Hệ thống màng sinh học

Tất cả các màng của tế bào (màng sinh chất, màng các bào quan) tạo nên hệ thống màng sinh học. Các loại màng sinh học có cùng một cấu trúc cơ bản là có lớp phospholipid kép (unit membrane)+ Màng sinh chất (Plasma membrane) bao quanh tế bào chất có chứa các phân tử hữu cơ là màng sinh học xuất hiện đầu tiên + Trong quá trình tiến hóa, màng sinh chất phân hóa vào khối tế bào chất tạo ra hệ thống màng nội bào: màng mạng lưới nội chất, màng ti thể, màng nhân, …có cấu trúc đặc thù đảm bảo các chức năng riêng biệt của chúng. + Đối với các dạng tế bào khác nhau, cấu trúc màng có thể khác nhau về hàm lượng các chất, kiểu khu trú của các phân tử trong màng, hoặc có thể biến đổi về siêu cấu trúc để thực hiện chức năng đặc biệt.

Chương II

Hệ thống màng sinh học

1 Khái niệm, lịch nghiên cứu cấu trúc màng sinh học

2 Mô hình cấu trúc màng: các thực nghiệm nghiên

cứu

3 Thành phần hóa học của màng

4 Các tính chất và đặc trưng của màng sinh học

5 Các chức năng của màng sinh học

NỘI DUNG

+ Tất cả các màng của tế bào (màng sinh chất, màng các bào quan) tạo nên hệ thống màng sinh học Các loại màng sinh học có cùng một cấu trúc cơ bản là có lớp phospholipid kép (unit membrane)

+ Màng sinh chất (Plasma membrane) bao quanh tế bào chất có chứa các phân tử hữu cơ là màng sinh học xuất hiện đầu tiên

+ Trong quá trình tiến hóa, màng sinh chất phân hóa vào khối tế bào chất tạo ra hệ thống màng nội bào: màng mạng lưới nội chất, màng ti thể, màng nhân, …có cấu trúc đặc thù đảm bảo các chức năng riêng biệt của chúng

+ Đối với các dạng tế bào khác nhau, cấu trúc màng có thể khác nhau

về hàm lượng các chất, kiểu khu trú của các phân tử trong màng, hoặc

có thể biến đổi về siêu cấu trúc để thực hiện chức năng đặc biệt

Khái niệm màng sinh học

Các lo i màng sinh h c t bào eukaryote ạ ọ ở ế

History of the Plasma Membrane

1665: Robert Hooke

1895: Charles Overton - composed of lipids

1900-1920’s: must be a phospholipid

1925: E Gorter and G Grendel - phospholipid bilayer

1935: J.R Danielli and H Davson – proteins also part, proposed the Sandwich Model

1950’s: J.D Robertson – proposed the Unit Membrane Model

1972: S.J Singer and G.L Nicolson – proposed Fluid Mosaic Model

Mô hình c u trúc kh m l ng c a màng sinh h c ấ ả ỏ ủ ọ

- Theo Singer-Nicolson (1972) thì protein nh khu phân tán trong màng t o nên c u đị ạ ấ trúc kh m (Mô hình kh m l ng c a màng sinh ch t) ả ả ỏ ủ ấ

+ Các phân t lipit phân c c s p x p thành l p lipit kép ử ự ắ ế ớ

+ Các phân t cholesterol x p xen k vào gi a các phân t photpholipit ử ế ẻ ữ ử

+ Protein màng s p x p r i rác vào l p photpholipit (s p x p kh m) ắ ế ả ớ ắ ế ả

Mô hình nào đúng?

