Tài liệu Sinh học phân tử màng tế bào

GS. TS. Đỗ Ngọc Liên ------- SINH HỌC PHÂN TỬ MÀNG TẾ BÀO TẬP 1 NXB ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI -2007 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 1.1.2 1.2 Các đặc điểm chung biểu hiện tính đa dạng và tính bất đối xứng của màng sinh học..7 Chức năng chung của màng tế bào ...............................................................................8 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 2.1.2 2.2 Màng lục lạp của thực vật .....................................................................................15 2.2.1 2.2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Cấu trúc màng bào quan ty thể....................................................................................13 Chức năng sinh học của màng ty thể ..........................................................................14 Cấu trúc màng thilakoid lục lạp ..................................................................................15 Chức năng màng lục lạp..............................................................................................16 Lưới nội chất (ER), cấu trúc và chức năng ...........................................................18 Bộ máy golgi, cấu trúc và chức năng ....................................................................19 Nhân tế bào và màng nhân ....................................................................................20 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 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 Protein màng thực hiện hầu hết các quá trình sinh học ở màng............................40 Protein xuyên màng (intrinsic protein)..................................................................40 Protein bề mặt màng (peripheric protein) .............................................................41 Vai trò của các protein màng.................................................................................41 Cấu trúc và tính chất của các protein xuyên màng................................................42 Protein bộ khung tế bào.........................................................................................44 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 5.1.2 5.2 Bơm Ca2+-ATPase của màng sinh chất (PMCA).................................................52 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.2.6 5.3 Cơ chế hoạt động của bơm Na+-K+ATPase...............................................................50 Vai trò của Na+-K+ATPase........................................................................................51 Mở đầu ........................................................................................................................52 Chức năng của bơm canxi (PMCA) ............................................................................52 Bơm canxi thuộc con đường kích thích bài tiết (SPCA).............................................53 Chức năng của bơm ion canxi ở tế bào thực vật .........................................................53 Các dạng bơm canxi....................................................................................................54 Cơ chế hoạt động của bơm ion canxi ..........................................................................54 Bơm Ca2+ - ATPase lưới cơ tương/lưới nội chất được điều hòa bằng Calmodulin (SERCA) ...............................................................................................................56 5.3.1 5.3.2 Bơm canxi lưới cơ tương/lưới nội chất dạng một (SERCA 1)....................................56 Bơm canxi lưới cơ tương/lưới nội chất dạng hai (SERCA 2) .....................................57 5.3.3 5.4 Một số dạng bệnh lý có liên quan đến bơm ion canxi...........................................57 5.4.1 5.4.2 5.5 5.6 Bệnh tiểu đường liên quan đến SERCA......................................................................58 Bệnh Hailey- Hailey và bệnh Darier...........................................................................58 Bacteriorhodopsin là một bơm proton của vi khuẩn Halobacteria........................59 ATP synthase vận chuyển proton và tổng hợp ATP .............................................61 5.6.1 5.6.2 5.7 Bơm canxi lưới cơ tương/lưới nội chất dạng 3 (SERCA 3)........................................57 Cấu trúc bơm proton ATP synthase ............................................................................61 Cơ chế vận chuyển proton và tổng hợp ATP của ATPsynthase .................................62 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 6.2 Đại cương về thụ thể (Receptor) ...........................................................................67 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 một màng sinh chất thường khác nhau về thành phần và tính chất của các phân tử lipid và protein. Màng là các cấu trúc lỏng. Các phân tử lipid khuếch tán nhanh chóng trong mặt phẳng của màng, và các protein cũng vậy, trừ khi chúng bị neo bởi các tương tác đặc hiệu. Ngược lại, đôi khi chúng cũng có thể quay ngược lại qua màng. Màng có thể được coi là dung dịch hai chiều của các protein và lipid có định hướng. Hầu hết các màng đều phân cực về điện, với phía trong màng tích điện âm (thường là 60mV). Điện thế màng đóng vai trò rất quan trọng trong việc vận chuyển, chuyển hoá năng lượng, và đặc tính dễ bị kích thích. 1.1.2 Chức năng chung của màng tế bào 1. Duy trì hình dạng tế bào, che chắn và bảo vệ tế bào. 2. Tham gia vào quá trình phân chia tế bào. Cụ thể màng tế bào được nối với các nhiễm sắc thể tham gia vào phân chia tế bào. 3. Tham gia vào phản ứng kết dính, màng tế bào có vai trò nhận biết và thực hiện chức năng tương tác giữa các tế bào. 4. Chức năng enzym: Sự xúc tác của các enzym trong hệ thống enzym gắn mỏ neo vào màng (màng ti thể, màng lục lạp). Tạo ra năng lượng sinh học, các phản ứng năng lượng trên màng và truyền năng lượng (màng ti thể, màng lục lạp). 5. Tham gia truyền tín hiệu quang hoá và tín hiệu điều hoà trao đổi chất (màng tế bào võng mạc truyền tín hiệu photon trong cơ chế nhìn, màng tế bào gan truyền tín hiệu thông tin thứ nhất (hormon adrenalin, insulin) qua AMP vòng và protein G tác động đến điều hoà trao đổi đường trong máu. 6. Giám sát đáp ứng miễn dịch. Trên bề mặt màng có vô số thụ thể và các phân tử biệt hóa (CD) có chức năng nhận biết và kiểm soát miễn dịch. 7. Vận chuyển các phân tử nhỏ và phân tử lớn qua màng. - Vận chuyển đại phân tử Protein, lipid, axít nucleic, cấu trúc trên phân tử như vi khuẩn và virus bằng các cơ chế nuốt và nhập bào. - Vận chuyển các ion qua màng (K+, Na+, Ca2+) bằng cơ chế