Sinh trưởng thực vật khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học

Sinh trưởng thực vật khái niệm, cơ sở sinh học phân tử và nguồn gen, cơ chế và quá trình thông tin sinh học

Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học Mục lục Trang I- Khái niêm…………………………………………………………………3 - II- Cơ sở sinh học phân tử nguồn gen…………………………………4 – 19 Kích thước, tổ chức tính phức tạp gen (genome)……………5 Sự biểu gen sinh học phát triển………………………………5 – 19 a) Sự biểu gen thể tiền nhân (Prokaryote)………………… – b) Sự biểu gen thể có nhân (Eukaryote)…………………….10 – 19 III- Cơ chế q trình thơng tin sinh học…………………………… 20 – 25 Những khái niệm định nghĩa…………………………….20 – 21 Các đường truyền tín hiệu chất nhận thể tiền nhân.21- 25 a) Sự truyền tín hiệu thể tiền nhân……………………………21 b) Các chế bản…………………………………………………….21 c) Vi khuẩn sử dụng hệ thống điều tiết hai thành phần để cảm nhận tín hiệu ngoại bào………………………………………………………….21 – 22 d) Phổ lan truyền trả lời…………………………………….22 - 23 e) Vi khuẩn sử dụng hệ thống hai thành phần để phát độ thẩm thấu mơi trường…………………………………………………………………23 - 25 Tín hiệu thứ hai 25 - 31 Phạm Thị Lan Page Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học a) Quan niệm tín hiệu thứ hai…………………………………… 25 b) Một số đại diện tín hiệu thứ hai phổ biến……………………….26 - 31 Sự truyền tín hiệu thể có nhân………………………….31 - 36 a) Hai lớp tín hiệu xác định hai lớp chất nhận…………………… 32 b) Các chất nhận steroid hoạt động tác nhân phiên mã.32 - 33 c) Chất nhận bề mặt tế bào tương tác với G- protein………33 - 34 d) Chu trình G- protein dị tam phân cầu dao phân tử dạng hoạt tính bất hoạt…………………………………………………………….34 - 35 e) Hoạt hóa adenylat xiclaza………………………………………….35 g) Sự hoạt hóa photpholipaza C………………………………………35 h) IP3 mở kênh canxi phí LNSC phía màng khơng bào.35 - 36 i) Các hệ thống hai thành phần thể có nhân……………… 36 Sự phát tín hiệu………………………………………………… 36 - 37 Tài liệu tham khảo…………………………………………………….38 Phạm Thị Lan Page Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học I- Khái niệm Cơ thể thực vật phát triển nhờ hai kiểu biến đổi liên quan chặt chẽ với nhau: biến đổi định lượng biến đổi định tính (về chất) - Những biến đổi lượng gia tăng không thuận nghịch kích thước (chiều dài, bề mặt, thể tích) hay khối lượng Khác với trình biến đổi định lượng vật thể vô sinh, chẳng hạn, kim loại dài nhiệt độ môi trường tăng, co lại gặp lạnh, hay cột thạch nhũ hang động cao, to thêm theo thời gian khơng có tạo chất, ngược lại hạt hút đủ nước sẽ nảy mầm, thời gian nảy mầm khối lượng khơ giảm xuống chất dinh dưỡng hạt bị tiêu phí để mầm xuất lớn lên, trạng thái với cấu trúc (tế bào; mơ; quan rễ, thân, được hình thành (hình 1.1)) Khi có rễ hút được chất dinh dưỡng hóa lục quang hợp được, mầm chuyển sang non với kiểu sống tự dưỡng, lúc kích thước, bề mặt khối lượng tăng nhanh Như vậy, sinh trưởng khái niệm hoàn toàn sinh học Sinh trưởng thực vật q trình tăng khơng thuận nghịch kích thước (chiều dài, bề mặt, thể tích) khối lượng kèm theo tạo thành phần cấu trúc (tế bào, mô, quan) thể - Sự biến đổi định tính được thực nhờ hình thành mặt hình thái chức làm xuất sai khác chất tế bào, mô quan được gọi phân hóa Phân hóa khái niệm thuộc phạm trù phát triển sinh học Phát triển biến đổi chất cấu trúc, hoạt tính chức toàn thể phận cấu thành (cơ quan, mơ, tế bào) tiến trình phát sinh cá thể Phát sinh cá thể (ontogenesis) hay chu trình sống tổng thể biến đổi chức hình thái di truyển gây nên thể thực vật hợp tử hay mầm sinh dưỡng đến chết tự nhiên điều kiện bình thường ngoại cảnh (hình 1.1) Phạm Thị Lan Page Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế q trình thơng tin sinh học Hình 1.1 Chu trình sống thực vật Hai mầm (Nguồn: Sinh học phát triển thực vật - Nguyễn Như Khanh) II- Cơ sở sinh học phân tử nguồn gen Như nói trên, biến đổi chất chức hình thái (kiểu hình) thể kết biểu gen Các tín hiệu bên cần để phối hơp nhịp nhàng biểu gen chu trình phát triển để phản ứng tín hiệu từ mơi trường ngồi Phạm Thị Lan Page Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học Trước nghiên cứu trình phát triển mức tế bào thể cần có thơng tin sở ngắn gọn biểu gen truyền tín hiệu thể tiền nhân (vi khuẩn), nấm men động vật để tham khảo Những hình mẫu biểu gen đối tượng sẽ cung cấp cho ta kiến thức khung thành tựu nghiên cứu phát triển thưc vật chương Kích thước, tổ chức tính phức tạp gen (genome) Kích thước gen có mối liên quan xác định mức độ phức tạp thể Chẳng hạn gen E Coli chứa 47.106 cặp bazo (Cb), gen ruồi giấm (Drosophila) 2.108 Cb tế bào đơn bội, số người 3.10 Cb Kích thước gen thực vật biến đổi nhiều, từ 1,5.108 Cb Arabidopsis đến 1.1011 Cb Một mầm Trillium Bộ gen thực vật chứa khoảng 25000 gen, gen Drosophila chứa khoảng 12000 gen Tuy nhiên, kích thước gen tế bào thể có nhân (Eukaryote) số chưa đáng tin cậy độ phức tạp khơng phải tồn chuỗi ADN mã hóa gen Chẳng hạn, ngày sau phân lập đồ gen người, thấy khoảng 95% chiều dài xoắn kép ADN khơng chứa gen Số lượng gen mã hóa protein gen người khoảng 30000, gấp hai lần so với giun hoắc ruồi giấm Trong thể tiền nhân (Prokaryote) tất ADN chứa trình tự nucleotit mã hóa protein hay phân tử ARN chức Các nhiễm sắc thể (NST) thể có nhân chứa số lượng lớn ADN khơng mã hóa Hình điều có liên quan với chức tổ chức cấu trúc nhiễm sắc thể (Lincoln Taiz, Eduardo Zeiger, 1998) Số lượng ADN khơng mã hóa bao gồm trình tự nucleotit có nhiều được gọi ADN lặp lại (repetive DNA) Phần lại ADN khơng mã hóa được tạo thành từ trình tự nucleotit tự chép đơn được gọi ADN chêm Kết hợp ADN lặp lại ADN chêm tạo thành phần lớn gen tổng thể số thể có nhân Chẳng hạn, thể người có khoảng 5% tồn ADN chứa gen có nghĩa trình tự được mã hóa cho tổng hợp ADN protein Sự biểu gen Sinh học phát triển a) Sự biểu gen thể tiền nhân (Prokaryote) - Protein liên kết với ADN điều tiết phiên mã thể tiền nhân Trong thể vi khuẩn gen được xếp vào operon Operon (tập hợp) gen gồm gen cấu trúc gen điều tiết Ví dụ, lactozo (lac) operon E Coli được Francois Jacob Jacques Monod viện Pasteur Paris mô tả lần vào Phạm Thị Lan Page Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học năm 1961 Lac operon ví dụ operon cảm ứng E Coli sống ruột người Nếu buổi sang ta ăn bánh gato phết bơ vi khuẩn sẽ chìm đường glucozo fructozo tiêu hóa thức ăn béo Nếu sau ta uống sữa mơi trường sống E Coli sẽ thay đổi mạnh Sau ta uống sữa, chất dinh dưỡng chủ yếu sữa đường lactozo Khi lactozo chứa đầy ruột, E Coli tạo enzim sử dụng lactozo Jacob J Monod đề xuất mơ hình giải thích cách tế bào E Coli sản xuất enzim phản ứng trả lời biến đổi thường xuyên xảy môi trường bao quanh Mơ hình Jacob Monod (hình 1.2A 1.2B) giải thích làm gen mã hóa enzim cảm ứng sử dụng lactozo được đóng hay ngắt phụ thuộc vào điều kiện có lactozo hay khơng Trong thời gian thích ứng với lactozo, thể E Coli cảm ứng đồng thời enzim: β- galactosidaza có tác dụng phân giải lactozo thành đường glucozo galactozo; permeaza cần cho vận chuyển lactozo qua màng vào bên tế bào; transacetylaza không tham gia vào chuyển hóa lactozo E Coli sử dụng enzim để thu nhận bắt đầu trao đổi lactozo, lúc gen mã hóa đóng vai trị đơn vị điều tiết Nhìn vào hình 1.2A, ta thấy rõ rang gen mã hóa enzim sử dụng lactozo Đó gen cấu trúc (gen sử dụng lactozo) Sát kề nhóm gen cấu trúc có đoạn ngắn ADN giúp khống chế chúng Một trình tự đặc hiệu nucleotit, gen khởi đầu (promoter), đánh dấu điểm bắt đầu phiên mã tất gen cấu trúc Ở gen khởi đầu nhóm gen cấu trúc trình tự nucleotit được gọi gen huy (gen điều khiển- operator) Gen hoạt động cầu dao đóng, ngắt điện Gen huy quy định thời điểm enzim phiên mã, ARN- polimeraza, liên kết vào gen khởi đầu đẩy gen di chuyển phía trước Một cụm gen cấu trúc với chức liên quan, với gen khởi đầu gen huy được gọi operon Operon tồn thể tiền nhân Hình 1.2A trình diễn lac operon mơ hình “ngắt” trạng thái khơng có đường lactozo mơi trường bao quanh tế bào Sự phiên mã bị ngắt (bị phong tỏa) phân tử protein được gọi chất ức chế Đó protein hoạt động cách liên kết với gen huy phong tỏa không cho ARN- polimeraza tiếp xúc với gen huy Gen điều hịa (hình 1.2A) nằm phía ngồi operon; gen điều hịa mã hóa chất ức chế Sự biểu gen điều hòa xảy liên tục, tế bào được cung cấp phân tử chất ức chế Phạm Thị Lan Page Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học (Nguồn: Sinh học phát triển thực vật - Nguyễn Như Khanh) Phạm Thị Lan Page Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học Làm operon đóng (hoạt động) chất ức chế ln xuất hiện? Hình 1.2B (lac operon đóng) cho thấy lactozo cản trở hoạt động chất ức chế cách liên kết với chất ức chế hình thành nên phức hệ lactozo- chất ức chế làm biến đổi cấu hình (chất ức chế) Với cấu hình mới, chất