Category Archives: Đại phân tử sinh học

Thụ thể 5-HT­­2C – Béo phì và triển vọng

Thụ thể 5-HT­­2C – Béo phì và triển vọng

Ngày nay béo phì đang ngày càng trở thành một vấn đề lớn đối với thế giới, đặc biệt là đối với các nước phát triển như Mỹ. Béo phì thường được đặc trưng bởi việc đo chỉ số khối của cơ thể (body-mass index- BMI). Đối với chỉ số BMI dành cho người châu Âu, một người với chỉ số BMI bằng hoặc cao hơn 30 thì được gọi là béo phì (obese), ngược lại một người có chỉ số từ 25-30 thì được gọi là thừa cân (overweight). Những bệnh như tiểu đường (diabetes), cao huyết áp (hypertension), bệnh động mạch vành (cononary atery disease), sỏi mật (cholelithiasis) có liên quan mật thiết đến sự tăng cao chỉ số BMI.

Định nghĩa béo phì theo WHO thì  “béo phì là tình trạng tích trữ mỡ quá mức và không bình thường tại một số vùng hay toàn bộ cơ thể có ảnh hưởng đến sức khỏe”. Hay đơn giản hơn béo phí là kết quả của tình trạng mất cân bằng giữa lượng kilocalories hấp thụ  vào và sự sử dụng năng lượng cho các hoạt động tiêu thụ năng lượng.  Mặc dù kiểm soát khối lượng cơ thể là một khái niệm đơn giản bằng cách giảm hấp thụ lượng lượng calo và tăng cường các hoạt động sử dụng nhiều năng lượng tuy nhiên rất nhiều người không thể làm được điều này. Vì vậy thuốc có lẽ là phương pháp có thể giúp đỡ cho một số người trong việc kiểm soát cân nặng của mình cũng như chữa béo phì.

R1 300x159 Thụ thể 5 HT­­2C   Béo phì và triển vọng

Hình 1. Béo phì đang là vấn đề trên thế giới

Fenfluramine và dexfenfluramine là 2 loại thuốc có tác dụng kiểm soát khối lượng cơ thể hay chống béo phì (anti-obesity). Tác dụng của 2 loại thuốc này thông qua sự hoạt hóa một thụ thể là 5-HT­­2C (5-HT­­2C receptor).

Fenfluramine Thụ thể 5 HT­­2C   Béo phì và triển vọng

Hình 2. Fenfluramine

I. Vậy thụ thể 5-HT­­2C ­là gì? Và nó có tác dụng gì trong việc kiểm soát cân nặng của một người?

Đề tìm hiểu về 5-HT­­2C ta hãy nói qua về serotonin.

Serotonin hay  5-hydroxytryptamine (5-HT) là một chất dẫn truyền thần kinh đơn amine  (monoamine neurotransmitter). Serotonin được tìm thấy chủ yếu trong hệ tiêu hóa (gastrointestinal tract- GI tract) , trong tiểu cầu (platelets) và hệ thần kinh trung ương (central nervous system– CNS) . Serotonin trong hệ thần kinh trung ương có một vai trò rất quan trọng trong việc điều hòa hành vi và có một vai trò liên quan trong các bệnh lý về hành vi như suy nhược (depression), tâm thần phân liệt (schizophrenia) hay  sự lạm dụng thuốc (drug abuse). Serotonin hoạt động trong hệ thần kinh trung ương bằng cách gắn lên các thụ thể trên bề mặt các neuron. Các thụ thể của serotonin (serotonin receptor also known as 5-HT receptor) là những thụ thể kết hợp với protein G (G-protein couple receptor- GPCR) và các kênh ion do phối tử điều hành (ligand-gate ion channel) được tìm thấy ở hệ thần kinh trung ương và hệ thần kinh ngoại biên (peripheral nervous systemPNS)

Thụ thể 5-HT­­2C ­­là một thụ thể trong nhóm thụ thể 5-HT. Nó là một thụ thể kết hợp với protein G (G-protein couple receptor- GPCR). Ở người gene mã hóa cho các thụ thể này nằm trên nhiễm sắc thể X (Xchromosome).

R6 300x235 Thụ thể 5 HT­­2C   Béo phì và triển vọng

Hình 3. Thụ thể 5-HT2C

II. Chức năng của  5-HT­­2C là gì ?

Thụ thể 5-HT­­2C là một trong rất nhiều vị trí gắn của serotonin. Chúng được hoạt hóa bởi serotonin, có tác dụng ức chế dopamine vànorepeniphine tiết ra ở một số vùng của não. Thụ thể 5-HT­­2C  cần thiết trong việc phát các tín hiệu điều hòa tâm trạng (mood), lo lắng (anxiety), ăn uống và hoạt động sinh sản. Thụ thể 5-HT­­2C có tác dụng điều hòa sự tiết dopamine trong thể vân (corpus statium), vỏ trán trước (prefonttal cortex), vùng hạ đồi (hypothalamus), hồi hải mã (hippocampus) và một số vùng khác.

Serotonin có liên quan đến sự điều hòa cơ bản và điều hòa stress gây ra bởi hormones vùng hạ đồi (hypothalamus) và tuyến yên (pituitary gland). Thụ thể 5-HT­­2C là một tín hiệu điều biến của trục hạ đồi tuyến yên thượng thận (hypothalamus-pituitary-adrenal axis-HPA axis). Trục hạ đồi tuyến yên thượng thận có vai trò chính trong việc kiểm soát đáp ứng căng thẳng liên quan đến đáp ứng chiến đấu hay bỏ chạy (fight or flight respone). Vì vậy kéo dài hoạt động và sự rối loạn của trục HPA góp phần gây ra các triệu trứng suy nhược hay lo lắng có thể thấy trong các tình trạng bệnh về tâm lý (psychopathological).

R3 300x195 Thụ thể 5 HT­­2C   Béo phì và triển vọng

Hình 4. Cơ chế hoạt động của 5-HT2C

III. Thụ thể 5-HT­­2C kiểm soát sự thèm ăn (appetide control)

Thụ thể 5-HT­­2C  là trung gian tác động của nhiều loại thuốc sản sinh serotonin lên hành vi ăn uống. Rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hoạt hóa thụ thể 5-HT­­2C sẽ điều hòa sự thèm ăn, tiêu thụ thức ăn bằng cách thúc đẩy sự no. Ngăn chặn sự thèm ăn bằng cách hoạt hóa thụ thể 5-HT­­2C, vì vậy các tác nhân chọn lọc có ái lực cao đối với thụ thể 5-HT­­2C hơn các thụ thể 5-HT­­2A và 5-HT­­2B đang được phát triển để chữa béo phì.

Ngoài ra các chất đồng vận với thụ thể 5-HT­­2C (5-HT2C receptor agonists cũng rất thích hợp trong điều trị các bệnh về tâm lý. Các chất đồng vận thụ thể 5-HT­­2C được hy vọng sẽ làm giảm các triệu chứng của bệnh tâm thần phân liệt bằng cách giảm  dopamine (reduce dopamine release).

R5 297x300 Thụ thể 5 HT­­2C   Béo phì và triển vọng

Hình 5. Cơ chế tác động của một thuốc lên thụ thể 5-HT2C

IV. Kết luận

  • Béo phì là tình trạng tích trữ mỡ quá mức và không bình thường tại một số vùng hay toàn bộ cơ thể có ảnh hưởng đên sức khỏe. Đây là một vấn ngày càng phổ biến ở hầu hết các nước đặc biệt là các nước phát triển.

  • Thụ thể 5-HT­­2C ­là một thụ thể của serotonin, là thụ thể kết hợp với protein G và có gen mã hóa nằm trên nhiễm sắc thể X

  • Thụ thể 5-HT­­2C có nhiều chức năng quan trọng trong điều khiển hành vi, hay liên quan đến các bệnh tâm lý, nội tiết hay sinh dục.

  • Ngày này các loại thuốc đồng vận với thụ thể 5-HT­­2C được phát triển nhằm chữa các về béo phì và các bệnh về tâm lý.

Anh Nguyễn

http://www.anhvanykhoa.com – Anh Văn Y Khoa

CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA CÁC HỢP CHẤT PHOSPHATE VÔ CƠ (SINH HỌC)

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](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.

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

Những kiến thức cơ bản về Carbohydrate

Carbohydrate đóng vai trò quan trọng trong hóa học hữu cơ kể từ khi khám phá của Emil Fischer (1884-1891). Tên gọi Carbohydrate xuất phát từ hợp chất chứa C, H, O với tỉ lệ H : O luôn là 2:1 ( giống như H2O). Cách gọi này không đúng nhưng vẫn dược hiểu là nước không tồn tại trong carbohydrate. Ngày nay thường gọi là dẫn xuất polyhydroxyaldehyde hay polyhydroxycetone. Ngoài ra còn được gọi là glucide hay đường saccharide. Từ saccharide bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “sakkarism” nghĩa là “ đường ăn”.

Carbohydrate là nhóm phân tử sinh học có mặt nhiều nhất trên trái đất. Hàng năm thực vật và tảo có khả năng biến đổi hơn 100 tỉ m3 CO2và H2O thành glucose và sản phẩm hữu cơ khác. Một số carbohydrate như đường, tinh bột là thức ăn chủ yếu của con người. Quá trình oxy hóa carbohydrate là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu ở tế bào dị dưỡng.

Monosaccharide là đường đơn tương ứng với một đơn vị polyhydroxyaldehyde hoặc cetone, phổ biến nhất là D- glucose. Oligosaccharide là một chuỗi chứa một số ( thường là 2,3,4 ) đơn vị monosaccharide nối với nhau thông qua liên kết glucoside, phổ biến nhất là đường đôi disaccharide D-glucose nối với D-fructose bằng liên kết cộng hóa trị. Những oligosaccharide chứa nhiều hơn 3 đơn vị monosaccharide hầu như ít gặp trong tự nhiên ở trạng thái tự do. Polysaccharide là chuỗi dài chứa hàng trăm, hàng nghìn đơn vị đường đơn, trong đó có một số ở dạng sợi dài như cellulose và một số khác ở dạng phân nhánh rất mạnh như glucogen. Hai dạng polysaccharide phổ biến nhất trong tự nhiên là Cellulose và tinh bột đều được tạo từ D-glucose nhưng được liên kết khác nhau.

Trong thực vật, glucide vừa là vật liệu dự trữ vừa tham gia vào thành phần của mô nâng đỡ. Đối với con người và động vật, glucide là chất dinh dưỡng giúp cho cơ thể tiến hành các chức năng khác nhau và tham gia vào việc bảo vệ cơ thể khỏi bị nhiễm trùng, tham gia vào quá trình phục hồi và điều hòa phản ứng enzymee.

Khái niệm

Carbohydrate còn gọi là glucide có công thức chung Cm(H2O)2n là một trong những thành phần cơ bản của tế bào và mô trong cơ thể sinh vật, chủ yếu là thực vật.

Thực vật : chiếm khoảng 75% trong các bộ phận như củ, quả, lá, thân, cành.

