Chương 1: Màng tế bào Dịch: DS. Nguyễn Quang Việt, Cựu sinh viên dược ĐH Dược HN ―Các kiểu giáp trụ rất đa dạng và thay đổi từ thập kỷ này sang thập kỷ khác, những phần cơ bản một bộ áo giáp bao gồm các tấm che có các vòng kim loại nhỏ móc vào nhau: mảnh che ngực, tấm che phía dƣới, tấm che cánh tay, tấm che đùi và chân, mọi chiến binh mặc áo giáp sắt dài hoặc ngắn và áo giáp da hoặc chiến bào bằng vải: áo dài độn hoặc áo dài. áo giáp ngắn bó sát che cổ, khuỷu tay và các khớp; găng tay, tấm liên kết bảo vệ bàn tay.‖ A DISTANT MIRROR, BARBARA W. TUCHMAN Màng tế bào là lớp áo giáp bảo vệ bao quanh vi khuẩn và cho phép chúng tồn tại trong môi trƣờng đa dạng và khắc nghiệt.
Màng tế bào ở một số vi khuẩn bao gồm màng sinh chất hay màng tế bào chất (cytoplasmic membrane) bao quanh bởi một lƣới bền chắc và không linh động gọi là vách tế bào (cell wall) hay thành tế bào (Hình 1-1.); các vi khuẩn này gọi là vi khuẩn gram dương. Ngƣợc lại, màng tế bào của vi khuẩn gram âm bao gồm màng tế bào chất bao quanh một vách tế bào mỏng đƣợc bao quanh lớp màng lipid thứ hai gọi là màng ngoài (outer membrane). Màng ngoài gồm nhiều phân tử lipopolysaccharid (LPS), phân tử này rất độc hại đối với con ngƣời. Khoảng trống giữa màng ngoài và màng tế bào chất có thành tế bào gọi là không gian periplasmic hoặc periplasm.
Dù vi khuẩn gram dƣơng hay gram âm thƣờng có thể xác định đƣợc theo kỹ thuật nhuộm gram, vi khuẩn gram dƣơng bắt màu xanh hoặc tím còn vi khuẩn gram âm bắt màu hồng. Nhuộm gram thƣờng là bƣớc đầu tiên phòng thí nghiệm vi sinh bệnh viện sử dụng để xác định một loại vi khuẩn chƣa đƣợc biết từ một mẫu lâm sàng. Giống nhƣ các tế bào của con ngƣời, màng tế bào chất ngăn các ion đi vào hoặc ra khỏi chính các tế bào đó, giữ cho tế bào chất và các thành phần vi khuẩn với định dạng xác định. Vách tế bào là lớp bền chắc giúp cho vi khuẩn có hình dạng đặc trƣng và bảo vệ vi khuẩn khỏi tác động cơ học và thẩm thấu.
Ở vi khuẩn gram âm, màng ngoài đóng vai trò nhƣ một hàng rào bảo vệ bổ sung và ngăn ngừa nhiều chất xâm nhập vào vi khuẩn.Tuy nhiên, lớp này cũng chứa các kênh, gọi là các porin cho phép một số hợp chất nhƣ các phân tử đƣợc sử dụng trong quá trình chuyển hóa của vi khuẩn đi qua. Do các tế bào của con ngƣời không có thành tế bào, cấu trúc này là một mục tiêu lý tƣởng cho các tác nhân kháng khuẩn. Để đánh giá cách các tác nhân này làm việc, đầu tiên chúng ta phải hiểu đƣợc cấu trúc của thành tế bào. Phức hợp phức tạp này do một chất gọi là peptidoglycan tạo thành, bản thân chất đó gồm các polyme đƣờng mạch dài.
Các polyme lặp lại hai chất đƣờng: TV- Acetylglucosamin và AT-acetyl-muramic acid (Hình 1-2. Nếu thành tế bào bao gồm chỉ riêng các polyme sẽ là khá yếu. Tuy nhiên, chuỗi bên peptid mở rộng từ các loại đƣờng trong polyme và tạo thành các liên kết chéo, một peptid với một peptid khác. Những liên kết chéo tăng độ bền vững đáng kể thành tế bào, cũng nhƣ liên kết ngang của các vòng kim loại tăng độ bền áo giáp sắt đƣợc các hiệp sĩ thời trung cổ sử dụng.
