CHƯƠNG. I THÀNH PHẦN CẤU TẠO VÀ CẤU TRÚC CỦA MÀNG SINH HỌC The biological membrane TS. ĐỖ HIẾU LIÊM

1.1. ĐẠI CƯƠNG 1.2. LỚP LIPID ĐÔI 1.2.1. Thành phần phospholipid 1.2.2. Cấu trúc khảm lỏng 1.2.3. Các mảng lipid 1.3. PROTEIN MÀNG 1.3.1.Sự liên kết giữa protein với lớp lipid đôi 1.3.2.Phân loại 1.3.3.Vai trò sinh học của một số protein màng 1.3.4.Protein xuyên màng

Hình 1.1.Tế bào động vật

1.1. ĐẠI CƯƠNG (1).Màng tế bào (cell membrane), màng tương (plasma membrane), màng sinh học (biological membrane) là lớp bao bọc tế bào và các bào quan trong tế bào chất, có tính bán thấm liên quan sự vận chuyển các chất qua màng. (2).Chức năng sinh học a.Bảo vệ tính toàn vẹn của tế bào và các tiểu thể tế bào b.Hấp thu chọn lọc chất dinh dưỡng và bài thải chất cặn bã của quá trình biến dưỡng c.Thực hiện các chức năng chuyên biệt Phân tiết và tiếp nhận các tín hiệu hoá học Vận chuyển cặp đương lượng khử (H+ và e-) Dẫn truyền các xung động thần kinh (điện thế màng, synap...) Kháng nguyên bề mặt (nhóm máu, MHC…)

Hình 1.2. Màng sinh học

LIPID Phosphatidyl PROTEIN SIMPLE PROTEIN GLYCOPROTEIN (5).Cấu tạo hóa học: Lipid + protein = lipoprotein LIPID PHOSPHOLIPID CHOLESTEROL GLYCOLIPID Phosphoglyceride Phosphatidyl Ethanolamine Choline Serine Sphingolipid Sphingomyeline Sphingosine PROTEIN SIMPLE PROTEIN GLYCOPROTEIN

Bảng 1.1. Tỷ lệ các thành phần lipid màng (%) TB gan Hồng cầu Màng Myelin Ty thể Màng hệ võng nội Màng E.coli Cholesterol 17 23 22 3 6 Phosphatidyl ethanolamine 7 18 15 28 70 Phosphatidyl serine 4 9 2 5 Vết Phosphatidyl choline 24 10 40 Sphingomyelin 19 8 Glycolipid Lipid khác 13 27 30

Extracellular monolayer 1.2. LỚP LIPID ĐÔI (LIPID BILAYER) Outer monolayer Extracellular monolayer Inner monolayer Cytosolic monolayer Hình 1.3. Cấu tạo hóa học và cấu trúc của màng sinh học

1.2.1.Thành phần phospholipid Phosphoglyceride, sphingolipid và sterol, chiếm 50%, khoảng 5x106 phân tử lipid trong đơn vị 1μm2 lớp màng đôi hay 109 phân tử lipid trong lớp màng tương. 1.2.2.Cấu trúc khảm lỏng (dung dịch 2 chiều) . Đơn vị phospho lipid có tính lưỡng cực (amphiphilic) với - Đầu ưa nước (head hydrophilic) - nhóm N, OH, COOH - Đuôi kị nước (tails hydrophobic) - 2 đuôi do chuỗi hydrocarbon của acid béo (14-24 C), trong đó 1 đuôi là SFA và 1 đuôi là UFA dạng cis. . Mỗi lớp gồm các đơn vị phospholipid sắp xếp kề cận nhau và khi hình thành lớp đôi với đầu ưa nước hướng ra ngoài (liên kết hydrogen) và đuôi kị nước hướng vào trong (lực val der Waals) theo kiểu sandwich. Đây là cấu trúc khảm lỏng.