Động vật : chiếm khoảng 2% trong gan, cơ máu…

Nguồn gốc glucide trong tự nhiên: Được hình thành từ trong lá cây của thực vật nhờ quá trình quang hợp của ánh sáng mặt trời và sắc tố xanh chlorophyll ( diệp lục ).

Carbohydrate có thể được chia làm 3 nhóm :

1.Monosaccharide :

1.1 Khái niệm và phân loại :

Monosaccharide đầu tiên được tìm thấy là glucose với cấu trúc 5 nhóm hydroxyl, bởi Alexander Kolli (1869).

Monosaccharide còn gọi là đường đơn vì chúng là thành phần đơn giản nhất của carbohydrate và không bị thủy phân. Monosaccharide được xem là sản phẩm oxy hóa không hoàn toàn của các polyalcol, công thức có chứa chức aldehyde và cetone.

Thông thường để biểu diễn một phân tử monosaccharide người ta sử dụng hình chiếu Fisher trong đó sườn carbon nằm trên trục thẳng đứng nhóm carbonyl nằm ở vị trí cao nhất(3).

Trong công thức carbohydrate tồn tại carbon bất đối xứng mang bốn nhóm thế khác nhau. Vì thế tồn tại hai dạng công thức với mỗi dạng quay mặt phẳng ánh sáng phân cực theo các góc khác nhau. Để biểu diễn công thức khác nhau danh pháp D và L được sử dụng cùng với (+) và (-) để chỉ chiều quay.

Monosaccharide gọi là D hay L tùy theo cấu hình của carbon phi đối xứng ở vị trí thấp nhất trên trục thẳng đứng của hình chiếu Fisher, còn gọi là nguyên tử carbon tham chiếu.

–                       Nếu nhóm OH gắn với carbon tham chiếu nằm bên phải thì gọi là D.

–                      Nếu nhóm OH gắn với carbon tham chiếu nằm bên trái thì gọi là L.

Cách gọi tên các hợp chất monosaccharide :

–          Trong công thức mang nhóm aldydehyde thì gọi là : Aldose

–          Trong công thức mang nhóm cetone thì gọi là : Cetose

Công thức của glucose đã được xác lập vào giữa thế kỷ 19 dựa vào các công trình nghiên cứu của các nhà hóa học như Dumas, Berthelot, Fittig, Bayer và Tollens. Tính triền quang của glucose và một số đường khác cũng được thừa nhận trong khoảng thời gian đó, nhưng cấu trúc phân tử chỉ được biết đến khi Van’t Hoff và LeBel công bố lý thuyết về nguyên tử carbon phi đối xứng vào năm 1874.

Đã từng có rất nhiều nghiên cứu cho rằng glucose có cấu trúc mạch thẳng nhưng cấu trúc này không giải thích được một số tính chất hóa học của glucose:

– Glucose chỉ cho một số nhưng không phải tất cả các phản ứng đặc trưng của aldehyde mạch thẳng.

– Phản ứng của glucose với 1 mol methanol trong môi trường acid cho hai đồng phân acetal.

– Kết tinh glucose từ dung dịch nước cho hai dạng glucose với năng suất quay cực khác nhau       ([α]+112 và =18,7o) cả hai dạng glucose này đều có năng suất quay cực thay đổi và dừng lại cùng một vị trí [α]+52,7. Quá trình này gọi là đa triền hóa.

Tất cả quan sát trên đều được giải thích nếu cho rằng glucose tồn tại ở dạng vòng hemiacetal, tạo thành từ phản ứng trí hóa nội phân tử của một nhóm hydroxy vào nhóm aldehyde.

Ngày nay người ta biết rằng glucose tồn tại chủ yếu dưới dạng hemiacetal vòng 6 với hai đồng phân xuyên lập thể chỉ khác nhau ở cấu hình của nguyên tử carbon hemiacetal phi đối xứng, còn được gọi là carbon anomer.

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

TỔNG KẾT MỘT SỐ THÀNH PHẦN CẤU TRÚC TẾ BÀO – SHPTTB

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

Chúng ta đã trải qua 15 chương cơ sở, dễ dàng nhận ra rằng có một motif phổ quát trong sinh học, đó là sự hình thành các đại phân tử sinh học và cấu trúc từ nhiều tiểu phân tử tương đồng hoặc thậm chí giống hệt nhau thông qua các liên kết cộng hóa trị hay không cộng hóa trị. Ở mục này, chúng ta sẽ ôn lại tổng quát các vấn đề cốt lõi cần nắm.

Ba nhóm đại phân tử sinh học phổ biến và quan trọng nhất trong các hệ sinh học là protein, acid nucleic và polysaccharide. Chúng là polymer của các tiếu phân tử (trong trường hợp này được gọi là đơn phân) liên kết cộng hóa trị với nhau. Protein là polymer mạch thẳng chứa mười cho tới vài ngàn acid amin gắn với nhau bằng liên kết peptide. Acid nucleic là polymer mạch thẳng chứa hàng trăm cho tới hàng triệu nucleotide gắn với nhau theo liên kết phosphodieste. Polysaccharide là polymer mạch thẳng hay nhánh của các monosaccharide (đường), như glucode, gắn với nhau theo liên kết glycoside. Cơ chế các đơn phân liên kết cộng hóa trị tạo thành phức hệ. Liên kết cộng hóa trị tạo thành giữa hai đơn phân thường làm mất H từ một đơn phân và OH từ đơn phân kia, hay nói cách khác là loại một phân tử nước nên có thể xem như phản ứng dehydrate hóa. Những liên kết này bền dưới điều kiện sinh học bình thường, (ví dụ 37oC, pH trung tính) và do đó các polymer sinh học kể trên khá ổn định và có thể thực hiển rất nhiều nhiệm vụ rất đa dạng trong tế bào (lưu trữ thông tin, xúc tác phản ứng hóa học, thành phần cấu trúc xác định hình thành và vận động của tế bào…).

Hình 16.1: Các khối cấu trúc hóa học chính của tế bào

Các đại phân tửa cũng có thể lắp ráp thông qua tương tác không cộng hóa trị. Ví dụ, hàng ngàn tiểu phân tử gọi là phospholipid lắp ráp không cộng hóa trị thành cấu trúc hai lớp của màng tế bào. Trong chương này, chúng ta sẽ tập trung vào tính chất của các đơn vị cấu trúc hóa học – acid amin, nucleotide, đường và phosphorlipid. Các chương sau sẽ đề cập đến cấu trúc, chức năng cũng như sự lắp ghép chức năng cũng như sự lắp ghép tạo thành protein, acid nucleic, polysaccharide và màng sinh học.

Các acid amin chỉ khác nhau trong phần mạch nhánh, 20 loại acid amin là đơn phân cấu thành protein. Sau khi tích hơp thành polymer protein, các acid amin có cấu trúc đặc thù gồm nguyên tử carbon alpha (C ) trung tâm gắn với bốn nhốm hóa học khác: nhóm amine (-NH2), nhóm carboxyl (COOH) nguyên tử hydrogen và một nhóm biến đổi gọi là mạch nhánh hay nhóm R. trừ glycine, carbon α của cácacid amin còn lại có tính bất đối xứng nên tồn tại hai dạng đồng phân là ảnh qua gương của nhau gọi là dạng D(dextro) và L(levo). Không thể hoán chuyển hai đồng phân này mà không phá vỡ sau đó tái tạo liên kêt hóa học nội tại. Ngoài một số rất ít trường hợp, chỉ acid amin dạng L tham gia tạo protein.

Để hiểu cấu trúc lập thể và chức năng của proteinthì cần nhớ một số tính chất đặc thù của acid amin. Mạch nhánh xác định môt phần những tính chất này. Không cần thiết phải nhớ hết cấu trúc chi tiết của mỗi loại mạch nhánh nhưng cần nhớ tính chất chung của từng nhóm acid amin phân theo kích thước, hình dạng, điện tích, tính khử nước và tương tác hóa học của mạch nhánh.

Acid amin với mạch nhánh không phân cực có tính kị nước nên hòa tan kém trong nước. Mạch nhánh càng lớn thì độ kị nước càng cao. Mạch nhánh của alanine, valine, leucine, isoleucine đều là hydrogencarbon mạch thẳng và của methionnine(chứa thêm một vòng nguyên tử lưu huỳnh) đều không chứa mạch vòng, không phân cực. Nhóm R của phenylalanine, tyrosine và tryptophan chứa mạch vòng lớn và cồng kềnh. Chương sau chúng ta sẽ xem xét chi tiết làm thế nào các nhóm kị nước này,dưới ảnh hưởng của hiệu ứng kị nước, thường vùi vào bên trong hoặc lát bên ngoài bề mặt của các protein vùi trong vùng kị nước của màng sinh học.

Acid amin có nhóm R phân cực nằm trong tập hợp các acid amin ưa nước. Tập con của tập hợp này chứa những acid amin có tính ưa nước nhất với nhóm R tích điện (ion hóa) tại pH đặc trưng của dịch sinh học (= 7). Arginine và lysine có mạch nhánh tích điện dương và được gọi là acid amin base. Mạch nhánh của acid aspartic và acid glutamic chứa nhóm COO nên tích điện âm (dạng ion hóa gọi là aspartate và glutamate)và có tính acid. Vì vậy histidine có thể chuyển từ dạng tích điện dương sang dạng không tích điện phụ thuộc vào những biến đổi nhỏ trong độ acid của môi trường.

Do khả năng trên của histidine nên có thể điều khiển hoạt tính của nhiều protein bằng các dịch chuyển độ acid môi trường. Asparagine và glutamine không tích điện nhưng có mạch nhánh chứa nhóm –NH2 phân cực với khả năng tạo liên kết hydrogen mạnh. Tương tự serine và threonine không tích điện nhưng mang nhóm hydrogenxyl phân cực nên có khả năng tạo liên kết hydrogen với phân tử phân cực khác.

Sau cùng, cysteine, glycine và proline có vai trò đặc biệt trong protein vì mạch nhánh của chúng có tính chất đặc biệt. Mạch nhánh của cysteine chưa nhóm sulfhydryl (-SH) hoạt hóa với khả năng  oxy hóa để hình thành liên kết disulfide cộng hóa trị (-S-S-) với cysteine thứ hai :

Các vùng thuộc một chuỗi  protein (nội phân tử) hoặc thuộc các chuổi khác nhau (giữa các phân tử) đôi khi gắn chéo với nhau qua liên kết disulfide. Các liên kết này làm bền cấu trúc gấp nếp của một số protein. Acid amin nhỏ nhất là glycine có nhóm R là một nguyên tửhydrogen, kích thước nhỏ cho phép glycine nằm vừa trong không gian hẹp. Không như các acid amin khác, mạch nhánh của proline uốn lại thành vòng bởi liên kết cộng hóa trị với nguyên tử nito trong nhóm amin gắn Ca. Vì vậy acid amin này rất kém linh động và tạo thành điểm cong cố định trong chuỗi protein, điều này hạn chế vùng khả năng gấp nếp ở vùng protein chứa proline. Một số acid amin có tỷ lệ xuất hiện trong protein cao hơn so với các acid amin khác. Cysteine, tryptophan, và methionine là các acid amin hiếm. Tỷ lệ xuất hiện của cả 3 loại acid amin trong protein chỉ khoảng 5%. Bốn loại acid amin: leucine, serine, lysine, và acid glutamic có tỷ lệ cao nhất, chiếm 32% tổng số gốc acid amin  trong một protein điển hình. Tuy nhiên thành phần acid amin của một protein  nhất định có thể rất khác giá trị này.

