Bơm Na+-K+ATPase hoạt động theo chu trỡnh, liờn quan tới sự thay đổi hỡnh thỏi của bơm và được khởi động bởi sự phosphoril hoỏ (hỡnh 5.2). Hoạt động của bơm bao gồm cỏc bước cụ thể sau:
− Bước 1: Với sự cú mặt của ion Mg2+, bơm Na+-K+ATPase (tiểu phần anpha đó gắn với ATP) sẽ liờn kết với 3 ion Na+ở phần nằm trong tế bào chất.
− Bước 2: Bơm thuỷ phõn ATP, đồng thời tiểu phần anpha bị phosphoril hoỏ. − Bước 3: Bơm thay đổi hỡnh dạng làm bộc lộ ion Na+ ra mặt ngoài màng.
− Bước 4: Tiểu phần anpha bị dephosphoril hoỏ kộo theo sự giải phúng 3 ion Na+ ra mụi trường ngoại bào, đồng thời liờn kết với 2 ion K+.
− Bước 5: Bơm lấy lại hỡnh dạng ban đầu, chuyển và giải phúng 2 ion K+ vào dịch nội bào, sẵn sàng cho chu trỡnh mới.
Hoạt động của bơm Na+-K+ATPase được điều khiển bởi một hệ thống phức tạp cỏc con đường truyền tớn hiệu nội bào, đặc biệt là cỏc hormon. Cỏc loại hormon chớnh liờn quan tới điều hoà hoạt động của bơm là:
− Cỏc hormon tuyến giỏp: cỏc hormon này cú vai trũ chớnh trong việc duy trỡ hoạt động của bơm ở phần lớn cỏc mụ bằng cỏch tỏc động lờn gen mó hoỏ cỏc tiểu đơn vịα và β của bơm Na+-K+ATPase.
− Aldosteron: là một hormon steroid cú vai trũ quan trọng trong điều hoà tớnh nội cõn bằng của ion Na+. Hormon này kớch thớch sự tăng nhanh và ổn định về số lượng bơm ở một số mụ tế bào bằng cỏch kớch thớch sự phiờn mó cỏc gen của cỏc tiểu đơn vịα và β.
− Cỏc Catecholamine: cú nhiều ảnh hưởng, phụ thuộc vào hormon và mụ đặc hiệu. Vớ dụ: Dopamine ức chế hoạt động của Na+-K+ATPase ở thận trong khi Epinephrine lại kớch thớch hoạt động bơm ở cơ xương thụng qua sự phosphoril hoỏ hay dephosphoril hoỏ của bơm.
− Insulin: điều chỉnh tớnh nội cõn bằng K+ và cú ảnh hưởng tới hoạt động của bơm. Vài phỳt sau khi Insulin được tiết ra, tiểu phần α đó tăng ỏi lực đối với Na+ và do đú làm tăng tỷ lệ quay vũng của bơm. Hỡnh 5.2 Sơđồ chu trỡnh hoạt động của bơm Na+- K+ATPase (Phỏng theo Horton và CS, 1994) 5.1.2 Vai trũ của Na+-K+ATPase
Na+-K+ATPase là một protein xuyờn màng cú tớnh bảo toàn cao, cú trong hầu hết cỏc tế bào của cỏc sinh vật bậc cao. Người ta ước tớnh rằng ở những tế bào nghỉ khoảng 25% năng lượng ATP của toàn bộ tế bào được thuỷ phõn bởi bơm Na+-K+ATPase. Đối với những tế bào thần kinh, tỷ lệ này là 70%.
