Bài giảng Nguyên lý hoá sinh Bài 6: PGS.TS. Bùi Văn Lệ (Chi tiết)

David L. Nelson and Michael M. Cox

LEHNINGER PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY Sixth Edition

BÀI.6 LIPID-MÀNG SINH HỌC

© 2016 PGS.TS. BÙI VĂN LỆ

10.1 Lipids

Lipids là họ những hợp chất khó tan trong nước.

Lipids giử vai trò trong dự trử năng lượng và cấu trúc màng

Các vai trò khác lipids:

Cofactors enzyme Sắc tố hấp thu ánh sáng Hormones Phân tử truyền tín hiệu

- Lipids thường chứa phân tử acid béo: Acid béo là một acid carboxylic có chuổi carbon dài từ 4 đến 36 carbon - Các acid béo thông dụng trong tế bào thường từ 12 đến 24 carbon - Acid béo có thể bảo hòa (không có nối đôi) hay không trong cấu trạng bào hòa (có nối đôi) với nối đôi (configuration) cis Cách gọi tên aid béo: -16:0 là acid béo bảo hòa có 16 carbon không có nối đôi 20:2 (9,12) là acid béo bảo hòa có 20 carbon có nối đôi vị trí C-9 và C-12 (C-1 là COOH)

Hai quy tắc gọi tên các acid béo.

Sự nhóm các acid béo vào các tập hợp ổn định

3 nhóm hydroxyl của

• Tryglycerol chứa 3 phân tử acid béo bị ester hóa với glycerol. Một triacylglycerol đơn giản chỉ chứa 1 loại acid béo; triacyglycerol hỗn hợp chứa 2 hoặc 3 lọai khác nhau. Triacylglycerol là chất béo dự trữ sơ cấp hiện diện trong nhiều loại thực phẩm.

• Quá trình hydro hóa một phần dầu thực vật trong công nghiệp thực phẩm chuyển hóa các nối đôi cis sang cấu hình trans. Các acid béo dạng trans trong chế độ ăn là một yếu tố nguy cơ quan trọng trong bệnh tim mạch.

Triacylglycerols chứa ba acid béo ester hóa với glycerol

Tế bào mỡ của lợn Guinea

Tế bào từ hạt cây Arabidopsis

Triacylglycerols là năng lượng dự trử trong tế bào béo hay hạt thực vật

Độ bảo hòa acid béo trong thực phẩm liên quan đến độ tan chảy và trạng thái

Thành phần acid béo của ba loại chất béo thực phẩm

Nhiều thực phẩm chứa triacylglycerols

Triacontanoylpalmitate

Thành phần chính của sáp ong

Sáp là ester của acid béo dây dài Ex: Sáp ong là nguồn năng lượng dự trữ và chất chống thấm nước

10.2 Lipid cấu trúc trong các màng

• Các lipid phân cực, với các đầu phân cực và đuôi không phân cực, là những thành phần chính của màng. Dồi dào nhất là glycerophospholipid, chứa các acid béo ester hóa với 2 nhóm hydroxyl của glycerol và nhóm rượu thứ hai, nhóm ở đầu, ester hóa với nhóm hydroxyl thứ 3 của glycerol theo hướng liên kết phosphodiester. Các lipid phân cực khác là steroid.

biến

phổ

• Glycerophospholipid khác nhau về cấu trúc ở đầu; các là glycerophospholipid phosphotidylethanolamine và phosphotidylcholine. Các đầu phân cực của glycerophospholipid tích điện ở pH gần 7.

Cấu trúc chung của lipid dự trử và màng

Glycerophospholipids là cấu trúc chính màng sinh học chứa hai esters acid béo và liên kết phosphate với glycerol

Cấu trúc của phosphatidylcholine

Glycerophospholipids với acid béo liên kết ether

Phổ biến Trong tim

Quan trọng trong Phản ứng viêm nhiễm

Galactolipids và sulfolipids

Ba glycolipids của màng lục lạp

• Màng lục lạp giàu galactolipid, được cấu tạo bởi 1 diacetylglycerol với 1 hoặc 2 thành phần galactose liên kết với nhau và các sulfolipid, diacetylglycerol với thành phần đường sulfo hóa được liên kết, vì thế nhóm ở đầu tích điện âm.

