Chủ Nhật, ngày 23 tháng 8 năm 2009

CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG MÀNG TẾ BÀO (10B08-06.07)

TRƯỜNG THPT MARIE CURIE
HKI – NĂM HỌC: 2006-2007


ĐỀ TÀI:

CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG MÀNG TẾ BÀO

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG
CỦA HỆ THỐNG MÀNG TẾ BÀO

Hệ thống màng tế bào Trang 4

Cấu tạo của hệ thống màng tế bào Trang 4
Lipit
Protein
Cacbonhidrat
Hệ thống sợi nâng đỡ
Protein và glycolipid bên ngoài

Mô hình cấu trúc dòng khảm Trang 7

Kênh trên màng tế bào Trang 8
Các kiểu kênh
Sự đồng vận chuyển và đối vận chuyển

Bơm Trang 12
Bơm Na-K
Khuynh độ hóa điện qua màng tế bào

Sự trao đổi chất qua màng tế bào Trang 13
Khái niệm về sự khuếch tán và thẩm thấu
Sự thẩm thấu và màng tế bào
Sự vận chuyển vật chất qua màng tế bào
Ngoại xuất bào
Nội nhập bào

Sự tiếp nhận thông tin qua màng tế bào Trang 21
Chiến lược truyền phân tử thông tin và phản ứng của tế bào
Các phân tử thông tin ưa nước và kỵ nước
Ba nhóm thụ thể protein trên bề mặt tế bào

Chức năng của hệ thống màng tế bào Trang 22





CHƯƠNG I: CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG
CỦA HỆ THỐNG MÀNG TẾ BÀO

HỆ THỐNG MÀNG TẾ BÀO
- Vỏ bọc bên ngoài của một tế bào nhân thực được gọi là màng sinh chất (plasma membrane). Màng nay cũng có ở tế bào nhân sơ nhưng được gọi là màng tế bào (cell mambrane).
- Màng tế bào là bào quan quan trọng nhất trong tế bào. Màng tế bào là ranh giới ngăn cách tế bào sống với môi trường chung quanh nó. Màng tế bào kiểm soát sự ra vào của vật chất xuyên qua màng.
- Giống như các màng sinh học khác, hệ thống màng tế bào là màng thấm chọn lọc (selective permeability) cho phép một số chất đi qua dễ dàng hơn những chất khác.

CẤU TẠO CỦA HỆ THỐNG MÀNG TẾ BÀO
Màng tế bào được cấu tạo chủ yếu bởi một lớp lipit kép và các protein.
Các phân tử protein hoạt đông như các kênh vận chuyển và bơm được nằm khảm vào lớp lipit một cách linh động.
Lipit

- Màng tế bào được cấu tạo chủ yếu là phospholipit. Phosphatidycholin, là một loại phospholipit hầu như chỉ tìm thấy ở nửa lớp ngoài của màng, gồm có một đầu phân cực được nối với hai acid béo kị nước, nếp gấp trong đuôi bên phải được tạo ra do nối đôi như vậy đuôi chưa bảo hòa, phospholipit như vậy sẽ ít gắn chặt với nhau và nhờ thế màng sẽ linh động hơn.
- Cholesterol có tác dụng ngăn cách hai phân tử phospholipit, nếu không các đuôi phospholipit sẽ dính vào nhau gây tình trạng bất động, hậu quả là sẽ làm cho màng ít linh động và trở nên cứng rắn. Hàm lượng cholesteron thay đổi rất lớn theo loại tế bào, màng của nhiều loại tế bào chứa số phân tử cholesteron gần bằng với số phân tử phospholipit, trong khi một số loại tế bào khác gần như hoàn toàn không có cholesteron.

Protein trong màng tế bào
- Trung bình protein chiếm 50% trọng lượng các phân tử cấu tạo trong màng. Trong màng tế bào có chứa hai loại protein, được phân biệt tuỳ theo cách sắp xếp của chúng trong màng: protein ngoại vi (peripheral protein) và protein hội nhập (Integral protein).
+ Protein ngoại vi: protein gắn vào đầu phân cực của phân tử phospholipid, do đó có thể thay đổi vị trí và có thể bị lấy mất đi do một tác nhân nào đó (như các chất có chứa nhiều muối). Chiều dày của màng tùy thuộc sự hiện diện vào các protein này, màng sinh chất dày nhất 9nm, màng của mạng nội chất mỏng nhất 6nm. Ngoài ra, sự hiện diện của các protein ngoại vi này làm cho cấu trúc màng có tính bất xứng (asymmetry).

+ Protein hội nhập có thể có vài kiểu sắp xếp: protein có thể chỉ tương tác với vùng kỵ nước của các phospholipid, một số protein hội nhập có thể xuyên qua màng được gọi là protein xuyên màng (transmembrane protein). Trong cách sắp xếp, protein với các acid amin ưa nước được đưa ra ngoài, nơi có thể tiếp xúc với

- Các protein trong tế bào có chức năng như các kênh vận chuyển các chất ra vào tế bào cũng như các thụ thể tiếp nhận thông tin từ bên ngoài.

Cacbonhidrat
Các carbohydrat thường gắn vào các protein ngoại vi tạo ra glycoprotein hay gắn vào các phân tử phospholipid màng tạo ra glycolipid và thường chỉ chiếm 2-10% thành phần cấu tạo. Carbohydrat không có trên màng ở phía tế bào chất, các phân tử carbohydrat này tạo ra glycocalyx, lớp vỏ bao ngoài tế bào. Carbohydrat hiện diện ở bên trong của các bào quan trong tế bào (ở trong lumen). Sự hiện diện của các carbohydrat trên màng sinh chất cũng tạo ra tính bất xứng trong cấu trúc của màng.

Hệ thống sợi nâng đỡ
Ở hồng cầu, nhóm protein dồi dào nhất là spectrine, một loại protein có sợi dài, mỏng và dẻo, chiếm khoảng 25% khối lượng sợi protein màng. Các protein là thành phần cơ bản của sợi nâng đỡ của spectrine giúp tế bào chống lại những tác động bất lợi từ bên ngoài.


