Có nhiều mơ hình giả thuyết về cấu tạo màng sinh học và tất cả đều dựa vào điểm xuất phát chung là cấu trúc lớp đôi của màng sinh học. Độ dày của màng sinh học thường
thay đổi từ 5 đến 8 nm, trong đó lớp lipid dày khoảng 3 nm. Màng lipid là màng bất đối
xứng, có tỉ lệ thành phần lipid mặt ngồi và mặt trong khác nhau. Điều này chứng tỏ chúng có vai trị sinh học khác nhau (hình 30).
1. Màng lipid luôn chuyển động.
Mặc dù cấu trúc lớp đơi tự nó là cấu trúc ổn định nhưng từng phân tử phospholipid và
sterol trong thành phần của màng vẫn di chuyển tự do giữa chúng với nhau và quay quanh
trục bộ khung carbon của đuôi acid béo. Tất cả tạo nên sự di động trong từng lớp riêng biệt của màng sinh học. Mức độ lỏng của màng sinh học phụ thuộc vào thành phần màng lipid và nhiệt độ của môi trường chung quanh. Ở nhiệt độ thấp hầu như khơng có sự di động, lúc này màng có cấu trúc giống như cấu trúc mạng tinh thể. Khi nhiệt độ gia tăng quá ngưỡng nhất định nào đó, màng lipid bắt đầu di động (bắt đầu lỏng hơn). Ngưỡng nhiệt độ trên được gọi là nhiệt độ chuyển trạng thái và trong thực tế nhiệt độ này khác nhau tuỳ từng loại màng. Màng lipid chứa càng nhiều đi acid béo no thì càng có nhiệt độ chuyển trạng
thái càng cao. Ngược lại, càng chứa nhiều đi acid béo khơng no càng có nhiệt độ chuyển trạng thái thấp hơn.
Hình 30. Mơ hình cấu trúc màng sinh học
(Chú ý: Đầu phân tử protein trên mặt ngồi của màng chứa nhiều đi oligosaccharide đóng vai trị cầu nối tiếp xúc và vận chuyển thông tin giữa các tế bào)
Thành phần sterol của màng cũng ảnh hưởng tới nhiệt độ chuyển trạng thái vì cấu trúc cứng nhắc của vịng sterol nằm xen kẽ giữa các đi acid béo có hai tác dụng trái ngược nhau. Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển trạng thái thì cấu trúc cứng nhắc của sterol nằm xen kẽ và làm xáo trộn sự sắp xếp trật tự các đi acid béo và có tác dụng làm lỏng màng sinh học, ngăn cản sự hình thành mạng tinh thể. Ngược lại, ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chuyển trạng thái thì chính cấu trúc này lại cản trở sự di động thái quá của các đi acid béo và làm chậm q trình hóa lỏng của màng.
Ngồi hai kiểu di chuyển trên, màng sinh học cịn có kiểu di chuyển thứ ba: đó là sự vận chuyển lipid từ lớp lipid đơn này sang lớp lipid đơn đối diện của màng. Kiểu vận chuyển này còn được gọi là khuếch tán đối chuyển “flip-flop” (flip-flop diffusion) Trong kiểu vận chuyển này đầu phân cực và đôi khi cả đầu mang điện của phân tử lipid di chuyển qua lớp kỵ nước sang lớp lipid đối diện. Đa số các trường hợp di chuyển kiểu này đều cần năng lượng. Hiện tượng này thường xuyên xảy ra trong thời gian tổng hợp màng tế baøo.
