Tín hiệu Canxi ty thể và Sản xuất ROS

Ngoài việc tạo ra ATP, ty thể còn hấp thu và giải phóng canxi cũng như sản xuất các loại oxy phản ứng (ROS). Canxi đi vào chất nền điều chỉnh hoạt động của các enzyme chuyển hóa và liên kết tín hiệu tế bào với nguồn cung cấp năng lượng, trong khi một phần nhỏ các electron đi qua chuỗi hô hấp rò rỉ đến oxy, tạo thành ROS. Cả hai quá trình này đều là tín hiệu sinh lý, khi quá mức, cũng có thể gây hại cho tế bào.

Definition

Tín hiệu canxi ty thể là quá trình hấp thu, đệm và giải phóng các ion canxi được điều hòa bởi ty thể, điều chỉnh quá trình trao đổi chất; sản xuất ROS là sự hình thành các loại oxy phản ứng, chủ yếu là superoxide, như một sản phẩm phụ của quá trình vận chuyển electron.

Scope

Chủ đề này bao gồm sự hấp thu canxi của ty thể thông qua kênh vận chuyển canxi đơn hướng (calcium uniporter), vai trò của canxi trong việc định hình năng lượng sinh học, các vị trí và hóa học của quá trình sản xuất ROS, ROS vừa là tín hiệu vừa là tác nhân gây căng thẳng, và mối liên hệ giữa quá tải canxi và sự chuyển đổi tính thấm. Đây là tài liệu tham khảo về hóa sinh và sinh lý tế bào, không phải hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Ty thể hấp thu canxi như thế nào và tại sao điều đó lại quan trọng đối với quá trình trao đổi chất?
• Chuỗi hô hấp sản xuất các loại oxy phản ứng ở đâu và như thế nào?
• ROS hoạt động như cả tín hiệu và nguồn gây hại như thế nào?
• Quá tải canxi và sự chuyển đổi tính thấm liên quan đến chết tế bào như thế nào?

Key concepts

• Kênh vận chuyển canxi đơn hướng của ty thể (MCU)
• Điều hòa dehydrogenase phụ thuộc canxi
• Các loại oxy phản ứng (superoxide, hydrogen peroxide)
• Rò rỉ electron tại chuỗi hô hấp
• Hệ thống phòng thủ chống oxy hóa trong chất nền
• Tín hiệu oxy hóa khử
• Lỗ chuyển đổi tính thấm của ty thể

Mechanisms

Canxi đi vào chất nền thông qua kênh vận chuyển canxi đơn hướng của ty thể, được thúc đẩy bởi điện thế màng âm; một khi vào bên trong, nó kích thích một số dehydrogenase trong chất nền, liên kết tín hiệu canxi với hoạt động hô hấp tăng cường. Trong quá trình vận chuyển electron, một phần nhỏ electron phản ứng với oxy sớm để tạo thành superoxide, sau đó được chuyển đổi thành hydrogen peroxide và được xử lý bởi các hệ thống chống oxy hóa trong chất nền. Ở mức độ được kiểm soát, các loại oxy phản ứng này hoạt động như các phân tử tín hiệu; khi quá mức, chúng oxy hóa lipid, protein và DNA. Quá tải canxi kéo dài, thường cùng với stress oxy hóa, có thể kích hoạt sự mở của lỗ chuyển đổi tính thấm (permeability transition pore), một con đường dẫn truyền cao liên quan đến việc mất điện thế màng và chết tế bào.

Clinical relevance

Sự điều hòa canxi của ty thể và sản xuất ROS được nghiên cứu trong bối cảnh chuyển hóa năng lượng, stress tế bào và các con đường chết tế bào ở nhiều mô. Mục này mô tả các cơ chế này để tham khảo và không cung cấp hướng dẫn chẩn đoán hoặc điều trị.

History

Sự hấp thu canxi của ty thể đã được chứng minh về mặt hóa sinh vào những năm 1960, nhưng danh tính phân tử của kênh vận chuyển đơn hướng vẫn chưa được biết cho đến năm 2011, khi protein tạo lỗ (MCU) được xác định. Song song đó, các công trình nghiên cứu vào cuối thế kỷ XX và đầu thế kỷ XXI đã xác định các vị trí sản xuất superoxide trong chuỗi hô hấp và làm rõ vai trò kép vừa là tín hiệu vừa gây hại của các loại oxy phản ứng, trong khi lỗ chuyển đổi tính thấm được liên kết với quá tải canxi và chết tế bào.

Debates

ROS ty thể chủ yếu là tín hiệu hay sản phẩm phụ gây hại?

Các loại oxy phản ứng từ ty thể có thể hoạt động như tín hiệu sinh lý ở mức độ thấp và như tác nhân gây tổn thương oxy hóa ở mức độ cao, và sự cân bằng giữa các vai trò này, cũng như các điều kiện làm thay đổi nó, vẫn đang được nghiên cứu tích cực.

Key figures

• Rosario Rizzuto
• Michael P. Murphy
• Martin Crompton

Seminal works

• rizzuto-2012
• destefani-2011
• murphy-2009

Frequently asked questions

Tại sao ty thể hấp thu canxi?

Canxi đi vào chất nền kích hoạt các enzyme chuyển hóa quan trọng, cho phép ty thể điều chỉnh sản xuất năng lượng phù hợp với tín hiệu tế bào; ty thể cũng giúp đệm mức canxi trong bào tương.

Các loại oxy phản ứng luôn có hại phải không?

Không. Ở mức độ thấp, được kiểm soát, ROS ty thể đóng vai trò là phân tử tín hiệu; tác hại chủ yếu phát sinh khi sản xuất của chúng vượt quá khả năng phòng thủ chống oxy hóa của tế bào.