Sinh học phân tử mạng tế bào tập 1 GS TS đỗ ngọc liên

Sinh học phân tử màng tế bào Tập GS TS Đỗ Ngọc Liên NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2007 39 tr Từ khoá: Màng tế bào, màng sinh học, màng bào quan, màng thilakoid, màng lục lạp, Cấu trúc lipid, Thụ thể hormon adrenalin, bơm ion, Tài liệu Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên sử dụng cho mục đích học tập nghiên cứu cá nhân Nghiêm cấm hình thức chép, in ấn phục vụ mục đích khác khơng chấp thuận nhà xuất tác giả Mục lục Mở đầu Chương Những đặc điểm màng tế bào 1.1 Lịch sử nghiên cứu màng 1.1.1 1.1.2 1.2 Các đặc điểm chung biểu tính đa dạng tính bất đối xứng màng sinh học Chức chung màng tế bào .8 Mơ hình cấu trúc màng sinh học .8 1.2.1 Mơ hình Davson-Danielli 10 1.2.2 Mơ hình khảm lỏng Singer-Nicolson 10 Chương Cấu trúc chức sinh học màng bào quan 13 2.1 Màng bào quan ty thể 13 2.1.1 2.1.2 2.2 Màng lục lạp thực vật .15 2.2.1 2.2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Cấu trúc màng bào quan ty thể 13 Chức sinh học màng ty thể 14 Cấu trúc màng thilakoid lục lạp 15 Chức màng lục lạp 16 Lưới nội chất (ER), cấu trúc chức 18 Bộ máy golgi, cấu trúc chức 19 Nhân tế bào màng nhân 20 Peroxisom 21 Tóm tắt chương 22 Chương Cấu trúc lipid màng tế bào 24 3.1 Các lớp kép lipid có tính chống thẩm thấu cao ion hầu hết phân tử phân cực 24 3.2 Các phospholipid lipid chủ yếu màng .24 3.3 Các dạng phospholipid 26 3.4 Nhiều màng chứa glycolipid 27 3.5 Cholesterol 28 3.6 Các lipid màng phân tử lưỡng tính chứa nửa ưa nước nửa kỵ nước .29 3.7 Các lớp kép lipid cấu trúc liên kết khơng cộng hố trị mang tính hợp tác 31 3.8 Các phân tử lipid nhiều phân tử protein khuếch tán nhanh chóng mặt phẳng màng 32 3.9 Tất màng sinh học xếp bất đối xứng 34 3.10 Độ lỏng màng phụ thuộc vào thành phần cấu tạo .36 3.11 Các phân tử sphingolipid cholesterol tụ lại thành đám microdomain Rafts màng 37 Tóm tắt chương .38 Chương Các protein màng 40 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 Protein màng thực hầu hết trình sinh học màng 40 Protein xuyên màng (intrinsic protein) 40 Protein bề mặt màng (peripheric protein) .41 Vai trò protein màng .41 Cấu trúc tính chất protein xuyên màng 42 Protein khung tế bào .44 Các phương pháp nghiên cứu protein màng 45 4.7.1 Kỹ thuật hiển vi khắc lạnh 45 4.7.2 Kỹ thuật miễn dịch huỳnh quang dùng kháng thể nhận biết protein màng 45 4.7.3 Kỹ thuật điện di 47 4.7.4 Phân tích cấu trúc hoá học protein màng tế bào 47 Tóm tắt chương 49 Chương Các protein màng có chức bơm ion 50 5.1 Bơm ion Na+-K+ATPase .50 5.1.1 5.1.2 5.2 Bơm Ca2+-ATPase màng sinh chất (PMCA) .52 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.2.6 5.3 Cơ chế hoạt động bơm Na+-K+ATPase .50 Vai trò Na+-K+ATPase 51 Mở đầu 52 Chức bơm canxi (PMCA) 52 Bơm canxi thuộc đường kích thích tiết (SPCA) 53 Chức bơm ion canxi tế bào thực vật 53 Các dạng bơm canxi 54 Cơ chế hoạt động bơm ion canxi 54 Bơm Ca2+ - ATPase lưới tương/lưới nội chất điều hòa Calmodulin (SERCA) .56 5.3.1 5.3.2 Bơm canxi lưới tương/lưới nội chất dạng (SERCA 1) 56 Bơm canxi lưới tương/lưới nội chất dạng hai (SERCA 2) .57 5.3.3 5.4 Một số dạng bệnh lý có liên quan đến bơm ion canxi 57 5.4.1 5.4.2 5.5 5.6 Bệnh tiểu đường liên quan đến SERCA 58 Bệnh Hailey- Hailey bệnh Darier 58 Bacteriorhodopsin bơm proton vi khuẩn Halobacteria 59 ATP synthase vận chuyển proton tổng hợp ATP .61 5.6.1 5.6.2 5.7 Bơm canxi lưới tương/lưới nội chất dạng (SERCA 3) 57 Cấu trúc bơm proton ATP synthase 61 Cơ chế vận chuyển proton tổng hợp ATP ATPsynthase 62 Sự khác bơm Na+ -K+, bơm proton .64 Tóm tắt chương 65 Chương Thụ thể hormon adrenalin, Protein G chất truyền tin thứ hai 67 6.1 6.2 Đại cương thụ thể (Receptor) 67 Thụ thể hormon β - Adrenergic, protein G chất truyền tin 69 6.2.1 Đặc điểm chung cấu trúc chức 69 6.2.2 AMP vòng - chất truyền tin thứ hai hoạt động nhiều hormon 70 6.2.3 cAMP kích thích phosphoryl hố nhiều protein đích protein kinase .73 6.2.4 Protein G, tác nhân điều khiển quan trọng cho tín hiệu qua màng .73 6.2.5 GMP vòng chất truyền tin thứ hai 85 6.2.6 Sự điều hoà protein G quan cảm ứng 86 Tóm tắt chương 88 Mở đầu Cơ thể sống hình thành với việc tạo “lớp hàng rào sinh học” bao bọc tách biệt thân với mơi trường xung quanh với vũ trụ bao la “Lớp hàng rào sinh học” định nghĩa “màng tế bào”, màng sinh chất (Plasma membrane) tạo cho tế bào có khả tổ chức điều hoà hoạt động sống bên Ở tế bào nhân chuẩn, tổ chức ngăn xoang riêng biệt bên tế bào tinh vi nhờ hệ thống màng sinh chất có đặc điểm riêng cho quan tế bào Mỗi quan gọi bào quan (organelle) Bản chất cấu trúc màng sinh chất bao gồm hai lớp phân tử lipid phân cực kết hợp với phân tử protein Nhờ cấu trúc này, màng sinh chất có nhiều đặc điểm kỳ diệu thực trình tự phản ứng biến đổi hoá sinh tế bào, trung tâm trình bảo tồn lượng thông tin tế bào thể thể với môi trường xung quanh Do chất cấu trúc hoá học màng sinh chất đặc biệt nên đặc tính màng mềm dẻo, linh động, tự khép kín tự phá vỡ để dung hợp (fusion) chúng với nhau, dễ dàng thực khả xuất bào (exocytosis) nhập bào (endocytosis), chế trình tiết phân tử lớn tổng hợp tế bào chế thực bào (Phagocytosis) đáp ứng miễn dịch thực khả phân chia tế bào (Mitosis) sinh trưởng phát triển thể sống Do đó, dung hợp màng đặc điểm quan trọng nhiều trình hoạt động sống sinh vật Màng sinh chất hàng rào thụ động trao đổi chất tế bào môi trường xung quanh Chúng hàng rào thấm chọn lọc chất hồ tan mơi trường xung quanh giữ lại hợp chất có phân tử lớn ion bên tế bào xoang riêng biệt để thực chức sống Màng sinh chất tế bào nơi giao tiếp nhận biết nhờ protein ngoại vi, đặc biệt protein tích hợp (Integral proteins) thực chức thụ thể (receptor) nhận