2. Protein maøng nằm xen qua màng và tạo khe trên màng.
Trong thực tế ngoài một số protein bám trên mặt màng lipid lớp đơi, có một số phân
tử protein khác nằm xen kẽ và xuyên qua màng. Có lẽ chúng đóng vài trị làm phương tiện
vận chuyển vật chất và truyền tín hiệu quan màng
Phân tích thành phần aminoacid của những protein này cho thấy quy luật là đầu –NH2
nằm ở mặt ngồi của màng và thường gắn với oligosaccharide (có lẽ để nhận tín hiệu ngoại
bào). Đầu –COOH nằm ở mặt bên trong màng. Cả hai đầu –NH2 và –COOH đều chứa rất
nhiều aminoacid phân cực hoặc mang điện, có nghóa là cả đầu ngồi và đầu trong của
nước cao giống phần lipid kỵ nước nằm xung quanh (hồn tồn hợp quy huật và có lẽ đây cũng là kết quả của quá trình chọn lọc tự nhiên). Do tính chất đặc hiệu của màng sinh học liên quan chủ yếu đến sự phân bố protein màng, nên nó được nghiên cứu khá kỹ lưỡng (mặc dù nghiên cứu protein màng là việc khó khăn) (hình 31).
a/ protein màng có sự định hướng bất đối xứng. Khác với thành phần lipid, protein màng không di động thay đổi từ mặt này sang mặt kia của màng lớp đôi, mà sắp xếp bất đối xứng gắn với các gốc đường (trong trường hợp glycopotein) nằm trên mặt ngoài màng. Sự sắp xếp protein màng bất đối xứng trùng hợp với chức năng hoạt động bất đối xứng của nó (thí dụ, bơm ion màng chỉ bơm theo một hướng xác định).
b/ protein màng khơng tan trong nước. Có hai loọai protein
màng: protein trong maøng
(intergral protein) vaø protein
ngoaøi maøng (periphery protein). Protein ngoài màng liên kết lỏng lẻo trên mặt màng và dễ bị tách, trong khi protein trong màng liên kết chặt chẽ với màng nên khó bị tách chiết kể
cả bằng chất hoạt động bề mặt, bằng dung môi hữu cơ hoặc bằng cách làm biến tính
protein. Sở dó protein trong màng khó tan vì chứa nhiều các gốc aminoacid kỵ nước. Nhờ
các gốc aminoacid này mà protein trong màng gắn chặt với màng.
Hình 31. Sự sắp sếp của protein xuyên màng.
c/ Một số protein trong màng tạo khe vận chuyển xuyên màng. Về tổng thể protein trong màng chứa nhiều aminoacid kỵ nước. Các aminoacid này có khi sắp xếp xen kẽ
xuyên màng ở dạng sợi đơn (thí dụ glycoprotein). Nhưng cũng rất phổ biến protein trong
màng chứa nhiều đoạn peptid xuyên màng lặp đi lặp lại nhiều lần làm dãn màng và tạo
khe trong màng. Điển hình nhất là protein trong màng bacteriorhodopsin tách từ màng vi
khuẩn Halobacterium halobium có tới 7 đoạn peptid ở dạng xoắn α. Các đoạn peptid trên lặp lại 7 lần, nên màng lipid lớp đơi dỗng ra tạo khe vận chuyển protein qua màng (hình 32)
Hình 32. Mặt cắt sợi polypeptide bacteriorhodopsin chỉ rõ 7 xoaén α xuyên màng tạo khe vận chuyển
3. Sự lai ghép màng có mặt trong nhiều q trình sinh học.
Trong thực tế, protein màng mằm xen kẽ và thay đổi vị trí tương đối của nó nhờ sự di động trượt xen nhau giữa chúng và thành phần lipid. Cơ chế này là cơ sở của hiện tượng ghép màng ln xảy ra trong các q trình tái tổ chức lại màng cũng như trong một số hoạt
động chức năng như: tạo chồi từ bộ máy Golgi, q trình nhập bào (endositosis), thốt bào
(exocytosis), lai trứng và tinh trùng khi tế bào phân chia v.v.... Quá trình kết hợp hoặc lai
ghép màng được thúc đẩy bới nhóm protein annexin nằm bên dưới màng tế bào khi có mặt
Ca2+ nội bào. Ngồi annexin nhóm protein lai ghép (fusion protein) cũng thúc đẳy sự tạo thành màng lai ghép.
