Bộ đếm web cho blog miễn phí

Trang chủ www.docsachysinh.com

Ebook online

 

GIỚI THIỆU MỘT SỐ KÊNH ION CHÍNH TRONG TẾ BÀO

 Phùng Trung Hùng - Phạm Thiên Tánh - Nguyễn Phước Long - Lê Phi Hùng

Đóng và mở kênh ion: Ba trạng thái hoạt động

Tế bào là một hệ thống mở thường xuyên trao đổi chất và năng lượng với môi trường bên ngoài. Khả năng này được đảm bảo nhờ một loạt các cấu trúc vận chuyển tinh vi trải xuyên qua màng lipid kép. Protein tải (transporters) và kênh (channels) là hai nhóm lớn của protein vận chuyển ở màng tế bào. Protein tải còn được gọi là chất mang (carriers) hoặc chất cho thấm qua (permeases) sẽ gắn chặt với các chất tan đặc hiệu được vận chuyển và sẽ trải qua một loạt các biến đổi hình thể dể chuyển chất tan qua màng tế bào. Người ta phân làm 2 nhóm theo nhu cầu năng lượng: tải chủ động và tải thụ động. Trong khi, kênh hình thành nên những ống dẫn xuyên qua lớp lipid kép, khi mở, cho phép những chất tan đặc hiệu (thường là các phân tử vô cơ vừa phải và tích điện) đi qua và nhờ đó mà vào tế bào. Ngược với các tải, kênh tương tác với các chất tan yếu hơn rất nhiều, dễ hiểu là sự vận chuyển qua các kênh xảy ra nhanh hơn nhiều so với các tải: hiệu quả vận chuyển gấp 100000 lần nhanh hơn protein tải nhanh nhất, vào khoảng 100 tỉ ion có thể chảy qua một kênh ion trong một giây. Đối với nước, mặc dù có thể khuếch tán qua lớp lipid kép nhưng tất cả các tế bào đều chứa kênh đặc hiệu (còn gọi là kênh nước hay aquaporins) làm tăng rất lớn tính thấm của màng tế bào với nước.

Với tốc độ vận chuyển khổng lồ của các kênh ion, tế bào sẽ nhanh chóng đạt đến trạng thái cân bằng đối với tất cả các ion giữa 2 bên màng tế bào – trạng thái cân bằng vĩnh viễn, điều đó chẳng khác nào là sự kết thúc cho hệ thống sống luôn vậng động trao đổi, nếu không có một cơ chế điều hòa đóng mở kênh ion. Có 3 trạng thái hoạt động của các kênh ion, ở đây bàn về các kênh ion mà mỗi trạng thái ĐÓNG - MỞ - BẤT HOẠT phụ thuộc vào từng phân độ điện thế màng tế bào biến đổi theo thời gian. Để cụ thể hơn, xin lấy kênh ion Na phụ thuộc điện thế (phổ biến nhất đặc biệt trong các tế bào dễ kích thích như: tế bào cơ bắp, cơ tim, neuron) làm minh họa:

Hình 25.1: A: Một kích thích lên màng tế bào khởi động một sóng ngắn khử cực nhẹ. B: Đường biểu diễn màu xanh cho thấy điện thế màng đáng lẽ sẽ nhanh chóng trở về trạng thái nghỉ ban đầu nếu không có các kênh ion Na phụ thuộc điện thế trên màng tế bào. Sự hồi phục chậm chạp này gây ra bởi sự mở ra của kênh ion K phụ thuộc điện thế đáp ứng với một kích thích, từ đó đưa điện thế màng quay về giá trị cân bằng. Trên thực tế, các kênh ion Na phụ thuộc điện thế đã mở làm biến đổi lớn điện thế màng được biểu diễn bằng đường cong màu đỏ. C: Thể hiện từng trạng thái hoạt động theo thời gian của kênh Na phụ thuộc điện thế (Cụ thể biến đổi sẽ được bàn luận chi tiết trong phần sau). Ngay lúc điện thế màng đạt giá trị khoảng +50mV, kênh Na nhanh chóng bất hoạt và duy trì trạng thái bất hoạt này cho đến khi màng tế bào trở về điện thế nghỉ, mới chuyển sang trạng thái ban đầu “đóng” ở mức điện thế nghỉ màng:           -80mV. Trước lúc này, màng tế bào trơ với kích thích hay không thể phát động sóng khử cực thứ hai

Natri và Kali, kênh và bơm

 

Trước khi tìm hiểu tầm quan trọng của những kim loại kiềm Natri và Kai, chúng ta nên ôn lại thật kỹ cách các ions này được vận chuyển qua màng tế bào. Như đã biết, lớp phospholipid kép của màng sinh học về cơ bản thì không thấm đối với những phân tử phân cực và những ions như Na+ và K+- tính thấm của những ions này (được diễn tả theo cm-1) là từ 10-12, còn đối với H2O là khoảng 10-2 (nên thấm dễ dàng hơn). Vận chuyển qua màng tế bào liên quan đến 2 loại protein màng, đó là kênh và bơm. Kênh thì cho phép các ions đi qua thuậntheo chiều gradient nồng độ qua quá trình vận chuyển thụ động hay khuếch tán có hỗ trợ. Tất nhiên, những kênh này không thể mở liên tục được, và như vậy chúng được đóng (gated), giống như cổng vườn, chúng thường xuyên đóng và chỉ có thể được mở ra khi có ligand gắn vào (ligand-gated) hoặc có sự thay đổi điện thế màng tế bào (voltage-gated). Những kênh ligand-gated, ví dụ như những thụ thể acetylcholine ở màng sau synapse, được mở ra bởi chất dẫn truyền thần kinh acetylcholine; còn những kênh voltage-gated Natri và Kali, điểu biến điện thế động ở những sợi trục thần kinh được mô tả bên dưới, thì lại được mở ra bởi sự khử cực màng tế bào.

Ngược lại, bơm thì sử dụng năng lượng dưới dạng ATP hay ánh sáng để điều khiển sự vận chuyển không thuận lợi của những ions hay phân tử đi ngược chiều gradient nồng độ, nói cách khác, chúng liên quan đến vận chuyển chủ động. Có 2 loại bơm cần ATP là P-type ATPase và ABC (ATP-biding cassette). Chúng đều thay đổi hình dạng khi có ATP gắn vào và kết quả là khử hydro để vận chuyển ions qua màng tế bào.Bơm Na+-K+-ATPase được mô tả bên dưới là một trong những loại P-type ATPases. Cách vận chuyển chủ động khác là dùng gradient điện hoá học của 1 ion để vận chuyển ngược ion khác, được minh hoạ bằng bơm trao đổi Na+/H+ có vai trò rất quan trọng trong việc điều chỉnh pH nội bào. Còn 1 ví dụ khác được đề cập trước đây là bơm trao đổi Na+/Ca2+, quan trọng trong việc lấy Ca2+ ra khỏi tế bào.

