Bộ đếm web cho blog miễn phí

Trang chủ www.docsachysinh.com

Ebook online

Đọc sách Y sinh || www.docsachysinh.com || Microworld - Macromind

NITRIC OXIDE

Phùng Trung Hùng - Nguyễn Phước Long

Tổng quan về Nitric oxide

Từ lâu loài người đã tin rằng các tín hiệu giữ vai trò liên lạc giữa các tế bào với nhau là các phân tử phức tạp như protein hay peptide, lipid,… Ngày nay, đã có nhiều bằng chứng rõ ràng rằng có một nhóm phân tử tín hiệu khác, đơn giản hơn nhiều và tồn tại ở dạng khí đóng vai trò thông tin quan trọng trong hầu hết các loại mô của cơ thể.

Nhóm phân tử này bao gồm NO, CO và H2S. Các mục tiêu đặc hiệu của nhóm phân tử này là tế bào cơ trơn, neurons và hệ thống dạ dày ruột. Người ta tin rằng vẫn còn những phân tử tín hiệu khác trong nhóm này sẽ được tìm thấy. Tuy nhiên, khi các lộ trình tín hiệu của các phân tử khác còn đang bỏ ngỏ, cơ chế hoạt động của NO đã được nghiên cứu rất nhiều (hơn 100000 báo cáo riêng lẽ) và người ta đã biết rằng nó là một phân tử thông tin rất quan trọng trong cơ thể.

NO là một phân tử tín hiệu mới được phát hiện (1980s) trong hệ thống sinh học của cơ thể người. Các nhà khoa học phát hiện ra nó bao gồm R. Furchgott, L. Ignarro và F. Murad đã được giải Nobel sinh lý học năm 1998. Nó đóng vai trò quan trọng trong cơ chế cầm máu và trong tế bào cơ trơn (đặc biệt là cơ trơn mạch máu), neuron và hệ thống dạ dày ruột. Do vậy, NO tham gia hầu hết các quá trình sống của chúng ta như sự tỉnh thức, tiêu hóa, chức năng sinh dục, cảm giác đau, cảm giác hài lòng, gợi kí ức và giấc ngủ. Quan trọng hơn cả, cách thức hoạt động của nó sẽ quyết định đến quá trình lão hóa của chúng ta. Nó gần như đóng vai trò quan trọng trong các trường hợp chúng ta chết do bệnh tim mạch, đột quỵ, tiểu đường và ung thư. Các triển vọng mới trong khả năng kiểm soát khả năng của NO mang lại kì vọng cho khả năng nâng cao chất lượng sống của con người trong tương lai.

Hình 36.1: Minh họa sự liên hệ giữa cách hoạt động và nồng độ của NO.

Nhìn ngược lại quá khứ, các nghiên cứu về NO tập trung vào thuộc tính hóa học và hóa sinh học của nó trong cơ thể sống. Tuy nhiên, khi hiểu biết của loài người về hoạt động sinh học và sinh lý học của NO đạt được một số thành tựu, người ta đã xác định được rằng hoạt tính hóa học của NO trên các đáp ứng sinh học đặc hiệu phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ của nó. Dựa vào sự kiểm tra nhiều protein được biết đến như là các chất điều biến post-translational bởi NO/RNS, người ta phát hiện ra rằng NO hoạt động theo nguyên tắc oxi hóa khử. Ví dụ, khi nồng độ NO vào khoảng 10-30 nM, nó hoạt động thông qua lộ trình tín hiệu cGMP của ERK trong cả MCF7 và tế bào nội mô. Ở nồng độ 30-60 nM, NO tham gia lộ trình tín hiệu phosphoryl hóa của Akt. Khi nồng độ lên đến khoảng 100 nM, nó làm cho hoạt tính của yếu tố hypoxia inducible factor (HIF-1α) ổn định. Ở nồng độ trên 400 nM, p53 có thể bị phosphoryl hóa và acetyl hóa. Khi nồng độ của NO vào khoảng đơn vị µM, các quá trình nitro hóa protein (như PARP, poly ADP-ribose polymerase) và các enzyme caspase xảy ra. Nồng độ NO cao như vậy sẽ ức chế hoạt động hô hấp của ti thể.

Yếu tố động học và sự tương tác với các phân tử đích

Hình 36.2: Sự tác động của yếu tố động học đến các hoạt động phụ thuộc vào nồng độ của NO

Có nhiều yếu tố khác nhau trong cơ thể điều hòa nồng độ của NO và vì vậy quyết định sự hoạt hóa các lộ trình tín hiệu khác nhau một cách chọn lọc. Nồng độ NO nội sinh dao động từ mức cơ sở như trong tế bào nội mô (<2 nM) đến mức hoạt hóa toàn bộ đại thực bào (> 1µM). Mức độ dao động nồng độ rộng và thuộc tính hóa học của NO khiến nó trở thành một tác nhân truyền tín hiệu rất linh động trong hệ thống tín hiệu của cơ thể. Trong các tác động phụ thuộc vào nồng độ, các yếu tố tế bào và yếu tố hóa sinh tham gia cùng lộ trình tín hiệu của NO cần phải được tìm hiểu nhiều hơn để có thể hiểu trọn vẹn sự phức tạp và đa dạng về hoạt động của NO. Các yếu tố này liên quan đến lượng NO được tạo thành, khả năng khuếch tán, mức độ hoạt động của các gốc tự do liên quan đến NO (RNS) với phân tử đích.

