Category Archives: Đại phân tử sinh học

Giới thiệu một số kênh ion chính trong tế bào

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 Knày 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 10lần 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.

Xem toàn bộ bài viết tại đây.

SINH LÝ HỌC TẾ BÀO CƠ

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long – Nguyễn Thị Huyền Trang

Giới thiệu

Hiện tại, sự hiểu biết về các sự kiện phân tử trong quá trình co cơ cơ bản được thể hiện trong mô hình sợi trượt. Mô hình này được áp dụng cho cơ trơn, cơ vân, cơ tim, và các hoạt động co thắt khác, bao gồm các sự kiện hoá-cơ học (mechanochemical) như vận động tế bào và sự nhập bào của thụ thể (receptor endocytosis). Các hoạt động hóa sinh này được hiểu rõ nhất ở cơ vân, bài viết này tập trung vào cơ vân (chú ý, nó cũng thích hợp hoặc khác biệt ở những loại cơ khác). Các đặc điểm sinh hóa phân biệt phản ứng tế bào nhanh và chậm trong mô cơ và là cơ sở sinh hóa của một số trạng thái sinh lý bệnh phổ biến của cơ bắp, bao gồm cả cơn uốn ván, mệt mỏi, và tình trạng co cơ tạm thời sau tử vong (rigor mortis).

Cơ vân chiếm khoảng 40% khối lượng của cơ thể người bình thường và được hình thành từ các tế bào đa nhân, hình trụ dài được gọi là các sợi cơ. Sợi cơ vân chia thành hai loại, co rút chậm (loại I) và co rút nhanh (loại II). Loại sợi II được chia thành loại sợi IIa và IIb. Loại sợi IIa là sợi trung gian co rút nhanh và có thể sử dụng cả hai quá trình trao đổi chất hiếu khí và kỵ khí cho việc sản xuất ATP. Loại sợi IIb là sợi co rút nhanh cổ điển. Các sợi cơ co rút chậm chủ yếu sử dụng quá trình oxy hóa axit béo và chứa một lượng ty thể và mức myoglobin cao. Hai  yếu tố này là lý do khiến sợi co rút chậm có màu đỏ. Sợi co rút nhanh chủ yếu sử dụng quá trình oxy hóa glucose thành pyruvate để sản xuất ATP, chứa ít ty thể và myoglobin hơn sợi co giật chậm và do đó, các sợi này có màu trắng. Vì sợi co rút chậm oxy hóa acid béo nên được gọi là sợi oxy hóa trong khi đó, sợi co rút nhanh sử dụng glucose được gọi là sợi glycolytic. Sợi co rút chậm có khả năng co bóp mở rộng liên tục, do đó chúng không nhanh mỏi. Sợi co rút nhanh sử dụng năng lượng rất ngắn và nhanh nên dễ bị mỏi một cách nhanh chóng hơn so với các sợi co rút chậm.

Hình 27.1: Cấu trúc mao mạch cơ vân

Các màng plasma của các sợi cơ gọi là sarcolemma. Mỗi cơ được tạo thành từ những bó sợi, hay tế bào,gắn kết với nhau bởihệ thống mô liên kết gọi là endomysium (bao gồm mô liên kết, mao mạch, mạch bạch huyết và thần kinh). Các bó sợi với endomysium của chúng được bao quanh bởi một vỏ bọc mô liên kết sợi gọi là perimysium. Tập hợp các perimysium (là các mô liên kết) và bên trong nó được gọi là một fasciculus. Một cơ hoàn chỉnh bao gồm nhiều fasciculi bao quanh bởi một lớp mô liên kết dày bên ngoài gọi là vách ngăn perimysial. Hoạt động co của mỗi sợi cơ trong chuyển động giải phẫu diễn ra thông qua một hệ thống liên tục các mô liên kết và vỏ bọc, mà cuối cùng kếthợp vào các gân.

Trong màng bao cơ sarcolemma là cơ tương (sarcoplasm), có chứa tất cả các phân tử dưới tế bào (subcellular) thông thường cộng với sợi nguyên cơ (myofibrils) dài lồi lên. Mỗi sợi nguyên cơ (myofibril) bao gồm bó sợi protein co, một số kéo dài từ đầu đến cuối trong tế bào. Myofibrils là yếu tố dễ thấy nhất trong các sợi cơ bám xương ghép nên khoảng 60% sợi cơ protein. Một myofibril bao gồm nhiều đơn vị cấu trúc ngắn, được gọi là sarcomeres, sắp xếp từ đầu đến cuối. Các protein tại nơi tiếp giáp giữa các sarcomeres tạo nên vạch Z, và do đó mỗi sarcomere kéo dài dọc theo sợi myofibril từ vạch Z này đến vạch Z kế tiếp.Sarcomeres được cấu tạo chủ yếu bởi các sợi mỏng actin và sợi dày myosin.Sarcomeres là đơn vị co cơ nhỏ nhất. Sự co cơ là sự phối hợp co và kéo dài của hàng triệu sarcomeres trong một cơ cung cấp cho hoạt động cơ học.Mối quan hệ giữa các protein cơ và cơ được tóm tắt trong bảng ở trên.

Tổ chức của Sarcomere

Hình 27.2: Cấu trúc một sarcomere

Tổ chức các sợi đơn protein co ghép lại tạo thành sarcomere là một đặc tính quan trọng trong mô hình sợi trượt co cơ. Mỗi Sarcomere bao gồm tập hợp hàng trăm protein dạng sợi, gọi là myofilament. Hai loại myofilaments được nhận biết dựa vào đường kính cơ bản và thành phần protein (xem hình trên). Myofilaments dày bao gồm vài trăm phân tử protein sợi được gọi là myosin. Myofilaments mỏng gồm hai chuỗi polymer dài cuộn lại với nhau hình xoắn ốc của một protein hình cầu gọi là actin. Sợi mỏng và dày cũng có chứa các protein phụ, được mô tả dưới đây.Protein của vạch Z, bao gồm α-actinin, có chức nănggắn vào chất nền hay neo vào một đầu sợi mỏng, nơi mở rộng về phía trung tâm sarcomeres ở phía còn lại của vạch Z. Các protein vạch Z thường xuất hiện liên tục trên toàn chiều rộng của một sợi cơ và hoạt động để giữ myofibrils trong myofiber trong register. Mỗi sợi mỏng kết thúc tự do ởngoại biên trong cơ tương (sarcoplasm) và bị giới hạn với một protein được gọi là β-actinin.

Cũng được mô tả trong hình trên là tập hợp các protein hình đĩa thứ 2: vạch M nằm ở trung tâm sarcomeres. Giống như protein vạch Z, tập hợp các protein vạch Mgắn vào chất nền, trong trường hợp này là các sợi dày myosin. Sợi dày mở rộng từ điểm gắn trên hai phía của vạch M đến 2 vạch Z là nơi xác định một sarcomere.

Trong sarcomere, các sợi dày và mỏng đan vào nhauvì vậy trong mặt cắt ngang, chúng tạo thành một mạng lưới hình lục giác, trong đó có 6 sợi mỏng sắp xếp bao xung quanh mỗi sợi dày. Các sợi dày cũng được sắp xếp theo hình lục giác với nhau. Trong quá trình co và giãn, khoảng cách giữa các vạch Z khác nhau, giảm khi co thắt và tăng khi giãn. Vạch M, gắn với những sợi dày, vẫn nằm ở trung tâm sarcomere. Các sợi mỏng và dày giữ lại cấu trúc dài mở rộng của chúng ngoại trừ các tình huống đặc biệt. Chiều dài sarcomere thay đổi bởi các sợi mỏng được kéo dọc theo các sợi dày theo hướng của vạch M.

Hình 27.3: (a) Toàn thể tế bào cơ vân. (b) Perimysium. (c) Endomysium.

Protein của các Myofilaments

Hình 27.4: Mô phỏng cấu trúc sợi dày (b) và sợi mỏng (a).

Cơ sở sinh hóa của hoạt động cơ có liên quan đến các tính chất enzyme và tính chất vật lý của actin, myosin, và các protein phụtạo thành các sợi mỏng và dày. Bài viết dưới đây tóm tắt các thành phần protein chính của myofilaments và tương tác ATP-phụ thuộc là nơi phát sinh hoạt động co cơ.

Các protein của các sợi mỏng và dày có thể được chia thành actin, myosin, và 6 protein phụ. Các protein phụ là α-actinin, β-actinin, tropomyosin, troponin, protein C và protein vạch M. Các phân tử hòa tan myosin là các protein dài mỏng (sợi) với trọng lượng phân tử khoảng 500.000 dalton.

Mỗi phân tử được tạo thành 6 tiểu đơn vị, 2 chuỗi rất lớn và nặng (HC), và 4 chuỗi nhỏ hơn và nhẹ (LC).Trong một sợi cơ, 2 tiểu đơn vị lớn là giống hệt nhau, mặc dù có HC đồng dạng khác nhau trong các loại sợi cơ khác nhau.Chuỗi nặngchứa miền xoắn- α thẳng dàiở đầu C(1300 axit amin) và một miền hình cầu đầu Nkhoảng 800 axit amin. Hai HC, miền xoắn ốc-α cuộn vào nhau hình xoắn ốc, các phân tử cấu trúc dài, bền siêu xoắn với 2 phần đầu hình cầu. Một phân tử myosin hoàn chỉnh cũng chứa 4 protein tương đối nhỏ có liên quan với phần đầu hình cầu. Những protein nhỏ, trọng lượng phân tử 16,000-24,000 dalton, được gọi là chuỗi kiềm nhẹ (LC1 hay LC3) và chuỗinhẹ DTNB(LC2). Mỗi phân tử myosin có 2 tiểu đơn vị của LC2, 1 kết hợp với từng miền HC hình cầu.Mỗi miền hình cầu có chứa một tiểu đơn vị của LC1 hoặc LC3, tỷ lệ LC1 và LC3 trong các phân tử myosin khác nhau trong myosins cơ tim, cơ vân, phôi thai, và cơ trơn. Tất cả các chuỗi nhẹ liên kết Ca2+với ái lực cao, được phosphoryl hóa bởi myosin kinase chuỗi nhẹ(myosin light chain kinase) (MLCK), và có chức năng điều hoà chung các hoạt động của myosin ATPase và lắp ráp vào các sợi dày.

Tổ chức myofilaments

Một số điểm mốc có chức năng quan trọng tồn tại trên các phân tử myosin. Gần trung điểm của khu vực siêu xoắn thẳng dài là một vùng được xác định bởi tính mẫn cảm sẵn sàng để tiêu hóa trypsin bằng protein phân giải. Trypsin tách myosin thành 2 phần: 1 có chứa cả phần đầu hình cầu và một số khu vực siêu xoắn, và phần còn lại bao gồm các phần siêu xoắnở đầu carboxy.Phần có chứa phần đầu được gọi là meromyosin nặng (heavy meromyosin (HMM); trọng lượng phân tử 350,000). Mảnh ở đầu C gọi là meromyosin nhẹ (light meromyosin (LMM); trọng lượng phân tử 125,000).

Sự mẫn cảm đối với hoạt động protease của trypsin đóng vai trò quan trọng phản ánh sự gián đoạn ngoài sự siêu xoắn bền ra, còn cho phép vùng nàyhoạt động như là một trong những khớp nối liên quan đến việc chuyển đổi năng lượng hóa học ATP vào các sự kiện cơ học co và giãn. Một mốc thứ hai dễ mẫn cảm với sự thủy phân protein thành papain có cũng được coi là một khớp nối. Papain tách ra 1 vùng rất gần với các phần đầu hình cầu, những sau đó tách để hình thành 2 tiểu mảnh,  mỗi cái gọi là SF-1 (cho tiểu mảnh 1). Phần siêu xoắn còn lại của phân tử được gọi là SF-2. Hoạt động ATPase của myosin liên quan với các đơn vị SF-1.

Một sợi dày bao gồm khoảng 400 phân tử myosin, 200 phân tửphân bố ở mỗi bên vạch M. Các phân tử này được duy trì trong bó protein C (kẹp protein), protein vạch M và sự tương tác kỵ nước của phân tử myosin. Các phân tử myosin gắn chặt lại trong vùng đại diện bởi phần LMM của các phân tử.

Tại điểm bản lề trypsin, meromyosin chuỗi nặng đẩy góc nhọn ra ngoài từ trục chính của sợi dày. Đây là phần mở rộng của meromyosin nặng đi từ trục chính của sợi dày giúp mang phần đầu vào gần các sợi actin mỏng nằm giữa các sợi dày.Các sự kiện phân tử cơ bản trong quá trình co cơ điều hoà sự liên kết phần đầu myosin với sợi actin mỏng, kéo theo bởi sự thay đổi nhanh chóng hình thể myosin về các khớp nối của chúng với phạm vi actin di chuyển đến vạch M.

Tổ chức sợi mỏng Actin

Hình 27.5: Cơ chế co cơ tim bởi kích thích β-adrenergic.

Các sợi mỏng được bao gồm nhiều tiểu đơn vị protein hình cầu G-actin (42 kD) và một số protein phụ. Trong sợi mỏng, G-Actin sắp xếp ngay ngắn tạo thành sợi polyme dài gọi là F-actin. Một cặp sợi F-actin cuộn vào nhau hình xoắn ốc hình thành trục chính của 1 sợi mỏng hoàn chỉnh.

Mỗi tiểu đơn vị G-actin có 1 vùng liên kết ADP/ATP, được cho là có tham gia trong việc hình thành chuỗi polyme ở sợi mỏng. Sau khi polymer hóa, actin bị giới hạn và sợi mỏng ổn định bởi một protein gọi là β-actinin. Ngoài vùng liên kết nucleotide ra, phân tử G-actin chứa một vùng liên kết ở phần đầu myosin có ái lực cao. Trong cơ vân và cơ tim, protein phụ của sợi mỏng (được mô tả dưới đây) điều hoà một cách tự nhiên vùng sẵn có này cho việc liên kết myosin. Vì vậy, các protein phụ điều khiển các sự kiện co thắt.

Protein phụ chính của sợi mỏng là tropomyosin và troponin. Tropomyosin là một heterodimer cuộn vào nhau theo kiểu xoắn αβ như một sợi dây dài mở rộng chiều dài của 7 chuỗi  G-actin dư lượng. Một cặp phân tử tropomyosin có liên quan với mỗi 7 cặp G-actin dư lượng dọc theo một sợi mỏng, 1 phân tử tropomyosin trong mỗi rãnh xoắn F-actin. Khi giãn cơ, mỗi phân tử tropomyosin bao phủ vùng liên kết myosin của 7 chuỗi G-actin dư lượng, ngăn chặn sự tương tác giữa actin và myosin, do đó duy trì trạng thái giãn cơ. Thời gian bắt đầu hoạt động co liên quan đến việc hoạt hoá troponin, protein phụ thứ hai của sợi mỏng. Troponin là một heterotrimer gắn liền với một đầu của mỗi phân tử tropomyosin và actin, gắn kết tropomyosin với actin.

Sự thay đổi hình dạng trong phân tử cầu nối, troponin, chịu trách nhiệm cho việc di chuyển tropomyosin và ngừng các vùng liên kết myosin của actin và do đó điều chỉnh quá trình co cơ. Một trong các tiểu đơn vị troponin, troponin-C (TN-C), là một protein liên kết calci giống như calmodulin.Khi Tn-C liên kết với Calci, toàn bộ phân tử troponin trải qua sự thay đổi hình dạngđể di chuyển gắn với tropomyosin ở vùng liên kết myosin của actin. Việc này cho phép myosin đứng đầu tương tác với vùng liên kết myosin, và hoạt động co cơ diễn ra sau đó.

Các sự kiện xảy ra trên sợi mỏng có thể được tóm tắt như sau: Trước khi xuất hiện Calci tự do trong cơ tương (sarcoplasm), tropomyosin bao phủ vùng liên kết myosin trên actin. Sự xuất hiện của Calci trong cơ tương (sarcoplasm) dẫn đến Calciliên kếttrên Tn-C. Kết quả thay đổi hình dạng troponin dẫn đến các phân tử tropomyosin gắn sâu hơn vào các rãnh xoắn của F-actin, không bao phủ vùng liên kết myosintrên tiểu đơn vị G-actin. Các vùng tiếp xúc sau đó sẵn sàng tương tác với phần đầu myosin. Loại bỏ Calci từ cơ tương khôi phục lại trạng thái cấu trúcban đầu của troponin và tropomyosin, ngăn chặn sự tương tác giữa actin và myosin và kéo theo giai đoạn giãn cơ.

