CHƯƠNG III MOLECULAR BIOLOGY OF THE CELL CƠ CHẾ THÔNG TIN SINH HỌC BIOLOGICAL COMMUNICATION MECHANISM TS ĐỖ HIẾU LIÊM 3.1 ĐẠI CƯƠNG 3.2 NGUYÊN TẮC CƠ BẢN TRONG THÔNG TIN TẾ BÀO 3.2.1 Phân tử thông tin 3.2.2 Kiểu thông tin 3.2.3 Receptor 3.2.4 Gap junction 3.2.5 Kiểu đáp ứng tín hiệu thông tin tổng quát 3.2.6 Sự đáp ứng tín hiệu thông tin nội tiết (hormone) 3.3.THÔNG TIN QUA RECEPTOR MÀNG - PROTEIN G 3.3.1 Protein G 3.3.2 Protein “công tắc” 3.3.3 Cơ chế thông tin 3.4.THÔNG TIN QUA RECEPTOR MÀNG - ENZYME 3.4.1 Receptor tyrosine kinase 3.4.2.Cơ chế thông tin qua receptor – tyrosine kinase 3.5 MỘT SỐ CƠ CHẾ THÔNG TIN TẾ BÀO (1) Thông tin (Communication) trình giao tiếp cá thể môi trường sống (2) Thông tin sinh học trình giao tiếp nội thể mô bào, tế bào (3) Điều hành tiến trình sinh học tế bào: -Sự tồn (sống sót) -Sự phát triển phân chia -Sự biệt hóa -Sự chết Hình Các tiến trình sinh học Hình Sự đáp ứng phân tử thông tin giản đơn tế bào đích 3.2 NGUYÊN TẮC CƠ BẢN TRONG THÔNG TIN TẾ BÀO 3.2.1 Phân tử thông tin -Phân tử thông tin ngoại bào (ESM) - thông tín viên thứ (the first messenger): Hormone, NO, histamin, acetyl choline (ligand) -Phân tử thông tin nội bào (ISM) - thông tín viên thứ hai (the second messenger): c.AMP, c.GMP, protein kinase, calcium nội bào (Ca2+ICF), phophatidyl inositol diphosphate (PIP2), IP3 (inositol triphosphate)… 3.2.2 Kiểu thông tin -Tín hiệu nội tiết (Endocrine signals) -Tín hiệu cận tiết (paracrine signals) -Tín hiệu tự tiết (autocrine signals): • Tín hiệu phụ thuộc tiếp xúc (contact dependent signals) • Tín hiệu tiếp hợp (synaptic signals) Hình Các loại tín hiệu kiểu thông tin TÓM LẠI Đặc điểm truyền đạt thông tin sinh học tế bào : Tiến trình truyền đạt không phân tử thông tin nội bào (ISM) thực mà nhiều ISM Tiến trình truyền đạt từ phân tử thông tin nội bào (ISM) chuyển sang ISM khác theo kiểu dây chuyền với nhiều cấp bậc, từ cấp bậc sang cấp bậc khác Kiểu “Quân domino” Bảng Một số thông tín viên thứ (Endocrine signal) Loại thông tin Nguồn gốc Cấu tạo Chức Adrenaline Tủy thượng thận DX tyrosine Tăng glucose máu Cortisol Vỏ thượng thận Steroid Tăng glucose máu Testosterone Dịch hoàn Steroid Đặc tính sinh dục đực Estrogen Buồng trứng Steroid Đặc tính sinh dục Insulin Tế bào β tuyến tụy Polypeptide Giảm glucose máu Glucagon Tế bào α tuyến tụy Polypeptide Tăng glucose máu Thyroxine Tuyến giáp DX tyrosine Tăng tiến trình oxid hoá Bảng Một số thông tín viên thứ (Paracrine signal) Loại thông tin Nguồn gốc Cấu tạo Chức EGF Các tế bào Protein Tăng sinh tế bào biểu mô PDGF Tiểu cầu Protein Tăng sinh tế bào NGF Mô thần kinh Protein Biệt hoá neuron Histamine Tế bào Mast DX histidine Dị ứng NO Neuron, thành mạch Chất khí Cương mạch dương vật Acetylcholine Synap DX lipid Dẫn truyền thần kinh GABA Synap DX glutamate Dẫn truyền thần kinh Bảng Một số thông tín viên thứ (Autocrine signal) Loại thông tin Nguồn gốc Cấu tạo Chức Protein delta Neuron, phôi bào Protein Ngăn chận biệt hoá neuron phôi 3.2.3 Receptors (1) Receptor có tính nhạy tính đặc hiệu với phân tử thông tin ngoại bào (ESM) (2) Phân loại a Dựa vào vị trí • Receptor bề mặt tế bào - receptor màng (cell-surface receptor) -Thành phần protein xuyên màng, liên kết với phân tử thông tin không thấm nhập qua màng sinh học • Receptor nội bào (intracellular receptor) thành phần protein vận chuyển tế bào chất dịch nhân, liên kết với phân tử thông tin, thấm nhập qua màng sinh học •Receptor nhân (nuclear receptor) có cấu trúc nhị tử đồng thể (homodimer) nhị tử dị thể (heterodimer), cortisol receptor, estrogen receptor, progesterone receptor, vitamin D receptor, thyroid hormone receptor, retinoic acid receptor) 10 Hình Sự đáp ứng NO mô trơn thành mạch 16 3.2.5 Kiểu đáp ứng tín hiệu thông tin tổng quát Sự đáp ứng hay hiệu ứng sinh học biểu mô bào đích phụ thuộc vào phân tử thông tin ngoại bào (ESM) mà phụ thuộc vào máy nội bào loại mô, tế bào thông qua