Cơ chế hình thành NO

Mặc dù có nhiều cơ chế giải thích sự hình thành NO (liên quan đến hoạt động của acid HNO2, HNO3 và sự khử các nitrite nói chung), sự hình thành NO trong động vật có vú là quá trình có sự tham gia của enzyme NO synthase (NOS). Họ enzyme này chuyển arginine thành citrulline và NO trong phản ứng có sự tham gia của NADPH và Oxygen. Cơ chế cụ thể của quá trình tổng hợp NO sẽ được trình bày trong chương “Lộ trình tín hiệu”.

Hình 36.3: Các thành phần cấu thành NOS được mô tả trên sơ đồ trên. Domain có chức reductase trên hình trên được biểu thị kèm với vị trí gắn của hai phân tử flavin. Calmodulin gắn ion Ca2+ và có chức năng hoạt hóa NOS. Cơ chế hoạt hóa NOS bằng calmodulin vẫn còn được nghiên cứu thêm.

Các yếu tố (factors)tín hiệu RNS

NO và các RNS (NO2, ONOO-, N2O3,…) được tạo ra từ NO là các tác nhân tín hiệu quan trọng trong tế bào. RNS có nhiều tác đích trong tế bào, bao gồm các thiols, lipiad và các acmino acid thơm. Quá trình nhiễm độc tế bào nặng (severe cytotoxicity) có thể xảy ra nếu hoạt tính hóa sinh học của các tính hiệu bình thường bị suy yếu do sự biến đổi kết cấu hóa học của các phân tử trên bởi tác dụng của RNS. Do vậy, nồng độ NO cao sẽ làm tăng xác suất của các tương tác hóa học không như ý, khiến tế bào dễ bị nhiễm độc hơn.

Sự hình thành các RNS bởi phản ứng NO/O2- hay NO/O2 xảy ra tại các vị trí khác nhau trong tế bào. Các phân tử hoạt động trung gian có tính ái điện tử, do vậy pKa của các cơ chất có vai trò quyết định yếu tố nhiệt động học của phản ứng. Các RNS cơ bản là N2O3, NO2 và peroxynitrite (ONOO-). Trong đó, peroxynitrite là sản phẩm sinh ra chủ yếu trong quá trình hoạt động của NO, còn N2O3 và NO2 có thể được sinh ra bởi sự tự oxi hóa khử của NO và phản ứng NO/O2-.

Phản ứng NO/O2- tạo thành peroxynitrite là một trong những phản ứng hóa học nhanh nhất trong tự nhiên. Khi O2- có thời gian sống ngắn, phản ứng này xảy ra trong môi trường dung dịch nước của mô. Trong cơ thể, peroxynitrite phản ứng nhanh với CO2, và chỉ trong vài mili giây, nó tạo thành ONOOCO2- và phản ứng tiếp tục xảy ra theo thứ tự sau đây:

Sau đó NO2 có thể phản ứng tiếp với NO để tạo thành N2O3. Điều quan trọng cần phải đặc biệt lưu ý là, phản ứng này cung cấp một “shunt RNS” khiến cho NO không thể tương tác trực tiếp được với các mục tiêu và làm giảm hoạt tính của nó. Do vậy, các phản ứng này tạo thành một cơ chế điều biến hoạt tính oxi hóa/nitro hóa tại các vị trí đặc biệt trong tế bào.

Ngoài ra, năng lực khuếch tán của các gốc tự do này cũng rất quan trọng. Ví dụ, ONOOCO2- không có sự di chuyển đáng kể hay di chuyển xuyên màng nhờ nó mang điện tích và đời sống ngắn. N2O3 có chu kì bán hủy là 1 ms và bị thủy phân thành nitrite trong môi trường nước (phản ứng rất thuận lợi về mặt năng lượng). Trong tế bào chất, thời gian sống của N2O3 còn giảm đáng kể hơn do nó có phản ứng với glutathione (GSN) (1 – 10 mM) để tạo thành S-nitrosoglutathione. Màng tế bào có ít phân tử ái nhân và nước hơn, N2O3 có thời gian sống lâu hơn tăng xác suất tương tác với các phân tử đích đặc hiệu cũng tăng lên.

Ngược lại, NO2 không thủy phân ở môi trường nước trung tính nếu không có tác chất tích hợp. Do vậy, thay vì bị thủy phân trong nước, nó phản ứng với NO để hình thành N2O3 như đã đề cập ở trên hoặc có thể nhị hợp hóa để tạo thành N2O4. Khi nồng độ của NO2 cao, phản ứng nhị hợp hóa là phản ứng chính, tuy nhiên, nồng độ này thường không thể đạt được ở trong cơ thể sống. Do vậy, NO quyết định thời gian tồn tại của NO2 trong dung dịch nước.

