Các protein màng có chức năng bơm ion

50 Chương 5 Các protein màng có chức năng bơm ion 5.1 Bơm ion Na + -K + ATPase Na + -K + ATPase là một protein tetrame gồm dạng chuỗi polypeptif α và β liên kết theo kiểu 2 α - 2 β có khối lượng phân tử 270.000 Da. Đơn vị lớn α (95.000 Da) có chứa một phần có chức năng cố định và thuỷ phân ATP, liên kết với ion Na + (nằm ở phía hướng vào tế bào chất) và một phần có tác dụng liên kết với K + và các chất steroid cường tim (nằm ở phía ngoại bào). Đơn vị bé β (40.000 Da) là một glycoprotein cần cho hoạt động của cả phức hệ. Nó có vai trò bổ trợ cho các hoạt động của tiểu phần α (hình 5.1). + + ATPase theo Stryer, L. 1998) Mô hình bơm Na -K 5.1.1 Cơ chế hoạt động của bơm Na+-K+ATPase Bơm Na+-K+ATPase hoạt động theo chu trình, liên quan tới sự thay đổi hình thái của bơm và được khởi động bởi sự phosphoril hoá (hình 5.2). Hoạt động của bơm bao gồm các bước cụ thể sau: − Bước 1: Với sự có mặt của ion Mg 2+ , bơm Na + -K + ATPase (tiểu phần anpha đã gắn với ATP) sẽ liên kết với 3 ion Na + ở phần nằm trong tế bào chất. − Bước 2: Bơm thuỷ phân ATP, đồng thời tiểu phần anpha bị phosphoril hoá. − Bước 3: Bơm thay đổi hình dạng làm bộc lộ ion Na+ ra mặt ngoài màng. − Bước 4: Tiểu phần anpha bị dephosphoril hoá kéo theo sự giải phóng 3 ion Na+ ra môi trường ngoại bào, đồng thời liên kết với 2 ion K+. − Bước 5: Bơm lấy lại hình dạng ban đầu, chuyển và giải phóng 2 ion K+ vào dịch nội bào, sẵn sàng cho chu trình mới. Hoạt động của bơm Na+-K+ATPase được điều khiển bởi một hệ thống phức tạp các con đường truyền tín hiệu nội bào, đặc biệt là các hormon. Các loại hormon chính liên quan tới điều hoà hoạt động của bơm là: − Các hormon tuyến giáp: các hormon này có vai trò chính trong việc duy trì hoạt động của bơm ở phần lớn các mô bằng cách tác động lên gen mã hoá các tiểu đơn vị α và β của bơm Na+-K+ATPase. 51 − Aldosteron: là một hormon steroid có vai trò quan trọng trong điều hoà tính nội cân bằng của ion Na+. Hormon này kích thích sự tăng nhanh và ổn định về số lượng bơm ở một số mô tế bào bằng cách kích thích sự phiên mã các gen của các tiểu đơn vị α và β. − Các Catecholamine: có nhiều ảnh hưởng, phụ thuộc vào hormon và mô đặc hiệu. Ví dụ: Dopamine ức chế hoạt động của Na+-K+ATPase ở thận trong khi Epinephrine lại kích thích hoạt động bơm ở cơ xương thông qua sự phosphoril hoá hay dephosphoril hoá của bơm. − Insulin: điều chỉnh tính nội cân bằng K+ và có ảnh hưởng tới hoạt động của bơm. Vài phút sau khi Insulin được tiết ra, tiểu phần α đã tăng ái lực đối với Na+ và do đó làm tăng tỷ lệ quay vòng của bơm. Hình 5.2 Sơ đồ chu trình hoạt động của bơm Na + - K + ATPase (Phỏng theo Horton và CS, 1994) 5.1.2 Vai trò của Na+-K+ATPase Na+-K+ATPase là một protein xuyên màng có tính bảo toàn cao, có trong hầu hết các tế bào của các sinh vật bậc cao. Người ta ước tính rằng ở những tế bào nghỉ khoảng 25% năng lượng ATP của toàn bộ tế bào được thuỷ phân bởi bơm Na+-K+ATPase. Đối với những tế bào thần kinh, tỷ lệ này là 70%. Kênh vận chuyển ion Na+ và K+ được điều khiển bởi các bơm Na+-K+ATPase do chúng tạo ra một gradient điện hoá ở màng sinh chất. Điều này có ý nghĩa không chỉ đối với tế bào mà trong nhiều trường hợp còn có ý nghĩa đối với sự chuyển động của các chất dịch và các chất điện phân qua các ngăn của biểu mô. Điện thế màng được tạo ra bởi các bơm Na+-K+ATPase khi thay đổi từ dạng tĩnh sang dạng hoạt động là cơ sở điện hoá cho sự dẫn truyền thần kinh và hoạt động cơ. Sự loại bỏ Na+ ra khỏi tế bào bởi bơm Na+- K+ATPase cũng cung cấp lực kích thích sự hoạt động của các kênh vận chuyển khác để đưa glucose, các acid amin và một số dưỡng chất vào tế bào. Bên cạnh đó, sự thay đổi vị trí của ion Na+ từ bên trong màng ra bên ngoài còn tạo ra một gradient thẩm thấu điều khiển 52 sự hấp thụ nước của tế bào. Điều này đặc biệt quan trọng, thể hiện rõ ở các tế bào biểu mô của ruột non và các tế bào