ức chế khơng có khả liên kết với gen huy gen trì trạng thái đóng Ở trạng thái này, enzim ARN- polimeraza liên kết với gen khởi đầu từ bắt đầu trượt ngược dịng từ 5’ đến 3’ theo gen operon mARN được sinh phân tử đơn mang trình tự mã hóa tất enzim cần cho hấp thụ sử dụng lactozo Tế bào dịch thơng tin thành polipeptit tách biệt mARN có chứa mã tín hiệu khởi đầu kết thúc trình dịch mã (Nguồn: http://withfriendship.com/images/c/13181/3-operon-lac-operon.gif) Lac operon nhiều kiểu operon thể vi khuẩn Những kiểu operon khác có gen khởi đầu, gen huy số gen cấu trúc, operon khác có phương thức không giống nhay việc kiểm tra đóng, ngắt gen huy Trên hình 1.3 trình bày hai kiểu operon kiểm soát chất ức chế Chất ức chế lac operon trạng thái hoạt tính tự bị hoạt tính liên kết với lactozo Phạm Thị Lan Page Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học Trên hình 1.3 giới thiệu kiểu operon thứ hai, kiểu trp operon điều khiển theo cách ngược lại Trp operon được điều khiển chất ức chế mà trạng thái tự bị hoạt tính Để có hoạt tính, kiểu chất ức chế phải liên kết với chất phân tử bé đặc hiệu Trong ví dụ hình 1.3, chất ức chế phân tử bé axit amin tryptophan E Coli sản axit amin tryptophan cần, cách sử dụng enzim được mã hóa trp operon Nhưng sẽ ngừng sản sinh tryptophan hấp thụ từ mơi trường xung quanh Khi có sẵn tryptophan, chất liên kết với chất ức chế trp operon, hoạt hóa chất ức chế trp operon làm cho ngắt operon Như vậy, kiểu operon cho phép vi khuẩn ngừng tổng hợp số chất chủ yếu chất có sắn mơi trường giúp tiết kiệm nguyên liệu lượng cho tế bào (Nguồn: Sinh học phát triển thực vật - Nguyễn Như Khanh) Ngồi hai kiểu operon vừa cịn có kiểu operon thứ ba Đó kiểu operon sử dụng chất hoạt hóa Các chất hoạt hóa protein đóng operon cách liên kết với ADN Bằng cách protein làm cho ARN- polimeraza dễ dàng liên kết với gen khởi đầu phong tỏa enzim ARN- polimeraza, trường hợp chất ức chế tác động Ngồi cịn kiểu operon khác Phạm Thị Lan Page Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học Với việc trang bị kiểu operon khác được điều tiết theo cách sử dụng chất ức chế hay chất hoạt hóa, E Coli thể tiền nhân khác phát triển được môi trường biến động b) Sự biểu gen thể có nhân (Eukaryote) Trong thể tiền nhân, dịch mã (translation) liên kết với phiên mã (transcription) mARN phiên mã kéo dài ra, gắn với riboxom tổng hợp protein (dịch mã) Tuy nhiên, thể có nhân, màng nhân tách gen khỏi máy dịch mã Trước hết, thể có nhân, màng nhân tách gen khỏi máy dịch mã Trước hết sản phẩm phiên mã được vận chuyển tế bào chất, phải được bổ sung tuyến (mức độ) kiểm tra khác - Sự đóng gói ADN nhiễm sắc thể tế bào có nhân ảnh hưởng đến biểu gen Ví dụ, tổng ADN 46 nhiễm sắc thể tế bào người căng sẽ dài mét (Neil Campbell et al., 1997) lúc đường kính nhân điển hình 5µm Tất ADN tế bào nằm gọn nhân chờ có hệ thống xếp gấp (đóng gói) ADN tỉ mỉ nhiều bậc nhiễm sắc thể Vai trị định đóng gói mối liên kết ADN với protein phân tử bé đặc hiệu có tên histon phát được thể có nhân (vi khuẩn có protein tương tự, chúng khơng có xếp gấp nhiều bậc ADN Eukaryote) Trên ảnh hiển vi điện tử phức hệ ADN- histon được hạt gần sợi dây Mỗi “hạt” có tên gọi nucleoxom (thể nhân), nucleoxom gồm có ADN quấn quanh protein có tám phân tử histon Nucleoxom giúp kiểm soát biểu gen cách hạn chế enzim phiên mã xâm nhập vào ADN Phần lớn nucleoxom chứa protein không histon Tế bào có nhân điển hình chứa khoảng 1000 protein nhiễm sắc thể không histon khác mà phần nhiều chúng tham gia điều tiết gen Ở mức đóng gói ADN, dây có gắn hạt lại được gói vào sợi xoắn kép chặt Sau sợi xoắn kép lại được quấn tiếp vào cuộn dài với đường kính khoảng 200 nm Tiếp theo cuộn ADN lại được thắt thành vòng đóng gói chặt ta thấy nhiễm sắc kì (metaphase) trình nguyên phân (mitosis) Sự xếp gấp nhiều bậc đóng gói ADN làm cho nhiễm sắc thể chứa được lượng khổng lồ ADN Vai trị đóng gói ADN kiểm sốt biểu gen chưa biết đầy đủ ngoại trừ số trường hợp đặc biệt hấp dẫn Một trường hợp thể Barr (Barr body) được tìm thấy tế bào cá thể Động vật có vú Thể Barr Phạm Thị Lan Page 10 Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học Hệ thống hai thành phần tương đối giản đơn vi khuẩn hệ thống tín hiệu liên quan đến cảm thụ độ thẩm thấu E Coli E Coli vi khuẩn Gram âm có hai màng tế bào, màng màng tách biệt vách tế bào Màng vật