Sinh học phân tử mạng tế bào tập 1 GS TS đỗ ngọc liên

Sinh học phân tử màng tế bào
Tập 1
GS. TS. Đỗ Ngọc Liên
NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2007. 39 tr.
Từ khoá: Màng tế bào, màng sinh học, màng bào quan, màng thilakoid, màng lục
lạp, Cấu trúc lipid, Thụ thể hormon adrenalin, bơm ion, .
Tài liệu trong Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho
mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân. Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in
ấn phục vụ các mục đích khác nếu khơng được sự chấp thuận của nhà xuất bản và
tác giả.

Mục lục
Mở đầu ............................................................................................................................................... 4
Chương 1 Những đặc điểm cơ bản của màng tế bào ................................................................... 6

1.1

Lịch sử nghiên cứu màng ........................................................................................6

1.1.1
1.1.2

1.2

Các đặc điểm chung biểu hiện tính đa dạng và tính bất đối xứng của màng sinh học..7
Chức năng chung của màng tế bào ...............................................................................8

Mơ hình cấu trúc màng sinh học .............................................................................8

1.2.1 Mơ hình Davson-Danielli............................................................................................10
1.2.2 Mơ hình khảm lỏng của Singer-Nicolson ...................................................................10

Chương 2 Cấu trúc và chức năng sinh học của màng bào quan .............................................. 13

2.1

Màng bào quan ty thể ............................................................................................13

2.1.1
2.1.2

2.2

Màng lục lạp của thực vật .....................................................................................15

2.2.1
2.2.2

2.3
2.4
2.5
2.6

Cấu trúc màng bào quan ty thể....................................................................................13
Chức năng sinh học của màng ty thể ..........................................................................14
Cấu trúc màng thilakoid lục lạp ..................................................................................15
Chức năng màng lục lạp..............................................................................................16

Lưới nội chất (ER), cấu trúc và chức năng ...........................................................18
Bộ máy golgi, cấu trúc và chức năng ....................................................................19
Nhân tế bào và màng nhân ....................................................................................20
Peroxisom..............................................................................................................21

Tóm tắt chương 2.............................................................................................................................. 22


Chương 3 Cấu trúc lipid của màng tế bào.................................................................................. 24

3.1

Các lớp kép lipid có tính chống thẩm thấu cao đối với các ion và hầu hết các
phân tử phân cực ...................................................................................................24
3.2
Các phospholipid là lipid chủ yếu của màng.........................................................24
3.3
Các dạng phospholipid ..........................................................................................26
3.4
Nhiều màng cũng chứa các glycolipid ..................................................................27
3.5
Cholesterol ............................................................................................................28
3.6
Các lipid màng là các phân tử lưỡng tính chứa một nửa ưa nước và một nửa kỵ
nước.......................................................................................................................29
3.7
Các lớp kép lipid là các cấu trúc liên kết khơng cộng hố trị và mang tính hợp tác
31
3.8
Các phân tử lipid và nhiều phân tử protein khuếch tán nhanh chóng trên mặt
phẳng của màng.....................................................................................................32
3.9
Tất cả các màng sinh học sắp xếp bất đối xứng ....................................................34
3.10 Độ lỏng của màng phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của nó ...............................36

3.11 Các phân tử sphingolipid và cholesterol tụ lại thành từng đám microdomain là
Rafts của màng ......................................................................................................37
Tóm tắt chương 3 .............................................................................................................38
Chương 4 Các protein màng........................................................................................................ 40

4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7

Protein màng thực hiện hầu hết các quá trình sinh học ở màng............................40
Protein xuyên màng (intrinsic protein)..................................................................40
Protein bề mặt màng (peripheric protein) .............................................................41
Vai trị của các protein màng.................................................................................41
Cấu trúc và tính chất của các protein xuyên màng................................................42
Protein bộ khung tế bào.........................................................................................44
Các phương pháp nghiên cứu protein màng..........................................................45

4.7.1 Kỹ thuật hiển vi khắc lạnh ..........................................................................................45
4.7.2 Kỹ thuật miễn dịch huỳnh quang và dùng kháng thể nhận biết protein màng ............45
4.7.3 Kỹ thuật điện di...........................................................................................................47
4.7.4 Phân tích cấu trúc hố học protein màng tế bào..........................................................47
Tóm tắt chương 4.............................................................................................................................. 49
Chương 5 Các protein màng có chức năng bơm ion ................................................................. 50

5.1

Bơm ion Na+-K+ATPase .......................................................................................50

5.1.1
5.1.2

5.2

Bơm Ca2+-ATPase của màng sinh chất (PMCA).................................................52

5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.2.6

5.3

Cơ chế hoạt động của bơm Na+-K+ATPase...............................................................50
Vai trò của Na+-K+ATPase........................................................................................51
Mở đầu ........................................................................................................................52
Chức năng của bơm canxi (PMCA) ............................................................................52
Bơm canxi thuộc con đường kích thích bài tiết (SPCA).............................................53
Chức năng của bơm ion canxi ở tế bào thực vật .........................................................53
Các dạng bơm canxi....................................................................................................54
Cơ chế hoạt động của bơm ion canxi ..........................................................................54

Bơm Ca2+ - ATPase lưới cơ tương/lưới nội chất được điều hòa bằng Calmodulin
(SERCA) ...............................................................................................................56

5.3.1
5.3.2

Bơm canxi lưới cơ tương/lưới nội chất dạng một (SERCA 1)....................................56
Bơm canxi lưới cơ tương/lưới nội chất dạng hai (SERCA 2) .....................................57


5.3.3

5.4

Một số dạng bệnh lý có liên quan đến bơm ion canxi...........................................57

5.4.1
5.4.2

5.5
5.6

Bệnh tiểu đường liên quan đến SERCA......................................................................58
Bệnh Hailey- Hailey và bệnh Darier...........................................................................58

Bacteriorhodopsin là một bơm proton của vi khuẩn Halobacteria........................59
ATP synthase vận chuyển proton và tổng hợp ATP .............................................61

5.6.1
5.6.2

5.7

Bơm canxi lưới cơ tương/lưới nội chất dạng 3 (SERCA 3)........................................57