thận. Các tế bào khác nhau có số lượng bơm Na+-K+ATPase trên bề mặt màng khác nhau, thay đổi từ 800.000 đến 3 triệu. Chúng có thể phân bố rất đồng đều hoặc cụm lại thành từng nhóm. Sự bất thường về số lượng hoặc chức năng của các bơm Na+-K+ATPase trên màng đều có liên quan tới những trạng thái bệnh lý, đặc biệt là bệnh tim và bệnh cao huyết áp. 5.2 Bơm Ca2+-ATPase của màng sinh chất (PMCA) 5.2.1 Mở đầu Ion Ca2+ có vai trò rất quan trọng đối với thông tin nội bào trong nhiều quá trình truyền tín hiệu ở sinh vật nhân chuẩn (eukaryota). Nồng độ Ca2+ nội bào thường là 100nM, trong khi đó ngoại bào là 1.5mM. Gradient điện hoá của Ca2+ trên màng sinh chất được duy trì nhờ hai hệ thống vận chuyển; thứ nhất là một họ bơm ion canxi hoạt động cần năng lượng ATP gọi là Ca2+-ATPase, một dạng bơm Ca2+ của màng sinh chất được hoạt hóa bằng Calmodulin (PMCA), hai là sự trao đổi giữa Ca2+ và Na+ có sử dụng gradien Na+ qua màng sinh chất như là nguồn năng lượng. Bơm Ca2+-ATPases là một thành viên đại diện cho nhóm enzim P-type ATPases (typ P để chỉ bơm hoạt động thông qua chất trung gian được phosphoryl hóa). Trong số các họ bơm vận chuyển ion phụ thuộc vào ATP khác như là Na+/K+- ATPase và H+/K+- ATPase của tế bào biểu mô tiêu hoá, thì bơm Ca2+- ATPase của màng lưới cơ tương (SR: Sarcoplasmic Reticulum) được nghiên cứu sâu sắc nhất cả về cấu trúc lẫn chức năng. Qúa trình vận chuyển chủ động hay bị động đều phụ thuộc vào sự thay đổi năng lượng tự do của các dạng vận chuyển đó. Các dạng bơm Ca2+ của màng sinh chất luôn luôn được hoạt hóa bằng Calmodulin nên gọi là PMCA (Plasma membrane Calmodulin activated). 5.2.2 Chức năng của bơm canxi (PMCA) Chức năng cơ bản của bơm canxi màng sinh chất là duy trì sự chênh lệch nồng độ canxi 10000 lần qua màng sinh chất nhờ hoạt động đẩy ion canxi ra khỏi tế bào. Các đồng dạng bơm canxi (isoform) được hoạt hóa bằng Calmodulin cũng có vai trò đặc hiệu trong điều chỉnh tốc độ vón cục của tiểu cầu. Có hơn 30 bệnh khác nhau xuất hiện có liên quan đến bốn đồng dạng PCMA này. Chúng khác biệt nhau về ái lực đối với canxi và calmodulin, và biểu hiện đặc hiệu mô. Ví dụ, ở não chuột, các đồng dạng bơm canxi biểu lộ rất khác nhau trong các lớp khác nhau của PCMA neuron. Qua đó, người ta cho rằng các bơm canxi đóng vai trò rất phức tạp trong nội cân bằng ion canxi. Các đồng dạng bơm canxi khác nhau được điều khiển theo cách khác nhau nhờ các protein kinase, nhờ các enzim thuỷ phân protein calpain, nhờ mối liên hệ với các phospholipid của màng như phosphotidyl serine, phosphatidylinositol. Các tác nhân này định hướng quá trình diễn biến của các tín hiệu canxi. Các bơm canxi của màng sinh chất có thể được phân biệt với bơm canxi lưới cơ tương nhờ có gắn thêm một vùng đuôi C tận cùng mở rộng nhằm tạo một vùng liên kết với Calmodulin để điều hòa ức chế hoạt động, bằng cách này cung cấp một cơ chế điều chỉnh sự hoạt động bơm canxi nhờ nồng độ ion canxi nội bào. Calmodulin là một protein điều hòa 17k Da, chứa nhiều vị trí 53 gắn Ca2+ là bộ cảm biến Ca2+ (Ca2+ sensor) gây ra sự thay đổi cấu hình không gian của nhiều loại enzym, qua đó điều hòa hoạt động của chúng. − Bơm canxi màng sinh chất dạng 1 (PMCA1): loại này phân bố ở khắp nơi trong các mô và các tế bào và cũng là dạng phong phú nhất. − Bơm canxi màng sinh chất dạng 2 (PMCA2): loại này được tìm thấy chủ yếu ở hệ thần kinh trung ương. Chủ yếu có trong các neuron purkinje, cũng như đáp ứng ở các mô cơ quan có chức năng đặc hiệu. Chúng có trong các tế bào lông ốc tai ở màng trong của cơ quan thính giác, do đó, nó có ảnh hưởng tới khả năng nghe và khả năng giữ thăng bằng của cơ thể. Chuột bị đột biến ở bơm PMCA2 sẽ bị điếc đặc và mất khả năng giữ thăng bằng cơ thể vì đã mất bơm PMCA2 trong các tế bào lông cảm giác ốc tai. − Bơm canxi màng sinh chất dạng 3 (PMCA3): loại này được tìm thấy chủ yếu trong hệ thần kinh trung ương, với mức độ cao nhất trong vỏ não