Kờnh vận chuyển ion Na+ và K+ được điều khiển bởi cỏc bơm Na+-K+ATPase do chỳng tạo ra một gradient điện hoỏ ở màng sinh chất. Điều này cú ý nghĩa khụng chỉ đối với tế bào mà trong nhiều trường hợp cũn cú ý nghĩa đối với sự chuyển động của cỏc chất dịch và cỏc chất điện phõn qua cỏc ngăn của biểu mụ. Điện thế màng được tạo ra bởi cỏc bơm Na+-K+ATPase khi thay đổi từ dạng tĩnh sang dạng hoạt động là cơ sởđiện hoỏ 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 kớch thớch sự hoạt động của cỏc kờnh vận chuyển khỏc để đưa glucose, cỏc acid amin và một số dưỡng chất vào tế bào. Bờn cạnh đú, sự thay đổi vị trớ của ion Na+ từ bờn trong màng ra bờn ngoài cũn tạo ra một gradient thẩm thấu điều khiển
sự hấp thụ nước của tế bào. Điều này đặc biệt quan trọng, thể hiện rừ ở cỏc tế bào biểu mụ của ruột non và cỏc tế bào thận.
Cỏc tế bào khỏc nhau cú số lượng bơm Na+-K+ATPase trờn bề mặt màng khỏc nhau, thay đổi từ 800.000 đến 3 triệu. Chỳng cú thể phõn bố rất đồng đều hoặc cụm lại thành từng nhúm. Sự bất thường về số lượng hoặc chức năng của cỏc bơm Na+-K+ATPase trờn màng đều cú liờn quan tới những trạng thỏi bệnh lý, đặc biệt là bệnh tim và bệnh cao huyết ỏp.
5.2 Bơm Ca2+-ATPase của màng sinh chất (PMCA)
5.2.1 Mởđầu
Ion Ca2+ cú vai trũ rất quan trọng đối với thụng tin nội bào trong nhiều quỏ trỡnh truyền tớn hiệu ở sinh vật nhõn chuẩn (eukaryota). Nồng độ Ca2+ nội bào thường là 100nM, trong khi đú ngoại bào là 1.5mM. Gradient điện hoỏ của Ca2+ trờn màng sinh chất được duy trỡ 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 húa bằng Calmodulin (PMCA), hai là sự trao đổi giữa Ca2+ và Na+ cú sử dụng gradien Na+ qua màng sinh chất như là nguồn năng lượng. Bơm Ca2+-ATPases là một thành viờn đại diện cho nhúm enzim P-type ATPases (typ P để chỉ bơm hoạt động thụng qua chất trung gian được phosphoryl húa). Trong số cỏc họ bơm vận chuyển ion phụ thuộc vào ATP khỏc như là Na+/K+- ATPase và H+/K+- ATPase của tế bào biểu mụ tiờu hoỏ, thỡ bơm Ca2+- ATPase của màng lưới cơ tương (SR: Sarcoplasmic Reticulum) được nghiờn cứu sõu sắc nhất cả về cấu trỳc lẫn chức năng. Qỳa trỡnh vận chuyển chủđộng hay bịđộng đều phụ thuộc vào sự thay đổi năng lượng tự do của cỏc dạng vận chuyển đú. Cỏc dạng bơm Ca2+ của màng sinh chất luụn luụn được hoạt húa bằng Calmodulin nờn 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 trỡ sự chờnh lệch nồng độ canxi 10000 lần qua màng sinh chất nhờ hoạt động đẩy ion canxi ra khỏi tế bào. Cỏc đồng dạng bơm canxi (isoform) được hoạt húa bằng Calmodulin cũng cú vai trũ đặc hiệu trong điều chỉnh tốc độ vún cục của tiểu cầu.