biết tín hiệu thơng tin trao đổi chất, protein kênh vận chuyển có hoạt tính xúc tác cho hàng loạt trình sinh học thực chức kết dính tế bào (Adhesion molecules) Trong tế bào, màng sinh chất giúp cho việc tổ chức điều hoà trình sinh học xoang riêng biệt hệ thống màng nhân, màng ty thể, màng lạp thể, màng microsom, màng lysosom Ở đây, hoạt động sống diễn điều hồ q trình chép tái thơng tin di truyền, q trình tổng hợp protein lipid, trình biến đổi lượng ty thể lục lạp Ở khoảng không gian nhỏ xoang tế bào với hai lớp phân tử màng sinh chất cách biệt nơi tạo hiệu lớn trình xúc tác enzym điều hoà tinh vi Trong chương đầu, lịch sử, nghiên cứu phát minh đặc điểm riêng biệt màng sinh chất đề cập tới cách ngắn gọn Các chương nói lên chất cấu trúc hố học thành phần đặc trưng màng giúp cho chúng có đặc tính mềm dẻo việc thực chức sinh học đa dạng, lại bền vững chức bảo vệ điều hoà hoạt động sống Tập sách đặc biệt trọng đến chế biến đổi lượng màng sinh chất, chế vận chuyển proton ion qua màng, đặc biệt mơ tả vai trị thụ thể chế truyền tín hiệu hormon đáp ứng miễn dịch Các chương sách đề cập tới số bệnh lý nguyên nhân tổn thương cấu trúc rối loạn chức thụ thể kênh dẫn truyền qua màng, phân tích số nguyên nhân di truyền tác động tác nhân môi trường sống đến hậu bệnh lý Chương Những đặc điểm màng tế bào 1.1 Lịch sử nghiên cứu màng - Năm 1655, Robert Hooke người đưa khái niệm tế bào Ông cho tế bào khoang nhỏ có chứa đầy đủ bào quan đảm bảo cho sống tế bào thể - Năm 1674, Anthoni Van Leeuwenhoek chế kính hiển vi quan sát thấy nút bấc có nhiều hình định, thấy nhiều loại tế bào ngun sinh động vật, có loại chuyển động nhanh Ơng quan sát thấy vi sinh vật nhỏ bé, chí hồng cầu đưa khái niệm thể loại đơn bào thể loại đa bào sau Schleiden Theo Dor Schwan (1835 - 1839) đưa khái niệm tế bào mô (tissue) gồm nhiều tế bào chức kết hợp Các mơ có biệt hố chịu trách nhiệm riêng chứa nhiều tế bào Tế bào dù đơn bào hay đa bào có màng để ngăn cách tế bào với môi trường xung quanh - Từ 1880, tức 200 năm sau quan niệm Robert Hooke việc nghiên cứu tế bào trở nên phổ biến - Nageli quan sát thấy khả di chuyển vật chất qua màng tế bào sống khó khăn tế bào bị chết bị tổn thương, chất môi trường dễ dàng xâm nhập vào tế bào Do đó, nhờ có tính thấm chọn lọc lớp màng bảo vệ đặc biệt, tế bào trì cân cho hoạt động sống Trong năm cuối kỷ XIX, Pfefer tiến hành thí nghiệm đo thẩm thấu màng tế bào đưa hai kết luận quan trọng: + Tế bào bao lớp màng đặc biệt gọi màng sinh chất (cytoplasmic membrane) + Màng hàng rào vạn cho nước qua chất điện ly, muối khoáng chất tan qua cách chọn lọc khó khăn - Năm 1889, Overton nhận thấy tốc độ di chuyển chất không phân cực (dung môi hữu cơ) qua màng dễ cịn chất phân cực qua khó, nên ơng cho màng có chất lipid Từ 1925 – 1930 nhiều nhà khoa học Anh, Đức, đặc biệt Danielle Davson (1935); Gorter Grindel cho biết màng cấu tạo lipid lớp lipid kép Lớp lipid kép có bề dày định, khoảng vài chục đến hàng trăm nanomet Từ năm 1940 – 1960 kính hiển vi điện tử xuất ngày hồn thiện người ta tìm cấu trúc màng với chiều dày bao gồm lớp kép phân tử lipid có bề dày khoảng từ 60 – 100 nanomet (nm) (hình 1.1) Robertson (1959) đưa khái niệm mơ hình “màng đơn vị” bao gồm hai lớp phân tử lipid bao quanh tế bào, ông nghiên cứu siêu cấu trúc hiển vi điện tử màng tế bào Như vậy, tất tế bào bao màng đơn vị Sau nghiên cứu bào quan, người ta thấy chúng bao bọc lớp màng đơn vị bao nhiều lớp màng đơn vị, ví dụ ty thể, lục lạp, chí sợi trục tế bào thần kinh bao bọc nhiều màng đơn vị Nhân bao hai lớp màng đơn vị, màng nhân có lỗ nhỏ để trao đổi vật chất thơng tin di truyền Tuy nhiên, mơ hình Robertson không cho thấy rõ chức vận chuyển phân tử ưa nước qua màng, không cho biết rõ thành phần protein tương tác với lớp lipid kép màng Từ năm 1960 – 1970, việc nghiên cứu màng tế bào đạt nhiều tiến quan niệm lý thuyết lẫn thực hành Về lý thuyết có tiến quan niệm nhiệt động học chức vận chuyển qua màng, thiết lập mối quan hệ dòng chất hoà tan lượng tự Về thực nghiệm, nghiên cứu hoá sinh cấu trúc lipid màng đạt nhiều tiến Lipid màng tế bào động vật chủ yếu bao gồm hợp chất: phospholipid, sphingolipid cholesterol Riêng màng vi khuẩn tế bào thực vật chủ yếu gồm phosphoglycerid (riêng màng lục lạp chứa galactosylglycerid, không chứa cholesterol) Một mốc quan trọng nghiên cứu cấu trúc màng từ 1972 nay, mơ hình màng hồn thiện Singer Nicolson nêu Đó mơ hình màng khảm lỏng (fluid mosaic membrane) (hình 1.2) Bằng nhiều thí nghiệm nghiên cứu hiển vi điện tử, mơ hình màng khảm lỏng chứng minh, đặc biệt nhờ kỹ thuật “Bẻ vỡ lạnh” (freeze – fracture) tiến Branton Thêm vào nghiên cứu Bretsher chứng minh rõ ràng màng sinh chất chứa loại phân tử protein xuyên qua màng lipid kép 1.1.1 Các đặc điểm chung biểu tính đa dạng tính bất đối xứng màng sinh học Các màng sinh học da dạng thành phần, cấu trúc chức tuỳ vào loại tế bào loại sinh vật tuỳ thuộc vào khác kiểu bào quan Tuy nhiên, chúng giống số thuộc tính quan trọng sau: Màng có cấu trúc dạng bản, dày cỡ vài phân tử, hình thành nên ranh giới khép kín khoang khác Độ dày hầu hết màng đơn vị sinh chất nằm khoảng 60nm – 100nm Màng bao gồm chủ yếu lipid protein Tỷ lệ khối lượng chúng tương ứng khoảng từ 1: đến : Các màng chứa hydratcarbon liên kết với phân tử lipid protein Các lipid màng phân tử tương đối nhỏ, có nửa ưa nước nửa kỵ nước Những lipid hình thành tức lipid kép (lipid bilayer) mơi trường nước Những lớp kép lipid hàng rào ngăn cản phân tử phân cực vượt qua Các protein đặc hiệu tạo nên chức chuyên biệt màng Các protein đóng vai trị bơm, kênh, thụ thể, máy chuyển đổi lượng enzym Các protein màng gắn vào lớp lipid kép, tạo mơi trường thích hợp cho hoạt động