Bài giảng Sinh học màng tế bào

Sinh học phân tử màng tế bào Tập 1 GS. TS. Đỗ Ngọc Liên NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2007. 39 tr. Từ khoá: Màng tế bào, màng sinh học, màng bào quan, màng thilakoid, màng lục lạp, Cấu trúc lipid, Thụ thể hormon adrenalin, bơm ion, . Tài liệu trong Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân. Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in ấn phục vụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và tác giả. Mục lục Mở đầu ............................................................................................................................................... 4 Chương 1 Những đặc điểm cơ bản của màng tế bào ................................................................... 6 1.1 Lịch sử nghiên cứu màng ........................................................................................6 1.1.1 Các đặc điểm chung biểu hiện tính đa dạng và tính bất đối xứng của màng sinh học..7 1.1.2 Chức năng chung của màng tế bào ...............................................................................8 1.2 Mô hình cấu trúc màng sinh học .............................................................................8 1.2.1 Mô hình Davson-Danielli............................................................................................10 1.2.2 Mô hình khảm lỏng của Singer-Nicolson ...................................................................10 Chương 2 Cấu trúc và chức năng sinh học của màng bào quan .............................................. 13 2.1 Màng bào quan ty thể ............................................................................................13 2.1.1 Cấu trúc màng bào quan ty thể....................................................................................13 2.1.2 Chức năng sinh học của màng ty thể ..........................................................................14 2.2 Màng lục lạp của thực vật .....................................................................................15 2.2.1 Cấu trúc màng thilakoid lục lạp ..................................................................................15 2.2.2 Chức năng màng lục lạp..............................................................................................16 2.3 Lưới nội chất (ER), cấu trúc và chức năng ...........................................................18 2.4 Bộ máy golgi, cấu trúc và chức năng ....................................................................19 2.5 Nhân tế bào và màng nhân ....................................................................................20 2.6 Peroxisom..............................................................................................................21 Tóm tắt chương 2.............................................................................................................................. 22 Chương 3 Cấu trúc lipid của màng tế bào.................................................................................. 24 3.1 Các lớp kép lipid có tính chống thẩm thấu cao đối với các ion và hầu hết các phân tử phân cực ...................................................................................................24 3.2 Các phospholipid là lipid chủ yếu của màng.........................................................24 3.3 Các dạng phospholipid ..........................................................................................26 3.4 Nhiều màng cũng chứa các glycolipid ..................................................................27 3.5 Cholesterol ............................................................................................................28 3.6 Các lipid màng là các phân tử lưỡng tính chứa một nửa ưa nước và một nửa kỵ nước.......................................................................................................................29 3.7 Các lớp kép lipid là các cấu