Cú hơn 30 bệnh khỏc nhau xuất hiện cú liờn quan đến bốn đồng dạng PCMA này. Chỳng khỏc biệt nhau về ỏi lực đối với canxi và calmodulin, và biểu hiện đặc hiệu mụ. Vớ dụ, ở nóo chuột, cỏc đồng dạng bơm canxi biểu lộ rất khỏc nhau trong cỏc lớp khỏc nhau của PCMA neuron. Qua đú, người ta cho rằng cỏc bơm canxi đúng vai trũ rất phức tạp trong nội cõn bằng ion canxi. Cỏc đồng dạng bơm canxi khỏc nhau được điều khiển theo cỏch khỏc nhau nhờ cỏc protein kinase, nhờ cỏc enzim thuỷ phõn protein calpain, nhờ mối liờn hệ với cỏc phospholipid của màng như phosphotidyl serine, phosphatidylinositol. Cỏc tỏc nhõn này định hướng quỏ trỡnh diễn biến của cỏc tớn hiệu canxi. Cỏc bơm canxi của màng sinh chất cú thể được phõn biệt với bơm canxi lưới cơ tương nhờ cú gắn thờm một vựng đuụi C tận cựng mở rộng nhằm tạo một vựng liờn kết với Calmodulin đểđiều hũa ức chế hoạt động, bằng cỏch này cung cấp một cơ chếđiều chỉnh sự hoạt động bơm canxi nhờ nồng độ ion canxi nội bào. Calmodulin là một protein điều hũa 17k Da, chứa nhiều vị trớ
gắn Ca2+ là bộ cảm biến Ca2+ (Ca2+ sensor) gõy ra sự thay đổi cấu hỡnh khụng gian của nhiều loại enzym, qua đú điều hũa hoạt động của chỳng.
− Bơm canxi màng sinh chất dạng 1 (PMCA1): loại này phõn bốở khắp nơi trong cỏc mụ và cỏc tế bào và cũng là dạng phong phỳ nhất.
− Bơm canxi màng sinh chất dạng 2 (PMCA2): loại này được tỡm thấy chủ yếu ở hệ thần kinh trung ương. Chủ yếu cú trong cỏc neuron purkinje, cũng nhưđỏp ứng ở cỏc mụ cơ quan cú chức năng đặc hiệu. Chỳng cú trong cỏc tế bào lụng ốc tai ở màng trong của cơ quan thớnh giỏc, do đú, nú cú ảnh hưởng tới khả năng nghe và khả năng giữ thăng bằng của cơ thể. Chuột bịđột biến ở bơm PMCA2 sẽ bịđiếc đặc và mất khả năng giữ thăng bằng cơ thể vỡ đó mất bơm PMCA2 trong cỏc tế bào lụng cảm giỏc ốc tai.
− Bơm canxi màng sinh chất dạng 3 (PMCA3): loại này được tỡm thấy chủ yếu trong hệ thần kinh trung ương, với mức độ cao nhất trong vỏ nóo và tiểu nóo. − Bơm canxi màng sinh chất dạng 4 (PMCA4): dạng PMCA4 được phõn bố phổ
biến trong mụ và trong cỏc tế bào và chiếm 80% thành phần bơm canxi màng sinh chất của hồng cầu. Canxineurin được phỏt hiện là chất trung gian ức chế của sự biểu hiện của bơm canxi màng sinh chất trong neuron bằng cỏch này nú 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. Chỳng điều khiển hoạt động nhịp nhàng của cỏc mạch mỏu bằng cỏch điều chỉnh nồng độ ion canxi nội bào, đặc biệt cú vai trũ điều hũa hoạt động tim mạch.
5.2.3 Bơm canxi thuộc con đường kớch thớch bài tiết (SPCA)
SPCA đại diện cho dạng thứ ba của bơm canxi. SPCA của động vật cú vỳ cú mối liờn hệ gần gũi với một dạng bơm canxi ở sinh vật tiền nhõn (PACL), đó được nhõn dũng từ vi khuẩn lam. Vỡ thế SPCA cú thể cho thấy sự giống cỏc bơm canxi ở sinh vật nhõn chuẩn nhiều hơn so với cỏc dạng bơm canxi khỏc.
Đột biến bơm canxi thuộc con đường kớch thớch bài tiết dạng 1(SPCA1) cú liờn kết với bệnh Hailey- Hailey của dạng đột biến trội nhiễm sắc thể thường nơi xuất hiện cỏc tớn hiệu canxi bất thường trong cỏc tế bào sừng (Keratinocyte) sẽ dẫn đến sự rối loạn da rất nặng. SPCA1 được định cư khoanh vựng ở thể Golgi của tế bào sừng (Keratinocyte), nơi đú sẽ điều khiển nguồn dự trữ canxi của thể Golgi. Đột biến ở SPCA 1 cú thểảnh hưởng tới khả năng phõn hủy protein và gõy mưng mủ, mọc mụn dẫn đến những vết bỏng rộp trờn da.