chúng Màng cấu thành cấu tử khơng liên kết cộng hố trị với Thành phần protein phân tử lipid néo vào nhiều tương tác khơng cộng hố trị, chúng mang tính hợp tác Đó tương tác kị nước, tương tác ion, liên kết hyđro, lực Vandecvan Màng không đối xứng, hai bề mặt màng sinh chất thường khác thành phần tính chất phân tử lipid protein Màng cấu trúc lỏng Các phân tử lipid khuếch tán nhanh chóng mặt phẳng màng, protein vậy, trừ chúng bị neo tương tác đặc hiệu Ngược lại, đơi chúng quay ngược lại qua màng Màng coi dung dịch hai chiều protein lipid có định hướng Hầu hết màng phân cực điện, với phía màng tích điện âm (thường 60mV) Điện màng đóng vai trị quan trọng việc vận chuyển, chuyển hoá lượng, đặc tính dễ bị kích thích 1.1.2 Chức chung màng tế bào Duy trì hình dạng tế bào, che chắn bảo vệ tế bào Tham gia vào trình phân chia tế bào Cụ thể màng tế bào nối với nhiễm sắc thể tham gia vào phân chia tế bào Tham gia vào phản ứng kết dính, màng tế bào có vai trò nhận biết thực chức tương tác tế bào Chức enzym: Sự xúc tác enzym hệ thống enzym gắn mỏ neo vào màng (màng ti thể, màng lục lạp) Tạo lượng sinh học, phản ứng lượng màng truyền lượng (màng ti thể, màng lục lạp) Tham gia truyền tín hiệu quang hố tín hiệu điều hồ trao đổi chất (màng tế bào võng mạc truyền tín hiệu photon chế nhìn, màng tế bào gan truyền tín hiệu thơng tin thứ (hormon adrenalin, insulin) qua AMP vòng protein G tác động đến điều hoà trao đổi đường máu Giám sát đáp ứng miễn dịch Trên bề mặt màng có vơ số thụ thể phân tử biệt hóa (CD) có chức nhận biết kiểm soát miễn dịch Vận chuyển phân tử nhỏ phân tử lớn qua màng - Vận chuyển đại phân tử Protein, lipid, axít nucleic, cấu trúc phân tử vi khuẩn virus chế nuốt nhập bào - Vận chuyển ion qua màng (K+, Na+, Ca2+) chế bơm ion Truyền tín hiệu tế bào tương tác tế bào tín hiệu đáp ứng miễn dịch: Sự trình diện kháng ngun, hoạt hố biệt hoá tế bào Cytokin v.v… 1.2 Mơ hình cấu trúc màng sinh học Màng sinh học có cấu trúc bao quanh tế bào bào quan Màng giúp cho bào quan tế bào có hình dạng định, hình thành hệ thống hoạt động riêng biệt mà màng cịn nơi thực q trình trao đổi vật chất, thông tin môi trường bên mơi trường bên ngồi, giúp cho tế bào bào quan tồn phát triển Cấu trúc màng sinh học nội dung nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Cho đến có nhiều mơ hình đưa ra, nhiên có hai mơ hình nhắc đến nhiều mơ hình Davson-Danielli mơ hình khảm lỏng SingerNicolson 10 1.2.1 Mơ hình Davson-Danielli Theo mơ hình này, màng sinh học lớp kép phân tử lipid liên tục với protein lớp bề mặt hai mặt ngồi giữ cho phân tử lipid có phân bố bền vững Để giải thích cho tính thấm màng, tác giả mơ hình cho o màng có kênh lót protein (cịn gọi lỗ) có kích thước khoảng A chất thấm qua (hình 1.1) Hình 1.1 Mơ hình cấu trúc màng sinh chất Davson – Danielli (1935) Tiếp theo, dựa vào nghiên cứu hiển vi điện tử Robertson (1960) đưa khái niệm “màng đơn vị” đưa mô hình màng đơn vị Theo mơ hình này, tất màng sinh học bao quanh tế bào lớp màng bao quanh bào quan, màng neuron thần kinh (myelin) biểu ba vùng sáng tối kính hiển vi điện tử (trilaminar) có cấu trúc gồm hai lớp phân tử lipid phủ bên phân tử protein (hình 1.2) Cùng với tiến khoa học kỹ thuật, đặc biệt bước tiến kỹ thuật hiển vi điện tử, người ta nhận thấy mơ hình cấu trúc màng đơn giản khơng giải thích nhiều tính chất màng khơng phù hợp với kết nghiên cứu kỹ thuật tiên tiến sau Rõ ràng màng sinh học với nhiều chức quan trọng khơng thể có cấu trúc cứng nhắc Chính hầu hết người đồng ý với mơ hình cấu trúc - mơ hình khảm lỏng Singer-Nicolson (1972) (hình 1.3) 1.2.2 Mơ hình khảm lỏng Singer-Nicolson Mơ hình khảm lỏng S Jonathan Singer Garth Nicolson đưa năm 1972 Theo mơ hình này, khung màng lớp kép phân tử lipid có đầu phân cực hướng bên ngồi khơng phân cực hướng vào Tuy nhiên, phân tử phospholipid di động tự với điều kiện giữ nguyên hướng phân bố nửa lớp kép chúng Cholesterol hạn chế mức độ định di chuyển phospholipid có chiều hướng tạo ổn định cho cấu trúc màng Protein (cả dạng cầu dạng sợi) phân bố không đồng cấu trúc kép lipid Một số protein xuyên qua màng, số khác bám cố định vào màng nửa lớp kép bám 74 6.2.4.1 Cơ chế hoạt động protein G Protein G tồn dạng hoạt động gắn với GTP dạng khơng hoạt động gắn với GDP Các tiểu đơn vị α liên kết với GTP thuỷ phân GTP thành GDP Tất dạng đồng phân tiểu đơn vị α GTPase, tỷ lệ thực trình thuỷ phân GTP khác từ dạng sang dạng khác (Carty et al., 1990; Linder et al., 1990) Khi GDP liên kết với tiểu đơn vị α, chúng kết hợp với βγ để tạo thành dạng heterotrimer không hoạt động Phân tử protein G dạng có khả liên hợp với thụ thể khơng hoạt động Khi có mặt chất kích thích, thụ thể bị hoạt hố thay đổi cấu trúc vận chuyển tới tiểu đơn vị α, làm cho lực tiểu đơn vị α GDP giảm xuống, GDP rời khỏi vị trí hoạt động Nhờ mà GTP gắn vào tiểu đơn vị α Sự liên kết GTP tiểu đơn vị α cao tế bào, nồng độ GTP cao GDP lực tiểu đơn vị α GTP cao nhiều so với GDP Sau GTP liên kết vào tiểu đơn vị α, tách khỏi tiểu đơn vị βγ thụ thể Lúc protein G dimer có hoạt động chức tiểu đơn vị β γ không tách rời khỏi protein G dạng bất hoạt trừ chúng bị biến tính Khi tiểu đơn vị α, β, γ tách rời chúng tương tác với quan cảm ứng (Clapham Neer, 1993) Thô thể gắn với ligand hoạt hóa Hỡnh 6.5 Chu k điều hoà protein G (theo Strosberg CS 1996) Một GTP bị phân cắt thành GDP hoạt động tiểu đơn vị α tiểu đơn vị α, β, γ liên kết trở lại, trở trạng thái bất hoạt quay trở thụ thể Sự tái hợp khoá lại tiểu đơn vị Vì vậy, tiểu đơn vị βγ không liên kết với GTP hoạt hố lại phụ thuộc vào hoạt hố tiểu đơn vị α Hoạt tính GTPase tiểu đơn vị α tăng cường nhờ hai enzym cảm ứng, phospholipase C (Bertein et al., 1992) cGMP