MÀng sinh học và SỰ VẬn chuyển qua màng (biomembrane and transport into membrane) ĐẠi cưƠNG

2.1. Cấu trúc của màng sinh học

2.2. Thành phần cấu tạo hoá học

2.2.1. Nhóm lipid màng

2.2.2. Nhóm protein màng

2.2.2.1. Phân loại theo sự phân bố

2.2.2.2. Phân loại theo chức năng sinh học

(1). Protein enzyme

(2). Protein thụ thể

(3). Protein thông tin

(4). Protein cổng vận chuyển ion

(5). Protein bơm ion

(6). Protein liên kết

(7). Protein “động cơ”

(8). Protein khung xương tế bào

(9). Protein phức hợp hoà hợp mô chính

2.2.3. Nhóm glucid màng

3. SỰ VẬN CHUYỂN QUA MÀNG

3.1. Vận chuyển thụ động

3.2. Vận chuyển tích cực

3.3. Sự xuất bào

Tế bào là đơn vị chức năng nhỏ nhất của cơ thể sống, cấu tạo gồm màng tế bào (màng nguyên sinh chất-plasma membrane) và tế bào chất (cytosol). Dựa vào sự hiện diện của nhân, các tế bào sinh vật được phân chia 2 nhóm gồm tế bào có nhân (eukaryote) và tế bào không nhân hay nhân chưa hoàn chỉnh (prokaryote).

Tế bào động vật thuộc nhóm tế bào có nhân. Chúng có kích thước, cấu trúc và thành phần cáu tạo phức tạp hơn nhiều so với tế bào không nhân (tế bào vi sinh vật – vi khuẩn). Tuy nhiên một số tế bào động vật không nhân như hồng cầu và tiểu cầu (ngoại trừ hồng cầu của loài cầm, bò sát và lưỡng thê có nhân).



Hình 1. Thành phần cấu tạo của tế bào động vật

Cấu tạo của tế bào có nhân gồm màng nguyên sinh chất bao quanh và tế bào chất. Trong tế bào chất có nhiều loại tiểu thể như bộ Golgi, hệ lưới võng nội, ribosome, mitochondria, lysosome…(hình 1).

Mỗi một loại tiểu thể của tế bào có thành phần cấu tạo hoá học và các quá trình chuyển hoá riêng nhằm thực hiện các chức năng sinh học chuyên biệt (bảng 1)

Bảng 1. Chức năng sinh học của một số loại tiểu thể trong tế bào động vật

Tiểu thể	Chức năng sinh học
Mitochondria	Phosphoryl oxid hoá cặp H+, tổng hợp ATP
Nhân	Tổng hợp DNA, RNA
Lysosome	Chứa enzyme hydrolase, phân giải các dưỡng chất
Perosome	Chứa enzyme oxydase và peroxidase, oxid hoá các chất độc
Bộ Golgi	Tổng hợp polysaccharide, phân tiết các sản phẩm biến dưỡng
Hệ võng nội	Tổng hợp protein, lipid, dự trữ Ca2+

Các tiểu thể được bao bọc bằng một lớp màng nguyên sinh tương tự như màng tế bào. Do vậy, từ ngữ màng sinh học (biological membrane) được sử dụng để chỉ tất cả các loại màng tế bào và các tiểu thể của tế bào.

Màng sinh học có các chức năng:

(1). Bảo vệ tính toàn vẹn của tế bào và các tiểu thể

(2). Thu nạp chọn lọc các chất dinh dưỡng

(3). Bài thải các chất cặn bã của quá trình biến dưỡng

(4). Phân tiết và tiếp nhận các chất hoá học thông tin

(5). Vận chuyển các cặp đương lượng khử H⁺

(6). Dẫn truyền các xung động thần kinh

(7). Thể hiện đặc tính sinh học (nhóm máu, MHC…)

Trong nội dung này, một số vấn đề về màng sinh học được trình bày như cấu trúc và thành phần cấu tạo hoá học, đặc tính sinh học, sự vận chuyển các chất qua màng, điện thế màng và quá trình chết của tế bào.

Cấu trúc của mỗi loại màng sinh học (màng tế bào, màng các tiểu thể) được biệt hoá cao độ nhằm giúp cho tế bào hay các tiểu thể khác nhau có thể đảm nhận các chức năng sinh học riêng biệt. Tuy nhiên, thành phần cấu tạo hoá học chính của màng là hợp chất lipoprotein gồm 2 lớp phospholipid kết hợp với protein hình thành cấu trúc khảm lỏng (liquid mosaic)(hình 2).

