Category Archives: Hóa sinh học

ĐẠI CƯƠNG PHÂN TỬ LIPID SINH HỌC

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

Các chức năng sinh học chính của lipids

Lipid là phân tử sinh học không tan trong dung dịch nước và tan trong các dung dịch có dung môi hữu cơ. Lipid có các vai trò sinh lý học quan trọng, trong đó có 4 chức năng chính:

–          Thành phần màng tế bào.

–          Cung cấp năng lượng dưới dạng triacylglycerols.

–          Cả lipid và dẫn xuất của lipid với vai trò là vitamins và hormone.

–          Acid mật.

Hình 15.1: Phân loại các lipid chính.

Acid béo

Có hai vai trò chính trong cơ thể:

–          Thành phần phức tạp của màng tế bào.

–          Thành phần quan trọng trong dự trữ chất béo dưới dạng triacylglycerols.

Hình 15.2: Một vài phản ứng sinh tổng hợp các acid béo. Mũi tên xanh mô tả các quá trình biến đổi xảy ra trong cơ thể.

Acid béo là phân tử hydrocarbon chuỗi dài có chứa nhóm chức carboxylic acid ở một đầu tận. Số lượng carbon trong acid béo được tính ở carbon ở nhóm chức carboxylic. Ở pH sinh lý, nhóm carboxylic ở dạng thái ion, mang điện tích âm trong dịch cơ thể.

Acid béo không có chứa nối đôi được gọi là acid béo bão hòa (no) và acid béo có chứa nối đôi được gọi là acid béo chưa bão hòa (không no). Trong trường hợp có nhiều nối đôi trong phân tử acid béo, ta gọi acid béo đó là acid béo không no có nhiều nối đôi (polyunsaturated fatty acids – PUFAs). Con số đánh dấu acid béo có nguồn gốc từ nguyên tố carbon có nối đôi. Ví dụ palmitic acid là một acid béo 16 carbon không có nối đôi, nó được kí hiệu là 16:0.

Vị trí không no trong acid béo được kí hiệu là delta và số của carbon đầu tiên tại vị trí nối đôi so với nhóm carboxyl của acid (vốn mặc định là 1). Ví dụ, palmitoleic acid là một acid béo 16 carbon và có một vị trí nối đôi giữa carbon số 9 và 10 nên được kí hiệu là16:1Δ9.

Hình 15.3: Các acid béo quan trọng

Acid béo bão hòa có ít hơn 8 carbon tồn dại dưới dạng lỏng ở nhiệt độ sinh lý còn các acid béo có nhiều hơn 10 carbon luôn ở thể rắn. Acid béo bão hòa có nhiệt độ sôi cao hơn acid béo không bão hòa.

Các acid béo quan trọng được tìm thấy trong cơ thể đều có nguồn gốc từ thức ăn. Tuy nhiên, khả năng sinh tổng hợp acid béo của cơ thể (nhờ enzyme) có thể giúp cơ thể có được nhiều loại acid béo cấu trúc cần thiết. Có hai ngoại lệ lớn là PUFAs – linoleic acid và α-linolenic acid (có nối đôi ở carbon 9 và 10). Hai acid béo này không thể được tổng hợp từ các tiền chất có trong cơ thể và do vậy được gọi là các acid béo thiết yếu (với cách hiểu là nó cần phải được cung cấp từ môi trường). Hai ngoại lệ này cũng được gọi là acid béo omega (ω). Linoleic acid là một omega-6 PUFA và α-linolenic là một omega-3 PUFA. Chức năng của các PUFA như linoleic và α-linolenic trong quá trình tổng hợp các lipid sinh học quan trọng được đề cập ở dưới đây.

Hình 15.4: Cơ chế hấp thu chất béo. Để tâm con đường đi của acid béo tự do khác với các loại khác như thế nào.

Omega-3 và -6, polyunsaturated fatty acids (PUFAs)

Thuật ngữ omega ám chỉ nguyên tố carbon tận cùng, xa nhất so với nhóm carboxyl. Do vậy khi nói một acid béo omega-3 là chỉ vị trí đầu tiên có liên kết đôi của nó. Do vậy, một omega-3 acid béo như α-linolenic acid (ALA) sẽ có ba nối đôi. Có nhiều loại omega-3 acid béo quan trọng được tiêu hóa trong thức ăn và được dùng cho cơ thể như: ALA, eicosapentaenoic acid (EPA), docosahexaenoic acid (DHA). Khi quá trình tiêu hóa xảy ra, cơ thể sẽ chuyển ALA thành EPA và DHA – hai loại omega-3 acid béo chính được sử dụng trong cơ thể và là những tiền chất chính cho quá trình điều biến tổng hợp và sử dụng lipid cho các quá trình tín hiệu tế bào, biểu hiện gene và phản ứng viêm.

Phần lớn omega-6 PUFAs đến từ thức ăn từ dầu thực vật và chứa nhiều linoleic acid. Linoleic acid được chuyển thành γ-linolenic acid (GLA) trong cơ thể. Cần phân biệt GLA với ALA. GLA được chuyển đổi thành dihomo-γ-linolenic acid (DGLA) và sau đó thành arachidonic acid.

Hình 15.5: Thành phần acetyl của lipid.

Cấu trúc cơ bản của Triacylglycerides

Triacylglycerids được cấu tạo bởi một bộ khung glycerol và 3 acid béo.