phosphodiesterase (Arshavzky Bownds, 1992) Trước nghĩ có chất phân tử lượng thấp, protein liên kết với GTP dạng monomer ras điều hồ protein hoạt hố GTPase (GAPs) (Trahey Mc Cormick, 1987; Gibbs et al., 1988) Việc tìm yếu tố cảm ứng điều chỉnh hoạt tính GTPase tiểu đơn vị α có ý nghĩa với 75 yếu tố cảm ứng ảnh hưởng tới thời gian hoạt hố Về mặt ngun lý yếu tố cảm ứng khác làm với mức độ khác Trước nhà khoa học cho có tiểu đơn vị α làm nhiệm vụ điều hoà yếu tố cảm ứng, vai trò βγ để bất hoạt tiểu đơn vị α, kiềm chế tín hiệu ngăn cản nhiễu khơng có kích thích hormon (Birnbaumer, 1987; Birnbaumer et al., 1990; Gilman, 1987) Nhưng thực tế tiểu đơn vị βγ điều hồ quan cảm ứng (kênh muscarinic K+ tim) (Logothesis et al., 1987) Như vậy, yếu tố quan cảm ứng không điều hoà tiểu đơn vị α, riêng βγ, mà hai yếu tố tham gia điều hoà theo đường phức tạp khác Khi quan cảm ứng điều hồ hai tiểu đơn vị hoạt động βγ phụ thuộc vào hoạt hố α, q trình điều hồ tiểu đơn vị hoàn toàn độc lập Bản g 6.2 Các qua n cảm ứng đượ c điều hoà tiểu đơn vị prot einG Tiểu đơn vị α Tiểu đơn vị βγ Kênh Kênh + + K K (IKach) + Kênh K (IKATP) Adenylate cyclase i Adenylate cyclase II (IV) Adenylate cyclase i Adenylate cyclase II (IV) Phospholipase Cβ Phospholipase Cβ Aden ylate cycla se III Phos Phos pholi pholi pase pase b Cβ Cβ 76 Phospholipase Cβ 3b - Tiểu đơn vị α Kênh K+ (IKach) Pheromon nấm men phản ứng trao đổi Tiểu đơn vị βγ Kênh K+ Adenylate cyclase II (IV) Adenylate cyclase III Phospholipase Cβ Adenylate cyclase II (IV) Phospholipase Cβ 1b CGMP phosphodiesterase - Phospholipase Cβ CGMP phosphodiesterase - Thụ thể kinase (β-adrenergic, muscarinic) - Thụ thể kinas e (βadren ergic, musc arinic ) Phos pholi pase A2 Kênh Kênh ++ ++ Ca Ca (?) Kên + h K (IKAT P) Ade Ade nyla nyla te te cycl cycl ase ase i i Phos Phos pholi pholi pase pase Cβ Cβ Phos Phos pholi pholi pase pase b Cβ Cβ Kênh Kênh ++ ++ Ca Ca (?) - Phos pholi pase A2 77 - Pher omon nấm men phản ứng trao đổi Tiểu Tiểu đơn đơn vị α vị βγ Kênh Kênh K+ K+ (IKach) + Kênh K (IKATP) Adenylate cyclase i Adenylate cyclase i Phospholipase Cβ Phospholipase Cβ Ade Ade nyla nyla te te cycl cycl ase ase II II (IV) (IV) Ade nyla te cycl ase III Pho Pho sph sph olip olip ase ase Cβ Cβ 1b Phos Phos pholi pholi pase pase b Cβ Cβ Thụ thể kina se (βadre nerg ic, mus 78 cari nic) CG MP sph odie ster ase - Pho sph olip ase A2 Kênh Kênh ++ ++ Ca Ca (?) - Pheromon nấm men phản ứng trao đổi + Kênh K (IKATP) - Adenylate cyclase II (IV) Adenylate cyclase II (IV) Phospholipase Cβ Phospholipase Cβ 1b Phospholipase Cβ 3b Phospholipase Cβ Tiểu Tiểu đơn đơn vị α vị βγ Kên Kên + + h K hK (IKach ) Ade Ade nyla nyla te te cycl cycl ase ase i i Aden ylate cycla se III Phos Phos pholi pholi pase pase Cβ Cβ - Thơ thĨ 79 kina se (βadre nerg ic, mus cari nic) CGMP phosphodiesterase - Phospholipase A2 - Pheromon nấm men phản ứng trao đổi Kên Kªn h h ++ ++ Ca Ca (?) 6.2.4.2 Cấu trúc tiểu đơn vị α Tiểu đơn vị α protein có trọng lượng phân tử từ 39-52 kDa có 20 loại tiểu đơn vị α khác Trong có 16 sản phẩm gene vài dạng đồng phân bị phân cắt khác (Kaziro et al., 1991; Simon et al., 1991) Dựa vào trình tự acid amin tương đồng mà người ta chia Gα thành loại chính: Gαs loại kích thích adenylate cyclase Nó liên kết vào thụ thể nhiều loại hormon như: adrenaline, glucagon, hormon tạo thể vàng (LH), hormon tuyến cận giáp (PTH), hormon kích vỏ thận (ACTH)… Gαq loại hoạt hoá phospholipase C (PLC) – chất tạo chất truyền tin thứ hai inositol trisphosphate (IP3) diacylglycerol (DAG) Bao gồm Gαq, Gα11, Gα16 Gαi protein ức chế adenylate cyclase, qua làm giảm nồng độ cAMP tế bào Gαi bị hoạt hoá thụ thể somatostatin Bao gồm Gαi-1, Gαi-2, Gαi-3, Gα0 (chiếm ưu tiểu đơn vị α thần kinh); Gαt, Gαt2 (các tiểu đơn vị α võng mạc) Gαz Tất thành viên nhóm này, ngoại trừ αz bị biến đổi chất độc pertussis Loại thứ bao gồm Gα12, Gα13 chưa biết rõ chức Một vài tiểu đơn vị α đặc trưng cho nhiều tế bào Ví dụ: αt tìm thấy võng mạc αolf tìm thấy biểu mô thần kinh khứu giác Tiểu đơn vị α protein G dạng heterotrimer qui định tiểu họ họ lớn protein liên kết với Guanine có trình tự tương đồng xung quanh vị trí liên kết Các protein bao gồm yếu tố kéo dài không bền nhiệt (EFTu), gen gây ung thư ras, họ protein nhỏ liên kết với GTP có liên quan đến ras ral, rab, rac,…(Bourne et al, 1990) Trình tự tiểu đơn vị α tương tự EFTu ras minh hoạ hình 6.6 vùng bật tín hiệu vùng bật tín hiệu số acid amin 80 Hình 6.6 Một vài vùng hoạt động chức α0 G1-G5 vùng trình tự qui định vị trí liên kết Guanine tiểu đơn vị α Vùng chuyển vùng có nguồn gốc giống ras có khác biệt cấu trúc lớn dạng gắn GDP gắn GTP Mũi tên vị trí liên kết với vị trí cắt Trypsin chuỗi âm (chỉ liên kết với dạng gắn GDP) Dạng gắn GTP hay GTP γS bị Trypsin phân cắt vị trí gần với vùng đầu N C215 Cystein liên kết chéo với βγ nhờ bismaleimidehexane nằm vùng bật tín hiệu Sự đột biến Cys 325 thành Alanin làm giảm lực GDP không làm thay đổi lực với GTP (Thomas et al., 1993) Tam giác hở thể phạm vi xoá vùng đầu C α0 làm giảm lực GDP (Denker et al., 1992) 6.2.4.3 Sự tương tác tiểu đơn vị α với thụ thể Các thụ thể liên kết với vùng đầu C đơn vị α Độc tố pertussis vi khuẩn Bordetella pertussis làm thay đổi hoá trị vài lớp tiểu đơn vị α, tạo điều kiện cho tương tác thụ thể tiểu đơn vị Chất độc pertussis làm thay đổi acid amin Cys vùng C, ngăn cản protein G trao đổi thông tin với thụ thể (West et al., 1985) Quá trình đột biến vùng đầu C bị khố tương tác protein G với thụ thể mà không ảnh hưởng tới khả liên kết chúng với GTPγS hay βγ (Sullivan et al., 1987) Một vài kháng thể điều khiển chống lại peptit vùng đầu C không ghép cặp với thụ thể từ protein G (Simon et al., 1989; Gutowski et al., 1991) Peptit photorhodopsin đại diện cho 11 gốc cuối protein võng mạc αt1 không ghép cặp với protein G từ thụ thể Bên cạnh đó, thân peptit làm thay đổi hấp thụ ánh sáng photorhodopsin gây biến đổi cấu trúc phân tử Dratz et al.