Đề tài Tìm hiểu cơ chế tiếp nhận và xử lý thông tin của tế bào

Tên đề tài: Tìm hiểu cơ chế tiếp nhận và xử lý thông tin của tế bào Lời mở đầu Tại sao bạn lại biết nóng biết lạnh? Tại sao khi ngã bạn biết bạn bị đau? Tại sao các tế bào ung thư lại phát triển một cách “vô tổ chức” Đó là nhờ cơ thể bạn nói chung và các tế bào trong cơ thể bạn nói riêng đã tiếp nhận và xử lý các thông tin nhận từ bên ngoài cơ thể/ các tế bào của bạn. Vậy cơ chế đó là gì? Sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu một cách tổng quát nhất về cơ chế tiếp nhận và xử lý thông tin của tế bào Những vấn đề chính: 1.Tín hiệu tế bào 1.1.Các loại tín hiệu tế bào 1.2. Mối liê Mối liên hệ và kết nối giữa các tế bào 2.Cơ chế tiếp nhận và xử lý thông tin 2.1 Tiếp nhận thông tin 2.2 Truyền và Khuyếch đại tín hiệu 2.3 Trả lời tín hiệu 3. Quá trình truyền và xử lý tín hiệu trong điều hòa cương cứng dương vật 1.Tín hiệu tế bào 1.1 Các loại tín hiệu tế bào Tín hiệu điện học: các tín hiệu điện hóa, chênh lêch điện thế trong và ngoài màng, tín hiệu dẫn truyền ở các sợi trục nơ-ron thần kinh Tín hiệu vật lý: nhiệt độ, ánh sáng tác động do tiếp xúc trực tiếp giữa hai tế bào.. Tín hiệu hóa học:các hóc-môn, các sản phẩm tuyến tiết, tín hiệu nội tiết (endocrine), ngoại tiết (paracrine), tự tiết (autocrine).. Tín hiệu tổng hợp: Những tín hiệu hình thành trong giấc mơ, sự tưởng tượng… Ngoài ra, người ta chia các tín hiệu tế bào thành hai nhóm : Tín hiệu sơ cấp: là các phân tử protein hooc-mon, các chất hóa học, các chất khí… có thể được nhân biết và gắn với các thụ thể Tín hiệu thứ cấp là các phân tử đặc hiệu có kích thước nhỏ cAMP, Ca++ … Trong tế bào còn có nhiều loại phân tử tín hiệu khác : Nhóm các tín hiệu là peptid, hormon: insulin, glucagon, prolactic, FSH... Nhóm các phân tử neurohormon: oxytocin, endorphin... Nhóm các phân tử có bản chất là hormon, các nhân tố sinh trưởng, các chất điều hòa các hoạt động của tế bào: EGF, FGF, IL-2, erythropoietin... Nhóm các phân tử tín hiệu có bản chất lipid như các steroid: testosteron, estradiol, cortisol... Nhóm các phân tử tín hiệu là chất khí: NO, CO... Nhóm các phân tử tín hiệu thần kinh: acetylcholin, serotonin, dopamin... Nhóm các phân tử tín hiệu là các nucleotid, vitamin A, acid béo... 1.2 Mối liên hệ và kết nối giữa các tế bào 1.2.1 Liên kết giữa hai tế bào: Kết nối chặt: thường gặp ở các tế bào biểu mô. Kết nối chặt làm cố định vị trí 2 tế bào kề nhau bằng protein đặc hiệu Kết nối giữa hai tế bào bằng rãnh thông: gặp ở 1 số tế bào động vật và thực vật. Các rãnh thông cấu tạo từ một vài phân tử protein đặc hiệu, nối từ lưới nội chất của tế bào này với lưới nội chất tế bào khác. Ở tế bào thực vật thì rãnh thông là một cầu nguyên sinh giữa các tế bào Kết nối dạng neo: là kiểu kết nối phổ biến giữa các tế bào. Nhờ các phân tử protein kết nối (cadherin, integrin, selectin...), làm cho các tế bào có sự liên kết chặt chẽ với nhau. Hình 2 1.2.2 Liên kết với chất nền ngoại bào Nhờ các phân tử protein neo dính nối các thành phần của chết nền ngoại bào với các proteinn của khung xương tế bào Hình 3 2.Cơ chế