Cấu trúc bơm proton ATP synthase ............................................................................61
Cơ chế vận chuyển proton và tổng hợp ATP của ATPsynthase .................................62

Sự khác nhau giữa bơm Na+ -K+, và bơm proton ...............................................64

Tóm tắt chương 5.............................................................................................................................. 65
Chương 6 Thụ thể hormon adrenalin, Protein G và các chất truyền tin thứ hai ................... 67

6.1
6.2

Đại cương về thụ thể (Receptor) ...........................................................................67
Thụ thể hormon β - Adrenergic, protein G và các chất truyền tin ........................69

6.2.1 Đặc điểm chung về cấu trúc và chức năng..................................................................69
6.2.2 AMP vòng - chất truyền tin thứ hai trong hoạt động của nhiều hormon ....................70
6.2.3 cAMP kích thích sự phosphoryl hố của nhiều protein đích bởi protein kinase.........73
6.2.4 Protein G, tác nhân điều khiển quan trọng cho các tín hiệu qua màng .......................73
6.2.5 GMP vịng cũng là một chất truyền tin thứ hai ...........................................................85
6.2.6 Sự điều hoà của protein G đối với các cơ quan cảm ứng............................................86
Tóm tắt chương 6.............................................................................................................................. 88


Mở đầu
Cơ thể sống được hình thành đầu tiên cùng với việc tạo ra một “lớp hàng rào sinh học”
bao bọc tách biệt bản thân nó với mơi trường xung quanh và với vũ trụ bao la. “Lớp hàng
rào sinh học” này được định nghĩa là “màng tế bào”, hay là màng sinh chất (Plasma
membrane) tạo cho tế bào có khả năng tổ chức và điều hoà các hoạt động sống bên trong

của nó. Ở các tế bào nhân chuẩn, sự tổ chức các ngăn hoặc các xoang riêng biệt bên trong
tế bào rất tinh vi nhờ hệ thống màng sinh chất có đặc điểm riêng cho mỗi cơ quan của tế
bào. Mỗi cơ quan đó được gọi là các bào quan (organelle).
Bản chất cấu trúc của các màng sinh chất ít nhất bao gồm hai lớp phân tử lipid phân
cực kết hợp với các phân tử protein. Nhờ cấu trúc này, màng sinh chất có rất nhiều đặc
điểm kỳ diệu là thực hiện các trình tự phản ứng biến đổi hoá sinh của tế bào, là trung tâm
của các q trình bảo tồn năng lượng và thơng tin giữa các tế bào trong cơ thể và giữa cơ
thể với mơi trường xung quanh. Do bản chất cấu trúc hố học của màng sinh chất rất đặc
biệt nên đặc tính của màng là mềm dẻo, linh động, có thể tự khép kín và tự phá vỡ để dung
hợp (fusion) giữa chúng với nhau, dễ dàng thực hiện khả năng xuất bào (exocytosis) và
nhập bào (endocytosis), là cơ chế của quá trình bài tiết các phân tử lớn được tổng hợp
trong tế bào cũng như cơ chế của sự thực bào (Phagocytosis) trong đáp ứng miễn dịch hoặc
thực hiện khả năng phân chia tế bào (Mitosis) trong sinh trưởng và phát triển của cơ thể
sống. Do đó, dung hợp màng là một đặc điểm rất quan trọng của nhiều quá trình hoạt động
sống của sinh vật.
Màng sinh chất không phải là một hàng rào thụ động trong trao đổi chất giữa tế bào và
môi trường xung quanh.
Chúng là hàng rào thấm chọn lọc đối với các chất hồ tan của mơi trường xung quanh
hoặc giữ lại các hợp chất có phân tử lớn và các ion bên trong tế bào hoặc trong các xoang
riêng biệt để thực hiện chức năng sống.
Màng sinh chất tế bào còn là nơi giao tiếp và nhận biết nhờ các protein ngoại vi, đặc
biệt là các protein tích hợp (Integral proteins) thực hiện chức năng của các thụ thể
(receptor) nhận biết các tín hiệu thơng tin trao đổi chất, cũng như là các protein kênh vận
chuyển có hoạt tính xúc tác cho hàng loạt q trình sinh học hoặc thực hiện chức năng kết
dính tế bào (Adhesion molecules).
Trong tế bào, màng sinh chất giúp cho việc tổ chức và điều hồ q trình sinh học ở
các xoang riêng biệt như hệ thống màng nhân, màng ty thể, màng lạp thể, màng microsom,
màng lysosom. Ở đây, các hoạt động sống được diễn ra và được điều hoà như q trình sao
chép tái bản thơng tin di truyền, quá trình tổng hợp protein và lipid, quá trình biến đổi năng
lượng ở ty thể và lục lạp. Ở những khoảng không gian nhỏ của các xoang tế bào với hai lớp

phân tử của màng sinh chất cách biệt là nơi tạo ra hiệu quả rất lớn của các quá trình xúc tác
enzym và được điều hồ rất tinh vi.
Trong chương đầu, lịch sử, nghiên cứu và phát minh ra những đặc điểm riêng biệt của
màng sinh chất được đề cập tới một cách ngắn gọn. Các chương tiếp theo nói lên bản chất
cấu trúc hố học và thành phần đặc trưng của màng giúp cho chúng có đặc tính hết sức


mềm dẻo trong việc thực hiện chức năng sinh học đa dạng, nhưng lại bền vững trong chức
năng bảo vệ và điều hoà hoạt động sống. Tập sách này đặc biệt chú trọng đến cơ chế biến
đổi năng lượng trên màng sinh chất, các cơ chế vận chuyển proton và các ion qua màng,
đặc biệt là mơ tả vai trị của các thụ thể trong cơ chế truyền tín hiệu hormon và đáp ứng
miễn dịch.
Các chương sách tiếp theo cũng đề cập tới một số bệnh lý do các nguyên nhân tổn
thương cấu trúc và rối loạn chức năng của các thụ thể và các kênh dẫn truyền qua màng,
phân tích một số nguyên nhân di truyền và tác động của các tác nhân môi trường sống đến
những hậu quả bệnh lý.


