười hai lần, các phần xuyên qua lớp kép lipid bằng các chuỗi

xoắn anpha Protein này bao gồm 930 acid amin và có vai trò rất quan trọng trong chức năng vận chuyển O2 và CO2 của hồng cầu

2.2 Protein bề mặt màng (peripheric protein)

Các protein này thường liên kết với lớp lipid kép thông qua liên kết cộng hoá trị với một phân tử photpholipid và nằm ở bề mặt ngoài màng sinh chất hoặc bề mặt trong của màng (phía cytosol)

- Các protein bề mặt ngoài màng thường liên kết với gluxit cộng hoá trị tạo nên các glycoprotein

- Protein bề mặt trong màng phía tế bào chất thường liên kết với các protein tế bào chất như ankyrin và qua ankyrin liên hệ với bộ khung tế bào (Cytoskeleton) tạo ra hệ thống neo màng và điều chỉnh hình dạng tế bào

2.3 Vai trò chung của các protein màng

Một số chức năng sinh học điển hình của các protein màng có thể được liệt kê như sau:

- Chức năng cấu trúc: Tham gia vào thành phần cấu trúc của màng (cùng với phospholipid) Trong khi photpholipid tạo nên tính linh hoạt, dễ thay đổi hình dạng của màng thì protein lại giúp cho màng có được tính ổn định tương đối

- Chức năng vận chuyển vật chất qua màng: Phần lớn các protein màng đóng vai trò là các kênh vận chuyển vật chất giữa môi trường bên trong và môi trường bên ngoài, có thể là kênh vận chuyển thụ động (các lỗ protein vận chuyển nước) hoặc kênh vận chuyển chủ động (còn gọi là các bơm ion như: bơm Ca2+, bơm Na+, bơm proton, )

- Chức năng thu nhận và truyền tín hiệu giữa các tế bào và trong nội bộ

tế bào Chức năng này thường do các glycoprotein đảm nhiệm hoặc một số loại đặc biệt như protein G, Rhodopsin của màng võng mạc

- Chức năng miễn dịch: protein màng đóng vai trò là các kháng nguyên

bề mặt (CD) và thụ thể (receptor) tế bào, tham gia vào quá trình miễn dịch

- Hình thành các phức hệ enzym tham gia vào các phản ứng hoá sinh của tế bào (ví dụ: phức hệ Cytochrom oxidase trong chuỗi truyền điện tử hô hấp định vị ở màng trong ti thể, phức hệ thu nhận ánh sáng định vị ở màng

trong của lục lạp cú chức năng vận chuyển điện tử từ cỏc phõn tử chlorophyl tới cỏc trung tõm quang hoỏ)

- Đúng vai trũ là cỏc protein dung hợp màng Liờn kết với bộ khung của tế bào, giỳp tế bào cú được hỡnh dạng bền vững và ổn định

3 Protein mang và vai trò của nó trong quá trình vận

chuyển các chất qua màng tế bào

3.1 Các protein vận chuyển qua màng

3.1.1 Protein mang

- Khái niệm: Protein mang (carrier protein - còn gọi là chất mang,

chất vận chuyển) liên kết với chất tan đặc biệt để đợc chuyển qua và trải

qua hàng loạt thay đổi hình dáng để chuyển chất liên kết qua màng

-Phân loại: Các protein mang có thể đợc chia thành các siêu họ

(superfamilies) dựa trên cơ sở cấu trúc của chúng.

Chúng ta biết từ sự nghiên cứu genom (genomic studies) rằng các chất

vận chuyển cấu thành một phần có ý nghĩa của tất cả các protein đợc mã hóa trong các genom của cả cơ thể đơn giản và phức tạp Có khả năng hàng ngàn hoặc nhiều hơn thế các protein khác nhau trong genom ngời