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

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

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Năm loại nucleotide tạo ra acid nucleic

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

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

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

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

Khái lược kênh ion – Sinh học phân tử tế bào

Nguyễn Văn Tiến – DSYS

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

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

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

1.png

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

2.jpg
  • Cys-loop receptor

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

2.png
  • Ionotropic glutamate receptor (iGluR)

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

5.png
  • ATP-gated channels

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

6.png
  • Kênh HCN

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

2. Voltage-gated ion channel

  • Kênh Na cảm ứng điện thể Nav

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

7.png

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

  • Kênh K+ phụ thuộc điện thế Kv

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

8.png

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

9.png

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

  • Kênh Calci phụ thuộc điện thế Cav

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

10.png

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

11.png

BẢN ĐỒ LIPID CỦA TẾ BÀO ĐỘNG VẬT CÓ VÚ

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

CHÚNG TA ĐANG Ở ĐÂU TRONG HIỂU BIẾT VỀ SINH GIỚI?

Hình 20.1: Sự “tiến hóa” từ “genomics” đến lipidomics xuyên suốt qua proteomics và metabolomics. Genomics: Bản đồ hóa toàn bộ DNA và RNA. Proteomics: Xác định, giải trình tự và phân loại chức năng của protein.Metabolomics: Phân tích toàn bộ các quá trình chuyển hóa ở các điều kiện cho sẵn. Lipidomics: Phân tích một cách có hệ thống và sự phân loại của toàn thể lipid trong cơ thể và sự tương tác của nó. TLC: thin-layer chromatography; HPLC: High-performance liquid chromatography; GC: Gas chromatography; ESI-tandem MS: Electrospray ionization-tandem mass spectroscopy; MALDI-TOF: Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-light mass spectroscopy; NMR: Nuclear magnetic resonance.

Ngày nay, khi mà công nghệ phát triển (đặc biệt là ứng dụng phổ khối và khả năng mô hình hóa của tin sinh học) người ta đã phát hiện trong tế bào sống hàng nghìn loại lipid khác nhau. Để trả lời cho câu hỏi các loại lipid này có vai trò như thế nào đối với sự sống của tế bào, người ta đã xây dựng thành một hệ thống tiếp cận hoàn chỉnh, gọi là lipid học tế bào (cellular lipidomics). Nhằm xác định được cân bằng nội môi của lipid và quá trình nhiệt động học của nó, chúng ta phải  hiểu rõ sự chuyển hóa lipid, quá trình vận chuyển chúng xuyên qua các loại màng khác nhau, các phân tử đóng vai trò sensor hay effector,… Và để đạt được tất cả những điều đó, chúng ta còn cần phải hiểu rõ tính chất vật lí của các hỗn hợp lipid, hiệu ứng hóa học của nó đến các protein lân cận cả về cấu trúc lẫn chức năng. Cuối cùng, quan trọng hơn cả là xác định cho được chuyển hóa lipid đóng vai trò quan trọng như thế nào trong hệ thống tín hiệu của tế bào, hiểu được tổng hòa các mối quan hệ giữa chúng và các thụ thể, các protein đặc biệt trên màng tế bào, các túi tiết có bản chất lipid,… Đây là cách tiếp cận sinh học một cách căn bản, lập luận từ những bằng chứng có thật và định lượng hóa chúng – nhằm mục đích cuối cùng là nhất quán với quan niệm hiện nay về sinh học: Sinh học hệ thống (systems biology).

SƠ LƯỢC VỀ SỰ HÌNH THÀNH BÀO QUAN

Hầu hết các bào quan không thể được tạo mới hoàn toàn không có kế thừa: Chúng cần thông tin trong chính bào quan.

Hình 20.2: Tỉ lệ phân bố một số lipid trong các bào quan.

Khi tế bào phân chia, nó phải sao chép các bào quan. Nói chung, tế bào thực hiện điều này bằng cách kết hợp những phân tử mới vào bào quan có sẵn, sau đó làm tăng kích thước bào quan, tiếp đến, bào quan phân chia và phân phối cho hai tế bào con. Vì vậy, mỗi tế bào con thừa hưởng 1 hệ thống màng nội bào hoàn chỉnh từ tế bào mẹ. Sự thừa hưởng này là cần thiết vì 1 tế bào không thể tạo những cấu trúc màng nội bào từ hư vô. Nếu lưới nội chất bị xóa bỏ hoàn toàn khỏi 1 tế bào, làm thế nào tế bào có thể tái tạo lại được? Những protein màng tạo nên màng của lưới nội chất và thực hiện những chức năng của lưới nội chất thực chất cũng do lưới nội chất tạo ra. Lưới nội chất mới không thể tạo ra mà không có một lưới nội chất sẵn có, hay ít nhất là một màng đặc thù chứa các bơm chuyển vị protein cần để đưa protein từ tế bào chất đi vào lưới nội chất (các protein này bao gồm cả các bơm chuyển vị đặc hiệu.) Điều này cũng đúng với ty thể và lạp thể.

Hình 20.3: Cấu trúc của các glycero-phosphate lipid.

Do đó, có lẽ thông tin cần cho việc tạo một bào quan không chỉ nằm trên đoạn DNA mã hóa protein đặc trưng của bào quan. Thông tin ít nhất ở dạng 1 phân tử protein đặc trưng tồn tại trước đó trên màng bào quan cũng rất cần thiết, và thông tin này được chuyển từ tế bào ban đầu đến các thế hệ sau dưới hình thức bào quan. Có lẽ, thông tin đó cần cho việc truyền thừa các cấu trúc dưới tế bào, trong khi những thông tin trên DNA cần cho việc truyền lại cho đời sau trình tự nucleotide và trình tự amino acid.