và tiểu não. − Bơm canxi màng sinh chất dạng 4 (PMCA4): dạng PMCA4 được phân bố phổ biến trong mô và trong các tế bào và chiếm 80% thành phần bơm canxi màng sinh chất của hồng cầu. Canxineurin được phát hiện là chất trung gian ức chế của sự biểu hiện của bơm canxi màng sinh chất trong neuron bằng cách này nó điều hoà sự biến đổi nồng độ ion canxi của tế bào. PMCA 4b là dạng bơm kết hợp với enzym tổng hợp nitric oxide của neuron. Chúng điều khiển hoạt động nhịp nhàng của các mạch máu bằng cách điều chỉnh nồng độ ion canxi nội bào, đặc biệt có vai trò điều hòa hoạt động tim mạch. 5.2.3 Bơm canxi thuộc con đường kích thích bài tiết (SPCA) SPCA đại diện cho dạng thứ ba của bơm canxi. SPCA của động vật có vú có mối liên hệ gần gũi với một dạng bơm canxi ở sinh vật tiền nhân (PACL), đã được nhân dòng từ vi khuẩn lam. Vì thế SPCA có thể cho thấy sự giống các bơm canxi ở sinh vật nhân chuẩn nhiều hơn so với các dạng bơm canxi khác. Đột biến bơm canxi thuộc con đường kích thích bài tiết dạng 1(SPCA1) có liên kết với bệnh Hailey- Hailey của dạng đột biến trội nhiễm sắc thể thường nơi xuất hiện các tín hiệu canxi bất thường trong các tế bào sừng (Keratinocyte) sẽ dẫn đến sự rối loạn da rất nặng. SPCA1 được định cư khoanh vùng ở thể Golgi của tế bào sừng (Keratinocyte), nơi đó sẽ điều khiển nguồn dự trữ canxi của thể Golgi. Đột biến ở SPCA 1 có thể ảnh hưởng tới khả năng phân hủy protein và gây mưng mủ, mọc mụn dẫn đến những vết bỏng rộp trên da. 5.2.4 Chức năng của bơm ion canxi ở tế bào thực vật 54 Jeffrey Harper đã phân tích và nghiên cứu đặc tính họ bơm ion canxi độc nhất có thể có vai trò tìm hiểu sự chuyển đổi hình dạng của thực vật và duy trì nồng độ các ion nội bào. Ion canxi đóng nhiều vai trò quan trọng trong tế bào thực vật, bao gồm hoạt động chức năng như là một phân tử tín hiệu đáp ứng lại sự dao động của nhiều tác nhân kích thích, chẳng hạn chỉ một chút ít chất hoá học, cho tới sự thay đổi nhiệt độ, hoặc tính chất và cường độ của ánh sáng. Nồng độ ion canxi bên trong các xoang của nhiều bào quan, tế bào riêng biệt được duy trì nhờ các bơm ion canxi cư trú trên màng. Những bơm này sử dụng năng lượng từ ATP để điều khiển dòng ion Ca2+ qua màng, luôn giữ cho Ca2+ nội bào ổn định, ngăn cản sự kết tủa của các ion phosphate nội bào. 5.2.5 Các dạng bơm canxi Bơm canxi ở động vật có vú được định vị chủ yếu trên màng sinh chất hoặc là trên màng lưới cơ tương (SR) hay lưới nội chất (ER) và được phân thành ba lớp enzym : − Enzim Ca2+- ATPase màng sinh chất (PMCA) đẩy canxi ra khỏi tế bào. − Bơm Ca2+- ATPase lưới nội chất và lưới cơ tương có chức năng cô lập canxi trong xoang của các bào quan nội bào. − Bơm canxi của con đường kích thích bài tiết (SPCA ). Có một vài gen qui định các bơm khác nhau này bao gồm bốn bơm PMCA, ba dạng bơm lưới nội chất. Các gen này có thể được nối ghép một cách biến đổi, qua đó tạo ra hơn bốn mươi dạng bơm biến đổi khác nhau và mỗi bơm có chức năng sinh học và sinh lý khác nhau. 5.2.6 Cơ chế hoạt động của bơm ion canxi 5.2.6.1 Sơ lược về lưới cơ tương và cấu trúc của bơm ion canxi lưới cơ tương Mức canxi trong nhiều xoang bào quan cao hơn nhiều so với trong dịch nội bào. Thể lưới nội chất (ER), có vai trò như là nơi huy động một lượng lớn và sẵn sàng là nguồn dự trữ ion Canxi bên trong. Một bơm Ca2+- ATPase trong màng lưới nội chất bơm ion Ca2+ vào trong thành phần này. Để hiểu tốt nhất về bơm ion canxi hoạt động cần ATP như thế nào thì cần xét trong lưới cơ tương của tế bào cơ một dạng chuyên hoá tương tự lưới nội chất (ER). Các tế bào cơ có chứa một mạng lưới rộng các vi quản và các túi được bao quanh màng thì gọi là lưới cơ tương (Sarcoplasmic Reticulum - SR). Khi các tế bào cơ ở trạng thái nghỉ, ion Ca được tích luỹ trong khoang (lumen) của lưới cơ tương nhờ bơm ion SR- Ca2+- ATPase. Nồng độ của ion Ca2+ trong khoang xấp xỉ 10-2 M, trong khi ở trong nội bào của tế bào cơ là < 10-5M. Có