Bài giảng sinh học tế bào chương 2 đặng minh hiếu

Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội - Bài giảng Sinh học tế bào – Đặng Minh Hiếu, Ph.D CHƯƠNG II: MÀNG TẾ BÀO VÀ QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT THƠNG TIN 2.1 Lược sử nghiên cứu màng tế bào 2.2 Cấu trúc màng sinh chất 2.3 Màng tế bào trình vận chuyển vật chất, thơng tin TÀI LIỆU THAM KHẢO ¢ ¢ ¢ Lodish, H., et al Molecular Cell Biology, 5th Edition (August 2003), W H Freeman & Company Bernardi, G (General Editor) Biochemistry of Lipids, Lipoproteins and Membranes, 4th Edition (2002), Elservier Krauss, G Biochemistry of Signal Transduction and Regulation, 3rd Edition (2003), Wiley-VCH Verlag Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 Dòng thời gian | Thế kỷ lớp màng kép tế bào Lord Rayleigh, Agnes Pockels nhiều người khác bắt đầu nghiên cứu dàn dầu mặt nước Langmuir xuất mơ hình làm phân tử dầu định hướng tai mặt phân cách khơng khí/nước dực phát triển mơ hình Pockels Overton mơ tả hàng rào chất béo nguyên sinh chất tế bào nhân chuẩn mơi trường bên ngồi Thí nghiệm tập trung ý vào lớp màng bề mặt tế bào dễ dàng sử dụng nghiên cứu thực nghiệm Danieli Davson mô tả ảnh hưởng mơ hình màng có gắn chất béo protein Gortel Grendel sử dụng phương pháp Langmuir để nghiên cứu lớp màng kép tế bào máu Tính lưu động màng chất béo phát vài phương pháp Sự khuyếch tán ngang xoay protein màng bắt đầu chứng minh vài phịng thí nghiệm Robertson tranh luận màng tế bào có cấu trúc tương tự Sau nhiều tranh cãi, giả thuyết chất béo màng tế bào xắp xếp lớp kép đưa Các liệu thành phần protein màng di động kết hợp vào mơ hình thể khảm lưu động màng tế bào Sự quan trọng trình vận chuyển qua màng để đạt trạng thái cân ổn định màng – sinh chất bắt đầu quan tâm Mơ hình vùng đề xuất màng thể khảm thể lưu động Chúng ta chờ đợi mơ hình kết hợp đặc tính màng tế bào có nhân điển hình, điều mà trở lên cấp bách kể từ chúng lần xác định Thực tế chất béo màng vùng protein có nhiều chức thuộc tế bào bắt đầu chấp nhận Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 (Những năm 1920 - 1930) HÀNG RÀO CỦA TẾ BÀO VÀ TÍNH THẨM THẤU qCác phân tử hòa tan chất béo thường dễ qua hàng rào tế bào phân tử hay ion hoa tan nước > Hàng rào bề mặt tế bào đoán lipid hay chất tương tự chứa nhiều cholesterol phospholipid qMàng tế bào có độ dày khoảng nm (Fricke, 1925) bao bọc protein (Harvey Cole, 1935; Danielli Davson, 1935) (Những năm 1920 - 1930) MÀNG LIPID ĐƠN VÀ CẤU TRÚC MÀNG q Năm 1917, Langmuir cải tiến phương pháp Pockels đo sức căng màng phân tử trải bề mặt nước lipids tạo thành lớp màng đơn bề mặt nước; chuỗi hydrocarbon linh hoat bị bẻ cong hướng khỏi bề mặt nước q Năm 1925, Sử dụng phương pháp Langmuir xác định diện tích trải phân tử lipid tế bào máu, Gorter Grendel kết luận “các tế bào máu bao bọc lớp màng có độ dày phân tử lipid” Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 CÁC MÀNG CĨ TÍNH LỎNG (Những năm 1950 - 1980) q Tất màng bào quan tế bào có cấu trúc giống (Robertson, 1959) qMàng lipid kép dịch chuyển theo nhiều khoảng thời gian khoảng cách khác nhau, linh hoạt phân tán bề mặt màng Nói cách khác, màng lipid kép giống dung dịch thể rắn (McConnell Chapman) qMột vài protein dễ dàng khuyếch tán lớp lipid kép (Cone, Poo, Frye Edidin; năm 1970s) (Những