TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 PHÒNG SAU ĐẠI HỌC ---------@-------- BÀI TIỂU LUẬN THỤ THỂ INSULIN VÀ MỐI QUAN HỆ CỦA NÓ VỚI BỆNH TIỂU ĐƯỜNG PHẠM THỊ THU PHƯƠNG LỚP K14 - SINH HỌC THỰC NGHIỆM Hà Nội, 11-2011 MỤC LỤC Phần mở đầu Chương 1: Giới thiệu về Insulin 1.1 Cấu trúc phân tử Insulin 1.2 Vai trò sinh học của Insulin 1.2.1 Tác dụng của Insulin lên quá trình chuyển hóa Hydratcacbon 1.2.2 Tác dụng của Insulin lên quá trình chuyển hóa lipid 1.2.3 Tác dụng của Insulin lên quá trình chuyển hóa protein 1.2.4 Các tác động đáng chú ý khác của Insulin 1.3 Tổng hợp Insulin trong cơ thể 1.4 Điều hòa tổng hợp Insulin Chương 2: Giới thiệu về bệnh tiểu đường 2.1 Dịch tễ học 2.2 Phân loại, nguyên nhân, triệu chứng và hướng điều trị 2.2.1 Tiểu đường typ I 2.2.2 Tiểu đường typ II 2.3. Biến chứng 2.3.1 Biến chứng ở mắt 2.3.2 Biến chứng ở thận 2.3.3 Biến chứng ở tim và mạch máu 2.3.4 Biến chứng acid hóa và tăng áp lực phân tử trong máu (Ketoacidosis and Hyperosmolarity) 2.3.5 Biến chứng của thần kinh 2.3.6 Những biến chứng ở da và nhiễm trùng 2.3.7 Những biến chứng khác Chương 3: Thụ thể Insulin và mối quan hệ của nó với bệnh tiểu đường 3.1 Thụ thể Insulin 3.1.1 Cấu trúc 3.1.2 Hoạt tính tyrosine kinase 3.2 Điều hoà lượng đường trong máu 3.2.1 Điều hoà phân giải glycogen 3.2.2 Sự điều hoà tổng hợp glycogen 3.3 Insulin và các protein vận chuyển glucose Phần kết luận Tài liệu tham khảo MỞ ĐẦU Bệnh tiểu đường là một trong những căn bệnh đe dọa nghiêm trọng tới sức khoẻ của con người. Số người mắc bệnh tiểu đường đang ngày càng tăng, và đương nhiên, sẽ kéo theo sự gia tăng các biến chứng của căn bệnh này như thần kinh, xơ vữa động mạch… Người ta đã tổng kết và thấy rằng tiểu đường là nguyên nhân gây tử vong lớn thứ 2 trên thế giới (sau các bệnh về tim mạch). Điều đó đòi hỏi phải tìm ra những hướng tiếp cận mới cho việc ngăn ngừa và điều trị căn bệnh này. Nguyên nhân gây ra bệnh tiểu đường là do tác động phức tạp giữa gene và các yếu tố môi trường, từ đó dẫn tới sự bất bình thường trong quá trình điều hoà lượng glucose trong cơ thể liên quan tới những vấn đề về hormone Insulin, đây là hormone quan trọng nhất cho quá trình lưu trữ, sử dụng đường, acid amin và acid béo và duy trì lượng đường trong máu. Các hormone có thể gây ra thay đổi lớn trong chuyển hóa với nồng độ thấp là nhờ có sự hoạt động của hệ thống khuếch đại tín hiệu thông tin trao đổi chất ở màng tế bào, trong đó quan trọng nhất là các thụ thể (receptor). Mỗi hormone có một loại thụ cảm thể đặc hiệu, đối vơi Insulin ta có thụ thể Insulin. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng receptor màng tế bào có vai trò sinh học trong hoạt động của tế bào, trong sự nhận diện, truyền tin, tác dụng của hormone. Trong khuôn khổ bài tiểu luận này tôi tìm hiểu về thụ thể Insulin và mối quan hệ của nó với bệnh tiểu đường, hy vọng những kiến thức này sẽ cung cấp cơ sở lý thuyết cho những tìm hiểu sâu hơn của người đọc. Mặc dù trong quá trình làm tiểu luận tôi đã cố gắng thu thập và xử lý tài liệu nhưng chắc không tránh khỏi thiếu sót, rất mong được cô giáo và các bạn góp ý. Tôi xin chân thành cảm ơn. Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2011 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ INSULIN 1.1 Cấu trúc phân tử Insulin Insulin là một hormone protein do tế bào beta của tiểu đảo Langerhans trong tuyến tụy sinh ra. Phân tử protein Insulin tương đối nhỏ, có khối lượng khoảng 6000 Dalton (Da), được cấu tạo bởi 2 chuỗi polypeptide A và B. Các chuỗi A và B liên kết với nhau bằng các cầu disulfua, ngoài ra còn có một cầu disulfua nữa nằm trong chuỗi A. Hình 1: Tuyến tụy trong cơ thể người Ở hầu hết các loài, chuỗi A bao gồm 21 amino acid còn chuỗi B có 30 amino acid. Mặc dù trình tự amino acid của Insulin khác nhau giữa các loài nhưng một số đoạn nhất định của phân tử lại có tính bảo tồn cao, các đoạn đó có chứa vị trí của 3 cầu disunfua, cả 2 đầu của chuỗi A và nhánh bên của của đầu cacboxyl (-COOH) của chuỗi B. Sự tương đồng trong trình tự amino acid dẫn đến cấu trúc 3 chiều của Insulin ở các loài khác nhau rất giống nhau. Insulin tách chiết từ một động vật có khả năng hoạt động sinh học cao trong nhiều loài khác. Các phân tử Insulin có xu hướng tạo thành dạng dime trong dung dịch do hình thành các liên kết hidro giữa các đầu cacboxyl của các chuỗi B. Ngoài ra, khi có mặt các ion kẽm, các dime Insulin liên kết tạo thành hexame. Các mối tương tác này có ý nghĩa rất quan trọng trong điều trị. Dạng monomer và dạng dime dễ dàng khuếch tán vào máu, trong khi đó dạng hexame khuếch tán rất kém. Do đó sự hấp thụ các thuốc chứa hàm lượng hexame cao thường bị chậm và ngưng hẳn. Vấn đề này đã thúc đẩy sự ra đời của một số loại Insulin giả tái tổ hợp. Loại chất đầu tiên như thế được bán trên thị trường là Insulin lispro, phân tử chất này có trật tự Lysin và Prolin trên đầu cacboxyl của chuỗi B bị đảo ngược. Sự cải biến đó không làm mất khả năng gán với thụ thể của Insulin nhưng làm giảm tối đa khuynh hướng hình thành dạng dime và hexame. Hình 2: Cấu trúc phân tử Insulin 1.2 Vai trò sinh học của Insulin Insulin là một trong những hormone điều hòa nồng độ glucose trong máu. Chức năng cân bằng nội môi và năng lượng sinh học này cực kỳ quan trọng bởi vi glucose là nguồn nhiên liệu chính của hô hấp tế bào và nguồn khung cacbon quyết định cần cho tổng hợp các chất hữu cơ. Cân bằng trao đổi chất phụ thuộc vào việc duy trì glucose máu ở gần một điểm ổn định, khoảng 90 mg/ml ở máu người (theo Campbell). 