III. VẬN CHUYỂN CHẤT TAN QUA MÀNG.
Tế bào sống ln có nhu cầu được cung cấp chất dinh dưỡng từ môi trường xung quanh để tạo năng lượng và tiền chất cho việc tổng hợp các chất nội bào và ngược lại, đưa các chất thải ra ngồi. Dịng vận chuyển vật chất qua màng từ ngoài vào trong và ngược lại
thường ở hai dạng sau: vận chuyển thụ động theo nguyên tắc khuếch tán và vận chuyển
tích cực thường có hướng ngược độ chênh lệch (gradient) nồng độ và tiêu tốn năng lượng. Vận chuyển vật chất qua màng không chỉ xảy ra giữa tế bào chất và môi trường xung quanh tế bào, mà còn xảy ra giữa các bào quan có vách ngăn cách nội bào với nhau. Trong nhiều trường hợp vận chuyển nội bào đều thấy có mặt protein vận chuyển. tính chất của các hệ vận chuyển qua màng được tóm tắt ở bảng 7.1.
Bảng 7.1. Bảng tổng quát các hệ vận chuyeån. Kiểu
vận chuyển protein vận chuyển
Bảo hịa
cơ chất gradient Tạo nồng độ
Phụ thuộc
năng lượng Thí dụ
Khuếch tán Khơng Khơng Không Không H2O, O2, N2,CH4
Vận chuyển thụ
động có có không không Glucose permease ở hộng cầu Vận chuyển tích cực Sơ cấp Thứ cấp có có có có có có có có H+ATPase và N+K+ATPase Aminoacid và đường
Kênh ion có khơng khơng khơng Keânh Na+
1. Vận chuyển theo kiểu khuếch tán đơn giản
Đây là hình thức vận chuyển qua màng đơn giản nhất hoạt động theo nguyên tắc
khuếch tán vật chất từ nơi nồng độ cao xuống nơi nồng độ thấp cho đến khi đạt sự cân bằng. Tuy nhiên, ở tế bào sống quá trình này gặp trở ngại bởi tính thấm chọn lọc của màng. Trong thực tế khi các chất phân cực hoặc mang điện di chuyển qua màng thì trước tiên chúng bị mất vỏ nước bao quanh và sau đó phải khuếch tán qua một lớp dầy 3 nm có tính kỵ nước cao, trước khi sang được mặt màng đối diện để có vỏ nước bọc mới. Do vậy q trình khuếch tán đơn giản phải có mức năng lượng hoạt hóa cao. Điều này sở dó có được là nhờ sự chênh lệch nồng độ của chất vận chuyển.
Nước mặc dù là chất phân cực, nhưng lại dễ dàng khuếch tán qua màng. Bản chất của hiện tượng này hoàn tồn chưa được lý giải, nhưng có lẽ là do chênh lệch áp suất thẩm thấu. Một số khí quan trọng như O2, N2, CH4 là các chất ít phân cực và đều vận chuyển qua màng theo kiểu khuếch tán đơn giản.
Bên cạnh kiểu vận chuyển khuếch tán đơn giản qua màng, một số chất phân cực ở
daïng ion vận chuyển thụ động (passive transport) qua màng nhờ protein vận chuyển
(transport protein) của màng. Chúng hoạt động khá giống enzyme, nhưng khơng phải là enzyme vì protein vận chuyển khơng thay đổi trong q trình vận chuyển. Protein vận
chuyển làm giảm năng lượng hoạt hóa cần cho q trình vận chuyển nhờ tạo ra vơ số các
liên kết và tương tác yếu với chất vận chuyển (giống như enzyme tương tác với cơ chất). Ngoài ra, enzyme vận chuyển nằm xen kẽ và xuyên màng tạo ra khe khá lớn cho phép vật chất vận chuyển qua màng dễ dàng.
