BIOMEMBRANE msh Hóa sinh động vật 1Thầy Đặng Thái Hải

- Ngăn cách hai môi trường • Chức năng của màng: trong và ngoài TB nước bào tương với khu vực bên trong các khí quan nội bào khác - Là bộ phận chức năng của TB: Tiếp nhận các chất dinh d

2 MÀNG SINH HỌC VÀ SỰ VẬN CHUYỂN

• TB là đơn vị sống có kh/năng tự chuyển hoá, tự s/sản, tự th/nghi, tự đ/hoà và từ chúng các mô, các cơ quan và cơ thể sống được hình thành, duy trì và ph/triển

• Trong TB, màng chiếm khoảng 80% khối lượng TB và chúng xây dựng nên các bào quan của TB

2 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÀNG SINH HỌC

Màng sinh chất (ngăn cách tế bào với môi trường xung quanh, điều khiển sự vận chuyển các chất ra, vào tế bào)

Ribosome

Màng nhân (ngăn cách

chromatin với sinh chất)

(Cytoskeleton) Lysosome

Máy Golgi Xương tế bào

Nhân con (Nucleonus)

Nhân (Nucleus) Lưới nội chất nhẵn

Lưới nội chất nhám

Ty thể

Peroxisome

• Khái niệm: Màng sinh học (biomembrane) = lớp cấu trúc bao

bọc bên ngoài TB SV và các khí quan nội bào (nhân, TLT, LLT, lysosome) hoặc tạo thành các hệ thống khí quan (lưới nội chất, máy Golgi, vv )

- Ngăn cách hai môi trường

• Chức năng của màng: trong và ngoài TB

nước bào tương với khu vực bên trong các khí quan nội bào khác

- Là bộ phận chức năng của TB:

Tiếp nhận các chất dinh dưỡng, các thông tin từ môi trường Đưa ra ngoài TB những chất tiết (chất thải, tín hiệu h/học).Nhiều qt cơ bản, nền tảng của sự sống được thực hiện ở màng (sự v/c e- và H+ của qt ÔXHKSH ở màng trong TLT;

qt quang hợp ở màng thylacoid của lục lạp thể; sự truyền dẫn các x/động ở hệ TK, ở cơ)

Từ nhiều k/quả nc về màng sinh chất, có thể gi/thích được:

- cơ chế nhiều trạng thái bệnh lý

- cơ chế t/dụng của thuốc trong đ/trị bệnh

(Các TB ung thư để thoát hầu hết các chức phận kiểm tra, → phân chia cực nhanh và vô tận, xâm lấn các mô x/quanh, di chuyển đi xa,

… Những đặc tính trên liên quan tới những b/đổi ở màng sinh chất;

→ ung thư là bệnh của màng

Nc về kh/năng nhận diện của màng TB đối với virus, vi khuẩn và KST → giải thích bệnh sinh của các bệnh thuộc lĩnh vực này

Nc về các chất nhận diện thuốc trên màng sinh chất và sự v/c thuốc qua màng → cơ chế t/dụng của nhiều loại thuốc

Nc về màng bề mặt TB → hiểu biết nhất định về sự dung hợp trong cấy ghép cơ quan)

NC về màng có ý nghĩa gì?

2.2.1 Lipid màng

- Đặc tính nổi bật: không hoà tan trong nước → có kh/năng làm hàng rào ngăn cách mt nước với cấu trúc TB

- Thành phần lipid thay đổi rất khác nhau giữa các loại màng

- Các lipid thường gặp ở màng sinh học:

• Glycerophospholipid

• Sphingolipid

• Cholesterol

Công thức cấu tạo tổng quát của các phospholipid

Tên phospholipid X-OH X

(PE) (PA)

(PC) (PS) (PG)

(PI)

(DPG)

• Steroid

• Có hai đầu kỵ nước và ưa nước

• Tế bào động vật

• Đệm cho tính lỏng của màng (Membrane fluidity “buffer”)

• Sự phân bố của các nhóm lipid trong màng không đồng đều, mà rất khác nhau

• Tỷ lệ lipid và protein thay đổi tuỳ theo hoạt tính sinh học của màng: chức năng sinh học càng phức tạp, đa dạng thì hàm lượng protein càng cao

