CHƯƠNG 4: VẬN CHUYỂN CÁC CHẤT QUA MÀNG TẾ BÀO

Hình 4-1

Hình trên cho thấy nồng độ tương tự nhau của những chất điện giải và một số chất quan trọng khác có trong dịch ngoại bào và bào tương. Một điểm quan trọng cần nhớ là dịch ngoại bào chứa nhiều Na, chỉ chứa một lượng nhỏ ion K. Và bào tương thì ngược lại. Cũng như vậy, dịch ngoại bào chứa nhiều Cl, trong khi đó bên trong chứa rất ít. Nhưng nồng độ của phosphat và protein trong bào tương rất cao hơn hẳn ở ngoại bào. Những điều khác biệt này là cực kỳ quan trọng đối với sự sống của tế bào. Mục đích của chương này là giải thích làm thế nào mang lại sự sự khác biệt này, bởi các cơ chế vận chuyển của màng tế bào.

1. HÀNG RÀO CHẮN LIPID CỦA MÀNG TẾ BÀO VÀ CÁC PROTEIN MANG TRÊN MÀNG TẾ BÀO:

Cấu trúc màng tế bào là lớp đôi phospholipid, nhưng có chứa một số lượng lớn phân tử protein trong lipid, và rất nhiều trong số chúng thâm nhập và xuyên màng. Lớp màng lipid thì không trộn lẫn với bào tương hay dịch ngoại bào. Vì vậy, nó cấu tạo để chắn không cho sự di chuyển qua lại màng của phân tử nước và các phân tử tan trong nước. Nhưng cũng vì vậy mà chúng cho phép các phân tử có cấu tạo không phân cực (tức là có chung một đặc điểm là các liên kết hóa học không phân cực điện) đi qua màng tế bào một cách tự do.

Các phân tử protein trong màng tế bào các toàn bộ các tính chất của một chất vận chuyển. Cấu trúc phân tử của chúng làm gián đoạn tính liên tục của màng bào tương, tạo sự thay đổi cấu trúc vượt qua màng tế bào. Hầu hết chúng là những protein xuyên màng, có thể có chức năng như một protein vận chuyển. Những protein chức năng khác, một số có vùng ưa nước và cho phép sự di chuyển tự do của nước, cũng như sự chọn lọc ion hay phân tử, chúng được gọi là các kênh protein. Số khác, được gọi là protein mang, kết dính với phân tử hay ion để làm nhiệm vụ vận chuyển; sự thay đổi hình thể phân tử protein và cho phép các chất đi qua khe hở của protein để qua lại màng. Cả hai loại, kênh protein và protein mang thường có tính chọn lọc cao đối với từng loại phân tử hay ion.

2. SỰ KHUẾCH TÁN CHỐNG LẠI QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN TÍCH CỰC:

Hình 4-2

Có 2 cách vận chuyển các chất qua màng, cả trực tiếp qua màng cũng như thông qua protein xuyên màng: khuếch tán (diffusion) và vận chuyển chủ động hay còn gọi là vận chuyển tích cực (active transport).

Mặc dù có nhiều sự khác biệt của những cơ chế cơ bản, khuếch tán có nghĩa là sự di chuyển ngẫu nhiên của phân tử chất, cũng có thể vượt qua khoảng giữa các phân tử hoặc kết hợp với protein mang. Năng lượng của quá trình này là động năng của các chất.

Sự tương phản, vận chuyển chủ động nghĩa là di chuyển của chất hay ion qua màng nhờ việc gắn với protein mang bằng cách protein mang gây ra sự di chuyển các chất ngược với thang nồng độ, như là từ nơi có nồng độ thấp tới nơi có nồng độ cao. Sự di chuyển này đòi hỏi phải có nguồn năng lượng khác bên cạnh động năng của phân tử.

3. SỰ KHUẾCH TÁN DỄ:

Sự khuếch tán qua màng tế bào được chia thành hai dạng được gọi là khuếch tán đơn giản (simple diffusion) và khuếch tán được làm dễ (facilitated diffusion).

Khuếch tán đơn giản nghĩa là động lực di chuyển của phân tử hoặc ion xảy ra khi màng tế bào mở hay chúng vượt qua giữa các gian phân tử không có bất kỳ ảnh hưởng từ các protein mang. Tỷ lệ khuếch tán được xác định bởi số lượng các chất có hiệu lực, vận tốc của động lực chuyển động, và số lượng kích cỡ mở của màng tế bào mà phân tử hay ion có thể vượt qua.