Protein và glycolipid bên ngoài
Tổng các cacbonhidrat chiếm 2-10% trọng lượng của màng. Phần lớn những protein gắn ở mặt ngoài màng đều gắn với những olisaccharide bằng liên kết cộng hóa trị nên được gọi tương ứng là glycoprotein.
Hầu hết các lipit nằm ở lớp đơn phía ngoài chứa các nhóm olisaccharide, gọi là glycolipit. Các glycolipit có lẽ hiện diện ở tất cã màng tế bào của động vật, nơi chúng chiếm khoảng 5% của các phân tử lipit thuộc lớp đơn phía ngoài. Chúng có thành phần dao động từ laòi nay sang loài khác.
Các olisaccharide nói trên nhô ra trên bề mặt tế bào, có lẽ giữ vai trò trong tương tác giữa tế bào với môi trường.
Ơ thực vật, nấm và vi khuẩn vách tế bào tách biệt hẳn với màng tế bào của tế bào. Vỏ của tế bào động vật không có sự tách biệt đó, được gọi là glycocalix. Các cacbonhidrat của nó gắn với các glycoprotein và glycolipit. Các chất này chỉ nằm ở bề mặt ngoài tấm lipit hai lớp.
Những nghiên cứu gần đây cho thấy glycoprotein và glycolipit có thể là những điểm nhận biết các tín hiệu và quan hệ giữa các tế bào. Ví dụ: nếu trộn lẫn các tế bào riêng lẽ của gan và thận với nhau trong môi trường nuôi, chúng sẽ tự động nhận biết nhau để kết lại thành cụm tế bào gan theo gan và thận theo thận.
Sự nhận biết này có ý nghĩa quan trọng trong quá trình phát triển phôi, điều hóa sự tăng trưởng vá phân chia tế bào. Một hiện tượng nữa có liên quan đến sự nhận biết là ức chế khi tiếp xúc: trong nuôi tế bào, các tế bào bình thường phân chia đến khi tạo một lớp chạm khít nhau thì dừng. Các tế bào ung thư mất khả năng này.
Các nhà nghiên cứu phát hiện một nhóm protein có tên là lectin. Các protein có điểm đặc hiệu nhận biết các gốc cacbonhidrat. Lúc đầu, các lectin phát hiện ở thực vật, về sau thấy chúng có ở nhiều sinh vật khác kể cả thú. Một số chúng được tìm thấy trên bề mặt tế bào, có lẽ chúng tham gia vào sự nhận biết tế bào.

MÔ HÌNH CẤU TRÚC DÒNG KHẢM
Các nhà nghiên cứu từ nhiều thập kỷ trước đã cố gắng tìm hiểu và đưa ra mô hình về cấu trúc màng tế bào. Vì sự hiểu biết về cấu trúc màng là chìa khóa để hiểu được chức năng của màng tế bào. Khoảng 1930 J. F. Danielli (đại học Princeton) và H. Davson (đại học ở London), đưa ra mô hình cấu trúc màng gồm màng với hai lớp phospholipid với đầu ưa nước (phân cực) đưa ra hai bề mặt của màng và các đuôi kỵ nước, (không phân cực) chôn bên trong tránh nước. Cấu trúc dựa trên sự tương tác giữa tính kỵ nước và ưa nước làm cho màng rất bền vững và đàn hồi.
1972 S.J.Singer ở đại học California (San Diego) và G.L.Nicolson (Salk Institude) đưa ra mô hình dòng khảm. Mô hình này là sự hợp nhất của mô hình màng của Danielli-Davson. Tuy nhiên, trong mô hình dòng khảm sự sắp xếp của protein rất khác biệt. Thay vì protein phủ hai bên màng, có những phân tử protein chuyên biệt gắn vào màng, đảm nhận các chức năng đặc biệt. Trong hình hai lớp lipid trong đó phần lớn là phospholipid tạo ra phần chính liên tục của màng, ở màng của sinh vật bậc cao có thêm cholesterol. rotein với nhiều kiểu sắp xếp khác nhau: một số được gọi là protein ngoại vi nằm trên bề mặt của màng, nối với các lipid bằng cầu nối cộng hóa trị; một số khác được gọi là protein hội nhập, gắn một phần hay toàn phần vào màng lipid, một số khác xuyên màng.
Tính linh động của màng là do các phân tử lipid có thể di chuyển qua lại, tính khảm để chỉ sự sắp xếp của các phân tử protein trên màng hay xuyên màng.






KÊNH TRÊN MÀNG TẾ BÀO
Như đã biết, màng tế bào do chính phospholipid của tế bào tạo ra. Màng tuy linh động nhưng là màng chắn hiệu quả giữa bên trong và bên ngoài tế bào. Thành phần lipid trong màng rất cao, điều đó giải thích được tại sao những phân tử hòa tan trong lipid có thể khuếch tán vào ra dễ dàng, nhưng đối với một số chất không hòa tan trong lipid phải tùy thuộc vào các protein trên màng đôi lipid. Nhờ vào các protein trên màng một số chất có thể đi qua màng một cách dễ dàng ngược lại với khuynh độ (gradient) nồng độ của nó.
Màng có tính chọn lọc rất cao. Tính chọn lọc này trên từng phần của tế bào là do các tác nhân tải (hay chất vận chuyển) là những protein hoạt động như enzim. Bây giờ người ta biết được những yếu tố vận chuyển, kiểm soát sự qua lại của các phân tử qua màng là những kênh và những bơm chuyên biệt. Mỗi loại kinh hay bơm tùy thuộc vào protein màng cho một số hóa chất đặc biệt xuyên qua nên được gọi chung là permeaz.
Các kiểu kênh.
Kênh khuếch tán
Là kiểu kênh đơn giản nhất trong sự vận chuyển thụ động nhờ tính thấm đặc biệt cao của màng tế bào: chúng cho một số chất đặc biệt đi qua từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn. Thí dụ kênh protein này cho ion K+¬, được tích lũy trong hầu hết tế bào và có điện tích nên không thể hòa tan trong màng phospholipid, nhưng kênh đặc biệt dành cho ion K+ cho phép chúng đi qua một cách từ từ với nồngđộ kiểm soát được. Nếu không có sự đi ra.
Trên hình: Kênh khuếch tán này nồng độ ion K+ bên trong tế bào sẽ trở nên rất cao làm ảnh hưởng đến các chức năng của tế bào. Sự chuyên biệt của kênh ion K+ là kết quả của hình dạng bên trong và điện tích, nhưng còn nhiều chi tiết về nó chưa được biết rõ.