Điển hình cho mối t/quan giữa h/tính s/học và h/lượng protein là hai

lớp màng TLT: màng trong giữ vai trò chính trong qt hô hấp mô bào

và tạo sinh ATP nên chứa nhiều enzyme ÔXHK, các protein v/c e-,

các ATP-synthetase, vv Màng myelin - giữ vai trò như màng cách

điện bao quanh các neuron TK (chủ yếu giữ n/vụ cách ly để sự dẫn truyền xung TK được thuận lợi) → không cần nhiều protein (18%),

mà lượng lipid rất cao (79%)

Sự sắp xếp các nhóm lipid có sự khác biệt giữa các loại màng với chức năng sinh học khác nhau (bảng 9.2)

PC là phospholipid chính ở màng TB đvật, PE là lipid chính ở màng VSV;

Cholesterol, SM và PC không có ở màng VSV.

Ở màng hồng cầu: lá ngoài chứa chủ yếu PC

và SM, lá trong chứa PE

và PS; nhóm PI phân bố nhiều ở lá trong

Glycolipid thường luôn gắn ở mặt ngoài của màng để thuận tiện cho ch/năng sinh học của chúng (VD với vai trò là nhóm chỉ định kháng nguyên tính)

Giữa hai lá của cấu trúc lớp kép màng sinh học cũng không đồng đều về thành phần phospholipid

Vai trò chủ yếu của các lipid là tạo một lớp ngăn chia mt

TB với mt nước bao quanh, nhưng tại sao lại cần đến nhiều loại khác nhau như vậy?

Chức năng cụ thể của từng loại phospholipid, sphingolipid màng vv còn phải được nghiên cứu, tìm hiểu thêm.

Tại sao các lipid dễ tạo thành màng?

- Các ph/tử lipid lưỡng tính: có phần “đầu” phân cực, mang đ/tích âm (từ gốc phosphate) hoặc dương (từ nhóm amin) và phần “đuôi” hydrocarbon dài không phân cực, kỵ nước

- Trong mt nước : hoặc phân bố thành một lớp đơn phân tử trên bề mặt dung dịch nước; hoặc nếu có nồng độ cao hơn, tạo thành các hạt mixen hay các bọc có màng hai lớp (vesicle) Yếu tố chi phối quá trình này là nồng độ tối thiểu tạo mixen

- Phân bố của lipid trong các trạng thái kết tụ ở môi trường nước: đầu phân cực hướng về phía nước; đuôi không phân cực (kỵ nước) hướng lên phía không khí (nếu là màng đơn phân cực trên mặt dung dịch) hoặc hướng vào bên trong hạt mixen, nơi không có nước, hoặc “đuôi” hydrocarbon của hai lá cùng hướng vào nhau, đầu phân cực quay ra ngoài, nếu là màng hai lớp – bilayer (Hình bên)

- Sự hình thành mixen hoặc bọc màng kép (vesicle) diễn ra tự phát

- Có thể coi màng sinh chất của TB là một bọc màng kép kích thước lớn, chứa mt nước đặc biệt bên trong, với hình dáng không hoàn toàn dạng cầu vì còn chịu sự chi phối của nhiều nhân tố khác (trong

đó phải kể đến khung tế bào: cytoskeleton)

- Lớp màng kép phospholipid kỵ nước nên không cho các hợp chất

ưa nước đi qua

- Màng có tính thấm chọn lọc và sự v/c qua màng cần các kênh và các protein v/c (gọi chung là các h/thống v/c - transport system)

2.2.2 Protein màng

• Thực hiện phần lớn các chức năng sinh học của màng

• Tuỳ cách phân bố trong cấu trúc màng, chia làm hai loại:

- Nội màng (integral, intrinsic)

- Ngoại vi (peripheral)

- Chứa những vùng kỵ nước xuyên vào trong vùng kỵ nước của lớp lipid kép (xuyên một phần hoặc vùi phần lớn phân tử trong lớp lipid kép)

- Có những vùng phân cực nhô ra mt nước của mặt trong và mặt ngoài

Protein nội màng:

-Thường gắn chặt với lipid màng bằng các liên kết kỵ nước

- Là những protein thực sự đặc trưng cho cấu tạo màng (Trong nhiều tr/hợp khi được tách chiết, ph/tử protein nội màng vẫn kéo theo từ 25 - 50 ph/tử phospholipid bám quanh Một số enzyme nội màng chỉ có hoạt lực đầy đủ khi có kèm những lipid nhất định)

Protein ngoại vi:

- Thường bám ở mặt ngoài của lớp màng kép (trên bề mặt phía ngoài tế bào hoặc bề mặt phía bào tương)

- Có tính hoà tan trong nước

- Thường bám vào phần nổi trên bề mặt của protein nội màng thông qua các liên kết yếu (liên kết hydro, liên kết ion vv ) Ví dụ: cytochrome c ở chuổi hô hấp thường bám vào hạ đơn vị II của phức hợp cytochrome – oxidase gồm nhiều chuỗi peptide Hạ đơn vị II là phần lồi lên mặt ngoài của màng trong ty lạp thể

- Là những protein phân cực, có thể liên kết với các nhóm đầu phân cực của trên bề mặt lớp lipid kép (nhờ các lk hydro, ion, …Không xuyên vào vùng kỵ nước của lớp lipid kép, có thể tách khỏi bề mặt màng khi lk ion bị phá vỡ (thay đổi pH, …)

Trên mặt ngoài của màng còn có những protein gắn với màng qua liên kết đồng hoá trị với một axid béo hoặc với phospholipid:

- Đại diện điển hình là Thy-1 trên bề mặt TB tuyến ức và TB não Thy -1 có 111 aa với ba chùm oligosachcaride gắn qua 3 gốc Asn 23; 74; 98 mang tính q/định KN Nhờ carboxyl của gốc Cys (đầu C), Thy-1 l/kết với ethanolamine Chất này lại gắn với một nhóm các hexose, rồi các hexose lại bám vào màng qua phosphatidylinositol.

Loại protein gắn vào màng qua chuỗi glucid với PI, gọi là mô-tip GPI, tỏ ra khá phổ biến trong số những protein ngoại

vi của màng ở nhiều loài SV: có vú, ở Trypanosoma, Plasmodium, vv

Những protein khác lại tạo lk ester, thioester hoặc lk amid trực tiếp với axit béo của màng → bám được vào cấu trúc màng khá chắc (nhưng vẫn giữ được tr/thái cơ động nhờ chuyển dịch theo lipid):

Liên kết amid (peptid) Liên kết thioester

CẤU TRÚC VÀ HÌNH DẠNG CỦA CÁC PROTEIN MÀNG

Chức năng của protein màng:

a) Protein vận chuyển: chuyển các chất không có k/n tự do qua màng;k/hợp chất đó bên này và nhả ra bên kia màng (sự kh/tán dễ dàng)

Qt v/c qua màng đi ngược gradient n/độ (từ mt có n/độ thấp sang mt

có n/độ cao hơn) đòi hỏi NL, là sự v/c tích cực

b) Các bơm ion:

Th/gia v/c các ion (K+, Na+, Ca2+) qua màng

Các qt này thường l/quan tr/tiếp (hoặc gi/tiếp) đến sự trao đổi NL Ví dụ: ATP-ase ph/thuộc vào Na+/K+ ở màng sinh chất đ/chỉnh n/độ hai ion này của mt nội bào, ATP-ase phụ thuộc Ca2+ trên màng nội cơ đ/hoà n/độ canxi trong cơ chế co cơ, ATP-ase phụ thuộc H+ (bơm proton) ở màng TLT,vv

c Các enzyme: th/hiện qt ÔXHK dehydrogenase, các loại xytocrom

phân bố ở màng VSV, màng lục lạp thể, màng TLT,vv gắn liền với ch/năng kh/thác NL, chuyển hoá các độc tố

d Các receptor: tiếp gắn đ/hiệu với các tín hiệu h/học từ mt ngoài TB (hormon, protein, peptid, virus) Sự tiếp gắn này là bước khởi đầu cho việc truyền tín hiệu vào trong TB để tạo ra các đáp ứng đặc hiệu