chắn thấm thứ tế bào Màng chứa lỗ lớn gồm hai kiểu protein lỗ, OmpF OmpC Các lỗ được protein OmpF tạo nên lớn so vớ lỗ được protein OmpC hình thành Khi mà E Coli buộc phải chịu độ thẩm thấu cao mơi trường, tổng hợp nên nhiều proten OmpC so với protein OmpF làm xuất lỗ nhỏ màng Các lỗ nhỏ lọc thải chất tan từ vùng tế bào chất ngoại biên có tác dụng bảo vệ màng khỏi tác động nổng độ chất tan cao môi trường bên ngồi Khi cho vi khuẩn vào mơi trường có độ thẩm thấu thấp, protein OmpF được tổng hợp nhiều kích thước trung bình lỗ tăng lên Sự biểu gen mã hóa protein lỗ được hệ thống hai thành phần điều tiết trình bày hình 1.11, protein cảm thụ EnvZ định cư màng Protein có miền tín hiệu vào N- đầu cuối vùng sinh chất ngoại biên Đó protein phát thay đổi độ thẩm thấy môi trường nằm hay phân mảnh màng bắc ngang qua miền truyền tế bào chất C- miền cuối Khi độ thẩm thấu môi trường cao, protein cảm thụ màng, EnvZ (ở dạng nhị phân) tác động kinaza tự photphorin hóa histidin EnvZ được photphorin hóa sau photphorin hóa chất điều tiết trả lời OmpR vốn có miền liên kết ADN OmpR được photphorin hóa gắn vào gen khởi đầu hai gen lỗ OmpC OmpF tăng cường biểu dạng biểu chất ức chế sau Khi độ thẩm thấu môi trường thấp, EnvZ hoạt động protein photphataza thay vảo kinaza loại photpho OmpR liên kết với gen khởi đầu hai gen lỗ Sự biểu OmpC bị ức chế biểu OmpF được kích thích (theo Parkinson, 1993) Khi độ thẩm thấu mơi trường tăng lên, miền tín hiệu vào chịu biến đổi cấu dạng được truyền qua màng đến miền truyền Sau miền truyền tự photphorin hóa gốc histidin Gốc photphat nhanh chóng được dẫn đến gốc aspactat miền nhận chất điều tiết trả lời OmpR N- đầu cuối OmpR chứa miền liên kết ADN Khi được hoạt hóa nhờ photphorin hóa, miền tương tác với ARN- polimeraza gen khởi đầu gen lỗ (poringen) làm tăng biểu gen OmpC ức chế biểu OmpR, kích thích biểu OmpF ức chế biểu OmpC Theo cách đó, kích thích thẩm thấu được truyền đến gen Phạm Thị Lan Page 26 Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học (Nguồn: Sinh học phát triển thực vật - Nguyễn Như Khanh) Tín hiệu thứ hai a) Quan niệm tín hiệu thứ hai Các tế bào trả lời hàng loạt tín hiệu khác địi hỏi phải có số lượng khổng lồ chất nhận Tuy nhiên, vùng phân bố phản ứng trả lời nhiều Nhiều tín hiệu đạt đến bề mặt tế bào làm cho tế bào phân chia rời khỏi chu trình tế bào Những tín hiệu khác cảm ứng biểu nhóm gen đặc trưng vốn bảo vệ tế bào khỏi sốc Vì vậy, đường tín hiệu sớm hội tụ vào số mạng tín hiệu nội bào điều cho phép tế bào chuyển đổi thông tin phức tạp đến được bề mặt tế bào thành Phạm Thị Lan Page 27 Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế q trình thơng tin sinh học tín hiệu hóa sinh đơn giản tế bào chất Những phân tử liên quan đến q trình gọi tín hiệu thứ hai b) Một số đại diện tín hiệu thứ hai phổ biến (hình 1.12) - Các tín hiệu thứ hai - nuleotit mạch vịng Đó 3’, 5’ – AMP vòng (3’, 5-cAMP) 3’, 5-GMP vòng (3’, 5-cGMP) Những tín hiệu thứ hai được phát sớm Hàm lượng phân tử tế bào được điều tiết hoạt tính ngược chiều nucleotidylat xiclaza vốn xúc tác phản ứng NMP →cNMP (ví dụ AMP → cAMP) photphatdiesteraza nucleotit vịng (PDEs), enzim xúc tác phản ứng ngược lại (Nguồn: Sinh học phát triển thực vật - Nguyễn Như Khanh) * cAMP (Cyclic adenosine monophosphate) Phạm Thị Lan Page 28 Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học (Nguồn:http://en.wikipedia.org/wiki/Cyclic_adeno sine_monophosphate) Adenosine monophosphate vòng (cAMP, AMP vịng 3'-5'-cyclic adenosine monophosphate ) tín hiêụ thứ hai quan trọng nhiều trình sinh học cAMP được bắt nguồn từ adenosine triphosphate (ATP) được sử dụng cho truyền tín hiệu nội bào nhiều tổ chức khác nhau, truyền đạt đường phụ thuộc cAMP Chẳng hạn chuyển giao vào tế bào ảnh hưởng kích thích tố glucagon adrenaline , mà qua màng tế bào Nó được tham gia vào việc kích hoạt protein kinase điều chỉnh tác động adrenaline glucagon cAMP liên kết quy định chức kênh ion cAMP được tổng hợp từ ATP adenylyl cyclase nằm phía bên màng bào tương Adenylyl cyclase được kích hoạt loạt phân tử tín hiệu thơng qua kích hoạt kích thích cyclase adenylyl G ( G )-protein-coupled thụ thể ức chế chất chủ vận adenylyl cyclase ức chế G (G i)-protein-coupled thụ thể Gan adenylyl cyclase phản ứng mạnh mẽ để glucagon, adenylyl cyclase phản ứng mạnh mẽ để adrenaline cAMP phân