Những đặc điểm cơ bản của màng tế bào

6
Chương 1
Những đặc điểm cơ bản của màng tế bào
1.1 Lịch sử nghiên cứu màng
- Năm 1655, Robert Hooke là người đầu tiên đưa ra khái niệm tế bào. Ông cho
rằng tế bào là những khoang nhỏ trong đó có chứa đầy đủ các bào quan đảm bảo
cho sự sống của một tế bào và cơ thể.
- Năm 1674, Anthoni Van Leeuwenhoek đã chế ra một chiếc kính hiển vi quan
sát thấy nút bấc có nhiều hình nhất định, cũng như thấy nhiều loại tế bào nguyên
sinh động vật, có loại chuyển động nhanh. Ông quan sát thấy các vi sinh vật nhỏ
bé, thậm chí cả hồng cầu và đưa ra khái niệm về cơ thể loại đơn bào và cơ thể
loại đa bào và về sau Schleiden và Theo Dor Schwan (1835 - 1839) đưa ra khái
niệm về tế bào và mô (tissue) là gồm nhiều tế bào cùng chức năng kết hợp. Các
mô có sự biệt hoá chịu trách nhiệm riêng nhưng đều chứa nhiều tế bào. Tế bào
dù đơn bào hay đa bào vẫn có một màng để ngăn cách tế bào với môi trường
xung quanh.
- Từ 1880, tức là hơn 200 năm sau quan niệm của Robert Hooke việc nghiên cứu
tế bào mới trở nên phổ biến hơn.
- Nageli quan sát thấy khả năng di chuyển của vật chất qua màng tế bào sống rất
khó khăn nhưng ở những tế bào bị chết hoặc bị tổn thương, các chất ở môi
trường dễ dàng xâm nhập vào tế bào. Do đó, nhờ có tính thấm chọn lọc của lớp
màng bảo vệ đặc biệt, tế bào có thể duy trì cân bằng cho hoạt động sống.
Trong các năm cuối thế kỷ XIX, Pfefer đã tiến hành thí nghiệm đo sự thẩm thấu của
màng tế bào và đưa ra hai kết luận quan trọng:
+ Tế bào được bao bởi một lớp màng đặc biệt gọi là màng sinh chất (cytoplasmic
membrane).
+ Màng này là hàng rào vạn năng chỉ cho nước đi qua trong khi các chất điện ly, muối
khoáng và các chất tan đi qua một cách chọn lọc và khó khăn.
- Năm 1889, Overton nhận thấy tốc độ di chuyển những chất không phân cực (dung
môi hữu cơ) đi qua màng rất dễ còn các chất phân cực đi qua khó, nên ông cho rằng màng

có bản chất là lipid.
Từ 1925 – 1930 nhiều nhà khoa học Anh, Đức, đặc biệt Danielle và Davson (1935);
Gorter và Grindel cho biết màng được cấu tạo bằng lipid nhưng là lớp lipid kép. Lớp lipid
kép này có bề dày nhất định, khoảng vài chục đến hàng trăm nanomet.
Từ những năm 1940 – 1960 khi kính hiển vi điện tử xuất hiện và ngày càng được
hoàn thiện người ta đã tìm ra cấu trúc của màng với chiều dày của nó bao gồm lớp kép
phân tử lipid có bề dày khoảng từ 60 – 100 nanomet (nm) (hình 1.1).

7
Robertson (1959) đưa ra khái niệm về mô hình “màng đơn vị” bao gồm hai lớp phân
tử lipid luôn bao quanh các tế bào, khi ông nghiên cứu siêu cấu trúc hiển vi điện tử của
màng tế bào. Như vậy, tất cả các tế bào được bao bởi một màng đơn vị. Sau khi nghiên cứu
các bào quan, người ta thấy chúng cũng được bao bọc bởi một lớp màng đơn vị hoặc được
bao bởi nhiều lớp màng đơn vị, ví dụ như ty thể, lục lạp, thậm chí sợi trục tế bào thần kinh
được bao bọc bởi nhiều màng đơn vị. Nhân được bao bởi hai lớp màng đơn vị, trên màng
nhân có những lỗ nhỏ để trao đổi vật chất và thông tin di truyền. Tuy nhiên, mô hình của
Robertson không cho thấy rõ chức năng vận chuyển các phân tử ưa nước qua màng, không
cho biết rõ thành phần protein tương tác với lớp lipid kép của màng.
Từ những năm 1960 – 1970, việc nghiên cứu màng tế bào đã đạt được nhiều tiến bộ về
quan niệm cả lý thuyết lẫn thực hành. Về lý thuyết đã có những tiến bộ về quan niệm nhiệt
động học đối với chức năng vận chuyển qua màng, được thiết lập bằng mối quan hệ giữa
dòng các chất hoà tan và năng lượng tự do. Về thực nghiệm, các nghiên cứu hoá sinh về
cấu trúc lipid màng đã đạt nhiều tiến bộ. Lipid màng tế bào động vật chủ yếu bao gồm các
hợp chất: phospholipid, sphingolipid và cholesterol. Riêng màng vi khuẩn và tế bào thực
vật chủ yếu gồm phosphoglycerid (riêng màng lục lạp chứa galactosylglycerid, không chứa
cholesterol). Một mốc quan trọng về nghiên cứu cấu trúc màng là từ 1972 cho đến nay,
một mô hình màng hoàn thiện đã được Singer và Nicolson nêu ra. Đó là mô hình màng
khảm lỏng (fluid mosaic membrane) (hình 1.2).
Bằng nhiều thí nghiệm và các nghiên cứu hiển vi điện tử, mô hình màng khảm lỏng đã
được chứng minh, đặc biệt là nhờ kỹ thuật “Bẻ vỡ lạnh” (freeze – fracture) tiến bộ của

