Các protein màng

40
Chương 4

Các protein màng

4.1 Protein màng thực hiện hầu hết các quá trình sinh học ở màng
Như đã thấy rõ đặc tính của màng sinh chất là luôn luôn chứa đựng các phân tử
protein. Do đó các protein màng chịu trách nhiệm thực hiện hầu hết các quá trình động học
mà màng tế bào đảm nhiệm. Các lipid màng hình thành nên một hàng rào thấm chọn lọc đã
tạo nên các khoang được bao bởi màng, trong khi đó các protein đặc biệt làm trung gian
cho hầu hết các chức năng khác của màng. Lipid màng đã tạo ra môi trường thích hợp cho
hoạt động của các protein.
Các màng khác nhau về thành phần protein của chúng. Myelin, một màng đóng vai trò
như vỏ cách điện quanh các sợi thần kinh nhất định có hàm lượng protein thấp (18%).
Ngược lại, hầu hết màng sinh chất của các tế bào khác có hoạt tính hơn nhiều. Chúng chứa
nhiều bơm, cổng và các thụ thể cùng các enzyme. Thành phần protein trong các màng này
thường chiếm 50%. Các màng tham gia vào sự chuyển hoá năng lượng như là màng trong
của ty thể và lục lạp có tỷ lệ protein cao nhất, thường là 75%.
Có hai loại protein chính trên màng đó là: (1) protein xuyên màng hay protein cài
màng. Chúng xuyên qua lớp kép lipid của màng và như vậy chỉ được lấy ra khi đã phá vỡ
lớp kép lipid. Nhiều protein trong số chúng là các glycoprotein, chứa các gốc đường nhô ra
phía môi trường. Các protein này thường tạo thành các phức hệ protein và có nhiều tiểu
đơn vị. Chúng là các enzyme, các thụ thể, chất vận chuyển, chất liên lạc và chất dính kết.
Chúng có hai loại sau:
Protein xuyên màng một lần hoặc nhiều lần. Chúng có các phần nằm trong màng chứa
các trình tự xoắn alpha gồm 20 đến 25 acid amin kỵ nước. Các đoạn trình tự bao gồm các
acid amin ưa nước phân tách các đoạn trình tự kỵ nước. Các trình tự ưa nước có xu hướng
nhô ra hai phía của màng, tiếp xúc với môi trường nước ở trong tế bào chất và môi trường
ngoài.
Protein xuyên màng được liên kết cộng hoá trị với các phân tử phospholipid hay

glycolipid của màng nên còn được gọi là các protein liên kết với lipid màng. Chúng có
diện tích tiếp xúc lớn với môi trường ở hai phía của màng.
(2) Các protein ngoại biên, không xuyên qua màng. Chúng cũng không có các liên kết
cộng hoá trị với các thành phần của màng. Ngược lại, chúng hình thành các liên kết ion
với các cấu trúc màng. Chúng có thể được tách ra khỏi màng dễ dàng bằng cách đưa về pH
thích hợp mà không phá vỡ tính nguyên vẹn của màng. Chúng nằm về cả hai phía của
màng và cũng thường liên kết với các phần không phải là cấu trúc màng.
4.2 Protein xuyên màng (intrinsic protein)
Các protein này nằm xuyên qua chiều dày của màng và liên kết rất chặt chẽ với lớp
kép lipid qua chuỗi acid béo. Có loại protein xuyên qua màng một lần, ví dụ như
glycophorin (màng hồng cầu) hoặc xuyên màng nhiều lần như bacterioRhodopsin (màng vi