Lớp màng đôi lipid (lipid bilayer) tạo ra hình bản dẹp, mỏng. Trong đó, thành phần phospholipid với đầu ưa nước (hydrophobic head) hay đầu phân cực (polar head) hướng ra ngoài, được tạo ra bởi phân tử phosphoric acid liên kết với glycerol và đầu kị nước (hydrophilic head) hay không phân cực (nonpolar head) hướng vào trong, chúng được tạo ra bởi chuỗi hydrocarbon của phân tử acid béo. Cấu trúc màng được quyết định bởi vùng kị nước do sụ tương tác bởi lực val der Waals xảy ra giữa các chuỗi hydrocarbon của phân tử acid béo. Ngoài ra, với cực ưa nước hướng ra ngoài cho phép lớp phospholipid tương tác ion giữa những phân tử phosphoric acid hoặc liên kết hydrogen với các phân tử nước định cực trong môi trường.

Thành phần và tỉ lệ các hợp chất lipid thay đổi theo loại tế bào và bào quan trong tế bào. Đối với màng nguyên sinh của tế bào động vật, thành phần cholesterol và phosphatidyl cholin chiếm tỉ lệ cao; trong khi, đối với vi khuẩn là phosphatidyl ethanolamine và glycerol phosphate.

Hình 3. Công thức cấu tạo của hợp chất phospholipid

Lớp màng đôi lipid ở trạng thái lỏng . Độ lỏng phụ thuộc vào thành phần cấu tạo và nhiệt độ môi trường. Khi nhiệt độ môi trường tăng, thành phần phospholipid và glycolipid dịch chuyển theo chiều dọc hoặc dịch chuyển sang một bên, trong đó các phân tử acid béo no có vai trò quan trọng. Tuy nhiên, thành phần phospholipid và glycolipid không thể dịch chuyển theo chiều ngang và hiện tượng này chỉ xảy ra khi có sự tương tác của thành phần protein màng. Ngoài ra, trạng thái lỏng của màng được ổn định còn phụ thuộc vào tỉ lệ cholesterol. Bởi vì phần kị nước của phân tử cholesterol hình thành cấu trúc dạng phiến và xếp thành từng lớp, từng tấm xen kẽ giữa các phân tử phospholipid, trong khi gốc hydroxyl phân cực tương tác với các phân tử nước lưỡng cực có trong môi trường nên nằm cạnh đầu ưa nước của phospholipid.

Mỗi loại màng có số lượng, thành phần và tỉ lệ giữa các loại protein nhất định (bảng 2). Tuy nhiên, protein ở màng sinh học có thể được phân chia dựa vào quá trình phân bố hoặc chức năng sinh học.

Dựa vào sự phân bố, protein màng gồm 2 nhóm:

- Protein ngoài màng (peropheral protein) nằm bên ngoài và liên kết với bề mặt ngoài của màng, liên kết với nhóm phân cực trong thành phần phospholipid, chúng thường đóng vai trò receptor.

- Protein xuyên màng (integral protein) là những phân tử protein có thể xuyên qua màng hoặc với một mặt của màng. Protein xuyên màng với khu vực gồm các cấu tử amino acid không phân cực tương tác với gốc hydrocarbon của acid béo trong thành phần phospholipid giúp cho phân tử protein không thể tách rời khỏi màng. Ngoài ra một số loại protein có thể khuyếch tán tự do trong lớp phospho lipid Protein xuyên màng đảm nhận nhiều vai trò quan trọng như kênh ion, bộ xương tế bào, bơm ion…

Dựa vào chức năng sinh học, các protein màng gồm các loại như sau:

1. 
   Protein enzyme
   

Hình 4. Thành phần enzyme oxidoreductase ở màng trong ty thể

Các enzyme oxidoreductase kết hợp thành các tổ hợp:

- Tổ hợp I (NADH.H⁺-CoQ reductase) chuyển e^- từ NADH đến coenzyme Q.

- Tổ hợp II (Succinate-CoQ reductase) chuyển e^- từ cơ chất succinate đến coenzyme Q

- Tổ hợp III (CoQ-Cytochrom c reductase) chuyển e^- từ CoQ đến cytochrome c.

- Tổ hợp IV (Cytochrome c-Cytochrom a₃ oxidase) chuyển e^- từ cytochrome c đến oxygen.