Mặc dù các tế bào sử dụng 20 loại acid amin làm nguyên liệu ban đầu để tổng hợp protein nhưng những phân tích chi tiết cho thấy các protein của tế bào chưa trên 100 loại acid amin. Nguyên nhân của điều này là do acid amin trong protein bị biến đổi hóa học. Nhóm acetyl (CH3CO) và một loạt các nhóm hóa học khác có thể gắn đặc hiệu với các acid amin của protein. Một biến đổi quan trọng là phosphate (PO4, phosphoryl hóa ) gắn thêm vào nhóm hydrogenxyl của serine, threonine, và tyrosine. Chúng ta sẽ gặp rất nhiều ví dụ điều hòa hoạt tính protein bởi phản ứng phosphoryl và khử phosphoryl hóa thuận nghịch. Phosphoryl hóa nito trong mạch nhánh của histidine không có gì lạ ở vi khuẩn, nấm và thực vật nhưng có ít nghiên cứu hơn có thể do histidine đã phosphoryl hóa tương đối không bền và rõ ràng là ít xảy ra hơn ở động vật có vú. Mạch nhánh của asparagines, serine, và threonine là vị trí glycosyl hóa. Các biến đổi acid amin khác bao gồmhydrogenxyl hóa proline và lysine trong collagen, methyl hóa histidine trong thụ thể màng, và –carboxyl hóa glutamate trong các yếu tố đông máu như prothrombin.

Hình 16.2: Các bước xác định trình tự chuỗi polypeptide.

Acetyl hóa : nhóm acetyl gắn vào nhóm amin đầu N của protein là dạng biến đổi hóa học acid amin phổ biến nhất, xảy ra ở khoảng chừng 80% protein:

Biến đổi này đóng vai trò quan sát quan trọng đối với sự tồn tại của protein trong tế bào vì các protein không acetyl hóa nhanh chóng bị phân hủy.

Năm loại nucleotide tạo ra acid nucleic

Hai loại acid nucleic có tính chất hóa học tương tự là DNA (acid deoxyribonucleic) và RNA(acid ribonucleic), mang thông tin di truyền của tế bào. Nucleotide là đơn vị cấu thành polymer RNA và DNA. Nucleotide  có cấu trúc chung gồm : một nhóm phosphate liên kết phosphoester với đường pentose(đường 5 carbon), đường pentose lại gắn với base nito (mạch vòng chưa carbon và N) tại nguyên tử N. Pentose của RNA là ribose và của DNA là deoxyribose (ribose có nhóm 2; trong đóOH bị thay bằng 2H). Các base adenine, guanine, và cytosine nằm trong DNA và RNA trong khi thymine chỉ tồn tại ở DNA, và uracil chỉ ở RNA.

Hình 16.3: 4 cấu trúc sống (Theo Lodish’s Molecular Cell Biology 5th)

Adenine (A) và guanine(G) là purine, chứa hai mạch vòng dung hợp; cytosine(C), thymine(T), và uracil (U) là pyrimidine, chỉ chứa một mạch vòng. Trong nucleotide, carbon 1’ của đường (ribose hay deoxyribose) gắn với nito số 9 của purine (N9), hoặc nito số 1 của pyrimidine(N1). Nhóm phosphate quyết định đặc trưng acid của nucleotide. Dưới các điều kiện nội bào bình thường, nhóm phosphate giải phóng H+ nên tích điện âm. Trong tế bào hầu hết nucleotide sử dụng phosphate tích điện âm để tạo liên kết ion với protein.

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

Khái lược kênh ion – Sinh học phân tử tế bào

Nguyễn Văn Tiến – DSYS

Hãy đăng nhập tại đây để có thể thấy toàn bộ hình ảnh.

Kênh ion
Có 2 loại kênh ion, phân theo tác nhân làm mở cổng, đó là ligand/cAMP/cGMP gated ion channel (bao gồm hyperpolarization actived cyclic nucleotide gated ion channel) và Voltaged gated ion channel.

1. Ligand gated ion channel (LGICs)
Các tên khác là thụ thể hướng ion (ionotropic receptor), thụ thể của chất dẫn truyền thần kinh (neurotransmitter receptor) vì hầu hết đều tiếp nhận một chất dẫn truyền. Là 1 trong 4 nhóm receptor tác động chính của thuốc (GPCRs, Kinase-linked and reated receptors, nuclear receptor).

1.png

Hầu hết chúng đều là pentamer trừ AMPA
Cấu trúc của các protein này ít nhất gồm 2 phần: 1 phần xuyên màng tạo lỗ, 1 phần ở ngoài màng cho phép gắn ligand. Vị trí đó là vị trí allosteric, khác với vị trí active site, vị trí allosteric cho phép điều hòa hoạt động của kênh, có thể là hoạt hóa tăng cường hoặc hoạt động ức chế. Nghĩa của từ allosteric theo tiếng Đức: allos=other + stereos=solid.
LGICs được điều biến bởi allosteric ligand, channel blockers, ions hoặc điện thế màng. LGICs khác với metatropic receptor(sử dụng chất truyền tin thứ 2), khác với voltaged gated ion channel và stretch-activated ion channel(là các thụ thể cơ học).
Phân loại: LGICs được chia thành 3 loại là Cys-loop receptor, Ionotropic glutamate receptor, và ATP-gated channel.

2.jpg
  • Cys-loop receptor

Tên của nó được đặt do đặc tính hình dạng của nó, có quai tạo bởi liên kết disulfide giữa 2 cysteine ở đầu N ngoài tế bào. Chúng có thể cho ion dương hoặc âm đi qua, thường là 1 pentamer, với mỗi domain có 4 đoạn xuyên màng (4×5), xoắn helices tại vị trí xuyên màng và gấp β nhiều ở phần ngoại bào.
LGIC đầu tiên được khám phá là thụ thể nicotinic, là 1 Cys-loop receptor, là pentamer (α-α-β-γ-δ), có 2 vị trí gắn Ach bên cạnh vị trí α. Khi cả 2 vị trí gắn được Ach bám, kênh mới hoạt động, bán kính lỗ tăng từ 3 Angstroms lên 8 Angstroms cho phép dòng Na+ hoặc Ca2+ đi vào tế bào giúp khử cực màng tế bào.
Cys-loop receptor được chia thành 2 loại nhỏ, là Anionic (gồm GABAA và Glycine receptor) vàCationic (gồm 5-HT receptor, thụ thể Nicotinic, kênh hoạt hóa bởi kẽm ZAC)

2.png
  • Ionotropic glutamate receptor (iGluR)

Nó tạo tetramers với mỗi tiểu phần gồm 1 amino ngoại bào cuối domain, 1 vị trí ngoài tế bào để gắn ligand và 1 vị trí xuyên màng.
iGluR bao gồm 3 đại diện là AMPAKainate, và NMDA, chúng được đặt tên theo chất đồng vận đặc hiệu. Đặc biệt AMPA không có thành phần GluA2 nên có tính thấm đặc biệt cao đối với Ca2+ so với 2 đại diện còn lại. AMPA và kainate receptor có bai trò quan trọng trong liên lạc synapse ở não.

5.png
  • ATP-gated channels

Kênh sẽ mở khi ATP gắn. Cấu tạo của kênh gồm trimer với 2 đoạn xuyên màng cấu trúc xoắn. Kênh được đề cập nhiều nhất là P2X. 1 đại diện quan trọng của kênh này hiện diện trong tế bào β tụy , tồn tại trong sulfourea receptor (SUR) đó là ATP-gated potassium channel (bên cạnh Kir6.2).

6.png
  • Kênh HCN

Một nhóm kênh có vai trò đặc biệt quan trọng thuộc nhóm non-selective của ligand-gated ion channel. Nó biểu hiện trên màng tế bào cơ tim và tế bào não, có vai trò quan trọng trong bệnh động kinh, cho phép ion dương đi qua khi được hoạt hóa. HCN cho phép tạo ra nhịp điện thế động nên được gọi là pacemaker channel.

2. Voltage-gated ion channel

  • Kênh Na cảm ứng điện thể Nav

Cấu tạo của kênh Nav: bao gồm 1 tiểu đơn vị lớn α liên kết với các protein khác như là tiểu đơn vị β. Tiểu đơn vị α tạo lõi của kênh và có chức năng độc lập tương đối với thành phần khác. Nó có thể tạo thành kênh dẫn dòng Na+vào kênh, ngay cả khi tiểu đơn vị β hay các thành phần protein điều biến khác đều chưa được biểu hiện. Tiểu đơn vị α gồm 4 tiểu phần từ DI đến DIV, lặp lại 6 đoạn xuyên màng từ S1 đến S6. Vùng S4 là vùng trung tâm nhạy cảm với điện thế bình thường tích điện dương do thành phần arginine, tạo hành rào ngăn cản Na+ vào tế bào. Khi điện thế màng kích thích kênh, các đoạn của kênh di chuyển hướng ra mặt ngoài của màng tế bào cho phép kênh thấm ion.

7.png

Tiểu phần α đã biết được 9 loại và được dùng để đặt tên cho kênh Nav là Nav1.1 đến Nav1.9.
Thuốc tê thông thường chỉ khóa được Nav1.1 đến Nav1.5 bằng cách gắn vào S5-S6 của các domain, và gắn vào quai của DIII-DIV làm thay đổi cấu hình của kênh. Kết quả là cổng H luôn đóng. Tuy nhiên cơ chế này không xảy ra trên Nav1.7-Nav1.9 tăng biểu hiện sau khi đã có cảm giác đau.
Tiểu phần β là 1 loại glycoprotein xuyên màng với đầu N ngoài màng và đầu C ở trong bào tương. Nó có vai trò điều biến kênh, liên kết với bộ xương tế bào thông qua ankyrin và spectin.
Khác với các các kênh ion khác, Nav channel có 2 cổng là cổng M và cổng H, tạo nên 3 trạng tháicủa kênh (nghỉ-mở-bất hoạt), chuyển tiếp trong quá trình khử cực và tái cực của màng tế bào. Cổng bất hoạt H được tạo từ 3 amino acid kị nước là Met, Phe, Leu; khi ion Na+ kết hợp cùng 8 phân tử nước không thể thấm qua kênh nếu cổng đóng. Ở trạng thái nghỉ, màng tích điện âm phía trong làm đoạn S4 đều hướng xuống, ion thấm rất ít hoặc không thấm qua kênh được. Một khử cực màng, điện dương trong màng sẽ đẩy S4 lên đưa kênh về trạng thái hoạt động

  • Kênh K+ phụ thuộc điện thế Kv

Kênh K+ phụ thuộc điện thế là 1 trong 4 loại chính của kênh K+ (gồm calci-activated-, inwardly rectifying, tandem pore domain và voltage-gated).

