Category Archives: Di truyền học

Phenotype (kiểu hình) theo quan điểm hiện đại có gì khác?

Phenotype (kiểu hình) theo quan điểm hiện đại có gì khác?

Thầy Phùng Trung Hùng giảng giải:

Các bạn có để ý khi khái niệm thay đổi thì ngữ nghĩa (semantics) của một thuật ngữ cũng thay đổi. Phenotype trong hình 1&2 có phải phản ánh quan niệm của của genetics quen thuộc với chúng ta từ khi học Mendel? có phải là khái niệm này gắn với hình ảnh hay hiện tượng? Các bạn quan sát hình 3 sẽ thấy Phenotype chẳng còn liên hệ gì đến hình ảnh hay hiện tượng bên ngoài phải không? Câu trả lời cho thấy đây là khái niệm genetics đương đại của thuật ngữ Phenotype: là tất cả các chất hiện hữu trong một tế bào tại một thời điểm biểu thị cho hoạt động của bộ gene (genotype).1 2 3

Trò chuyện Dược lý học (Phần 1) – Playlist

Trò chuyện Dược lý học (Phần 1) – Playlist

 Trò chuyện dược lý học (gồm 2 phần) là loạt bài giảng của thầy Phùng Trung Hùng về một số khái niệm mở đầu cho môn học đầy cam go này. Từ khi ra đời cho tới nay, trò chuyện dược lý học đã thu hút hơn 10.000 lượt theo dõi.

Nay tôi xin được chia sẻ lại phần 1 của loạt bài giảng này, mong rằng sẽ có ích cho các bạn!

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long – Nguyễn Thiện Luân

Có thể phòng tránh ung thư được không?

Cho đến nay, không có một giải pháp chắc chắn nào để phòng tránh ung thư. Tuy vậy, vẫn có những điều bạn có thể thực hiện để làm giảm nguy cơ mắc ung thư.

Ung thư có lây lan không?

Trong quá khứ, người ta thường giữ khoảng cách với các bệnh nhân ung thư vì họ sợ rằng bản thân có thể bị lây bệnh. Nhưng sự thật là ung thư không giống cúm hay cảm lạnh! Bạn không thể bị lây ung thư qua việc ở gần hay chạm vào cơ thể người bệnh. Bởi thế, đừng lo lắng khi tiếp xúc với một người bị ung thư và nên biết rằng họ rất cần sự hỗ trợ và động viên từ gia đình và bạn bè.

Có thể phòng tránh ung thư không?

Cho đến nay, không có một giải pháp chắc chắn nào để phòng tránh ung thư cả. Tuy vậy, vẫn có những điều bạn có thể thực hiện để làm giảm nguy cơ mắc ung thư.

Thuốc lá

Nhiều ung thư có thể được phòng tránh nếu chúng ta không hút thuốc lá.

Thuốc lá tàn phá gần như mọi cơ quan trong cơ thể con người và chiếm khoảng 30% tất cả các trường hợp tử vong do ung thư. Thuốc lá điếu, xì gà, tẩu thuốc và những sản phẩm thuốc lá nhai (không khói) đều có thể gây ung thư và không nên sử dụng. Người hay hút thuốc lá nên cố gắng từ bỏ nó! Những nghiên cứu cho thấy một cách rõ ràng là những người đã bỏ thuốc mắc ung thư ít hơn những người vẫn tiếp tục hút.

Tốt nhất là không bao giờ dùng thuốc lá và tránh xa hút thuốc lá thụ động!

Thức uống có cồn

Uống rượu cũng liên quan đến việc gia tăng nguy cơ mắc một vài loại ung thư.

Một số người nghĩ rằng có một vài loại rượu an toàn hơn các loại khác. Nhưng cồn (ethanol) là thành phần của rượu được tìm thấy trong tất cả các thức uống có cồn, dù cho chúng là bia, rượu vang hay rượu mạnh chưng cất. Nhìn tổng thể, lượng thức uống có cồn được tích lũy theo thời gian dường như mới là yếu tố quan trọng nhất làm tăng nguy cơ ung thư, chứ không phải là loại thức uống.

Nếu bạn uống rượu, hãy giới hạn lượng uống vào không quá 2 ly mỗi ngày đối với đàn ông và 1 ly mỗi ngày đối với phụ nữ. Điều này có thể giúp bạn hạn chế nguy cơ mắc ung thư.

