Vận chuyển các chất qua màng

Chia sẻ: Nguyễn Thị Giỏi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

523
lượt xem 162
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Vận chuyển các chất qua các màng sinh học có thể được thực hiện nhờ 3 cơ chế khác nhau về mặt nguyên lí sau, phụ thuộc vào kích thước phân tử, mức độ kị nước các đặc điểm cấu trúc của chúng: 1. Khuyến tán đơn giản qua lớp lipid và ở một mức độ nào đó – qua vùng phân cực của màng. 2. Vận chuyển đặc hiệu với sự tham gia của các chất vận chuyển, loại vận chuyển này bao gồm cả các hệ thống trong đó những chất...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Vận chuyển các chất qua màng

VẬN CHUYỂN QUA MÀNG
MỞ ĐẦU Vận chuyển các chất qua các màng sinh học có thể được thực hiện nhờ 3 cơ chế khác nhau về mặt nguyên lí sau, phụ thuộc vào kích thước phân tử, mức độ kị nước các đặc điểm cấu trúc của chúng: 1. Khuyến tán đơn giản qua lớp lipid và ở một mức độ nào đó – qua vùng phân cực của màng. 2. Vận chuyển đặc hiệu với sự tham gia của các chất vận chuyển, loại vận chuyển này bao gồm cả các hệ thống trong đó những chất được vận chuyển phải trải qua một số biến đổi hóa học nhất định trong quá trình vận chuyển. 3. các cơ chế vận chuyển đồng hành với những biến đổi đáng kể trong kiến trúc của màng (dù là những biến đổi nhất thời), như sự ẩm bào và vận chuyển các biopolymer.
Các định luật khuyếch tán
Định luật 1 Fic Số lượng hạt của một chất (n) khuyếch tán dọc theo trục x qua 1 đơn vị diện tích (1/A) vuông góc với trục này trong 1 đơn vị thời gian bằng: (1/A).(dn/dt) = - D.(∂c/∂x) Trong đó A là diện tích bề mặt, D là hệ số khuyếch tán, c là nồng độ của chất khuyếch tán Khi nghiên cứu quá trình vận chuyển thì vế trái của phương trình trên được gọi là dòng (của chất khuyếch tán) và được kí hiệu bằng kí tự J. Như vậy, theo định luật 1 Fic thì dòng của một chất tỉ lệ thuận với hệ số khuyếch tán và gradient nồng độ của chất đó (∂c/∂x) tại một điểm đã cho trên trục x vào một thời điểm nhất định, dấu “−” trong công thức này vì dòng di chuyển các chất ngược chiều với hướng của gradient nồng độ các chất đó.
định luật 2 Fic Tuy nhiên trong trường hợp đơn giản nhất định luật 1 Fic cũng chỉ đúng khi khuyếch tán qus một lớp mỏng chất lỏng phân cách 2 khoang chứa với các dung dịch không bị pha trộn. Khi mô tả quá trình khuyếch tán trên một khoảng cách lớn hơn, trong trường hợp đơn giản nhất cũng không áp dụng được định luật 1, vì quá trình có ít nhất 4 thông số, Trong trường hợp này phải chuyển phương trình mô tả định luật 1 sang dạng phương trình vi phân trong các đạo hàm riêng, sẽ được phương trình vi phân mô tả sự khuyếch tán trên một khoảng cách lớn hơn: (∂c/∂t) = D .(∂2c/∂x2) Đây chính là định luật 2 Fic. Theo định luật này, tốc độ biến đổi nồng độ tỉ lệ thuận với đạo hàm bậc 2 của nồng độ theo trục x.
Phương trình Teorell Về mặt hiện tượng, định luật 1 Fic có thể được coi là trường hợp riêng của phương trình (công thức) khái quát của khuyếch tán (Teorell) đối với dòng chất: Dòng chất = độ di động × nồng độ × động lực toàn phần Khi khác ngoại lực thì hệ thống sẽ tiến tới trạng thái cân bằng. trong trạng thái này chất đó có thế năng hóa học như nhau tại mọi điểm trong dung dịch (vf dung dịch đồng nhất, không có sự khác biệt về nồng độ của chất hòa tan). Khi mô tả quá trình khuyếch tán động lực toàn phần của quá trình chính là thế năng hóa học μ, và định luật 1 có thể viết ở dạng: J = (1/A).(dn/dt) = - Uc.(∂µ/∂x) Trong đó U độ di động của chất khuyếch tán, c là nồng độ của nó .
Thế năng hóa học của các phân tử trong dung dịch loãng lí tưởng là: μ = μo + RT lnc Từ đó dễ thấy hệ số khuyếch tán D = RTU Hệ số khuyếch tán của các chất có phân tử lượng thấp khoảng 10-5 cm2/s (của nước là 2,5⋅10-5 cm2/s và của sacaroza là 0,5⋅10-5 cm2/s). Bởi vì trong quá trình khuyếch tán nồng độ các chất biến đổi theo khoảng cách x và thời gian t, nên định luật 2 Fic phải viết ở dạng: ∂c(x, t)/∂t = D .[∂2(x, t)c/∂x2]
từ đó có thể tính được bình phương của sự dich chuyển trung bình của các chất; x2 = (1/n) ∫c(x, t)x2dx Với tích phân xác định được tính theo thời gian từ −∞ đến +∞. Các tính toán cho kết quả sau: x2 = 2Dt Thay giá trị D = 10-5 cm2/s đối với đa số các phân tử có kích thước bé vào phương trình trên sẽ nhận được giá trị dịch chuyển trung bình của các phân tử này là 4,4 μm/s, hay 34,6 μm/min, 0,27 cm/h hoặc 1,31 cm/ngày đêm. Như vậy, khuyếch tán trên những khoảng cách nhỏ là một quá trình nhanh và khuyếch tán trên những khoảng cách lớn là một quá trình chậm.
Sự khuyếch tán qua màng Khác với khuyếch tán trong thể tích là lĩnh vực áp dụng định luật 2 Fic (phương trình khuyếch tán trong các đạo hàm bậc 2), sự khuyếch tán các các chất qua màng có thể mô tả được bằng phương trình vi phân bình thường (định luật 1 Fic). Ở dạng chung hơn định luật 1 Fic cũng áp dụng được cho trường hợp khuyếch tán gián tiếp, tức là nhờ các chất vận chuyển trung gian. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã khẳng định tính đúng đắn của kết luận này. Trên thực tế dòng chất qua màng phụ thuộc vào bào độ thấm của màng đối với chất đó (P, P = D/l) và sự chênh lệch nồng độ của nó ở 2 phía của màng Δc, trong đó dx = l (l là độ dày của màng sinh học).
Hệ số khuyếch tán thực tế phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của các hạt. Đối với các phân tử protein có công thức sau: DMr1/3 = const Còn đối với các phân tử nhỏ (từ hydro đến trisaccharide) lại có công thức: DMr1/2 = const Các công thức trên cũng đúng với trường hợp khuyếch tán qua màng. Trên thực tế, rất nhiều chất khác nhau đi qua các màng sinh học bằng con đường khuyếch tán đơn giản mà không cần có một chất vận chuyển đặc hiệu nào cả. Ngoài các phân tử ưa nước nhỏ nhất như H2O, dimethylsulfoxideformamide v.v… còn nhiều chất khác nhau hòa tan trong lipid có thể đi qua màng – từ methanol đến những chế phẩm thuốc phức tạp (khuyếch tán qua các domain lipid), và của nhiều loại thuốc được tổng hợp trong các điều kiện tự nhiên như penicillin, các macrolid, rifamicin, actinomycin D, bacytracin và nhiều chất kháng sinh đai qua màng tế bào chỉ sau khi phá vỡ vỏ bao ngoài của tế bào.
