Bộ đếm web cho blog miễn phí

Trang chủ  www.docsachysinh.com

Ebook online

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).

 

 

Sửa lần cuối ngày 31/1/2013 - www.docsachysinh.com  

 Hãy cùng nhau chung tay xây dựng cộng đồng Y sinh học của Việt Nam bằng tri thức khoa học!

 Diễn đàn Đọc sách Y Sinh