8.png

Cũng giống như kênh Nav, tiểu phần α là thành phần chính của kênh. Như ta thấy, tiểu phần α của kênh K+ phụ thuộc điện thế là tetramer có 6 transmembranes (TM) xoắn α và 1 P loop (P). Kv có vai trò trong việc tái cực điện thế màng tế bào. Trên thực tế, 4 tiểu đơn vị của kênh đối xứng. Khi kênh được trải ra trên màng tế bào, ta nhận thấy S4 chứa 5-8 amino acid mang điện dương, tạo nên vùng nhạy cảm điện thế, có thể di chuyển trong kênh và kiểm soát mở kênh. Con đường để ion có thể đi qua kênh tạo bởi loop giữa S5-S6 (màu xanh) và liên kết chặt theo cặp với S4 (màu nâu) nên khi S4 dựng lên, kênh sẽ mở.

9.png

Tiểu phần β là thành phần phụ liên hệ với tiểu phần α và có chức năng điều biến kênh.
Sự chọn lọc ion của kênh: kênh có tính thấm cao hơn cho K+ so với các cation khác do bộ lọc chỗ phần hẹp của lỗ. Bộ lọc này cho phép thay thế tương tác giữa nước-K+ bằng tương tác K+ và nhóm carbonyl của kênh, mà bộ lọc này chỉ hoàn hảo đối với kích thước của ion K+ và quá lớn và không hiệu quả đối với ion có kích thước nhỏ hơn là Na+. Quá trình diễn ra, kết quả là K+ sẽ “hòa tan” vào kênh qua nhóm Carbonyl và qua kênh.

  • Kênh Calci phụ thuộc điện thế Cav

Kênh Calci phụ thuộc điện thế là 1 trong 2 loại lớn của kênh calci trên màng tế bào là voltage-dependment và ligand-gated tìm thấy trên màng của các tế bào dễ kích hoạt như tế bào cơ, tế bào đệm, neurons… Ngoài ion Ca2+, kênh còn thấm ít Na+ (thấm ít hơn khoảng 1000 lần đối với Ca2+). Khi màng ở trạng thái nghỉ, kênh đóng; và mở cho phép Ca2+ đi vào tế bào khi màng bị khử cực. Vai trò lớn hơn của kênh là cho phép Ca2+ nhập bào, sau đó sẽ là chất truyền tin thứ 2 quan trọng trong việc hoạt hóa kênh, co cơ, biểu hiện gene, phóng thích hormones hay neurotransmitters.
Dựa vào mức điện thế để kích hoạt kênh, người ta chia kênh Calci phụ thuộc điện thế thành 2 loại là low-voltage-activated (LVGCC) và high-voltage-activated (HVGCCs). Loại LVGCC chỉ có 1 đại diện là T-type calcium channel (TTCC-Cav3.1-3.3) là nguồn gốc của cơn động kinh. Còn HVGCCs có 4 loại là L-type (CaV1.1-1.4), P/Q-type (Cav2.1), N-type (Cav2.2), R-type (Cav2.3). Các kênh thuộc nhóm Cav1 là nhân tố co cơ, tiết, điều hòa biểu hiện gen, truyền tín hiệu synapses ở các tế bào cảm giác; nhóm Cav2 có chức năng chính là dẫn truền synapse ở các fast synapse; nhóm Cav3 lại rất quan trọng trong tạo điện thế động ở các tế bào tạo nhịp như cơ tim, đồi thị.

10.png

Về cấu tạo, kênh Calci phụ thuộc điện thế gồm các tiểu đơn vị α1, α2δ , β1-4 và γ. Tiểu đơn vị α1 tạo nên con đường dẫn qua màng hay lỗ của kênh, còn các tiểu đơn vị khác là các vị trị điều biến của kênh.
Tiểu đơn vị α1 là thành phần thiết yếu của HVGCC, gồm 4 domains homologous DI-DIV, mỗi domain có 6 đoạn xuyên màng xoắn α (S1-S6). Tiểu đơn vị α1 này cũng là vi trí nhạy cảm điện thế và nơi gắn của thuốc cũng như chất độc. Giữa S5-S6 có 1 cái quai tạo thành các thành của lỗ, trong khiS1-S4 có vai trò đóng mở kênh nhạy với điện thế (vai trò S4 là chính). Tiểu đơn vị γ là glycoprotein với 4 đoạn xuyên màng. Tiểu phần α2 có nhiều vị trí được glycosyl hóa và có 1 vài chuỗi kị nước. Tiểu phần α2 này coi như là glycoprotein ngoài màng, được gắn với màng qua cầu nối disulfide thông qua tiểu phần δ. Gần đây cho thấy thành phần neo màng của tiểu phần δ chính là glycophosphatidyinositol. Tiểu phần β là thành phần trong màng tế bào, là MAGUK-like protein (membrane-associated guanylate kinase) gồm 2 phần guamylate kinase (GK) và src homology 3 (SH3). Phần GK gắn vào α1 ở tiểu đơn vị quai DI-DII và điều hòa hoạt động HVGCC.

11.png

Khái luận về Carbonic anhydrase

ENZYME CARBONIC ANHYDRASE

Đội Rainbow – Vô địch kì thi “Học – Dịch Sinh lý học lần 3”
 Xem và thảo luận chi tiết tại đây.

I. CARBONIC ANHYDRASE

Trước hết mình xin tham khảo vài lời của anh Nguyễn Phước Long trình bày về Carbonic anhydrase trong bài viết ngày 8 tháng 5 năm 2013 trên diễn đàn Đọc sách y sinh.
http://www.docsachysinh.com/forum/index.php?threads/tim-hieu-chuc-nang-cua-nephron.2519/#post-5330

Khi nói đến sự kết hợp của CO2 và H2O để tạo thành H2CO3 trong cơ thể sinh vật, ta cần nhớ vai trò của enzyme xúc tác phản ứng hóa hợp này: Carbonic anhydrase (CA): Tạo HCO3- và H+ trực tiếp.

[IMG]
Nguồn: Linda S.Costanzo, Physiology, 4th edn, Elsevier Saunders, 2010: Fig 7.5, page 306

Bình thường, H2CO3 trong điều kiện dung dịch nước sẽ rất nhanh phân ly thành H+ và HCO3- với hằng số phân ly Ka vào khoảng 10-7 (pKa của carbonic acid là 6.36) (1).
Điều này có nghĩa là phản ứng xảy ra không nhiều, vẫn có một lượng không nhỏ H2CO3 phân tử “không phân cực” tồn tại, và vì không phân cực, nó có thể di chuyển qua các màng tương đối tự do. Thử nghĩ đến trường hợp khi không có CA, phản ứng trên xảy ra “không đáng kể”, H2CO3 sẽ “thoải mái” qua lại các màng, lúc đó thì còn gì là hệ thống thải – thu H+/HCO3- và hệ đệm nữa! Từ đây, có lẽ các bạn có thể tiến thêm một bước nữa về Dược lý, thuốc ức chế CA “bá nghệ” điều trị tăng nhãn áp, tác dụng lợi tiểu, chống động kinh, viêm loét dạ dày tá tràng…

Còn một lưu ý, người ta nói CA xúc tác phản ứng trên theo 2 chiều!
[IMG]
Như vậy, điều kiện nào thì chiều thuận xảy ra, khi nào chiều nghịch ưu thế?
Thực ra chiều nghịch sẽ tự xảy ra khi không có sự hiện diện của CA với tốc độ chậm hơn.

Đào sâu về hóa học protein và động học các tiến trình sinh học:
– CA là một metalloprotein (*) ion điều hành là ion kẽm, một ion hóa trị 2 (là la, thể nào cũng sẽ có vị trí gắn kết và xúc tác rất độc đáo đây!), điều hành hoạt động thông qua việc làm âm hóa tại các vị tríhistidine trong phân tử (vị trí này làm cấu trúc H-O-H của nước trở thành H-O(-)—H(+), rất thuận lợi để tạo HCO3- và H+ trực tiếp từ CO2 và H2O mà không trải qua trung gian H2CO3. Chính vì vậy, phản ứng xảy ra với hằng số vào khoảng 10^6 (một trong những con số nhanh nhất của hệ thống sống) (2).

[IMG]
Từ (1) và (2) ta thấy phản ứng thuận chiều đã được gia tốc thêm 1 triệu lần, làm hằng số tổng hợp lúc này vào khoảng 0.1!
Như vậy phản ứng sẽ xảy ra không quá mạnh (nhanh) nhưng cũng không quá yếu (chậm).

(*) metalloprotein is a protein that has one or more tightly bound metal ions forming part of its structure (Dorland’s Illustrated Medical Dictionary, 32e)

-Sơ lược cấu trúc và chức năng của Carbonic anhydrase:

Có nhiều dạng CA trong tự nhiên.

· Ở đây đơn cử dạng α-CA được nghiên cứu rõ ràng nhất hiện diện ở động vật. Ion Zn2+ kết hợp với vòng nhẫn imidazole (imidazole rings) của 3 phân tử Histidine: His94, His96, His119.
Chức năng chính của enzyme này ở động vật là xúc tác sự chuyển đổi qua lại giữa CO2 và HCO3- để duy trì cân bằng acid-base trong máu và trong các mô khác, và giúp vận chuyển CO2 ra khỏi các mô.
Có ít nhất 14 đồng dạng α-CA khác nhau ở động vật hữu nhũ.

· Thực vật có 1 dạng khác gọi là β-CA, mà theo quan điểm tiến hóa là 1 loại enzyme khác biệt với α-CA, nhưng tham gia vào cùng một phản ứng hóa học và cũng sử dụng ion Zn2+ ở vị trí hoạt động của nó. Ở thực vật, CA giúp tăng nồng độ của CO2 trong lục lạp (chloroplast) để tăng tốc độ carboxyl hóa enzyme RuBisCO. Đó là phản ứng hợp nhất CO2 vào phân tử đường carbon hữu cơ trong quá trình quang hợp, và chỉ có thể sử dụng dạng CO2 từ carbon chứ không thể từ carbonic acid hay bicarbonate.

· CA chứa cadmium (cadmium-containing carbonic anhydrase) được tìm thấy ở các loài tảo cát(diatoms) dưới biển trong điều kiện nồng độ kẽm bị giới hạn. Trên đại dương, nồng độ kẽm thường thấp đến nỗi nó có thể giới hạn sự phát triển của các loài thực vật trôi nổi (phytoplankton) mà điển hình là tảo cát.

[IMG]
Diatoms

Từ đó CA sử dụng một ion kim loại khác để thích nghi với môi trường, và Cadmium được chọn. Về tổng quát, cadmium được đánh giá là một kim loại nặng rất độc mà không có chức năng sinh học gì. Tuy nhiên, dạng CA đặc biệt này xúc tác cho phản ứng sinh học phụ thuộc Cadmium duy nhất được cho là có lợi.

– CA là một cái tên rất chung chung. Có ít nhất 5 họ CA (α, β, γ, δ and ε). Những họ này không có sự tương đồng đáng kể về chuỗi amino acid nhưng lại tham gia vào cùng một loại phản ứng hóa học nên trong phần lớn nghiên cứu người ta cho rằng đây là một ví dụ về sự tiến hóa đồng quy (convergent evolution). Lưu ý rằng ở người chỉ có alpha-CA mà thôi.

