Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội - Bài giảng Sinh học tế bào – Đặng Minh Hiếu, Ph.D

CHƯƠNG II: MÀNG TẾ BÀO VÀ QUÁ TRÌNH

VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT THÔNG TIN

2.1. Lược sử nghiên cứu màng tế bào

2.2. Cấu trúc màng sinh chất

2.3. Màng tế bào và quá trình vận chuyển vật chất,

thông tin

TÀI LIỆU THAM KHẢO

¢ Lodish, H., et al. Molecular Cell Biology, 5th

Edition. (August 2003), W. H Freeman & Company.

1

¢ Bernardi, G (General Editor). Biochemistry of Lipids, Lipoproteins and Membranes, 4th Edition. (2002), Elservier.

¢ Krauss, G. Biochemistry of Signal

Transduction and Regulation, 3rd Edition. (2003), Wiley-VCH Verlag.

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

1

2

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

Dòng thời gian | Thế kỷ về lớp màng kép của tế bào

Sau nhiều tranh cãi, giả thuyết các chất béo màng tế bào được xắp xếp như một lớp kép được đưa ra.

Chúng ta đang chờ đợi một mô hình mới là sự kết hợp các đặc tính của màng tế bào có nhân điển hình, điều mà đã trở lên cấp bách kể từ khi chúng lần đầu tiên được xác định.

Sự quan trọng của các quá trình vận chuyển qua màng để đạt được trạng thái cân bằng ổn định màng – sinh chất bắt đầu được quan tâm

Lord Rayleigh, Agnes Pockels và nhiều người khác bắt đầu nghiên cứu về sự dàn ra của dầu trên mặt nước

Langmuir xuất bản mô hình làm thế nào các phân tử dầu định hướng tai mặt phân cách không khí/nước dực trên sự phát triển của mô hình Pockels

Danieli và Davson mô tả sự ảnh hưởng của mô hình màng có gắn chất béo và protein

Tính lưu động của màng chất béo được phát hiện bằng vài phương pháp. Sự khuyếch tán ngang và xoay của các protein màng bắt đầu được chứng minh bởi vài phòng thí nghiệm.

Robertson tranh luận rằng các màng tế bào có cấu trúc tương tự

Thực tế rằng các chất béo màng và các vùng protein có rất nhiều chức năng thuộc tế bào bắt đầu được chấp nhận.

Gortel và Grendel sử dụng phương pháp Langmuir để nghiên cứu lớp màng kép của tế bào máu.

Các dữ liệu về thành phần protein màng và sự di động được kết hợp vào mô hình thể khảm lưu động của màng tế bào.

Mô hình vùng được đề xuất chỉ ra rằng các màng có thể ở thể khảm hơn là thể lưu động.

Overton mô tả hàng rào chất béo giữa nguyên sinh chất của tế bào nhân chuẩn và môi trường bên ngoài. Thí nghiệm này cũng tập trung sự chú ý vào lớp màng bề mặt của tế bào có thể dễ dàng sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm

3

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

2

4

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

(Những năm 1920 - 1930)

HÀNG RÀO CỦA TẾ BÀO VÀ TÍNH THẨM THẤU

qCác phân tử hòa tan trong chất béo thường dễ đi qua hàng rào

tế bào hơn là những phân tử hay ion hoa tan trong nước.

--> Hàng rào bề mặt tế bào được phỏng đoán là các lipid hay

chất tương tự chứa nhiều cholesterol và phospholipid.

qMàng tế bào có độ dày khoảng 4 nm (Fricke, 1925) và được

bao bọc bởi các protein (Harvey và Cole, 1935; Danielli và

Davson, 1935).

