Tiểu luận Sinh học phân tử tế bào: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thựcTiểu luận Sinh học phân tử tế bào: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thựcTiểu luận Sinh học phân tử tế bào: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thựcTiểu luận Sinh học phân tử tế bào: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thựcTiểu luận Sinh học phân tử tế bào: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thựcTiểu luận Sinh học phân tử tế bào: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thựcTiểu luận Sinh học phân tử tế bào: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thựcTiểu luận Sinh học phân tử tế bào: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thựcTiểu luận Sinh học phân tử tế bào: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thựcTiểu luận Sinh học phân tử tế bào: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thựcTiểu luận Sinh học phân tử tế bào: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thựcTiểu luận Sinh học phân tử tế bào: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thựcTiểu luận Sinh học phân tử tế bào: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thựcTiểu luận Sinh học phân tử tế bào: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA SINH HỌC BÀI TIỂU LUẬN MÔN: SINH HỌC PHÂN TỬ TẾ BÀO Chủ đề: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào sinh vật nhân sơ sinh vật nhân thực HÀ NỘI – 2022 NỘI DUNG CHÍNH PHẦN I KHÁI QUÁT VỀ TẾ BÀO NHÂN SƠ VÀ TẾ BÀO NHÂN THỰC Lịch sử nghiên cứu tế bào Đặc điểm cấu trúc tế bào nhân sơ tế bào nhân thực PHẦN II CƠ CHẾ PHÂN BÀO Cơ chế phân bào sinh vật nhân sơ Cơ chế phân bào sinh vật nhân thực 2.1 Cơ chế nguyên phân 2.2 Cơ chế giảm phân PHẦN III ĐIỀU KHIỂN CHU KÌ TẾ BÀO Đặc điểm chu kì tế bào Các chế điều khiển chu kì tế bào 2.1 Điều khiển chu kì tế bào sinh vật nhân sơ 2.2 Điều khiển chu kì tế bào sinh vật nhân thực TÀI LIỆU THAM KHẢO PHẦN I KHÁI QUÁT VỀ TẾ BÀO NHÂN SƠ VÀ TẾ BÀO NHÂN THỰC Lịch sử nghiên cứu tế bào Robert Hooke người sử dụng kính hiển vi để quan sát tế bào, đồng thời mở ngành khoa học sinh học tế bào Năm 1665, tế bào Hooke mơ tả giống rỗng có thành bao quanh xếp cạnh tổ ong Sau vào năm 1674 – 1683, với phát triển kính hiển vi, nhà khoa học người Hà Lan Antonie van Leeuwenhoek phát tế bào như: vi sinh vật giọt nước ao, tế bào máu, tế bào tinh trùng động vật Từ quan sát mình, ơng kết luận tế bào có cấu tạo phức tạp gồm màng sinh chất, tế bào chất chứa bào quan nhân khơng có dạng xoang rỗng Hooke thấy Năm 1838 - 1839, Matthias Schleiden Theodor Schwann đưa học thuyết tế bào với nội dung: Tất sinh vật cấu tạo từ tế bào tế bào đơn vị sống sinh giới Năm 1858, Virchow phát biểu thêm rằng: Tế bào sinh từ tế bào có trước Năm 1862, Pasteur tiếp tục chứng minh rằng: Sự sống khơng tự hình thành ngẫu nhiên từ chất vô sinh Ngày học thuyết tế bào giữ nguyên giá trị tế bào xem đơn vị tổ chức giới sống cấu tạo, chức sinh lý di truyền F Engels đánh giá: với hoạc thuyết tiến hóa Darwin, thuyết bảo tồn lượng, học thuyết tế bào ba phát kiến vĩ đại thể kỉ XIX Đặc điểm cấu trúc tế bào nhân sơ tế bào nhân thực Tùy theo mức độ phức tạp cấu trúc mà người ta phân biệt hai dạng tế bào nhân sơ tế bào nhân thực Từ hai loại tế bào cấu trúc nên hai nhóm sinh vật tương ứng sinh vật nhân sơ sinh vật nhân thực Sinh vật nhân sơ bao gồm vi khuẩn vi khuẩn cổ Sinh vật nhân thực tạo nên từ tế bào nhân thực động vật đơn bào, tảo, nấm, thực vật động vật Tế bào nhân sơ thường có kích thước nhỏ cấu tạo đơn giản với ba thành phần cấu tạo chính: màng sinh chất, tế bào chất, vùng