* α-CA:
Những enzyme CA được tìm thấy trong động vật hữu nhũ và được phân chia thành 4 tiểu nhóm rộng, mà trong đó bao gồm nhiều đồng dạng.
-CA trong bào tương (cytosolic CA): CA-I, CA-II, CA-III, CA-VII và CA XIII
-CA trong ty thể (mitochondrial CA): CA-VA và CA-VB
-CA tiết (secreted CA): CA-VI
-CA liên kết với màng (membrane-associated CA): CA-IV, CA-IX, CA-XII, CA-XIV và CA-XV
-Có 3 đồng dạng CA “không có vai trò xúc tác” là CA-VIII, CA-X và CA-XI mà chức năng của chúng chưa được biết rõ.

Bảng so sánh các loại Carbonic anhydrase ở động vật hữu nhũ
[IMG]
(*) GPI: Glycophosphatidylinositol
Nguồn:http://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_anhydrase#Structure_and_function_of_carbonic_anhydrase

*β-CA:
Phần lớn CA trong lục lạp và CA ở động vật prokaryot thuộc họ beta.

* γ-CA:
Nhóm gamma-CA có nguồn gốc từ vi khuẩn sản xuất methane sinh sôi vào mùa xuân ấm áp.

* δ-CA:
Nhóm delta-CA tìm thấy trong loài tảo cát như đã nói ở trên. Tuy nhiên những nét đặc trưng của nhóm này vẫn còn nằm trong nghi vấn.

* ε-CA:
Nhóm epsilon-CA có ở vi khuẩn hóa tự dưỡng và nhóm cyanobacteria chứa cso-carboxysomes. Mặc dù ε-CA có cấu trúc gần giống với β-CA, đặc biệt là gần giống vị trí gắn ion kim loại nhưng 2 dạng này có mối liên hệ khá xa nhau.

II. CARBONIC ANHYDRASE INHIBITORS

Mình chỉ xin bàn về Carbonic anhydrase inhibitors tác động lên hai CA ở tế bào biểu mô ống thận: CA-II và CA-IV.

Carbonic anhydrase hiện diện ở nhiều vùng của nephron nhưng vùng ưu thế của enzyme này là ở tế bào biểu mô của PCT, nơi mà nó xúc tác cho sự thuỷ phân H2CO3 thành CO2 ở màng tế bào lòng ống và tái hợp CO2 thành H2CO3 trong tế bào chất như đã được nói đến ở trên. Bằng việc khoá carbonic anhydrase, chất ức chế làm mất khả năng tái hấp thu NaHCO3 và gây ra lợi tiểu.

Thuốc ức chế carbonic anhydrase (carbonic anhydrase inhibitors) là thuốc lợi tiểu hiện đại đầu tiên được phát hiện. Chúng được tìm thấy vào năm 1937 khi người ta nhận thấy thuốc kháng sinhsulfonamides gây ra lợi tiểu kiềm hoá (alkaline diuresis) và toan chuyển hoá kèm tăng cao chloride trong máu (hyperchloremic metabolic acidosis). Với sự phát triển của nhiều tác nhân mới, thuốc ức chế carbonic anhydrase bây giờ hiếm được sử dụng với mục đích lợi tiểu, nhưng chúng vẫn còn nhiều ứng dụng đặc biệt dưới đây.

Thuốc ức chế CA, điển hình là acetazolamide, ức chế sự tái hấp thu sodium bằng cách ức chế không cạnh tranh CA-II và CA-IV trong bào tương của ống thận gần (Hình 1). Sự ức chế CA dẫn đến tăng phân phối NaHCO3 đến đoạn xa của ống thận. Phần lớn sodium bicarbonate sẽ được bài xuất ra ngoài làm giảm thể tích huyết tương cấp tính. Tuy nhiên nếu sử dụng CA inhibitor lâu ngày thì tác động lợi tiểu giảm mạnh vì có sự bù trừ bằng cách tăng tái hấp thu NaHCO3 và tăng tái hấp thu NaCl qua đoạn ống thận xa.

Sử dụng CA inhibitor thường dẫn đến tình trạng toan chuyển hóa từ nhẹ đến vừa, khởi phát không chỉ do ức chế sự bài tiết H+, mà còn do ức chế CA trong tế bào xen giữa loại A (intercalated A cell)ở ống góp (Hình 2).
[IMG]

Hình 1
Nguồn: David E. Golan, Principles of Pharmacology, 3rd edn, Lippincott Williams & Wilkins, Fig 20-6, page 338

[IMG]

Hình 2
Nguồn: http://www.antibodyreview.com

Nước tiểu kiềm hóa, kết quả của quá trình ức chế CA làm tăng sự bài xuất của các anion acid hữu cơ, bao gồm cả aspirin.

Vai trò của Carbonic anhydrase inhibitor trên lâm sàng:

– CA inhibitor thường được sử dụng để khôi phục cân bằng acid-base trong những bệnh nhân suy tim với toan chuyển hóa do sử dụng thuốc lợi tiểu quai.

– Điều trị Gout bao gồm kiềm hóa nước tiểu để tăng tính tan trong nước tiểu của acid uric. Tăng tính tan của acid uric ngăn ngừa sự lắng đọng của acid uric trong nước tiểu, hệ quả là ngăn ngừa được bệnh ống thận do acid uric và sỏi thận. Sự kiềm hóa nước tiểu có thể đạt được bằng cách dùng bicarbonate đường uống, kết hợp với CA inhibitor để giảm sự tái hấp thu của bicarbonate đã được lọc.

– Trèo lên độ cao 3000m so với mực nước biển dẫn đến nhiều cơ quan trong cơ thể, trong đó có não, lâm vào tình trạng phù và mất cân bằng ion. Triệu chứng của bệnh mệt cấp tính do leo núi (acute mountain sickness) bao gồm nôn ói, đau đầu, hoa mắt, mất ngủ, phù phổi, mất tri giác. CA được bao gồm trong việc bài tiết chloride và bicarbonate vào dịch não tủy bởi đám rối mạch mạc của não thất. CA inhibitor có thể được sử dụng để chống lại bệnh mệt cấp tính do leo núi. Cơ chế của tác động này vẫn còn đang được bàn cãi, người ta cho rằng có thể CA inhibitor tác động lên đám rối mạch mạc và tế bào biểu mô nội tủy, lên trung tâm kiểm soát hô hấp ở hành não và lên hàng rào máu não.

– CA inhibitor còn có thể dùng để chữa động kinh, mặc dù cơ chế chống động kinh của một vài trong số nhóm thuốc này không yêu cầu ức chế CA. Một thuốc chống động kinh như thế, Topiramate, có thể gây ra tình trạng nhiễm toan từ nhẹ đến vừa do làm tổn hại sự acid hóa nước tiểu bởi thận.

– CA inhibitor còn có ứng dụng trong nhãn khoa. Biểu mô mi thuộc phòng trước của mắt bài tiết sodium chloride vào thể dịch. Sự bài tiết này đòi hỏi sự có mặt của CA, bởi vì một phần của sự hấp thu Cl- ở màng đáy bên bởi biểu mô mi phụ thuộc vào bơm đối vận Cl-/HCO3- và Na+/H+ cũng như bơm đồng vận Na+/HCO3-. Bơm đồng vận Na+-K+-2Cl- ở màng đáy bên trung gian cho phần lớn Cl- hấp thu bởi tế bào biểu mô mi.

[IMG]

Nguồn:http://80.36.73.149/almacen/medicina/oftalmologia/enciclopedias/duane/pages/v8/ch006/008f.html

Bệnh tăng nhãn áp (Glaucoma) đặc trưng bởi sự tăng áp suất trong phòng trước của mắt, thường kết hợp với tắc nghẽn dòng thể dịch, hoặc trong một số trường hợp là tăng sản xuất thể dịch. Ức chế CA trong tế bào biểu mô mi làm giảm sự bài tiết thể dịch và do đó có thể giảm áp suất đang tăng cao trong mắt. CA inhibitor thường được dùng kết hợp với thuốc đối vận β-adrenergic trong điều trị tăng nhãn áp.

ĐỘC TÍNH

A. Nhiễm toan chuyển hoá kèm tăng cao chloride trong máu (Hyperchloremic Metabolic Acidosis)
Tình trạng nhiễm toan là kết quả của sự suy giảm liên tục lượng HCO3- dự trữ trong cơ thể do thuốc ức chế carbonic anhydrase gây ra và điều này làm giới hạn hiệu quả lợi tiểu của thuốc.Không giống như ảnh hưởng lợi tiểu, tình trạng nhiễm toan vẫn còn duy trì khi thuốc tiếp tục được sử dụng. Trước đây acetazolamide được dùng làm thuốc lợi tiểu, nhưng tác dụng giảm dần khi tiếp tục sử dụng nên phần lớn đã được thay thế bằng các thuốc khác như thiazide và furosemide.

B. Sỏi thận
Trong nước tiểu, lượng phosphate và calcium tăng lên cùng với sự tăng bicarbonate do đáp ứng với thuốc ức chế carbonic anhydrase. Sự bài tiết các nhân tố hoà tan trong thận (ví dụ citrate) cũng có thể sụt giảm khi sử dụng thuốc dài ngày. Muối calcium thì không tan ở pH kiềm, điều này có nghĩa là tăng khả năng bị sỏi thận từ những loại muối này.

C. Mất Potassium từ thận.
Mất potassium (K+) có thể xảy ra bởi sự tăng hấp thu Na+ trong ống góp (cùng với HCO3-) làm điện thế lòng ống đoạn này âm hơn và tăng tiết K+. Ảnh hưởng này có thể được chống lại bằng cách sử dụng đồng thời potassium chloride (KCl) hay thuốc lợi tiểu không làm tăng tiết K+ (K+ sparing diuretic). Việc mất potassium, về mặt lý thuyết, là vấn đề gặp phải của bất kì thuốc lợi tiểu nào mà có sự tăng Na+ đến ống góp. Tuy nhiên, chất đối vận mới với thụ thể adenosine A1 (adenosine A1-receptor antagonists) có thể tránh khỏi độc tính này bằng cách làm giảm sự tái hấp thu Na+ trong ống góp cũng như ống lượn gần.

D. Độc tính khác.
Buồn ngủ và dị cảm thường đi kèm khi dùng một liều lớn acetazolamide. Thuốc ức chế Carbonic anhydrase có thể tích tụ ở bệnh nhân suy thận, dẫn tới nhiễm độc hệ thần kinh. Những phản ứng quá mẫn cảm (sốt, phát ban, mất tuỷ xương (bone marrow suppression) và viêm thận mô kẽ (interstitial nephritis)) có thể xảy ra.

CHỐNG CHỈ ĐỊNH

Thuốc ức chế Carbonic anhydrase gây kiềm hoá nước tiểu làm giảm sự bài tiết NH4+ (bằng cách chuyển nó thành NH3 và tái hấp thu) và có thể góp phần tiến triển tình trạng tăng ammoni máu(hyperammonemia) và bệnh não do gan (hepatic encephalopathy) ở những bệnh nhân xơ gan(cirrhosis).