Kênh ion phối hợp (kênh đồng vận chuyển)
Là kiểu kênh phức tạp hơn cho hai chất qua cùng chiều. Thí dụ, ion Na+ bên ngoài tế bào cao hơn 11 lần. Tuy vậy Na+ phải có glucoz đi kèm mới xuyên qua kênh thích hợp trên màng để vào được bên trong tế bào. Cả hai phải gắn vào phía ngoài kênh trước khi kênh được mở ra. Khi ion Na+ gắn vào kênh, có thể gây ra một cảm ứng gì đó làm cho glucoz cũng gắn được vào kênh. Sự gắn glucoz có thể gây ra một hậu quả khác, có thể làm đóng kênh ở phía ngoài màng và mở kênh ra ở phía trong màng. Sự thay đổi này, có thể làm cho kênh mất ái lực đối với glucoz và giải phóng glucoz cũng như ion Na+ vào bên trong tế bào. Mất ion Na+ và glucoz làm kênh mở lại ở phía ngoài màng.


Kênh ion phối hợp

Kênh có cổng
Một kiểu kiểm soát sự di chuyển vật chất qua màng là nhờ một cổng ngang qua kênh. Khi một phân tử tín hiệu, một hormon hay một chất truyền tải mang thông tin từ một tế bào thần kinh này sang một tế bào thần kinh khác, gắn vào một thụ thể (receptor) là một protein xuyên màng, lúc đó có sự thay đổi cấu trúc. Sự thay đổi này làm cho cổng mở ra, và tín hiệu thứ hai, thường là một ion như ion Na+ hay Ca++, có thể đi qua mang thông tin vào trong tế bào. Kiểu kênh đóng mở này vận chuyển nhiều thông tin hóa học (chemical messages) cả ở thực vật và động vật, các xung thần kinh nhờ đó động vật cảm nhận thế giới bên ngoài, các cử động và có lẻ ngay cả suy nghĩ.


Kênh có cổng

Kênh tải cơ động
Một kiểu permeaz khác hoạt động như một chất tải cơ động tải từng phân tử một. Chưa có một thí dụ chắc chắn nào về kiểu permeaz này. Nhưng valinomycin hoạt động y như một chất tải cơ động. Valinomycin là một đa phân dạng vòng với đầu kỵ nước ở ngoài và đầu phân cực ở trong, với 6 nguyên tử oxy xếp thành hàng có thể giữ một ion K+. Phức hợp hoạt động như một quả lắc qua lại mang ion K+ ở cảí hai hướng. Sự vận chuyển ion K+ dựa trên khuynh độ hóa điện: Valinomycin thường lấy ion K+ trong tế bào và phóng thích ra ngoài một các đơn giản, vì ion này trong tế bào nhiều hơn ở ngoài. Valinomycin không phải là một protein, vì một đơn vị trong chuỗi peptid của nó không phải là acid amin. Đây là một chất kháng sinh (antibiotic) do một số vi khuẩn tiết ra để gây độc cho những vi sinh vật xung quanh bằng cách làm thay đổi tính thấm chọn lọc của màng tế bào của các vi khuẩn này. Có một vài bằng chứng chứng tỏ có chất tải cơ động trên một màng bình thường, nhưng hiện nay vấn đề vẫn còn nhiều nghi vấn.

Sự đồng vận chuyển và đối vận chuyển
Sự đồng vận chuyển
Là hiện tượng hai chất cùng được tải qua kênh đi về một hướng. Đây là kiểu vận chuyển quan trọng xuyên qua màng của glucoz, nguồn năng lượng quan trọng cho hầu hết tế bào. Ion Na+ ở bên ngoài có khuynh độ nồng độ cao gấp nhiều lần so với bên trong, nên có xu hướng di chuyển vào bên trong tế bào. Nó phải được đồng vận chuyển với glucoz để đi qua một kênh thích hợp. Kênh này không vận chuyển riêng rẻ, hai chất phải được gắn vào phía bên ngoài của kênh trước khi kênh được mở ra. Vì vậy năng lượng tự do của ion Na+ do khuynh độ nồng độ cao có thể được lợi dụng để tải glucoz ở một nồng độ nhỏ hơn. Về mặt nhiệt động học, hai phản ứng khuếch tán được liên kết với nhau. Ion Na+ xuống dốc (downhill) giải phóng năng lượng tự do nhiều hơn, năng lượng này được sử dụng để vận chuyển glucoz lên dốc (uphill), kết quả là quá trình đồng khuếch tán diễn ra.


Sự đối vận chuyển
Là hiện tượng phức tạp hơn, xảy ra ở những kênh trao đổi ion, vận chuyển hai ion mang điện tích giống nhau: trong khi một ion di chuyển vào bên trong tế bào, một ion khác đi ra, cho nên duy trì được sự cân bằng điện tích. Nhiều protein hội nhập trên màng có thể trao đổi Cl- với HCO3- (CO2 hòa tan), đây là vai trò của hồng cầu mang CO2 thải ra từ tế bào đến phổi.

