VẬN CHUYỂN CÁC CHẤT QUA MÀNG

VẬN CHUYỂN QUA MÀNG MỞ ĐẦU Vận chuyển chất qua màng sinh học thực nhờ chế khác mặt nguyên lí sau, phụ thuộc vào kích thước phân tử, mức độ kị nước đặc điểm cấu trúc chúng: Khuyến tán đơn giản qua lớp lipid mức độ – qua vùng phân cực màng Vận chuyển đặc hiệu với tham gia chất vận chuyển, loại vận chuyển bao gồm hệ thống chất vận chuyển phải trải qua số biến đổi hóa học định trình vận chuyển chế vận chuyển đồng hành với biến đổi đáng kể kiến trúc màng (dù biến đổi thời), ẩm bào vận chuyển biopolymer Các định luật khuyếch tán Định luật Fic Số lượng hạt chất (n) khuyếch tán dọc theo trục x qua đơn vị diện tích (1/A) vuông góc với trục đơn vị thời gian bằng: (1/A).(dn/dt) = - D.(∂c/∂x) Trong A diện tích bề mặt, D hệ số khuyếch tán, c nồng độ chất khuyếch tán Khi nghiên cứu trình vận chuyển vế trái phương trình gọi dòng (của chất khuyếch tán) kí hiệu kí tự J Như vậy, theo định luật Fic dòng chất tỉ lệ thuận với hệ số khuyếch tán gradient nồng độ chất (∂c/∂x) điểm cho trục x vào thời điểm định, dấu “−” công thức dòng di chuyển chất ngược chiều với hướng gradient nồng độ chất định luật Fic Tuy nhiên trường hợp đơn giản định luật Fic khuyếch tán qus lớp mỏng chất lỏng phân cách khoang chứa với dung dịch không bị pha trộn Khi mô tả trình khuyếch tán khoảng cách lớn hơn, trường hợp đơn giản không áp dụng định luật 1, trình có thông số, Trong trường hợp phải chuyển phương trình mô tả định luật sang dạng phương trình vi phân đạo hàm riêng, phương trình vi phân mô tả khuyếch tán khoảng cách lớn hơn: (∂c/∂t) = D (∂2c/∂x2) Đây định luật Fic Theo định luật này, tốc độ biến đổi nồng độ tỉ lệ thuận với đạo hàm bậc nồng độ theo trục x Phương trình Teorell Về mặt tượng, định luật Fic coi trường hợp riêng phương trình (công thức) khái quát khuyếch tán (Teorell) dòng chất: Dòng chất = độ di động × nồng độ × động lực toàn phần Khi khác ngoại lực hệ thống tiến tới trạng thái cân trạng thái chất hóa học điểm dung dịch (vf dung dịch đồng nhất, khác biệt nồng độ chất hòa tan) Khi mô tả trình khuyếch tán động lực toàn phần trình hóa học μ, định luật viết dạng: J = (1/A).(dn/dt) = - Uc.(∂µ/∂x) Trong U độ di động chất khuyếch tán, c nồng độ Thế hóa học phân tử dung dịch loãng lí tưởng là: μ = μo + RT lnc Từ dễ thấy hệ số khuyếch tán D = RTU Hệ số khuyếch tán chất có phân tử lượng thấp khoảng 10-5 cm2/s (của nước 2,5⋅10-5 cm2/s sacaroza 0,5⋅10-5 cm2/s) Bởi trình khuyếch tán nồng độ chất biến đổi theo khoảng cách x thời gian t, nên định luật Fic phải viết dạng: ∂c(x, t)/∂t = D [∂2(x, t)c/∂x2] từ tính bình phương dich chuyển trung bình chất; x2 = (1/n) ∫c(x, t)x2dx Với tích phân xác định tính theo thời gian từ −∞ đến +∞ Các tính toán cho kết sau: x2 = 2Dt Thay giá trị D = 10-5 cm2/s đa số phân tử có kích thước bé vào phương trình nhận giá trị dịch chuyển trung bình phân tử 4,4 μm/s, hay 34,6 μm/min, 0,27 cm/h 1,31 cm/ngày đêm Như vậy, khuyếch tán khoảng cách nhỏ trình nhanh khuyếch tán khoảng cách lớn trình chậm Sự