Màng tế bào là ranh giới ngăn cách tế bào sống với môi trường chung quanh nó.  Màng tế bào kiểm soát sự vào ra của vật chất xuyên qua màng.  Giống như các màng sinh học khác chúng là màng thấm chọn lọc (selective permeability) cho phép một số chất đi qua dễ dàng hơn những chất khác.  Muốn giải thích được tính thấm chọn lọc của màng tế bào cần hiểu rõ cấu trúc của màng. 

I. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA MÀNG

Thành phần cấu tạo chính là lipid và protein.   Carbohydrat hiện diện với một tỉ lệ rất ít.

a. Phospholipid

Màng tế bào được cấu tạo bởi phần lớn là phospholipid.  Phosphatidylcholin, là một loại phospholipid hầu như chỉ tìm thấy ở nửa lớp ngoài của màng, gồm có một đầu phân cực (cholin mang điện tích dương, phosphat mang điện tích âm và một glycerol không phân cực) được nối với hai sợi acid béo kỵ nước, nếp gấp trong đuôi bên phải tạo ra do nối đôi (Hình 2.1); như vậy đuôi chưa bảo hòa, phospholipid như vậy sẽ ít gắn chặt với nhau và nhờ thế màng sẽ linh động hơn.

Hình 1.  Phosphatidylcholin

                         b. Cholesterol

Cholesterol có tác dụng ngăn cách hai phân tử phospholipid, nếu không các đuôi phospholipid sẽ dính vào nhau gây tình trạng bất động, hậu quả là sẽ làm cho màng ít linh động và trở nên cứng rắn (Hình 2).  Hàm lượng cholesterol thay đổi rất lớn theo loại tế bào, màng của nhiều loại tế bào chứa số phân tử cholesterol gần như bằng số phân tử phospholipid, trong khi một số loại màng khác gần như hoàn toàn Hình 2.  Cholesterol trong màng phospholipid                                không có cholesterol.

Trung bình protein chiếm 50% trọng lượng các phân tử cấu tạo màng.  Do phân tử lipid nhỏ hơn phân tử protein nên nếu protein chiếm 50% trọng lượng thì số phân tử lipid nhiều gấp 50 lần số phân tử protein.  Tuy nhiên, protein ở màng myelin của tế bào thần kinh chỉ chiếm khoảng 25% hay có thể lên đến 75% ở màng trong của ty thể và lục lạp.

Trong màng tế bào có chứa hai loại protein, được phân biệt tùy theo cách sắp xếp của chúng trong màng:

* Protein ngoại vi (peripheral protein)

Protein gắn vào đầu phân cực của phân tử phospholipid, do đó có thể thay đổi vị trí và có thể bị lấy mất đi do một tác nhân nào đó (như các chất có chứa nhiều muối).  Chiều dày của màng tùy thuộc sự hiện diện vào các protein này, màng sinh chất dày nhất 9 nm, màng của mạng nội chất mỏng nhất 6 nm.  Ngoài ra, sự hiện diện của các protein ngoại vi này làm cho cấu trúc màng có tính bất xứng (asymmetry).

* Protein hội nhập (Integral protein)

Protein hội nhập có thể có vài kiểu sắp xếp: protein có thể chỉ tương tác với vùng kỵ nước của các phospholipid, một số protein hội nhập có thể xuyên qua màng được gọi là protein xuyên màng (transmembrane protein). Trong cách sắp xếp, protein với các acid amin ưa nước được đưa ra ngoài, nơi có thể tiếp xúc với

Hình 3.  Protein trong màng                nước (đầu phân cực hay acid amin có gốc R có điện tích dương), ngược lại những acid amin kỵ nước (không phân cực) được chôn trong màng đôi lipid (Hình 3).  Vị trí của những acid amin ưa nước và kỵ nước của protein sẽ giúp cho protein hội nhập một phần vào màng hay xuyên màng.  Protein hội nhập chỉ được tách ra khi làm vỡ màng và sau đó xử lý bằng các chất tẩy. 

