Trang chủ www.docsachysinh.com
Đọc sách Y sinh || www.docsachysinh.com || Microworld - Macromind
CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG
CÁC HỢP CHẤT PHOSPHATE VÔ CƠ
Phùng Trung Hùng - Nguyễn Phước Long
Phần 1: CẤU TRÚC CÁC HỢP CHẤT
PHOSPHATE VÔ CƠ
Để có một cái nhìn đầy đủ về
những quá trình sinh lý xảy ra trong cơ thể sống, chúng ta cần hiểu rõ cấu trúc
hóa học của các hợp chất tham gia vào các quá trình đó, mà hợp chất phosphate
hầu như luôn luôn xuất hiện. Do vậy, chương này sẽ trình bày về quá trình tìm
kiếm và những kiến thức mới nhất của nhân loại về cấu trúc hóa học của hợp chất
phosphate lõi (condensed phosphate) – loại hợp chất trước đây thường được gọi
với cái tên dài hơn là metaphosphates và hexametaphosphates (nay không còn dùng
nữa).
Cấu trúc của hợp chất
phosphate lõi
Việc xác định được cấu trúc
phân tử của các hợp chất phosphate là một quá trình hết sức gian nan. Vào năm
1816, Berzelius đã quan sát thấy rằng những sản phẩm được tạo ra từ việc nung
nóng acid orthophosphoric (H3PO4) có thể làm kết tủa
protein. Graham sau đó cho rằng mình đã thu được NaPO3 khi nung chảy NaH2PO4
vào năm 1833 và đặt tên cho nó là metaphosphate. Nhưng chỉ ít lâu sau đó,
Fleitmann và Henenberg (1848) đã chứng minh được rằng metaphosphate có cấu trúc
chung là MPO3 (với M là hydrogen hay là một kim loại có hóa trị I).
Có rất nhiều nghiên cứu được tiến hành từ sau đó, trong suốt một trăm năm, các
nhà khoa học không ngừng nghỉ tìm kiếm các hợp chất phosphate mới và đặt tên cho
các sản phẩm mình thu được. Tuy nhiên, sự thật lại quá phủ phàng khi mà hầu hết
các công trình đó đều thất bại vì họ chỉ thu được các “hỗn hợp chất” với thuộc
tính thay đổi ở mỗi lần thí nghiệm (do tỉ lệ nồng độ giữa các chất thay đổi).
Phải mãi đến những năm 50 và 60 của thế kỉ 20, Thilo, Van Wazer, Ebel và Boulle
đã xác định được chính xác cấu trúc và thuộc tính của gốc phosphate trong các
hợp chất và đưa ra được bảng phân loại dựa trên danh pháp của họ.
Theo cách phân loại hiện nay,
các hợp chất phosphate lõi được chia thành cyclophosphate, polyphosphate và
phosphate phân nhánh vô cơ (ultraphosphate).
Hợp chất phosphate vòng
(cyclophosphates)
Hợp chất thật sự được gọi là
cyclophosphate (hay metaphosphate) là những hợp chất anion vòng. Từng bị lẫn lộn
với MPO3 (do Graham đưa ra nhận định sai lầm của mình). Chỉ có 2 đại
diện tiêu biểu cho nhóm này là M3P3O9
(cyclotriphosphate) và M4P4O12
(cyclotetraphosphate), chúng được minh họa trong hình dưới đây.
Người ta chưa thể phân lập
được hợp chất mono- hay di- metaphosphates trên thực tế cũng như chưa có được
những dữ kiện lý thuyết chắc chắn. Nhưng những hợp chất vòng phosphate chứa
nhiều hơn 10 hay 15 nhóm phosphate (crystalline) tồn tại dưới dạng tinh thể đã
được phân lập vào năm 1958 bởi Van Wazer.
Hình 13.1:
Cấu trúc (a) Vòng 3 phosphate và (b) vòng 4 phosphate. M là proton hoặc các kim
loại hóa trị một.
Polyphosphate
Polyphosphate (PolyPs) được
hình thành theo chuẩn tiếp chung là M(n+2)PnO(3n+1).
