Khái quát về truyền tin giữa các tế bào Các tín hiệu ngoại bào được chuyến hóa thành các đáp ứng bên trong tế bào, kích hoạt các quá trình sống cơ bản ở tế bào, như: sự sống sót, phân bà
Trang 1Chuyên đề: TRUYỀN TIN GIỮA CÁC TẾ BÀO
A MỞ ĐẦU
I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Liên lạc giữa các tế bào là một hoạt động không thể thiếu đối với các cơ thể đa bào Hàng tỷ tế bào trong một cơ thể đa bào phải liên lạc với nhau để điều phối hoạt động chung Thông tin giữa các tế bào cũng có vai trò quan trọng đối với nhiều sinh vật đơn bào Tuy nhiên, trong quá trình giảng dạy, đặc biệt trong ôn luyện học sinh giỏi, tôi nhận thấy sự truyền thông tin giữa các tế bào là một nội dung kiến thức khó học và khó nhớ đối với các em học sinh, hơn thế nữa kiến thức về truyền tin nằm rải rác trong nhiều nội dung từ cấp tế bào đến cấp cơ thể, yêu cầu học sinh phải có khả năng khái quát tốt mới có thể hiểu một cách đầy đủ, chính xác Vì vậy, tôi mạnh dạn
xây dựng và khái quát lại nội dung “Truyền tin giữa các tế bào” dựa trên kiến thức
trong tài liệu Campbell và một số tài liệu khác, với hi vọng giúp ích cho các em học sinh trong quá trình học tập và ôn luyện thi học sinh giỏi các cấp
II MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài tập trung vào việc hệ thống kiến thức về truyền tin giữa các tế bào, liên kết kiến thức các phần riêng lẻ để trả lời các câu hỏi vận dụng tổng hợp liên quan đến truyền tin
B NỘI DUNG
I Khái quát về truyền tin giữa các tế bào
Các tín hiệu ngoại bào được chuyến hóa thành các đáp ứng bên trong tế bào, kích hoạt các quá trình sống cơ bản ở tế bào, như: sự sống sót, phân bào, biệt hóa, chết theo chương trình
Quá trình truyền tín hiệu tế bào gồm 3 giai đoạn: tiếp nhận, truyền tin, đáp ứng
Hình 1: Ba giai đoạn của quá trình truyền tin
II Các thành phần tham gia vào truyền tin
1 Các loại tín hiệu tế bào.
* Dựa vào tính chất, người ta phân loại tín hiệu tế bào thành:
- Tín hiệu vật lý: nhiệt độ, ánh sáng…
- Tín hiệu hóa học: các hormon, các sản phẩm tuyến tiết, tín hiệu nội tiết, tự tiết, ngoại tiết
Trang 2- Tín hiệu điện học: chênh lệch điện thế trong và ngoài màng, tín hiệu dẫn truyền ở các sợi trục nơron thần kinh
* Dựa vào giai đoạn tham gia vào truyền tin, người ta chia tín hiệu thành:
- Tín hiệu sơ cấp: là các phân tử hormon, các chất hóa học, các chất khí…có thể được nhận biết và gắn với thụ thể
- Tín hiệu thứ cấp: là các phân tử đặc hiệu có kích thước nhỏ như: Ca2+, cAMP…
2 Các loại thụ thể tiếp nhận và truyền tín hiệu
- Thụ thể là một bộ phận quan trọng để các phân tử tín hiệu gắn vào Phân tử tín hiệu
có hình dạng khớp với một vị trí đặc hiệu trên thụ thể và kết dính vào đó, từ đó làm thay đổi hình dạng thụ thể, hoạt hóa thụ thể giúp nó có thể tương tác với các phân tử khác trong tế bào
- Vị trí của thụ thể truyền tín hiệu:
+ Thụ thể trong màng sinh chất
+ Thụ thể bên trong tế bào