nhân (Hình 1) Màng sinh chất vi khuẩn chứa khoảng 45% lipit 55% protein có cấu trúc chức tương tự màng sinh chất tế bào nhân thực Nhiều chỗ màng sinh chất gấp nếp lồi lõm vào tế bào chất tạo nên mezoxom xem loại bào quan có vai trị quan trọng phân bào Bên tế bào chất có chứa nhiều loại riboxom tổng hợp protein vi khuẩn khơng có bào quan có màng bao bọc khơng có hệ thống nội màng điển tế bào nhân thực Hầu hết chức bào quan ty thể, lục lạp, máy Golgi tiến hành màng sinh chất Vùng nhân chứa nhiễm sắc thể vi khuẩn phân tử ADN trần (không liên kết với histon), chuỗi xoắn kép dạng vòng khu trú vùng tế bào chất Ngoài ADN thể nhân, cịn có số phân tử ADN khác gọi plasmit chứa thông tin di truyền quy định số đặc tính vi khuẩn Ngồi ba thành phần có tế bào nhân sơ điển hình, số vi khuẩn cịn có thêm thành phần cấu tạo khác lông, roi, thành tế bào, vỏ nhầy Lông roi protein bám bề mặt tế bào giúp vi khuẩn di chuyển chủ động mơi trường Thành tế bào có chất peptidoglican giúp vi khuẩn giữ nguyên hình dạng không bị tác động áp suất thẩm thấu môi trường nhược trương Vỏ nhày rào cản phụ giúp bảo vệ tế bào, chọn lọc chất vào tế bào Tuy cấu tạo từ ba thành phần màng sinh chất, tế bào chất nhân, tế bào nhân thực có kích thước lớn cấu tạo phức tạp nhiều so với tế bào nhân sơ (Hình 2) Màng tế bào gồm hai thành phần lipit protein phân hóa phức tạp Màng có cấu trúc khảm - động: lớp photpholipit kép tạo nên khung liên tục màng, phân tử protein phân bố rải rác khung, xuyên qua khung bám rìa rìa ngồi màng, phân tử lipit protein có màng có tính động Tế bào chất phân vùng chứa bào quan phức tạp mạng lưới nội chất, riboxom, ti thể, lục lạp, thể Golgi, lizoxom, peroxixom, trung thể…Trong trung thể có ý nghĩa đặc biệt quan trọng phân bào (tạo thành máy phân bào), vi ống định hướng cho vi ống Tế bào nhân thực có nhân hồn chỉnh với lớp màng kép bao bọc lấy vật chất di truyền Vật chất di truyền gồm phân tử ADN mạch thẳng liên kết với protein histone tạo nên cấu trúc nhiễm sắc thể Ngồi nhân, ADN cịn tìm thấy số bào quan ti thể, lục lạp Tế bào thực vật tế bào động vật thuộc dạng tế bào nhân thực điển hình Ngồi đặc điểm chung giống nhau, chúng khác số đặc điểm Một số loại bào quan tìm thấy tế bào thực vật tế bào động vật mà tồn hai loại tế bào Các lysosome, trung tử với trung thể có tế bào động vật mà khơng có tế bào thực vật Lục lạp, không bào trung tâm, thành tế bào, cầu sinh chất tìm thấy tế bào thực vật tế bào động vật khơng Như vậy, điểm khác biệt quan trọng sinh vật nhân sơ sinh vật nhân thực xoang hóa tế bào nhân thực nhờ lớp nội màng giúp chúng thực hoạt động trao đổi chất riêng biệt Trong đó, quan trọng việc hình thành nhân tế bào có hệ thống màng riêng để bảo vệ phân tử ADN tế bào Chính khác biệt cấu trúc hai loại tế bào tạo nên khác chế phân bào điều khiển chu kì tế bào hai nhóm sinh vật nhân sơ nhân thực PHẦN II CƠ CHẾ PHÂN BÀO Cơ chế phân bào sinh vật nhân sơ Tế bào nhân sơ chưa có nhân hồn chỉnh nên phân bào cách phân đơi trực tiếp, khơng hình thành thoi phân bào tế bào nhân thực Nhiễm sắc thể chúng ADN trần, chuỗi xoắn kép dạng vòng khu trú vùng tế bào chất gọi thể nhân nucleoit Mặc dù ADN thể nhân liên kết với protein giúp đóng gói phân tử thành kích thước nhỏ gọn, khơng có protein histone nên khơng có nucleosom sinh vật nhân sơ Tuy nhiên, protein đóng gói vi khuẩn có liên quan đến protein cohesin condensin tham gia vào trình nén nhiễm sắc thể sinh vật nhân chuẩn Qúa trình phân đơi vi khuẩn E Coli gồm năm bước (Hình 3) Đầu tiên, ADN nhiễm sắc thể vi khuẩn bắt đầu nhân đôi điểm khởi đầu chép, trình diễn theo hai hướng Ngay sau