trúc liên kết không cộng hoá trị và mang tính hợp tác 31 3.8 Các phân tử lipid và nhiều phân tử protein khuếch tán nhanh chóng trên mặt phẳng của màng.....................................................................................................32 3.9 Tất cả các màng sinh học sắp xếp bất đối xứng ....................................................34 3.10 Độ lỏng của màng phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của nó ...............................36 3.11 Các phân tử sphingolipid và cholesterol tụ lại thành từng đám microdomain là Rafts của màng ......................................................................................................37 Tóm tắt chương 3 .............................................................................................................38 Chương 4 Các protein màng........................................................................................................ 40 4.1 Protein màng thực hiện hầu hết các quá trình sinh học ở màng............................40 4.2 Protein xuyên màng (intrinsic protein)..................................................................40 4.3 Protein bề mặt màng (peripheric protein) .............................................................41 4.4 Vai trò của các protein màng.................................................................................41 4.5 Cấu trúc và tính chất của các protein xuyên màng................................................42 4.6 Protein bộ khung tế bào.........................................................................................44 4.7 Các phương pháp nghiên cứu protein màng..........................................................45 4.7.1 Kỹ thuật hiển vi khắc lạnh ..........................................................................................45 4.7.2 Kỹ thuật miễn dịch huỳnh quang và dùng kháng thể nhận biết protein màng ............45 4.7.3 Kỹ thuật điện di...........................................................................................................47 4.7.4 Phân tích cấu trúc hoá học protein màng tế bào..........................................................47 Tóm tắt chương 4.............................................................................................................................. 49 Chương 5 Các protein màng có chức năng bơm ion ................................................................. 50 5.1 Bơm ion Na+-K+ATPase .......................................................................................50 5.1.1 Cơ chế hoạt động của bơm Na+-K+ATPase...............................................................50 5.1.2 Vai trò của Na+-K+ATPase........................................................................................51 5.2 Bơm Ca2+-ATPase của màng sinh chất (PMCA).................................................52 5.2.1 Mở đầu ........................................................................................................................52 5.2.2 Chức năng của bơm canxi (PMCA)............................................................................52 5.2.3 Bơm canxi thuộc con đường kích thích bài tiết (SPCA).............................................53 5.2.4 Chức năng của bơm ion canxi ở tế bào thực vật .........................................................53 5.2.5 Các dạng bơm canxi....................................................................................................54 5.2.6 Cơ chế hoạt động của bơm ion canxi ..........................................................................54 5.3 Bơm Ca2+ - ATPase lưới cơ tương/lưới nội chất được điều hòa bằng Calmodulin (SERCA) ...............................................................................................................56 5.3.1 Bơm canxi lưới cơ tương/lưới nội chất dạng một (SERCA 1)....................................56 5.3.2 Bơm canxi lưới cơ tương/lưới