2.1 Các thụ thể trong màng sinh chất
Thụ thể trong màng sinh chất bản chất là protein xuyên màng có khả năng liên kết với một phân tử tín hiệu tại một vị trí đặc hiệu ở phía ngoài tế bào Dựa vào cấu trúc và cơ chế hoạt động của thụ thể mà chia thành nhiều kiểu Trong đó, có 3 kiểu được nghiên cứu nhiều nhất: thụ thể kết cặp G – protein, thụ thể kinaza - tyrosine, thụ thể kênh ion
Thụ thể kết cặp
G-protein
Thụ thể kinaza – tyrosine
Thụ thể kênh ion
Hình vẽ
Cấu trúc Thụ thể kết cặp
G-protein là phân tử
protein, gồm 7 chuỗi có
cấu trúc bậc 2 dạng xoắn
α xuyên qua màng sinh
chất, thụ thể này hoạt
động nhờ sự hỗ trợ của G
– protein (1 loại protein
liên kết với GTP)
thụ thể kinaza tyrosine
là những chuỗi polypeptit riêng rẽ, mỗi chuỗi có một vị trí liên kết với phân tử truyền tin ở phần ngoại bào,
có một chuỗi xoắn α xuyên màng và một đuôi ở phần nội bào chứa nhiều axit amin tyrosine
Thụ thể kênh ion là một loại thụ thể màng
có vùng hoạt động như một cái cổng mỗi khi thụ thể thay đổi hình dạng
Tín hiệu Là các yếu tố giao phối ở Là các cytokin, các yếu Là các chất hóa học,
Trang 3được tiếp
nhận
nấm men, epinephrine,
các hormone khác, các
chất dẫn truyền thần
kinh
tố tăng trưởng biểu mô, yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi, yếu tố tăng trưởng tiểu cầu,
…
sự thay đổi điện thế
Cơ chế
tác động
- Khi phân tử tín hiệu
thích hợp đính kết vào
phần ngoại bào của thụ
thể, thụ thể thay đổi hình
dạng và được hoạt hóa
Phần tế bào chất của nó
liên kết với một G –
protein đang bất hoạt, làm
cho GTP thay thế GDP,
hoạt hóa G – protein
- G – protein hoạt hóa
tách khỏi thụ thể, khuếch
tán dọc màng sinh chất
sau đó đính với một enzim
(ví dụ: adenylyl cyclase,
phospholipase C, …), hoạt
hóa enzim
- Enzim được hoạt hóa sẽ
kích hoạt bước tiếp theo
trong con đường truyền
tín hiệu
- Khi không còn phân tử
tín hiệu, G-protein thủy
phân GTP gắn với nó
thành GDP và trở về trạng
thái không hoạt động
- Khi một phân tử tín hiệu liên kết vào thụ thể, sẽ làm 2 chuỗi polipeptit của thụ thể kết hợp với nhau thành phức kép
- Sự hình thành phức kép hoạt hóa vùng kinaza tyrosine của mỗi chuỗi polypeptit
- Mỗi protein thụ thể sau khi được hoạt hóa đầy đủ sẽ được các protein truyền tín hiệu bên trong nhận ra Các protein đó sẽ liên kết vào một tyrosine đặc thù đã được photphoril hóa Mỗi protein được hoạt hóa sẽ kích hoạt một con đường truyền tín hiệu
- Các thụ thể enzim tyrosine kinaza bất thường có thể hoạt động ngay cả khi thiếu các phân tử tín hiệu, đây rất có thể là một tác nhân tham gia vào quá trình phát sinh ung thư Từ đó, mở ra những hướng nghiên cứu sâu hơn về ung thư
- Khi một phân tử tín hiệu liên kết, cổng ion
sẽ đóng hoặc mở, ngăn cản hoặc cho phép các ion đặc hiệu
đi qua
- Sự hoạt động của các thụ thể kênh ion có vai trò quan trọng trong chức năng của hệ thần kinh
Trang 4- Hình minh họa cơ chế hoạt động của các thụ thể :
