Bài học

Cấu trúc và chức năng màng sinh chất

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được mô hình khảm động của màng sinh chất, giải thích được vì sao lớp phospholipid kép hình thành từ chính tính lưỡng cực của phospholipid, và nêu đúng chức năng của từng thành phần màng: vận chuyển, nhận diện, ổn định.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã biết mọi tế bào — cả nhân sơ lẫn nhân thực — đều có màng sinh chất kiểm soát vật chất ra vào (same-grade bridge). Bài này mổ xẻ cấu trúc của chính lớp màng đó, để hiểu vì sao nó vừa là một lớp ngăn cách vừa là một cánh cổng chọn lọc.

Khởi động

Nếu nhỏ một giọt dầu ăn vào cốc nước, dầu không hoà tan mà co lại thành một giọt tròn riêng biệt. Nhưng phospholipid — thành phần chính của màng tế bào — khi ở trong nước lại tự sắp xếp thành một lớp màng liên tục, khép kín quanh cả tế bào. Vì sao phospholipid không co thành giọt như dầu, mà lại tạo thành một lớp màng phẳng?

Kiến thức trọng tâm

Mỗi phân tử phospholipid gồm một đầu phosphate ưa nước (hydrophilic) và hai đuôi acid béo kị nước (hydrophobic) — tính chất này gọi là lưỡng cực (amphipathic). Khi phospholipid nằm trong môi trường nước ở cả hai phía, như trong tế bào (bào tương bên trong, dịch ngoại bào bên ngoài), cách sắp xếp bền vững nhất là hai lớp phospholipid quay đầu ưa nước ra ngoài — tiếp xúc với nước — còn đuôi kị nước quay vào trong, tránh tiếp xúc với nước. Cách sắp xếp đó tạo ra lớp phospholipid kép (phospholipid bilayer), đúng cấu trúc nền của mọi màng sinh chất — và nó hình thành một cách tự nhiên từ chính tính lưỡng cực của phân tử, không cần một bộ máy nào lắp ráp nó.

Xen giữa lớp phospholipid kép là các phân tử protein, nằm rải rác và có thể trôi nổi, dịch chuyển trong mặt phẳng màng — đặc điểm này gọi là tính khảm (mosaic, vì protein như những mảnh ghép rải trên nền phospholipid), kết hợp với tính động (fluid, vì cả phospholipid lẫn protein đều có thể di chuyển ngang trong màng). Protein xuyên màng đảm nhận việc vận chuyển chất qua màng: protein kênh cho ion và phân tử nhỏ đi qua theo građien nồng độ, còn protein mang gắn đặc hiệu với một chất rồi đổi hình dạng để đưa chất đó qua màng. Một số protein bề mặt khác làm nhiệm vụ thụ thể, nhận tín hiệu hoá học từ bên ngoài tế bào.

Bốn nhóm chức năng phối hợp với nhau: khung phospholipid ngăn cách, protein vận chuyển và nhận diện, cholesterol giữ độ linh động ổn định.

Cholesterol xen giữa các phân tử phospholipid, giữ vai trò ổn định độ linh động của màng — hạn chế màng trở nên quá lỏng khi nhiệt độ tăng cao và quá cứng khi nhiệt độ giảm thấp. Carbohydrate gắn ở mặt ngoài màng, thường liên kết với protein (tạo thành glycoprotein) hoặc với lipid (tạo thành glycolipid), hình thành dấu hiệu nhận diện riêng cho từng loại tế bào — đây là cơ chế giúp hệ miễn dịch phân biệt tế bào của chính cơ thể với tế bào lạ hoặc tế bào bệnh. Nhờ cùng lúc có bốn nhóm thành phần này, một màng sinh chất vừa là ranh giới ngăn cách vừa là nơi diễn ra phần lớn hoạt động giao tiếp giữa tế bào với môi trường xung quanh, chứ không chỉ đơn thuần là một lớp vỏ bọc thụ động.

Ví dụ

Giải thích vì sao đầu ưa nước của phospholipid luôn quay ra ngoài

1
Vì sao trong môi trường nước ở cả hai phía tế bào, phospholipid tự sắp xếp thành hai lớp quay đầu ưa nước ra ngoài, thay vì quay theo hướng ngẫu nhiên?
2
Phospholipid có đầu phosphate ưa nước và đuôi acid béo kị nước — tính lưỡng cực này quyết định cách phân tử tương tác với nước xung quanh nó.
3
Đầu ưa nước có xu hướng tiếp xúc tối đa với nước, còn đuôi kị nước có xu hướng tránh tiếp xúc với nước — đây là trạng thái bền vững nhất về mặt năng lượng.
4
Vì cả hai phía của màng đều là môi trường nước (bào tương bên trong, dịch ngoại bào bên ngoài), cách duy nhất thoả cả hai xu hướng trên là hai lớp phospholipid quay đầu ưa nước ra ngoài để tiếp xúc nước, còn đuôi kị nước quay vào trong, chỉ tiếp xúc với đuôi kị nước của lớp đối diện.
5
Vậy lớp phospholipid kép hình thành tự nhiên từ chính tính lưỡng cực của phân tử phospholipid, không cần một cơ chế lắp ráp riêng — đây cũng là lý do màng tế bào luôn có đúng hai lớp, không phải một hay ba.

Ví dụ

Dự đoán con đường một chất đi qua màng (dạng đề kiểm tra)

1
Một loại thuốc tan tốt trong dầu (kị nước, phân tử nhỏ) cần đi qua màng sinh chất để vào bên trong tế bào; một loại thuốc khác tan tốt trong nước (ưa nước), kích thước lớn, cũng cần vào tế bào. Dự đoán con đường mỗi loại thuốc dùng để qua màng, và giải thích.
2
Đuôi kị nước của phospholipid chiếm phần lõi của màng, nên một phân tử kị nước, phân tử nhỏ có thể hoà tan trực tiếp vào lớp lõi này và khuếch tán xuyên qua mà không cần protein hỗ trợ.
3
Đầu ưa nước ở hai mặt màng chỉ tiếp xúc với nước ở bề mặt, còn lõi kị nước ở giữa cản trở một phân tử ưa nước xâm nhập trực tiếp — phân tử này cần đi qua một protein kênh hoặc protein mang chuyên biệt.
4
Kết luận này khớp với chức năng đã học của protein màng: protein kênh và protein mang tồn tại chính là để vận chuyển những chất mà bản thân lớp phospholipid kép không cho qua trực tiếp.
5
Vậy thuốc kị nước khuếch tán trực tiếp qua lớp phospholipid, còn thuốc ưa nước kích thước lớn cần một protein vận chuyển chuyên biệt trên màng mới vào được tế bào.

Sai lầm thường gặp

Nhầm lẫn thường gặp là nghĩ 'khảm' và 'động' mô tả hai bộ phận khác nhau của màng. Thực ra cả hai từ mô tả cùng một cấu trúc: 'khảm' vì protein rải rác như mảnh ghép trên nền phospholipid, 'động' vì cả phospholipid lẫn protein đó đều trôi nổi, đổi vị trí liên tục trong mặt phẳng màng — không phải một cấu trúc cứng, cố định.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Màng sinh chất là lớp phospholipid kép hình thành từ tính lưỡng cực của phospholipid, với protein khảm động vận chuyển và nhận diện, cholesterol ổn định độ linh động, carbohydrate bề mặt làm dấu hiệu nhận diện tế bào.

Bài tiếp theo bước vào bên trong lớp màng này, khám phá cách nhân, ribosome và hệ thống nội màng phối hợp để tổng hợp và vận chuyển protein bên trong một tế bào nhân thực.