Skkn chuyên đề thụ thể liên hợp protein g

MỤC LỤC Phần ĐẶT VẤN ĐỀ 1 Lý tiếp cận chuyên đề 1.2 Mục đích chuyên đề 1.3 Khái quát nội dung chuyên đề Phần NỘI DUNG 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA SỰ TRUYỀN TÍN HIỆU VÀ THỤ THỂ KẾT CẶP VỚI PROTEIN G 2.2.1 Quá trình truyền tín hiệu: Từ tín hiệu ngoại bào tới đáp ứng tế bào 2.2.1.1 Phân tử tín hiệu hoạt động gần xa 2.2.1.2 Liên kết phân tử tín hiệu hoạt hóa thụ thể tế bào đích 2.2.1.3 Protein kinase phosphatase đƣợc sử dụng hầu hết đƣờng tín hiệu 2.2.1.4 Protein gắn GTP thƣờng đƣợc sử dụng q trình truyền tín hiệu nhƣ cơng tắc bật/tắt 10 2.2.1.5 "Phân tử tín hiệu thứ cấp” nội bào dẫn truyền khuếch đại tín hiệu từ nhiều thụ thể 11 2.2.2 Nghiên cứu thụ thể bề mặt tế bào protein truyền tín hiệu 13 2.2.2.1 Hằng số phân ly số đo lực thụ thể với phối tử 13 2.2.2.2 Thí nghiệm liên kết đƣợc sử dụng để phát thụ thể xác định lực độ đặc hiệu chúng với phối tử 14 2.2.2.3 Đáp ứng cực đại tế bào với phân tử tín hiệu thƣờng khơng u cầu hoạt hóa tất thụ thể 15 2.2.2.4 Độ nhạy tế bào với tín hiệu ngoại bào đƣợc xác định số lƣợng thụ thể bề mặt lực chúng với phối tử 16 2.2.2.5 Thụ thể đƣợc tinh kỹ thuật lực 17 2.2.2.6 Sử dụng phản ứng kết tủa miễn dịch kỹ thuật lực để nghiên cứu hoạt động protein truyền tín hiệu 17 2.2.3 Thụ thể liên kết protein G 20 2.2.3.1 Cấu trúc chế 20 2.2.3.2 Thụ thể liên hợp protein G điều hòa kênh ion 25 2.2.3.2 Thụ thể acetylcholine tim kích hoạt protein G gây mở kênh K+ 25 2.2.3.4 Ánh sáng kích hoạt rhodopsin liên hợp protein G tế bào hình que mắt 26 2.2.4 Kích hoạt rhodopsin ánh sáng dẫn tới đóng kênh cation cổng cGMP 27 2.2.4.1 Khuếch đại tín hiệu làm đƣờng truyền tín hiệu rhodopsin cực nhạy 29 2.2.4.2 Tế bào hình que thích ứng với mức biến đổi ánh sáng môi trƣờng nhờ trao đổi arrestin transducin nội bào 31 2.2.5 Thụ thể liên hợp protein G hoạt hóa ức chế adenylyl cyclase 32 2.2.5.1 Adenylyl cyclase bị kích thích ức chế phức hợp thụ thể-phối tử khác 32 2.2.5.2 Các nghiên cứu cấu trúc thiết lập trình Gαs.GTP gắn vào hoạt as hóa adenylyl cyclase 32 2.2.5.3 Các nghiên cứu cấu trúc thiết lập trình GGTP gắn vào hoạt as hóa adenylyl cyclase 33 2.2.5.4 cAMP hoạt hóa protein kinase A nhờ giải phóng tiểu phần ức chế 34 2.2.5.5 Hoạt hóa protein kinase A nhờ hormone để điều hịa chuyển hóa glycogen 35 skkn 2.2.5.6 Hoạt hóa protein kinase A nhờ cAMP tạo nên nhiều đáp ứng đa dạng loại tế bào khác 36 2.2.5.7 Khuếch đại tín hiệu xảy đƣờng cAMP-protein kinase A 37 2.2.5.8 CREB nối CAMP protein kinase A với kích hoạt biểu gen 37 2.2.5.9 Protein neo tập trung tác động cAMP đến vùng đặc hiệu tế bào 38 2.2.5.10 Nhiều chế điều hịa giảm tín hiệu từ đƣờng GCPR/cAMP/ PKA 39 2.2.6 Các thụ thể liên hợp protein G làm tăng Ca2+ bào tƣơng 41 2.2.6.1 Phospholipase C bị kích hoạt hai phân tử tín hiệu thứ cấp từ lipit photphattadylinositol màng 41 2.2.6.2 Phức hợp Ca2+- camodulin làm trung gian cho nhiều đáp ứng tế bào trƣớc tín hiệu từ bên ngồi 43 2.2.6.3 Tín hiệu gây giãn trơn đƣợc trung gian đƣờng protein kinase G kích hoạt Ca2+ “ nitric oxide-cGMP 44 2.2.6.4 Tích hợp Ca2+ phân tử tín hiệu thứ cấp cAMP điều hòa ly giải glycogen 45 2.2.7 Các đƣờng truyền tín hiệu điều hịa biểu gen 47 2.2.7.1 Các thụ thể hoạt hóa protein kinase tyrosine 47 2.2.7.2 Con đƣờng Ras/MAP Kinase 48 2.2.7.3 Các đƣờng truyền tín hiệu phosphoinositide 49 2.2.7.4 Các thụ thể kinase serine hoạt hóa Smad 49 2.2.7.5 Các đƣờng truyền tín hiệu đƣợc điều khiển ubiquitin hóa: Wnt, Hedgehog, NF-KB 49 2.2.7.6 Các đáp ứng tích hợp tế bào với nhiều đƣờng truyền