Category Archives: Sinh lý học

Giảm phản xạ (bất thường) – Hyporeflexia/delayed ankle jerks (Woltman’s sign)

I. Mô tả triệu chứng

Phản xạ chậm hơn bình thường hay bị trì hoãn (delayed), đặc biệt là trong pha nghỉ muộn (slow relaxation phase) của một chu kì phản xạ.

II. Tình trạng đi kèm

–         Nhược giáp

–         Tổn thương đa thần kinh (multiple neurological conditions, xem thêm chương 5)

–         Anorexia nervosa

–         Một thời kì tuổi tác nhất định (advanced age)

–         Thuốc (đặc biệt là nhóm β-blockers)

–         Thân nhiệt hạ (hypothermia)

III. Cơ chế

Như ta đã biết, calcium, ATP và các thành phần liên quan tới nó (như myosin ATPase chẳng hạn) đóng vai trò quan trọng trong hiện tượng co cơ.

Trong nhược giáp, giảm phản xạ được cho là liên quan tới hiện tượng giảm nồng độ myosin ATPase trong tế bào cơ khiến quá trình co cơ bị trì hoãn. Ngoài ra, sự co và nghỉ cơ cũng bị ảnh hưởng do quá trình tái phân bố calcium trong lưới nội chất (cả ER và SR đối với cơ tim) bị trì hoãn.

 (Nguyễn Phước Long dịch và chú giải)

TỔNG QUAN MỘT VÀI PHẢN ỨNG OXI HÓA – KHỬ TRONG HỆ THỐNG SỐNG

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

 http://classes.midlandstech.com/carterp/Courses/bio225/chap05/05-13_KrebsCycle_1.jpg

Hình 4.1: Chu trình Krebs. Ở đây lưu ý sự hình thành NADH ở bước 1, 3, 4 và 8 (hình phải).

Một lượng lớn NADH được tạo ra từ chu trình Krebs trong ti thể như đã trình bày ở hình trên sẽ trở thành năng lượng cho quá trình sinh ATP (do ATP synthase xúc tác) và các phản ứng phosphoryl hóa oxy hóa. Vậy, cơ chế phản ứng cụ thể của quá trình quan trọng trên là gì, nó diễn ra như thế nào và các yếu tố chi phối chính tác động ra sao? Để trả lời các câu hỏi trên, ta hãy cùng tìm hiểu rõ hơn về bản chất của phản ứng oxi hóa – khử, một phản ứng vô cùng quan trọng của sinh giới.

Nguyên lý cơ bản của phản ứng oxi hóa – khử

Phản ứng oxi hóa – khử là sự chuyển electrón từ một thành phần hóa học này sang một thành phần hóa học khác. Thành phần oxi hóa và thành phần khử luôn đi chung với nhau một cách bắt buộc và chúng tạo thành 2 bán phản ứng mà khi gộp lại, chúng ta được một phản ứng hoàn chỉnh.Các tính chất cơ bản sẽ được trình bày ở đây với mục đích nền tảng để tiếp cận sâu hơn về mặt sinh học, để có thể hiểu chi tiết hơn, các bạn có thể tham khảo các quyển chuyên khảo hóa học.

http://library.thinkquest.org/10429/media/redox/equa1.gif http://academic.pgcc.edu/~kroberts/Lecture/Chapter%205/05-02_RedoxReactions_L.jpg

Hình 4.2: Trong phản ứng ở hình tển trên, Fe cho 2 electron để tạo thành Fe2+, nó là chất khử và quá trình cho electron gọi là sự oxi hóa. Cu2+ nhận 2 electron để tạo thành Cu, nó là chất oxi hóa và quá trình nhận electron gọi là sự khử. Hình dưới mô tả tính tổng quát của phản ứng.

Một vài tính chất cần lưu ý:

–          Có chất cho electron thì phải có chất nhận electron.

–          Một phản ứng oxi hóa – khử phải cân bằng cả về hiệu số phân tử và cả số electron cho nhận. Hay nói cách khác, cho bao nhiêu thì nhận bấy nhiêu, không thừa – không thiếu.

–          Phản ứng oxi hóa – khử luôn tuân thủ các nguyên lý nhiệt động học.