đó, điểm khởi đầu chép nhanh chóng di chuyển đầu đối lập tế bào chế chưa rõ Sự nhân đơi tiếp tục, đầu tế bào có điểm khởi đầu nhân đôi Đồng thời tế bào dài ra, protein FtsZ di chuyển tế bào định hướng phân chia nucleoit sinh vật nhân sơ Nhiễm sắc thể sau nhân đôi tiếp tục di chuyển hai cực đối diện tế bào, protein FtsZ tạo thành vịng phân cắt tế bào ngăn cách hai nulceoit với Một vách ngăn hình thành nucleoit, màng sinh chất thành tế bào lõm dần từ ngoại vi phía trung tâm tế bào Sau vách ngăn hoàn thiện, tế bào phân chia thành hai tế bào Protein FtsZ nằm phân tán tế bào chất hai tế bào Cơ chế phân bào sinh vật nhân thực Nhiễm sắc thể sinh vật nhân thực có cấu trúc phức tạp gồm ADN xoắn kép, liên kết với protein histon tạo thành sợi nhiễm sắc Trong kì trung gian, sợi nhiễm sắc trạng thái giãn xoắn gọi chất nhiễm sắc, phân bào chúng trạng thái xoắn co ngắn lại tạo thành thể có hình dạng định gọi nhiễm sắc thể Sau ADN tái bản, nhiễm sắc thể nhân đơi pha S kì trung gian, nhiễm sắc thể gồm nhiễm sắc tử đính với trung tiết (tâm động) Vì nhiễm sắc thể có cấu trúc phức tạp, nằm nhân có màng nhân, nên phương thức phân bào diễn phức tạp địi hỏi phải có máy phân bào (thoi phân bào) Có hai phương thức phân bào là: phân bào nguyên nhiễm (nguyên phân - mitosis) phân bào giảm nhiễm (giảm phân meiosis) 2.1 Cơ chế nguyên phân Nguyên phân hình thức phân bào nguyên nhiễm, từ tế bào ban đầu phân chia tạo hai tế bào giống giống hệt tế bào ban đầu Người ta quy ước chia nguyên phân thành năm kì: kì đầu, kì trước giữa, kì giữa, kì sau kì cuối Gối lên kì cuối nguyên phân kì chia tế bào chất kết thúc pha phân bào (Hình 4) Sau hồn thành kì trung gian, nhiễm sắc thể đơn nhân đôi để tạo thành nhiễm sắc thể kép Mỗi nhiễm sắc thể kép gồm hai nhiễm sắc tử chị em dính với tâm động dọc theo nhiễm sắc thể nhờ protein cohesin Mỗi nhiễm sắc tử có thể động, cấu trúc protein liên kết với đoạn đặc hiệu ADN nhiễm sắc thể tâm động Hai thể động nhiễm sắc thể kép quay hai hướng đối lập Bước vào kì đầu nguyên phân, nhiễm sắc thể kép bắt đầu co xoắn Ở tế bào thực vật, có khơng bào trung tâm lớn nên trước trình nguyên phân bắt đầu, nhân phải di chuyển vào trung tâm tế bào Hạch nhân dần tiêu bến, máy phân bào xuất Tế bào động vật có trung thể gồm hai trung tử vùng quanh trung tử, trung tử nhân đôi pha S kì trung gian tạo thành hai đơi trung tử phát triển thành trung thể Do hoạt hoá chất quanh trung tử, đơn hợp tubulin tế bào chất trùng hợp hoá thành vi ống tubulin Các vi ống xếp phóng xạ quanh trung tử mới, tạo thành phân bào Hai trung thể hai di chuyển vể hai cực tế bào Giữa hai sao, vi ống phát triển xếp thành hệ thống sợi có dạng hình thoi gọi thoi phân bào Tế bào thực vật thiếu trung tử; thay vào đó, vi ống hình thành trục bề mặt nhân sau tổ chức thành trục nhiễm sắc thể, sau vỏ nhân bị phá vỡ Kì trước giữa, lamins phosphoryl hóa yếu tố thúc đẩy nguyên phân (MPF), màng nhân tan rã đứt thành nhiều đoạn biến thành bóng khơng bào bé phân tán tế bào chất, tạo điều kiện cho nhiễm sắc thể di chuyển ngoại vi tế bào Các vi ống thể động bắt đầu tìm kiếm gắn vào thể động nhiễm sắc thể Một số vi ống không gắn vào thể động nhiễm sắc thể (các vi ống khơng thể động) tìm tương tác với vi ống động tương ứng từ phía đối diện để hình thành thoi phân bào Khi vi ống kết nối với thể động, protein động kích hoạt, sử dụng lượng từ ATP để "trượt" lên ống phía trung thể khởi đầu Hoạt động vận động này, với trình polyme hóa khử phân giải vi ống, cung cấp lực kéo cần thiết để sau phân tách hai nhiễm sắc tử nhiễm sắc thể Kì kì dài nguyên phân, sau vi ống định vị gắn vào