Bài 11. Vận chuyển các chất qua màng sinh chất

VẬN CHUYỂN QUA MÀNG
MỞ ĐẦU
Vận chuyển các chất qua các màng sinh học có thể được thực hiện nhờ 3 cơ chế khác nhau về mặt nguyên lí sau, phụ thuộc vào kích thước phân tử, mức độ kị nước các đặc điểm cấu trúc của chúng:
1. Khuyến tán đơn giản qua lớp lipid và ở một mức độ nào đó – qua vùng phân cực của màng.
2. Vận chuyển đặc hiệu với sự tham gia của các chất vận chuyển, loại vận chuyển này bao gồm cả các hệ thống trong đó những chất được vận chuyển phải trải qua một số biến đổi hóa học nhất định trong quá trình vận chuyển.
3. các cơ chế vận chuyển đồng hành với những biến đổi đáng kể trong kiến trúc của màng (dù là những biến đổi nhất thời), như sự ẩm bào và vận chuyển các biopolymer.
Các định luật khuyếch tán
Định luật 1 Fic
Số lượng hạt của một chất (n) khuyếch tán dọc theo trục x qua 1 đơn vị diện tích (1/A) vuông góc với trục này trong 1 đơn vị thời gian bằng:
(1/A).(dn/dt) = - D.(∂c/∂x)
Trong đó A là diện tích bề mặt, D là hệ số khuyếch tán, c là nồng độ của chất khuyếch tán
Khi nghiên cứu quá trình vận chuyển thì vế trái của phương trình trên được gọi là dòng (của chất khuyếch tán) và được kí hiệu bằng kí tự J. Như vậy, theo định luật 1 Fic thì dòng của một chất tỉ lệ thuận với hệ số khuyếch tán và gradient nồng độ của chất đó (∂c/∂x) tại một điểm đã cho trên trục x vào một thời điểm nhất định, dấu “” trong công thức này vì dòng di chuyển các chất ngược chiều với hướng của gradient nồng độ các chất đó.
định luật 2 Fic
Tuy nhiên trong trường hợp đơn giản nhất định luật 1 Fic cũng chỉ đúng khi khuyếch tán qus một lớp mỏng chất lỏng phân cách 2 khoang chứa với các dung dịch không bị pha trộn. Khi mô tả quá trình khuyếch tán trên một khoảng cách lớn hơn, trong trường hợp đơn giản nhất cũng không áp dụng được định luật 1, vì quá trình có ít nhất 4 thông số, Trong trường hợp này phải chuyển phương trình mô tả định luật 1 sang dạng phương trình vi phân trong các đạo hàm riêng, sẽ được phương trình vi phân mô tả sự khuyếch tán trên một khoảng cách lớn hơn:
(∂c/∂t) = D .(∂2c/∂x2)
Đây chính là định luật 2 Fic. Theo định luật này, tốc độ biến đổi nồng độ tỉ lệ thuận với đạo hàm bậc 2 của nồng độ theo trục x.
Phương trình Teorell
Về mặt hiện tượng, định luật 1 Fic có thể được coi là trường hợp riêng của phương trình (công thức) khái quát của khuyếch tán (Teorell) đối với dòng chất:
Dòng chất = độ di động  nồng độ  động lực toàn phần
Khi khác ngoại lực thì hệ thống sẽ tiến tới trạng thái cân bằng. trong trạng thái này chất đó có thế năng hóa học như nhau tại mọi điểm trong dung dịch (vf dung dịch đồng nhất, không có sự khác biệt về nồng độ của chất hòa tan).
Khi mô tả quá trình khuyếch tán động lực toàn phần của quá trình chính là thế năng hóa học , và định luật 1 có thể viết ở dạng:
J = (1/A).(dn/dt) = - Uc.(∂µ/∂x)
Trong đó U độ di động của chất khuyếch tán, c là nồng độ của nó .
Thế năng hóa học của các phân tử trong dung dịch loãng lí tưởng là:
 = o + RT lnc
Từ đó dễ thấy hệ số khuyếch tán
D = RTU
Hệ số khuyếch tán của các chất có phân tử lượng thấp khoảng 10-5 cm2/s (của nước là 2,510-5 cm2/s và của sacaroza là 0,510-5 cm2/s).
Bởi vì trong quá trình khuyếch tán nồng độ các chất biến đổi theo khoảng cách x và thời gian t, nên định luật 2 Fic phải viết ở dạng:
∂c(x, t)/∂t = D .[∂2(x, t)c/∂x2]
từ đó có thể tính được bình phương của sự dich chuyển trung bình của các chất;
x2 = (1/n) ∫c(x, t)x2dx
Với tích phân xác định được tính theo thời gian từ ∞ đến +∞. Các tính toán cho kết quả sau:
x2 = 2Dt
Thay giá trị D = 10-5 cm2/s đối với đa số các phân tử có kích thước bé vào phương trình trên sẽ nhận được giá trị dịch chuyển trung bình của các phân tử này là 4,4 m/s, hay 34,6 m/min, 0,27 cm/h hoặc 1,31 cm/ngày đêm. Như vậy, khuyếch tán trên những khoảng cách nhỏ là một quá trình nhanh và khuyếch tán trên những khoảng cách lớn là một quá trình chậm.
Sự khuyếch tán qua màng
Khác với khuyếch tán trong thể tích là lĩnh vực áp dụng định luật 2 Fic (phương trình khuyếch tán trong các đạo hàm bậc 2), sự khuyếch tán các các chất qua màng có thể mô tả được bằng phương trình vi phân bình thường (định luật 1 Fic). Ở dạng chung hơn định luật 1 Fic cũng áp dụng được cho trường hợp khuyếch tán gián tiếp, tức là nhờ các chất vận chuyển trung gian. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã khẳng định tính đúng đắn của kết luận này.
