Những đặc điểm cơ bản của màng tế bào

Chương 1 Những đặc điểm cơ bản của màng tế bào 1.1 Lịch sử nghiên cứu màng tế bào - 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). 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 3 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. 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. 4 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 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 Singer- Nicolson. 5 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 các chất thấm qua (hình 1.1). để cho 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 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. 6 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). 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 7 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.