chuyên đề màng tế bào và quá trình vận chuyển vật chất thông tin

Gọi là lỏng vì các phân tử phospholipid và protein không ngừng cử động, mặt dù khung phospholipid căn bản luôn luôn được giữ nguyên vẹn.*Các phân tử protein màng thuộc về 2 nhóm:- Các ph

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

HỘI CÁC TRƯỜNG CHUYÊN MIỀN DUYÊN HẢI BẮC TRUNG BỘ

CHUYÊN ĐỀ

MÀNG TẾ BÀO VÀ QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT, THÔNG TIN

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong tế bào có nhiều loại màng: màng lưới nội chất, màng ti thể, màng lục lạp… nhưng màng sinh chất là chung cho mọi cơ thể sống Tất cả các màng trong tế bào đều có cùng một cấu trúc cơ bản giống nhau và về mặt tiến hóa có lẽ chúng đều xuất phát từ màng sinh chất, tuy nhiên các bộ phận khác nhau của màng vẫn có cấu trúc và chức năng riêng

Màng sinh chất tham gia vào nhiều phương diện cấu trúc và chức năng tế bào Màng tế bào định hình tế bào và ngăn cách bên trong và bên ngoài tế bào Mọi sự trao đổi chất từ môi trường ngoài vào tế bào và ngược lại hoặc sự tiếp nhận thông tin đều phải qua màng sinh chất

Màng tế bào là một phức hợp protein trôi nổi giống như một con tàu được néo một cách lỏng lẻo trên biển cả lipit Màng sinh chất không bền chắc và các hợp phần bề mặt của nó lại không định vị một chỗ, nên có tính linh hoạt cao, có khả năng tương tác rộng rãi với môi trường.

Màng tế bào giống như một cái giá có thể giữ nhiều công cụ khác nhau (đó là các loại protein khác nhau có mặt trong một màng sinh chất) Với các công cụ đó Tế bào có thể tương tác với môi trường theo nhiều cách khác nhau Có 6 phương thức màng tế bào điều hoà sự tương tác với môi trường ngoài là:

a Dẫn truyền nước đi qua: màng cho nước thấm một cách tự do, nhưng sự vận chuyển tự phát của nước vào và ra khỏi màng tế bào đôi khi lại có vấn đề.

b Dẫn truyền khối vật chất: tế bào đôi khi dìm sâu được một khối lớn các chất hoặc nuốt chửng các chất lỏng.

c Dẫn truyền chọn lọc các phân tử: Màng rất đặc hiệu với các phân tử mà chúng cho phép đi vào hoặc đi ra khỏi tế bào.

d Tiếp nhận thông tin: Màng có thể cảm nhận được các thông tin hoá học với sự nhạy cảm tinh tế.

e Biểu hiện nhận dạng tế bào: màng có thể ghi mã thông tin cho tế bào khác biết chúng là ai f Liên kết lí học với các tế bào khác: Khi hình thành mô, màng tạo mối liên kết đặc biệt với nhau.

Trong giới hạn của đề tài chúng tôi chỉ nói đến cấu tạo của màng sinh chất phù hợp với sự vận chuyển các chất qua màng Dựa trên cơ sở đó để thấy được các hình thức vận chuyển vật chất và truyền thông tin qua màng

Vì thời gian không cho phép nên trong khuôn khổ đề tài còn nhiều hạn chế, mong quý Thầy (Cô) góp ý cho hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn.

Mô hình màng khảm lỏng

NỘI DUNG

I MÀNG SINH CHẤT:1 Cấu tạo:

Dưới kính hiển vi điện tử, ở độ phóng đại 100000 lần, màng nguyên sinh chất có 3 vùng:

Phân tử phospholipid gồm 2 phần: một đầu ưa nước và một đuôi kép kị nước Trong nước, các phân tử phospholipid tạo một khung 2 lớp theo cách tự sinh, gọi là lớp đôi phospholipid Các đầu thích nước của phospholipid luôn hướng về tế bào chất hoặc môi trường nước ngoài tế bào; ngược lại các đuôi kị nước luôn hướng vào trong để tránh nước Nhờ cách sắp xếp này đã giải thích 3 vùng của màng thấy dưới kính hiển vi điện tử, 2 vùng tối thích ứng với vùng thích nước ngoại vi, vùng sáng ở giữa tương ứng với vùng kị nước.

Màng nguyên sinh chất cũng như các màng khác của tế bào đều là màng khảm lỏng, chứa phosholipid và protein Gọi là màng khảm vì khung phospholipid căn bản được gắn (khảm) các phân tử protein Gọi là lỏng vì các phân tử phospholipid và protein không ngừng cử động, mặt dù khung phospholipid căn bản luôn luôn được giữ nguyên vẹn.