 

So sánh Natri và Kali

 

Natri và Kali có rất nhiều trong lớp vỏ trái đất, mặc dù Na thì thường thấy hơn trong nước biển. Lượng Na+ và K+ ở người bình thường ttheo thứ tự là khoảng 1.4 và 2.0 g/kg. Chúng là những ion kim loại quan trong nhất về mặt nồng độ trong cơ thể người. Tuy nhiên chúng phân bố hơi khác nhau. Trong khi ở tế bào của loài động vật có vú, 98% K+ở trong tế bào thì Na+ ngược lại.Sư khác biệt về nồng độ đảm bảo cho 1 loạt quá trình sinh học được xảy ra, ví dụ như sự cân bằng độ thẩm thấu tế bào, sự phiên dịch tín hiệu và dẫn truyền thần kinh. Chúng được duy trì bởi bơm Na+-K+-ATPase, sẽ được đề cập bên dưới. Tuy nhiên, mặc dù chỉ có 2% K+ hiện diện ngoài tế bào, nồng độ K+ ngoại bào này đóng vai trò rất quan trong trong việt duy trì điện thế nghỉ của màng tế bào.Những dòng ion kim loại này quyết định sự dẫn truyền các xung thần kinh trong não và từ não dến các phần khác của cơ thể. Sự đóng và mở của những kênh có cổng ion (gated channels), bình thường đóng ở trong thái nghỉ, và mở đáp ứng lại với những thay đổi điện thế màng, tạo ra những gradient điện hoá học ở phía bên kia của màng bào tương của các neurons. Một xung thần kinh được tạo ra bởi một sóng khử cực/tái cực ngắn ngủi của màng, ngang qua tế bào thần kinh gọi là điện thế động. Hodgkin và Huxley (1952) đã chứng minh rằng cấy một điện cực nhỏ vào một sợi trục ( tiến trình dài xuất phát từ thân tế bào thần kinh) thì tạo ra một điện thế động. Trong ~0.5ms đầu, điện thế màng tăng từ khoản – 60mV lên khoảng +30mV, gây ra sư tái cực nhanh làm tăng quá mức điện thế nghỉ (quá khử cực) trước khi hồi phục một cách chậm chạp. Điện thế động này là kết quả của sự tăng nhanh và ngắn tính thấm của Na+ theo sau sự tăng kéo dài tính thấm của K+. Sự đóng-mở của những kênh ion Na+ và K+ này qua màng sợi trục tạo ra những điện thế động (gradient điện thế cơ bản) xuyên màng, giúp truyền thông tin cũng như điều hoà chức năng tế bào.

Hình 25.2: Biểu đồ của điện thế động. (Voet and Voet, 2004)

 

Sự điều hoà dòng chảy ion xuyên qua màng tế bào hiển nhiên cần thiết cho chức năng của các tế bào sống. Vì tính kỵ nước của màng tế bào (đã đề cập ở trên), sự vận chuyển nhờ năng lượng ưu tiên những loại ions như Na+, K+, Cl-, H+ và Ca2+ đi qua màng mà không tính đến việc cần chúng ở bên này hay bên kia màng sinh học, sẽ không khả thi. Nếu không có gradient ion giúp duy trì nồng độ K cao và nồng độ Na thấp trong tế bào, tế bào sẽ không thể thực hiện những hoạt động chuyển hoá bình thường. Điều này nôm na là vài cỗ máy phân tử phải có khả năng phân biệt giữa ion Na+ và K+ ( giả sử rằng không ngậm nước, vì mức độ  hydrat hoá có thể gây khó khăn cho sự phân biệt này). Vì vậy trước khi bắt đầu thảo luận về những proteins vận chuyển ‘chủ động’ hoặc bơm ion hay bơm trao đổi ion, chúng ta tự hỏi bằng cách nào những chất vận chuyển này nhận ra được sự khác biệt giữa 2 cations có quan hệ chặt chẽ trên.(Được diễn giải trong Corry và Chung, 2006; Goax và MacKinnon, 2005.)

Nếu chúng ta được hỏi câu này trong vài năm về trước, câu trả lời sẽ là không rõ ràng. Tuy nhiên, nhờ những công trình lớn tìm hiểu cấu trúc những proteins màng, hiện giờ chúng ta có thể trả lời được, trên cơ sở càng ngày có càng nhiều cấu trúc X-quang của những proteins vận chuyển ion, bắt đầu thúc đẩy những giả thuyết ngày càng có khả năng thành sự thật. Trong trường hợp của kênh Na+, chúng ta vẫn còn hơi mơ hồ. Tuy nhiên, sự phân biệt thành công cấu trúc của một số lớnkênh K+ của cả vi khuẩn và những loài động vật hữu nhũ cho thấy một bước tiến vượt bậc trong tri thức của loài người về chức năng của những kênh này.

 

Kênh Kali

 

Những kênh K vận chuyển chọn lọc K đi qua màng, làm quá phân cực tế bào, tạo điện thế màng và điều khiển độ dài của điện thế động bên cạnh vô số những chức năng khác nữa. Chúng sử dụng những dạng cổng khác nhau, nhưng chúng lại có tính thấm đối với ion giống nhau. Tất cả kênh K đều có tính chọn lọc theo thứ tự K+ ~ Rb+> Cs+, trong khi sự vận chuyển của những ion kim loại kiềm nhỏ nhất là Na+ và Li+ thì rất chậm – tính thấm của K+ ít nhất gấp 104 lần tính thấm của Na+. Sự xác định cấu trúc X-quang của kênh ion K đã cho phép chúng ta hiểu được cách nó lọc một cách chọn lọc những ion K+ được khử nước hoàn toàn mà không phải là ion Na+ nhỏ hơn. Phân tử lọc này không những chọn lọc ions để được vận chuyển, mà còn là lực đẩy tĩnh điện giữa những ions K với nhau, chúng đi qua phân tử lọc  này trong tài liệu của những nhà khoa học Ấn Độ, cung cấp lực để chuyển những ions K nhau qua kênh với tần số 107-108 một giây. (Được đề cập trong Doyle và cộng sự, 1998, MacKinnon, 2004.)

Hình 25.3: Sơ đồ phác họa mặt cắt ngang kênh K+, cấu tạo một tiểu đơn vị được trải ra.

 

Hình 25.4: (a) Cấu trúc của kênh K+ KcsA với 2 trong 4 tiểu đơn vị được bỏ ra: những vòng xoắn của khe màu đỏ, bộ lọc chọn lọc màu vàng; mật độ electron dọc theo đường đi của ion màu xanh lam. (b) Bộ lọc chọn lọc K+ ( 2 tiểu đơn vị) với 8 nhóm carbonyl (màu đỏ) tương ứng với ion K (màu xanh lục) ở những vị trí 1-4 từ mặt ngoại bào (Từ MacKinnon, 2004. Được vẽ lại với sự cho phép của John Wiley & Sons., Inc.)

 

Kênh K cổng điện thế đầu tiên được xác định là đoạn gene mã hoáđột biến Shaker ở loài ruồi giấm Drosophila. Hiện tại chúng ta có những cấu trúc kênh K của vi khuẩn phụ thuộc pH, những kênh K+ cổng điện thế và cổng calci (calcium-gated) của vi khuẩn và gần đây nhất là kênh K cổng điện thế của động vật hữu nhũ. Điều khó khăn nhất là chúng đều có cấu trúc giống nhau. Chúng đều là tetramers với cấu hình gấp 4 quanh trung tâm K+ - khe chỉ đạo (conducting pore). Trên cơ sở nghiên cứ tính kỵ nước, có 2 phân nhóm kênh K+ liên quan mật thiết với nhau, một nhóm bao gồm những phân đoạn có độ dài 2 màng mỗi tiểu đơn vị và một nhóm có 6. Trong trường hợp sau, ởnhững kênh K+ cổng điện thế của Drosophila và động vật có xương sống, 2 vòng xoắn xuyên màng cuối cùng, S5 và S6 cùng với vòng P (P-loop) liên kết chúng, tạo thành khe chỉ đạo. Nhiều nhóm khác của kênh ions có cấu trúc giống nhau, bao gồm kênh K+ được hoạt hoá bởi Calci (Calcium-activated K+ channel). Nhóm 2 màng bao gồm kênh K+ bên trong thẳng và vài kênh K+ của vi khuẩn. Chúng được tạo thành từ 4 tiểu đơn vị, mỗi cái chỉ có 2 phân đoạn xuyên màng. 2 phân đoạn M1 và M2 giống nhau và vòng khe tạo thành cấu trúc xuyên màng hoàn chỉnh của 2 kênh K+ xuyên màng trên. Sự tương đồng về trình tự rất cao giữa 2 nhóm trong vùng kênh, đặc biệt là trong vùng khe. Các kênh K+ cho phép vài cations hoá trị I đi qua (nhưng không phải là Na), nhưng không cho phép các anions đi qua và bị chặn bởi các cations hoá trị II.

 

Hình 25.5: Hai ions K+ trong bộ lọc chọn lọc được giả định là hiện hữu trong hai cấu hình cụ thể 1, 3 và 2, 4. (Từ MacKinnon, 2004. Được vẽ lại với sự cho phép của John Wiley & Sons., Inc.)