Các chất vận chuyển có thể đợc phân loại một cách thực tế thành các siêu họ (superfamily) Các số của nó có sự tơng tự đáng kể thứ tự và có thể vì thế đợc trông chờ để chia sẻ tính chất chức năng và cấu trúc Có hai loại

chất vận chuyển chủ yếu: mang (carrier) và kênh (channel) Protein

mang liên kết với cơ chất của chúng với sự đặc hiệu cao, xúc tác sự vận

chuyển với tốc độ dới xa các giới hạn khuyếch tán tự do, và đợc bão hòa trong khả năng nh là các enzyme; có vài nồng độ cơ chất cao hơn, sự tăng nồng độ nh thế cũng không làm tăng tốc độ của hoạt động

Kênh (channel) nói chung cho phép sự chuyển qua màng lớn hơn so

với sự chuyển bằng protein mang, tốc độ đến gần giới hạn của sự khuếch tán tự do Các kênh tỏ ra kém đặc hiệu cấu hình so với chất mang và thờng không bão hòa Hầu hết các kênh là phức hợp olygometric của một vài tiểu

đơn vị riêng biệt, trong khi đó một vài protein mang có chức năng nh là monomeric protein Sự phân loại nh protein mang hoặc protein kênh là sự phân biệt chủ yếu nhất trong các chất vận chuyển Trong mỗi loại đó là các siêu họ các loại khác nhau đợc xác định không chỉ bởi các tần suất lặp lại chủ yếu mà còn bởi cấu trúc bậc hai của chúng

Bảng 1 Hệ thống phân loại chất vận chuyển

Chú thích: Ba nhóm chính tơng ứng với các nhóm 1, 2, 3

Vài kênh đợc cấu trúc chủ yếu các đoạn qua màng xoắn α, các kênh

khác bằng cấu trúc β barrel (bảng 1) Trong các protein mang, một vài

khuyếch tán dễ dàng đơn giản theo chiều xuống gradient nồng độ, chúng là siêu họ uniporter Những cái khác (vận chuyển tích cực) có thể hớng các cơ chất qua màng theo chiều ngợc gradient nồng độ, một số sử dụng năng lợng cung cấp trực tiếp bằng các phản ứng hóa học (vận chuyển tích cực sơ cấp)

và số khác thì liên quan với sự vận chuyển ngợc chiều một cơ chất và sự vận chuyển xuôi chiều của cơ chất khác (sự vận chuyển tích cực thứ phát

3.1.2 Protein kênh

Protein kênh (channel protein), trên một phơng diện khác, nó không

liên kết với chất tan, chúng tạo ra các lỗ thân nớc, nó kéo dài qua lớp lipit kép Khi các kênh này mở, chúng cho phép các chất tan đặc biệt (thờng là các ion vô cơ có kích thớc gần với kích thớc lỗ và tích điện đi qua chúng, bằng cách đó nó đi qua màng (Hình 2) Không có gì ngạc nhiên, sự vận chuyển qua protein kênh có tốc độ nhanh hơn so với sự vận chuyển bởi protein mang

Hình 2 Sơ đồ 2 nhóm protein vận chuyển màng

3.2 Quá trình vận chuyển các ion và phân tử nhỏ nhờ

protein mang qua màng tế bào

3.2.1 Sự vận chuyển tích cực đợc thực hiện bởi protein mang liên kết với nguồn năng lợng

Tất cả protein kênh và nhiều protein mang cho phép chất tan đi qua màng một cách bị động, quá trình này gọi là vận chuyển bị động hay khuyếch tán

- Nếu các phân tử vận chuyển không tích điện, nồng độ ở cả hai mặt

màng khác nhau (gradient nồng độ), nồng độ này sẽ hớng sự vận chuyển bị

động và quyết định hớng vận chuyển của nó

- Nếu nh chất tan mang điện thì cả gradient nồng độ và chênh lệch thế

năng điện qua màng (thế năng màng) sẽ ảnh hởng đến sự vận chuyển nó Gradient nồng độ và gradient về điện tích có thể đợc sử dụng kết hợp để tính lực vận chuyển thực sự hay gradient điện hoá cho mỗi một chất tan tích điện Thực tế tất cả màng nguyên sinh đều có sự khác nhau về điện thế

(gradient volt) qua chúng, với phía trong thờng âm tính so với mặt ngoài Sự

khác biệt điện thế này thuận lợi cho các ion tích điện dơng đi vào trong tế bào và ngợc lại thì lại thuận lơị cho các ion tích điện âm đi ra