bơm ion. 8. Truyền tín hiệu giữa các tế bào và tương tác giữa các tế bào như tín hiệu đáp ứng miễn dịch: Sự trình diện kháng nguyên, sự hoạt hoá và biệt hoá tế bào bằng các Cytokin v.v… 1.2 Mô hình cấu trúc màng sinh học Màng sinh học có cấu trúc bao quanh tế bào và các bào quan. Màng không những giúp cho các bào quan cũng như tế bào có một hình dạng nhất định, hình thành một hệ thống 9 hoạt động riêng biệt mà màng còn là nơi thực hiện quá trình trao đổi vật chất, thông tin giữa môi trường bên trong và môi trường bên ngoài, giúp cho các tế bào và bào quan có thể tồn tại và phát triển. Cấu trúc màng sinh học là một nội dung được nhiều nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu. Cho đến nay đã có rất nhiều mô hình được đưa ra, tuy nhiên có hai mô hình được nhắc đến nhiều nhất đó là mô hình của Davson-Danielli và mô hình khảm lỏng của SingerNicolson. 10 1.2.1 Mô hình Davson-Danielli Theo mô hình này, màng sinh học là một lớp kép các phân tử lipid liên tục với các protein ở lớp bề mặt của cả hai mặt trong và ngoài giữ cho các phân tử lipid có sự phân bố bền vững hơn. Để giải thích cho tính thấm của màng, các tác giả mô hình này cho rằng trên o màng có các kênh được lót bởi protein (còn gọi là các lỗ) có kích thước khoảng 1 A để cho các chất thấm qua (hình 1.1). Hình 1.1. Mô hình cấu trúc màng sinh chất của Davson – Danielli (1935) Tiếp theo, dựa vào các nghiên cứu bằng hiển vi điện tử Robertson (1960) đã đưa ra khái niệm về “màng đơn vị” và đưa ra mô hình màng đơn vị. Theo mô hình này, tất cả màng sinh học bao quanh tế bào và các lớp màng bao quanh bào quan, màng neuron thần kinh (myelin) đều biểu hiện ba vùng sáng tối dưới kính hiển vi điện tử (trilaminar) có cấu trúc gồm hai lớp phân tử lipid phủ bên ngoài bằng các phân tử protein (hình 1.2). Cùng với những tiến bộ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là những bước tiến về kỹ thuật hiển vi điện tử, người ta nhận thấy mô hình cấu trúc màng đơn giản này không giải thích được nhiều tính chất của màng và cũng không phù hợp với những kết quả nghiên cứu bằng những kỹ thuật tiên tiến sau này. Rõ ràng màng sinh học với nhiều chức năng quan trọng không thể có một cấu trúc cứng nhắc như vậy. Chính vì thế hiện nay hầu hết mọi người đều đồng ý với mô hình cấu trúc mới - mô hình khảm lỏng của Singer-Nicolson (1972) (hình 1.3). 1.2.2 Mô hình khảm lỏng của Singer-Nicolson Mô hình khảm lỏng được S. Jonathan Singer và Garth Nicolson đưa ra năm 1972. Theo mô hình này, khung của màng vẫn là lớp kép các phân tử lipid có các đầu phân cực hướng về bên ngoài và đuôi không phân cực hướng vào trong. Tuy nhiên, các phân tử phospholipid có thể di động tự do với điều kiện giữ nguyên hướng phân bố trong một nửa lớp kép của chúng. Cholesterol sẽ hạn chế ở một mức độ nhất định sự di chuyển của phospholipid và do đó có chiều hướng tạo sự ổn định cho cấu trúc màng. Protein (cả dạng cầu và dạng sợi) sẽ phân bố không đồng đều trong cấu trúc kép lipid đó. Một số protein xuyên qua màng, một số khác bám cố định vào màng ở một nửa của lớp kép hoặc chỉ bám 11 vào bề mặt màng tuỳ vào chức năng của chúng (hình1.3). Mô hình cấu trúc này giải thích được nhiều tính chất của màng và rất phù hợp với tính linh động của một cấu trúc sinh học. Chính vì vậy, đây là mô hình phổ biến nhất hiện nay. Hình 1.2 Cấu trúc ba lá (trilaminar) của màng sinh chất của tế bào rễ đậu được quan sát bằng kính hiển vi điện tử (theo Newcomb, 1983) Hình 1.3. Mô hình màng khảm lỏng của Sanger và Nicolson (1972) Tóm tắt chương 1 Màng tế bào là một khái niệm lý thuyết đã xuất hiện vào giữa thế kỷ 19 (1935) nhưng về cơ sở tế bào học đã được nêu ra từ thế kỷ thứ 17 (Robert Hook, 1655) và sau đó là quan sát bằng hiển vi quang học của A.Van Leeuwen Hoek (1674). 