Các anion của nó tạo thành một chuỗi mà trong đó mỗi nguyên tử của nguyên tố
phosphorus liên kết với phân tử kế cận thông qua hai nguyên tử của nguyên tố
oxygen. Do đó, polyphosphate tạo thành một cấu trúc không phân nhánh, có thể
biểu diễn dưới dạng biểu đồ trong hình dưới đây. Độ lớn của n dao động từ 2 đến
106, và khi giá trị của n tăng lên, tỉ lệ cation/phosphorus xấp xỉ
hợp chất cyclophosphate dẫn đến việc có thể có sự chuyển đổi qua lại giữa hai
loại hợp chất này. Do vậy dễ dẫn đến sự ngộ nhận hai loại chất này là một. Khi n
dao động từ 2-5 thì hợp chất này tồn tại dưới dạng tinh thể bền vững, khi n cao
thì cân bằng chuyển đổi bắt đầu được thiết lập.
Hình 13.2:
Minh họa cấu trúc của
polyphosphate. Ta có thể thấy là hai tiểu đơn vị trong cấu trúc polyphosphate
liên kết với nhau bằng nguyên tử của nguyên tố oxygen.
Khi n = 1 ta có
orthophosphate (Pi), khi n = 2 ta có pyrophosphate (PPi). Cách gọi tên khi n>3
có khác một chút với các hợp chất cyclophosphate, cụ thể khi n = 3 ta sẽ gọi là
tripolyphosphate, n = 4 ta có tetrapolyphosphate,…
Khi n vào khoảng 102
và cation là Na+, ta thu được muối Graham.
Khi n khoảng 2 x 104
và cation là K+, ta thu được một hợp chất có cấu trúc dạng amiang
(asbestos), hay còn gọi là muối Kurrol.
Có một điều rất đáng ghi nhận
là không phải hợp chất polyphosphate nào cũng có thể tồn tại ở dạng tinh thể. Lý
do mà muối Graham không thể kết tinh được là vì cấu trúc này luôn có sự tồn tại
của nhiều chuỗi polyphosphate chỉ khác nhau ở độ dài. Hơn nữa, độ dài các chuỗi
polyphosphate gần bằng nhau của chúng
khiến sự kết tinh cũng khó có thể xảy ra bởi vì sự “kéo dài chuỗi” không
thuận lợi về mặt năng lượng do các chuỗi có thể thay thế lẫn nhau vô trật tự khi
quá trình kết tinh hóa xảy ra. Ngoài ra, yếu tố ảnh hưởng đến độ dài tối đa mà
các hợp chất polyphosphate có khả năng kết tinh đó là sự tăng phân cực của phân
tử.
Bảng 13.1:
Mô tả thành phần của một mẫu muối Graham’s (Dirheimer, 1964). Ta có thể thấy là
luôn tồn tại một lượng cyclophosphate nhất định trong hai mẫu thử pha lẫn với
một loại polyphosphate.
Phosphate vô cơ phân nhánh
(branched inorganic phosphates – ultraphosphates)
Đây là những hợp chất
phosphate cao phân tử không tồn tại dạng mạch thẳng như polyphosphate mà có
những điểm nhánh trong cấu trúc của mình. Ví dụ như nguyên tử nguyên tố
phosphorus liên kết với 3 thay vì 2 nguyên tử nguyên tố phosphorus kế cận.
Hình 13.3:
Cấu trúc phân tử của hợp chất phosphate phân nhánh
Mặc dù các phân tử phosphate
phân nhánh chưa được tìm thấy trong các phân tử sống (có lẽ do chúng bị phân hủy
khá nhanh trong dung dịch nước, nhạy cảm với pH cũng như nhiệt độ cơ thể), hợp
chất này vẫn được tin rằng có tồn tại trong các phân tử sinh học.
Hình 13.4:
Mô phỏng cấu trúc của một số phân tử phosphate phân nhánh. Hình đầu tiên là [Na3H(PO)3)4]n
(Jost, 1968), cấu trúc cuối cùng là [NaMn(PO3)3]n
(Murashova và Chudinova, 1997)
Một vài thuộc tính hóa học
của các hợp chất phosphate lõi vô cơ
Polyphosphate acid là một
acid có hai nhóm hydroxyl (-OH) có khả năng phân ly proton khác nhau. Trong đó,
nhóm hydroxyl phân cắt cuối cùng thể hiện tính acid yếu. Ngược lại, nhóm
hydroxyl đầu tiên lại là một acid rất mạnh nhờ cặp electron dùng chung của nhóm
bị phân cực mạnh về phía chuỗi polyphosphate bởi hiệu ứng liên hợp.