*Các phân tử protein màng thuộc về 2 nhóm:

- Các phân tử protein xuyên màng thâm nhập ít nhiều trong lớp đôi phospholipid, bằng cách tạo các tương tác kị nước với phần vô cực của phospholipid.

- Các phân tử protein ngoại vi đặt rải rác trên màng nhờ các tương tác tĩnh điện với các phần hữu cực của phospholipid hay phần hữu cực nhô ra ngoài của các protein xuyên màng.

+ Về mặt chức năng, trong màng có các protein enzim, protein chất nhận (chất mang), protein tạo kênh vận chuyển ion (protein vận chuyển qua màng), protein đều hòa và protein cấu trúc.

- Thụ quan: Một số protein khác xuyên qua màng dẫn truyền thông tin tốt hơn các phân tử hoá học Những protein này gọi là thụ quan, thường gây ra những biến đổi bên trong tế bào khi chúng tiếp xúc với phân tử riêng biệt trên bề mặt tế bào Nhiều hormon gây ra sự biến đổi ở tế bào nhờ liên kết đầu tiên với thụ quan bề mặt như thế.

- Chất nhận diện: Nhóm protein này gắn vào màng có chức nang nhận dạng các chất lạ đi vào cơ thể một cách chính xác.

2.Tính chất của màng:

a Tính lỏng: Lipid và protein của màng không ngừng di chuyển, vì:

- Các tương tác lipid - lipid, protein - protein và lipid - protein không phải là các tương tác đồng hóa trị.

- Các đuôi phospholipid xoắn, giúp màng lỏng hơn, bằng cách giữ các phân tử phospholipid không dính chặt vào nhau.

b Sự di chuyển của phospholipid: Sự di chuyển của các phân tử lipid trong mặt phẳng của lớp

đôi càng mạnh khi nhiệt độ của môi trường càng cao, cũng như khi chuỗi acid béo càng ngắn và ít bảo hòa Sự khuếch tán ngang của các phân tử lipid như vậy làm cho màng có một tính lỏng rất đặc biệt, định hướng, vì các chuỗi nước luôn song song và thẳng góc với bề mặt của màng Colesterol nằm xen giữa các phân tử phospholipid, giống như những chiếc nêm làm cho màng lỏng bền hơn.

c Sự di chuyển của protein: Ngoài những cử động đặc biệt trong các hiện tượng trao đổi vật chất,

năng lượng, hay truyền tin qua màng, các phân tử protein cũng di chuyển trong mặt phẳng của màng

d Tính thấm chọn lọc: Nhờ tính này mà màng cho phép vài chất ra hay vào tế bào dễ dàng hơn

những chất khác Có 2 đặc tính dưới đây giúp màng có tính thấm chọn lọc:

-Sự hiện diện của vùng kị nước ở giữa lớp đôi phospholipid Các phân tử kị nước, vô cực hòa tan trong lipid nên qua màng dễ dàng Ngược lại các phân tử thích nước, hữu cực không hòa tan trong lipid nên không thể di chuyển tự do qua màng.

-Sự hiện diện của protein vận chuyển chuyên biệt nằm trong màng, cho phép sự di chuyển qua màng các phân tử thích nước khác nhau, theo những hướng và tốc độ khác nhau.

e Chức năng của màng:

-Màng có thể là nơi xúc tác các phản ứng hóa học.

-Là thể nhận: nhận biết mọi thông tin hóa học như hormon và truyền thông tin này vào tế bào, để khởi phát một phản ứng chuyên biệt.

-Chỗ nối tế bào: liên kết các tế bào, liên kết với bộ xương của tế bào.

-Protein vận chuyển: các phân tử nhỏ như oxy khuyếch tán tự do qua lớp đôi lipid, nhiều phân tử cần sự giúp đỡ của các protein vận chuyển của màng để vào hay ra khỏi tế bào.

3 Tóm tắt thành phần của màng và chức năng của từng thành phần: Thành

Nền tản

lipit Tầng képphospholipit Hàng rào thấmđối với protein Các phân tử hoà tan trongnước được loại bỏ khỏi phần trong không cực của tầng kép.

Không thấm đối với phân tử hoà tan trong

Thụ quan Dẫn truyền thông

tin vào tế bào Liên kết với phần protein củabề mặt tế bào, làm biến đổi bộ phận bên trong tế bào, gây

Glycoprotein Tự "nhận dạng" Hình thể của chuỗi protein, hyđratcacbon là đặc trưng của

Glycolipit Nhận dạng mô Hình thể của chuỗi hyđratcacbon là đặc trưng của

Tạo mạng lưới trên màng để néo protein vào.