Kỹ thuật hiển vi khắc lạnh (Freeze-fracture

electron microscopy)

+ miếng mô nhỏ sẽ được làm lạnh đột ngột trong

Nitơ lỏng (-180oC) và tách đôi trong chân

không bằng dao cắt tiêu bản hiển vi

+ Một màng cực mỏng Cacbon và Platin được

cho lắng đọng trên bề mặt mô

+ Cuối cùng mô được cho tiêu hết bằng enzym

và để lại âm bản (bản khắc) Cacbon-Platin

phản ánh đúng như cấu trúc của bề mặt

màng bị tách

+Kết quả nghiên cứu hiển vi điện tử các bản

khắc màng cho thấy rõ ràng sự có mặt của

các protein nằm xuyên qua cấu trúc kép lipid

(tạo thành các "mấu lồi" trên bản khắc

lạnh)

Fluid-Mosaic Model

Đặc điểm cấu tạo chung của các màng sinh học:

Thành phần, tổ chức cấu trúc và chức năng Lipit

màng

- Phospholipids:

+ Các phosphoglycerid: g m m t khung glycerol, ồ ộ

hai chu i acid béo và m t nhóm r ỗ ộ ượ đượ u c phosphoryl

hoá (hình )

+ Sphingomyelin: có b khung là Sphingosine ộ

(không có glycerol) liên k t v i phosphocholine b ng ế ớ ằ

c u n i phosphoeste ầ ố

- Glycolipids: G m ồ đườ ng k t h p v i axit béo (lipit), ế ợ ớ

- Sterols: Cholesterol (ở động vật); Ergosterol (ở nấm); Stigmasterol (ở thực vật)

P.ethanolamine

P.serine

P.linositol

+ Cholesterol (ở động vật)

+ Ergosterol (ở nấm) + Stigmasterol (ở thực vật)

- Có ở tất cả các màng sinh học, chiếm khoảng 55-57%

trong màng.

hoặc sphingosine) đã được phosphoryl hóa (đầu ưa nước) liên kết với 1 hay 2 chuỗi axit béo (đuôi kỵ nước)).

- Phân loại

+ Phosphoglycerides: Gồm các Phospholipid được hình thành từ Glycerol

+ Phosphatidylcholine (PC) + Phosphatidylethanolamine (PE) + Phosphatidylinositol (PI)

+ Phosphatidylserine (PS)

+ Sphingomyelin: là phospholipid màng duy nhất không bắt nguồn từ glycerol, nó bắt nguồn từ sphingosine

P.ethanolamine

P.serine

P.linositol

Phosphatidylcholin, là một loại phospholipid hầu như chỉ tìm thấy ở nửa lớp ngoài của màng, gồm có một đầu phân cực (cholin mang điện tích dương, phosphat mang điện tích âm và một glycerol không phân cực) được nối với hai sợi acid béo kỵ nước, nếp gấp trong đuôi bên phải tạo ra do nối đôi (Hình 2.1); như vậy đuôi chưa bảo hòa, phospholipid như vậy sẽ ít gắn chặt với nhau và nhờ thế màng sẽ linh động hơn.

Sphingolipid: là một nhóm lipid màng mà trong cấu trúc không có glycerol

Phosphocholine head group

Sphingosine

Fatty acid

Figure The parts of a phospholipid molecule Phosphatidylcholine, represented schematically (A), in formula (B), as a space-filling model (C), and as a symbol

(D) The kink due to the cis-double bond is exaggerated in these drawings for

emphasis

Tr ng thái no và ch a no c a acid béo ạ ư ủ

và nh h ả ưở ng c a liên k t C=C ủ ế đế n hình d ng c a acid béo ạ ủ

+ C u trúc c a phân t ấ ủ ử

phospholipit i n hình đ ể

- Vùng c u trúc c a phân t ấ ủ ử

ch a P, O và N là a n ứ ư ướ c + Vùng c u trúc c a phân t ấ ủ ử

ch a nhi u "C" và "H" là k ứ ề ị

n ướ c.

c i m c u trúc c a l p photpholipit kép

- Các glycolipid được tìm thấy chủ yếu ở tấm đơn phía ngoài của màng

tế bào, chiếm khoảng 5% tổng số các phân tử lipid của lớp đơn phía ngoài

- Khác với phospholipid, các glycolipid có nhóm hydroxyl ở đầu của

khung lipit liên kết với một hay nhiều phân tử đường (chứ không phải là bị phosphoryl hóa)

Vai trò của Glycolipid

(1) bảo vệ màng khỏi các điều kiện khắc nghiệt như pH thấp và sự

phân giải của các enzyme;

(2) tạo ra các ảnh hưởng về điện tích, góp phần tạo nên điện thế

màng và có thể thay đổi nồng độ các ion - đặc biệt là ion Ca2+ ở ngoài màng;

