Cấu trúc lipid của màng tế bào

24
Chương 3
Cấu trúc lipid của màng tế bào
3.1 Các lớp kép lipid có tính chống thẩm thấu cao đối với các ion và
hầu hết các phân tử phân cực
Các nghiên cứu về tính thẩm thấu của các màng lipid và các chỉ số dẫn điện của tấm
lipid kép phẳng cho thấy màng kép lipid có mức độ thấm rất nhỏ đối với các ion và các
phân tử phân cực. Nước là một trường hợp ngoại lệ dễ thấy của sự khái quát hoá này và dễ
dàng đi qua những màng này. Phạm vi của các hệ số thấm đã được đo đạc là rất rộng (từ
10
-12
cm/s của Na
+
đến khoảng 10
-2
cm/s của nước). Ví dụ, Na
+
và K
+
đi qua màng chậm
hơn H
2
O 10
9
lần. Năm 1901, Charles Overton đã khám phá ra rằng: Hệ số thẩm thấu của
các phân tử nhỏ tương quan với tính tan của chúng trong một dung môi không phân cực,
có liên quan đến tính tan của chúng trong nước. Mối quan hệ này gợi ý cho ta rằng một
phân tử nhỏ có thể di chuyển qua một màng lipid kép theo cách sau: trước tiên, nó lột bỏ
vỏ solvat hoá của nước; sau đó, hoà tan trong lỗ hydrocarbon của lipid màng, nơi chúng
được solvat hoá trở lại bởi nước. Một ion như Na

+
đi qua các màng rất chậm bởi vì sự loại
bỏ các phân tử nước kết hợp với nó rất khó khăn về mặt nhiệt động học.
3.2 Các phospholipid là lipid chủ yếu của màng
Các lipid khác biệt rõ ràng so với các nhóm phân tử sinh học khác. Chúng là các phân
tử không tan trong nước nhưng lại tan tốt trong các dung môi hữu cơ như chloroform. Các
lipid có vai trò sinh học đa dạng: chúng là các phân tử dự trữ nhiều năng lượng, là các phân
tử tín hiệu, và tạo các cấu tử của màng. Ba loại lipid màng chủ yếu là phospholipid,
glycolipid và cholesterol.
Có nhiều các photpholipid ở tất cả các màng sinh học. Chúng có nguồn gốc từ
glycerol, một rượu ba carbon, hoặc từ sphingosine (hình 1), một rượu phức tạp hơn. Các
photpholipid bắt nguồn từ lipid đơn giản (triglyxerid) hình thành phosphoglyceride. Một
phosphoglyceride bao gồm một khung glycerol, hai chuỗi acid béo và một nhóm rượu
được phosphoryl hoá (hình 3.1).

25

Hình 3.1.
Phân tử glycerol (a), mô hình chung của các phosphoglycerid (b),phân tử sphingosine (c) X- : là
các chất như serine, choline, ethanolamine, glycerol, hoặc inositol.
Các chuỗi acid béo trong các phospholipid và các glycolipid thường chứa một số chẵn
các nguyên tử carbon, thường là từ 12 đến 24 (bảng 1). Các acid béo có 16 và 18 nguyên tử
carbon là phổ biến nhất. Ở động vật, chuỗi hydrocarbon trong phân tử acid béo không phân
nhánh (hình 2). Các acid béo có thể no hoặc chưa no. Cấu hình của các liên kết đôi trong
các acid béo chưa no (Δ) gần như luôn ở dạng cis. Chiều dài và mức độ chưa no của các
chuỗi acid béo có một ảnh hưởng sâu sắc lên độ lỏng hay tính linh động của màng.
Bảng 3.1
Ví dụ về các acid béo
12:0 acid lauric
14:0 acid myristic

16:0 acid palmitic
18:0 acid stearic
18:1 cisΔ
9

acid oleic
18:2 cisΔ
9,12

acid linoleic
18:3 cisΔ
9,12,15

acid Linonenic
20:4 cisΔ
5,8,11,14

acid arachidonic
20:5cisΔ
5,8,11,14,17

acid eicosapentaenoic (Một acid béo kiểu omega-3 bởi vì
mỗi liên kết đôi cách 3 carbon)




26
Hình 3.2
Acid béo có liên kết đôi dạng cis ở vị trí carbon 9 và 10

Trong các phosphoglycerid, các nhóm hydroxyl ở vị trí C-1 và C-2 của phân tử
glycerol tạo thành liên kết ester với các nhóm cacboxyl của hai chuỗi acid béo. Nhóm
hydroxyl ở C-3 của khung glycerol tạo thành liên kết ester với acid phosphoric. Hợp chất
được tạo thành được gọi là phosphotidat (hoặc diacylglycerol 3-phosphate), là
phosphoglycetid đơn giản nhất. Chỉ một lượng nhỏ phosphotidat có mặt trong màng. Tuy
nhiên, nó là một chất trung gian chìa khoá trong việc tổng hợp sinh học các
phosphoglycerid khác.
Các phosphoglycerid chính là dẫn xuất của phosphatidat. Nhóm phosphate của
phosphatidat liên kết bằng liên kết ester với nhóm hydroxyl của một trong số vài phân tử
rượu (hình 2.3). Thành phần mang nhóm rượu thông thường của các phosphoglycerid là
serin (HO-CH2-CH(NH3+)-COO-), ethanolamin (OH-CH2-CH2-NH3+), choline,
glycerol, và inositol (Hình 3.2).