- Tổ hợp V (ATP synthetase) cấu tạo gồm 2 tiểu đơn vị. Tiểu đơn vị F₀ đóng vai trò cống thông chophép H⁺ ở vùng không gian giữa 2 màng đi vào trong ty thể. Tiểu đơn vị F₁ là enzyme xúc tác phản ứng tổng hợp ATP (phản ứng phosphoryl hoá).

(2). Protein thụ thể (Protein receptors)

Receptor (thụ thể hay thụ điểm) có bản chất cấu tạo là protein hoặc glycoprotein với trọng lượng phân tử 50-200kDa. Chúng có thể định vị trên bề mặt, xuyên qua màng tế bào hoặc tự do trong tế bào chất.

Tương tự như các loại protein khác, protein receptor được tổng hợp lưới võng nội có hạt; chúng được tạo nên và phân hủy liên tục. Số lượng receptor trên một tế bào rất thay đổi, có thể vài ngàn đến vài trăm ngàn. Tuy nhiên số lượng receptor trong tế bào chất có số lượng ít hơn.

Các receptor có 2 thuộc tính quan trọng: tính nhạy và tính đặc hiệu. Dựa vào sự liên kết với các phân tử tín hiệu, receptor gồm 3 nhóm (hình 5):

- Nhóm receptor nội bào liên kết với hormone steroid như hormone glucocorticoid, mineral carticoid và hormone sinh dục.

- Nhóm receptor xuyên màng liên kết với các yếu tố sinh trưởng như EGF receptor, tyrosin kinase receptor.

- Nhóm receptor ligand hay adrenegric receptor ở màng tế bào, chúng liên kết với các phân tử ligand như hormone dẫn xuất từ amino acid hoặc peptid .

- Nhóm receptor kênh ion là loại protein xuyên màng định vị ở các đầu mút thần kinh liên kết kết với acetyl choline, kiểm soát quá trình trao đổi ion.

(3). Protein thông tin (Protein messenger)

Protein mesenger định vị ở mặt trong màng tế bào, đóng vai trò thông tín viên, truyền đạt tín hiệu sinh học trong tế bào sau khi receptor liên kết với ligand (hình 6).

Trong tế bào động vật, protein messenger quan trọng nhất là protein G hay transducin ở tế bào hình que lớp võng mạc.




Hình 6. Protein G kích hoạt kênh calcium

(4). Protein cổng vận chuyển ion (Protein gated ion transport)

Protein gated ion transport là cửa ngỏ giúp cho quá trình trao đổi các phân tử ion. Protein cổng vận chuyển ion có thể là kênh ion liên kết cổng điện thế như voltage-gated calcium ion channel ở đầu mút tế bào thần kinh tiền hạch (presynaptic neron) hoặc kênh ion liên kết cổng ligand như ligand-gated sodium ion channel ở đầu mút tế bào thần kinh hậu hạch (postsynaptic neuron)(hình 7).

Protein ionic pump định vị ở màng thuộc nhóm protein xuyên màng, là bơm sinh học giúp cho quá trình trao đổi các ion như bơm Na⁺-K⁺ATPase pump, bơm Ca²⁺ ATPase, bơm H⁺-K⁺ ATPase, bơm H⁺ ATPase (ATP synthetase)(hình 8)…

Đây là loại protein đặc biệt, đảm nhận vai trò liên kết bắt cặp giữa các tế bào, với các lỗ thông thương giúp cho quá trình trao đổi dưỡng chất hay các tín hiệu sinh học khuyếch tán từ tế bào này sang tế bào khác.

Protein gap junction có kích thước lớn hơn so với kênh ion và rất biến thiên thay đổi tùy theo chất trao đổi (hình 9).



Hình 9. Protein gap junction giữa các tế bào

(7). Protein “động cơ” (Protein “motor”)

Protein “motor” là loại protein giúp cho quá trình vận động của tế bào như sự vận động của tinh trùng hay vi sinh vật, là thành phần cấu tạo quan trọng của flagella và cilia.

Proteion “motor” hình thành cấu trúc đặc biệt, gọi là cánh tay dynein. Cấu tạo cắt ngang của flagella gồm 9 cặp vi ống (microtuble) liên kết móc neo với màng tương và sắp thành vòng tròn đồng tâm, trên đó mỗi cặp liên kết với đôi cánh tay dynein và cặp vi ống ở trung tâm (hình 10). Một đầu của dynein liên kết với vi ống và một đầu tự do. Sự vận động của flagella theo kiểu uốn lượn do đầu tự do của dynein trượt trên thành vi ống.