Trên thực tế dòng chất qua màng phụ thuộc vào bào độ thấm của màng đối với chất đó (P, P = D/l) và sự chênh lệch nồng độ của nó ở 2 phía của màng c, trong đó dx = l (l là độ dày của màng sinh học).
Hệ số khuyếch tán thực tế phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của các hạt. Đối với các phân tử protein có công thức sau:
DMr1/3 = const
Còn đối với các phân tử nhỏ (từ hydro đến trisaccharide) lại có công thức:
DMr1/2 = const
Các công thức trên cũng đúng với trường hợp khuyếch tán qua màng.
Trên thực tế, rất nhiều chất khác nhau đi qua các màng sinh học bằng con đường khuyếch tán đơn giản mà không cần có một chất vận chuyển đặc hiệu nào cả. Ngoài các phân tử ưa nước nhỏ nhất như H2O, dimethylsulfoxideformamide v.v… còn nhiều chất khác nhau hòa tan trong lipid có thể đi qua màng – từ methanol đến những chế phẩm thuốc phức tạp (khuyếch tán qua các domain lipid), và của nhiều loại thuốc được tổng hợp trong các điều kiện tự nhiên như penicillin, các macrolid, rifamicin, actinomycin D, bacytracin và nhiều chất kháng sinh đai qua màng tế bào chỉ sau khi phá vỡ vỏ bao ngoài của tế bào.
Trong khi đó thậm chí của những phân tử phân cực không lớn lắm, như các glycol, monosaccharide và amino acid, trên thực tế là không đi qua được màng của đa số các tế bào nhờ khuyếch tán đơn giản. Sự vận chuyển các chất này vào trong tế bào được thực hiện nhờ các chất vận chuyển đặc biệt có mặt trong màng tế bào.
Sự khuyếch tán của nhiều chất qua màng có thể được cảm ứng bởi các chất có hoạt tính màng, thường là các kháng sinh có bản chất polyen (ví dụ như filipin, cystatin…). Cơ chế tác động của các chất này như sau: Chúng liên kết với các thành phần sterin của màng (với ergosterin tốt hơn cholesterin) và tạo thành các lỗ được lấp đầy bằng nước, các lỗ này được tạo thành và mất đi liên tục (thay đổi, xen kẽ nhau). Các lỗ này các kích thước từ 0,4 nm đối với cystatin đến 12,5 nm đối với filipin, và phụ thuộc vào cả nồng độ của kháng sinh (xem bảng sau).
Anh hưởng của amphotericin lên độ thấm của màng sterin nhân tạo
Một nhóm kháng sinh khác cũng làm “chảy” (khuyếch tán) các chất qua màng là các tirocidin, colistin và polymixin. Các kháng sinh này liên kết tĩnh điện với kardiolipin, phosphatidylcholine và phosphatidylserine. Các lỗ màng có tính thấm không chọn lọc cũng được tạo thành bởi một số peptit vòng – surfactin từ Bacillus subtilis và monamycin từ Streptomyces.
L-Leu –DAA – DAB – L-Thr - DAB – DAB – L-Thr – DAB – AMO
D-Phe – DAM Polymixin B1
ở đây AMO là acid của 6-methyl-octan, DAB – acid diaminobutiric
L-Pro – L-Phe – D-Phe – L-Asn – L-Gln
D-Phe – L-Leu – L-Orn – L-Val – L-Tyr Tirocidin A
L-Glu – L-Leu – D-Leu – L-Val – L-Asp
COCH2CHO – L-Leu – D-Leu
(CH2)9 – CH(CH3)2 Surfactin
Sự vận chuyển được trung gian bởi các chất vận chuyển
Các màng sinh chất, màng ti thể và lục lạp, và cả các màng tế bào khác có các hệ thống thực hiện vận chuyển đặc hiệu các chất trung tính cũng như các ion qua màng. Ngoài tính đặc hiệu ra, các hệ thống này còn được đặc trưng bởi tốc độ vận chuyển tăng cùng với tăng nồng độ của chất được vận chuyển chỉ đến một giá trị giới hạn xác định nào đó, tức là quan sát được hiện tượng bão hòa. Hiện tượng này được giải thích một cách đơn giản nhất là các phân tử đầu tiên được liên kết bởi một receptor đặc hiệu trên bề mặt của màng và chỉ sau đó mới được vận chuyển sang phía bên kia của màng. Cơ chế bão hòa chỉ có một yêu cầu duy nhất là điểm liên kết cơ chất chỉ tồn tại ở một mặt của màng, chứ không thể có cả ở 2 phía, bởi vì nếu không thế thí một chất sẽ được vận chuyển qua màng theo cả 2 hướng ngược chiều nhau và sự tồn tại của hệ thống sẽ là vô nghĩa.
Sự khuyếch tán gián tiếp (hay được làm nhẹ)
Trường hợp đơn giản nhất trong các cơ chế trên đây là cơ chế với sự tham gia của các chất vận chuyển di động, có thể đi lại trong màng, theo chiều xuyên màng, chất vận chuyển này liên kết với cơ chất ở mặt ngoài của màng, sau đó di chuyển tới mặt trong, tai đây cơ chất được phân li khỏi chất vận chuyển, chất vận chuyển tự do quay trở lại phía ngoài và chu trình cứ thế tiếp diễn. Khi nồng độ cơ chất tăng đến mức nào đó đủ để bão hòa chất vận chuyển (100% số phân tử của chất vận chuyển được liên kết với cơ chất), thì sự tăng tiếp nồng độ của cơ chất không làm tăng thêm tốc độ của quá trình vận chuyển, tức là quan sát được hiện tượng bão hòa như đề cập tới ở trên.
Vận chuyển tích cực tiền phát & Vận chuyển liên hợp
3.3.2. Vận chuyển tích cực tiền phát
Khác biệt duy nhất của vận chuyển tích cực với khuyếch tán gián tiếp (qua chất vận chuyển trung gian) là ở chố: một trong các giai đoạn vận chuyển tích cực là phụ thuộc vào năng lượng.