Khuếch tán được làm dễ cần đến sự giúp đỡ của protein mang. Protein mang giúp một phân tử hay ion đi qua màng bởi liên kết hóa học với chúng.

Giống như hình trên, khuếch tán đơn giản có thể xảy ra theo 2 cách: (1) vượt qua các kẽ hở của màng lipid nếu các chất hòa tan trong lipid; (2) vượt qua các protein vận chuyển khi các phân tử đó hòa tan trong nước không thể đi qua màng trực tiếp.

Khuếch tán của các chất tan trong lipid qua màng tế bào: một nhân tố quan trọng xác định một chất khuếch tán nhanh qua màng lipid bằng cơ chế nào đó là xác định chất đó tan trong lipid hay không. Ví dụ, lipid hòa tan được oxygen, nitrogen, CO2, và alcolhols rất cao, vì vậy nên chúng có thể đi qua màng tế bào trực tiếp.

Khuếch tán của nước và các phân tử không tan trong lipid qua các kênh protein: mặc dù nước không thể tan được trong lipid, nhưng nó vượt qua màng bằng các kênh của phân tử protein. Sự nhanh chóng đi qua màng tế bào của nước là một sự đáng kinh ngạc, ví dụ, tổng lượng nước khuếch tán qua màng tế bào hồng cầu trong mỗi giây là 100 lần thể tích của hồng cầu. Những chất không tan trong lipid khác cũng có thể đi qua các kênh protein trong một vài cách như nước nếu chúng hòa tan và đủ nhỏ. Tuy nhiên, khi chúng là những chất có cấu tạo lớn hơn sự thâm nhập cũng không còn nhanh chóng nữa. Ví dụ, đường kính của phân tử ure chỉ lớn hơn 20% của nước nhưng chúng lại đi qua màng tế bào bằng 1/1000 lần của nước.

Khuếch tán qua lỗ protein và kênh protein, sự chọn lọc của kênh: Bằng kỹ thuật điện toán hình ảnh 3D người ta đã cho thấy các lỗ hay kênh protein có lối mòn dạng hình ống cho các phân tử đi qua. Các chất có thể khuếch tán đơn giản qua những lỗ này. Những cái lỗ như vậy được tạo thành từ toàn bộ protein màng bằng cách mở các ống xuyên màng và chúng luôn luôn mở. Tuy nhiên đường kính của các lỗ này lại có sự chọn lọc với các phân tử. Ví dụ, kênh aquaporin hay còn gọi là kênh nước, cho phép nước đi qua nhanh chóng nhưng lại chặn những phân tử khác. Có ít nhất 13 loại kênh aquaporin khác nhau được tìm thấy trên màng tế bào của cơ thể người.

Kênh protein có sự khác biệt ở 2 nhân tố quan trọng: (1) chúng thường có tính thấm chọn lọc cao và (2) nhiều kênh có thể đóng mở bởi tín hiệu có liên quan, như tín hiệu điện thế (voltage-gated channels) hay liên kết hóa học (ligand-gated channels).

Tính chọn lọc của kênh protein: nhiều kênh protein có tính chọn lọc cao với 1 hay nhiều ion đặc biệt. Điều này là kết quả của nhiều nhân tố: đường kính, sự sắp xếp hình dạng đặc thù, tự nhiên của chênh lệch điện hay liên kết hóa học bề mặt.

 

Hình 4-5

Kênh protein hoạt hóa nhờ tín hiệu: có nghĩa là kênh protein bị điều khiển bởi tín hiệu mà kênh nhận được. Ví dụ như kênh Na và K như trên.

Hình 4-6

Cơ chế đóng mở được điều khiển bởi 2 cách chủ yếu:

– Voltage gating: kênh protein có những vùng chứa điện tích rất lớn, khi điện thế giữa hai bên màng tế bào thay đổi bất thường cơ chế sẽ làm cho những liên kết hóa học biến đổi cấu trúc trong không gian, làm cho mở kênh do thay đổi điện thế.

– Chemical (ligand) gating: một vài kênh protein hướng ligand được mở khi liên kết với những chất hóa học (ligand).

Tình trạng mở chống lại tình trạng đóng: nhìn vào hình dưới ta thấy rằng khi mở thì các kênh mở tối đa, tất cả cùng mở và lúc đóng thì chúng đóng tất cả; điều này được gọi theo 1 cơ chế chung là tất cả các kênh hướng điện thế hoạt động “tất cả hay không có gì”(all or none).