tín hiệu 50 2.2.8 Khái qt q trình truyền tín hiệu đáp ứng lại tín hiệu tế bào thực vật 50 2.2.8.1 Tiếp nhận tín hiệu 51 2.2.8.2 Truyền tín hiệu 51 2.2.8.3 Đáp ứng 51 2.2.9 Chết theo chƣơng trình tế bào (Apoptosis) 51 2.2.9.1 Chết theo chƣơng trình (apoptosis), 51 2.2.9.2 Con đƣờng chết theo chƣơng trình ngoại sinh 52 2.2.9.3 Con đƣờng chết theo chƣơng trình nội sinh 53 2.2 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP KHAI THÁC CHƢƠNG 11 - SÁCH BIOLOGY CAMPBELL 54 2.2.1 KHAI THÁC THEO CẤP ĐỘ NHẬN THỨC 54 2.1.2 CÂU HỎI TỰ LUẬN ĐỂ KIỂM TRA CÁC KHÁI NIỆM THEO CHƢƠNG 11 57 2.2.3 CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM VẬN DỤNG KIẾN THỨC CHƢƠNG 11 - Biology Campbell 58 2.3 HƢỚNG DẪN KHAI THÁC BÀI TẬP VẬN DỤNG KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 73 2.4 CÁC CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CÓ HƢỚNG DẪN 85 2.5 MỘT SỐ BÀI TẬP VỀ SỰ TRUYỀN TIN Ở THỰC VẬT 107 Phần 3: KẾT LUẬN 109 3.1 Kết luận 109 3.2 Đề xuất 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH 109 skkn CHUYÊN ĐỀ “Truyền tín hiệu thụ thể liên hợp protein G” Phần ĐẶT VẤN ĐỀ 1 Lý tiếp cận chuyên đề Tế bào sống thám sát xung quanh tự điều chỉnh hoạt động nhƣ thành phần nội chúng cho phù hợp với môi trƣờng Chúng giao tiếp cách gửi có chọn lọc tín hiệu tới tế bào có khả cảm nhận xử lý Những tín hiệu nhƣ khơng phổ biến cá thể mà cịn sinh vật Ví dụ, mùi lê truyền tín hiệu nguồn thức ăn tới động vật khác Ngƣợc lại, tiêu thụ lê động vật giúp phân phối hạt lê Đôi bên có lợi! Tế bào sử dụng loại tín hiệu gồm: hợp chất nhỏ đơn giản, khí, protein, ánh sáng, vận động học Tế bào có nhiều protein thụ thể dành cho việc phát xây dựng đƣờng truyền tín hiệu tế bào, từ tạo đáp ứng Tại thời điểm, tế bào cảm thụ số tín hiệu xung quanh phƣơng thức tế bào đáp ứng với tín hiệu thay đổi theo thời gian Trong số trƣờng hợp, tín hiệu truyền đến mồi tế bào đáp ứng với tín hiệu khác đến sau theo phƣơng thức định Mơi trƣờng thay đổi (ví dụ, biến đổi nồng độ chất dinh dƣỡng cấp độ ánh sáng) tín hiệu từ tế bào khác thơng tin bên gửi đến cho tế bào xử lý Đáp ứng nhanh với tín hiệu nhƣ thƣờng thay đổi vị trí hay hoạt tính protein sẵn có Ví dụ, sau dùng bữa giàu carbohydrate glucose dổ vào dịng máu Tế bào B tuyến tụy cảm thụ nồng độ glucose tăng lên máu đáp ứng lại cách giải phóng hormone insulin mà chúng tích trữ vào máu Tín hiệu insulin lƣu thơng máu làm protein vận chuyển glucose tế bào chất tế bào mỡ hƣớng tới bề mặt tế bào Tại chúng hấp thu glucose Trong đó, tế bào gan hấp thụ mạnh glucose nhờ protein vận chuyển glucose khác Trong tế bào gan Cơ, insulin gắn với thụ thể bề mặt tế bào gây kích hoạt đƣờng tín hiệu nội bào Con đƣờng hoạt hóa enzyme cần thiết để tạo glucose polymer lớn gọi glycogen Những đáp ứng tế bào làm giảm nồng độ glucose máu glucose cịn dƣ đƣợc tích trữ dƣới dạng glycogen Glycogen trở thành nguồn glucose khả dụng tế bào bạn bỏ ăn để vùi đầu ôn thi Khả gửi đáp ứng với tín hiệu quan trọng cho phát triển tế bào Nhiều tín hiệu phát triển quan trọng protein tiết tế bào đặc biệt tạo thời điểm vị trí định tiến trình phát triển sinh vật Thông thƣờng, tế bào lúc nhận nhiều tín hiệu định phản ứng nhƣ Các đáp ứng biệt hóa thành loại mô định, khuếch đại trình, chết, gửi lại tín hiệu xác nhận di chuyển Chức gần nửa số protein ngƣời, giun tròn, nấm men, số sinh vật nhân chuẩn khác đƣợc dự đoán dựa phân tích trình tự hệ gene Những phân tích nhƣ cho thấy 1015% protein sinh vật nhân chuẩn đóng vai trị tín hiệu tiết ngoại bào, thụ tín hiệu, protein truyền tín hiệu nội Những