* Khái niệm: Khuếch tán là sự chuyển động của các phân tử theo cách tự sinh hay thụ động, từ

nơi có nồng độ cao hơn đến nới có nồng độ thấp hơn, do sự cử động ngẫu nhiên của các nguyên tử và phân tử.

Ví dụ: Các phân tử phẩm nhuộm khuếch tán từ nơi nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp, trong một cốc nước.

Nước và các phân tử không mang điện tích có thể xuyên qua lớp đôi phospholipid dễ dàng, nhờ các phân tử phospholipid di chuyển không ngừng (do tính lỏng của màng) và tạo nên những lỗ nhỏ tạm thời.

* Các chất hoà tan tạo áp suất thẩm thấu:

Các phân tử tích điện hoặc có cực thường hoà tan trong nước, bởi vì chúng tạo liên kết hyđro với các phân tử nước tụ tập quanh chúng Khi một chất hoà tan có cực, ví dụ urê được cho vào một phía của màng thì các phân tử nước lập tức tập hợp lại xung quanh mỗi phân tử urê nên không còn tự do khuếch tán qua màng nữa Vậy các chất tự do có cực đã làm giảm số phân tử nước tự do ở phía bên này màng Vì phía nhược trương của màng có nước không liên kết nhiều hơn phía ưu trương thường có nhiều chất hoà tan, do vậy nước sẽ khuếch tán nơi có nồng độ thấp đến nơi có nồng độ cao.

Khi phân tử nước mới khuếch tán vào tế bào thì ở tế bào chất xuất hiện áp suất đẩy ra hướng đến màng TB gọi là áp suất thuỷ tĩnh, phân tử nước tiếp tục khuếch tán vào, hướng đến vùng có nồng độ nước không liên kết thấp hơn, làm áp suất thuỷ tĩnh của nước bên trong tế bào tăng lên, người ta gọi áp suất này là áp suất thẩm thấu.

Vậy: áp suất thẩm thấu là lực phải dùng để làm ngừng sự vận động thẩm thấu của nướcqua màng.

Do áp suất thẩm thấu chống lại sự vận động của nước hướng vào nên sự khuếch tán hầu như không tiếp tục được nữa Cuối cùng tế bào sẽ đạt được trạng thái cân bằng Ở thời điểm này, lực thẩm thấu đẩy nước vào hoàn toàn cân bằng với áp suất thuỷ tĩnh đẩy nước ra Thực tế, áp suất thuỷ tĩnh lúc cân bằng khá cao khiến cho màng tế bào không được nâng đỡ, không thể chịu

được và khi cho tế bào này vào nước thì tế bào sẽ vỡ tung Để tồn tại, cơ thể sống đều có các giải pháp thích hợp để khác phục tình trạng khó xử về áp suất thẩm thấu.

* Tránh áp suất thẩm thấu:

Một số tế bào nhân thực đầu tiên sống ở biển sẽ điều chỉnh nồng độ chất hoà tan bên trong bằng nồng độ nước biển Như vậy dịch bào đẳng trương với môi trường, nên nước không có khuynh hướng vào hay ra khỏi tế bào Tế bào cân bằng thẩm thấu với môi trường và tránh được áp suất thẩm thấu.

Nhiều động vật đa bào cũng có giải pháp tương tự, chúng tuần hoàn dịch thể qua cơ thể bằng dịch đẳng trương Tế bào điều tiết thành phần và nồng độ tuần hoàn tương ứng với nồng độ dịch bào Ví dụ: máu trong cơ thể người chứa nồng độ albumin cao có tác dụng làm tăng nồng độ chất tan trong máu tương ứng với nồng độ chất tan ở mô trong cơ thể, nên hiện tượng thẩm thấu không xảy ra.

* Loại bỏ nước:

Khi tế bào nhân thực nguyên thuỷ sống trong nước ngọt thì chúng phải đương đầu với tình trạng khó xử về thẩm thấu

Nhiều tế bào thích nghi bằng cách đẩy nước ra Ví dụ: trong tế bào paramecium chứa một

hoặc nhiều bào quan chuyên hoá gọi là không bào co rút, dạng sao giống con nhện nhiều chân, chúng thu thập nước thẩm thấu từ các phần khác nhau rồi chuyển đến giữa cơ thể, đặt không bào gần bề mặt tế bào Nhờ co rút theo nhịp, nó bơm nước thẩm thấu tích luỹ qua lỗ ra ngoài Vì sự co rút của vi sợi phải sử dụng ATP do đó dùng không bào co rút để tồn tại trong môi trường nhược trương đòi hỏi phải tiêu phí năng lượng thường xuyên.