Khuếch tán được làm dễ cũng được gọi là khuếch tán cần vật mang trung gian bởi vì một chất được vận chuyển trong cách khuếch tán qua màng sử dụng protein mang đặc biệt để giúp đỡ.

Khuếch tán được làm dễ khác với khuếch tán đơn giản ở những điểm: mặc dù tỷ lệ khuếch tán đơn giản đi qua các kênh mở tăng tỷ lệ với nồng độ của chất khuếch tán, trong khi khuếch tán được làm dễ gắn liền với nồng độ tối đa, gọi là Vmax khi nồng độ tăng lên. Điều khác biệt này được minh chứng rõ nhất ở hình dưới.

Hình 4-7

Vậy câu hỏi đặt ra là điều gì giới hạn khuếch tán được làm dễ?

Hình 4-8

Câu trả lời là: việc khuếch tán được làm dễ phụ thuộc hoàn toàn vào số lượng của các kênh protein, khi một phân tử gắn vào một vùng tín hiệu (receptor) của protein mang, làm chúng thay đổi cấu hình và cho chất này đi qua. Khi nồng độ các chất tăng lên làm khả năng gắn kết các chất vào kênh tăng lên và làm tăng khả năng khuếch tán, nhưng ở đây vẫn có những khoảng dừng, chính là lúc mà tất cả các kênh protein đã gắn phân tử thì lúc này là vận tốc tối đa mà chúng có thể khuếch tán được, nếu nồng độ tăng nhiều thì cũng không mang lại hệ quả gây tăng tốc độ khuếch tán.

Trong hầu hết các chất đi qua màng tế bào theo cơ chế khuếch tán được làm dễ thì quang trọng nhất là glucose và hấu hết acid amins. Trong trường hợp của glucose, có ít nhất 5 loại kênh glucose được tìm thấy trong nhiều mô. Một vài trong số chúng cũng có thể cho các monosaccarid khác có cấu trúc tương tự đi qua, bao gồm cả galactose và fructose. Một kênh quan trọng là GLUT4, hoạt hóa bởi insulin, gây tăng khuếch tán glucose nhiều lên gấp 10 tới 20 lần khi mô bị kích thích bởi insulin. Điều này là cơ chế cơ bản mà insulin điều hòa nồng độ glucose trong máu.

Sự thẩm thấu chọn lọc của màng tế bào – Khuếch tán thực của nước

Hình 4-10

Chất nhiều nhất khuếch tán qua màng tế bào chính là nước. Nước được khuếch tán từ nơi có thế nước cao đến nơi có thế nước thấp, hay có thể nói từ nơi có nồng độ chất thấp tới nơi có nồng độ chất hòa tan cao. Và sự khuếch tán nước trong những điều kiện như vậy gọi là sự thẩm thấu (osmosis). Tính thẩm thấu thể hiện khả năng thẩm thấu với nước của màng tế bào (osmotic).

Áp suất thẩm thấu (osmotic pressure): như hình trên, nếu sự thẩm thấu bị chặn lại, làm ngừng lại hay đảo ngược. Áp suất chính xác để ngăn chặn sự thẩm thấu chính là áp suất thẩm thấu của một dung dịch.

“Osmalality”- osmole: để làm rõ nồng độ của dung dịch trong giới hạn của số hạt, một đơn vị được gọi là osmole được sử dụng. 1 osmole là 1 gam phân tử của gây ra thẩm thấu, vì vậy 180 gam glucose sẽ tương đương 1 osmole vì glucose không phân hủy thành các ion khác. Nhưng nếu một phân tử trong dung dịch phân tách thành 2 ion, thì 1 gam phân tử của nó được tính là 2 osmole. Ví dụ khác, dung dịch NaCl có 58,5gam NaCl thì sẽ có 2osmoles.

Quan hệ giữa osmolality với osmotic pressure: ở nhiệt độ 37, nồng độ của 1 osmole trên lít sẽ gây ra 19300mmHg áp suất thẩm thấu. Cũng như vậy, nếu dung dịch có nồng độ osmole là 1miliosmole sẽ tạo ra áp suất thẩm thấu 19,3mmHg.