Hormone kiểm soát sự chuyển hóa Calcium & Phosphate

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

Calcium là một phân tử tín hiệu nội bào thiết yếu, nó đóng vai trò rất quan trọng trong rất nhiều quá trình hoạt động của tế bào và cơ chế cụ thể đã được trình bày trong chương viết về lộ trình sinh tín hiệu tế bào. Do vậy, ở đây ta sẽ chỉ đề cập đến các đặc tính hóa sinh học quan trọng của calcium, phosphate, các hormone và quá trình kiểm soát hoạt động của calcium.

Hình 18.1: Cân bằng nội môi của calcium trong cơ thể.

Hệ thống kiểm soát cân bằng nội môi của calcium rất nhạy cảm với nồng độ calcium bên trong và bên ngoài tế bào nhờ vào các hormone điều hòa calcium đến các cơ quan như thận, xương và ruột non; tác động đến quá trình huy động, bài tiết và hấp thu calcium của tế bào. Có 3 hormone chính, lần lượt là:

–          1,25-dihydroxycholecalciferol: Một steroid hormone được tạo thành từ vitamin D ở gan và thận, vào máu tuần hoàn và được mang bởi globulin gắn vitamin D. Bước hoạt hóa cuối cùng để tạo thành calcitriol xảy ra chủ yếu ở thận nhưng cũng có mặt ở một vài nơi khác (như tế bào keratin và đại thực bào). Nó làm tăng sự hấp thu calcium ở ruột non. Lưu ý là, PTH tăng sản xuất calcitriol thông qua lộ trình tín hiệu cAMP. Calcitriol kiểm soát hoạt tính của 1α-hydroxylase bởi cơ chế tác hồi âm trực tiếp tại thận và ức chế sự tiết PTH.

Hình 18.2: Phân bố vai trò của Ca2+ và phosphate.

–          Hormone tuyết cận giáp (parathyroid hormone, PTH): Đây là một chuỗi polypeptide đơn có 84 amino acid, trọng lượng phân tử khoảng 9500 Da. Chức năng sinh lý của nó liên quan đến vị trí đầu N của peptide. Từ tiểu phân 1 đến 27 là vị trí gắn của hormone với thụ thể PTH và hoạt tính hormone. Nó được tiết ra ở tuyến cận giáp, có vai trò chính là huy động calcium từ xương và tăng hấp thu calcium từ ruột non, giảm thải calcium và tăng thải phosphate qua đường niệu. Khi nồng độ huyết tương của Ca2+ dưới 7mg/dL (1.75 mM), sự bài tiết Ca2+ sẽ giảm. Ở xương, PTH tham gia cả quá trình đồng hóa và dị hóa xương; trong ống nghiệm, nó tác động lên tạo cốt bào bằng cách ức chế sự hình thành collagen týp 1, phosphatase kiềm và osteocalcin; nhưng trong tế bào, người ta lại thấy nó tăng hoạt tính của osteoblast và do vậy nồng độ osteocalcin và phosphatase kiềm đôi lúc lại tăng. (năm 2008 người ta còn phát hiện một số thụ thể của PTH ở hủy cốt bào, được mô tả ở hình dưới đây). PTH hoạt động qua lộ trình tín hiệu của cAMP là chủ yếu và một phần rất nhỏ qua lộ trình của Ca2+ nội bào.

Hình 18.3: Quá trình tạo ra pre-proparathyroid hormone. Sau đó, pre-pro-PTH được phân cắt tại ER để tạo thành pro-PTH và cuối cùng PTH được tạo ra ở bộ Golgi trước khi được tiết ra ngoài bởi các túi tiết.

Hình 18.4: Sự kiểm soát sự tạo thành hủy cốt bào và hoạt tính của tạo cốt bào ở tế bào stroma. PTH tác động trên thụ thể PTH/PTH-related protein (PTHrP) có ở tiền tạo cốt bào để tăng sản xuất macrophage colony-stimulating factor (M-CSF), ligand của thụ thể hoạt hóa NFκB (RANK) và giảm sản xuất osteoprotegerin (OPG). Ligand của M-CSF và RANK kích hoạt sản xuất hủy cốt bào và tăng hoạt tính của hủy cốt bào trưởng thành bằng cách gắn vào thụ thể RANK. OPG khóa sự tương tác giữa RANK và ligand của nó.

Hình 18.5: Sơ đồ giản lượt lộ trình tín hiệu của PTH.

–          Calcitonin: Hormone này được tiết bởi tuyến giáp, có vai trò giảm nồng độ của calcium trong máu, đối trọng với vai trò của PTH. Thời gian bán hủy của calcitonin là khoảng 10 phút. Sự tiết calcitonin được hoạt hóa bởi catecholamines, glucagon, gastrin và cholecystokinin và tình trạng tiết bất thường liên quan đến tình trạng carcinoma tủy giáp hoặc tăng sản tế bào C tuyết giáp do vậy có thể đóng vai trò như một marker. Calcitonin hoạt động thông qua các thụ thể của nó (CTR), các thụ thể này là thành viên của họ GPCRs. Trong đó, thể phong phú nhất là hCTRI1+, thuộc lộ trình Gs – AC.Không chỉ có calcitonin, calcitonin gene-related peptide (CGRP), amylin (vai trò của nó là ngăn cản sự hủy xương, giảm lượng thức ăn đưa vào cơ thể, giảm tiết dịch vị và ngoài việc có mặt ở xương, nó còn xuất hiện ở tụy trên bệnh nhân bị tiểu đường týp 2, điều này gợi ý rằng nó có một vai trò nhất định trong tình trạng bệnh lý này), adrenomedullin (có tác động giãn mạch nhưng cách thức nó hoạt động vẫn còn phải nghiên cứu nhiều hơn), calcitonin receptor-stimulating peptide 1 (CRSP1) và intermedin (thành viên mới nhất của nhóm này, có mặt ở tuyến yên và ống tiêu hóa) đều có vị trí gắn ái lực cao trên bề mặt tế bào bởi các thụ thể GPCR và RAMP.

Ngoài 3 hormone trên, không thể không nhắc đến vai trò của FGF23. Nó có vai trò quan trọng trong sự chuyển hóa phosphate bình thường. Quá biểu hiện FGF23 sẽ gây nên tình trạng hạ phosphate máu và giảm hoạt tính của 1α-hydroxyl hóa 25(OH)D. Ngoài ra, FGF23 còn giảm các kênh tải phosphate phụ thuộc Na+ ở cả ruột non và thận do vậy nó cũng đóng vai trò điều hòa hoạt động tải phosphate ở cả hai vị trí này. FGF23 đồng thời giảm nồng độ calcitriol lưu thông trong máu bởi vì tác động vào giai đoạn dịch mã của việc tổng hợp 25(OH)D 1α-hydroxylase và tăng biểu hiện của 24-hydroxylase (enzyme có vai trò chính trong việc bất hoạt calcitriol). FGF23 hoạt hóa thụ thể FGF 1 có mặt ở Klotho (một protein xuyên màng chuỗi đơn, có vai trò như một đồng thụ thể); người ta thử nghiệm trên chuột loại bỏ gene mã hóa Klotho thì thấy rằng nồng độ phosphate và calcitriol đều tăng lên, điều này cho thấy rằng Klotho là trung gian điều hòa hoạt tính của FGF23.

Xem toàn bộ bài viết tại đây.

ĐẠI CƯƠNG SẮT VÀ HEMOGLOBIN

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

Xin cảm ơn bạn Lê Minh Châu đã có đóng góp quan trọng cho bài viết này.

Giới thiệu

Hình 19.1: Sự phân bố của Sắt trong cơ thể sinh vật.

Sắt có vai trò rất quan trọng trong cơ thể con người, phần nhiều vì sắt tham gia quá trình chuyển hóa oxygen và tạo máu. Ở cơ thể người , sắt tồn tại ở 2 dạng: ferrous (Fe2+) và ferric (Fe3+). Sắt có ái tính cao đối với những nguyên tử có độ âm điện cao hay mật độ điện âm cao như là oxygen, nitrogen và sulfur, các nguyên tử này được tìm thấy dưới dạng đại phân tử trong tim và có sắt ở trung tâm đại phân tử đó.

Trong môi trường pH kiềm và trung tính, sắt tồn tại ở dạng Fe3+ và ở môi trường pH có tính acid, sắt thường tồn tại ở dạng Fe2+. Khi ở dạng Fe3+, sắt cùng với các anion, nước và peroxides tạo nên các phức hợp lớn. Các phức hợp lớn này ít tan trong nước, và vì tính chất này nên chúng thường tập hợp lại với nhau và tạo nên bệnh lí cho cơ thể. Sắt có thể bám vào rất nhiều đại phân tử và ngăn chặn việc hình thành cấu trúc hay phá hoại chức năng của các đại phân tử này. Vì vậy cơ thể cần có các protein bám sắt (iron-binding protein) để bảo vệc cơ thể khỏi những tác động có hại của sắt.

Hình 19.2: Phổ hấp thụ vùng nhìn thấy của Hb mang và không mang oxygen.

Heme không những quan trọng vì nó có vai trò tạo nên hemoglobin và vài enzyme (như cytochrome oxi hóa khử và cytochrome giải độc nhóm P450) mà chúng còn quan trọng vì rất nhiều bệnh xảy ra do khiếm khuyết enzyme trong quá trình sinh tổng hợp chúng. Sự khiếm khuyết này làm δ-aminolevulinic acid, (ALA) và các heme trung gian có màu bất thường khác xuất hiện trong hệ tuần hoàn, nước tiểu và các mô khác như răng và xương gây nên rối loạn bệnh lí. Vài rối loạn trong quá trình sinh tổng hợp heme diễn ra rất âm thầm như porphyrias.

Chuyển hóa sắt

Fe2+ liên kết với protoporphyrin IX tạo heme. Có rất nhiều heme có các protein liên quan đến việc vận chuyển oxygen (hemoglobin), dự trữ oxygen (myoglobin) và enzyme xúc tác như là nitric oxide synthase (NOS) và prostaglandin synthase (cyclooxygenase). Có rất nhiều sắt không tạo heme nhưng có chứa protein như iron-sulfur protein trong sự phosphoryl hóa oxi hóa hay các protein dự trữ và vận chuyển sắt (transferrin và ferritin).