5

(Những năm 1920 - 1930)

MÀNG LIPID ĐƠN VÀ CẤU TRÚC MÀNG

q Năm 1917, Langmuir cải tiến phương pháp của Pockels đo sức căng của màng

phân tử khi được trải ra trên bề mặt nước và chỉ ra rằng các lipids tạo thành lớp

màng đơn trên bề mặt nước; và các chuỗi hydrocarbon linh hoat và bị bẻ cong

khi hướng ra khỏi bề mặt nước.

q Năm 1925, Sử dụng phương pháp

Langmuir xác định diện tích trải ra của

các phân tử lipid của tế bào máu, Gorter

và Grendel kết luận rằng “các tế bào máu

được bao bọc bởi lớp màng có độ dày 2

phân tử lipid”.

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

3

6

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

CÁC MÀNG CÓ TÍNH LỎNG (Những năm 1950 - 1980)

q Tất cả các màng bào quan của tế bào có cấu trúc

giống nhau (Robertson, 1959) .

qMàng lipid kép dịch chuyển theo nhiều khoảng

thời gian và khoảng cách khác nhau, linh hoạt và

phân tán trên bề mặt của màng. Nói cách khác,

màng lipid kép giống dung dịch hơn là thể rắn.

(McConnell và Chapman).

qMột vài protein có thể dễ dàng khuyếch tán trong

lớp lipid kép (Cone, Poo, Frye và Edidin; những năm

1970s).

7

(Những năm 1950 - 1980) CÁC MÀNG CÓ THỂ KHẢM

q Thí nghiệm của Singer và Nicolson năm 1972

phân biệt các protein bề mặt và protein gắn trong

màng tế bào máu đã chỉ ra mô hình thể khảm lưu

động của màng tế bào. Các thể khảm là các protein

gắn trên màng.

q Trên mô hình 1980s, các màng phần lớn có cấu

trúc lớp kép lipid với các protein được gắn trên đó.

Lớp màng kép có tính động học cao; các lipid,

protein có thể linh hoạt, quay và khuyếch tán bên

trong lớp màng.

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

4

8

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

CÁC VÙNG CỦA MÀNG (Những năm 1990)

q Những năm 1990, các lipid được tin là

tạo thành các “vùng” trên màng tế bào.

q Mô hình “mảng lipid” giả thiết rằng

các lipid được phân loại sẽ phân biệt

thành mảng có chứa nhiều các

cholesterol và sphingolipid.

9

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

5

10

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

Nguồn: http://www.life-enhancement.com/

ØBao bọc quanh tế bào, phân cách phần bên trong của tế bào với môi trường bên ngoài.

ØCấu trúc hai lớp, chứa chủ yếu là các protein và lipid.

ØProtein hoạt động như các kênh vận chuyển, khảm vào lớp lipid kép một cách linh

động. Ngoài ra còn một số các phân tử carbonhydrates và các cholesteron có chức năng

tăng cường sự ổn định.

Nguồn: http://www.nature.com/

11

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

6

12

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

Phospholipid là lớp các lipid trong thành phần cơ bản của màng tế bào. Các phân tử Phospholipid cấu tạo bởi một gốc diglyceride, một nhóm phosphate và một phân tử hữu cơ đơn giản như Choline.

13

Sphingolipid là lớp các lipid có nguồn gốc từ rượu béo sphingosine amin, là chất đóng vai trò quan trọng trong vận chuyển tín hiệu và nhận biết tế bào.

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

7

14

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

Cholesterol

15

“Mảng lipid”

(Lipid rafts) là

khu vực giàu

sphingolipid và

cholesterol ở lớp

ngoài của màng

tế bào.

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

8

16

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

Glycoprotein là các protein chứa các oligosaccharide liên kết cộng hóa trị với chuỗi polypeptide. Các glycoprotein thường là các protein liên kết màng quan trọng, đóng vai trò trong tương tác tế bào với tế bào.

17

Các protein ngoại vi, protein gắn màng và các kênh vận chuyển

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

9

18

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

Thành tế bào là lớp màng cứng, linh hoạt nhưng đôi lúc

khá cứng nhắc, bao quanh một số loại tế bào. Thành tế

bào bao bọc bên ngoài lớp màng tế bào, hỗ trợ cấu trúc

và bảo vệ tế bào, đồng thời hoạt động như một lớp

màng lọc.