4. VẬN CHUYỂN CHỦ ĐỘNG CÁC CHẤT QUA MÀNG TẾ BÀO: (ACTIVE TRANSPORT)

Cùng một thời gian, nồng độ cao của các chất được đòi hủy phải duy trì bên trong tế bào trong khi đó nồng độ bên ngoài lại rất thấp. Điều này hoàn toàn là sự thật, một ví dụ như tế bào luôn phải giữ nồng độ K bên trong tế bào cao hơn rất nhiều so với bên ngoài và ngược lại nồng độ Na bên trong thấp hơn bên ngoài. Chính vì vậy cần có một cơ chế để duy trì một điều như vậy, và điều đó được thực hiện nhờ vào vận chuyển tích cực, tế bào chủ động lấy những chất hay ion cần thiết cho mình mặc dù bên ngoài nồng dộ của các chất này là rất ít. Tức là đã đi ngược lại thang nồng độ.

Có nhiều chất khác nhau được vận chuyển tích cực qua màng bao gồm Na, K, Ca, H, I, ure, một vài đường khác và hầu hết các acid amins.

Vận chuyển tích cực nguyên phát và thứ phát:

Vận chuyển tích cực được chia thành hai dạng theo nguồn năng lượng được dùng để gây ra sự vận chuyển đó là: vận chuyển tích cực nguyên phát và thứ phát.

Trong vận chuyển tích cực nguyên phát, năng lượng được sử dụng trực tiếp từ việc bẻ gãy phân tử ATP hay của một vài hợp chất chứa liên kết phosphate cao năng lượng. Trong vận chuyển tích cực thứ phát, năng lượng nhận thứ phát nhận được từ những năng lược được dự trữ ở dạng nồng độ ion khác nhau giữa hai bên màng tế bào, nguồn gốc của sự chênh lệch là từ vận chuyển tích cực nguyên phát. Cả 2 ví dụ, vận chuyển phụ thuộc vào protein mang xuyên màng, đều là khuếch tán được làm dễ. Tuy nhiên, vận chuyển tích cực, chức năng của protein mang khác với chất mang trong khuếch tán được làm dễ vì nó có khả năng truyền năng lượng tới chất được vận chuyển để di chuyển ngược chiều gradient điện hóa (electrochemical gradient).

Vận chuyển chủ động nguyên phát:

Hình 4-12

Các chất được vận chuyển bằng cơ chế chủ động nguyên phát: Na, K, Ca, H, Cl, và một vài ion khác.

Cơ chế vận chuyển chủ động được nghiên cứu đến chi tiết nhất là bơm Na-K, vận chuyển Na ra ngoài tế bào, và K từ ngoài vào bên trong. Bơm này có trách nhiệm duy trì nồng độ Na và K khác nhau giữa hai bên màng tế bào, thiết lập điện thế âm bên trong màng tế bào và điện thế dương bên ngoài tế bào.

Ở hình trên, Protein mang là tổ hợp của 2 tiểu phần: tiểu phần lớn α và và tiểu phần nhỏ hơn β. Tiểu phần lớn có 3 receptor để gắn Na và có 2 để gắn K, bên trong phần chia của protein này gần vị trí gắn Na có ATPase hoạt động.

Cơ chế: khi 2 ion K gắn vào bên ngoài của protein mang có 3 ion Na gắn vào bên trong, chức năng của ATPase bắt đầu hoạt động. Nó cắt 1 liên kết phosphat cao năng của ATP biến thành ADP và 1 phosphat, điều này giúp thay đổi cấu hình của bơm và giúp đưa 3Na ra bên ngoài và 2K vào trong tế bào. Và cũng giống như những enzym khác, Bơm Na-K-ATPase cũng có thể tạo ATP từ ADP và phosphat khi thang điện hóa của Na và K chênh lệch ở 2 bên màng đủ lớn để thắng lại quá trình bình thường của bơm.

Một chức năng quan trọng của bơm này là điều hòa thể tích tế bào: nếu không có chức năng của bơm này thì mọi tế bào cơ thể sẽ giãn nở thể tích cho đến khi nổ tung. Trong tế bào có rất nhiều protein và các phân tử khác không thể thoát ra ngoài tế bào, điều đó thì tăng áp suất thẩm thấu của tế bào và làm hút nước vào bên trong tế bào, nhưng khi có cơ chế của bơm này thì lượng ion dương mất đi trong mỗi lần bơm cao hơn 1 phân tử nên cũng làm giảm áp suất thẩm thấu của dịch nội bào. Nếu tế bào bắt đầu lấy nước và giãn nở vì bất kì lí do gì, thì bơm Na-K tự động hoạt động mạnh hơn, bơm nhiều ion ra bên ngoài từ đó kéo nước theo và duy trì thể tích tế bào.