Trong khi đó thậm chí của những phân tử phân cực không lớn lắm, như các glycol, monosaccharide và amino acid, trên thực tế là không đi qua được màng của đa số các tế bào nhờ khuyếch tán đơn giản. Sự vận chuyển các chất này vào trong tế bào được thực hiện nhờ các chất vận chuyển đặc biệt có mặt trong màng tế bào. Sự khuyếch tán của nhiều chất qua màng có thể được cảm ứng bởi các chất có hoạt tính màng, thường là các kháng sinh có bản chất polyen (ví dụ như filipin, cystatin…). Cơ chế tác động của các chất này như sau: Chúng liên kết với các thành phần sterin của màng (với ergosterin tốt hơn cholesterin) và tạo thành các lỗ được lấp đầy bằng nước, các lỗ này được tạo thành và mất đi liên tục (thay đổi, xen kẽ nhau). Các lỗ này các kích thước từ 0,4 nm đối với cystatin đến 12,5 nm đối với filipin, và phụ thuộc vào cả nồng độ của kháng sinh (xem bảng sau).
Anh hưởng của amphotericin lên độ thấm của màng sterin nhân tạo P×106, cm/s Phân tử Đối chứng Khi có mặt 10-7 M amphotericin B Nước 630 1310 Ure
Một nhóm kháng sinh khác cũng làm “chảy” (khuyếch tán) các chất qua màng là các tirocidin, colistin và polymixin. Các kháng sinh này liên kết tĩnh điện với kardiolipin, phosphatidylcholine và phosphatidylserine. Các lỗ màng có tính thấm không chọn lọc cũng được tạo thành bởi một số peptit vòng – surfactin từ Bacillus subtilis và monamycin từ Streptomyces. L-Leu –DAA – DAB – L-Thr - DAB – DAB – L-Thr – DAB – AMO Polymixin B1 D-Phe – DAM ở đây AMO là acid của 6-methyl-octan, DAB – acid diaminobutiric L-Pro – L-Phe – D-Phe – L-Asn – L-Gln D-Phe – L-Leu – L-Orn – L-Val – L-Tyr Tirocidin A L-Glu – L-Leu – D-Leu – L-Val – L-Asp COCH2CHO – L-Leu – D-Leu (CH2)9 – CH(CH3)2 Surfactin
Sự vận chuyển được trung gian bởi các chất vận chuyển Các màng sinh chất, màng ti thể và lục lạp, và cả các màng tế bào khác có các hệ thống thực hiện vận chuyển đặc hiệu các chất trung tính cũng như các ion qua màng. Ngoài tính đặc hiệu ra, các hệ thống này còn được đặc trưng bởi tốc độ vận chuyển tăng cùng với tăng nồng độ của chất được vận chuyển chỉ đến một giá trị giới hạn xác định nào đó, tức là quan sát được hiện tượng bão hòa. Hiện tượng này được giải thích một cách đơn giản nhất là các phân tử đầu tiên được liên kết bởi một receptor đặc hiệu trên bề mặt của màng và chỉ sau đó mới được vận chuyển sang phía bên kia của màng. Cơ chế bão hòa chỉ có một yêu cầu duy nhất là điểm liên kết cơ chất chỉ tồn tại ở một mặt của màng, chứ không thể có cả ở 2 phía, bởi vì nếu không thế thí một chất sẽ được vận chuyển qua màng theo cả 2 hướng ngược chiều nhau và sự tồn tại của hệ thống sẽ là vô nghĩa.
Sự khuyếch tán gián tiếp (hay được làm nhẹ) Trường hợp đơn giản nhất trong các cơ chế trên đây là cơ chế với sự tham gia của các chất vận chuyển di động, có thể đi lại trong màng, theo chiều xuyên màng, chất vận chuyển này liên kết với cơ chất ở mặt ngoài của màng, sau đó di chuyển tới mặt trong, tai đây cơ chất được phân li khỏi chất vận chuyển, chất vận chuyển tự do quay trở lại phía ngoài và chu trình cứ thế tiếp diễn. Khi nồng độ cơ chất tăng đến mức nào đó đủ để bão hòa chất vận chuyển (100% số phân tử của chất vận chuyển được liên kết với cơ chất), thì sự tăng tiếp nồng độ của cơ chất không làm tăng thêm tốc độ của quá trình vận chuyển, tức là quan sát được hiện tượng bão hòa như đề cập tới ở trên.
