Sự khuếch tán xúc tiến (Facilitated Diffusion)

13.4.1. Sự khuếch tán xúc tiến (Facilitated Diffusion)

      Protein mang (carrier protein) còn gọi là enzim permease là một loại protein gắn trên màng. Với sự hỗ trợ của permease có thể nâng cao rất nhiều tốc độ khuếch tán qua màng có tính thẩm thấu chọn lọc. Phương thức vận chuyển qua màng với sự hỗ trợ của permease được gọi là sự khuếch tán xúc tiến (facilitated diffusion). Tốc độ của quá trình khuếch tán xúc tiến tăng lên khi sự chênh lệch nồng độ chất dinh dưỡng giữa trong và ngoài tế bào tăng lên. Khi nồng độ các chất dinh dưỡng tương đối thấp thì khuôn khổ tăng lên cao hơn so với phương thức khuếch tán bị động. Lúc gradient nồng độ đạt tới một trị số nhất định thì dẫn đến hiệu ứng bão hòa. Sự tham gia của Permease đã làm dẫn đến hiệu ứng bão hòa (hình 13.7)

      Đáng chú ý là, lúc permease bị bão hòa, sự khuếch tán xúc tiến không tăng lên do sự tăng mức chênh lệch chất dinh dưỡng trong và ngoài tế bào. Quan hệ giữa tốc độ khuếch tán xúc tiến và gradient nồng độ chất dinh dưỡng tưong tự như mối quan hệ giữa enzyme và cơ chất, và khác hẳn với đường biểu diễn thẳng phản ánh sự khuếch tán bị động. Ngoài ra sự giống nhau giữa permease và enzyme còn ở chỗ có tính chuyên nhất đối với chất vận chuyển, mỗi loại permease chỉ có thể vận chuyển một cách chọn lọc đối với một số chất tương thích. Dù có sự tham gia của permease nhưng khuếch tán xúc tiến vẫn đúng là phương thức vận chuyển khuếch tán. Việc vận chuyển vẫn phải dựa vào sự chênh lệch nồng độ chất dinh dưỡng giữa trong và ngoài màng. Khi mất đi sự chênh lệch nồng độ sự vận chuyển sẽ dừng lại. Quá trình này không cần tới năng lượng trao đổi chất (metabolic energy) của tế bào. Gradient nồng độ có thể duy trì khi tế bào chuyển biến chất dinh dưỡng được vận chuyển thành một hợp chất khác hoặc chuyển chất dinh dưỡng đó tới một vị trí khác của màng (ở sinh vật có nhân thật). Thật thú vị khi thấy một số permease này liên quan đến protein chủ chốt của thấu kính mắt ở động vật có vú, đó là các protein thuộc họ MIP. Trong vi khuẩn 2 loại kênh MIP phân bố rộng rãi nhất là aquaporins vận chuyển nước và glycerol facilitators (các nhân tố xúc tiến glycerol) vận chuyển glycerol.

      Mặc dầu đã có rất nhiều nghiên cứu đối với cơ chế khuếch tán xúc tiến nhưng quá trình này vẫn chưa được hiểu biết một cách đầy đủ. Hình như phức hợp permease xuyên ngang qua màng tế bào. Sau khi chất dinh dưỡng được kết gắn bên ngoài màng, cấu hình của permease phát sinh biến hóa để phóng thích được chất dinh dưỡng vào bên trong màng. Permease sau đó lại hồi phục lại cấu hình ban đầu và sẵn sàng để đón nhận phân tử dinh dưỡng khác bên ngoài màng. Kết quả của quá trình này là một phân tử không tan trong lipid có thể đi vào tế bào đáp lại gradient nồng độ của nó. Nên nhớ rằng, cơ chế này có thể đảo ngược bởi gradient nồng độ, nếu nồng độ một số vật chất trong tế bào cao hơn bên ngoài thì cũng có thể thông qua phương thức này mà chuyển vận ra ngoài tế bào. Vì thông qua hoạt động trao đổi chất mà tế bào tiêu hao rất nhanh các chất dinh dưỡng đưa vào tế bào nên không có chuyện chất dinh dưỡng bị đưa ngược ra ngoài (hình 13.8).

