CHƯƠNG II MÀNG SINH HỌC: SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG Transport of ions and small molecules across cell membrane TS.
Download ReportTranscript CHƯƠNG II MÀNG SINH HỌC: SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG Transport of ions and small molecules across cell membrane TS.
Slide 1
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 2
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 3
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 4
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 5
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 6
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 7
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 8
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 9
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 10
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 11
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 12
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 13
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 14
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 15
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 16
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 17
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 18
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 19
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 2
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 3
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 4
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 5
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 6
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 7
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 8
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 9
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 10
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 11
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 12
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 13
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 14
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 15
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 16
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 17
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 18
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19
Slide 19
CHƯƠNG II
MÀNG SINH HỌC:
SỰ VẬN CHUYỂN CÁC ION VÀ
PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG
Transport of ions and small molecules
across cell membrane
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
2.1. Đại cương
2.2. ATPase Pumps và môi trường ion
2.2.1.Phân loại ATPase pump
2.2.2.Một số loại ATPase pump
2.3 . Nongated Ion Channels và điện thế nghỉ
2.4. Sự đồng hành (Cotransport)
2.4.1.Đồng vận(Symporters)
2.4.2.Đối vận (Antiporters)
2.5. Sự vận chuyển của nước
2.6. Sự vận chuyển qua lớp biểu mô
2.7. Voltage-Gated Ion Channels và điện thế động
2.8. Chất dẫn truyền thần kinh, receptor ở synapses
2
Hình 2.1 . Sự vận chuyển qua màng
của một số chất
(1).Lớp màng lipid đôi với
phospholipid là đơn vị cấu
tạo cơ bản của màng sinh
học, có tính thấm chọn lọc màng
bán
thấm
(semipermeable membrane).
(2). Màng sinh học có vai trò
quan trọng trong việc điều
phối sự lưu thông các chất
trong và ngoài tế bào hoặc
bào quan.
(3). Màng không cho phép
các phân tử tan trong nước,
ion và nước di chuyển tự do
qua màng, chỉ cho phép các
chất khí hay chất kị nước.
3
(4).Sự vận chuyển thụ động (Passive transport) của một
chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần
cung cấp năng lượng.
•Sự khuyếch tán giản đơn (Simply diffusion)
•Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)
•Sự thẩm thấu (Osmotic)
(5).Sự vận chuyển tích cực (Active transport) là quá
trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ
thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao
(nghịch gradient nồng độ). Quá trình này cần cung ứng
năng lượng.
• Bơm ion (Ion pump) hay bơm điện thế
• Sự đồng hành (Cotransport)
• Sự nhập bào (Endocytosis)
• Sự xuất bào (Exocytosis)
4
1. ATPase-pump tiêu thụ năng lượng từ ATP nhằm cung cấp cho sự vận chuyển
các ion đặc hiệu hay các phân tử nhỏ nghịch gradient điện hóa (the
electrochemical gradient).
2. Kênh ion (ion channels) cho phép sự vận chuyển của các ion đặc hiệu hoặc
nước làm hạ mức gradient điện hóa
3. Chất vận chuyển (transporters), gồm đơn vận (Uniporters transport, 3A),
Cotransport proteins (Đồng vận-symporters, 3B, và đối vận - antiporters, 3C)
Hình 2.2 . Các type vận chuyển qua màng
5
Bảng 2.1 . Các type vận chuyển và các chất
vận chuyển qua màng
Tính chất
Passive
Diffusion
Facilitated
Diffusion
Active
transport
Cotransport
Protein đặc hiệu
-
+
+
+
Vận chuyển nghịch gradient
-
-
+
+
Sử dụng ATP
-
-
+
-
Ion đồng hành giảm gradient
-
-
-
+
Glucose,
amino acid
(đơn vận),
ion, nước
(kênh)
Ion, phân
tử nhỏ ưa
nước, lipid
(ATPase
pump)
Glucose và
amino acid
(đồng vận),
ion và sucrose
(đối vận)
O2, CO2,
hormon steroid,
Một số phân tử nhỏ được vận
nhiều loại dược
chuyển
phẩm
ATPase pump có vai trò quan trọng trong việc vận
chuyển các ion hay phân tử nhỏ qua màng theo chiều
nghịch gradient điện hóa (the electrochemical gradient).
6
2.2.1. Phân loại lớp ATPase pump
Hình 2.3 . Các lớp ATPase pump
P-class pumps
•Plasma membrane of plants, fungi, bacteria (H+ pump)
•Plasma membrane of higher eukaryotes (Na+/K+ pump)
•Apical plasma membrane of mammalian stomach (H+/K+ pump)
•Plasma membrane of all eukaryotic cells (Ca2+ pump)
•Sarcoplasmic reticulum membrane in muscle cells (Ca2+ pump)
7
V-class proton pumps
•Vacuolar membranes in plants, yeast, other fungi
•Endosomal and lysosmal membranes in animal cells
•Plasma membrane of osteoclasts and some kidney tubule cells
F-class proton pumps
•Bacterial plasma membrane. Inner mitochondrial membrane
•Thylakoid membrane of chloroplast
ABC superfamily
•Bacterial plasma membranes (amino acid, sugar, and
peptide transporters)
•Mammalian plasma membranes (transporters of
phospholipids, small lipophilic drugs, cholesterol, other
small molecules
8
2.2.2. Một số loại ATPase pump
2.2.2.1. P-class ATPase pumps
(1). Muscle Ca2 ATPase Pumps
Tiến trình phosphoryl hóa đơn vị xúc tác P-class pumps
và sự thay đổi trạng thái có vai trò rất quan trọng trong việc
điều dẫn sự thủy phân ATP kết hợp với sự vận chuyển các
ion H+, Na+, K+ hoặc Ca2+.