Ribosomes

Stroma

Inner and outer membranes

Granum

DNA

Intermembrane space

1 m

Thylakoid (a) Diagram and TEM of chloroplast

• Vi khuẩn cổ có các lipid màng duy nhất với các nhóm alkyl chuỗi dài liên kết ether với glycerol ở cả hai đầu và với thành phần đường và/hoặc phosphate gắn với glycerol để tạo ra nhóm đầu tích điện hoặc phân cực. Những lipid này bền dưới các điều kiện khắc nghiệt nơi vi khuẩn cổ sống.

Vi khuẩn cổ chứa màng lipid đặc biệt

• Sphingolipid chứa sphingosine, một chuỗi dài nhóm alcohol aliphatic amino nhưng không chứa glycerol. Sphingomyeline, ngoài choline và phosphate, có 2 chuỗi hydrocarbon dài, 1 góp phần bởi acid béo và nhóm còn lại bởi sphingosine. 3 nhóm sphingolipid khác là cerebrodie, globoside và ganglioside chứa các thành phần đường.

Sphingomyelin tương tự cấu trúc phosphatidylcholine

Glycosphingolipids chứa các kháng nguyên nhóm máu hiện diện trên bề mặt của các tế bào hồng cầu

Glycosphingolipids là chất dùng xác định nhóm máu

Các carbohydrate trên sphingolipids xác định nhóm máu của bạn, ảnh hưởng đến nhóm máu mà bạn có thể nhận được trong truyền máu. Những sphingolipids hiện diện trên bề mặt hồng cầu. Kiều A cá thể có kháng nguyên A và kháng thể anti-B Kiểu B cá thể có kháng nguyên B và kháng thể anti-A Kiểu AB cá thể có kháng nguyên A và B và không kháng thể anti-A cũng không chống B Kiểu O cá thể có O kháng nguyên và cả anti-A và kháng thể anti-B Ví dụ: Kiểu A cá thể không thể nhận máu loại B. Bời vì tương tác kháng nguyên-kháng thể gây ngưng kết

Nhóm máu

Các phospholipases là các enzymes chuyên biệt dùng cắt glycerophospholipids

• Sterol có vòng dung hợp và 1 nhóm hydroxyl. Cholesterol, một sterol chính ở động vật, vừa là thành phần cấu trúc của màng vừa là tiền chất của nhiều loại steroid.

Sterols có bốn vòng carbon lắp với nhau

Cholesterol

Sterols have four fused carbon rings Cholesterol is the main sterol in animal tissues

Bile acids are synthesized from cholesterol Bile acids aid in emulsification of dietary fat in the intestine

10.3. Lipid là các tín hiệu, cofactor và sắc tố

• Một số loại lipid, mặc dù hiện diện ở lượng nhỏ nhưng đóng vai trò thiết yếu như cofactor hoặc tín hiệu.

inositol (DAG)

• Phosphatidylinositol biphosphate (PIP2) bị thủy thông tin nhỏ là chất phân tạo ra hai 1,4,5- và diacylglycerol triphosphate (IP3). Phosphatidylinositol 3,4,5- triphosphate là 1 điểm của các phức hợp protein liên quan đến truyền tín hiệu sinh học

Start here

Or Start here

• Prostaglandin, và

leukitriene thromboxane (eicosanoid), có nguồn gốc từ arachidonate, là những hormone cực kỳ tiềm năng

• Các hormone steroid, có nguồn gốc từ sterol, hoạt động như các tín hiệu sinh học mạnh mẽ như các hormone giới tính

Arachidonate là tiền chất cho các hormon eicosanoid Eicosanoids are involved in pain, fever, inflammation

Các sterol có dẩn xuất từ cholesterol

• Các vitamin D, A, E và K là những chất béo tan được cấu tạo bởi các đơn vị isoprene. Tất cả đều đóng vai trò cần thiết trong biến dưỡng hoặc sinh lý ở động vật. Vitamin D là tiền chất của 1 hormone điều hòa biến dưỡng calcium. Vitamin A củng cố sắc tố thị giác ở mắt động vật có xương sống và là chất điều hòa biểu hiện gen trong suốt quá trình tăng trưởng tế bào biểu bì. Vitamin E hoạt động trong việc bảo vệ lipid màng khỏi các tổn hại do oxy hóa, và vitamin K cần thiết cho quá trình đông máu

Một hormone điều hòa sự hấp thu Ca+2 trong ruột và mức calcium trong thận và xương

Rickets

Vitamin D3 được sản sinh trong da dưới tác động tia UV trên 7-dehydrocholestreol

Gene SLC24A5 Hai biến thể Sự khác biệt: chỉ một amino acid

Vitamin A1, tiền chất và dẫn xuất của nó Isoprene structural unit

Một vài hợp chất isoprenoid có hoạt tính sinh học khác

Liên quan đến sự hình thành prothrombin có hoạt tính

fibrinogen

fibrin

Ức chế sự hình thành prothrombin có hoạt tính

Wisconsin Alumni Research Foundation + arin

• Ubiquinone và plastoquinone cũng là các dẫn là những chất mang điện tử

isoprenoid, xuất trong ty thể và lục lạp.