Myosin và sự tương tác các phân tử trong quá trình co cơ

Khi cơ nghỉ ngơi, không co giãn, vùng liên kết myosin trên actin bị che khuất và myosin tồn tạitrong trạng thái cấu trúc năng lượng cao (M *), sẵn sàng để thực hiện một chu kỳ co cơ. Năng lượng của việc thủy phânATP được sử dụng để đưa myosin từ trạng thái cấu trúc năng lượng thấp lên trạng thái năng lượng cao, như mô tả trong phương trình sau đây:

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

SINH HỌC TẾ BÀO MÁU

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

Giới thiệu chung

Hình 28.1: Minh họa sự hình thành của các tế bào máu từ tủy xương. Những tế bào ở dưới đường ngang được hình thành ở máu ngoại biên bình thường. Những vị trí hoạt động cơ bản của erythropoietin và những yếu tố kích thích tạo dòng khác (colony-stimulating factors – CSF) kích thích sự biệt hóa của các thành phần được đề cập. G = granulocyte;  M = macrophage; IL = interleukine; Thrombo, thrombopoietin; SCF, stem cell factor.

Tủy xương là nơi tạo ra tất cả các tế bào máu kể từ khi sinh vật ra đời. Nó gồm các tế bào gốc ở trạng thái ngủ trong nhiều năm và tồn tại suốt cuộc đời của sinh vật. Mỗi ngày, một phần rất nhỏ các tế bào này bị kích thích và tự phân chia (autoreproductive). Số lượng này tăng lên trong các trường hợp nhiễm khuẩn hoặc đang có phản ứng viêm.

Sự tạo máu có sự tham gia của hematopoietic growth factors (HGF), nó sẽ biệt hóa để tạo thành 3 dòng tế bào: Myeloid, erythroid và lymphoid.

Các hiện tượng nhân lên, biệt hóa và trưởng thành đan xen với nhau chặt chẽ. Các hình thái khác nhau quan sát được ở mỗi giai đoạn tương ứng riêng biệt với các biến đổi của khung tế bào ở nơi có tiếp xúc của mặt bào tương với màng bào tương và các protein màng phụ trách về hình dạng và sự dính của các tế bào này với môi trưởng của chúng. Các kháng nguyên màng của các tế bào máu được gọi là kháng nguyên biệt hóa (CD) theo số thứ tự phụ thuộc vào thứ tự phát hiện, đôi khi được kèm theo các chữ a,b hay c. Một số protein màng có mặt trên các tế bào gốc và đã tồn tại trong các tế bào đã biệt hóa (CD-18). Một số khác xuất hiện dần dần tùy theo sự biệt hóa, sự tiếp nhận thông tin đến tế bào do các cytokine truyền tin giữa các týp tế bào khác nhau.

Khi các tế bào trưởng thành đã sẵn sàng rời khỏi tủy xương, các enzyme tiêu protein đặc hiệu  (thuộc họ metalloproteinase) sẽ tách chúng ra khỏi các protein giá đỡ hoặc protein sẽ gắn với thụ thể tế bào và cho tín hiệu giải phóng các tế bào máu. Cần lưu ý là sự vận động tích cực của các tế bào máu phụ thuộc vào sự co của các phân tử actomyosine

Các khái niệm cơ bản về máu

Máu là mô liên kết đặc biệt gồm có ba loại tế bào máu là hồng cầu, bạch cầu và tiểu cầu. Các tế bào này nằm lơ lửng trong huyết tương và chuyển động nhiệt một cách vô trật tự.

Khi huyết tương được loại bỏ các yếu tố gây đông máu (như fibrin, thromboplastin,…) thì nó được gọi là huyết thanh, một dung dịch hơi ngả sang màu vàng. Huyết thanh chứa các yếu tố tăng trưởng (Growth factors) và những protein khác có nguồn gốc từ tiểu cầu. Nó được xác định là có nhiều thuộc tính sinh học khác với huyết tương nguyên thủy ban đầu.

Bình thường có khoảng 5 liters máu được vận chuyển một cách nhịp nhàng đi khắp cơ thể nhờ sức co bóp của tim xuyên suốt hệ thống tuần hoàn.

Hình 28.2: Thành phần protein trong huyết tương(Color atlas of physiology 5th)

Khi cho các chất kháng đông (như heparin, citrate,…) vào máu để ngăn chặn sự thành lập cục máu đông thì ta sẽ thu được một hỗn hợp chất lỏng được tách lớp và không trộn lẫn vào nhau (xem hình). Trong đó, tế bào hồng cầu (erythrocytes) nằm bên dưới và chiếm khoảng 45% thể tích toàn dung dịch đối với người bình thường, tuy nhiên có sự sai biệt chút ít ở hai giới. Từ đó, người ta đưa ra một tiêu chuẩn đánh giá chất lượng máu trong các phép xác nghiệm được định nghĩa như sau: “Hematocrit (Ht, Hct) là thể tích hồng cầu trên tổng thể tích máu toàn phần.”

Hình 28.3: Minh họa chi tiết các thành phần của máu

Người ta cũng thấy rằng có một lớp nhầy chứa bạch cầu (leukocytes) và tiểu cầu (platelets) ở nơi phân cách hồng cầu và huyết tương, lớp này kém đặc hơn hồng cầu và chỉ chiếm khoảng 1% thể tích.

Máu đóng vai trò là trung gian vận chuyển O2, CO2, các chất chuyển hóa, hormones và các chất khác sinh ra từ hoạt động sống của tế bào đi khắp cơ thể. Ví dụ: O2 vận chuyển đa phần dưới dạng kết hợp với hemoglobin (Hb) trong hồng cầu, còn CO2 được vận chuyển chủ yếu ở dạng HCO3– (70%). Ngoài ra, máu còn giúp điều hòa thân nhiệt, duy trì pH và áp suất thẩm thấu nội môi.

Hình 28.4: Thành phần O2 trong các loại mạch máu khác nhau

Hồng cầu

Hình 28.5:Kích thước phỏng định của tế bào hồng cầu

Những tế bào dòng hồng cầu (erythroid lineage) phát triển từ tế bào gốc tủy xương đa năng (multipotential myeloid stem cell) dưới sự điều hòa của erythropoietin – một glycoprotein hormone được tổng hợp tại thận.

Hình 28.6: Chức năng của Erythropoietin đối với tế bào máu.

Quá trình tổng hợp hồng cầu được hoạt hóa khi cơ thể rơi vào tình trạng suy giảm oxy, cụ thể như trong tình trạng thiếu oxy máu (hypoxia) do thiếu oxy trong khí thở hay là sự suy giảm số lượng và chất lượng hồng cầu trong hệ tuần hoàn,…

Hình 28.7: Thành phần các ion trong máu (Color atlas of physiology 5th)

Tế bào gốc hồng cầu nhạy cảm với erythropoietin (erythropoietin-sensitive erythrocyte progenitor cell) CFU-E (erythroid colony forming unit) có khả năng biệt hóa thành tiền nguyên hồng cầu (proerythroblast).Các giai đoạn biệt hóa tiếp theo là basophilic, polychromatophilic, orthochromatophilic erythroblast và giai đoạn tế bào lưới (reticulocyte) – lúc này hồng cầu có khả năng rời khỏi tủy xương để vào hệ tuần hoàn.

Sự tạo hồng cầu (erythropoiesis) kéo dài khoảng 4-6 ngày. Nồng độ Hb trong bào tương tăng lên trong suốt quá trình phát triển, còn nhân tế bào và các bào quan khác mất đi bởi quá trình biệt hóa tế bào có chương trình (programmed cell changes) xảy ra cùng lúc.

Hình 28.8: Cấu trúc cơ bản của Hemoglobin

Hình 28.9: Quá trình điều hòa sự tạo hồng cầu và chu kì sống của nó (Color atlas of physiology 5th)

Tiểu cầu (Thrombocytes)

Tiểu cầu (blood platelets) là các mảnh bào tương của những tế bào tủy xương khổng lồ (bone marrow megakaryocytes), nó không có hình dạng cố định và chịu sự điều hòa của thrombopoietin. Sau khi được phóng thích vào máu, tiểu cầu di chuyển trong hệ tuần hoàn trong khoảng 10 ngày.

Màng bào tương tiểu cầu tích điện âm rất mạch và lõm vào tạo hệ ống nội bào (hệ ống hở). Vùng giữa tiểu cầu là vùng hạt chứa ti thể, lưới nội bào hạt, bộ Golgi và các hạt khác. Vùng ngoại vi tiểu cầu là vùng trong suốt, có các siêu ống và siêu sợi điều hòa hình dạng và sự di chuyển tiểu cầu. Bề mặt tiểu cầu có thụ thể Gb-1b và yếu tố von Willebrand. Cần lưu ý rằng thể động đặc có nhiều hạt Ca2+, serotonin, adrenaline, ATP và ADP (quan trọng trong khả năng bám dính của tiểu cầu).

Tiểu cầu có vai trò quan trọng trong cơ chế cầm máu, cụ thể như trong quá trình hình thành cục máu đông (blood clot formation), sự co cục máu đông (clot retraction) và tái tạo mô thương tổn.

Giảm tiểu cầu

Tiểu cầu trong máu tuần hoàn chiếm tỉ lệ khoảng 300.000/ml. Tiểu cầu hình thành cục máu đông và ngăn chặn mất máu sau thương tổn mạch máu. Giảm số lượng tiểu cầu làm dễ chảy máu. Giảm tiểu cầu là khi lượng tiểu cầu trong máu có số lượng ít hơn 150.000/ml. Lưu ý, xuất huyết tự nhiên xảy ra khi tiểu cầu dưới 20.000/ml.

Giảm tiểu cầu do giảm tạo và tăng hủy tiểu cầu, do thuốc(penicillin, sulfamide, digoxin,…) và do tăng kết tụ tiểu cầu ở mao mạch (ban xuất huyết do huyết tắc tiểu cầu) hay do rối loạn quá trình tạo các chất đông máu ở  tế bào nội mô thành mạch.

Hình 28.10: Các bước thành lập cục máu đông (Color atlas of physiology 5th)

Thiếu phức hợp glycoprotein1b-yếu tố đông máu IX(hay yếu tố von Willebrand, protein kèm theo yếu tố VIII) dẫn đến 2 bệnh chảy máu bẩm sinh là Bernard-Soulier và von Willebrand. Hai bệnh này có đặc điểm là tiểu cầu không thể bám vào mặt dưới nội mô thành mạch.

Hội chứng tiểu cầu Gray di truyền trội nhiễm sắc thể  thường là bệnh giảm tiểu cầu có tiểu cầu to do thiếu hạt α.

Bệnh MYH-9 (myosin heavy chain 9-related disorder) cũng có giảm tiểu cầu với tiểu cầu to, do khiếm khuyết gen MYH-9 mã hóa myosin IIA(myosin không quy ước) ở tiểu cầu và bạch cầu trung tính, dẫn đến khiếm khuyết tạo tiểu cầu ở khâu cắt nhỏ tạo tiểu cầu.

Cầm máu và tạo cục máu đông

Hình 28.11: Minh họa quá trình tương tác giữa các yếu tố đông máu

Quy trình tạo cục máu đông phụ thuộc vào sự chuyển đổi các tiền enzyme thành enzyme, có vai trò của tế bào nội mô và tiểu cầu để làm ngừng chảy máu. Cầm máu hình thành khi có fibrin cố định tạo nên nút tiểu cầu.

Quy trình cầm máu có đặc điểm:

–          Phụ thuộc sự chuyển đổi các tiền protease bất hoạt ( thí dụ yếu tố XIIa).

–          Gồm quá trình đông máu nội sinh và đông máu ngoại sinh.

–          Quá trình đông máu nội sinh và quá trình đông máu ngoại sinh hợp lại thành lộ trình đông máu chung.

–          Quá trình đông máu ngoại sinh xảy ra khi có tổn thương tế bào nội mô thành mạch, giải phóng các yếu tố mô.

–          Quá trinh đông máu nội sinh xảy ra khi có rối loạn các thành phân của máu hoặc tổn thương thành mạch máu, khi yếu tố XII tiếp xúc với collagen bên dưới tế bào nội mô(tiếp xúc này xảy ra khi có tổn thương thành mạch).

Đông máu nội sinh và đông máu ngoại sinh chuyển đổi fibrinogen thành fibrin, tạo khung lưới để tiểu cầu bám vào. Quy trình khởi đầu bằng hoạt hóa yếu tố X thành yếu tố Xa và yếu tố Va hoạt hóa, cắt prothrombin  thành thrombin, chuyển đổi fibrinogen thành fibrin.

Fibrinogen, sản phẩm tế bào gan , có 3 sợi polypeptide giàu acid amin mang điện tích âm ở đầu amin. Thuộc tính này cho phép fibrinogen tan trong huyết tương. Sau cắt, fibrin mới tạo kết tụ thành lưới. fibrin và fibronectin huyết tương giúp ổn định cục máu đông.

Giai đoạn sau đông máu

–          Sự co cục máu: Retractozyme làm các sợi huyết co lại, huyết thanh thoát ra làm thể tích cục máu đông giảm dần. Quá trình này giúp cho thành mạch bị tổn thương được kéo lại gần nhau, ngăn cản sự chảy máu.

–          Sự tan máu đông: Fibrin phân ly dưới tác dụng của plasmin sẽ dọn sạch các cục máu đông, ngăn ngừa hình thành huyết khối gây tắc mạch. Fibrin được tạo từ fibrinogen dưới tác dụng xúc tác của thrombin, yếu tố XII hoạt hóa, enzyme từ lysosome vùng tổn thương và các yếu tố nội mô thành mạch bài tiết. Ngoài ra còn liên quan đến urokinase (urokinase-type Plasminogen Activator (uPA), một loại enzyme dùng làm thuốc được) của tổ chức thận và streptokinase.

Bạch cầu

Các bạch cầu có số lượng 6-10×103/mm3, gồm 2 loại:

–          Bạch cầu hạt (có hạt cấp I và hạt cấp II)

–          Bạch cầu không hạt (chỉ có hạt cấp I). Khi có kích thích , các bạch cầu rời máu tuần hoàn, đi vào mô liên kết , gọi là sự định cư bạch cầu.

Bạch cầu hạt

Bạch cầu đa nhân trung tính

Bạch cầu đa nhân trung tính chiếm số lượng lớn nhất trong các loại bạch cầu (65%).Là tế bào có nhân nhiều thùy, bào tương có và hạt cấp I và hạt cấp II (các loại hạt chuyên biệt). Nó còn được gọi là bạch cầu trung tính (neutrophilic granulocyte) hoặc bạch cầu đa hình (polymorphs). Loại bạch cầu nàycó đời sống trung bình 6-7 giờ. Một điểm cần lưu ý là ở mô liên kết, loại bạch cầu này có đời sống khoảng 4 ngày.

Bạch cầu đa nhân trung tính có khả năng di động bằng 2 cách:

–          Tương tác với tế bào nội mô tqua các tiểu tĩnh mach sau mao mạch (postcapillary venules – homing – định cư bạch cầu).

–          Bám vào dịch ngoại bào và các phân tử hóa ứng động. (chemoattractant molecules)

Do vậy, bạch cầu đa nhân trung tính có thể rời khỏi hệ tuần hoàn để đến thực hiện chức năng tại các vùng khác. Với vai trò là tế bào có tác động đầu tiên khi cơ thể bị nhiễm trùng, chúng tiêu hủy các vật thể và vi khuẩn đã bị opsonin hóathông qua thụ thể Fc trên màng tế bàohay có tác động làm hạn chế lan rộng phản ứng viêm.

Các enzyme ở hạt cấp I (elastase và myeloperoxidase) và hạt cấp II (lysozuyme và các protease khác), các thụ thể của C5a (tạo lập trong lộ tình bổ thể), L-selectin và các integrin (gắn vào các phần tử nối ở tế bào nội mô là ICAM-1 và ICAM-2) phối hợp giúp bạch cầu trung tính tiêu diệt vi khuẩn và định cư.

Bạch cầu ưa acid (Eosinophilic granulocyte)

Bạch cầu ưa acid chiếm từ 2-4% tổng số tế bào bạch cầu, nhân có 2 thùy, tìm thấy nhiều trong trong niêm mạc ruột non. Số lượng có thể tăng lên trong trường hợp bị nhiễm kí sinh trùng hoặc đang có phản ứng dị ứng. Ngoài ra còn có vai trò trong khởi phát bệnh suyễn. Bạch cầu ưa acid có khả năng thực hiện các đáp ứng miễn dịch và có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ cơ thể chống lại giun sán (helminthic parasites). Giống như bạch cầu đa nhân trung tính, bạch cầu ưa acid cũng có khả năng rời khỏi hệ tuần hoàn và di chuyển đến mô liên kết có vật lạ xâm nhập.