* Vách tế bào thực vật:

Khác với động vật, thực vật không tuần hoàn đẳng trương Phần lớn tế bào thực vật ưu trương với môi trường, với nồng độ chất hoà tan cao trong không bào trung tâm sẽ gây ra áp suất thẩm thấu Áp suất thẩm thấu ép tế bào áp sát phần trong của vách tế bào, làm cho từng tế bào thực vật cứng cáp Áp suất trong tế bào gọi là áp suất trương Độ cứng rắn của tế bào phụ thuộc vào áp suất trương, có tác dụng duy trì hình dạng của cây, vì vậy khi thiếu nước thì cây bị héo

Phân tử đường

Nếu bỏ viên đường vào cốc nước thì đường hòa tan (A) và các phân tử đường bắt đầukhuếch tán Sau một thời gian dài quá trình khuếch tán đạt tới mức các phân tử được phân bốđồng đều trong toàn bình (D)

* Nguyên tắc vật lý (Đối với một màng "thấm").

- Một chất khuếch tán xuống khuynh độ nồng độ của nó, cho tới khi đạt tới trạng thái cân bằng

- Ở cân bằng, các phân tử tiếp tục cử động qua lại, nhưng không có sự thay đổi thực tế về nồng độ của một chất, ở một trong 2 ngăn.

* Tầm quan trọng của sự vận chuyển thụ động trong tế bào:

- Các phân tử đi qua được màng này hay màng khác tùy thuộc vào cấu trúc màng và kích thước các lỗ trên màng

- Màng tế bào có tính thấm chọn lọc, chỉ cho một số chất quan trọng đi qua tế bào (là những chất có kích thước bé hơn lỗ màng và có lợi cho tế bào).

- Sự khuếch tán của chất hòa tan qua màng bán thấm gọi là sự thẩm tích Thẩm tích và thẩm thấu chỉ là 2 dạng đặc biệt của khuếch tán Thẩm tích là sự khuếch tán của các phân tử chất hòa tan qua màng bán thấm, còn thẩm thấu là sự khuếch tán của các phân tử dung môi cũng qua màng như thế.

- Trong chất lỏng của bất kỳ tế bào nào đều có muối đường và các chất hòa tan khác, vì vậy nó có áp suất thẩm thấu Nếu đặt tế bào vào môi trường chất lỏng có cùng áp suất thẩm thấu như trong tế bào thì nước không đi vào tế bào và cũng không đi ra, đó là dung dịch đẳng trương Còn áp suất thẩm thấu của môi trường cao hơn tế bào thì đó là môi trường ưu trương Còn áp suất thẩm thấu của môi trường thấp hơn tế bào thì đó là môi trường nhược trương.

2.Khuếch tán dễ: (Sự vận chuyển thụ động)

* Khái niệm:

Không giống như nước, nhiều chất hữu cơ và ion không thể khuếch tán tự do qua màng tế bào Sự khếch tán qua màng rất chậm, nếu không được thúc đẩy nhanh nhờ các chất vận chuyển hay kênh nằm trong màng Quá trình giúp một phân tử qua màng dễ hơn, xuống một khuynh độ nồng độ, nhờ một protein màng (chất vận chuyển hay kênh), được gọi sự khuếch tán dễ.

* Các chất vận chuyển:

Chất vận chuyển là các protein xen trong màng nhờ các vùng thích lipid, đồng thời có thể dính với chất hòa tan ở vị trí chuyên biệt thích nước Khi nhận biết và cố định một chất hòa tan, protein có thể chuyển chất này qua màng theo nhiều cách: biến đổi hình thể, quay, con thoi, mỗi cách đều qua 4 bước căn bản:

1 Protein ở trạng thái sẵn sàng.

2 Protein nhận phân tử chất hòa tan ở vị trí chuyên biệt 3 Protein nhận phân tử chất hòa tan qua màng.

4 Protien trở lại vị trí sẵn sàng, bắt đầu chu trình vận chuyển mới.

làm dễ bởi các chất vận chuyển của màng.

Các chất vận chuyển cũng thường thực hiện sự chuyển đổi, cho phép sự khuếch tán theo hướng ngược nhau của 2 chất hòa tan, ví dụ như sự trao đổi chất qua màng diệp lục.