Các hệ thống tổ hợp: đôi khi các chất được vận chuyển qua màng cả bằng khuyếch tán đơn giản và bằng quá trình với sự tham gia của các chất vận chuyển.
3.3.3. Vận chuyển liên hợp
Các cơ chế vận chuyển liên hợp (dòng các chất) đóng vai trò rất quan trọng trong vận chuyển các chất qua màng tế bào, chẳng hạn như các ion Na+ thúc đẩy vận chuyển các saccharide, amino acid và các ion khác qua màng tế bào, đối với mỗi hệ thống này cần phải có một chất vận chuyển riêng, hay ít nhất là 1 phân tử nhận biết cơ chế đặc hiệu.
Bản chất hóa học của các hệ thống vận chuyển các chất không điện li
Mặc dù phân tích động học mang lại thông tin rất quý giá về tính chất của các hệ thống vận chuyển khác nhau, nhưng vấn đề nóng hổi số 1 đối với lĩnh vực nghiên cứu vận chuyển các chất qua màng tế bào, cũng như các lĩnh vực khác của sinh hóa học, là tách chiết và xác định các thành phần riêng biệt của những hệ thống này.

Các hệ thống vận chuyển với sự tham gia của các enzyme
Một lượng thông tin nhiều hơn cả đã nhận được khi nghiên cứu các hệ thống vận chuyển các chất không điện li, và các hệ thống vận chuyển này có thể được xác định như là các hệ thống vận chuyển enzyme, ví dụ như hệ thống phosphotransfarase. Sự tồn tại của hệ thống này đã được biết tới vào năm 1964 ở trực khuẩn E.coli, sau đó hệ thống này đã được phát hiện thấy ở nhiều vi khuẩn khác. Các nghiên cứu trong lĩnh vực này cho thấy hệ thống phosphotransfarase phổ biến rất rộng rãi ở vi khuẩn, nhưng lại khác ở eukaryote.
Chức năng của hệ thống này là phosphoryl hóa các monosaccharide trong quá trình vận chuyển chúng từ môi trường vào tế bào. Ở các vi khuẩn gram âm nhờ cơ chế này mà thực hiện quá trình vận chuyển các monosaccharide D-Glc, D-Fuc, D-Man, mannit, sorbit, D-Glucosamine, N-acetyl- D-Glucosamine, 2-deoxy-D-Glc và các -Glucoside. Ở các vi khuẩn gram dương, ngoài các chất trên còn vận chuyển cả các pentose khác nhau, lactose, sacaroza, tregalose, melibiose,, maltose, melisitose và glycerin. Sự phosphoryl hóa các monosaccharide thường luôn xảy ra theo nguyên tử C cuối cùng (C5 hay C6), nhưng fructose và lactose lại được phosphoryl hóa theo vị trí C1.
Cơ chế chung của quá trình này ở vi khuẩn như sau:
Mg2+
PEP + E I P-E I + Pyruvate
ở đây PEP là phosphoenolpyruvate
P-E I + HPr P-HPr + E I
E II, Yếu tố III, Mg2
P-HPr + MS P-MS + HPr
Trong đó MS là monosaccharide.

Riêng ở vi khuẩn Staphylococcus aureus phản ứng thứ 3 xảy ra theo 2 giai đoạn: E II A
3 P-HPr + Yếu tố IIIlactose P3-Yếu tố IIIlactose + 3 HPr
E II Blactose
P3-Yếu tố IIIlactose + 3 Lactose 3 P-Lactose + Yếu tố IIIlactose
Như vậy, để vận chuyển 1 phân tử monosaccharide cần chi phí 1 phân tử phosphate giàu năng lượng. Hệ thống chứa các thành phần protein, trong số đó HPr (là protein không bền nhiệt) với Mr = ~9000, E I với Mr = ~ 80000 và Yếu tố III với Mr = ~ 35000 là các protein hòa tan, còn E II với Mr = ~40000 liên kết với màng. Ở E.coli trong hoạt động của hệ thống này còn có sự tham gia của các lipid nhất định (phospholipid).

Cấu trúc bậc I của HPr từ tất cả các vi khuẩn gram âm giống nhau, phosphoryl hóa xảy ra theo gốc His.
Tồn tại ít nhất 3 hệ thống enzyme nữa vận chuyển các chất không điện li:
1. Được nghiên cứu nhiều nhất là hệ thống -glutamyl-transferase từ các tế bào vỏ thận. một trong các cơ chất của hệ thống này là glutathiol nội bào , các cơ chất khác là các amino acid ngoại bào (tất cả các amino acid tự nhiên, trừ Pro), từ chúng tạo thành -glutamyl-amino acid và cysteyl-glycine. Các dẫn suất của -glutamine bị thủy phân, tạo thành bên trong tế bào amino acid ban đầu và 5-hydroxy-Pro, chất cuối cùng này được sử dụng để tái tổng hợp glutathiol.
Hệ thống này làm việc kém hiệu quả và để tái tổng hợp 1 phân tử glutathiol (tức là vận chuyển 1 phân tử amino acid), cần chi phí tới 3 phân tử ATP.
2. Trong tế bào E.coli vận chuyển adenin đồng hành với phosphoryl hóa acid adenylic.
3. Sacaroza đi qua màng tế bào lược của biểu mô ruột chỉ sau khi bị phân hủy thành các monosaccharide. Hệ thống này đã được tách chiết, làm sạch và gắn vào các màng phospholipid nhân tạo. Còn chưa rõ: các disaccharide khác có được vận chuyển theo cơ chế tương tự không?
Các hệ thống oxy hóa khử
Có rất nhiều dẫn kiệu về tồn tại sự liên hợp chặt ché giữa oxy hóa D-lactate hay cơ chất nhân tạo ascorbatphenazinmetosulfate và vận chuyển các saccharide, amino acid và một số ion trong các túi màng nhận được nhân tạo từ màng của nhiều loại vi khuẩn.