Các liên kết ngang peptidoglycan đƣợc các enzym của vi khuẩn là protein gắn penicilin (Penicillin-Binding Protein-PBP) làm trung gian. Những enzym này nhận ra hai acid amin thiết ở cuối các chuỗi peptid bên, thƣờng là D-alanin-D-alanin và trực tiếp liên kết chéo các acid amin này với một chuỗi peptid thứ hai hoặc gián tiếp qua liên kết chúng qua hình thành một cầu dƣ glycin giữa hai chuỗi peptid bên. Sự hình thành vách tế bào liên kết chéo bền vững giúp vi khuẩn có hình dạng đặc trƣng. Ví dụ, một số vi khuẩn hình que có hình dạng gọi là trực khuẩn (bacilli), hình cầu là cầu khuẩn (cocci), 3 hình thái trung gian giữa trực khuẩn và cầu khuẩn có (coccobacilli), cuối cùng, xoắn khuẩn (spirochete) có hình dạng xoắn ốc.
Cấu trúc màng tế bào vi khuẩn Hình 1-2. Cấu trúc peptidoglycan. Tổng hợp peptidoglycan cần liên kết chéo các polyme di-saccharid do protein gắn penicilin (PBP), NAMA (N-Acetylmuramic acid-NAM), NAGA (N-Acetylglucosamin-NAG), GGG các cầu nối glycin. Thành tế bào vi khuẩn gồm ------------------------ 2.
------------------------ các enzym liên kết chéo với các polyme peptidoglycan. ------------------------ vi khuẩn hình que. ANTIBIOTIC BASIC FOR CLINIC 2nd Chương 2: Sản xuất protein Dịch: DS. Nguyễn Quang Việt, Cựu sinh viên dƣợc ĐH Dƣợc HN ―Cƣớp bóc đất nƣớc giàu có cung cấp cho quân đội bằng các quy định đa dạng.‖ NGHỆ THUẬT CHIẾN TRANH (THE ART OF WAR), SUN TZU Giống nhƣ tất cả các đội quân xâm lƣợc, vi khuẩn gây lây nhiễm cần phải đƣợc tiếp tế.
Chúng cần các nguồn thích hợp để thay thế các phần bị mòn cũ không sử dụng đƣợc nữa và tạo ra các vi khuẩn mới. Vi khuẩn có đƣợc những nguồn lực từ các ―quốc gia‖, chúng đang xâm lăng là cơ thể con ngƣời. Trong đó phong phú nhất ở các bộ phận thay thế tổng hợp là các protein. Quá trình tổng hợp các protein này đạt đƣợc nhờ sử dụng các quá trình chung tƣơng tự nhƣ các tế bào của con ngƣời sử dụng (Hình.
Đầu tiên, các nguyên liệu, các khối vật liệu tái tạo (building block) nhƣ các RNA, các acid amin và phân tử giàu năng lƣợng có chứa triphosphate nucleoside, phải giành đƣợc và có sẵn trong vi khuẩn. Nếu điều kiện này đáp ứng, các gen mẫu ở vi khuẩn phiên mã thành RNA do các enzym đặc biệt của vi khuẩn. Sau đó RNA đƣợc dịch mã thành protein. Do một số thành phần vi khuẩn cần thiết cho các quá trình này khác đáng kể so với quá trình tƣơng tự ở tế bào con ngƣời với vi khuẩn, qua trình sản xuất protein này ở vi khuẩn bị thuốc kháng sinh ức chế.
NGUYÊN LIỆU Hình 2-1. Tổng quan quá trình sản xuất protein trong vi khuẩn. Cấu trúc của ribosome của vi khuẩn. Quá trình tổng hợp các protein mới đòi hỏi một lƣợng dồi dào các khối vật liệu tái tạo cũng nhƣ năng lƣợng.
Ví dụ, ngƣời ta ƣớc tính rằng năng lƣợng của ba hoặc bốn triphosphat nucleoside (ví dụ, adenosin triphosphat-ATP hay guanosin triphosphat-GTP) là cần thiết để thêm một acid amin đơn nhất quá trình tăng thêm một protein. Vi khuẩn cần có nguyên liệu và năng lƣợng nhờ lấy nguồn nhiên liệu từ glucose ở môi trƣờng và xử lý chúng thông qua các con đƣờng trao đổi chất khai thác năng lƣợng của các con đƣờng này và tạo ra các hợp chất trung gian. Những con đƣờng trao đổi chất này khá phức tạp và có sự khác biệt đáng kể giữa các tế bào vi khuẩn và các tế bào của ngƣời. Các con đƣờng trao đổi chất có thể đƣợc sử dụng một cách hiệu quả để phân chia vi khuẩn thành hai loại: hiếu khí và yếm khí.
