Glucose 6 phosphate dehydrogenase là gì? Các nghiên cứu

Định nghĩa và tổng quan

Glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PD) là một enzyme quan trọng trong chuyển hóa tế bào, xúc tác phản ứng oxy hóa glucose-6-phosphate thành 6-phosphoglucono-δ-lactone đồng thời khử nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP+) thành NADPH. Đây là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong con đường pentose phosphate, cung cấp NADPH cho các phản ứng khử sinh học và ribose-5-phosphate cho tổng hợp acid nucleic.

Enzyme này hiện diện ở hầu hết các mô, đặc biệt trong hồng cầu – nơi NADPH là nguồn duy nhất giúp tái tạo glutathione dạng khử (GSH), bảo vệ tế bào trước stress oxy hóa. Hoạt động của G6PD đảm bảo sự ổn định của màng hồng cầu và ngăn ngừa hiện tượng tan máu. Sự thiếu hụt enzyme này là một rối loạn di truyền phổ biến, ảnh hưởng đến khoảng 400 triệu người trên toàn cầu theo WHO.

Một số điểm nổi bật về vai trò của G6PD:

• Tạo NADPH – chất khử cần thiết cho tổng hợp acid béo, cholesterol và duy trì cân bằng oxy hóa khử.
• Hỗ trợ chuyển hóa ribose-5-phosphate – tiền chất cho DNA, RNA.
• Bảo vệ hồng cầu trước thuốc oxy hóa, nhiễm trùng và stress oxy hóa nội sinh.

Cấu trúc phân tử

G6PD là một enzyme protein đa tiểu đơn vị, có thể tồn tại dưới dạng dimer hoặc tetramer. Mỗi tiểu đơn vị có khối lượng phân tử khoảng 59 kDa, gồm 515 acid amin. Cấu trúc protein được chia thành hai miền chính: miền liên kết cơ chất glucose-6-phosphate và miền gắn NADP+. Ngoài NADP+ tham gia phản ứng, còn có một phân tử NADP+ liên kết chặt chẽ tại vị trí allosteric, giúp ổn định cấu trúc enzyme.

Kết quả tinh thể học cho thấy vùng hoạt động của enzyme nằm gần vị trí liên kết NADP+, cho phép chuyển electron từ glucose-6-phosphate sang NADP+. Cấu trúc không gian ba chiều của enzyme được bảo tồn cao giữa các loài động vật có xương sống, phản ánh vai trò sinh học cơ bản. Thông tin chi tiết về cấu trúc có thể tham khảo tại Protein Data Bank (PDB).

Bảng dưới đây mô tả một số đặc điểm cấu trúc cơ bản:

Thông số	Đặc điểm
Kích thước tiểu đơn vị	~59 kDa
Số acid amin	515
Vị trí liên kết cơ chất	Glucose-6-phosphate
Đồng yếu tố	NADP+
Dạng hoạt động	Dimer hoặc tetramer

Chức năng và cơ chế phản ứng

Phản ứng xúc tác bởi G6PD được coi là bước hạn chế tốc độ trong con đường pentose phosphate. Cơ chế phản ứng gồm hai giai đoạn: trước hết enzyme gắn glucose-6-phosphate và NADP+, sau đó truyền điện tử từ cơ chất sang đồng yếu tố, tạo thành sản phẩm 6-phosphoglucono-δ-lactone và NADPH.

Phản ứng tổng quát: $Glucose-6-phosphate + NADP^+ \rightarrow 6-phosphoglucono-\delta-lactone + NADPH + H^+$

Chức năng sinh lý chính của G6PD:

• Sản xuất NADPH cho phản ứng khử sinh học và tái tạo glutathione dạng khử (GSH).
• Bảo vệ hồng cầu khỏi oxy hóa bằng cách duy trì tỷ lệ GSH/GSSG ổn định.
• Hỗ trợ tạo ribose-5-phosphate cho tổng hợp acid nucleic.

Nếu hoạt tính enzyme giảm, hồng cầu không thể chống lại gốc oxy tự do, dẫn đến hiện tượng oxy hóa hemoglobin thành methemoglobin và phá hủy màng tế bào, gây tan máu. Vì hồng cầu không có ty thể, NADPH từ G6PD là nguồn duy nhất để bảo vệ chống stress oxy hóa.