nghĩa là bơm canxi của lưới cơ tương vận chuyển ion canxi theo chiều ngược với gradient nồng độ với nguồn năng lượng cung cấp ATP được phân giải do chính hoạt động của bơm. Bơm này chiếm hơn 80% toàn bộ protein của lưới cơ tương và chiếm giữ gần một nửa vùng bề mặt của nó. Mật độ của bơm trong lưới cơ tương là khoảng 25.000/ μm2, protein màng chiếm tỉ lệ cao nhất. Màng sinh chất có chứa một lượng tương đối Ca2+ ATPase 55 (PMCA) nhưng với nồng độ thấp hơn nhiều. Bơm SR Ca2+- ATPase lưới cơ tương có hai chuỗi polypeptid đơn với khối lượng 110 Da, có tính bất đối xứng cao gồm hai tiểu đơn vị. Tiểu đơn vị lớn (trọng lượng gần 100.000 dalton) là tiểu đơn vị xúc tác, tiểu đơn vị nhỏ kết hợp với đường (glycosylated) vẫn chưa rõ chức năng. Tiểu đơn vị lớn là chuỗi polypeptit chắc chắn xuyên qua màng tế bào vài lần. Hình 5.3 Sơ đồ mô hình phân tử của bơm ion canxi của lưới cơ tương Cả hai đầu tận cùng Cacboxyl và Amin dường như nằm trên mặt của sợi cơ, chắc chắn là một oligomer (từ 2 tới 4 tiểu đơn vị) protein. Bơm này có thể liên kết 2 ion canxi với một ái lực rất mạnh tại khu vực bên ngoài và 2 ion canxi với ái lực yếu tại khu vực bên trong của phân tử. Sự liên kết với ái lực mạnh của 2 ion Ca2+ với bơm lưới cơ tương dẫn tới sự phosphoryl hoá nhờ ATP tại gốc Aspartyl của bơm khi có mặt của ion Mg2+. Điều này kéo theo sự thay đổi cấu hình của protein và sự vận chuyển theo hướng duy nhất của ion Ca2+. Bất kỳ sự thay thế của một cation khác (bao gồm sự dephosphoryl và sự thay đổi cấu hình của protein bơm) và sẽ làm cho bơm không hoạt động. Bơm ion Ca2+- ATPase bị kìm hãm bởi ion Vanadate . Vïng néi bµo 5.2.6.2 Cơ chế hoạt động của bơm canxi ở lưới cơ tương Xoang l−íi c¬ t−¬ng Sự co cơ xảy ra một cách đột ngột là do sự tăng mức canxi dịch nội bào của tế bào cơ. Sự giãn cơ phụ thuộc vào sự rời đi nhanh chóng của ion Ca2+ khỏi dịch nội bào nhờ bơm Ca2+-ATPase. Bơm Ca2+- ATPase cả trong màng sinh chất và lưới cơ tương đều có gốc Aspartate đặc trưng, nó bị phosphoryl hoá bởi ATP trong phản ứng phụ thuộc ion Ca2+. Sơ đồ phản ứng như sau: Ở đây E được ký hiệu là Ca2+ - ATPase. Bơm ion Ca2+ này của tế bào cơ có chức năng dự trữ canxi bên trong các xoang lưới cơ tương hoạt động do năng lượng cung cấp từ sự thuỷ phân ATP. Khi nồng độ canxi nội bào ở mức bình thường tế bào cơ được thư giãn. Quá trình bơm canxi được tiến hành theo một chu trình phản ứng. Khi bơm canxi không hoạt động nồng độ canxi nội bào lại tăng lên làm cho cơ có hoạt động co cơ. Ở đây trình tự sắp xếp của các phản ứng trong chu kỳ được đảm bảo cho bơm hoạt động có hiệu suất cao cũng có nghĩa là sẽ không có sự rò rỉ canxi cũng như không có sự thuỷ phân ATP một cách vô ích. Mô hình được trình bày dưới đây cho thấy một chu kỳ đơn giản trong hoạt động của bơm (hình 5.4). Hình 5.4 Sơ đồ mô hình hoạt động của bơm ion canxi trên màng Chu trình hoạt động của dạng bơm Ca2+- ATPase tự do (Hx E) được trình bày như sau: a d b c néi bµo xoang SR 56 − Hai ion canxi từ dịch bào của tế bào cơ liên kết với các vị trí ái lực cao của enzim ATP (Ca2E1). Điều này sẽ hoạt hoá nó thuỷ phân ATP (Ca2E1ATP) để lấy năng lượng cho bơm (a). Do đó một nhóm phosphat tự do sẽ được chuyển tới liên kết với nhóm Aspartat của ATPase và 2 ion canxi được hút giữ trong protein này tại vị trí có ái lực thấp (Ca2E1-P) (b). − Bước tiếp theo là bơm canxi vào trong xoang (lumen) ở những vị trí liên kết ái lực thấp (Hx E2 -P) (c). Sau đó liên kết P- ATPase sẽ được thuỷ phân và bơm quay về dạng ban đầu (Hx E) (d). Khi thay đổi từ trạng thái E2 sang trạng thái E thì vị trí liên kết với ion quay ngược ra về phía nội bào và ái lực của chúng với ion Ca tăng lên gấp một nghìn lần (d). − Vanadat kìm chế sự vận chuyển ion Ca và hoạt động của enzym ATPase nhờ sự ổn định hình dạng E2. − Sự kiểm soát của chu trình phản ứng được đảm bảo bởi sự kết cặp giữa các vị trí liên kết canxi với vị trí phosphoryl hoá. Điều thú vị là 2 vị trí này nằm rất xa nhau trên phân tử Ca2+ - ATPase. 