hủy thành AMP được xúc tác enzyme phosphodiesterase cAMP kinase liên quan đến chức q trình sinh hóa, bao gồm quy định glycogen , đường , chuyển hóa lipid Ở sinh vật nhân chuẩn, AMP vịng hoạt động cách kích hoạt protein kinase A (PKA, protein kinase phụ thuộc cAMP ) PKA bình thường không hoạt động tetrameric holoenzyme , bao gồm hai chất xúc tác hai đơn vị quản lý (C R 2), với đơn vị quy định ngăn chặn trung tâm xúc tác đơn vị xúc tác AMP vòng liên kết đến địa điểm cụ thể đơn vị quản lý protein kinase, gây phân ly tiểu đơn vị quản lý xúc tác, kích hoạt đơn vị xúc tác cho phép họ phosphorylate protein chất Các tiểu đơn vị hoạt động xúc tác chuyển giao phosphate từ ATP serine dư lượng cụ thể threonine chất protein Các protein được phosphoryl hóa hành động trực tiếp kênh ion tế bào, bị kích hoạt ức chế enzym Protein kinase Phạm Thị Lan Page 29 Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học A phosphorylate protein cụ thể liên kết với vùng promoter DNA, gây gia tăng gen cụ thể.Không phải tất protein kinase đáp ứng cAMP Một số lớp kinase protein, bao gồm protein kinase C, không phụ thuộc cAMP Ảnh hưởng chủ yếu phụ thuộc vào protein kinase phụ thuộc cAMP , thay đổi dựa loại tế bào Tuy nhiên, có số chức độc lập PKA nhỏ cAMP, ví dụ như, kích hoạt kênh canxi , cung cấp đường nhỏ mà tăng trưởng hormone giải phóng hormone nguyên nhân phát hành hormone tăng trưởng [1] Tuy nhiên, quan điểm phần lớn tác động cAMP được kiểm soát PKA lỗi thời Năm 1998, gia đình cAMP-protein nhạy cảm với yếu tố trao đổi guanine nucleotide(GEF) hoạt động được phát Đây được gọi protein Exchange kích hoạt cách cAMP (Epac) gia đình bao gồm Epac1 Epac2 Cơ chế kích hoạt tương tự PKA: miền GEF thường được che đậy khu vực N-thiết bị đầu cuối có chứa tên miền cAMP ràng buộc Khi cAMP liên kết, phân ly miền đưa hoạt động GEF miền, cho phép Epac để kích hoạt nhỏ Ras giống protein GTPase, Trong vi khuẩn , mức độ cAMP thay đổi tùy thuộc vào phương tiện được sử dụng cho tăng trưởng Đặc biệt, cAMP thấp glucose nguồn carbon Điều xảy thông qua việc ức chế enzyme cAMP sản xuất, adenylyl cyclase, tác dụng phụ vận chuyển glucose vào tế bào Các yếu tố phiên mã protein thụ thể cAMP (CRP) gọi CAP (catabolite gen hoạt hóa protein) tạo thành phức tạp với cAMP được kích hoạt để liên kết với DNA CRP-cAMP làm tăng biểu số lượng lớn gen, bao gồm số mã hóa enzyme cung cấp lượng độc lập glucose cAMP, ví dụ, được tham gia vào quy định tích cực operon lac Trong mơi trường có nồng độ glucose thấp, cAMP tích tụ liên kết với trang web allosteric CRP ( cAMP thụ protein ), phiên mã kích hoạt protein Protein giả định hình dạng hoạt động liên kết với trang web cụ thể thượng nguồn promoter lac, làm cho dễ dàng cho RNA polymerase để ràng buộc promoter lân cận để bắt đầu phiên mã operon lac, tăng tỷ lệ chép lac operon Với nồng độ glucose cao, nồng độ cAMP giảm, CRP disengages từ operon lac Phạm Thị Lan Page 30 Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học (Nguồn: http://thuviensinhhoc.com/chuyen-de-sinh-hoc/sinh-ly-hoc-dong-vat/3125-cachormon-tac-dung-thong-qua-cac-chat-truyen-tin-thu-2.html) Phạm Thị Lan Page 31 Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học - Lipit tín hiệu thứ hai Hệ thống tín hiệu thứ hai được nghiên cứu đầy đủ liên quan đến sản phẩm trình thủy phân thành photpholipit bé (photphattidyllinositol (PI)) màng tế bào PI chuyển hóa thành poliphotphattidylinositol (PIP2) enzim kinaza Mặc dầu PIP2 màng tế bào nhiều so với PI, đóng vai trị trung tâm truyền tín hiệu Trong tế bào động vật, hoocmon, ví dụ vasoprexin liên kết với chất nhận, có tác dụng hoạt hóa G- protein dị tam phân Sau đơn vị α phân li từ G hoạt hóa photpholipaza photphoinositit đặc hiệu, photpholipaza C (PLC) PLC được hoạt hóa nhanh chóng thủy phân PIP2, tái sinh sản phẩm inositol triphotphat (IP 3) diaxylglixerol (DAG) Mỗi phân tử hai phân tử có vai trị quan trọng tín hiệu tế bào (Nguồn:http://thuviensinhhoc.com/chuyen-de-sinh-hoc/sinh-ly-hoc-dong-vat/3125-cachormon-tac-dung-thong-qua-cac-chat-truyen-tin-thu-2.html) - Ion canxi tín hiệu thứ hai Phạm Thị Lan Page 32 Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học Nồng độ ion canxi tế bào kiểm sốt q trình khác kể trình trao đổi chất, tăng sinh chức biệt hóa tính thấm màng, vận động co rút Con đường tín hiệu canxi liên quan đến protein