Một phản ứng ví dụ hay gặp trong các quá trình sinh học là phản ứng sau của NAD+/NADH, trong đó NAD+ ở dạng oxi hóa (có khả năng nhận electron) còn NADH ở dạng khử (có khả năng cho electron):

Thế nhiệt động học của phản ứng này được tính dựa vào hằng số cân bằng và sự tương quan giữa nồng độ của các phần tử phản ứng và sản phẩm tạo thành. Lưu ý rằng chúng ta không thể tính trực tiếp nồng độ của electron một cách trực tiếp, do vậy trong thực hành chúng ta tính toán các con số dựa vào thế điện cực của mỗi bán phản ứng ở điều kiện cơ thể sống (E) so với điều kiện chuẩn (Eo).Nếu pH = 7 (pH trung tính, chuẩn), chúng ta sẽ có đại lượng thế điện cực sinh học chuẩn, kí hiệu là Eo’. Phương trình liên quan giữa Eo’ và năng lượng tự do Gibbs được minh họa theo phương trình sau:

Đọc toàn bộ bài viết tại đây.

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 luận về Carbonic anhydrase

ENZYME CARBONIC ANHYDRASE

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

I. CARBONIC ANHYDRASE

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Có nhiều dạng CA trong tự nhiên.

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

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

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

[IMG]
Diatoms

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

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

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

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

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

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

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

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

II. CARBONIC ANHYDRASE INHIBITORS

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

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

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

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

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

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

[IMG]

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

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

Vai trò của Carbonic anhydrase inhibitor trên lâm sàng:

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

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

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

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

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

[IMG]

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

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

ĐỘC TÍNH

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

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

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

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

CHỐNG CHỈ ĐỊNH

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

Hormone kiểm soát sự chuyển hóa Calcium & Phosphate

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Xem toàn bộ bài viết tại đây.

ĐẠI CƯƠNG SẮT VÀ HEMOGLOBIN

Phùng Trung Hùng – Nguyễn Phước Long

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

Giới thiệu

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

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

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

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

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

Chuyển hóa sắt

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

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

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

Hình 19.4: Cấu trúc của Heme

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

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

Hình 19.5: Chu trình của Transferrin trong tế bào

Xem toàn bộ bài viết tại đây.

Sinh lý học vitamins và khoáng chất

Phùng Trung Hùng – Lê Minh Châu – Nguyễn Phước Long

Vitamin là những phân tử hữu cơ đóng vai trò rất quan trọng đối với cơ thể chúng ta. Trong đó,  chức năng cofactor (co-enzyme) trong phản ứng enzyme là quan trọng nhất. Các vitamin chỉ được cung cấp bởi thức ăn hằng ngày chứ không được cơ thể tổng hợp và được chia làm 2 loại: tan trong nước và tan trong dầu.

Chất khoáng rất quan trọng trong các phản ứng sinh hóa của cơ thể. Có 2 loại chất khoáng: nguyên tố đa lượng và nguyên tố vi lượng. Nguyên tố đa lượng gồm: sodium, magnesium, phosphorus, sulfur, chlorine potassium và calcium. Nguyên tố vi lượng gồm: các nguyên tố cần thiết cho cơ thể  (manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, selenium, molybdenum và iodine) và các nguyên tố không thiết yếu (boron, chromium, fluoride và silicon)

Thiamin

Hình 17.1: Cấu trúc của thiamin. Đây là vitamin được phát hiện đầu tiên.

Còn được gọi là thiamine hay vitamin B1. Thiamin được tạo từ 1 phân tử dẫn xuất của pyrimidine nối với 1 phân tử thiazole bằng cầu nối methylene. Ở não và gan dưới tác động của enzyme thiamin diphosphotransferase, thiamin nhanh chóng chuyển thành dạng hoạt động (thiamin pyrophosphate, TPP).

Thiamin pyrophosphophate

TPP là cofactor của enzyme tham gia xúc tác phản ứng trong chu trình TCA hay xúc tác các phản ứng transketolase trong con đường pentose phosphate(pyruvate dehydrogenase (PDH) và α-ketoglutarate dehydrogenase. Chính vì vai trò này mà khi thiếu thiamin, tế bào sẽ giảm khả năng tạo ra năng lượng.

Hình 17.2: Cơ chế chuyển hóa kị khí.

Lượng thiamin đưa vào cơ thể dao động trong khoảng từ 1-1.5 mg/ngày ở người lớn. Dù vậy lượng thiamin này cần cân đối với lượng calo đưa vào (đối với khẩu phần ăn chứa nhiều carbohydrate thì cần phải tăng lượng thiamin cần được đưa vào).

Hình 17.3: Quá trình tổng hợp TPP.

Hình 17.4: Nitrogen tích điện dương trên vòng thiazole của TPP sẽ giúp phản ứng decarboxyl xảy ra, tạo thành hydroxyethyl-TPP.