41
khuẩn) xuyên qua màng bảy lần. Phần protein nằm trong màng là kị nước và liên kết với
đuôi kị nước của lớp kép lipid. Các đầu của phân tử protein thò ra phía bề mặt ngoài và bề
mặt trong của màng là ưa nước và có thể là các tận cùng nhóm amin hoặc cacboxyl. Các
protein xuyên màng thường liên kết với hydratcacbon tạo nên các glycoprotein nằm ở phía
ngoài của màng.
Ví dụ: Glycophorin là protein xuyên màng một lần tìm thấy ở màng hồng cầu có cấu
tạo gồm 131 acid amin. Phần ưa nước là đầu tận cùng amin, nằm ở phía ngoài màng và liên
kết với gluxit (hydratcarbon) chứa đến mười sáu mạch bên oligosacarid. Nhiều protein
xuyên màng một lần đã được tách chiết và nghiên cứu, một số lớn có vai trò thụ thể
(protein kinase đặc trưng cho tyrosin, thụ thể insulin, nhân tố sinh trưởng biểu bì...)
Protein “băng 3” tìm thấy trong màng hồng cầu là một protein xuyên màng mười hai
lần, các phần xuyên qua lớp kép lipid bằng các chuỗi xoắn anpha. Protein này bao gồm 930
acid amin và có vai trò rất quan trọng trong chức năng vận chuyển O2 và CO2 của hồng
cầu.
4.3 Protein bề mặt màng (peripheric protein)
Các protein này thường liên kết với lớp lipid kép thông qua liên kết cộng hoá trị với
một phân tử photpholipid và nằm ở bề mặt ngoài màng sinh chất hoặc bề mặt trong của

màng (phía cytosol). Các protein bề mặt ngoài màng thường liên kết với gluxit cộng hoá trị
tạo nên các glycoprotein, còn protein bề mặt trong màng phía tế bào chất thường liên kết
với các protein tế bào chất như ankyrin và qua ankyrin liên hệ với bộ khung tế bào
(Cytoskeleton) tạo ra hệ thống neo màng và điều chỉnh hình dạng tế bào.
Các protein xuyên màng tương tác chặt chẽ với các chuỗi lipid màng, và vì vậy chúng
chỉ có thể bị phân tách bởi các tác nhân phù hợp với các tương tác không phân cực này.
Trái lại, các protein rìa màng liên kết với màng chủ yếu qua các liên kết tĩnh điện và các
liên kết hydro. Các tương tác phân cực này có thể vị phá vỡ bởi dung dịch muối hay sự
thay đổi pH. Nhiều protein bề mặt màng liên kết với bề mặt của các protein xuyên màng,
các protein khác neo vào lớp kép lipid bởi một liên kết cộng hoá trị với chuỗi kị nước, như
một acid béo chẳng hạn.
4.4 Vai trò của các protein màng
Protein trong màng sinh chất chiếm 25 - 75% (trung bình 50%) khối lượng màng. Tuỳ
thuộc vào dạng tế bào mà hàm lượng và bản chất các protein có thể khác nhau và thực hiện
các chức năng rất đa dạng và phong phú. Đó là các chức năng: cấu trúc, enzym, vận
chuyển chất qua màng, thụ thể màng, thu nhận thông tin, ức chế tiếp xúc, miễn dịch,... Có
thể nói phần lớn các chức năng sinh học của màng được thực hiện bởi các protein màng.
Một số chức năng sinh học điển hình của các protein màng có thể được liệt kê như
sau:
− Chức năng cấu trúc: Tham gia vào thành phần cấu trúc của màng (cùng với
phospholipid). Trong khi photpholipid tạo nên tính linh hoạt, dễ thay đổi hình
dạng của màng thì protein lại giúp cho màng có được tính ổn định tương đối.
− Chức năng vận chuyển vật chất qua màng: Phần lớn các protein màng đóng vai trò
là các kênh vận chuyển vật chất giữa môi trường bên trong và môi trường bên
ngoài, có thể là kênh vận chuyển thụ động (các lỗ protein vận chuyển nước) hoặc