Cấu trúc:

v Cellulose (Thực vật)

v Peptidoglycan (Vi khuẩn)

v Glycoprotein, seudopeptidoglycan

hay polysaccharide (vi khuẩn cổ)

v Chitin (nấm)

v Glycoprotein và polysaccharide

(tảo xanh)

19

Ø Vỏ tế bào là cấu trúc của những tế

bào không nhân như vi khuẩn. Vỏ tế bào

bao bọc bên ngoài thành tế bào va

thường cấu trúc bởi các polysaccharide,

nhưng đôi khi cũng có thể cấu trúc từ

vật liệu khác (vi dụ polypeptide trên B.

anthracis).

ØVỏ tế bào thường được xem là tác nhân virut vì nó tăng cường khả năng gây

bệnh của vi khuẩn. Vỏ cũng chứa nước để bảo vệ vi khuẩn chống lại sự thiếu nước,

ngăn chặn các virus và các loại vật liệu độc kỵ nước như chất tẩy rửa. Có 14 loại vỏ

tế bào khác nhau, mỗi loại truyền đạt loại kháng nguyên cụ thể. Miễn dịch đối

với một loại kháng nguyên không co nghĩa miễn dịch đối với các loại khác. Vỏ tế

bào còn giúp các tế bào bám vào các bề mặt.

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

10

20

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

II.3.1. Động học của các quá trình vận chuyển

II.3.2. Vận chuyển thụ động

II.3.3. Vận chuyển chủ động

21

AGD

yD

Thế điện hóa của ion A

in

G

RT

D

=

yD

A

FZ A

Điện thế màng

[ ] A [ ] A

out

æ çç ln è

ö +÷÷ ø

AZ [ ]A Nồng độ của ion A

Điện tích của ion A

Vận chuyển không qua trung gian (non-mediated

transport) là quá trình khuyếch tán đơn giản, trong khi vận

chuyển qua trung gian (mediated transport ) là quá trình

có sự tham gia của các protein vận chuyển.

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

11

22

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

II.3.2 Vận chuyển thụ động

Ø Là quá trình vận chuyển mà trong đó các phân tử dịch

chuyển từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ

thấp.

Ø Các chất quá lớn hoặc quá phân cực để có thể tự

khuyếch tán qua lớp lipid kép có thể được vận

chuyển bởi các protein hoặc các phân tử vận

chuyển.

23

Ionophores là các phân tử

hữu cơ rất đa dạng, thường

có nguồn gốc vi khuẩn, làm

tăng tính thẩm thấu của

màng với các ion.

1. Carrier ionophores: làm tăng tính thẩm thấu của màng bằng cách gắn

với ion chọn lọc sau đó khuyếch tán qua màng và giải phóng ion ở một

mặt khác của màng.

2. Channel forming ionophores: tạo thành các kênh hay lỗ, qua đó các ion

có thể khuyếch tán qua màng.

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

12

24

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

25

Ø Cấu tạo dạng thùng tạo

bởi các cấu trúc protein bậc

2 Beta với kênh lỏng ở trung

tâm. Thường được tìm thấy

trên lớp vỏ ngoài của tế bào

vi khuẩn gram âm và một số

vi khuẩn gram dương, trên

ty thể và luc lạp.

Ø Porin thường kiểm soát

việc vận chuyển các chất

như đường, ion và axit amin.

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

13

26

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

Tất cả các tế bào đều có những kênh ion đặc biệt cho

phép vận chuyển nhanh chóng các ion như Na+, K+, và

Cl-. Sự di chuyển của các ion này qua các kênh cùng với

sự vận chuyển chủ động, là cần thiết để đảm bảo sự cân

bằng thẩm thấu, sự vận chuyển tín hiệu, và những thay

đổi trong tiềm năng màng.