Con đường pentose phosphate

Con đường pentose phosphate (PPP) là một nhánh phụ của quá trình đường phân, có hai giai đoạn: giai đoạn oxy hóa và giai đoạn không oxy hóa. G6PD xúc tác bước đầu tiên trong giai đoạn oxy hóa, tạo NADPH và ribulose-5-phosphate.

Ý nghĩa của PPP đối với cơ thể:

• NADPH từ PPP được sử dụng trong tổng hợp acid béo, cholesterol, và trong cơ chế giải độc ở gan thông qua cytochrome P450.
• Trong hồng cầu, NADPH là yếu tố then chốt duy trì glutathione khử, giúp chống lại peroxit hydro và gốc tự do.
• Ribulose-5-phosphate tạo thành từ PPP được chuyển hóa thành ribose-5-phosphate, là nguyên liệu tổng hợp DNA và RNA.

Bảng so sánh hai giai đoạn của PPP:

Giai đoạn	Sản phẩm chính	Ý nghĩa sinh học
Oxy hóa	NADPH, ribulose-5-phosphate	Bảo vệ chống oxy hóa, nguyên liệu chuyển hóa
Không oxy hóa	Ribose-5-phosphate, fructose-6-phosphate, glyceraldehyde-3-phosphate	Tổng hợp nucleic acid, kết nối với đường phân

Trong điều kiện sinh lý bình thường, PPP chiếm khoảng 10% dòng chảy glucose nội bào, nhưng trong hồng cầu, tỷ lệ này có thể tăng đáng kể khi gặp stress oxy hóa, chứng tỏ vai trò đặc biệt của G6PD trong cân bằng oxy hóa khử.

Biểu hiện gene và di truyền

Gen G6PD nằm trên nhánh dài của nhiễm sắc thể X, vị trí Xq28. Đây là một bệnh lý di truyền lặn liên kết với giới tính, vì vậy nam giới dễ bị ảnh hưởng hơn do chỉ có một nhiễm sắc thể X. Nữ giới có thể mang gen dị hợp tử và thường không biểu hiện triệu chứng rõ rệt, trừ trường hợp bất hoạt X không cân bằng.

Trình tự gene G6PD mã hóa 515 acid amin, dài khoảng 18 kb, gồm 13 exon. Hiện nay, hơn 200 biến thể gene đã được ghi nhận, gây ra sự thay đổi về cấu trúc protein, độ bền và hoạt tính enzym. Các biến thể này được phân loại theo hệ thống của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) từ loại I đến loại V dựa trên mức độ thiếu hụt hoạt tính enzyme.

Phân loại WHO:

• Loại I: Thiếu hụt nặng, liên quan thiếu máu tán huyết mạn tính.
• Loại II: Thiếu hụt nặng, hoạt tính <10% bình thường, dễ tan máu cấp.
• Loại III: Thiếu hụt trung bình, hoạt tính 10–60%.
• Loại IV: Hoạt tính bình thường, không triệu chứng.
• Loại V: Hoạt tính tăng, hiếm gặp.

Thiếu hụt G6PD và ý nghĩa lâm sàng

Thiếu hụt G6PD là rối loạn di truyền enzyme phổ biến nhất thế giới, ước tính ảnh hưởng đến hơn 400 triệu người. Biểu hiện lâm sàng thường gặp nhất là thiếu máu tan máu cấp khi tiếp xúc với các yếu tố gây stress oxy hóa. Các yếu tố này bao gồm:

• Thuốc: primaquine, sulfonamide, dapsone, nitrofurantoin.
• Thức ăn: đậu tằm (favism).
• Nhiễm trùng: vi khuẩn, ký sinh trùng gây sốt rét.

Cơ chế bệnh sinh: thiếu NADPH → glutathione không được tái sinh → oxy hóa hemoglobin → hình thành thể Heinz → màng hồng cầu bị phá hủy → tan máu. Biểu hiện lâm sàng bao gồm vàng da, nước tiểu sẫm màu, thiếu máu cấp, và trong trường hợp nặng có thể gây suy thận cấp.