Các cơ chất có thể là -glycerophosphate, L-lactate (ít hơn), DL--hydroxy-butirate, và thậm chí cả forrmiate.
Theo cơ chế này vận chuyển các saccharide như các -galactoside, Galactose, arabinose, Glc-6-P, gluconate, glucuronate, tất cả các amino acid tự nhiên, trừ Gln (và có thể cả Asn), Arg, Met và Orn, và cả các cation K+ và Rb+ (sau khi xử lí các túi màng bằng valinomycin).
các protein liên kết cơ chất
Có rất nhiều dẫn liệu về tồn tại các protein trong các màng tế bào liên kết với nhiều cơ chất khác nhau, ví dụ chỉ riêng ở trực khuẩn E.coli đã biết được nhiều protein loại này (xem bảng dưới đây)
Bảng. Một số protein liên kết các cơ chất khác nhau ở E.coli
Từ màng tế bào của nhiều cơ thể khác cũng tìm thấy các protein tương
Sự phổ biến của vận chuyển các chất không điện li và vai trò của quá trình này

Hệ thống vận chuyển các chất không điện li rất phổ biến, chúng không thể thiếu được đối với hoạt động sống của tế bào. Bởi vì chúng cung cấp cho tế bào các chất dinh dưỡng và các sản phẩm cuối cùng của trao đổi chất tế bào cũng rời khỏi tế bào bằng con đường khuyếch tán đơn giản.
Hai hệ thống vận chuyển các chất không điện li được nghiên cứu nhiều nhất và cũng là 2 hệ thống vận chuyển chính là vận chuyển các saccharide và các amino acid. Trong số các hệ thống vận chuyển được nghiên cứu còn có các hệ thống vận chuyển purin, pyrimidine, các poli(alc)ol; vitamin, acid béo và nhiều chất hữu cơ nhỏ khác.
Trong các tế bào prokaryote vận chuyển được thực hiện chủ yếu nhờ các hệ thống tiêu thụ năng lượng để vận chuyển chống lại gradient nồng độ của các chất, phụ thuộc vào cơ chất của vi sinh vật, gradient có thể đạt giá trị tới 10000:1. Khi vận chuyển các saccharide nguồn năng lượng cung cấp là ATP, nhưng năng lượng cho các quá trình vận chuyển thường được lấy từ nguồn năng lượng sinh ra bởi gradient proton. Đây chính là động lực của quá trình vận chuyển. Ngoài ra, trong quá trình vận chuyển còn có sự tham gia của hệ thống phosphotransfarase.
Sự vận chuyển các monosaccharide được thực hiện bởi các chất vận chuyển với tính đặc hiệu tương đối rộng, trong khi một số disaccharide, và đặc biệt là các amino acid, được vận chuyển bởi các hệ thống đặc hiệu chỉ đối với 1 –2 loại phân tử. Đôi khi chức năng của các hệ thống vận chuyển chồng chéo nhau: ở khác với một amino acid có thể được vận chuyển bởi 4 hệ thống khác nhau.
Ở các eukaryote bậc thấp (nấm men, nấm) tính đặc hiệu vận chuyển cũng giống như ở vi khuẩn, tuy nhiên có một loạt các khác biệt trong các cơ chế vận chuyển có nhu cầu năng lượng. Chẳng hạn, ở một số loài các monosaccharide được chuyển vào tế bào chỉ bằng cơ chế khuyếch tán gián tiếp, trong khi ở các loài khác – cả bằng con đường vận chuyển tích cực. Nguồn năng lượng cho vận chuyển tích cực này có thể là gradient proton, nhưng ở một số nấm chức năng này do các polyphosphate với Mr lớn đảm nhận.
Ở nấm men vận chuyển các amino acid vào trong tương ứng chống lại gradient nồng độ được thực hiện bởi nhiều chất vận chuyển ở nồng độ bên trong tế bào khá cao, hơn nữa, các amino acid không thể rời khỏi tế bào thậm chí bằng cách trao đổi với các amino acid khác có trong môi trường. Ngoài ra ở nấm men và nấm còn quan sát được sự ức chế rõ rệt quan sát vận chuyển, sự ức chế này thể hiện ở giảm tốc độ vận chuyển ở các nồng độ bên trong tế bào đủ cao.
Về vận chuyển các chất không điện li ở thực vật bậc cao còn biết tương đối ít., ngoại lệ là tảo: vận chuyển các monosaccharide ở tảo liên hợp với vận chuyển proton, nguồn năng lượng là thủy phân ATP hay chu trình quang hợp. Ở thực vật bậc cao vận chuyển các chất qua màng được thực hiện thường bằng khuyếch tán gián tiếp, tuy nhiên cũng đã biết cả những trường hợp vận chuyển tích cực.
Về các tính chất vận chuyển thì các mô của động vật có thể chia làm một số nhóm chính. Trong biểu mô, ví dụ trong tế bào lược của ruột và các tế bào thận, vận chuyển đa số các monosaccharide và amino acid liên hợp với quá trình chuyển Na+, mặc dù ở đây có xảy ra vận chuyển tích cực tiền phát. Trong cơ, trong các tế bào u báng nước Erlich và hồng cầu các monosaccharide được vận chuyển nhờ khuyếch tán gián tiếp, trong khi vận chuyển đa số các amino acid lại liên hợp với chuyển các ion Na+. Trong các hồng cầu không có nhân của động vật có vú cả các monosaccharide và amino acid đều được vận chuyển bằng khuyếch tán gián tiếp.