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
mơ có sự biệt hố 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 cịn các chất phân cực đi qua khó, nên ơng 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 mơ 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 khơng 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
dịng các chất hồ 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 mơ hình màng hồn thiện đã được Singer và Nicolson nêu ra. Đó là mơ hình màng
khảm lỏng (fluid mosaic membrane) (hình 1.2).
Bằng nhiều thí nghiệm và các nghiên cứu hiển vi điện tử, mơ 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 trị 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 mơi 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 khơng cộng hố 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, đơi 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 trị rất quan trọng trong việc vận chuyển, chuyển hố
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 hố và tín hiệu điều hồ trao đổi chất (màng tế bào
võng mạc truyền tín hiệu photon trong cơ chế nhìn, màng tế bào gan truyền tín hiệu thơng
tin thứ nhất (hormon adrenalin, insulin) qua AMP vịng và protein G tác động đến điều hồ
trao đổi đường trong máu.
6. Giám sát đáp ứng miễn dịch. Trên bề mặt màng có vơ 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

Mơ 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 q trình trao đổi vật chất, thơng tin
giữa mơi trường bên trong và mơi trường bên ngồi, 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 mơ hình được đưa ra, tuy nhiên có hai mơ hình được
nhắc đến nhiều nhất đó là mơ hình của Davson-Danielli và mơ hình khảm lỏng của SingerNicolson.


10

1.2.1 Mơ hình Davson-Danielli
Theo mơ 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 ngồi giữ cho các phân tử lipid có sự phân bố
bền vững hơn. Để giải thích cho tính thấm của màng, các tác giả mơ hình này cho rằng trên
o

màng có các kênh được lót bởi protein (cịn gọi là các lỗ) có kích thước khoảng 1 A để cho
các chất thấm qua (hình 1.1).

Hình 1.1.
Mơ 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 mơ hình màng đơn vị. Theo mơ 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 khơng giải thích
được nhiều tính chất của màng và cũng khơng 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 khơng thể có một cấu trúc cứng nhắc như vậy. Chính vì thế hiện nay hầu hết mọi
người đều đồng ý với mơ hình cấu trúc mới - mơ hình khảm lỏng của Singer-Nicolson
(1972) (hình 1.3).

1.2.2 Mơ hình khảm lỏng của Singer-Nicolson
Mơ 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 ngồi và đi khơng 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 khơng 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


11

vào bề mặt màng tuỳ vào chức năng của chúng (hình1.3). Mơ hình cấu trúc này giải thích
được nhiều tính chất của màng và rất phù hợp với tính linh động của một cấu trúc sinh học.
Chính vì vậy, đây là mơ hình phổ biến nhất hiện nay.

Hình 1.2
Cấu trúc ba lá (trilaminar) của màng sinh chất của tế bào rễ đậu
được quan sát bằng kính hiển vi điện tử (theo Newcomb, 1983)

Hình 1.3.
Mơ hình màng khảm lỏng của Sanger và Nicolson (1972)

Tóm tắt chương 1
Màng tế bào là một khái niệm lý thuyết đã xuất hiện vào giữa thế kỷ 19 (1935) nhưng
về cơ sở tế bào học đã được nêu ra từ thế kỷ thứ 17 (Robert Hook, 1655) và sau đó là quan
sát bằng hiển vi quang học của A.Van Leeuwen Hoek (1674).


12

Màng tế bào có đặc tính thấm chọn lọc, có bản chất hóa học. Lipid và protein liên kết
với nhau theo các tỷ lệ khác nhau, hình thành một lớp mỏng lipid kép có cấu trúc bất đối
xứng cả về thành phần cấu tạo và cách sắp xếp các phân tử lipid và protein.
Mơ hình cấu trúc về màng sinh chất tế bào đã được nghiên cứu từ đầu thế kỷ 20, được
nêu ra lần lượt đáng chú ý là Gorter, Greden với lớp lipid kép đơn giản (1925), tiếp theo là

Danielli-Davson (1935) với lớp lipid kép gắn thêm các phân tử protein, sau đó là
Robertson (1960) và cuối cùng hồn thiện hơn cả là mơ hình màng khảm lỏng của Singer
và Nicolson (1972). Tám chức năng chung của màng nói lên vai trị rất quan trọng của
màng trong hoạt động sống của tế bào và của cơ thể.


13

Chương 2
Cấu trúc và chức năng sinh học của màng bào
quan
2.1

Màng bào quan ty thể

2.1.1 Cấu trúc màng bào quan ty thể
Ty thể (mitochondria) là một bào quan (organell) có cấu trúc gồm hai lớp màng đơn vị
được cấu trúc từ hai lớp phân tử lipid phân cực giống như lớp màng sinh chất tế bào. Ty
thể được tìm thấy ở hầu như tất cả các tế bào nhân chuẩn (trừ các tế bào biệt hóa chức năng
cao như hồng cầu, tế bào thuỷ tinh thể vv…). Bào quan chủ yếu này có vai trị rất quan
trọng trong việc sản sinh ra năng lượng cho mọi tế bào sống thông qua q trình
phosphoryl oxy hố, hình thành hịm “ắc quy năng lượng” hay “đồng tiền năng lượng”
ATP chi dùng cho tất cả quá trình trao đổi chất.
Ty thể cũng cung cấp nhiều loại hợp chất khác nhau, là sản phẩm trung gian của trao
đổi chất và trao đổi năng lượng như: các acid hữu cơ, các acid amin được sử dụng cho các
quá trình sinh tổng hợp khác nhau ở tế bào. Sự kiến trúc màng ở các ty thể động vật và
thực vật là tương tự như nhau, có thể dễ dàng quan sát được dưới kính hiển vi điện tử (hình
2.1). Tính chất tương tự như nhau về cấu trúc của ty thể tồn tại phổ biến ở các cơ thể sinh
vật nhân chuẩn gợi mở cho thấy nguồn gốc cổ xưa của bào quan này.
Người ta cho rằng ty thể và plastid (một bào quan ở tế bào thực vật có thể là một dạng