Jeffrey Harper đó phõn tớch và nghiờn cứu đặc tớnh họ bơm ion canxi độc nhất cú thể cú vai trũ tỡm hiểu sự chuyển đổi hỡnh dạng của thực vật và duy trỡ nồng độ cỏc ion nội bào. Ion canxi đúng nhiều vai trũ quan trọng trong tế bào thực vật, bao gồm hoạt động chức năng như là một phõn tử tớn hiệu đỏp ứng lại sự dao động của nhiều tỏc nhõn kớch thớch, chẳng hạn chỉ một chỳt ớt chất hoỏ học, cho tới sự thay đổi nhiệt độ, hoặc tớnh chất và cường độ của ỏnh sỏng. Nồng độ ion canxi bờn trong cỏc xoang của nhiều bào quan, tế bào riờng biệt được duy trỡ nhờ cỏc bơm ion canxi cư trỳ trờn màng. Những bơm này sử dụng năng lượng từ ATP để điều khiển dũng ion Ca2+ qua màng, luụn giữ cho Ca2+ nội bào ổn định, ngăn cản sự kết tủa của cỏc ion phosphate nội bào.
5.2.5 Cỏc dạng bơm canxi
Bơm canxi ở động vật cú vỳ được định vị chủ yếu trờn màng sinh chất hoặc là trờn màng lưới cơ tương (SR) hay lưới nội chất (ER) và được phõn 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 cú chức năng cụ lập canxi
trong xoang của cỏc bào quan nội bào.
− Bơm canxi của con đường kớch thớch bài tiết (SPCA).
Cú một vài gen qui định cỏc bơm khỏc nhau này bao gồm bốn bơm PMCA, ba dạng bơm lưới nội chất. Cỏc gen này cú thểđược nối ghộp một cỏch biến đổi, qua đú tạo ra hơn bốn mươi dạng bơm biến đổi khỏc nhau và mỗi bơm cú chức năng sinh học và sinh lý khỏc nhau.
5.2.6 Cơ chế hoạt động của bơm ion canxi
5.2.6.1 Sơ lược về lưới cơ tương và cấu trỳc 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), cú vai trũ như là nơi huy động một lượng lớn và sẵn sàng là nguồn dự trữ ion Canxi bờn 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 thỡ cần xột trong lưới cơ tương của tế bào cơ một dạng chuyờn hoỏ tương tự lưới nội chất (ER).
Cỏc tế bào cơ cú chứa một mạng lưới rộng cỏc vi quản và cỏc tỳi được bao quanh màng thỡ gọi là lưới cơ tương (Sarcoplasmic Reticulum - SR). Khi cỏc tế bào cơở trạng thỏi nghỉ, ion Ca được tớch 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. Cú 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 phõn giải do chớnh hoạt động của bơm.
Bơm này chiếm hơn 80% toàn bộ protein của lưới cơ tương và chiếm giữ gần một nửa vựng bề mặt của nú. Mật độ của bơm trong lưới cơ tương là khoảng 25.000/ μm2, protein màng chiếm tỉ lệ cao nhất. Màng sinh chất cú chứa một lượng tương đối Ca2+ ATPase
(PMCA) nhưng với nồng độ thấp hơn nhiều. Bơm SR Ca2+- ATPase lưới cơ tương cú hai chuỗi polypeptid đơn với khối lượng 110 Da, cú tớnh bất đối xứng cao gồm hai tiểu đơn vị. Tiểu đơn vị lớn (trọng lượng gần 100.000 dalton) là tiểu đơn vị xỳc tỏc, tiểu đơn vị nhỏ kết hợp với đường (glycosylated) vẫn chưa rừ chức năng. Tiểu đơn vị lớn là chuỗi polypeptit chắc chắn xuyờn qua màng tế bào vài lần.
