Cấu trúc, chức năng vả tổng hợp huyết sắc tố

Huyết sắc tố (HST) còn gọi là hemoglobin (Hb) là một protein phức có chứa Fe++, làm nhiệm vụ vận chuyển 02 từ phổi đến tổ chức và vận chuyển C02 từ tổ chức về phổi, Hb ở trong hồng cầu và chiếm 33% trọng lượng hồng cầu.

CẤU TRÚC HB

Hb là đại phân tử có 4 dưới đơn vị (tetramère) mà mỗi dưới đơn vị (monomère) có hai phần là hem và globin.

Cấu tạo một dưới đơn vị (monomère)

Một dưới đơn vị của Hb gồm hai phần là: hem và globin.

Hem: là một sắc tố chứa sắt hoá trị (+2), chiếm 4% trọng lượng của huyết sắc tố.

Hem có cấu trúc là một vòng porphyrin có 4 nhân pyrol liên kết với ion Fe** (hình 1.13).

Hình 1.13. Cấu trúc hem

Globin

Là một chuỗi polypeptid (một chuỗi nhiều acid amin liên kết với nhau giữa các nhóm COOH và NH2), đó là một protein, được tổng hợp dựa trên khuôn mẫu gen globin. Có nhiều loại globin thuộc hai họ (họ α và họ không α). Mỗi loại có số lượng và trình tự acid amin đặc trưng, các chuỗi thuộc họ α là: a và ξ(zeta), mỗi chuỗi có 141 acid amin, có cấu trúc gần giông nhau.

Các chuỗi thuộc họ không α là: β, γ, ε, δ mỗi chuỗi có 146 acid amin. Các chuỗi α và không α này không phải có hình dạng bất kỳ mà cấu tạo đặc trưng để tạo nên hình khối, trong đó chứa hem, phân tích chi tiết có các mức độ cấu trúc của từng chuỗi.

Cấu trúc bậc 1: là trình tự các acid amin trong chuỗi như trên đã nói, trình tự này là đặc trưng cho từng loại chuỗi, các acid amin liên kết với nhau bằng liên kết peptid (hình 1.14).

Cấu trúc bậc 2: sự xoắn vòng của chuỗi bậc 1 do các liên kết bằng cầu nối hydro giữa các acid amin đặc trưng, nằm không cạnh nhau (hình 1.15).

Hình 1.14. Cấu trúc bậc 1 chuỗi globin Hình 1.15. Cấu trúc bậc 2 chuỗi globin

Một sự thay đổi cấu trúc bậc 1 cũng có thể thay đổi các acid amin liên kết với nhau ở cấu trúc bậc 2 do đó có thể làm thay đổi cấu trúc bậc 2.

Cấu trúc bậc 3: sự gấp khúc chuỗi globin đã xoắn. Bình thường sau khi xoắn, cấc acid amin trong chuỗi ở các vị trí đặc trưng lại có các liên kết tạo nên sự gấp khúc thành 8 đoạn, không ở trên cùng một mặt phăng, và tạo ra hốc không phân cực để chứa hem.

Cấu trúc bậc 4, tạo phân tử huyết sắc tố

4 dưới đơn vị (monomère) kết hợp với nhau tạo thành một đại phân tử (tetramère) huyết sắc tố. Mỗi dưối đơn vị là một chuỗi globin + nhân hem, các chuỗi

kết hợp với nhau theo nguyên tắc giống nhau từng đôi một, trong đó một đôi thuộc họ α và một đôi thuộc họ không α. về cấu trúc không gian thì hai chuỗi giống nhau được xếp đối xứng nhau, 4 chuỗi tạo nên phân tử tựa hình cầu (hình 1.16).

Các loại huyết sắc tố: Tuỳ theo sự kết hợp các loại chuỗi globin, có các loại huyết sắc tố (HST) khác nhau.

Ở người lớn bình thường chủ yếu là HST A (HbA) được tạo thành từ 2 chuỗi α và 2 chuỗi β ký hiệu là a2p2.

HST A2 (HbA2) chiếm tỷ lệ 2-3,5% gồm 2 chuỗi α và 2 chuỗi δ. Ký hiệu là α2δ2 hay αδ/αδ.

