CƠ CHẾ SINH HỌC CỦA Nitric oxide (NO)

Tổng quan về Nitric oxide

Từ lâu loài người đã tin rằng các tín hiệu giữ vai trò liên lạc giữa các tế bào với nhau là các phân tử phức tạp như protein hay peptide, lipid,… Ngày nay, đã có nhiều bằng chứng rõ ràng rằng có một nhóm phân tử tín hiệu khác, đơn giản hơn nhiều và tồn tại ở dạng khí đóng vai trò thông tin quan trọng trong hầu hết các loại mô của cơ thể.

Nhóm phân tử này bao gồm NO, CO và H2S. Các mục tiêu đặc hiệu của nhóm phân tử này là tế bào cơ trơn, neurons và hệ thống dạ dày ruột. Người ta tin rằng vẫn còn những phân tử tín hiệu khác trong nhóm này sẽ được tìm thấy. Tuy nhiên, khi các lộ trình tín hiệu của các phân tử khác còn đang bỏ ngỏ, cơ chế hoạt động của NO đã được nghiên cứu rất nhiều (hơn 100000 báo cáo riêng lẻ) và người ta đã biết rằng nó là một phân tử thông tin rất quan trọng trong cơ thể.

NO là một phân tử tín hiệu mới được phát hiện (1980s) trong hệ thống sinh học của cơ thể người. Các nhà khoa học phát hiện ra nó bao gồm R. Furchgott, L. Ignarro và F. Murad đã được giải Nobel sinh lý học năm 1998. Nó đóng vai trò quan trọng trong cơ chế cầm máu và trong tế bào cơ trơn (đặc biệt là cơ trơn mạch máu), neuron và hệ thống dạ dày ruột. Do vậy, NO tham gia hầu hết các quá trình sống của chúng ta như sự tỉnh thức, tiêu hóa, chức năng sinh dục, cảm giác đau, cảm giác hài lòng, gợi kí ức và giấc ngủ. Quan trọng hơn cả, cách thức hoạt động của nó sẽ quyết định đến quá trình lão hóa của chúng ta. Nó gần như đóng vai trò quan trọng trong các trường hợp chúng ta chết do bệnh tim mạch, đột quỵ, tiểu đường và ung thư. Các triển vọng mới trong khả năng kiểm soát khả năng của NO mang lại kì vọng cho khả năng nâng cao chất lượng sống của con người trong tương lai.

Hình 36.1: Minh họa sự liên hệ giữa cách hoạt động và nồng độ của NO.

Nhìn ngược lại quá khứ, các nghiên cứu về NO tập trung vào thuộc tính hóa học và hóa sinh học của nó trong cơ thể sống. Tuy nhiên, khi hiểu biết của loài người về hoạt động sinh học và sinh lý học của NO đạt được một số thành tựu, người ta đã xác định được rằng hoạt tính hóa học của NO trên các đáp ứng sinh học đặc hiệu phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ của nó. Dựa vào sự kiểm tra nhiều protein được biết đến như là các chất điều biến post-translational bởi NO/RNS, người ta phát hiện ra rằng NO hoạt động theo nguyên tắc oxi hóa khử. Ví dụ, khi nồng độ NO vào khoảng 10-30 nM, nó hoạt động thông qua lộ trình tín hiệu cGMP của ERK trong cả MCF7 và tế bào nội mô. Ở nồng độ 30-60 nM, NO tham gia lộ trình tín hiệu phosphoryl hóa của Akt. Khi nồng độ lên đến khoảng 100 nM, nó làm cho hoạt tính của yếu tố hypoxia inducible factor (HIF-1α) ổn định. Ở nồng độ trên 400 nM, p53 có thể bị phosphoryl hóa và acetyl hóa. Khi nồng độ của NO vào khoảng đơn vị µM, các quá trình nitro hóa protein (như PARP, poly ADP-ribose polymerase) và các enzyme caspase xảy ra. Nồng độ NO cao như vậy sẽ ức chế hoạt động hô hấp của ti thể.