Các số liệu nghiên cứu về vận chuyển tuy rất nhiều, nhưng vẫn chưa đủ để từ đó có thể đưa ra những khài quát (quy luật) nào đó. Nhưng dù sao đi chăng nữa, cũng có thể kết luận rằng các hệ thống vận chuyển tích cực – cả tiền phát và thứ phát, được phát triển (hay giữ lại) hoặc trong các tế bào bị bắt buộc phải thích nghi với sự tồn tại trong môi trường với thành phần thay đổi, hoặc trong các tế bào được chuyên môn hóa để thực hiện các chức năng vận chuyển trong hệ thống phức tạp của cơ thể đa bào. Các tế bào hay cơ quan hi không được đặt vào trong các điều kiện như vậy (nấm men hay sợi cơ nuôi cấy) đã đánh mất khả năng vận chuyển tích cực.
KếT LUẬN
Các phân tử không mang điện tích được vận chuyển qua màng sinh học hoặc bằng khuyếch tán đơn giản, hoặc bằng các cơ chế khác nhau của vận chuyển giấn tiếp.
Khuyếch tán đơn giản tuân theo các định luật Fic. Các chất đi qua phần lipid của màng (đa số các chất hữu cơ, các chế phẩm thuốc) hay, hiếm hơn, qua các kênh được nhồi đầy nước.
Khuyếch tán gián tiếp đòi hỏi trong màng có các thành phần đặc biệt, “nhận biết” cơ chất, mà chúng hoặc tự vận chuyển cơ chất, hoặc chuyển cơ chất cho một thành phần khác trong màng – chất vận chuyển đích thực.Các quá trình này được đặc trưng bởi sự bão hòa ở các nồng độ cao của cơ chất và nhờ chúng mà các monosaccharide, amino acid và các metabolite khác được vận chuyển qua màng.
Khuyếch tán gián tiếp xảy ra hoặc không đòi hỏi năng lượng (khuyếch tán được làm nhẹ) hoặc được liên hợp với các phản ứng hóa học, ví dụ với phản ứng thủy phân ATP (vận chuyển tích cực tiền phát) hay được liên hợp với dòng các ion hướng theo gradient nồng độ của chúng và tạo ra động lực (vận chuyển tích cực thứ phát). Ở các vi sinh vật và một số thực vật các ion đó thường là các ion H+, ở các tế bào thực vật khác và trong các mô của động vật đó là các ion Na+.
Các protein “nhận biết” hay vận chuyển các chất qua màng, có thể có nhiều trung tâm liên kết.
Tồn tại những dạng vận chuyển đặc biệt với sự tham gia của các enzyme là biến đổi bản chất hóa học của cơ chất trong quá trình vận chuyển. Ví dụ diển hình hệ thống như vậy là phosphotransfarase vi khuẩn, thực hiện phosphoryl hóa các monosaccharide.
Vận chuyển các ion
Về nguyên tắc tồn tại 3 cơ chế vận chuyển các ion qua màng tế bào:
1. Khuyếch tán qua pha lipid
2. Nhờ các chất vận chuyển và lỗ
3. Nhờ các bơm
Về sự tham gia của các cơ chế này, có thể đánh giá theo 3 thông số:
a) Nhu cầu về năng lượng;
b) Các hiệu ứng bão hòa
c) Hiện tượng ức chế cạnh tranh.
Một số bơm, ví dụ bơm Na+/K+, làm việc với nhiều hơn 1 ligand. Nhờ cơ chế bơm, các ion có thể được vận chuyển chống lại gradient điện.
Sự cân bằng ion và thế năng màng
Tồn tại thế năng màng (thế năng điện, E) là một trong những dấu hiệu đặc trưng nhất của sự sống. Tất cả các tế bào sống đều duy trì trên màng tế bào (màng sinh chất) của chúng một thế năng điện nhất định. Điều này được nguyên nhân bởi sự phân bố không đồng đều các ion ở 2 phía của màng tế bào. Sở dĩ có sự phân bố không đồng đều này là vì trên màng tế bào tồn tại các chất vận chuyển ion, vận chuyển chúng theo hướng ngược với gradient nồng độ.
Nói đúng hơn, thế năng điện này chỉ là một thành phần của thế năng điện hóa (). Đối với mỗi loại ion khi có sự chênh lệch nồng độ của nó ở 2 phía màng tế bào, thì thế năng điện hóa riêng của nó được xác định bởi công thức sau:
 = 0 + RT lna + zF
Trong đó  0 chỉ phụ thuộc vào bản chất của dung môi và không phụ thuộc vào nồng độ của ion và thế năng điện .
Ở trạng thái cân bằng ta có:
0o + RT lnao + zFo = 0i + RT lnai + zFi
Trong đó vế trái là thế năng điện hóa của ion ở phía ngoài màng (nồng độ ion thấp), còn vế phải – bên trong tế bào chất (nồng độ ion cao). Do ở trạng thái cân bằng 0o = 0i, nên
i - o = (RT/zF) ln(ao/ai) = 2,03.(RT/zF) lg(ao/ai)
Nếu các hệ số hoạt tính của ion trong 2 khoang trong và ngoài (hay 2 dung dịch) như nhau, thì hoạt tính của ion trong công thức trên được thay bằng nồng độ của nó:
i - o = 2,03.(RT/zF) lg(co/ci)
Điện khuyếch tán
Nếu thế năng điện hóa chỉ biến đổi theo một tọa độ, ví dụ theo trục x, thì nó là hàm của 2 biến – t (thời gian) và x (khoảng cách), và gradient của nó bằng đạo hàm riêng theo x:
Grd  (t, x) = ∂/∂x
Khi đó phương trình khái quát của khuyếch tán (Teorell) đối với ion j được viết dưới dạng
Jj = cj Uj. ∂/∂x
Trong đó Uj là độ di động của ion j, cj là nồng độ của nó. Thay giá trị thế năng điện hóa của ion j vào công thức trên, sau khi tính toán sẽ nhận được phương trình Nerst – Plank cho quá trình điện khuyếch tán qua màng:
Jj = RTUj (∂/∂x) - zjFUjcj (∂/ ∂x)
Trong phương trình thành phần thứ nhất của vế phải mô tả quá trình khuyếch tán, thành phần thứ hai – sự di chuyển của các hạt trong điện trường. Như vậy, phương trình này có thể được coi là dạng biểu diễn phân tích của các định luật Fic và Ôm. Tuy nhiên đây cũng chỉ là phương trình gần đúng, bởi vì nó chưa tính đến một số yếu tố như mối phụ thuộc của hệ số hoạt tính vào tọa độ và sự khuyếch tán được nguyên nhân bởi gradient áp suất. Phương trình này chứa đạo hàm, cho nên dòng ion có thể được biểu diễn qua các hiệu cuối cùng bằng cách lấy tích phân của phương trình này trong các giới hạn tương ứng.