liên kết canxi mà được canxi hoạt hóa liên kết với protein bất hoạt sau kích thích chúng, cách ảnh hưởng đến số lượng đường xi dịng Nồng độ Ca 2+ tế bào chất được trì mức thấp nhờ tiết chủ động, 10000 lần cao dòng ngoại bào số bào quan xác định Các tín hiệu ngược dịng xuất phát từ chất nhận bề mặt tế bào gây dòng canxi xâm nhập vào tế bào mở kênh canxi, điều làm tăng lượng canxi liên kết canxi được hoạt hóa tăng đường tín hiệu xi dịng Có hai đường kích thích xâm nhập canxi chất nhận liên kết G- protein chất nhận tirosin kinaza (RTK).Cả hai chất nhận kích thích enzim photpholipaza vốn gia tăng hàm lượng inositol-1, 4, 5-triphotphat (Ins[1, 4, 5]P3) (IP3) có tác dụng mở kênh Ca2+ cổng IP3 (inositol-1, 4, 5-triphotphat) màng lưới nội sinh chất Trong tế bào chất có nhiều protein liên kết canxi Mặc dầu số lớn chúng tác động chế đệm (bổ trợ) để giảm nồng độ Ca 2+ tế bào chất, số hoạt động máy kiểm tra canxi protein tín hiệu Annexin protein liên kết màng phụ thuộc canxi, protein tái tổ chức thành phần khung tế bào; chúng ức chế photpholipaza A2 Trong protein lớn liên kết điều tiết canxi có calmodulin (CaM) troponin C CaM có mặt khắp nơi protein đa chức năng; troponin C protein chứa canxi có đặc hiệu điều tiết tương tác myosin actin co CaM hoạt hóa nhiều protein kinaza (CaM kinaza II, kinaza tác nhân kéo dài), photphataza (calcineurin) thành phần khung tế bào, hoạt hóa Ca 2+ -ATPase, khởi động chuyển dịch Ca2+ khỏi tế bào chất, CaM tương tác với thành phần hệ Phạm Thị Lan Page 33 Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học (Nguồn:http://thuviensinhhoc.com/chuyen-de-sinh-hoc/sinh-ly-hoc-dong-vat/3125-cachormon-tac-dung-thong-qua-cac-chat-truyen-tin-thu-2.html) Sự truyền tín hiệu thể có nhân Nhiều vi sinh vật sử dụng tín hiệu hóa học truyền tin tế bào Ví dụ, nấm nhày Dictyostelum đói cảm ứng số tế bào tiết cAMP Chất khuếch tán qua chất cảm ứng tế bào tụ tập lại Sự tụ tập nấm men ví dụ khác truyền tin hóa học tế bào vi sinh vật Tuy nhiên, hàng tỉ năm trước, tín hiệu tế bào bước tiến phức tạp tế bào có nhân bắt đầu liên kết với thể đa bào, xuất chiều hướng chuyên hóa tế bào phát triển mơ quan để hình thành chức đặc hiệu Việc điều phối phát triển cảm ứng trả lời môi trường thể đa bào phức tạp đòi hỏi phải có nhiều chế tín hiệu Hai hệ thống tín hiệu chủ yếu có thể động vật hệ thống thần kinh hệ nội tiết Thực vật khơng di chuyển, khơng có hệ thần kinh lại có hoocmon tín hiệu hóa học Là thể quang hợp, thực vật có chế thích nghi sinh trưởng phát triển chúng mặt định lượng định tính ánh sáng a) Hai lớp tín hiệu xác định hai lớp chất nhận Phạm Thị Lan Page 34 Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học Hoocmon được chia thành hai lớp dựa khả vận chuyển qua tế bào chất: hoocmon ưa mỡ vốn dễ dàng khuếch tán qua lớp ghét nước màng sinh chất hoocmon tan nước vốn khơng có khả xâm nhập vào tế bào Hoocmon ưa mỡ liên kết chủ yếu vào chất nhận tế bào chất nhân, hoocmon ưa nước liên kết với chất nhận định cư màng tế bào Trong trường hợp, phối tử liên kết làm thay đổi cấu hình chất nhận cách gây nên biến dạng b) Các chất nhận steroid hoạt động tác nhân phiên mã Các hoocmon steroid, hoocmon tiroit, hoocmon retinoit vitamin D dễ dàng qua màng sinh chất chúng chất ghét nước chúng liên kết với protein chất nhận nội bào Khi được hoạt hóa cách liên kết với phối tử, protein hoạt động tác nhân phiên mã Tất chất nhận steroid có miền liên kết ADN Các thành phần phản ứng steroid có đặc trưng định cư miền tăng cường gen kích thích steroid Hầu hết chất nhận steroid định cư nhân, chúng được neo vào protein nhân dạng hoạt tính Khi chất nhận gắn vào steroid, được tách khỏi protein neo trở nên hoạt động tác nhân phiên mã Sau tác nhân phiên mã được hoạt hóa liên kết vào gen tăng cường (enhancer) kích thích phiên mã Khơng liên kết với hoocmon, chất nhận hoocmon tiroit khơng có khả kích thích phiên mã Khơng phải tất chất nhận steroid nội bào định cư nhân Chất nhận hoomon glucocorticoit (coctisol) khác biệt với chất nhận khác chỗ định cư xitosol (cơ chất tế bào) được neo vào protein xitosol trạng thái hoạt tính Liên kết với hoocmon cho chất nhận rời khỏi protein neo xitosol sau phức hệ hoocmonchất nhận di cư vào nhân, gắn vào gen tăng cường kích thích phiên mã Mới đây, chứng mính được brassinosteroit hoocmon steroid thực vật gen chất nhận