(1993) phân tích tương tác đoạn peptit dài 11 acid amin vùng đầu C chuỗi αt hiệu ứng quang phổ hạt nhân Overhauser (NOESY), cho thấy: gốc glycine chuỗi peptit tạo phần chuỗi β xuất để liên kết trực tiếp với rhodopsin Chức quan trọng thụ thể hoạt hoá gây thay đổi cấu trúc α0, làm giảm lực với GDP Điều hồn tồn xảy vận chuyển C làm giảm ức chế trình liên hợp với GDP Sự loại bỏ 14 acid amin đuôi C tiểu đơn vị α G0 làm giảm lực với GDP khơng ảnh hưởng đến lực GTP γS Các kết qủa phù hợp với ý kiến cho vùng đầu C hoạt động địn bẩy tạo điều kiện cho thụ thể làm thay đổi trạng thái (Denker et al., 1992) Vùng C đóng vai trị quan trọng việc xác định tính đặc hiệu mối tương tác thụ thể-protein G Khi thay acid amin vùng C acid amin 81 thường gặp αi-2 cho phép αq ghép cặp với thụ thể Do thụ thể D2-dopamine A1-adenosine thường ghép cặp với αi-2 không ghép cặp với αq không kích thích hoạt tính phospholipase C Tuy nhiên, chúng hoạt hố phân tử chimeric αq có acid amin vùng đầu C αi-2 kích thích hoạt tính phospholipase (Coklin et al., 1993) Một vài chứng khác lại cho vùng đầu N đầu C tiểu đơn vị α nằm mặt phân tử chúng đóng lại với (Navon Fung, 1988; Holbrrook Kim, 1989) Tuy nhiên, vùng đầu N đóng vai trị quan trọng việc liên kết với thụ thể nên điều chưa rõ ràng Vùng quan trọng q trình hoạt hố thụ thể tiểu đơn vị α vùng G5 (xem hình 6.6) Vùng tương đương ras bao gồm vài acid amin mà chuỗi bên tương tác trực tiếp với vòng Guanine ổn định tương tác vòng Guanine với gốc acid amin vùng G4 Hamm et al (1988) phân tích ảnh hưởng peptit đại diện cho gốc 311-328 α-transducin thấy peptit khố lại q trình hoạt hố transducin photorhodopsin, giống peptit vùng đầu C, thân gây thay đổi quang phổ photorhodopsin Hơn Hamm et al., nhận thấy hai peptit có khả hoạt động điều phối tương tác tiểu đơn vị α-thụ thể đồng thời làm thay đổi quang phổ photorhodopsin Khi xảy đột biến Cystein 325 thành Alanin làm giảm lực α0 GDP không làm ảnh hưởng tới lực GTP Như vùng không chứa vị trí tương tác tiểu đơn vị α với thụ thể mà vùng thay đổi cấu trúc quan trọng suốt q trình hoạt hố protein G 6.2.4.4 Sự tương tác tiểu đơn vị protein G với quan cảm ứng Vùng αs chịu trách nhiệm hoạt hoá adenylate cyclase nhờ thay hệ thống gốc αs alanine Bourne Berlot (1992) tổng kết rằng, có vị trí vùng đầu C αs xác định khả hoạt hoá adenylate cyclase Sự thay hai ba vị trí αi2 có khả chuyển hoá αi-2, từ phân tử ức chế adenylate cyclase, thành phân tử kích thích adenylate cyclase Artemyev et al (1992) Rarick et al (1992) tìm thấy peptit tương ứng với gốc 293-314 tiểu đơn vị α võng mạc, gọi αt, kích thích hoạt tính cGMP phosphodiesterase, phần bề mặt cảm ứng αt Cả thụ thể vùng liên kết với quan cảm ứng tiểu đơn vị α nằm mặt phẳng phân tử bề mặt màng tế bào theo hướng ngược lại với mặt bên phân tử có chứa túi liên kết với GTP gọi bề mặt phần nội bào (Holbrook Kim, 1989) 6.2.4.5 Sự tương tác tiểu đơn vị α với βγ Sự tổ hợp phân ly tiểu đơn vị α, βγ đặc trưng chế hoạt động protein G dạng heterotrimer Sự liên kết tiểu đơn vị βγ với α làm tăng lực tiểu đơn vị α GDP gấp 100 lần, qua làm ổn định cấu trúc heterotrimer liên kết α-GDP (Higashijma et al., 1987) Phần tiểu đơn vị α quan trọng liên kết βγ? Đó vùng đầu N Loại bỏ khoảng 2kDa phần đầu N cách gây đột biến trình phân giải protein ngăn chặn hình thành cấu trúc heterotrimer mà khơng ảnh hưởng đến hoạt tính GTPase phân tử cịn lại (Fung Nash, 1983; Neer et al., 1988; Graf et al., 1992) 82 Vùng đầu N vài tiểu đơn vị α bị myristoyl hoá (kết hợp với acid béo myristic) Sự biến đổi làm gia tăng khả liên kết chúng với βγ, điều hồn tồn khơng cần thiết (Buss et al., 1987; Linder et al., 1991; Denker et al., 1992a) Người ta thấy khoảng từ 7-10 acid amin đoạn kDa đóng vai trị quan trọng tương tác α0 với βγ Khi loại bỏ acid amin làm giảm bớt khả tương tác α0 với βγ Tuy nhiên thay acid amin vùng để khôi phục lại chiều dài α0 lại có khả liên kết với βγ Các vùng khác tiểu đơn vị α có liên quan đến tương tác α với βγ (Osawa et al., 1993; Dhanasekaran et al., 1988) Mặc dù phân giải protein, tạo đột biến, chuyển hố hữu ích cho việc nhận dạng vùng tương tác tiểu đơn vị chúng khơng có khả phân biệt trực tiếp ảnh hưởng từ việc thay đổi toàn cấu trúc Sự định hướng protein bề mặt có liên quan đến liên kết chéo Ví dụ chất lưỡng tính bismaleimidehexane tạo liên kết chéo tiểu đơn vị α khác với βγ Qua gợi mở gốc Cys vị trí tạo liên kết chéo Khi gây đột biến Cys 215 thành Alanine không làm ảnh hưởng đến khả hình thành chuỗi heterotrimer α-βγ lại làm ngừng phản ứng liên kết chéo Vì tiểu đơn vị β hồn tồn giống nên cho bề mặt liên kết β tiểu đơn vị α tương tự Hơn nữa, liên hợp βγ với α phụ thuộc vào nucleotit liên kết với α Đó lý cho βγ liên kết với vùng biến đổi cấu trúc Vị trí cho βγ liên kết với bề mặt α nằm gối lên vị trí liên kết với quan cảm ứng Cys 215 tương ứng α0 Cys 237 αs Chính gốc Cys 237 tìm thấy ba ba acid amin cần cho q trình hoạt hố adenylate cyclase Tuy nhiên biểu vị trí gối lên phần khơng rõ ràng Hai kiểu adenylate cyclase (kiểu II IV) hoạt hoá α βγ (Tang Gilman, 1991, 1992) Các kiểu isoform adenylate cyclase loại có tế bào lympho S49, tế bào sử dụng để xếp vùng cảm ứng αs (Berlot Bourne, 1992) Nhưng tất adenylate cyclase liên kết với vùng αs khơng thể cho tiểu đơn vị α liên kết với quan cảm ứng với βγ Như α βγ liên kết với vị trí riêng biệt adenylate cyclase quan cảm ứng khác Có ý kiến lại cho tiểu đơn vị α βγ cần phải