thể động, hai trung thể bắt đầu kéo nhiễm sắc thể đầu đối diện tế bào Sự kéo căng thoi phân bào làm cho nhiễm sắc thể xếp dọc theo mặt phẳng xích đạo, đường tưởng tượng nằm trung tâm tế bào Để đảm bảo phân bố đồng nhiễm sắc thể cuối trình nguyên phân, điểm kiểm tra chuyển tiếp đảm bảo thể động gắn vào thoi phân bào nhiễm sắc thể xếp thẳng hàng Kì sau bắt đầu protein cohesin tách khiến nhiễm sắc tử chị em cặp đột ngột tách theo, nhiễm sắc tử trở thành nhiễm sắc thể đơn, trượt dọc theo thoi phân bào hai phía đối diện tế bào Các vi ống không gắn với nhiễm sắc thể dài đẩy xa nhau, tách cực làm cho tế bào dài Tất trình thúc đẩy protein vận động , cỗ máy phân tử “trượt” dọc theo đường dẫn vi ống mang nhiễm sắc thể vi ống khác hai cực tế bào Đây thời kì diễn nhanh nguyên phân, vài phút Kết thúc kì sau, hai cực tế bào có hai nhiễm sắc thể hoàn chỉnh tương đương Khi nhiễm sắc thể di chuyển xong hai cực tế bào lúc kì cuối bắt đầu Các vi ống cực tiếp tục dài ra, kéo dài tế bào Một vỏ nhân hình thành cách sử dụng túi màng vỏ nhân cũ tế bào mẹ Vỏ hình thành xung quanh nhiễm sắc thể tách rời nhân xuất trở lại, thoi phân bào tiêu biến Cả hai nhiễm sắc thể, bao quanh màng nhân mới, bắt đầu "giãn" phân rã Quá trình phân chia nhân hồn tất, nhân có nhiễm sắc thể giống hệt Ngay sau q trình phân chia tế bào chất diễn phân cắt tế bào mẹ thành hai tế bào Tế bào động vật hình thành eo thắt lõm sâu eo tiến tới cắt đơi tế bào chất Khi vịng sợi actin co rút kéo theo phần màng sinh chất lõm thắt vào trung tâm, màng nối với phân tách tế bào chất thành hai nửa, nửa chứa nhân Đối với tế bào thực vật bao thành xenlulozơ nên phân chia tế bào chất xảy khác với tế bào động vật Một vách ngăn ngang xuất vùng trung tâm xích đạo, phát triển dần ngoại vi liên kết với thành tế bào, phân tách tế bào chất thành hai nửa chứa nhân 2.2 Cơ chế giảm phân Giảm phân, phân bào giảm nhiễm, hình thức phân bào xảy tế bào sinh dục chín (tế bào sinh tinh sinh trứng) tạo giao tử (tinh trùng trứng) mang nửa nhiễm sắc thể tế bào mẹ ban đầu Giống với nguyên phân, giảm phân có lần nhân đơi nhiễm sắc thể pha S kì trung gian có hai lần phân bào liên tiếp giảm phân I giảm phân II, lần phân bào lại chia thành kì: kì đầu, kì giữa, kì sau, kì cuối Diễn biến chi tiết trình giảm phân mơ tả hình Giảm phân I q trình phân ly nhiễm sắc thể cặp nhiễm sắc thể tương đồng, tạo hai tế bào đơn bội Kì đầu I giai đoạn dài nhất, nhiễm sắc thể bắt đầu co xoắn, màng nhân nhân dần tan rã, máy phân bào xuất Trung thể sau nhân đôi tiến dần hai cực tế bào, thoi phân bào hình thành Các cặp nhiễm sắc thể tương đồng, tiếp hợp trao đổi chéo thông tin di truyền cho Tiếp hợp kết thúc kì đầu nhiễm sắc thể cặp dần tách Mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng có nhều bắt chéo, điểm xảy trao đổi chéo nhiễm sắc thể tương đồng liên kết với nhờ lực cố kết nhiễm sắc tử chị em Cuối kì đầu I, vi ống từ cực gắn vào hai thể động, cấu trúc protein nằm tâm động nhiễm sắc thể Cặp nhiễm sắc thể tương đồng sau di chuyển măt phẳng xích đạo tế bào Ở kì giữa, cặp nhiễm sắc thể tương đồng xếp thành hai hàng mặt phẳng xích đạo, nhiễm sắc thể cặp hướng cực tế bào Cả hai nhiễm sắc tử nhiễm sắc thể tương đồng gắn với vi ống thể động từ cực, nhiễm sắc tử nhiễm sắc thể gắn với vi ống từ cực đối lập Sau protein gắn kết nhiễm sắc tử chị em bị phân hủy làm cho nhiễm sắc thể tương đồng tách Mỗi nhiễm sắc thể cặp tương đồng di chuyển cực đối lập nhờ định hướng thoi phân bào Lực cố kết nhiễm sắc tử chị em trì tâm động, làm cho nhiễm sắc tử di chuyển đơn vị hướng cực Sau kiện kì sau I kết thúc, tế bào chuyển sang