Cyclophosphate thì lại chỉ có
một nhóm hydroxyl có thể hiện tính acid, và nó là nhóm acid mạnh với khả năng
phân ly gần như hoàn toàn. Do vậy người ta dựa vào sự khác nhau này để phân biệt
cyclophosphate và polyphosphate. Phương pháp này lần đầu tiên được dùng để xác
định chiều dài trung bình của chuỗi phosphate lõi vào năm 1950 bởi Wan Wazer và
nó cũng được dùng để phá vỡ đức tin “clyclophosphate và polyphosphate là một” đã
kéo dài hơn một trăm năm trước.
Tất cả muối kiềm của
polyphosphate đều tan trong nước trong đó kali pyrophosphate tan rất nhiều, 100
g nước có thể hòa tan đến 187.4 g K4P2O7. Tuy
nhiên, nhóm muối Kurrol và Maddrell (đại tinh thể phân tử natri polyphosphate)
lại không tan trong nước, riêng nhóm muối Kurrol tan được trong dung dịch
muối kiềm hóa trị I (trừ muối của K+).
Các polyphosphate và
cyclophosphate ổn định trong dung dịch nước trung tính hơn các phosphate phân
nhánh ở nhiệt độ phòng. Sự thủy phân của liên kết P-O-P trong chuỗi
polyphosphate đòi hỏi đến 10 kcal/mol – bằng với năng lượng thủy phân của liên
kết của cyclophosphate và gốc phosphate hoạt động của phân tử ATP.
Hình 13.5:
biểu diễn độ tan của hai polyphosphate trong ethanol
Các hợp chất phosphate phân
nhánh có cấu trúc kém ổn định do vậy khả năng thủy phân của nó trong nước ở 25oC
nhiều hơn 1000 lần so với các polyphosphate (do cấu trúc ổn định và bền vững).
Các polyphosphate và cyclophosphate thủy phân rất chậm ở pH trung tính và nhiệt
độ phòng với thời gian bán hủy của liên kết P-O-P lên tới vài năm.
Hình 13.6:
Mô tả sự thủy phân có qui luật của polyphosphate
Khả năng thủy phân của hai
loại hợp chất này sẽ tăng lên khi tăng nhiệt độ, giảm pH hoặc cho thêm các chất
keo hay các cation nặng vào dung dịch. Các nghiên cứu chỉ ra rằng các hợp chất
polyphosphate thủy phân tuân theo qui luật nhiệt động, sản phẩm thường là một
phân tử orthophosphate và một cyclicphosphate. Vào năm 1958, Van Wazer đã chứng
minh được rằng khả năng thủy phân các hợp chất này phụ thuộc vào sự phân cực của
dung môi.
Hình 13.7:
Mô tả sự thủy phân của một polyphosphate thành cyclophosphate và orthophosphate
Các dạng tồn tại của
polyphosphate trong tế bào
Bằng phương pháp 31P
NMR, người ta thấy được rằng PolyPs có thể tồn tại trong tế bào sống ở dạng tự
do và dạng kết hợp. Những tính chất và vai trò của polyPs đã được nghiên cứu từ
năm 1936 nhưng cho đến nay vẫn chưa sáng tỏ.
Như chúng ta đã biết,
polyphosphate có thể được xem như một polyanions và nhiều công trình nghiên cứu
từ năm 1950 đến nay đã chứng minh được nó có thể tạo thành phức chất với nhiều
cations khác nhau và arginine, spermidline,
lysine,…
Trong đó có cả Ca2+ và Mg2+ - hai cation sinh học quan
trọng. Hằng số phức của Mg-polyphosphate là 1.5 x 10-2M còn
Ca-polyphosphate là 9.3 x 10-2 M.