phân ly để hoạt động Và tiểu đơn vị βγ có lẽ khố lại vị trí cảm ứng α 6.2.4.6 Sự phân ly tiểu đơn vị α βγ màng tế bào Trong dung dịch, liên kết quan tương ứng GTP khơng có khả bị thuỷ phân (Ví dụ GTPβγ) rõ ràng gây không liên kết chuỗi α, βγ (Huff Neer, 1986; Gilman, 1987) Bản thân GTP không gây phân ly, điều có thể, nhanh chóng bị phân cắt thành GDP GTP khơng gây phân ly G0 Do câu hỏi đặt tiểu đơn vị α, β có bị phân ly màng sinh chất hay khơng? Nếu điều xảy α βγ phân ly để thực hoạt động chức chúng Ví dụ tiểu đơn vị protein võng mạc Gt phân ly khỏi màng phân ly khỏi để thực trình hoạt hoá rhodopsin Như phân ly loại protein liên kết màng khác q trình hoạt hố chưa rõ ràng, trạng thái cân chúng có phân ly Các tiểu đơn vị ngoại sinh gắn vào màng liên kết 83 với protein nội sinh, qua gợi mở biến đổi hồn tồn xảy (Gilman, 1987) Tiểu đơn vị đột biến αs (khi glycine 226 thay alanine) không phân ly từ βγ (Miller et al., 1988) Các tiểu đơn vị đột biến có gắn GTPγS phân lập hoạt hố adenylate cyclase điều kiện thí nghiệm, khơng có khả hoạt hố biểu tế bào có chứa βγ Sự khác biệt giải thích thể sống tiểu đơn vị α bị đột biến không phân tách khỏi βγ lại phân ly để hoạt hoá adenylate cyclase (Lee et al., 1992) Các tiểu đơn vị phân ly khơng dạng tự để khuếch tán vào lớp màng kép Chúng sau liên kết chéo với bismaleimidehexane liên kết với GTPγS đảm nhận cấu trúc hoạt hoá (Yi et al., 1991) Các tiểu đơn vị khớp vào liên kết hố trị chuyển phần chúng phân ly hồn tồn Khơng thể biết protein liên kết chéo hoạt hố quan cảm ứng hay khơng Mattera et al (1987) tìm trạng thái chống độc tố pertussis tiểu đơn vị α hoạt hoá trạng thái liên kết với βγ 6.2.4.7 Sự tương tác tiểu đơn vị α với màng tế bào Sự myristol hoá vài tiểu đơn vị α cần thiết cho trình liên kết với màng Sự đột biến glycine bị myristoyl hoá thành alanine làm chuyển tiểu đơn vị α vào tương bào (Jones et al., 1990; Mumby et al., 1990) Yêu cầu dường không liên quan đến khả liên hợp với βγ tiểu đơn vị α biểu mức βγ nội bào liên kết với màng (Bloch et al., 1990) Mummy et al (1990) tính màng tế bào biểu α12 COS chứa βγ nhiều gấp lần so với αi-2 Do α liên kết cách độc lập với màng tuỳ theo khả Tiểu đơn vị α bị myristoyl hóa tương tác với màng đến chưa biết rõ Myristate kị nước cài xen vào màng lipit kép Sự biến đổi acid béo kị nước, 11 oxymyristate, gây phân đoạn nhỏ α0 αi để đưa chùng vào tế bào chất (Mummy et al., 1990) Một vài tiểu đơn vị α không bị myristoyl hoá (αs) cần phải giữ lại màng theo nhiều cách khác Ví dụ αs neo bám vào màng thông qua đuôi C (Audigier et al., 1990) Sự myristoyl hoá tiểu đơn vị α ảnh hưởng đến hai hoạt động chức chủ chốt liên kết vào màng liên kết với tiểu đơn vị βγ Cùng với myristoyl hoá, vài loại tiểu đơn vị α (α0, αz, αq,…) bị palmitoyl hố vị trí bên 30 acid amin vùng đầu N (Linder et al., 1993) Hoạt động chức protein liên kết với palmitate chưa biết tới Tuy nhiên palmitoyl hoá biến đổi thuận nghịch khử acyl hoá làm giải phóng tiểu đơn vị α protein G vào tương bào 6.2.4.8 Cấu trúc tiểu đơn vị βγ Giống tiểu đơn vị α, tiểu đơn vị β thành viên họ lớn, hiệu qủa hoạt động chức thành viên β không rõ ràng α Dựa vào trình tự acid amin β khẳng định có hai kiểu cấu trúc khác Cụ thể là: 39 acid amin vùng đầu N cấu thành nên xoắn α lưỡng cực có liên quan đến tương tác cuộn xoắn nhằm giữ cho βγ gắn vào α (Lupas et al., 1992) Xoắn α vùng đầu N 84 tiểu đơn vị α cần thiết cho hình thành dạng heterotrimer đột biến arginine số chuỗi xoắn giả α thành proline không ảnh hưởng đến hình thành (Denker et al., 1992) Phần protein β lại tạo thành đoạn lặp với đoạn xấp xỉ 43 acid amin (Fong et al., 1987) Các đoạn lặp giống tìm thấy nhiều protein khơng có chức thực q trình tải nạp tín hiệu khác (Van der Voorn Ploegh, 1992) Các hoạt động chức ảnh hưởng đến bảo toàn đoạn lặp phân tử protein họ sinh vật nhân chuẩn chưa biết đến Các nhà khoa học suy luận từ trình tự acid amin tiểu đơn vị β khác động vật có vú thấy 83-90% đồng (Fong et at., 1987; Gao et al., 1987; Levine et al 1990;von Weizsacker et al., 1992) Người ta biết trình tự acid amin tiểu đơn vị γ động vật có vú (Hurley et al., 1984; Yatsunami et al., 1985; Gautam et al., 1989; Cali et al., 1992) Tiểu đơn vị γ1 protein võng mạc có 38% đồng so với γ2 não khác hẳn so với γS động vật có vú Tiểu đơn vị β mực giống với tiểu đơn vị β1 động vật có vú, tiểu đơn vị γ mực lại khác với tiểu đơn vị γ động vật có vú Tuy nhiên khác biệt mang tính thống kê, so sánh với trình tự ngẫu nhiên (Lottet al., 1992) Sự tồn tiểu đơn vị β khác có tiểu đơn vị γ cho thấy có 28 tổ hợp khác tiểu đơn vị βγ Thực tế cho thấy tất cặp βγ có khả hình thành Tiến hành phân tích tổ hợp phương pháp dịch mã điều kiện phịng thí nghiệm biểu không bền tế bào COS cho thấy: β1 có khả tương tác với γ1, γ2 hình thành nên cấu trúc dimer với riêng γ2 (giống với β2) (Schimidt et al., 1992; Proline Gautam et al., 1992) Kết phân tích tổ hợp protein tế bào Sf9 nón trùng (Iniguez – Lluhi et al., 1992) Các cặp đơi βγ khác có khả liên kết với tiểu đơn vị α khác để hoạt hoá quan cảm ứng (Cerione et al., 1987; Casey et al., 1989; Fawzi et al., 1991) Cặp βγ võng mạc (β1γ1) có ảnh hưởng đến trình hoạt hố kênh ion K+ tâm nhĩ so với βγ não (β1γ2, β2γ2) (Logothesis et al., 1988) Các dimer β1γ2 β1γ3 có khả kích thích hoạt tính adenylate cyclase kiểu II mạnh gấp 10 lần so với β1γ1 (Iniguez – Lluhi et al., 1992) Các tiểu đơn vị α không khác trình tự acid amin mà cịn khác cải biến cách kết hợp với chất béo Tiểu đơn vị α động vật có vú chịu ba cải biến: q trình prenyl hố acid amin Cys đầu C, sau phân cắt acid amin cuối methyl hoá cacboxyl đầu C (Blacklund et al., 1990; Fung et al., 1990; Maltese Robinshaw, 1990; Mumby