tiếp nhận và xử lý thông tin Hình 4 2.1 Tiếp nhận thông tin Thông qua 2 loại thụ thể: thụ thể màng và thụ thể nội bào Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển tín hiệu thu được cho tế bào xử lý Chúng sẽ thay đổi cấu trúc và tính chất ,đảm bảo quá trình tiếp nhận tín hiệu có hiệu quả 2.1.1 Thụ thể màng: Thụ thể kênh vận chuyển ion ( ion-channel-link receptor) Thụ thể G-protein (G-protein-linked receptor) Thụ thể enzyme (enzyme-linked receptors) 2.1.2 Thụ thể nội bào Thụ thể nội bào cấu tạo từ những thụ thể nằm trong tế bào chất, trong nhân hoặc trong các bào quan của tế bào. Chúng cấu tạo từ các phân tử protein, lipoprotein, enzym... Thụ thể nội bào tiếp nhận các tín hiệu khác nhau như các steroid, các loại cortinoid, tetosterol, progesterol... Hình 6 Mỗi loại thụ thể nội bào khác nhau có thể tiếp nhận những loại tín hiệu nhất định. Ví dụ, thụ thể Acetylcholin tiếp nhận tín hiệu là các phân tử acetylcholin, thụ thể IP3 tiếp nhận các ion Ca2+, thụ thể PPAR tiếp nhận các chất tăng sinh peroxiom, tham gia điều hòa quá trình phiên mã của tế bào. 2.2 Truyền tín hiệu Thực chất quá trình truyền tín hiệu là một chuỗi các phản ứng sinh hóa trong tế bào, điều hòa mọi hoạt động sống của tế bào và cơ thể. 2.2.1 Các kiểu truyền tín hiệu: Truyền tín hiệu do tiếp xúc trực tiếp giữa 2 tế bào: +Truyền tín hiệu trực tiếp qua rãnh thông +Truyền tín hiệu trực tiếp qua thụ thể màng: giữa 2 tế bào tiếp xúc nhau thông qua gian bào +Truyền tín hiệu trực tiếp qua thụ thể nội bào Truyền tín hiệu từ các tuyến tiết: nội tiết ,ngoại tiết, tự tiết Truyền tín hiệu qua synap thần kinh Hình 7 Hình 8 2.2.2 Bản chất quá trình truyền tín hiệu Bản chất quá trình truyền tín hiệu là sự phosphoryl hóa các “protein mang”. Phosphoryl hóa có 2 loại : phosphoryl hóa trực tiếp: nhờ các enzyme kinase hoặc các chất khác gắn trực tiếp gốc phosphat vào protein Phosphoryl hóa gián tiếp: nhờ thay thế phân tử GTP bằng phân tử GDP Phần lớn các loại tín hiệu sơ cấp được tiếp nhận ở các thụ thể, được chuyển hóa thành các tín hiệu thứ cấp và đuợc khuếch đại sơ bộ sau đó được chuyển tới các protein truyền.Nhờ các quá trình phosphoryl hóa làm cho tín hiệu được tiếp tục khuếch đại và truyền đến các bộ phận, các bào quan của tế bào, hoặc truyền từ tế bào này sang tế bào khác. Hình 9 2.2.3 Khuếch đại tín hiệu Các phân tử tín hiệu sơ cấp sau khi được tiếp nhận ở các thụ thể được khuếch đại sơ bộ nhờ vai trò của các enzym. Sau đó tín hiệu sơ cấp được chuyển hóa thành tín hiệu thứ cấp và được khuếch đại lên nhiều lần qua nhiều bước trung gian. Khuếch đại tín hiệu thực chất là quá trình phosphoryl hóa nhờ sự tham gia của các protein kinase, và các enzym đặc hiệu khác. Hình 10 Nhờ quá trình khuếch đại mà một tín hiệu yếu có thể trờ thành mạnh. Sau khi được khuếch đại, tín hiệu được tiếp tục truyền đến các bộ phận cần thiết trong tế bào hoặc tế bào đích khác. 2.2.4 Quá trình truyền tín hiệu: Gồm 2 giai đoạn: Tín hiệu sơ cấp được thụ thể tiếp nhận, sau đó nhờ các protein truyền được khuếch đại( phosphoryl hóa) thành tín hiệu thứ cấp. Tín hiệu thứ cấp tiếp tục được khuếch