BƠM
Một kiểu permeaz khác được gọi là bơm, không tùy thuộc vào khuynh độ năng lượng tự do. Bơm sử dụng năng lượng dự trử của tế bào để đưa các chất đi ngược khunh độ gradient nồng độ của chúng. Quá trình này được gọi là sự vận chuyển tích cực (active transport), điều này quan trọng giúp tống các chất tích tụ không hòa tan trong màng và những phân tử lớn thoát ra khỏi màng.
Bơm Na-K
Trong kiểu vận chuyển này, bơm sử dụng năng lượng từ trong tế bào và giúp vận chuyển các chất ngược chiều khuynh độ của nó. Trong trường hợp này, ba ion Na+ được đổi với hai ion K+, cả hai loại ion này đều có nồng độ cao nơi chúng sẽ được chuyển đến.
Trong mô hình: Hai ion K+ được giải phóng trong chu kỳ trước đó tiếp theo là sự gắn vào của ba ion Na+ và nguồn năng lượng ATP từ trong tế bào. Hậu quả cấu trúc protein kênh thay đổi, mở phía ngoài, giảm ái lực đối với ion Na+và giải phóng ion Na+; đồng thời gia tăng ái lực đối với K+. Sự gắn của ion K+ làm kênh mở ra ở phía trong, gia tăng ái lực đối với ion Na+ và giảm ái lực đối với ion K+ và chu trình bắt đầu trở lại. Kết quả của việc bơm ion này đưa điện tích dương ra phía ngoài màng và bên trong màng trở nên âm với bên ngoài. Điện thế và thẩm thấu sinh ra bởi bơm Na- K sau cùng có thể phối hợp để vận chuyển glucoz


Bơm Na-K
Khuynh độ hóa điện qua màng tế bào
Gradient nồng độ giải thích được sự di chuyển kết hợp của ion Na+ và glucoz qua cùng một kênh, nhưng mức độ của sự di chuyển quá lớn không thể giải thích đơn thuần bằng sự khác biệt nồng độ xuyên qua màng. Thật vậy, có một khuynh độ quan trọng thứ hai hổ trợ khuếch tán các ion ngược điện tích hấp dẫn nhau bằng lực tỉnh điện; trong khi những ion có cùng dấu đẩy nhau. Do vậy, nếu trong tế bào có nhiều ion mang điện tích âm hơn những ion mang điện tích
Hình bên: Khuynh độ hóa điện dương, những ion dương sẽ bị hấp dẫn bởi môi trường lỏng bao chung quanh nó (hầu hết tế bào có một tổng điện tích âm chừng 70 milivolt so với chất lỏng bao quanh chúng). Sự khác biệt về điện tích xuyên qua màng sinh ra một khuynh độ tỉnh điện (electrostatic gradient) và khi kênh thích hợp được mở ra, ion dương có xu hướng chui vào trong tế bào, trong khi những ion âm có xu hướng đi ra. Thí dụ ion Na+, có nồng độ rất cao ở bên ngoài tế bào, áp suất thẩm thấu và lực tỉnh điện kết hợp lại sinh ra một khuynh độ hóa điện cao (electrochemical gradient). Đây là năng lượng tự do của sự kết hợp rất có hiệu quả của ion Na+ để vận chuyển glucoz vào trong tế bào. Cơ chế do khuynh độ hóa điện cũng hiện diện trong bơm Na-K.

SỰ TRAO ĐỔI CHẤT QUA MÀNG TẾ BÀO
Có một lúc màng tế bào chỉ được xem như một cái túi chứa các vật chất hữu cơ tạo sự sống. Thật ra màng tế bào rất khác một màng bao thụ động, màng có vai trò quyết định về sự chuyển động của tế bào, và tế bào trao đổi với môi trường chung quanh. Hơn nữa, nó đóng vai trò căn bản điều hòa sự di chuyển của vật chất qua màng theo yêu cầu của tế bào, và môi trường ngoài không thuận lợi và thường xuyên bị phá vỡ. Tất cả các chất muốn vào ra tế bào đều phải đi qua các kênh hay bơm theo một tỉ lệ và một hướng nhất định. Màng tế bào kiểm soát sự vào ra của các chất bằng hai cách: bằng quá trình khuếch tán tự nhiên và bằng những cách chuyên chở đặc biệt



Khái niệm về sự khuếch tán và thẩm thấu
Sự khuếch tán
Sự chuyển động của các hạt với kích thước phân tử từ nơi này đến nơi khác theo cách trên được gọi là sự khuếch tán. Chất khí khuếch tán nhanh nhất, rồi đến chất lỏng và cuối cùng là chất rắn. Trong một cơ thể sống, các phân tử thường ở trong dung dịch lỏng, ấm và khoảng cách của phân tử được đo bằng những phân số của milimet nên sự khuếch tán là một quá trình rất quan trọng; một acid amin hay một nucleotid trong môi trường lỏng sẽ khuếch tán chừng bằng đường kính của một tế bào (10 - 50 (m) ít hơn 0,5 giây. Tuy nhiên, trong cơ thể sinh vật, sự khuếch tán không đơn thuần là do nồng độ mà còn tùy thuộc vào các điều kiện ít khi ổn định nơi mà các quá trình sống diễn ra. Ðiều này cần thiết để hiểu được sự khuếch tán theo nghĩa năng lượng tự do của các phân tử tham gia.
Năng lượng tự do (free energy) là năng lượng trong một hệ thống có thể dùng để thực hiện một hoạt động nào đó dưới một điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định. Năng lượng tự do được chứa trong các cầu nối cộng hóa trị của đường như glucoz, hay một điện tử được hoạt hóa bởi năng lượng ánh sáng mặt trời lên một qũy đạo cao hơn, hay trong vành đai bao quanh nhân của nguyên tử trong phản ứng hạt nhân.
Sự khuếch tán xảy ra một cách tự phát vì những phân tử sắp xếp có trật tự và có nồng độ cao có năng lượng tự do cao hơn những phân tử phân tán. Một hổn hợp (hay sản phẩm) có năng lượng tự do thấp hơn các chất riêng rẻ ban đầu (hay chất phản ứng). Tốc độ khuếch tán của hai chất nhanh nhất vào lúc bắt đầu phản ứng và chậm dần khi hổn hợp tới mức cân bằng hoàn toàn. Sự khuếch tán là một phản ứng hóa học với năng lượng tự do riêng của nó và nó tùy thuộc vào tính chất của vật chất khuếch tán. Năng lượng tự do là cơ sở có thể ứng dụng rộng rải hơn khuynh dộ nồng độ để hiểu sự khuếch tán. Khuynh độ nồng độ một hướng và khuynh độ nhiệt độ theo chiều ngược lại. Hiệu quả trái ngược của hai khuynh độ tạo ra chuyển động thực của phân tử hoàn toàn tùy thuộc vào năng lượng tự do của hai khuynh độ từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nồng độ cao.