et al., 1990a; Yamane et al., 1990; Sanfod et al., 1991) Nhóm farnesyl 15C γ1 (Lai et al., 1990) kị nước nhóm geranylgeranyl 20C γ2 có lẽ tiểu đơn vị γ khơng thuộc γ võng mạc Prenyl hố khơng cần thiết hình thành βG đột biến Cys 68 prenyl hố thành Serine khơng làm hỏng q trình dimer hố Khi dimerβγ với α khơng bị prenyl hố chúng khơng thể hoạt hố quan cảm ứng, vài trường hợp việc hình thành dạng heterotrimer với tiểu đơn vị α không xảy (Iniguez – Lluhi et al., 1992; Katz et al., 1992; C J Schimidt E J Neer, unpubl) Tầm quan trọng prenyl hóa liên hợp αβγ có lẽ phụ thuộc nhiều vào tiểu đơn vị α Wildman et al (1993) chứng minh tải nạp tiểu đơn vị α không phân biệt dạng β1γ2 bị prenyl hố với dạng khơng bị prenyl hoá Tiểu đơn vị βγ buộc phải prenyl hoá để liên kết với màng Khi 85 tiểu đơn vị β, γ biểu thời tế bào COS-M6, dimer tìm thấy phân đoạn màng tế bào Sự biến đổi Cys 68 thành Serine chuỗi α ngăn cản liên kết dimer βγ với màng (Simonds et al., 1991; Muntz et al., 1992) Các dạng βγ có cấu trúc bền vững, hoạt động chức khơng bị ảnh hưởng phân cắt Trypsin Mặc dù chuỗi β1 có 32 vị trí cắt Trypsin tiến hành phân cắt βγ não bò Trypsin tạo phân đoạn phát sinh từ β Chuỗi βγ bị phân cắt có hệ số lắng với chuỗi βγ nguyên vẹn khả liên kết với tiểu đơn vị α không thay đổi (Fung Nash, 1983; Thomas et al., 1993b) Trong tiểu đơn vị βγ khơng có liên kết cầu disulfide S-S, ổn định βγ phản ánh mối tương tác không đồng hoá trị đoạn cấu trúc lặp lại tiểu đơn vị β Mặc dù chúng khơng hình thành trọn vẹn vùng hoạt động chức riêng biệt đoạn bị phân chia Trypsin thuận lợi cho tương tác với α γ Phân đoạn có khối lượng 14 kDa vùng đầu N liên kết chéo với γ nhờ bismaleimidehexane hay phenanthroline đồng, phân đoạn có khối lượng 26 kDa vùng đầu C lại liên kết chéo với α nhờ bismaleimidehexane (Bubis Khorana, 1990; Yi ei al., 1991; Thomas et al., 1993b) Tiểu đơn vị γ2 có gốc Cys vị trí số 41 có khả liên kết chéo (các Cys khác bị prenyl hoá) Tiểu đơn vị γ2 có chứa Cys lại có hai Cys vị trí 36 37 Các Cys liên kết chéo với Cys 25 β1 (Bubis Khorana, 1990) Tuy nhiên vị trí xác β liên kết chéo với α chưa xác định 6.2.5 GMP vòng chất truyền tin thứ hai GMP vòng (Guanosine 3’- 5’ cyclic monophosphate) thực chức chất truyền tin thứ hai số dạng tế bào tế bào mô tim, mạch máu, não, mô ruột tế bào ống dẫn lọc thận Thông tin thực nhờ GMP vịng thay đổi tuỳ theo mơ mà tác động Ví dụ thận ruột làm thay đổi vận chuyển ion tái hấp thụ nước trơn tim, truyền tín hiệu thư giãn não, tham gia vào chức phát triển chức tạo trưởng thành não Người ta xác định có hai loại isozym guanylate cyclase tạo GMP vịng từ GTP theo phản ứng tương tự tạo AMP vòng Một hai isozym dạng protein gắn vào màng sinh chất nằm cạnh thụ thể tiếp nhận hormon mặt ngồi có vùng (domain) hình thành GMP vịng nằm phía nội bào tế bào chất động vật có vú Guanylate cyclase hoạt hoá liên kết loại hormon điều hoà Natri niệu (Atrial natriuretic factor- ANF) Yếu tố ANF giải phóng từ tế bào mặt (atrium) tim thể tích máu tăng lên gây sức căng cho vùng tế bào Đối với thận, yếu tố ANF hoạt hoá guanylate cyclase màng tế bào ống lọc thận làm tăng tổng hợp GMP vịng, từ làm tăng tiết Na+ nước Sự nước làm giảm thể tích máu dẫn tới kích thích việc tiết ANF Cơ trơn mạch máu có thụ thể tiếp nhận ANF liên kết với guanylate cyclase Khi liên kết với thụ thể, ANF gây dãn mạch làm giảm áp lực máu Một dạng liên kết tương tự guanylate cyclase với thụ thể màng sinh chất tế bào biểu mơ ruột hoạt hố peptid nội độc tố (endotoxin) vi 86 khuẩn E.coli Hậu tăng GMP vòng làm giảm tái hấp thụ nước tế bào biểu mô ruột, gây tượng ỉa chảy độc tố Một dạng isozym guanylate cyclase thứ hai loại protein hoà tan nội bào liên kết chặt chẽ với nhóm hem Enzym hoạt hoá oxid nitơ (NO) số hợp chất nitroglycerin, nitro prussid Những hợp chất thường dùng để chữa bệnh tim Các hợp chất gây giãn mạch chứa nitơ (Nitro - vasodilator) dễ bị phân huỷ tạo NO (nitric oxide, chẳng hạn nitroglycerin CH2 − CH − CH2 NO2 NO2 NO2 Nitric oxide tạo từ arginin nhờ hoạt động enzym NO- synthase Enzym có mặt nhiều mơ tế bào động vật có vú Hoạt động enzym phụ thuộc vào ion Ca2+ NO tạo khuếch tán từ tế bào sinh đến tế bào lân cận liên kết với nhóm hem guanylate cyclase, hoạt hố enzym sản xuất GMP vịng tim, GMP vòng gây thư giãn tim kích thích bơm ion để trì nồng độ Ca2+ thấp tế bào Sự thư giãn tim giống đáp ứng dùng viên nitroglycerin làm dịu đau co thắt ngực tim bị suy thoái, thiếu oxy bị tắc động mạch vành nuôi tim Nitric oxid không bền Có thể tóm tắt tác động NO là: giây lát hình thành nó, NO bị oxy hố thành nitrit nitrat Vì biến đổi chậm chạp thành NO, nitroglycerin tạo thư giãn lâu dài tim Hầu tất tác động GMP vịng xem có vai trị tác động protein kinase phụ thuộc GMP vòng, gọi protein kinase G Enzym phân bố rộng rãi thể sinh vật nhân chuẩn Một số mô động vật có vú, bao gồm trơn não giàu enzym Enzym protein kinase G (PKG) chuỗi polypeptid 80 kDa chứa hai vùng (domain) có chức xúc tác vùng điều hồ Vùng xúc tác chứa trình tự acid amin giống với trình tự tiểu đơn vị C protein kinase phụ thuộc AMP vòng (protein kinase A) Vùng điều hoà giống với tiểu đơn vị R enzym phụ thuộc AMP vòng Sự liên kết GMP vòng vào protein kinase G tạo vùng tự ức chế trung tâm liên kết chất, cho phép enzym phosphoryl hoá gốc Ser Thr chứa protein bị bao vây trình tự thích hợp chấp nhận Protein kinase A protein kinase G nhận trình tự khác thích hợp cho Vì vậy, enzym điều hoà protein khác 6.2.6 Sự điều hoà protein G quan cảm ứng 6.2.6.1 Sự hoạt hoá độc lập kênh K+ nhờ tiểu đơn vị α, βγ Cả α βγ hoạt hóa kênh muscarinic K+ tâm nhĩ (Logothesis et al., 1987, 1988; Yatani et al., 1987; Kurachi et al., 1989a) Kênh K+ phụ thuộc vào ATP dạng khác hoạt hoá tiểu đơn vị α Một vài tiểu đơn vị α họ αi αi-1, αi-2, αi-3, α0 hoạt hố kênh muscarinic - K+ chúng gắn vào bề mặt nội bào màng tế bào, dạng αs αq khơng thể hoạt hố kênh muscarinic (Logothesis et al., 1988; Yatani et al., 1988) Tiểu đơn vị βγ não bị (β1γ2, β2γ2) có khả hoạt hoá kênh K+ tiểu đơn vị βγ võng mạc (β1γ1) lại có ảnh 87 hưởng Sự hoạt hoá kênh K+ tiểu đơn vị α βγ khơng có tính cộng hợp nên kênh K+ hoạt hố hai tiểu đơn vị (Logothesis et al., 1988) Cơ chế xác hoạt hố α βγ chưa biết đến Có lẽ tiểu đơn vị βγ có hai đường hoạt hố kênh K+ Một đường gián tiếp thông qua hoạt hố phospholipase A2 hình thành sản phẩm trao đổi acid arachidonic (Kim et al., 1989; Kurachi et al., 1989b) Con đường hoạt hóa kênh K+ thứ hai đường trực tiếp Nhờ phân lập, nhân dòng, hồi phục kênh K+ hệ thống tinh mà chế hoạt hoá kênh K+ xác định xác 6.2.6.2 Sự điều hồ adenylate cyclase nhờ tiểu đơn vị α βγ Tất kiểu phụ adenylate cyclase hoạt hoá αs tiểu đơn vị α loại α khác Tuy nhiên phản hồi tiểu đơn vị βγ đặc hiệu tới kiểu phụ Do đó, adenylate cyclase dạng I adenylate cyclase nhạy cảm với calmodulin tìm thấy hệ thống thần kinh bị ức chế βγ Adenylate cyclase dạng III không bị ức chế khơng bị hoạt hố βγ Ngược lại adenylate cyclase dạng II IV lại bị hoạt hoá αs bị hoạt hoá βγ cao gấp 5-6 lần Vì tiểu đơn vị α βγ hoạt hố enzyme tinh nên hoạt hố diễn trực tiếp (Taussig et al., 1993) Sự điều hoà adenylate cyclase dạng II α βγ diễn tế bào Các thụ thể tiểu đơn vị βγ hoạt động thơng qua protein G kích thích adenylate cyclase dạng III Vì thụ thể tiểu đơn vị α khơng kích thích adenylate cyclase nên hoạt hoá thụ thể khơng thơng qua tiểu đơn vị β Tính hữu dụng điều hồ hai chiều gì? Bourne Nicoll (1993) cho hệ thống hoạt động máy thăm dò ngẫu nhiên, cho phép trả lời tín hiệu đơi, cịn tín hiệu đơn phản hồi yếu Sự diện adenylate cyclase cụ thể xác định mơ hình phản ứng với hoạt hoá thụ thể bề mặt Do vậy, vài kiểu isofirm adenylate cyclase biểu quần thể đặc trưng thần kinh (Glatt Snyder, 1993) Điểm mấu chốt chế có lẽ synap cho phép neuron thần kinh phối hợp với phản hồi tới kích thích bên ngồi 6.2.6.3 Điều hồ phospholipase C nhờ α βγ Phospholipase C (PLC) tồn nhiều dạng Ví dụ PLC β1-4 điều hồ tiểu đơn vị protein G dạng PLC α khơng vậy: (Blank et al., 1991, 1992; Wu et al., 1993a, 1993b) Cũng adenylate cyclase, mơ hình điều hồ PLC β α βγ đặc trưng cho dạng đồng phân khác Các tiểu đơn vị αq bao gồm αq, α11, α16 hoạt hoá PLC β1 = PLC β2 > PLC β3 Tất tiểu đơn vị α thiếu vị trí tác động chất độc pertussis nên không chịu ức chế chất độc Tiểu đơn vị βγ kích thích PLC β theo thứ tự sau: PLC β3 > PLC β2 > PLC β1 Ngược lại với adenylate cyclase, hoạt hoá dạng đồng phân PLC β độc lập không cần enzyme mồi Khi hai tiểu đơn vị hoạt hố lúc hoạt tính đơi cộng hợp, đơi khơng (Smrcka Sternweis, 1993) Các phản ứng độc lập tiểu đơn vị q trình hoạt hố PLC β phản ánh liên kết vào vùng khác enzyme: βγ liên kết vào 2/3 phân tử vùng N, α liên kết vào vùng đầu C (Park et al., 1993; Wu et al., 1993a, 1993b; P Gierschik J Exton) 88 Các thụ thể muscarinic tác động biểu tạm thời tế bào COS hoạt hố PLC β2 βγ bị lây nhiễm (Katz et al., 1992) Chất độc pertussis ngăn chặn hoạt hố PLC β2 thơng qua thụ thể muscarinic Kích thích dạng đồng phân PLC β nhờ βγ giải thích nhạy cảm PLC vài tế bào bị chất độc pertussis kìm hãm Chất độc khơng gắn vào thụ thể protein G nên ngăn chặn biến đổi GTP thành GDP tiểu đơn vị α, làm ngừng phân ly hoạt hoá α βγ Tóm tắt chương Chúng ta thấy thụ thể protein G đóng vai trị chìa khố nhiều q trình truyền tín hiệu hormon thần kinh, ví dụ hoạt động nhìn, chuỗi hoạt hố adenylate cyclase chuỗi hoạt hố phosphoinositol… Quả thực, chúng cần thiết cho trình truyền tín hiệu Các đặc điểm chung q trình truyền tín hiệu là: Các thụ thể chuỗi xoắn xuyên màng tác động thông qua protein G Đồng thời protein G hoạt hoá thụ thể gồm chuỗi xoắn Các thụ thể chuỗi xoắn xuyên màng có chứa hốc liên kết nằm gần trung tâm màng kép lipid Có nhiều loại cấu tử gắn liên kết vào vị trí Có hàng trăm loại thụ thể có tính đặc hiệu khác chất sinh mùi Điều đảm bảo cho ngửi số lượng lớn hợp chất Sự liên kết đặc hiệu cấu tử vào thụ thể cảm ứng thay đổi hình dạng khơng gian thụ thể, tín hiệu chuyển vào phần cấu trúc vòng thụ thể nằm phía bên màng Vịng thứ ba phía nội bào có vai trị đặc biệt quan trọng việc truyền tín hiệu tới protein G Các thụ thể hoạt hố bật mở hoạt hóa protein G cách xúc tác cho thay GDP GTP, thực cách mở vị trí bám nucleotit Guanine phân tử protein G Vai trị thụ thể hoạt hố làm tăng tốc nhanh đổi chỗ GDP thay GTP Các thụ thể mang cấu tử gắn đặc hiệu bị làm bất hoạt phosphoryl hoá gốc Serine Threonine vùng C Sự liên kết GTP protein dẫn tới hoạt hoá chúng Protein G tách thành tiểu đơn vị Gα-GTP Gβγ thụ thể dạng hoạt hố giải phóng Tín hiệu kích thích thường giữ lại phần Gα-GTP Trong số trường hợp Gβγ bật mở hoạt hố đích Tiểu đơn vị α protein G thuỷ phân GTP liên kết để đưa protein G quay dạng bất hoạt Tỷ lệ protein G trạng thái hoạt động xác định tốc độ thuỷ phân GTP liên kết vào ... myristic 16 :0 acid palmitic 18 :0 acid stearic 18 :1 cisΔ acid oleic 18 :2 cisΔ 9 ,12 acid linoleic 18 :3 cisΔ 9 ,12 ,15 acid Linonenic 20:4 cisΔ 5,8 ,11 ,14 acid arachidonic 20:5cisΔ 5,8 ,11 ,14 ,17 acid... hình dạng tế bào, che chắn bảo vệ tế bào Tham gia vào trình phân chia tế bào Cụ thể màng tế bào nối với nhiễm sắc thể tham gia vào phân chia tế bào Tham gia vào phản ứng kết dính, màng tế bào có... điện trục tế bào thần kinh; (4) Là thụ thể tế bào GM1 thụ thể nhận biết độc tố vi khuẩn tả bề mặt tế bào, chúng giúp tế bào gắn vào tế bào khác Các glycolipid lipid liên kết với đường Ở tế bào động