Uống rượu và hút thuốc

Vừa sử dụng thức uống có cồn vừa hút thuốc lá làm tăng nguy cơ ung thư họng miệng, thanh quản, thực quản cao hơn nhiều so với tác động riêng lẻ của chỉ uống rượu hoặc chỉ hút thuốc lá.
 Lối sống giúp chúng ta phòng tránh ung thư

Tia tử ngoại (UV) và ánh nắng mặt trời

Bạn có thể làm giảm nguy cơ mắc ung thư da bằng cách:

– Tránh ở ngoài nắng trong khoảng thời gian từ 10 giờ sáng đến 4 giờ chiều

– Đội nón, mặc áo khoác, đeo kính mát khi hoạt động ngoài trời nắng

– Sử dụng kem chống nắng với SPF (sun protection factor, yếu tố bảo vệ da khỏi tác hại của ánh sáng mặt trời)  từ 15 trở lên bởi vì các hoạt chất trong kem chống nắng có thể “khóa” các tia tử ngoại lại, không cho chúng cơ hội tiếp xúc gây bỏng và tổn thương da (từ đó tăng nguy cơ mắc ung thư da). Kem chống nắng tốt nhất có thể “khóa” cả tia cực tím A và B (UVA, UVB). Trong đó, UVB là tia cực tím có bước sóng từ 315 đến 280 nm (gây bỏng da); UVA có bước song từ 380 đến 315 nm (gây ra các thương tổn khác và không gây bỏng da).

– Không sử dụng giường phát tia cực tím hoặc đèn mặt trời để làm sạm da

Chế độ ăn uống

Chế độ ăn uống có liên quan đến một số loại ung thư, nhưng nguyên nhân chính xác vẫn chưa được biết rõ. Tuy nhiên, một số thông tin chỉ ra rằng thực hiện chế độ ăn uống dưới đây có thể làm giảm nguy cơ ung thư:

– Ăn nhiều rau và trái cây tươi (ít nhất 2.5 chén mỗi ngày)

– Sử dụng hạt toàn phần (hạt thô) hơn là hạt tinh và đường tinh luyện

-Hạn chế thịt đỏ (bò, heo, cừu)

– Hạn chế thịt chế biến sẵn

– Ăn lượng thức ăn giúp chúng ta đạt tới và duy trì ở mức cân nặng tốt cho sức khỏe

– Hạn chế thức uống có cồn còn tối đa 1 ly mỗi ngày đối với phụ nữ và tối đa 2 ly mỗi ngày đối với đàn ông

Tiêm chủng giúp giảm nguy cơ ung thư

Chúng ta biết rằng một số ung thư có nguồn gốc từ nguyên nhân truyền nhiễm trước đó, phần lớn là do virus. Loại virus gây ung thư được biết đến nhiều là HPV, liên quan đến ung thư cổ tử cung, ung thư hậu môn, một số ung thư sinh dục, ung thư đầu và cổ. Có 2 vaccine giúp phòng ngừa nhiễm HPV, từ đó ngăn ngừa nguy cơ ung thư gây ra do HPV.
Tuy nhiên, hầu hết người trưởng thành đều đã nhiễm HPV, và vaccine chưa được chứng minh là có thể giúp những người này ngăn ngừa ung thư. Vì thế, những người trẻ chưa quan hệ tình dục có thể hạn chế nguy cơ bị ung thư trong tương lai nếu họ tiêm 1 trong 2 vaccine trước khi phơi nhiễm với virus này.
Hiệp hội ung thư Hoa Kì khuyến cáo tiêm vaccine ngừa HPV cho trẻ em gái từ 11, 12 tuổi, nhưng trẻ em cả trai và gái vẫn có thể được tiêm vaccine từ năm 9 tuổi.

Phát hiện sớm

Để phát hiện sớm ung thư (khi còn ở giai đoạn đầu và trước khi nó di căn), người trưởng thành nên làm các xét nghiệm thường quy được gọi là các xét nghiệm tầm soát. Những xét nghiệm này giúp bác sĩ phát hiện những ung thư phổ biến trước khi chúng gây ra các triệu chứng lâm sàng.
Hãy hỏi bác sĩ bạn nên làm xét nghiệm tầm soát nào. Nếu ung thư được phát hiện sớm, việc điều trị có thể dễ dàng hơn. Thời gian sống cũng kéo dài hơn ở những bệnh nhân phát hiện sớm ung thư.