Bạch cầu ưa base

Bạch cầu ưa base chỉ chiếm tỉ lể 1% tổng số bạch cầu trong hệ tuần hoàn. nhân 2 thùy. Loại bạch cầu này có thể rời máu đi vào mô liên kết để thành mastocyte. Bạch cầu ưa base có vai trò phản ứng nhanh (gặp trong bệnh suyễn), phản ứng muộn (gặp trong trường hợp dị ứng da) và có khả năng gây phản ứng tự miễn.

Bạch cầu không hạt

Monocyte

Monocyte là bạch cầu lớn nhất trong các loại bạch cầu (12-20µm) và chiếm từ 2-8% tổng lượng bạch cầu trong máu và chỉ có hạt cấp I.Monocyte chỉ ở trong hệ tuần hoàn khoảng 24 giờ. Sau đó, chúng biệt hóa thành đại thực bào và tồn tại ở nhiều nơi như trong phế nang, tế bào Kupffer, mô liên kết, microglial và tủy đỏ của lách.

Ở mô liên kết, monocyte biệt hóa thành đại thực bào có chức năng thực bào vi khuẩn, tình diên kháng nguyên và tiêu hủy thể vùi tế bào chết. Ở mô xương, monocyte biệt hóa thành hủy cốt bào.

Monocyte đóng vai trò hết sức quan trọng trong vòng sinh lý tạo lập các mô, bao gồm sự phá hủy thành phần của dịch ngoại bào và các sợi mô liên kết già cũng như là tế bào quan trọng trong các đáp ứng miễn dịch đặc hiệu hay không đặc hiệu của hệ miễn dịch. Chúng bị hấp dẫn bởi vi khuẩn, biệt hóa thành đại thực bào tại các vùng đang có phản ứng viêm, các mô đang xảy ra hiện tượng tái cấu trúc do bệnh lý.

Monocyte cũng phát triển tạo thành những tế bào trình diện kháng nguyên (antigen-presenting cells) có vai trò phá hủy kháng nguyên và ngoài ra, chúng còn hiện diện trong các mảnh liên kết với các phân tử Major Histocompatibility II trên màng tế bào của lymphocyte TH CD4. (helper CD4 T lymphocytes)

Lymphocyte

Lymphocyte là những tế bào miễn dịch của hệ bạch huyết và hệ miễn dịch, có khả năng nhận diện và đáp ứng với kháng nguyên. Chúng có thể sống từ vài ngày đến vài năm.

Lymphocyte chiếm khoảng 30% tổng số lượng bạch cầu của cơ thể. Trong máu và bạch huyết, chúng có thể tái tuần hoàn giữa các mô bạch huyết khác nhau. Mặc dù hình thái của chúng rất giống nhau nhưng những nghiên cứu sâu về lymphocytes cho thấy một số lượng lớn các tập hợp dân số không đồng nhất (heterogenous population) các tế bào về nguồn gốc, nơi biệt hóa, các marker bề mặt, chức năng chuyên biệt, sự định cư (localisation) trong các mô bạch huyết và thời gian sống (life span). Nếu phân loại theo chức năng thì trong cơ thể người có 3 loại lymphocytes:

–          Tế bào T (T lymphocyte hay T cell) được biệt hóa tại tuyến ức (Thymus). Lymphocyte T thực hiện chức năng miễn dịch qua trung gian tế bào. Chúng được phân loại dựa vào sự hiện diện của protein CD4 hay CD8, cách nhận diện kháng nguyên theo đó bám vào phức hợp Major Histocompatibility (MHC) I hay II. Lymphocyte TH(CD4) đóng vai trò trung tâm trong đáp ứng sinh ra một đáp ứng miễn dịch với kháng nguyên lạ. Chúng được hoạt hóa khi thụ thể của nó gắn kết với phức hợp kháng nguyên-MHC II trên bề mặt của tế bào trình diện kháng nguyên, hệ quả là dẫn đến sự tăng trưởng và biệt hóa của nhiều tế bào T và NK hơn, đồng thời cũng kích thích biệt hóa tế bào B tạo và phóng thích kháng thể. Tế bào CD8 là tế bào tác hiệu sơ cấp, được kích thích khi thụ thể của nó gắn với phức hợp kháng nguyên – MHC I trên bề mặt virus hay tế bào hình thành khối u (neoplastic cell), sau đó tiết ra perforins để hình thành các kênh ion trên màng của tế bào đã bị biến đổi (transform) rồi gây tiêu hủy chúng.

–          Tế bào B (B cell) thực hiện chức năng miễn dịch qua trung gian kháng thể – dịch thể (antibody-mediated humoral immunity). Tế bào B trưởng thành có phân tử MHC II và kháng thể trên bề mặt của nó và sau khi được hoạt hóa, nó sẽ biến đổi để tạo thành tế bào tiết kháng thể dịch thể hay còn gọi là tương bào (antibody-secreting plasma cells).

–          NK cell (natural killer cell) có khả năng tiêu diệt các tế bào bị nhiễm virus và một vài loại tế bào ung thư, nhưng hoạt động của chúng không phụ thuộc vào sự hoạt hóa của kháng nguyên.

Lymphocyte lưu thông trong máu chủ yếu dưới dạng tế bào T trưởng thành, chiếm khoảng 60-80% tổng lượng lymphocyte. 20-30% là tế bào B trưởng thành. Xấp xỉ 5-10% tế bào được xác định là lymphocyte không phải là tế bào B hay T mà là tế bào NK hay hiếm gặp hơn là tế bào gốc tạo máu (circulating haemopoietic stem cells).

Định cư bạch cầu ở phản ứng viêm

Định cư bạch cầu (homing) là cách thức bạch cầu trung tính di cư đến vùng viêm.

Bước một, các phần tử nối carbohydrate ở bề mặt bạch cầu trung tính gắn vào selectin ở tế bào nội mô(E selectin), giúp bạch cầu trung tính lăn tròn trên tế bào nội mô.

Bước hai, các integrin LFA-1 (lymphocyte associated antigen 1) và Mac-1 (macrophage 1) ở bạch cầu trung tính tương tác với các ICAM-1 và ICAM-2  ở bề mặt tế bào nội mô. ICAM-1  biểu hiên khi chịu cảm ứng bởi cytokine yếu tố hoại tử u α  và interleukine-1 (IL-1) của đại thực bào hoạt hóa tại vùng viêm.

Tương tác các phân tử này tạo ra: (1) kết dính chặt chẽ bạch cầu trung tính, chấm dứt sụ lăn tròn ; (2) ép tế bào bạch cầu vào giữa các tế bào nội mô kế nhau về vùng có interleukine-8 (sản phẩm của tế bào viêm);(3) di chuyển xuyên mạch, có sự hỗ trợ của CD-31 trên bề mặt bạch cầu trung tính và tế bào nội mô.

Vai trò của sự định cư bạch cầu (homing)

Các protein kết dính tế bào có vai trò quan trọng trong các phản ưng miễn dịch, sự lành vết thương, quá trình di căn tế bào ung thư và kể cả tạo mô. Một trong số các sự kiện quan trọng trong quá trình viêm – dị ứng là thu hút các tế bào viêm di cư đến vùng có phản ứng dị ứng. Nói chung, để có thể di cư thì các phân tử kết dính ở tế bào di cư phải gắn vào các phần tử nối ở bề mặt các tế bào khác.

–          Bệnh thiếu phân tử kết dính bạch cầu I do thiếu tiểu đơn vị integrin β làm các bạch cầu  không thể xuyên mạch rời máu tuần hoàn đến vùng viêm. Ở các người này,vùng viêm không có bạch cầu trung tính.

–          Bệnh thiếu phân tử kết dính bạch cầu II, thiếu phần tử nối có đường fucose (không lầm với fructose) chuyên biệt gắn kết selectin do rối loạn chuyển hóa fucose bẩm sinh. Tương tác selectin với hai loại bệnh khiếm khuyết phân tử kết dính đã được ghi nhận, cả 2 đều dẫn đến hệ quả là chậm và kém lành thương, nhiễm trùng tái diễn và tăng bạch cầu trong máu.

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

GIỚI THIỆU VỀ MÔ MỠ

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long – Nguyễn Thị Huyền Trang

Mô mỡ không chỉ đơn thuần là một cơ quan được thiết kế để dự trữ thụ động carbon dư thừa dưới dạng các acid béo glycerol ester (triacylglycerol). Những tế bào mỡ trưởng thành tổng hợp và tiết ra một số enzyme, các yếu tố tăng trưởng (growth factors), các cytokine và hormone có liên quan đến tổng cân bằng năng lượng nội môi. Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo mỡ (adipogenesis) cũng liên quan đến các quá trình khác như cân bằng lipid nội môi và điều hòa phản ứng viêm. Ngoài ra, một lượng protein được tiết ra từ tế bào mỡ đóng vai trò quan trọng trong những quá trình tương tự. Thật vậy, những bằng chứng gần đây đã chứng minh rằng nhiều yếu tố được tiết ra từ tế bào mỡ là tiền chất trung gian của phản ứng viêm (pro-inflamlatory mediators) và những protein này được gọi là adipocytokines hay adipokines. Hiện có trên 50 adipokines khác nhau được  tiết ra từ mô mỡ. Những adipokines này liên quan đến sự điều khiển hàng loạt các phản ứng sinh lý bao gồm kiểm soát việc thèm ăn và cân bằng năng lượng. Quá trình trao đổi chất đặc biệt của mô mỡ bao gồm trao đổi lipid, cân bằng glucose nội môi , viêm nhiễm, hình thành mạch, cầm máu (theo quy định của đông máu) và huyết áp.

Hình 29.1: Tế bào mỡ và tình trạng bệnh lý

Dạng chủ yếu của mô mỡ ở động vật có vú (thường gọi là “mỡ”) là mỡ trắng, WAT (white adipose tissues). Mô mỡ biệt hóa có nhiệm vụ sinh nhiệt (thermogenesis), đặc biệt ở trẻ sơ sinh, là mỡ nâu, BAT (brown adipose tissues). BAT  được gọi như thế vì có màu đậm do mật độ ty thể cao trong cytochromes. BAT chuyên sản xuất nhiệt và oxy hóa lipid. WAT bao gồm các tế bào mỡ liên kết lỏng lẻo với nhau tập trung nhiều mạch máu vàcác dây thần kinh. Ngoài ra, WAT chứa các đại thực bào, bạch cầu, nguyên bào sợi, tế bào mầm của mô mỡ  (adipocyte progenitor cells), và tế bào nội mô. Các nguyên bào sợi, các đại thực bào, bạch cầu hiện diện cùng với các tế bào mỡ, có rất nhiều loại protein được tiết ra từ WAT trong các điều kiện khác nhau. Nơi tích lũy WAT cao nhất ​​là các vùng dưới da của cơ thể, xung quanh các nội tạng (nội tạng của ngực và bụng).

Hình 29.2: Sự hình thành mô mỡ

WAT có thể được tìm thấy ở một số cơ quan, nó không chỉ có vai tròcách nhiệt mà còn là một kho dự trữ để sản xuất năng lượng mà còn có nhiều chức năng khác. Tùy thuộc vào vị trí của nó, WAT có chức năng chuyên biệt. WAT ở các cơ quan bụng và ngực (không bao gồm tim), gọi là mỡ nội tạng, tiết cytokine viêm và do đó liên quan đến các quá trình viêm khu trú và viêm hệ thống. WAT ở cơ xương tiết ra acid béo tự do, interleukin-6 (IL-6) và yếu tố hoại tửu-α (tumor necrosis factor-α)(TNFα), đóng vai trò quan trọng trong sự đề kháng insulin.WAT ở mô tim tiết nhiều cytokine trong các phản ứng viêm khu trú và hóa hướng viêm, điều này có thể phát triển xơ vữa động mạch và tăng huyết áp tâm thu. WAT ở thận đóng vai trò trong việc tái hấp thu natri và do đó có thể ảnh hưởng đến thể tích máu nội mạch và cao huyết áp.

Trọng tâm chính của bài viết này tập trung vào các hoạt động sinh học liên quan đến WAT, tuy nhiên, BAT cũng sẽ được đề cập. WAT có nhiều chức năng bao gồm cách nhiệt, dự trữ năng lượng carbon dư thừa dưới dạng triacylglycerol và là trung gian cân bằng glucose nội môi. WAT cũng đóng vai trò quan trọng như một cơ quan nội tiết/miễn dịch bằng cách tiết adipokines như các cytokine viêm, yếu tố bổ trợ, chemokine, và protein giai đoạn cấp tính. Chức năng nội tiết của WAT ​​điều khiển sự thèm ăn, chuyển hóa năng lượng, chuyển hóa glucose và lipid, quá trình viêm, hình thành mạch, và các chức năng sinh sản.

Hình 29.3: Cơ chế dự trữ và huy động lipid của tế bào mỡ. Triglycerides được vận chuyển trong máu và bạch huyết từ ruột non về gan nhờ chylomicrons và VLDLs. Ở tế bào nội mô mao mạch của mô mỡ, các phức hợp lipoprotein trên sẽ được phân hủy bởi tác dụng của lipoprotein lipase, giải phóng acid béo và glycerol. Acid béo tự do khuếch tán từ mao mạch vào tế bào mỡ. Sau đó, acid béo sẽ được gắn trở lại vào glycerol phosphate để tạo thành triglyceride. Norepinephrine từ đầu tận của dây thần kinh sẽ hoạt hóa hệ thống tín hiệu cAMP (thụ thể β3) và hoạt hóa lipase nhạy cảm hormone để thủy phân các triglyceride dự trữ trở lại thành acid béo và glycerol. Các phân tử này sẽ khuếch tán trở lại vào mao mạch và tại đó, acid béo tự do sẽ gắn kết với albumin để chuyển tới các vị trí cần sử dụng năng lượng.

Điều hoà sự tạo mỡ

Các quá trình biệt hoá tế bào mỡ từ các tiền tế bào (precursor preadipocyte) thành tế bào mỡ hoàn toàn trưởng thành là một loạt các trật tự chính xác các sự kiện sắp xảy ra. Các tiền tế bào mỡ xuất hiện từ tế bào gốc trung mô (MSCs) có nguồn gốc từ lớp trung bì của phôi thai. MSCs toàn năng (pluripotent) nhận được tín hiệu ngoại bào dẫn đến các thông tin chắc chắn đối với dòng preadipocyte. Những tiền tế bào mỡ không được phân biệt về mặt hình thái từ các MSCs tiền thân của chúng, nhưng chúng đã mất khả năng biệt hóa thành các loại tế bào khác. Sự biệt hoá hay sự xác định các tế bào mỡlà bước đầu tiên và dẫn đến sự tăng về số lượng nhưng ngừng tăng trưởng các tiền tế bào mỡ. Sự ngừng tăng trưởng ban đầu xảy ra trùng khớp với các biểu hiện của hai nhân tố sao chép chính, CCAAT / protein liên kết tăng cường α (C/EBPα) và thụ thể kích hoạt peroxisome proliferator-γ (Peroxisome proliferator-activated receptor,PPARγ). Kế tiếp sự cảm ứng của hai yếu tố phiên mã quan trọng đó là giai đoạn ngừng tăng trưởng, tiếp theo là biểu hiện của kiểu hình biệt hoá hoàn toàn tế bào mỡ. Giai đoạn sau của sự  tạo mỡ này là sự biệt hoá cuối cùng.

Mặc dù PPARγ và C / EBPα là những yếu tố quan trọng nhất điều hoà sự tạo mỡnhưng  yếu tố phiên mã bổ sung khác cũng được biết là có ảnh hưởng đến quá trình này. Những yếu tố bổ sung này bao gồm sterol-regulated element binding protein 1c (SREBP1c, còn được gọi là ADD1 for adipocyte differentiation -1), đầu dò tín hiệu,chất kích hoạt phiên mã 5 (STAT5), AP-1 và các thành phần giống như yếu tố Krüppel (Krüppel-like factor) (Klf4, KLF5, KLF15), C / EBPβ và C / EBPδ.  Mặc dù những yếu tố phiên mã này đã được chứng minh ảnh hưởng đến sự tạo mỡ, cách tích cực hay tiêu cực, PPARγ là yếu tố duy nhất cần thiết cho sự tạo mỡ diễn ra. Trong thực tế, nếu vắng mặt của PPARγ thì sự biệt hoá tế bào mỡ khôngxảy ra và không có yếu tố nào xác định có thể thay thế sự tạo mỡ trong sự vắng mặt của PPARγ. Mặc dù vậy nhưng PPARγ khôngphải là yếu tốbiểu hiện đầu tiên trong quá trình kích hoạt biệt hoá tế bào mỡ ,nó chỉ xảy ra sau khi đáp ứng bởisự tác dụng của STAT5, Klf4, KLF5, AP-1, SREBP1c, và C / EBPβ và C / EBPδ .

