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 protein này tại vị trớ cú ỏi lực thấp (Ca2E1-P) (b).
− Bước tiếp theo là bơm canxi vào trong xoang (lumen) ở những vị trớ liờn kết ỏi lực thấp (Hx E2 -P) (c). Sau đú liờn kết P- ATPase sẽ được thuỷ phõn và bơm quay về dạng ban đầu (Hx E) (d). Khi thay đổi từ trạng thỏi E2 sang trạng thỏi E thỡ vị trớ liờn kết với ion quay ngược ra về phớa nội bào và ỏi lực của chỳng với ion Ca tăng lờn gấp một nghỡn lần (d).
− Vanadat kỡm chế sự vận chuyển ion Ca và hoạt động của enzym ATPase nhờ sựổn định hỡnh dạng E2.
− Sự kiểm soỏt của chu trỡnh phản ứng được đảm bảo bởi sự kết cặp giữa cỏc vị trớ liờn kết canxi với vị trớ phosphoryl hoỏ. Điều thỳ vị là 2 vị trớ này nằm rất xa nhau trờn phõn tử Ca2+ - ATPase.
5.2.6.3 Chức năng sinh lý của bơm ion canxi
Bơm ion canxi là một thành viờn của họ P-type ATPase tức là dạng hoạt động của bơm liờn quan với sự phosphoryl hoỏ. Hầu hết chỳng đều kết hợp với sự thuỷ phõn ATP để vận chuyển cỏc ion canxi qua màng ngược với gradient nồng độ. Họ này được phõn biệt chủ yếu nhờđặc tớnh enzym của nú là phosphoryl hoỏ tạm thời của một gốc aspartat trong suốt chu trỡnh phản ứng và bịức chế bởi vanadat.