Vận chuyển các chất qua màng
Vận chuyển các chất qua các màng sinh học có thể được thực hiện nhờ 3 cơ chế khác nhau về mặt nguyên lí sau, phụ thuộc vào kích thước phân tử, mức độ kị nước các đặc điểm cấu trúc của chúng:
1. Khuyến tán đơn giản qua lớp lipid và ở một mức độ nào đó – qua vùng phân cực của màng.
2. Vận chuyển đặc hiệu với sự tham gia của các chất vận chuyển, loại vận chuyển này bao gồm cả các hệ thống trong đó những chất...
VẬN CHUYỂN QUA MÀNG
MỞ ĐẦU
Vận chuyển các chất qua các màng sinh học có thể được thực hiện
nhờ 3 cơ chế khác nhau về mặt nguyên lí sau, phụ thuộc vào kích
thước phân tử, mức độ kị nước các đặc điểm cấu trúc của chúng:
1. Khuyến tán đơn giản qua lớp lipid và ở một mức độ nào đó –
qua vùng phân cực của màng.
2. Vận chuyển đặc hiệu với sự tham gia của các chất vận chuyển,
loại vận chuyển này bao gồm cả các hệ thống trong đó những chất
được vận chuyển phải trải qua một số biến đổi hóa học nhất định
trong quá trình vận chuyển.
3. các cơ chế vận chuyển đồng hành với những biến đổi đáng kể
trong kiến trúc của màng (dù là những biến đổi nhất thời), như sự
ẩm bào và vận chuyển các biopolymer.
Các định luật khuyếch tán
Định luật 1 Fic
Số lượng hạt của một chất (n) khuyếch tán dọc theo trục x qua 1 đơn
vị diện tích (1/A) vuông góc với trục này trong 1 đơn vị thời gian
bằng:
(1/A).(dn/dt) = - D.(∂c/∂x)
Trong đó A là diện tích bề mặt, D là hệ số khuyếch tán, c là nồng độ
của chất khuyếch tán
Khi nghiên cứu quá trình vận chuyển thì vế trái của phương trình
trên được gọi là dòng (của chất khuyếch tán) và được kí hiệu bằng kí
tự J. Như vậy, theo định luật 1 Fic thì dòng của một chất tỉ lệ thuận
với hệ số khuyếch tán và gradient nồng độ của chất đó (∂c/∂x) tại
một điểm đã cho trên trục x vào một thời điểm nhất định, dấu “−”
trong công thức này vì dòng di chuyển các chất ngược chiều với
hướng của gradient nồng độ các chất đó.
định luật 2 Fic
Tuy nhiên trong trường hợp đơn giản nhất định luật 1 Fic cũng chỉ
đúng khi khuyếch tán qus một lớp mỏng chất lỏng phân cách 2
khoang chứa với các dung dịch không bị pha trộn. Khi mô tả quá
trình khuyếch tán trên một khoảng cách lớn hơn, trong trường hợp
đơn giản nhất cũng không áp dụng được định luật 1, vì quá trình
có ít nhất 4 thông số, Trong trường hợp này phải chuyển phương
trình mô tả định luật 1 sang dạng phương trình vi phân trong các
đạo hàm riêng, sẽ được phương trình vi phân mô tả sự khuyếch tán
trên một khoảng cách lớn hơn:
(∂c/∂t) = D .(∂2c/∂x2)
Đây chính là định luật 2 Fic. Theo định luật này, tốc độ biến đổi
nồng độ tỉ lệ thuận với đạo hàm bậc 2 của nồng độ theo trục x.
Phương trình Teorell
Về mặt hiện tượng, định luật 1 Fic có thể được coi là trường hợp
riêng của phương trình (công thức) khái quát của khuyếch tán
(Teorell) đối với dòng chất:
Dòng chất = độ di động × nồng độ × động lực toàn phần
Khi khác ngoại lực thì hệ thống sẽ tiến tới trạng thái cân bằng. trong
trạng thái này chất đó có thế năng hóa học như nhau tại mọi điểm
trong dung dịch (vf dung dịch đồng nhất, không có sự khác biệt về
nồng độ của chất hòa tan).