Hình 2: Cơ chế hoạt động của thụ thể kết cặp G – protein
Hình 3: Cơ chế hoạt động của thụ thể kinaza – tyrosine
Hình 4: Cơ chế hoạt động của thụ thể kênh ion
2.2 Các thụ thể bên trong tế bào.
- Các thụ thể bên trong tế bào nằm ở phần tế bào chất hoặc trong nhân của tế bào đích
- Đặc điểm của các phân tử tín hiệu: có tính kị nước hoặc kích thước đủ nhỏ để vượt qua lớp photpholipit của màng tế bào, ví dụ: các hormon steroid (như testosteron, estradiol ), Các hormon tan trong lipit, vitamin D, các phân tử khí (như NO)…
- Cơ chế hoạt động:
+ Các phân tử tín hiệu đi qua màng sinh chất vào tế bào chất liên kết vào các protein thụ thể đặc hiệu và hoạt hóa nó Sau đó tổ hợp phân tử tín hiệu - thụ thể đi vào nhân Phần thụ thể của phức hợp tương tác với ADN hoặc với một protein gắn với ADN, kích hoạt sự phiên mã của các gen đặc hiệu
Ví dụ: ở Chim mái: hormon estradiol tương tác với thụ thể nội bào trong tế bào gan, kích hoạt sự phiên mã của gen sản sinh vitellogenin, vitellogenin sau đó được chế tiết
và vận chuyển theo dòng máu tới hệ sinh sinh sản, ở đó nó được sử dụng để sản sinh
ra lòng đỏ trứng
Trang 5Hình 5: Hormon steroit tương tác với một thụ thể nội bào
Như vậy: Các thụ thể nội bào thường thực hiện toàn bộ việc truyền tín hiệu trong một
tế bào đích
3 Các phân tử khác trong con đường truyền tin
Các phân tử thuộc các con đường truyền tín hiệu gọi là các phân tử truyền tin Ngoài phân tử tín hiệu, protein thụ thể, còn có sự tham gia của nhiều phân tử khác, như: G – Protein, các protein kinaza, các chất truyền tin thứ hai: cAMP, Ca2+, IP3, DAG…
III Các giai đoạn của quá trình truyền tin giữa các tế bào
Quá trình truyền tin giữa các tế bào được chia làm 3 giai đoạn: Tiếp nhận, truyền tin, đáp ứng
1 Tiếp nhận: Phân tử tín hiệu liên kết với protein thụ thể ở trên bề mặt tế bào hoặc
trong tế bào
2 Truyền tin: Sau khi liên kết, phân tử tín hiệu làm thay đổi protein thụ thể theo một
số cách, khởi động quá trình truyền tin
- Giai đoạn truyền tin có thể chỉ cần một bước duy nhất, song thông thường nó cần một con đường truyền tín hiệu gồm nhiều bước, các phân tử tham gia truyền tín hiệu trong con đường này gọi là các phân tử truyền tin
- Trong truyền tin qua nhiều bước, các bước thường đi kèm với sự hoạt hóa các protein nhờ photphoril hóa hoặc khử photphoril hóa protein, hoặc giải phóng các phân tử nhỏ khác, giải phóng một số ion với vai trò như chất truyền tin
- Các con đường truyền tín hiệu:
+ Truyền tín hiệu nhờ hiện tượng photphoril hóa và khử photphoril hóa
+ Truyền tín hiệu chất truyền tin thứ hai
a Truyền tín hiệu nhờ hiện tượng photphoril hóa và khử photphoril hóa.
Trang 6Hình 6: Truyền tín hiệu nhờ hiện tượng photphoril hóa
- Phân tử tín hiệu liên kết vào thụ thể, hoạt hóa thụ thể, kích hoạt con đường truyền tín hiệu Tín hiệu được truyền qua một chuỗi các bước photphoril hóa protein (tức là mỗi phân tử protein kinaza chuyển một nhóm photphat vào phân tử kinaza tiếp theo của chuỗi), mỗi bước dẫn đến sự thay đổi hình dạng, việc bổ sung thêm nhóm photphat thường làm protein từ dạng không hoạt động sang dạng hoạt động
- Việc khử photphoril hóa (nhờ các enzim photphataza) phục hồi chúng trở về dạng bất hoạt, tắt con đường truyền tín hiệu Các kinaza có thể sử dụng lại mỗi khi tế bào đáp ứng lặp lại với tín hiệu ngoại bào tương tự