(3) Làm lớp cách điện như ở màng myelin, tạo nên sự cách điện trên

các trục của các tế bào thần kinh;

(4) Là các thụ thể của tế bào như GM1 là thụ thể nhận biết độc tố vi

khuẩn tả trên bề mặt của tế bào, hơn nữa chúng có thể giúp tế bào

gắn vào các tế bào khác

Th c nghi m nghiên c u c u trúc c a l p phospholipid kép ự ệ ứ ấ ủ ớ

Trong dung d ch, phospholipid có th ị ể

hình thành các th c u trúc khác nhau: ể ấ

+th Micelles ( ể đầ ư u a n ướ c h ướ ng ra

ngoài, các đầ u k n ị ướ c c a chúng quay ủ

l i v i nhau và vào trong)the và ạ ớ

+ liposome (l p lipit kép bao quanh các ớ

bóng hình c u)ầ

Cholesterol là m t lo i lipit quan ộ ạ

tr ng c a màng: ọ ủ

Phân t cholesterol có m t nhóm ử ộ phân c c và nhân là steroid Phân t ự ử cholesterol x p xen k vào gi a các ế ẻ ữ phân t photpholipit ử

Nhân steroid x p xen k vào các ế ẻ

màng

S sai khác v thành ph n lipid t ự ề ầ ươ ng ng v i s chuyên hóa trong ch c ứ ớ ự ứ

n ng c a màng ă ủ

Thành phần Lipid ảnh hưởng đến các thuộc tính vật lý của màng

B n ch t và ki u phân b ả ấ ể ố

c a các photpholipit trong ủ

l p kép lipit t o nên tr ng ớ ạ ạ thái l ng ho c nh t c a ỏ ặ ớ ủ màng

k t ôi ng n c n s s p ế đ ă ả ự ắ

x p ch t và làm cho l p ế ặ ớ kép lipit khó ch t h n, ặ ơ ngh a là màng tr ng thái ĩ ở ạ

l ng h n ỏ ơ

Tính l ng c a màng ph thu c vào ỏ ủ ụ ộ

thành ph n c u t o và nhi t ầ ấ ạ ệ độ

Tính l ng c a màng gi m nh ỏ ủ ả ờ sphingolipids and cholesterol và

t ng nh ă ờ phosphoglycerides

Hi u qu nhi t ệ ả ệ độ ả nh h ưở ng lên s s p ự ắ

x p ch t c a các hydrôcacbon ế ặ ủ

Thành phần Lipid ảnh hưởng đến các thuộc tính vật lý của màng

Sphingomyelin (SM) associates into

a more gel-like and thicker bilayer than phospholipids (eg PC)

Cholesterol : a lipid-ordering effect

increase thickness

Curvature

– Phụ thuộc vào kích thưứoc tương đối của các nhóm đầu phân cực và đuôi không phân cực của phospholipids

• Flat: Lipids có đuôi dài và đầu lớn -> cylindrical shape

• Curved bilayer: có đầu nhỏ -> cone shape

Tính linh động của lipid: chuyển động ngang, dọc hoặc

xoay chiều

Mô hình c u trúc các “dàn lipid” ấ

Các phân t sphingolipid và cholesterol t l i thành ử ụ ạ

t ng ừ vùng nh ( ỏ microdomain) hình thành các dàn lipid “Lipid Rafts” c a màng ủ

LIPID RAFTS - SPHINGOLIPID AND CHOLESTEROL-DEPENDENT MICRODOMAINS IN THE PLASMA MEMBRANE

Lipid rafts are enriched for many

types of cell-surface receptor

proteins and signaling protein 

for Signal Transduction

S k t h p b n v ng c a các sphingolipid và cholesterol l p ngoài c a màng lipid kép t o ra m t vi ự ế ợ ề ữ ủ ở ớ ủ ạ ộ

khu v c (microdomain) làm cho vùng này dày h n so v i các vùng khác và ch a nhi u protein tích ự ơ ớ ứ ề

h p liên k t v i glycosyl phosphatidyl inositol (GPI) b ng liên k t gi a nhóm carboxyl c a protein ợ ế ớ ằ ế ữ ủ