 

Khe dài 4.5nm chứa đựng 3 vùng khác biệt về độ rộng biến thiên. Ở bờ bào tương cấu trúc kênh bắt đầu (khe bên trong) với 4 chuỗi nhánh mang điện tích âm (có thể có vùng cảnh báo để ngăn chặn các anions đi vào kênh). Kênh này rộng 0.6nm, dài 1.8nm.  Khoang (cavity) trung tâm thì rộng hơn, ~ 1nm đường kính và chứa khoảng 50 phân tử nước, giúp cho ion K+ ngậm nước có thể di chuyển qua cấu trúc kỵ nước bên trong của màng. Phần thứ 3 là bộ lọc chọn lọc, được tin là do vòng P tạo nên, chỉ rộng khoảng 0.3nm, cho nên chỉ có ion K+ không ngậm nước là đi qua được. Bộ lọc dài 1.2nm này có 4 vị trí bám cho K thành 1 hàng. Mỗi vị trí này có thể gắn một ion K không ngậm nước, ion K này phản ứng với 8 carbonyl oxygens (những nguyên tử Oxy của chuỗi chính carbonyl hay chuỗi nhánh hydroxyl) của trình tự  amino acid TVGYG được bảo toàn rất cao (Hình 9.2b). Những đột biến ở trình tự này dẫn đến việc kênh không thể phân biệt giữa ion K và ion Na. Kích thước của khoang này phù hợp cho ion K, với khoảng cách K-O trung bình là 0.284nm. Từ một độ electron tương đối của các vị trí bám, rõ ràng là mỗi vị trí chỉ được K bám vào một nửa thời gian. Nói một cách khác, tại bất kỳ thời gian nào, chỉ có 2 vị trí bám bị chiếm giữ, với những phân tử nước trong những vị trí trung gian. Vì vậy, 2 ions K luôn luôn bám vào các vị trí 1 và 3 hoặc 2 và 4 với một phân tử nước kẹp giữa chúng ( Hình 9.3). NHững cấut rúc X-quang cũng ủng hộ cho cơ chế “knock-on” được đề nghị lúc trước, trong đó những ion K có thể băng ngang kênh. Những ion K thêm vào phối trí với 8 phân tử nước được quan sát thấy tại cửa ngoại bào của kênh và trong khong trung tâm. Khi 1 trong những ions này đi đến đoạn cuối của bộ lọc, nó làm mất cân bằng của 2 ion K đã hiện diện từ trước, kết quả là một cột những ion K di chuyển theo cho đến khi một trong số chúng bị chặn lại, và một ion K mới bám vào chỗ của nó trong bộ lọc.

Hình 25.6: Cơ chế chọn lọc ion K+ trong đầu lọc của kênh K+. A: vẽ ion K+ và Na+ bên trong tiền đình. B: vẽ ion K+ và Na+ tại đầu lọc ống dẫn, quan sát theo diện cắt ngang. Ion K+ vừa khít khẩu kính lòng ống, các liên kết đạt khoảng cách thích hợp để hình thành, nước bị loại bỏ hoàn toàn, thay thế bởi oxy gốc carbonyl. Năng lượng sinh ra đủ để bẻ gãy liên kết với nước. Trong khi đó, ion Na có đường kích nguyên tử hơi nhỏ hơn, các liên kết mới không hình thành đủ để tách rời các phân tử nước xung quanh. Mũi tên đậm cho thấy khuynh hướng trở về dạng hydrate hóa mạnh hơn, nhiều phân tử nước cản trở, từ đó không đi qua được đầu lọc

 

Cấu trúc 3-D của kênh K+ 2 lớp xuyên màng của vi khuẩn, KcsA, tương tự với các kênh K+ bên trong thẳng, cho thấy một sự sắp xếp “ teepee nghịch đảo” của phân đoạn M1 và M2 trong một mạng hình vuông xung quanh khe trung tâm, với cửa ngoài hẹp của khe được tạo bởi vòng khe (Hình 9.4a). Thông tin về cách khe mở ra đến từ cấu trúc của kênh K+ 2TM được hoạt hoá bởi Calci của vi khuẩn, MthK (Hình 9.4b), được phân tích về tính liên kết với Calci, có thể xem là cấu hình mở. Những vòng xoắn M2 uốn cong với dư lượng cao glycine được dự trữ, và sự uốn này làm mở cửa nội bào của khe đủ cho các ions thấm qua.

 

 

Hình 25.7: Cấu trúc của các kênh Kali ở trạng thái mở và đóng. Bộ lọc chọn lọc màu cam và dư lượng glycine được dự trữ màu đỏ (Từ Yu et al., 2005. Được vẽ lại với sự cho phép của Blackwell Publishing Ltd.)

 

Kênh Natri

 

Kênh Natri bao gồm một tiểu đơn vị α (260 kDa) được xử lý cao cùng với những tiểu đơn vị β phụ trợ. Tiểu đơn vị α tạo thành khe là đủ cho sự biểu hiện chức năng, nhưng sự phụ thuộc vào động học và điện thế của kênh đóng mở cổng là do các tiểu đơn vị β. Tổ chức xuyên màng được biểu diễn ở Hình 9.5. Tiểu đơn vị α được tổ chức thành bốn domains giống nhau (I-IV), mỗi domains bao gồm 6 vòng xoắn α xuyên màng (S1-S6) và một vòng lặp của khe (pore loop) thêm vào giữa 2 vòng xoắn  S5 và S6, mỗi cái lại giống với từng tiểu đơn vị của những kênh K+ 6TM. Những vòng lặp của khe trải dài ở mặt ngoại, làm hẹp đường vào khe, trong khi các vòng xoắn S5 và S6 trải mặt trong, làm rộng cửa thoát của khe. Phân đoạn  S4 trong mỗi domain bao gồm các amino acids mang điện tích dương trong mỗi vị trí thứ 3. Những phần còn lại (residues) làm nhiệm vụ giữ cổng và di chuyển xuyên màng để khởi phát sự hoạt hoá kênh đáp ứng lại với sự khử cực màng. Một vòng lặp ngắn ở nội bào liên kết với các domains II và IV làm thành cổng bất hoạt, cuộn vào cấu trúc kênh và ngăn cách khe từ bên trong trong suốt quá trình khử cực màng. Nó bao gồm trình tự Ile-Phe-Met-Thr (IFMT) cần thiết cho sự bất hoạt. Những vòng tròn ở những chỗ lõm vào của vòng lặp trong mỗi 4 domains là các amion aicds cấu tạo nên bộ lọc chọn lọc ion: vòng bên ngoài có trình tự EEDD và vòng bên trong là DEKA.

Hình 25.8: Tổ chức xuyên màng tiểu đơn vị α của kênh Na+. Bán kính của nó là 0.2nm.

 

ATPase Natri-Kali

 

Những tế bào động vật hữu nhũ duy trì nồng độ Na thấp (khoảng 12nM) và nồng độ K cao (khoảng 140nM) hơn môi trường ngoại bào (tương ứng là 145 và 4nM). Hệ thống (Na+-K+)- ATPase, duy trì nồng độ K+ nội bào cao và  nồng độ Na+ nội bào thất, được định vị trên màng bào tương và thuộc về họ P-type ATPases. Những thành viên khác thuộc họ này ở những động vật eukaryotes là lưới nguyên sinh màng bào cơ và ATPases Ca màng bào tương, và ở thực vật là H+-ATPase.

Nói chung phản ứng được xúc tác là:

 

 

Kết quả từ sự thay thế 3 ions dương bằng mỗi 2 ions đi vào tế bào, tạo ra điện thế xuyên màng là 50-70 mV và có ý nghĩa sinh lý to lớn. Hơn 1/3 lượng ATP được những tế bào động vật hữu nhũ ở trạng thái nghỉ được dùng để duy trì gradient Na+-K+ nội bào (trong các tế bào não, lượng ATP có thể tăng lên đến 70%). Gradient này điều khiển thể tích tế bào, cho phép các neurons và các tế bào cơ hưng phấn điện, đồng thời điều khiển chuyên chở chủ động đường và các amino acids (được xem xét sau).