Phức hợp Polyphosphate-Ca2+-
polyhydroxybutyrate
Phức chất polyhydroxybutyrate
(PHB) và PolyPs có nhiều trên màng tế bào của nhiều loại cơ thể sống. Thành phần
cation có thể thay đổi ở các loài khác nhau, ví dụ như thành phần cation chính
trên màng vi khuẩn E.coli là Ca2+. PHB có khối lượng phân tử khoảng
12kD (từ 130 – 150 đơn vị cấu thành) và các phép sắc kí (chromatography) cho
thấy nó không tan trong dung dịch nước. PolyP có khối lượng phân tử khoảng 5kD,
có thể tạo dạng gel trong dung dịch.
Hình 13.8:
Mô hình kênh PolyP-PHB của Reusch và cộng sự. Khối hình trụ ở giữa mô phỏng cho
polyP và các vị trí gắn với Ca2+, phức hợp polyP-Ca2+ được
bao bọc bởi cấu trúc xoắn PHB.
Cấu trúc của phức hợp
PolyP-PHB trên màng tế bào khá phức tạp và vẫn chưa được thiết lập hoàn chỉnh.
Tuy nhiên người ta đã tìm được một vài tính chất vật lý và tính phân cực của nó.
Phần anion phân cực (PolyP) và phần anion không cân cực PHB không hòa lẫn vào
nhau trong cấu trúc kép của màng tế bào. Có 2 giả thuyết đưa ra về vai trò của
PHB trong việc thành lập các kênh ion. Thuyết thứ nhất của Reusch và cộng sự
(1988), ông cho rằng PHB tạo thành cấu trúc cuộn (và dĩ nhiên nó được cố định
bởi lớp màng kép của tế bào). Thuyết thứ hai của Seebach đưa ra vào năm 1994 cho
rằng PHB tạo thành cấu trúc cuộn xoắn ốc (folded helix form), một cấu trúc rắn
(solid-state). Điểm chung của hai mô hình trên là có sự hiện diện của những
khoảng song song giữa hai phân tử PHB, tại đây có vùng gắn với cation (cation –
binding sites).
Điểm khác biệt của hai mô
hình trên là:
-
Reusch cho rằng PHB có thuộc
tính lỏng và có nhiều dạng hình thái chứ không phải một hình thái đơn lẻ nào.
-
Seebach thì cho rằng, có một
vài phân tử PHB bao quanh một phân tử polyP. Trong đó có những chuỗi PHB đặc
biệt (individual PHB chain) có thể bám vào nhiều vị trí khác nhau trên màng
phospholipid.
Các nhà khoa học vẫn chưa
thống nhất với nhau hoàn toàn về tính chính xác của hai mô hình trên.
Phức hợp polyphosphates và
Nucleic acids
Người ta đã phân lập được
phức hợp polyP-ribonucleic acid ở nhiều loài sinh vật khác nhau. Hầu hết các
nghiên cứu đều hướng đến việc trả lời câu hỏi: Liệu RNA có thực sự liên kết với
polyP không, hay chúng chỉ đơn giản là cùng kết tủa lại với nhau khi tế bào bị
ly giải vì có những thuộc tính hóa lí giống nhau?
Hình 13.9:
Minh họa liên kết của chuỗi polyP và RNA thông qua các các ion của kim loại hóa
trị hai.
Đây là vấn đề hết sức nan
giải. Từ việc khám phá ra rằng không thể tách riêng polyP
và RNA ra khỏi dung dịch có chứa một trong 3 caion là Ba2+, Mg2+,
Ca2+ và một vài cation đặc biệt khác. Sau đó, các nhà khoa học tìm
cách phân lập tỉ lệ thành phần giữa polyP và RNA ở nhiều loại động vật khác
nhau, kéo dài từ năm 1958 cho đến năm 1970. Sau cùng, phương pháp điện di ra đời
và bằng cách phân tích này người ta đã khẳng định chắc chắn rằng có sự tồn tại
của phức hợp polyA – RNA. Tuy nhiên chỉ có một lượng rất nhỏ polyP tồn tại thực
sự trong phức hợp đó mà thôi.
Cũng vào năm 1970,
Belozersky, Kulaev, Stahl và Ebel đã chứng minh được rằng Ca2+ và Mg2+
là hai ion có vai trò quan trọng trong việc tạo thành cấu trúc bền vững –
khó bị ly giải của phức hợp polyP/RNA. Người ta sau đó cũng chứng minh có sự tồn
tại của liên kết hydro và cộng hóa trị trong cấu trúc của phức hợp. Cần lưu ý
rằng cũng có sự tồn tại của phức hợp PHB-polyP song song với RNA-polyP và các
cation hóa trị hai này tạo liên kết với cả hai loại trên.