khuyếch tán qua màng Khác với khuyếch tán thể tích lĩnh vực áp dụng định luật Fic (phương trình khuyếch tán đạo hàm bậc 2), khuyếch tán các chất qua màng mô tả phương trình vi phân bình thường (định luật Fic) Ở dạng chung định luật Fic áp dụng cho trường hợp khuyếch tán gián tiếp, tức nhờ chất vận chuyển trung gian Các kết nghiên cứu thực nghiệm khẳng định tính đắn kết luận Trên thực tế dòng chất qua màng phụ thuộc vào bào độ thấm màng chất (P, P = D/l) chênh lệch nồng độ phía màng Δc, dx = l (l độ dày màng sinh học) Hệ số khuyếch tán thực tế phụ thuộc vào hình dạng kích thước hạt Đối với phân tử protein có công thức sau: DMr1/3 = const Còn phân tử nhỏ (từ hydro đến trisaccharide) lại có công thức: DMr1/2 = const Các công thức với trường hợp khuyếch tán qua màng Trên thực tế, nhiều chất khác qua màng sinh học đường khuyếch tán đơn giản mà không cần có chất vận chuyển đặc hiệu Ngoài phân tử ưa nước nhỏ H2O, dimethylsulfoxideformamide v.v… nhiều chất khác hòa tan lipid qua màng – từ methanol đến chế phẩm thuốc phức tạp (khuyếch tán qua domain lipid), nhiều loại thuốc tổng hợp điều kiện tự nhiên penicillin, macrolid, rifamicin, actinomycin D, bacytracin nhiều chất kháng sinh đai qua màng tế bào sau phá vỡ vỏ bao tế bào Ngoài ra, màng giữ cho pH tế bào trì mức không đổi (pH ~7,5) Một số cation, ví dụ ion K+, khuyếch tán qua màng cách chọn lọc, dường không bị cản trở Mặc dù ion có lớp vỏ hydrate, ưa nước, điều không cản trở việc qua màng chúng.Quan sát cho phép kết luận phải tồn kênh hay chất vận chuyển (ionophor) đặc hiệu Sau biết ion K qua màng tế bào mà nhờ hoạt động hệ thống vận chuyển đặc biệt gọi bơm Na+/K+ Chỉ nhờ hoạt động bơm (với tiêu hao lượng), ion vận chuyển chống lại gradient khuyếch tán, vận chuyển thụ động (kể với tham gia chất vận chuyển) – làm điều Các tính chất mà chất vận chuyển ion kim loại kiềm cần có Một chất vận chuyển ion cần phải nhận biết ion theo kích thước loại trừ cách chọn lọc ion lớn bé Thuyết chất vận chuyển có nhược điểm tính chọn lọc giải thích tương tác ion đơn giản Vấn đề chỗ khác biệt cấu hình electron ion vận chuyển không đáng kể chúng bỏ qua Có loạt chất (được tách chiết chủ yếu từ vi khuẩn nấm), thân chúng tham gia vào vận chuyển ion điều kiện in vivo, chúng làm cho màng trở nên thẫm cho hay nhiều ion Chúng tác động lên màng ti thể, lục lạp, vi khuẩn gram dương số vi khuẩn gram âm, lên màng phospholipid nhân tạo màng khác Các chất gọi ionophor Trong số ionophor có nhóm kháng sinh liên kết chọn lọc ion K+ vận chuyển chúng qua màng nhân tạo tự nhiên Các kháng sinh tách chủ yếu từ nhóm Actinomycete, chúng chia thành nhóm theo chất hóa học: - Các hợp chất vòng lớn trung tính (cấu tạo từ vòng có kích thước đủ lớn để bao quanh ion kiềm cách đẩy qua màng kị nước), ví dụ valinomycin, enniatin, monactin… - Các phân tử ion hóa với mạch không khép kín Các chất thuộc nhóm chứa nhóm chức COOH mà môi trường trung tính mang điện tích âm Tuy nhiên, nhóm không tương tác trực tiếp với ion kiềm, lại