PPARγ ban đầu biểu hiện trong sự biệt hoá tế bào mỡ và bây giờ công nhận là hệ thống điều chỉnh sự tạo mỡ tổng thể. PPARγ được xác định là mục tiêu của các thiazolidinedione (TZD) lớp thuốc nhạy cảm insulin. Cơ chế hoạt động của các TZDs là kích hoạt các PPARγ và khởi phát chuyển kết quả cho các gen cần thiết cho sự biệt hoá tế bào mỡ. Gen PPARγ của người (biểu tượng PPARG) nằm trên nhiễm sắc thể 3p25 kéo dài hơn 100kb và bao gồm 9 exon mã hóa hai đồng dạng sinh học hoạt động như mRNA thay thế và sử dụng như một codon bắt đầu quá trình dịch mã. Các sản phẩm protein chủ yếu của gen PPARG được xác định là PPARγ1 và PPARγ2. PPARγ1 mã hóa bởi exon A1 và A2 exon chung từ 1 đến 6. PPARγ2mã hóa bởi exon B và exon chung từ 1 đến 6. PPARγ2 hầu như đặc biệt dành riêng cho các tế bào mỡ. Giống như tất cả các thụ thểnhân,các protein PPARγ chứa một DBD và LBD. Ngoài ra, như PPARα, các protein PPARγ chứa ligand-dependent activation function domain (được xác định là AF-2) và ligand-independent activation function domain (được xác định là AF-1). Vùng AF-2 nằm trong LBD và vùng AF-1 ở khu vực N-terminal của protein PPARγ.PPARγ2 protein chứa 30 acid amin ở N-terminal liên quan đến PPARγ1 và các acid amin bổ sung này tăng 5-6 lần trong quá trìnhkích hoạt sao mã (transcription-stimulating activity) của AF-1 khi so sánh với vùng tương tự trong protein PPARγ1. PPARγ1 hiện diện ở khắp nơi. PPARγ2 gần như dành riêng cho  mỡ trắng (WAT), liên quan đến dự trữ lipid và mỡ nâu (BAT), liên quan đến tiêu hao năng lượng.

Hình 29.4:  Minh họa một số quá trình tạo thành mô mỡ

Như đã nói ở trên, trong quá trình biệt hoá tế bào mỡ một số gen ngược dòng (upstream genes)  được yêu cầu để kích hoạt các gen PPARG. Chúng bao gồm C / EBPβ và C / EBPδ, SREBP-1c, KLF5, KLF15, proteinzinc-finger 423 (Zfp423), và các yếu tố tế bào B sớm (early B-cell factor)  (Ebf1). PPARγ kích hoạt hầu hết các gen cần thiết cho quá trình biệt hoá tế bào mỡ. Những gen này bao gồm aP2-cần thiết để vận chuyển các acid béo tự do (FFAs) và perilipin-một loại protein bao phủ bề mặt của các giọt lipid trưởng thành trong tế bào mỡ. Các gen quy định cho PPARγ có liên quan đến chuyển hóa lipid hay cân bằng glucose nội môi bao gồm lipoprotein lipase (LPL), acyl-CoA synthase (ACS), acetyl-CoA acetyltransferase (ACAT), vài gen phospholipase A  (PLA) , adiponectin, enzyme gluconeogenic PEPCK, và glycerol-3 phosphate dehydrogenase (GPDH). PPARγ cũng có chức năng trong quá trình chuyển hóa lipid ở đại thực bào bằng cách gây ra sự biểu hiện của các macrophage scavenger receptor, CD36. Thụ thể CD36 cũng được gọi là translocase acid béo (FAT) và nó là một trong các thụ thể chịu trách nhiệm cho sự hấp thu các acid béo của tế bào.

Vai trò của SREBP-1c trong việc kích thích sự biệt hoá tế bào mỡ được cho là kết quả của yếu tố phiên mã này bắt đầu biểu hiện của gen đó, như là một phần hoạt động của mình, tạo ra các chất gắn PPARγ. Thực tế, sự biểu hiện của SREBP trước PPARγ là cần thiết. Mặc dù vậy, người ta chứng minh rằng những con chuột thiếu SREBP-1 không cho thấy việc giảm đáng kể WAT. Tuy nhiên, mức SREBP-2 tăng lên ở những động vật chỉ ra rằng điều này có thể là một cơ chế đền bù. Mặc dù mất SREBP-1 không dẫn đến một mức  thiếu hụt đáng kể trong phát triển mô mỡ, sự biểu hiện quá mức của SREBP-1c tăng cường hoạt động adipogenic của PPARγ.

Các yếu tố phiên mã họ C/EBP đóng vai trò đầu tiên trong sự biệt hoá tế bào mỡ. Ba thành viên của họ (C / EBPα, C / EBPβ và C / EBPδ) được bảo tồn các yếu tố leucine-cơ bản nơi chứa các yếu tố phiên mã. Tầm quan trọng của các yếu tố này trong sự tạo mỡ đã được chứng minh trong các con chuột biến đổi gen. Ví dụ như toàn bộ cơ thể gián đoạn sự biểu hiện của C / EBPα trong toàn bộ cơ thể bị gián đoạn dẫn đến cái chết ngay sau khi sinh do khiếm khuyết gan, hạ đường huyết, và không tích luỹ WAT ​​hoặc BAT. Sử dụng chuột biến đổi gen, người ta xác định vai trò của C / EBPβ và C / EBPδ tác dụng sớm trong quá trình biệt hoá tế bào mỡtrong khi C / EBPα tác dụng sau. Trong thực tế,  C / EBPα biểu hiện trễ hơn trong sự tạo mỡ và phong phú nhất trong các tế bào mỡ trưởng thành. Biểu hiện của  C / EBPα và PPARγ một phần được điều hoà bởi nhữnghoạt động của C / EBPβ và C / EBPδ. Một trong những tác động chủ yếu của sự biểu hiện C / EBPα trong tế bào mỡ là tăng cường độ nhạy cảm insulin của các mô mỡ. Thực tế này sau đó được chứng minh rằng biến đổi gen C / EBPα không phá huỷ sự tạo mỡ nhưng WAT không nhạy cảm với các hoạt động của insulin.

Mô hình chung của yếu tố phiên mã hoạt hoá sự tạo mỡ cho thấy rằng AP-1, STAT5, Klf4, và KLF5 được kích hoạt sớm và dẫn đếnviệc tăng sự biểu hiện gen trung gian qua phiên mã (transactivation) của C / EBPβ và C / EBPδ. Hai yếu tố này lần lượt hoạt hoá sự biểu hiện của SREPB-1 và KLF15 dẫn đến hoạt hoá PPARγ và C / EBPα. Điều quan trọng là phải giữ quan điểm rằng nó không chỉ là yếu tố sao chép kích hoạt các tiền tế bào mỡ điều khiển sự tạo mỡ. Ngoài ra còn có một sự cân bằng tác dụng ở mức độ ức chế yếu tố sao chép trung gian của sự tạo mỡ. Một số trong những yếu tố đang chống tạo mỡ (anti-adipogeneic) bao gồm các thành viên của họ yếu tố giống Krüppel (Krüppel-like factor family) như, KLF2 và KLF3.GATA2 và GATA3 cũng tác động chống tạo mỡ. Gọi là yếu tố GATA bởi vì chúng kết hợp các phân tử DNA có chứa một chuỗi GATA cốt lõi. Hai yếu tố sao chép của họ yếu tố điều hoà interferon, IRF3 và IRF4, chống lại quá trình tạo mỡ.

Những thay đổi trong biểu hiện của các yếu tố phiên mã điều khiển quá trình tạo mỡ tổng thể liên quan với những thay đổi trong động lực học nhiễm sắc. Những thay đổi trong động lực học nhiễm sắc liên quan đến việcmethyl hóa protein histone và methyl hóa DNA. Nhiễm sắc thể trong tế bào gốc đa năng hiển thị một tính chất rất năng động với một mức độ cao của DNA linh động “DNA decondensed”. Sự biệt hoá được cảm ứng là do có sự thay đổi trong mô hình tổng thể của gen methyl hóa. Các gen Lineage chuyên biệt được demethylated trong khi các gen đa năng bị methyl hóa dẫn đến kích hoạt phiên mã và im lặng tương ứng. Khi quá trình biệt hoá mỡ tiến hành mã hóa gen PPARγ và C / EBPα được quan sát thay đổi vị trí vào bên trong hạt nhân trùng với tỷ lệ tăng phiên mã. Kể từ khi MSCs có thể được cảm ứng để biệt hóa thành xương và cơ bắp, cũng nhưmỡ,các gen biệt hoá mỡ như PPARγ và C / EBPα không cần thiết biểu hiện  nếu con đường gây ra là xương hay cơ bắp.

Liên quan với không biểu hiện phiên mã là phức hợp protein gọi là đồng kìm hãm (co-repressors) và phức hợp kích hoạt phiên mã được gọi là đồng-kích hoạt (co-activators). Khi MSCs là do xương dòng  protein histone3 trong khu vực promoter PPARγ là methyl hóa lysine 9 (xác định là H3K9) bởi một phức tạp đồng kìm hãm bao gồm SETDB1 histone methyltransferase và các protein liên quan NLK (Nemo-kinase) và CHD7 (chromodomain helicase DNA gắn protein-7). Ngoài việc không biểu hiện của các promoter PPARg, hoạt động của protein PPARγ về gen đích của nó cũng bị hạn chế bởi liên kết với các phức hợp đồng kìm hãm. Trongtiền tế bào mỡ, hoạt động của PPARγ được ngăn chặn bởi liên kết với PRB và HDAC3 (histone deacetylase 3). Sự cảm ứng của quá trình biệt hoá kéo theo phản ứng phosphoryl hóa PRB giải phóng từ phức hợp ức chế. Điều này dẫn đếntăng hoạt động acetyltransferases histone (HATs) và đồng hoạt hóa protein CBP/p300 (CBP CREB gắn protein, CREB là cAMP- response element-binding protein) đến phức hợp PPARγ kết quả làhoạt hoá phiên mãgen mục tiêu PPARγ.

Nhiều thí nghiệm đã bắt đầu xác định các mảng lớn của việc sửa đổi histone điều hoà sự biểu hiện của gen liên quan đến tổng thể sự tạo mỡ đặc biệt là biểu hiện của PPARγ. Những thay đổi phức histone bao gồm HATs, HDACs, methyltransferases histone (HMTs), và demethylases histone (HDMs). Hậu quả chung sự hoạt hóa của HATs và HMTs là kích hoạt PPARγ biểu hiện và / hoặc tăng cường các hoạt động PPARγ trong chất hoạt hoá gen mục tiêu của nó. Ngược lại, như mong đợi, hoạt hoá HDAC dẫn đến ức chế hoạt động PPARγ tại chất ức chế gen mục tiêu  của nó.

Điều hoà trao đổi lipid trong tế bào mỡ

Các triacylglycerol (TAG) được tìm thấy trong WAT là nguồn dự trữ năng lượng chính của cơ thể. Vùng chứa TAG là một vùng ổn định được điều hoà bởi lượng thức ăn vào, nhanh và bởi hậu quả của chế độ ăn uống trên mức hormon tuyến tuỵ. Ngoài ra, hồ chứa chất béo của mô mỡ thay đổi là kết quả của biến động hormon khác, quá trình viêm, và sinh lý bệnh. tổng thể quá trình hóa sinh trong  trao đổi chất củaTAG của được trình bày trong trang tổng hợp lipid và trang oxy hóa acid béo. Mục đích của phần này là để thảo luận chi tiết hơn về các hoạt động enzyme điều hoà tổng cân bằng TAG nội môi của mô mỡ cũng như sự điều hoà hormon và các quá trình sinh lý

Ban đầu người ta tin rằng việc giải phóng các acid béo từ nơi dự trữ TAG của mô mỡ được kích hoạt riêng biệt thông qua hoạt hoá hormone nhạy cảm lipase (hormone-sensitive lipase) (HSL). Tuy nhiên, khi HSL-null của chuột được tạo ra người ta đã phát hiện ra rằng quá trình này liên quan đến việc thêm adipocyte HSL-independent TAG lipase. Nghiên cứu sau đó đã dẫn đến việc xác định ít nhất là năm lipases TAG của mô mỡ ngoài HSL ra. HSL là chất xúc tác hoạt động đa dạng bao gồm TAG, diacylglycerols (DAG), và este cholesterol (CES). Khi khảo nghiệm  in vitro hoạt động của HSL ít nhất là 10 lần cao hơn so với DAG hơn TAG. Khi tác động trên TAG hoặc DAG, HSL có hoạt động mạnh nhất chống lại các acid béo có trong vị trí sn-1 hoặc sn-3 của xương sống glycerol. Cho đến khi những thí nghiệm trên chuột biến đổi gen gần đây đã chứng minh rằng, HSL được cho là enzyme cơ bản liên quan đến TAG mỡvà thủy phân DAG cũng như hoạt động chính của  neutral cholesteryl ester hydrolase (NCEH) .

Mặc dù chuột HSL-null vẫn còn biểu hiện hoạt động hydrolase TAG, kết quả từ các nghiên cứu ở những con chuột này cho thấy rằng sự phân giải lipid qua trung gian HSL có đóng góp đáng kể cho tổng thể giải phóng acid béo từ các tế bào mỡ. Ở những con chuột thiếu HSL có thấy giảm mức độ lưu thông acid béo tự do và TAG cũng như giảm lưu trữ TAG trong gan. Những kết quả này chỉ ra rằng nếu thiếu HSL thì sẽ không đủ phân giải lipid từ  mô mỡ để hỗ trợ các nhu cầu năng lượng của tế bào từ các acid béo và cũng không để tổng hợp VLDL đầy đủ trong gan. Kết quả các nghiên cứu về vai trò của HSL trong phân giải lipid tổng thể ở mô mỡ chứng minh rằng nó không hoàn toàn cần thiết cho sự thủy phân TAG như suy nghĩ ban đầu. Tuy nhiên, những con chuột HSL-null có tích luỹ DAG chỉ ra rằng vai trò quan trọng đối với HSL là giải phóng acid béo từ DAG lần lượt tạo ra monoacylglycerols (MAGs). Tỷ lệ giải phóng acid béo từ DAG là khoảng 10 – 30 lần so với tỷ lệ giải phóng từ TAG. Cho đến nay chỉ DAG lipase được xác định trong mô mỡ là HSL.

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

5-Hydroxytryptamine (Serotonin) và Dopamine (DA)

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

Giới thiệu chung

5-HT và DA là 2 neurotransmitter của hệ thần kinh trung ương và cũng có nhiều hoạt động ở các tế bào ngoại vi. 5-HT có nồng độ cao ở tế bào enterochromaffin (có mặt ở lớp biểu mô của niêm mạc ruột non), hạt dự trữ của tiểu cầu và nhiều nhất ở hệ thần kinh trung ương. 5-HT điều hòa cơ trơn của hệ tim mạch, hệ tiêu hóa và tăng cường sự kết tập tiểu cầu. Còn về DA, nó có nồng độ cao nhất trong não và đồng thời dự trữ nhiều ở tủy thượng thận. Ngoài ra, người ta còn phát hiện thấy có DA ở đám rối thần kinh (ruột) của hệ thống tiêu hóa. DA điều biến trương lực mạch ngoại biên và do vậy tác động vào quá trình lọc của thận, nhịp tim và sự co/giãn của cơ trơn mạch máu.

Cho tới nay, người ta đã phát hiện được có ít nhất 14 phân nhóm thụ thể của 5-HT và 5 phân nhóm thụ thể của DA. Trong mục này, chúng ta sẽ chỉ tập trung nghiên cứu vào các loại thụ thể chính của 5-HT, DA và một vài chức năng sinh lý của hai phân tử này.