Vào năm 1999, Kornberg đã tìm
ra mối quan hệ giữa polyP và DNA. Ngày nay đã tìm được các bằng chứng chắn chắn
về vai trò của mối quan hệ này trong việc điều hòa biểu hiện của gene.chắc hẳn
chúng ta không còn xa lạ gì khi nghiên cứu về các lộ trình tín hiệu của tế bào.
Sự liên kết của
polyphosphates với proteins
Vào những năm 60 của thế kỉ
XX, Liss và Langen đã tìm thấy vết tích của sự trùng hợp các tiểu phân polyP
trong nấm, loại vật chất chưa rõ là gì này chỉ có thể được chiết ra trong dung
dịch kiềm mạnh (0.05M) hay nếu được giữ lâu dài trong dung dịch muối CaCl2
loãng. Quan sát cấu trúc bên ngoài thì nó không giống RNA-polyP. Khi cho enzyme
RNAase vào hỗn hợp thì không có hiện tượng gì xảy ra. Từ những dữ kiện đó kết
hợp thêm một số phương pháp vật lí khác, người ta cho rằng đây phải là phức hợp
của polyP với một loại protein nào đó.
Những năm sau đó, người ta
xác định hiện tượng tương tự cũng xảy ra ở động vật có vú bằng cách dùng phép
ghi sắc kí trên hỗn hợp polyP-Zr (zirconia).
Một vài phức hợp
polyP-protein rất quan trọng trong các quá trình điều hòa của tế bào:
-
Người ta đã phân lập được
polyP từ enzyme RNA polymerase được phân lập từ tế vi khuẩn E.coli trong giai
đoạn hằng định (stationary-phase). Hay protease phụ thuộc ATP (ATP-dependent
protease) phân lập được trong quá trình phân giải protein ribosome trong tình
trạng đói amino acid (amino acids starvation),… Ngoài ra, polyP còn có khả năng
cạnh tranh vị trí gắn với DNA tại histones và tương tác với các protein không
phải histone (non-histone protein) trong nhân,…
-
PolyPs và PHB còn là thành
phần của các protein phụ thuộc ion (ion-conducing proteins) như kênh
Ca2+-ATPase ở tế bào
hồng cầu người (1997) và kênh K+ của streptomyces lividans (1999),…
-
Một vài enzyme như
polyphosphate glucokinase và exopolyphosphatase phân tử nặng (high molecular
weight exopolyphosphatase) tham gia vào quá trình chuyển hóa polyP có thể tạo
liên kết chặt với polyP.
Từ các nghiên cứu trên, ta
thấy rằng polyPs trong tế bào có thể liên kết với nhiều loại hợp chất khác nhau,
kể cả polysaccharides (như polyhexamines và chitin). Phản ứng hình thành hợp
chất polyP-polysaccharides phụ thuộc vào độ pH và cả độ dài của chuỗi polyP.
Các tính chất hóa lí của
polyP phụ thuộc rất nhiều vào phần điện tích âm của nó, chính điều này làm cho
chức năng điều hòa của polyP trong tế bào sống rất đa dạng. Các phân tử chuyển
hóa hoạt động như polyPs rất ít tồn tại ở dạng “đơn chất” trong tế bào. Chúng
được phân phối tích cực đến các vị trí khác nhau trong tế bào và thực hiện các
phản ứng hóa sinh để tạo thành các phân tử hoạt động khác.
Như đã nói ở trên, polyPs có
thể tạo hợp chất với các cation sinh học như Ca2+, Mg2+, K+;
với polyhydroxybutyrate và quan trọng nhất là khả năng liên kết với các nucleic
acid và protein. Hầu như chắc chắn rằng, sự tương tác giữa polyPs và những
polymer sinh học khác có sự điều hòa của Ca2+, mặc dù chỉ mới phát
hiện thấy sự tồn tại của phức hợp polyP-polyhydroxybutyrate-Ca2+.
Phần 2: CHỨC NĂNG CÁC HỢP CHẤT
PHOSPHATE VÔ CƠ
Trong phần này, chúng ta sẽ
tìm hiểu các chức năng của các hợp chất polyphosphate và những enzyme phụ thuộc
polyphosphate (polyphosphate-dependent enzyme) chủ yếu ở sinh vật Eukaryote.