• Dolichol hoạt hóa và neo đường vào màng tế bào; các nhóm đường sau đó được sử dụng trong tổng hợp các carbohydrate phức tạp, glycolipid, và glycoprotein

• Các dienne liên kết với lipid hoạt động như các sắc tố ở hoa, quả và đem đến cho bộ lông chim những màu sắc nổi bật.

Lipids là sắc tố ở thực vật và lông chim

10.4. Thao tác với lipid • Trong quá trình xác định các thành phần lipid, đầu tiên, các lipid được tách chiết khỏi mô bằng dung môi không phân cực và phân lập bằng các dạng sắc ký bản mỏng, sắc ký khí hoặc sắc ký lỏng cao áp (HPLC)

• Phospholipase đặc hiệu cho 1 trong các liên kết của phospholipd có thể sử dụng để tạo ra các chất đơn giản hơn bằng cách phân tích phía sau

• Các lipid riêng lẻ được xác định bởi sắc ký, bởi tính nhạy đối với

thủy phân bằng enzyme đặc hiệu hoặc bằng khối phổ.

• Lipidomic kết hợp các kỹ thuật phân tích mạnh để xác định toàn bộ phần bổ sung của các lipid trong tế bào hoặc mô (lipidome) và để tập hợp các dữ liệu được chú giải cho phép so sánh giữa các lipid của các loại tế bào khác nhau và dưới các điều kiện khác nhau

Working with Lipids

Xác định cấu trúc của acid béo bằng khối phổ

Màng tế bào

Phần lớn các tính chất góp phần cho cơ thể sống như: chuyển động, tăng trưởng, tái sinh và dinh dưởng tùy thuộc vào một trong hai tính chất trực triếp hay gián tiếp của màng. Thông thường tất cả màng sinh học có cùng tính chất chúng chứa các phân tử protein và lipid. Khái niệm được chấp nhận rộng rải dựa trên mô hình dạng khảm lỏng (fluid mosaic model) của Singer & Nicholson (1972) coi màng như là một lớp đôi lipid. Phần lớn các phân tử (thuyền) protein thì lơ lửng trong lớp đôi màng lipid và qui định phần lớn tính chất sinh học của màng. Màng sinh học đóng vai trò quan trọng trong các quá trình sinh hóa học. Mặc dầu mổi màng sinh học có tính chất riêng nhưng cơ cấu của màng thì hầu như giống nhau. Tỉ lệ lipid và protein thay đổi tương đối theo kiểu tế bào và theo các cơ quan của mổi kiểu tế bào. Kiểu của lipid và protein tìm thấy trong mổi màng tế bào củng thay đổi.

Cryo-ET of Caulobacter crescentus

Capsule (Gram-negative)

L. Comolli, LBNL

Each membranes in a cell has a unique lipid composition

Thành phần lipid của màng tế bào và màng bào quan của một tế bào gan chuột

Mô hình thể khảm lỏng của cấu trúc màng

Màng lipid. Khi một phân tử lưỡng tính pha trộn với nước. Chúng sẽ định hướng để tạo thành một cơ cấu lớp đôi lipid do các đầu tương tác kỵ nước và ưa nước với phân tử nước.

Như đã kể trước đây, các phân tử phospholipid tạo thành màng kép khi đủ các nồng độ và phù hợp năng lượng. Tính chất đó của phospholipid (và các phân tử lipid lưỡng tính khác) làm cơ bản của cơ cấu màng.

“liposome”

Membrane proteins can be integral, peripheral, or amphitropic.

Integral membrane proteins can only be removed by treatment with detergents that disrupt the lipid bilayer.

Các màng lipid (thành phần chính của phosphlipid) chịu trách nhiệm

chính cho việc:

1) Duy trì tính lỏng (tính lỏng này được xác định bởi phần trăm của acid béo không bảo hòa trong phân tử phospholipid của no. Phân tử chứa nhiều acid béo không bảo hòa tạo nên nhiều tính lỏng của màng hơn. Phân tử cholesterol có chứa cả hai cơ cấu cơ bản là vòng rắn chắc và đuôi hydrocarbon linh động không có tính lỏng lớn).