      Mặc dầu sự khuếch tán xúc tiến giúp chuyển vận có hiệu quả chất dinh dưỡng vào bên trong tế bào khi nồng độ chất hòa tan bên ngoài cao hơn bên trong tế bào, nhưng không thể vận chuyển được chất dinh dưỡng khi nồng độ chất hòa tan trong tế bào cao hơn bên ngoài. Vi sinh vật thường sống trong các môi trường có nồng độ chất dinh dưỡng rất thấp, để có thể sinh trưởng và phát triển chúng phải có thể vận chuyển và hấp thu được từ môi trường các chất dinh dưỡng có nồng độ thấp. Khi đó khuếch tán xúc tiến không còn là phương thức vận chuyển hữu hiệu nữa mà phải có những phương thức vận chuyển khác, trong đó quan trọng nhất là phương thức vận chuyển chủ động (active transpore) và phương thức chuyển vị nhóm (group translocation); cả hai phương thức này đều cần tới năng lượng.

      Sự vận chuyển chủ động là loại phương thức vận chuyển các phân tử chất hòa tan tới nơi có nồng độ cao hơn, tức là ngược lại với gradient nồng độ và cần phải tiêu hao năng lượng. Vì sự vận chuyển chủ động cần tới các protein mang (permease) nên tương tự với sự khuếch tán xúc tiến trong một số phương diện. Permease có tính chuyên nhất cao đối với các phân tử được vận chuyển. Các phân tử chất hòa tan có tính chất tương tự có thể lên kết với permease trong cả hai trường hợp - khuếch tán xúc tiến và vận chuyển chủ động. Trong trường hợp nồng độ các chất dinh dưỡng khá cao sự vận chuyển chủ động cũng có hiệu ứng bão hòa (hình 13.9). Tuy nhiên, sự khác nhau lớn nhất giữa hai loại này là vận chuyển chủ động có thể vận chuyển ngược nồng độ nhưng cần tiêu hao năng lượng trao đổi chất. Các chất ức chế trao đổi chất có thể làm trở ngại việc sản sinh năng lượng do đó làm ức chế sự vận chuyển chủ động, nhưng không làm ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán xúc tiến (ngay cả trong thời gian ngắn).

      Vi khuẩn, cổ khuẩn và các vi sinh vật nhân thật có các hệ thống vận chuyển protein kết hợp (Binding protein transport systems) hoặc protein vận chuyển hình hộp kết hợp với ATP (ATP-binding cassette transporters) hay còn gọi là protein vận chuyển ABC (ABC transporter). Loại protein vận chuyển này thường được tạo thành một phức thể nhờ sự kết hợp giữa hai vùng xuyên màng ưa nước (hydrophobic membrane - spanning domain) trên bề mặt tế bào chất và hai vùng gắn với nucleotide (hình 13.9).

(1)=Protein mang chất hòa tan được gắn với cơ chất vận chuyển và hướng đến phức chất protein vận chuyển ABC

(2)=Protein mang chất hòa tan gắn vào protein vận chuyển và phóng thích cơ chất, chuyển qua màng nhờ năng lượng của sự thủy phân ATP

      Vùng xuyên màng hình thành một lỗ nhỏ trong màng và vùng kết hợp nucleotide sẽ gắn với ATP rồi thủy phân ATP để hấp thụ chất hòa tan. Protein vận chuyển ABC tận dụng protein liên kết cơ chất chuyên biệt nằm trên khe chu chất của vi khuẩn Gram âm hoặc bám trên màng lipid tại mặt ngoài của màng sinh chất ở vi khuẩn Gram dương. Các protein liên kết này (cũng tham gia vào quá trình hóa hướng động-chemotaxis) sẽ gắn với phân tử được vận chuyển, rồi tương tác với protein vận chuyển màng để chuyển phân tử hòa tan vào trong tế bào. Vi khuẩn E.coli đã dùng cơ chế này để vận chuyển nhiều loại đường (arabinose, maltose, galactose, ribose) và aminoacid (glutamate, histidine, leucine).