b Truyền tín hiệu nhờ các chất truyền tin thứ hai
- Chất truyền tin thứ hai là một số ion hoặc các phân tử nhỏ, tan trong nước, không có bản chất là protein
- Chất truyền tin thứ hai phổ biến là: cAMP, Ca2+
- Các chất truyền tin thứ hai tham gia vào các con đường được khởi động đồng thời bởi các thụ thể kết cặp G – protein và các thụ thể kinaza – tyrosine
b.1 Truyền tin nhờ cAMP
Trang 7Hình 7: Truyền tín hiệu nhờ chất truyền tin thứ hai cAMP
- Phân tử tín hiệu hoạt hóa một thụ thể kết cặp G-protein hoạt hóa G-protein hoạt hóa enzim adenylyl cyclaza xúc tác chuyển ATP thành cAMP cAMP hoạt hóa protein khác (thường là protein kinaza A) protein kinaza A tiếp tục photphoril hóa một số protein khác đáp ứng tế bào
- Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng: Adrenalin là hormon duy nhất kích hoạt hình thành
cAMP
- Triển vọng nghiên cứu: Từ những hiểu biết về các con đường truyền tín hiệu liên quan đến cAMP hoặc những chất truyền tin khác đã cho phép phát triển được cách điều trị nhiều chứng bệnh nhất định ở người
+ Truyền tin nhờ cGMP: đáp ứng là dãn cơ trơn thành động mạch Do đó nếu sản xuất thuốc chứa phân tử có tác dụng ức chế thủy phân cGMP thành GMP sẽ có tác dụng kéo dài tín hiệu Trước đây, người ta đã dùng trong điều trị chứng đau thắt ngực
do làm tăng dòng máu tới cơ tim Ngày nay được dùng rộng rãi để điều trị các chứng rối loạn cương dương ở nam giới (thuốc Viagra) Viagra làm dãn thành mạch máu, giúp tăng lượng máu tới dương vật, tạo điều kiện sinh lý tối ưu cho sự cương cứng của dương vật
b.2 Truyền tin nhờ Ca 2+ và IP 3 (inositol triphotphat)
- Mặc dù các tế bào luôn có Ca2+ song ion này có thể hoạt động như một chất truyền tin thứ hai bởi nồng độ Ca2+ trong bào tương thường thấp hơn so với nồng độ Ca2+bên ngoài tế bào và thấp hơn rất nhiều so với trong mạng lưới nội chất Khi nồng độ Ca2+ trong bào tương tăng sẽ kích hoạt một quá trình truyền tin
+ Trong các con đường truyền tin nhờ Ca2+ còn có sự tham gia của các chất truyền tin thứ hai khác là IP3 (inositol triphotphat) và DAG (diacyiglycerol)
Trang 8Hình 8: Truyền tín hiệu nhờ chất truyền tin thứ hai Ca2+
3 Đáp ứng: Tín hiệu sau khi được truyền tin, cuối cùng sẽ kích hoạt một đáp ứng
đặc hiệu của tế bào (điều khiển phiên mã hoặc điều hòa hoạt động tế bào chất)
- Nhiều con đường truyền tín hiệu cuối cùng sẽ điều khiển sinh tổng hợp protein thông qua việc “bật” hoặc “tắt” hoạt động của gen
- Một số con đường truyền tín hiệu có thể điều hòa hoạt tính của protein Ví dụ: đáp ứng của tế bào gan với tín hiệu của Adrenalin là hoạt hóa enzim xúc tác cho phản ứng phân giải glicogen
- Ở một số tế bào, các sự kiện truyền tín hiệu có thể ảnh hưởng đến các thuộc tính khác của tế bào Ví dụ: Các tín hiệu điều khiển sự sinh trưởng có hướng ở tế bào nấm men
+ Khi một tế bào nấm men liên kết với các phân tử yếu tố giao phối bắt nguồn từ một
tế bào có kiểu giao phối đối lập, thì một con đường truyền tín hiệu sẽ điều khiển nó sinh trưởng hướng về tế bào có tiềm năng kết cặp giao phối với nó Trong con đường truyền tín hiệu, có sự hoạt hóa của một trong các enzim kinaza Fus3, tiếp đó Fus3 photphoril hóa Formin, Formin sau khi được hoạt hóa sẽ khởi đầu sự tăng trưởng của
vi sợi dẫn đến kiểu hình sinh trưởng nhô ra (shmoo) của tế bào, giúp chúng sinh trưởng hướng vào nhau, kết quả là dung hợp diễn ra giữa hai tế bào khác giới tính