v i t n cùng ethanolamin c a GPI Nh kính hi n vi nguyên t l c (Atomic force Microscopy) ng ớ ậ ủ ờ ể ử ự ườ i

ta ã phát hi n ra các Raft (vùng nh t nhô cao) so v i n n th p h n bao quanh ch ch a đ ệ ạ ớ ề ấ ơ ỉ ứ

phospholipid

Thành phần và các chức năng cơ bản của Protein

màng

Protein liên k t v i màng theo 3 cách ế ớ

Các protein màng đượ c x p thành 2 nhóm d a vào cách mà chúng t ế ự ươ ng tác v i ớ màng:

+ protein xuyên màng (integral membrane protein): Phân t protein xuyên qua ử chi u dày c a màng và liên k t ch t ch v i l p lipit kép qua chu i axit béo ề ủ ế ặ ẽ ớ ớ ỗ

+ Protein bám màng (Anchored membrane protein): Là các Protein bám màng n m ằ phía ngoài l p màng lipid kép nh ng liên k t v i phân t phospholipid n m trong ớ ư ế ớ ử ằ màng b ng liên k t ằ ế đồ ng hóa tr Chu i polypeptid không t xuyên vào l p ị ỗ ự ớ

phospholipit kép.

+ Protein ngo i vi (peripheral memberane protein) ạ : là các protein n m hoàn toàn ằ bên ngoài màng phospholipid v c phía trong t bào ch t và vùng ngo i bào và ề ả ế ấ ạ liên k t v i màng b i liên k t không cùng hoá tr ế ớ ở ế ị

Protein xuyên màng

- Gọi là xuyên màng vì phân tử protein có một phần nằm xuyên suốt màng lipid và 2 phần đầu của phân tử thì thò ra hai phía bề mặt của màng;

- Có khả năng di động kiểu tịnh tiến trong màng lipid

Chiếm 70% protein màng tế bào

- Chia thành 2 nhóm: Xuyên một lần và xuyên nhiều

lần

Protein xuyên màng nhiều lần

S ơ đồ protein xuyên màng Band3 (theo Bruce Alberts)

1 Kho ng tr ng ngo i bào; 2 T ả ố ạ ế

 ankyrin,  một  trong  các  loại

 protein  thành  viên  của  hệ

 lưới protein lát trong màng,

vùng gắn với enzyme phân ly

glucose và gắn với

hemoglobin.

Protein xuyên màng nhiều lần

Protein Bám màng

Anchoring Type

– 1 Acylation: A fatty acyl group

attached to the N-terminal

glycine residue

• eg v-Src

– 2 Prenylation : an unsaturated

fatty acyl group attached to a

cysteine residue a or near the

C-terminus

• eg Ras, Rab (GTPase superfamily)

** Anchoring by covalently linked hydrocarbon groups

** The lipid hydrocarbon chains are embedded in bilayer

-SH

– Glycosylphosphatidyl

inositol (GPI) ;

– two fatty acyl chains

• eg heavily glycosylated proteoglycans of the extracellular matrix

-SH

• GPI anocher is necessary and sufficient for binding

proteins to the membrane

A, B, and O Blood-group Antigens

All human have the

enzymes for synthesizing O

Ch c N ng c a protein màng ứ ă ủ

1 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

2 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, )

3 Chức năng thu nhận và truyền tín hiệu giữa các tế bào và trong nội bộ tế bào: Chức năng này thường do các glicoprotein đảm nhiệm

hoặc một số loại đặc biệt như protein G, Rhodopsin của màng võng mạc

Ch c N ng ứ ă

4 Hình thành các phức hệ enzyme: Có thể là protein xuyên màng

hay protein ngoại vi, xúc tác cho các hoạt động sinh hóa diễn ra trên màng (ví dụ: phức hệ Cytochrom oxidase trong chuỗi truyền điện tử

hô hấp định vị ở màng trong ti thể);

5 Các neo khung xương tế bào: là các protein ngoại vi ở mặt trong

của màng bào tương, đây là vị trí gắn của các vi sợi làm hình thành nên khung xương của tế bào;