protein truyền tín hiệu qua hàng loạt bƣớc để cuối tạo đáp ứng đặc hiệu tế bào (ví dụ tăng tổng hợp glycogen) Có thể thấy rõ tín hiệu truyền tín hiệu hoạt động tế bào trọng tâm sinh học tế bào Với khối chuyên sinh trƣờng THPT Chuyên, sách Sinh học (Campbell & Reece) khơng cịn xa lạ, chí cịn trở thành “thƣơng hiệu” đội tuyển Chƣơng 11, tác giả đề cập đến “thông tin tế bào” cách đầy đủ theo tiến trình từ tế bào tiếp nhận tìn hiệu, sau truyền tín hiệu cuối đáp ứng tế bào đích Nội dung cuối chƣơng đề cập đến cách thức đƣợc lập trình cách nghiêm ngặt cho tế bào chết Nhƣ vậy, theo cách tiếp cận dƣờng nhƣ nội dung chuyên đề chi tiết, đầy đủ rõ ràng Bản thân cá nhân tơi thấy chun đề khó cịn nhiều bí ẩn mà thân chƣa biết rõ, cách tiếp cận chuyên đề có nhiều cách Hơn nữa, khai thác kiến thức chuyên đề khai thác nhiều cấp độ khác (từ phân tử → tế bào → cá thể), khai thác kết nối với tiến hóa… Để hiểu rõ chuyên đề giúp học sinh đội tuyển có thêm nguồn tài liệu rèn cách khai thác kiến thức lựa chọn cách tiếp cận chuyên đề góc độ “Truyền tín hiệu thụ thể liên kết protein G” skkn 1.2 Mục đích chuyên đề - Biên soạn chuyên đề để nâng cao hiệu tự học cá nhân, cung cấp thêm nguồn tài liệu cho học sinh đội tuyển - Rèn luyện khả tự học, tự đọc tài liệu khai thác kiến thức 1.3 Khái quát nội dung chuyên đề * Về sở lý thuyết - Phần đầu chuyên đề nội dung lý thuyết liên quan đến q trình truyền tín hiệu (từ ngoại bào đến đáp ứng tế bào); - Tiếp theo nghiên cứu sâu thụ thể bề mặt protein truyền tín hiệu; cấu trúc, chế thụ thể liên hợp protein G tác động thụ thể liên hợp - Trong chuyên đề đề cập nét khái quát đƣờng truyền tín hiệu điều khiển biểu gen; khái quát truyền tín hiệu thực vật; chết theo chƣơng trình tế bào * Về câu hỏi tập - Giới thiệu câu hỏi tập khai thác từ chƣơng 11 Sinh học (Campbell & Reece) - Giới thiệu hƣớng dẫn học sinh khai thác kiến thức liên quan đến nội dung lý thuyết chuyên đề viết phần đầu (với cách hƣớng dẫn gồm bƣớc: Trọng tâm kiến thức cần khai thác  Phân tích sở khoa học liên quan  trả lời câu hỏi) - Giới thiệu câu hỏi tập truyền tín hiệu thực vật; câu hỏi tập gặp kỳ thi, hội thi… Phần NỘI DUNG 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA SỰ TRUYỀN TÍN HIỆU VÀ THỤ THỂ KẾT CẶP VỚI PROTEIN G Không có tế bào sống trạng thái tách biệt Trao đổi thơng tin đặc tính tế bào hình thành phát triển chức sinh vật sống Thậm chí sinh vật đơn bào nhƣ nấm men, nấm nhầy động vật ngun sinh giao tiếp thơng qua tín hiệu ngoại bào: phân tử tiết gọi pheromone điều phối quần tụ tế bào sống tự cho giao phối hữu tính biệt hóa dƣới điều kiện môi trƣờng định Ở thực vật động vật, quan trọng hormone phân tử tín hiệu ngoại bào khác hoạt động bên thể sinh vật để kiểm soát loạt trình, bao gồm trao đổi chất đƣờng, chất béo axit amin; sinh trƣởng biệt hóa mô; tổng hợp tiết protein; cấu thành dịch nội ngoại bào Nhiều loại tế bào đáp ứng với tín hiệu từ mơi trƣờng bên bao gồm ánh sáng, oxy, chất mùi vị thức ăn Ở hệ thống nào, tín hiệu phải đƣợc tiếp nhận để có tác động đến mục tiêu Trong tế bào, tín hiệu tạo phản ứng đặc hiệu cho tế bào đích có thụ thể (receptor) cho tín hiệu Ở vài thụ thể, tín hiệu kích thích vật lý nhƣ ánh sáng, va chạm, nhiệt Ở loại khác, phân tử hóa học Rất nhiều loại phân tử hóa học đƣợc sử dụng nhƣ tín hiệu: tiểu phân tử (ví dụ dẫn xuất axit amin lipid, acetylcholine), chất khí (nitric oxide), peptide (ví dụ ACTH vasopressin), protein hịa tan (ví dụ insulin hormone sinh trƣởng), protein đính bề mặt tế bào liên kết với chất ngoại bào (extracellular matrix) Rất nhiều phân tử