Khi mô tả quá trình khuyếch tán động lực toàn phần của quá trình
chính là thế năng hóa học μ, và định luật 1 có thể viết ở dạng:
J = (1/A).(dn/dt) = - Uc.(∂µ/∂x)
Trong đó U độ di động của chất khuyếch tán, c là nồng độ của nó .
Thế năng hóa học của các phân tử trong dung dịch loãng lí tưởng
là:
μ = μo + RT lnc
Từ đó dễ thấy hệ số khuyếch tán
D = RTU
Hệ số khuyếch tán của các chất có phân tử lượng thấp khoảng 10-5
cm2/s (của nước là 2,5⋅10-5 cm2/s và của sacaroza là 0,5⋅10-5 cm2/s).
Bởi vì trong quá trình khuyếch tán nồng độ các chất biến đổi theo
khoảng cách x và thời gian t, nên định luật 2 Fic phải viết ở dạng:
∂c(x, t)/∂t = D .[∂2(x, t)c/∂x2]
từ đó có thể tính được bình phương của sự dich chuyển trung bình
của các chất;
x2 = (1/n) ∫c(x, t)x2dx
Với tích phân xác định được tính theo thời gian từ −∞ đến +∞. Các
tính toán cho kết quả sau:
x2 = 2Dt
Thay giá trị D = 10-5 cm2/s đối với đa số các phân tử có kích thước
bé vào phương trình trên sẽ nhận được giá trị dịch chuyển trung
bình của các phân tử này là 4,4 μm/s, hay 34,6 μm/min, 0,27 cm/h
hoặc 1,31 cm/ngày đêm. Như vậy, khuyếch tán trên những khoảng
cách nhỏ là một quá trình nhanh và khuyếch tán trên những
khoảng cách lớn là một quá trình chậm.
Sự khuyếch tán qua màng
Khác với khuyếch tán trong thể tích là lĩnh vực áp dụng định
luật 2 Fic (phương trình khuyếch tán trong các đạo hàm bậc
2), sự khuyếch tán các các chất qua màng có thể mô tả được
bằng phương trình vi phân bình thường (định luật 1 Fic). Ở
dạng chung hơn định luật 1 Fic cũng áp dụng được cho
trường hợp khuyếch tán gián tiếp, tức là nhờ các chất vận
chuyển trung gian. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã
khẳng định tính đúng đắn của kết luận này.
Trên thực tế dòng chất qua màng phụ thuộc vào bào độ thấm
của màng đối với chất đó (P, P = D/l) và sự chênh lệch nồng
độ của nó ở 2 phía của màng Δc, trong đó dx = l (l là độ dày
của màng sinh học).
Hệ số khuyếch tán thực tế phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của
các hạt. Đối với các phân tử protein có công thức sau:
DMr1/3 = const
Còn đối với các phân tử nhỏ (từ hydro đến trisaccharide) lại có công
thức:
DMr1/2 = const
Các công thức trên cũng đúng với trường hợp khuyếch tán qua màng.
Trên thực tế, rất nhiều chất khác nhau đi qua các màng sinh học bằng con
đường khuyếch tán đơn giản mà không cần có một chất vận chuyển đặc
hiệu nào cả. Ngoài các phân tử ưa nước nhỏ nhất như H2O,
dimethylsulfoxideformamide v.v… còn nhiều chất khác nhau hòa tan
trong lipid có thể đi qua màng – từ methanol đến những chế phẩm thuốc
phức tạp (khuyếch tán qua các domain lipid), và của nhiều loại thuốc
được tổng hợp trong các điều kiện tự nhiên như penicillin, các macrolid,
rifamicin, actinomycin D, bacytracin và nhiều chất kháng sinh đai qua
màng tế bào chỉ sau khi phá vỡ vỏ bao ngoài của tế bào.