Sự dự trữ phosphate
Chúng ta biết rằng phosphorus
là một trong những nguyên tố của sự sống, không một loại tế bào nào có thể tồn
tại mà không có nó. Một trong các mục tiêu của quá trình tiến hóa là nâng cao
khả năng dự trữ phosphate.
Nhiều tác giả tin rằng polyPs
là dạng dự trữ chính của phosphate. Ở dạng này, tế bào có thể sử dụng vào bất kì
lúc nào, đặc biệt là trong tình trạng đói phosphorus (phosphorus starvation).
Năm 1966, Harlold lý giải lý do tại sao polyPs lại là dạng dự trữ tối ưu đối với
tế bào. Ông cho rằng ở dạng polyPs, phosphorus trong tế bào được dự trữ tối ưu
nhất vì nó gây ra một tác dụng rất nhỏ lên áp suất thẩm thấu của tế bào; mặt
khác, nó giúp giữ hằng định nồng độ phosphate cho các chất chuyển hóa như Pi
tự do và ATP.
PolyPs là chất điều hòa nồng
độ Pi cơ bản trong tế bào. Cho dù tế bào có thể thu giữ nhiều Pi
từ môi trường, nếu chúng đang ở trong trạng thái chuyển hóa thấp, tất cả lượng Pi
này sẽ được dự trữ dưới dạng polyPs và nồng độ Pi trong tế bào luôn
được giữ ở mức thấp, phù hợp với mức độ chuyển hóa của nó. Ngược lại, khi tình
trạng đói phosphate xảy ra do các phosphatase trên màng tế bào và hệ thống thu
nhận phosphate bị ức chế, polyPs sẽ chuyển ngược lại thành Pi để duy
trì nồng độ Pi phù hợp.
Sự quan trọng của việc giữ
nồng độ Pi hằng định trong tế bào là vì:
-
Nồng độ Pi là một
yếu tố kiểm soát (controlling factor) mạnh mẽ đến các quá trình hóa sinh của tế
bào.
-
Sự thay đổi nồng độ Pi
trong tế bào sẽ điều hòa áp suất thẩm thấu và pH trong tế bào.
-
Tế bào sẽ bị ngộ độc nếu
lượng Pi tự do trong tế bào quá cao. Lấy ví dụ ở loài Halobacterium
salinarium. Nó có thể lấy đến 90% lượng Pi tự do trong tế bào nhưng
lại không thể chuyển hóa tất cả thành dạng polyPs. Kết quả là Pi dư
thừa sẽ phản ứng với magnesium trong tế bào, tạo ra magnesium phosphate. Chất
này làm biến đổi hình thái của tế bào và sẽ gây chết tế bào.
Ở sinh vật nhân thực, khả
năng dự trữ của Pi dưới dạng polyP phụ thuộc vào các thể khác nhau
của các enzyme polyphosphatase ngoại (exopolyphosphate) và polyphosphatase nội
(endopolyphosphatase)
Cần lưu ý rằng, trong một số
trường hợp, tế bào có thể sử dụng trực tiếp dạng polyP. Đặc biệt là trong các
trường hợp chuyển đổi phosphate không tiêu tốn năng lượng, ví dụ như việc tạo
các liên kết phosphoric anhydride (hay còn gọi là pyrophosphate) tới các hợp
chất khác (như ATP, GPM,…). Vì vậy, ta có thể thấy rằng, không phải tất cả các
trường hợp sử dụng polyPs đều chỉ cần cho việc giải phóng năng lượng trực tiếp.
Hình 13.10:
Cấu trúc ATP và minh họa liên
kết pyrophosphate (O-P-O)
Nguồn năng lượng
Năng lượng từ sự thủy phân
liên kết phosphoanhydride của polyPs tương đồng với ATP. Do vậy nó đóng vai trò
quan trọng trong việc định lượng năng lượng tự do của các hợp chất phosphate. Về
mặt nhiệt động lực học, năng lượng tự do sinh chuẩn tạo ra từ sự thủy phân một
liên kết anhydride là 38 kJ tại pH = 5. Do vậy, nó vừa có thể đóng vai trò là
chất do hoặc chất nhận nhóm phosphate. Belozersky là người đầu tiên trên thế
giới chứng minh được polyP là hợp chất giàu năng lượng được các sinh vật bậc
thấp sử dụng. Ông cũng cho biết, cách thức sử dụng năng lượng tiến hóa theo thời
gian, để cuối cùng hình thành dạng tích trữ năng lượng tối ưu nhất là ATP.