tín hiệu ngoại bào đƣợc tổng hợp tiết tế bào tín hiệu đặc thù sinh vật đa bào Hầu hết thụ thể gắn với phân tử đơn lẻ nhóm phân tử có liên quan chặt chẽ Một số phân tử tín hiệu, đặc biệt phân tử kỵ nƣớc nhƣ steroid, retinoid, thyroxine khuếch tán tự phát qua màng tế bào liên kết với thụ thể nội bào Tuy nhiên hầu hết phân tử tín hiệu lớn ƣa nƣớc để xuyên qua đƣợc màng tế bào chất Vậy làm để chúng gây ảnh hưởng tới trình nội bào? Những phân tử tín hiệu gắn với thụ thể bề mặt tế bào, protein xuyên màng gắn vào màng tế bào chất Thụ thể bề mặt tế bào thƣờng có ba miền (domain) phân đoạn (segment) riêng biệt: miền ngoại bào hƣớng dịch ngoại bào, miền xuyên màng đâm ngang qua màng tế bào chất, miền nội bào hƣớng vào bào tƣơng Phân tử tín hiệu hoạt động nhƣ phối tử (ligand), gắn với vị trí ăn khớp mặt cấu trúc miền ngoại bào miền xuyên màng thụ thể Phối tử gắn vào vị trí thụ thể làm thay đổi skkn cấu hình thụ thể Thay đổi đƣợc dẫn truyền qua miền xuyên màng tới miền bào tƣơng, dẫn đến tƣơng tác sau kích hoạt (hoặc bất hoạt) protein khác bào tƣơng protein đính vào màng tế bào chất Trong nhiều trƣờng hợp, protein đƣợc hoạt hóa xúc tác cho phản ứng tổng hợp số phân tử nhỏ định thay đổi nồng độ ion nội bào nhƣ Ca2+ Protein nội bào phân tử tín hiệu thứ cấp (second messenger) sau mang tín hiệu tới nhiều protein hiệu ứng Tồn q trình chuyển đổi tín hiệu ngoại bào thành đáp ứng nội bào, nhƣ bƣớc cụ thể trình đƣợc gọi q trình truyền tín hiệu (signal transduction) (Hình 1) Hình Tổng quan truyền tín hiệu thụ thể bề mặt tế bào Thơng tin liên lạc tín hiệu ngoại bào thường gồm bước sau: tổng hợp phân tử tín hiệu tế bào tín hiệu kết hợp chúng vào túi nhỏ nội bào (bước 1), giải phóng chúng vào khơng gian ngoại bào xuất bào (bước 2), vận chuyển tín hiệu đến tế bào đích (bước 3) Sự gắn kết phân tử tín hiệu vào protein thụ thể bề mặt tế bào đặc hiệu làm thay đổi cấu hình thụ thể, kích hoạt thụ thể (bước 4) Thụ thể kích hoạt tiếp tục kích hoạt nhiều protein truyền tín hiệu xi dịng, tiểu phân tử tín hiệu thứ cấp (bước 5), cuối dẫn đến kích hoạt nhiều protein hiệu ứng (bước 6) Kết sau q trình lan tỏa tín hiệu dẫn đến thay đổi ngắn hạn chức tế bào, chức trao đổi chất vận động (bước 7a), chuyển đổi dài hạn biểu gene phát triển (bước7b) Sự chấm dứt giảm điều khiển phản ứng tế bào gây hồi biến âm từ phân tử tín hiệu nội bào (bước ) tín hiệu ngoại bào bị xóa bỏ (bước 9) Trong sinh vật nhân chuẩn, khoảng chục nhóm thụ thể bề mặt tế bào có chức kích hoạt số loại đƣờng truyền tín hiệu nội bào Những năm gần đây, kiến thức q trình truyền tín hiệu tăng lên đáng kể, chủ yếu thụ thể đƣờng có tính bảo tồn cao hoạt động giống loài sinh vật đa dạng nhƣ giun, ruồi, chuột ngƣời Nghiên cứu di truyền kết hợp phân tích hóa sinh cho phép nhà nghiên cứu theo dõi tồn q trình nhiều đƣờng tín hiệu từ gắn kết phối tử tới đáp ứng cuối tế bào Có lẽ lớp thụ thể phổ biến đƣợc tìm thấy sinh vật từ nấm men tới ngƣời - thụ thể liên hợp protein G (G protein-coupled receptor, GPCR) Nhƣ tên gọi chúng, thụ thể liên hợp protein G gồm protein thụ thể xuyên màng kết hợp với protein G nội bào giúp truyền dẫn tín hiệu vào tế bào Hệ gen ngƣời mã hóa cho khoảng 900 thụ thể liên hợp protein G, bao gồm thụ thể hệ thị giác, khứu giác, vị giác, nhiều thụ thể dẫn truyền xung thần kinh, hầu hết thụ thể cho hormone điều khiển trình chuyển hóa carbohydrate, axit amin chất béo, chí hành vi Con đƣờng truyền tín hiệu qua GPCR thƣờng gây thay đổi ngắn hạn chức tế bào, nhƣ thay đổi trình trao đổi chất vận động Ngƣợc lại, hoạt hóa thụ thể bề mặt tế bào khác