 

Sự khử nước ATP phát động quá trình vận chuyển Na+ và K+ không ưu tiên về điện tích ngược chiều gradient nồng độ. Cách thức của quá trình này vẫn chưa được hiểu rõ, nhưng một số quan sát thực nghiệm tổng hợp lại có thể cho ra một cơ chế hợp lý.

 

Hình 25.9: Một mô hình cho sự vận chuyển Na+ và K+ bằng Na+-K+-ATPase(Từ Voet và Voet, 2004)

 

Chìa khoá của những quá trình này là ATPase được phosphoryl hoá bởi ATP với sự có mặt của Na+, và sản phẩm aspartyl phosphate còn lại chỉ được dephosphoryl hoá với sự có mặt của K+. Điều này ngay lập tức gợi ý, được giải thích sơ trong Hình 9.6, rằng enzyme có thể tồn tại dưới 2 dạng khác nhau, E1 và E2, không chỉ khác nhau ở cấu hình, mà cònở hoạt động xúc tác và tính chuyên biệt với ligand. Dạng E1 hướng về bên trong của màng bào tương, có một vị trí bám ái lực cao cho Na+ và phản ứng với ATP để hình thành E1 trung gian aspartyl phosphate “năng lượng cao” ~ P.3Na+. Khi nới lỏng về cấu hình “năng lượng thấp”  E2-P, liên kết Na+ được giải phóng. Mặt bên ngoài của E2-P có ái lực cao với K+, gắn 2K+, và nhóm aspartyl phosphate được khử nước để thành E2.2K+. Sau đó dạng này biến đổi cấu hình thành dạng E1, giải phóng 2K+ vào trong tế bào và cho phép chu trình được lặp lại. 

 

Kết quả là cặp ATP khử nước với vector vận chuyển Na+ và K+ xuyên qua màng bào tương. Sự ức chế (Na+-K+)-ATPase bởi glycosides tim như digitalis(một chất chiết xuất của lá mao địa hoàng), ngăn cản sự dephosphoryl hoá dạng E2-P của enzyme này, là cơ sở cho một số thuốc steroid thường được kê toa để điều trị suy tim sung huyết.

 

Vận chuyển chủ động được điều khiển bởi gradients Na+

 

 Trong khi (Na+-K+)-ATPase có thể phát ra gradients điện thế điện hoá học xuyên qua màng, những gradients tương tự có thể được dùng để làm năng lượng cho vận chuyển chủ động thông qua sự tiêu hao gradient ion. Vì vậy đường và các amino acids có thể được vận chuyển vào trong tế bào bởi đồng vận chuyển phụ thuộc Na+ (Na+-dependent symport). Glucose ăn vào được cô đặc ở những tế bào biểu mô của ruột non bởi bơm đồng vận chuyển phụ thuộc Na+, và sau đó được vận chuyển ra khỏi tế bào đến vòng tuần hoàn cơ thể bằng đơn vận chuyển thụ động trên bờ mao mạch của tế bào ruột non. Để hệ thống này tiếp tục hoạt động, khử nước ATP, để duy trì nồng độ Na nội bào qua (Na+-K+)-ATPase, chắc chắn rất cần thiết.

 

 

Hình 25.10: (a) Bờ bàn chải của tế bào biểu mô ruột non cô đặc glucose từ lumen ruột bằng cách đồng vận chuyển với Na. Quá trình này được điều khiển bởi (Na+-K+)-ATPase ở bờ mao mạch của tế bào ruột non. Sau đó glucose được phóng xuất bởi hệ thống đơn vận chuyển thụ động (Từ Voet và Voet, 2004. Được vẽ lại với sự đồng ý từ John Wiley & Sons., Inc.) (b) 2 vị trí bám của Na trong bơm LeuT phụ thuộc Na+ ( Từ Gouax và MacKinnon, 2005. Bản quyền (2005) Hiệp hội vì sự tiến bộ của Khoa học Mỹ)

 

Bơm LeuT phụ thuộc Na vận chuyển acid amin leucine và Na qua màng tế bào vi khuẩn, sử dụng năng lương của gradient Na để bơm leucine vào trong tế bào. Cấu trúc phân tử của LeuT (Hình 9.7b) cho thấy một phân tử leucine và 2 ion Na+ liên kết với nhau sâu bên trong kênh protein. Những ion Na+ được khử nước hoàn toàn và được bao bọc bởi 5 oặc 6 nguyên tử Oxygen với khoảng cách Na-O trung bình là 0.228nm. Khoảng cách nàynên được so sánh với khoảng cách K-O là 0.284nm được tìm thấy trong kênh Kali, cùng với số nguyên tử Oxygen nhiều hơn (8), cho thấy bán kính lớn hơn của K+. Điều này củng cố thêm những nghiên cứu hoá học về phân tử nhỏ về tầm quan trọng của kích thước khoang tạo nên bởi vị trí bám. Những vị trí chọn lọc cho Li+ ( bán kính 0.060nm), Na+ ( bán kính 0.095 nm) , K+ (bán kính 0.133 nm) và Rb( bán kính 0.148 nm) được tạo ra đơn giản bằng cách điều chỉnh kích thước khoang cho phù hợp với từng ion. Số liệu từ LeuT và kênh K+ ngụ ý rằng tính chuyên biệt của cation kim loại kiềm trong hệ thống sinh học cũng có thể được xác định bằng cách cung cấp một vị trí gắn oxygen có kích thước khoang phù hợp.

 

Bơm trao đổi Natri/ Proton

 

Sự vận chuyển Na qua trung gian chất mang nhằm trao đổi các protons qua màng là một hiện tượng phổ biến trong sinh học, từ vi khuẩn đến loài người. Nó được thực hiện bởi một họ những bơm Na+/H+ cấu thành nên chất mang hoà tan (solute carrier SLC) họ gene SLC9. Chúng được phân loại vào nhóm các vận chuyển chủ động thứ phát, vì lực thúc đẩy là gradient điện hoá học của một trong các ions, thúc đẩy đối vận chuyển của những ions khác. Tuy nhiên, chúng có rất nhiều chức năng. Trong khi ở vi khuẩn như E.coli, gradient H+ chi phối bên trong tạo ra bởi H+-ATPase bên trong màng được dùng để tống xuất Na+, thì ở động vật hữu nhũ, gradient Na bên trong2được tạo thành từ (Na+-K+)-ATPase màng bào tương…. Đối vận chuyển H+ (Hình 9.8)

 

Hình 25.11: Bơm trao đổi Na+/H+ của vi khuẩn và động vật hữu nhũ. Lực đẩy được cung cấp bởi (a) H+-ATPase và (b) Na+/K+-ATPase  ( Từ Orlowski và Grinstein 2004. Với sự cho phép của Spinger Science and Business Media.)

Hình 25.12: Tổ chức xuyên màng và điều hoà của bơm trao đổi Na+/H+ SLC9A1 ở khắp các màng bào tương của động vật hữu nhũ bằng cách liên kết với carbonic anhydrase (CAB). (In lại với sự cho phép từ Li et al., 2006. Bản quyền (2006) Hiệp hội Hoá học Mỹ)

 

Bộ gene của những loài động vật eukaryotes cao cấp hơn có 7-9 proteins giống bơm trao đổi Na+/H+. Loại đầu tiên, SLC9A1 (Hình 9.9) có ở hầu khắp các tế bào của động vật hữu nhũ và định vị trên màng bào tương; nó cũng có thể được tìm thấy ở màng đáy bên của tế bào ruột. Dựa trên mô hình vi tính hoá, như tất cả các bơm trao đổi Na+/H+ khác, người ta dự đoán có 12 phân đoạn trải khắp màng tế bào ở đầu tận N( khoảng 500 amino acid residues), với đầu tận C ưa nước hơn ở trong tế bào và có nhiều chỗ cho sự phosphoryl hoá bởi các protein kinasesvà kiên kết các tác nhân điều hoà khác.