Theo cancer.org (Hiệp hội Ung thư học Hoa Kỳ)

Soạn dịch và chú giải: Online Research Club

Trần Diễm Nghi (Khoa Y – ĐH Quốc gia TP.HCM), Nguyễn Phước Long (Biomedera Education), Nguyễn Hoàng Anh (Khoa Y – ĐH Quốc gia TP.HCM), Nguyễn Tiến Huy (Khoa Y- Đại học Nagasaki, Nhật Bản).

Bài của các thành viên DSYS đăng trên Motthegioi: http://motthegioi.vn/khoa-hoc-cong-nghe/bai-3-co-the-phong-tranh-ung-thu-duoc-khong-95377.html

ĐẠI CƯƠNG AMINO ACID

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

Thuộc tính hóa học tự nhiên của amino acid

Tất cả peptide và polypeptide đều được tạo nên từ quá trình trùng hợp α-amino acid. Trong đó, có 20 α-amino acid tham gia tổng hợp nên các protein của con người. Một vài amino acid khác cũng tồn tại trong cơ thể ở dạng tự do hay hợp chất nhưng không tạo thành peptide hay protein. Các amino acid không tạo protein này có những chức năng rất đặc biệt, và dĩ nhiên là các amino acid thiết yếu cũng có khả năng này. Ví dụ, tyrosine có trong thành phần hormone tuyến giáp, glutamate là một chất dẫn truyền thần kinh,…

Hình 6.1: Công thức phân tử của Alanine, Glutamine, Phenylalanine

Các α-amino acid trong peptide hay protein (ngoại trừ proline) có một nhóm –COOH và một nhóm –NH2, hai nhóm chức này cùng đính vào một nguyên tử carbon bất đối xứng có cấu trúc tứ diện, hay còn gọi là Cα. Ngoài ra, mỗi amino acid đều có một gốc R riêng biệt, chúng cũng đính vào Cα(ngoại lệ đối với glycine, gốc R của nó là một nguyên tử Hydro).

Hình 6.2: Cấu trúc hai hình thể tồn tại của glycine ở trạng thái khí. Lưu ý khả năng quay của nguyên tử nguyên tố carbone.

Những năm gần đây, Joseph Krzycki và đồng nghiệp của mình ở đại học Ohio đã khám phá ra một dẫn xuất của lysine là pyrrolysine trong một số loài sinh vật cổ, (archaeal species) như Methanosarcina barkeri chẳng hạn. Pyrrolysine và selenocysteine đều được tìm thấy trong cấu trúc tự nhiên của protein nhờ vào hoạt động của các phân tử RNA đáp ứng đặc biệt. Chính sự hiện diện 2 amino acid này trong một số protein khiến cho các nhà khoa học thắc mắc, liệu học thuyết về protein của chúng ta đã hoàn chỉnh chưa, và có bao nhiêu loại amino acid khác nữa có thể hiện diện trong protein mà chúng ta chưa phát hiện được?

Phân loại các amino acid

Người ta dựa vào gốc R để phân loại các amino acid. Nếu phân chia dựa vào tính chất của gốc R thì ta có hai nhóm amino acid, là nhóm ưa nước và nhóm kị nước.

Nhóm amino acid kị nước không hoặc khó tan trong nước, do vậy phần lớn các amino acid này sẽ nằm ở phần nội (interior) của protein. Nhóm amino acid này không ion hóa cũng như hình thành liên kết hydro.  Nhóm amino acid ưa nước có liên kết chặt chẽ với môi trường nước và thường tạo liên kết hydro với môi trường và giữa các amino acid với nhau. Do tính chất đặc biệt như vậy, các amino acid ưa nước tồn tại mở mặt ngoại của amino acid hay trong trung tâm phản ứng của các enzyme.

Hình 6.3: Cách đánh chữ cái Hy Lạp đối với các amino acid.

Liên kết peptide

Liên kết peptide được hình thành từ phản ứng polymer hóa amino acid để tạo thành peptide và protein có dạng R-CO-NH-R’. Một số hormone hay neurotransmitter, kháng sinh và tác nhân chống u (antitumor agents) có bản chất là peptide – một chuỗi ngắn gồm một số amino acid.