chủ yếu thay đổi kiểu biểu gene tế bào, dẫn đến biệt hóa phân chia tế bào hệ lâu dài khác Các thụ thể đƣờng truyền tín hiệu nội bào mà chúng hoạt hóa đƣợc tìm hiểu mục B chuyên đề Trƣớc hết thảo luận nguyên tắc chung q trình truyền tín hiệu, nhƣ sở phân tử liên kết phối tử - thụ thể, thành phần đƣợc bảo tồn qua tiến hóa đƣờng truyền tín hiệu Tiếp theo mô tả phƣơng thức thụ thể bề mặt tế bào protein truyền tín hiệu đƣợc xác định mơ tả đặc trƣng hóa sinh Sau thảo luận sâu thụ thể liên hợp protein G, tập trung skkn vào cấu trúc chế hoạt động chúng đến đƣờng truyền tín hiệu chúng hoạt hóa Chúng ta cho thấy làm đƣờng ảnh hƣởng tới nhiều khía cạnh chức tế bào, bao gồm chuyển hóa glucose, co cơ, nhận biết ánh sáng biểu gene 2.2.1 Quá trình truyền tín hiệu: Từ tín hiệu ngoại bào tới đáp ứng tế bào Nhƣ thể hình1, trình truyền tín hiệu bắt đầu phân tử tín hiệu ngoại bào gắn với thụ thể bề mặt tế bào Liên kết phân tử tín hiệu với thụ thể gây hai kiểu đáp ứng tế bào chính: (1) thay đổi hoạt động chức enzyme đặc hiệu protein khác có sản tế bào (2) thay đổi lƣợng protein đặc hiệu mà tế bào sản xuất, phổ biến cách biến đổi yếu tố phiên mã (transcription factor) gây kích thích ức chế biểu gene (Hình 2, bƣớc 7a 7b) Nói chung, kiểu đáp ứng xảy nhanh so với kiểu thứ hai Các yếu tố phiên mã đƣợc hoạt hóa bào tƣơng đƣờng dịch chuyển vào nhân, nơi chúng kích thích (hoặc ức chế) phiên mã gen đích đặc hiệu Kết nối thụ thể đƣợc hoạt hóa đáp ứng tế bào thƣờng không trực tiếp mà bao gồm số protein trung gian phân tử nhỏ Gộp lại, chuỗi chất trung gian đƣợc gọi đƣờng truyền tín hiệu chuyển đổi biến đổi thông tin từ dạng sang dạng khác q trình tín hiệu đƣợc chuyển tiếp từ thụ thể tới đích Một số đƣờng truyền tín hiệu chứa hai ba chất trung gian, đƣờng khác liên quan tới chục chất Mặc dù vậy, hầu hết đƣờng bao gồm thành viên lớp protein truyền tín hiệu định đƣợc bảo tồn cao qua q trình tiến hóa 2.2.1.1 Phân tử tín hiệu hoạt động gần xa Tế bào phản ứng với nhiều loại tín hiệu khác – số bắt nguồn từ bên thể, số đƣợc tạo từ bên Tín hiệu đƣợc tạo từ bên đƣợc miêu tả theo phƣơng thức chúng tìm tới đích Một số phân tử tín hiệu đƣợc vận chuyển qua quãng đƣờng dài nhờ mạch máu; số khác có tác động chỗ nhiều Ở động vật, tín hiệu phân tử ngoại bào đƣợc chia thành ba dạng nội tiết (endocrine), cận tiết (paracrine) tự tiết (autocrine) - tùy thuộc vào khoảng cách mà tín hiệu hoạt động (Hình a - c) Thêm vào đó, số protein màng định tế bào trực tiếp truyền tín hiệu cho tế bào lân cận Trong truyền tín hiệu nội tiết, phân tử tín hiệu đƣợc tổng hợp tiết tế bào tạo tín hiệu (ví dụ tế bào đƣợc tìm thấy tuyến nội tiết), đƣợc vận chuyển qua hệ tuần hoàn thể, cuối tác động lên tế bào đích cách xa so với nơi chúng đƣợc tổng hợp Thuật ngữ hormone thƣờng để phân tử tín hiệu điều tiết q trình truyền tín hiệu endocrine Insulin tiết tuyến tụy epinephrine tiết tuyến thƣợng thận ví dụ hormone di chuyển qua máu điều tiết trình truyền tín hiệu nội tiết Trong truyền tín hiệu cận tiết, phân tử tín hiệu giải phóng tế bào tác động lên tế bào đích cự ly gần Một tế bào thần kinh giải phóng chất dẫn truyền xung thần kinh (ví dụ acetylcholine) tác động lên tế bào thần kinh lân cận tế bào (kích thích ức chế co cơ) ví dụ truyền tín hiệu cận tiết Ngoài việc dẫn truyền xung thần kinh, nhiều yếu tố sinh trƣởng (growth factor) protein điều tiết trình phát triển sinh vật đa bào hoạt động phạm vi ngắn Một số yếu tố sinh trƣởng protein liên kết chặt chẽ với thành phần chất ngoại bào khơng thể truyền tín hiệu tới tế bào lân cận Sự phân hủy sau