Hình 10. Thành phần cấu tạo cilia và protein motor

(8). Protein khung xương tế bào (Protein skeleton cell)

Hình dạng của tế bào được tạo ra bởi một loại protein đặc biệt trong tế bào chất và được gọi là protein khung xương tế bào (hình 11). Các protein này liên kết với thành phần protein band 3 của màng.

Cấu tạo của protein khung xương tương tự như protein cơ, gồm các loại: spectin, actin, protein 4.1, protein 4.2, ankyrin và adducin (hình 12).

- Spectrin chiếm tỉ lệ khoảng 75% trong các loại protein của khung xương, cấu tạo là protein heterodimer, cấu trúc dạng sợi; trong đó α-subunit có trọng lượng 280 kDal và β-subunit 246 kDal. Spectrin liên kết với ankyrin tạo thành dạng mạng lưới.

- Actin là protein dạng sợi, liên kết với adducin tại các mắc lưới.

- Ankyrin có cấu tạo là protein, gồm 1880 cấu tử amino acid, tạo thành mắc lưới.

- Protein 4.1 và 4.2 gắn các thành phần spectin, ankyrin với protein band 3 của màng.



Hình 11. Khung xương tế bào hồng cầu
Hình 12. Thành phần protein khung xương tế bào

(9). Protein phức hợp hoà hợp mô chính (Protein major histocompatibility)

Protein MHC là thành phần trên bề mặt tế bào động vật bị cảm nhiễm, bản chất cấu tạo là glycoprotein, đảm nhận vai trò trình diện antigen cho tập đoàn tế bào T.

Protein MHC gồm 2 loại là MHC class I và MHC class II.

-MHC class I đảm nhận vai trò nhận diện, liên kết với antigen và liên kết với TCR (T cell receptor) của Cytotoxic T cell.

-MHC class II có vai trò liên kết với antigen để trình diện và liên kết với TCR của lymphocyte T CD4⁺(Helper T cell).
Hình 13. Protein MHC

2.2.3. Nhóm glucid màng

Nhiều loại màng có chứa glucid và một số loại không có glucid như lớp màng trong của ty thể. Hợp chất glucid không nằm ở trạng thái tự do mà chúng kết hợp với protein tạo thành phức chất glycoprotein hay kết hợp với lipid tạo thành glycolipid.

- Glycoprotein như antigen nhóm máu hoặc yếu tố Rh ở hồng cầu, peptidoglycan ở vách vi khuẩn Gr +.

- Glycolipid như galactolipid hay glycosylcerebrosid cấu tạo của lớp bao myelin tế bào thần kinh.

Hình 14. Antigen nhóm máu trên người và đơn vị peptidoglycan ở vi khuẩn Gr+

“Tính thấm có chọn lọc” là thuộc tính quan trọng của màng sinh học, do đó màng sinh học còn gọi là “màng bán thấm”. Đối với tế bào, sự trao đổi các chất giữa môi trường bên trong với môi trường chung quanh và ngược lại chịu sự kiểm soát của màng tế bào. Các dưỡng chất như glucose, amino acid tự do, glycerol, acid béo… từ ngoài có thể vào trong và ngược lại các chất cặn bã (sản phẩm trung gian của quá trình biến dưỡng) được thải ra ngoài; nhờ đó các thành phần hoá học ở dịch nội bào và ngoại bào được duy trì tương đối ổn định.

Tương tự, lớp màng của các bào quan trong tế bào chất như ty thể, lysosome…dựa vào “tính thấm chọn lọc” để duy trì sự chênh lệch nồng độ của một chất nào đó giữa môi trường trong với tế bào chất, như trường hợp của lysosome, nồng độ proton H⁺ bên trong có thế cao hơn tế bào chất từ 100 đến 1000 lần.

Tuy nhiên, không phải tất cả các loại chất đi qua màng sinh học đều được chọn lọc và các chất này có thể vận chuyển tự do như H₂O, O₂, CO₂, ethanol, urea, hormone steroid…quá trình này được gọi là sự vận chuyển thụ động.

Ngược lại, sự vận chuyển tích cực hay chủ động biểu thị quá trình chọn lọc của màng và các chất đi qua màng phải dựa vào những hệ thống vận chuyển phức tạp của màng thực hiện.