42
kênh vận chuyển chủ động (còn gọi là các bơm ion như: bơm Ca
2+
, bơm Na

+
, bơm
proton,...).
− Chức năng thu nhận và truyền tín hiệu giữa các tế bào và trong nội bộ tế bào: Chức
năng này thường do các glicoprotein đảm nhiệm hoặc một số loại đặc biệt như
protein G, Rhodopsin của màng võng mạc.
− Chức năng miễn dịch: protein màng đóng vai trò là các kháng nguyên bề mặt
(CD) và thụ thể (receptor) tế bào, tham gia vào quá trình miễn dịch.
− Hình thành các phức hệ enzym tham gia vào các phản ứng hoá sinh của tế bào
(ví dụ: phức hệ Cytochrom oxidase trong chuỗi truyền điện tử hô hấp định vị ở
màng trong ti thể, phức hệ thu nhận ánh sáng định vị ở màng trong của lục lạp
có chức năng vận chuyển điện tử từ các phân tử chlorophyl tới các trung tâm
quang hoá).
− Đóng vai trò là các protein dung hợp màng.
− Liên kết với bộ khung của tế bào, giúp tế bào có được hình dạng bền vững và
ổn định.
Vì protein màng thực hiện phần lớn các hoạt động của màng cũng như của tế bào nên
từ lâu nó đã được coi là đích điều trị bệnh lý tưởng trong y dược học. Bằng việc thay đổi
hoạt tính của một protein màng, một tác nhân dược học có thể ảnh hưởng tới sinh lý bên
trong của tế bào mà không cần phải được hấp thụ vào bên trong. Thực chất, tầm quan trọng
của các protein màng với vai trò là các đích tác dụng có thể được minh chứng bởi cơ chế
tác dụng của phần lớn các loại thuốc đang được sử dụng hiện nay.
4.5 Cấu trúc và tính chất của các protein xuyên màng
Giống như các loại protein thông thường khác, protein màng cũng có các bậc cấu trúc:
cấu trúc bậc một, bậc hai, bậc ba và bậc bốn. Protein màng có cả hai loại hình cầu và hình
sợi. Các phân tử protein nhô ra phía ngoài màng thường liên kết với các phân tử gluxit tạo
thành các glycoprotein. Các glycoprotein này đóng vai trò là các kênh truyền tín hiệu qua
màng giữa tế bào này với tế bào khác hoặc trong nội bộ tế bào.

43

Hình 4.1
Sơ đồ trình tự sắp xếp cấu trúc các acid amin của protein xuyên màng
glycophorin A xuyên qua màng hồng cầu 1 lần (A) và phổ điện di gel SDS-
polyacrylamide của protein màng hồng cầu được nhuộm bằng Coomassie
blue (theo V.Marchesi-1995)

Những protein nằm xuyên qua lớp kép lipid có trình tự acid amin rất đặc trưng: đó là
tỷ lệ cao của các acid amin kị nước (Val, Leu, Ile, Ala, Met, Trp, Phe, Pro). Khi nghiên
cứu cấu trúc protein màng người ta cũng thường dựa vào tính chất này để từ trình tự acid
amin có thể suy ra số lượng các khu vực (domain) xuyên màng.
Cấu trúc không gian của protein xuyên màng được đặc trưng bởi xoắn α. Một số
protein xuyên màng cũng có cấu trúc gấp nếp β và thường đóng vai trò là các kênh vận
chuyển nước vào và ra khỏi tế bào. Bên trong cấu trúc gấp nếp β thường là các gốc ưa
nước và bên ngoài là các gốc kị nước (liên kết với đuôi kị nước của phospholipid). Trái lại,
xoắn α xuyên màng thường không có các khu vực (domain) ưa nước. Nhìn chung các xoắn
α xuyên màng chỉ chứa rất ít các acid amin ưa nước (khoảng 20%). Các protein xuyên
màng bằng xoắn α là những thành phần quan trọng của các màng sinh học và thực hiện
phần lớn các hoạt động chức năng của màng.
Một số protein màng cài vào lớp kép lipid sau khi đã cuộn xoắn trong môi trường
nước. Tuy nhiên phần lớn các protein lại cần có lớp kép lipid rồi mới cuộn xoắn. Sau khi
xuyên qua màng, các chuỗi polypeptid sẽ hoạt động độc lập hoặc liên kết với các protein
khác của màng để hình thành nên các phức hệ hoạt động chức năng (ví dụ: phức hệ TCR,
BCR, phức hệ truyền điện tử trong hô hấp và quang hợp,...).