Hình 19.3: Phức hợp Fe(II)-porphyrin có gắn kết Oxygen

Sắt được đưa vào cơ thể con người ở 2 dạng: sắt tự do và sắt heme. Trong ruột, sắt tự do bị khử từ dạng Fe3+ thành dạng Fe2+ ở trên lớp niêm mạc của tế bào ruột non và được chuyển đến các tế bào bằng transporter kim loại hóa trị 2 (divalent metal transporter, DMT1). Ruột hấp thu được sắt heme khi heme bám vào protein vận chuyển heme (heme carrier protein, HCP1).Sau đó, sắt trong heme được tách ra khỏi heme bởi enzyme dị hóa heme, heme oxygenase. Sắt có thể được dự trữ trong trong tế bào ruột ở dạng bám vào ferrintin. Sắt được vận chuyển qua màng đáy bên của tế bào ruột vào hệ tuần hoàn nhờ vào transport protein ferroportin (hay còn gọi là IREG1- iron regulated gene 1). Sau đó, enzyme hephaestin (ferroxidase chứa đồng có chức năng tương tự ceruloplasmin) oxi hóa Fe2+ thành Fe3+. Khi đi vào hệ tuần hoàn, Fe3+ gắn vào transferrin và thông qua hệ cửa để đến gan. Gan là nơi dự trữ chính của sắt. Nơi sử dụng sắt nhiều nhất là tủy xương, nơi tổng hợp heme.

Hình 19.4: Cấu trúc của Heme

Sắt đưa vào cơ thể được hấp thu ở tá tràng. Sắt tự do thường tồn tại ở dạng Fe2+ở ruột và bị khử thành Fe3+ bởi ferrireductase. Ở tá tràng, quá trình khử này được diễn ra bởi duodenal cytochrome B (DCYTB) vàferrireductases bờ bàn chải ruột (vì nghiên cứu cho thấy những con chuột knock-out gene DCYTB không bị giảm khả năng hấp thu sắt).  Fe2+ được hấp thu vào ruột bởi ivalent metal transporter 1 (DMT1). DMT1 thuộc họ protein vận chuyển tan (solute carrier protein family) và được kí hiệu là SLC11A2. Sắt heme được hấp thụ nhờ vào heme carrier protein 1 (HCP1). Khi vào ruột, heme bị thoái giáng bởi heme oxygenase và giải phóng Fe2+. Fe2+ bám vào ferritin và được được dự trữ ở ruột hay đi vào tuần hoàn bởi ferroportin (IREG1). Ferroportin cũng thuộc họ protein vận chuyển tan trong dung dịch nước (solute carrier protein family) và được kí hiệu là SLC11A3. Khi vào máu, sắt được transferrin vận chuyển ở dạng Fe3+ vì khi đi qua ferroportin, Fe2+ đã được hephaestin (1 loại ferroxidase) oxi hóa thành Fe3+.

Transferrin được sản xuất ở gan và là protein huyết thanh có khả năng vận chuyển sắt. Mặc dù còn rất nhiều kim loại khác có thể bám vào transferrin nhưng Fe3+ có ái lực cao nhất đối với transferrin. Fe2+ không bám vào transferrin. Có 2 dạng Fe3+ bám vào transferrin. Sắt được hấp thu vào tế bào nhờ sự phosphoryl hóa thụ thể màng tế bào của PKC. Sau đó phức hợp sắt-transferrin-thụ thể sẽ được nội bào hóa. Sau đó, vì tính acid của endosome, sắt được giải phóng còn transferrin và thụ thể được đưa trở về màng tế bào.

Hình 19.5: Chu trình của Transferrin trong tế bào

Xem toàn bộ bài viết tại đây.

Sinh lý học tế bào


Nguyễn Phước Long – Lê Minh Châu

Sự chuyên biệt hóa của tế bào trong các hệ cơ quan khác nhau đều được khảo sát, và một điều quan trọng cần nhớ là không có tế bào nào được gọi là “dạng chuẩn”, đại diện cho tất cả các tế bào trong cơ thể của chúng ta. Tuy nhiên, có một vài bào quan có cấu trúc tương tự nhau ở phần lớn tế bào. Phần lớn các bào quan này có thể được cô lập nhờ sự ly tâm hóa với một số ứng dụng của công nghệ. Khi đó tế bào trở nên đồng nhất, ởtrạng thái huyền phù, nhân sẽ lắng đọng trước và sau đó là ti thể. Máy ly tâm tốc độ cao sinh ra áp lực gấp 100000 lần trọng lực hay tạo sự phân cắt sẽ làm cho các hạt nhỏ gọi là microsome đóng cặn, bao gồm ribosomes và peroxisomes.

Hình 21.1: Tế bào và các bào quan.

Màng tế bào

 

Màng tế bào là một cấu trúc rất phức tạp. Nó được tạo bởi lớp lipid, protein; có tính bán thấm, nghĩa là cho một số chất di chuyển xuyên qua và một số chất khác thì không. Tuy nhiên, tính thấm này có thể thay đổi bởi vì màng tế bào có chứa một lượng lớn các kênh ion và protein vận chuyển, do đó nó có thể cho một lượng lớn các chất có kích thước đa dạng đi qua. Màng nhân và màng của một số bào quan khác cũng có cấu trúc tương tự.

Mặc dù cấu trúc hóa học và các thuộc tính của màng tế bào có một khoảng thay đổi khá lớn giữa vùng này với vùng khác, nhưng chúng chia sẽ những đặc trưng chung. Màng tế bào dày khoảng 7.5 nm. Thành phần lipid được cấu tạo chủ yếu bởi phospholipids như là phosphatidylcholine và phosphatidylethanolamine (mà ta đã có dịp tìm hiểu sâu ở chương trước). Hình dạng của phân tử phospholipid này phản ánh thuộc tính của nó: Đầu phosphate có mối quan hệ với những chất tan trong nước (phân cực, thấm nước) và đuôi thì có mối quan hệ tới những chất không phân cực (kị nước). Do vậy chúng là phân tử lưỡng cực (amphipathic molecule). Ở màng tếbào, đầu thấm nước quay về phía môi trường (nơi có nhiều nước) và về phía dịch bào tương; còn đuôi kị nước quay mặt vào nhau (xem hình 21-2). Ở tế bào prokaryotes [bacteria (vi khuẩn) – tế bào không có màng nhân], màng tế bào tương đối đơn giản, nhưng ở tế bào eukaryotes (tế bào có màng nhân), màng tế bào có nhiều phân tử như glycoshingolipids (lipids có chứa đầu saccharide), sphingomyelin và hơn nữa còn có cholesterol, phospholipids và phosphatidylcholine.

Hình 21.2: Màng tế bào và các cấu trúc màng.

Nhiều loại protein cũng đính trên màng tế bào. Protein xuyên màng tồn tại ở dạng những đơn vị hình cầu và nằm xuyên qua toàn bộ màng tế bào; ngược lại protein bám màng thì nằm ở bên trong hoặc bên ngoài của màng. Lưu ý rằng protein chiếm tới 50% khối lượng màng tế bào, nghĩa là cứ một phân tử protein trên màng thì sẽ có 50 hoặc nhiều hơn phân tử phospholipid.

Protein trên màng tế bào có nhiều chức năng, như: Một vài trong số đó là phân tử kết dính có vai trò neo giữ tế bào với các tế bào lân cận hay vào các vị trí gắn kết đặc hiệu. Một số có vai trò như những chiếc “máy bơm”, có vai trò như kênh vận chuyển ion bởi cơ chế khuếch tán hỗ trợ (ngược chiều gradient nồng độ). Hay một vài protein có vai trò như kênh ion, khi được hoạt hóa chúng sẽ cho phép ion đi vào hay đi ra khỏi tế bào. Vai trò bơm, vận chuyển và kênh ion sẽ được thảo luận ở tiếp sau đây. Một số nhóm protein khác đóng vai trò là một thụ thể liên kết với ligands hoặc phần tử thông tin tác động gây ra sự thay đổi sinh lý của tế bào,… Cuối cùng, protein cũng có vai trò như là một enzymes, xúc tác phản ứng xảy ra trên bề mặt màng tế bào. Các ví dụ chức năng của nhóm protein này dần dần được đề cập trong các chương tiếp sau trong suốt quyển sách này.

Phần kị nước (không tích điện) của protein thường nằm ở vị trí ngay dưới màng tế bào còn phần ưa nước và tích điện của nó sẽ nằm trên bề mặt. Một con đường gắn thể glycosylated (gắn saccarid vào protein hay lipid) của phosphatidylinositol. Protein kiểm soát quá trình đó bởi glycosylphosphatidylinositol (bao gồm các enzyme như alkaline phosphatase, rất nhiều kháng nguyên, một lượng lớn phân tử kết dính tế bào và 3 protein bổ sung chống lại sự tiêu bào). Có hơn 45 tế bào liên kết với GPI ở bề mặt đã được biết đến ở người (2009). Một số protein gắn với lipid. Protein có thể biến đổi không thuận nghịch (myristolated), gắn với acid béo (palmitoylated) hay gắn các chất kị nước (ví dụ gắn với geranlgeranyl hoặc nhóm fRNAesyl).

Hình 21.3: Một số protein bám màng. Mô tả đầu C- và đầu N.

Cấu trúc của protein và những enzyme kèm theo của màng sinh học khác nhau không chỉ ở các tế bào với nhau mà còn ở nội tại của tế bào. Ví dụ như một vài enzyme gắn trên màng tế bào khác với trên màng ti thể. Trong tế bào biểu mô, enzyme của màng tế bào trên bề mặt màng nhày khác với những enzyme trong màng tế bào nền và ở mép bên, nghĩa là tế bào có sự phân cực. Màng tế bào là một cấu trúc chức năng và những thành phần cấu thành nó luôn được tái sinh ở các mức độ khác nhau. Một số loại protein gắn vào khung xương tế bào và một số lại di chuyển ra bề mặt màng.

Nằm trải dài ở bao quanh màng tế bào là một lớp vật chất mỏng dày khác nhau có chứa một số loại sợi protein có chức năng chung là tạo nên thành phần cơ bản (chất nền). Lớp cơ sở của tế bào thông thường tạo thành các protein liên kết các tế bào lại với nhau, điều hòa và quyết định sự phát triển của chúng tạo thành một mạng lưới ngoại bào. Nó bao gồm collagens, laminins, fibronectin, tenascin và một số loại proteoglycans.

Ti thể

 

Hàng tỉ năm về trước, tế bào nhân thực “tiêu hóa” vi khuẩn hiếm khí và biến nó thành ti thể – nguồn cung cấp năng lượng dồi dào cho tế bào dưới dạng ATP thông qua sự oxi hóa phosphryl hóa. Ti thể còn có những chức năng khác, như điều hòa sự chết có chương trình (apoptosis), nhưng vai trò quan trọng nhất vẫn là nguồn tạo ra năng lượng. Mỗi tế bào eukaryote có hàng trăm ngàn ti thể. Ở động vật có vú, ti thể thường là một bào quan (có hình dạng giống với xúc xích) nhưng thật ra hình dạng của chúng khá linh động. Mỗi ti thể bao gồm màng ngoài, khoảng gian màng, màng trong (có các hạt nhỏ bám vào, có chứa nhiều enzyme tham gia vào quá trình oxi hóa phosphoryl hóa) và chất nền ti thể.

Hình 21.4: Các thành phần tham gia vào quá trình oxi hóa phosphoryl hóa và nguồn gốc của nó. Quá trình này đã được đề cập chi tiết ở chương 4.