Tuy nhiên, như những gì được bàn luận kỹ ở chương khác, lưới nội chất hình thành một dòng các bóng màng liên tiếp được kết hợp với một bộ phận của tập hợp các protein màng lưới nội chất và nhờ đó có thành phần khác với bản thân lưới nội chất. Tương tự, màng sinh chất liên tục tạo ra vô số những loại bóng màng nhập bào chuyên biệt khác nhau. Vì thế, có 1 số bào quan có thể được tạo thành từ bào quan khác và không được truyền lại cho đời sau trong phân bào.( VD: lysosome, phức hợp Golgi, peroxisome, endosome…).

Hình 20.4: Sự đa hình và cấu dạng phân tử của một số lipids.

SỰ TỰ SẮP XẾP LIPID VÀ SỰ PHÂN PHỐI Ở CẤP ĐỘ DƯỚI TẾ BÀO

Từ vi khuẩn đến các tế bào eukaryotes đều sử dụng glycerol làm bộ khung (backbone) cho hầu hết các lipid của chúng. Những phospholipids chính của vi khuẩn là phosphatidylserine (PS), phosphatidylethanolamine (PE), phosphatidylglycerol (PG) và cardiolipin (CL) (các tế bào eukaryote cũng có các phospholipids này). PG và CL được tổng hợp và giữ lại trong ti thể. Ngoài ra, ti thể cũng có enzyme PS-decarboxylase (PSD) có chức năng tổng hợp một nữa lượng PE của tế bào. PC và PI (phosphatidylinositol) là hai loại phospholipid chính ở tế bào eukaryote.

Hình 20.5: Sự phân bố các loại lipid chính ở động vật có vú nói chung.

PC có chứa hai chuỗi acyl béo (một no và một không no) và một đầu phân cực lớn do vậy nó có cấu trúc không gian hình trụ (cylindrical shape). Như ta đã biết, entropy cao nhất khi đuôi lipid càng xa đầu ưa nước hay các phân tử nước được giải phóng tối đa khỏi thành phần này (hiệu ứng kị nước), ta cũng tìm thấy điều này ở PC. Do những thuộc tính trên, PC có tính chất linh động cao và do vậy nó tạo nên tính chất sinh học của màng sinh học. Tuy nhiêu, màng sinh học cũng có từ 5 đến 10 loại lipid khác để có thể thực hiện tốt chức năng dẫn truyền lộ trình tín hiệu và giữ cho màng luôn có tính linh động.

Hình 20.6: Dạng ion hóa của CL tại pH sinh lý. CL chỉ được ion hóa một phần ở pH này (pK2 > 8.5) và do vậy có thể “nhốt” một proton bởi khả năng tạo liên kết hydrogen với gốc sn-2 hydroxyl của khung glycerol, kết quả là gắn kết được 2 PA trong cấu trúc của CL.

Hình 20.7: Điều hòa tổng hợp cholesterol

Hầu hết PE được tìm thấy ở màng sinh học đều có hình nón (cone shaped) và do vậy không thể tự nó tạo nên cấu trúc màng lipid kép được. Tính chất này khiến PE có khả năng gắn vào các protein màng để thực hiện các quá trình hợp nhất và phân đôi tế bào (fusion – fission). Khi xảy ra các điều kiện trung hòa điện tích, (charge neutralization – điện tích của một cation bị loại bỏ bởi hiện tượng adsorption – tạo lớp chất lỏng hoặc khí trên bề mặt chất rắn) mitochondrial phospholipid cardiolipin (CL) cũng có hiện tượng tạo kết cấu lớp lipid khác kết cấu kép.

Xem 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.

Khái quát những hormone chủ yếu của động vật có xương sống

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

Tác động tại mô đích:

Hormone là từ được Starling đề xuất năm 1909 để chỉ thị cho secretin được tiết ra từ ruột và đi vào mạch máu để phân biệt với các chất chế tiết từ tế bào tuyến vào các cơ quan của cơ thể (exocrine) qua một ống tuyến. Bảng phân loại trên là cách phân chia theo vị trí hormone mà người ta đã biết cho đến nay, có thể có nhiều cách phân loại hormone. Chẳng hạn như phân chia các hormone theo cấu trúc hóa học: 1) hormone dẫn xuất từ amino acid: các hormone nhóm này có thể như dopamine, catecholamine, và thyroid hormone; (2) neuropeptides phân tử khối nhỏ: như gonadotropin-releasing hormone (GnRH), thyrotropin-releasing hormone (TRH), somatostatin, và vasopressin; (3) proteins phân tử khối lớn: như insulin, luteinizing hormone (LH), và PTH hormone loại này được sản xuất từ các tuyến nội tiết cổ điển; (4) steroid hormones: như cortisol và estrogentổng hợp từ những tiền chất có cấu trúc cơ bản từ vòng cholesterol hay còn gọi là cyclopentanoperhydrophenanthren; và (5) các chất dẫn xuất từ vitamin: như retinoids (vitamin A) và vitamin D. Một số peptide growth factors, tác động cục bộ có thể chia xẻ tác động với những hormone này. Theo một qui luật chung, các dẫn chất của amino acid tương tác với các thụ thể trên bề mặt màng bào tương. Steroids, thyroid hormones, vitamin D, và retinoids là những phân tử ưa mỡ tương tác với thụ thể hòa tan trong bào tương (cortisol) hay hiện diện trong dịch nhân (T3, estrogen).