Branton. Thêm vào đó các nghiên cứu của Bretsher đã chứng minh rõ ràng màng sinh chất
chứa các loại phân tử protein xuyên qua màng lipid kép.
1.1.1
Các đặc điểm chung biểu hiện tính đa dạng và tính bất đối xứng của
màng sinh học

Các màng sinh học rất da dạng về thành phần, cấu trúc cũng như chức năng tuỳ vào
loại tế bào và loại sinh vật và tuỳ thuộc vào sự khác nhau của các kiểu bào quan. Tuy
nhiên, chúng giống nhau ở một số thuộc tính quan trọng sau:
Màng có cấu trúc dạng bản, chỉ dày cỡ vài phân tử, hình thành nên các ranh giới khép
kín giữa các khoang khác nhau. Độ dày của hầu hết các màng đơn vị sinh chất nằm trong
khoảng 60nm – 100nm.
Màng bao gồm chủ yếu các lipid và các protein. Tỷ lệ về khối lượng của chúng tương
ứng khoảng từ 1: 4 đến 4 : 1. Các màng cũng chứa các hydratcarbon được liên kết với các
phân tử lipid và protein.
Các lipid màng là những phân tử tương đối nhỏ, có một nửa ưa nước và một nửa kỵ
nước. Những lipid này sẽ hình thành tức thì các tấm lipid kép (lipid bilayer) trong môi
trường nước. Những lớp kép lipid này là hàng rào ngăn cản các phân tử phân cực vượt qua.
Các protein đặc hiệu tạo nên các chức năng chuyên biệt của màng. Các protein đóng
vai trò là các bơm, kênh, thụ thể, các bộ máy chuyển đổi năng lượng và các enzym. Các
protein màng được gắn vào lớp lipid kép, tạo ra môi trường thích hợp cho hoạt động của
chúng.

8
Màng được cấu thành bởi các cấu tử không liên kết cộng hoá trị với nhau. Thành phần
protein và các phân tử lipid được néo vào nhau bởi nhiều tương tác không cộng hoá trị,
chúng mang tính hợp tác. Đó là tương tác kị nước, tương tác ion, liên kết hyđro, lực
Vandecvan.
Màng không đối xứng, hai bề mặt của một màng sinh chất thường khác nhau về thành
phần và tính chất của các phân tử lipid và protein.

Màng là các cấu trúc lỏng. Các phân tử lipid khuếch tán nhanh chóng trong mặt phẳng
của màng, và các protein cũng vậy, trừ khi chúng bị neo bởi các tương tác đặc hiệu. Ngược
lại, đôi khi chúng cũng có thể quay ngược lại qua màng. Màng có thể được coi là dung
dịch hai chiều của các protein và lipid có định hướng.
Hầu hết các màng đều phân cực về điện, với phía trong màng tích điện âm (thường là -
60mV). Điện thế màng đóng vai trò rất quan trọng trong việc vận chuyển, chuyển hoá
năng lượng, và đặc tính dễ bị kích thích.
1.1.2 Chức năng chung của màng tế bào
1. Duy trì hình dạng tế bào, che chắn và bảo vệ tế bào.
2. Tham gia vào quá trình phân chia tế bào. Cụ thể màng tế bào được nối với các
nhiễm sắc thể tham gia vào phân chia tế bào.
3. Tham gia vào phản ứng kết dính, màng tế bào có vai trò nhận biết và thực hiện chức
năng tương tác giữa các tế bào.
4. Chức năng enzym: Sự xúc tác của các enzym trong hệ thống enzym gắn mỏ neo vào
màng (màng ti thể, màng lục lạp). Tạo ra năng lượng sinh học, các phản ứng năng lượng
trên màng và truyền năng lượng (màng ti thể, màng lục lạp).
5. Tham gia truyền tín hiệu quang hoá và tín hiệu điều hoà trao đổi chất (màng tế bào
võng mạc truyền tín hiệu photon trong cơ chế nhìn, màng tế bào gan truyền tín hiệu thông
tin thứ nhất (hormon adrenalin, insulin) qua AMP vòng và protein G tác động đến điều hoà
trao đổi đường trong máu.
6. Giám sát đáp ứng miễn dịch. Trên bề mặt màng có vô số thụ thể và các phân tử biệt
hóa (CD) có chức năng nhận biết và kiểm soát miễn dịch.
7. Vận chuyển các phân tử nhỏ và phân tử lớn qua màng.
- Vận chuyển đại phân tử Protein, lipid, axít nucleic, cấu trúc trên phân tử như vi
khuẩn và virus bằng các cơ chế nuốt và nhập bào.
- Vận chuyển các ion qua màng (K+, Na+, Ca2+) bằng cơ chế bơm ion.
8. Truyền tín hiệu giữa các tế bào và tương tác giữa các tế bào như tín hiệu đáp ứng
miễn dịch: Sự trình diện kháng nguyên, sự hoạt hoá và biệt hoá tế bào bằng các Cytokin
v.v…
1.2 Mô hình cấu trúc màng sinh học