Do có nguồn gốc từ sinh vật đơn bào, ti thể cũng có bộ gene của riêng nó. Tuy nhiên có ít DNA hơn và 99% protein được tạo ra trong ti thể đều có nguồn gốc từ gene trong nhân của tế bào nhân thực. Nhưng DNA của ti thể đóng vai trò như là chìa khóa ca con đường oxi hóa phosphoryl hóa. Đặc biệt, DNA ti thể ở người là một chuỗi xoắn kép chứa khoảng 16500 cặp base (so với hàng tỉ cặp trong nhân DNA của tế bào nhân thực). Nó mã hóa cho ba đơn vị dưới protein và được giải mã bởi bộ gene trong nhân để tạo ra 4 enzyme cộng với 2 ribosome và 22 RNA vận chuyển cần thiết cho sự tổng hợp protein ti thể.

Nói chung enzyme của ti thể đáp ứng quá trình oxi hóa phosphoryl hóa, điều này cũng minh họa cho sự tác động qua lại giữa sản phẩm của ti thể với sản phẩm của tế bào nhân thực. Ví dụ như phức hợp I (complex I) làm giảm lượng nicotinamide adenin dinucleotide dehydrogenase (NADH) (được tạo ra bởi 7 đơn vị dưới protein được mã hóa tại ti thể và 39 đơn vị dưới có nguồn gốc từ DNA của nhân). Nguồn gốc của các đơn vị dưới khác của phức hợp được mô tả trong hình 21.4. Complex II – succinate dehydrogenase-ubiquinone oxidoreductase, complex III – ubiquinone-cytochrome c oxidoreductase và complex IV – cytochrome c oxidase hợp động cùng với complex I, coenzyme Q và cytochrome c để chuyển hóa thành CO2 và nước. Complex I, III và IV bơm H+ vào trong khoảng gian màng thông qua bơm điện tử của chuỗi truyền điện tử. H+ sau đó được bơm xuyên qua complex V, ATP synthase và trở thành nguyên liệu cho việc tổng hợp ATP.

Ti thể nhận thông tin duy truyền từ tế bào mẹ. Thông tin này có vai trò như là một bộ đánh dấu sự thoái triển. Ti thể không có hệ thống sữa chữa DNA và tỉ lệ đột biến xảy ra ở ti thể cao gấp 10 lần DNA của nhân tếbào. Mt lượng lớn các bệnh hiếm gặp được phát hiện là có liên quan đến đột biến DNA của ti thể (mitochondrial medicine). Nó bao gồm một lượng lớn bệnh liên quan tới mô – những nơi có tỉ lệ chuyển hóa đểsản xuất năng lượng có sự sai lệch lớn khi quá trình sản xuất ATP diễn ra một cách bất thường.

Lysosomes

Bảng 21.1: Các enzyme của lysosomes và cơ chất của nó.

 

Khoảng không gian được giới hạn bởi màng tế bào, có cấu trúc không đồng nhất và chứa các bào quan được gọi là bào tương. Trong môi trường đó có chứa lysosome – một bào quan có tính acid hơn so với pH thông thường của bào tương, có vai trò tiêu hóa các chất được đưa vào tế bào. Màng của lysosome hoạt động như một bơm proton (hay còn gọi là H+-ATPase) – sử dụng năng lượng ATP để vận chuyển H+ t bào tương vào trong lysosome nhằm giữ cho pH luôn bằng 5. Lysosome chứa hơn 40 loi enzyme thủy phân, một vài loại được đề cập đến ở bảng 21-1. Tất cả các loại enzyme này đều có tính acid và giúp duy trì pH trong lysosome ngoài ra còn giúp cho quá trình tiêu hóa diễn ra thuận lợi hơn. Mức acid này không có tác động xấu đến tế bào ở tình trạng bình thường vì dù cho lysosome có bị vỡ ra thì enzyme của nó cũng bị mất hoạt tính do pH của bào tương có pH là 7.2 (ngoài vùng hoạt động của enzyme). Vì vậy, chúng không có khả năng tiêu hủy, cũng như làm tổn hại đến các bào quan khác. Những bệnh lý liên quan đến hoạt động bất thường của lysosome được đề cập ở clinical box 1:

Clinical Box 1:

 

“Bệnh liên quan đến lysosome

Khi có một enzyme tiêu hóa của lysosome bị thiếu hụt, lysosome bị nhồi nhét bởi những enzyme bình thường khác. Điều này tất yếu dẫn đến bệnh rối loạn dự trữ của lysosome. Ví dụ như sự thiếu hụt galactosidase A gây ra bệnh Fabrythiếu galactocerebrosidase gây bệnh Gaucher. Những bệnh này hiếm xảy ra nhưng rất nghiêm trọng và có thể gây tử vong. Một ví dụ khác về chứng rối loạn này là bệnh Tay-sachs, gây chậm phát triển tí tuệ và mù lòa. Tay-sachs xuất hiện bởi sự thiếu enzyme hexosaminidase A, một enzyme tiêu hóa của lysosome xúc tác cho sự tiêu giảm sinh học chất ganglioside (một dẫn xuất của acid béo).”

 

Peroxisomes

 

Peroxisomes có đường kính 0,5 micromet, được bao bọc bởi màng và bên trong chứa nhiều enzyme có khả năng tạo ra H2O2 cũng như phân hủy nó (catalase). Protein được đưa vào piroxisome bởi những tín hiệu đặc biệt liên tục cùng với sự giúp đỡ của peroxins (protein đi kèm). Trên màng piroxisome có chứa nhiều protein đặc hiệu kèm với các kênh vận chuyển vận chất vào chất nền bên trong hay đi ra ngoài dịch bào. Chất nền peroxisome có tới hơn 40 enzyme có tác dụng phối hợp điều hòa cùng với các enzyme trong dịch bào xúc tác cho các phản ứng đồng hóa và dị hóa (như thủy phân lipids chẳng hạn). Peroxisome có thể được tạo ra bởi lưới nội sinh chất hay trong quá trình phân bào. Người ta đã tìm thấy một lượng lớn các chất quyết định sự phát triển của piroxisome được điều hòa bởi các thụ thểở trong nhân của tế bào. PPARs (peroxisome proliferation activated recepters) là thành phần của một tập hợp các thụ thể trong nhân có liên quan với nhau. Khi được kích hoạt, các thụ thể này gắn kết với DNA gây ra sự biến đổi trong quá trình sản xuất mRNA. (PPARs còn có những hiệu ứng khác được biết cho đến nay là nó còn có tác động đến nhiều mô và cơ quan khác).

Khung xương tế bào (cytoskeleton)

 

Bộ xương tế bào là một hợi thống sợi có vai trò giữ vững cấu trúc của tế bào, giúp nó thay đổi hình dạng và thực hiện di chuyển, có mặt ở mọi tế bào. Cấu trúc của nó thường có ba phần là vi ống, sợi trung gian, vi sợi xen giữa và bám dính vào protetin để giữ liên kết với nhau. Hơn nữa, protein và bào quan di chuyển dọc theo vi ống và vi sợi từ phần này đến phần khác của tế bào nhờ các phần tử đẩy.

Xem toàn bộ bài viết tại đây.

Sinh học chất gian bào

Nguyễn Phước Long

Giới thiệu

Chất nền ngoại bào (ECM) được tìm thấy trong mô của các động vật có vú, nằm ngoài tế bào và có nhiệm vụ nâng đỡ các tế bào. ECM thường được xem là mô liên kết. ECM cấu tạo bởi 3 loại phân tử sinh học:

  1. Protein cấu trúc (structural protein): collagen và elastin
  2. Protein chuyên biệt (specialized protein): fibrillin, fibronectin và laminin
  3. Proteoglycan: phân tử này có các glycosaminoglycans (GAGs – chuỗi dài có nhiều đơn vị disaccharide lặp lại) bám vào protein lõi.

Hình 23.1: Cấu trúc của proteoglycans

Collagen

Collagen là protein được tìm thấy nhiều nhất ở động vật và đây cũng là protein chủ yếu trong ECM. Bộ gen người có hơn 30 gene mã hóa collagen và các gene này phối hợp với nhau để tạo nên hơn 20 loại collagen fibrils khác nhau. Loại I, II, III là các loại thường gặp nhất và 3 loại này cũng tạo nên các cấu trúc tương tự nhau. Loại IV tạo two-dimensional reticulum và nó cũng là thành phần chủ yếu của màng đáy (basao lamina). Phần lớn collagen được tổng hợp từ fibroblast nhưng các tế bào biểu mô cũng tạo nên protein này.

Về cơ bản, collagen là các protein dạng hình dây thừng dài và mỏng . Ví dụ: Collagen loại 1 dài 300nm, có đường kính 1.5nm và có 3 tiểu đơn vị cuộn (coiled subunit): 2 chuỗi α1(I)  và 1 chuỗi α2(I), mỗi chuỗi này có 1050 amino acid và quấn vào nhau tạo nên cấu trúc xoắn ba về phía bên phải (right-handed triple helix).Mỗi vòng xoắn có 3 amino acid và amino acid thứ ba luôn luôn là G. Collagen cũng chứa rất nhiều proline và hydroxyproline. Các vòng pyrollidone lớn của proline nằm ngoài cấu trúc xoắn ba này.

Hình 23.2: Cấu trúc của sợi collagen (đọc từ trái sang phải, X thường là proline và Y thường là hydroxyproline, trình tự gly-X-Y thường hay lập lại ở xoắn α)

Các vòng xoắn ba này tương tác với nhau tạo nên các sợi có đường kính 50nm. Sau đó chúng cuộn lại tạo thành các phân tử có chiều dài khoảng ¾ kích thước thông thường (mất đi khoảng 67nm hay ¼ chiều dài). Các Staggered array này tạo nên các vạch nên chúng có thể được quan sát bằng kính hiển vi điện tử.

Collagen thường được tạo thành từ procollagen. Procollagen loại 1 có thêm 150 amino acid tại đầu N tận và 250 amino acid tại đầu C tận. Các phần này cuộn lại và tạo nên các liên kết disulfide nội chuỗi. Chính những liên kết này đã giúp tạo nên cấu trúc xoắn ba của collagen.

Đầu tiên, các sợi collagen tập trung tại ER và bộ máy golgi, tại đây các chuỗi tín hiệu được loại bỏ và bắt đầu quá trình thay đổi chuỗi collagen. Các proline chuyên biêt đưowjc thủy phân bởi prolyl 4-hydroxylase và prolyl 3-hydroxylase còn các lysine thì được thủy phân bởi lysyl hydroxylase. Cả 2 loại prolyl hydraoxylases đều có vitamin C là co-factor. Glycosylations của O-linked type xảy ra trong bộ máy golgi. Sau đó các procollagen được phóng thích vào khoảng ngoại bào (extrallular space) để loại bỏ các vùng pro-domain. Tiếp theo, các phân tử collagen được polymer hóa (polymerize) để tạo collagen fibrils và các lysine bị oxi hóa bởi enzyme ngoại bào lysyl oxidase để tạo aldehydes hoạt động. Các aldehyde này tạo ra sự bắt chéo giữa 2 chuỗi, qua đó làm bền các khung so le (staggered array) của sợi nhỏ collagen.

 

Bảng dưới đây liệt kê 12 sợi nhỏ collagen thường gặp nhất

Xem trọn bài viết tại đây