Hình 31.1: vị trí tác động của hormone và các chất tuong tự tại thụ thể tích hợp trên màng bào tuong. Activin/MIS/BMP: activin/mullerian inhibition substance/bone morphogenic proteins; PRL:prolactin; IGF-1: insulin like growth factor-1. Lưu ý điểm chung trong hoạt động của hormones và các chất tuong tự là hướng tới một gene đích sau khi khởi động lộ trình tín hiệu (xem kỹ mô tả các lộ trình tín hiệu trong bài lộ trình tín hiệu).

Hình 31.2: vị trí tác động tại thụ thể nội bào của steroid hormone. Steroid hormone xâm nhập tế bào xuyên qua hai lớp phospholipid, gắn với thụ thể lưu hành nội bào và chịu tác động của quá trình chaperon, phức hợp SH+thụ thể gắn vào một đoạn DNA là gen mã hóa của một protein, chuyển mã tạo mRNA, dịch mã tạo thành protein đặc hiệu.

Hình 31.3: cơ chế tác động của hai loại hormone có thụ thể lưu hành nội bào. Thụ thể steroid hormone chịu quá trình chaperon trong khi thụ thể thyroid hormone & Retinoids không qua quá trình này. HSP: heat shock protein, HRE: hormone response elelment, RX: retinoid bất kỳ nào đó.

Như vậy hiệu ứng sinh học của hormone chỉ bộc lộ khi tương tác với thụ thể của nó ở mô đích, để đạt được hiệu quả này hormone và đối tác của nó (thụ thể, lộ trình tín hiệu) phải thỏa đáp những điều kiện sau:1) hormone toàn vẹn hoặc có biến đổi cấu trúc trong quá trình biểu hiện nhưng biến đổi đó không làm hormone mất tính chất gắn kết được với thụ thể, 2) thụ thể phải tiếp nhận được hormone (ligand), 3) không có đột biến bất kỳ gen mã hóa protein nào của lộ trình tín hiệu.

Điều tiết hạ đồi-tuyến yên- tuyến nội tiết ngoại vi

Hình 31.4: cơ chế phản hồi của tuyến sinh dục.

Xem toàn bộ bài viết và hình ảnh tại đây.

SINH LÝ HỌC MẠCH MÁU

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

Tổng quan

 Mạch máu tham gia điều hòa cân bằng nội môi một cách nhanh chóng (moment-to-moment) và góp phần vào các rối loạn sinh lý bệnh của tất cả các cơ quan trong cơ thể. Do vậy, việc tìm hiểu các  hoạt tính sinh học nền tảng của mạch máu sẽ giúp chúng ta hiểu được các hoạt động bình thường của các hệ cơ quan trong cơ thể, kể cả các rối loạn bệnh lý nói chung.

Hình 32.1: Cấu trúc mao mạch và tĩnh mạch. Mao mạch có lớp pericyte không liên tục và tĩnh mạch có lớp ngoài dày.

Mao mạch là mạch máu nhỏ nhất, có một lớp tế bào biểu mô và có cấu trúc phân cực với một màng đáy, sát bên các tế bào giống cơ trơn (smooth-muscle-like cell) hay còn gọi là pericytes. Không giống như các mạch máu lớn, pericytes không bao lấy toàn bộ lớp vi mạch để tạo thành vỏ bao liên tục (continuous sheath).

Tĩnh mạch và động mạch có cấu trúc gồm 3 lớp: (1) Lớp màng trong (intima) có một lớp tế bào biểu mô liên tục với các mao mạch. (2) Lớp giữa (tunica media) có một lớp tế bào cơ trơn. Lưu ý; trong tĩnh mạch, lớp giữa chỉ có một vài lớp tế bào cơ trơn. (3) Lớp ngoài (adventitia) bao gồm các chất dịch ngoại bào lỏng cùng nhiều nguyên bào sợi, dưỡng bào và các đầu tận thần kinh. Các động mạch lớn hơn có các mạng mạch riêng (vasculature); cấu trúc vasa vasorum nuôi dưỡng phần mặt ngoài của lớp giữa. Lớp ngoài của tĩnh mạch dày hơn lớp trong.

Hình 32.2: Các động mạch nhỏ có lớp giữa đáng chú ý. Động mạch lớn có lớp giữa và lớp cơ trơn bao lấy dịch ngoại bào.

Sinh học tế bào của mạch máu

Tế bào nội mô

Là loại tế bào chính của lớp trong mạch máu. Chúng có nhiều chức năng quan trọng trong sức khỏe và bệnh tật. Trong hầu hết các trường hợp, lớp nội mô là nơi tiếp xúc giữa mô và các thành phần có trong máu. Do vậy, nó điều hòa dòng phân tử và tế bào vào mô một cách có chọn lọc. Tế bào biểu mô có các kênh bán thấm chọn lọc và nó sẽ bị hủy hoại trong các trường hợp bệnh lý như xơ vữa động mạch và cao huyết áp. Tình trạng rối loạn điều hòa (dysregulation) tính bán thấm cũng có thể xảy ra trong trường hợp phù phổi và các tình trạng rò mao mạch (capillary leak).

