c. Màng bảo vệ của tế bào vi sinh vật
3.3. VẬN CHUYỂN CÁC CHẤT CÓ KÈM THEO TIÊU PHÍ NĂNG LƯỢNG
Đây là hình thức vận chuyển các chất không phụ thuộc vào gradient nồng độ nhờ sử dụng năng lượng hoá học. Nhờ có tính chất như vậy nên có thể gọi hình thức vận chuyển này là vận chuyển chủ động. Vận chuyển chủ động bắt buộc phải thực hiện thông qua các kênh dẫn truyền có bản chất là protein xuyên màng.
Vận chuyển chủ động có vai trò rất quan trọng trong tế bào. Nó giúp tế bào có thể chủ động thiết lập nồng độ nội bào của các chất theo nhu cầu mà có khi là chênh lệch với môi trường rất nhiều (ví dụ Na+, K+, Cl-, HPO42-,...). Sự duy trì này tạo điều kiện ổn định cho tế bào hoạt động bình thường. Vận chuyển chủ động không chỉ diễn ra giữa tế bào với môi trường mà còn giữa các phần của tế bào với nhau. Bơm H+ là một ví dụ như vậy. Bơm này nằm trên màng của ty thể và lục lạp với vai trò tạo sự chênh lệch về nồng độ H+ để duy trì hoạt động chức năng của các bào quan này.
Bảng 3.1. Nồng độ của một số ion ở trong và ngoài tế bào
Trong tế bào có 3 loại kênh (bơm) vận chuyển rất quan trọng là: kênh Na+/ K+,
kênh liên kết và kênh H+.
Kênh Na+/ K+: Các tế bào động vật có khả năng duy trì nồng độ nội bào của Na+ rất thấp, còn K+ rất cao so với môi trường ngoại bào. Khả năng đó là do trên màng sinh chất có rất nhiều kênh Na+/ K+ chúng vận chuyển một cách chủ động Na+ ra ngoài và đưa K+
vào trong tế bào. Năng lượng để thực hiện sự vận chuyển đó lấy từ phân tử ATP được sản
sinh trong quá trình hô hấp tế bào. Người ta tính ra có tới 1/3 lượng ATP được sản sinh trong tế bào động vật là để duy trì hoạt động này. Bởi vậy, khi sự hô hấp bị đình trệ thì hoạt động vận chuyển Na+, K+ cũng bị ngừng lại. Một trong những tế bào thực hiện tích cực việc vận chuyển Na+, K+ là tế bào thần kinh. Thông qua việc đưa Na+ ra ngoài và K+ vào trong, tế bào đã tạo nên sự khác biệt về nồng độ ion ở mặt trong và mặt ngoài của màng, qua đó tạo nên điện thế màng. Việc thay đổi từ điện thế tĩnh sang điện thế hoạt động là cơ sở để dẫn truyền xung thần kinh. Ngoài ra, nồng độ Na+/ K+ còn gián tiếp ảnh hưởng đến các hoạt động khác của tế bào. Ví dụ, ở tế bào cơ tim, nếu vì một lý do nào đấy mà sự vận chuyển Na+ không thực hiện được, lúc đó nồng độ Na+ nội bào tăng cao sẽ gián tiếp làm nồng độ Ca2+ tăng theo và kết quả là sự co bóp của cơ tim tăng lên.
Ion Nồng độ ngoại bào Nồng độ nội bào Chênh lệch
Na+ 140mM 10mM 14x
K+ 4mM 140mM 35x
Ca2+ 2,5mM 0,1 mM 25000x
Hình 3.4. Cơ chế hoạt động của kênh Na+/K+
Kênh Na+/ K+ còn có tên gọi khác là Na+, K+ adenosintriphosphatase (Na+, K+ ATPase). Đây là một loại protein xuyên màng có khối lượng phân tử 270.000D. Kênh được tạo nên từ 4 tiểu đơn vị: 2a và 2b. Việc thuỷ phân ATP lấy năng lượng được thực hiện tại một khu vực trên tiểu đơn vị a. Hoạt động của kênh diễn ra theo chu kỳ. Đầu tiên, 2 ion Na+ sẽ bám vào mặt trong của kênh. Với sự có mặt của Mg2+, kênh sẽ tiến hành thuỷ phân ATP để lấy gốc phosphat cao năng và giải phóng ra ADP. Sau khi được phosphoryl hoá bằng cách tiếp nhận gốc phosphat của ATP, kênh Na+/ K+ sẽ bị biến đổi thù hình và nhả 3 ion Na+ ra ngoài. Ngay sau khi nhả Na+, 2 ion K+ từ môi trường sẽ bám vào mặt ngoài của kênh. Sự biến đổi thù hình của kênh Na+/ K+ chỉ diễn ra trong giây lát rồi lại giải phóng nốt gốc phosphat và quay trở lại hình dạng ban đầu. Quá trình lấy lại thù hình ban đầu cũng là lúc 2 ion K+ được vận chuyển và nhả vào trong tế bào. Như vậy, sau một chu kỳ có 3 ion Na+ được chuyển ra ngoài và 2 ion K+ được đưa vào trong qua kênh Na+/ K+
Kênh liên kết: Kênh này gồm nhiều loại và có vai trò vận chuyển đường cũng như
các axit amin. Việc vận chuyển cũng cần sự tham gia của ATP và các ion. Từ “liên kết” ở đây để chỉ quá trình dẫn truyền các chất không diễn ra một cách đơn lẻ mà đi kèm với sự
vận chuyển các ion. Ví dụ, quá trình vận chuyển glucose được thực hiện đồng thời với
vận chuyển Na+ qua màng theo cùng hướng. Khi kênh Na+/ K+ hoạt động, nó sẽ bơm Na+ ra ngoài tế bào và tạo sự chênh lệch về nồng độ rất lớn giữa hai bên màng. Lúc này, Na+ có xu hướng khuếch tán trở lại qua kênh liên kết. Sự khuếch tán của Na+ tương đối lớn, vì thế nó hỗ trợ và giúp cho phân tử glucose đi qua màng một cách dễ dàng, thậm chí là có thể đi ngược với gradient nồng độ.
· Kênh H+: Như đã trình bày ở trên, kênh H+ không nằm trên màng sinh chất mà nằm trên màng của ty thể và lục lạp. Năng lượng để kênh H+ hoạt động lấy từ các điện tử cao năng được tạo ra thông qua quá trình oxy hoá các hợp chất hữu cơ hoặc hấp thụ năng lượng photon ánh sáng diễn ra trong các bào quan này. Quá trình hoạt động của kênh sẽ giúp tạo ra sự chênh lệch về nồng độ H+ giữa hai bên màng. Mục đích của sự chênh lệch về nồng độ H+ là tạo động lực cho quá trình tổng hợp ATP theo phương thức hoá thẩm.