12 Màng tế bào có đặc tính thấm chọn lọc, có bản chất hóa học. Lipid và protein liên kết với nhau theo các tỷ lệ khác nhau, hình thành một lớp mỏng lipid kép có cấu trúc bất đối xứng cả về thành phần cấu tạo và cách sắp xếp các phân tử lipid và protein. Mô hình cấu trúc về màng sinh chất tế bào đã được nghiên cứu từ đầu thế kỷ 20, được nêu ra lần lượt đáng chú ý là Gorter, Greden với lớp lipid kép đơn giản (1925), tiếp theo là Danielli-Davson (1935) với lớp lipid kép gắn thêm các phân tử protein, sau đó là Robertson (1960) và cuối cùng hoàn thiện hơn cả là mô hình màng khảm lỏng của Singer và Nicolson (1972). Tám chức năng chung của màng nói lên vai trò rất quan trọng của màng trong hoạt động sống của tế bào và của cơ thể. 13 Chương 2 Cấu trúc và chức năng sinh học của màng bào quan 2.1 Màng bào quan ty thể 2.1.1 Cấu trúc màng bào quan ty thể Ty thể (mitochondria) là một bào quan (organell) có cấu trúc gồm hai lớp màng đơn vị được cấu trúc từ hai lớp phân tử lipid phân cực giống như lớp màng sinh chất tế bào. Ty thể được tìm thấy ở hầu như tất cả các tế bào nhân chuẩn (trừ các tế bào biệt hóa chức năng cao như hồng cầu, tế bào thuỷ tinh thể vv…). Bào quan chủ yếu này có vai trò rất quan trọng trong việc sản sinh ra năng lượng cho mọi tế bào sống thông qua quá trình phosphoryl oxy hoá, hình thành hòm “ắc quy năng lượng” hay “đồng tiền năng lượng” ATP chi dùng cho tất cả quá trình trao đổi chất. Ty thể cũng cung cấp nhiều loại hợp chất khác nhau, là sản phẩm trung gian của trao đổi chất và trao đổi năng lượng như: các acid hữu cơ, các acid amin được sử dụng cho các quá trình sinh tổng hợp khác nhau ở tế bào. Sự kiến trúc màng ở các ty thể động vật và thực vật là tương tự như nhau, có thể dễ dàng quan sát được dưới kính hiển vi điện tử (hình 2.1). Tính chất tương tự như nhau về cấu trúc của ty thể tồn tại phổ biến ở các cơ thể sinh vật nhân chuẩn gợi mở cho thấy nguồn gốc cổ xưa của bào quan này. Người ta cho rằng ty thể và plastid (một bào quan ở tế bào thực vật có thể là một dạng sinh vật nhân sơ (prokaryota) “xâm nhập” vào các tế bào nhân chuẩn ở giai đoạn rất sớm của sự tiến hoá sự sống để thực hiện quá trình nội cộng sinh (endosymbiose) giống như plastid của thực vật, ty thể cũng có khả năng di truyền và tạo ra một số protein riêng do bản thân của chúng. Tuy nhiên ở ty thể cũng như plastid, ban đầu tất cả hệ thống gen di truyền đầy đủ của các thể nội cộng sinh (endosymbiont) dần dần đã được chuyển qua nhân tế bào trong suốt quá trình tồn tại và tiến hoá của sự sống. Các gen trước tiên được chuyển vị trí từ bào quan sang nhân đến mức chúng có thể dần dần biến mất ở bào quan. Do đó, ty thể và plastid hiện nay cần các sản phẩm gen của nhân để thực hiện chức năng sinh học và tái bản. Một sự thật là ADN của ty thể cũng ở dạng từ một đến nhiều thể nucleoid gắn liên kết với màng tế bào cũng gần tương tự như ADN của tế bào nhân sơ, sắp xếp và gắn với vùng đặc hiệu của màng sinh chất, nhưng không tách biệt với các thành viên khác của tế bào. Một điều đáng chú ý là các ribosom của ty thể và plastid cũng giống như các ribosom của tế bào nhân sơ (prokaryota) và cũng nhậy cảm với một số chất kháng sinh (antibiotics). Trong khi đó các chất kháng sinh này lại không có hiệu lực chống lại các ribosom của tế bào chất ở tế bào nhân chuẩn (ví dụ chloramphenicol). 