3.1. Vận chuyển thụ động (Passive transport)

Sự vận chuyển thụ động của một chất qua màng sinh học là quá trình di chuyển không cần cung cấp năng lượng, bao gồm: khuyếch tán giản đơn, khuyếch tán thuận lợi và thẩm thấu.

Sự khuyếch tán giản đơn là quá trình di chuyển của một chất qua màng từ môi trường có nồng độ cao sang môi trường có nồng độ thấp.

Quá trình này phụ thuộc vào:

- Mức chênh lệch gradient nồng độ (concentration gradient) giữa 2 môi trường.

- Nhiệt độ môi trường

- Điện tích

- Kích thước của phân tử khuyếch tán




Hình 15. Sự khuyếch tán giản đơn

3.1.2. Sự khuyếch tán thuận lợi (Facilitated diffusion)

Sự vận chuyển của một chất theo kiểu khuyếch tán thuận lợi không cần cung cấp năng lượng nhưng cần có một loại protein đặc biệt định vị trên màng, đó là protein cổng vận chuyển ion (protein gated-ion transport). Đây là kiểu vận chuyển của các chất hoà tan (glucose) hoặc ion (Na⁺, Ca²⁺).

Có 2 cách vận chuyển khuyếch tán thuận lợi: đồng vận (symport) như trường hợp hấp thu glucose và Na⁺ và đối vận (antiport) như trường hợp trao đổi giữa Na⁺ và Ca²⁺.

3.1.3. Sự thẩm thấu (Osmotic)

Đối với các chất hoà tan trong nước như NaCl hoặc monosaccharide…, sự thẩm thấu là quá trình trao đổi các phân tử nước giữa hai môi trường, nước từ môi trường nhược trương (hypotonic solution) di chuyển sang môi trường ưu trương (hypertonic solution) nhằm cân bằng áp suất thẩm thấu, bảo vệ toàn vẹn tế bào hoặc bào quan (hình 16).

Sự vận chuyển tích cực là quá trình di chuyển của một chất từ môi trường có nồng độ thấp qua màng sinh học sang môi trường có nồng độ cao (nghịch gradient nồng độ). Quá trình vận chuyển này cần cung ứng năng lượng. Có 3 cách vận chuyển tích cực: bơm ion, đồng vận chuyển, hiện tượng nội bào (nhập bào).

Bơm ion còn gọi là bơm điện thế, là một loại protein mằm trên màng. Các phân tử di chuyển qua màng là các ion dựa vào sự thay đổi điện thế gradient (voltage gradient).

Qua hình 17, nồng độ H⁺ ở môi trường ngoài cao hơn bên trong tế bào, do đó điện thế bên ngoài là điện thế dương và bên trong là điện thế âm. Bơm proton H⁺ sử dụng năng lượng từ sự phân giải ATP giúp cho proton H⁺ di chuyển theo chiều nghịch thang nồng độ, từ bên trong ra ngoài. Đây là cơ chế hoạt động của các tổ hợp enzyme oxidoreductase I, II, III và IV trong chuỗi hô hấp mô bào ở ty thể.


Hình 17. Ion H⁺ pump

3.2.2. Sự đồng hành (Cotransport)

Tiến trình đồng vận chuyển xảy ra trong trường hợp 2 chất cùng di chuyển qua màng sinh học.

Trong hình 18 trình bày quá trình đồng hành của proton H⁺ và saccharose. Nếu không có sự di chuyển của proton H⁺, protein cổng vận chuyển ion ở màng luôn luôn đóng và sachharose không thể di chuyển vào trong tế bào. Do đó, proton H⁺ từ môi trường nội bào di chuyển ra ngoài nhờ proton H⁺ pump được cung ứng năng lượng từ ATP. Khi đó, ngoài tế bào nồng độ H⁺ tăng cao, làm thay đổi điện thế (điện thế bên ngoài dương so điện thế bên trong âm). Khi proton H⁺ đi vào đồng hành cùng saccharose.

Hiện tượng nội bào hay nhập bào là hiện tượng sinh học, xảy ra bên trong tế bào. Dựa vào hiện tượng này, vật thể có thể đi qua màng tế bào, xâm nhập vào bên trong tế bào đó. Vật thể xâm nhập có thể là những sinh thể (vi khuẩn) hoặc một chất hoá học có trọng lượng phân tử lớn (immunoglobulin).