sinh vật nhân sơ (prokaryota) “xâm nhập” vào các tế bào nhân chuẩn ở giai đoạn rất sớm
của sự tiến hoá sự sống để thực hiện quá trình nội cộng sinh (endosymbiose) giống như
plastid của thực vật, ty thể cũng có khả năng di truyền và tạo ra một số protein riêng do bản
thân của chúng. Tuy nhiên ở ty thể cũng như plastid, ban đầu tất cả hệ thống gen di truyền
đầy đủ của các thể nội cộng sinh (endosymbiont) dần dần đã được chuyển qua nhân tế bào
trong suốt quá trình tồn tại và tiến hoá của sự sống.
Các gen trước tiên được chuyển vị trí từ bào quan sang nhân đến mức chúng có thể
dần dần biến mất ở bào quan. Do đó, ty thể và plastid hiện nay cần các sản phẩm gen của
nhân để thực hiện chức năng sinh học và tái bản. Một sự thật là ADN của ty thể cũng ở
dạng từ một đến nhiều thể nucleoid gắn liên kết với màng tế bào cũng gần tương tự như
ADN của tế bào nhân sơ, sắp xếp và gắn với vùng đặc hiệu của màng sinh chất, nhưng
không tách biệt với các thành viên khác của tế bào.
Một điều đáng chú ý là các ribosom của ty thể và plastid cũng giống như các ribosom
của tế bào nhân sơ (prokaryota) và cũng nhậy cảm với một số chất kháng sinh (antibiotics).
Trong khi đó các chất kháng sinh này lại khơng có hiệu lực chống lại các ribosom của tế
bào chất ở tế bào nhân chuẩn (ví dụ chloramphenicol).


14

Hình 2.1
Sơ đồ cấu trúc hiển vi điện tử của ty thể

Một đặc điểm quan trọng khác là ty thể cũng là một cơ quan “nửa tự trị” và có bộ máy
di truyền tạo ra một protein cho riêng bản thân chúng.
Ty thể là một bào quan chủ yếu của sự hô hấp ở tế bào nhân chuẩn, là nhà máy sinh
năng lượng của tế bào sống, ty thể của thực vật có dạng hình cầu hoặc hình que nhọn gần
giống ty thể ở tế bào động vật. Số lượng ty thể trong một tế bào thay đổi và liên quan đến
hoạt động trao đổi chất của từng mô tế bào riêng biệt.

2.1.2 Chức năng sinh học của màng ty thể
Cơ chế chung của sự phosphoryl hoá oxy hoá ở ty thể của tất cả cơ thể sinh vật là các
điện tử được giải phóng ra trong các giai đoạn oxy hố của sự đường phân (glycolysis) và
của chu trình tricarbocylic đã sản sinh 20 phân tử NADH và 4 phân tử FADH2 nếu cơ chất
ban đầu là saccharose. Các coenzym khử này tiếp theo bị oxy hoá bằng chuỗi truyền điện
tử trên màng ty thể. Năng lượng tự do được giải phóng trong q trình truyền điện tử trên
màng ty thể sẽ được đi kèm với sự di chuyển của các proton (H+) vượt qua lớp màng trong
của ty thể tạo một gradient điện hoá proton (ΔH+). Năng lượng tự do được giải phóng bằng
cách di chuyển các proton trở lại vào màng trong qua kênh proton F0 của phức hệ enzym
ATP synthase được xúc tác tại thành phần F1 của phức hệ enzym để biến đổi ADP và Pi
thành ATP chuyển vào chất nền của ty thể. Người ta cho rằng có bốn phức hệ vận chuyển
điện tử. Phức hệ I là (NADH và ubiquinon) đi qua chặng FMN. Và phức hệ II là (succinate
- ubiquinon reductase) đi qua chặng FAD. Có thể minh hoạ phức hệ I như sau:

Hình 2.2
Sơ đồ phức hệ I (gắn ở màng trong ty thể

Phức hệ vận chuyển điện tử III là từ Ubiquinol đến Cytochrom C qua Cytochrom
reductase chứa các trung tâm Cytochrom - b, các protein chứa sắt- lưu huỳnh (2Fe-2S) và


15

cytochrom C1. Phức hệ IV là sự vận chuyển điện tử từ Cytochrom c- (dạng tích điện âm
hay gọi là Cytochrom oxydase) đến O2 của khơng khí.

Hình 2.3
Sơ đồ cơ chế chung của q trình phosphoryl hóa - oxi hóa trên màng trong của ty thể. Các điện tử
được tách rời trong các giai đoạn oxi hóa của glycolyse và chu trình Krebs sẽ được truyền cho các
hệ thống vận chuyển proton (H+) và đi kèm cùng với hệ thống vận chuyển điện tử trên màng ty thể .

Năng lượng tự do được giải phóng bằng q trình di chuyển của proton quay trở lại màng trong qua
phức hệ F0 bằng kênh proton của ATP synthase sau đó chuyển đến phức hệ F1 của enzym này để
tổng hợp ATP. ATP được tổng hợp sẽ được đi vào chất nền của ty thể. (Theo Buchanan, et al,
2000).

2.2

Màng lục lạp của thực vật

2.2.1 Cấu trúc màng thilakoid lục lạp
Lục lạp (chloroplast) là một bào quan có chức năng quan trọng trong quang hợp và
thực hiện các q trình quang phosphoryl hố. Một lục lạp điển hình của thực vật bao gồm
một lớp vỏ bên ngoài gồm hai lớp màng sinh chất (double membrane), bên trong là chất
nền chứa các lớp màng trong (thylakiod) tạo nên các vùng màng xếp chồng lên nhau gọi là
grana (granal thylakiod) và các khoang rỗng (thylakiod lumen). Có hai kiểu màng trong
của lạp thể: lớp màng xếp chồng lên nhau (grana) và các màng trong không xếp chồng lên
nhau được gọi là các màng đệm (stromat membrane) của chất nền (stroma). Đặc điểm tổ
chức quan trọng của các thylakiod là các hệ thống quang hợp I (PSI) và hệ quang hợp II
(PSII). Các hệ thống quang hợp này không phân bố ngẫu nhiên xuyên qua hệ thống màng
PSI nằm ở các màng không xếp chồng và ở các màng bộc lộ nhô ra chất nền, trong khi
PSII được tìm thấy chỉ ở lớp màng xếp chồng lên nhau (granal membranes).