Bảng 32.1: Chức năng của nội mô trong sức khỏe và bệnh tật. (Harrison’s principles of internal medicine 18th)

Lớp nội mô cũng tham gia các quá trình điều hòa cục bộ của dòng máu và kích thước mạch. Các chất nội sinh được tổng hợp bởi tế bào biểu mô như prostacyclin, endothelium-derived hyperpolarizing factor (yếu tố quá phân cực có nguồn gốc nội mô), NO và H2O2 có chức năng gây giãn mạch trong điều kiện sinh lý của cơ thể. Rối loạn tiết NO (chất giãn mạc phụ thuộc nội mô) sẽ gây ra hiện tượng co mạch quá mức trong nhiều tình trạng bệnh lý. Ngược lại, tế bào nội mô cũng có thể sản xuất các chất co mạch mạnh như endothelin như một “lực đối kháng” lại với các chất gây giãn mạch. Sự sản xuất quá mức ROS (các gốc oxygen tự do hoạt động) như anion O2 bởi tế bào nội mô hay tế bào cơ trơn trong bệnh lý có thể bất hoạt NO và tạo nên tình trạng stress oxi hóa.

Lớp nội mô góp phần quan trọng vào các quá trình viêm trong các cơ chế tự vệ bình thường và trong tình trạng bệnh lý. Bình thường lớp nội mô hạn chế bớt sự tiếp xúc với tế bào bạch cầu. Tuy nhiên, khi được hoạt hóa bởi các sinh vật ngoại lai, nội độc tố hay là các cytokines tiền viêm do nhiễm trùng hoặc tổn thương, tế bào nội mô sẽ“trình diện” các phân tử kết dính tế bào bạch cầu. Tùy tình trạng bệnh lý mà tế bào nội mô sẽ có ái lực với các loại bạch cầu khác nhau.

Toàn bộ các phân tử kết dính và các chemokines được tạo ra trong quá trình nhiễm khuẩn cấp huy động ưu thế các bạch cầu hạt. Tuy nhiên, trong các trường hợp bệnh lý viêm mạn tính như lao hay xơ vữa động mạch, tế bào nội mô có các phân tử kết dính ưu thế với việc huy động các bạch cầu đơn nhân hơn.

Tế bào nội mô còn điều hòa sự hình thành huyết khối (thrombosis) và cầm máu (hemostasis). Ngoài chức năng giãn mạch, NO còn có thể giới hạn quá trình hoạt hóa và kết tụ tiểu cầu. Cũng giống như NO, prostacyclin trong điều kiện bình thường không chỉ kích hoạt giãn mạch mà còn là một antagonist, ngăn cản hoạt hóa và kết tụ tiểu cầu. Thrombomodulin hiện diện ở bề mặt tế bào biểu mô có khả năng gắn với thrombin ở nồng độ thấp và ức chế quá trình đông (coagulation) bằng cách kích hoạt lộ trình tín hiệu của protein C. Do vậy, nó bất hoạt các yếu tố đông máu Va, VIIIa và chống lại sự hình thành huyết khối.

Hình 32.3: Mặt cắt ngang của thành động mạch lớn đàn hồi (large elastic artery)

Bề mặt tế bào biểu mô có chứa heparan sulfate glycosaminoglycans – một lớp chống đông máu nội sinh (endogenous antithrombotic coating) cho các mạng mạch (vasculature). Và các tế bào này cũng tham gia quá trình phân giải fibrin (fibrinolysis) và sự điều hòa của nó. Chúng trình diện các thụ thể cho plasminogen, chất hoạt hóa plasminogen (plasminogen activators) và tổng hợp các chất hoạt hóa plasminogen thuộc týp mô. Thông qua sự sản sinh các plasmin cục bộ này, tế bào nội mô có thể kiểm soát quá trình tiêu các cục máu đông mới hình thành.

Khi được hoạt hóa bởi các cytokines phản ứng viêm, nội độc tố hay angiotensin II, các tế bào nội mô tạo ra các chất ức chế chính của quá trình phân giải fibrin, plasminogen activator inhibitor 1 (PAI-1). Do vậy, trong tình trạng bệnh lý, tế bào nội mô có thể tạo huyết khối thay vì chống lại quá trình đó. Các yếu tố kích thích trong đáp ứng viêm cũng trình diện các yếu tố tiền đông máu mô mạnh, gây ra tình trạng đông máu nội mạch lan tỏa (disseminated intravascular coagulation) trong trường hợp nhiễm trùng máu (sepsis).

Tế bào nội mô cũng có vai trò trong các bệnh lý liên quan miễn dịch (immune-mediated disease), như sự phân giải tế bào nội mô chẳng hạn. Sự hiện diện của các phức hợp tương hợp mô (histocompatibility complex) ngoại lai trong kháng nguyên của tế bào nội mô ở trường hợp cấy ghép mô rắn (solid-organ allografts) có thể gây ra phản ứng đào thải. Do vậy ta thấy là tế bào nội mô cũng tham gia vào các đáp ứng miễn dịch bẩm sinh.

Các tế bào nội mô điều hòa sự tăng trưởng (growth) của các tế bào cơ trơn bên dưới. Heparan sulfate glycosaminoglycans được tạo ra bởi tế bào nội mô có thể kiểm soát quá trìnhphát triển (proliferation) của tế bào cơ trơn. Ngược lại, khi bị tổn thương, các tế bào biểu mô có thể sản sinh ra các yếu tố tăng trưởng và hóa hướng động như platelet-derived growth factor chẳng hạn để kiểm soát sự di trú và phát triển của các tế bào cơ trơn mạch máu. Các rối loạn điều hòa trong việc tạo ra các phân tử kích thích tăng trưởng này có thể khiến hình thành các mảng xơ vữa.

Tế bào cơ trơn mạch máu

Hình 32.4: Các lộ trình tín hiệu gây co cơ trơn mạch máu. Lưu ý là các agonist co mạch tương tác với GPCRs, liên quan đến lộ trình của PLC, PLD, DAG, IP3, Ca2+, PKC, p38MAPK, JNK và ERK 1/2.