Có nhiều protein phụ trợ hđ cùng với protein receptor như AC, protein

G, các phospholipase và PK Có thể cũng là th/viên cấu tạo màng

e Các kênh dẫn ion: là những protein đặc thù với kh/năng đóng và mở tuỳ theo b/đổi ctb 3 và 4 Sự b/đổi này được đ/khiển bởi những ph/tử đến

từ bên ngoài, ví dụ: axetylcolin, GABA,vv ở vùng synap hệ TK

Đã ph/hiện ra trên 60 loại kênh ion trên màng TB SV

f Các enzyme tham gia phân giải (protease, esterase, vv ) hoặc

STH axit béo, phospholipid, peptidoglycan thường gắn trên bề mặt màng

Ở E coli, phần lớn bộ enzyme t/hợp các thành phần vách TB đều phân bố trên màng sinh chất

g Ở VSV, nhiều protein gắn trên màng đóng vai trò là động cơ hoặc khí cụ vận động.

h Các protein tạo ống nối giữa các TB: Những ống nối giữa hai TB sát cạnh nhau (gap junctions) được tạo nên từ protein có tên là conexin Sáu conexin kết hợp thành một ống thông qua màng TB, và khi 2 ống của 2 màng từ 2 TB ghép lại trực tiếp sẽ tạo ra một ống dẫn, cho phép ion và những ph/tử nhỏ qua lại giữa bào tương của 2 TB Ở cơ tim, v/trò của những ống dẫn này rất q/trọng đối với sự dẫn truyền nhịp đập tới các hệ cơ

Glucid màng thường là các hexose, hexosamin hoặc d/xuất của chúng Các chất này thường ở dưới dạng chuỗi oligosacarit gắn trực tiếp lên protein (glycoprotein) và phủ lớp mặt ngoài màng TB Sự thay đổi cách sắp xếp hoặc loại phân tử hexose trong chuỗi glucid thường tạo ra tính đa dạng của các mô-tip chỉ định tính KN

Một ví dụ điển hình glycoprotein nhóm máu trên mặt hồng cầu

2.2.3 Glucid màng

• Gorter và Grendel (1925) đề ra ý kiến về c/tạo hai lớp (bilayer) của màng TB: Đo đo d/tích hồng cầu, rồi s/sánh với d/tích tối đa mà các lipid ch/xuất từ màng h/cầu trải rộng trên mặt d/dịch nước → kết luận: để xếp hết số lipid này vào d/tích nguyên vẹn của HC thì màng HC phải có hai lớp xếp vào nhau

• Sau đó Danielli và Dawson (1935), rồi Robertson (1959) đề ra các

mô hình khác nhau: màng ba lớp, đơn vị màng thống nhất )

• Năm 1972, Singer và Nicholson đưa ra "mô hình khảm lỏng" (fluid mosaic model), giải thích tương đối thoả đáng các số liệu nghiên cứu

có từ trước

2.2.4 MÔ HÌNH CẤU TRÚC MÀNG SINH HỌC

- Nền tảng là lớp kép gồm 2 lá phospholipid, độ dày trung bình 60A°

Đầu ưa nước (phân cực) hướng ra 2 phía tiếp giáp mt nước, các đuôi kỵ nước xếp s/song hướng vào bên trong

- Các protein tuỳ t/chất, ch/n được phân bố khác nhau trên nền lipid kép: bám ngoài mặt màng, nằm vùi hẳn vào bề dày của màng, xuyên qua màng với những phần lồi trên mặt màng

- Do t/chất của các AB trong phospholipid, màng không giống tảng mỡ đông cứng,

cố định, mà giống như một tinh thể lỏng : các lipid sắp xếp phần đuôi gần như song song nhau (vuông góc với m/ph màng) và có thể chuyển dịch theo 2 chiều của m/phẳng màng Sự dịch chuyển càng nhanh khi t° mt sống của TB càng cao và khi chuỗi hydrocarbon của AB chứa nhiều lk đôi và với số cacbon thấp Kh/n dịch chuyển theo chiều thẳng đứng so với mặt phẳng màng (đổi chỗ từ lá này sang lá kia) xẩy ra ít và chậm (Việc chuyển dịch phospholipid giữa 2 lá tiến hành nhanh nhờ các enzyme đ/hiệu trong qt STH)

Có những protein có thể xê dịch trong h/thống lipid lỏng (tốc độ chậm hơn lipid),

có protein hoàn toàn cố định trên màng do lk với nhóm protein của h/thống khung TB.