16

Hệ thống quang hợp (quang hệ) chứa đựng một trung tâm phản ứng quang hoá và
nhiều anten là các phức hệ sắc tố thu nhận ánh sáng kết hợp với protein chức năng thực
hiện chức năng quang hợp. Chức năng của những anten sắc tố này là hấp thụ năng lượng
ánh sáng chuyển chúng vào trung tâm phản ứng, ở đó năng lượng sẽ làm biến đổi các sản
phẩm hố học bền vững. Việc phân tích kích thước của quang hệ I và quang hệ II chỉ ra

rằng ở tất cả thực vật, mỗi trung tâm phản ứng có xấp xỉ 250 phân tử chlorophyl. Sự truyền
năng lượng kích động từ phân tử chlorophyl này đến phân tử chlorophyl khác theo cơ chế
truyền năng lượng forster hoặc sự cộng hưởng không cần toả sáng và tái hấp thụ các quang
tử (photon). Trạng thái tiếp cận của các phân tử cho và nhận có tính chất quyết định quan
trọng bởi vì hiệu ứng truyền năng lượng tỷ lệ nghịch với một phần sáu khoảng cách tách
o

biệt hai phân tử. Nếu với hai phân tử sắc tố cách biệt nhau 1,5 A thì thời gian truyền năng
lượng sẽ nhỏ hơn một pico giây (1ps=10-12giây).
Màng thilakoid của thực vật và tảo xanh lục có chứa hai loại phân tử chlorophyl-a
(chl-a) và chlorophyyl-b (chl-b) khác nhau. Chl-a được tìm thấy ở tất cả phức hệ trung tâm
phản ứng quang hợp cũng như ở cả các phức hệ anten, trong khi chl-b chỉ thấy có ở phức
hệ anten.
Việc phân tích phân đoạn màng lục lạp bằng các chất tẩy khơng gây biến tính
(nondenaturing detergent) tiếp theo phân tích điện đi trên gel polyacrylamid cho thấy tất cả
phức hệ màng thu được bao gồm các phân tử chlorophyl liên kết với các phân tử protein
đặc hiệu.
Người ta đã xác định được khoảng 15 loại protein khác nhau liên kết với chlorophyl,
trong đó một số liên kết với quang hệ PSI, một số khác liên kết với PSII. Tất cả các protein
này được mã hoá ở nhân tế bào, được tổng hợp và vận chuyển đến lục lạp, trước khi liên
kết với chất diệp lục chlorophyl và kết hợp với quang hệ. Cùng với sắc tố chlorophyl,
người ta cũng tìm thấy sắc tố carotenoid ở bộ máy anten. Nói chung tỷ lệ carotenoid/
chlorophyl tổng số gần đạt tới 0,5 điển hình ở phức hệ anten và phổ biến ở thực vật.
Chlorophyl có mày xanh vì nó hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 430nm (ánh sáng xanh) và
680nm (bước sóng ánh sáng đỏ) của phổ ánh sáng thấy được. Trong khi đó carotenoid
cũng có khả năng hấp thụ ánh sáng ở 450nm-500nm và truyền năng lượng này cho các
phân tử chlorophyl.
Các phức hệ protein của màng thilakoid được thể hiện không giống nhau về chiều
ngang trong cách sắp xếp cài vào màng. Chẳng hạn ATP synthase định khu hầu như trên
màng bộc lộ về phía chất nền stroma. Giống như protein quang hệ I, trong khi protein

quang hệ II cài vào màng thilakoid ở hệ màng xếp chồng nhau (grana). Ở PSII thể lõi bên
trong có các protein liên kết với chlophyl-a, được gọi là CP43, CP47, liên kết chặt chẽ với
phức hệ trung tâm phản ứng D1/D2. Một số protein liên kết với chl-a và chl-b ở vùng bao
quanh lõi là LHCII. ở PSI, phức hệ lõi chứa khoảng 90 phân tử chl-a liên kết với các
protein phức hệ LHCI. Bản thân các phức hệ LHCI nằm bao quanh lõi PSC cũng liên kết
với cả hai dạng chl-a và chl-b. Các protein LHC có cấu trúc trimer đều tìm thấy ở các PSI
và PSII

2.2.2 Chức năng màng lục lạp


17

Màng lục lạp có chức năng quan trọng là vận chuyển điện tử trong các quang hệ (PSI
và PSII) của lục lạp. Các sự kiện vận chuyển điện tử của màng lục lạp thể hiện các dạng
sau:
•

Chuỗi vận chuyển điện tử không chu kỳ của lục lạp tạo ra oxy (O2), NADPH,
ATP và tham gia vào sự hợp tác với quang hệ I và quang hệ II. Đó là sơ đồ Z
nói lên sự hợp tác của quang hệ I và II trong quá trình vận chuyển điện tử từ
H2O đến coenzym chưa bị khử (ở dạng oxy hoá) NADP+. Khi tiếp nhận ánh
sáng, PSII tạo ra một chất oxy hố mạnh, có khả năng oxy hố nước tạo ra một
chất khử. Trong khi đó PSI khi tiếp nhận ánh sáng tạo ra một chất khử mạnh có
khả năng khử NADP+ nhưng đồng thời PSI cùng tạo ra một chất oxy hoá yếu.
Cả hai quang hệ liên kết với nhau bằng một chuỗi truyền điện tử (ETC) cho
phép chất oxy hoá yếu của PSI tiếp nhận các điện tử từ chất khử mạnh của PSII.

Hình 2.4.
Sơ đồ Z trình bày sự hợp tác giữa các chuỗi truyền điện tử của quang

+
hệ 1 (PSI) và quang hệ 2 (PSII) từ nước đến NADP . Dưới ánh sáng
PSII tạo ra một chất ôxi hóa mạnh làm ôxi hóa nước chuyển thành chất
khử, trái lại quang hệ I được chiếu sáng sẽ tạo ra một chất khử mạnh để
khử NADP+. Hai quang hệ liên kết với nhau bằng chuỗi truyền điện tử
ETC. (Theo Buchanan, et al, 2000)


18

Hình 2.5.
Sự tổ chức các phức hệ quang hợp trên màng thylakoid ở lục lạp theo sơ
đồ Z. Các thành phần của chuỗi truyền điện tử và bộ máy tổng hợp ATP
được xếp trên màng thylakoid . Chi tiết giải thích trong bài (Theo
Buchanan, et al, 2000)