đại nhờ sự phosphoryl hóa các protein mang trước khi đưa tới tế bào trả lời Truyền tín hiệu là một quá trình phức tạp gồm hàng loạt các phản ứng kế tiếp nhau, phối hợp chặt chẽ với nhau. Hình 11 2.2.5 Các con đường dẫn truyền tín hiệu 2.2.5.1 Con đường cAMP Tín hiệu sơ cấp được thụ thể G-protein tiếp nhận, hoạt hóa tiểu phần anpha của protein-G. Nhờ tiểu phần anpha được hoạt hóa, enzym adenynyl cyclase từ vô hoạt trở nên có hoạt tính, xúc tác cho quá trình từ ATP tạo thành cAMP (tín hiệu thứ cấp).Các phân tử cAMP khuếch tán trong tế bào, xúc tác các protein serin/thểonin kinase thành dạng hoạt tính (gọi là protein kinase A). Protein kinase A xúc ác quá trình phosphoryl hóa các phân tử protein khác. Hình 12 2.2.5.2 Kênh Ca2+ Hình 13 Thụ thể G-protein tiếp nhận tín hiệu sơ cấp, các phân tử hoạt hóa được kích thích enzym phospholipase C. Enzym này xúc tác quá trình phản ứng phân cắt PIP2 tạo thành DAG và IP3 IP3 là nộ tín hiệu thứ cấpm tác động vào thụ thể ion Ca2+ trên màng của lưới nội chất, giải phóng các ion Ca2+ ra tế bào chất.Các ion Ca2+ là các tín hiệu thứ cấp, lại tiếp tục kích hoạt các protein truyền khác theo mục đích truyền tín hiệu. 2.2.5.3 Con đường Ras => MAP kinase Hình 14 Sau khi tín hiệu được thụ thể RTK tiếp nhận, tín hiệu được truyền đến phân tử protein Ras hoạt tính. Qua một số giai đoạn trung gian, tín hiệu được khuếch đại và chuyển đến protein MAP kinase (MAPK). Nhờ ATP của tế bào làm cho MAP kinase có hoạt tính. MAPK được đưa vào nhân kích hoạt các nhân tố phiên mã 2.3 Trả lời tín hiệu Là quá trình điều hòa các hoạt động sống của tế bào. Trả lời có thể là phản ứng phân cắt một hợp chất, tổng hợp, vận chuyển các chất từ bộ phận này đến bộ phận khác. Kích thích hoặc ức chế hoạt động 1 gen…. 2.3.1 Các kiểu trả lời tín hiệu Hình 15 a) Mỗi loại thụ thể tiếp nhận loại tín hiệu tương ứng Các loại tế bào khác nhau có các protein thụ thể khác nhau, protein tế bào chất khác nhau trả lời khác nhau b) Một thụ thể có thể tiếp nhận các tín hiệu khác nhau c) Một loại tín hiệu do nhiều loại thụ thể khác nhau tiếp nhận d)Một loại tế bào nhận tín hiệu tác động khác nhau trả lời khác nhau Ví dụ ở các giai đoạn khác nhau, các tín hiệu khác nhau tác động dẫn đến phản ứng trả lời khác nhau: sinh trưởng, phân chia, biệt hóa, chết… e) Các tế bào khác nhau trả lời cùng 1 tín hiệu khác nhau (f) f) Nhiều loại tín hiệu cùng tác động đến phản ứng trả của tế bào 2.3.2. Tốc độ trả lời tín hiệu Tùy theo loại tín hiệu tác động, loại tế bào nhận và các thụ thể khác nhau, tốc độ trả lời tín hiệu khác nhau. Quá trình trả lời tín hiệu chia làm 2 nhóm: trả lời nhanh và trả lời chậm. - Tín hiệu từ thụ thể màng đưa đến protein truyền trong tế bào chất, tiếp đến bộ phận trả lời: rất nhanh (1 giây đến vài phút) - Tín hiệu từ thụ thể màng truyền vào nhân, chỉ huy tông hợp protein truyền trong tế bào chất, tiếp đến bộ phận trả lời: rất chậm (vài phút đến hàng giờ) 3. Quá trình truyền và xử lý tín hiệu trong điều hòa cương cứng dương vật Hình 16 Dương vật cương cứng là do sự giãn cơ ở các tế bào cơ trơn( trong thể hang), làm cho máu lưu thông