thành phần chất này, gây chấn thƣơng nhiễm trùng, giải phóng yếu tố sinh trƣởng hoạt động giúp chúng có khả truyền thơng tin Rất nhiều protein tín hiệu (quan trọng cho phát triển) khuếch tán khỏi tế bào tín hiệu, tạo nên gradient nồng độ gây đáp ứng tế bào khác tùy thuộc vào nồng độ protein tín hiệu skkn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Hình Các dạng tín hiệu ngoại bào (a-c) Tín hiệu tế bào-tế bào chất hóa học ngoại bào xảy khoảng cách từ vài micro mét tín hiệu autocrine paracrine tới vài mét tín hiệu endocrine (d) Protein gắn màng tế bào tương tác trực tiếp với thụ thể bề mặt tế bào bào lân cận Trong truyền tín hiệu tự tiết, tế bào đáp ứng với hợp chất mà chúng giải phóng Một số yếu tố sinh trƣởng hoạt động theo kiểu này, tế bào nuôi cấy thƣờng tiết yếu tố sinh trƣởng kích thích tăng trƣởng tăng sinh thân chúng Dạng tín hiệu đặc điểm đặc trƣng tế bào ung thƣ, nhiều số sản xuất thừa tiết yếu sinh trƣởng kích thích tự tăng sinh khơng phù hợp kiểm sốt, q trình dẫn tới hình thành khối u Protein xuyên màng màng tế bào đóng vai trị quan trọng q trình truyền tín hiệu (Hình 2d) Trong vài trƣờng hợp, phân tử tín hiệu gắn màng tế bào gắn vào thụ thể bề mặt tế bào đích lân cận, gây q trình biệt hóa Trong trƣờng hợp khác, phân giải protein tín hiệu đính màng giải phóng miền ngoại bào có chức nhƣ phân tử tín hiệu hịa tan Một số phân tử tín hiệu hoạt động khoảng cách xa lẫn gần Ví dụ epinephrine (cũng đƣợc biết đến nhƣ adrenaline) hoạt động nhƣ hormone hệ thống (truyền tín hiệu endocrine) nhƣ chất dẫn truyền xung thần kinh (truyền tín hiệu paracrine) Một ví dụ khác nhân tố sinh trƣởng biểu bì (EGF), đƣợc tổng hợp nhƣ protein xuyên màng EGF đính màng gắn với thụ thể tế bào lân cận Thêm vào đó, phân giải EGF protease ngoại bào giải phóng EGF hịa tan, truyền tín hiệu theo kiểu nội tiết lẫn kiểu cận tiết 2.2.1.2 Liên kết phân tử tín hiệu hoạt hóa thụ thể tế bào đích Protein thụ thể cho phân tử nhỏ nƣớc ngoại bào phân tử protein tín hiệu nằm bề mặt tế bào đích Phân tử tín hiệu, phối tử, bám vào vị trí miền ngoại bào thụ thể với độ đặc hiệu lực cao Mỗi thụ thể thƣờng liên kết với phân tử tín hiệu nhóm phân tử có cấu trúc giống Tính liên kết đặc hiệu thụ thể nói lên khả gắn với khơng gắn với hợp chất có quan hệ gần Liên kết phối tử phụ thuộc vào lực đa liên kết khơng cộng hóa trị yếu (tức tƣơng tác ion, van der Waals, tƣơng tác kỵ nƣớc) độ tƣơng hợp phân tử bề mặt tƣơng tác thụ thể phối tử Ví dụ, thụ thể hormone sinh trƣởng (Hình 3) gắn với hormone sinh trƣởng nhƣng khơng gắn với hormone khác có cấu trúc giống (nhƣng khơng phải giống hệt) Tƣơng tự, thụ thể acetylcholine gắn với phân tử nhỏ mà không gắn với chất khác dù có khác biệt nhỏ cấu trúc hóa học, thụ thể insulin gắn với insulin hormone liên quan gọi yếu tố tăng trƣởng tƣơng tự insulin (IGF-1 IGF-2), nhƣng không gắn với hormone khác Liên kết phối tử với thụ thể gây thay đổi hình dạng thụ thể, khởi đầu cho chuỗi phản ứng dẫn đến đáp ứng đặc hiệu bên tế bào Sinh vật tiến hóa để sử dụng phối tử để kích thích tế bào khác đáp ứng theo cách khác Ví dụ, loại tế bào khác có tổ hợp thụ thể khác cho phối tử, số gây đƣờng đáp ứng tín hiệu nội bào khác Ngồi ra, thụ thể đƣợc tìm thấy loại tế bào khác thể sinh vật, nhƣng tƣơng tác phối tử định với thụ gây đáp ứng khác loại tế bào, tổ hợp protein biểu tế bào độc Theo cách này, phối tử khiến tế bào khác đáp ứng theo nhiều cách khác Điều đƣợc biết đến nhƣ tính đặc hiệu hiệu ứng (effector specificity) phức hợp thụ thể - phối tử skkn Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Hình