Hình 1.4. Cấu tạo nhóm phospholipid

Hình 1.5. Sự liên kết các đơn vị phospholipid Hình thái, độ dày và cách sắp xếp các đơn vị của lớp lipid đôi phụ thuộc vào nhóm phospholipid, sphingolipid và cholesterol PC - Phosphatidyl Choline PE - Phosphatidyl Ethanolamine SM - Sphingomyelin Hình 1.5. Sự liên kết các đơn vị phospholipid

Hình 1.6. Cấu trúc khảm lỏng của lớp lipid đôi Cấu trúc khảm lỏng của màng được biểu thị qua tính chất dung dịch 2 chiều-2 trạng thái (gel và lỏng) do: (1).Đầu ưa nước là những nhóm mang điện tích, tương tác với các phân tử nước định cực (liên kết hydrogen). Ngược lại, phần đuôi kị nước do nhóm không mang điện tích, không tương tác với nước. Hình 1.6. Cấu trúc khảm lỏng của lớp lipid đôi

(2).Tương tác giữa 2 đuôi hydrocarbon của acid béo + sự co dãn của liên kết đôi dạng cis trong phân tử UFA + lực Val der Waals Hình 1.7. Tương tác giữa 2 đuôi hydrocarbon

Hình 1.8. Tính bất đối giữa nhóm phospholipid và glycolipid Xác định tế bào sống hay chết (trong quá trình apoptosis, thành phần phosphatidyl serine ở lớp đơn trong chuyển dịch vị trí sang lớp đơn ngoài với mục tiêu trưng bày như tín hiệu thông tin cho các tế bào lân cận (macrophage).

Hình 1.9. Lipid raft trong phản ứng miễn dịch 1.2.3. Các mảng lipid (Lipid rafts) Các mảng (bè) lipid là những cấu trúc vi thể đặc hiệu (special microdomain) trên lớp lipid đôi, cấu tạo gồm cholesterol, sphingolipid và receptor protein. Microdomains có vai trò quan trọng đến hiện tượng nội bào (endocytosis: phagocytosis-pinocytosis) ở các tế bào thực bào hoặc quá trình thông tin sinh học. GM1-Glycosphingolipid PLAP-Placental alkaline phosphatase TfR-transferrin receptor Raft:GM1+PLAP Hình 1.9. Lipid raft trong phản ứng miễn dịch

Hình 1.10. Lipid raft (phosphatidyl inositol) trong thông tin sinh học Phosphatidyl inositol thuộc nhóm phospholipid màng Hình 1.10. Lipid raft (phosphatidyl inositol) trong thông tin sinh học Hình 1.11. Lipid raft (caevolae- little cavities) - nang chứa chất “uống” ở tế bào biểu mô

1.3. PROTEIN MÀNG (1).Protein chiếm < 25%, tỉ lệ 1/50 so lipid màng (2).Quyết định tính chất sinh học đặc hiệu cho mỗi loại màng 1.3.1. Sự liên kết giữa protein với lớp lipid đôi Sự liên kết giữa protein màng với lipid đôi rất phức tạp (liên quan đến chức năng sinh học của từng loại màng). Phân tử protein màng ở cấu trúc bậc 2, dạng α helix, một vài trường hợp ở dạng β sheet Trên phân tử protein có những khu vực ưa nước và kị nước (do gốc R-amino acid tự do). Khu vực kị nước xuyên qua lớp lipid đôi và tương tác với đuôi kị nước của phospholipid, trong khi khu vực ưa nước được phô bày trong tế bào chất