Sự tổ chức trong màng lục lạp của bộ máy quang hợp theo sơ đồ Z. Các thành viên của
chuỗi truyền điện tử và bộ máy tổng hợp ATP nằm trên màng thylakoid. Bốn phức hệ tổng
hợp màng là PSII, PSI, phức hệ cytochrom b6f và bộ máy tổng hợp ATP (CF1-CF0) được
sắp xếp gần nhau trong màng thylakoid. Các điện tử được truyền từ nước đến NADP+, đi
kèm theo quá trình truyền điện tử là một gradient proton đã được thiết lập qua màng.
Gradient điện hoá này cuối cùng được sử dụng để tổng hợp ATP nhờ bộ máy enzym ATP.
Synthase Fdx là ferredoxin; FNR là Fere doxin-NADP+ reductase; PQ, PQH2 là
plastoquinon dạng oxy hoá và dạng khử; PC là phycocyanin là những sắc tố tham gia vào
quá trình truyền năng lượng cho chlorophyl-a (Hình 2.5).

2.3

Lưới nội chất (ER), cấu trúc và chức năng

ER (Endoplasmic Reticulum) là một bào quan lớn nhất, đa năng và thích ứng ở các tế
bào nhân chuẩn. Nó bao gồm một mạng lưới ba chiều của các khoang nhỏ liên tục cùng với
các túi nhỏ dẹt được lót bằng các màng sinh chất trải rộng ra tế bào chất và nối với màng
nhân nhưng vẫn tách biệt với màng sinh chất của tế bào. Ở thực vật và động vật, chức năng
của ER là tổng hợp, chế biến, bài xuất các protein và lipid sau khi được tổng hợp để gửi
đến các địa chỉ đích trong tế bào hoặc trên bề mặt tế bào để xuất tiết ra ngồi. ER cũng có
vai trị cung cấp thêm các vị trí mỏ neo cho các bó sợi actin tạo ra chùm sợi tế bào chất và
đóng vai trị quan trọng đối với việc điều hoà nồng độ canxi, tham gia vào nhiều hoạt động
sống của tế bào. Các tài liệu kinh điển trước đây phân biệt ba kiểu lưới nội chất là ER hạt,
ER trơn nhẵn và màng nhân. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu hiện nay nhận ra cấu trúc
màng ER chứa nhiều domain rất khác nhau về hình thái để thực hiện các chức năng khác
nhau. Tuy vậy, cấu trúc màng ER được coi là một tập hợp hệ thống màng chứa nhiều
khoang nhỏ (lumen), liên tục trải rộng ra mỗi tế bào riêng biệt nhờ các sợi liên bào
(plasmodesma). Ở tế bào, người ta đã phát hiện ra một hệ thống màng liên hợp với nhau
bao gồm màng nhân (bao nhân), lưới màng tiết của bộ máy golgi, màng sinh chất tế bào,
các kiểu bóng màng (vesicle) vận chuyển, hoặc bóng tiết (secretory vesicles), các bóng
màng tiết liên hợp với lưới nội chất và không bào (vacuoles). Sự giao lưu qua lại giữa các


19

khoang của hệ thống mạng lưới màng không chỉ để vận chuyển các phân tử được tiết ra sau
tổng hợp ở lưới nội chất (ER) gửi đến bề mặt màng sinh chất tế bào hoặc tiết ra khỏi tế
bào, mà còn phân phát các protein màng và lipid màng đến cho các bào quan nội bào. Đó
là con đường “cấp phát” về phía trước (anterograde pathway) của hệ mạng lưới màng. Bên
cạnh đó, các phân tử của màng (protein, lipid) có thể được gửi hồi lưu trở lại (con đường
hồi lưu: retrograde pathway) các vị trí tổng hợp ban đầu của nó.
Ở tất cả các tế bào của sinh vật nhân chuẩn (Eucariote) màng lưới nội chất luôn luôn
gắn với các bào quan ribosome trong quá trình tổng hợp protein. Sau khi protein được tổng
hợp, chúng có thể được cải biến (chế biến bằng quá trình proteolyse, được gắn thêm các

gốc oligosaccharide bằng q trình glycosyl hố) để hình thành các glycoprotein. Tiếp
theo, các protein được chuyển bằng bọng tiết màng từ các lumen nhỏ của lưới nội chất đến
hệ thống màng của bộ máy tiết golgi và được phân phát tiếp đến các địa chỉ khác nhau của
tế bào hoặc được bóng tiết vận chuyển đến màng sinh chất để bài xuất ra ngồi tế bào.

Hình 2.6.
Cấu trúc hiển vi điện tử của lưới nội chất. Ảnh cho thấy rõ trên lưới nội chất chứa rất nhiều polyxom tạo cho
lưới nội chất có dạng xù xì và chứa nhiều xoang nhỏ gọi là lumen nơi các protein sau khi được tổng hợp sẽ
chứa đựng ở đó (theo Daniel. S.F).

2.4

Bộ máy golgi, cấu trúc và chức năng

Thuật ngữ bộ máy golgi dành cho các cấu trúc màng xếp chồng nhau (golgi stacks) và
hệ thống màng kết hợp của mạng lưới golgi vận chuyển (trans- golgi networks.TGs) ln
ln có mặt trong tế bào.
Chức năng chung và quan trọng của bộ máy golgi là một cơ quan trung tâm của con
đường tiết các protein và lipid mới được tổng hợp từ ER và hướng dẫn các sản phẩm mới
được tổng hợp để cấp phát cho địa chỉ bên trong tế bào hoặc cho bề mặt màng tế bào. Ở
thực vật, bộ máy golgi còn được kết hợp với các phức hệ polysaccharide của chất nền của
thành tế bào để chế biến và tổng hợp các chuỗi bên oligosaccharide ở dạng liên kết Oglycoside hoặc N-glycoside tạo glycoprotein màng, hoặc các glycolipid màng. Để thực
hiện nhiệm vụ này, các enzym glycosyltransferase và glycosidase có vai trị xúc tác cho
các phản ứng glycosyl hố. Các enzym này thường là các protein tích hợp vào màng hệ
golgi và có các trung tâm hoạt động quay ra phía ngồi của khoang mạng lưới golgi. Thêm


20

vào đó, các chất vận chuyển thường đặc hiệu ở dạng nucleotid- đường (chẳng hạn UDPglucose) sẽ cấp phát đường cho hoạt động của các enzym glycosyltransferase.