Tuy nhiên các ion nhỏ, sự khuếch tán nhờ các protein vận chuyển tương đối chậm, không quan trọng bằng khuếch tán qua kênh.

* Kênh:

Các kênh ion hiện diện với 2 hình thể đóng và mở Ở trạng thái mở, chúng cho phép vài

kênh rất chuyên biệt, thường chỉ cho phép vận chuyển rất đơn hướng Tính chuyên biệt của kênh được xác định bởi kích thước và mật độ diện tích bề mặt lỗ.

ion

Sự khuếch tán nhanh có 3 đặc tính cơ bản:

1 Có tính đặc hiệu: Một phân tử nhất định có thể đi qua một kênh nhất định.

2 Có tính bị động: Chiều hướng của sự vận chuyển được xác định bởi nồng độ tương đối của các phân tử dẫn truyền ở bên trong và bên ngoài màng.

3 Có thể bảo hòa nếu các kênh protein đã được sử dụng.

3 Sự vận chuyển hoạt động (Sự vận chuyển chủ động):

Sự vận chuyển chủ động là sự vận chuyển cần năng lượng, để di chuyển các phân tử hay ion màng (vào hay ra tế bào), ngược với khuynh độ hóa học hay điện hóa Trong mọi trường hợp tế bào phải dùng năng lượng duy trì sự chênh lệch nồng độ Loại dẫn truyền các chất từ nồng độ thấp đến nồng độ cao cần phải chi phí năng lượng để bơm nhiều phân tử hơn so với khếch tán, hoặc có thể giữ phân tử ở nồng độ thấp hơn nhờ dùng năng lượng để bơm chủ động ra ngoài tế bào.

Sự vận chuyển hoạt động trực tiếp nhờ sự thủy phân ATP hay sự phosphoryl hóa các chất cần sự vận chuyển, (trường hợp này cần có một chất cho nhóm phosphat cao năng) Có 2 kiểu

Các kiểu vận chuyển hoạt động ( S: chất hòa tan).

Sự vận chuyển hoạt động gián tiếp liên quan tới sự khuếch tán dễ qua một phân tử hay một ion khác.

Sự vận chuyển chủ động có thể chỉ chuyển một kiểu chất hòa tan qua màng theo một

a/ Cơ chế thủy phân ATP:

*Trường hợp một chất hòa tan:

Các protein màng liên quan trong vận chuyển hoạt động trực tiếp nhờ sự thủy giải ATP, thực chất là các ATPaza màng Đối với các ion, đó là bơm sinh điện, vì sự chuyển ion qua màng làm

màng hoạt động qua 4 bước:

1 Chất hòa tan (trong tế bào, đối với trường hợp bơm chất hòa tan ra tế bào) liên kết với protein vận chuyển (ở vị trí chuyên biệt).

2 Phosphoryl hóa protein.

4 Thay đổi hình thể protein: mở lối ra, đóng lối vào.

4 Phóng thích chất hòa tan (ra ngoài) và nhóm phosphat (vào trong), protein trở lại hình thể ban

(1) ↑ (2)  (3) (4)

Sự vận chuyển một chất hòa tan hay một ion qua màng.

trò quan trọng trong sự chuyển gián tiếp các chất hòa tan hay ion khác, kiểm soát pH cytosol và

rất giàu trong vách và khoảng giữa các tế bào, nhưng rất thấp trong cytosol, bát chất nồng độ

*Trường hợp 2 kiểu chất hòa tan:

Trong sự vận chuyển 2 kiểu chất hòa tan, protein có 2 vị trí liên kết chất hòa tan, mỗi vị trí chuyên biệt cho một kiểu chất hòa tan Trong chu kỳ bơm, sự phân giải ATP giúp chuyển một nhóm phosphat vào một acid amin của một protein vận chuyển; điều này làm thay đổi hình thể protêin và do đó thay đổi ái lực của protein đối với các cation được vận chuyển Quá trình xãy theo các bước sau:

1 Chất hòa tan 1 (bên trong tế bào) liên kết với protein vận chuyển 2 Nhóm phosphat, từ sự phân giải ATP, liên kết với protein vận chuyển.

3 Sự phosphoryl hóa protein làm protein thay đổi hình thể và phóng thích chất hòa tan 1 qua màng.

4 Sự phóng thích chất hòa tan 1 làm protein thay đổi hình thể và có thể nhận chất hòa tan 2 (bên ngoài tế bào).

Nhóm phosphat bị loại, protein trở thành hình thể ban đầu Chất hòa tan 2 vào tế bào.

Sự vận chuyển 2 chất hòa tan qua màng tế bào.