Hỡnh 5.3
Sơđồ mụ hỡnh phõn tử của bơm ion canxi của lưới cơ tương
Cả hai đầu tận cựng Cacboxyl và Amin dường như nằm trờn mặt của sợi cơ, chắc chắn là một oligomer (từ 2 tới 4 tiểu đơn vị) protein. Bơm này cú thể liờn kết 2 ion canxi với một ỏi lực rất mạnh tại khu vực bờn ngoài và 2 ion canxi với ỏi lực yếu tại khu vực bờn trong của phõn tử. Sự liờn kết với ỏi lực mạnh của 2 ion Ca2+ với bơm lưới cơ tương dẫn tới sự phosphoryl hoỏ nhờ ATP tại gốc Aspartyl của bơm khi cú mặt của ion Mg2+. Điều này kộo theo sự thay đổi cấu hỡnh của protein và sự vận chuyển theo hướng duy nhất của ion Ca2+. Bất kỳ sự thay thế của một cation khỏc (bao gồm sự dephosphoryl và sự thay đổi cấu hỡnh của protein bơm) và sẽ làm cho bơm khụng hoạt động. Bơm ion Ca2+- ATPase bị kỡm hóm bởi ion Vanadate.
Vùng nội bào
5.2.6.2 Cơ chế hoạt động của bơm canxi ở lưới cơ tương
Xoang l−ới cơ t−ơng
Sự co cơ xảy ra một cỏch đột ngột là do sự tăng mức canxi dịch nội bào của tế bào cơ. Sự gión cơ phụ thuộc vào sự rời đi nhanh chúng của ion Ca2+ khỏi dịch nội bào nhờ bơm Ca2+-ATPase. Bơm Ca2+- ATPase cả trong màng sinh chất và lưới cơ tương đều cú gốc Aspartate đặc trưng, nú bị phosphoryl hoỏ bởi ATP trong phản ứng phụ thuộc ion Ca2+. Sơđồ phản ứng như sau:
Ở đõy E được ký hiệu là Ca2+ - ATPase. Bơm ion Ca2+ này của tế bào cơ cú chức năng dự trữ canxi bờn trong cỏc xoang lưới cơ tương hoạt động do năng lượng cung cấp từ sự thuỷ phõn ATP. Khi nồng độ canxi nội bào ở mức bỡnh thường tế bào cơđược thư gión. Quỏ trỡnh bơm canxi được tiến hành theo một chu trỡnh phản ứng. Khi bơm canxi khụng hoạt động nồng độ canxi nội bào lại tăng lờn làm cho cơ cú hoạt động co cơ. Ởđõy trỡnh tự sắp xếp của cỏc phản ứng trong chu kỳđược đảm bảo cho bơm hoạt động cú hiệu suất cao cũng cú nghĩa là sẽ khụng cú sự rũ rỉ canxi cũng như khụng cú sự thuỷ phõn ATP một cỏch vụ ớch.
Mụ hỡnh được trỡnh bày dưới đõy cho thấy một chu kỳ đơn giản trong hoạt động của bơm (hỡnh 5.4).
Hỡnh 5.4
Sơđồ mụ hỡnh hoạt động của bơm ion canxi trờn màng
Chu trỡnh hoạt động của dạng bơm Ca2+- ATPase tự do (Hx E) được trỡnh bày như sau: a d b c nội bào xoang SR
− Hai ion canxi từ dịch bào của tế bào cơ liờn kết với cỏc vị trớ ỏi lực cao của enzim ATP (Ca2E1). Điều này sẽ hoạt hoỏ nú thuỷ phõn ATP (Ca2E1ATP) để lấy năng lượng cho bơm (a). Do đú một nhúm phosphat tự do sẽ được chuyển tới liờn kết với nhúm Aspartat của ATPase và 2 ion canxi được hỳt giữ trong