Là loại tế bào chính trong mạch máu, liên quan nhiều đến các bệnh lý mạch máu. Sự co và giãn tế bào cơ trơn kiểm soát huyết áp, lưu lượng máu và áp lực hậu tải (afterload experienced) ở tâm thất trái.Trương lực vận mạch của tĩnh mạch thì bị chi phối bởi trương lực cơ trơn, nó điều hòa dung tích (capacitance) của mạng tĩnh mạch và áp lực tiền tải (preload experienced) ở cả hai tâm thất. Điều đặc biệt là, tế bào cơ trơn ở mạch máu người trưởng thành ít khi được tái tạo. Trạng thái “ngủ đông” (homeostatic quiescence) của các tếbào cơ trơn thay đổi trong các tổn thương động mạch hay hoạt hóa phản ứng viêm. Sự phát triển và di cư của các tế bào cơ trơn mạch máu có liên quan tới sự phân hóa kiểu hình (phenotype) do giảm hàm lượng protein co và tăng sản xuất các đại phân tử trong chất nền ngoại bào. Điều này gây ra hẹp động mạch (arterial stenoses) trong xơ vữa động mạch, tái cấu trúc động mạch trong cao huyết áp và đáp ứng tăng sản của động mạch bị tổn thương khi đặt stent.

Trong tuần hoàn phổi, sự di cư và phát triển của tế bào cơ trơn liên quan chặt chẽ với các bệnh mạch máu phổi xảy từ từ trong đáp ứng chống đỡ (sustained) trạng thái lưu lượng máu cao, như trong trường hợp shunts trái phải chẳng hạn. Các bệnh mạch máu phổi này là chướng ngại lớn nhất trong việc kiểm soát các bệnh nhân bị bệnh tim bẩm sinh.Hiểu biết của nhân loại về các lộ trình tín hiệu điều hòa giai đoạn “quá độ” (transition) của việc tái cấu trúc kiểu hình các tế bào cơ trơn mạch máu đang được tiếp tục tập trung nghiên cứu. Tuy nhiên, người ta đã xác định được microRNA là phân tử điều hòa mạnh mẽ quá trình này.

Cũng giống như các tế bào nội mô, tế bào cơ trơn mạch máu không chỉ đơn thuần đáp ứng lại các kích thích vận mạch hay đáp ứng viêm của các loại tế bào khác mà còn tự mình đóng vai trò đó. Ví dụ, khi nhiễm nội độc tố hoặc các kích thích tiền viêm, tế bào cơ trơn có thể sinh ra cytokines và các chất sinh viêm khác. Trong quá trình hoạt hóa phản ứng viêm, tế bào cơ trơn động mạch có thể tạo ra các mediator của prothrombotin như yếu tố mô, antifibrinolytic protein PAI-1 và các phân tử khác để điều biến sự đông máu và phân giải fibrin. Các tế bào cơ trơn cũng có thể sinh ra các yếu tố tăng trưởng theo hình thức tự tiết để “khuếch đại” các đáp ứng tăng sản trong thương tổn động mạch.

Chức năng của tế bào cơ trơn mạch máu

Tế bào cơ trơn mạch máu chi phối trương lực cơ. Những tế bào này co lại khi được kích thích bởi sự gia tăng nồng độ calcium nội bào từ dòng Calcium nhập bào (influx) và từ nguồn calcium được giải phóng trong các nguồn dự trữ nội bào.

Trong tế bào cơ trơn mạch máu, kênh calcium phụ thuộc điện thế týp L mở ra khi màng tế bào bị khử cực, nó được điều hòa bởi bơm Na+-K+-ATPase và các kênh ion như kênh Knhạy cảm với Ca2+. Sự thay đổi cục bộ nồng độ Ca2+ nội bào được gọi là Calcium sparks, có được bởi dòng Ca2+ nhập bào thông qua các kênh Ca2+ phụ thuộc điện thế và sự hoạt hóa hiệp đồng của các kênh Ca2+nhạy cảm với ryanodine trên màng SR. Calcium sparks trực tiếp làm tăng nồng độ Ca2+ nội bào và gián tiếp tăng nồng độ Ca2+ nội bào thông qua việc hoạt hóa các kênh Cl. Hơn nữa, calcium sparks làm giảm lực co cơ trơn vì hoạt hóa một lượng lớn các kênh K+ nhạy cảm với Ca2+, quá khử cực màng tế bào và do vậy giới hạn sự gia tăng nồng độ Ca2+ phụ thuộc điện thế.

Hình 32.5: Quá trình điều hòa nồng độ Ca2+ trong tế bào cơ trơn mạch máu và cơ chế co cơ phụ thuộc ATP của actomyosin (phức hợp actin, myosin và ATP)

Các agonist cũng làm tăng nồng độ Ca2+ nội bào thông qua hoạt động của phospholipase C. Lộ trình này xảy ra bởi sự thủy phân của PtdIns4,5P2, sinh ra DAG và IP3, sau đó hoạt hóa PKC kết quả là tăng nồng độ Ca2+nhập bào. Hơn nữa, IP3 vào các thụ thể đặc hiệu trên màng SR để tăng dòng Ca2+ đi vào tế bào chất từ các “vũng dự trữ Ca2+” (calcium storage pool).