Như vậy, mô tả nhiệt động học sự cân bằng ion trên màng nhờ các đại lượng xác định được như nồng độ của các ion và hiệu các thế năng điện, cho phép xác định sự phân bố cân bằng động của các ion được thiết lập trong vận chuyển tích cực (hay vận chuyển chủ động).
Bản chất hóa học của các hệ thống
vận chuyển ion
Các bơm ion vận chuyển các ion và các metabolite qua màng chống lại gradient khuyếch tán và chống lại các gradient điện hóa học. Loại vận chuyển này liên hợp với chi phí năng lượng. Bơm iuon khác với chất vận chuyển: đây không đơn giản là một phân tử không lớn. Đây là một complex phân tử, trong đó có sự tham gia của cả chất vận chuyển cũng như các hệ thống cung cấp năng lượng và điều hòa.
Thông thường hơn các nguồn năng lượng được sử dụng cho vận chuyển các cation quan trọng nhất là phản ứng thủy phân ATP, được xúc tác bởi các enzyme ATPase liên kết với màng.
Hai bơm ion quan trọng hơn cả là bơm ion Na+/K+ và bơm ion Ca2+. Bơm ion Na+/K+ đã được phát hiện do kết quả các công trình nghiên cứu liên quan tới quá trình chuyền impul thần kinh dọc theo axon của tế bào thần kinh. Khi bị kích thích, màng trở nên thấm được cho các ion Na+ trong vài giây.
Các ion này đi vào tế bào, làm biến đổi thế năng màng, ngay sau đó chúng lại bị đẩy ra khỏi tế bào; quá trình này đi kèm với tiêu hao năng lượng, và cùng một lúc các ion K+ cũng đồng thời được vận chuyển vào trong tế bào.
Bơm ion Ca2+ là một thành phần chức năng của các tế bào cơ. Các ion Ca2+ làm bất hoạt complex troponin-tropomyosin, bằng cách đó gây ra co cơ. Bơm Ca2+ đảm bảo đẩy Ca2+ khỏi vị trí tác động. Các tế bào cơ chứa một hệ thống màng bên trong tế bào rất lớn, được gọi là sarcoplasmic reticulun (SPR), là nơi tồn trữ Ca2+ (Ca2+ được bơm vào đây). Sự thải Ca2+ xảy ra ngay sau khi có kích thích. Sự tích lũy Ca2+ sau đó là một quá trình phụ thuộc vào năng lượng.
Na+/K+-ATPase (ATPase phụ thuộc vào Na và K)
Na+/K+-ATPase (còn gọi là bơm Na+/K+) được hoạt hóa bởi các ion Mg2+ là enzyme được nghiên cứu nhiều nhất trong số các ATPase vận chuyển. Bơm Na+/K+ này đóng vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình chuyền impul thần kinh. Bơm Na+/K+ chỉ được khởi động làm việc khi trong tế bào có ion Na+
Na+/K+-ATPase liên kết với màng sinh chất và được phân bố cực kì rộng rãi. Nó được tìm thấy trong tế bào của tất cả các cơ quan động vật được nghiên cứu, ở sinh vật nguyên sinh, trong các tế bào thực vật bậc cao và một loạt các tảo biển. Ngoại lệ là hồng cầu của một số động vật (như chó), và cả nấm men. Nhưng để vận chuyển Na và K trong các tế bào vi khuẩn thì enzyme này không quan trọng như vậy (và có thể là nó hoàn toàn không tham gia vào quá trình này ở vi khuẩn).
Tất cả các hệ thống Na+/K+-ATPase và các chế phẩm của chúng có một loạt các tính chất chung. Như:
- Để hoạt hóa chúng cần các ion Mg2+;
- Hằng số K0,5 thực nghiệm là khoảng 10 mM đối với Na+ và 1 mM đối với K+;
- Rõ ràng trong hệ thống có 2 trung tâm liên kết cation, 1 nằm bên trong tế bào và liên kết với Na, 1 nằm ở phía ngoài và liên kết với K;
- PH tối ưu là ~7,5;
- Tất cả các ATPase đều bị ức chế bởi các glycoside khác nhau, phoor biến nhất trong số đó là uabain (ức chế hoạt tính enzyme tới 50% ở nồng độ 10-7 – 10-4 M);
- Tất cả các ATPase được hoạt hóa yếu bởi chính uabain này ở nồng độ 10-9 – 10-8 M (hệ thống ATPase từ cơ quan điện của cá trên điện có 2 trung tâm liên kết uabain, còn enzyme từ não mèo – chỉ có 1 trung tâm liên kết);
- Số cation được vận chuyển qua màng trong các điều kiện tôi ưu khi thủy phân 1 phân tử ATP là 2,6  0,19, tương ứng với tỉ lệ 3Na+/2K+ trên 1 phân tử ATP tyhwcj tế quan sát được trong các thí nghiệm.
ATP có thể được thay thế một phần bởi các nucleotide khác. Hiệu suất của các nucleotide khác nhau tương quan với nhau như sau: ATP:dATP:CTP:ITP:GTP:UTP = 100:49:2,3:24:0,6:0,6.
Tính chất không đối xứng của đường cong biểu diễn mối phụ thuộc hoạt tính của Na+/K+-ATPase vào nồng độ các ion Na và K (xem hình trên) phản ánh sự khác biệt trong ái lực tương đối của 2 trung tâm liên kết Na và K. Hệ số liên hợp cũng không phải bất biến, và trong các điều kiện tương ứng có thể quan sát được trung hòa điên của Na và K.