 

 SLC9A1 được xem như có 2 chức năng chính là điều hoà cân bằng nội môi pH bào tương và điều hoà thể tích tế bào. Chức năng thứ nhất, cùng với hệ thống vận chuyển bicarbonate, rất cần thiết cho sự duy trì cân bằng acid-base. Trong khi chức năng thứ hai cung cấp con đường chính cho dòng hấp thu Na+ cùng Cl- và H2O,  cần thiết để khôi phục thể tích tế bào đến mức ổn định hậu quả của sự co rút tế bào do sự tăng cao nhất thời của nồng độ dịch ngoại bào.

 

Sự kích thích ngược hoạt hoá SLC9A1 được xem như chuyển đổi các tín hiệu qua con đường chung do protein kinase hoạt hoá mitogen (mitogen-activated protein kinase: MAPK). Carbonic anhydrase sản xuất HCO3- và H+ từ phản ứng loại nước của CO2, và gần đây người ta chứng minh rằng carbonic anhydrase II (CAII), dạng carbonic anhydrase chiếm ưu thế trong bào tương, điều chỉnh hoạt động của đồng phân SLC9A1 của bơm trao đổi Na+/H+. Khi tế bào tiếp xúc với acid yếu dưới dạng CO2, vận chuyển H+ tăng lên khi CAII và SLC9A1 được đồng thời biểu hiện. CAII gắn với đầu C tận cùng 182 amino acids của bơm trao đổi Na+/H+, và liên kết được tăng cường bởi sự phosphoryl hoá SLC9A1. Điều này cho thấy hoạt động của bơm trao đổi Na+/H+ gắn liền với sư điều hoà pH dựa vào bicarbonate thông qua hoạt động của carbonic anhydrase. (Li et al., 2006).

 

Một số thành viên khác của họ SLC9A được nghĩ rằng có liên quan đến sự tái hấp thu Na+ và HCO3- bởi tế bào biểu mô thận và đường tiêu hoá, trong khi một số khác dường như đóng vai trò trong việc điều hoà hằng định nội môi pH trong các bào quan.

 

Những vai trò khác của K+ nội bào

 

Một số ít enzymes được hoạt hoá bởi K+ - một ví dụ hay là enzyme glycolytic, pyruvate kinase, ở đó vai trò của kim loại này được nghĩ rằng đã định hướng cho phosphoenolpyruvate trong hốc gắn cơ chất. Vì nồng độ K+ và Mg2+ nội bào cao nên chúng là những kim loại ưu thế liên kết với nucleic acids, với Mg2+ hoá trị II liên kết chặt hơn với khung đường-phosphate đa anion nhờ điện tích lớn hơn. Liên kết kim loại làm giảm lực đẩy tĩnh điện giữa những phosphates, làm cân bằng cả base kết đôi lẫn base xếp gần nhau. Điều này được nhất mạnh bằng việc gia tăng nhiệt độ tan chảy của DNA khi có mặt các ion kim loại. Đa số K+ và Mg2+ nội bào được thấy trong liên kết với ribosomes.

 

Nhiễm sắc thể của eukaryotes là mạch thẳng và sự sao chép của đầu tự do của những phân tử mạch thẳng DNA là những vấn đề đặc biệt. Giải trình tự những đầu tận của nhiễm sắc thể cho thấy chúng bao gồm các telomers, là hằng trăm bộ đôi lặp lại của trình tự 6 nucleotides, đối với động vật có xương sống là d(TTAGGG). Những trình tự telomeres nhiều G có thể cuộn lại thành phức hợp G cấp 4, là một cấu trúc DNA thứ cấp bao gồm các mặt phẳng bộ 4 G xếp chồng lên nhau, hoặc là các G-quartets (Hình 9.10), liên kết bởi một mạng lưới liên kết hydro Hoogsteen: cái lỗ ở trung tâm có thể chứa được 1 cation hoá trị I như Na+ và K+, với liên kết phối trí với 4 Oxygens O-6. Quartets có thể xếp chồng lên nhau để tạo thành cấu trúc đa lớp. Những trình tự giàu G lặp lại được tìm thế ở những đầu tận của nhiễm sắc thể eukaryotes (telomeres) có thể tạo thành vài đồng phân không đối xứng, ở đó phức hợp bộ bốn liên quan đến sự cuộn gấp nội phân tử, khi một chuỗi polynucleotide cung cấp 2 hay nhiều hơn các chuỗi cho phức hợp này.

 

 

 

Hình 25.13: Cấu trúc của một phức hợp bộ tứ G.

Hình 25.14:DNA phức hợp bộ 4G (Từ Wozki và Schmidt, 2002. Vẽ lại với sự cho phép từ John Wiley % Sons., Inc)

 

Sự tạo thành và ổn định của phức hợp bộ 4-G DNA trong chuỗi telomere lặp lại trình tự d(TTAGGG) ức chế hoạt động của telomerase, một reverse transciptase chuyên biệt cho ung thư.Enzyme này được hoạt hoá ở 80-90% các khối bướu, nên nó trở thành đích ngắm quan trọng cho liệu pháp can thiệp. Rõ ràng là sư hiểu biết về cấu trúc của phức hợp bộ 4G của telomere người còn nguyên vẹn là điều kiện cần trước hết cho việc sản xuất thuốc hợp lý dựa trên cấu trúc. Cấu trúc gấp của trình tự telomere người trong dung dịch K gần đây được xác định bởi NMR (Hình 9.12), minh hoạ mộttopo gấp phức hợp bộ 4 G nội bào, khá khác biệt với cái được nói trước đây cho Tel22 22 nucleotides trong dung dịch Na+, và là hình thể tiền thân cho trình tự duỗi thẳng Tel26 22 nucleotides trong dung dịch K+ có hoặc không có Na+. Sự thêm vào K+ sẵn sàng chuyển đổi từ hình thể dạng Na+ sang dạng K+ lai phức hợp bộ 4 G. Topo lai phức hợp bộ 4 G này chỉ ra một con đường gấp cấu trúc thứ cấp đơn giản với sự đóng gói hiệu quả cho DNA telomere người duỗi thẳng. Hơn nữa, vì phức hợp bộ 4 G lai telomere này rất có thể là cái được tìm thấy trong môi trường sinh lý, nên cấu trúc topo gấp khác biệt của nó là mục tiêu hấp dẫn cho các thuốc trọng lượng phân tử thấp nhắm trúng đích, bằng cách ổn định những phức hợp bộ 4 telomere, có thể là một chiến lược trị liệu ung thư quan trọng.

Hình 25.15: Sơ đồ giản lược của sự chuyển đổi qua lại giữ các dạng Na+ và K+ của phức hợp bộ 4 G telomere. ( Vẽ lại từ Ambrus et al., 2006, có sự cho phép của Oxford University Press)

 

Kênh Ca2+ phụ thuộc điện thế

 

Các kênh Ca2+ phụ thuộc điện thế là một yếu tố then chốt trong dẫn truyền tín hiệu ở tế bào của sinh vật. Các kênh này là đường vào chủ yếu của Ca2+ trong nhiều loại tế bào và điều hòa các tiến trình nội bào như: co tế bào, chuyển mã gene, dẫn truyền tín hiệu qua synapse và bài tiết hormone. Chúng được nhận loại lần đầu tiên vào năm 1953 bởi Fatt va Katz trong cơ của giáp xác. Các kênh Ca2+ ở động vật có vú được tinh lọc từ cơ xương sau khi phân tích dán nhãn thuốc với chất gắn kết có mang phóng xạ là dihydropyridines (DHPs), phenylalkylamines (PAAs) và benzothiazepines (BTZs) ở thập niên 80.

Hình 25.16: Các lộ trình tín hiệu cơ bản của Ca2+ trong điều hòa nội môi.

 

Sau đó, các kênh Ca2+ cũng được tìm thấy ở cơ tim và cơ trơn, rồi tất cả các mô khác, thậm chí chúng còn được nhân bản. Ban đầu, các tiêu chuẩn phân loại dựa vào các đặc tính dẫn truyền: kênh Ca2+ hoạt hóa ở điện thế cao (high voltage-activated _ HVA channels) được phân biệt với kênh hoạt hóa ở điện thế thấp (low voltage-activated _LVA channels). Sau này nhiều loại kênh Ca2+ khác được đặt tên theo vị trí, chất ức chế riêng làm rối rắm thêm cách gọi. Từ năm 2000, một danh pháp mới cho các kênh Ca2+ phỏng theo danh pháp của các kênh K+ đã được đề nghị bởi hội đồng phụ từ NC-IUPHAR.