Trong quá trình phân hóa carbohydrate không có oxygen, pyruvic acid được tạo ra rồi sau đó bị khử thành lactic acid khi tế bào cơ hoạt động. Khi lactic acid vào thể dịch, nó sẽ được oxy hóa bởi oxygen để trở thành lại pyruvic acid; phân tử này được tích lũy trong cơ thể và sau đó được chuyển đổi thành AcetylCoA (dưới sự xúc tác của TPP/cocarboxylase pyruvate carboxylase, Co A, NAD nicotinamide adenine dinucleotide và lipoic acid).

Các biểu hiện lâm sàng của thiếu hụt thiamin

Các triệu chứng sớm là: Táo bón, giảm ngon miệng, buồn nôn, trầm cảm, bệnh lý thần kinh ngoại biên và mệt mỏi. Thiếu thiamin mạn đưa đến những triệu chứng nghiêm trọng hơn đối với thần kinh như: ataxia, rối loạn tâm thần, mất khả năng phối hợp mắt (loss of eye coordination). Thiếu thiamin lâu ngày có thế làm xuất hiện các triệu chứng lâm sàng có liên quan đến khiếm khuyết ở hệ tim mạch và hệ cơ.

Beriberi là bệnh thiếu thiamin trầm trọng nhất, do chế độ ăn nhiều carbohydrate nhưng lại thiếu thiamin. Ngoài ra thiếu thiamin còn gây hội chứng Wernicle-Korsakoff, thường thấy ở những bệnh nhân nghiện rượu lâu năm do chế độ ăn nghèo dinh dưỡng. Hội chứng Wernicle-Korsakoffgồm: “wet brain” và sau đó là suy giảm trí nhớ ngắn hạn. Những bệnh nhân mắc hội chứng Wernicle-Korsakoff thường có bất thường về chuyển hóa ngay từ lúc mới sinh và hội chứng chỉ xảy ra khi chế độ ăn thiếu cân bằng thiamin. Người ta nghĩ rằng những người này thường có bất thường về enzyme transketolase.  Mặc dù đã có rất nhiều enzyme transketolase được nghĩ là liên quan đến hội chứngWernicle-Korsakoff nhưng hiện nay vẫn chưa có đột biến nào được tìm thấy trên các gene mã hóa enzyme được dòng hóa từ những cha mẹ có hội chứng này.

 

 

Riboflavin

Riboflavin tạo nên các coenzyme: flavin mononucleotide (FMN) và flavin adenine dinucleotide (FAD). Riboflavin tổng hợp 2 cofactor này theo 2 bước. FMN được tổng hợp từ riboflavin thông qua enzyme riboflavin kinase phụ thuộc ATP (RFK). RFK đưa nhóm phosphate đến kết hợp với đầu tận hydroxyl của riboflavin và chuyển thành FAD khi có mặt AMP (được tạo ra từ ATP) thông qua hoạt động của FAD pyrophosphorylase (hay còn được gọi là FMN adenylyltransferase, FMNAT).

Hình 17.5: Mối liên quan giữa RF, FMN và FAD.

Các flavoprotein là những enzyme cần đến FMN và FAD. Vài enzyme này có ion kim loại nên được gọi là metalloflavoprotein. Cả 2 loại enzyme đều có trong các phản ứng oxi hóa khử (ví dụ: succinate dehydrogenase và xanthine oxidase).  Khi phản ứng xảy ra, FMNH2 và FADH2 được tạo thành. FADH2 có hydrogen ở nitrogen 1 và 5. Một ngày, một người lớn cần 1,2 đến 1,7 mg riboflavin

Triệu chứng lâm sàng của thiếu Flavin

Thiếu riboflavin rất hiếm ở Mĩ vì chế độ ăn nhiều trứng, sữa, thịt và ngũ cốc. Thiếu hụt Riboflavin chỉ gặp ở những người nghiện rượu lâu năm do chế độ ăn thiếu dinh dưỡng hằng ngày của họ.

Các triệu chứng của thiếu riboflavin: ngứa và đỏ mắt, viêm khóe miệng và nứt môi (môi và miệng xuất hiện các vết nứt và đau), mắt đỏ, viêm lưỡi (viêm làm lưỡi có màu tím), tăng tiết bã nhờn (gàu và vẩy xuất hiện ở da đầu và mặt), run, uể oải và sợ ánh sáng. Riboflavin phân hủy khi gặp ánh sáng do vậy các trẻ sơ sinh bị tăng bilirubin trong máu được điều trị bằng liệu pháp ánh sáng dễ bị thiếu hụt riboflavin.

Hình 17.6: Flavin coenzyme có thể thamg gia phản ứng oxi hóa – khử 1 hay 2 electron để tạo thành gốc tự do flavin trung gian.