Vận chuyển tích cực nguyên phát của ion Ca: ion Ca được duy trì với nồng độ rất thấp trong nội bào, nồng độ bên trong thấp hơn khoảng 1000 lần bên ngoài. Vì vậy cần có 2 quá trình vận chuyển chủ động nguyên phát. Một ở trong màng tế bào và bơm Ca đưa ra ngoài tế bào. Bơm khác nữa ở bên trong tế bào của các mạng lưới nội chất với tế bào cơ và mitochodria ở tất cả tế bào.

Vận chuyển chủ động nguyên phát của ion H: tại 2 nơi, mà quá trình vận chuyển ion H là quan trọng nhất đó là (1) dạ dày tuyến của dạ dày (2) và ống lượn xa và ống góp của thận.

Ở dạ dày tuyến, nằm ở thành của tế bào đỉnh có quá trình vận chuyển chủ động nguyên phát. Trong việc tiết ra dịch vị, với ion H và Cl

Ở ống thận, số lượng lớn ion H được tiết từ máu vào nước tiểu mục đích thải trừ ion H cũng theo cơ chế vận chuyển chủ động nguyên phát

Vận chuyển chủ động thứ phát – đồng vận và đối vận

Khi Na được vận chuyển qua màng tế bào theo cơ chế vận chuyển chủ động nguyên phát làm cho nồng độ Na bên ngoài nhiều hơn rất nhều so với bên trong. Gradient nồng độ này tạo ra một dạng năng lượng, và điều đó làm khuếch tán Na trở lại bên trong tế bào. Dưới tác động như vậy, Na khuếch tán và có thể kéo theo các chất khác đi cùng. Đó là cơ chế đồng vận chuyển và thuộc dang vận chuyển tích cực thứ phát.

Trong đối vận, ion Na cố gắng khuếch tán vào bên trong tế bào vì nồng độ bên ngoài quá cao. Tuy nhiên, cùng lúc đó, có một chất cũng được vận chuyển từ trong ra ngoài. Vì vậy, ion Na gắn vào protein mang nơi tiếp nhận bên ngoài tế bào, trong khi đó thì chất đồng vận gắn vào vị trí bên trong của protein mang. Một khi cả hai được gắn kết, xuất hiện sự thay đổi về hình dạng protein, và năng lượng được giải phóng bởi ion Na di chuyển vào bên trong gây ra việc chất khác di chuyển ra bên ngoài.

Hình 4-13

Đồng vận của Glucose và một số acid amin với ion Na

Đối vận Na-Ca, Na-H: hai cơ chế đối vận quan trọng như hình dưới

Hình 4-14

Vận chuyển chủ động qua mảng tế bào (Cellular Sheets)

Tại những nơi của cơ thể, các chất có thể được vận chuyển bởi tất cả các con đường qua một mảng tế bào thay vào qua 1 màng tế bào đơn giản. Vận chuyển theo kiểu này xảy ra ở: (1) biểu mô ruột (intestinal epithelium), (2) biểu mô của ống thận, biểu mô của tất cả các tuyến ngoại tiết, (4) biểu mô của túi mật, (5) màng nhện của não (the choroid plexus of the brain) và một số màng khác.

Cơ chế cơ bản vận chuyển một chất qua 1 mảng tế bào là (1) chủ động ở một bên mảng tế bào và (2) khuếch tán ở bên đối diện.

Hình 4-15

Hình trên mô tả cơ chế vận chuyển ion Na qua một biểu mô (ống tiêu hóa, ống thận hay túi mật). Các tế bào biểu mô được liên kết chặt chẽ với nhau tại các cực bởi khoảng giữa của mối nối được gọi là các chỗ chạm nhẹ. Bờ bàn chải của bề mặt tiếp xúc (lumen) của tế bào thấm được cả Na và nước. Vì vậy, Na và nước khuếch tán dễ dàng từ lumen vào bào tương. Và sau đó tại màng cơ sở và màng bên, Na được vận chuyển tích cực vào dịch kẽ của mô liên kết lân cận và mạch máu. Việc này gây ra chênh lệch nồng độ ion cao qua màng tế bào, nó gây thẩm thấu của nước tốt hơn. Vì vậy, vận chuyển chủ động Na tại bờ bàn chải của tế bào biểu mô, kết quả không chỉ Na mà còn mang theo nước.

Cơ chế này có ở hầu hết các dưỡng chất, ion, và chất khác được hấp thu vào máu từ ruột; nó cũng là cách một vài chất được tái hấp thu ở ống thận

Nguồn: Guyton and Hall textbook of Medical Physiology. Chapter 4: Transport of Substances Through Cell Membranes