Sự co các tế bào cơ trơn mạch máu được kiểm soát cơ bản bởi sự phosphoryl hóa myosin sợi nhỏ, một quá trình được điều hòa chặt chẽ bởi sự cân bằng trong hoạt động của myosin light chain kinase và myosin light chain phosphatase. Ca2+ hoạt hóa MLCK thông qua phức hợp calcium-calmodulin. Sự phosphoryl hóa MLC bởi kinase này làm tăng hoạt tính của myosin ATPase và tăng co cơ. Ngược lại, MLC phosphatase dephosphoryl hóa MLC, làm giảm hoạt tính của ATPase và lực co cơ. Sự phosphoryl hóa tiểu đơn vị gắn myosin (Thr695) của MLCP bởi Rho kinase sẽ ức chế hoạt tính của phosphatase và giảm sự nhạy cảm với Ca2+ của các thành phần co cơ. Rho kinase tự hoạt hóa nó bởi GTPase RhoA nhỏ (phân tử này được hoạt hóa bởi các yếu tố chuyển đổi guanosine và bị bất hoạt bởi các protein hoạt hóa GTPase).

Cả cAMP và cGMP đều “giải phóng” tế bào cơ trơn bởi các cơ chế phức tạp. β agonist hoạt động thông qua GPCR hoạt hóa AC để chuyển ATP thành cAMP; NO hoạt động trực tiếp còn các peptide lợi niệu nhĩ hoạt độngn thông qua GPCR để hoạt hóa GC và chuyển GTP thành cGMP. Những tác nhân này sau đó sẽ hoạt hóa PKA và PKG để bất hoạt MLCK và làm giảm trương lực cơ. Hơn nữa, PKG có thể tương tác trực tiếp với các tiểu đơn vị cơ chất gắn myosin của MLCP, tăng hoạt tính phosphatase và giảm trương lực cơ. Còn một số cơ chế điều hòa liên quan đến hoạt động của RhoA, cGMP kinase, IP3, phospholamban,… sẽ được đề cập ở chương lộ trình tín hiệu.

Sự kiểm soát trương lực cơ trơn mạch máu

Hình 32.6: Sự kiểm soát trương lực cơ của tế bào nội mô. Tế bào nội mô tổng hợp sau đó tiết NO, EDHF, PGI2 (các yếu tố giãn cơ) và Angiotensin II, ET-1 (các yếu tố co cơ)

Trương lực cơ trơn mạch máu được kiểm soát bởi hệ thần kinh tự động và bởi tế bào nội mô. Các neuron tự động đi vào lớp giữa của mạch máu từ lớp ngoài và điều biến (modulate) trương lực tế bào cơ trơn thông qua các thụ cảm áp suất (baroreceptor) và thụ cảm hóa(chemoreceptor) ở cung động mạch chủ, thân động mạch cảnh và các thụ cảm nhiệt ở da. Các thành phần điều hòa bao gồm các cung phản xạ nhanh được điều hòa bởi các đáp ứng với tín hiệu cảm giác và xúc cảm. 3 loại điều hòa thần kinh tự động của trương lực cơ là:

–          Trực giao cảm (sympathetic): Các neurotransmitter như epinephrine và norepinephrine.

–          Đối giao cảm (parasympathetic): Các neurotransmitter như acetylcholine.

–          Nhóm phân tử nonadrenergic/noncholinergic bao gồm hai phân nhóm:

o   Nitrergic: Neurotransmitter là NO.

o   Peptidergic: Neurotransmitter là chất P, vasoactive intestinal peptide, calcitoningene-related peptide và ATP.

Mỗi neurotransmitter hoạt động thông qua thụ thể đặc hiệu của nó trên tế bào cơ trơn để điều biến dòng Ca2+ nội bào và trương lực cơ.

Norepinephrine hoạt hóa thụ thể α, epinephrine hoạt hóa thụ thể α và β; trong hầu hết mạch máu, norepinephrine hoạt hóa thụ thể α1 hậu khớp nối (postjuntion) ở các động mạch lớn và α2 trong các động mạch nhỏ và tiểu động mạch, gây co cơ.

Hầu hết các mạch máu đều có thụ thể β2 trên tế bào cơ trơn và đáp ứng với các β agonist gây giãn mạch phụ thuộc cAMP.

Acetylcholine được giải phóng từ các neuron trực giao cảm gắn kết với các thụ thể hướng chuyển hóa (có 5 týp M1 – M5) trên tế bào cơ trơn mạch máu để gây ra sự giãn mạch. Hơn nữa, NO hoạt hóa các thụ thể tiền synapse để giải phóng acetylcholine, sau đó Ach hoạt hóa việc giải phóng NO từ các tế bào nội mô.

Các neuron nitrergic giải phóng NO bởi nNOS gây giãn cơ thông qua lộ trình cGMP và một số cơ chế khác. Các peptidergic neurotransmitter đều là các chất giãn mạch, hoạt động trực tiếp hay gián tiếp thông qua NO để làm giảm trương lực cơ.

Tế bào nội mô điều biến trương lực cơ trơn mạch máu bằng các chất tác hiệu trực tiếp như NO, prostacyclin, H2S và các yếu tố quá phân cực có nguồn gốc nội mô. Tất cả các chất tác hiệu này đều là chất giãn mạch và endothelin, angiotensin II có chức năng gây co mạch. Tế bào nội mô phóng thích các chất tác hiệu này khi bị kích hoạt bởi các yếu tố cơ học (đứt mạch máu, căng thẳng kéo dài,…) và các mediator hóa sinh học (purinergic agonist, muscarinic agonist, peptidergic agonist). Các mediator này hoạt động thông qua các thụ thể đặc hiệu trên tế bào nội mô.