Xem toàn bộ bài viết tại đây.

GIẢN YẾU VỀ VAI TRÒ SINH LÝ HỌC CỦA ENZYMES

Enzyme và phản ứng xúc tác

Enzyme có vai trò xúc tác, làm tăng tốc nhiều phản ứng sinh học:

–          Nếu không có enzyme, hầu hết các phản ứng trong cơ thể sống đều sẽ diễn ra rất chậm và do vậy sự sống sẽ không thể tiếp tục.

–          Enzyme có thể làm cho phản ứng xảy ra theo nhiều giai đoạn, trong đó có phản ứng thủy phân ATP tạo năng lượng. Nhờ tính chất này, nó giúp cho các phản ứng đòi hỏi năng lượng cao vẫn có thể xảy ra được.

Hình 10.1: Phản ứng minh họa

–          Điều cần lưu ý là enzyme không mất đi trong một phản ứng sinh hóa, do vậy một enzyme có thể xúc tác phản ứng nhiều lần.

Enzyme gắn kết với các chất phản ứng đặc hiệu để xúc tác phản ứng sinh học chuyên biệt:

–          Trong quá trình phản ứng xảy ra, các cơ chất hoạt động trên “môi trường” enzyme để tạo ra sản phẩm.

–          Mỗi cơ chất gắn vào một vị trí gắn (binding site) đặc hiệu trên enzyme. Vùng hoạt động (active site) có thể ở gần hoặc trùng với vị trí gắn và có chứa các chuỗi amino acid tham gia trực tiếp trong khi phản ứng xảy ra.

–          Enzyme có tính chọn lọc (selectivity) và đặc hiệu (specificity) do có cấu trúc tương tác phù hợp với cấu trúc của cơ chất của phản ứng mà nó xúc tác tại vùng hoạt động.

Thiếu enzyme sẽ gây ra rối loạn bệnh lý:

–          Chu kì urea hay chuyển hóa glycogen là các rối loạn bẩm sinh của sự trao đổi chất. Nếu không được phát hiện sớm sau khi sinh, các rối loạn này có thể gây ra các xáo trộn chuyển hóa ở trẻ sơ sinh và thậm chí gây tử vong.

–          Thiếu hụt enzyme sẽ tạo ra sự thiếu hụt các sản phẩm chuyển hóa mà nó xúc tác do vậy có thể ức chế chuỗi phản ứng theo sau đó.

Bảng 10.1: Một số bệnh liên quan đến sự thiếu hụt enzyme.

–          Hiện tượng tích tụ cơ chất hoặc các sản phẩm chuyển hóa phụ do thiếu hụt enzyme có thể gây ra các rối loạn sinh lý trầm trọng.

–          Tất cả các rối loạn chuyển hóa bẩm sinh chỉ xảy ra rõ ràng sau khi sinh bởi vì có sự trao đổi các chất chuyển hóa giữa mẹ và bào thai trong suốt quá trình mang thai.

–          Các phương pháp chữa bệnh có liên quan đến: Chế độ ăn uống, liệu pháp gene hoặc thay tế trực tiếp enzyme thiếu hụt.

Sự phân loại enzyme

Enzyme có thể được tạo ra từ protein hoặc RNA.Hầu hết các enzyme là proteins và được phân thành 6 loại dựa vào phản ứng mà nó xúc tác. RNA có một số chức năng xúc tác các phản ứng sinh lý quan trọng thể hiện qua các enzyme có nguồn gốc RNA hay còn gọi là các ribozymes, thường có 2 loại chính:

–          Phân tử RNA trải qua sự tự phân cắt (self-splicing). Qua đó, intron bị cắt bỏ và các exon sẽ nối kết với nhau.

–          Các phân tử RNA khác không tự phân cắt có thể hoạt động trên các cơ chất khác sẽ có hoạt động xúc tác thật sự:

  • Ribonuclease P giúp tiền chất của tRNA trở thành tRNA trưởng thành.

  • 23S ribosomal RNA có vai trò quan trọng trong hoạt tính của enzyme peptidyl transferase.

Xem toàn bộ bài viết tại đây.