1.2.1 Tác dụng của Insulin lên quá trình chuyển hóa Hydratcacbon Glucose được giải phóng từ tinh bột, saccharose, v.v... nhờ thủy phân khi tiêu hóa thức ăn, sau đó được hấp thu vào máu ở ruột non. Nồng độ glucose cao trong máu kích hoạt sự giải phóng Insulin và Insulin hoạt động trong các tế bào khắp cơ thể nhằm thúc đẩy sự hấp thu, sử dụng và dự trữ glucose. Tác động của Insulin lên trao đổi glucose thay đổi tùy theo mô đích. Các phân tử Insulin tuần hoàn trong dòng máu cho tới khi chúng gắn với thụ thể của chúng trên màng tế bào. Khi đó phức hệ thụ thể - Insulin khởi phát một chuỗi truyền tín hiệu mang thông tin được phát ra bởi Insulin: chuyển glucose ra khỏi huyết tương. Trong một loạt các đáp ứng tế bào do sự hoạt hóa của Insulin gây ra thì chìa khóa trong trao đổi chất glucose là bước làm tăng sự hoạt động của protein vận chuyển glucose GLUT4 glucose transporter. Nhờ sự vận chuyển thuận lợi glucose vào trong tế bào, các GLUT4 đã loại glucose ra khỏi dòng máu một cách hiệu quả. Những thay đổi như vậy kéo dài từ vài phút đến vài giờ. GLUT4 có mặt trên màng tế bào của nhiều loại mô trong cơ thể như mô cơ xương (đốt cháy glucose làm năng lượng), mô mỡ (chuyển glucose thành triglycerit để dự trữ) và mô gan. * Làm tăng sự thoái hóa glucose ở cơ Màng ở tế bào bình thường chỉ cho glucose khuếch tán qua nhưng rất ít (trừ khi có tác dụng của Insulin). Ngoài bữa ăn ra lượng Insulin được bài tiết ra rất ít nên glucose khó được khuếch tán qua màng tế bào cơ. Khi lao động nặng nhọc, tế bào cơ đã sử dụng một lượng lớn glucose mà không cần một lượng Insulin tương ứng (lý do của nó thì chưa được rõ ràng). Khi tế bào cơ đã sử dụng nhiều glucose (vài giờ sau bữa ăn) lúc này nồng độ của g trong máu sẽ tăng lên cao, Insulin sẽ được bài tiết ra nhiều hơn nên đã làm tăng sự vận chuyển glucose vào các tế bào cơ. * Làm tăng dự trữ Glycogen ở cơ Nếu sau bữa ăn mà cơ không vận động thì glucose vẫn được chuyển vào tế bào cơ. Lượng glucose mà không được sử dụng sẽ được tích lũy dự trữ dưới dạng glycogen để được dùng khi cơ thể cần thiết. * Làm tăng thu nhập, dự trữ và sử dụng glucose ở gan Một trong những tác dụng quan trọng nhất của Insulin là làm cho hầu hết glucose được hấp thụ từ ruột vào máu sau bữa ăn trở thành glycogen dự trữ. Sau đó khi đói thì nồng độ glucose trong máu giảm xuống, tuyến tụy dẽ giảm sự bài tiết Insulin. Lúc này glycogen ở gan sẽ được phân giải thành glucose và làm cho nồng độ glucose trong máu tăng lên. Cơ chế của Insulin với sự làm tăng thu nhập, dự trữ g ở gan như sau: Insulin sẽ làm mất hoạt tính của phosphorylase của gan là enzyme phân giải glycogen thành glucose. Insulin làm tăng hoạt tính của enzyme glucokinaza là enzyme phát động sự phosphoryl hóa glucose trong tế bào gan. Khi glucose đã được phosphoryl hóa thì không khuếch tán qua màng để trở lại máu. Vì vậy, Insulin đã làm tăng thu nhập glucose vào tế bào gan. Insulin làm tăng hoạt tính của các enzyme tham gia vào quá trình tổng hợp glycogen ở gan. Khi lượng glucose được đưa vào tế bào gan quá nhiều thì chúng sẽ được dự trữ lại dưới dạng glycogen như đã nói ở trên hoặc là dưới tác dụng của Insulin thì lượng glucose thừa sẽ được chuyển thành acid béo và được chuyển đến các mô lipid để dự trữ lại. * Làm ức chế quá trình tạo ra các loại đường mới Hình 3: Insulin điều hòa lượng glucose trong máu Insulin đã có tác dụng làm giảm số lượng và hoạt tính của các enzyme đã tham gia vào quá trình tạo ra các loại đường mới. Insulin đã có tác dụng làm giảm sự giải phóng các amino acid từ các tế bào cơ va từ các mô khác để vào gan. Do vậy đã làm giảm các nguyên liệu của các quá trình tạo ra các đường mới. Nhờ có tác dụng đó mà Insulin đã có tác dụng làm giảm nồng độ glucose trong máu. 1.2.2 Tác dụng của Insulin lên quá trình chuyển hóa lipid Insulin có tác động quan trọng lên quá trình trao đổi lipit. Các tác động đó bao gồm: * Làm tăng sự tổng hợp acid béo và vận chuyển acid béo đến các mô mỡ Dưới tác dụng của Insulin, một mặt lượng glucose được sử dụng nhiều cho việc tạo ra năng lượng nên đã tiết kiệm được việc sử dụng hết sẽ được tạo thành các acid béo ở gan và được chuyển đến các mô mỡ. Insulin đã làm tăng sự tổng hợp các acid béo nhờ các tác dụng sau đây: Insulin đã làm tăng sự vận chuyển glucose vào các tế bào gan. Khi mà nồng độ của glycogen đã đạt tới mức 5 - 6 % khối lượng của gan. Lúc đó có sự ức chế không cho gan tiếp tục tổng hợp glycogen nữa. Tất cả lượng glucose đã được vận chuyển thêm tới gan sẽ được tạo thành pyruvat rồi thành acetyl CoA để tổng hợp thành các acid béo. Khi glucose đã được sử dụng để tạo thành năng lượng do tác dụng của Insulin thì một lượng lớn iso citrate đã được tạo thành. Các ion này sẽ hoạt hóa enzyme Acetyl - CoA - Cacboxylasa là enzyme cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp các acid béo. Hầu hết các acid đã được tạo thành ở gan sẽ được sử dụng để tạo thành triglycerit là loại mỡ dự trữ. Các triglycerit được đưa từ tế bào gan vào máu ở dạng lipoprotein lipaza có ở thành mạch máu của mô mỡ. Enzyme này sẽ phân giải triglycerit trở lại thành acid béo và hấp thu vào mô mỡ, rồi acid béo lại được chuyển trở lại thành triglycerit. * Làm tăng sự tổng hợp triglycerit từ acid béo để tăng dự trữ lipid ở mô mỡ Insulin có 2 tác dụng sau đây: Insulin sẽ ức chế enzyme xúc tác phản ứng phân giải triglycerit là dạng dự trữ lipid ở mô mỡ. Do vậy đã làm giảm sự giải phóng acid béo vào máu. Insulin có tác dụng tăng cường vận chuyển glucose qua màng tế bào để vào tế bào lipid theo một cơ chế tương tự như vận chuyển glucose qua màng tế bào cơ. 1.2.3 Tác dụng của Insulin lên quá trình chuyển hóa protein * Lên quá trình tổng hợp và dự trữ protein Vài giờ sau khi ăn lượng các chất dinh dưỡng được tăng lên cao trong máu. Do vậy, những glucose, acid béo và cả protein cũng được dự trữ ở mô, do đó Insulin là rất cần thiết cho quá trình này. Cơ chế của Insulin với sự làm tăng dự trữ protein còn chưa được rõ rang như glucose hoặc lipid. Tuy vậy, người ta đã cho rằng Insulin có các tác dụng chủ yếu sau đây: Insulin làm tăng sự vận chuyển tích cực nhiều