năm 1950 - 1980) CÁC MÀNG CÓ THỂ KHẢM q Thí nghiệm Singer Nicolson năm 1972 phân biệt protein bề mặt protein gắn màng tế bào máu mơ hình thể khảm lưu động màng tế bào Các thể khảm protein gắn màng q Trên mô hình 1980s, màng phần lớn có cấu trúc lớp kép lipid với protein gắn Lớp màng kép có tính động học cao; lipid, protein linh hoạt, quay khuyếch tán bên lớp màng Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 CÁC VÙNG CỦA MÀNG (Những năm 1990) q Những năm 1990, lipid tin tạo thành “vùng” màng tế bào q Mơ hình “mảng lipid” giả thiết lipid phân loại phân biệt thành mảng có chứa nhiều cholesterol sphingolipid 10 Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 Nguồn: http://www.life-enhancement.com/ ØBao bọc quanh tế bào, phân cách phần bên tế bào với mơi trường bên ngồi ØCấu trúc hai lớp, chứa chủ yếu protein lipid ØProtein hoạt động kênh vận chuyển, khảm vào lớp lipid kép cách linh động Ngồi cịn số phân tử carbonhydrates cholesteron có chức tăng cường ổn định 11 Nguồn: http://www.nature.com/ 12 Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 Phospholipid lớp lipid thành phần màng tế bào Các phân tử Phospholipid cấu tạo gốc diglyceride, nhóm phosphate phân tử hữu đơn giản Choline 13 Sphingolipid lớp lipid có nguồn gốc từ rượu béo sphingosine amin, chất đóng vai trị quan trọng vận chuyển tín hiệu nhận biết tế bào 14 Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 Cholesterol 15 “Mảng lipid” (Lipid rafts) khu vực giàu sphingolipid cholesterol lớp màng tế bào 16 Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 Glycoprotein protein chứa oligosaccharide liên kết cộng hóa trị với chuỗi polypeptide Các glycoprotein thường protein liên kết màng quan trọng, đóng vai trị tương tác tế bào với tế bào 17 Các protein ngoại vi, protein gắn màng kênh vận chuyển 18 Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 Thành tế bào lớp màng cứng, linh hoạt đôi lúc cứng nhắc, bao quanh số loại tế bào Thành tế bào bao bọc bên lớp màng tế bào, hỗ trợ cấu trúc bảo vệ tế bào, đồng thời hoạt động lớp màng lọc Cấu trúc: v Cellulose (Thực vật) v Peptidoglycan (Vi khuẩn) v Glycoprotein, seudopeptidoglycan hay polysaccharide (vi khuẩn cổ) v Chitin (nấm) v Glycoprotein polysaccharide (tảo xanh) 19 Ø Vỏ tế bào cấu trúc tế bào không nhân vi khuẩn Vỏ tế bào bao bọc bên thành tế bào va thường cấu trúc polysaccharide, cấu trúc từ vật liệu khác (vi dụ polypeptide B anthracis) ØVỏ tế bào thường xem tác nhân virut tăng cường khả gây bệnh vi khuẩn Vỏ chứa nước để bảo vệ vi khuẩn chống lại thiếu nước, ngăn chặn virus loại vật liệu độc kỵ nước chất tẩy rửa Có 14 loại vỏ tế bào khác nhau, loại truyền đạt loại kháng nguyên cụ thể Miễn dịch loại kháng nguyên không co nghĩa miễn dịch loại khác Vỏ tế bào giúp tế bào bám vào bề mặt 20 Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports 10 Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 II.3.1 Động học trình vận chuyển II.3.2 Vận chuyển thụ động II.3.3 Vận chuyển chủ động 21 DG A Dy ỉ [A]in ÷÷ + Z A FDy DGA = RT lnỗỗ ố [A]out ứ ZA [A] Thế điện hóa ion A Điện màng Điện tích ion A Nồng độ ion A Vận chuyển không qua trung gian (non-mediated transport) là trình khuyếch tán đơn giản, trong vận chuyển qua trung gian (mediated transport ) là q trình có tham gia protein vận