6 Các dấu nhận dạng tế bào (cell identity markers: CIM): đóng

vai trò của các dấu nhận dạng tế bào, thường có cấu tạo glycoprotein Giúp tế bào của cơ thể nhận biết được tế bào cùng loại trong quá trình tạo mô cũng như nhận dạng và đáp ứng với các tế bào lạ

Figure K thu t t o t bào ỹ ậ ạ ế

lai c a chu t và ng ủ ộ ườ i

+ The mouse and human proteins are initially confined to their own halves

of the newly formed heterocaryon plasma membrane, but they intermix with time

+ The two antibodies used to visualize the proteins can be distinguished in a fluorescence microscope because

fluorescein is green whereas rhodamine is red.

(Based on observations of L.D Frye

and M Edidin, J Cell Sci 7:319-335)

Thực nghiệm chứng minh tính di động của protein màng

Thực nghiệm FRAP chứng minh sự di chuyển của Protein và lipid bên trong màng

k thu t thu h i hu nh quang sau ỹ ậ ồ ỳ khi phá h y ủ b ng ánh sáng (FRAP: Fluorescence Recovery ằ

After Photobleaching):

+ Lipid màng đượ c g n nhãn b ng m t ch t nhu m hu nh quang còn protein màng có th ắ ằ ộ ấ ộ ỳ ể

c g n v i các kháng th c hi u phát hu nh quang.

+ Sau ó ng đ ườ i ta dùng ánh sáng laser m nh ạ để phá hu hu nh quang c a ch t ánh d u ỷ ỳ ủ ấ đ ấ

trong m t di n tích nh và quan sát thì th y ch ã ộ ệ ỏ ấ ỗ đ đượ lo i b c ạ ỏ hu nh quang nhanh chóng s ỳ ẽ

ph c h i do s khu ch tán c a các phân t ch a b ụ ồ ự ế ủ ử ư ị lo i ạ hu nh quang di chuy n vào ỳ ể

Phương pháp tách protein màng sử dụng

chấy tẩy rửa

Thuộc tính của Detergents

– A amphipathic molecules: là một phân tử có chứa cả

hai vùng cực (ưa nước) và không phân cực (ki nước).

Detergents :

– Các chất tẩy rửa có khả năng xuyên vào bên trong

lớp phosphlipid kép của màng và hòa tan lipid và protein

Figure A detergent micelle in water, shown in cross-section Because they have both polar and nonpolar ends, detergent molecules are

amphipathic

Các lo i ch t t y r a ạ ấ ẩ ử

Charged group

Ionic detergents

– Bám vào các vùng kị nước của protein màng và lõi kỵ

nước của các protein hòa tan trong nước.

– Sự tích điện của chúng tác động đến liên kết ion và

– Dùng dung dịch có lực ion cao (high salt concentrations)

• Tác động vào các liên kết ion hoặc vào các hóa chất bám vào các cation hóa trị 2 như Mg2+

• Hầu hết các protein ngoại vi là có thể hòa tan trong dung dịch

Phương pháp tách protein màng ngoại vi

Chất tẩy rửa không có bản chất ion

– Ở nồng độ cao (trên nồng độ tới hạn hình thành thể

eg Triton X-100, octyglucoside

critical micelle concentration (CMC)

NOTE: Nonionic detergents th ườ ng không bi n tính protein ế

vì v y r t h u ích trong vi c chi t tách protein ậ ấ ữ ệ ế

Nonionic Detergents for Solubilization of Integral Membrane Protein

CMC: Critical micelle concentration

Th c nghi m tái t o c u trúc c a protein xuyên màng ự ệ ạ ấ ủ vào liosomes

- Chiếm khỏang 2-10%, có thể là oligosaccarit hoặc polisaccarit

bào tạo thành glycoptotein, hoặc glycolipit, trong đó 9/10 là glycoprotein.

- Glucid quan trọng nhất là acid nitơ acetyl neuraminic,

nguyên, kháng thể và các đặc điểm miễn dịch, dị ứng của tế bào.

- Acid sialic được hợp thành từ acid pyruvic và nitơ acetyl manosamin hoặc nitơ acetyl galactosamin.

Gluxit màng