2) Tính thấm chọn lọc do tính kỵ nước của dây carbon trong lớp đôi lipid làm cho nó có một hàng rào không thể xâm nhập được của các ion và phân tử phân cực. Các protein đặc biệt của màng sẽ điều chỉnh sự chuyển động các chất như thế xuyên qua màng. Để xuyên qua màng kép lipid, một chất phân cực phải lấy đi một vài hay tất cả của sự hydrat hóa xung quanh nó để nối với một protein mang dùng để xâm nhập hay xuyên qua một kênh protein lỏng. Phần lớn sự chuyển động của nước kéo theo sự vận chuyển các ion. Các chất không phân cực khuếch tán đơn giản xuyên qua lớp lipid kép qua tính chất gradient của chúng. Mổi màng có khả năng vận chuyển riêng hay chọn lựa dựa trên các cấu tử protein của nó.

Cáu trúc cứng hơn

Cáu trúc lỏng hơn

3) Tính tự đóng mở của màng. Khi lớp đôi lipid bị đứt chúng lập tức tái lập tự nhiên vì một sự gián đoạn trên màng lipid làm ló ra các dây hydrocarbon kỵ nước với nước. Để kháng lại sự trả lời đó màng tế bào có thể gây tính chất tự đóng dùng để sửa chửa các lổi lầm đó. Trong tế bào sống một vài protein màng, protein sườn tế bào củng như ion calcium củng có tính tự đóng của màng.

4) Màng sinh học không đối xứng có nghĩa là thành phần lipid trong mổi lớp của màng thì khác nhau. Như màng tế bào hồng cầu người có nhiều phosphatidylcholine và sphigomyelin ở mặt ngoài. Phần lớn các phân tử phosphatidylserine và phosphotidylethanolamin thì ở mặt trong. Sự bất đối xứng của màng sinh học thì chưa rõ.

Sự phân bố bất đối xứng của phospholipids giữa lớp trong và lớp ngoài của màng tế bào hồng cầu

Các protein màng thường quyết định các chức năng sinh học của các màng đặc hiệu. Dựa vào vị trí của chúng, các protein màng có thể được sắp xếp như là dạng xuyên màng (Integral membrane protein) hay dạng ngoại vi (Peripheral membrane protein).

Các protein ngoại vi thường liên kết với màng ngang qua nối với protein xuyên màng một vài protein ngoại vi liên kết trực tiếp với lớp đôi lipid. Các protein ngoại vi dể tách ra khỏi màng do các tương tác yếu như nồng độ muối hay pH thay đổi.

Mô hình thể khảm lỏng của cấu trúc màng

Glycophorin is an integral membrane protein.

The carboxy terminus is in the cytoplasm of the cell.

A hydrophobic segment crosses the lipid bilayer.

The amino terminus is displayed on the surface of the cell and contains attached carbohydrate.

Các protein xuyên màng

Bacteriorhodopsin has seven hydrophobic α-helices that span the membrane

Bacteriorhodopsin, một protein xuyên màng

Halobacterium salinarum

Hydropathy plots indicate the number of transmembrane segments in an integral membrane protein

Examples of integral membrane proteins

Các protein màng liên kết-lipid

Lipid-linked membrane proteins

Effect of temperature on the fluidity of lipid bilayers

Organisms maintain the fluidity of their membranes

Motion of single phospholipids in a bilayer

Hai protein xuyên màng chủ yếu của hồng cầu là glycophorin (một loại glycoprotein có 31 KD và 131 đơn vị Aa chiếm 60% trọng lượng là carbohydrat) và protein kênh anion được cấu tạo bởi hai tiểu đơn vị giống nhau (mỗi cái chứa 929 Aa) thường đóng vai trò quan trọng trong vận chuyển CO2 trong máu. Thường CO2 - kết hợp sự được vận chuyển dưới dạng HCO3 trao đổi ion với ion Cl- trong máu để duy trì điện tích trong tế bào. Protein ngoại vi hồng cầu gồm phần lớn các spectrin, ankyrin.