Niacin

Còn được gọi là vitamin B3, được tạo nên bởi nicotinic acid và nicotinamide. Niacin cần thiết để tổng hợp nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) và nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP+) – 2 dạng hoạt động của vitamin B3. NAD+ và NADP+ đều là cofactor của nhiều enzyme dehydrogenase như lactate dehydrogenase và malate dehydrogenase.

Xét về bản chất Niacin không được xem là vitamin thật sự vì niacin có thể được tạo từ amino acid tryptophan.  Mặc dù vậy, khả năng tổng hợp niacin của tryptophan rất kém (để tổng hợp được 1 mg niacin cần đến 60 mg tryptophan) và để tổng hợp được niacin từ tryptophan còn cần các vitamin B1, B, B6Mỗi ngày, một người lớn cần được cung cấp 13 đến 19 NE (niacin equivalent), 1 NE tương đương với 1 mg niacin tự do.

Những triệu chứng lâm sàng của thiếu niacin và nicotic acid

Khẩu phần ăn thiếu niacin hay tryptophan có thể dẫn đến các hậu quả sau: viêm lưỡi (lưỡi trở nên tím), viêm da, sụt cân, tiêu chảy, trầm cảm và mất trí. Pellagra là bệnh bao gồm các triệu chứng nặng của thiếu niacin như là trầm cảm, viêm da, tiêu chảy. Ngoài khẩu phần ăn, một số tình trạng sinh lí (như mắc bệnh Hartnup) hay đang dùng thuốc  Isonazid (dạng hydrazide của isonicotinic acid) để điều trị bệnh lao cũng có thể dẫn đến tình trạng thiếu hụt niacin. Trong bệnh Hartnup, khả năng hấp thu tryptophan của cơ thể bị suy giảm và trong malignant carcinoid syndrome,  quá trình chuyển hóa tryptophan bị thay đổi do serotonin được tổng hợp quá nhiều.

Nicotinic acid (không phải nicotinamide),khi dùng ở liều 2-4g/ngày có thể làm hạ nồng độ cholesterol trong bào tương và được dùng trong điều trị bệnh cholesterol trong máu cao. Cơ chế của việc này là, ở liều lượng như trên, nicotinic acid làm giảm sự huy động acid béo từ mô mỡ cũng như giải phóng glycogen và mỡ dự trữ trong cơ vân và cơ tim. Sự tạo uric acid luôn đi kèm với việc tăng glucose trong máu vì vậy không dùng nicotinic acid cho người béo phì có đái tháo đường và người bị bệnh gout.

Pantothenic acid

Hình 17.7: Cấu trúc của Pantothenic acid.

Còn được gọi là vitamin B5. Pantothenic acid được tạo thành từ β-alanine và acid pantoic. Quá trình tổng hợp coenzyme A từ pantothenate trải qua 5 giai đoạn. Dưới tác động của pantothenate kinase, nhóm hydroxyl của pantothenateđược phosphoryl hóa và nhóm sulfhydryl phản ứng của cysteine được thêm vào nhờ vào hoạt động của phosphopantothenoylcystein synthase. Sau 3 phản ứng nữa, phân tử được khử carboxyl và ADP được thêm vào để tạo nên coenzyme A hoàn chỉnh về chức năng.

Pantothenate cần cho quá trình tổng hợp coenzyme A – CoA và cũng là thành phần câu tạo nên protein vận chuyển nhóm acyl (acyl carrier protein – ACP) của quá trình tổng hợp acid béo. Vì vậy, pantothenate cần cho quá trình chuyển hóa của carbohydrate trong qua chu trình TCA. Ít nhất 70 enzyme cần CoA hay ACP cho hoạt động của chúng.

Tình trạng thiếu hụt pantothenic acid rất hiếm gặp vì chúng có trong ngũ cốc nguyên chất, đậu và thịt. Rất khó phát hiện các tình trạng thiếu hụt pantothenic acid vì tình trạng có các triệu chứng rất giống triệu chứng thiếu hụt các vitamin B khác như là đau rát bàn chân, biến dạng da, chậm phát triển, chóng mặt, rối loạn tiêu hóa, nôn, bồn chồn, chuột rút.

Vitamin B6

Chất khoáng

Calcium: cần cho quá trình khoáng hóa xương, chức năng tim mạch, chức năng của hệ tiêu hóa co cơ và đông máu. Biểu hiện và chức năng của Ca2+ sẽ được đề cập rõ ràng hơn ở các chương khác.

Chlorine (hay chloride ion): quan trọng trong việc duy trì chức năng của các bơm tế bào và được dùng để tạo HCl trong dạ dày.

Sắt: mặc dù là nguyên tố vi lượng nhưng chúng có vai trò rất quan trọng trong việc vận chuyển oxygen. Sắt là trung tâm chức năng của hem và vai trò của sắt là gắn oxi phân tử vào heme của hemoglobin để vận chuyển oxi từ phổi đến mô.

Magnesium: cần cho quá trình khoáng hóa xương và cần để ATP có thể hoạt động. Tất cả ATP trong tế bào đều có magnesium bám vào phosphate, phức hợp magnesium-ATP này giúp cho ATP có thể dễ dàng tách đầu tận phosphate (γ-phosphate) trong quá trình cung cấp năng lượng trong chuyển hóa tế bào. Cơ chế điều hòa nồng độ của Magnesium sẽ được thảo luận ở một chương riêng.

Phosphorus:là chất điện phân hệ thống quan trọng nhất, có vai trò như chất đệm trong máu dưới dạng phosphate ion PO43–. Phosphate cũng cần cho quá trình khoáng hóa xương và sử dụng năng lượng.

Potassium:là chất điện phân tuần hoàn chủ chốt trong quá trình điều hòa kênh Na+ phụ thuộc ATP, kênh này còn được gọi là Na+/K+-ATPases và chức năng cính của nó là dẫn truyền xung thần kinh trong não.

Sodium: cũng là chất điện phân tuần hoàn chủ chốt trong quá trình điều hòa kênh Na+ phụ thuộc ATP, kênh này còn được gọi là Na+/K+-ATPases và chức năng cính của nó là dẫn truyền xung thần kinh trong não.

Sulfur: có chức năng chính trong chuyển hóa amino acid nhưng cũng cần để điều chỉnh phức hợp carbohydrate có trong protein và lipid . Mặc dù vậy ở chức năng sau, sulfur có thể trở thành amino acid methionine

Nguyên tố vi lượng có chức năng chủ yếu là làm cofactor hay điều hòa chức năng của enzyme. Từ vi lượng nói lên rằng các chất khoáng này có thể tác động lên cơ thể dù có liều lượng rất nhỏ.

Đồng: quan trọng trong quá trình tạo máu, tổng hợp hemoglobin và tạo xương. Đồng còn có khả năng tạo năng lượng, chữa lành vết thương, đóng vai trò trong việc tạo vị giác, và góp phần tạo nên màu tóc và da. Đồng cũng tham gia vào sự tạo thành collagen (protein nhiều nhất trong cơ thể) nên đồng rất quan trọng trong việt tạo da, xương và mô liên kết

Iodine:cần cho quá trình tổng hợp hormone tuyến giáp vì vậy chúng đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa chuyển hóa năng lượng thông qua chức năng của tuyến giáp

Manganese: tham gia vào phản ứng chuyển hóa protein và chất béo, giúp cho hệ thần kinh khở mạnh, cần thiết cho chức năng tiêu hóa, tăng trưởng xương, chức năng miễn dịch. Ngoài ra manganese còn cần thiết cho chức năng của super oxide dismutase – SOD, enzyme cần cho quá trình ngăn chặn super oxide anions phá hủy tế bào.

Molybdenum” có vai trò chủ yếu là làm cofactor cho vài oxidase như xanthine oxidase (trong quá trình chuyển hóa purine nucleotide catabolism), aldehyde oxidase và sulfite oxidase.

Selenium:có vai trò điểu chỉnh hoạt động của  glutathione peroxidasethông qua sự gắn kết của nó vào protein để tạo selenocysteine.

Kẽm: là cofactor của hơn 300 enzyme khác nhau. Kẽm tương tác với insulin nên chúng vai trò rất quan trọng trong quá trình điều hòa lượng glucose trong máu thông qua hoạt động của insulin. Kẽm cũng thúc đẩy quá trình lành vết thương, điều hòa chức năng miễn dịch, là cofactor của các enzyme chống oxy hóa và rất cần thiết cho quá trình tổng hợp protein và tạo collagen.

Xem toàn bộ bài viết tại đây.

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 lý học tế bào


Nguyễn Phước Long – Lê Minh Châu

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

Hình 21.1: Tế bào và các bào quan.

Màng tế bào

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ti thể

 

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

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

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

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

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

Lysosomes

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

 

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

Clinical Box 1:

 

“Bệnh liên quan đến lysosome

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

 

Peroxisomes

 

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

Khung xương tế bào (cytoskeleton)

 

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

Xem toàn bộ bài viết tại đây.