 

Hình 25.17:Minh họa cấu tạo của kênh Calcium, lắp ghép từ  5 tiểu phần không đồng dạng nhưng đã được tách rời để quan sát tường tận hơn về cấu hình và vị trí phân bố trong không gian.

 

Kênh Calcium là một phức hợp protein gồm 5 thành phần cấu trúc khác nhau, gọi là các tiểu đơn vị: α1, α2, β, γ và δ(Hình 1). Tiểu đơn vị quan trọng nhất là α1 (212-273kD) chứa trong khoảng từ 1870 đến 2420 amino acid. Tất cả các đặc tính sinh lý học và dược lý học của kênh calcium đều do cấu trúc của tiểu đơn vị này tạo nên: ống dẫn, tính chọn lọc, cảm biến điện thế và những vị trí gắn kết cho tất cả chất kích hoạt cũng như đối kháng kênh calcium hiện biết.

 Hình 25.18: Lược đồ mô tả chi tiết tiểu đơn vị α1 được trải ra. Chúng ta có thể thấy rõ 4 vùng đồng dạng cấu trúc chứa: các đoạn xuyên màng S1-6, đoạn tích điện S4, các cầu nối và đặc biệt là các quai vòng trở lại vào trong lỗ ống. Từng vùng đồng dạng lại có cấu trúc tổng thể tương tự với một đơn phân của kênh K+ và Na+ phụ thuộc điện thế.  Suy luận kênh K+ xuất hiện trước trong quá trình tiến hóa - nguyên bản của những kênh Ca2+ và Na+ sau này là điều hợp lý.

Chi tiết hơn, chúng ta thấy tiểu đơn vị α1 gồm 4 cấu trúc đồng loại lập lại, gọi là vùng, đánh số La mã I, II, III và IV; mỗi cấu trúc chứa 6 đoạn xoắn alpha xuyên màng : S(segment)1, S2, S3, S4, nối với nhau bằng các chuỗi amino acid loại vòng uốn – cầu nối (linker). Bốn vùng (domain) đồng dạng I, II, III, IV sắp xếp theo chiều kim đồng hồ tạo thành một ống dẫn trung tâm. Cầu nối giữa đoạn 6 và 5 tại mỗi vùng uốn lại vào trong ống dẫn được chia làm 3 phần nhỏ: phần bên ngoài tế bào từ S5 đến miệng ống: S5-P, phần lót lòng ống: quai P (P loop) hay vùng P hay SS1-SS2, phần từ miệng ống trở ra ngoài đến S6: S6-P.

 

Cấu trúc mang lại tên “phụ thuộc điện thế” cho kênh là các đoạn S4. Chứa 5 đến 6 amino acid tích điện dương: lysine và arginine, chúng giữ chức năng như một cảm biến điện thế (Hình 3). Cơ chế mở kênh cho các ion Na+, K+, Ca2+ đi qua lại hoàn toàn giống nhau giữa các kênh này.

Hình 25.19: Sự sắp thẳng hàng ngang và dọc các đoạn S4 của các kênh Ca2+ phụ thuộc điện thế. Các amino acid tích điện được đánh dấu màu xám (từĽ. LACINOVÁ.Voltage – dependent calcium channels. Institute of Molecular Physiology and Genetics.Slovak Academy of Science. Slovakia).

 

Quai P quyết định tốc độ dẫn truyền và tính chọn lọc ion của kênh. Bốn amino acid glutamate tìm thấy tại các vị trí E413, E731,E1140, và E1441 (đánh số amino acid theo trình tự α1C-b, Biel et al., 1990) trong một quai P của tất cả các kênh calcium hoạt hóa ở điện thế cao (HVA) tạo nên vị trí gắn có ái lực cao với ion Ca2+ . Chính tại những vị trí đó, aspartate sẽ thay thế cho glutamate ở các kênh Ca hoạt hóa ở điện thế thấp (LVA).Vùng P còn giữ vai trò trong phản ứng của tế bào với sự acid hóa ngoại bào. Khi pH bên ngoài giảm, thường xảy ra trong các giai đoạn khuyết dưỡng, ức chế mạnh dòng ion Ca2+ nhập bào. Các quan sát cho thấy rõ sự loại bỏ proton làm gia tăng dẫn truyền kênh dạng L chỉ khi tiểu đơn vị α1C biểu hiện chung tiểu đơn vị β2a (tham khảo Hofmann et al., 1999).

Vị trí tương tác của tiểu đơn vị α1 với tiểu đơn vị β khu trú ở đoạn nối nội bào vùng I – vùng II. Việc phân tích chi tiết tiểu đơn vị α1 cho thấy có một trình tự bảo tồn cao độ suốt các đồng thể chịu trách nhiệm quá trình tương tác qua lại tên là AID (alpha subunit interaction domain): 428QQ-E–L-GY–WI—E445 (đánh số amino acid theo trình tự α1C-b), Các nghiên cứu sâu hơn xác định chỉ đoạn trình tự 437Y–WI441- mới là chỗ gắn chủ yếu cho tiểu đơn vị β.

Tiểu đơn vị β: đây là một phụ tố nằm bên trong màng tế bào, khối lượng phân tử từ 50-72kDa. Có 4 gene β khác nhau đã được nhận dạng: β1(ở cơ bắp, não và lách, β2 (rất dồi dào ở tim, động mạch chủ, khí quản, phổi và não), β3 (phát hiện trên não và cơ trơn), và β4 (chỉ tìm thấy ở não). Trái ngược với mô não có thể kết hợp phong phú các tiểu đơn vị β, mô tim độc nhất biểu hiện tiểu đơn vị β2.Vị trí β tương tác với α ở cầu nối nội bào AID. Tiểu đơn vị β điều biến động học và sự phụ thuộc điện thế của tiểu đơn vị α thông qua vị trí gắn tương tác AID, cụ thể như thế nào tùy theo loại kênh Ca tại từng mô. Tiểu đơn vị α2δ: hai chuỗi protein liên kết với nhau bằng cầu nối disulfide thành một thể thống nhất, thậm chí được mã hóa trên cùng một gene. Hai chuỗi protein α2 và δ trước tiên được cắt rời ra, sau đó nối lại nhờ nhiều liên kết disulfide. Đã xác định được 3 gene: α2δ-3 duy nhất biểu hiện ở não, α2δ-2 được tìm thấy khá phổ biến, còn α2δ-1 xuất hiện trên tất cả các mô. Biểu hiện của tiểu đơn vị α2δ tác động tới α1 giúp làm tăng mật độ dòng ion và thúc đẩy động học hoạt hóa và bất hoạt của kênh nhanh hơn.

 

Tiểu đơn vị γ: 5 gene mã hóa cho protein γ lần lượt: ở cơ bắp là γ1; ở não là γ2, γ3, γ4; γ5 có thể là một thành phần của kênh Ca dạng L hoặc T ở cơ tim. Chức năng của tiểu đơn vị γ không rõ ràng, chỉ ghi nhận rằng cùng với các tiểu đơn vị còn lại làm thay đổi từ giai đoạn bất hoạt ổn định sang điện thế màng quá phân cực.

 

Hệ thống phân loại

 

Theo tiêu chí đáp ứng với điện thế màng tế bào, người ta phân biệt hai nhóm: hoạt hóa ở điện thế cao(HVA) và hoạt hóa ở điện thế thấp(LVA). Kênh HVA đòi hỏi điện thế màng đạt -30mV để mở, cho dòng Ca2+ lớn qua và duy trì thời gian mở dài. Do đó chúng được đặc tên là kênh Calcium loại L (L-type_L: large and long lasting), phân bố dồi dào trên mô cơ tim, cơ bắp, etc. Các kênh loại L điển hình sẽ bị khóa bởi chất ức chế kênh loại L như: DHPs, PAAs và BTZs. Ngược lại, các kênh LVA hoạt hóa ở mức điện thế âm hơn, vào khoảng -70mV, nhanh chóng trở lại trạng thái ban đầu hay nói cách khác mở ra thoáng qua, cho dòng nhỏ các ion đi qua, mới được đặt là kênh loại T (T-type_T: transient hay tiny). Có thể tìm thấy các kênh loại T ở nhiều mô khác nhau như: tim, não, các hạch rễ sau thần kinh và các mô nội tiết. Ở tim, chúng góp phần vào chức năng tạo nhịp của nút xoang nhĩ và lan truyền điện thế động. Các kênh loại T không nhạy cảm với các chất khóa điển hình tác động kênh loại L và cho đến nay chúng ta vẫn chưa có một chất hoạt hóa hay ức chế đặc hiệu cao nào.