Trong khi đó thậm chí của những phân tử phân cực không lớn lắm,
như các glycol, monosaccharide và amino acid, trên thực tế là
không đi qua được màng của đa số các tế bào nhờ khuyếch tán đơn
giản. Sự vận chuyển các chất này vào trong tế bào được thực hiện
nhờ các chất vận chuyển đặc biệt có mặt trong màng tế bào.
Sự khuyếch tán của nhiều chất qua màng có thể được cảm ứng bởi
các chất có hoạt tính màng, thường là các kháng sinh có bản chất
polyen (ví dụ như filipin, cystatin…). Cơ chế tác động của các chất
này như sau: Chúng liên kết với các thành phần sterin của màng
(với ergosterin tốt hơn cholesterin) và tạo thành các lỗ được lấp đầy
bằng nước, các lỗ này được tạo thành và mất đi liên tục (thay đổi,
xen kẽ nhau). Các lỗ này các kích thước từ 0,4 nm đối với cystatin
đến 12,5 nm đối với filipin, và phụ thuộc vào cả nồng độ của kháng
sinh (xem bảng sau).
Anh hưởng của amphotericin lên độ
thấm của màng sterin nhân tạo
P×106, cm/s
Phân tử
Đối chứng Khi có mặt 10-7 M amphotericin B
Nước 630 1310
Ure Một nhóm kháng sinh khác cũng làm “chảy” (khuyếch tán) các chất
qua màng là các tirocidin, colistin và polymixin. Các kháng sinh
này liên kết tĩnh điện với kardiolipin, phosphatidylcholine và
phosphatidylserine. Các lỗ màng có tính thấm không chọn lọc cũng
được tạo thành bởi một số peptit vòng – surfactin từ Bacillus
subtilis và monamycin từ Streptomyces.
L-Leu –DAA – DAB – L-Thr - DAB – DAB – L-Thr – DAB – AMO
Polymixin B1
D-Phe – DAM
ở đây AMO là acid của 6-methyl-octan, DAB – acid diaminobutiric
L-Pro – L-Phe – D-Phe – L-Asn – L-Gln
D-Phe – L-Leu – L-Orn – L-Val – L-Tyr Tirocidin A
L-Glu – L-Leu – D-Leu – L-Val – L-Asp
COCH2CHO – L-Leu – D-Leu
(CH2)9 – CH(CH3)2 Surfactin
Sự vận chuyển được trung gian bởi
các chất vận chuyển
Các màng sinh chất, màng ti thể và lục lạp, và cả các màng tế
bào khác có các hệ thống thực hiện vận chuyển đặc hiệu các chất
trung tính cũng như các ion qua màng. Ngoài tính đặc hiệu ra,
các hệ thống này còn được đặc trưng bởi tốc độ vận chuyển tăng
cùng với tăng nồng độ của chất được vận chuyển chỉ đến một giá
trị giới hạn xác định nào đó, tức là quan sát được hiện tượng bão
hòa. Hiện tượng này được giải thích một cách đơn giản nhất là
các phân tử đầu tiên được liên kết bởi một receptor đặc hiệu trên
bề mặt của màng và chỉ sau đó mới được vận chuyển sang phía
bên kia của màng. Cơ chế bão hòa chỉ có một yêu cầu duy nhất
là điểm liên kết cơ chất chỉ tồn tại ở một mặt của màng, chứ
không thể có cả ở 2 phía, bởi vì nếu không thế thí một chất sẽ
được vận chuyển qua màng theo cả 2 hướng ngược chiều nhau
và sự tồn tại của hệ thống sẽ là vô nghĩa.
Sự khuyếch tán gián tiếp (hay được làm nhẹ)
Trường hợp đơn giản nhất trong các cơ chế trên đây là cơ chế
với sự tham gia của các chất vận chuyển di động, có thể đi lại
trong màng, theo chiều xuyên màng, chất vận chuyển này liên
kết với cơ chất ở mặt ngoài của màng, sau đó di chuyển tới
mặt trong, tai đây cơ chất được phân li khỏi chất vận chuyển,
chất vận chuyển tự do quay trở lại phía ngoài và chu trình cứ
thế tiếp diễn. Khi nồng độ cơ chất tăng đến mức nào đó đủ để
bão hòa chất vận chuyển (100% số phân tử của chất vận
chuyển được liên kết với cơ chất), thì sự tăng tiếp nồng độ của
cơ chất không làm tăng thêm tốc độ của quá trình vận chuyển,
tức là quan sát được hiện tượng bão hòa như đề cập tới ở trên.