14 Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hiển vi điện tử của ty thể Một đặc điểm quan trọng khác là ty thể cũng là một cơ quan “nửa tự trị” và có bộ máy di truyền tạo ra một protein cho riêng bản thân chúng. Ty thể là một bào quan chủ yếu của sự hô hấp ở tế bào nhân chuẩn, là nhà máy sinh năng lượng của tế bào sống, ty thể của thực vật có dạng hình cầu hoặc hình que nhọn gần giống ty thể ở tế bào động vật. Số lượng ty thể trong một tế bào thay đổi và liên quan đến hoạt động trao đổi chất của từng mô tế bào riêng biệt. 2.1.2 Chức năng sinh học của màng ty thể Cơ chế chung của sự phosphoryl hoá oxy hoá ở ty thể của tất cả cơ thể sinh vật là các điện tử được giải phóng ra trong các giai đoạn oxy hoá của sự đường phân (glycolysis) và của chu trình tricarbocylic đã sản sinh 20 phân tử NADH và 4 phân tử FADH2 nếu cơ chất ban đầu là saccharose. Các coenzym khử này tiếp theo bị oxy hoá bằng chuỗi truyền điện tử trên màng ty thể. Năng lượng tự do được giải phóng trong quá trình truyền điện tử trên màng ty thể sẽ được đi kèm với sự di chuyển của các proton (H+) vượt qua lớp màng trong của ty thể tạo một gradient điện hoá proton (ΔH+). Năng lượng tự do được giải phóng bằng cách di chuyển các proton trở lại vào màng trong qua kênh proton F0 của phức hệ enzym ATP synthase được xúc tác tại thành phần F1 của phức hệ enzym để biến đổi ADP và Pi thành ATP chuyển vào chất nền của ty thể. Người ta cho rằng có bốn phức hệ vận chuyển điện tử. Phức hệ I là (NADH và ubiquinon) đi qua chặng FMN. Và phức hệ II là (succinate - ubiquinon reductase) đi qua chặng FAD. Có thể minh hoạ phức hệ I như sau: Hình 2.2 Sơ đồ phức hệ I (gắn ở màng trong ty thể Phức hệ vận chuyển điện tử III là từ Ubiquinol đến Cytochrom C qua Cytochrom reductase chứa các trung tâm Cytochrom - b, các protein chứa sắt- lưu huỳnh (2Fe-2S) và 15 cytochrom C1. Phức hệ IV là sự vận chuyển điện tử từ Cytochrom c- (dạng tích điện âm hay gọi là Cytochrom oxydase) đến O2 của không khí. Hình 2.3 Sơ đồ cơ chế chung của quá trình phosphoryl hóa - oxi hóa trên màng trong của ty thể. Các điện tử được tách rời trong các giai đoạn oxi hóa của glycolyse và chu trình Krebs sẽ được truyền cho các hệ thống vận chuyển proton (H+) và đi kèm cùng với hệ thống vận chuyển điện tử trên màng ty thể . Năng lượng tự do được giải phóng bằng quá trình di chuyển của proton quay trở lại màng trong qua phức hệ F0 bằng kênh proton của ATP synthase sau đó chuyển đến phức hệ F1 của enzym này để tổng hợp ATP. ATP được tổng hợp sẽ được đi vào chất nền của ty thể. (Theo Buchanan, et al, 2000). 