 

Trên các tế bào neuron, một nhóm khác của kênh Ca2+ loại HVA đã được tìm thấy cũng không hề nhạy cảm với các chất khóa loại L. Tính năng dẫn của các loại đó nằm giữa loại L và T. Thế là loại mới được xếp vào nhóm riêng loại N (N-type_neither L-type nor T-type). Sau đó, theo sự nhạy cảm của chúng với các độc chất protein khác nhau phân lập từ ốc và nhện, người ta tiếp tục phân ra thành loại N, loại P, loại Q và loại R (N-, P-, Q-, R-type). Tại nhiều loại tế bào, cấu phần kênh loại P và Q không thể tách biệt thỏa đáng và nhiều nhà nghiên cứu chấp nhận từ kênh loại P/Q khi nhắc đến kênh này. Kênh loại N sẽ bị ức chế đặc thù bởi ω-Conotoxin GVIA, trong lúc loại P/Q và loại R lần lượt bị phong tỏa bằng ω-Agatoxin, IVA và SNX482.

Hình 25.20: Cấu trúc phân tử của các phức chất ức chế kênh Ca2+. Nguồn: Biotrend

 

Phân loại theo gene mã hóa kênh Ca2+ phụ thuộc điện thế

Do gần như toàn bộ đặc tính sinh học của kênh Ca2+ đều do cấu trúc tiểu đơn vị α quy định mà các nhà nghiên cứu chỉ lấy tiểu đơn vị này làm tiêu chí phân loại. Hiện nay, 10 gene khác nhau mã hóa  cho tiểu đơn vị α đã được nhận dạng ở động vật có xương sống: α1s trên tế bào cơ xương; theo sau là α1c ở cơ tim và cơ trơn; α1D được nhân bản từ tế bào β tụy và neuron rồi được đặt thuật ngữ: loại kênh calcium của tế bào nội tiết- neuron (neuroendocrine calcium channel type); bổ sung thêm vào nhóm L có α1F mà chỉ có thể tìm thấy tại võng mạc, etc. Bảng dưới đây sắp xếp các kênh Ca2+ theo các cách đặt tên danh pháp khác nhau và danh pháp thống nhất của IUPHAR, kèm theo chất khóa kênh đặc hiệu:

 

Bảng 25.1: Bảng phân loại kênh Ca2+ theo các quan điểm cổ điển và hiện đại. Nguồn: Biotrend.

 

Hai loại kênh Ca2+ khác được nhận diện trên vài tế bào khối cơ tim: α1E, các tế bào nội tiết tim bài tiết nhiều peptides có hoạt tính tim mạch, chẳng hạn ANP – atrionatriuretic peptides; thứ hai, tế bào tự phát nhịp của nút xoang nhĩ và nhĩ thất sở hữu kênh T: α1G, α1H (tính tự phát nhịp liên hệ kênh dạng T sẽ bàn luận sau).

 

Hoạt động đóng – mở và bất hoạt:

 

Pha 2: pha bình nguyên trong đường biểu diễn điện thế động tế bào cơ thất.

Sóng khử cực lan truyền đến kênh, các đoạn S4 tích điện dương cảm ứng với điện thế dương bên trong màng tế bào, di chuyển qua lớp lipid kép ra vùng bên ngoài tế bào (khoảng 20A). Chuyển động của S4 thông qua đoạn nối S4-S5 tiếp tục gây ra sự dời chỗ của đoạn S5, S6 vốn tạo nên cổng đưa đến sự mở ống dẫn P. Nhưng đoạn S4 chuyển động cụ thể như thế nào vẫn còn bàn cãi: kiểu quét mái chèo hay kiểu xoắn ốc qua màng lớp lipid kép đáp ứng với sự thay đổi điện thế.

Khi đến điện thế thích hợp kênh Ca2+ dạng L mở ra cho phép dòng ion Ca2+ tràn vào tế bào, tạo ra điện thế ổn định tương đối bù lại sự xuất bào của ion K. Thật ra, lượng Ca2+ nhập bào qua kênh dạng L rất nhỏ, bản thân lượng điện tích này không đủ duy trì điện thế màng tế bào cao trong pha 2 mà do kết quả thứ phát là sự phóng thích ion Ca2+ từ hệ lưới nội cơ tương. Dòng ion Ca2+ đi ở pha 2 chỉ có tác dụng kích hoạt phóng thích ion Ca2+ dự trữ trong lưới nội cơ tương gây co cơ.

 

Sự bất hoạt

 

Kênh Ca2+ có 2 cơ chế bất hoạt: nhanh và chậm. Cơ chế bất hoạt chậm phổ biến ở trong mọi kênh Ca2+ hoạt hóa ở điện thế cao (HVA) phụ thuộc vào điện thế màng tế bào, trong khi biến đổi bất hoạt nhanh xuất phát từ nồng độ ion Ca2+ nội bào. Động học của sự bất hoạt chậm quyết định lượng ion Ca2+ đi qua và khác một cách đáng kể trong nhiểu dạng kênh Ca2+ khác nhau. Kết quả nghiên cứu còn mơ hồ về cấu trúc quy định chính xác tính chất phụ thuộc điện thế của kênh Ca2+ mô tim: đoạn S6 I, vùng nằm gần đó phối hợp các amino acids phía đầu tận carboxyl.

Bất hoạt phụ thuộc ion Ca2+ là cơ chế phản hồi âm do nồng độ ion Ca2+ nội bào ngăn cản sự quá tải ion Ca2+ từ đó thúc đẩy bất hoạt kênh. Cơ chế này thấy rất rõ ở cơ tim và cơ trơn tác động qua tiểu đơn vị α1. Một trình tự đặc biệt IQ đòi hỏi phải hiện diện ở chuỗi tận carboxyl. Việc gắn ion Ca2+ vào Calmodulin (CaM) sau đó cho phép CaM tương tác với trình tự IQ của tiểu đơn vị α kéo theo sự bất hoạt nhanh của kênh Ca2+. Các bước chi tiết xảy ra như thế nào cho đến nay vẫn tiếp tục được làm sáng tỏ. Khi tất cả cơ chế bất hoạt từ từ bị loại bỏ, màng tế bào trở về điện thế ban đầu thích hợp cho kênh Ca2+ chuyển sang trạng thái đóng, sẵn sàng cho một chu kỳ tinh tế khác.

 

Điều biến kênh Ca2+ bởi cAMP:

 

Tác động tăng sực co bóp chủ yếu của catecholamines là gây ra sự tăng dẫn ion Ca2+ nhập bào qua các kênh dạng L từ 3 đến 7 lần qua cơ chế phosphoryl hóa phụ thuộc cAMP (cAMP-dependent phosphorylation) tiểu đơn vị α1C. Cơ chế này làm kênh Ca2+ mở dễ dàng hơn, rộng hơn và lâu hơn trong quá trình khử cực. Điều này dẫn đến tăng lượng ion Ca2+ nội bào một cách phong phú suốt một loạt kích thích nhanh hoặc sau một sử cực mạnh. Cơ chế chính xác sự phosphoryl hóa tác động lên kênh Ca2+ dạng L cho đến nay vẫn chưa được hiểu biết đầy đủ. Trước kia, tác giả Gao cùng đồng nghiệp báo cáo rằng sự kích thích do cAMP làm phosphoryl hóa vị trí Ser1928 dẫn đến làm tăng dòng ion. Các kết quả hiện đại lại chứng tỏ ngược lại có thể quan sát thấy dòng ion Ca2+ nhập bào mô tim một cách thuận lợi qua các kênh dạng L không hề chứa vị trí Ser1928 trước đó gắn phosphate bằng enzyme cAMP kinase. Cần nhiều nghiên cứu hơn để tìm hiểu cơ chế kích thích gia tăng hoạt động của kênh dạng L phụ thuộc cAMP.