Polyphosphate trong hệ thống
năng lượng sinh học
Ở sinh vật eukaryotes, một
vài bằng chứng về mối quan hệ nhân quả (interrelation) giữa hệ thống AMP-ADP-ATP
và polyPs đã được xác lập. Genes mã hóa cho polyphosphate kinase đã được phát
hiện. (Zhang, 2002). NAD kinase và glucokinase đã mất khả năng sử dụng polyP như
là chất cho phosphate. Điều đó chứng tỏ rằng vai trò của polyPs trong hệ thống
năng lượng sinh học của sinh vật eukaryote đã bị giới hạn. Tuy nhiên, một vài
nghiên cứu cũng đã cho biết, polyPs vẫn được sử dụng để dự trữ năng lượng.
Hình 13.11:
Mô hình kênh polyP-PHB-Ca2+. Giả thuyết về sự vận chuyển của Ca2+
và poP xuyên màng tế bào.
Vai trò của polyP trong hoạt
động của tạo cốt bào
Nghiên cứu tạo cốt bào là
cách tốt nhất để nghiên cứu hầu hết các chức năng quan trọng của polyP trong cơ
thể người. Qua đó, ta có thể xác định được các quá trình biểu hiện gene khác
nhau của hệ enzyme chuyển hóa phụ thuộc polyP; tác dụng của các enzyme điều biến
như vitamin D, corticosteroids, cytokines; chức năng của polyP trong quá trình
truyền tin của tế bào cũng như sự vận chuyển của các ion qua màng tế bào; các
chức năng ngoại bào của polyP (quá trình cốt hóa); các quá trình chuyển hóa sinh
lý bệnh của polyP trong các bệnh về xương.
Tạo cốt bào là tế bào tạo
xương, nó được tạo ra từ tế bào gốc toàn năng ở trung mô (pluripotent
mesenchymal stem cells). Nó tổng hợp và tiết hầu hết chất nền của xương (bone
matrix), như collagen I, proteoglycans, enzyme phosphatase kiềm,… các chất liên
quan trong các quá trình tạo xương.
Sự biệt hóa của tạo cốt bào
có thể chia thành nhiều giai đoạn liên quan đến sự biểu hiện của gene và các quá
trình tổng hợp sinh học, cấu trúc hóa và cốt hóa của chất nền ngoại bào.
-
Giai đoạn tăng trường: Pha
này cần sự tham gia của nhiều gene điều hòa sự tăng trưởng (c-fos,…), chu kì tế
bào (cyclins, histones,…) cũng như là các gene điều hòa sự hình thành chất nền
ngoại bào (collagen týp I, transforming growth factor
β,…) và các protein
gắn (adhension protein) như fibronectin,…
-
Giai đoạn trưởng thành: Pha
này cần sự tăng biểu hiện của các gene liên quan đến sự hoàn thiện cấu trúc chất
nền ngoại bào của xương (như alkaline phosphatase,…).
-
Giai đoạn cốt hóa: Pha này
cần sự tham gia của osteopontin và osteocalcin, chúng có chức năng làm lắng động
hydroxyapatie.
-
Giai đoạn apoptosis: Có sự
tăng biểu hiện của gene mã hóa cho collagen týp I và collagenase.