Hơn nữa, có cả các dạng trao đổi Na/Na và K/K, và thậm chí cả những dạng trao đổi khác phụ thuộc một cách phức tạp vào tỉ số nồng độ của Na và K ở bên trong, và bên ngoài tế bào, và đặc biệt là vào nồng độ của ATP, ADP và P ở bên trong tế bào.
Đã xác định được khả năng hoạt hóa của các ion khác nhau khi chúng liên kết với trung tâm K, khả năng này biến đổi trong dãy sau:
Tl > K > Br > NH4 > Cs > Li
(đều có hóa trị +1)
Các ion Mn hay Co (+2) có thể thay thế cho Mg2+, nhưng hiệu quả thấp hơn; khi có mặt các ion hóa trị +2 là Fe, Ca, Ba, Zn, Sr hay Cu xảy ra ức chế enzyme. Hàm lượng cao các ion Ca2+ trong tế bào ức chế bơm Na+/K+ và hoạt động của nó được khôi phục ngay sau khi loại bỏ lượng Ca2+ dư thừa khoit tế bào.
Có nhiều mô hình về cơ chế hoạt động của Na+/K+-ATPase, trong đó mô hình chung nhất, được công nhận rộng rãi là:
Tác động của phosphorylase phụ thuộc vào Na+ dẫn tới tạo thành dạng phosphoryl hóa của enzyme (E1 ~ P), gốc P này được gắn với (ester hóa bởi) nhóm -COOH của amino acid Glu. Tất cả các giai đoạn của quá trình đều thuận nghịch, trong những điều kiện nhất định hoạt động ngược chiều của bơm natri dẫn tới tạo thành ATP. E có ít nhất 2 tâm liên kết cho ion Mg2+, trong đó 1 tâm có ái lực cao với Màng và cần thiết cho phản ứng trao đổi ATP – ADP, tâm liên kết thứ 2 có ái lực thấp hơn đáng kể và cần thiết cho chính phản ứng thủy phân với sự tạo thành nhóm P vô cơ.
Tồn tại ý kiến cho rằng phosphatase phụ thuộc vào K+ là một enzyme không phụ thuộc.
Để thực hiện chức năng vận chuyển, complex enzyme cần phải được một cách xác định trong màng.
Giả định rằng khi liên kết với ion Na, E1 hướng vào bên trong tế bào, sau đó di chuyển sang phía đối diện của màng (giai đoạn này rõ ràng là phụ thuộc vào năng lượng), ở đó nó liên kết với ion K để chuyển ion này vào trong tế bào. Tuy hhieen, có những dẫn liệu về khu trú của 2 loại tâm liên kết này ở 2 phía khác nhau của màng.
Có nhiều dẫn liệu chứng tỏ ATPase là một enzyme oligomer (theo kết quả tách chiết và tính tập thể của các tâm liên kết Na và K). Enzyme này có Mr khoảng từ 160000 đến 560000, phụ thuộc vào nguồn gốc và phương pháp tách chiết. Kết quả điện di với SDS cho thấy enzyme cấu tạo từ các mạch polypeptit 2 loại: loại  với Mr = 100000 - 130000 và loại  với Mr = 50000. như vậy, phân tử enzyme có thể có cấu trúc tetramer 22, hexamer 24 hay một cấu trúc bậc IV phức tạp hơn.
Gần đây đã chỉ ra rằng enzyme từ tuyến trực tràng của cá mập và cơ quan điện của cá trê điện có mạch nhẹ là một glycoprotein, thực hiện chức năng điều hòa; phân tử enzyme là oligomer dạng 42.
Trong quá trình thực hiện chức năng, chính mạch nặng của enzyme được phosphoryl hóa trong quá trình chuyển vị của các cation, mạch này cũng liên kết uabain. Các chế phẩm ATPase có ái lực khác nhau với Mg2+, Na+, K+ và uabain, ái lực như nhau đối với ATP (Kd = 0,2 M) và ADP (Kd = 0,5 - 2 mM), trên thực tế khác ái lực với CTP, GTP, ITP và UTP (Kd = 0,1 - 1 M). Cả các cation hóa trị 2 và hóa trị 1 đều ảnh hưởng lên liên kết của ATP. Khi có mặt các ion protein với Mr = 150000 (bơn Ca2+ ?) cũng được phosphoryl hóa.
Khi có mặt ion Ca2+, ion K+ ngoài màng liên kết với protein với Mr = 100000 và được vận chuyển vào trong tế bào, lúc này nó bị dephosphoryl hóa (mất gốc P), còn ion Na+ bị đưa ra ngoài tế bào. Khi cho uabain và các glycoside khác tác động lên enzyme từ phía bên ngoài tế bào thì chúng mới ức chế bơm Na+/K+, còn nếu cho tác động từ phía bên trong tế bào thì chúng lại không ức chế bơm Na+/K+. Điều này chỉ ra rằng các tâm liên kết uabain nằm ở phía ngoài màng, và nó chỉ cạnh tranh chỗ liên kết với các ion K+. Mỗi hồng cầu chỉ liên kết với 100-300 phân tử glycoside.
Đã gắn được Na+/K+-ATPase vào các túi màng nhân tạo, nó làm tăng đáng kể độ thấm của màng. Để chuyển các ion, hệ thống nhân tạo cần có sự tạo thành các complex từ cả 2 mạch  và .
ATPase phụ thuộc vào Ca2+
Vận chuyển ion Ca2+ được nghiên cứu nhiều trong các tế bào ruột và mô cơ. Nhưng cơ chế tham gia của ATPase trong vận chuyển ion mới chỉ được làm sáng tỏ trong trường hợp mô cơ. Cơ chế tác động của Ca2+-ATPase (bơm Ca2+) về nguyên lí cũng tương tự như cơ chế tác động của bơm Na+/K+ và có thể được biểu diến như sau:
Giả định rằng E1 nằm ở mặt ngoài màng, còn E2 – nằm ở mặt trong.