Một số hậu quả lâm sàng thường gặp:

Biểu hiện	Đặc điểm
Vàng da sơ sinh	Do tan máu tăng bilirubin, có nguy cơ gây bại não nếu không điều trị
Thiếu máu tan máu cấp	Xảy ra sau khi dùng thuốc oxy hóa hoặc nhiễm trùng
Thiếu máu tan máu mạn	Hiếm, gặp ở biến thể loại I

Ứng dụng trong nghiên cứu và y học

Nghiên cứu về G6PD không chỉ giúp hiểu rõ cơ chế stress oxy hóa mà còn mở ra các ứng dụng y học quan trọng. Việc sàng lọc sơ sinh G6PD đã được triển khai ở nhiều quốc gia, bao gồm Việt Nam, nhằm phát hiện sớm trẻ có nguy cơ vàng da và thiếu máu tan máu.

Ứng dụng y học:

• Sàng lọc sơ sinh: giúp can thiệp sớm, giảm nguy cơ tổn thương thần kinh do tăng bilirubin.
• Nghiên cứu chống sốt rét: thiếu hụt G6PD có thể bảo vệ một phần chống lại ký sinh trùng Plasmodium falciparum.
• Liệu pháp gen: đang được nghiên cứu nhằm phục hồi hoạt tính enzyme ở bệnh nhân thiếu hụt nặng.

Trong dược học, xét nghiệm G6PD rất quan trọng trước khi kê toa các thuốc chống sốt rét như primaquine hoặc tafenoquine. Các nghiên cứu lâm sàng cho thấy bệnh nhân thiếu hụt G6PD dùng những thuốc này có nguy cơ tan máu nặng, vì vậy sàng lọc là bước bắt buộc.

Liên quan đến bệnh lý khác

Ngoài tan máu do thiếu hụt G6PD, enzyme này còn có liên quan đến nhiều bệnh lý khác. Nghiên cứu gần đây chỉ ra hoạt tính G6PD cao có thể thúc đẩy sự phát triển của tế bào ung thư, thông qua việc cung cấp NADPH và ribose-5-phosphate cho quá trình sinh tổng hợp.

Một số nghiên cứu trên bệnh nhân tiểu đường và tim mạch cũng cho thấy sự thay đổi hoạt tính G6PD ảnh hưởng đến stress oxy hóa toàn thân, góp phần vào cơ chế bệnh sinh của các hội chứng chuyển hóa. Trong ung thư, G6PD có thể được coi là mục tiêu tiềm năng để phát triển thuốc ức chế nhằm giảm sự tăng trưởng khối u. Tham khảo thêm tại Nature Communications.

Phương pháp xét nghiệm và chẩn đoán

Chẩn đoán thiếu hụt G6PD có thể thực hiện bằng các phương pháp sinh hóa và di truyền học. Xét nghiệm định tính như thử nghiệm huỳnh quang phát hiện NADPH giúp xác định nhanh tình trạng thiếu hụt. Xét nghiệm định lượng hoạt tính enzym cung cấp thông tin chính xác về mức độ thiếu hụt.

Các phương pháp phổ biến:

• Test huỳnh quang: phát hiện NADPH dưới tia UV, kết quả trong vài phút.
• Định lượng enzyme: đo hoạt tính G6PD trong hồng cầu bằng quang phổ.
• Kỹ thuật PCR: phát hiện đột biến gene G6PD, hữu ích trong nghiên cứu và tư vấn di truyền.

Lưu ý: xét nghiệm nên tiến hành sau đợt tan máu cấp, vì lúc đó hồng cầu non còn lại có hoạt tính G6PD bình thường, có thể gây âm tính giả.

Tài liệu tham khảo

1. World Health Organization. (2022). Glucose-6-phosphate dehydrogenase deficiency.
2. Beutler, E. (1994). G6PD deficiency. Blood. 84(11):3613-36.
3. RCSB Protein Data Bank. Structural data on G6PD.
4. OMIM. 305900: Glucose-6-phosphate dehydrogenase deficiency.
5. Nature Communications. (2019). G6PD activity in cancer progression.
6. Ministry of Health, Vietnam. (2021). National newborn screening guidelines.