Transcript CHƯƠNG III MOLECULAR BIOLOGY OF THE CELL CƠ CHẾ THÔNG TIN SINH HỌC BIOLOGICAL COMMUNICATION MECHANISM TS.

CHƯƠNG III
MOLECULAR BIOLOGY OF THE CELL
CƠ CHẾ THÔNG TIN SINH HỌC
BIOLOGICAL COMMUNICATION MECHANISM
TS. ĐỖ HIẾU LIÊM
3.1. ĐẠI CƯƠNG
3.2. NGUYÊN TẮC CƠ BẢN TRONG THÔNG TIN TẾ BÀO
3.2.1. Phân tử thông tin
3.2.2. Kiểu thông tin
3.2.3. Receptor
3.2.4. Gap junction
3.2.5. Kiểu đáp ứng tín hiệu thông tin tổng quát
3.2.6. Sự đáp ứng tín hiệu thông tin nội tiết (hormone)
3.3.THÔNG TIN QUA RECEPTOR MÀNG - PROTEIN G
3.3.1. Protein G
3.3.2. Protein “công tắc”
3.3.3. Cơ chế thông tin
3.4.THÔNG TIN QUA RECEPTOR MÀNG - ENZYME
3.4.1. Receptor tyrosine kinase
3.4.2.Cơ chế thông tin qua receptor – tyrosine kinase
3.5. MỘT SỐ CƠ CHẾ THÔNG TIN TẾ BÀO
2
(1). Thông tin (Communication)
là quá trình giao tiếp giữa các cá
thể trong môi trường sống.
(2). Thông tin sinh học là quá
trình giao tiếp nội tại trong cơ thể
giữa các mô bào, giữa các tế bào.
(3). Điều hành các tiến trình sinh
học của tế bào:
-Sự tồn tại (sống sót)
-Sự phát triển và phân chia
-Sự biệt hóa
-Sự chết
Hình 1. Các tiến trình sinh học
3
Hình 2. Sự đáp ứng phân tử thông tin giản đơn
ở tế bào đích
4
3.2. NGUYÊN TẮC CƠ BẢN TRONG THÔNG TIN TẾ BÀO
3.2.1. Phân tử thông tin
-Phân tử thông tin ngoại bào (ESM) - thông tín viên thứ nhất
(the first messenger): Hormone, NO, histamin, acetyl choline...
(ligand)
-Phân tử thông tin nội bào (ISM) - thông tín viên thứ hai (the
second messenger): c.AMP, c.GMP, protein kinase, calcium nội
bào (Ca2+ICF), phophatidyl inositol diphosphate (PIP2), IP3
(inositol triphosphate)…
3.2.2. Kiểu thông tin
-Tín hiệu nội tiết (Endocrine signals)
-Tín hiệu cận tiết (paracrine signals)
-Tín hiệu tự tiết (autocrine signals):
• Tín hiệu phụ thuộc tiếp xúc (contact dependent signals)
• Tín hiệu tiếp hợp (synaptic signals)
5
Hình 3. Các loại tín hiệu và các kiểu thông tin
6
TÓM LẠI
Đặc điểm sự truyền đạt thông tin sinh học tế bào :
Tiến trình truyền đạt không chỉ
do một phân tử thông tin nội bào
(ISM) thực hiện mà do nhiều ISM.
Tiến trình truyền đạt đi từ phân
tử thông tin nội bào (ISM) này
chuyển sang ISM khác theo kiểu
dây chuyền với nhiều cấp bậc, từ
cấp bậc này sang cấp bậc khác.
Kiểu “Quân bài domino”
7
Bảng 1. Một số thông tín viên thứ nhất (Endocrine signal)
Loại thông tin
Nguồn gốc
Cấu tạo
Chức năng
Adrenaline
Tủy thượng thận
DX tyrosine
Tăng glucose máu
Cortisol
Vỏ thượng thận
Steroid
Tăng glucose máu
Testosterone
Dịch hoàn
Steroid
Đặc tính sinh dục đực
Estrogen
Buồng trứng
Steroid
Đặc tính sinh dục cái
Insulin
Tế bào β tuyến tụy
Polypeptide
Giảm glucose máu
Glucagon
Tế bào α tuyến tụy
Polypeptide
Tăng glucose máu
Thyroxine