2.2 Màng lục lạp của thực vật 2.2.1 Cấu trúc màng thilakoid lục lạp Lục lạp (chloroplast) là một bào quan có chức năng quan trọng trong quang hợp và thực hiện các quá trình quang phosphoryl hoá. Một lục lạp điển hình của thực vật bao gồm một lớp vỏ bên ngoài gồm hai lớp màng sinh chất (double membrane), bên trong là chất nền chứa các lớp màng trong (thylakiod) tạo nên các vùng màng xếp chồng lên nhau gọi là grana (granal thylakiod) và các khoang rỗng (thylakiod lumen). Có hai kiểu màng trong của lạp thể: lớp màng xếp chồng lên nhau (grana) và các màng trong không xếp chồng lên nhau được gọi là các màng đệm (stromat membrane) của chất nền (stroma). Đặc điểm tổ chức quan trọng của các thylakiod là các hệ thống quang hợp I (PSI) và hệ quang hợp II (PSII). Các hệ thống quang hợp này không phân bố ngẫu nhiên xuyên qua hệ thống màng PSI nằm ở các màng không xếp chồng và ở các màng bộc lộ nhô ra chất nền, trong khi PSII được tìm thấy chỉ ở lớp màng xếp chồng lên nhau (granal membranes). 16 Hệ thống quang hợp (quang hệ) chứa đựng một trung tâm phản ứng quang hoá và nhiều anten là các phức hệ sắc tố thu nhận ánh sáng kết hợp với protein chức năng thực hiện chức năng quang hợp. Chức năng của những anten sắc tố này là hấp thụ năng lượng ánh sáng chuyển chúng vào trung tâm phản ứng, ở đó năng lượng sẽ làm biến đổi các sản phẩm hoá học bền vững. Việc phân tích kích thước của quang hệ I và quang hệ II chỉ ra rằng ở tất cả thực vật, mỗi trung tâm phản ứng có xấp xỉ 250 phân tử chlorophyl. Sự truyền năng lượng kích động từ phân tử chlorophyl này đến phân tử chlorophyl khác theo cơ chế truyền năng lượng forster hoặc sự cộng hưởng không cần toả sáng và tái hấp thụ các quang tử (photon). Trạng thái tiếp cận của các phân tử cho và nhận có tính chất quyết định quan trọng bởi vì hiệu ứng truyền năng lượng tỷ lệ nghịch với một phần sáu khoảng cách tách o biệt hai phân tử. Nếu với hai phân tử sắc tố cách biệt nhau 1,5 A thì thời gian truyền năng lượng sẽ nhỏ hơn một pico giây (1ps=10-12giây). Màng thilakoid của thực vật và tảo xanh lục có chứa hai loại phân tử chlorophyl-a (chl-a) và chlorophyyl-b (chl-b) khác nhau. Chl-a được tìm thấy ở tất cả phức hệ trung tâm phản ứng quang hợp cũng như ở cả các phức hệ anten, trong khi chl-b chỉ thấy có ở phức hệ anten. Việc phân tích phân đoạn màng lục lạp bằng các chất tẩy không gây biến tính (nondenaturing detergent) tiếp theo phân tích điện đi trên gel polyacrylamid cho thấy tất cả phức hệ màng thu được bao gồm các phân tử chlorophyl liên kết với các phân tử protein đặc hiệu. Người ta đã xác định được khoảng 15 loại protein khác nhau liên kết với chlorophyl, trong đó một số liên kết với quang hệ PSI, một số khác liên kết với PSII. Tất cả các protein này được mã hoá ở nhân tế bào, được tổng hợp và vận chuyển đến lục lạp, trước khi liên kết với chất diệp lục chlorophyl và kết hợp với quang hệ. Cùng với sắc tố chlorophyl, người ta cũng tìm thấy sắc tố carotenoid ở bộ máy anten. Nói chung tỷ lệ carotenoid/ chlorophyl tổng số gần đạt tới 0,5 điển hình ở phức hệ anten và phổ biến ở thực vật. Chlorophyl có mày xanh vì nó hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 430nm (ánh sáng xanh) và 680nm (bước sóng ánh sáng đỏ) của phổ ánh sáng thấy được. Trong khi đó carotenoid cũng có khả năng hấp thụ ánh sáng ở 450nm-500nm và truyền năng lượng này cho các phân tử chlorophyl. Các phức hệ protein của màng thilakoid được thể hiện không giống nhau về chiều ngang trong cách sắp xếp cài vào màng. Chẳng hạn ATP synthase định khu hầu như trên màng bộc lộ về phía chất nền stroma. Giống như protein quang hệ I, trong khi protein quang hệ II cài vào màng thilakoid ở hệ màng xếp chồng nhau (grana). Ở PSII thể lõi