amino acid vào trong tế bào (valin, leucin, thyroxin....), sau đó cùng với hormone GH, Insulin đã làm tăng khả năng thu nhập amino acid vào tế bào. Insulin đã có tác dụng lên ribosome để làm tăng sự dịch mã RNA thông tin, sau đó tạo thành các phân tử protein mới. Insulin còn làm tăng sự sao chép có chọn lọc phân tử DNA ở nhân của tế bào đích để từ đó tạo thành một lượng lớn RNA thông tin cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp các phân tử protein mới. * Ức chế sự thoái hóa của protein Do vậy đã làm giảm tốc độ giải phóng amino acid ra khỏi tế bào. * Tác dụng lên sự phát triển hình thể Vì Insulin có tác dụng là làm tăng sự tổng hợp protein nên có tác dụng tham gia vào quá trình phát triển hình thể. 1.2.4 Các tác động đáng chú ý khác của Insulin Ngoài các tác động làm tăng glucose đi vào trong tế bào, thúc đẩy sự hấp thụ các amino acid, Insulin cũng làm cho nhiều tế bào tăng tính thấm đối với các ion kali, ion magie và phosphate vô cơ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phosphoryl hóa và sử dụng glucose. Hình 4: Insulin làm tăng tính thấm ion K, Mg và photphat vô cơ 1.3 Tổng hợp Insulin trong cơ thể Insulin được tổng hợp bởi các tế bào tuyến tụy beta. Các tế bào beta sắp xếp thành các bó gọi là các đảo Langerhan trong tụy. insulin được tạo ra từ một phần của một protein lớn hơn để đảm bảo sự gấp nếp đúng. Hình 5: Tổng hợp Insulin trong cơ thể Hình 6: Các bước cải biến sau dịch mã của phân tử Insulin ANRm tiến hành dịch mã một protein gọi là preproinsulin. Preproinsulin bao gồm một trình tự tín hiệu đầu amin giúp tiền chất hoocmon này đi qua màng lưới nội chất tham gia vào quá trình sau dịch mã. Tại quá trình sau dịch mã, trình tự tín hiệu đầu amin không cần thiết nên preproinsulin bị thủy phân tạo thành proinsulin. Sau khi hình thành 3 cầu nối disunfua một số peptitdase sẽ phân cắt proinsulin tạo insulin hoàn chỉnh và hoạt động. Hình 7: Proinsulin và insulin ở người 1.4 Điều hòa tổng hợp Insulin Bằng cơ chế thần kinh và thể dịch * Cơ chế thần kinh Dưới tác dụng của những điều kiện nhất định kích thích vào thần kinh giao cảm và phó giao cảm có thể làm tăng sự bài tiết Insulin. Tuy vậy hệ thần kinh thực vật ít có tác dụng trong việc điều hòa bài tiết Insulin trong trường hợp bình thường. * Cơ chế thể dịch Với nồng độ của glucose: Nếu nồng độ glucose trong máu tăng lên cao đột ngột gấp từ 2 đến 3 lần so với mức bình thường thì Insulin sẽ được bài tiết nhiều hơn và do đó sẽ làm tăng vận chuyển glucose vào gan và cơ cùng các mô khác để làm giảm nồng độ glucose trở về mức bình thường. Với nồng độ của amino acid: Một số amino acid (arginin, lysine...) cũng có tác dụng đến bài tiết Insulin. Nếu nồng độ của các amino acid này được tăng lên thì Insulin cũng được bài tiết ra nhiều hơn. Tuy vậy, nếu chỉ đơn thuần là amino acid thì tác dụng để kích thích bài tiết Insulin yếu hơn so với tác dụng của glucose hay phối hợp với glucose. Một vài hormone tại chỗ: Do thành của ống tiêu hóa bài tiết ra như gastrin, secretin... cũng có tác dụng kích thích tổng hợp Insulin. CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ BỆNH TIỂU ĐƯỜNG 2.1 Dịch tễ học Tiểu đường (diabetes) là bệnh rối loạn về chuyển hóa cacbohydrat, trong đó đường trong máu không bị oxi hóa để giải phóng năng lượng mà tích tụ trong máu ở mức cao (> 1,2g/l) gọi là tăng đường huyết. Ở Mỹ, hằng năm có khoãng 17 triệu người (6%) dân số mắc bệnh tiểu đường, gây tử vong cho 400.000 cư dân Hoa Kỳ và đứng thứ 6 trong các bệnh gây chết người. Tiểu đường phổ biến nhất ở độ tuổi trên 45 tuổi, đối với những người béo phì, ít hoạt động, những người có người thân bị mắc bệnh và những người Châu Phi, Tây Ban Nha, người Mỹ bản xứ. Tỉ lệ mắc bệnh ở nữ giới cao hơn nam. Tại Việt Nam, trong 4 thành phố lớn Hà Nội, Huế, Thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, tỷ lệ bệnh tiểu đường là 4%, riêng quận Hoàn Kiếm (Hà Nội) lên tới 7%. Phần lớn người bệnh phát hiện và điều trị muộn, hệ thống dự phòng, phát hiện bệnh sớm nhưng chưa hoàn thiện. Vì vậy, mỗi năm có trên 70% bệnh nhân không được phát hiện và điều trị. Tỷ lệ mang bệnh tiểu đường ở lứa tuổi 30-64 là 2,7%, vùng đồng bằng, ven biển 2,2%, miền núi 2,1%. Nếu không được phòng chống và cứu chữa kịp thời, bệnh dễ biến chứng, 44% người bệnh đái tháo đường bị biến chứng thần kinh, 71% biến chứng về thận, 8% bị biến chứng mắt. Hiện trên thế giới ước lượng có hơn 190 triệu người mắc bệnh tiểu đường và số này tiếp tục tăng lên. Ước tính đến năm 2010, trên thế giới có 221 triệu người mắc bệnh tiểu đường. Năm 2025 sẽ lên tới 330 triệu người (gần 6% dân số toàn cầu). Tỷ lệ bệnh tăng lên ở các nước phát triển là 42%, nhưng ở các nước đang phát triển (như Việt Nam) sẽ là 170%. 2.2 Phân loại, nguyên nhân, triệu chứng và hướng điều trị Ở những bệnh nhân bị tiểu đường, hàm lượng glucose trong máu cao, làm tăng áp lực thẩm thấu nhưng quá trình hấp thụ glucose vào máu lại yếu. Khi hàm lượng glucose cao vượt quá ngưỡng hấp thụ của thận thì cơ quan này sẽ đào thải glucose theo nước tiểu dẫn đến nước và ion cần thiết cho sự trao đổi chất qua màng tế bào ra ngoài. Có hai loại tiểu đường chính: 2.2.1 Tiểu đường typ I Tiểu đường typ I hay còn gọi là tiểu đường phụ thuộc insulin (IDDM -Insulin Dependent Diabetes Mellitus). * Triệu chứng Xuất hiện đột ngột, nhanh như ăn nhiều, uống nhiều, sút cân nhanh, giảm thị lực, nóng tính, mệt mỏi…thường gặp ở tuổi thanh niên (< 30 tuổi), chiếm từ 1015% số ca * Nguyên nhân Các tế bào beta ở tuyến tụy bị phá hủy, dẫn đến thiếu hụt tổng lượng insulin. Các tế bào này bị phá hủy có thể do nhiều nguyên nhân khác nhau. Do bệnh tự miễn, khi cơ thể tiếp xúc hay bị nhiễm một loại virut tiềm ẩn , chất độc…cơ thể đáp lại bằng cách tạo kháng thể chống tác nhân gây hại đó. Nhưng kháng nguyên virut lại giống với kháng