brassinosteroit được chọn dòng xác định trình tự nucleotit Nó mã hóa kiểu chất nhận xuyên màng gọi chất nhận giàu điệp khúc loxin c) Chất nhận bề mặt tế bào tương tác với G- protein Các chất nhận bề mặt tế bào được nghiên cứu tốt động vật có vú Tất hoomon tan nước động vật có vú liên kết với chất nhận có bề mặt tế bào Các thành phần chất nhận bề mặt tế bào tương tác với chất truyền tín hiệu protein điều tiết liên kết GTP gọi G- protein dị tam phân (heterotrimerric G- proteins) G- protein được hoạt hóa, đến lượt mình, hoạt hóa enzim effector (enzim tác động, enzim thực hiện) Enzim effector được hoạt hóa tái sinh tín hiệu nội bào thứ hai vốn kích thích nhiều trình tế bào Phạm Thị Lan Page 35 Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học Các chất nhận sử dụng G- protein dị tam phân (G- protein tam phân khác nhau) giống mặt cấu trúc khác chức năng, cấu trúc đầy đủ chúng giống với bacteriorhopsin, sắc tố màu tía liên quan với quang hợp tế bào chi (genus) Halibacterium giống với rhodopsin, sắc tố thị giác mắt động vật có xương sống Gần người ta xác định được chất nhận khướu giác mũi động vật có xương sống thuộc nhóm Các protein chất nhận tồn dạng chuỗi xoắn α bảy cầu xuyên màng (seven transmembrane α helices) (hình 1.13) Đơi người ta gọi chất nhận chất nhận bảy cầu, chất nhận bảy lần vượt hay chất nhận setpentin (A)-Các miền liên kết phối tử ngoại bào lớn đặc trưng chất nhận bảy cầu liên kết protein Chưa rõ miền nội bào tương tác với G- protein dị tam phân (G- protein gồm α, β γ đơn vị) (B)-Các miền ngoại bào nhỏ đặc trưng chất nhận bảy cầu liên kết với phối tử bé epinephrine Một số chuỗi xoắn α bên chuỗi kép màng thường tạo nên vị trí liên kết phối tử Phạm Thị Lan Page 36 Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học (Nguồn: Sinh học phát triển thực vật - Nguyễn Như Khanh) d) Chu trình G- protein dị tam phân cầu dao phân tử dạng hoạt tính bất hoạt G- protein truyền tín hiệu từ chất nhận bảy cầu có tên gọi dị tam phân (heterotrimeric) Có tên G- protein được ba đơn vị hợp thành: α, β γ Chúng khác biệt với đơn phân G- protein Chu trình G- protein dị tam phân dạng hoạt tính dạng bất hoạt, hoạt động cầu dao phân tử Các đơn vị β γ tạo thành phức hệ gắn chặt G- protein vào màng phía tế bào chất Khi liên kết với chất nhận bảy cầu hoạt hóa phối tử, G- protein trở nên hoạt tính Ở dạng bất hoạt, G- protein tồn cấu trúc tam phân GDP liên kết vào đơn vị α Khi liên kết vào phức hệ chất nhận- phối tử cảm ứng đơn vị α chuyển hó GDP thành GTP Sự chuyển hóa làm cho đơn vị α phân li từ β γ cho phép α liên kết với enzim tác động Dưới đơn vị α có hoạt tính GTPaza Nó được hoạt hóa liên kết với enzim tác động Trong trường hợp enzim adenylyl-xiclaza (cịn có tên adenylat xiclaza) GTP bị phân hủy thành GDP, cách làm hoạt tính đơn vị α mà đến lượt lại làm bất hoạt adenylat xiclaza Dưới đơn vị α liên kết với GDP tái kết hợp với β γ sau lại được hoạt hóa cách liên kết với phức hệ chất nhận- hoocmon e) Hoạt hóa adenylat xiclaza làm tăng lượng cAMP cAMP phân tử tín hiệu quan trọng thể tiền nhân, tế bào thực vật động vật Sự hoạt hóa adenylat xiclaza G- protein dị tam phân làm tăng nồng độ cAMP tế bào cAMP thường được trì mức thấp tác động cAMP photphodiesterase vốn thủy phân cAMP thành 5’-AMP Trong tế bào nới cAMP điều tiết biểu gen, enzim protein kinaza (PKA) photphorin hóa tác nhân phiên mã gọi CREB (protein liên kết thành phần cAMP phản ứng trả lời- cAMP response element- binding protein) Với hoạt hóa PKA, CREB liên kết với thành phần phản ứng trả lời cAMP (CRE- cAMP response element) định cư vùng khởi đầu gen vốn được cAMP điều tiết Vì lượng cAMP dịch chiết mô thực vật thấp nên vai trị cAMP đường truyền tín hiệu thực vật bị tranh cãi nhiều (Assmann, 1995) Tuy nhiên, ngày tích lũy nhiều chứng vai trị cAMP trng tế bào thực vật Ví dụ, người ta định rõ được gen mã hóa CREB thực vật (Kategiri CS., 1989) chứng minh được sinh trưởng ống phấn hoa loa kèn (Lilium) được cAMP nồng độ thấp, khoảng 10nM kích thích (Tezuka CS., 1993) Li Phạm Thị Lan Page 37 Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học CS (1994) cho thấy cAMP hoạt hóa kênh K + màng sinh chất tế bào nhu mô đậu tằm (Vicia faba) Mới đây, Ichikwa CS (1997) nhận diện gen adenylat xiclaza thuốc (Nicotiana tabacum) Arabidopsis Như vậy, mặc cho có năm tháng nghi ngờ, vai trò