Các carbohydrat thường gắn vào các protein ngoại vi tạo ra glycoprotein hay gắn vào các phân tử phospholipid màng tạo ra glycolipid và thường chỉ chiếm  2 - 10% thành phần cấu tạo.  Carbohydrat không có trên màng ở phía tế bào chất, các phân tử carbohydrat này tạo ra glycocalyx, lớp vỏ bao ngoài tế bào (cell coat).  Carbohydrat hiện diện ở bên trong của các bào quan trong tế bào (ở trong lumen).  Sự hiện diện của các carbohydrat trên màng sinh chất cũng tạo ra tính bất xứng trong cấu trúc của màng. 

II. MÔ HÌNH CẤU TRÚC DÒNG KHẢM (The fluid-mosaic model) 

Các nhà nghiên cứu từ nhiều thập kỷ trước đã cố gắng tìm hiểu và đưa ra mô hình về cấu trúc màng tế bào.  Vì sự hiểu biết về cấu trúc màng là chìa khóa để hiểu được chức năng của màng tế bào.  Khoảng 1930 J. F. Danielli (đại học Princeton) và H. Davson (đại học ở London), đưa ra mô hình cấu trúc màng gồm màng với hai lớp phospholipid với đầu ưa nước (phân cực) đưa ra hai bề mặt của màng và các đuôi kỵ nước, (không phân cực) chôn bên trong tránh nước.  Cấu trúc dựa trên sự tương tác giữa tính kỵ nước và ưa nước làm cho màng rất bền vững và đàn hồi. 

            Cấu trúc này tương tự như khi trộn các phân tử phospholipid với nước, các phân tử phospholipid sẽ sắp xếp lại tạo ra các khối rổng giống như thể lipo (liposome) gồm hai lớp phospholipid (Hình 4).

      Hình 4.  Thể lipo

            Mặc dù mô hình trên giải thích được tính bênö vững, linh động của màng và đặc biệt là cho các chất lipid đi qua lại màng một cách dễ dàng nhưng mô hình trên không giải thích được tính thấm chọn lọc của màng đối với một số ion và một số hợp chất hữu cơ.  Sau đó hai ông đề nghị thêm là cả hai mặt của màng được bao bọc bởi protein, mang điện tích, các phân tử protein viền quanh các lỗ, giúp cho những phân tử nhỏ và một số ion xuyên qua được.  Nhiều bằng chứng cho thấy mô hình này hiện nay không còn đúng nữa.

Hình 5.  Mô hình cấu trúc dòng khảm của màng tế bào

1972 S. J. Singer ở đại học California (San Diego) và G. L. Nicolson (Salk Institude) đưa ra mô hình dòng khảm, một giả thuyết hiện nay được mọi nơi chấp nhận.  Mô hình này là sự hợp nhất của mô hình màng của Danielli-Davson.  Tuy nhiên, trong mô hình dòng khảm sự sắp xếp của protein rất khác biệt.  Thay vì protein phủ hai bên màng, có những phân tử protein chuyên biệt gắn vào màng (trong mục 2.1.2), đảm nhận các chức năng đặc biệt.  Trong hình 5 hai lớp lipid trong đó phần lớn là phospholipid tạo ra phần chính liên tục của màng, ở màng của sinh vật bậc cao có thêm cholesterol.  Protein với nhiều kiểu sắp xếp khác nhau: một số được gọi là protein ngoại vi nằm trên bề mặt của màng, nối với các lipid bằng cầu nối cộng hóa trị; một số khác được gọi là protein hội nhập, gắn một phần hay toàn phần vào màng lipid, một số khác xuyên màng.