a/ Vận chuyển glucose qua màng hồng cầu. Tế bào hồng cầu ln có nhu cầu đối với glucose huyết tương. Bình thường nồng độ glucose huyết tương khoảng 5mM, trong khi nồng độ glucose bên trong hồng cầu luôn thấp hơn 5mM. Do vậy, glucose sẽ vận chuyển qua màng hồng cầu từ ngoài vào trong theo gradient nồng độ. Tuy nhiên, glucose không vận chuyển theo kiểu khuếch tán mà theo sự vận chuyển thụ động nhờ protein vận chuyển ở màng hồng cầu. Đó là protein màng có MW 45.000 Da chứa 12 đoạn peptide kị nước nằm xen kẽ màng tạo ra khe cho phép glucose vận chuyển qua màng tăng khoảng 50.000 lần so với khi khơng có protein vận chuyển. Động học q trình vận chuyển glucose qua màng giống hệt như động học quá trình xúc tác. (Hình 33).
b/ Cl- vaø HCO3- đồng vận chuyển qua màng tế bào: Sự đồng vận chuyển Cl- vaø HCO3- qua màng hồng cầu xẩy ra trong quá trình hơ hấp ở cơ thể động vật. Bình thường CO2 thải ra từ các mơ trong q trình hơ hấp được thu vào hồng cầu và biến đổi thành bicarbonate (HCO3- ) tan trong huyết tương mạnh hơn nhiều so với CO2. Điều này cho phép huyết tương vận chuyển được nhiều hơn CO2 tới phổi. Ở phổi HCO3- lại quay trở lại hồng cầu và biến đổi về lại dạng khí CO2. Có nghóa là để cho q trình trao đổi khí xảy ra bình thường HCO3- phải vận chuyển qua màng hồng cầu rất nhanh. Trong thực tế nhờ protein vận chuyển, sự vận chuyển HCO3- qua màng hồng cầu được gia tăng hàng triệu lần.
Hình 33. Thay đổi năng lượng tự do trong vận chuyển và khuếch tán qua màng khi có và khơng có protein vận chuyển
Protein vận chuyển HCO3- cũng có 12 đoạn peptide xen kẽ xuyên màng tạo khe vận
chuyển HCO3-. Trong khi protein vận chuyển glucose có hướng từ ngồi vào trong hồng cầu thì protein vận chuyển HCO3- lại hoạt động theo cả hai hướng. Trong thực tế quá trình vận chuyeån HCO3- thường kèm theo sự vận chuyển Cl- theo hướng ngược lại. Hệ vận chuyển đơn chuyển một hướng gọi là uniport (như hệ vận chuyển glucose), còn hệ vận chuyển hai hướng gọi là cotransport có hai kiểu. Kiểu vận chuyển đồng hướng (đồng chuyển – symport) và kiểu ngược hướng (nghịch chuyển – antiport) như trường hợp vận chuyển
HCO3- vaø Cl- qua màng hồng cầu (hình 34)
Hình 34. Ba hệ vận chuyển khác nhau theo cơ chất và hướng vận chuyển của cơ chất.
2. Vận chuyển tích cực qua màng.
Trong vận chuyển thụ động vật chất vận chuyển theo độ giảm dần gradient nồng độ và như vậy khơng xảy ra sự tích lũy vật chất. Ngược lại, vận chuyển vật chất tích cực thường ngược với gradient nồng độ và cho phép tích lũy vật chất. Do vậy theo quan điểm
của nhiệt động học thì vận chuyển vật chất tích cực khơng xảy ra ngẫu nhiên mà phải
kèm theo sự tiêu tốn năng lượng (ATP), hoaëc được bù về mặt năng lượng bằng sự vận chuyển theo gradient nồng độ của một chất khác. Vận chuyển tích cực qua màng có ý nghóa sinh học hết sức quan trọng. Sau đây là một số kiểu vận chuyển tích cực tiêu biểu nhất.