Vi khuẩn hiếu khí sử dụng oxy từ môi trƣờng trong quá trình trao đổi chất, trong khi vi khuẩn kỵ khí không sử dụng. Trong thực tế, 5 vi khuẩn yếm khí nghiêm ngặt đều bị oxy giết chết bởi vì chúng thiếu các enzym giải độc một số các sản phẩm phụ có hại của oxy, nhƣ hydrogen peroxid và các gốc super-oxid. Mycobacterium tuberculosis là một ví dụ về vi khuẩn hiếu khí nghiêm ngặt; vi khuẩn kỵ khí nghiêm ngặt bao gồm Clostridium difficile và Bacteroides fragilis. Nhiều vi khuẩn có đƣờng trao đổi chất cho phép chúng sử dụng oxy khi có hiện diện nhƣng có chức năng nhƣ vi khuẩn kỵ khí khi không có oxy.
Những vi khuẩn này đƣợc cho là tình cờ liên quan đến sử dụng oxy có và rõ ràng tồn tại tốt khi có hay có oxy. Ví dụ về các vi khuẩn tuỳ ý nhƣ vậy có Escherichia coli và Staphylococcus aureus. Các vi khuẩn khác phát triển tốt nhất khi có một lƣợng nhỏ khí oxy, ít hơn tìm thấy trong không khí. Những vi khuẩn này đƣợc cho là vi hiếu khí.
Campylobacter jejuni là một ví dụ của một loại vi khuẩn micro-aerophilic. Năng lƣợng có sẵn trong nhiên liệu tiêu thụ của vi khuẩn đƣợc khai thác và lƣu trữ dƣới dạng triphosphate nucleoside trong một số trƣờng hợp do phát sinh của một gradient proton giữa trong và ngoài tế bào. Các dạng năng lƣợng tiềm năng lƣu trữ trong gradient này đƣợc gọi là động lực proton. Do proton chảy xuống gradient này (từ bên ngoài vi khuẩn vào bên trong vi khuẩn) và thông qua màng tế bào chất, dạng năng lƣợng này đƣợc sử dụng đối với các quá trình năng lƣợng quan trọng nhƣ vận chuyển tích cực những chất dinh dƣỡng vào tế bào và phát sinh ATP.
PHIÊN MÃ Phiên mã là quá trình các thông tin DNA trong một gen của vi khuẩn đƣợc sử dụng để tổng hợp một phân tử RNA gọi là RNA thông tin (mRNA). Do trong các tế bào của ngƣời, phức hợp enzym RNA polymerase đƣợc vi khuẩn sử dụng để thực hiện điều này. RNA polymerase gắn vào DNA và sử dụng mẫu này để liên tục thêm các acid ribonucleic với một phân tử mRNA tƣơng ứng. Quá trình này là khá hiệu quả; ở điều kiện lý tƣởng, RNA polymerase vi khuẩn có thể làm cho mRNA với tốc độ 55 nucleotide mỗi giây.
Mặc dù cả hai phân tử thực hiện các chức năng tƣơng tự, RNA polymerase vi khuẩn khá khác biệt với RNA polymerase nhân điển hình. (các nhân điển hình eukaryot, không giống nhƣ vi khuẩn là những sinh vật có chứa các hạt nhân và các bào quan có màng ràng buộc khác trong các tế bào của các eukaryot. Ví dụ nhƣ các loài động vật, thực vật, nấm và động vật nguyên sinh.) Về mặt cấu trúc, RNA polymerase vi khuẩn bao gồm năm đơn vị nhỏ và có kích thƣớc tổng thể của khoảng 90 x 90 x 160 angstrom, trong khi men RNA polymerase có nhiều hơn tiểu đơn vị và có kích thƣớc 140 x 136 x 110 angstrom. Khác biệt chức năng cũng tồn tại.
Ví dụ, trong khi RNA polymerase vi khuẩn chính nó đủ để bắt đầu sao chép, RNA polymerase nhân điển hình đòi hỏi có tác động của các yếu tố phiên mã bổ sung. Tầm quan trọng của phiên mã đối với sức khỏe của vi khuẩn và sự khác biệt giữa RNA polymerase của vi khuẩn và RNA polymerase nhân điển hình làm cho enzym này phức tạp một mục tiêu lý tƣởng cho các hợp chất kháng khuẩn. DỊCH MÃ Cả trong nhân điển hình và vi khuẩn, các cấu trúc đại phân tử là ribosome đều thực hiện công việc tổng hợp protein từ các thông tin có trong mRNA, một quá trình gọi là dịch mã. Những phức hợp lớn này gồm cả ribosome RNA (rRNA) và các protein.