kì cuối I phân chia tế bào chất Đầu kì cuối I, nửa tế bào có nhiễm sắc thể đơn bội hoàn chỉnh với nhiễm sắc thể nhân đôi Mỗi nhiễm sắc thể gồm hai nhiễm sắc tử chị em, hai nhiễm sắc tử có vùng ADN nhiễm sắc tử khơng chị em Qúa trình phân chia tế bào chất diễn tương tự phân chia tế bào chất nguyên phân: tế bào động vật hình thành eo thắt trung tâm, tế bào thực vật hình thành vách ngăn ngang phân cắt tế bào Kết thúc kì cuối, nhiễm sắc thể dãn xoắn màng nhân, nhân tái hình thành Sau kết thúc giảm phân I, tế bào trải qua kì chuyển tiếp ngắn bước vào giảm phân II mà khơng có q trình nhân đơi nhiễm sắc thể Lần phân bào II trải qua kỳ: kỳ đầu II, kỳ II, kỳ sau II, kỳ cuối II phân tế bào chất để tạo thành hai tế bào mang nhiễm sắc thể đơn bội Người ta nói lần phân bào hai phân bào cân có chế tương tự với phân bào nguyên phân Sự phân ly kỳ sau hai giống hệt với nguyên phân, hai nhiễm sắc tử chị em tách khỏi di chuyển hai cực theo mặt phẳng cắt dọc hai nhiễm sắc tử chị em Do có lần nhân đơi nhiễm sắc thể diễn vào kì trung gian trước lần phân bào I lại có tới hai lần phân chia nhiễm sắc thể cho tế bào kì sau I sau II nên kết thúc q trình giảm phân, từ tế bào có nhiễm sắc thể lưỡng bội ban đầu tạo bốn tế bào đơn bội PHẦN III ĐIỀU KHIỂN CHU KÌ TẾ BÀO Đặc điểm chu kì tế bào Chu kì tế bào chu trình tuần hoàn kiện xảy tế bào từ lần phân bào lần phân bào Chu kì tế bào sinh vật nhân sơ đơn giản chia thành ba giai đoạn: giai đoạn phân chia (sơ sinh) bắt đầu chép nhiễm sắc thể (giai đoạn B); thời kỳ cần thiết để chép nhiễm sắc thể (kỳ C); khoảng thời gian từ hoàn thành q trình nhân đơi nhiễm sắc thể đến hồn thành trình phân chia tế bào (kỳ D) (Hình 6) Chu kì tế bào sinh vật nhân thực diễn phức tạp với hai thời kì kì trung gian phân bào (M) Kì trung gian bao gồm ba pha G1, S, G2 (Hình 7) Chu kỳ phân bào có ý nghĩa sống cịn tế bào nhờ mà trứng thụ tinh từ tế bào đơn phát triển thành thể trưởng thành, đồng thời tóc, da, tế bào máu vài quan nội tạng làm Sau giai đoạn phân chia, tế bào tạo thành bắt đầu kỳ trung gian chu kỳ phân bào Pha Gl pha sinh trưởng tế bào pha xảy tổng hợp ARN protein, số lượng nhiễm sắc thể chứa hàm lượng ADN ổn định Mỗi nhiễm sắc thể chứa phân tử ADN liên kết với histon trạng thái hoạt động Vào cuối pha G l, có thời điểm gọi điểm kiểm soát R Nếu tế bào vượt qua điểm R chúng tiếp tục vào pha S Đối với tế bào biệt hố tế bào khơng vượt qua R mà vào q trình biệt hố tế bào để tạo nên dịng tế bào sinh dưỡng (tế bào soma) khác nhau, có chức khác Cuối pha G1 tế bào tổng hợp loại protein đặc trưng cyclin A tích luỹ nhân tế bào Pha S: chủ yếu xảy tổng hợp ADN (tái ADN) nhân đôi nhiễm sắc thể Protein cyclin A (nhân tố hoạt hoá tổng hợp ADN) tác động cuối pha S biến Sau pha S, hàm lượng ADN số lượng nhiễm sắc thể nhân đôi Pha G2: ARN protein tổng hợp chuẩn bị cho phân bào Cuối pha G2, protein tổng hợp cyclin B tích luỹ nhân tiền kỳ phân bào Cyclin B hoạt hố enzim kinaza đóng vai trị quan trọng việc thực trình phân bào tạo thành vi ông tubulin để tạo thành thoi phân bào Tiếp theo pha G2 pha phân bào, thời kỳ tế bào mẹ phân chia thành tế bào Điều khiển chu kì tế bào 2.1 Điều khiển chu kì tế bào sinh vật nhân sơ Chất dinh dưỡng yếu tố định cho việc bắt đầu chép nhiễm sắc thể sinh vật nhân sơ Việc sản xuất protein khởi đầu DnaA thành phần thiết yếu khác chế chép tỷ lệ thuận với lượng cacbon sẵn có tốc độ tăng trưởng Sự thiếu hụt axit amin ức chế trực tiếp khởi đầu chép thông qua việc sản xuất guanosine tetraphosphate guanosine pentaphosphate (được gọi chung (p) ppGpp) Tốc độ tăng trưởng ảnh hưởng gián tiếp đến khởi