5-Hydroxytryptamine

Thụ thể 5-HT1

Nhóm này có 5 thành viên và tất cả các thụ thể này đều ưu tiên gắn vào Gi/o (nhạy cảm với độc tố ho gà) và bất hoạt AC. Các thụ thể 5-HT1A, 5-HT1B, và 5-HT1D cũng hoạt hóa kênh K+ và bất hoạt kênh Ca2+ phụ thuộc điện thế. Thụ thể 5-HT1A được tìm thấy trong raphe nuclei của thân não, nó có đặc tính ức chế, thuộc loại tự thụ thể (autoreceptor – loại thụ thể nhạy cảm với neurotransmitter mà nó chế tiết), nằm nhiều ở thân đuôi gai và các serotonergic neurons. Thụ thể 5-HT1D và 1B cũng là tự thụ thể và nằm ở đầu tận của sợi trục. Chúng ức chế việc chế tiết 5-HT. Cần lưu ý rằng, thụ thể 5-HT1D có nhiều ở chất đen (substanita nigra) và hạch nền (basal ganglia), hoạt động như một thành phần điều hòa nồng độ của DA có trong tế bào và quá trình giải phóng DA ở đầu tận sợi trục.

Hình 34.1: Hai loại tự thụ thể 5-HT với vị trí phân bố khác nhau.

Thụ thể 5-HT2

Có 3 phân nhóm thụ thể loại này liên quan đến protein Gq/G11 (không nhạy cảm với độc tố ho gà) và chúng hoạt hóa PLC để sinh ra DAG (một chất truyền tin thứ hai và là một cofactor trong quá trình hoạt hóa PKC), IP3(liên quan đến quá trình điều hòa nồng độ Ca2+ nội bào). Thụ thể 5-HT2A và 5-HT2C cũng hoạt hóa PLA2 để điều hòa sự giải phóng acid arachidonic. Thụ thể 5-HT2A là là một trong những thành phần cơ bản của hệ thần kinh trung ương và chính yếu phân bố ở khu vực sợi thuộc serotonergic. Cụ thể như thùy trán trước, thùy đỉnh, vỏ somatosensory cũng như là trong tiểu cầu và tế bào cơ trơn. Thụ thể 5-HT2A trong ống tiêu hóa tương đồng với thụ thể 5-HT nhóm D.

Thụ thể 5-HT2B phân bố giới hạn ở hệ thần kinh trung ương và thụ thể 5-HT2C thì có nồng độ cao ở đám rối màng mạch (choroid plexus). Thụ thể 5-HT2C có liên quan đến quá trình kiểm soát sự hình thành dịch não tủy, đáp ứng hành vi và cảm xúc. Ngoài ra, nó cũng là là thụ thể GPCR duy nhất được điều hòa bởi sự biên tập RNA.  Do vậy, nó có nhiều đồng phân phân biệt với nhau bởi 3 amino acid trong cấu trúc ở mặt nội bào và vì lý do đó, các đồng phân này có mức độ hoạt động khác nhau.

Thụ thể 5-HT3

Thụ thể này thuộc loại thụ thể monoamine neurotransmitter hoạt động như một kênh ion do ligand điều hành, tương đương với thụ thể Gaddum và Picarelli’s M. Khi được hoạt hóa, nó tạo nên tình trạng khử cựcgiải nhạy cảm nhanh chóng thông qua sự xuyên màng của các cations. Thụ thể này hiện diện ở các đầu tận đối giao cảm của thần kinh ruột, bao gồm thần kinh X và thần kinh tạng. Trong hệ thần kinh trung ương, nó tồn tại nhiều ở nhân bó đơn độc (solitary tract nucleus) và trong vùng sau (area postrema – khi bị kích thích sẽ gây nôn). Do vậy, thụ thể 5-HT3 ở hệ thần kinh trung ương và ống tiêu hóa đều tham gia trong phản ứng nôn (emetic response), đây là nền tảng cơ sở về cơ chế hoạt động của các thuốc chống nôn trên thụ thể thông qua các antagonist của nó.

Về mặt cấu trúc, thụ thể 5-HT3 là một kênh ion có 5 tiểu đơn vị (pentameric) thuộc về siêu họ thụ thể Cys-loop (cùng với thụ thể colinergic hướng ion và thụ thể GABAA). Các gene tạo nên 5 tiểu đơn vị của nó đã được xác định.

Thụ thể 5-HT4

Thụ thể 5-HT4hoạt động thông qua protein Gs và do vậy nó hoạt hóa AC, tăng nồng độ cAMP trong nội bào. Nó phân bố ở nhiều cơ quan trong cơ thể. Ở hệ thần kinh trung ương, nó có mặt nhiều ở trong củ não sinh tư (colliculus) trên & dưới và ở vùng hải mã của hệ thống viền (hippocampus – điều khiển trí nhớ và hành vi). Nó còn có mặt ở tế bào cơ trơn, tế bào tiết và ở hệ tiêu hóa thì nó nằm trong bó thần kinh ruột (myenteric plexus, liên quan đến nhiều rối loạn bệnh lý ).

Hình 34.2: Sự tổng hợp và ức chế 5-HT. Tên enzyme được viết màu đỏ và các cofactor được viết màu xanh

Hình 34.3: Minh họa sự điều hòa tiền synapse của serotonin. Các 5-HT mới được tạo thành đều được chuyển vào trong các túi synapse nhờ tác dụng của VMAT (vesicular monoamine transporter). Sự chế tiết của 5-HT phụ thuộc vào điện thế động của tiền synapse mà cơ sở của quá trình này là hoạt động của Ca2+. 5-HT có thể hoạt hóa thụ thể 5-HT1D để tạo thành một tác hồi âm.

Xem toàn bộ bài viết tại đây.

SỰ LỌC CỦA CẦU THẬN

1) Màng mao mạch cầu thận

Màng mao mạch cầu thận tương tự như các mao mạch khác, ngoại trừ là nó có 3 (thay vì 2 như bình thường) lớp chính: nội mô mao mạch, màng đáy và lớp tế bào biểu mô bao quanh mặt ngoài màng đáy mao mạch (podocyte).

3 lớp này tạo nên hàng rào lọc, mặc dù là có 3 lớp nhưng chúng lọc gấp hàng trăm lần các màng mao mạch bình thường. Với tỉ lệ lọc cao như vậy nhưng màng mao mạch cầu thận vẫn ngăn cản được protein huyết tương.

màng lọc.png

Tỉ lệ lọc cao này là do cấu trúc đặc biệt của nó. Lớp nội mô mao mạch có hàng ngàn lỗ nhỏ như cửa sổ (fenestrae), tương tự như các mao mạch có lỗ được tìm thấy ở gan. Tuy là các lỗ này tương đối rộng (đường kính 160 angstrom), nhưng các tế bào nội mô lại có rất nhiều thành phần điện tích âm cố định gắn vào vậy nên vẫn ngăn chặn được protein huyết tương đi qua. Bao quanh lớp nội mô là lớp màng đáy, bao gồm một hệ thống collagen và các sợi proteoglycan (là không gian rộng lớn cho một lượng lớn nước và các chất hòa tạn nhỏ có thể lọc). Màng đáy cũng ngăn sự lọc protein huyết tương, một phần do điện tích âm rất mạnh liên quan proteoglycan.

Phần cuối cùng là lớp tế bào biểu mô. Những tế bào này không liên tục mà phân ngón thành những chân bám vào mặt ngoài màng đáy. Những “ngón chân” này ngăn cách bởi các cái lỗ nhỏ đường kính khoảng 70 (slit pore) cho dịch lọc đi qua. Các tế bào biểu mô cũng có điện tích âm lại càng làm tăng thêm sự hạn chế lọc protein huyết tương. Tóm lại 3 lớp của thành mao mạch cầu thận tạo nên một hàng rào lọc vững chắc đối với protein huyết tương.

Khả năng lọc của các chất tan tỉ lệ nghịch với kích thước của chúng.

Màng mao mạch cầu thận thì dày hơn các mao mạch khác, nhưng nó lại xốp hơn (có nhiều lỗ) và vì vậy dịch lọc có tỉ lệ cao hơn. Mặc dù tỉ lệ lọc cao, nhưng hàng rào lọc vẫn chọn lọc trong việc phân tử nào sẽ được lọc, dựa trên kích thước và điện tích của chúng.

bảng 1.png

Phân tử mang điện tích âm thì lọc khó hơn là phân tử mang điện tích dương cùng kích thước (ví dụ albumin đường kính chỉ là 6nm, trong khi các đường kính lỗ là 8 nm nhưng nó lại bị hạn chế lọc do điện tích âm của nó và lực đẩy tĩnh điện của điện tích âm của proteoglycan ở thành mao mạch cầu thận).

Hình dưới đây nói lên tác động của điện tích lên sự lọc của các phân tử dextran khác nhau.

bang2 2.png

Vậy thì khi mà điện tích âm trên màng đáy bị mất thì một số protein trọng lượng phân tử thấp, đặc biệt là albumin, sẽ được lọc vào trong nước tiểu (tình trạng này gọi là protein niệu hay albumin niệu).

Thành phần dịch lọc

Sự hình thành nước tiểu bắt đầu bằng việc lọc một lượng lớn dịch qua mao mạch cầu thận vào bao Bowman. Giống như hầu hết các mao mạch khác, mao mạch cầu thận thì tương đối không thấm với protein, do đó dịch lọc (glomerular filtrate) gồm rất ít protein tự do, không chứa hồng cầu.

Nồng độ của các thành phần khác của dịch lọc, gồm hầu hết các muối là các phân tử hữu cơ, thì có nồng độ tương tự như trong huyết tương. Có một số trường hợp ngoại lệ đó là các phân tử có trọng lượng phân tử thấp, như canxi và acid béo, không được lọc một cách tự do bởi chúng gắn một phần với các protein huyết tương. Ví dụ gần ½ canxi huyết tương là hầu hết các acid béo huyết tương gắn với protein và những phần gắn này không được lọc qua mao mạch cầu thận.

2) Tính GFR

Mức lọc cầu thận – GFR (glomercular filtration rate) là lượng dịch lọc (plasma ultrafiltrate) qua cầu thận trong một phút, được tính bằng cách đo lượng một chất trong huyết tương và lượng chất đó được thải ra. Chất dùng để đo GFR phải đảm bảo được lọc tự do qua cầu thận và phải là hoặc được tiết hoặc hấp thu. ngoài ra thì chất đó còn phải đảm bảo là không gây độc cho cơ thể và không bị chuyển hóa bởi cơ thể. Inulin, một polyme của fructoz với trọng lượng phân tử là 5200, đắp ứng được những tiêu chí này ở người và hầu hết các động vật, do đó được dùng để đo GFR.

Độ thanh thải (clearance) huyết tương ở thận là thể tích huyết tương trong đó một chất được loại bỏ hoàn toàn bởi thận trong một đơn vị thời gian (thường là một phút). Lượng chất xuất hiện trong nước tiểu trên một đơn vị thời gian là kết quả sự lọc ở thận một lượng nhất định huyết tương. GFR và độ thanh thải tính bằng đơn vị mL/min.

Qua tiến hành thao tác đo, người ta thu được các số liệu và cách tính độ thanh thải như sau:

ct.png

Trong đó:
UIN là nồng độ inulin nước tiểu
V là lượng nước tiểu trong một phút
PIN là lượng inulin trong huyết tương động mạch
C là độ thanh thải

Có thể nói lại cách tính như sau:

– U nhân với V ta được lượng inulin được lọc trong một phút

– Theo như giá trị của P, ta có được lượng inulin có trong một ml huyết tương động mạch ta có lượng inulin được lọc trong một phút là 35×0,9=63/2, vậy để lọc hết 1/4 mg inulin cần 1/126 phút.

Trong 1/126 phút thì “độ thanh thải” là 1ml, vậy suy ra độ thanh thải cần tính (trong một phút) bằng 126 mL/phút (nhân chéo chia ngang).

Độ thanh thải của creatinin cũng có thể được dùng để tính GFR, tuy nhiên đôi khi nó được tiết bởi ống thận vì vậy sẽ làm tăng nhẹ độ thanh thải của nó so với inulin (điều này có thể dễ thấy dựa trên công thức tính trên). Nó được dùng như là một chỉ số đánh giá chức năng thận (bình thường là 1mg/dL).

bảng 3.png

GFR bình thường

GFR ở người trưởng thành khỏe mạnh trung bình khoảng 125 mL/phút, tương đương 180L/ngày trong khi lượng nước tiểu chỉ có 1L/ngày. Vì vậy 99% hoặc hơn dịch lọc được tái hấp thu. Với tỉ lệ 125mL/phút, trong một ngày thận lọc một lượng dịch bằng 4 lần tổng lượng nước cơ thể, 15 lần thể tích dịch ngoại bào và 60 lần thể tích huyết tương.

3) Điều hòa GFR

Các yếu tố chi phối sự lọc qua mao mạch cầu thận cũng giống như ở các mao mạch khác, đó là kích thước giường mao mạch, tính thấm của mao mạch, áp suất thủy tĩnh và áp cuất thẩm thấu qua thành mao mạch. Với mỗi nephron ta có công thức sau:

ct2.PNG

Trong đó:
Kf là hệ số lọc cầu thận (phụ thuộc tính thấm của mao mạch cầu thận và diện tích bề mặt)
Pgc là áp suất thủy tĩnh của mao mạch cầu thận, Pt là áp suất thủy tĩnh của bao Bowman
π GC là áp suất keo của mao mạch cầu thận, và
π T là áp suất keo của dịch lọc bao Bowman

GFR.png

Chú ý: ở đây do protein bị ngăn chặn lọc qua màng lọc nên lượng protein hay là áp suất keo ở bao Bowman là không đáng kể. Còn lại 3 thành phần (trong đó chỉ có áp suất thủy tĩnh của mao mạch cầu thận là thuận lợi cho sự lọc, hai thành phần còn lại thì chống lại sự lọc). Điểm đặc biệt là áp suất keo ở mao mạch cầu thận là 32 mmHg, cao hơn áp suất keo của động mạch cơ thể – chỉ là 25 (do 20% lượng huyết tương qua cầu thận được lọc, trong khi protein lại không qua được màng lọc).

a) Tính thấm

Tính thấm của mao mạch cầu thận khoảng 50 lần mao mạch ở cơ bắp. Các chất trung tính với đường kính nhỏ hơn 4 nm thì được lọc từ do, nhưng nếu đường kính hơn 8 nm thì sự lọc gần bằng 0 (giữa hai giá trị đường kính này, sự lọc tỉ lệ nghịch với đường kính).

Tuy nhiên các sialoprotein (là những glycoprotein chứa acid sialic) ở thành mao mạch cầu thận mang điện tích âm, và các nghiên cứu về dextran (đường đa, tạo bởi nhiều phân tử glucoz) điện tích âm và dương [biểu đồ đã minh họa ở trên] cho thấy rằng điện tích âm của màng lọc đẩy các chất mang điện tích âm trong máu –> sự lọc của chất mang điện tích âm đường kính 4 nm thì ít hơn một nữa so với chất trung tính cùng kích thước. Điều này giúp ta giải thích được trường hợp đối với albumin (nồng độ trong cầu thận của nó chỉ là 0.2%). Ngược lại tỉ lệ lọc các chất mang điện tích dương thì lớn hơn chất trung tính. Số lượng protein nước tiểu bình thường ít hơn 100 mg/ngày, phần lớn không được lọc, một số tạo ra từ các ống thận (điều này giải thích tình trạng protein/albumin niệu có thể xảy ra không phải do tăng kích thước các lỗ ở màng lọc mà là do chính nguyên nhân này).

b) Kích thước giường mao mạch

Renal_corpuscle.svg.png

Kf có thể thay đổi bởi các tế bào mesangial (5a 5b trong hình minh họa, là các tế bào cơ trơn biệt hóa quanh mạch máu thận), sự co của chúng làm giảm diện tích lọc do đó làm giảm Kf. Theo như định nghĩa (Kf là mức lọc cầu thận đối với 1 mmHg áp suất) thì ta có thể dễ nhận ra được rằng khi mà các tế bào này co sẽ gây hẹp lòng mạch, dẫn đến (1) tăng kháng lực mạch máu/ tăng huyết áp và (2) giảm lọc ở cầu thận (do giảm tưới máu thận) –> giảm Kf. Dưới đây là các tác nhân tác động lên các tế bào mesangial:

bảng 4.png

c) Áp suất keo và áp suất thủy tĩnh

Áp lực mao mạch cầu thận thì cao hơn các giường mao mạch khác do 2 điểm: (1) động mạch đến là các nhành thẳng, ngắn của động mạch gian tiểu thùy, (2) động mạch đi với kháng lực cao.