5.2.6.3 Chức năng sinh lý của bơm ion canxi Bơm ion canxi là một thành viên của họ P-type ATPase tức là dạng hoạt động của bơm liên quan với sự phosphoryl hoá. Hầu hết chúng đều kết hợp với sự thuỷ phân ATP để vận chuyển các ion canxi qua màng ngược với gradient nồng độ. Họ này được phân biệt chủ yếu nhờ đặc tính enzym của nó là phosphoryl hoá tạm thời của một gốc aspartat trong suốt chu trình phản ứng và bị ức chế bởi vanadat. 5.3 Bơm Ca2+ - ATPase lưới cơ tương/lưới nội chất được điều hòa bằng Calmodulin (SERCA) Trong tế bào cơ xương, bơm canxi bơm các ion canxi (được giải phóng vào nội bào của tế bào cơ trong suốt lúc co rút cơ) từ dịch nội bào quay trở lại xoang lưới cơ. Quá trình này làm cho các tế bào cơ nghỉ ngơi sau khi canxi nội bào tăng lên trong suốt quá trình hưng phấn. Lưới nội chất đóng vai trò quan trọng trong việc điều hoà các mức canxi dịch nội bào thông qua các bơm canxi màng lưới nội chất/lưới cơ tương, khi các ion canxi tích lũy trong lumen (xoang) của lưới nội chất. Sự huy động ion canxi từ các bào quan nội bào vào trong tế bào cơ và cơ tim có tính chuyên hoá cao. Trong lưới cơ tương của tế bào cơ xương, bơm canxi chiếm 90% các protein màng. Trong tế bào cơ xương các ion canxi được vận chuyển ngược gradient nồng độ từ tế bào chất vào trong lưới cơ tương gây ra sự giãn các tế bào cơ tiếp theo các hiệu ứng gây co cơ khi nồng độ ion canxi dịch nội bào cao. Trong cơ tim, sự điều khiển lượng canxi nội bào là cần thiết cho điều hoà sự co bóp tim, và dựa vào hoạt động các bơm ion canxi lưới cơ tương/ lưới nội chất và màng sinh chất. Các bơm canxi lưới cơ tương/lưới nội chất tương đồng với các bơm ion natri/ kali hơn là với các bơm canxi màng sinh chất. Đó là sự khác biệt nhất được tìm thấy. Loài người có ba gen mã hoá cho trên mười kiểu đồng dạng bơm ion canxi nhờ vào sự tổ hợp gen khác nhau của chúng. 5.3.1 Bơm canxi lưới cơ tương/lưới nội chất dạng một (SERCA 1) 57 Dạng này có tên SERCA (Sarcoplasmic endoplasmic Reticulum Calmodulin Activated) đặc trưng cho lưới cơ tương giúp sự co rút cơ một cách nhanh chóng. Có ít nhất là hai biến thể vùng đầu Cacbon tận cùng. Cả hai dạng bơm cùng có chức năng điều hoà sự hấp thụ canxi vào trong lưới cơ của cơ xương. Các đột biến gen lặn trên nhiễm sắc thể thường (mất chức năng) của dạng bơm canxi lưới cơ tương/ lưới nội chất dạng một có liên quan đến bệnh Brody- một rối loạn cơ hiếm khi được di truyền có đặc điểm dường như là hư hỏng chức năng giãn của cơ xương, dẫn đến kết quả co cứng cơ và chứng chuột rút. 5.3.2 Bơm canxi lưới cơ tương/lưới nội chất dạng hai (SERCA 2) Dạng này vận chuyển canxi từ dịch nội bào vào trong khoang (lumen) của lưới nội chất để duy trì nồng độ thấp của canxi dịch nội bào. SERCA 2 đã được tìm thấy trong lưới cơ tương của tế bào cơ xương gây co rút cơ chậm cũng như trong các mô khác. − Đồng dạng SERCA 2a xuất hiện trong tế bào cơ tim đóng vai trò chìa khoá trong sự co bóp và nghỉ ngơi của cơ tim thông qua việc điều khiển mức ion canxi dịch nội bào của nó. Hoạt động bất thường của dạng này có thể liên quan đến sự phát sinh bệnh phì đại cơ tim và sự giảm khả năng hoạt động của tim. Hoạt động của SERCA 2a được điều khiển bởi sarcolipin cũng như canxineurin. − SERCA 2b được biểu hiện trong mô cơ trơn và mô không có cơ như biểu bì, ở vị trí mà nó đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự toàn vẹn của biểu bì. SERCA 2b phân biệt với SERCA2a ở đầu C tận cùng. Trình tự thêm vào SERCA 2b có chứa thêm một vùng xuyên qua màng có kết hợp với calreticulin. Những đột biến trội nhiễm sắc thể thường đối với SERCA 2b có liên hệ tới bệnh Darier . Đây là một bệnh rối loạn da có đặc điểm là mất đi đặc tính bám chặt giữa các tế bào biểu bì và sự hoá sừng dị thường, cũng như liên quan với các bệnh thần kinh như động kinh và suy nhược thần kinh. Sự xuất hiện của nồng độ canxi thấp trong lumen nội bào ở bệnh nhân bị bệnh Darier có thể do thiếu hụt trong qúa trình tổng hợp các protein có vai trò bám dính bình thường giữa các tế bào biểu mô. SERCA 2b cũng có chức năng điều biến “giữ nhà” (housekeeping) trong sự trao đổi ion canxi chủ yếu là ở các dạng tế bào của động vật có vú. 5.3.3 Bơm canxi lưới cơ tương/lưới nội chất dạng 3 (SERCA 3) SERCA3 có ba biến thể ghép nối khác nhau. Chúng khác nhau ở đầu C tận cùng. SERCA3 được biểu hiện trong nhiều mô, và thường xuyên cùng biểu hiện với SERCA2b nhưng không như SERCA2b, SERCA3 không có chức năng điều biến quan trọng. SERCA3 có thể có liên quan tới quá trình nghỉ ngơi của cơ trơn thuộc mạch máu. SERCA3 cũng có thể đóng một vai trò trong điều hoà bài tiết insulin nhờ tín hiệu Ca2+ thuộc tế bào β của đảo tuỵ, và được hoạt hoá bởi đường glucose. Những đột biến trong SERCA3 có liên quan tới bệnh tiểu đường týp II không phụ thuộc vào insulin. Nồng độ canxi bất thường là một thiếu hụt chung trong cả hai bệnh tiểu đường týp I và týp II. 5.4 Một số dạng bệnh lý có liên quan đến bơm ion canxi 58 Những đột biến hoặc những bất thường trên một trong những protein vận chuyển canxi đã được đề cập đến ở trên có thể dẫn tới bệnh tật. Ví dụ bệnh tiểu đường do những bất thường trên bơm ion canxi, hai bệnh về da do sự đột biến của bơm canxi: bệnh Hailey- Hailey và bệnh Darier. 5.4.1 Bệnh tiểu đường liên quan đến SERCA Glucose là chất kích thích sinh lý chính cho sự bài tiết Insulin nhờ các tế bào β của đảo tuỵ Langerhan. Đặc biệt, sự tăng ion canxi nội bào là rất quan trọng cho sự bài tiết insulin. Vì ion Ca2+ là một yếu tố quyết định chức năng của tế bào β đảo tuỵ. Nồng độ bất thường của ion canxi nội bào là một thiếu hụt chung trong cả hai týp bệnh tiểu đường. Sự trao đổi ion canxi khác nhau cũng đã được nghiên cứu là do ảnh hưởng tới chức năng tế bào β đảo tuỵ, qua đó ảnh hưởng tới cả sự tổng hợp insulin. Lưới nội chất đóng vai trò quan trọng trong sự kiểm soát nồng độ ion canxi nội bào. Nồng độ ion canxi bình thường là vào khoảng 80-100nmol/l, và sau khi có sự kích thích của glucose thì nồng độ này tăng lên từ 3 tới 5 lần. Khi sự kích thích bị loại bỏ, lưới nội chất sẽ cô lập ion canxi dư thừa trong dịch nội bào, và do vậy mức ion canxi quay trở về nồng độ bình thường. Bơm canxi lưới cơ tương/ lưới nội chất là các bơm chủ yếu cô lập Ca2+ vào trong lumen của lưới nội chất. Các đặc tính hoá sinh của chúng đã được mô tả chi tiết, và mối liên quan của chúng với sự điều chỉnh trạng thái cân bằng ion canxi nội bào cũng được thừa nhận. Thapsigargin là thuốc dạng nonphorboid đối với khối u, là chất ức chế đặc hiệu sự hoạt động của bơm canxi lưới nội chất dẫn đến làm tăng ion canxi dịch nội bào trong các tế bào β đảo tuỵ, do đó làm tăng sự bài tiết insulin được kích thích bởi sự thiếu hụt glucose. Bơm canxi lưới nội chất/lưới cơ tương đã được tìm thấy trong các tế bào β đảo tuỵ. Cả hai bản sao gen đều là bản sao mã hóa bơm canxi lưới nội chất /lưới cơ tương dạng hai và ba, và đều có các biến dạng tổ hợp khác nhau. Kết quả là đã tạo ra các đồng dạng protein khác nhau của bơm. Bơm canxi lưới nội chất/lưới cơ tương dạng 2a là một đồng dạng bơm được biểu hiện trong cơ xương co rút chậm. Dạng bơm canxi lưới nội chất / lưới cơ 2b chỉ khác biệt với dạng 2a ở đuôi C tận cùng và được biểu hiện phổ biến trong các mô không thuộc cơ xương. SERCA3 cùng biểu hiện với SERCA2b trong các mô không phải cơ xương và có ba đồng dạng kết nối khác nhau là SERCA 3a, 3b, 3c. SERCA3 có ái lực thấp với ion canxi hơn so với các thành viên khác thuộc họ bơm SERCA. Thậm chí SERCA 3b,3c còn có ái lực với ion canxi thấp hơn rõ rệt so với SERCA 3a. Những nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng sự mất hoạt tính của bơm ion canxi và sự giảm biểu hiện của gen SERCA3 trong các tế bào β đảo tuỵ có liên quan với bệnh tiểu đường ở chuột. Gần đây, Varadi và các cộng sự (1996) đã nhận ra bốn đột biến nhầm nghĩa hiếm gặp của gen qui định bơm SERCA3 ở các bệnh nhân tiểu đường týp 2. Các nghiên cứu đột biến của gen ở trên cho thấy Gln108 bị thay thế thành →His, Val648 →Met, Arg674→Cys, và Ile753→Leu. Qua đó có thể đặt ra giả thuyết cho rằng locus gen SERCA3 góp phần vào sự nhạy cảm của gen liên quan với bệnh nhân tiểu đường týp 2. 