Cũng như trường hợp Na+/K+-ATPase, để hoạt hóa Ca2+-ATPase cần có các phospholipid và các ion Mg2+.
Đặc điểm của bơm Ca2+ từ màng sinh chất của tế bào cơ là nó hút (hấp thụ) mạnh các ion Ca2+ từ dung dịch chứa Mg2+, ion oxalate, ATP và ion Ca2+. Tốc độ hấp thụ các ion Ca2+ không phụ thuộc vào nồng độ của ion này trong dung dịch. Cùng với các ion Ca2+, các ion trái dấu như oxalate hay phosphate cũng được hấp thụ bởi các túi màng từ màng sinh chất tế bào cơ. Đã chứng minh được rằng chỉ có các ion Ca2+ mới được vận chuyển tích cực qua màng, còn các anion này đi qua màng một cách thụ động, theo gradient khuyếch tán. Ở nồng độ Ca2+ cao, cứ 2 ion Ca2+ được vận chuyển tích cực vào trong túi màng trên 1 phân tử ATP, còn ở các nồng độ thấp hơn (~10-7 M) – tỉ lệ này giảm xuống còn 1:1.
Bơm Ca2+ cũng biến đổi thuận nghịch năng lượng hóa học thành năng lượng thẩm thấu. Thành phần lipid của màng gây ảnh hưởng quyết định lên công việc của bơm. Chẳng hạn, phân hủy liên kết  của phospholipid màng bởi phospholipase A2 làm tăng tính thấm của màng đối với ion Ca2+. Thêm nữa, sự chuyển vị ion Ca2+ được điều phối bởi ATP bị giảm nhưng hoạt tính cả Ca2+-ATPase không bị thay đổi. Sản phẩm thủy phân của phospholipid màng vẫn còn liên kết với màng, nhưng sau khi chiết rút đi và cho thêm BSA vào, thì hoạt tính ATPase bị mất đi và không xảy ra chuyển nhóm phosphoryl lên protein màng. Nếu cho thêm vào các acid béo không no thí các hoạt tính mất đi sẽ được phục hồi, nhưng cho thêm lisolecitin và các acid béo no không làm phục hồi sự tích lũy ion Ca2+. Như vậy, thành phần lipid màng có vai trò rất quan trọng, thủy phân lipid làm ngừng tích lũy Ca2+ và ảnh hưởng của tới tương tác của ATP với màng.
Bơm Ca2+ đã được tái cấu trúc khi cho ATPase và dioleyllecithin vào các túi màng được chuẩn bị từ SPR
Các ATPase khác
Có những số liệu chứng tỏ rằng năng lượng ATP có thể được sử dụng để vận chuyển các ion Mg2+, Mn2+ và các cation hóa trị 2 khác. Tuy nhiên, bản chất hóa học của các quá trình này còn chưa được thiết lập.
Có lẽ các ATPase được hoạt hóa bởi Mg2+ được phân bố rộng rãi hơn cả ở vi sinh vật, nơi mà chúng chuyển các proton ra khỏi tế bào (2 ion H+ trên 1 phân tử ATP). Đã tách chiết và làm sạch được một loạt các ATPase được hoạt hóa bởi Mg2+, một số trong các ATPase này vận chuyển tích cực H+. Điều này được chỉ ra rõ nhất đối với ATPase từ Streptococcus faecalis: E có Mr = 385000 với cấu trúc oligomer 66,
Đã tìm thấy cả ATPase tham gia vận chuyển các anion; vận chuyển bicarbonate trong các tế bào tiết acid của màng nhầy ruột được nghiên cứu tốt hơn cả. Enzyme này cũng được hoạt hóa bởi các ion Mg2+.
Vận chuyển ion Cl trong một số tế bào động vật và thực vật nămg trong mối tương quan với hoạt tính ATPase, tuy nhiên vẫn còn chưa biết gì về cơ chế của mối tương quan này.
Ngoài bơm Ca2+ đã mô tả trên đây, còn có các protein liên kết Ca2+ khác đã được tách chiết từ các tế bào ruột và SPR. Protein tách chiết được từ tế bào ruột các động vật khác nhau nao Mr từ 12000 (bò và chuột) đến 28000 (gà con). Sự tổng hợp protein này trong cơ thể được kích thích bởi bitamin D3. Hằng số phân lí của complex Protein-Ca2+ khoảng ~10-6 M, 1 phân tử protein liên kết 4 ion Ca2+. Có khả năng protein này nằm trong thành phần của ATPase.
Các protein liên kết ion
Có 6 protein liên kết Ca2+ đã được tách chiết từ màng sinh chất tế bào cơ (SPR), chúng khác với Ca2+-ATPase, Mr của chúng nằm trong vùng từ 20000 – 55000, còn Kd đối với Ca2+ giao động từ 5.10-3 – 2,5.10-6 M. Chưa rõ về sự tham gia của các protein này trong vận chuyển ion Ca2+.
Đã biết được 2 protein ở vi khuẩn tham gia vận chuyển các ion. Một phân tử tách chiết được từ Salmonella typhimurium, liên kết ion sulfate, có Mr = 32000, với Kd in vitro là 3.10-5 M. Protein thứ hai tách chiết được từ E.coli, là thành phần của hệ thống vận chuyển phosphate có tính đặc hiệu cao, có Mr = 42000, với Kd in vitro là 7.10-7 M.
Vận chuyển sắt
Đã nghiên cứu khá chi tiết một số hệ thống vận chuyển Fe qua màng tế bào.
Một trong các hệ thống này được phát hiện ở vi khuẩn Mycobacterium smermatis, thành phần của nó là mycobactin – một chất (có cấu trúc vòng rất phức tạp) tạo thành v