nguyên tế bào tuyến tụy nên kháng thể được hình thành để chống tác nhân gây hại cũng chống lại mô tuyến tụy, gây phá hủy tế bào beta. Đây là phản ứng tự miễn. Các nhà khoa học đã xác định được 20 gen đóng vai trò mẫn cảm với tiểu đường typ I , mặc dù chức năng của nó còn đang được nghiên cứu. Đối với hệ tiểu đường typ I, để điều trị, chỉ cần bổ sung thêm insulin là có thể duy trì được sự sống cho người bệnh. Đối với những bệnh nhân bị tiểu đường typ I không thể kiểm soát tốt đường huyết bằng các loại thuốc uống thì sử dụng liệu pháp Insulin tích cực là chìa khóa để bệnh nhân kiểm soát đường huyết của mình và ngăn ngừa các biến chứng do bệnh gây ra. Liệu pháp insulin tích cực có thể ngăn ngừa hoặc làm chậm tiến triển các biến chứng mạn tính của bệnh ĐTĐ, đặc biệt là các biến chứng thận, mắt, tim mạch... Kết quả các nghiên cứu cho thấy, liệu pháp insulin tích cực có thể: làm giảm nguy cơ bị biến chứng mắt tới hơn 75%; làm giảm nguy cơ bị biến chứng thần kinh tới 60%; và ngăn ngừa hoặc làm chậm tiến triển các biến chứng thận tới 50%. Ngoài ra, nó còn đem lại nhiều lợi ích khác. Ví dụ các bệnh nhân điều trị insulin tích cực, kiểm soát tốt đường huyết thường cảm thấy khỏe hơn, tăng cân và tăng khả năng hoạt động thể lực, làm việc... Liệu pháp insulin tích cực là một phương pháp điều trị tích cực được thiết kế nhằm kiểm soát đường huyết của người bệnh càng gần mức của người bình thường. Liệu pháp này đòi hỏi người bệnh phải tiêm nhiều mũi insulin và kiểm tra đường huyết thường xuyên hằng ngày. Về mục tiêu, các bệnh nhân điều trị insulin tích cực nhằm kiểm soát đường huyết trong mức lý tưởng là: đường huyết trước bữa ăn từ 90 – 130 mg/dL; đường huyết sau bữa ăn 2 giờ nhỏ hơn 180 mg/dL; hemoglobin A1C (chỉ số đánh giá kiểm soát đường huyết trong vòng 3-4 tháng) dưới 6,5%. Ngoài ra, theo tờ MedNews, 5/2007, một số nhà khoa học đã có một công trình nghiên cứu về phương pháp sử dụng tế bào gốc để điều trị bệnh tiểu đường typ 1 bằng cách phục hồi chức năng của tế bào tuyến tụy beta. Khi một người lần đầu tiên được chẩn đoán là mắc bệnh tiểu đường, ở người đó vẫn còn một số tế bào bêta còn khả năng thực hiện chức năng sản xuất insulin, bởi vậy các nhà khoa học tìm cách ngăn chặn sự phá huỷ tiếp theo. Những công trình nghiên cứu trước đây về các kháng thể phong toả những tế bào miễn dịch bị phá huỷ đã chứng tỏ là thành công trong một thời gian nhất định. Ở một công trình nghiên cứu mới đây, liệu pháp miễn dịch đã được kết hợp với các tế bào gốc cấy vào bệnh nhân, xem ra đã cải thiện được chức năng của các tế bào bêta. Ở công trình nghiên cứu này, do các nhà khoa học ở trường Đại học Sao Paulo, Braxin và Northwestern, Chicago thực hiện, các tế bào gốc đã thu được từ máu của bệnh nhân. Tiếp đó, chúng được tiến hành một dạng hoá trị liệu để khỏi bị tế bào miễn dịch tiêu diệt. Sau khi các bệnh nhân được tiêm tế bào gốc, họ được theo dõi về mức độ phụ thuộc insulin và chức năng của tế bào bêta. Kết quả cho thấy 13 trong số 15 bệnh nhân được điều trị bằng phương pháp này đã có thể không cần phải tiêm bổ sung insulin trong khoảng thời gian từ 9 tháng đến 3 năm. Các chuyên gia cảnh báo rằng những kết quả trên vẫn còn mang tính sơ bộ và cần phải tiến hành nhiều nghiên cứu hơn nữa. Tuy nhiên, đó là một phương pháp đầy hứa hẹn, vì xem ra nó không gây ra các tác dụng phụ và do đó rất đáng được tiến hành. Phép điều trị này chỉ có công hiệu đối với những bệnh nhân mới bị mắc bệnh, bởi vì họ vẫn còn các tế bào bêta nguyên vẹn để thực hiện chức năng. Các nhà khoa học cũng đang tìm kiếm các liệu pháp khác cho những bệnh nhân mắc bệnh đã lâu. Tiểu đường typ 1 nếu không được điều trị có thể ảnh hưởng đến cơ chế chuyển hóa chất béo. Do cơ thể không chuyển hóa glucose thành năng lượng, nên chất béo sẽ được dùng để cung cấp năng lượng. Điều này dẫn đến tăng hàm lượng các hợp chất có tính axit trong máu ( thể ketone) can thiệp vào quá trình hô hấp nội bào. 2.2.2 Tiểu đường typ II Tiểu đường typ II, còn gọi là tiểu đường không phụ thuộc insulin (NIDDMnon-insulin-dependent-diabete mellitus. * Nguyên nhân Khi giải phẫu bệnh lý vi thể ở đảo tụy cho thấy: chỉ có 25% bệnh nhân tiểu đường có giảm tiết Insulin, 25% không giảm tiết và 50% tế bào beta tăng tiết. Như vậy tiểu đường typ II đặc trưng bởi sự thiếu hụt insulin, hoặc phổ biến hơn là giảm tính đáp ứng của các tế bào đích đối với insulin do một số thay đổi ở thụ thể dành cho nó ở trên màng tế bào. * Triệu chứng Bao gồm các triệu chứng của tiểu đường typ I, và một số triệu chứng khác như viêm da, sự hồi phục vết thương chậm hoặc khó phục hồi, thường chỉ được phát hiện bởi các triệu chứng của biến chứng, hoặc chỉ được phát hiện tình cờ khi đi xét nghiệm máu trước khi mổ hoặc khi có biến chứng như nhồi máu cơ tim, tai biến mạch máu não; khi bị nhiễm trùng da kéo dài; bệnh nhân nữ hay bị ngứa vùng do nhiễm nấm âm hộ; bệnh nhân nam bị liệt dương Loại tiểu đường typ II chiếm khoãng 90% số ca bị bệnh tiểu đường. Tiểu đường typ II thường xuất hiện nhiều ở lứa tuổi trên 45. Do các triệu chứng của nó xuất hiện chậm nên người bệnh có thể không nhận biết được ngay họ đang mắc bệnh. Mặc khác, các nhà khoa học cho rằng có mối liên quan chặt chẽ giữa béo phì và tiểu đường typ II. Khoãng 80% số người béo phì bị tiểu đường typ II. Việc chữa trị loại bệnh này phải kết hợp giữa tập luyện và chế độ ăn uống để giảm sự kháng insulin và tăng cường việc tiết insulin. Chỉ dùng đủ lượng hidratcacbon cho nhu cầu cơ thể. Ngoài ra, sử dụng thêm thuốc hạ đường huyết như sunfamid hay biguanid. Trong trường hợp thất bại, cần phải điều trị bằng tiêm insulin đơn thuần hay phối hợp với thuốc viên uống. 2.3. Biến chứng Tiểu đường typ I khi bị biến chứng có thể dẫn đến hôn mê đường huyết (một trạng thái vô thức gây ra do lượng đường cực kỳ cao trong máu) hoặc tử