Hình 3.3
Các dạng phospholipid
3.3 Các dạng phospholipid
Sphingomyelin có bộ khung là Sphingosine liên kết với phần phosphocholine bằng
cầu nối phosphoeste.

Hình 3.4
Phân tử sphingomyelin
Sphingomyelin (hình 3.4) là phospholipid màng duy nhất không bắt nguồn từ glycerol.
Thay vào đó, bộ khung trong sphingomyelin là sphingosine, một amino alcohol chứa một

27
chuỗi dài hydrocarbon chưa no. Trong phân tử sphingomyelin, nhóm amino của khung
sphingosine được nối với một acid béo bằng một liên kết amid. Thêm nữa, nhóm hydroxyl

ở đầu của sphingosine liên kết với phosphoryl choline bằng liên kết ester. Hình thể cấu tạo
của sphingomyelin giống với của phosphatidyl choline.


3.4 Nhiều màng cũng chứa các glycolipid
Các glycolipid được tìm thấy chủ yếu ở tấm đơn phía ngoài của màng tế bào nơi chúng
sẽ tự kết hợp thành khối bằng cách hình thành các liên kết hydro với nhau. Trong màng
sinh chất các nhóm đường của chúng lộ ra trên bề mặt tế bào để đảm nhiệm một số vai trò
trong các tương tác của tế bào với môi trường xung quanh. Sự phân bố bất đối xứng của
các glycolipid của lớp kép là do sự thêm các nhóm đường vào các phân tử lipid trong các
phức hệ màng Golgi. Các glycolipid có thể thấy ở tất cả các màng sinh chất của tế bào
động vật, nói chung chúng thường chiếm 5% tổng số các phân tử lipid của lớp đơn phía
ngoài. Chúng cũng có thể được tìm thấy ở một số màng nội bào. Phức tạp nhất trong các
phân tử glycolipid là các ganglioside, các phân tử có chứa các oligosaccharide một hoặc
hơn một gốc acid sialic. Các phân tử acid sialic này làm cho các ganglioside tích điện âm.
Mặc dù các ganglioside được tìm thấy với số lượng nhỏ ở hầu hết các màng, chúng có
nhiều trên màng của các tế bào thần kinh, có thể chiếm từ 5% đến 10% tổng số lipid. Cho
đến nay hơn 40 loại ganglioside đã được xác định.
Người ta đã đưa ra một số giả định về chức năng của các glycolipid như: (1) bảo vệ
màng khỏi các điều kiện khắc nghiệt như pH thấp và sự phân giải của các enzyme; (2) tạo
ra các ảnh hưởng về điện tích, góp phần tạo nên điện thế màng và có thể thay đổi nồng độ
các ion - đặc biệt là ion Ca
2+
- ở ngoài màng; (3) làm lớp cách điện như ở màng myelin, tạo
nên sự cách điện trên các trục của các tế bào thần kinh; (4) Là các thụ thể của tế bào như
G
M1
là thụ thể nhận biết độc tố vi khuẩn tả trên bề mặt của tế bào, hơn nữa chúng có thể
giúp tế bào gắn vào các tế bào khác.
Các glycolipid là các lipid liên kết với đường. Ở các tế bào động vật, các glycolipid, cũng

như sphingomyelin được bắt nguồn từ sphingosine. Nhóm amino của khung sphongosine được
acyl hoá bởi một acid béo, như ở sphingomyelin. Các glycolipid khác với các sphingolipid ở
bản chất của đơn vị liên kết với nhóm hydroxyl ở đầu của khung sphingosine. Ở các
glycolipid, một hay nhiều phân tử đường (chứ không phải là phosphoryl choline) được gắn vào
nhóm này. Glycolipid đơn giản nhất là cerebroside (hình 3.5), chỉ có một gốc đường, hoặc là
glucose hoặc là galactose. Các glycolipid phức tạp hơn như các ganglioside (hình 3.5), chứa
một chuỗi oligosaccharide phân nhánh khoảng 7 gốc đường.