Các phân tử liên kết đường như glycoprotein, glycolipid được cải biến tổng hợp nhờ
hệ thống enzym ở bộ máy golgi có nhiều vai trò trong hoạt động sống của tế bào như: hoạt
động nhận biết thụ thể, hoạt động thông tin tế bào, thực hiện chức năng xúc tác enzym (các
glucosidase) hoặc có vai trò cấu trúc (glycoprotein và glycolipid màng). Bản thân q trình
glycosyl hố của protein ở bộ máy golgi cũng giúp cho nó tự bảo vệ trước q trình
proteolyse nội sinh, giúp cho chúng được vận chuyển an toàn đến các địa chỉ khác nhau
của tế bào.

2.5

Nhân tế bào và màng nhân

Nhân tế bào chứa hầu như tồn bộ thơng tin di truyền của tế bào, đồng thời là trung
tâm điều hoà hoạt động sống. Ở sinh vật nhân chuẩn (Eucariota), nhân được bao bọc bằng
một vỏ bọc gồm hai lớp màng sinh chất tách biệt nhau bằng một xoang (lumen), gọi là
xoang không bao quanh nhân (perinuclear space). Vỏ bọc nhân tách biệt chất liệu di truyền
chứa trong chất với vùng tế bào chất, là nơi diễn ra sinh tổng hợp protein, đồng thời cũng
kiểm soát sự trao đổi chất liệu di truyền giữa nhân và tế bào chất thơng qua lỗ vỏ nhân
(hình 2.7).
Tất cả ARN được tổng hợp ở nhân đều được chuyển qua lỗ vỏ nhân, đi đến tế bào chất
để tổng hợp protein tại vùng tế bào chất.
Màng ngoài của vỏ bao nhân được tiếp nối với các màng của lưới nội chất (ER) qua
các chỗ nối hẹp và tương tự ER có chứa các ribosome ở bề mặt tế bào chất. Do đó khoảng
khơng bao nhân được nối tiếp với xoang (lumen) của ER. Mạng lưới các sợi có kích thước
10 nanomet được gọi là phiến nhân (nuclear lamina) làm nền đỡ màng trong của vỏ nhân.
Phức hệ lỗ vỏ nhân thực hiện cả hai chức năng là làm mạng lưới sàng lọc phân tử
(molecular sieves) đồng thời là những yếu tố vận chuyển tích cực (active transporters) chất
liệu di truyền.
Mật độ của các lỗ nhân gắn vào vỏ bao nhiêu thay đổi đáng kể tuỳ thuộc vào kiểu tế
bào. Ở thực vật số lượng lỗ nhân từ 8% đến 20% bề mặt vỏ bao nhân và đạt mật độ từ 6

đến 25 μm2. Mỗi lỗ nhân bao gồm một tập hợp các đại phân tử kết hợp rất tinh vi (hình
2.7). Các phức hợp lỗ nhân dường như giống nhau về kích thước và kiến trúc đối với tất cả
tế bào của giới động vật và thực vật (Buchanan et al. 2000), có chiều sâu 120 nanomet,
đường kính lỗ 50 nanomet. Khối lượng phân tử của tất cả các protein chung cấu thành nên
lỗ nhân là 124 Mega Dalton (MDa) và bao gồm gần 120 kiểu loại protein khác nhau. Một
lỗ nhân có cấu trúc octagonal đối xứng quanh một trục giữa. Một lỗ nhân có 8 kênh ưa
nước bao quanh, mỗi kênh có đường kính 9 nanomet cho phép khuếch tán tự do các phân
tử nhỏ.
Một kênh lớn hơn ở giữa trung tâm (kênh trung tâm) có thể điều hồ chức năng vận
chuyển tích cực các phân tử protein và ARN. Kênh trung tâm này chứa một hạt nhỏ có
đường kính 35 nanomet được gọi là “cái nút”, được xem như là một phức hệ protein vận
chuyển thực sự và kiểm soát sự trao đổi giữa nhân và tế bào chất.
Các protein ở tế bào chất có thể xâm nhập vào nhân tế bào chỉ khi chúng chứa một
trình tự tín hiệu các axit amin định khu ở nhân. Sự nhận biết tín hiệu này nhờ phức hệ lỗ


21

nhân tạo ra cho kênh trung tâm của lỗ nhân mở ra. Một tín hiệu bổ sung dường như cần
thiết cho sự xuất phát các chất liệu di truyền từ nhân. Tất cả các protein được nhập vẫn ở
lại trong nhân thậm chí nếu chúng ở dạng hồ tan và có thể di chuyển tự do trong chất
nhân. Tuy nhiên, một số protein đã biết có thể di chuyển trở lại hoặc ra đi giữa nhân và tế
bào chất. Năng lượng dưới dạng ATP là cần thiết cho sự vận chuyển tất cả các protein hoặc
các tiểu thể (particles) qua kênh trung tâm để đi các hướng. Sự thủy phân ATP có thể làm
thay đổi cấu hình khơng gian của yếu tố vận chuyển. Chức năng quan trọng của màng nhân
cịn là làm mở kênh.
Trong q trình phân chia ngun nhiễm (mitosis), vỏ bao nhân phân ly thành các
bóng màng để tham gia hình thành các vỏ bao nhân mới bao quanh nhân con mới hình
thành.

Hình 2.7
(A) Sơ đồ của phức hệ lỗ nhân xuyên qua vỏ bao nhân. (B) Ảnh hiển vi điện điện tử
xuyên sâu (TEM) của lát cắt ngang qua phức hệ lỗ nhân tế bào rễ thuốc lá. (Theo
Buchanan et al, 2000).