Tuyến giáp
DX tyrosine
Tăng tiến trình oxid hoá
8
Bảng 2. Một số thông tín viên thứ nhất (Paracrine signal)
Loại thông tin
Nguồn gốc
Cấu tạo
Chức năng
EGF
Các tế bào
Protein
Tăng sinh tế bào biểu mô
PDGF
Tiểu cầu
Protein
Tăng sinh tế bào
NGF
Mô thần kinh
Protein
Biệt hoá neuron
Histamine
Tế bào Mast
DX histidine
Dị ứng
NO
Neuron, thành mạch
Chất khí
Cương mạch dương vật
Acetylcholine
Synap
DX lipid
Dẫn truyền thần kinh
GABA
Synap
DX glutamate
Dẫn truyền thần kinh
Bảng 3. Một số thông tín viên thứ nhất (Autocrine signal)
Loại thông tin
Nguồn gốc
Cấu tạo
Chức năng
Protein delta
Neuron, phôi bào
Protein
Ngăn chận biệt hoá neuron phôi
9
3.2.3. Receptors
(1). Receptor có tính nhạy và tính đặc hiệu với các phân tử
thông tin ngoại bào (ESM)
(2). Phân loại
a. Dựa vào vị trí
• Receptor bề mặt tế bào - receptor màng (cell-surface receptor)
-Thành phần protein xuyên màng, liên kết với các phân tử
thông tin không thấm nhập qua màng sinh học.
• Receptor nội bào (intracellular receptor) là thành phần
protein vận chuyển ở tế bào chất hoặc dịch nhân, liên kết với
các phân tử thông tin, thấm nhập qua màng sinh học.
•Receptor nhân (nuclear receptor) có cấu trúc nhị tử đồng thể
(homodimer) hoặc nhị tử dị thể (heterodimer), như cortisol
receptor, estrogen receptor, progesterone receptor, vitamin D
receptor, thyroid hormone receptor, retinoic acid receptor).
10
b.Dựa vào sự tương tác giữa receptor màng với các phân tử
thông tin nội bào (ISM)
Receptor màng gồm 3 họ:
Receptor liên kết protein G (G protein-coupled receptors)
Receptor liên kết kênh ion (ion-channel-coupled receptors)
Receptor liên kết enzyme (enzyme-coupled receptors)
Hình 4. Receptor nhân
11
Hình 5. Các loại receptor màng tương tác ISM
12
Hình 6. Receptor nội bào điều hòa quá trình biểu hiện gene
13
Hình 7. Cơ chế điều hóa quá trình sao chép gene
của receptor nhân
14
3.2.4. Gap junction
- Gap junction (mối nối hở) là kênh protein trên màng liên kết
phần tế bào chất giữa các tế bào biểu mô lân cận (lớp biểu mô).
- Kênh cho phép trao đổi các ion và các phân tử nhỏ tan trong
nước giữa các tế bào  trao đổi trực tiếp các phân tử thông tin
nội bào (ISM) - thông tín viên thứ hai (Ca2+, c.AMP...)
Hình 8. Cell adhension
molecules
15
Hình 9. Sự đáp ứng NO ở mô cơ trơn thành mạch
16
3.2.5. Kiểu đáp ứng tín hiệu thông tin tổng quát
Sự đáp ứng hay hiệu ứng sinh học biểu hiện ở mô bào
đích không những phụ thuộc vào phân tử thông tin ngoại
bào (ESM) mà còn phụ thuộc vào bộ máy nội bào của từng
loại mô, tế bào thông qua receptor protein màng hoặc
receptor nội bào (tế bào chất hay dịch nhân).
Hình 10. Các kiểu đáp ứng acetyl choline ở mô cơ
17
YẾU TỐ KÍCH THÍCH
c.AMP   Hiệu ứng sinh học