Vận chuyển tích cực tiền phát & Vận chuyển liên hợp
3.3.2. Vận chuyển tích cực tiền phát
Khác biệt duy nhất của vận chuyển tích cực với khuyếch tán gián
tiếp (qua chất vận chuyển trung gian) là ở chố: một trong các giai
đoạn vận chuyển tích cực là phụ thuộc vào năng lượng.
Các hệ thống tổ hợp: đôi khi các chất được vận chuyển qua màng
cả bằng khuyếch tán đơn giản và bằng quá trình với sự tham gia
của các chất vận chuyển.
3.3.3. Vận chuyển liên hợp
Các cơ chế vận chuyển liên hợp (dòng các chất) đóng vai trò rất
quan trọng trong vận chuyển các chất qua màng tế bào, chẳng hạn
như các ion Na+ thúc đẩy vận chuyển các saccharide, amino acid
và các ion khác qua màng tế bào, đối với mỗi hệ thống này cần
phải có một chất vận chuyển riêng, hay ít nhất là 1 phân tử nhận
biết cơ chế đặc hiệu.
Bản chất hóa học của các hệ thống vận
chuyển các chất không điện li
Mặc dù phân tích động học mang lại thông tin rất quý
giá về tính chất của các hệ thống vận chuyển khác nhau,
nhưng vấn đề nóng hổi số 1 đối với lĩnh vực nghiên cứu
vận chuyển các chất qua màng tế bào, cũng như các lĩnh
vực khác của sinh hóa học, là tách chiết và xác định các
thành phần riêng biệt của những hệ thống này.
Các hệ thống vận chuyển với sự tham gia của các enzyme
Một lượng thông tin nhiều hơn cả đã nhận được khi
nghiên cứu các hệ thống vận chuyển các chất không
điện li, và các hệ thống vận chuyển này có thể được xác
định như là các hệ thống vận chuyển enzyme, ví dụ như
hệ thống phosphotransfarase. Sự tồn tại của hệ thống
này đã được biết tới vào năm 1964 ở trực khuẩn E.coli,
sau đó hệ thống này đã được phát hiện thấy ở nhiều vi
khuẩn khác. Các nghiên cứu trong lĩnh vực này cho
thấy hệ thống phosphotransfarase phổ biến rất rộng rãi
ở vi khuẩn, nhưng lại khác ở eukaryote.
Chức năng của hệ thống này là phosphoryl hóa các
monosaccharide trong quá trình vận chuyển chúng từ
môi trường vào tế bào. Ở các vi khuẩn gram âm nhờ cơ
chế này mà thực hiện quá trình vận chuyển các
monosaccharide D-Glc, D-Fuc, D-Man, mannit, sorbit,
D-Glucosamine, N-acetyl- D-Glucosamine, 2-deoxy-D-
Glc và các β-Glucoside. Ở các vi khuẩn gram dương,
ngoài các chất trên còn vận chuyển cả các pentose khác
nhau, lactose, sacaroza, tregalose, melibiose,, maltose,
melisitose và glycerin. Sự phosphoryl hóa các
monosaccharide thường luôn xảy ra theo nguyên tử C
cuối cùng (C5 hay C6), nhưng fructose và lactose lại
được phosphoryl hóa theo vị trí C1.
Cơ chế chung của quá trình này ở vi khuẩn như sau:
Mg2+
PEP + E I P-E I + Pyruvate
ở đây PEP là phosphoenolpyruvate
P-E I + HPr P-HPr + E I
E II, Yếu tố III, Mg2
P-HPr + MS P-MS + HPr
Trong đó MS là monosaccharide.