Thụ thể 5-HT­­2C – Béo phì và triển vọng

Thụ thể 5-HT­­2C – Béo phì và triển vọng

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

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

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

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

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

Fenfluramine Thụ thể 5 HT­­2C   Béo phì và triển vọng

Hình 2. Fenfluramine

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

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

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

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

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

Hình 3. Thụ thể 5-HT2C

II. Chức năng của  5-HT­­2C là gì ?

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

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

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

Hình 4. Cơ chế hoạt động của 5-HT2C

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

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

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

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

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

IV. Kết luận

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

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

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

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

Anh Nguyễn

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

Đại cương về nucleic acid – Nucleotide

Đại cương

Các Nu có thể được xem như một trong những sản phẩm chuyển hóa quan trọng của tế bào. Nu được tìm thấy chủ yếu như các đơn vị đơn thể bao gồm các acid nucleic chủ chốt của tế bào, RNA và DNA. Tuy nhiên, chúng được đòi hỏi cho nhiều hoạt động chức năng khác của tế bào. Ví dụ:

1.Dự trữ năng lượng để sử dụng cho phản ứng vận chuyển phosphate trong tương lai. Các phản ứng này được thực hiện chủ yếu bởi ATP.

2.Hình thành bộ phận của vài coenzym quan trọng như NAD+, NADP+, FAD và coenzym A.

3.Là yếu tố dàn xếp của nhiều quá trình nội bào quan trọng như chất truyền tin thứ 2 trong các hiện tượng chuyển nạp.Chất truyền tin thứ hai chiếm ưu thế là AMP vòng (cAMP), một dẫn xuất dạng vòng của AMP hình thành từ ATP.

4.Điều khiển nhiều phản ứng thuộc enzym qua những tác động dị lập thể trên hoạt động enzym.

5.Là trung gian hoạt hóa trong nhiều phản ứng sinh tổng hợp bao gồm  S-adenosylmethionine (S-AdoMet or SAM) liên quan đến phản ứng vận chuyển methyl cũng  như các Nu được ghép cặp với đường liên quan đến tổng hợpprotein và glycoprotein.

Cấu trúc và danh pháp Nucleoside and Nucleotide

Các Nu được tìm thấy trong tế bào là các dẫn xuất dị vòng của các hợp chất cơ bản bậc cao , purine và pyrimidine.

Bản chất kiềm hóa học của các nucleotide đã cho chúng một thuật ngữ phổ biến “base” khi chúng kết hợp với các nucleotide hiện diện trong DNA và RNA. Có năm base chủ yếu được tìm thấy trong các tế bào. Các dẫn xuất của purine được gọi là adenine và guanine, và các dẫn xuất của pyrimidine được gọi là thymine, cytosine và uracil. Các chữ viết tắt thường được sử dụng cho các base là, A, G, T, C và U.

Các base purine và pyrimidine trong các tế bào được liên kết với carbohydrate và theo hình thức này được gọi là nucleoside. Các nucleoside gắn với D-ribose hoặc 2′-deoxy-D-ribose thông qua một liên kết β-N-glycosidic giữa cacbon anomeric của ribose và N9 của purine hoặc N1 của pyrimidine.

 

Các base có thể tồn tại trong 2 định hướng riêng biệt về cầu N-glycosidic. Những cấu tạo được xác định là syn hay anti. Các cấu trúc anti chiếm ưu thế hơn trong tự nhiên.

Nucleoside được tìm thấy trong các tế bào chủ yếu ở dạng phosphoryl hóa của chúng. Chúng được gọi là nucleotide. Các vị trí phổ biến nhất của sự phosphoryl hóa các nucleotide được tìm thấy trong các tế bào là các nhóm hydroxyl thuộc carbon 5’của ribose. Các nguyên tử carbon của ribose hiện diện ở nucleotide được thiết kế với một  dấu (‘)  để phân biệt với số khung cacbon trong các base. Nucleotides có thể tồn tại ở dạng mono-, di-, tri-phosphoryl hóa .

 

Nucleotides có những chữ viết tắt khác nhau cho phép xác định dễ dàng cấu trúc và tình trạng  phosphoryl hóa. Dạng  monophosphoryl hóa của adenosine (adenosine-5′-monophosphate) được viết là AMP. Di-và tri-phosphoryl hóa tương ứng được viết là ADP và ATP, tương ứng. Việc sử dụng các chữ viết tắt chỉ ra rằng nucleotide đang trong các dạng nào của phosphoryl hóa đầu 5’. Di và tri-phosphate của nucleotide được liên kết bởi các cầu anhydric acid. Cầu nối Acid anhydrit có một ΔG0 cao cho sự thủy phân nhằm tạo điện thế cao để vận chuyển các phosphatetới các phân tử khác. Đó là thuộc tính của các nucleotide màdẫn đến sự tham gia của chúng trong các phản ứng chuyển nhóm trong tế bào.