Na+/K+ ATPase với Ca2+ ATPase ở lớp màng tương hay
sarcoplasmic reticulum ở tế bào cơ có tác động hiệp đồng
điều chỉnh nồng độ các cation:
- Tăng K+, giảm Ca2+ và Na+ trong tế bào chất
- Ngược lại, giảm K+, tăng Ca2+ và Na+ ở dịch ngoại bào
Quá trình hoạt động của Ca2+ ATPase còn chịu sự kiểm
soát trung gian của calmodulin dưới dạng kích hoạt ảnh
hưởng đến việc bài xuất Ca2+
9
Trong tế bào chất, nồng độ Ca tự do trung bình 10-7M khi cơ
nghỉ đến hơn 10-6 khi cơ co. Trong khi, tổng số Ca ở vách ở các
túi trong sarcoplasmic reticulum là 102 M. Do đó, Ca2+ ATPase
pump có tác động điều hòa quá trình trao đổi nhằm cân bằng Ca
trong tế bào chất < 10-3 M (cơ nghỉ)
Hình 2.4 . Cơ chế hoạt động của Ca2+ ATPase pump ở
lớp màng sarcoplasmic reticulum tế bào cơ
10
(2). Na+/K+ ATPase Pumps
Na+/K+ ATPase pump có tác động duy trì nồng độ Na+ và K+
ở dịch gian bào
Hình 2.5 . Cơ chế hoạt động của Na+/K+ ATPase pump ở
lớp màng tương
11
12
2.2.2.2. V và F-class ATPase proton pumps
•Lớp V và F ATPases pump có kích
thước to lớn, với nhiều hạ đơn vị
tạp phức hợp với kênh điều dẫn
proton ở
phần domain xuyên
màng. Trên phân tử ATPase, phần
domain trong tế bào chất có các vị
trí liên kết ATP.
•H+ pump (V-class) ở màng
lysosome và endosome trong tế bào
động vật có nhiệm vụ cân bằng pH
giữa môi trường bên trong nội
Hình 2.6 . H+ ATPase pump ở
quan thấp hơn so với tế bào chất
lớp màng tương
13
14
2.2.2.3. ABC superfamily
•Thành phần protein vận chuyển
của các thành viên trong ABC
superfamily có 4 gốc domain: 2
domain xuyên màng (T) và 2
domain liên kết ATP (A) trong tế
bào chất. Domain xuyên màng có
nhiệm vụ đặc hiệu trong việc xác
định và vận chuyển đối với cơ chất.
•ABC superfamily gồm enzyme
permease giúp hấp thu amino acid
và đường ở màng tương vi khuẩn
và khoảng 50 loại ở động vật hữu
Hình 2.7 . Cấu trúc của MDR nhũ (như MDR1, ABCA1) vận
(Multi-resitance transport
chuyển các cơ chất như toxins,
protein)
thuốc, phospholipids, peptides, và
proteins.
15
•Kiểu tác động của MDR: Phân tữ cơ chất khuếch tán vào
trong lớp đơn trong, sau đó “búng nhẹ” qua lớp ngoài với
nguồn năng luợng cung ứng từ ATP, cuối cùng khuếch tán ra
dịch ngoại bào, MDR còn gọi là enzyme flippase.
Hình 2.8. Kiểu tác động flippase của MDR
16
2.3. NON-GATED ION CHANNELS VÀ ĐIỆN THẾ MÀNG
(1).Kênh ion (ion channel) thuộc
nhóm protein xuyên màng, là vị trí
trao đổi các ion giữa môi trường
trong và ngoài tế bào.
(2).Kênh ion có 2 loại: kênh ion
không có cổng (Non-gated ion
channel) và kênh ion có cổng điện
thế (Voltage-gated ion channel).
(3).Hổ trợ cho ATPase pump, sự vận
chuyển của các ion cơ bản như Na+,
K+, Ca2+ và Cl- qua màng sinh học
với nhiều mức độ khác nhau nhằm
làm giảm gradient nồng độ.
Hình 2.9 . Sự vận chuyển Na+ và K+
phụ thuộc vào điện thế màng
17
(4).Tuy nhiên, khi gradient nồng độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến
điện thế màng. Vì thế, gradient nồng độ và điện thế màng
được là gradient điện hóa (The electrochemical gradient).
(5).Gradient điện hóa có vai trò quan trọng đối với các tiến
trình sinh học trong tế bào như:
Tăng Ca2+ trong tế bào chất Tín hiệu sinh học, co cơ,
mào đầu sự bài tiết các enzyme tiêu hóa tuyến tụy...
Trong nhiều loại tế bào động vật, kết hợp giữa gradient
nồng độ và điện thế màng đối với sự vận chuyển Na+ giúp cho
quá trình hấp thu amino acid hay các phân tử sinh học khác
(symport, antiport)
Đối với tế bào thần kinh, sự thay đổi hiệu thế điện hóa bằng
cách “đóng” hoặc “mở” kênh ion, tạo ra sự trao đổi ion sẽ
điều dẫn đến điện thế động của màng (xung động thần kinh)
18
(6). K+ channel
■ Cấu trúc của K+ channel dưới dạng
tetramer, liên kết từng bộ đôi, hình
thành “túi đựng-pore” ion K.
■ Sự hoạt động của K+ channel có
tính đặc hiệu cao và tiểu phần P (Psegment) đảm nhận vai trò lọc.
Hình 2.10. Gradient điện hóa kiểm soát vận chuyển
Na+
Hình 2.11. Cấu trúc của K+ channel nghỉ của
Streptomyces lividans
19