Sự thẩm thấu
Sự di chuyển của một dung môi (thường là nước) xuyên qua một màng thấm chọn lọc được gọi là sự thẩm thấu. Màng sinh học cũng là một màng thấm chọn lọc nên sự di chuyển qua lại của nước cũng theo kiểu thẩm thấu. Một số chất hòa tan, như các phân tử nhỏ tan trong lipid cũng đi xuyên qua màng sinh học.



Sự thẩm thấu và màng tế bào
Màng tế bào cũng là một màng thấm chọn lọc, các quá trình khuếch tán và thẩm thấu là nền tảng cho sự sống của tế bào. Tính thấm của màng thay đổi rất lớn tùy theo loại tế bào. Thí dụ màng của tế bào hồng cầu có tính thấm đối với nước cao hơn trăm lần so với màng của Amoeba, một sinh vật đơn bào.
Tiềm năng thẩm thấu và áp suất thẩm thấu
Mỗi dung dịch đều có một năng lượng tự do nhất định, dưới một điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định, năng lượng này có thể đo được và được gọi là tiềm năng thẩm thấu (osmotic potential). Nước tinh khiết có tiềm năng thẩm thấu bằng không. Vì tiềm năng thẩm thấu giảm khi nồng độ thẩm thấu tăng nên các dung dịch có tiềm năng nhỏ hơn không. Nước sẽ di chuyển từ vùng có tiềm năng thẩm thấu cao sang vùng có tiềm năng thẩm thấu thấp hơn.
Tuy nhiên, để dễ hình dung, khái niệm áp suất thẩm thấu (osmotic pressure) thường được sử dụng nhiều hơn. Áp suất thẩm thấu của một dung dịch là giá trị để chỉ lượng nước có xu hướng đi vào trong dung dịch bởi sự thẩm thấu. Do đó dưới một điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định, nước sẽ di chuyển từ dung dịch có áp suất thẩm thấu thấp sang dung dịch có áp suất thẩm thấu cao khi hai dung dịch được ngăn cách bởi một màng thấm chọn lọc.
Dung dịch đẳng trương, nhược trương và ưu trương


Dung dịch đẳng trương Dung dịch ưu trương Dung dịch nhược trương

Tính thấm chọn lọc của màng tế bào giúp cho tế bào giữ được các đại phân tử tổng hợp được. Mặt khác, nước có thể thẩm thấu qua màng tế bào, do đó khi đặt tế bào vào một dung dịch ưu trương (hypertonic), là dung dịch có nồng độ của các hạt thẩm thấu tích cực cao; tế bào sẽ bị co lại. Nếu để quá lâu tế bào sẽ chết.
Ngược lại, nếu đặt tế bào trong dung dịch nhược trương (hypotonic), là môi trường chứa nhiều nước và có ít các hạt thẩm thấu tích cực, nước sẽ thấm thấu vào làm tế bào phồng lên và có thể vỡ ra trừ khi tế bào có một cơ chế nào đó có thể trục xuất nước ra khỏi tế bào hay có một cấu trúc đặc biệt ngăn cản sự trương phồng (như ở hầu hết tế bào thực vật).
Tế bào ở trong môi trường đẳng trương (isotonic), là môi trường có sự cân bằng về thẩm thấu với tế bào, vì chúng có chứa cùng một nồng độ các hạt thẩm thấu tích cực, khi đó không có sự khác biệt về lượng nước đi vào và đi ra khỏi tế bào.
Sự liên hệ về thẩm thấu giữa tế bào và môi trường chung quanh là một yếu tố quyết định đến đời sống của tế bào. Các tế bào sống trong môi trường đẳng trương thì sự thẩm thấu không là vấn đề nghiêm trọng như các tế bào hồng cầu sống trong môi trường huyết tương (blood plasma). Nhưng ở một số thực vật và động vật sống trong các đại dương cũng có nồng độ thẩm thấu gần như bằng với nước biển. Các sinh vật sống trong môi trường nước ngọt thì thường tích tụ nhiều nước trong tế bào do đó phải có cách để thải bỏ hoặc có các cấu trúc giúp cho nó không bị trương phồng lên.
Thật ra sự di chuyển của nước chỉ là một vấn đề. Màng tế bào còn phải kiểm soát sự trao đổi qua màng rất nhiều vật chất khác nhau, do đó phải cần rất nhiều cơ chế để vận chuyển khác nhau.

Sự vận chuyển vật chất qua màng tế bào
Sự vận chuyển thụ động
Khuếch tán đơn giản
Một chất khuếch tán sẽ khuếch tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn. Cách khuếch tán này chỉ tùy thuộc vào khuynh độ nồng độ, cũng như không cần có sự tham gia của một tác nhân nào khác. Khuếch tán là một quá trình tự phát vì nó làm giảm năng lượng tự do và sự khuếch tán của một chất chỉ tùy thuộc vào khuynh độ nồng độ của chính nó và không bị ảnh hưởng bởi khuynh độ nồng độ của những chất khác.
Sự khuếch tán của một chất qua màng tế bào được gọi là sự vận chuyển thụ động bởi vì tế bào không tiêu tốn năng lượng cho quá trình này. Trong quá trình di chuyển các phân tử hòa tan không bị biến đổi hóa học cũng không kết hợp với một loại phân tử nào khác.
Tuy nhiên, do màng tế bào là màng thấm chọn lọc nên tốc độ khuếch tán biến thiên theo các loại phân tử khác nhau. Vận tốc tùy thuộc vào sự chênh lệch của khuynh độ nồng độ và tùy thuộc vào vận tốc khuếch tán qua vùng kỵ nước của lớp lipid kép. Nước là phân tử khuếch tán một cách tự do xuyên qua màng, đây là một yếu tố rất thuận lợi đối với đời sống của tế bào, ngoài ra có một số chất cũng được khuếch tán qua màng theo như cách trên như những phần tử không phân cực như O2, N2 và những chất hòa tan trong lipid, những chất phân cực nhưng có kích thước nhỏ như glycerol có thể đi qua màng phospholipid giữa các phân tử này.

Khuếch tán có trợ lực

Nhiều phân tử phân cực và các ion không thể khuếch tán qua màng phospholipid, khi đó phải có sự trợ lực của những protein vận chuyển trên màng, hiện tượng này được gọi là sự khuếch tán có trợ lực.
Một protein vận chuyển có nhiều đặc điểm của một enzim. Vì có đặc điểm của một enzim nên chuyên biệt đối với cơ chất của nó, một protein màng thì chuyên biệt đối với một chất mà nó vận chuyển và có những điểm gắn đặc biệt tương tự như hoạt điểm của một enzim. Giống enzim, protein vận chuyển có thể bị bảo hòa khi vận tốc vận chuyển đạt tới mức tối đa mà nó có thể thực hiện. Protein vận chuyển cũng có thể bị ức chế bởi những phân tử giống như cơ chất cạnh tranh và gắn vào protein vận chuyển.
Tuy nhiên, không giống enzim, protein vận chuyển không xúc tác các phản ứng hóa học. Chức năng của nó là xúc tác cho một quá trình vật lý giúp sự vận chuyển được nhanh chóng.
Trong nhiều trường hợp protein kênh có thể thay đổi hình dạng đôi chút, chuyển vị điểm gắn các chất từ phía này sang phía khác của màng. Sự thay đổi hình dạng có tác dụng như một lực đẩy để phóng thích chất được vận chuyển. Một kiểu protein vận chuyển khác chỉ là một cái kênh đơn giản, cho phép đúng chất nào đó đi qua mà thôi. Một số protein hoạt động như một kênh đóng mở. Các kích thích hóa học hay điện sẽ làm mở các cổng này. Thí dụ, sự kích thích của tế bào thần kinh, làm mở cổng của kênh để trợ lực cho sự khuếch tán của ion Na+ vào trong tế bào.

* Tuy có sự trợ lực của các protein vận chuyển, sự khuếch tán có trợ lực vẫn là sự vận chuyển thụ động vì các chất vẫn đi theo chiều của khuynh độ nồng độ. Tốc độ khuếch tán tùy thuộc vào cơ chế vận chuyển của các protein kênh nhưng không làm thay đổi chiều di chuyển của các chất được vận chuyển.

Sự vận chuyển tích cực

Mơ hình sự vận chuyển tích cực hai chất vo v ra khỏi mng

Một số protein có thể chuyển các chất đi ngược lại khuynh độ nồng độ của chất đó, xuyên qua màng tế bào một chất từ nơi có nồng độ thấp đi đến nơi có nồng độ cao. Ðể bơm các chất đi ngược lại chiều của xu hướng khuếch tán theo khuynh độ nồng độ nên tế bào phải sử dụng năng lượng, vì thế sự vận chuyển theo cách này được gọi là sự vận chuyển tích cực.
Sự vận chuyển tích cực là một khả năng quan trọng của tế bào để giữ lại trong tế bào một chất nào đó ở một nồng độ rất khác với nồng độ của chúng trong môi trường chung quanh. Thí dụ, nếu so sánh với môi trường chung quanh, một tế bào động vật có thể chứa một nồng độ rất cao của ion K+ và rất thấp ion Na+. Mức khuynh độ này vẫn giữ được là nhờ các bơm trên màng và ATP cung cấp năng lượng. TP có thể tham gia vào sự vận chuyển bằng cách chuyển một gốc phosphat cuối cùng vào protein vận chuyển. Sự gắn gốc phosphat này gây ra một cảm ứng làm cho protein vận chuyển thay đổi hình dạng theo kiểu chuyển vị nơi gắn vào của các chất. Bơm ion Na+- ion K+ là một thí dụ về sự trao đổi ion Na+ và ion K+ xuyên qua màng tế bào động vật.
Một bơm sinh ra được một hiệu điện thế xuyên màng được gọi là bơm sinh điện (electrogenic pump). Bơm Na-K là bơm sinh điện chính của tế bào động vật. Ở thực vật, vi khuẩn và nấm bơm sinh điện là bơm proton, chuyển ion H+ ra khỏi tế bào. Bơm proton vận chuyển điện tích dương từ tế bào chất ra môi trường ngoài tế bào. (hình a)


a) b)
Một loại protein vận chuyển không phải là bơm có thể kết hợp sự khuếch tán của một chất để vận chuyển một chất đi ngược với khuynh độ nồng độ của nó. Thí dụ, tế bào thực vật dùng khuynh độ của ion H+ được sinh ra bởi bơm proton của nó để vận chuyển tích cực acid amin, đường và vài chất dinh dưỡng khác vào trong tế bo. (hình b)
Những protein ny cĩ thể chuyển sucroz vào trong tế bào ngược với khuynh độ nồng độ, nếu nó kết hợp được với ion H+, ion H+ vận chuyển theo kiểu khuếch tán theo khuynh độ nồng độ đ được bơm ra nhờ bơm proton. Thực vật dùng cách này để tải sucroz được tạo ra bởi sự quang tổng hợp đi vào trong những tế bào của gân lá, sau đó đường có thể được đem đến mô libe để vận chuyển đến các mô không quang hợp được như rễ.