2.6

Peroxisom

Peroxisom là những bào quan có cấu trúc đơn giản nhưng thực hiện nhiều chức năng
rất khác nhau ở các tế bào của tất cả các sinh vật nhân chuẩn. Peroxisom chỉ được bao bọc
bởi một lớp màng lipid kép, bên trong chứa chất nền peroxisom tạo hạt (grana). Nhìn
chung hầu như tất cả các peroxisom là thể hình cầu có bề mặt xù xì có đường kính xấp xỉ
từ 0,2 đến 1,7 micromet, nhưng chúng có thể kéo dài hoặc có hình dáng khơng đều đặn.
Peroxisom còn được gọi là vi thể (microbody). Tên gọi này có được khi người ta quan sát
dưới kính hiển vi điện tử các tế bào động vật và các tế bào thực vật từ những năm 50 và
những năm 60 của thế kỷ 20. Vào năm 1965, Christian de Duve đã phân lập được các bào
quan tương tự từ các tế bào gan và ông gọi là Peroxisom vì chúng đồng thời tạo ra và phá
hủy được hydrogen peroxid (H2O2), và cũng vì chúng ln ln chứa enzym catalase là
enzym phá hủy tại chỗ các H2O2 được sinh ra từ peroxisom.
Ngoài chức năng khử độc H2O2 của bản thân peroxisom sinh ra từ sự oxy hoá các
flavoproein ở tế bào thực vật, peroxisom còn tham gia vào chuyển hóa glycolat khi phối
hợp với lục lạp và ty thể, giúp cho quá trình phân hủy các axit béo ở các hạt nẩy mầm và
tham gia vào việc cố định nitơ ở các cây họ đậu.


22

Tóm tắt chương 2
Ty thể là một bào quan được xây dựng từ hai lớp màng sinh chất: lớp ngoài trơn bao

bọc định hình cho ty thể có dạng hình que hoặc hình ellip-cầu, lớp trong lượn sóng tạo
nhiều gấp nếp vách ngăn. Ty thể định cư trong cytosol và có mặt ở hầu hết các tế bào sinh
vật nhân chuẩn, trừ các tế bào đã biệt hóa chức năng cao, đóng vai trị quan trọng sản sinh
ra năng lượng được tạo ra từ q trình hơ hấp tế bào thơng qua con đường phosphoryl hóa
oxy hóa sinh học. Q trình tạo năng lượng được xẩy ra ở màng trong của ty thể, nơi đó
ATP được hình thành.
Ty thể là một bào quan có bộ máy di truyền (genome) tương đối độc lập với tế bào, tạo
ra một số protein riêng biệt cho bản thân nó. Vì vậy, người ta cho rằng ty thể có thể là một
dạng sinh vật tiền nhân (prokaryota) “xâm nhập” vào các tế bào nhân chuẩn, sống cộng
sinh trong giai đoạn tiến hóa rất sớm của sự sống. Tuy nhiên, các thể nội cộng sinh
(endosymbiont) này ban đầu có bộ máy di truyền đầy đủ đã dần dần chuyển sang nhân tế
bào nhân chuẩn trong suốt q trình tồn tại và tiến hóa sự sống. Do đó, ty thể giống như
plastid ở tế bào thực vật, hiện nay vẫn cần các sản phẩm gen của nhân tế bào để thực hiện
chức năng sinh học và sinh sản.
Lục lạp là một bào quan của tế bào thực vật được bao bọc bằng một lớp màng sinh
chất định hình cho bào quan này nhưng bên trong lớp màng này chứa nhiều cấu trúc màng
sinh chất xếp chồng lên nhau, phân bố theo từng hàng giống như các chồng đĩa được gọi là
thylakoid, tạo ra các thể grana chìm ngập trong khối chất nền (stroma). Đặc điểm của các
kiến trúc quan trọng của màng lục lạp là sự sắp xếp của các protein và các sắc tố
Chlorophill-a và Chlorophill-b của quang hệ I (PSI) và quang hệ II (PSII) nhằm thực hiện
chức năng quang hợp. Quang hợp là một quá trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ trong đó
có các hợp chất năng lượng cao như ATP, và các coenzym khử NADPH thơng qua con
đường phosphoryl hóa nhờ năng lượng của ánh sáng mặt trời dưới dạng hạt photon. Quá
trình này được gọi là quang - phosphoryl hóa tổng hợp chỉ được thực hiện trong bào quan
lục lạp của thực vật.
Lưới nội chất và bộ máy golgi cũng là những bào quan có cấu trúc gồm nhiều lớp
màng sinh chất liên hợp, xếp chồng nhau nhưng lại tạo ra nhiều xoang nhỏ gọi là lumen.
Chức năng của lưới nội chất là nơi kết hợp với nhiều polysom, thực hiện quá trình sinh
tổng hợp protein và các dạng lipid khác nhau, được cải biến sau tổng hợp, sau đó được gửi
tới bộ máy mạng lưới màng golgi tiếp tục các biến và vận chuyển đến các địa chỉ khác

nhau của tế bào.
Nhân tế bào ở sinh vật nhân chuẩn hầu như chứa tồn bộ thơng tin di truyền, là trung
tâm điều hòa hoạt động sống, được bao bọc bằng một vỏ nhân (Envelope). Vỏ nhân bao
gồm hai lớp màng lipid kép tách biệt nhau bằng một khoảng không gọi là khoảng bao nhân
(perinuclear space). Vỏ bao nhân đều chứa rất nhiều lỗ nhân (nuclear pores) xuyên qua hai
lớp màng của vỏ có vai trị quan trọng là lưới sàng lọc phân tử, vận chuyển chủ động các
chất liệu thơng tin di truyền và kiểm sốt sự trao đổi chất liệu di truyền, sản phẩm của gen
giữa nhân và tế bào chất. Hệ màng nhân của vỏ bao nhân cịn có vai trị trong q trình
phân chia tế bào.
Peroxisom là những bào quan có ở tất cả các sinh vật nhân chuẩn chỉ được bao bọc
bằng một lớp màn lipid kép. Nhân tế bào thực hiện chức năng oxy hóa nhiều hợp chất hữu


23

cơ, khử độc H2O2 giúp cho quá trình trao đổi chuyển hóa glycolat khi phối hợp với lục lạp
và ty thể ở thực vật, tham gia vào phân hủy axit béo của các hạt chứa chất béo trong quá
trình nẩy mầm.


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
10-12cm/s của Na+ đến khoảng 10-2 cm/s của nước). Ví dụ, Na+ và K+ đi qua màng chậm
hơn H2O 109 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 mơi khơng 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 hố 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 mơi 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 hố (hình 3.1).


25

Hình 3.1.
Phân tử glycerol (a), mơ 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 khơng 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)