Tag Archives: cấu trúc phân tử

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