27

Cấu trúc homotetramer, mỗi tiểu phần gồm hai chuỗi xoắn. 4 chuỗi xoắn ở giữa tạo thành lỗ trung tâm, trong khi 4 chuỗi xoắn ngoài đối diện lớp màng lipid kép. Các ion K+ và các phân tử nước chiếm khu vực trung tâm của lỗ.

Cấu trúc X-ray của kênh K+ KcsA

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

14

28

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

Các ion K+ được bao bọc bởi một lớp vỏ hydrate. Lớp vở này sẽ được gỡ bỏ khi ion K+

di chuyển dọc kênh.

Các nguyên tử O trong

chuỗi acid amin của các

protein xắp xếp dọc kênh

tạo thành các vòng có

kích thước chỉ phù hợp

với các ion K+ đã loại lớp

vỏ hydrate mà không

phải các ion Na+ có kích

thước nhỏ hơn. Do vậy

tính chọn lọc của kênh

đối với K+ cao hơn nhiều

so với Na+.

Các kênh ion thường đóng và chỉ mở để thực hiện một vài nhiệm vụ đặc biệt của tế

bào. Quá trình đóng và mở của các kênh ion, được biết đến như là quá trình đóng mở

van, có thể xuất hiện để đáp ứng một trong các kích thích sau:

29

1. Kênh mechanosensitive (Mechanosensitive channels): mở để đáp ứng sự biến

dạng cục bộ trên lớp lipid kép, chẳng hạn đáp ứng các kích thichs vật lý như tiếp

xúc, tiếng động, và những thay đổi trong áp suất thẩm thấu.

2. Kênh van phối tử (ligand-gated channels): mở khi đáp ứng các kích thích hóa

học bên ngoài tế bào, chẳng hạn các dẫn chuyền thần kinh.

3. Kênh van tín hiệu (signal-gated channels): mở khi liên kết với ion Ca2+ trong tế

bào hoặc một vài phân tử tín hiệu khác.

4. Kênh van điện thế (voltage-gated channels): mở khi đáp ứng các thay đổi trong

điện thế màng.

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

15

30

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

Xung thần kinh được truyền bởi các

điện thế hoạt động (action potentials)

Điện thế màng cục bộ tăng kích thích kênh van

điện thế Na+ bên cạnh mở. Quá trình khử phân

cực (depolarization) khiến kênh van điện thế

K+ gần đó mở, cho phép các ion K+ chảy ra khỏi

tế bào trong quá trình gọi là tái phân cực

(repolarization). Tuy nhiên ngay trước khi sự

phân bố ion Na+ và K+ qua màng tế bào đạt cân

bằng thì các kênh Na+ và K+ đồng loạt đóng.

Quá trình khử phân cực của một khu vực màng

kích thích mở kênh Na+ trên khu vực khác của

màng. Quá trình lan truyền thay đổi trong điện

thế màng (membrane potential) như vậy được

gọi là điện thế hoạt động (action potential).

Các tiểu phần của tất cả các kênh

van điện thế K+ bao gồm 220 gốc

acid đầu N trong tế bào chất.,

250 gốc vùng xuyên màng gồm 6

chuỗi xoắn từ S1 đến S6, và một

chuỗi 150 gốc đầu C trong tế bào

chất. Giữa tiểu phần S5 và S6 có

một vòng P có cấu trúc tương

Chuỗi xoắn S4, gồm 19 gốc, chứa xấp xỉ 5 điểm tích

đồng với kênh KcsA. Vùng T1

điện dương cách nhau mỗi 3 gốc trên chuỗi peptide

gồm 100 gốc không thay đổi

trong các kênh van điện thế K+

ky nước hoạt động như là cảm ứng điện thế. Khi

(Kv channels).

điện thế màng thay đổi, ít nhất 7 gốc tại đầu N của

chuỗi S4 di chuyển ra bên ngoài màng. Hành động

này được xem như sự kích hoạt mở kênh ion.