Áp suất thủy tĩnh của mao mạch chống lại với áp suất thủy tĩnh của bao Bowman, Tương tự như với áp suất keo, tuy nhiên ở đây áp suất keo dịch lọc không đáng kể do đó hiệu số áp suất keo giữa mao mạch và bao Bowman tương đương với áp suất keo của mao mạch.
Một điểm cần lưu ý là áp suất thủy tĩnh của bao Bowman ít thay đổi nên không ảnh hưởng. Tuy nhiên trong trường hợp tắc ống thận/niệu quản, hay phù thận sẽ làm áp suất bao Bowman tăng lên gây giảm lọc.

3. Thay đổi GFR

b5.png

– Áp suất máu hệ thống tăng thì làm tăng áp suất thủy tĩnh mao mạch à tăng lọc. Tuy nhiên sự tăng là không cân xứng, do cơ chế tự điều hòa (khi mà áp suất động mạch tăng sẽ có các cơ chế làm co tiểu động mạch đến để hạn chế dòng máu tới quá mức).

– Dòng máu thận được giữ tường đối hằng định, do cơ chế tự điều hòa: điều hòa ngược cầu ống (tubuloglomerular feedback: Khi nồng độ Na+, Cl- tới quai Henle giảm –> kích thích macula densa gây giãn tiểu động mạch vào và kích thích các tế bào cận tiểu cầu tiết renin, tạo ra angiotensin II làm co tiểu động mạch ra, 2 cơ chế này làm GFR tăng lên), nghĩa là khi mà mức lọc giảm cơ chế điều hòa này làm giãn động mạch đến. Như vậy dòng máu thận và mức lọc tiểu cầu đều được tăng lên và về mức bình thường.

– Sự co giãn của các tiểu động mạch: động mạch đến nếu giãn sẽ làm tăng dòng máu tới thận và lọc tăng, ngược lại. Đối với động mạch đi, sự co làm tăng áp suất thủy tĩnh mao mạch cầu thận do đó làm tăng lọc (tuy nhiên nếu co mạnh lâu quá thì sẽ giảm lọc vì lúc đó protein ứ lại làm tăng sáp suất keo).

– Trường hợp phù thận và tắc niệu quản thì đã trình bày ở trên, gây giảm lọc.

– GFR cũng phụ thuộc vào Kf.

– Một số yếu tố khác cũng đã trình bày ở trên.

4. Tỉ lệ lọc cầu thận

Là tỉ lệ của GFR (~125 mL.phút) với dòng huyết tương qua thận (renal plasma flow – RPF (~ 650 mL/phút), khoảng 16-20%. GFR thay đổi ít hơn RPF :khi có sự giảm huyết áp hệ thống, GFR giảm ít hơn là RPF do sự co động mạch đi, do đó tỉ lệ lọc tăng lên.

Tài liệu tham khảo:
– Ganongs Review of Medical Physiology, 24th
– Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology, 12th
– Sinh lý học y khoa của GS. Phạm Đình Lựu

Bài viết của thành viên conan274318_SM

Hãy vào đây để thảo luận nhiều hơn về vấn đề này!

Khái luận về các Prostaglandins

1. Tổng hợp Prostaglandins

Đầu tiên acid arachidonic (AA) được hoạt hóa bởi PLA2 từ màng phospholipids. AA tạo thành được men LOX hoặc COX tổng hợp thành các EICOSANOSIDs.

Eicosanosids gồm 4 nhóm là thromboxane, leukotrienes, prostacyclin và PROSTAGLANDINS. 2 isozymes chuyển AA thành prostaglandin endopeoxides. PGH synthase-1 (COX-1) biểu hiện chủ yếu ở hầu hết tế bào, PGH synthase-2 (COX-2) là cảm ứng, biểu hiện phụ thuộc vào tín hiệu kích thích nó là gì và tác động nhanh tức thì vào biểu hiện gene.

COX-1 tạo ra các ‘’housekeeping’ như ở đề cập đến, nó bảo vệ tế bào biểu mô, nhưng trái lại COX-2 là nguồn prostanoids trong viêm và ung thư.

1.png
2.png

2. Phân loại

Có 4 loại prostaglandin như trên: PGD2, PGE2, PGF2α và PGI2. Ngoài ra còn có 15d-PGJ2 là prostaglandins mới được khám phá.

3.png

3. Cơ chế phân tử
Có 3 nhóm như sau
– Đầu tiên, nhóm gây giãn là EP2, EP4, IP và DP1 bằng cách tăng lượng cAMP tạo ra trong tế bào.
– Thứ 2, nhóm gây co cơ gồm EP1, FP và TP bằng cách tăng nồng độ Ca++ nội bào.
– Và thứ 3, chỉ có EP3, nó đồng thời làm giảm lượng cAMP tế bào và tăng lượng Ca++.

4.png

Hoạt động của các thụ thể

-TPα và TPβ receptor qua Gq hoạt hóa lộ trình PLC-IP3-Ca++. Hoạt hóa TP receptor làm hoạt hóa hoặc ức chế AC qua Gs(TPα) hoặc Gi(TPβ). Hơn nữa qua TP nó còn hoạt hóa ERK và Rho pathway qua Gq12/23 và G16. TP hiện diện ở tiểu cầu, mạch máu, phổi, thận, tim, tuyến ức, lách.

-IP là Gs, kích hoạt AC làm tăng cAMP biểu hiện ở mo thận, phổi, cột sống, gan, mạch máu và tim.

-DP1 giống với IP là 1 Gs. Nó biểu hiện ở phổi, dạ dày, tử cung, bạch cầu, CNS. DP2 lại là một Gq hoạt hóa lộ trình IP3, có ở bạch cầu, não, tim, lách, ruột).

-EP2 và EP4 là Gs hoạt hóa AC. EP1 không phải là G-proteinm có thể hoạt hóa lộ trình IP3. EP3 có thể hoạt hóa Gi→bất hoạt AC, và cũng có 1 isoform nào đó hoạt hóa Gs hoặc G12/23.

EP1 và EP2 phân phối giới hạn hơn so với EP3 và EP4.

-FPA và FPB là Gq protein→ tăng Ca++ nội bào và hoạt hóa PKC. Thêm vào đó kích hoạt FP con hoạt hóa Rho, dẫn đến hình thành actin stress fibers….

Tóm lại

5.GIF

Tài liệu tham khảo
KATZUNG ‘ BASIC & CLINICAL PHARMACOLOGY
GOODMAN&GILMAN PHARMACOLOGY_2011

Bài viết của thành viên Nguyễn Văn Tiến. Xem thêm thảo luận chi tiết tại đây.

Ca2+/TI THỂ VÀ HOẠT ĐỘNG TẾ BÀO

Ca2+/TI THỂ VÀ HOẠT ĐỘNG TẾ BÀO

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

Đại cương

Tế bào Eukaryote dự trữ Ca2+ trong lòng sarco/endoplasmic reticulum (SR/ER) và ở trong bộ Golgi. Ca2+ trong các bào quan cần thiết cho quá trình thủy phân ATP dưới xúc tác của SR/ER ATPase (SERCA) và Secretory pathway Ca2+-ATPase (SPCA), do vậy nồng độ của Ca2+ rất dao động, từ  µM đến mM, đủ tạo ra thêm một thành phần gradient điện thế nội bào. Sự phóng thích Ca2+ được thực hiện bởi các kênh ion không đặc hiệu, bao gồm thụ thể của 1,4,5 trisphosphate (InsP3R) và thụ thể ryanodine (RyR, đặc biệt là ở cơ vân và cơ tim) trong lộ trình tín hiệu của inSP3 (một phân tử truyền tin thứ 2) hoặc cADP ribose, cADPR đối với RyR và cuối cùng là bởi các kênh Ca2+ cảm ứng điện thế nằm trên màng (tế bào cơ). Các bào quan khác như ti thể, peroxisomes, các túi tiết, nhân, cùng với các Ca2+ binding protein ở trong bào tương hiệp đồng tạo ra sự biến đổi nồng độ của Ca2+ nội bào, tạo ra các quá trình điều hòa Ca2+ rất chặt chẽ. Những tri thức cơ bản về lộ trình tín hiệu của Ca2+ đã được đề cập ở một chương riêng. Ở chương này, chúng ta sẽ chỉ đề cập đến vai trò của Ca2+/ti thể mà thôi.

Hình 39.1: Na+/Ca2+ exchanger (NCX) và uniporter ti thể là các bơm Ca2+ hiệu quả khi nồng độ Ca2+ bào tương tăng cao do có năng lực bơm cao và ái lực với Ca2+ thấp. PMCA (plasma membrane Ca2+-ATPase) và SERCA (sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase) có khả năng bơm thấp hơn nhưng ái lực lại cao hơn nên có thể đưa Ca2+ về lại nồng độ của trạng thái nghỉ.

Như chúng ta đã biết, ti thể là một bào quan có khả năng “thiên bẩm” trong việc đáp ứng với các lộ trình tín hiệu Ca2+ và cả góp phần kiểm soát hay giải mã (decode) nó. Do vậy, Ca2+ tự thân nó rất cần thiết cho chức năng của ti thể: 3 enzyme dehydrogenase của vòng Krebs (pyruvate dehydrogenase, α-ketoglutarate dehydrogenase và isocytrate dehydrogenase) đều được hoạt hóa bởi Ca2+. Trong chuỗi truyền điện tử, F1F0 ATPase và ATP translocator được điều hòa bởi Ca2+. Vì chức năng của Ca2+ quan trọng như vậy, nên các cơ chế nhằm kiểm soát Ca2+ là cần thiết để tạo ra các đáp ứng khác nhau, đôi khi ngược hẳn nhau: tạo ra năng lượng hay tham gây ra apoptosis. Điều cuối cùng ta cần biết ở đây nữa là ti thể không phải chịu sự chi phối hoàn toàn của Ca2+ mà ngược lại, nó sử dụng Ca2+ như phương tiện giao tiếp với các thành phần khác của tế bào. Vậy nên ta có thể xem Ca2+ là ngôn ngữ chung của chúng.

Chúng ta sẽ cùng nhau nói về vai trò của Ca2+ trên cương vị phân tử điều biến hoạt động của ti thể và vai trò của ti thể như một bào quan điều biến hoạt động của tế bào phụ thuộc Ca2+.

Hình 39.2: Ti thể được năng lượng hóa nhờ pyruvate – phân tử khi vào ti thể sẽ chuyển hóa theo chu trình TCA và qua chuỗi truyền điện tử tạo năng lượng. Như chúng ta đã thảo luận ở một chương riêng, sự chênh lệch điện thế giữa màng ngoài và màng trong ti thể là từ -150 đến -180 mV, tạo thuận lợi để tạo ATP và hấp thu Ca2+. Sơ đồ trên mô tả khái quát mối liên hệ giữa chuyển hóa của ti thể và lộ trình tín hiệu Ca2+.

 

Các diễn viên chính trong vở kịch của Ca2+ ti thể

Từ những năm 60 của thế kỉ trước, hàng loạt các nghiên cứu về vai trò của ti thể được tiến hành. Mục tiêu cuối cùng, lớn nhất, là tìm cho bằng được các protein tải Ca2+ của ti thể. Trong suốt 50 năm nghiên cứu, người ta đã xác định được cơ chế Ca2+ đưa vào và đẩy ra ngoài ti thể một cách bao quát, chi tiết cách Ca2+ đi vào. Nhưng, mãi đến năm 2011, người ta mới biết được sự hiện diện của Na+/Ca2+ exchanger (một trong 2 hệ thống đưa Ca2+ ra ngoài). Trong suốt chặn đường từ trong chất nền ti thể đi ra ngoài bào tương hay ngược lại, Ca2+ phải vượt qua 2 chướng ngại làm giảm tính thấm của ion, đó là: lớp màng ngoài (OMM) và lớp màng trong (IMM).Màng ngoài có nhiều lỗ kênh (porines) và ngày trước, người ta cho rằng nó thấm tự do với Ca2+, nhưng theo các nghiên cứu từ năm 2006 trở lại đây, người ta ghi nhận được có sự hiện diện của các kênh chọn lọc anion phụ thuộc điện thế và sự tác động nhất định của nó đến tính thấm của Ca2+. Màng trong ti thể, như chúng ta đã biết, là một lớp màng không có tính thấm với ion và các phân tử chuyển hóa. Nó là nơi các phản ứng phosphoryl hóa oxi hóa xảy ra (vì nó có các phức hợp tham gia chuỗi truyền hô hấp) và cũng có các protein đảm bảo cho Ca2+ có thể đi vào và đi ra khỏi chất nền bên trong.

Hình 39.3: Cân bằng nội môi của Ca2+ ti thể ở trạng thái nghỉ. (a) Theo sau sự kích thích, sự mở kênh InsP3R và RyR. Các “diễn viên” tham gia quá trình tải Ca2+ được đề cập. VDAC – voltage-dependent anion channel; RaM – rapid mode of uptake, GRP75-glucose regulated protein 75, MPTP – mitochondrial permeability transition pore.

Quá trình đưa Ca2+ vào ti thể là một quá trình điện tính không phụ thuộc vào sự cân bằng gradient điện hóa. Bằng chứng là sự chuyển vị của H+ từ chất nền đến khoảng gian màng liên quan tới chuỗi truyền điện tử ở màng trong, nơi mà điện thế màng tế bào ở mức -180mV. Mức điện thế này tạo một lực để cho Ca2+ xâm nhập vào bên trong. Do vậy, ta cũng cần biết rằng, nếu không duy trì được nồng độ H+ cần thiết xuyên qua lớp màng trong, nghĩa là không tạo ra được sự chênh lệch điện thế đủ cao, quá trình hấp thu Ca2+ cũng sẽ không thể xảy ra.

Protein tải Ca2+ đơn độc (Ca2+ uniporter, MCU) được phát hiện năm 2004 và mãi đến năm 2011 mới xác định được nó có cấu trúc dạng lỗ (pore-forming channel), được cho là một cổng ion chọn lọc, có cơ chế hấp thu nhanh (rapid mode, RaM) – đóng vai trò cơ bản trong quá trình hấp thu Ca2+ của ti thể. Cơ chế đưa Ca2+ ra ngoài bao gồm 2 thành phần, có và không phụ thuộc vào Ca2+, biểu hiện bởi 2 loại protein tải là 3Na+/Ca2+ và 2H+/Ca2+ antiporter; đồng bộ với lực gây ra bởi sự di chuyển của H+ trong chuỗi hô hấp tế bào.

Hình 39.4: Nhiệt động học Ca2+ của ti thể và sự hoạt hóa chu trình TCA & phản ứng phosphoryl hóa oxy hóa.

Sự hấp thu Ca2+ ti thể

Năm 2004, người ta đã xác định được MCU là một kênh Ca2+ có tính chọn lọc rất cao với hằng số bán hoạt K0.5 là 19mM Ca2+, và vị trí hoạt hóa cũng chính là vùng tải. Chuỗi thứ tự tính thấm của protein này lần lượt làCa2+>Sr2+>Mn2+>Ba2+>Fe2+>La3+. Điểm thú vị là Ca2+ tự thân nó hoạt hóa MCU trong khi La, Mg2+, Ru đỏ (RR), KB-R7943 lại có vai trò ức chế. Một lần nữa ta lại nhìn thấy sự “đối đầu” của Mg2+ và Ca2+– một hiện tượng góp phần đáng kể trong quá trình điều hòa tác động của Ca2+. Ngoài ra, các polyamine được tin là đóng vai trò sinh lý quan trọng đối với Ca2+ vì nó giúp khởi động quá trình hấp thu Ca2+ của ti thể khi nồng độ Ca2+ tại đây ở mức thấp. Taurine ở mức mM cũng có thể hoạt hóa MCU. Điểm kì lạ nhất liên quan tới quá trình này liên quan đến các nucleotides, nó vừa có thể hoạt hóa, vừa có thể ức chế MCU và người ta cũng chưa rõ cơ chế tác động của nó như thế nào.

Hình 39.5: Ion calcium được vận chuyển trực tiếp giữa ER và ti thể tại “khớp nối” giữa 2 bào quan này. Quá trình chuyển đổi được điều hòa bởi thụ thể IP3 và các uniporter.

Khi nghiên cứu về các lộ trình tín hiệu có liên quan đến Ca2+, cụ thể là trường hợp của các phân tử ức chế p38 MAPK, người ta cũng đã phát hiện được rằng lộ trình tín hiệu phụ thuộc vào các protein kinase (tyrosine kinase, serine/threonine kinase,…) có vai trò điều biến dòng Ca2+ đi vào.

Như chúng ta đã biết, sự vận chuyển Ca2+ có liên quan đến sự vận động của H+. Vào năm 2007, người ta lại ghi nhận được sự vận chuyển của các ion H+ có liên quan đến các protein tải ion âm – trường hợp này là các acid hữu cơ, theo chiều từ chất nền ti thể ra khoảng gian màng. Vậy, cơ chế này cũng ảnh hưởng gián tiếp tới sự vận chuyển của Ca2+.

Đọc trọn vẹn bài viết tại đây.

CƠ CHẾ TRUYỀN TÍN HIỆU TẾ BÀO

CƠ CHẾ TRUYỀN TIN

Cơ sở sinh học phân tử tế bào

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

Chức năng của lộ trình tín hiệu tế bào là để chuyển thông tin từ ngoại vi tế bào đến các chất tác hiệu bên trong. Có nhiều cơ chế truyền tin mà nhờ đó thông tin được chuyển vào các lộ trình tín hiệu. Sau đây ta sẽ lần lượt tìm hiểu các cơ chế đó. Chi tiết từng quá trình sẽ được trình bày trong các chương sau.

Hình 40.1:Các mô hình truyền tin khác nhau.

Cơ chế conformational-coupling (sự gắn kết có biến đổi cấu dạng)

Thông tin có thể được chuyển từ một nguyên tố tín hiệu đến một nguyên tố tín hiệu tiếp theo nhờ vào quá trình conformational-coupling. Nếu những thành phần thường là protein này đã liên kết với thành phần khác thì cơ chế truyền tin sẽ xảy ra rất nhanh. Một ví dụ kinh điển cho cơ chế conformational-coupling là sự co và giãn cơ bám xương – nơi mà kênh CaV1.1 týp L sẵn sàng nối kết với thụ thể ryanodine (RYR1). Một ví dụ khác là sự kết hợp giữa kênh Ca2+ phụ thuộc điện thế với protein để đáp ứng với hiện tượng xuất bào của các túi synaptic.

Sự conformational-coupling cũng được dùng khi thông tin được chuyển đi bởi sự khuếch tán của các nguyên tố tín hiệu. Những phân tử truyền tin thứ hai có khối lượng phân tử thấp (Ca2+, cAMP, cGMP và ROS) hoặc các protein như ERK1/2 hay nhiều yếu tố phiên mã được hoạt hóa khác di chuyển từ tế bào chất vào nhân mang theo thông tin trong suốt quá trình di chuyển trong tế bào chất của chúng. Trong quá trình chuyển giao thông tin này, những nguyên tố có khả năng khuếch tán này sử dụng cơ chế conformational-coupling để truyền thông tin khi nó gắn vào các yếu tố thuận dòng khác.

Post-translational modifications (Điều hòa hậu dịch mã)

Hệ thống thông tin sử dụng rất nhiều protein post-translational modification để chuyển thông tin trong suốt lộ trình tín hiệu. Cơ chế cơ bản là khi chất kích thích hoạt hóa thành phần A, thành phần A này sau đó sẽ hoạt động trên thành phần B để tạo ra sự biến đổi cấu trúc trong suốt sự điều chỉnh. Sự điều chỉnh này thực hiện chức năng truyền tin của nó và thông thường rất chuyên biệt do vậy nó trực tiếp thay đổi cấu trúc các tiểu phân amino acid trên protein bằng các cách sau đây:

–          Phosphoryl hóa protein.

–          Oxi hóa protein.

–          Acetyl hóa protein.

–          Methyl hóa protein.

–          Sumoyl hóa.

–          Ubiquitin hóa. (đã được trình bày ở một chương khác)

Sự phosphoryl hóa protein

Protein kinase và phosphatase biến đổi hoạt tính của protein bằng cách gắn hoặc loại bỏ góc phosphate. Tế bào biểu hiện một lượng khổng lồ các protein kinase đáp ứng cho các thành phần tín hiệu như là một cơ chế truyền tin chính. Trong một vài trường hợp, các kinase có thể phosphoryl hóa lẫn nhau để tạo ra một dòng thác tín hiệu. Ví dụ kinh điển cho trường hợp này là lộ trình tín hiệu MAPK. Các kinase được chia thành hai nhóm chính phụ thuộc vào tiểu phân amino acid nó phosphoryl hóa gồm có: Tyrosine kinase và serine/threonine kinase. Những kinase này có nhiều hình dạng khác nhau và đều là một thành phần chức năng không thể thiếu của các thụ thể trên màng tế bào. Ngoài ra, các kinase không phụ thuộc thụ thể cũng có tác dụng trong nhiều vùng khác nhau của tế bào.

Các kinase này có thể trở thành yếu tố khởi phát cho một lộ trình tín hiệu của các thụ thể tyrosine kinase và serine/threonine kinase.

Phần lớn các kinase không liên quan đến thụ thể nhưng hoạt động trong tế bào như một phần của dòng thác tín hiệu nội bào. Họ Src, Lck, Lyn, Fyn và Syk là những kinase không liên quan đến thụ thể là thành phần quan trọng trong các lộ trình tín hiệu của tế bào T và dưỡng bào. Họ Tec tyrosine kinase cũng đóng vai trò quan trọng trong sự truyền tin sớm của lymphocyte.

Hầu hết các lộ trình tín hiệu sử dụng non-receptor serine/threonine protein kinase như một vài chặn trong suốt quá trình truyền tin. Sau đây là vài ví dụ về những kinase quan trọng:

–          AMP-activated protein kinase (AMPK)

–          β-adrenergic receptor kinase 1 (βARK1)

–          Casein kinase I (CKI)

–          CDK-activating kinase (CAK)

–          Cyclin-dependent kinase (CDKs)

–          cGMP-dependent protein kinase (cGK)

–          DNA-dependent protein kinase (DNA-PK)

–          Glycogen synthase kinase-3 (GSK-3)

–          Integrin-linked kinase (ILK)

–          LKB1

–          Myosin light chain kinase (MLCK)

–          Myotonic dystrophy kinase-related Cdc42-binding kinase (MRCK)

–          p21-activated kinase (PAK)

–          PKA

–          PKB

–          PKC

–          Rho kinase (ROK)

–          Polo-like kinase (Plks)

–          Ribosomal S6 kinase 1 (S6K1)

–          WNK protein kinase

Non-receptor protein tyrosine kinase

Có nhiều loại kinase thuộc nhóm này với nhiều chức năng thông tin quan trọng. Chúng có vùng tyrosine kinase, có chứa vùng tương tác protein nên có thể tương tác với cả các yếu tố tín hiệu thuận dòng hoặc nghịch dòng. Kinase Src có vai trò quan trọng nhất trong hình thức truyền tin này nên sẽ được trình bày tại đây.

Hình 40.2: Sự hoạt hóa Src. (1) Loại bỏ nhóm phosphate ở đầu C để hoạt hóa phân tử. (2) Tyrosine kinase phosphoryl hóa vùng kinase để tăng hoạt tính enzyme. (3) vùng kinase hoạt hóa có thể phosphoryl hóa nhiều protein đích như Abl chẳng hạn. (4) Vùng SH2 và SH3 có thể gắn vào nhiều protein đích khác nhau. (5) CSK phosphoryl hóa trở lại tyrosine ở đầu C để bất hoạt phân tử.

Src

Src là một nguyên mẫu của họ Src protein tyrosine kinase (Src, Blk, Fyn, Fgn, Hck, Lck, Lyn, Yes). Những tyrosine kinase này vừa là một chất đáp ứng vừa là một phân tử thực hiện chức năng phosphoryl hóa các phức hợp tín hiệu. Cấu trúc này có những vùng vai trò là chất đáp ứng đối ngẫu (dual adaptor) và enzyme.Lưu ý, các kinase này gắn vào màng tế bào ở đầu tận N, liên tục với vùng Src homology 3 (SH3) và vùng SH2. Vùng kinase ở đầu tận C có hai amino acid tyrosine (Tyr-416 và Tyr-527) có chức năng điều hòa hoạt động của Src. Vùng SH2 không chỉ giúp cho Src tương tác với những phân tử tín hiệu khác mà còn tham gia vào các tương tác nội phân tử để điều hòa hoạt tính của Src. Các quá trình điều hòa của Src xảy ra như sau:

–          Ở trạng thái bất hoạt, Tyr-527 được phosphoryl hóa nằm ở đầu C tạo thành mối tương tác nội phân tử với vùng SH2. Trong suốt quá trình hoạt hóa, tyrosine phosphatase loại bỏ nhóm phosphate ức chế này và phân tử được hoạt hóa.

–          Nhiều loại tyrosine kinase sẽ phosphoryl hóa Tyr-416 ở vùng kinase dẫn đến tăng hoạt tính của enzyme.

–          Vùng tyrosine kinase đã hoạt hóa có khả năng hoạt hóa nhiều cơ chất khác nhau như Abl chẳng hạn.

–          Khi ở trạng thái hoạt hóa, vùng SH2 và SH3 có thể tương tác với nhiều protein đích để thu thập các phức hợp thông tin.

–          Src bị bất hoạt bởi C-terminal Src kinase (CSK) do enzyme này phosphoryl hóa Tyr-527 để đưa phân tử này trở về trạng thái bất hoạt.

Chức năng của Src:

–          Hoạt hóa non-receptor protein tyrosine kinase Abl.

–          Cùng hoạt động với proline-rich tyrosine kinase 2 (Pyk2) để đẩy mạnh hình thành của podosome hủy cốt bào.

–          Đóng vai trò chuyển tiếp thông tin từ thụ thể integrin đến PtdIns 3-kinase tại phức hợp focal adhesion.

–          Trong quá trình tạo hủy cốt bào, colony-stimulating factor-1 (CSF-1) hoạt động trên thụ thể CSF-1R và bổ sung Src để hình thành phức hợp với c-Cbl và PtdIns 3-kinase. Src cũng phosphoryl hóa các motif hoạt hóa thụ thể miễn dịch theo cơ chế tyrosine (ITAMs) điển hình trên thụ thể FcRγ và chất đáp ứng DNAx-activating protein 12 (DAP12) để đồng hoạt lộ trình tín hiệu Ca2+ trong sự phát triển của hủy cốt bào.

–          Nó phosphoryl hóa và hoạt hóa họ Tec tyrosine kinase.

Chức năng của Abl (Abelson tyrosine kinase):

–          Abl trong bào tương được hoạt hóa bởi Src liên kết với một thụ tyrosine kinase-linked receptor như PDGFR chẳng hạn. Src phosphoryl hóa Abl và giúp phân tử này thực hiện chức năng tái cấu trúc sợi actin. Abl có thể gắn vào actin G- và F- nhưng cơ chế đến nay vẫn chưa rõ.

–          Abl cũng có thể bị hoạt hóa bởi thụ thể integrin và tại đây nó có thể tập hợp actin bằng cách hình thành phức hợp với Abelson-interactor (Abi), Wiskott-Aldrich syndrome protein (WASP) verprolin homologous (WAVE) và phức hợp actin-related protein 2/3 (Arp2/3 complex). Sự hình thành phức hợp này được thấy trong phức hợp focal adhesion.

Hình 40.3: Chức năng của Abl ở tế bào chất và trong nhân.

–          Ngoài ra, Abl cũng có thể hoạt động trong nhân. Tại đây, chức năng của nó được cho là phụ thuộc vào khả năng tương tác của nó với pocket protein retinoblastoma susceptibility gene Rb.

–          Tác dụng ức chế của Rb sẽ mất đi khi nó được phosphoryl hóa bởi phức hợp cyclin D/cyclin dependent kinase 4 (CDK4) – đây một thành phần của lộ trình tín hiệu chu kì tế bào.

–          Abl trong nhân cũng có thể được hoạt hóa bởi nhiều tác nhân kích thích stress như là hoạt động bức xạ ion hóa của ATM (ataxia telangiectasia mutated) hay sự thương tổn của DNA qua DNA-dependent protein kinase (DNAPK).

–          Abl inhibition of mouse double minute-2 (MDM2) ngăn cản sự thoái giáng của p53 do ubiquitin ligase mouse double minute-2 (MDM2) và quá trình này giúp tăng cường sự phiên mã của gene gây apoptosis.

–          Abl có thể phosphoryl hóa và hoạt hóa RNA polymera II góp phần vào quá trình biểu hiện gene.

–          Abl có thể phosphoryl hóa và hoạt hóa Rad52 góp phần vào quá trình sữa chữa DNA.

Sự oxi hóa protein

Lộ trình tín hiệu redox sinh ra các góc oxy hoạt động như superoxide và hydrogen peroxide để tạo ra các phân tử truyền tin thứ hai của nó hoạt động bằng cách oxi hóa nhóm thiol đặc hiệu trên amino acid cysteine ở protein đích.

Sự acetyl hóa protein

Quá trình này đóng một vai trò quan trọng trong hiện tượng tái cấu trúc chromatin và liên quan đến sự hoạt hóa quá trình phiên mã. Histone acetyltransferase (HATs) có chức năng acetyl hóa histone để tháo xoắn chromatin, làm cho nó dễ dàng tiếp cận với nhiều yếu tố phiên mã và do vậy hoạt hóa quá trình này. Hoạt động của myocyte enhancer factor-2 (MEF2) là một ví dụ điển hình cho quá trình acetyl hóa và phản ứng khử acetyl hóa được thực hiện bởi histone deacetylase (HDACs) và sirtuins.

Sự methyl hóa protein

Chức năng của protein có thể thay đổi bởi sự methyl hóa arginine hay lysine bởi enzyme protein arginine methyltransferase (PRMTs) và Smyd-2. Các phản ứng methyl hóa này sẽ bị đảo ngược bởi các enzyme demethylase như histone lysine-specific demethylase (LSD1) có chức năng loại nhóm methyl khỏi p53.

Quá trình này điều hòa nhiều protein và các quá trình của tế bào, cụ thể như:

–          Thay đổi hoạt tính của transcriptional regulator peroxisome-proliferator-activated receptor γ (PPARγ) coactivator-1α (PGC-1α) trong quá trình kiểm soát sự biệt hóa của tế bào mỡ nâu.

–          Sự methyl hóa protein p53 là một quá trình điều hòa sự phiên mã gene.

–          Sự methyl hóa histone tại vị trí lysine và arginine tại đầu N của Histone H3 có thể có tác dụng rõ rệt đến cấu trúc của chromatin.

–          Chất đồng kiềm hãm switch independent (SIN3) có chức năng tái cấu trúc chromatin chứa một lượng lớn các phức hợp nhân (core complex) chứa nhiều methyl transferase như enzyme đặc hiệu cho histone H3 chẳng hạn.

Sự sumoyl hóa

Hiện tượng này là một ví dụ của cơ chế post-translation modification mà nhờ đó chức năng của protein được sửa đổi bởi các liên kết cộng hóa trị với “small ubiquitin related modifier” (SUMO). Sự gắn SUMO tạo ra một sự biến đổi trên hoạt tính, độ ổn định và vị trí của protein đích. Có 4 protein SUMO hiện diện ở người, 3 SUMO đầu hiện diện rộng khắp trong khi SUMO-4 giới hạn trong một số loại tế bào (thận, lách và hạch lympho). Trong hầu hết các trường hợp, 1 phân tử SUMO được gắn vào protein, nhưng cả hai phân tử SUMO-3 và SUMO-4 có thể tạo thành chuỗi SUMO nhờ khả năng tạo thành liên kết isopeptide giữa hai phân tử SUMO với nhau.

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

CÁC LỘ TRÌNH TÍN HIỆU TẾ BÀO CHÍNH

CÁC LỘ TRÌNH TÍN HIỆU TẾ BÀO CHÍNH

Trọng tâm sinh học phân tử tế bào

Nguyễn Phước Long – Phùng Trung Hùng

Đại cương

Tế bào điều hòa hoạt động của nó thông qua các lộ trình tín hiệu và phần lớn lộ trình trong số đó đã được biết cho đến hôm nay. Trong chương này, chúng ta sẽ cùng nhau thảo luận về các cơ chế điều hòa trong tế bào. Những con đường tín hiệu này được chia làm 2 nhóm chính dựa theo cách nó được hoạt hóa. Phần lớn trong số đó được hoạt hóa bởi các chất ngoại bào và có chức năng truyền tin từ bề mặt tế bào vào trong hệ thống tác hiệu. Tuy nhiên, một vài hệ thống đáp ứng thông tin xuất hiện trong lòng tế bào và thường ở dạng tín hiệu chuyển hóa (metabolic messengers). Trong tất cả các lộ trình tín hiệu, thông tin được vận chuyển thông qua sự tương tác trực tiếp giữa các protein với nhau hoặc  thông qua các phân tử truyền tin thứ hai (second messengers). Trong suôt quá trình phát triển, các loại tế bào khác nhau thường có một số lượng lộ trình tín hiệu riêng và sự tương tác chéo lẫn nhau giữa các lộ trình này là điều rất được quan tâm, cũng như các lộ trình này phải phù hợp với chức năng chuyên biệt của nó. Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung vào các thuộc tính của các lộ trình tín hiệu nội bào quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động sống của tế bào.