            Tính linh động của màng là do các phân tử lipid có thể di chuyển qua lại, tính khảm để chỉ sự sắp xếp của các phân tử protein trên màng hay xuyên màng.  Trong hình 6 mô tả thí nghiệm trộn lẫn tế bào của người và chuột, dùng các kháng thể  đánh dấu với flourescein cho protein màng của chuột và rhodamin cho protein màng của người.  Khi dung hợp tế bào, hai loại protein ở hai phía khác nhau, nhưng sau khi ủ 40 phút ở 37oC hai màng thống nhất lại thành một màng liên tục và hai loại protein thì xếp xen kẻ nhau.  Các protein được nhận ra với kính hiển vi huỳnh quang.  Các phân tử lipid màng ở tế bào vi khuẩn có thể được kéo dài ra đến 2,5 (m từ 1-đến 2 giây.  Một số protein có thể di chuyển qua lại từ phía này sang phía khác của màng, một số bất động do gắn chặt tạo thành sợi hay tạo thành ống.  Các phân tử lipid và protein cũng có thể  xoay tròn hay lật ngược, dẹp xuống (flip-flop) tương đối dễ dàng.

Hình 6.  Thí nghiệm chứng minh tính dòng khảm của lipid và protein

 III. KÊNH TRÊN MÀNG TẾ BÀO 

            Như đã biết, màng tế bào do chính phospholipid của tế bào tạo ra.  Màng tuy linh động nhưng là màng chắn hiệu quả giữa bên trong và bên ngoài tế bào.  Thành phần lipid trong màng rất cao, điều  đó giải thích được tại sao những phân tử hòa tan  trong lipid có thể khuếch tán vào ra dễ dàng, nhưng đối với một số chất không hòa tan trong lipid phải tùy thuộc vào các protein trên màng đôi lipid.  Nhờ vào các protein trên màng một số chất có thể đi qua màng một cách dễ dàng ngược lại với khuynh độ (gradient) nồng độ  của nó.

Màng có tính chọn lọc rất cao.  Tính chọn lọc này trên từng phần của tế bào là do các tác nhân tải (hay chất vận chuyển) là những protein hoạt động như enzim.  Bây giờ người ta biết được những yếu tố vận chuyển, kiểm soát sự qua lại của các phân tử qua màng là những kênh và những bơm chuyên biệt.  Mỗi loại kinh hay bơm tùy thuộc vào protein màng cho một số hóa chất đặc biệt xuyên qua nên được gọi chung là permeaz.  

a. Kênh khuếch tán (Hình 7)

Là kiểu kênh đơn giản nhất trong sự vận chuyển thụ động nhờ tính thấm đặc biệt cao của màng tế bào: chúng cho một số chất  đặc biệt đi qua từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn.  Thí dụ kênh protein này cho ion K+­, được tích lũy trong hầu hết tế bào và có điện tích nên không thể hòa tan trong màng phospholipid, nhưng kênh đặc biệt dành cho ion K+ cho phép chúng đi qua một cách từ từ với nồng

độ kiểm soát được.  Nếu không có sự đi ra

           Hình 7.  Kênh khuếch tán                   này nồng độ ion K+ bên trong tế bào sẽ trở nên rất cao làm ảnh hưởng đến các chức năng của tế bào.  Sự chuyên biệt của kênh ion K+ là kết quả của hình dạng bên trong và điện tích, nhưng còn nhiều chi tiết về nó chưa được biết rõ.

b. Kênh ion phối hợp (kênh đồng vận chuyển) (Hình 8)

Hình 8.  Kênh ion phối hợp

Là kiểu kênh phức tạp hơn cho hai chất qua cùng chiều.  Thí dụ, ion Na+ bên ngoài tế bào cao hơn 11 lần.  Tuy vậy Na+ phải có glucoz đi kèm mới xuyên qua kênh thích hợp trên màng để vào được bên trong tế bào.  Cả hai phải gắn vào phía ngoài kênh trước khi kênh được mở ra.  Khi ion Na+ gắn vào kênh, có thể gây ra một cảm ứng gì đó làm cho glucoz cũng gắn được vào kênh.  Sự gắn glucoz có thể gây ra một hậu quả khác, có thể làm đóng kênh ở phía ngoài màng và mở kênh ra ở phía trong màng.  Sự thay đổi này, có thể làm cho kênh mất ái lực đối với glucoz và giải phóng glucoz cũng như ion Na+ vào bên trong tế bào.  Mất ion Na+ và glucoz làm kênh mở lại ở phía ngoài màng.