Ngoại xuất bào
Đối với các đại phân tử như protein và polysaccharid, sự di chuyển qua màng theo một cơ chế khác. Sự thải ra các đại phân tử qua màng tế bào được gọi là sự ngoại xuất bào. Các túi chuyên chở được tách ra từ hệ Golgi được mang đến màng tế bào nhờ cytoskeleton. Khi màng của các túi chuyên chở và màng tế bào tiếp xúc nhau, các phân tử lipid của màng đôi lipid sắp xếp lại. Sau đó hai màng phối hợp lại và trở nên liên tục và nội dung được chuyên chở trong túi được thải ra ngoài.
Nhiều tế bào tiết dùng cách ngoại xuất bào này để thải các sản phẩm của chúng. Thí dụ, một số tế bào trong tụy tạng tiết ra hormone insulin và đưa chúng vào máu bằng sự ngoại xuất bào này. Các tế bào thần kinh dùng cách ngoại xuất bào để kích thích tế bào thần kinh khác hay tế bào cơ. Khi tế bào thực vật tạo vách, các carbohydrate từ các túi chuyên chở từ Golgi được đưa ra ngoài màng tế bào cũng bằng cách này.
.
Nội nhập bào
Nội nhập bào là cách tế bào bắt lấy các đại phân tử hay các vật liệu bằng cách tạo ra các túi từ màng tế bào. Có ba cách nội nhập bào: ẩm bào (pinocytosis), nội nhập bào qua trung gian của thụ thể và thực bào (phagocytosis).

Ẫm bào

Trong sự ẩm bào, tế bào hớp từng ngụm nhỏ dịch lỏng bên ngoài tế bào trong từng túi nhỏ. Vì các chất phần lớn được hòa tan trong các giọt được đưa vào trong tế bào nên sự ẩm bào là một kiểu vận chuyển không chuyên biệt.

Nội nhập bào qua trung gian của thụ thể
Sự nội nhập bào có sự tham gia của các thụ thể rất chuyên biệt. Gắn trên màng là những thụ thể với vị trí tiếp nhận chuyên biệt lộ ra phía ngoài của màng. Chất bên ngoài tế bào gắn vào thụ thể được gọi là ligand (một từ chung để chỉ phân tử đặc biệt gắn vào điểm tiếp nhận của một phân tử khác, từ tiếng Latin ligare có nghĩa là to bind). Protein tiếp nhận thường tập họp trên một vùng của màng, tạo ra một cái lỏm (pit) có một lớp áo protein bao bọc (coat protein).

Thực bào
Trong sự thực bào, tế bào tạo ra giả túc (pseudopodia) để bao lấy vật liệu là những mảnh vật chất to hay những vi sinh vật hình thành một cái túi. Sự thực bào chỉ xảy ra khi protein thụ thể trên màng gắn với vật liệu phù hợp giống như việc gắn cơ chất với enzim. Ở động vật có xương sống sự thực bào thường gặp ở những tế bào bạch cầu (leucocyte) để tiêu hóa các mảnh vụn lớn hay những vi sinh vật.

Thực bo

SỰ TIẾP NHẬN THÔNG TIN QUA MÀNG TẾ BÀO
Một trong những chức năng quan trọng của màng tế bào là thu nhận thông tin nhờ các cơ chế tinh vi chính xác.
Chiến lược truyền phân tử thông tin và phản ứng của tế bào
Các phân tử thông tin ngoại bào thực hiện mối quan hệ giữa các tế bào là những chất trung gian gồm ba loại phụ thuộc vào khoảng cách tác động:
Sự truyền tín hiệu nội tiết tác động xa do những tuyến chuyên biệt tiết các hoocmon vào máu tác động đến các tế bào khác nhau phân tán trong cơ thể.
Sự truyền cận tiết tác đông đến các tế bào kế cận (xung quanh khoảng 1mm) bằng các chất hóa học trung gian cục bộ.
Sự truyền qua sinap là điểm tiếp xúc giữa các tế bào thần kinh.
Trong mỗi trường hợp, tế bào tiêu điểm đáp lại các tín hiệu ngoại bào đặc hiệu nhờ những protein chuyên biệt gọi là các thụ thể gắn với phân tử thông tin và có phản ứng đáp lại. Nhiều tín hiệu hóa học tác động với những nồng độ rất thấp (< 10-8M) và các thụ thể đặc hiệu của chúng gắn với các phân tử thông tin với sì lực cao.
Những tế bào khác nhau có những phản ứng không giống nhau đáp lại cùng một tín hiệu thông tin. Ví dụ: acetylcholine kích thích sự co cơ xương, nhưng nó làm giảm nhịp và lực co cơ tim.

Các phân tử thông tin ưa nước và kỵ nước
Các phân tử thông tin có thể phân loại theo khả năng tan trong nước. Đa phần các phân tử thông tin tan trong nước, chúng gắn với những thụ thể trên bề mặt tế bào.
Những phân tử thông tin kỵ nước như các hoocmon tuyến giáp và steriod không tan trong nước, nhưng nhờ gắn với các protein tải đặc hiệu chúng tan torng máu và được chuyển đi xa. Các hoocmon này tan trong lipit, khi được các protein tải phóng thích, chúng dễ dàng ngấm qua màng tế bào tiêu điểm.
Có sự khác nhau về thời gian tồn tại của các phân tử thông tin tan trong nước và tan trong lipit. Các phân tử thông tin không tan trong nước khi được phóng thích vào máu chỉ tồn tại trong vài phút, số khác vài giây hay miligiây ngay khi xâm nhập vào khoảng giữa màng tế bào. Các hoocmonsteriod tồn tại trong nhiều giờ, còn hoocmon tuyến giáp thì tồn tại trong nhiều ngày. Tương ứng, các phân tử thông tin tan trong nước gây phản ứng ngắn hạn, còn các phân tử thông tin trong lipit có phản ứng lâu dài hơn.