Endocytosis bao gồm 3 loại tiến trình là sự thực bào, ẩm bào và nội bào trung gian qua thụ thể.

3.2.3.1. Sự thực bào (Phagocytosis)

Thực bào là hiện tượng tế bào “ăn các sinh thể hoặc thức ăn”. Sự thực bào rất quan trọng đối với sinh vật đơn bào (tiêu thụ nguồn dưỡng chất từ môi trường sống) hoặc đối với quá trình miễn dịch trong cơ thể động vật (tiêu diệt tác nhân gây bệnh và trình diện antigen) (hình 19-20).

Trong quá trình thực bào, các enzyme thủy phân từ lysosome được phân tiết vào nang chứa vi khuẩn để tiêu diệt các sinh thể gây bệnh này.

Ẩm bào là hiện tượng tế bào “uống các hợp chất sinh học”. Tiến trình này rất quan trọng đối với các động vật sơ sinh trong quá trình tiêu thụ các kháng thể mẹ truyền từ sữa đầu qua các tế bào ở lớp niêm mạc ruột non (hình 21).

Tương tự như hiện tượng thực bào, quá trình ẩm bào xảy ra khi dịch thể được mang đến tế bào. Tại vị trí tiến xúc, dịch thể bị bắt gọn bởi giả túc, đóng gói thành nang chứa dịch thể và đưa vào bên trong tế bào chất để xử lý.

Tiến trình này tương tự như sự thực bào, hiện tượng nội bào trung gian qua thụ thể xảy ra đối với việc xử lý các chất được chính bản thân cơ thể tạo ra, như trường hợp xử lý hợp chất LDL (Low density lipoprotein) ở gan.

Trên màng tế bào gan có các receptor VDL liên kết với thành phần protein clathrin ở màng. Tiểu phần VDL là sản phẩm trung gian của quá trình chuyển hoá VLDL ở hệ thống tuần hoàn máu. Trong VDL có chứa các phân tử cholesterol tự do, đây là cholesterol “xấu”, là tác nhân gây ra bệnh xơ cứng động mạch. Vì thế, các phân tử VDL được đưa về gan để xử lý khi VDL liên kết với các receptor tạo thành nang chứa dịch trong tế bào chất. Tiến này xảy ra tương tự như sự thực bào dựa vào các enzyme thủy phân của lysosome (hình 22).




Hình 22. Hiện tượng nội bào trung gian qua thụ thể

3.3. Sự xuất bào (Exocytosis)

Các sản phẩm trung gian (chất thải) được tạo ra từ các phản ứng biến dưỡng có thể gây độc hại cho tế bào hoặc là các chất sinh học như hormone được tổng hợp và phân tiết từ tuyến nội tiết hay các chất immunoglobulin (chất tiết) được tổng hợp từ các lymphocyte B. Do đó, chúng sẽ được phóng thích ra ngoài bằng hiện tượng xuất bào (exocytosis).

Các chất thải (hay chất tiết) được tế bào đóng gói tạo thành các nang. Chúng được đưa đến màng và bài xuất vào hệ thống tuần hoàn máu (hình 23).



Hình 23. Sự xuất bào

4. ĐIỆN THẾ MÀNG TẾ BÀO

Trong cơ thể động vật, các hiện tượng sinh học được ghi nhận như co cơ hoặc dẫn truyền các xung động thần kinh…Các hiện tượng này xảy ra là do sự thay đổi điện thế màng tế bào cơ hay tế bào thần kinh (hình 24).

Khi tế bào bị kích thích, bắt đầu chuyển từ trạng thái nghỉ sang trạng thái hoạt động. Mở đầu là giai đoạn khử cực, tại khu vực bị kích thích, kênh Na⁺ với cổng m và h mở, cho phép ion Na⁺ từ môi trường bên ngoài di chuyển dần vào trong, tăng nồng độ Na⁺ nội bào (giảm Na⁺ ngoại bào), làm thay đổi điện tích mặt trong màng, từ điện tích - chuyển sang +. Ngược lại điện tích mặt ngoài + chuyển sang -. Kết quả điện thế màng tăng dần từ -70mV đến 0mV. Bởi vì, tình trạng tế bào lúc bấy giờ đang hoạt động nên điện thế tương ứng gọi là điện thế động (active potential); trong lúc đó, kênh K⁺ với cổng n vẫn đóng (hình 25).