cAMP tác nhân tín hiệu vạn thể sống, kể thực vật rõ ràng g) Sự hoạt hóa photpholipaza C khởi đầu đường IP 3, canxi tín hiệu thứ hai biến động lớn kiện tế bào Vài trò canxi được xác lập chắn tế bào động vật thực vật Nồng độ Ca 2+ tự phần bào tan (cytosol) bình thường được trì mức thấp (1.10 -7M) Ca2+-ATPaza màng sinh chất lưới nội sinh chất (LNSC) bơm ion Ca 2+ vào khoang LNSC Trong tế bào thực vật, hầu hết canxi tập trung không bào Gradient proton điện hóa xun qua màng khơng bào được tái sinh bơm proton có tác dụng khởi đầu đường hấp thụ Ca2+ - H+ vận chuyển canxi h) IP3 mở kênh canxi phía LNSC phía màng khơng bào Photpholipaza C được hoạt hóa tái sinh lại IP Photpholipaza C tan nước khuếch tán qua phần bào tan gặp được vị trí liên kết IP LNSC màng không bào Những vị trí liên kết kênh IP cổng Ca2+ bên mức milimol, canxi khuếch tán nhanh vào phần bào tan theo gradient nồng độ Phản ứng kết thúc IP3 bị phân giải photphataza đặc hiệu hay canxi được bơm khỏi tế bào chất Ca2+ - ATPaza (bơm ion canxi) Tín hiệu canxi thường bắt nguồn từ miền định cư tế bào lan truyền sóng truyền qua phần bào tan Những song lặp lại được gọi dao động canxi theo sau tín hiệu gốc, đợt dao động kéo dài vài giây đến vài phút Mới đây, người ta phát được dao động sóng tế bào khí khổng thực vật (Mc Ainsh CS., 1995) i) Các hệ thống hai thành phần thể có nhân Mới đây, người ta phát thể nấm men thực vật có protein điều tiết phối hợp cảm thụ - trả lời liên quan với hệ thống hai thành phần vi khuẩn Ví dụ, gen SLN1 nấm men Saccharomyces cerevisiae mã hóa protein 134 kDa Gen có trình tự giống với hai miền truyền miền nhận vi khuẩn thể chức điều tiết thẩm thấu (Ota Varhavsky, 1993) Phạm Thị Lan Page 38 Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế q trình thơng tin sinh học Đã có chứng số thực vật có hệ thống tín hiệu gồm từ hệ thống hai thành phần vi khuẩn Ví dụ, sắc tố phitocrom hấp thụ ánh sáng đỏ/đỏ xa được minh họa khuẩn lam (Cyanobacteria) liên hệ đến protein cảm thụ vi khuẩn Ngồi ra, gen mã hóa chất nhận được giả định hai hoocmon thực vật xitokinon etylen, hai chứa miền kinaza tự photphorin hóa histidin mẫu hình điều tiết trả lời tiếp giáp Sự phát tín hiệu - Trả lời tín hiệu: Những tín hiệu khác đạt đến bề mặt tế bào được truyền vào thác trình tự hoạt tính kinaza sản xuất tín hiệu thứ hai Các tín hiệu thứ hai tự sử dụng tác động chúng cách biến đổi hoạt tính kinaza tế bào Thác kinaza được protein photphataza điều tiết Số lượng hoạt tính protein photphataza đối tượng cho điều tiết phức tạp - Định nghĩa: Sự phát tín hiệu đoạn kết thúc đường truyền tín hiệu nơi thành phần tế bào vốn đích tín hiệu ban đầu photphorin hóa Nhóm photphat phổ biến tín hiệu vạn gây nên biến đổi hình dạng hoạt tính protein, tác động bị đổi hướng dạng biến đổi khác (ví dụ, axetyl hóa histon, cải biến protein) - Hai đường đạt đến hiệu cuối + Điều biến hoạt tính protein có tế bào Ví dụ protein kinaza A photphorin hóa số enzim chìa khóa trao đổi chất Chẳng hạn, protein khung tế bào chất được kinaza phụ thuộc calmodulin điều tiết kinaza pha M + Điều biến hoạt tính chất điều tiết phiên mã hay chất điều tiết dịch mã điều ảnh hưởng đến biểu gen Có thể phân biệt hiệu ứng cách phong tỏa de novo biểu gen sử dụng chất ức chế trình phiên mã hay tổng hợp protein - Hoạt hóa tác nhân phiên mã Nhiều đường tín hiệu kết thúc nhân Cái đích xi dịng thành phần chu trình tế bào cho phép điều tiết tác nhân sinh trưởng tác nhân phiên mã vốn tạo hình mẫu biểu gen thơng qua thành tố trả lời gen đích Phạm Thị Lan Page 39 Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học Tài liệu tham khảo 01 02 03 04 05 Sinh học phát triển thực vật www.thuviensinhhoc.com Tailieu.vn www.vi.wikipedia.org www.sinhhocvietnam.com Nguyễn Như Khanh Website Website Website Website Phạm Thị Lan Page 40 ... tạo phân tử mARN khác từ tiền mARN (hình 1.6) Phạm Thị Lan Page 14 Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học (Nguồn: Sinh học phát triển thực. .. tin sinh học (Nguồn: Sinh học phát triển thực vật - Nguyễn Như Khanh) Phạm Thị Lan Page Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học Làm operon... khảo…………………………………………………….38 Phạm Thị Lan Page Sinh trưởng thực vật: khái niệm, sở sinh học phân tử nguồn gen, chế trình thông tin sinh học I- Khái niệm Cơ thể thực vật phát triển nhờ hai kiểu biến đổi