5.4.2 Bệnh Hailey- Hailey và bệnh Darier • Bệnh Hailey- Hailey Là một kiểu bệnh đột biến trội thể nhiễm sắc, thường được di truyền và biểu hiện bằng các đặc điểm như có những vết bỏng rộp da dai dẳng và những vết ăn mòn da. Bệnh này 59 gây ra bởi sự đột biến trên gen ATP2C1 là gen mã hoá cho một bơm ion canxi khác th- ường. Gen ATP2C1 mã hoá cho một lớp các bơm vận chuyển ion canxi týp P mới, gắn liền với họ bơm ion canxi lưới nội chất/lưới cơ (SERCA) và bơm ion canxi màng sinh chất (PMCA). • Bệnh Darier Bệnh này gây ra sự kết dính nội bào tạo ra những vết bỏng rộp của biểu bì. Bệnh Darier là do những đột biến trên gen ATP2A2, một gen mã hoá cho bơm ion canxi lưới nội chất/ lưới cơ tương thuộc bộ máy Golgi. Những bằng chứng gần đây ở các bệnh nhân cả hai bệnh trên đã chỉ ra rằng bộ máy Golgi ở các tế bào mô sừng (Keratinocytes) có thể là nguồn dự trữ ion canxi quan trọng (Hu và các cộng sự 2000, Sudbrak và các cộng sự 2000). Tóm lại, mặc dù cấu trúc và chức năng của bơm ion canxi đã được nghiên cứu nhiều song chủ yếu vẫn là bơm ion canxi của lưới cơ tương của tế bào cơ xương được hiểu rõ hơn cả. Nhờ những nghiên cứu về cấu trúc và cơ chế hoạt động của bơm canxi sẽ giúp chúng ta có thể ngăn ngừa được những bệnh do những đột biến hay hoạt động rối loạn của bơm gây ra, cụ thể như bệnh tiểu đường týp 2 hay bệnh Hailey- Hailey .trong tương lai. 5.5 Bacteriorhodopsin là một bơm proton của vi khuẩn Halobacteria Quá trình vận chuyển tích cực được điều chỉnh bởi nguồn năng lượng tế bào là ATP, bằng thế năng di động của ion Na+ hoặc lực động cơ proton. Bây giờ chúng ta trở lại với quá trình thu hồi năng lượng, trong đó ánh sáng được chuyển hoá thành gradient proton. Halobacterium halobium là một vi khuẩn kị khí ưa mặn thường sống trong các hồ và vùng có muối tự nhiên. Khi có mặt O2, các vi khuẩn này oxy hoá các phân tử nhiên liệu để sản sinh ATP. Khi có ít oxy, chúng bắt đầu sử dụng phương thức quang hợp và tổng hợp một lượng lớn protein màng gọi là bacteriorhopsin có khối lượng 26 kDa và vì protein này có chứa các nhóm hấp thụ ánh sáng là Retinal bắt nguồn từ β - caroten, được biết đến như là một "chromophore" của rhodopsin. Protein quang thụ thể (photoreceptor) này cũng có mặt ở màng tế bào hình que của võng mạc trong mắt của động vật bậc cao cũng chứa Chromophore là nhóm all-trans-retinal. Nhóm retinal được kết hợp với nhóm ε-amino của một gốc lysin đặc trưng ở phân tử bacteriorhodopsin bằng sự liên kết base schiff. Vào năm 1973, Walther Stoeckenius và Dieter Oesterhelt đã phát hiện bacteriorhodopsin là một bơm proton được điều chỉnh bằng ánh sáng. Ánh sáng đồng phân hoá all-trans-retinal của chromophore thành dạng 13- cis - retinal. Vì để tạo chu trình quay trở lại dạng all-trans, nên một proton được bơm từ cytosol ra ngoài. Thực chất ánh sáng được chuyển hoá thành thế năng proton, sau đó được dùng để tổng hợp ATP (Sơ đồ hình 5.5) Base Schiff-all- trans-retinal cña BacterioRhodopsin B¬m proton ¸nh s¸ng (hυ) Base Schiff- 13.Cis- Retinal cña bacteriorhodopsin [...]