nội chất dạng hai (SERCA 2) .....................................57 5.3.3 Bơm canxi lưới cơ tương/lưới nội chất dạng 3 (SERCA 3)........................................57 5.4 Một số dạng bệnh lý có liên quan đến bơm ion canxi...........................................57 5.4.1 Bệnh tiểu đường liên quan đến SERCA......................................................................58 5.4.2 Bệnh Hailey- Hailey và bệnh Darier ...........................................................................58 5.5 Bacteriorhodopsin là một bơm proton của vi khuẩn Halobacteria........................59 5.6 ATP synthase vận chuyển proton và tổng hợp ATP .............................................61 5.6.1 Cấu trúc bơm proton ATP synthase ............................................................................61 5.6.2 Cơ chế vận chuyển proton và tổng hợp ATP của ATPsynthase .................................62 5.7 Sự khác nhau giữa bơm Na+ -K+, và bơm proton ...............................................64 Tóm tắt chương 5.............................................................................................................................. 65 Chương 6 Thụ thể hormon adrenalin, Protein G và các chất truyền tin thứ hai ................... 67 6.1 Đại cương về thụ thể (Receptor) ...........................................................................67 6.2 Thụ thể hormon β - Adrenergic, protein G và các chất truyền tin ........................69 6.2.1 Đặc điểm chung về cấu trúc và chức năng..................................................................69 6.2.2 AMP vòng - chất truyền tin thứ hai trong hoạt động của nhiều hormon ....................70 6.2.3 cAMP kích thích sự phosphoryl hoá của nhiều protein đích bởi protein kinase.........73 6.2.4 Protein G, tác nhân điều khiển quan trọng cho các tín hiệu qua màng .......................73 6.2.5 GMP vòng cũng là một chất truyền tin thứ hai ...........................................................85 6.2.6 Sự điều hoà của protein G đối với các cơ quan cảm ứng............................................86 Tóm tắt chương 6.............................................................................................................................. 88 Mở đầu Cơ thể sống được hình thành đầu tiên cùng với việc tạo ra một “lớp hàng rào sinh học” bao bọc tách biệt bản thân nó với môi trường xung quanh và với vũ trụ bao la. “Lớp hàng rào sinh học” này được định nghĩa là “màng tế bào”, hay là màng sinh chất (Plasma membrane) tạo cho tế bào có khả năng tổ chức và điều hoà các hoạt động sống bên trong của nó. Ở các tế bào nhân chuẩn, sự tổ chức các ngăn hoặc các xoang riêng biệt bên trong tế bào rất tinh vi nhờ hệ thống màng sinh chất có đặc điểm riêng cho mỗi cơ quan của tế bào. Mỗi cơ quan đó được gọi là các bào quan (organelle). Bản chất cấu trúc của các màng sinh chất ít nhất bao gồm hai lớp phân tử lipid phân cực kết hợp với các phân tử protein. Nhờ cấu trúc này, màng sinh chất có rất nhiều đặc điểm kỳ diệu là thực hiện các trình tự phản ứng biến đổi hoá sinh của tế bào, là trung tâm của các quá trình bảo tồn năng lượng và thông tin giữa các tế bào trong cơ thể và giữa cơ thể với môi trường xung quanh. Do bản chất cấu trúc hoá học của màng sinh chất rất đặc biệt nên đặc tính của màng là mềm dẻo, linh động, có thể tự khép kín và tự phá vỡ để dung hợp (fusion) giữa chúng với nhau, dễ dàng thực hiện khả năng xuất bào (exocytosis) và nhập bào (endocytosis), là cơ chế của quá trình bài tiết các phân tử lớn được tổng hợp trong tế bào cũng như cơ chế của sự thực bào (Phagocytosis) trong đáp ứng miễn dịch hoặc thực hiện khả năng phân chia tế bào (Mitosis) trong sinh trưởng và phát triển của cơ thể sống. Do đó, dung hợp màng là một đặc điểm rất quan trọng của nhiều quá trình hoạt động sống của sinh vật. Màng sinh chất không phải là một hàng rào thụ động trong trao đổi chất giữa tế bào và môi trường xung quanh. Chúng