tạo thành cầu nối hydro với đầu phân tử, tạo thành cấu trúc vòng giả, cấu trúc bao quanh ion kiềm chuyển noa qua màng Tất chất vận chuyển có nhiều nhóm phân cực có khả tạo complex chelate với ion kiềm, phần lại phân tử lại kị nước, tương tác với lipid màng, ion kiềm qua Các nhóm ưa nước cạnh tranh với protein dung môi liên kết với ion kiềm, chúng nằm phía bên phân tử - thường cấu trúc kị nước, dễ hòa tan màng Các ionophor khác biệt nhiều chất hóa học, chúng phân chia thành peptit, depsipeptit, macrotetralid polyester vòng lớn peptit thẳng (như gramycidin A) hay vòng (như gramycidin S…): Các depcipeptit coi nhóm ionophor quan trọng nhất, gồm valinomycin, ennatin bovericin: Ca macrolid, hay actin, dẫn suất acid nonactinic với vòng lacton phân tử: với dẫn suất khác theo nhóm CH2 Các chất thường gọi kraun Các chất thuộc nhóm có tính chọn lọc liên kết với hay vài loại ion định Ví dụ, dibenzo-18-kraun-6 liên kết chọn lọc ion Na+ Ca2+ Các đồng đẳng tự nhiên polyester vòng lớn trở thành có cấu trúc vòng tạo thành complex với ion kim loại Tất ionophor có tính chất chung là: Khả chúng liên kết với màng sinh chất hay màng bào quan không phụ thuộc vào thành phần lipid màng Đa số ionophor, cụ thể valinomycin, enniatin, actin kraun, tạo thành complex với ion kim loại kiềm, số trường hợp trình đặc trưng tính chọn lọc cao (đặc biệt ion K+) Chẳng hạn, số liên kết complex K+ - valinomycin (trong ethanol) 1,9.106/M, Na+ 12/M Các ionophor khác enniatin, actin co số K+ cao số tương ứng ion khác bậc, monexin chí có lực với Na+ cao so với K+ Tác động sinh học ionophor: chúng làm cho hay vài loại ion qua màng, và, số trường hợp, điều dẫn tới sinh màng chênh lệch điện tích Các ionophor tạo thành kênh dẫn màng nhờ mà cation vào tế bào Các protein vai trò chất tạo kênh Từ phần ta thấy, chất vận chuyển chất kháng sinh mô hình tốt cho nghiên cứu trình vận chuyển ion qua màng vai trò chúng chức bị hoài nghi Gần nhận nhiếu thông tin tồn protein đảm nhiệm chức Chúng tiếp nhận cation mặt chuyển ion sang mặt màng cách biến đổi cấu hình Tất chúng có cấu trúc oligomer (ít dimer), tạo thành kênh làm việc theo chế bắt – thả Ý nghĩa vận chuyển ion Vận chuyển ion qua màng có liên quan chặt chẽ với trình sống khác thúc đẩy tiến triển chúng nhiều cách khác Vận chuyển điều hòa thành phần điện giải tế bào, trường hợp gradient nồng độ tạo màng cách lượng tự tồn trữ Ở động vật có tổ chức cao vận chuyển qua tế bào biểu bì chuyên môn hóa chế quan trọng cân tự nhiên (homeostasis) toàn thể Hiện biết bơm Na+/K+ Ca2+ có màng tất tế bào eukaryote Các ion vai trò chất điều hòa chất trung gian cấp II có ảnh hưởng định lên hiệu trình trao đổi chất Biến đổi lượng, tạo thành ATP tiêu thụ ATP kiểm duyệt ion Chúng thành phần hệ thống ion phức tạp bên tế bào Hiên biết tất tế bào eukaryote chứa actin, mối quan tâm tới tham gia chúng, chế vận chuyển chúng tập trung chúng khoang khác tế bào lại tăng thêm Trong giới động vật hệ thống vận chuyển ion Na+ K+ qua màng bơn Na Na+/K+ thực đóng vai trò quan trọng Hệ thống vận chuyển có tính chất quan trọng mà không ý cách thích đáng Đó tính thuận nghich mối phụ thuộc hệ số liên hợp Na+/K+ vào gradient hướng ngược chiều Tính thuận nghịch suy từ dẫn liệu sau: Tồn ngưỡng lượng tới hạn mà thấp tế bào ngường không đẩy Na+ đẩy Na+ khỏi tế bào bị ngường đạt gradient điện hóa đủ cao ion Hơn nữa, trường hợp hồng cầu dòng ngược ion Na+ qua bơm dẫn tới tổng hợp ATP Gradient điện hóa ion Na+ màng metabolite sử dụng hiệu sản sinh tác động dây thần kinh sợi Theo thuyết Hodgekin vag Haxli, màng bị phân cực dòng (ion) chỗ, xảy tăng đột ngột độ thấm cho ion Na+, tăng độ thấm liên quan với truyền xung điện kết thúc tái phân cực lại màng Sự biến đổi đột ngột tính phân cực (được gọi tác động) làm khuyêchs đại tính hiệu thúc đẩy truyền dọc sợi dây thần kinh Sự vận chuyển saccharide amino acid qua tế bào lớp màng nhầy ruột , tích lũy chất tế bào u báng điều hòa gradient điện hóa ion Na+ Ý nghĩa vận chuyển ion qua màng tế bào thể rõ nét ví dụ quan chuyên hóa quan trọng thận: vận chuyển ion tảng thực chức đặc trưng quan Vận chuyển ion thực vật có đặc điểm lí thú Khác với chế đặc trưng cho tế bào động vật, giới thực vật bơm anion không phụ thuộc vào ATP đóng vai trò tương đối lớn Chẳng hạn, tảo Nitelia translucens với tích lũy ion Na+ nhờ chế vận chuyển tích cực phụ thuộc vào tổng hợp ATP đường phosphoryl hóa, xảy tích lũy tích cực ion Cl- liên quan tới hệ quang hợp PSII Ở vi sinh vật, bao gồm vi khuẩn nấm men, vận chuyển ion kim loại kiềm không liên hợp với bơm Na+/K+, mà thực chủ yếu đường trao đổi H/K trình rõ ràng có tham gia bơm proton Vận chuyển ion kim loại hóa trị thực nhờ hệ thống đặc hiệu; nguồn lượng ATP Các anion Cl-, Br-, I- NO3được chuyển qua màng cách thụ động mối tương quan với có màng Mặt khác, vận chuyển HxPO43x SO 2- cần chi phí lượng protein liên kết đặc hiệu [...]... gia của các chất vận chuyển 3.3.3 Vận chuyển liên hợp Các cơ chế vận chuyển liên hợp (dòng các chất) đóng vai trò rất quan trọng trong vận chuyển các chất qua màng tế bào, chẳng hạn như các ion Na+ thúc đẩy vận chuyển các saccharide, amino acid và các ion khác qua màng tế bào, đối với mỗi hệ thống này cần phải có một chất vận chuyển riêng, hay ít nhất là 1 phân tử nhận biết cơ chế đặc hiệu Bản chất hóa... (CH2)9 – CH(CH3)2 Surfactin Sự vận chuyển được trung gian bởi các chất vận chuyển Các màng sinh chất, màng ti thể và lục lạp, và cả các màng tế bào khác có các hệ thống thực hiện vận chuyển đặc hiệu các chất trung tính cũng như các ion qua màng Ngoài tính đặc hiệu ra, các hệ thống này còn được đặc trưng bởi tốc độ vận chuyển tăng cùng với tăng nồng độ của chất được vận chuyển chỉ đến một giá trị giới... tượng bão hòa như đề cập tới ở trên Vận chuyển tích cực tiền phát & Vận chuyển liên hợp 3.3.2 Vận chuyển tích cực tiền phát Khác biệt duy nhất của vận chuyển tích cực với khuyếch tán gián tiếp (qua chất vận chuyển trung gian) là ở chố: một trong các giai đoạn vận chuyển tích cực là phụ thuộc vào năng lượng Các hệ thống tổ hợp: đôi khi các chất được vận chuyển qua màng cả bằng khuyếch tán đơn giản và... Hai hệ thống vận chuyển các chất không điện li được nghiên cứu nhiều nhất và cũng là 2 hệ thống vận chuyển chính là vận chuyển các saccharide và các amino acid Trong số các hệ thống vận chuyển được nghiên cứu còn có các hệ thống vận chuyển purin, pyrimidine, các poli(alc)ol; vitamin, acid béo và nhiều chất hữu cơ nhỏ khác Trong các tế bào prokaryote vận chuyển được thực hiện chủ yếu nhờ các hệ thống... không lớn lắm, như các glycol, monosaccharide và amino acid, trên thực tế là không đi qua được màng của đa số các tế bào nhờ khuyếch tán đơn giản Sự vận chuyển các chất này vào trong tế bào được thực hiện nhờ các chất vận chuyển đặc biệt có mặt trong màng tế bào Sự khuyếch tán của nhiều chất qua màng có thể được cảm ứng bởi các chất có hoạt tính màng, thường là các kháng sinh có bản chất polyen (ví dụ... năng vận chuyển tích cực KếT LUẬN Các phân tử không mang điện tích được vận chuyển qua màng sinh học hoặc bằng khuyếch tán đơn giản, hoặc bằng các cơ chế khác nhau của vận chuyển giấn tiếp Khuyếch tán đơn giản tuân theo các định luật Fic Các chất đi qua phần lipid của màng (đa số các chất hữu cơ, các chế phẩm thuốc) hay, hiếm hơn, qua các kênh được nhồi đầy nước Khuyếch tán gián tiếp đòi hỏi trong màng. .. tới mặt trong, tai đây cơ chất được phân li khỏi chất vận chuyển, chất vận chuyển tự do quay trở lại phía ngoài và chu trình cứ thế tiếp diễn Khi nồng độ cơ chất tăng đến mức nào đó đủ để bão hòa chất vận chuyển (100% số phân tử của chất vận chuyển được liên kết với cơ chất) , thì sự tăng tiếp nồng độ của cơ chất không làm tăng thêm tốc độ của quá trình vận chuyển, tức là quan sát được hiện tượng bão... học của các hệ thống vận chuyển các chất không điện li Mặc dù phân tích động học mang lại thông tin rất quý giá về tính chất của các hệ thống vận chuyển khác nhau, nhưng vấn đề nóng hổi số 1 đối với lĩnh vực nghiên cứu vận chuyển các chất qua màng tế bào, cũng như các lĩnh vực khác của sinh hóa học, là tách chiết và xác định các thành phần riêng biệt của những hệ thống này Các hệ thống vận chuyển với... tán gián tiếp đòi hỏi trong màng có các thành phần đặc biệt, “nhận biết” cơ chất, mà chúng hoặc tự vận chuyển cơ chất, hoặc chuyển cơ chất cho một thành phần khác trong màng – chất vận chuyển đích thực .Các quá trình này được đặc trưng bởi sự bão hòa ở các nồng độ cao của cơ chất và nhờ chúng mà các monosaccharide, amino acid và các metabolite khác được vận chuyển qua màng Khuyếch tán gián tiếp xảy ra... chuyển, sự ức chế này thể hiện ở giảm tốc độ vận chuyển ở các nồng độ bên trong tế bào đủ cao Về vận chuyển các chất không điện li ở thực vật bậc cao còn biết tương đối ít., ngoại lệ là tảo: vận chuyển các monosaccharide ở tảo liên hợp với vận chuyển proton, nguồn năng lượng là thủy phân ATP hay chu trình quang hợp Ở thực vật bậc cao vận chuyển các chất qua màng được thực hiện thường bằng khuyếch tán