đầu, có khả ngăn chặn khởi đầu mức Sự sẵn có chất dinh dưỡng thiếu axit amin ảnh hưởng đến kéo dài chép phân li nhiễm sắc thể Việc đạt kích thước khối lượng cụ thể chấp nhận rộng rãi chế liên kết phát triển tế bào với việc bắt đầu chép nhiễm sắc thể Theo hướng này, yếu tố cần thiết để bắt đầu chép, thường giả định DnaA, tích lũy phụ thuộc vào tốc độ tăng trưởng, đạt đến ngưỡng tế bào đạt kích thước cụ thể (được gọi 'khối lượng ban đầu') để kích hoạt chép (Donachie, 1968) Nếu khối lượng ban đầu không đổi có nghĩa tế bào ngắn phải trì hỗn q trình chép chúng đạt đến kích thước thích hợp, tế bào dài bắt đầu chép ADN sớm Đây chế đơn giản để trì cân kích thước tế bào quần thể định Sự kiểm sốt tạm thời q trình phân chia tế bào sinh vật nhân sơ (Hình 8) Quá trình lắp ráp FtsZ phối hợp với việc bắt đầu chép DNA phân ly nucleoid để đảm bảo tế bào nhận hoàn chỉnh gen vi khuẩn Ở Bacillus subtilis , đường sinh tổng hợp glucolipid đóng vai trị cảm biến trao đổi chất để truyền thông tin lượng carbon tốc độ tăng trưởng, thông qua nồng độ UDP-glucose nội bào, đến máy phân chia Khi cảm biến hoạt động (trên cùng), phân chia kết hợp với việc đạt kích thước cụ thể (được gọi 'khối lượng tới hạn') thời gian nhân đôi khối lượng Khi cảm biến bị lỗi (dưới cùng), phân chia không bị tách rời khỏi việc đạt khối lượng tới hạn nhạy cảm với thời gian nhân đơi khối lượng, dẫn đến giảm kích thước tế bào 2.2 Điều khiển chu kì tế bào sinh vật nhân thực Điều hòa chu kỳ tế bào quan trọng tế bào, bao gồm phát sửa chữa tổn thương gen ngăn ngừa phân chia tế bào cách kiểm soát Cơ chế kiểm soát chu kỳ tế bào lập trình có định hướng, nghĩa trình xảy theo hướng liên tục đảo ngược chu kỳ Các chế điều hịa thể tóm tắt hình Thứ hệ thống điểm chốt chu kỳ chế tác động điều chỉnh MPF Cơ chế kiểm tra điểm chốt chế kiểm tra theo mối liên hệ ngược, nghĩa công việc giai đoạn sau bắt đầu cơng việc giai đoạn trước hồn thành, có nghĩa cơng việc xảy giai đoạn sau chuẩn bị đầy đủ, tiền đề cần thiết diễn giai đoạn trước Tác động lên điểm chốt có tín hiệu nội bào tín hiệu đến từ tế bào mô khác thể, tín hiệu đến từ mơi trường Có ba điểm chốt quan trọng: điểm chốt từ Gl sang S (ở nấm men gọi điểm xuất phát S (start), động vật bậc cao gọi điểm hạn định R (restriction)), tế bào vượt qua điểm chốt G l chúng vào S để tổng hợp ADN Điểm chốt thứ hai điểm chốt G2 để kiểm tra cửa vào M tế bào, điểm chốt thứ điểm chốt M thời kỳ từ kì chuyển sang kì sau phân bào, thường gọi điểm cửa phân bào, nghĩa tế bào vượt qua điểm hoàn tất phân bào vào Gl tiếp tục chu kỳ (hình 7) Điểm chốt Gl báo hiệu trình tăng 10 trưởng, trình chuẩn bị cho tái ADN ỏ Gl hoàn tất Đối vổi tế bào bị ách lại Gl, nhân tố sinh trưởng GF (Growth Factor) chất kích thích phân bào thường tác động lên điểm chốt Gl Nhân tố phiên mã E2F có tác động kích thích phiên mã gen mã hóa cho protein enzim cần thiết cho tái ADN Khi tế bào chưa vượt qua điểm chốt G l E2F bị ức chế liên kết với protein ức chế, ví dụ, protein Rb Khi protein Rb bị photphorin hóa nhờ phức hệ kinaza (tức MPF) Cdk4/6-cyclinD Cdk2- cyclinE E2F giải phóng, chúng tác động với Cdk2- cyclinA lên hệ tái ADN, Gl chuyển vào S Người ta phát protein p53 (gọi khối lượng 53kDa) có vai trị ức chế tế bào người Gl có hư hỏng ADN Khi protein không hoạt động, tế bào với hư hỏng ADN vượt qua Gl vào S để tái ADN, hoàn thành chu kỳ cho tế bào chuyển dạng thành tế bào ung thư Vì người ta gọi gen mã hóa cho protein p53 gen ức chế ung thư (tumor suppressor gene) Trong trường hợp bình thường, protein p53 nhân tố phiên mã, chúng khơng bền vững, vậy, chúng tồn với lượng vừa đủ để bám vào yếu tố kiểm tra tương ứng ADN hoạt hóa phiên mã Sự hư hỏng ADN làm bền vững hoá protein p53 nồng độ chúng tăng cao, chúng tích cực kích thích phiên mã Một gen chúng kích thích phiên mã gen mã hóa cho protein ức chế CIP p21, protein ức chế hoạt tính phức hệ cyclin-kinaza CIP p21 liên kết ức chế tất Cdk-cyclin động vật có vú kết tế bào bị ách lại Gl (hoặc G0) ADN hư hỏng sửa chữa nồng độ p53 CIP p21 giảm xuống Nếu ADN bị hư hại nặng protein p53 hoạt hóa gen dẫn đến q trình tự chết tế bào (apoptosis) Điểm chốt G2 báo hiệu trình cần thiết cho phân bào phải hoàn tất tái ADN, đông đặc tăng xoắn sợi nhiễm sắc, tạo thành vi ống chuẩn bị cho tạo thành thoi phân bào, tế bào vượt qua chốt để vào kì đầu phân bào Nếu q trình chưa hồn tất có xảy hư hỏng ADN tế bào bị dừng lại G2 không vào M, ngăn chặn không để xảy hư hỏng hệ gen hệ tế bào cháu Điểm chốt giai đoạn M kì chuyển sang kì sau: Nếu trình tan rã màng nhân, tạo thoi phân bào trung tiết (tức tâm động) bám gắn nhiễm sắc thể vào sợi thoi chưa hồn tất tế bào bị dừng lại trung kỳ Thứ hai hệ thống điều chỉnh chu kỳ tế bào gồm hai họ protein chủ yếu Họ thứ kinaza phụ thuộc cyclin-Cdk có tác dụng phát động q trình tiền thân cách gây photphorin hóa nhiều protein đặc trưng gốc serin threonin Họ protein thứ hai protein đặc biệt gọi cyclin, cyclin đóng vai trị kiểm tra hoạt tính photphorin hóa Cdk protein đích Khi cyclin liên kết với Cdk thành phức hệ Cdk trạng thái hoạt tính cyclin tách khỏi Cdk Cdk khơng có hoạt tính Cyclin kinases phụ thuộc cyclin (CDK) hai loại phân tử điều hòa chủ chốt định diễn biến chu kỳ tế bào CDK có hoạt tính xúc tác gắn với cyclin hay nói cách khác cyclin protein điều hịa có vai trị hoạt hóa CDK 11 CDK thực phản ứng phosphoryl hóa hoạt hóa hay bất hoạt protein mục tiêu để tế bào vào pha chu kỳ.Nhờ tín hiệu ngoại bào tiền nguyên phân, phức hợp cyclin-CDK G1 trở nên có hoạt tính giúp tế bào tiến vào pha S cách thúc đẩy biểu nhân tố phiên mã giúp tăng cường biểu cyclin pha S enzyme cần thiết cho nhân đôi ADN Phức hợp cyclin-CDK G 1cũng thúc đẩy phân hủy phân tử ức chế pha S Phức hợp cyclin-CDK pha S phosphoryl hóa protein làm phức hợp tiền nhân đôi tập hợp suốt pha G gắn vào điểm khởi đầu chép ADN cảm ứng nhân lên ADN Phức hợp cyclin-CDK nguyên phân bị bất hoạt suốt pha S G2 khởi đầu giai đoạn nguyên phân cách kích thích protein liên quan đến xoắn chặt nhiễm sắc thể hình thành thoi vơ sắc APC hoạt hóa nhằm thúc đẩy phân hủy protein cấu trúc liên kết với phức hợp protein gắn vào tâm động nhiễm sắc thể đồng thời phân hủy cyclin giai đoạn nguyên phân để kỳ cuối giai đoạn phân chia tế bào chất tiếp tục Cyclin D cyclin tạo chu kỳ tế bào đáp ứng lại tín hiệu ngoại bào chẳng hạn nhân tố tăng trưởng Cyclin D gắn vào CDK4, tạo phức hợp cyclin D-CDK4 hoạt hóa có vai trị phosphoryl hóa protein ức chế khối u (Rb) giúp Rb phân tách khỏi phức hợp E2F/DP1/Rb (phức hợp gắn vào gen ngăn chặn trình phiên mã) dẫn tới hoạt hóa E2F Sự hoạt hóa cho phép phiên mã nhiều gen khác cyclin E, cyclin A, DNA polymerase, thymidine kinase, … Cyclin E gắn vào CDK2 tạo phức hợp cyclin E-CDK2 có vai trò đẩy tế bào từ G vào pha S Sự hoạt hóa phức hợp Cyclin B-CDK2 giúp phá vỡ màng nhân khởi đầu kỳ đầu giai đoạn nguyên phân, đồng thời bất hoạt phức hợp giúp tế bào thoát khỏi nguyên phân Phức hợp cyclinCDK giai đoạn khác tế bào nhân thực mơ tả hình Thứ ba nhân tố phát động trứng chín - MPF (M aturation Promoting Factor) giúp điều chỉnh chu kì tế bào phơi giai đoạn phát triển sớm Nhân tố giúp cho tế bào vượt qua điểm chốt G2 tiến vào M Nhân tố MPF khơng có tác dụng phát