Chức năng của hệ thống NO

Sự hô hấp tế bào

Bình thường NO được hình thành bởi eNOS và làm giảm ái lực của cytochrome C oxidase với oxygen và do vậy điều hòa quá trình hô hấp của tế bào. Hoạt động của iNOS có thể kéo dài và nó ức chế chuỗi hô hấp do tạo ra môi trường có nồng độ NO cao, dẫn đến sự hủy hoại tế bào bởi hoạt tính nitro hóa (đã nói ở trên). Những cơ chế này rất phức tạp, bởi vì dẫu cho nồng độ NO cao, cytochrome C oxidase vẫn không bị bất hoạt hoàn toàn do có một cơ chế nào đó chống lại. NO cũng điều hành sự hình thành ti thể và do vậy tăng cường khả năng chuyển hóa oxi hóa khử của tế bào. Các quá trình này bị thay đổi sẽ gây ra các tình trạng bệnh lý, một ví dụ quan trọng là tình trạng thoái hóa tế bào neuron (neurodegeneration).

Hệ tim mạch

NO là một phân từ điều hòa chức năng quan trọng trong hệ thống tim mạch. Trong hệ thống này, nó đóng vai trò là một chất giãn mạch. Ngoài ra, nó còn liên quan đến sự tăng sinh và di chuyển của tế bào,  sự phân giải fibrin, sự kết tập tiểu cầu và bạch cầu, quá trình tái tạo mạch máu,… Các chức năng này đã được đề cập chi tiết trong phần cơ trơn mạch máu.

NO và sự lành vết thương

Hình 36.4: Chi tiết phản ứng tạo thành citrulline và giải phóng NO từ L-arginine.

Từ lâu, người ta đã biết nồng độ L-arginine đóng vai trò quan trọng trong cơ chế liền vết thương ngoài da. Ban đầu người ta nghĩ rằng L-arginine điều hòa các hormone tăng trưởng nhưng sau đó các nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng, sự bổ sung L-arginine không đẩy mạnh quá trình lành thương nếu không có iNOS. Các phát hiện đó cho thấy NO là chất tham gia chính yếu vào quá trình lành thương.

NO và hệ thần kinh

Có một số tế bào neurons không giải phóng các neurotransmitter như acetylcholine hay catecholamines mà khi bị kích thích, chúng giải phóng NO để thực hiện truyền tín hiệu. Lộ trình tín hiệu này liên quan đến sự tăng nồng độ của cGMP. NO có mặt trong nhiều chức năng của não bộ như hoạt động của các thụ cảm đau, trí nhớ, thụ cảm đói và khát,…

Chúng ta đã biết rằng NO là chất dẫn truyền có mặt ở khắp nơi trong cả hệ thần kinh trung ương và hệ thần kinh ngoại biên. Các hoạt động ngoại biên của nó thể hiện rõ nhất ở dương vật, nơi có sợi thần kinh đối giao cảm có chứa nNOS/cGMP, góp phần vào cơ chế cương dương. Tế bào ruột cũng có nhiều sợi thần kinh nitrergic. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng NO có tác dụng làm giãn hỗng tràng, đại tràng, trực tràng và cơ thắt hậu môn thông qua hoạt động của hệ thống cGMP.

Ở não bộ, cơ chế chính của NO là điều biến dòng máu não để đáp ứng lại sự thay đổi nồng độ O2 và CO2 do vậy nó đóng vai trò sống còn trong sự trao đổi chất của não bộ. Do vậy, nếu thiếu hụt hệ thống NO có thể gây ra nhiều loại bệnh bao gồm đau nữa đầu (migraine), viêm, Alzheimer’s và cả Huntington’s.

NO cũng đóng vai trò trung gian trong tác động gây tổn thương hệ thần kinh trung ương của ethanol. Ngoài ra, trong hệ thống lưới hoạt hóa (reticular activating system), NO điều hành toàn bộ hoạt động của não và nồng độ NO trong vùng đồi não (thalamus) quyết định sự tỉnh thức và điều hòa giấc ngủ.

NO và ung thư

Nồng độ NO cao hơn ở trong khối u so với tất cả các mô bình thường khác. Ngày nay, người ta đã chứng minh được rằng tất cả các dạng hoạt động của NOS đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của ung thư và có đáp ứng với khối u trong hầu hết các liệu pháp trị liệu. eNOS có thể là trung tâm của nhiều quá trình biệt hóa kiểu hình ác tính (malignant phenotype) của ung thư. Sự sinh ung thư (oncogenesis) của nhiều loại mô là kết quả của tình trạng viêm mãn tính và NO có khả năng tác động vào các protein điều hòa phản ứng viêm để có thể dẫn tới sự biến đổi gây ung thư.

Tuy rằng cơ chế hoạt động của NO là một chủ đề lớn và còn cần nhiều nghiên cứu bổ sung thêm. Tuy nhiên, phương pháp chữa trị ung thư ngày nay sử dụng đến các liệu pháp bao gồm sử dụng NO kết hợp với liệu pháp gene đã đạt được nhiều kết quả khả quan, đặc biệt là trong ung thư phổi và ung thư tiền liệt tuyến.

Sửa lần cuối ngày 16/10/2012 - 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