Hình 1.12. Các kiểu liên kết giữa protein màng với lớp lipid đôi 1+2+3. Dạng cuộn tròn β sheet liên kết với thành phần acid béo của lớp lipid đơn trong (liên kết bền) 4+5.Chuỗi α helix đơn, lưỡng tính liên kết móc neo với lớp lipid đơn trong và phô diễn trong tế bào chất (liên kết bền) 6.Protein màng phô diễn ngoài màng và móc neo với thành phần oligosaccharide đặc hiệu từ phosphatidyl inositol (GPI-Glycosyl phosphatidyl inositol anchro) (liên kết bền). 7+8.Protein liên kết với lớp lipid đôi thông qua thành phần protein khác của màng (liên kết không bền) Hình 1.12. Các kiểu liên kết giữa protein màng với lớp lipid đôi

Protein xuyên màng (integral membrane protein - transmembrane protein) Hình 1.13. Các kiểu protein màng móc neo với lipid 1.3.2.Phân loại protein màng Dựa vào sự phân bố Protein xuyên màng (integral membrane protein - transmembrane protein) Protein móc neo với lipid (lipid-anchored protein) -Protein ngoài màng (peripheral membrane protein)

Dựa vào chức năng sinh học -Enzyme Oxidoreductase -Receptors Hình 1.14. Các loại protein màng Dựa vào chức năng sinh học -Enzyme Oxidoreductase -Receptors -Cell adhesion molecules -Gated ion transport protein -Cytoskeleton protein -Ionic pumps - Major Histocompatibility Complex -Messenger -“motor” protein ...

Hình 6. Các loại protein receptor 1.3.3.Vai trò sinh học của một số loại protein màng (1). Receptor protein Hình 1.15. Các nhóm protein receptor (Thông tin sinh học) Hình 6. Các loại protein receptor

Hình 1.16.Thành phần oxidoreductase ở màng trong ty thể (2). Enzyme Oxidoreductase Hình 1.16.Thành phần oxidoreductase ở màng trong ty thể

Hình 1.17. H+-ATPase pump (ATP synthetase) (3). Ion pump Hình 1.17. H+-ATPase pump (ATP synthetase)

(4). Messenger (Protein G) Hình 1.18. Protein G Hình 5. Protein G kích hoạt kênh Calcium

(5). gated-ion transport protein Voltage-gated calcium ion channel và ligand-gated sodium ion channel ở đầu mút thần kinh

Hình 1.19. Adhesional protein (6). CAMs (Cell adhesion molecules) Hình 11. Protein motor ở cilia và flagella Protein adhesion: Cell-cell adhesion, Cell-matrix adhesion Gap junction (Mối nối hở) với các khe (connexon)-khoảng gian bào Tight junction (Mối nối kín)-truyền đạt thông tin giữa các tế bào Hình 1.19. Adhesional protein

(7). Protein “motor” Hình 1.20. “motor” protein

Protein motor ở cilia và flagella

Hình 1.21. Protein bộ xương tế bào (8). Cytoskeleton protein Hình 1.21. Protein bộ xương tế bào

(9). MHC (Major Histocompatibility Complex) Protein MHC class I

Protein MHC class II

TÓM TẮT Thành phần lipid cơ bản của màng sinh học: Phosphoglyceride, sphingolipid và cholesterol. 1 Phospholipid là đơn vị cấu trúc cơ bản của màng sinh học, tổ chức thành 2 phiến. 2 Lớp lipid đôi là dung dịch 2 chiều (thể gel và lỏng) với bề mặt ưa nước hướng ra và phần cốt lõi kị nước giấu vào trong. Chính cách tổ chức này không cho phép các phân tử tan trong nước và các ion thấm nhập qua màng. Quá trình này phụ thuộc vào thành phần protein màng. 3

Sự khác biệt giữa các màng sinh học dựa vào thành phần phospholipid và sphingolipid. Chúng có tính chất bất đối khi phân bố trên 2 lớp màng cùng với cholesterol, ảnh hưởng đến bề dày của màng. 4 Các bè lipid là các microdomain (sphingolipid, cholesterol và protein), định vị trên lớp lipid đôi. đây là vị trí quan trọng giúp cho các tín hiệu thông tin đi qua, endocytosis... 5