Sự tái tạo mạch máu

Hình 32.7: Sơ đồ mô tả quá trình hình thành mạch máu phôi thai (vasculogenesis) và sự tái tạo mạch máu (angiogenesis). Các yếu tố tái tạo mạch của từng giai đoạn cũng được mô tả.

Sự tăng trưởng của các mạch máu mới đáp ứng lại các tình trạng thiếu oxy máu mạn (chronic hypoxemia) và thiếu máu mô. Các yếu tố tăng trưởng như VEGF và FGF (fibroblast growth factor) hoạt hóa các lộ trình tín hiệu để kích hoạt sự tăng sinh mạch máu và sự hình thành cấu trúc ống. Sự phát triển của hệ thống mạch bàng hệ (collateral vascular networks) trong tình trạng thiếu máu cục bộ cơ tim (ischemic myocardium) cho thấy quá trình này có thể là kết quả của hiện tượng hoạt hóa có chọn lọc các tế bào gốc của tế bào nội mô (endothelial progenitor cell). Sự tái tạo mạch máu thật sự phải tạo các mạch máu có đủ 3 lớp thường không xảy ra ở hệ tim mạch của người trưởng thành.

Hình 32.8: Cơ chế khác nhau của HIF-1α và HIF-2α trong sự phát triển của mạch máu.

Sự kiện tăng sinh mạch máu hay tái cấu trúc ở người trưởng thành không bao giờ có đủ 3 lớp như trạng thái ban đầu cho thấy tái cấu trúc hay tăng sinh không thể tái tạo mạch máu hoàn hảo và luôn là tiền đề của mọi sự rối loạn ở mô tân tạo. Các phần mạch máu tân tạo cũng không có sự biểu hiện bình thường của các protein thiết yếu như thụ thể và kênh ion điều này cho thấy sác lộ trình tín hiệu bình thường cũng như đáp ứng với thuốc có thể hoàn toàn sai lạc. Trong điều kiện đó lực ma sát (shear force) tác động lên thành mạch thường không có tác động dãn mạch vì sự biểu hiện kém của eNOS (endothelial nitric oxide synthetase) & iNOS (inducible Nitric Oxide Synthetase) cũng như EDHF (endothelial derived hyperpolarization factor), lực ma sát lúc đó thành một yếu tố phá hoại. Mặt khác, Angiotensin II có thể hoạt hóa men MAPK (mitogen activating protein kinase) tạo ra những protein bất thường như Fibronectin, Tenescin xâm lấn vào tổ chức cơ trơn tạo nên sự tái cấu trúc sai lạc, điều này giúp giải thích vai trò tối ưu của các thuốc ức chế ACE trong tác dộng chống tái cấu trúc sai lệch, ưu điểm mà các nhóm thuốc khác không thể có được kể cả thuốc ức chế thụ thể AT1.

Thiếu máu cục bộ mãn tính hoạt hóa HIF1α & HIF2α (hypoxia induced factor) cục bộ gây ra sự tập hợp và biệt hóa của EPC (endothelial progenitor cell)cũng như tế bào myeloid CD45+ hình thành mạng lưới mạch máu sơ cấp để hình thành vascular bedcũng bị khiếm khuyết do đó ở cấp độ vascular bed sự tái tạo cũng không hoàn hảo đưa đến tắc mạch điều này giải thích vì sao sự tái cấu trúc hay kèm theo với hiện tượng đông máu cục bộ.

Có thể tóm tắt 2 điểm quan trọng mà người ta biết được từ khảo sát sinh học mạch máu:

1.      Mạch máu của phần thân trên có diện tích rộng tiếp xúc với các tế bào di trú có nguồn gốc từ neural crest (mào thần kinh), mạch máu tại phần thân trên có tác động như một rào chắn sự di trú của các tế bào của mào thần kinh (neural crest – barriers to crest cell migration) do đó có sự biểu hiện protein tích hợp màng tương đối khác với mạch máu phần thân dưới; sự di trú của tế bào từ neural crest lên phía nội sọ không có khoảng không gian đủ và nhất là không tiếp xúc với môi trường chất nền ngoại bào (extracellular matrix) đặc biệt là ở mô thần kinh nên có sự biệt hóa khác biệt với mạch máu phần thân dưới. Chính sự tiếp xúc với ECM đã làm cho mạch máu nội sọ và mạch máu ngoại sọ phản ứng hoàn toàn khác nhau với những thuốc “giãn mạch máu não”, thật vậy những thuốc giãn mạch máu mà người ta đã tưởng chỉ làm giãn mạch máu ngoại sọ. Mạch máu phần thân dưới đáp ứng mạnh và ưu thế với hệ thần kinh tự động trong khi mạch máu phần thân trên nhất là mạch máu nội sọ đáp ứng với nhiều yếu tố vận mạch hơn đặc biệt là phản ứng với pCO2 cao. Hệ thống mạch máu của thận vị là hệ thống đáp ứng đa dạng nhất với các yếu tố điều chỉnh gần như là một ngoại lệ của toàn thể hệ thống mạch máu.

2.      Những mạch máu tân tạo không bao giờ hoàn chỉnh và luôn là tiền đề cho những rối loạn chức năng phức tạp tỷ lệ tái cấu trúc mạch máu càng cao thì sự đáp ứng với thuốc càng không thể tiên liệu được tác động.

Xem bài viết gốc tại đây.

Nitric oxide và cơ thể sinh học

Tổng quan về Nitric oxide

cPhùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

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

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

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

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

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

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

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

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

Cơ chế hình thành NO

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

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

Các yếu tố (factors)tín hiệu RNS

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

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

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

Xem thêm bài viết hoàn chỉnh 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.