Tính chất nổi bật của các protein màng là tính linh động. Các phân tử protein có khả
năng chuyển động quay xung quanh vị trí của nó và chuyển dịch trong màng. Bình thường
các phân tử protein phân bố ít nhiều đồng đều, nhưng khi có sự thay đổi nào đó của môi
trường (ví dụ: hạ thấp độ pH, sự kích thích của các kháng thể, các tín hiệu của hormon
hoặc các cấu tử gắn ligand v.v…) thì các phân tử protein sẽ di chuyển tạo nên những tập
hợp. Tuy nhiên điều đặc biệt là các protein chỉ quay xung quanh vị trí của nó và không bao
giờ quay từ mặt này sang mặt kia của màng.
Tính linh động của các protein màng khác nhau một cách rõ rệt. Một số protein linh
động gần bằng lipid trong khi một số khác hầu như không linh động. Ví dụ: protein thụ
cảm ánh sáng - Rhodopsin trên màng tế bào võng mạc là một protein rất linh động. Hệ số
khuếch tán của nó vào khoảng 0,4 micromet/s. Sự di chuyển nhanh chóng của Rhodopsin
rất cần thiết để có được những tín hiệu một cách kịp thời. Một loại protein khác là

44
Fibronectin, một glycoprotein ngoại vi liên kết với dịch ngoại bào, hệ số D của nó nhỏ hơn
10-4 micromet/s. Fibronectin có tính linh động thấp vì nó neo vào các sợi actin ở mặt bên
kia của màng sinh chất thông qua Integrin. Protein xuyên màng này liên kết dịch ngoại bào
với bộ khung của tế bào.
4.6 Protein bộ khung tế bào
Yếu tố có bản chất protein quan trọng khác của tế bào nhân chuẩn (tế bào eukaryota)
giúp cho các tế bào xác định được hình dáng hoặc tạo nên một bộ khung tế bào
(Cytoskeleton) bao gồm nhiều loại protein. Đó là các protein sợi (protein filaments), một
cấu trúc gồm nhiều loại protein nằm ở bên dưới màng sinh chất tế bào. Các protein khung
tế bào có thể nhận được nhờ hòa tan màng tế bào bằng một chất tẩy rửa không chứa ion
(non - ionic detergent) có tên là triton X100. Cấu trúc protein khung tế bào này phổ biến
lan tràn ở bên trong nhiều loại tế bào eukaryota, là một cấu trúc giàn giáo như ở tế bào
hồng cầu. Trong nhiều tế bào, bộ khung tế bào bao gồm các sợi actin, các protein sợi vi
ống (microtubule) gồm các protein ống (tubulin), các sợi trung gian như desmin, vimentin
và các loại protein liên kết với actin. Tuy nhiên, bộ khung tế bào hồng cầu không chứa
tubulin hoặc vimentin mà chỉ gồm actin, protein băng 4.1 và một số lượng lớn các protein

liên kết với actin gọi là spectrin, chiếm 75% khối lượng của các protein bộ khung tế bào
hồng cầu. Spectrin là một loại phân tử có cấu hình kéo dài có tính hơi acid, mềm dẻo bao
gồm hai chuỗi polypeptid là băng 1 (hoặc chuỗi α khối lượng 240.000Da) và băng 2 (hoặc
chuỗi β khối lượng 220.000 Da). Spectrin có mặt duy nhất ở tế bào hồng cầu, nhưng có đặc
điểm giống nhau về cấu trúc và chức năng như đối với protein liên kết với actin, được gọi
là filamin có mặt ở hàng loạt tế bào nhân chuẩn. Các phân tử Spectrin nối đầu với nhau tạo
các cầu nối tetra (α - β)2. Về phần mình các spectrin được liên kết với nhau qua các sợi
protein actin và các protein băng 4.1 để hình thành một mạng lưới liên kết linh động và
lỏng lẻo. Điều quan trọng là các spectrin lại được liên kết với màng sinh chất qua một loại
protein khác có tên là ankyrin (khối lượng phân tử 200.000 Da). Ankyrin gắn với một
protein xuyên màng có khả năng đặc hiệu vận chuyển các anion được gọi là protein band –
3 (khối lượng phân tử 93.000 Da). Người ta tính được cứ khoảng một phân tử ankyrin có
từ 4 đến 7 phân tử protein band – 3. Sự sắp xếp của bộ khung tế bào được trình bày ở sơ
đồ (hình 4.2).