... ion và các phân tử nhỏ được vận chuyển qua màng tế bào nhờ các protein xuyên màng thực hiện chức năng của các bơm ion Các bơm ion thực hiện vai trò sinh học trên bằng cơ chế vận chuyển tích cực, có sử dụng năng lượng từ sự phân hủy phân tử ATP bằng chính hoạt động enzym ATPase của chúng (bơm Na+-K+ ATPase và bơm Ca2+ATPase) Đối với Na+-K+ ATPase, nhờ hoạt động enzym phân hủy ATP, phân tử protein màng. .. Ca2+-ATPase thực hiện chức năng bơm được hai ion Ca2+ từ nội bào ra ngoài tế bào hoặc được bơm vào các xoang lumen của lưới nội chất Bơm Ca2+-ATPase bao gồm hai lớp khác nhau là bơm Ca2+-ATPase của màng sinh chất được hoạt hóa bằng protein cảm biến Calmodulin (PMCA) và bơm Ca2+-ATPase của màng lưới cơ tương/ lưới nội chất được hoạt hóa bằng Calmodulin (SERCA) Tất cả các bơm Ca2+-ATPase đều là dạng bơm kiểu P... có mặt của ion Mg2+, bơm Na+-K+ATPase sẽ liên kết với 3 ion Na+ ở phần nằm trong tế bào chất, đồng thời thuỷ phân ATP Sau đó bơm thay đổi hình dạng làm bộc lộ ion Na+ ra mặt ngoài màng và giải phóng 3 ion Na+ ra môi trường ngoại bào, đồng thời liên kết với 2 ion K+ Bơm lấy lại hình dạng ban đầu và giải phóng 2 ion K+ vào dịch nội bào, sẵn sàng thực hiện một chu trình mới Tóm tắt chương 5 Dòng các ion. .. giữa bơm Na+ -K+, và bơm proton * Về cấu trúc: bơm Na+-K+ATPase chắc chắn có hai hình thể E1 và E2, E1 có ái lực cao với Na+ và E2 có ái lực cao với K+ - Bơm proton chứa hai phần cấu trúc là F1 và F0 với rất nhiều các tiểu đơn vị hình thành nên các phần của chúng và được sắp xếp thành hai vùng khác nhau trên màng bào quan (Lục lạp và ty thể) Các tiểu đơn vị của bơm proton ATP synthase luôn luôn có sự... thay đổi nhờ thế năng của dòng proton được vận chuyển qua các thể cấu trúc của bơm để thực hiện chức năng tổng hợp ATP * Về cơ chế: Bơm Na+-K+ATPase thực hiện quá trình vận chuyển các ion Na+, K+ tạo ra điện thế màng sinh chất tế bào thông qua việc sử dụng năng lượng ATP do chính bản thân bơm này phân giải Vì thế cơ chế hoạt động của bơm Na+-K+ATPase là phân huỷ ATP ngược với cơ chế bơm proton ATP synthase... phạm vào chức năng của các bơm Ca2+-ATPase đều dẫn đến nhiều dạng bệnh lý khác nhau như bệnh tim mạch, bệnh béo phì, tiểu đường và ung thư Bên cạnh các bơm ion Na+ K+-ATPase, Ca2+- ATPase, một lớp các bơm proton khác rất phổ biến trong các tế bào từ vi khuẩn đến sinh vật bậc cao Đáng chú ý là bơm proton Bacteriorhodopsin của vi khuẩn Halobacterium halobium, một mẫu hình protein xuyên bẩy lần qua màng sinh... phosphoryl hóa) Riêng các bơm ER- Ca2+-ATPase của lưới nội chất không có vùng liên kết với Calmodulin nên khối lượng phân tử của chúng chỉ là 110 kDa, nhỏ hơn so với dạng bơm có vùng liên kết với Calmodulin (130 kDa) Chức năng của tất cả các bơm ion canxi là duy trì trạng thái ổn định về nồng độ Ca2+ ở các điều kiện sinh lý bình thường của tế bào cũng như tham gia vào hoạt động truyền dẫn các tín hiệu thông... màng này đã bơm được ba ion Na+ từ Cytosol ra khỏi tế bào và bơm hai ion K+ từ ngoài vào trong nội bào của tất cả các tế bào động vật Hoạt động enzym của bơm đã tạo ra khả năng phosphoryl hóa làm biến đổi cấu hình không gian của enzym, tạo ra vị trí liên kết với các ion K+ và Na+ trong quá trình bơm Tương tự như vậy, năng lượng được giải phóng từ sự phân hủy một phân tử ATP đã tạo ra cho bơm Ca2+-ATPase... nhóm retinal Chu trình bơm proton của bacterioRhodopsin được trình bày ở sơ đồ hình 5.6 (theo Mathies et al, 1991) 5.6 ATP synthase vận chuyển proton và tổng hợp ATP 5.6.1 Cấu trúc bơm proton ATP synthase Như đã trình bày ở chương 2 về chức năng của ty thể và màng bào quan lục lạp (chloroplast), ATP synthase là một protein cài vào màng của các bào quan này, thực hiện chức năng bơm proton (H+) trong... bào Chức năng quan trọng của bơm là thu nhận năng lượng ánh sáng mặt trời, tạo ra gradient điện hoá proton để tổng hợp ATP và các chất hữu cơ sử dụng cho hoạt động sống của vi khuẩn Sự cảm nhận ánh sáng được thực hiện ở các loại động vật có xương sống và người là nhờ quang thụ thể có chứa trên bề mặt màng tế bào hình que và hình côn của võng mạc mắt Ánh sáng sử dụng một photon tạo ra sự bao vây các . chương 5 Dòng các ion và các phân tử nhỏ được vận chuyển qua màng tế bào nhờ các protein xuyên màng thực hiện chức năng của các bơm ion. Các bơm ion thực hiện. 50 Chương 5 Các protein màng có chức năng bơm ion 5.1 Bơm ion Na + -K + ATPase Na + -K + ATPase là một protein tetrame gồm dạng chuỗi