Các lộ trình tín hiệu nội bào

Có rất nhiều con đường lộ trình tín hiệu chịu trách nhiệm truyền tin trong tế bào và chúng được chia làm 2 loại chính. Loại đáp ứng với các chất kích thích ngoại bào (neurotransmitter, hormone hoặc GF) nằm trên bề mặt của tế bào, nhận thông tin qua trung gian các thụ thể. Sau đó, các thụ thể này sẽ chuyển thông tin xuyên màng bằng nhiều chất truyền tin khác nhau để tạo thành các lộ trình tín hiệu khác nhau diễn ra bên trong tế bào sau đó (1-16). Hệ thống tín hiệu của phosphoinositide và Calcium được xếp cùng một nhóm bởi vì chúng có chứa một tập hợp các lộ trình thường có sự tương tác với nhau (2-6). Các nhóm lộ trình khác được kích hoạt bởi các tín hiệu phát sinh trong tế bào (17-18). Ngoài ra còn có một lượng lớn các tín hiệu chuyển hóa hoạt động trong tế bào kích thích một lượng lớn các lộ trình tín hiệu khác nhau.

Tất cả những lộ trình tín hiệu này sinh ra các thông tin nội bào và đáp ứng chuyển tiếp thông tin đến các phân tử đích (sensors) rồi sau đó nối kết với các phân tử tác hiệu để sinh ra các đáp ứng nội bào.

Các lộ trình được liệt kê sau đây:

  1. cAMP: Một trong những hệ thống tín hiệu đầu tiên được phân lập. Trong đó, cAMP đóng vai trò là chất truyền tin thứ hai và tham gia vào nhiều hệ thống truyền tin khác nhau. Theo quan niệm này, các chất kích thích ngoại bào được gọi là các chất truyền tin thứ nhất và chúng có vai trò biến đổi cấu trúc adenylyl cyclase (AC) để tạo ra cAMP – một phần của hệ thống tác hiệu theo kiểu thác đổ xuôi dòng (down-stream).

Hình 41.1: Mô phỏng các lộ trình tín hiệu chính yếu tham gia điều hòa quá trình sống của tế bào.

  1. Hệ thống cADP-ribose (cADPR)và nicotinic acid-adenine di nucleotide phosphate (NAADP) có chức năng trong hệ thống truyền tin của calcium thông qua sự đáp ứng của ADP-ribosyl cyclase (ADP-RC).
  2. Voltage-operated channels (VOCs) tham gia vào tín hiệu calcium bằng cách điều khiển dòng calcium nhập bào trong các tế bào dễ bị kích thích (excitable cells).
  3. Receptor-operated channels (ROCs) tham gia vào tín hiệu calcium bằng cách điều khiển dòng calcium nhập bào của cả các tế bào dễ bị kích thích và các tế bào khác (non-excitable).
  4. Hệ hoạt hóa phospholipase C (PLC) để thủy phân PtdIns4,5P2 (hay còn gọi là PIP2) để sinh ra một số các lộ trình tín hiệu sau:
    1. Inositol 1,4,5-trisphosphate (InsP3)/Ca2+
    2. Diacylglycerol (DAG)/protein kinase C (PKC)
    3. PtdIns4,5P2
    4. Hệ thống inositol polyphosphate đa năng (multipurpose).
  5. Hệ PtdIns 3-kinase có chức năng phosphoryl hóa PIP2 thành dạng chất truyền tin thứ hai là PtdIns3,4,5P3 (PIP3).
  6. NO/clyclic GMP: NOS (NO synthase) tạo ra NO hoạt động thông qua hệ thống cGMP và phản ứng nitrosyl hóa. NO đóng vai trò quan trọng trong việc điều biến hoạt động của các hệ thống tín hiệu khác, như của hệ Ca2+ chẳng hạn.
  7. Hệ thống Redox (oxi hóa khử). Rất nhiều thụ thể hoạt động thông qua NADPH oxidase (NOX) để hình thành nên nguyên tử Oxy hoạt hóa (như trong phân tử H2O2 chẳng hạn), có tác dụng điều hòa hoạt động của các loại protein tín hiệu đặc biệt như tyrosine phosphatases, yếu tố phiên mã và các kênh ion. Các nguyên tử Oxy hoạt hóa cũng tham gia trong phản ứng nitrosyl hóa trong hệ thống 7.
  8. Hệ thống MAPK. Nhóm này là ví dụ điển hình của dòng thác phosphoryl hóa các protein bắt đầu đa phần bởi Ras và bao gồm một số lượng các lộ trình tín hiệu song song nhau có vai trò điều khiển nhiều hoạt động của tế bào và liên quan đặc biệt tới sự tăng trưởng của tế bào, sự stress tế bào và apoptosis.
  9. Hệ thống NF-κB có vô số chức năng khác nhau. Nó đóng vai trò quan trọng trong các đáp ứng viêm của macrophages và neutrophils và như là một phần của các đáp ứng miễn dịch bẩm sinh chống lại các pathogen.
  10. Phospholipase D (PLD) là hệ thống tín hiệu phụ thuộc lipid có liên quan đến sự thủy phân của phosphatidylcholine để cho ra phosphatidic acid (PA), chất này đóng vai trò là chất truyền tin thứ hai trong các quá trình điều hòa của tế bào.
  11. Sphingomyelin được thủy phân bởi các yếu tố tăng trưởng (Growth factors) và cytokines để tạo các chất truyền tin thứ hai có các tác dụng đối lập nhau trong tế bào. Ceramide có vẻ như tham gia vào quá trình apoptosis, ngược lại sphingosine 1-phosphate (S1P) hoạt hóa sự tăng trưởng của tế bào. S1P cũng có thể giải phóng Ca2+ từ lưới nội bào chất hoặc đóng vai trò là tác chất có khả năng gắn vào thụ thể khi được giải phóng khỏi tế bào,… do vậy cơ chế hoạt động của nó cũng rất phức tạp.
  12. Janus kinase (JAK)/hoạt hóa tín hiệu và là chất kích thích của con đường phiên mã STAT. Đây là hệ thống truyền tin nhanh từ bề mặt tế bào vào trong nhân. JAKs là những tyrosine kinase có khả năng phosphoryl hóa dòng thác tín hiệu và hoạt hóa các yếu tố phiên mã (STATs).
  13. Hệ thống Smad. Lộ trình tín hiệu này đóng vai trò trung gian trong hoạt động của siêu họ TGF-β trong quá trình phiên mã thông qua các yếu tố phiên mã Smad.
  14. Lộ trình tín hiệu của Wnt có vai trò quan trọng trong cả sự tăng trưởng và phát triển của tế bào.
  15. Lộ trình tín hiệu Hedgehog tương đồng với lộ trình của Wnt và cũng có chức năng điều hòa sự tăng trưởng và phát triển của tế bào. Ligand của Hedgehog (Hh) hoạt động thông qua yếu tố phiên mã GLI.
  16. Notch là một lộ trình tín hiệu có tính bảo tồn cao, có vai trò quan trọng trong các quá trình phát triển liên quan tới việc quyết định số phận của tế bào trong các tế bào gốc. Các thụ thể Notch tạo ra các yếu tố phiên mã NICD (Notch intracellular domain).
  17. Tín hiệu của lưới nội chất trong các quá trình stress có vai trò chuyển thông tin đến nhân về tình trạng tổng hợp protein trong lưới nội chất hạt.
  18. Lộ trình tín hiệu của AMP được điều hòa bởi AMP đóng vai trò như một dạng tín hiệu chuyển hóa, có vai trò hoạt hóa các lộ trình quan trọng trong việc điều khiển sự biệt hóa của tế bào.

Ngoài ra còn một số lộ trình tín hiệu khác nữa có các chức năng chuyên biệt trong quá trình điều hòa các hoạt động chuyển hóa của tế bào, như là quá trình sinh tổng hợp cholesterol để điều chỉnh lượng cholesterol trong màng tế bào. Hoặc như lộ trình tín hiệu của NAD, NAD+ có vai trò điều hòa các quá trình nội bào như sự chuyển hóa năng lượng, sự phiên mã gene, sửa chữa DNA và các quá trình liên quan đến tuổi già.

Lộ trình tín hiệu của cAMP

Hình 41.2: Mô phỏng sơ khai hoạt động thông qua cAMP.

cAMP là một chất truyền tin thứ hai hiện diện ở tất cả các cơ quan trong cơ thể và tham gia vào vô số các quá trình điều hòa của tế bào. Sự hình thành cAMP thường phụ thuộc vào sự hoạt hóa protein G (G-protein coupled receptors – GPCRs).

Protein G là một dị trimer hóa protein, bao gồm một họ protein được phân loại dựa vào cách nó liên kết với màng tế bào và cơ chế hoạt hóa nó. Họ protein này giúp hoạt hóa enzyme adenylyl cyclase (AC). Có một vài chất tác hiệu tín hiệu cAMP (cAMP signalling effectors) như protein kinase A (PKA), exchange proteins activated by cyclic AMP (EPACs) có khả năng hoạt hóa GTP-binding protein Rap1 và cyclic nucleotide gated channels (CNGCs). Các chất tác hiệu này sau đó biến thông tin chức năng của cAMP thành các đáp ứng, như sự chuyển hóa năng lượng, sự phiên mã gene và hoạt động của các kênh ion. Trong nhiều trường hợp, những chức năng này được điều biến (modulation), cAMP sẽ hoạt động như một chất thiết lập hoạt động của các lộ trình tín hiệu khác và do vậy nó đóng vai trò trung tâm trong sự chồng lấp (cross-talk) giữa các lộ trình tín hiệu với nhau. Chức năng điều biến này cũng thể hiện rõ ở các chuỗi tín hiệu của Ca2+ trong cả tế bào thần kinh và tế bào cơ. Nhiều hoạt động của cAMP phụ thuộc vào vị trí chính xác của PKA, liên quan tới cả các chất tác hiệu ngược dòng (upstream) và xuôi dòng (downstream). Một họ A-kinase-anchoring protein (AKAPs) quyết định sự định cư trong tế bào của PKA cũng như là số lượng thành phần của lộ trình tín hiệu. Các phản ứng OFF – ngắt tín hiệu có vai trò giảm cAMP thông qua quá trình thủy phân cAMP hoặc đưa cAMP ra ngoài tế bào.

Bảng 41.1: AC từ 1 đến 9 được phân bố rộng rãi. Nó có nhiều trong não nhưng cũng phân bố trong nhiều loại tế bào khác. AC10 chỉ có mặt ở tinh hoàn. Hoạt động chức năng điều hòa của AC1-AC9 thông qua G proteins. Tất cả AC được kích hoạt bởi Gαs nhưng chỉ có một số bị bất hoạt bởi Gαi. Tiểu đơn vị βγ cũng có khả năng hoạt hóa vài loại AC và bất hoạt các AC còn lại.  Một vài AC được điều biến bởi một số lộ trình tín hiệu khác như của Ca2+ và PKC. Một vài lại bị bất hoạt bởi PKA do vậy tạo ra vòng tác hồi âm, khiến cho cAMP có thể ức chế chính sản phẩm của nó.

Sự hình thành cAMP

cAMP có thể được tạo thành từ sự kích thích của rất nhiều tác chất khác nhau, mà thông thường là neurotransmitter và hormones. Tất cả các chất kích thích đều tác động thông qua hệ thống GPCRs, có vai trò hoạt hóa hay ức chế enzyme adenylyl cyclase (AC). Trong trường hợp hoạt hóa AC, guanine nucleotide exchange factor (GEF) sẽ thay thế GDP bằng GTP tại tiểu đơn vị α, rồi phân ly tiểu đơn vị này khỏi phức hợp βγ, và tiểu đơn vị αs.GTP sẽ hoạt hóa AC (ngược lại, αi.GTP sẽ ức chế AC). Sau đó, GTPase trên tiểu đơn vị α sẽ thủy phân GTP thành GDP, protein được tái cấu trúc và quá trình hoạt hóa AC kết thúc.

Độc tố tả (cholera toxin) xúc tác đồng hóa trị sự biến thể của Gsα. ADP-ribose được chuyển từ NAD+ thành arginine tại vùng hoạt động của GTPase của Gsα. Sự ADP-ribosyl hóa ngăn sự thủy phân của GTP (prevents GTP hydrolysis) bởi Gsα. Do vậy stimulatory G-protein được hoạt hóa lâu dài.

Độc tố ho gà (whooping cough disease) xúc tác sự ADP-ribosyl tại cysteine của Giα làm nó không thể chuyển GDP thành GTP. Con đường inhibitory bị khóa.

Adenylyl cyclase (AC)

Họ AC bao gồm 10 loại: 9 loại trong số đó là các protein bám màng (1-9), loại thứ 10 tan trong bào tương. Cấu trúc domain của AC1-AC9 tương đối giống nhau. Hai domain lớn nằm trong bào tương là C1 và C2 có chứa vùng xúc tác, tạo thành cấu trúc dị dimer hóa và đồng tác dụng với nhau để chuyển ATP thành cAMP.

Hình 41.3: Cấu trúc domain của adenylyl cyclase (AC). AC1-AC9 có cấu trúc domain giống nhau. Một chuỗi peptide đơn tạo thành các domain xuyên màng (TM), trong đó TM1-TM6 được tập hợp lại cùng nhau, tương tự đối với TM7-TM12. Mỗi TM đều có đều có C1 và C2 – có chứa vùng xúc tác để chuyển ATP thành cAMP. Lưu ý là AC10 không có vùng xuyên màng nhưng vẫn có C1 và C2 nên vẫn có chức năng xúc tác.

Các chất tác hiệu thông tin cAMP

cAMP là một tín hiệu nội bào có sự linh hoạt cao và có khả năng hoạt hóa nhiều chất tác hiệu khác nhau. Một trong những ví dụ của các chất tác hiệu loại này là exchange proteins activated by cyclic AMP (EPACs), có vai trò hoạt hóa Rap. Một nhóm tác hiệu khác là cyclic nucleotide-gated channels (CNGCs) đóng vai trò quan trọng trong hệ thống cảm nhận mùi và vị giác. Tuy nhiên, hầu hết các hoạt động của cAMP đều thông quá protein kinase A (PKA).

Hình 41.4: Tổ chức và chức năng của lộ trình tín hiệu cAMP. cAMP được hình thành từ hệ thống AC bám màng tế bào và cả AC hòa tan nhạy cảm bicarbonate. Sự hình thành được điều hòa cả bởi các agonists hoạt hóa hoạt động thông qua tiểu đơn vị αs và cả agonist bất hoạt αi hay tiểu đơn vị βγ. Nồng độ cAMP gia tăng nhanh chóng và thực hiện chức năng thông qua ba hệ thống tác hiệu khác nhau. Trong đó, chức năng chính của cAMP là hoạt hóa PKA để phosphoryl hóa một lượng lớn các yếu tố trung gian thuận chiều. Một vài quá trình dẫn đến sự phiên mã gene thông qua hoạt động của cAMP respone element-binding protein (CREB) và hoạt hóa các kênh ion (như thụ thể AMPA và CFTR). Các yếu tố trung gian thuận chiều khác cũng có thể là cGMP phosphodiesterase (cGMP PDE), phospholamban (PLN) điều khiển sarco/endo-plasmic reticulum Ca2+-ATPase (SERCA),thụ thể ryanodine (RYR) vàkênh Ca2+ CaV1.1 and CaV1.2

Protein kinase A (PKA)

Nhiều hoạt động của cAMP cần sự tham gia của PKA – có chức năng phosphoryl hóa tại những vị trí đặc hiệu của quá trình tác hiệu xuôi dòng.

Protein kinase A (protein kinase phụ thuộc cAMP) chuyển gốc Pi từ ATP đến gốc hydroxyl của nhóm serine hoặc threonine, đây là phần đặc thù của trình tự 5-amino acid chuyên biệt. Protein kinase A tồn tại ở trạng thái tĩnh (resting state) ở cấu trúc như sau:

–          2 tiểu đơn vị điều hòa (R).

–          2 tiểu đơn vị thủy phân (C).

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.