c. Kênh có cổng (Hình 9)

Hình 9.  Kênh có cổng

Một kiểu kiểm soát sự di chuyển vật chất qua màng là nhờ một cổng ngang qua kênh.  Khi một phân tử tín hiệu, một hormon hay một chất truyền tải mang thông tin từ một tế bào thần kinh này sang một tế bào thần kinh khác, gắn vào một thụ thể (receptor) là một protein xuyên màng, lúc đó có sự thay đổi cấu trúc.  Sự thay đổi này làm cho cổng mở ra, và tín hiệu thứ hai, thường là một ion như ion Na+ hay Ca++, có thể đi qua mang thông tin vào trong tế bào.  Kiểu kênh đóng mở này vận chuyển nhiều thông tin hóa học (chemical messages) cả ở thực vật và động vật, các xung thần kinh nhờ đó động vật cảm nhận thế giới bên ngoài, các cử động và có lẻ ngay cả suy nghĩ.

d. Kênh tải cơ động (Hình 10)

Hình 10.  Kênh tải cơ động

Một kiểu permeaz khác hoạt động như một  chất tải cơ động (mobile carrier), tải từng phân tử một.  Chưa có một thí dụ chắc chắn nào về kiểu permeaz này.  Nhưng  valinomycin hoạt động y như một chất tải cơ động.  Valinomycin là một đa phân dạng vòng với đầu kỵ nước ở ngoài và đầu phân cực ở trong, với 6 nguyên tử oxy xếp thành hàng có thể giữ một ion K+.  Phức hợp hoạt động như một quả lắc qua lại mang ion K+ ở cảí hai hướng.  Sự vận chuyển ion K+ dựa trên khuynh độ hóa điện: Valinomycin thường lấy ion K + trong tế bào và phóng thích ra ngoài một các đơn giản, vì ion này trong tế bào nhiều hơn ở  ngoài.  Valinomycin không phải là một protein, vì một đơn vị trong chuỗi peptid của nó không phải là acid amin.  Ðây là một chất kháng sinh (antibiotic) do một số vi khuẩn tiết ra để gây độc cho những  vi sinh vật xung quanh bằng cách làm thay đổi tính thấm chọn lọc của màng tế bào của các vi khuẩn này.  Có một vài bằng chứng chứng tỏ có chất tải cơ động trên một màng bình thường, nhưng hiện nay vấn đề vẫn còn nhiều nghi vấn.

thay đổi tính thấm chọn lọc của màng tế bào của các vi khuẩn này.  Có một vài bằng chứng chứng tỏ có chất tải cơ động trên một màng bình thường, nhưng hiện nay vấn đề vẫn còn nhiều nghi vấn.

a. Sự đồng vận chuyển

Là hiện tượng hai chất cùng được tải qua kênh đi về một hướng.  Ðây là kiểu vận chuyển quan trọng xuyên qua màng của glucoz, nguồn năng lượng quan trọng cho hầu hết tế bào.  Ion Na+ ở bên ngoài có khuynh độ nồng độ cao  gấp nhiều lần so với bên trong, nên có xu hướng  di chuyển vào bên trong tế bào.  Nó phải được đồng vận chuyển với glucoz để đi qua một kênh thích hợp.  Kênh này không vận chuyển riêng rẻ, hai chất phải được gắn vào phía bên ngoài của kênh trước khi kênh được mở ra.  Vì vậy năng lượng tự do của ion Na+ do khuynh độ nồng độ cao có thể được lợi dụng để tải glucoz ở một nồng độ nhỏ hơn.  Về mặt nhiệt động học, hai phản ứng khuếch tán được liên kết với nhau.  Ion Na+ xuống dốc (downhill) giải phóng năng lượng tự do nhiều hơn, năng lượng này  được sử dụng để vận chuyển glucoz lên dốc (uphill), kết quả là quá trình đồng khuếch tán diễn ra.

b. Sự đối vận chuyển

Là hiện tượng phức tạp hơn, xảy ra ở những kênh trao đổi ion, vận chuyển hai ion mang điện tích giống nhau: trong khi một ion di chuyển vào bên trong tế bào, một ion khác đi ra, cho nên duy trì được sự cân bằng điện tích.  Nhiều protein hội nhập trên màng có thể trao đổi Cl- với HCO3- (CO2 hòa tan), đây là vai trò của hồng cầu mang CO2 thải ra từ tế bào đến phổi.