HST F (còn gọi HST bào thai vì chiếm tỷ lệ rất cao ở giai đoạn cuối của thai nhi và sơ sinh), có cấu tạo gồm 2 chuỗi αvà 2 chuỗi γ, ký hiệu là α2γ2 hoặc αγ/αγ.

Một số huyết sắc tố ở thời kỳ phôi và thời kỳ đầu của bào thai.

Huyết sắc tố Govver I gồm 2 chuỗi ξ và 2 chuỗi ε, ký hiệu là ξ2ε2

Huyết sắc tô' Gower II gồm 2 chuỗi a và 2 chuỗi 8, ký hiệu là α2ε2 hoặc αε/αε.

Huyết sắc tô' Porland gồm 2 chuỗi ξ, và 2 chuỗi γ, ký hiệu là ξ2γ2 hoặc ξγ/ξγ

CHỨC NĂNG

Huyết sắc tôố ở trong hồng cầu, nhờ chứa Fe++ có thể oxy hoá do vậy có vai trò vận chuyển oxy từ phổi đến tổ chức và vận chuyển C02 từ tổ chức đến phổi, ngoài ra HST còn có vai trò làm đệm để trung hoà các H+ do tổ chức giải phóng ra.

Qua nghiên cứu người ta thấy ái tính với oxy của huyết sắc tôố diễn tiến theo đồ thị hình xích ma, điều đó giúp HST được oxy hoá hoàn toàn ở mao mạch phổi, nơi đó phân áp riêng phần oxy cao (100mm Hg) và giúp HST giải phóng phần lớn oxy ở tổ chức (phân áp oxy ≈ 40mm Hg).

Ngoài ra người ta còn thấy độ bão hoà oxy của HST phụ thuộc vào pH của môi trưòng (hiệu ứng Bohor). Khi pH thấp, đường bão hoà oxy chuyển phải, giúp giải phóng oxy. Khi pH cao, đường thể hiện bão hoà oxy chuyển trái (hình 1.17). Như vậy ở tổ chức chuyển hoá nhiều, pH thấp làm cho HST dễ giải phóng oxy.

TỔNG HỢP HUYẾT SẮC TỐ

Tổng hợp globin: Như trên đã nói globin là chuỗi polypeptid tức là một protein đơn, là sản phẩm của một gen.

Gen globin

Mỗi loại globin là sản phẩm của một gen, nên cũng có 2 họ gen globin (hình 1.18) đó là họ gen α và họ gen không α.

Họ gen α: gồm gen α và gen ξ (zeta) nằm trên cánh ngắn nhiễm sắc thể (NST) 16. Trên 1 NST có 2 gen α và 1 gen ξ ngoài ra có rất nhiều gen giả α (có cấu trúc giống gen α mà nay chưa biết chức năng) như vậy một ngưỜi bình thường có 4 gen α và 2 gen ξ

Họ gen không α gồm các gen β, gen δ, gen Aγ, gen Gγ và gen ε, các gen này nằm trên cánh ngắn NST 11. Gen Aγ và Gγ giống nhau gần hoàn toàn, chỉ trừ codon thứ 136 ở Aγ là mã hoá acid amin alanin, thứ 136 ở Gγ là mã hoá-acid amin glyxin.

Bình thường mọi cơ thể đểu có đủ các gen globin trên nhưng tuỳ từng giai đoạn phát triển từ khi hình thành phôi mà có các gen khác nhau hoạt động để tạo nên các loại huyết sắc tô" (hình 1.19).

Thai

Hình 1.19. Sự phân bố gen globin và tạo thành các loại huyết sắc tố

Đồng thời với các giai đoạn sinh máu trong thời kỳ phát triển phôi thai có các loại tế bào và HST tương ứng. Từ tuân lễ thứ ba, để cung cấp oxy cho phôi, qúa trình sinh máu xuất hiện với các hồng cầu khổng lồ, còn nhân, nơi sinh máu ban đầu là túi noãn hoàng thì các gen ξ và ε hoạt động tạo HST Gower 1 (hình 1.20). Ngay sau đó các gen α, γ cùng hoạt động nên có các HST Gower 1, Govver 2 (α2ε2). portland (ξ2 γ2), HST F (α2γ2) cùng tồn tại trong hồng cầu. Tiếp đó cho đến tuần thứ 32 do 2 gen α và γ hoạt động mạnh nên HST F (α2γ2) là chủ yếu. HST A đã có nhưng chỉ dưới 10%. Sinh máu chủ yếu ở gan và một phần ở lách, hồng cầu có kích thước lớn (trên 120 femtolit). Sau đó HST F giảm dần nhường chỗ cho HST A.

Túi noăn hoàng

Hình 1.20. Sự hoạt động của các gen và sinh hổng cầu qua các giai đoạn phát triển cá thể

Quá trình sao chép, tổng hợp globin

Cũng giống như các gen chỉ đạo tổng hợp protein khác, toàn bộ gen chỉ đạo tổng hợp globin gồm phần điều hoà (có thể ở rất xa) phần khỏi động và phần gen cấu trúc. Phển gen cấu trúc chứa những đoạn ADN mang thông tin để tổng hợp protein (exon) và đoạn không mang thông tin (intron).

Với gen β phần gen cấu trúc có 3 exon được ngăn cách bằng 2 intron, intron 1 dài từ 122 - 130 đôi base, nằm ở sau bộ ba mã hoá thứ 30 của exon 1, intron 2 dài hơn nhiều (850-900 đôi base) nằm ở sau bộ ba mã hoá thứ 104 của phần exon.

Trong các nguyên hồng cầu, tổng hợp globin cũng qua các giai đoạn mã hoá, chín ARN, thông tin và phiên mã.

Mã hoá: (Tổng hợp ARN thông tin tiền thân) với sự có mặt - ARN polymerase - nucleotid - ATP).

Khi gen điều hoà không bị ức chế, gen khởi động bình thường cho phép phần gen cấu trúc giãn xoắn để tổng hợp ARN thông tin, phần mã hoá là toàn bộ gen cấu trúc, (có exon và intron). Muốn quá trình mã hoá xảy ra bình thường thì gen khởi động, vị trí bắt đầu mã hoá (bộ ba bắt đầu), vị trí kết thúc mã hoá (bộ ba kết thúc) và đoạn đánh dấu ARNm tách ra khỏi ADN phải bình thường, đồng thời không xảy ra các đột biến điểm chuyển một bộ ba mã hoá bình thường thành bộ ba kết thúc. Quá trình mã hoá sẽ xảy ra trên một sợi (gọi là sợi có nghĩa) từ đầu 5’ đến đầu 3’

Chín ARNm: (ARN mesage = ARN thông tin) còn gọi là giai đoạn cắt bớt (splicing) là gạt bỏ những phần intron, ARNm tiền thân gấp khúc, đoạn cuối của exon trước nối với điểm khởi đầu exon sau (hình 1.21). Quá trình chín ARN phụ thuộc vào:

Trình tự các nucleotid (base nitơ) đoạn tiếp nối.

Trình tự nucleotid ở trong intron vì có những thay đổi ở phần intron làm thay đổi hình dạng gấp của ARN và việc nôi các exon không thực hiện được.

Phiên mã (dịch mã): với sự có mặt của ribosom, ARNm, ARNt, men, acid amin...

ARNm trưởng thành (chín) ra bào tương, tới các ribosom và các liên kết peptid sẽ nối các acid amin theo trình tự được quy định do các bộ ba nucleotid trên ARNm.

Có 4 loại base nitơ và cứ một bộ ba tạo ra một mã nên sẽ có 60 bộ mã khác nhau.

Có 20 acid amin tham gia hình thành globin.

Người ta thấy:

Có nhiều bộ ba cùng mã hoá một acid amin.

Có bộ ba không nghĩa (cod non sence).

Có bộ ba kết thúc (cod terminal)

Quá trình phiên mã kết thúc có nghĩa sợi polypeptid được hình thành với số lượng, trình tự acid amin đặc hiệu, đó là cấu trúc bậc một của globin.

Bình thường một tế bào nguyên hồng cầu có hai gen β nhưng lại có tối bốn gen α

Người ta thấy lượng ARNm α được tổng hợp nhiều hơn ARNm β nhưng quá trình giải mã của ARNm βnhanh hơn nên lượng chuỗi globin α và β gần tương đương.