receptor protein màng receptor nội bào (tế bào chất hay dịch nhân) Hình 10 Các kiểu đáp ứng acetyl choline mô 17 YẾU TỐ KÍCH THÍCH c.AMP  học  Hiệu ứng sinh  Sự biến dưỡng  Hiệu RH TARGET CELL Hor.1 TNT Hor.2 Thông tín viên thứ ATP A.C c.AMP Thông tín viên thứ hai Hình 11 Thuyết thông tín viên thứ hai (Sutherland, 1975) 18 Hình 12 Cơ chế điều hành thông tin nội tiết (Negative and possitive feedback mechanism) 19 3.3 THÔNG TIN QUA RECEPTORS MÀNG - PROTEIN G 3.3.1.Protein G • Hơn 20 loại protein G tế bào động vật; đó, số có vai trò đáp ứng miễn dịch • Các protein G có tính đặc hiệu cho loại receptor màng (GPCRs-protein G-coupled cell surface receptor), gọi siêu họ protein G (superfamily protein G) • Protein G có cấu tạo protein trimer dị thể: Subunit α (4045kD), subunit β (37kD), subunit γ (8-10kD) • Có 20 loại Gα khác phân thành nhiều họ Gα: -Gαs hay Gs (stimulatory), Gαi hay Gi (inhibitory), Golf (olfactory-khứu giác) kết hợp với olfactory receptor niêm mạc mũi, Gt (transducin) chuyển đổi tín hiệu thị giác với chất cảm quang rhodopsin lớp võng mạc -Subunit α có vai trò GTPase 20 Hình 13 Protein G 21 3.3.2.Protein “công tắc” (protein switches) -Protein “công tắc” thuộc nhóm tín hiệu nội bào với vai trò kích hoạt tín hiệu nội bào khác - nhóm protein “công tắc”: nhóm phosphoryl hóa nhóm liên kết GTP (protein G) Hình 14 Nhóm protein “công tắc” Nhóm phosphoryl hóa: enzyme protein kinase phosphatase Nhóm liên kết GTP: protein liên kết GTP hay GTPase 22 3.3.3.Cơ chế thông tin receptor màng liên kết protein G (1) Cơ chế thông tin “Điều hòa nồng độ c.AMP” c.AMP (3’5’ cyclic AMP): -Tín hiệu nội bào trung gian (the second messenger) tế bào không nhân (prokaryotic cell) có nhân (eukaryotic cell) -Nồng độ 10-7M tế bào chất gia tăng gấp 20 lần tín hiệu ngoại bào (the first messenger) kích hoạt adenylate cyclase (8 dạng) thông qua GPCRs Hình 15 Phản ứng tổng hợp phân giải c.AMP 23 Bảng Một số tác động c.AMP mô bào đích Mô bào đích Hormone Tác động sinh học Tuyến giáp TSH Tổng hợp phân tiềt thyroxine Vỏ nang thượng thận ACTH Phân tiết cortisol Buồng trứng LH Phân tiết progesterone Mô Adrenaline Phân giải glycogen Xương Parathyroid hormone Tái hấp thu chất xương Tim Adrenaline Tăng co thắt tâm Gan Glucagon Phân giải glycogen gan Thận Vasopressine Tái hấpthu nước Mô mỡ Adrenaline, ACTH, TSH, glucagon Phân giải triacylglycerol 24 Protein G (Gαs Gαi) với Ca2+ICF kiểm soát trình hoạt động adenylate cyclase (tác động cholera toxin - dịch tả, pertussis toxin - ho gà) làm tăng nồng độ c.AMP Protein G + Adenylate cyclase + Protein kinase  Tổng hợp enzyme (tế bào chất) -Trường hợp tín hiệu không khuyếch đại (unamplified signal) -Trường hợp khuyếch đại tín hiệu (signal amplification) Hình 16 Protein G tương tác với adenylate cyclase protein kinase kiểm soát tổng hợp enzyme 25 Protein G + Adenylate cyclase + Protein kinase  Sao chép gene (nhân) Hình 17 Protein G tương tác với adenylate cyclase protein kinase điều hành chép gene (transcription) 26 (2) Cơ chế thông tin “Kích hoạt tín hiệu inositol phospholipid”  Ở số mô bào, protein G (Gq) kích hoạt phospholipase C-β màng, enzyme xúc tác phosphoryl hóa inositol phospholipid màng tạo thành PIP2 – Phosphatidyl inositol 4,5 diphosphate, tiếp tục phân tách, tạo thành diacylglycerol IP3 (inositol 1,4,5 triphosphate)  Phân tử IP3 tan nước, đảm nhận vai trò phân tử trung gian nội bào, từ lớp màng tế bào lan tỏa nhanh chóng đến lưới võng nội để liên kết mở kênh phóng thích Ca2+ cổng IP3 (IP3gated Ca2+ release channel) (hay IP3 receptor) điều hành tiến trình giải phóng calcium, làm tăng Ca2+ICF  Ca2+ICF tín hiệu nội bào trung gian quan trọng, liên quan đến trình thụ tinh noãn bào, phát triển phôi, co cơ, tiết dịch tế bào tiết tế bào thần kinh 27 Hình 18 Phản ứng tổng hợp PIP2 từ lớp màng lipid Hình 19 Phản ứng tổng hợp PIP2 từ lớp màng lipid 28 Hinh 20 Protein G kiểm soát “đóng mở” Ca2+ channel 29 30