Vận chuyển tích cực tiền phát & Vận chuyển liên hợp 3.3.2. Vận chuyển tích cực tiền phát Khác biệt duy nhất của vận chuyển tích cực với khuyếch tán gián tiếp (qua chất vận chuyển trung gian) là ở chố: một trong các giai đoạn vận chuyển tích cực là phụ thuộc vào năng lượng. Các hệ thống tổ hợp: đôi khi các chất được vận chuyển qua màng cả bằng khuyếch tán đơn giản và bằng quá trình với sự tham gia của các chất vận chuyển. 3.3.3. Vận chuyển liên hợp Các cơ chế vận chuyển liên hợp (dòng các chất) đóng vai trò rất quan trọng trong vận chuyển các chất qua màng tế bào, chẳng hạn như các ion Na+ thúc đẩy vận chuyển các saccharide, amino acid và các ion khác qua màng tế bào, đối với mỗi hệ thống này cần phải có một chất vận chuyển riêng, hay ít nhất là 1 phân tử nhận biết cơ chế đặc hiệu.
Bản chất hóa học của các hệ thống vận chuyển các chất không điện li Mặc dù phân tích động học mang lại thông tin rất quý giá về tính chất của các hệ thống vận chuyển khác nhau, nhưng vấn đề nóng hổi số 1 đối với lĩnh vực nghiên cứu vận chuyển các chất qua màng tế bào, cũng như các lĩnh vực khác của sinh hóa học, là tách chiết và xác định các thành phần riêng biệt của những hệ thống này.
Các hệ thống vận chuyển với sự tham gia của các enzyme Một lượng thông tin nhiều hơn cả đã nhận được khi nghiên cứu các hệ thống vận chuyển các chất không điện li, và các hệ thống vận chuyển này có thể được xác định như là các hệ thống vận chuyển enzyme, ví dụ như hệ thống phosphotransfarase. Sự tồn tại của hệ thống này đã được biết tới vào năm 1964 ở trực khuẩn E.coli, sau đó hệ thống này đã được phát hiện thấy ở nhiều vi khuẩn khác. Các nghiên cứu trong lĩnh vực này cho thấy hệ thống phosphotransfarase phổ biến rất rộng rãi ở vi khuẩn, nhưng lại khác ở eukaryote.
Chức năng của hệ thống này là phosphoryl hóa các monosaccharide trong quá trình vận chuyển chúng từ môi trường vào tế bào. Ở các vi khuẩn gram âm nhờ cơ chế này mà thực hiện quá trình vận chuyển các monosaccharide D-Glc, D-Fuc, D-Man, mannit, sorbit, D-Glucosamine, N-acetyl- D-Glucosamine, 2-deoxy-D- Glc và các β-Glucoside. Ở các vi khuẩn gram dương, ngoài các chất trên còn vận chuyển cả các pentose khác nhau, lactose, sacaroza, tregalose, melibiose,, maltose, melisitose và glycerin. Sự phosphoryl hóa các monosaccharide thường luôn xảy ra theo nguyên tử C cuối cùng (C5 hay C6), nhưng fructose và lactose lại được phosphoryl hóa theo vị trí C1.
Cơ chế chung của quá trình này ở vi khuẩn như sau: Mg2+ PEP + E I P-E I + Pyruvate ở đây PEP là phosphoenolpyruvate P-E I + HPr P-HPr + E I E II, Yếu tố III, Mg2 P-HPr + MS P-MS + HPr Trong đó MS là monosaccharide.