Protein glycophorin trong hồng cầu

Chloride-bicarbonate exchanger of the erythrocyte membrane

Membrane proteins are often enriched in membrane microdomains called rafts

The protein caveolin causes the lipid bilayer to curve inward forming structures called caveolae

Chức năng của màng bao gồm sự vận chuyển các phân tử và ion xuyên màng, sự kết hợp của các hormone và các tín hiệu biến dưỡng ngoại bào khác. Cơ chế vận chuyển được điều chỉnh tùy theo tế bào. Như màng sinh chất nhu cầu của mổi (plasma membrane) điều chỉnh sự vào các chất dinh dưởng và ra của các sản phẩm nước thải. Thêm vào đó nó còn điều chỉnh các ion nội bào. Bởi vì lớp đôi lipid thì không thấm đối với các ion và chất phân cực, một sự vận chuyển chuyên biệt phải được thực hiện xuyên qua màng tế bào. Các sự vận chuyển này được thực hiện qua các protein thấm hay các protein vận chuyển xuyên qua màng tế bào.

Các cơ chế vận chuyển sinh học được phân loại theo sự có hay không có năng lượng cần dùng. Phần lớn các kiểu vận chuyển sinh học bao gồm sự vận chuyển thụ động (passive transport) không cung cấp năng lượng trực tiếp như sự khuếch tán giản đơn (simple diffusion) và sự khuếch tán thuận lợi (facilitated diffusion) và sự vận chuyển tích cực (active transport) cần năng lương như sự vận chuyển sơ cấp (primary active transport) và sự vận chuyển thứ cấp (secondary active transport).

Vận chuyển chất tan qua màng

Aquaporins (water channels)

(Na/K-ATPase)

(ions)

(steroid hormones)

(glucose, AA)

(Na/H, Cl/HCO3)

(Na/K/Cl2, Na/AA, Na/glucose)

PUMP

PASSIVE TRANSPORT Molecular movement driven solely by electrochemical gradient

PRIMARY ACTIVE TRANSPORT Molecular movement driven by an energy source, e.g. ATP

SECONDARY ‘ACTIVE’ TRANSPORT Molecular movement driven by concentration gradient of co- or counter-transported molecule

HCO3, bile salts, and some vitamins also carried by Na symporter)

Also: H,K-ATPase (stomach), H- ATPase (many organelles), Ca- ATPase (muscle cells)

Three general classes of transport systems

Two types of active transport

Trong sự khuếch tán giản đơn mổi chất tan di chuyển theo hướng giảm gradient nồng độ của nó (từ nồng độ cao-> thấp). Đây là một sự vận chuyển tự nhiên cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng có sự tăng độ bất thứ tự entropy của hệ thống và G <0.

Trong sự khuếch tán thuận lợi của một vài phân tử lớn hay mang điện tích xảy ra ngang qua các kênh protein hay chất mang chuyên biệt. Các kênh là các protein xuyên màng như một đường hầm (tunnel-like). Mổi loại protein đặc hiệu cho sự vận chuyển một chất tan chuyên biệt. Các kênh được điều chỉnh bởi các tín hiệu hóa học hay điện thế. Các kênh điều chỉnh tín hiệu hóa học mở hay đóng tùy theo các tín hiệu chuyên biệt.

Movement of solutes across a permeable membrane

Chemical Force and Electrical Force

Chemical Force

There are two forces affecting the diffusion of ions across a membrane.

1. Concentration gradient (red) 2. Electrical gradient (transmembrane electrical potential)- Vm (blue)

These forces can be in the same or opposite direction.

K+

The concentration and electrical forces are considered when determining the energy (G) to move one mole of a molecule into a cell.

Free energy change for uncharged molecule = G = RT ln ( Cin / Cout) For charged molecule G = RT ln ( Cin / Cout) + FVm

Z=valence, F=96,500 J/V*mol, Vm=TM electrical potential (volts)

Eukaryotic cells normally have an electrical potential of ~0.1 V (- inside)

Example: A cell has an internal glucose concentration of 0.01 M. The external concentration of glucose is 0.1 M. What is the free energy change for glucose transport into the cell

at 25ºC?

Free energy change for uncharged molecule = G = RT ln ( Cin / Cout) G = (8.314 J/mol*K) (298K) ln ( 0.01 M / 0.1 M) G = -5705 J/mol = -5.7 kJ/mol

Example: A cell has an internal sodium concentration of 0.01 M. The external concentration of sodium is 0.1 M. What is the free energy change for sodium transport into the cell at 25ºC? The transmembrane potential of the cell is –0.1 V.

For charged molecule G = RT ln ( Cin / Cout) + FVm G = -5705 J/mol + (+1)(96,500 J/V*mol) (-0.1 V) G = -5705 J/mol + (-9650 J/mol) G = -15355 J/mol = -15.4 kJ/mol

Transport proteins facilitate transfer of solutes across membranes

Differences between channels and transporters