IV. BƠM 

            Một kiểu permeaz khác được  gọi là bơm, không tùy thuộc vào khuynh độ năng lượng tự do.  Bơm sử dụng năng lượng dự trử của tế bào để đưa các chất đi ngược khunh độ gradient nồng độ của chúng.  Quá trình này được gọi là sự vận chuyển tích cực (active transport), điều này quan trọng giúp tống các chất tích tụ  không hòa tan trong màng và những phân tử lớn thoát ra khỏi màng. 

Trong kiểu vận chuyển này, bơm sử dụng năng lượng từ trong tế bào và giúp vận chuyển các chất ngược chiều khuynh độ của nó.  Trong trường hợp này, ba ion Na+ được đổi với hai ion K+, cả hai loại ion này đều có nồng độ cao nơi chúng sẽ được chuyển đến.

Trong mô hình (Hình 11): Hai ion K+ được giải phóng trong chu kỳ trước đó tiếp theo là sự gắn vào của ba ion Na+ và nguồn năng lượng ATP từ trong tế bào.  Hậu quả cấu trúc protein kênh thay đổi, mở phía ngoài, giảm ái lực đối với ion Na+và giải phóng ion Na+; đồng thời gia tăng ái lực đối với K+.  Sự gắn của ion K+ làm kênh mở ra ở phía trong, gia tăng ái lực đối với ion Na+ và giảm ái lực đối với ion K+ và chu trình  bắt đầu trở lại.  Kết quả của việc bơm ion này  đưa điện tích dương ra phía ngoài màng và bên trong màng trở nên âm với bên ngoài.  Ðiện thế và thẩm thấu sinh ra bởi bơm  Na- K sau cùng có thể phối hợp để vận chuyển glucoz (Hình 8).

Hình 11.  Bơm Na - K

Gradient nồng độ giải thích được sự di chuyển kết hợp của ion Na+ và glucoz qua cùng một kênh, nhưng mức độ của sự di chuyển  quá lớn không thể giải thích đơn thuần bằng sự khác biệt nồng độ xuyên qua màng.  Thật vậy, có một khuynh độ quan trọng thứ hai hổ trợ khuếch tán các ion ngược điện tích hấp dẫn nhau bằng lực tỉnh điện; trong khi những ion có cùng dấu đẩy nhau.  Do vậy, nếu trong tế bào có nhiều ion mang điện tích âm hơn những ion mang điện tích

      Hình 12.  Khuynh độ hóa điện                  dương, những ion dương sẽ bị hấp dẫn bởi môi trường lỏng bao chung quanh nó (hầu hết tế bào có một tổng điện tích âm chừng 70 milivolt so với chất lỏng bao quanh chúng).  Sự khác biệt về điện tích xuyên qua màng sinh ra một khuynh độ tỉnh điện (electrostatic gradient) và khi kênh thích hợp được mở ra, ion dương có xu hướng chui vào trong tế bào, trong khi những ion âm có xu hướng đi ra.  Thí dụ ion Na+, có nồng độ rất cao ở bên ngoài tế bào, áp suất thẩm thấu và lực tỉnh điện kết hợp lại sinh ra một khuynh độ hóa điện cao (electrochemical gradient) (Hình 12).  Ðây là năng lượng tự do của sự kết hợp rất có hiệu quả của ion Na+ để vận chuyển glucoz vào trong tế bào.  Cơ chế do khuynh độ hóa điện cũng hiện diện trong bơm Na - K.