Tính chất của màng sinh học

• Tính lỏng (Fluidity)

• Di động sang bên (Lateral mobility)

• Không không đối xứng hay không cân đối (Asymmetry)

Tính lỏng của màng (Membrane fluidity)

• Đuôi kỵ nước chuyển động (Movement of hydrophobic tails)

• Phụ thuộc nhiệt độ và thành phần lipid (Depends on temperature and lipid composition)

Thành phần lipid ảnh hưởng đến tính lỏng của màng như thế nào? (How does lipid composition affect fluidity?)

Các loại lipid và tính lỏng của màng

• Tương tác giữa các đuôi kỵ nước làm tăng tính lỏng (chuyển động):

- Các đuôi ngắn tương tác ít hơn

- Các acid béo không bão hoà làm giảm tương tác

• Cholesterol

- Cản trở các tương tác

- Hạn chế sự di động

Tính không đối xứng của màng

Lá trong và lá ngoài màng có thành phần lipid và protein khác nhau

2.2.5 CẤU TẠO MỘT VÀI LOẠI MÀNG SINH HỌC

• Màng hồng cầu

• Vách TB vi khuẩn 2.2.5.1 Màng hồng cầu

- Được NC nhiều (dễ tiếp cận, dễ tách chiết, cấu trúc đơn giản)

- HC dễ bị vỡ trong d/dịch nhược trương; sau khi loại bỏ Hb thu được vỏ HC cầu rỗng (mẫu màng TB rất thuận tiện cho NC)

- Màng HC chứa 43% lipid, 49% protein, khoảng 8% glucid

Cholesterol chiếm khoảng 25% các loại lipid, tạo cho màng có độ cứng vừa phải

(Điện di trên gel poliacrylamid với SDS), protein màng HC gồm:

• Spectrin: chiếm 75% các protein khung HC, tạo mạng lưới của màng HC, gồm 2 loại chuỗi cuộn xoắn vào nhau: chuỗi α, 280kD (vạch 1 trên điện di đồ) và chuỗi β, 246kD (vạch 2) Bốn chuỗi như vậy (αβ)2 xoắn nối với nhau tạo thành mạng lưới mà mỗi HC có tới 10.000 Điểm cố định của các mắt lưới spectrin là protein “vạch 4,1”, ankyrin và actin

• Ankyrin (vạch 2.1 trên điện di đồ) là một chuỗi có 1880 aa; vai trò làm mỏ neo (anchor) nơi bám cho các mắt lưới protein màng

Bản thân ankyrin lại gắn với protein “vạch 3” là một kênh màng cho anion qua lại

• Kênh anion (vạch 3): là protein lớn (929aa, 5-8% glucid), nằm xuyên màng Trong qt tr/đổi CO2 và O2 giữa HC và các mô, độ pH trong HC được duy trì nhờ sự ra vào có điều tiết của HCO3- và Cl- qua kênh anion này Màng HC cầu có gần triệu kênh anion như vậy (chiếm khoảng 30% protein của màng).

• Glycophorin A, (vạch 3): có 131 aa, trong đó 72 gốc nằm phía ngoài màng gắn với 15 chuỗi oligosaccarid, 19 gốc aa kỵ nước tạo xoắn α là đoạn xuyên màng, 40 gốc đầu C nằm mặt trong

Phần glucid, chiếm gần 60% kl pt của glycoprotein này, là yếu tố kháng nguyên tính của HC, tạo ra KN nhóm máu ABO và MN Chính các sợi oligosaccarid này tạo ra một lớp xốp nhầy gọi là glycocalix trên bề mặt HC cũng như ở nhiều loại TB khác Ở người

có khoảng 100 chất chỉ định nhóm máu của 15 h/thống nhóm khác biệt về di truyền học Trong 15 hệ thống này chỉ có các h/thống nhóm máu ABO và h/thống Rhesus (Rh) là có ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn y học