31

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

16

32

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

Kênh van điện thế K+ có hai van nhạy

cảm điện thế, một van để mở kênh khi

điện thế màng tăng (Na+ chảy vào trong

tế bào) và một van để đóng kênh một

thời gian ngắn sau đó.

Quá trình đóng kênh xảy ra khi cấu

trúc dạng cầu, gồm 20 gốc tại đầu

Mô hình van cho các kênh Kv

N, của Kv channel di chuyển và gắn

vào lỗ trung tâm trên kênh K+.

33

Các kênh Cl- khác các kênh cation

Kênh Cl- xuất hiện trên

tất cả các tế bào cho

phép vận chuyển các ion

Cl- dọc gradien nồng độ.

Trong động vật có vú,

nồng độ Cl- bên ngoài tế

bào là ~120 mM và trong

Cấu trúc X-ray của kênh Cl- ClC của Salmonella typhimurium

tế bào là ~4 mM.

Cấu trúc của kênh Cl- của vi khuẩn cho thấy kênh Cl- có cấu trúc homodimer (đồng

nhị hợp) với mỗi tiểu phần tạo thành một lỗ chọn lọc anion. Mỗi tiểu phần gồm 18

chuỗi xoắn xuyên màng có độ dài thay đổi. Trên hình, các tiểu phần có màu sắc khác

nhau, hình cầu màu xanh đại diện cho ion Cl- trong màng chon lọc.

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

17

34

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

Cấu trúc X-ray của

Aquaporin AQP1 từ máu bò

Mô hình kênh vận chuyển nước của

Aquaporin AQP1 từ trong màng

1. Glucose liên kết với protein tại một mặt

của màng.

2. Sự thay đổi về cấu tạo đóng vị trí liên

kết đầu tiên và mở vị trí liên kết tại mặt

kia của màng.

3. Glucose tách khỏi protein.

4. Vòng vận chuyển được hoàn thành với

việc chuyển đổi của GLUT1 về hình dạng

cấu tạo ban đầu với sự vắng mặt của

glucose.

35

Mô hình vận chuyển glucose bởi

GLUT1 (protein vận chuyển glucose

trên tế bào máu )

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

18

36

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

1. Uniport: Vận chuyển một phân

tử trong 1 lần. Ví dụ GLUT1 là

một uniport.

2. Symport: Vận chuyển cùng

chiều cùng lúc hai phân tử khác

nhau.

3. Antiport: Vận chuyển ngược

chiều cùng lúc hai phân tử khác

nhau.

37

II.3.3 Vận chuyển chủ động

Ø Vận chuyển chủ động là quá trình thu nhiệt trong đó gắn

liền với hoạt động thủy phân ATP.

Ø Có hai loại vận chuyển chủ động

1. Vận chuyển chủ động chính: các cation được vận chuyển bởi các

enzym ATPase gắn màng.

2. Vận chuyển chủ động phụ: vận chuyển bằng gradien điện từ tạo bởi

một cơ chế khác, chẳng hạn các bơm ion ATPase (sử dụng để vận

chuyển các phân tử trung tính ngược với gradien nồng độ của chúng)

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

19

38

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

3Na+(vào) + 2K+(ra) + ATP + H2O ⇋

3Na+(ra) + 2K+(vào) + ADP + Pi

(Na+-K+)-ATPase

Sơ đồ vận chuyển chủ động ion Na+ và K+ bởi (Na+-K+)-ATPase

39

Sơ đồ vận chuyển chủ động ion Ca2+ bởi (Ca2+)-ATPase

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

20

40

Hieu M.Dang @HUST

10/13/20

Vận chuyển Glucose trong biểu mô ruột

41

Sơ đồ quá trình đồng vận chuyển proton H+ và lactose bởi lactose permease trên E.coli

Cell Biology / Chap 2 - Cell membrane and Membrane transports

21

42