tới đây nhiều hơn,chèn ép gần hết các tĩnh mạch khiến máu tập trung lượng lớn ở dương vật. Khiến dương vật cương cứng 3.1 Cơ chế truyền tín hiệu Hình 17 Khi “hưng phấn”, não kích thích tạo ra NO, hoạt hóa Guanylate cyclase xúc tác quá trình tạo cGMP là tác nhân gây cương cứng. Nhờ có chất PDE-5 sẽ bất hoạt các cGMP thành GMP và được phosphoryl hóa thành GTP dự trữ năng lượng.Do vậy, hiện tượng cương dương sẽ bị loại bỏ. Chính nhờ cơ chế trên, các nhà khoa học đã chế tạo ra những loại thuốc “cương cứng”. Và trôi nổi nhất trên thị trường hiện giờ là Viagra. 3.2 Cơ chế của Viagra: Hình 18 3.3 Ảnh hưởng của Ca2+ : 3.3.1 Cấu tạo của cơ trơn: Gồm có myosin, actin với Ca2+. Các hạt Actin được gắn với đầu của myosin, kết hợp cùng với Ca2+ tạo nên cấu trúc cơ trơn Hình 19 3.3.2 Ảnh hưởng của Ca2+ tới sự dãn cơ trơn trong thể xoang Hình 20 Khi NO được tạo ra, được đưa vào trong tế bào cơ trơn. NO hoạt hóa enzym guanynyl cylcase xúc tác quá trình chuyển hóa GTP thành cGMP , kích thích quá trình Ca2+ di chuyển vào trong màng lưới nội chất qua kênh Ca2+. Nồng độ Ca2+ trong tế bào cơ trơn giảm khiến cho phần đầu của myosin tách khỏi actin, gây hiện tượng dãn cơ. Kết luận Việc tìm hiểu, nghiên cứu cơ chế tiếp nhận và xử lý thông tin tế bào là cần thiết để đem lại hiểu biết và phương hướng ứn dụng đa dạng của nó trong công nghệ sinh học. Khi chúng ta nắm rõ bản chất cơ cấu hoạt động trao đổi thông tin của tế bào, thật là hữu ích khi chúng ta muốn can thiệp vào hoạt động sống của các chủng hoặc mô hoạt động theo ý muốn của chúng ta. Chúng thúc đẩy sự phát triển của ngành sinh học phân tử, đặc biệt trong việc tìm kiếm những phương pháp chữa trị bệnh tật và củng cố sức khỏe cho con người. Thế kỷ 21, thế kỷ của công nghệ sinh học, để làm chủ kiến thức liên quan đến sự sống này thì những hiểu biết về trao đổi thông tin của tế bào là không thể thiếu. Tài liệu tham khảo 1.Giáo trình sinh học tế bào –PGS.TS Khuất Hữu Thanh 2. 3. 4. Discover Biology Michael L. Cain (Author), Hans Damman (Author), Robert Lue (Author), Carol Kaesuk Yoon (Author), Richard Morel (Contributor) 5. 6. Molecular Cell Biology 5th ed - Lodish et al Lời mở đầu 1.Tín hiệu tế bào 1.1 Các loại tín hiệu tế bào 1.2 Mối liên hệ và kết nối giữa các tế bào 1.2.1 Liên kết giữa hai tế bào 1.2.2 Liên kết với chất nền ngoại bào 2.Cơ chế tiếp nhận và xử lý thông tin 2.1 Tiếp nhận thông tin 2.1.1 Thụ thể màng 2.1.2 Thụ thể nội bào 2.2 Truyền tín hiệu 2.2.1 Các kiểu truyền tín hiệu 2.2.2 Bản chất quá trình truyền tín hiệu 2.2.3 Khuếch đại tín hiệu 2.2.4.Quá trình truyền tín hiệu 2.2.5 Các con đường dẫn truyền tín hiệu 2.2.5.1 Con đường cAMP 2.2.5.2 Kênh Ca2+ 2.2.5.3 Con đường Ras => MAP kinase 2.3 Trả lời tín hiệu 2.3.1 Các kiểu trả lời tín hiệu 2.3.2. Tốc độ trả lời tín hiệu 3. Quá trình truyền và xử lý tín hiệu trong điều hòa cương cứng dương vật 3.1 Cơ chế truyền tín hiệu 3.2 Cơ chế của Viagra 3.3 Ảnh hưởng của Ca2+ 3.3.1 Cấu tạo của cơ trơn 3.3.2 Ảnh hưởng của Ca2+ tới sự dãn cơ trơn trong thể xoang Kết luận 1 2 2 3 3 4 5 6 6 7 8 8 9 11 12 13 13 14 15 16 16 18 19 19 19 23 23 24 25