Mononucleoside polyphosphate
Hình 13.12:
Mô tả cấu trúc của dinucleoside polyphosphate
Các hoạt động của
mononucleoside polyphosphates trong hệ tim mạch đã được mô tả lần đầu tiên năm
1929. Ngày nay, người ta đã biết mononucleoside polyphosphate còn tham gia trong
các quá trình điều hòa co giãn mạch máu, điều hòa hoạt động của tiểu não, các
đáp ứng miễn dịch và đáp ứng của tiểu cầu trong cơ thể người. Mọi hoạt động của
mononucleoside polyphosphate đều thông qua trung gian hai thụ thể chọn lọc
nucleotide P2X (P2X1, P2X2, P2X3, P2X4,
P2X5,P2X6, and P2X7) và P2Y (P2Y1,
P2Y2, P2Y4, P2Y6, P2Y11, P2Y12,
P2Y13, và P2Y14). P2X là kênh thụ thể do ligand điều hành,
kênh này mở ra khi có tín hiệu purinergic, làm thay đổi nhanh tính thấm của màng
tế bào với các kim loại hóa trị I và II. Thụ thể P2Y là một protein với 7 vòng
xoắn xuyên màng, có cơ chế hoạt động qua trung gian protein G, do vậy nó thuộc
họ GPCR và tác động qua lộ trình của inositol triphosphate là chính và một số
các yếu tố khác như phospholipase C và hệ thống cAMP.
Những năm gần đây, cấu trúc
của dinucleoside polyphosphate đã được xác định. Nó có chứa hai base purine hoặc
pyrimidine được nối trung gian bởi chuỗi phosphate có số lượng thay đổi. Đầu
tiên, diadenosine polyphosphate (ApnA, n = 2 – 7) được phân lập trong
dịch cơ thể và tế bào. ApnA có thể là một phân tử neurotransmitter
quan trọng trong hệ thần kinh và kích thích các đáp ứng khác nhau trong hệ tim
mạch, điều chỉnh trương lực mạch máu và chống kết tập tiểu cầu. Ngoài ra, nồng
độ trong tế bào của Ap4A có vai trò quan trọng và trực tiếp trong sự
phát triển và biệt hóa bình thường của tế bào và mô. Ap4A và Ap5A
đặc biệt quan trọng trong tính chất của mạch máu.
Hình 13.13:
Sự điều hòa của thụ thể tiền synaptic dinucleotide. Thụ thể dinucleotide hoạt
hóa dẫn đến sự nhập bào của dòng Ca2+, sau đó Ca2+ hoạt
hóa CaMKII – chất này lại ức chế ngược lại thụ thể dinucleotide. (Tương tự như
cách thức hoạt động của thụ thể tiền synapse của acetylcholine). Mặt khác, sự
hoạt hóa của hệ thống thông tin thứ hai dẫn đến hiện tượng ức chế kép adenylate
cyclase nên làm giảm hoạt động của PKA và điều này khiến cho thụ thể
dinucleotide có ái lực cao hơn, nhạy cảm với diadenosine polyphosphate ngay cả
với nồng độ rất thấp, xuống tới hàng nanomol.
Một số loại dinucleoside
polyphosphate khác, như uridine (5’)-adenosine (5’) tetraphosphate (Up4A)
được phân lập trên bề mặt của tế bào biểu mô. Nó có vai trò điều hòa hoạt động
của hệ mạch, đặc biệt là co mạch.
Nồng độ của nó tăng lên bất thường ở những bệnh nhân bị suy tim trái.
Việc tiết nucleoside
polyphosphate bị bất hoạt bởi các nuceoside triphosphate diphosphohydrolase trên
biểu mô mạch máu và hệ bạch huyết (NTPDase hay ecto-ATPDase hay CD39) và
ecto-5’-nucleotidase (CD73). Các ectohydrolase có mặt trong nhiều loại tế bào,
bao gồm biểu mô của động mạch chủ, tế bào chromaffin, tế bào u gan (human
hepatoma cell Hep-G2),…
Hình 13.14:
Cấu trúc của dinucleoside tetraphosphate và một vài chức năng cơ bản của nó
Trái với các quan niệm cổ
điển trước đây, người ta giờ đã biết rằng các enzyme như adenylate kinase và NDP
kinase cũng cùng biểu hiện trên bề mặt tế bào và điều khiển dòng thác lộ trình
tín hiệu purinergic thông qua 2 con đường cân bằng: Bất hoạt nucleoside
polyphosphates và tái tạo nucleoside polyphosphate.
Sự phát hiện ra hỗn hợp
nucleotide pyrophosphatase/phosphodiesterase (NPP), NTPDase, adenylate kinase và
các enzyme purinergic hòa tan khác vận chuyển trong máu đã phần nào giúp việc
giải thích cơ chế điều hòa nội môi của purine trong sự phân bố mạch máu
(vasculature).