Trang 9Hình 9: Con đường truyền tín hiệu đáp ứng giữa các với
yếu tố giao phối ở tế nấm men
Hình 10: kiểu sinh trưởng shmoo Hình 11: Giao tiếp giữa các tế bào nấm men
4 Sự kết thúc truyền tin
Để một tế bào có thể thu nhận liên tục các tín hiệu điều hòa hoạt động của nó thì tế bào phải có khả năng phục hồi các thay đổi mà tín hiệu đã tạo ra trước đó
- Khi các phân tử tín hiệu rời khỏi thụ thể, thụ thể sẽ trở về trạng thái bất hoạt sau đó, các phân tử truyền tin cũng sẽ trở về trạng thái bất hoạt: + Hoạt tính GTPaza của G-pr sẽ thủy phân GTP -> GDP -> G-protein bất hoạt + enzim photphodiesteraza chuyển hóa cAMP thành AMP -> dừng truyền tin + Pr photphataza làm bất hoạt enzim kinaza và các pr khác được photphoril hóa
* Kết quả: Tế bào trở về trạng thái ban đầu có thể đáp ứng với một tín hiệu mới
IV Ưu điểm của truyền tin qua nhiều bước
1 Khuếch đại tín hiệu
- Tại mỗi bước xúc tác, số lượng sản phẩm được hoạt hóa thường lớn hơn nhiều so
với bước trước đó
- Nguyên nhân: Do các protein ở mỗi bước duy trì được trạng thái hoạt hóa đủ lâu để
có thể biến đổi các phân tử cơ chất trước khi chúng trở về trạng thái bất hoạt
Ví dụ: Đáp ứng của tế bào gan đối với một số ít các phân tử Adrenalin (epinephrin) là dẫn đến việc giải phóng hàng trăm triệu các phân tử gluco từ glicogen
Trang 10Hình 12: Đáp ứng của tế bào chất đối với tín hiệu
2 Điều chỉnh các đáp ứng tế bào ở những điểm khác nhau.
- Các loại tế bào khác nhau có các tập hợp protein khác nhau Đáp ứng của một tế bào nhất định đối với một tín hiệu phụ thuộc vào sự tập hợp đặc thù của các protein thụ thể, của các protein truyền tin và của các protein thực hiện đáp ứng
Hình 13:Tính đặc hiệu của quá trình truyền tín hiệu giữa các tế bào
+ Tế bào A, B, C: dùng chung protein thụ thể, nhưng khác nhau về các protein khác nên đáp ứng khác nhau
+ Tế bào D: dùng thụ thể khác tiếp nhận phân tử tín hiệu như tế bào A, B, C dẫn đến đáp ứng khác
Trang 11+ Tế bào B: cùng một tín hiệu có thể gây các đáp ứng khác nhau.
IV Các phương thức truyền tin
a Truyền tin qua tiếp xúc trực tiếp
a.1 Truyền tin thông qua cầu nối tế bào
Cả tế bào động vật và tế bào thực vật đều có các cầu nối tế bào, mỗi khi có các cầu nối này thì tế bào chất của các tế bào lân cận sẽ được nối thông sang nhau, các chất truyền tín hiệu hòa tan trong phần bào tương có thể tự do qua lại giữa các tế bào liền kề
Hình 14: Truyền tin qua mối nối giữa các tế bào
a.2 Truyền tin nhờ nhận biết qua bề mặt tế bào
Các tế bào động vật có thể thông tin với nhau qua tiết xúc trực tiếp giữa các phân tử
bề mặt tế bào liên kết với màng sinh chất
Kiểu truyền tín hiệu này có vai trò quan trọng trong đáp ứng miễn dịch, trong quá trình phát triển phôi
Hình 15: Truyền tin nhờ tiếp xúc trực tiếp giữa các phân tử bề mặt với màng
b Truyền tin cục bộ và qua khoảng cách xa
Các phân tử truyền tin được tiết ra từ các tế bào truyền tin Tùy loại phân tử truyền tin
và tác động của chúng mà chúng chỉ di chuyển trong một khoảng cách ngắn tác động lên các tế bào ở gần hoặc có thể di chuyển rất xa tác động lên các tế bào đích ở các phần khác nhau của cơ thể
b.1 Truyền tin cục bộ và qua khoảng cách xa ở động vật
* Truyền tín hiệu cận tiết: Các phân tử truyền tin khuếch tán tại chỗ và tác động lên tế bào lân cận