chuyển 22 Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports 11 Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 II.3.2 Vận chuyển thụ động Ø Là trình vận chuyển mà phân tử dịch chuyển từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp Ø Các chất lớn phân cực để tự khuyếch tán qua lớp lipid kép vận chuyển protein hoặc phân tử vận chuyển 23 Ionophores phân tử hữu đa dạng, thường có nguồn gốc vi khuẩn, làm tăng tính thẩm thấu màng với ion Carrier ionophores: làm tăng tính thẩm thấu màng cách gắn với ion chọn lọc sau khuyếch tán qua màng giải phóng ion ở một mặt khác màng Channel forming ionophores: tạo thành kênh hay lỗ, qua đó ion khuyếch tán qua màng 24 Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports 12 Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 25 Ø Cấu tạo dạng thùng tạo cấu trúc protein bậc Beta với kênh lỏng trung tâm Thường tìm thấy lớp vỏ tế bào vi khuẩn gram âm số vi khuẩn gram dương, ty thể luc lạp Ø Porin thường kiểm soát việc vận chuyển chất đường, ion axit amin 26 Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports 13 Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 Tất tế bào có kênh ion đặc biệt cho phép vận chuyển nhanh chóng ion như Na+, K+, và Cl- Sự di chuyển ion này qua các kênh với vận chuyển chủ động, là cần thiết để đảm bảo cân thẩm thấu, sự vận chuyển tín hiệu, và thay đổi tiềm màng 27 Cấu trúc X-ray của kênh K+ KcsA Cấu trúc homotetramer, mỗi tiểu phần gồm hai chuỗi xoắn 4 chuỗi xoắn ở giữa tạo thành lỗ trung tâm, trong 4 chuỗi xoắn đối diện lớp màng lipid kép Các ion K+ và phân tử nước chiếm khu vực trung tâm lỗ 28 Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports 14 Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 Các ion K+ được bao bọc lớp vỏ hydrate Lớp gỡ bỏ ion K+ di chuyển dọc kênh Các nguyên tử O trong chuỗi acid amin protein xắp xếp dọc kênh tạo thành vịng có kích thước phù hợp với ion K+ đã loại lớp vỏ hydrate mà khơng phải ion Na+ có kích thước nhỏ Do vậy tính chọn lọc kênh K+ cao nhiều so với Na+ 29 Các kênh ion thường đóng mở để thực vài nhiệm vụ đặc biệt tế bào Q trình đóng mở kênh ion, được biết đến q trình đóng mở van, có thể xuất để đáp ứng kích thích sau: Kênh mechanosensitive (Mechanosensitive channels): mở để đáp ứng biến dạng cục lớp lipid kép, chẳng hạn đáp ứng kích thichs vật lý tiếp xúc, tiếng động, và thay đổi áp suất thẩm thấu Kênh van phối tử (ligand-gated channels): mở đáp ứng kích thích hóa học bên ngồi tế bào, chẳng hạn dẫn chuyền thần kinh Kênh van tín hiệu (signal-gated channels): mở liên kết với ion Ca2+ trong tế bào vài phân tử tín hiệu khác Kênh van điện (voltage-gated channels): mở đáp ứng thay đổi điện màng 30 Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports 15 Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 Xung thần kinh truyền điện hoạt động (action potentials) Điện màng cục tăng kích thích kênh van điện Na+ bên cạnh mở Quá trình khử phân cực (depolarization) khiến kênh van điện K+ gần mở, cho phép ion K+ chảy khỏi tế bào trình gọi tái phân cực (repolarization) Tuy nhiên trước phân bố ion Na+ và K+ qua màng tế bào đạt cân kênh Na+ và K+ đồng loạt đóng Q trình khử phân cực khu vực màng kích thích mở kênh Na+ trên khu vực khác màng Quá trình lan truyền thay đổi điện màng (membrane potential) như gọi điện hoạt động (action potential) 31 Các tiểu phần tất kênh van điện K+ bao gồm 220 gốc acid đầu N trong tế bào chất., 250 gốc vùng xuyên màng gồm chuỗi xoắn từ S1 đến S6, và chuỗi 150 gốc đầu C trong tế bào chất Giữa tiểu phần S5 và S6 có vịng P có cấu trúc tương Chuỗi xoắn S4, gồm 19 gốc, chứa xấp xỉ 5 điểm tích đồng với kênh KcsA Vùng T1 điện dương cách 3 gốc chuỗi peptide gồm 100 gốc không thay đổi ky nước hoạt động cảm ứng điện Khi kênh van điện K+ điện màng thay đổi, ít 7 gốc đầu N của (Kv channels) chuỗi S4 di chuyển bên màng Hành động xem kích hoạt mở kênh ion 32 Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports 16 Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 Kênh van điện K+ có hai van nhạy cảm điện thế, một van để mở kênh điện màng tăng (Na+ chảy vào tế bào) và van để đóng kênh thời gian ngắn sau Quá trình đóng kênh xảy cấu Mơ hình van cho kênh Kv trúc dạng cầu, gồm 20 gốc đầu N, của Kv channel di chuyển gắn vào lỗ trung tâm kênh K+ 33 Các kênh Cl- khác kênh cation Kênh Cl- xuất tất tế bào cho phép vận chuyển ion Cl- dọc gradien nồng độ Trong động vật có vú, nồng độ Cl- bên tế bào ~120 mM tế bào ~4 mM Cấu trúc X-ray của kênh Cl- ClC Salmonella typhimurium Cấu trúc kênh Cl- vi khuẩn cho thấy kênh Cl- có cấu trúc homodimer (đồng nhị hợp) với tiểu phần tạo thành lỗ chọn lọc anion Mỗi tiểu phần gồm 18 chuỗi xoắn xuyên màng có độ dài thay đổi Trên hình, tiểu phần có màu sắc khác nhau, hình cầu màu xanh đại diện cho ion Cl- màng chon lọc 34 Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports 17 Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 Cấu trúc X-ray của Aquaporin AQP1 từ máu bị Mơ hình kênh vận chuyển nước Aquaporin AQP1 từ màng 35 Glucose liên kết với protein tại mặt màng Sự thay đổi cấu tạo đóng vị trí liên kết mở vị trí liên kết mặt màng Glucose tách khỏi protein Vịng vận chuyển hồn thành với việc chuyển đổi GLUT1 về hình dạng cấu tạo ban đầu với vắng mặt glucose Mơ hình vận chuyển glucose bởi GLUT1 (protein vận chuyển glucose tế bào máu ) 36 Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports 18 Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 Uniport: Vận chuyển phân tử 1 lần Ví dụ GLUT1 là uniport Symport: Vận chuyển chiều lúc hai phân tử khác Antiport: Vận chuyển ngược chiều lúc hai phân tử khác 37 II.3.3 Vận chuyển chủ động Ø Vận chuyển chủ động trình thu nhiệt gắn liền với hoạt động thủy phân ATP Ø Có hai loại vận chuyển chủ động Vận chuyển chủ động chính: các cation vận chuyển enzym ATPase gắn màng Vận chuyển chủ động phụ: vận chuyển gradien điện từ tạo chế khác, chẳng hạn bơm ion ATPase (sử dụng để vận chuyển phân tử trung tính ngược với gradien nồng độ chúng) 38 Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports 19 Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 3Na+(vào) + 2K+(ra) + ATP + H2O ⇋ 3Na+(ra) + 2K+(vào) + ADP + Pi (Na+-K+)-ATPase Sơ đồ vận chuyển chủ động ion Na+ K+ (Na+-K+)-ATPase 39 Sơ đồ vận chuyển chủ động ion Ca2+ (Ca2+)-ATPase 40 Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports 20 Hieu M.Dang @HUST 10/13/20 Vận chuyển Glucose trong biểu mô ruột 41 Sơ đồ trình đồng vận chuyển proton H+ lactose bởi lactose permease E.coli 42 Cell Biology / Chap - Cell membrane and Membrane transports 21