bên trong có các protein liên kết với chlophyl-a, được gọi là CP43, CP47, liên kết chặt chẽ với phức hệ trung tâm phản ứng D1/D2. Một số protein liên kết với chl-a và chl-b ở vùng bao quanh lõi là LHCII. ở PSI, phức hệ lõi chứa khoảng 90 phân tử chl-a liên kết với các protein phức hệ LHCI. Bản thân các phức hệ LHCI nằm bao quanh lõi PSC cũng liên kết với cả hai dạng chl-a và chl-b. Các protein LHC có cấu trúc trimer đều tìm thấy ở các PSI và PSII 2.2.2 Chức năng màng lục lạp 17 Màng lục lạp có chức năng quan trọng là vận chuyển điện tử trong các quang hệ (PSI và PSII) của lục lạp. Các sự kiện vận chuyển điện tử của màng lục lạp thể hiện các dạng sau: • Chuỗi vận chuyển điện tử không chu kỳ của lục lạp tạo ra oxy (O2), NADPH, ATP và tham gia vào sự hợp tác với quang hệ I và quang hệ II. Đó là sơ đồ Z nói lên sự hợp tác của quang hệ I và II trong quá trình vận chuyển điện tử từ H2O đến coenzym chưa bị khử (ở dạng oxy hoá) NADP+. Khi tiếp nhận ánh sáng, PSII tạo ra một chất oxy hoá mạnh, có khả năng oxy hoá nước tạo ra một chất khử. Trong khi đó PSI khi tiếp nhận ánh sáng tạo ra một chất khử mạnh có khả năng khử NADP+ nhưng đồng thời PSI cùng tạo ra một chất oxy hoá yếu. Cả hai quang hệ liên kết với nhau bằng một chuỗi truyền điện tử (ETC) cho phép chất oxy hoá yếu của PSI tiếp nhận các điện tử từ chất khử mạnh của PSII. Hình 2.4. Sơ đồ Z trình bày sự hợp tác giữa các chuỗi truyền điện tử của quang + hệ 1 (PSI) và quang hệ 2 (PSII) từ nước đến NADP . Dưới ánh sáng PSII tạo ra một chất ôxi hóa mạnh làm ôxi hóa nước chuyển thành chất khử, trái lại quang hệ I được chiếu sáng sẽ tạo ra một chất khử mạnh để khử NADP+. Hai quang hệ liên kết với nhau bằng chuỗi truyền điện tử ETC. (Theo Buchanan, et al, 2000) 18 Hình 2.5. Sự tổ chức các phức hệ quang hợp trên màng thylakoid ở lục lạp theo sơ đồ Z. Các thành phần của chuỗi truyền điện tử và bộ máy tổng hợp ATP được xếp trên màng thylakoid . Chi tiết giải thích trong bài (Theo Buchanan, et al, 2000) Sự tổ chức trong màng lục lạp của bộ máy quang hợp theo sơ đồ Z. Các thành viên của chuỗi truyền điện tử và bộ máy tổng hợp ATP nằm trên màng thylakoid. Bốn phức hệ tổng hợp màng là PSII, PSI, phức hệ cytochrom b6f và bộ máy tổng hợp ATP (CF1-CF0) được sắp xếp gần nhau trong màng thylakoid. Các điện tử được truyền từ nước đến NADP+, đi kèm theo quá trình truyền điện tử là một gradient proton đã được thiết lập qua màng. Gradient điện hoá này cuối cùng được sử dụng để tổng hợp ATP nhờ bộ máy enzym ATP. Synthase Fdx là ferredoxin; FNR là Fere doxin-NADP+ reductase; PQ, PQH2 là plastoquinon dạng oxy hoá và dạng khử; PC là phycocyanin là những sắc tố tham gia vào quá trình truyền năng lượng cho chlorophyl-a (Hình 2.5). 2.3 Lưới nội chất (ER), cấu trúc và chức năng ER (Endoplasmic Reticulum) là một bào quan lớn nhất, đa năng và thích ứng ở các tế bào nhân chuẩn. Nó bao gồm một mạng lưới ba chiều của các khoang nhỏ liên tục cùng với các túi nhỏ dẹt được lót bằng các màng sinh chất trải rộng ra tế bào chất và nối với màng nhân nhưng vẫn tách biệt với màng sinh chất của tế bào. Ở thực vật và động vật, chức năng của ER là tổng hợp, chế biến, bài xuất các protein và lipid sau khi được tổng hợp để gửi đến các địa chỉ đích trong tế bào hoặc trên bề mặt tế bào để xuất tiết ra ngoài. ER cũng có vai trò cung cấp thêm các vị trí mỏ neo cho các bó sợi actin tạo ra chùm sợi tế bào chất và đóng vai trò quan trọng đối với việc điều hoà nồng độ canxi, tham gia vào nhiều hoạt động sống của tế bào. Các tài liệu kinh điển trước đây phân biệt ba kiểu lưới nội chất là ER hạt, ER trơn nhẵn và màng nhân. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu hiện nay nhận ra cấu trúc màng ER chứa nhiều domain rất khác nhau về hình thái để thực hiện các chức năng khác nhau. Tuy vậy, cấu trúc màng ER được coi là một tập hợp hệ thống màng chứa nhiều khoang nhỏ (lumen), liên tục trải rộng ra mỗi tế bào riêng biệt nhờ các sợi liên bào (plasmodesma). Ở tế bào, người ta đã phát hiện ra một hệ thống màng liên hợp với nhau bao gồm màng nhân (bao nhân), lưới màng tiết của bộ máy golgi, màng sinh chất tế bào, các kiểu bóng màng (vesicle) vận chuyển, hoặc bóng tiết (secretory vesicles), các bóng màng tiết liên hợp với lưới nội chất và không bào (vacuoles). Sự giao lưu qua lại giữa các 19 khoang của hệ thống mạng lưới màng không chỉ để vận chuyển các phân tử được tiết ra sau tổng hợp ở lưới nội chất (ER) gửi đến bề mặt màng sinh chất tế bào hoặc tiết ra khỏi tế bào, mà còn phân phát các protein màng và lipid màng đến cho các bào quan nội bào. Đó là con đường “cấp phát” về phía trước (anterograde pathway) của hệ mạng lưới màng. Bên cạnh đó, các phân tử của màng (protein, lipid) có thể được gửi hồi lưu trở lại (con đường hồi lưu: retrograde pathway) các vị trí tổng hợp ban đầu của nó. Ở tất cả các tế bào của sinh vật nhân chuẩn (Eucariote) màng lưới nội chất luôn luôn gắn với các bào quan ribosome trong quá trình tổng hợp protein. Sau khi protein được tổng hợp, chúng có thể được cải biến (chế biến bằng quá trình proteolyse, được gắn thêm các gốc oligosaccharide bằng quá trình glycosyl hoá) để hình thành các glycoprotein. Tiếp theo, các protein được chuyển bằng bọng tiết màng từ các lumen nhỏ của lưới nội chất đến hệ thống màng của bộ máy tiết golgi và được phân phát tiếp đến các địa chỉ khác nhau của tế bào hoặc được bóng tiết vận chuyển đến màng sinh chất để bài xuất ra ngoài tế bào. Hình 2.6. Cấu trúc hiển vi điện tử của lưới nội chất. Ảnh cho thấy rõ trên lưới nội chất chứa rất nhiều polyxom tạo cho lưới nội chất có dạng xù xì và chứa nhiều xoang nhỏ gọi là lumen nơi các protein sau khi được tổng hợp sẽ chứa đựng ở đó (theo Daniel. S.F). 2.4 Bộ máy golgi, cấu trúc và chức năng Thuật ngữ bộ máy golgi dành cho các cấu trúc màng xếp chồng nhau (golgi stacks) và hệ thống màng kết hợp của mạng lưới golgi vận chuyển (trans- golgi networks.TGs) luôn luôn có mặt trong tế bào. Chức năng chung và quan trọng của bộ máy golgi là một cơ quan trung tâm của con đường tiết các protein và lipid mới được tổng hợp từ ER và hướng dẫn các sản phẩm mới được tổng hợp để cấp phát cho địa chỉ bên trong tế bào hoặc cho bề mặt màng tế bào. Ở thực vật, bộ máy golgi còn được kết hợp với các phức hệ polysaccharide của chất nền của thành tế bào để chế biến và tổng hợp các chuỗi bên oligosaccharide ở dạng liên kết Oglycoside hoặc N-glycoside tạo glycoprotein màng, hoặc các glycolipid màng. Để thực hiện nhiệm vụ này, các enzym glycosyltransferase và glycosidase có vai trò xúc tác cho các phản ứng glycosyl hoá. Các enzym này thường là các protein tích hợp vào màng hệ golgi và có các trung tâm hoạt động quay ra phía ngoài của khoang mạng lưới golgi. Thêm