Tế bào sống luôn 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 ngoài. Dòng 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.
Trao đổi chất và năng lượng
101
http://www.ebook.edu.vn 101
Bảng 7.1. Bảng tổng quát các hệ vận chuyển.
Kieồu vận chuyển
protein vận chuyeồn
Bảo hòa cô chaát
Tạo gradient nồng độ
Phụ thuộc năng lượng
Thớ duù
Khuếch tán Không Không Không Không H2O, O2, N2,CH4
Vận chuyển thụ động
có có không không Glucose
permease ở hộng caàu Vận chuyển
tích cực Sô caáp Thứ cấp
co ù co ù
co ù co
ù
co ù co
ù
co ù co ù
H+ATPase và N+K+ATPase Aminoacid và
đường
Kênh ion có không không không Kênh 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 quá trình khuếch tán đơn giản phải có mức năng lượng hoạt hóa cao.
Điều này sở dĩ 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 toàn 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 dạng ion vận chuyển thụ động (passive transport) qua màng nhờ protein vận chuyển (transport protein) của màng. Chúng hoạt động khá giống enzyme, nhưng không phải là enzyme vì protein vận chuyển không thay đổi trong quá trình vận chuyển.
Protein vận chuyển làm giảm năng lượng hoạt hóa cần cho quá trình vận chuyển nhờ tạo ra vô 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.
Trao đổi chất và năng lượng
102
http://www.ebook.edu.vn 101
Sau đây là một số trường hợp vận chuyển thụ động:
Trao đổi chất và năng lượng
103
http://www.ebook.edu.vn 102
Hình 33. Thay đổi năng lượng tự do trong vận chuyển và khuếch tán qua màng khi có và không có protein vận
q chuyeồn
a/ Vận chuyển glucose qua màng hồng cầu. Tế bào hồng cầu luôn 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 không có protein vận chuyển. Động học quá trình vận chuyển glucose qua màng giống hệt như động học quá trình xúc tác. (Hình 33).
màng tế bào: Sự đồng vận chuyển Cl- và HCO - ô hấp ở cơ thể động vật. Bình thường CO2 thải ra từ các mô trong quá trình hô hấp được thu vào hồng cầu và biến đổi thành
bicarbonate (HCO - ) tan trong huyết tương mạnh hơn nhiều so với CO . Điều này cho
pheựp huyeỏt tửụng3 2
vận chuyển được nhiều hơn CO2 tới phổi. Ở phổi HCO - lại quay trở lại hồng cầu và biến đổi về lại dạng khí CO2. Có nghĩa là để cho quá 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 HCO - qua màng hồng cầu được gia tăng hàng trieọu laàn.
Protein vận chuyển HCO - cũng có 12 đoạn peptide xen kẽ xuyên màng tạo khe vận chuyển HCO -. Trong khi protein vận chuyển glucose có hướng từ ngoài vào trong hồng cầu thì protein vận chuyển HCO - lại hoạt động theo cả hai hướng. Trong thực tế quá trình vận chuyển HCO - 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 HCO - và Cl- qua màng hồng cầu (hình 34)
b/ Cl- và HCO3- đồng vận chuyển qua
ua màng hồng cầu xẩy ra trong quá trình
3
3
3
3 3
3 3
3
Trao đổi chất và năng lượng
103
http://www.ebook.edu.vn 103
Hình 34. Ba hệ vận chuyển khác nhau theo cơ chất và hướng vận chuyển của cơ chaát.
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 không 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 không xảy ra ngẫu nhiên mà phải kèm theo sự tiêu tốn năng lượng (ATP), hoặc 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 nghĩa 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 ngoài. Nồng độ Na+ bên trong bao giờ cũng thấp hơn bên ngoài. Sự phân bố không 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 quá trình vận chuyển này enzyme nói trên thủy giải ATP cung cấp năng lượng để bơm đồng thời 3 ion Na+ ra ngoài và 2 ion K+ vào 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 không 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 ngoài và gắn với 2 K+ từ môi trường bên ngoài. 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).
Trao đổi chất và năng lượng
104
http://www.ebook.edu.vn 103
Do sự phân bố không 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 ngoài). Theo tính toán khoảng 25% năng lượng của cơ thể thường xuyên phải tiêu tốn để duy trì hệ
Trao đổi chất và năng lượng
104
http://www.ebook.edu.vn 104
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 nghĩa là tên thuốc độc.
Hình 35. Sơ đồ vận chuyển Na+ và K+ qua màng.
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 mô tả ở trên thuộc hệ vận chuyển có tên chung là hệ vận chuyển ATPase kiểu 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 ngoài 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.
Hệ vận 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
Trao đổi chất và năng lượng
105
http://www.ebook.edu.vn 104
nấm mốc, lysosome, endosome, bộ máy golgi và các bộ phận bài tiết khác ở tế bào động vật và làm
Trao đổi chất và năng lượng
105
http://www.ebook.edu.vn 105
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 không có sự gắn và nhả nhóm phosphate. Tuy nhiên, cơ chế hoạt động của nó còn chưa biết nhiều.
Hệ vận 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 tố tạo năng lượng thông qua phản ứng tạo ATP từ ADP và Pi song hành với sự vận chuyển proton qua màng từ nồng độ cao xuống nồng độ thấp. Sự chênh lệch nồng độ H+ được tạo bởi năng lượng sinh ra trong quá trình hô hấp và puang hợp ở ti thể và lục lạp. Do vậy, F- type ATPase còn được gọi là hệ enzyme ATPase.
Sự chênh lệch nồng độ hai bên màng cung cấp năng lượng cho quá trình vận chuyển tích cực ion thứ cấp.
Sự chênh lệch nồng độ ion Na+ và H+ sinh ra trong tiến trình trao đổi chất nói chung chủ yếu nhờ năng lượng nhận được từ quang năng, từ quá trình oxy hóa, và phản ứng thủy phân ATP sẽ là động lực cho quá trình đồng vận chuyển tích cực các ion khác ngược với gradient nồng độ của chúng. Thí dụ, lactose được vận chuyển ngược với gradient nồng độ vào E. coli nhờ hệ vận chuyển có tên gọi là galactosidase permease cho phép duy trì nồng độ lactose ở bên trong E. coli cao hơn 200 lần so với bên ngoài. Điều này đạt được nhờ sự đồng vận chuyển lactose và H+ vào bên trong E.
coli (hình 36).
Hình 36. Sơ đồ hấp thu lactose
Tương tự, ở màng ruột glucose và một số aminoacid cũng được hấp thu vào bên trong tế bào nhờ quá trình đồng vận chuyển Na+ theo chiều gradient nồng độ. Ở phần lớn tế bào động vật ion Ca2+ cũng được duy trì nhờ cơ chế đồng vận chuyển theo chiều ngược với Na+, 1 ion Ca2+ được bơm ra ngoài tế bào đồng thời với 3 ion Na+ được bơm vào trong tế bào. Sự đồng vận chuyển vật chất cùng hướng (hoặc ngược hướng) với sự vận chuyển Na+ từ bên ngoài vào tế bào được duy trì nhờ hệ Na+K+ATPase đóng vai trò chính trong nhiều quá trình vận chuyển vật chất xuyên màng.
Do vai trò cực kỳ quan trọng của sự chênh lệch nồng độ ion hai bên màng nên bất kỳ yếu tố nào gây xáo động quá trình hình thành nó đều gây hại đối với cơ theồ soỏng.