động để vượt qua điểm chốt G2 mà phát động vượt qua điểm chốt G l cho phép tế bào vào S Tồn số cyclin, hàm lượng chúng đạt tới ngưỡng tác động hoạt hoá MPF chúng bị phân hủy làm bất hoạt MPF ức chế phân bào Thứ tư nhân tố sinh trưởng giúp điều chỉnh chu kì tế bào Tác động nhân tố sinh trưởng gây cho tế bào có hai đáp ứng: đáp ứng sớm đáp ứng chậm Trong đáp ứng sớm: Nhân tố sinh trưởng có tác động kích thích phiên mã nhiều gen, chủ yếu gen mã hóa cho nhân tố phiên mã c-Fos C-Jun Trong đáp ứng chậm: Các protein tổng hợp giai đoạn đáp ứng sớm có tác động hoạt hóa gen giai đoạn đáp ứng chậm Một số gen gen mã hóa cho nhân tố phiên mã E2F Một số gen khác đáp ứng chậm gen mã hóa cho loại cyclin D, A, E, gen mã hóa cho loại Cdk2, Cdk4 Cdk6 hoạt hóa biểu Cho đến nồng độ protein tích lũy đủ tế bào vượt qua điểm R để vào S tái ADN Một số nhân tố phiên mã E2F cần thiết cho phiên 12 mã gen đây, gen mã hóa cho nhiều protein tham gia vào tổng hợp ADN nhân tố E2F kích thích phiên mã gen mã hóa cho thân chúng Khả kích thích phiên mã E2F lại bị ức chế protein liên kết với chúng Rb protein thân thuộc khác pl07 pl30 Protein Rb xác định sản phẩm gen ức chế, dẫn đến hoạt hóa gen cần thiết E2F để vào giai đoạn S Một số protein ức chế có vai trị điều khiển chu kì tế bào protein có tác dụng ức chế hoạt tính cyclin-kinaza, gọi CKI (Cyclin Kinase Inhibitor) chúng có hai lớp: Một lớp gọi CIP (Cdk Inhibitor Protein), chúng liên kết ức chế tất phức hệ Cdkl-, Cdk2-, Cdk4- Cdk6-cyclin Một lớp khác gọi INK4 (kinase-4-inhibitor) liên kết ức chế phức hệ Cdk4-cyclin D Cdk6cyclin D Người ta biết loại protein INK4 pl6 có tác động chất ức chế ung thư (tumor suppressor) Người ta biết động vật có vú có ba lớp protein CIP gọi p21, p27 p57 Các protein ức chế INK4 CIP p21, p27 p57 đóng vai trị ức chế hệ MPF, từ ức chế chu kỳ tế bào Vai trò CIP p21 đáp ứng lại hư hỏng ADN tế bào động vật có vú Chúng có vai trò ức chế tăng sinh tế bào phát triển phôi sinh Protein CIP p57 biểu tế bào biệt hóa đa số mơ thể trưởng thành Như chế phân bào điều khiển chu kì tế bào sinh vật nhân thực diễn phức tạp chặt chẽ so với sinh vật nhân sơ Điều phù hợp với phức tạp hoàn thiện cấu trúc tế bào nhân thực đồng thời giúp đảm bảo sinh trưởng, phát triển bình thường, ổn định tế bào thể 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO N.A Campbell, J.B Reece, L.A Urry, M.L Cain, S.A Wasseman, P.V Minorsky R.B Jackson (2012), Sinh học (dịch theo sách xuất lần thứ 8) NXB Giáo dục Việt Nam Nguyễn Như Hiền (2007), Giáo trình Sinh học tế bào, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Jue D Wang and Petra A Levin (2009) Metabolism, cell growth and the bacterial cell cycle, Nature Reviews Microbiology volume 7, pages822–827 Eric V Wong (2009), Cells: Molecules and Mechanisms, Axolotl Academic Publishing http://biomedia.vn/review/chu-ki-te-bao.html https://www.scienceabc.com/pure-sciences/what-is-meiosis-definition-and-stages.html https://vi.wikipedia.org/wiki/Nguy%C3%AAn_ph%C3%A2 14 ... VỀ TẾ BÀO NHÂN SƠ VÀ TẾ BÀO NHÂN THỰC Lịch sử nghiên cứu tế bào Đặc điểm cấu trúc tế bào nhân sơ tế bào nhân thực PHẦN II CƠ CHẾ PHÂN BÀO Cơ chế phân bào sinh vật nhân sơ Cơ chế phân bào sinh vật. .. vật nhân thực 2.1 Cơ chế nguyên phân 2.2 Cơ chế giảm phân PHẦN III ĐIỀU KHIỂN CHU KÌ TẾ BÀO Đặc điểm chu kì tế bào Các chế điều khiển chu kì tế bào 2.1 Điều khiển chu kì tế bào sinh vật nhân sơ. .. tạo bốn tế bào đơn bội PHẦN III ĐIỀU KHIỂN CHU KÌ TẾ BÀO Đặc điểm chu kì tế bào Chu kì tế bào chu trình tuần hồn kiện xảy tế bào từ lần phân bào lần phân bào Chu kì tế bào sinh vật nhân sơ đơn