Hormone sinh trƣởng gắn với thụ thể qua tƣơng hợp phân tử (molecular complementary) (a) Như thể từ cấu trúc lập phương phức hợp hormone sinh trưởng thụ thể hormone sinh trưởng, 28 axit amin hormone nằm giao diện tương tác với thụ thể Để định axit amin quan trọng liên kết phối tử thụ thể, nhà nghiên cứu đột biến axit amin thành alanine đánh giá ảnh hưởng tới liên kết thụ thể Từ nghiên cứu này, axit amin hormone sinh trưởng (màu hồng) cho đóng góp 85 phần trăm lượng chịu trách nhiệm cho việc liên kết chặt chẽ với thụ thể, axit amin cách xa trình tự bậc lân cận protein gấp nếp Những nghiên cứu tương tự hai tryptophan (màu xanh thụ thể đóng góp phần lớn lượng giúp cho liên kết chặt chẽ với hormone sinh trưởng, axit amin khác bề mặt tương tác với hormone (màu vàng) quan trọng (b) Tương tác hormone sinh trưởng với phân tử thụ thể (c) liên kết thụ thể thứ hai (màu tím) tới mặt đối diện hormone trình bao gồm tổ hợp axit amin vàng xanh tương tự thụ thể axit amin khác hormone Ví dụ, bề mặt tế bào xƣơng, tim, tế bào nang tuyến tụy sản xuất enzyme tiêu hóa thủy phân, có thụ thể acetylcholine khác Trong tế bào xƣơng, giải phóng acetylcholine từ tế bào thần kinh vận động điều khiển kích hoạt co cách hoạt hóa kênh ion có cổng acetylcholine Trong tim, acetylcholine giải phóng tế bào thần kinh định hoạt hóa thụ thể liên hợp protein G làm chậm tốc độ co bóp theo nhịp tim Kích thích tế bào nang tuyến tụy acetylcholine làm gia tăng nồng độ Ca2+ bào tƣơng, gây xuất bào enzyme tiêu hóa lƣu trữ hạt tiết (secretory granule) để giúp tiêu hóa thức ăn Do hình thành phức hợp thụ thể acetylcholine khác loại tế bào khác dẫn tới đáp ứng tế bào khác 2.2.1.3 Protein kinase phosphatase sử dụng hầu hết đường tín hiệu Sự hoạt hóa hầu hết thụ thể bề mặt tế bào trực tiếp gián tiếp dẫn tới thay đổi trình phosphoryl hóa protein thơng qua kích hoạt protein kinase (thêm nhóm phosphate vào axit amin định protein đích) Một số thụ thể kích hoạt protein phosphatase loại bỏ nhóm phosphate khỏi protein đích Phosphatase hoạt động phối hợp với kinase để bật tắt chức nhiều protein khác (Hình 4) Hình Điều hịa hoạt động protein cơng tắc kinase/phosphatase skkn Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chu trình phosphoryl hóa phosphoryl hóa protein chế tế bào phổ biến để điều khiển hoạt động protein Trong ví dụ này, protein đích, hay chất bị bất hoạt (xanh nhạt) không phosphoryl hóa hoạt hóa (xanh đậm) phosphoryl hóa; vài protein cĨ Cơ chế ngược lại Cả protein kinase phosphatase hoạt động protein xác định, hoạt động chúng thường kiểm sốt chặt chẽ Theo tính tốn gần nhất, gene ngƣời mã hóa khoảng 600 protein kinase 100 phosphatase khác Nhìn chung, protein kinase phosphoryl hóa axit amin định tập hợp protein đích (hoặc chất) thƣờng có mơ hình biểu khác loại tế bào khác Tế bào động vật có loại protein kinaza: loại thêm phốt phát vào nhóm hydroxyl tyrosine loại thêm phosphate vào nhóm hydroxyl serine threonine (hoặc hai) Tất kinase tƣơng tác với trình tự axit amin xác định xung quanh axit amin bị phosphoryl hóa, dựa vào trình tự axit amin quanh tyrosine, serine threonine protein dự đốn kinase phosphoryl hóa axit amin Trong số đƣờng tín hiệu, thụ thể sở hữu hoạt tính kinase nội gắn chặt với kinase bào tƣơng Hình minh họa đƣờng tín hiệu đơn giản gồm kinase kết hợp với thụ thể protein đích chủ yếu Khi vắng mặt phối tử, kinase trạng thái bất hoạt Liên kết với phối tử kích thích thay đổi cấu hình thụ thể, dẫn tới hoạt hóa kinase nối với Kinase sau phosphoryl hóa yếu tố phiên mã đặc hiệu dạng monomer bất hoạt, làm