vong. Cả tiểu đường typ I và II đều có biến chứng mù, thận hư và bệnh tim. Tiểu đường có thể khiến các mạch máu nhỏ bị tắc; nếu điều này xảy ra ở các mạch máu ở mắt thì sẽ gây bệnh võng mạc, dẫn đến mù. Tiểu đường khiến cho thận mất khả năng lọc chất độc (khoãng 40%). Tắc mạch máu lớn dễ dẫn đến vấn đề về tim mạch (cao huyết áp, nhồi máu cơ tim và đột quỵ), nguy cơ cao gấp 2-4 lần ở những người không bị tiểu đường. Tiểu đường còn có khả năng gây tổn thương thần kinh ngoại biên, mất cảm giác, đặc biệt ở chân, tổn thương thần kinh thực vật và nhiễm trùng. Hình 8: Cơ chế bệnh tiểu đường gây ra biến chứng 2.3.1 Biến chứng ở mắt Mờ mắt và mù loà là những biến chứng thường xãy ra ở người bệnh tiểu đường. - Biến chứng ở dây thần kinh não (cranial nerve palsies): liệt thần kinh thị giác (cranial nerve III), thần kinh vận động trong và ngoài của mắt (cranial nerves IV & VI) đưa đến rối loạn thị giác (thấy một thành hai-double vision) và rối loạn vận động mắt (mắt lé-motility disorders). - Biến chứng ở tinh thể (lense) đưa đến vảy cá hay cườm mắt (cataract), có thể làm tăng áp nhản (glaucoma) và bị mù loà. - Biến chứng ở thủy tinh thể (vitreous) đưa đến chứng cườm xanh (vitreous hemorrhage) có thể đưa đến mù loà. - Biến chứng ở võng mạc (retina) làm xuất huyết (bleeding), và tróc võng mạc do xuất huyết (retina detachment), và những mạch máu mới xuất hiện nhiều làm mù mắt (neovascularization) và cũng đưa đến mù loà. - Biến chứng ở con ngươi (iris) do những mạch máu mọc nhiều (neovascularization) nhưng thiếu dưỡng khí (oxygen) Thường những biến chứng ở mắt xuất hiện trong vòng 5 năm nếu bệnh không được điều trị. Hình 9: Những biến chứng ở mắt do bệnh tiểu đường 2.3.2 Biến chứng ở thận Bệnh tiểu đường loại 2 gây ra 60% của tất cả các trường hợp suy thận (kidney failure) và cần phải được lọc máu (kidney dialysis). Ghép thận (kidney transplant) do bệnh tiểu đường đứng hàng đầu chiếm tổng số 40% các trường hợp. Biến chứng này xãy ra nhiều ở da đen và da màu. Hình 10: Các giai đoạn dẫn đến suy thận trong bệnh tiểu đường type 2. 2.3.3 Biến chứng ở tim và mạch máu Hình 11: Biến chứng ở tim và mạch máu Thường bệnh nhân đến với bác sỉ là những triệu chứng thiếu máu cơ tim (ischemic heart disease), khó thở do suy tim (heart failure), tai biến mạch máu nảo (stroke), hoặc chân bị lở không lành, và các vị bác sỉ phát giác ra bệnh nhân của mình có tiểu đường loại 2. Người bệnh tiểu đường loại 2 có cơ hội bị bệnh về tim 2-4 lần người bình thường. Nếu họ hút thuốc thì con số này sẻ lên đến 10 lần nhiều hơn. Vì thế, việc bỏ thuốc lá rất là quan trọng. Biến chứng này xảy ra sau khi mạch máu ở tim hay động mạch cổ (carotid arteries) hay chân tay bị ngẻn đến 90%, triệu chứng mới bắt đầu xuất hiện. * Ở tim: đau ngực (chest pain) kèm theo khó thở (short of breath). Người bệnh có cãm giác như có một người nặng 500 cân (lbs.) ngồi lên trên ngực của mình. Đau có thể lan lên đến vai trái và cổ (left shoulder and neck). Đau lan xuống tay trái. Đó là triệu chứng thiếu máu cơ tim (ischemic heart/angina). Nếu triệu chứng kéo dài hơn 20 phút, bệnh nhân bị nhồi máu cơ tim (heart attack/myocardial infarction) và đua đến trụy tim mạch (cardiovascular collapse). Bệnh nhân chết nếu không điều trị kịp thời. Bệnh này nhiều nhất ở người trẻ tuổi (dưới 65 tuổi). Từ 18-44 tuổi có biến chứng tim nhiều hơn người bình thường 4 lần. Từ 45-64 tuổi co biến chứng tim 3 lần nhiều hơn người bình thường. 65 tuổi hay lớn hơn có biến chứng tim 2 lần nhiều hơn người bình thường. * Tai biến mạch máu não (stroke): Hình 12: Mỡ bám trong thành động mạch cổ Thường xảy ra ở người bệnh tiểu đường lớn hơn 65 tuổi. Chiếm tỉ lệ 9% của tất cả các người bị bệnh tiểu đường. Ở lứa tuổi 45-64 tuổi, người bị bệnh tiểu đường có biến chứng này nhiều hơn người bình thường cùng lứa tuổi 5 lần. Biến chứng này do mỡ đọng trong thành mạch máu nảo. Những mãnh vở của lớp mỡ này tạo ra sự tắc nghẽn mạch máu. Hoặc thành mạch máu quá cứng dễ bị vở và gây ra xuất huyết trong não. * Ở chân, tay: đau chân hoặc tay khi làm việc hay đi bộ. Nếu nghỉ ngơi, sự đau đớn sẻ thuyên giãm (claudication). Nặng hơn nửa, chân hay tay bị lở loét và thúi (gangrene). Đến giai đoạn này phải cưa chân hay tay. Biến chứng tim mạch xảy ra rất nhanh nếu bệnh nhân hút thuốc. Bệnh lở loét chân chiếm 15% số người bệnh tiểu đường trong suốt cuộc đời của họ. 6-43% người bệnh tiểu đường bị cưa chân. 55% người bệnh tiểu đường bị cưa chân xảy ra ở người lớn hơn 65 tuổi. 2.3.4 Biến chứng acid hóa và tăng áp lực phân tử trong máu (Ketoacidosis and Hyperosmolarity) a) Biến chứng acid hóa Biến chứng này thường xãy ra khi đường trong máu tăng quá 30 mmol/L (545 mg/dL). Thường xãy ra ở bệnh tiểu đường loại 1. Ở bệnh tiểu đường loại 2, biến chứng này rất hiếm khi xãy ra. Nó phải có những điều kiện thuận lợi trước (predisposition factors) như có ketone trong máu và acid hóa máu (trong trường hợp bệnh nhân ăn ít chất bột/ low carbohydrate và nhiều thịt & mở tạo ra tình trạng ketosis và mild acidosis). Biến chứng này xảy ra rất nhanh. Nếu không điều trị kịp thời, bệnh nhân có thể chết trong vòng vài giờ cho đến vài ngày. Biến chứng xảy ra khi ketone tích tụ nhiều trong máu và nồng độ acid cao hơn bình thường. Chúng ta có thể ngửi thấy mùi ketone (giống như mùi thuốc rửa móng tay của qúi bà) trong hơi thở của bệnh nhân. b) Biến chứng tăng áp lực phân tử Giống như biến chứng vừa kể trên, khi đường lên cao qúa nhưng không có ketone và acid hoá máu. Khi đường trong máu lên quá cao, làm khô nước trong các tế bào và các cơ quan nội tạng. Bệnh nhân bắt đầu với đi tiểu nhiều và khát nước nhiều, sau đó người lờ đờ và hôn mê. Hai biến chứng trên thường xảy ra khi bệnh nhân tiểu đường loại 2 không được chửa trị và có một hay nhiều bệnh cấp tính (acute ilnesses) đi kèm theo như nhiễm trùng nặng, nghẻn ruột, phỏng nặng (severe burn)… 2.3.5 Biến chứng của thần kinh Biến chứng của dây thần kinh gây bởi đường trong máu lên cao làm hư hại những mạch máu bên cạnh dây thần kinh hoặc mạch máu nuôi dây thần kinh. Sự thiếu máu hoặc chèn ép dây thần kinh đưa đến những hư hại của dây thần kinh. Nó làm ảnh hưỡng đến sự dẩn truyền của dây thần kinh. Cùng với những yếu tố di truyền và chấn thương nhiều lần ảnh hưởng lên những hư hại này, gây ra biến chứng của dây thần kinh. Thường những biến chứng này đưa đến cưa chân hoặc tay (amputation. Thường những triệu chứng khởi đầu là: - Đau, rát. - Mất cãm giác về sờ mó (tactile sensation), cãm giác nóng lạnh (thermal sensation). - Bại liệt (motor) một phần cơ thể như lé mắt, một vật có hai hình (diplopia)… Biến chứng có thể ảnh hưởng đến một vùng nhỏ (focal neuropathies) hay một vùng rộng lớn (diffuse neuropathies). 2.3.6 Những biến chứng ở da và nhiễm trùng Hầu hết những người bệnh tiểu đường loại 2 có hệ thống miễn nhiễm yếu đi do đường máu cao ảnh hưởng đến. Những nhiễm trùng thường xảy ra. Khi nhiễm trùng xảy ra, đường máu sẽ lên cao mặc dù chúng ta có điều trị nhiều loại thuốc khác nhau. Cho nên, một người với tiểu đường loại 2 khó kiểm soát đường máu, điều đầu tiên là người bệnh khám tổng quát nhất là về nhiễm trùng. Ngoài ra, nhiễm trùng ở dạ dày do vi khuẩn Helicobacter pylori và những nhiễm trùng ở mắt, cổ họng và cơ quan sinh dục do vi khuẩn Chlamydia trachomatis thường giúp làm vỡ những mảnh mỡ đóng trong thành mạch máu và gây ra nhồi máu cơ tim (myocardial infarction) hay tai biến mạch máu não (stroke). Tỉ lệ những vi khuẩn này được tìm thấy trong 2 biến chứng vừa kể lên đến 30%. Nếu chúng ta không điều trị những vi khuẩn này, 2 biến chứng ở tim và não sẻ xảy ra trở lại. Ngoài ra, vi khuẩn Staphylococci và Helicobacter pylori cũng gây ra nhiễm trùng ngoài da lâu ngày sẽ tạo ra những bệnh ngoài da kinh niên như bệnh vảy nến (psoriasis vulgaris). 2.3.7 Những biến chứng khác Bệnh tiểu đường gây biến chứng hầu hết các cơ quan của cơ thể của người bệnh. Hầu hết, các biến chứng gây bởi đường trong máu lên cao lâu ngày. Điều quan trọng nhất là chúng ta giữ đường trong máu bằng với người bình thường. Những người quá yếu, ta giữ đường càng gần mức bình thường càng tốt. Nó giúp ta giãm biến chứng nhưng điều tốt nhất là ta chận bệnh tiểu đường loại 2 trước khi nó xảy. Điều này hiện nay chúng ta có thể làm được dể dàng nếu chúng ta hiểu được thế nào là bệnh tiểu đường loại 2 và đặt quyết tâm ngừa nó. CHƯƠNG 3 THỤ THỂ INSULIN VÀ MỐI QUAN HỆ CỦA NÓ VỚI BỆNH TIỂU ĐƯỜNG 3.1 Thụ thể Insulin 3.1.1 Cấu trúc Receptor dành cho insulin chính là một protein kinase chuyển nhóm phosphat từ ATP đến cho nhóm hydroxyl của gốc tyrosine (không phải cho Ser hoặc Thr). Thụ thể insulin gồm có hai chuỗi α giống nhau nhô ra phía mặt ngoài của màng sinh chất và hai tiểu đơn vị β xuyên màng có tận cùng C nằm ở phía nội bào. Các chuỗi α chứa các vùng liên kết với insulin và các chuỗi β có vùng hoạt tính tyrosine kinase. Hình 13: Thụ thể Insulin Thụ thể insulin có dạng cấu trúc phân tử giống với hàng loạt thụ thể hormon khác và cũng tương tự như cấu trúc của thụ thể nhận biết yếu tố sinh trưởng. Tất cả chúng đều giống nhau về cấu trúc và đều có hoạt tính tyrosine kinase. Chẳng hạn các thụ thể EGF (yếu tố tăng trưởng biểu bì) và PDGF (yếu tố tăng trưởng bắt nguồn từ tiểu cầu) đều có cấu trúc và trình tự acid amin gần giống nhau và đều có hoạt tính tyrosine kinase ở vùng tận cùng C nằm trong tế bào. 3.1.2 Hoạt tính tyrosine kinase Hình 14 : AMP vòng - nhân tố quyết định đến hoạt tính của Protein kinase A Insulin liên kết với các chuỗi α, hoạt hoá hoạt động tyrosine kinase của các chuỗi β. Trước tiên enzym phosphoryl hoá các gốc tyrosine của chính bản thân chuỗi β và sự tự phosphoryl hoá này tạo cho enzym tiếp tục phosphoryl hoá các protein khác của màng hoặc của tế bào chất (cytosol). Mặc dù trình tự chi tiết của các sự kiện cho phép hiểu biết sâu sắc sự kích thích của insulin đối với quá trình hoạt hoá chưa được đầy đủ nhưng dường như sự liên kết của insulin với thụ thể của nó sẽ khởi đầu một dòng thác (cascade) phosphoryl hoá, trong đó thụ thể hoạt hoá protein kinase thứ hai, tiếp theo protein lại hoạt hoá protein thứ ba hoặc serine kinase hoặc threonine kinase. Cuối cùng sự phosphoryl hoá các gốc Ser hoặc Thr làm biến đổi hoạt tính của một hoặc nhiều enzym quan trọng đối với chức năng của tế bào. Như vậy, insulin đã tác động trúng đích của nó. Các bệnh nhân bị bệnh tiểu đường typ II đối kháng insulin vẫn tiết insulin bình thường nhưng các mô của chúng không trả lời đối với insulin của bản thân hoặc đối với insulin được tiêm vào cơ thể. Ở những người mắc bệnh này vùng hoạt tính tyrosine kinase của thụ thể insulin đã bị đột biến. Insulin vẫn liên kết bình thường với thụ thể đã đột biến nhưng vùng tyrosine kinase của thụ thể bị bất hoạt và hậu quả liên kết của insulin không xảy ra theo hướng bình thường. Hình 15: Cơ chế tác động của Insulin điều hòa nồng độ glucose trong máu 3.2 Điều hoà lượng đường trong máu Cơ thể hấp thụ glucose theo 2 con đường: trực tiếp từ thức ăn và gián tiếp từ các acid amin và lactate thông qua quá trình tân tạo glucose. Glucose cung cấp năng lượng có thể oxy hoá cho các mô để duy trì sự sống. Lượng glucose được tiêu thụ hàng ngày chủ yếu là do các hoạt động của bộ não (75%) thông qua con đường hiếu khí. Còn lại là do hồng cầu, cơ xương và cơ tim tiêu thụ. Lượng glucose bình thường trong cơ thể là 12 mg/l (khoảng 6mM). Khi lượng glucose trong máu tăng lên thì nó được tích luỹ dưới dạng glycogen, nằm chủ yếu trong gan, cơ và một phần trong thận và ruột. Glycogen ở cơ gấp 2 lần ở thận. Glycogen ở cơ không thể có sẵn để cung cấp cho các mô vì cơ thiếu enzyme glucose-6-phosphatase. Glycogen tích luỹ ở gan được xem là chất dự trữ chính của đường trong máu. Khi cơ thể mệt mỏi, dấu hiệu của sự thiếu glucose, thì glycogen sẽ bị phân giải. Sự điều hoà lượng đường trong máu được thực hiện thông qua 2 con đường chính là phân giải và tổng hợp glycogen. 3.2.1 Điều hoà phân giải glycogen Quá trình phân giải glycogen được thực hiện nhờ enzyme glycogen phosphorylase. Nó là một enzyme đồng nhị chuỗi, có 2 dạng đồng phân là mạch thẳng T và dạng hoạt động R. Khi ở dạng R, chúng có thể liên kết với glycogen. Cấu trúc R này được tăng cường nhờ sự liên kết của ATP và bị ức chế bởi việc liên kết với ATP hoặc glucose-6-phosphate. Nhờ quá trình phosphoryl hoá mà enzyme này thực hiện quá trình biến đổi hoá trị như một cách để điều hoà hoạt tính của nó. Hoạt tính tương đối của enzyme phosphorylase không bị cải biến tạo ra glucose-1phosphate, xâm nhập vào quá trình phân giải glycogen, cung cấp ATP để duy trì sự sống. Khi lượng đường trong máu thấp, tuyến tuỵ tiết ra glucagon, một polypeptit dài 29 acid amin, liên kết với các thụ thể bề mặt tế bào gan và một vài tế bào khác, làm hoạt hoá adenylate cyclase. Việc hoạt hoá này đã dẫn tới việc tăng cường sự hình thành cAMP. Khi cAMP liên kết với các tiểu đơn vị điều hoà của PKA sẽ dẫn tới việc giải phóng và hoạt hoá tiếp của các tiểu đơn vị có chức năng xúc tác. Các tiểu đơn vị sau đó sẽ bị phosphoryl hoá một số protein chứa gốc Serine và Threonine. Sự phosphoryl hoá của enzyme PKA sẽ hoạt hoá enzyme này rồi bản thân nó sẽ phosphoryl hoá enzyme phosphorylase-a bất hoạt thành dạng phosphorylase -b. Ezyme phosphorylase b sau đó tăng hoạt tính và tiến hành phân huỷ glycogen. Cùng lúc đó, quá trình phosphoryl hóa glycogen synthase lại kìm hãm hoạt động của enzym này. Dạng bất hoạt của glycogensynthase chính là dạng đã bị phosphoryl hoá. Hình 16: Cơ chế điều hoà phân giải glycogen thông qua con đường bất hoạt glycogen synthase PKA: Protein kinase phụ thuộc vào cAMP. PKC: Protein kinase C, một dạng kinase hoạt động phụ thuộc Ca2+ (80kDa) PPI-1: Chất ức chế phosphoprotein phosphatase - 1 PLCγ: Phospholipase C-γ phân giải P1P2 → IP3 + DAG Epinephrine (adrenalin) là hormon tuyến thượng thận có tác dụng trả lời lại các tín hiệu thần kinh, cần cho việc tăng cường sử dụng glucose của cơ. Khi hormon này liên kết với các thụ thể trên bề mặt tế bào cơ gây ra quá trình phân huỷ glycogen tương tự, nhưng đồng thời cũng gây ra sự bất hoạt enzym tổng hợp glycogen là glycogen sythase bằng một cơ chế phosphoryl hoá enzym này. Sự điều hoà hoạt tính PK (kinase của phosphorylase) còn chịu ảnh hưởng của hai cơ chế khác nhau, liên quan đến ion Ca2+. Một là thông qua hoạt động chức năng của một tiểu tiểu đơn vị của PK là Calmodulin mà Ca2+ có thể điều hoà được enzyme này. Khi calmodulin liên kết với Ca2+ ,nó có tác dụng làm tăng hoạt tính xúc tác của PK đối với cơ chất của nó, (phosphorylase b). Do sự phân giải glycogen trong các tế bào cơ được tăng cường khi có sự kích thích co cơ nhờ acetylcholine. Khi acetylcholine được giải phóng từ các synap cơ thần kinh, nó sẽ khử cực tế bào cơ, dẫn tới việc tăng cường phóng thích Ca 2+ của tế bào cơ, qua đó hoạt hoá PK. Vì vậy, khi Ca2+ nội bào tăng lên sẽ làm tăng tỷ lệ co cơ, tăng sự phân giải glycogen, giải phóng ATP. Con đường thứ hai là con đường trung gian thông qua sự hoạt hoá của adrenalin đối với các thụ thể α-adrenergic (hình 10). Hình 17: Điều hoà phân giải glycogen bằng kinase của phosphorylase nhờ sự hoạt hoá epinephrine đối với các thụ thể α-adrenergic PLC-γ: phospholipase C-γ. PIP2: phosphatidyl inositol - 4,5- bisphosphate, cơ chất của PLC-γ. IP3: inositol triphosphate. DAG: diacyl glycerol. PK: Phosphorylase kinase (kinase của phosphorylase) Thụ thể α-adrenergic ghép cặp thông qua protein G để hoạt hoá PLC-γ, qua đó làm tăng sự thuỷ phân của PIP2 màng tế bào, tạo ra sản phẩm là IP3 và DAG. DAG liên kết và hoạt hoá PKC (Protein kinase C), một enzyme phosphoryl hoá nhiều cơ chất. Một trong những enzyme được phosphoryl hoá nhờ PKC là glycogen synthase. Khi IP3 liên kết với thụ thể trên bề mặt của lưới nội chất, sẽ giải phóng ra Ca2+. Ca2+ sau đó sẽ tương tác với các tiểu đơn vị calmodulin của PK (kinase của phosphorylase) rồi hoạt hoá PK. Ca2+ cũng hoạt hoá PKC khi liên kết với DAG. Để kết thúc hoạt động của enzyme hoạt hoá glycogen phosphorylase cần phải có quá trình loại bỏ nhóm phosphate để cho enzyme đã hoạt hoá trở về dạng enzyme bất hoạt. Trong trường hợp Ca2+ cảm ứng sự hoạt hoá thì nồng độ Ca 2+ giải phóng ra từ tế bào cơ phải được kết thúc khi các tín hiệu thần kinh ngừng lại. Sự loại bỏ nhóm phosphate của PK đối với phosphorylase b được thực hiện nhờ enzym phosphoprotein phosphatase (PP-1). Đây là enzym phân giải tách gốc phosphate của các phospho – protein. Hoạt tính của PP1 cần phải được điều hoà khi các gốc phosphate định vị trên các enzyme đó được loại bỏ ngay. Điều này sẽ được hoàn thành khi PP1 liên kết với chất ức chế PPI-1. PPI chỉ liên kết được với PP1 khi nó bị phosphoryl hoá bởi PKA. Đồng thời, nó cũng bị khử phosphoryl hoá nhờ PP1 (hình 11). 3.2.2 Sự điều hoà tổng hợp glycogen Glycogen synthase là enzyme tổng hợp glycogen, tồn tại ở dạng tetremer và có 4 tiểu đơn vị giống nhau. Sự phosphoryl hoá các gốc Serine của các tiểu đơn vị này sẽ điều hoà hoạt tính của glycogen synthase. Ở trạng thái không phosphoryl hoá, enzyme có hoạt tính và không cần glucose-6-phosphate như một chất hoạt hoá và ngược lại. Hai dạng enzyme này là đồng nhất bởi cùng một hệ danh pháp khi được sử dụng cho glycogen phosphorylase. Dạng hoạt động không bị phosphoryl hoá là synthase-a, còn dạng phụ thuộc vào glucose-6-phosphate là synthase-b là dạng đã bị phosphoryl hóa (đã gắn phosphat) là dạng bất hoạt. Sự phosphoryl hoá synthase xảy ra để trả lời lại sự hoạt hoá hormon của PKA. Kinase của synthase phosphorylase cũng là enzyme phosphoryl hoá glycogen phosphorylase. Có ít nhất 5 enzyme phosphoryl hoá trực tiếp glycogen synthase. Trong số đó có PKA, một enzyme phosphoryl hoá glycogen synthase quan trọng, hoạt động độc lập với việc tăng nồng độ cAMP là GSK-3. Sự phosphoryl hoá của mỗi enzyme xảy ra ở các gốc Serine khác nhau. Hình 18: Điều hoà tổng hợp glycogen thông qua con đường phosphoryl hóa và dephosphoryl hóa (theo King, 1996) GSK: protein kinase phụ thuộc vào calmodulin, là glycogen synthase kinase (enzym phosphoryl hóa glycogen synthase). CK I, II là 2 dạng Casein kinase. Glycogen synthase b dạng bất hoạt (-ve) là dạng đã được phosphoryl hóa. Hoạt tính của glycogen synthase cũng có thể bị ảnh hưởng khi epinephrine liên kết với các thụ thể α-adrenergic thông qua con đường điều hoà glycogen phosphorylase. Khi thụ thể α-adrenergic bị kích thích thì sự hoạt hoá của PLC-g và sự thuỷ phân PIP2 tăng lên. Sản phẩm của quá trình thuỷ phân PIP2 là DAG và IP3. DAG và ion Ca++ được giải phóng ra nhờ IP3 hoạt hoá PKC, enzyme phosphoryl hoá và bất hoạt glycogen synthase. Sự phản hồi của Ca++ là sự hoạt hoá PKC. Ảnh hưởng của quá trình phosphoryl hoá dẫn tới những hiệu quả sau: 1. Giảm ái lực của synthase đối với UDP-glucose. 2. Giảm ái lực của synthase đối với glucose-6-phosphate. 3. Tăng ái lực của synthase đối với ATP và Pi. Sự chuyển hoá trở lại của synthase b bất hoạt thành synthase a là dạng hoạt động đòi hỏi sự khử phosphoryl hoá bởi PP1 (Phosphoprotein phosphatase). Hoạt tính của PP1 cũng chịu ảnh hưởng của insulin, một hormon tuyến tụy có tác dụng ngược lại với glucagon và epinephrine. 3.3 Insulin và các protein vận chuyển glucose Hiện nay người ta đã tìm ra 12 loại protein vận chuyển glucose (Glucose Transporters – GLUT) được mã hoá trong genom của người và được ký hiệu là: GLUT 1, GLUT2, GLUT3, GLUT4... .v.v. GLUT 1 có mặt ở tất cả các mô tê bào và có chức năng điều hoà tổng thể sự cân bằng hấp thu glucose. GLUT2 có mặt chủ yếu ở mô gan, đảo tụy và các mô ruột, GLUT3 có mặt ở mô não thần kinh, GLUT4 phổ biến ở các tế bào cơ xương, mô mỡ và tim. Đáng chú ý là nhờ các GLUT1 sự vận chuyển glucose từ ngoài tế bào vào hồng cầu tăng gấp 50 ngàn lần so với không có sự xúc tác của GLUT1. GLUT1 là một protein có khối lượng 45kDa, với 12 mảnh k ỵ nước xoắn α xuyên qua màng lipid. Vai trò của insulin là làm tăng cường hoạt động của GLUT4, trong khi đó GLUT2 thực hiện chức năng lấy đi sự dư thừa của glucose trong máu sau các bữa ăn chứa nhiều đường và điều hoà sự giải phóng insulin ở đảo tụy. Do đó sự hoạt động và tổn thương của các GLUT2, GLUT4 có liên quan chặt chẽ tới bệnh tiểu đường, đặc biệt là bệnh tiểu đường typ I. Quá trình vận chuyển glucose qua màng có thể được mô tả tương tự như một phản ứng enzym trong đó "cơ chất" là glucose ở ngoài màng tế bào (S-out) và "sản phẩm" của phản ứng là glucose bên trong tế bào (S-in) và enzym được coi là GLUT (ký hiệu T). Người ta đã thiết lập được phương trình tốc độ của quá trình vận chuyển glucose theo Michaelis-Menten : v0 = Vmax[ S] out K t + [ S] out Trong đó, v0 là tốc độ tích luỹ ban đầu glucose nội bào khi nồng độ của nó ở môi trường xung quanh là Sout và Kt là hằng số vận chuyển tương tự Km trong phương trình Michaelis-Menten GLUT 4 có mặt ở tế bào cơ xương và cơ tim, tế bào mô mỡ có hoạt động tăng lên nhờ tác dụng của insulin được phóng thích từ đảo tuỵ β vào máu. Cơ chế điều hoà sự hấp thụ Glucose từ máu đưa vào tế bào cơ và tế bào mô mỡ (để chuyển hoá thành triacylglycerol) sau bữa ăn nhiều chất đường (carbohydrate) nhờ hoạt động của GLUT 4 như sau: Giữa các bữa ăn chỉ có một số GLUT 4 có mặt trên bề mặt tế bào, nhưng chúng có rất nhiều ở trong các bóng màng bên trong tế bào. Khi nồng độ glucose trong máu tăng lên sau bữa ăn sẽ có tín hiệu insulin được phóng thích vào máu để làm giảm nồng độ glucose của máu. Thụ thể tiếp nhận insulin trên màng bằng cơ chế hoạt động tyrosine kinase của chính thụ thể truyền tín hiệu huy động các bóng màng chứa GLUT 4 di chuyển lên bề mặt màng bằng cơ chế dung hợp với màng sinh chất để bộc lộ các GLUT 4 với nồng độ cao trên bề mặt tế bào làm cho tốc độ thu nạp glucose của tế bào tăng lên 15 lần hoặc lớn hơn so với bình thường. Khi nồng độ insulin trong máu giảm đi, các GLUT4 bề mặt sẽ được di chuyển vào nội bào bằng cơ chế nhập bào (endocytosis) để tạo thành các bóng màng chứa GLUT 4 bên trong tế bào. Trong bệnh tiểu đường týp I, do tế bào tuỵ đảo β bị phá huỷ nên tín hiệu tiết insulin bị mất, do đó khả năng hoạt động di chuyển của GLUT4 trên bề mặt tế bào không thực hiện được. Hậu quả là bệnh tiểu đường týp I xuất hiện. Trong trường hợp bệnh tiểu đường týp II, vai trò của thụ thể insulin không được thực hiện do bị tổn thương cấu trúc của các phần tiểu đơn vị có hoạt tính tyrosine kinase đã bị tê liệt hoặc đột biến cấu trúc hoặc do rối loạn chức năng trao đổi chất. KẾT LUẬN Insulin là một hormone protein được tiết ra từ tuyến tụy có nhiều tác động khác nhau nhưng quan trọng nhất là điều hòa lượng glucose trong máu. Khi lượng Insulin sản xuất ra bị thiếu hụt hoặc tế bào đích giảm tính đáp ứng với nó thì sẽ gây ra bệnh tiểu đường. Đây là một trong những căn bệnh đe dọa nghiêm trọng đến sức khỏe con người do nó còn kéo theo nhiều biến chứng nguy hiểm khác. Có hai thể bệnh tiểu đường là tiểu đường typ I và tiểu đường typ II. Receptor của Insulin là một protein kinase chuyển nhóm phosphat từ ATP đến cho nhóm hydroxyl của gốc tyrosine TÀI LIỆU THAM KHẢO 1, Đỗ Ngọc Liên, Sinh học phân tử màng tế bào, NXB Đại học quốc gia Hà Nội, 2007. 2, Phạm Văn Ty, Nguyễn Văn Thành, Công nghệ sinh học, tập năm, Công nghệ vi sinh và môi trường, NXB Giáo dục, 2005. 3, http://daithaoduong.com 4, http://daithaoduong.net 5, http://duocnamlang.com 6, http://tieuduong.vn 7, http://www.ykhoanet.com