là hàng rào thấm chọn lọc đối với các chất hoà tan của môi trường xung quanh hoặc giữ lại các hợp chất có phân tử lớn và các ion bên trong tế bào hoặc trong các xoang riêng biệt để thực hiện chức năng sống. Màng sinh chất tế bào còn là nơi giao tiếp và nhận biết nhờ các protein ngoại vi, đặc biệt là các protein tích hợp (Integral proteins) thực hiện chức năng của các thụ thể (receptor) nhận biết các tín hiệu thông tin trao đổi chất, cũng như là các protein kênh vận chuyển có hoạt tính xúc tác cho hàng loạt quá trình sinh học hoặc thực hiện chức năng kết dính tế bào (Adhesion molecules). Trong tế bào, màng sinh chất giúp cho việc tổ chức và điều hoà quá trình sinh học ở các xoang riêng biệt như hệ thống màng nhân, màng ty thể, màng lạp thể, màng microsom, màng lysosom. Ở đây, các hoạt động sống được diễn ra và được điều hoà như quá trình sao chép tái bản thông tin di truyền, quá trình tổng hợp protein và lipid, quá trình biến đổi năng lượng ở ty thể và lục lạp. Ở những khoảng không gian nhỏ của các xoang tế bào với hai lớp phân tử của màng sinh chất cách biệt là nơi tạo ra hiệu quả rất lớn của các quá trình xúc tác enzym và được điều hoà rất tinh vi. Trong chương đầu, lịch sử, nghiên cứu và phát minh ra những đặc điểm riêng biệt của màng sinh chất được đề cập tới một cách ngắn gọn. Các chương tiếp theo nói lên bản chất cấu trúc hoá học và thành phần đặc trưng của màng giúp cho chúng có đặc tính hết sức mềm dẻo trong việc thực hiện chức năng sinh học đa dạng, nhưng lại bền vững trong chức năng bảo vệ và điều hoà hoạt động sống. Tập sách này đặc biệt chú trọng đến cơ chế biến đổi năng lượng trên màng sinh chất, các cơ chế vận chuyển proton và các ion qua màng, đặc biệt là mô tả vai trò của các thụ thể trong cơ chế truyền tín hiệu hormon và đáp ứng miễn dịch. Các chương sách tiếp theo cũng đề cập tới một số bệnh lý do các nguyên nhân tổn thương cấu trúc và rối loạn chức năng của các thụ thể và các kênh dẫn truyền qua màng, phân tích một số nguyên nhân di truyền và tác động của các tác nhân môi trường sống đến những hậu quả bệnh lý. 6 Chương 1 Những đặc điểm cơ bản của màng tế bào 1.1 Lịch sử nghiên cứu màng - Năm 1655, Robert Hooke là người đầu tiên đưa ra khái niệm tế bào. Ông cho rằng tế bào là những khoang nhỏ trong đó có chứa đầy đủ các bào quan đảm bảo cho sự sống của một tế bào và cơ thể. - Năm 1674, Anthoni Van Leeuwenhoek đã chế ra một chiếc kính hiển vi quan sát thấy nút bấc có nhiều hình nhất định, cũng như thấy nhiều loại tế bào nguyên sinh động vật, có loại chuyển động nhanh. Ông quan sát thấy các vi sinh vật nhỏ bé, thậm chí cả hồng cầu và đưa ra khái niệm về cơ thể loại đơn bào và cơ thể loại đa bào và về sau Schleiden và Theo Dor Schwan (1835 - 1839) đưa ra khái niệm về tế bào và mô (tissue) là gồm nhiều tế bào cùng chức năng kết hợp. Các mô có sự biệt hoá chịu trách nhiệm riêng nhưng đều chứa nhiều tế bào. Tế bào dù đơn bào hay đa bào vẫn có một màng để ngăn cách tế bào với môi trường xung quanh. - Từ 1880, tức là hơn 200 năm sau quan niệm của Robert Hooke việc nghiên cứu tế bào mới trở nên phổ biến hơn. - Nageli quan sát thấy khả năng di chuyển của vật chất qua màng tế bào sống rất khó khăn nhưng ở những tế bào bị chết hoặc bị tổn thương, các chất ở môi trường dễ dàng xâm nhập vào tế bào. Do đó, nhờ có tính thấm chọn lọc của lớp màng bảo vệ đặc biệt, tế bào có thể duy trì cân bằng cho hoạt động sống. Trong các năm cuối thế kỷ XIX, Pfefer đã tiến hành thí nghiệm đo sự thẩm thấu của màng tế bào và đưa ra hai kết luận quan trọng: + Tế bào được bao bởi một lớp màng đặc biệt gọi là màng sinh chất (cytoplasmic membrane). + Màng này là hàng rào vạn năng chỉ cho nước đi qua trong khi các chất điện ly, muối khoáng và các chất tan đi qua một cách chọn lọc và khó khăn. - Năm 1889, Overton nhận thấy tốc độ di chuyển những chất không phân cực (dung môi hữu cơ) đi qua màng rất dễ còn các chất phân cực đi qua khó, nên ông cho rằng màng có bản chất là lipid. Từ 1925 – 1930 nhiều nhà khoa học Anh, Đức, đặc biệt Danielle và Davson (1935); Gorter và Grindel cho biết màng được cấu tạo bằng lipid nhưng là lớp lipid kép. Lớp lipid kép này có bề dày nhất định, khoảng vài chục đến hàng trăm nanomet. Từ những năm 1940 – 1960 khi kính hiển vi điện tử xuất hiện và ngày càng được hoàn thiện người ta đã tìm ra cấu trúc của màng với chiều dày của nó bao gồm lớp kép phân tử lipid có bề dày khoảng từ 60 – 100 nanomet (nm) (hình 1.1). 