Sự biến dưỡng

Hiệu quả
RH
TARGET CELL
ATP
Hor.1
TNT
Hor.2
Thông tín viên
thứ nhất
A.C
c.AMP
Thông tín viên thứ hai
Hình 11. Thuyết thông tín viên thứ hai (Sutherland, 1975)
18
Hình 12. Cơ chế điều hành thông tin nội tiết
(Negative and possitive feedback mechanism)
19
3.3. THÔNG TIN QUA RECEPTORS MÀNG - PROTEIN G
3.3.1.Protein G
• Hơn 20 loại protein G ở tế bào động vật; trong đó, một số có
vai trò đáp ứng miễn dịch.
• Các protein G có tính đặc hiệu cho từng loại receptor màng
(GPCRs-protein G-coupled cell surface receptor), gọi là siêu họ
protein G (superfamily protein G).
• Protein G có cấu tạo là protein trimer dị thể: Subunit α (4045kD), subunit β (37kD), và subunit γ (8-10kD).
• Có 20 loại Gα khác nhau được phân thành nhiều họ Gα:
-Gαs hay Gs (stimulatory), Gαi hay Gi (inhibitory), Golf
(olfactory-khứu giác) kết hợp với olfactory receptor ở niêm
mạc mũi, Gt (transducin) chuyển đổi các tín hiệu thị giác với
chất cảm quang rhodopsin ở lớp võng mạc.
-Subunit α có vai trò GTPase
20
Hình 13. Protein G
21
3.3.2.Protein “công tắc” (protein switches)
-Protein “công tắc” thuộc nhóm tín hiệu nội bào với vai trò
kích hoạt các tín hiệu nội bào khác.
- 2 nhóm protein “công tắc”: nhóm phosphoryl hóa và nhóm
liên kết GTP (protein G)
Hình 14. Nhóm protein “công tắc”
Nhóm phosphoryl hóa: enzyme protein kinase và phosphatase
Nhóm liên kết GTP: protein liên kết GTP hay GTPase
22
3.3.3.Cơ chế thông tin receptor màng liên kết protein G
(1). Cơ chế thông tin “Điều hòa nồng độ c.AMP”
c.AMP (3’5’ cyclic AMP):
-Tín hiệu nội bào trung gian (the
second messenger) ở các tế bào
không nhân (prokaryotic cell) và có
nhân (eukaryotic cell).
-Nồng độ 10-7M trong tế bào chất
và gia tăng gấp 20 lần khi tín hiệu
ngoại bào (the first messenger) kích
hoạt adenylate cyclase (8 dạng)
thông qua GPCRs.
Hình 15. Phản ứng tổng hợp và
phân giải c.AMP
23
Bảng 4. Một số tác động của c.AMP ở mô bào đích
Mô bào đích
Hormone
Tác động sinh học
Tuyến giáp
TSH
Tổng hợp và phân tiềt
thyroxine
Vỏ nang thượng thận
ACTH
Phân tiết cortisol
Buồng trứng
LH
Phân tiết progesterone
Mô cơ
Adrenaline
Phân giải glycogen cơ
Xương
Parathyroid hormone
Tái hấp thu chất xương
Tim
Adrenaline
Tăng co thắt cơ tâm
Gan
Glucagon
Phân giải glycogen gan
Thận
Vasopressine
Tái hấpthu nước
Mô mỡ
Adrenaline, ACTH, TSH, glucagon Phân giải triacylglycerol
24
Protein G (Gαs và Gαi) cùng với Ca2+ICF kiểm soát quá trình
hoạt động adenylate cyclase (tác động của cholera toxin - dịch tả,
pertussis toxin - ho gà) làm tăng nồng độ c.AMP.
Protein G
+
Adenylate cyclase
+
Protein kinase

Tổng hợp enzyme
(tế bào chất)
-Trường hợp tín hiệu không khuyếch
đại (unamplified signal)
-Trường hợp khuyếch đại tín hiệu
(signal amplification)
Hình 16. Protein G tương tác với
adenylate cyclase và protein
kinase kiểm soát tổng hợp enzyme
25
Protein G
+
Adenylate cyclase
+
Protein kinase

Sao chép gene
(nhân)
Hình 17. Protein G tương tác với
adenylate cyclase và protein
kinase điều hành sao chép gene
(transcription)
26
(2). Cơ chế thông tin “Kích hoạt tín hiệu inositol phospholipid”
 Ở một số mô bào, protein G (Gq) kích hoạt phospholipase C-β
màng, enzyme này xúc tác phosphoryl hóa inositol phospholipid
màng tạo thành PIP2 – Phosphatidyl inositol 4,5 diphosphate, tiếp
tục phân tách, tạo thành diacylglycerol và IP3 (inositol 1,4,5
triphosphate).
 Phân tử IP3 tan trong nước, đảm nhận vai trò phân tử trung
gian nội bào, từ lớp màng tế bào lan tỏa nhanh chóng đến lưới
võng nội để liên kết và mở kênh phóng thích Ca2+ cổng IP3 (IP3gated Ca2+ release channel) (hay IP3 receptor) điều hành tiến
trình giải phóng calcium, làm tăng Ca2+ICF
 Ca2+ICF là tín hiệu nội bào trung gian quan trọng, liên quan
đến quá trình thụ tinh của noãn bào, sự phát triển của phôi,
sự co cơ, sự tiết dịch ở các tế bào tiết như tế bào thần kinh
27
Hình 18. Phản ứng tổng hợp PIP2
từ lớp màng lipid ngoài
Hình 19. Phản ứng tổng hợp PIP2
từ lớp màng lipid trong
28
Hinh 20. Protein G kiểm soát “đóng mở” Ca2+ channel
29
30