a/ Đồng vận chuyển tích cực Na+ và K+. Ở bất kỳ tế bào động vật nào cũng có sự chêng lệch nồng độ Na+ và K+ bên trong và bên ngồi. Nồng độ Na+ bên trong bao giờ cũng thấp hơn bên ngồi. Sự phân bố khơng cân đối Na+ và K+ được duy trì nhờ hệ thống vận chuyển tích cực Na+ và K+ qua màng tế bào do enzyme Na+K+ ATPase xúc tác. Trong q trình vận chuyển này enzyme nói trên thủy giải ATP cung cấp năng lượng để bơm đồng thời 3 ion Na+ ra ngoaøi vaø 2 ion K+vaøo trong tế bào. Enzyme Na+K+ATPase nằm xen kẽ màng tế bào. Nó cấu tạo từ 2 tiểu đơn vị có MW tương ứng là 50.000 và 110.000 Da tạo
khe khá rộng xuyên qua màng tế bào. Cơ chế hoạt động của nó như sau: Hệ enzyme vận
chuyển Na+ và K+ hoạt động theo chu kỳ tương ứng với sự thay đổi cấu hình của enzyme. Trong đó cấu hình khơng gắn phosphate (cấu hình I) có ái lực cao đối với Na+ và gắn với 3
Na+ bên trong tế bào. Tiếp theo ATP gắn vào enzyme và xảy ra phản ứng gắn nhóm
phosphate lên enzyme và chuyển enzyme sang cấu hình II có tính ái lực thấp đối với Na+, nhưng lại có ái lực cao đối với K+. Điều này cho phép nó giải phóng 3 Na+ ra môi trường
bên ngồi và gắn với 2 K+ từ mơi trường bên ngồi. Cuối cùng enzyme bị mất gốc
phosphate và giảm ái lực đối với K+ và giải phóng nó vào bên trong tế bào (hình 35).
Do sựphân bố khơng đồng đều Na+ và K+ nên hai bên màng tế bào bao giờ cũng có thế điện động xuyên màng cỡ khoảng từ –50 tới –70mV (bên trong âm so với bên ngồi). Theo tính tốn khoảng 25% năng lượng của cơ thể thường xuyên phải tiêu tốn để duy trì hệ
hệ Na+ K+ ATP hoạt động . Hạt cây bụi (cây shrub) ở Phi châu chứa ouabain là chất ức chế
đặc hiệu đối với enzyme Na+ K+ ATPase và được thổ dân sử dụng để tẩm đầu tên. Do vậy
nó có tên là ouabain từ tiếng địa phương waba yo, có nghóa là tên thuốc độc.
Hình 35. Sơ đồ vận chuyển Na+ vaø K+ qua maøng.
b/ Ba hệ vận chuyển ATPase. Trong thực tế người ta phân biệt 3 hệ vận chuyển Na+
K+ ATPase.
Hệ vận chuyển P-ATPase. Hệ vận chuyển Na+ K+ ATPa được mơ tả ở trên thuộc hệ vận chuyển có tên chung là hệ vận chuyeån ATPase kieåu P (P-type ATPase).Tất cả có cấu tạo giống nhau và đều bị ức chế bởi ouabain. Kiểu vận chuyển này rất phổ biến ở thực vật
bậc cao trong đó bơm H+ có nhiệm vụ bơm proton ra ngồi màng tạo chênh lệch khoảng 2
độ pH tương ứng với thế điện động xuyên màng khoảng 250mV. Để đẩy 1 proton ra ngoài phải tiêu tốn 1 ATP.
Heävận chuyển ATPase kiểu V. (V-type ATPase): Chịu trách nhiệm bơm proton vào một số ngăn nội bào (intracellular compartement) như: không bào ở thực vật và nấm mốc,
cho pH ở đấy giảm so với pH tế bào chất bao bọc xung quanh. Hệ V-ATPase hoạt động khác so với P-ATPase ở chỗ khơng có sự gắn và nhả nhóm phosphate. Tuy nhiên, cơ chế hoạt động của nó cịn chưa biết nhiều.
Hệvận chuyển ATPase kiểu (F-type ATPase) đóng vai trò trung tâm trong việc tạo năng lượng ATP ở vi khuẩn, ti thể và lục lạp. Gọi là hệ vận chuyển F-ATPase vì nó là yếu