Yếu tố động học và sự tương tác với các phân tử đích

Hình 36.2: Sự tác động của yếu tố động học đến các hoạt động phụ thuộc vào nồng độ của NO

Có nhiều yếu tố khác nhau trong cơ thể điều hòa nồng độ của NO và vì vậy quyết định sự hoạt hóa các lộ trình tín hiệu khác nhau một cách chọn lọc. Nồng độ NO nội sinh dao động từ mức cơ sở như trong tế bào nội mô (<2 nM) đến mức hoạt hóa toàn bộ đại thực bào (> 1µM). Mức độ dao động nồng độ rộng và thuộc tính hóa học của NO khiến nó trở thành một tác nhân truyền tín hiệu rất linh động trong hệ thống tín hiệu của cơ thể. Trong các tác động phụ thuộc vào nồng độ, các yếu tố tế bào và yếu tố hóa sinh tham gia cùng lộ trình tín hiệu của NO cần phải được tìm hiểu nhiều hơn để có thể hiểu trọn vẹn sự phức tạp và đa dạng về hoạt động của NO. Các yếu tố này liên quan đến lượng NO được tạo thành, khả năng khuếch tán, mức độ hoạt động của các gốc tự do liên quan đến NO (RNS) với phân tử đích.

Cơ chế hình thành NO

Mặc dù có nhiều cơ chế giải thích sự hình thành NO (liên quan đến hoạt động của acid HNO2, HNO3 và sự khử các nitrite nói chung), sự hình thành NO trong động vật có vú là quá trình có sự tham gia của enzyme NO synthase (NOS). Họ enzyme này chuyển arginine thành citrulline và NO trong phản ứng có sự tham gia của NADPH và Oxygen. Cơ chế cụ thể của quá trình tổng hợp NO sẽ được trình bày trong chương “Lộ trình tín hiệu”.

Hình 36.3: Các thành phần cấu thành NOS được mô tả trên sơ đồ trên. Domain có chức reductase trên hình trên được biểu thị kèm với vị trí gắn của hai phân tử flavin. Calmodulin gắn ion Ca2+ và có chức năng hoạt hóa NOS. Cơ chế hoạt hóa NOS bằng calmodulin vẫn còn được nghiên cứu thêm.

Các yếu tố (factors)tín hiệu RNS

NO và các RNS (NO2, ONOO–, N2O3,…) được tạo ra từ NO là các tác nhân tín hiệu quan trọng trong tế bào. RNS có nhiều tác đích trong tế bào, bao gồm các thiols, lipiad và các acmino acid thơm. Quá trình nhiễm độc tế bào nặng (severe cytotoxicity) có thể xảy ra nếu hoạt tính hóa sinh học của các tính hiệu bình thường bị suy yếu do sự biến đổi kết cấu hóa học của các phân tử trên bởi tác dụng của RNS. Do vậy, nồng độ NO cao sẽ làm tăng xác suất của các tương tác hóa học không như ý, khiến tế bào dễ bị nhiễm độc hơn.

Sự hình thành các RNS bởi phản ứng NO/O2– hay NO/O2 xảy ra tại các vị trí khác nhau trong tế bào. Các phân tử hoạt động trung gian có tính ái điện tử, do vậy pKa của các cơ chất có vai trò quyết định yếu tố nhiệt động học của phản ứng. Các RNS cơ bản là N2O3, NO2 và peroxynitrite (ONOO–). Trong đó, peroxynitrite là sản phẩm sinh ra chủ yếu trong quá trình hoạt động của NO, còn N2O3 và NO2 có thể được sinh ra bởi sự tự oxi hóa khử của NO và phản ứng NO/O2–.

Phản ứng NO/O2– tạo thành peroxynitrite là một trong những phản ứng hóa học nhanh nhất trong tự nhiên. Khi O2– có thời gian sống ngắn, phản ứng này xảy ra trong môi trường dung dịch nước của mô. Trong cơ thể, peroxynitrite phản ứng nhanh với CO2, và chỉ trong vài mili giây, nó tạo thành ONOOCO2– và phản ứng tiếp tục xảy ra theo thứ tự sau đây./.