Do nồng độ K⁺ nội bào tiếp tục sụt giảm làm cho điện thế màng bắt đầu giảm dần, đến < -30mV. Điện tích mặt trong màng vẫn là điện tích + và mặt ngoài -.

Giai đoạn trơ có thể xem là giai đoạn tế bào không đáp ứng, kênh Na⁺ với các cổng m và h đều đóng, kênh K⁺ với cổng n bắt đầu đóng lại, không cho phép K⁺ di chuyển ra ngoài. Điện thế màng ở thời điểm này sụt giảm đến -90mV. Điện tích màng với mặt trong là điện tích + và mặt ngoài -. Do đó để cân bằng nồng độ Na⁺ và K⁺ giữa 2 môi trường nội bào và ngoại bào, hệ thống bơm Na⁺-K⁺ ATPase bắt đầu hoạt động, đẩy Na⁺ từ trong ra và hút K⁺ từ ngoài vào (hình 28). Điện thế màng nâng lên -70 mV và điện tích màng với mặt trong là điện tích – và mặt ngoài +. Tế bào chuyển sang giai đoạn nghỉ.

Đối với tế bào cơ, hiện tượng co cơ được điểu dẫn bởi điện thế màng và điện thế này được hình thành do quá trình trao đổi giữa ion K⁺ và Ca²⁺. Điện thế động được tạo ra bởi Ca²⁺ cao hơn so với Na⁺ (hình 29).

Hình 28. Bơm Na⁺-K⁺ ATPase

Sự phát triển bình thường của cơ thể động vật được biểu thị thông qua quá trình phân chia và biệt hoá các tế bào. Tuy nhiên, không phải tất cả tế bào sau khi được sinh ra đều tồn tại vĩnh viễn trong quá trình phát triển mà một số tế bào sẽ bị loại bỏ. Sự loại bỏ có thể xảy ra ở bất kỳ giai đoạn nào thời kỳ sinh trưởng của động vật, có thể xảy ra ở giai đoạn phôi thai như trường hợp của tế bào thần kinh, hoặc ở giai đoạn phát dục hoặc ở khoảng giữa thai kỳ đến khi sinh con như trường hợp của noãn bào non trong buồng trứng động vật cái…

Sự loại bỏ tế bào được thực hiện thông qua 2 quá trình chết của tế bào: quá trình chết tự thân (apoptosis) và quá trình chết không do tự thân (necrosis).

(1). Quá trình tế bào chết không do tự thân (necrosis)

Các tác nhân như độc tố vi sinh vật, chấn thương cơ học hoặc các yếu tố bệnh lý khác gây tổn thương tế bào, sau đó tế bào dần dần bị chết đi (hình 30). Trong trường hợp cảm nhiễm vi khuẩn, độc tố xâm nhập vào trong tế bào, phả hủy cấu trúc và chức năng sinh học của tế bào (hình 30-2), tế bào không còn khả năng kiểm soát các phản ứng biến dưỡng, gây ra sự xáo trộn môi trường nội bào, ảnh hưởng đến áp suất thẩm thấu, hậu quả tế bào phìng to, các bào quan trương phồng, nhiễm sắc thể ngưng tụ, kết thành từng khối, cấu trúc màng bị phá vỡ, kết quả tế bào bị nổ tung (hình 30-3). Các sản phẩm gây độc hại từ tế bào thoát ra, gây phản ứng viêm với các mô bào chung quanh (hình 30-4).

Đây là quá trình tế bào chết theo chương trình (apoptosis), không gây ra phản ứng viêm (hình 31).

Hình 31. Quá trình tế bào chết do tự thân (chết theo chương trình-Apoptosis)

Khi tế bào nhận được tín hiệu phong bế bcl-2, protein bcl-2 bị ức chế và tín hiệu được lan truyền khắp tế bào, mở đầu cho quá trình chết tự thân (hình 31-2) với hàng loạt phản ứng dị hoá xảy ra được xúc tác bởi các enzyme nội bào, kết quả các bào quan và nhân bị tiêu hủy (hình 31-2). Đối với nhiểm sắc thể trong nhân và khung xương tế bào, một enzyme thuộc nhóm protease-cystein được gọi là caspase phân giải thành phần protein nhân và khung xương (hình 31-3). Mặc dù các thành phần trong tế bào, tế bào chất và nhân bị phân hủy hoàn toàn, nhưng màng tế bào và màng nhân vẫn còn nguyên vẹn.