Tế bào cũng đòi hỏi các protein vận chuyển bơm tích cực các chất tan nhất định qua màng ngợc lại với gradient điện hoá, quá trình này đợc biết

nh là vận chuyển tích cực, nó đợc thực hiện bởi protein mang

Trong vận chuyển tích cực hoạt động bơm của protein mang là trực tiếp quyết định vì nó cặp đôi chặt chẽ với nguồn năng lợng chuyển hoá là sự thuỷ phân ATP hay gradient ion sẽ đơc thảo luận sau này Nh vậy sự vận chuyển bởi protein mang có thể vừa bị động vừa tích cực, ngợc lại vận chuyển bởi kênh thờng là bị động (Hình 3)

Hình 3 Sự vận chuyển bị động xuống theo gradient điện hoá với

vận chuyển tích cực ngợc với gradient điện hoá

3.2.2 Ionophor có thể sử dụng nh là công cụ để tăng cờng khả năng thấm của màng đối với ion đặc biệt

Ionophor là các phân tử nhỏ, nó hoà tan trong lớp lipit kép và tăng cờng khả năng thấm của ion vô cơ Hầu hết chúng đợc tổng hợp bởi vi khuẩn nh là một vũ khí sinh học để chống lại đối thủ cạnh tranh hay kẻ gây hại Chúng

đ-ợc các nhà tế bào học sử dụng rộng rãi để tăng tính thấm ion của màng trong việc nghiên cứu lớp lipit kép tổng hợp, tế bào hoặc bào quan

Có 2 nhóm ionophor: Mobile ion carrier và chennel former (Hình 4).

Cả 2 nhóm đều hoạt động bằng cách bảo vệ sự xâm nhập các ion vận chuyển sao cho nó có thể xâm nhạp vào bên trong phần sơ nớc của màng lipíd kép Vì ionophor không kết nối với nguồn năng lợng, chúng cho phép sự chuyển

động có bao bọc của các ion xuôi theo gradient điện hoá của chúng

Hình 4 Mobile ion carrier và channel forming ionophor

Valinomycin là một ví dụ cho mobile ion carrier Nó là một polymer

vòng, vận chuyển K+ xuống theo chiều xuống gradient điện hoá bằng cách gắn K+ lên một phía của màng, khuyếch tán qua lớp lipíd kép và giải phóng

ra phía kia

Ionophor A23187 là một ví dụ khác về mobile ion carrier, nhng nó vận chuyển ion hoá trị 2 nh Ca2+ và Mg2+ Nó hoạt động bình thờng nh một con thoi trao đổi ion mang 2H+ phía ngoài tế bào cho mỗi ion hoá trị 2 mà

nó mang vào Khi tế bào đợc đặt ionophor A23187, Ca2+ đi vào nguyên sinh chất từ dịch ngoài tế bào vào trong tế bào theo gradient điện hoá xuống Ion này đợc sử dụng rộng rãi để tăng nồng độ ion tự do trong dịch tế bào, bằng cách này nó bắt chớc cơ chế tín hiệu tế bào

Gramycidine A là một ví dụ của channel forming ionophor Nh là một

peptid thẳng có khoảng 15 axit amin, tất cả mạch kỵ nớc, nó là một ion kênh đặc trng nhất Hai phân tử gramycidine nối với nhau duôi-đuôi qua lớp lipít kép để tạo ra kênh vận chuyển qua màng (Hình 5)

Hình 5 Cấu trúc của một gramycidine channel

Chúng cho phép một cách có chọn lọc các cation hoá tri 1 chảy xuôi theo chiều gradient điện hoá Dạng dimer này không ổn định và nó luôn luôn tạo ra và phân ly sao cho để trung bình thời gian mở cho mỗi kênh là 1 giây Với một gradient điện hoá rộng, gramycidine A có thể chuyển 20.000 cation cho một kênh mở mỗi miligiây.Chúng 1000 lần nhiều hơn so với số ion có thể chuyển bởi các single mobile carrier molecule trong cùng thời