Ba nhóm thụ thể protein trên bề mặt tế bào
Các thụ thể trên thành tế bào có thể chia thành 3 nhóm theo cơ chế chuyển thông tin mà chúng sử dụng như trong hình bên dưới
Các thụ thể gắn với các kênh: là các kênh ion mà việc mở được điều chỉnh bởi phân tử thông tin. Chúng được sử dụng trong chuyển xung thần kinh giữa tế bào được kích thích điện.
Các thụ thể gắn với protein G được hoạt hóa hay bất hoạt hóa gián tiếp bởi một enzim liên kết với màng tế bào hay một kênh ion. Các thụ thể, enzim hay kênh ion được gắn kết nhờ chất trung gian là protein thứ ba, protein điều hòa gắn với GTP, còn được gọi là protein G. Các thụ thể liên kết với protein G nói chung họat hóa một lạot những sự kiện làm biến đổi một hay nhiều phân tử thông tin nhỏ giữa các tế bào, thường gọi là những chất trung gian nội bào. Các chất này tiếp đó đến lượt biến đổi cấu turc1 những protein mục tiêu của tế bào. Hai chất trung gian nội bào quan trọng nhất là cAMP vòng (cyclic AMP) và các ion Ca++.

CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG MÀNG TẾ BÀO
- Màng tuy linh động nhưng là màng chắn hiệu quả giữa bên trong và bên ngoài tế bào. Thành phần lipit trong màng rất cao, điều đó giải thích được tại sao những phân tử hoà tan trong lipit có thể khuếch tán vào ra dễ dàng, nhưng đối với một số chất không hoà tan trong lipit thì phải tuỳ thuộc vào các protein trên màng đôi lipit. Vì vậy màng có tính chọn lọc rất cao. Tính chọn lọc này trên từng phần cảu tế bào là do các tác nhân tải là nhữgn protein hoạt động như enzim, những yếu tố vận chuyển, kiểm soát sự qua lại của các chất qua màng là những kênh và những bơm chuyên biệt. Mỗi loại kênh hay bơm này tuỳ thuộc vào protein màng cho một số háo chất đặc biệt xuyên qua màng nên được gọi chung là permeaz. Một kiểu perneaz được gọi là bơm, không tuỳ thuộc vào khuynh độ năng lượng tự do. Quá trình này được gọi là sự vận chuyển tích cực, điều náy quan trọng giúp tống các chất tích tụ không hoà tan trong màng và những phân tử lớn thoát ra khỏi màng.
- Thực hiện sự trao đổi chất giữa môi trường và tế bào. Màng tế bào có các protein thu nhận thông tin cho tế bào, là một hệ thống mở luôn thu nhận các thông tin lý hoá học từ môi trường bên ngoài và đưa ra những đáp ứng thích hợp trước điều kiện ngoại cảnh.
- Thu nhận thông tin có nguồn gốc ngoại bào và chuyển vào môi trường nội bào.
- Ngoài ra, màng tế bào của tế bào vi khuẩn còn có chức năng hô hấp vì trong màng có chứa các enzim hô hấp và tham gia vào sự phân bào của vi khuẩn nhờ cấu trúc mesoxom của màng.




END






PHỤ LỤC
THÔNG TIN CỦA BÀI TIỂU LUẬN NÀY ĐƯỢC LẤY TỪ
Sách “SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG”
Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP.HCM
PHẠM THÀNH HỔ

Sách “DI TRUYỀN HỌC”
Nhà xuất bản Giáo Dục
PHẠM THÀNH HỔ

Sách “VI SINH VẬT HỌC”
Nhà xuất bản Giáo Dục
NGUYỄN LÂN DŨNG
NGUYỄN ĐÌNH QUYẾN
PHẠM VĂN TY

Website: www.ctu.edu.vn/coursewares/khoahoc/sinhhocdc_a1/phan1/ch2.htm

Website: www.ctu.edu.vn/coursewares/khoahoc/sinhhocdc_a1/phan1/ch3.htm

Website: http://72.14.235.104/search?q=cache:Xkt23mnQ7aMJ:vietsciences2.free.fr/giaokhoa/biology/sinhhocdaicuong/chuong21nhiemsacthevaphancattebao.htm+gi%E1%BA%A3m+ph%C3%A2n&hl=vi&gl=vn&ct=clnk&cd=2

Website: http://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%BF_b%C3%A0o

Website: http://vi.wikipedia.org/wiki/Virus

5 nhận xét:

  1. hoaithuong.cgtb@gmail.com03:00 Ngày 15 tháng 03 năm 2010

    thong tin kha day du, nhung neu co hinh anh minh hoa thi se sinh dong hon nhieu.

    Trả lờiXóa
  2. bai rat hay cho toi tai ve may douc ko

    Trả lờiXóa
  3. Bài rất hay, rõ ràng, dễ hiểu. Cám ơn nhiều.

    Trả lờiXóa
  4. Bai nay giong dich tu tai lieu nuoc ngoai chua chinh sua vay nen tu ngu lung cung qua, cac tu ngu chuyen nganh ban dung cung chua dung nen gay kho hieu. Minh co may cuon sach ban tham khao, trong sach "sinh hoc dai cuong" va " di truyen hoc" cua Pham Thanh Ho, "vi sinh vat"... viet rat de hieu va ro rang cac thuat ngu cung thong nhat nua

    Trả lờiXóa
  5. Mình thấy tài liệu này có gì đó không ổn. rất lung tung,thuật ngữ dùng không chính xác (VD: Protein hội nhập???). Riêng phần tế bào này thì sách Sinh Học Tế Bào của PGS.TS Bùi Trang Việt hay Vi Sinh Vật của Trần Linh Thước cũng rất hay, rất đầy đủ.

    Trả lờiXóa