Màng sinh học có cấu trúc bao quanh tế bào và các bào quan. Màng không những giúp
cho các bào quan cũng như tế bào có một hình dạng nhất định, hình thành một hệ thống

9
hoạt động riêng biệt mà màng còn là nơi thực hiện quá trình trao đổi vật chất, thông tin
giữa môi trường bên trong và môi trường bên ngoài, giúp cho các tế bào và bào quan có thể
tồn tại và phát triển.
Cấu trúc màng sinh học là một nội dung được nhiều nhà khoa học quan tâm và nghiên
cứu. Cho đến nay đã có rất nhiều mô hình được đưa ra, tuy nhiên có hai mô hình được
nhắc đến nhiều nhất đó là mô hình của Davson-Danielli và mô hình khảm lỏng của Singer-
Nicolson.

10

1.2.1 Mô hình Davson-Danielli
Theo mô hình này, màng sinh học là một lớp kép các phân tử lipid liên tục với các
protein ở lớp bề mặt của cả hai mặt trong và ngoài giữ cho các phân tử lipid có sự phân bố
bền vững hơn. Để giải thích cho tính thấm của màng, các tác giả mô hình này cho rằng trên
màng có các kênh được lót bởi protein (còn gọi là các lỗ) có kích thước khoảng để cho
các chất thấm qua (hình 1.1).
o
A1

Hình 1.1.
Mô hình cấu trúc màng sinh chất của Davson – Danielli (1935)

Tiếp theo, dựa vào các nghiên cứu bằng hiển vi điện tử Robertson (1960) đã đưa ra
khái niệm về “màng đơn vị” và đưa ra mô hình màng đơn vị. Theo mô hình này, tất cả
màng sinh học bao quanh tế bào và các lớp màng bao quanh bào quan, màng neuron thần
kinh (myelin) đều biểu hiện ba vùng sáng tối dưới kính hiển vi điện tử (trilaminar) có cấu

trúc gồm hai lớp phân tử lipid phủ bên ngoài bằng các phân tử protein (hình 1.2).
Cùng với những tiến bộ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là những bước tiến về kỹ thuật
hiển vi điện tử, người ta nhận thấy mô hình cấu trúc màng đơn giản này không giải thích
được nhiều tính chất của màng và cũng không phù hợp với những kết quả nghiên cứu
bằng những kỹ thuật tiên tiến sau này. Rõ ràng màng sinh học với nhiều chức năng quan
trọng không thể có một cấu trúc cứng nhắc như vậy. Chính vì thế hiện nay hầu hết mọi
người đều đồng ý với mô hình cấu trúc mới - mô hình khảm lỏng của Singer-Nicolson
(1972) (hình 1.3).
1.2.2 Mô hình khảm lỏng của Singer-Nicolson
Mô hình khảm lỏng được S. Jonathan Singer và Garth Nicolson đưa ra năm 1972.
Theo mô hình này, khung của màng vẫn là lớp kép các phân tử lipid có các đầu phân cực
hướng về bên ngoài và đuôi không phân cực hướng vào trong. Tuy nhiên, các phân tử
phospholipid có thể di động tự do với điều kiện giữ nguyên hướng phân bố trong một nửa
lớp kép của chúng. Cholesterol sẽ hạn chế ở một mức độ nhất định sự di chuyển của
phospholipid và do đó có chiều hướng tạo sự ổn định cho cấu trúc màng. Protein (cả dạng
cầu và dạng sợi) sẽ phân bố không đồng đều trong cấu trúc kép lipid đó. Một số protein
xuyên qua màng, một số khác bám cố định vào màng ở một nửa của lớp kép hoặc chỉ bám