Cơ chế vận chuyển qua màng

Cơ chế vận chuyển qua màng là các quá trình mà các ion và phân tử đi qua lớp lipid kép của màng sinh chất và các màng nội bào. Vì lớp lipid kép phần lớn không thấm đối với các chất hòa tan tích điện và phân cực, các tế bào dựa vào một tập hợp các cơ chế được phân cấp — từ khuếch tán đơn giản qua lipid đến các kênh, chất vận chuyển và bơm chuyên biệt, được điều khiển bằng năng lượng — để kiểm soát thành phần bên trong của chúng.

Definition

Vận chuyển qua màng là sự di chuyển của các chất hòa tan qua màng sinh học, xảy ra một cách thụ động theo gradient điện hóa hoặc chủ động ngược gradient với chi phí năng lượng trao đổi chất hoặc gradient ion ghép đôi.

Scope

Mục này bao gồm vận chuyển thụ động (khuếch tán đơn giản và khuếch tán được hỗ trợ) và vận chuyển chủ động (bơm sơ cấp và vận chuyển thứ cấp ghép đôi), các loại protein làm trung gian cho chúng (kênh, chất vận chuyển và bơm), và các gradient điện hóa thúc đẩy sự di chuyển của chất hòa tan. Nó coi vận chuyển như một chủ đề tham khảo trong sinh học tế bào và sinh lý học màng, không phải là hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Tại sao hầu hết các ion và phân tử phân cực không thể đi qua lớp lipid kép mà không cần hỗ trợ?
• Các kênh và chất vận chuyển khác nhau như thế nào trong cách chúng di chuyển các chất hòa tan?
• Những nguồn năng lượng nào cho phép vận chuyển ngược gradient?
• Các gradient điện và hóa học kết hợp với nhau như thế nào để tạo ra lực đẩy?

Key concepts

• Tính thấm chọn lọc
• Khuếch tán đơn giản và khuếch tán được hỗ trợ
• Kênh ion
• Protein vận chuyển (chất vận chuyển)
• Vận chuyển chủ động sơ cấp (bơm điều khiển bằng ATP)
• Vận chuyển chủ động thứ cấp (đồng vận chuyển và đối vận chuyển)
• Gradient điện hóa và điện thế màng

Key theories

Mô hình khảm lỏng

Các protein vận chuyển là các protein màng tích hợp được nhúng trong lớp lipid kép lỏng, một bức tranh cấu trúc giải thích cách các kênh, chất vận chuyển và bơm trải dài và hoạt động bên trong màng.

Lực đẩy điện hóa (khung Goldman)

Lực tổng hợp lên một ion kết hợp gradient nồng độ của nó và điện thế màng; cách xử lý điện thế màng của Goldman như một hàm của nhiều ion thấm đã chính thức hóa cách các thuật ngữ này cùng nhau xác định dòng chảy thụ động.

Mechanisms

Các khí hòa tan trong lipid và các phân tử nhỏ không tích điện đi qua lớp lipid kép bằng khuếch tán đơn giản, nhưng các ion và chất hòa tan phân cực cần protein màng. Các kênh tạo thành các lỗ rỗng chứa nước cho phép dòng chảy nhanh chóng, chọn lọc theo gradient điện hóa và có thể đóng mở để đáp ứng với điện thế hoặc phối tử; các chất vận chuyển liên kết với chất hòa tan và thay đổi cấu hình, di chuyển nó chậm hơn. Các con đường thụ động này chỉ di chuyển các chất hòa tan về phía trạng thái cân bằng. Vận chuyển chủ động di chuyển các chất hòa tan ngược gradient của chúng: các bơm sơ cấp thủy phân ATP, trong khi các chất vận chuyển thứ cấp ghép nối sự di chuyển lên dốc của một chất hòa tan với sự di chuyển xuống dốc của một chất khác (đồng vận chuyển hoặc đối vận chuyển). Lực đẩy lên một chất hòa tan tích điện là gradient điện hóa — tổng của gradient nồng độ và điện thế xuyên màng — một mối quan hệ được chính thức hóa trong phân tích của Goldman về điện thế màng, và bản thân điện thế có thể được cảm nhận bởi các miền protein chuyên biệt điều khiển các kênh.

Clinical relevance

Vận chuyển qua màng là nền tảng của các quá trình sinh lý như tính hưng phấn của thần kinh và cơ, hấp thu và bài tiết biểu mô, và điều hòa thể tích tế bào, và nhiều rối loạn di truyền và mắc phải liên quan đến chức năng kênh hoặc chất vận chuyển bị thay đổi. Mục này giải thích các cơ chế vận chuyển để định hướng và tham khảo và không phải là cơ sở để chẩn đoán hoặc điều trị.

History

Khái niệm lớp lipid kép của màng đã nhường chỗ cho một bức tranh giàu protein với mô hình khảm lỏng vào năm 1972, trong khi lý sinh học màng định lượng đã phát triển sớm hơn thông qua các công trình như xử lý điện thế màng của Goldman năm 1943. Kỷ nguyên phân tử đã giải quyết cách các đoạn xuyên màng được nhận biết và chèn vào màng và cách các miền cảm nhận điện thế hoạt động, biến các loại vận chuyển rộng thành các cơ chế protein xác định.

Key figures

• David E. Goldman
• S. Jonathan Singer
• Gunnar von Heijne
• Francisco Bezanilla

Seminal works

• singer-nicolson-1972
• goldman-1943

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa vận chuyển thụ động và vận chuyển chủ động là gì?

Vận chuyển thụ động di chuyển các chất hòa tan theo gradient điện hóa của chúng mà không cần năng lượng trao đổi chất, thông qua khuếch tán, kênh hoặc chất vận chuyển; vận chuyển chủ động di chuyển các chất hòa tan ngược gradient của chúng và cần năng lượng, hoặc từ ATP (sơ cấp) hoặc từ gradient ion ghép đôi (thứ cấp).

Các kênh khác với các chất vận chuyển như thế nào?

Các kênh tạo thành các lỗ rỗng mở dẫn các chất hòa tan nhanh chóng và chọn lọc theo gradient, thường đóng mở; các chất vận chuyển liên kết với chất hòa tan và thay đổi hình dạng để vận chuyển nó chậm hơn và có thể được ghép nối để thúc đẩy vận chuyển chủ động.