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