Các nucleotide được tìm thấy trong DNA là duy nhất từ những RNA trong đó ribose tồn tại trong các hình thức 2′-deoxy và các chữ viết tắt của nucleotide có chứa một “d” . Dạng  monophosphoryl hóa của adenosine tìm thấy trong DNA (deoxyadenosine-5’-monophosphate) được viết là damp.

Uridine nucleotide không bao giờ được tìm thấy trong DNA và thymine thì hầu như chỉ tìm thấy trong DNA. Thymine được tìm thấy trong RNA vận chuyển  nhưng không có trong rRNAs và mRNA. Có một số base ít phổ biến được tìm thấy trong DNA và RNA. Base sửa đổi chính trong DNA là 5-methylcytosine. Một loạt các base sửa đổi xuất hiện trong RNA vận chuyển . Nhiều uncleotide sửa đổi được bắt gặp ở bên ngoài nội dung của DNA và RNA phục vụ các chức năng sinh học quan trọng.

 

Dẫn xuất adenosine

 

Dẫn xuất adenosine phổ biến nhất là hình thức  dạng vòng, 3′-5′-cyclic adenosine monophosphate, cAMP. Hợp chất này là một chất truyền tin thứ hai liên quan đến các hiện tượng chuyển nạp  từ bề mặt tế bào đến các protein bên trong, ví dụ protein kinase phụ thuộc cAMP-, pKa (xem hình dưới đây). PKA phosphoryl một số protein, do đó, ảnh hưởng đến hoạt động của chúng có thể tích cực hoặc tiêu cực. Cyclic-AMP cũng tham gia vào quy định các kênh ion bằng cách tương tác trực tiếp với các protein kênh, ví dụ như kích hoạt các thụ thể mùi bởi các phân tử thơm.

 

Sự hình thành cAMP xảy ra trong phản ứng để kích hoạt các thụ thể bắt cặp với adenylate cyclase. Các thụ thể này có thể có nhiều loại, ví dụ: thụ thể hormon hoặc các thụ thể mùi.

Hình 12.1: Minh họa lộ trình cAMP/PKA

Hình 12.2: Cơ chế tác dụng và vai trò của PKA.

Lộ trình đại diện cho sự kích hoạt của cAMP phụ thuộc protein kinase, PKA. Trong ví dụ này, glucagon liên kết với các thụ thể của nó trên bề mặt tế bào, do đó kích hoạt các thụ thể. Sự kích hoạt các thụ thể thì bắt cặp với sự kích hoạt của một thụ thể proteinG bắt cặp (nối GTPvà protein thủy phân ) bao gồm 3 tiểu đơn vị. Sau khi kích hoạt tiểu đơn vị α  phân ly và liên kết và kích hoạt adenylate cyclase. Adenylate cylcase sau đó chuyển đổi ATP thành AMP vòng (cAMP). cAMP do đó sản xuất sau đó liên kết với các tiểu đơn vị quản lý PKA dẫn đến phân ly của các tiểu đơn vị xúc tác liên quan. Các tiểu đơn vị xúc tác không hoạt động cho đến khi không còn phân ly các tiểu đơn vị quy định. Sau khi giải phóng tiểu đơn vị xúc tác của nhiều cơ chất phosphoryl hóa PKA bằng cách sử dụng ATP là nhà cung cấp phosphate.

 

S-adenosylmethionine là một dạng kích hoạt methionine phục vụ như là một nhà cung cấp methyl trong các phản ứng methyl hóa và là một nguồn propylamine trong quá trình tổng hợp polyamines.

Xem toàn bộ bài viết tại đây.

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

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Năm loại nucleotide tạo ra acid nucleic

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

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

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

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

Sinh học chất gian bào

Nguyễn Phước Long

Giới thiệu

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

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

Hình 23.1: Cấu trúc của proteoglycans

Collagen

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

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

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

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

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

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

 

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

Xem trọn bài viết tại đây

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.