 

Hình 25.21: Hình ảnh minh họa của kênh Ca2+ trên ti thể. Ca2+ xâm nhạp từ bên ngoài tế bào hoặc được giải phóng từ ER tạo nên môi trường có nồng độ Ca2+ cao lân cận ti thể đủ để hoạt hóa hệ thống thu nhận Ca2+ ái lực thấp của nó.

 

Đặc điểm dược lý học của kênh Ca2+ phụ thuộc điện thế cao:

Tiểu đơn vị α1 chứa các vị trí tương tác với các tiểu phần bổ trợ, nơi gắn vững chắc cho những chất hoạt hóa và ức chế, nơi phosphoryl hóa khác nhau cho các protein kinase khác nhau như: PKA (protein kinase A), PKC (protein kinase C), CaMKII (calmodulin- dependent protein kinase type II) và các vị trí tương tác với G-protein.. Cả 3 nhóm này đều gắn vào trình tự lặp lại S6 vùng IV của tiểu đơn vị α, đối với DHPs thêm vùng III và I.DHPs

 

Hình 25.22: cho thấy vị trí mà các thuốc chẹn kênh Ca2+ bám vào. Các amino acids bảo tồn giữa kênh L nhạy DHPs với dạng không L – không nhạy DHPs được đánh dấu bằng đầu mũi tên. Nguồn: Heart physiology and Pathology.

DHPs lại ưu tiên chọn lọc khóa kênh Ca2+ dạng L trên cơ trơn mạch máu hơn là kênh này trên cơ tim mặc dù chúng biểu hiện cùng một kênh L như nhau. Các phân tích chi tiết trình tự amino acids tiết lộ rằng exon 8 mã hóa cho S6 vùng I được phân cắt (slicing) khác nhau dẫn đến biểu hiện khác nhau trên cơ tim và cơ trơn mạch máu. Bằng các phương pháp phân tích bằng đột biến, người ta đã có thể chứng minh rằng đoạn S6 vùng I liên quan đến tính chọn lọc khác nhau của DHPs lên kênh L cơ tim và cơ trơn mạch máu.

 

Verapamil là chất đối kháng Ca2+ đầu tiên được nhận dạng và đặt tên bới Fleckenstein năm 1960. Nó thuộc nhóm phenylalkylamines bám vào các vị trí nội bào. Ngược lại, các thuốc nhóm benzothiazepines như Diltiazem tương tác với các vị trí ngoại bào tiểu đơn vị α1.

 

Kênh Ca2+ phụ thuộc điện thế loại T

 

Kênh dạng T đóng góp vào sự tự hưng phấn phát nhịp của nút xoang nhĩ: khử cực nhỏ và từ từ. Cấu tạo tiểu đơn vị α1hoàn chỉnh và thành phần phối hợp của kênh Ca2+ dạng T cơ tim và cơ trơn hiện tại chưa sáng tỏ.

Hình 25.23: Sơ đồ cấu tạo kênh Ca2+ dạng T. Đầu chọn lọc – quai P vùng I, II chứa nhiều amino acid glutamate, trong khi vùng III và IV thay bằng aspartate. E: glutamate, D: aspartate. Nguồn: Heart physiology and Pathology. Part II.Chapter13.

So với kênh Ca2+ loại L, điện thế hoạt hóa kênh loại T thấp hơn -70mV chuyển sang giai đoạn bất hoạt nhanh hơn, chỉ mở thoáng qua, cho dòng nhỏ các ion đi qua, được gọi là kênh loại T (T-type_T: transient hay tiny). Kênh Ca2+ phụ thuộc điện thế thấp (LVA) biểu hiện ưu thế trên tế bào nút xoang nhĩ, tâm nhĩ, nhưng cũng được tìm thấy khiêm tốn hơn ở cơ trơn mạch máu. Vùng I và II kênh T, quai P vẫn giữ nhiều glutamate tương tự như kênh L, nhưng thay vào những vị trí glutamate  là aspartate trên quai P vùng III và IV.

 

Sự điều hòa kênh Ca2+ dạng T bởi điện thế:

 

Biến đổi động học hoạt hóa và bất hoạt của kênh T là một đặc tính của tiểu đơn vị α và thiếu sự điều biến từ các tiểu đơn vị β.α2δ, và γ. Kênh Ca2+ dạng T mở ở điện thế quá phân cực hơn 20-30 mV so với kênh L, tức khoảng -70 mV, đạt biên độ dòng đỉnh xung quanh điện thế -20 mV. Sự bất hoạt diễn ra nhanh và hoàn toàn phụ thuộc cấu trúc nội tại. Giữa kênh T và kênh L không có sự khác biệt trọng yếu nào ở những đoạn S4 tích điện dương. Các cấu trúc quyết định cơ chế tính chất hoạt động vẫn đang chờ kết quả nghiên cứu mới.

 

Dược lý học của kênh Ca2+ dạng T:

Kênh Ca2+ dạng T không nhạy cảm với DHPs.

 

Trong tất cả các mô hiện diện kênh T, bao gồm mô cơ tim, các dòng ion Ca2+ qua kênh T chìm lấp dưới dòng ion Ca2+ qua kênh Ca hoạt hóa phụ thuộc điện thế cao (HVA) và chỉ có thể được phân tích khi loại trừ sự chồng chéo lên nhau bằng kỹ thuật dược lý học. Người ta đã phân lập 3 gene của nhóm kênh T: α1G, α1H, 2 gene này mã hóa kênh Ca2+ dạng T trên tim và α1I trên neuron. Tiểu đơn vị α1H bị chặn bởi amlodipine nồng độ dưới mM. Thuốc chẹn kênh Ca mibefradil có ái lực với kênh T gấp 10 lần hơn DHPs, ức chế cả α1G và α1H với IC50 (nồng độ ức chế trung bình) với liều lần lượt 1.2 và 0.4µM. Độc tố bọ cạp mới nhận dạng gần đây – kurtoxin chặn tiểu đơn vị α1G, IC50 là 15nM theo cơ chế xen ngang cổng. Ion Ni2+ ức chế lần lượt α1G, α1H với liều IC50 là 10 µM và 1mM. α1G còn bị chặn đứng bởi nồng độ điều trị (therapeutical concentration) trong qui mô nhỏ bởi ethosuximide và phenytoin.

 

Tổng kết

 

Ion Ca2+ đi vào tế bào cơ tim trong điện thế động thông qua các kênh Ca2+ phụ thuộc điện thế. Hai nhóm lớn có mặt ở tim gồm: hoạt hóa ở điện thế cao dạng L và hoạt hóa ở điện thế thấp dạng T. Tiểu đơn vị α1là thành phần tối quan trọng chứa ống dẫn, cảm biến, đầu lọc, cấu trúc cần cho sự bất hoạt, cho sự hoạt hóa và vị trí gắn kết của các hóa chất ngăn chặn. Các thành phần α2δ, β, γ tương tác với α1 nhằm biến đổi sự phụ thuộc vào điện thế khi đóng mở, tăng hay giảm lưu lượng ion theo cơ chế chưa rõ ràng. Các chất chẹn kênh Ca2+ dạng L ví dụ: DHPs, BTZs, PAAs gắn lên đoạn S5III, S6III, và S6IV (DHPs) hoặc S6III và S6IV (PAAs và BTZs). Kênh Ca dạng L trên cơ tim còn được điều hòa bởi cơ chế cAMP và sự phosphoryl hóa phụ thuộc PKC làm tăng dòng ion Ca2+ nhập bào. Kênh Ca là mục tiêu tác động chủ yếu của các thuốc tăng huyết áp, chống loạn nhịp và các bệnh thần kinh trung ương.

 

Sửa lần cuối ngày 11/9/2012 - 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