      Các chất đưa vào vi khuẩn Gram (+) phải đi qua màng ngoài trước khi phát huy tác dụng của protein vận chuyển ABC và các hệ thống vận chuyển chủ động khác. Các phân tử ngỏ có thể sử dụng một protein lỗ phổ biến như OmpF. Các phân tử lớn hơn phải dùng tới các protein lỗ màng chuyên biệt. Trong một số trường hợp, ví dụ việc hấp thu sắt và vitamin B₁₂ phải dùng tới các protein vận chuyển và protein tiếp nhận màng ngoài có ái lực cao chuyên biệt.

      Đáng chú ý là protein vận chuyển ABC ở sinh vật nhân thật nhiều khi có tầm quan trọng lớn trong y học. Một số tế bào ung thư sử dụng các protein vận chuyển này để bơm thuốc ra. Việc xơ hóa nang là kết quả của một đột biến làm bất hoạt một protein vận chuyển ABC đối với chuỗi chuyển ion chloride trong phổi.

      Vi khuẩn cũng dùng gradient proton phát sinh ra khi chuyển vận điện tử để thúc đẩy sự vận chuyển chủ động. Các protein vận chuyển màng chịu trách nhiệmđối với quá trình này thiếu hụt các protein liên kết chu chất chuyên biệt để kết hợp với các chất dinh dưỡng. Lactose permease ở vi khuẩn E.coli là một ví dụ điển hình. Permease này là một protein đơn có phân tử lượng khoảng 30 000. Nó vận chuyển phân tử lactose khi có một proton xâm nhập tế bào (nồng độ proton cao bên ngoài tế bào là do hoạt động của chuỗi chuyển vận điện tử). Sự vận chuyển liên kết của hai cơ chất theo cùng một hướng được gọi là vận chuyển đồng hướng (symport). Trong quá trình này năng lượng tích tụ trong gradient proton được huy động để vận chuyển vật chất. Mặc dầu cơ chế của phương thức vận chuyển này còn chưa được hiểu biết đầy đủ nhưng nói chung được cho rằng proton và permease sau khi kết hợp sẽ cải biến hình dạng và ái lực hấp thụ chất dinh dưỡng. Vi khuẩn E.coli cũng dùng sự vận chuyển đồng hướng với proton để vận chuyển aminoacid và các acid hữu cơ như succinate và malate.

      Một gradient proton cũng có thể thông qua việc hình thành một gradient ion natri để gián tiếp tác động lên sự vận chuyển chủ động (hình 13.10).

      Sự vận chuyển đồng hướng (symport) hay vận chuyển hiệp đồng (cotransport) natri cũng là một quá trình quan trọng ở các tế bào nhân thật (eucaryotic) khi hấp thu đường và acid amin. Nhưng gradient ion natri thường sinh ra do việc thủy phân ATP chứ không phải do lực chuyển động của proton.

      Vi sinh vật thường thông qua nhiều hệ thống vận chuyển để hấp thu một chất dinh dưỡng. Ví dụ như ở vi khuẩn E.coli, ít nhất cũng có tới 5 hệ thống vận chuyển để hấp thu đường galactose, 3 hệ thống vận chuyển để hấp thu glutamate và leucin, 2 hệ thống vận chuyển để hấp thu ion kali. Khi có nhiều hệ thống vận chuyển như vậy đối với cùng một cơ chất, các hệ thống có sự khác nhau về nguồn năng lượng tiêu hao, về ái lực đối với chất dinh dưỡng và về phương thức điều tiết hệ thống vận chuyển. Tính đa dạng về các phương thức vận chuyển như vậy đã giúp cho vi sinh vật càng có ưu thế cạnh tranh mạnh mẽ trong điều kiện môi trường dễ biến đổi.