cerebroside
ganglioside

28






Hình 3.5
Cấu trúc Cerebroside và ganglioside
Lipid quan trọng ở một số màng là cholesterol (hình 3.6), Sterol này có mặt ở các sinh
vật nhân chuẩn nhưng không thấy ở hầu hết các sinh vật nhân sơ. Nguyên tử O trong nhóm
OH thứ 3 của nó bắt nguồn từ O
2

. Cholesterol đã tiến hoá sau khi bầu khí quyển trái đất có
O
2
. Màng tế bào của các tế bào nhân chuẩn thường giàu cholesterol, trong khi màng của
các bào quan thì thường có một lượng ít hơn lipid trung tính này.
Còn có một loại glycolipid nữa đó là glyceroglycolipid. Chúng có cấu tạo tương tự
các photphoglycerid, nhưng chỉ có một phân tử đường liên kết với nhóm photphat
.
3.5 Cholesterol
Cholesterol: là một thành phần quan trọng của màng và là tiền chất của các hormon
steroid và các muối mật. Mặc dù cần thiết cho sự sống, một lượng dư cholesterol có thể
dẫn đến bệnh xơ vữa động mạch, tim mạch và đột quỵ. Sự tổng hợp cholesterol xảy ra ở
gan. Các cholesteryl ester cùng với các triglycerid được gói vào trong các lipoprotein có tỷ
trọng rất thấp (VLDL-very – low – density lipoprotein) để được đưa tới các mô ngoài gan,
và tiết vào dòng máu. Khi các VLDL tuần hoàn cùng dòng máu, các triglyceride được thu
nhận bởi các tế bào trong các cơ và mô mỡ sau khi cắt thành các acid béo và các
monogliceride. Do đó các VLDL được biến đổi thành các IDL (Các lipoprotein tỷ trọng
trung bình, Intermediate – density lipoprotein) giàu cholesterol. Các mô ngoại vi thường
thoả mãn hầu hết nhu cầu cholesterol bằng việc thu nhận các mảnh LDL. Trong tế bào,
cholesterol được kết hợp vào trong rất nhiều màng khác nhau bên trong hoặc bao quanh tế
bào hay được dự trữ dưới dạng các giọt cholesterol ester. Cholesterol được phân phối tới
các tế bào bằng LDL thông qua việc gắn với các thụ thể trên màng tế bào, do vậy nồng độ
LDL trong huyết thanh phụ thuộc vào số các thụ thể trên bề mặt các tế bào, đặc biệt là trên
các tế bào gan. Một lượng dư LDL trong máu có thể gây ra sự lắng đọng cholesterol trong
các mạch máu. Đây chính là nguyên nhân gây ra một số bệnh về tim mạch.

Đầu
phân
cực
Cấu
trúc
nhân
vòng

Đuôi kị
nước
a. Cấu trúc phân tử b. Mô hình phân tử
Hình 3.6
Mô hình phân tử cholesterol. Polar là đầu phân cực, Non-polar đuôi
khôn
g phân cực

29

Bảng 3.2.
Các đơn vị ưa nước và kỵ nước của các lipid màng
Lipid màng Đơn vị kỵ nước Đơn vị ưa nước
Photphoglyxerid Các chuỗi acid béo Rượu đã được
phosphoryl hóa
Sphingomyelin Chuỗi acid béo và chuỗi
hydrocarbon của
sphingosine
Phosphoryl choline
Glycolipid Chuỗi acid béo và chuỗi
hydrocarbon của
sphingosine
Một hay nhiều gốc
đường
Cholesterol Toàn bộ phân tử trừ nhóm
OH
Nhóm OH ở C-3 của
vòng steroid
Lipid màng đơn vị kỵ nước đơn vị ưa nước
Photphoglyxerid Các chuỗi acid béo Rượu đã được
phosphoryl hoá
Sphingomyelin Chuỗi acid béo và chuỗi
hydrocarbon của
sphingosine
Phosphoryl choline
Glycolipid Chuỗi acid béo và chuỗi
hydrocarbon của

sphingosine
Một hay nhiều gốc
đường
Cholesterol Toàn bộ phân tử trừ nhóm
OH
Nhóm OH ở C-3 của
vòng steroid
3.6 Các lipid màng là các phân tử lưỡng tính chứa một nửa ưa nước và
một nửa kỵ nước
Khối lượng dự trữ lipid màng là rất lớn, có thể gây khó khăn cho việc nhận biết phân
loại. Tuy nhiên, chúng có một dạng cấu trúc chung: các lipid màng là các phân tử lưỡng
tính. Chúng chứa cả đầu ưa nước và đầu kỵ nước (bảng 3.2).
Chúng ta hãy nhìn vào mô hình không gian của một phosphoglycerid, như
phosphatidyl cholin. Hình dạng đại thể của nó là hình chữ nhật. Hai chuỗi acid béo gần
như song song với nhau, trong khi phần phosphoryl cholin quay về hướng ngược lại.