7 Robertson (1959) đưa ra khái niệm về mô hình “màng đơn vị” bao gồm hai lớp phân tử lipid luôn bao quanh các tế bào, khi ông nghiên cứu siêu cấu trúc hiển vi điện tử của màng tế bào. Như vậy, tất cả các tế bào được bao bởi một màng đơn vị. Sau khi nghiên cứu các bào quan, người ta thấy chúng cũng được bao bọc bởi một lớp màng đơn vị hoặc được bao bởi nhiều lớp màng đơn vị, ví dụ như ty thể, lục lạp, thậm chí sợi trục tế bào thần kinh được bao bọc bởi nhiều màng đơn vị. Nhân được bao bởi hai lớp màng đơn vị, trên màng nhân có những lỗ nhỏ để trao đổi vật chất và thông tin di truyền. Tuy nhiên, mô hình của Robertson không cho thấy rõ chức năng vận chuyển các phân tử ưa nước qua màng, không cho biết rõ thành phần protein tương tác với lớp lipid kép của màng. Từ những năm 1960 – 1970, việc nghiên cứu màng tế bào đã đạt được nhiều tiến bộ về quan niệm cả lý thuyết lẫn thực hành. Về lý thuyết đã có những tiến bộ về quan niệm nhiệt động học đối với chức năng vận chuyển qua màng, được thiết lập bằng mối quan hệ giữa dòng các chất hoà tan và năng lượng tự do. Về thực nghiệm, các nghiên cứu hoá sinh về cấu trúc lipid màng đã đạt nhiều tiến bộ. Lipid màng tế bào động vật chủ yếu bao gồm các hợp chất: phospholipid, sphingolipid và cholesterol. Riêng màng vi khuẩn và tế bào thực vật chủ yếu gồm phosphoglycerid (riêng màng lục lạp chứa galactosylglycerid, không chứa cholesterol). Một mốc quan trọng về nghiên cứu cấu trúc màng là từ 1972 cho đến nay, một mô hình màng hoàn thiện đã được Singer và Nicolson nêu ra. Đó là mô hình màng khảm lỏng (fluid mosaic membrane) (hình 1.2). Bằng nhiều thí nghiệm và các nghiên cứu hiển vi điện tử, mô hình màng khảm lỏng đã được chứng minh, đặc biệt là nhờ kỹ thuật “Bẻ vỡ lạnh” (freeze – fracture) tiến bộ của Branton. Thêm vào đó các nghiên cứu của Bretsher đã chứng minh rõ ràng màng sinh chất chứa các loại phân tử protein xuyên qua màng lipid kép. 1.1.1 Các đặc điểm chung biểu hiện tính đa dạng và tính bất đối xứng của màng sinh học Các màng sinh học rất da dạng về thành phần, cấu trúc cũng như chức năng tuỳ vào loại tế bào và loại sinh vật và tuỳ thuộc vào sự khác nhau của các kiểu bào quan. Tuy nhiên, chúng giống nhau ở một số thuộc tính quan trọng sau: Màng có cấu trúc dạng bản, chỉ dày cỡ vài phân tử, hình thành nên các ranh giới khép kín giữa các khoang khác nhau. Độ dày của hầu hết các màng đơn vị sinh chất nằm trong khoảng 60nm – 100nm. Màng bao gồm chủ yếu các lipid và các protein. Tỷ lệ về khối lượng của chúng tương ứng khoảng từ 1: 4 đến 4 : 1. Các màng cũng chứa các hydratcarbon được liên kết với các phân tử lipid và protein. Các lipid màng là những phân tử tương đối nhỏ, có một nửa ưa nước và một nửa kỵ nước. Những lipid này sẽ hình thành tức thì các tấm lipid kép (lipid bilayer) trong môi trường nước. Những lớp kép lipid này là hàng rào ngăn cản các phân tử phân cực vượt qua. Các protein đặc hiệu tạo nên các chức năng chuyên biệt của màng. Các protein đóng vai trò là các bơm, kênh, thụ thể, các bộ máy chuyển đổi năng lượng và các enzym. Các protein màng được gắn vào lớp lipid kép, tạo ra môi trường thích hợp cho hoạt động của chúng. 8 Màng được cấu thành bởi các cấu tử không liên kết cộng hoá trị với nhau. Thành phần protein và các phân tử lipid được néo vào nhau bởi nhiều tương tác không cộng hoá trị, chúng mang tính hợp tác. Đó là tương tác kị nước, tương tác ion, liên kết hyđro, lực Vandecvan. Màng không đối xứng, hai bề mặt của