hình thành cấu trúc dimer di chuyển từ bào tƣơng vào nhân để kích hoạt phiên mã gene đích Một phosphatase nhân sau loại nhóm phosphate khỏi yếu tố phiên mã, biến thành hai monomer bất hoạt di chuyển trở lại bào tƣơng nơi đƣợc hoạt hóa trở lại kinase liên kết thụ thể Nhƣ ví dụ minh họa, hoạt động protein kinase đối chọi với hoạt động protein phosphatase, mà thân vài số bị điều khiển tín hiệu ngoại bào Do hoạt động protein tế bào hệ tổng hợp kinase phosphatase tác động nó, trực tiếp gián tiếp thơng qua phosphoryl hóa protein khác Hình Con đƣờng truyền dẫn tín hiệu đơn giản bao gồm kinase protein đích Thụ thể liên kết chặt chẽ với protein kinase tới mức, vắng mặt phối tử bám vào, bị giữ trạng thái bất hoạt Phối tử bám vào kích thích thay đổi cấu hình thụ thể, làm hoạt hóa kinase liên kết với (1) Kinase sau phosphoryl hóa dạng monomer bất hoạt yếu tố phiên mã đặc biệt (2), skkn Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an dẫn tới nhị hợp chúng (3) di chuyển từ bào tương vào nhân (4), nơi kích hoạt phiên mã gene đích Một phosphatase nhân loại bỏ nhóm phosphate khỏi yếu tố phiên mac (5), biến thành monomer bất hoạt chuyển trở lại vào bào tương (6) Nhiều protein chất cho nhiều loại kinase, loại phosphoryl hóa axit amin khác Mỗi lần phosphoryl hóa biến đổi hoạt động protein đích định theo cách khác nhau, số kích hoạt chức protein, số khác bất hoạt Một ví dụ gặp sau glycogen phosphorylase kinase, enzyme điều hịa trao đổi chất glucose Trong nhiều trƣờng hợp, thêm nhóm phosphate vào axit amin tạo bề mặt liên kết cho phép protein thứ hai bám vào chƣơng gặp nhiều ví dụ lắp ghép phức hệ đa protein điều khiển kinase Thông thƣờng hoạt tính xúc tác protein kinase đƣợc điều hịa phosphoryl hóa kinase khác, protein liên kết với nó, thay đổi nồng độ nhiều phân tử tín hiệu nội bào nhỏ chất chuyển hóa Kết chuỗi hoạt động kinase tính chung nhiều đƣờng tín hiệu 2.2.1.4 Protein gắn GTP thường sử dụng trình truyền tín hiệu cơng tắc bật/tắt Rất nhiều đƣờng truyền tín hiệu sử dụng cơng tắc” protein nội bào để bật tắt protein xi dịng Nhóm protein công tắc nội bào quan trọng siêu họ GTPase Mọi protein công tắc GTPase tồn dƣới hai dạng (Hình 6): (1) dạng hoạt hóa (mở) liên kết với GTP (guanosine triphosphate) điều khiển hoạt động protein đích định (2) dạng bất hoạt (đóng) kết hợp với GDP (guanosine diphosphate) Hình Cơng tắc protein GTPase xoay vòng trạng thái hoạt động bất hoạt Công tắc protein trạng thái hoạt động gắn GTP trạng thái bất hoạt gắn GDP Chuyển đổi từ dạng hoạt hóa sang bất hoạt thông qua thủy phân GTP gắn gia tốc GAPs (protein gia tốc GTPase) protein khác Tái kích hoạt đề thăng GEFs (yếu tố trao đổi nucleotide guanine), xúc tác trình phân ly thay GDP GTP Sự chuyển đổi từ dạng bất hoạt sang hoạt hóa đƣợc kích thích tín hiệu (ví dụ hormone liên kết với thụ thể) đƣợc xúc tác yếu tố trao đổi nucleotide guanine guanine nucleotide exchange factor, GEF) làm giải phóng GDP từ protein cơng tắc Tiếp đến GDP vào chỗ GDP, lực nhƣng bù lại có nồng độ nội bào cao hơn, dẫn đến thay đổi cấu hình thành dạng hoạt hóa Sự thay đổi cấu hình bao gồm hai phân đoạn đƣợc bảo tồn cao protein, gọi công tắc I công tắc II, cho phép protein liên kết hoạt hóa protein tín hiệu xi dịng khác (Hình 7) Sự i chuyển đổi dạng hoạt hóa ngƣợc lại thành dạng bất hoạt đƣợc xúc tác GTPase thủy phân liên kết GTP thành GDP P, thay đổi cấu hình phân đoạn cơng tắc I cơng tắc II làm chúng liên kết với protein hiệu ứng GTPase phần nội protein G protein riêng biệt skkn Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn