Lời nói đầu Hơn 50 năm trớc E.B Wilson đà viết chìa khóa vấn đề sinh học cần phải đợc tìm kiếm tế bào Màng nguyên sinh tế bào định ranh giới dịch tế bào môi trờng bên ngoài, quan trọng ®èi víi ®êi sèng tÕ bµo Sù hiĨu biÕt vỊ màng tế bào cần thiết ngời làm công tác sinh học Tôi viết tài liệu nhằm mục đích làm tài liệu giảng dạy học tập cho học viên cao học Ngành sinh học Khoa sinh học Đại Học Vinh Cuốn tài liệu cung cấp hai mảng kiến thức chÝnh: 1/ CÊu tróc mµng tÕ bµo 2/ Sù vËn chuyển ion phân tử nhỏ qua màng Trên sở kiến thức này, học viên có điều kiện hiểu sâu vấn đề sinh học nói chung, đặc biệt sinh lý hãa sinh häc Tµi liƯu cịng sÏ rÊt bỉ Ých, giúp học viên giải tốt số tiết giảng phổ thông trung học Sinh học phân tử tế bào môn học trẻ, nhiên phát triển nhanh chóng, đòi hỏi sù cËp nhËt rÊt cao Ngoµi nã lµ mét môn học khó, đòi hỏi ngời học phải nắm kiến thức sinh học có liên quan phải có hiểu biết định môn học sinh học đặc biệt hóa học vật lý học Sinh học phân tử màng tế bào phần nhỏ, quan trọng môn sinh học phân tử tế bào Do kiến thức hạn chế, điều kiện cập nhật có hạn nên tài liệu chắn nhiều thiếu sót Rất mong đợc đóng góp ý kiến đồng nghiệp gần xa tài liệu ngày hoàn thiện Vinh ngày thang năm 2007 Tác giả Phần một: CÊu tróc mµng tÕ bµo ` Mµng tÕ bµo rÊt quan trọng đời sống tế bào Màng nguyên sinh bao quanh tế bào, định ranh giới trì khác dịch tế bào môi trờng bên Bên tế bào, màng máy Golgi, ty thể bào quan khác tế bào có nhân, trì khác đặc trng thành phần chứa bào quan bào tơng Gradient ion qua màng đợc định hoạt động protein màng đặc biệt, sử dụng để tổng hợp ATP, để hớng vận chuyển qua màng chất tan có chọn lọc tế bào thần kinh hay tạo vận chuyển tín hiệu điện Trong tất tế bào, màng nguyên sinh chứa protein hoạt động nh chất cảm nhận (sensor) tín hiệu bên ngoài, cho phép tế bào thay đổi đáp ứng với tín hiệu môi trờng Các protein tiếp nhận chuyển tín hiệu ion phân tử qua màng H 1-1: Ba hình vẽ màng tế bào (A) ảnh hiển vi điện tử màng nguyên sinh tế bào hồng cầu ngời, nhìn mặt cắt ngang.(B) (C) sơ đồ cấu trúc chiều màng Mặc dầu có chức khác nhau, nhng tất màng sinh học ®Ịu cã cÊu tróc chung lµ mµng rÊt máng cđa phân tử lipid protein đợc trì chủ yếu nhờ lực tác dụng tơng hỗ cộng hoá trị Màng tế bào có cấu trúc lỏng, di động Hầu hết phân tử chúng có khả chuyển động màng Các phân tử lipid xếp nh lớp kép đôi liên tục dày 5nm (Hình 1-1) Lớp lipid đợc chứng minh cấu trúc màng nh rào cản, không thấm hầu hết phân tử hoà tan nớc Phân tử protein hoà tan lớp lipid kép thực hầu hết chức màng, xúc tác phản ứng kết hợp màng nh tổng hợp ATP Trong màng nguyên sinh, số protein phục vụ nh cấu trúc liên kết, nối mạng với khung tế bào với matrix tế bào Các protein khác phục vụ nh chất tiếp nhận (receptor) để nhận diện vận chuyển chất hoá học vào môi trờng tế bào Cấu trúc màng tế bào bất đối Các thành phần lipid protein mặt tế bào khác với phân tử protein khác, phản ánh chức khác thực hai mặt màng Trong chơng xem xét cấu trúc tổ chức (sắp xếp) hai thành phần chủ yếu màng lipid protein Tuy nhiên khu trú chủ yếu màng nguyên sinh, hầu hết khái niệm đợc thảo luận đợc áp dụng cho màng tế bào, chức tế bào thảo luận phần sau.Vai trò việc tổng hợp ATP thảo luận phần Sự vận chuyển phân tử nhỏ qua màng thảo luận phần Các phần lại nh vai trò truyền tín hiệu tế bào đợc thảo luận 1.Các lipid cấu tạo màng tế bào CÊu tróc mµng sinh häc lµ cÊu tróc mµng lipid kép đôi, chúng hoạt động nh màng ngăn cách qua lại phân tử phân cực ion Lipid màng phân cực: đầu thân dầu đầu thân nớc Tơng tác đầu thân dầu với đầu thân nớc trực tiếp môi trờng nớc tạo gọi lớp lipid kép Các mạch thân nớc hợp chất phân cực đơn giản nh nhóm OH điểm cuối hệ thống vòng sterol phức tạp nhiều Trong glycerophospholipid vài sphingolipid, đầu phân cực đợc gắn vào mạch thân dầu nhờ giây nối phosphodiester; phospholipid Các sphingolipid khác thiếu phosphat nhng có đờng đơn hay olygosaccarid phức tạp đầu phân cực chúng; glycolipid (H.1.2) H 1-2 Vài loại lipid giữ trử lipid tham gia cấu tạo màng thờng gặp Tất loại lipid có glycerol sphingosine (bôi màu tím) xơng, hay nhiều nhóm alkyl mạch thẳng dài gắn vào (màu vàng) đầu phân cực (màu xanh) Trong triacylglycerol, glycerophospholipid, galactolipid, vµ sulpholipid, nhãm alkyl lµ axid béo dới dạng liên kết ester Sphingolipid chứa acid béo đơn dới dạng liên kết amide vào khung sphingosine Các lipid màng archaebacteria thay đổi; đợc có mạch alkyl nhánh dài, đầu cuối liên kết với phân tử glycerol dới dạng liên kết ether (ether linkage) Trong phospholipid, nhóm phân cực gắn qua liên kết phosphodiester, ngợc lại glycolipid có liên kết glycoside đờng glycerol khung 1.1Glycerophospholipid dẫn xuất phosphatidic acid Glycerophospholipid, gọi phosphoglycerid lipid cấu tạo màng, acid béo đợc gắn vào carbon đầu thứ hai glycerol dới dạng liên kết ester Nhóm phân cực hay nhóm tích điện đợc gắn qua giây nối phosphodiester vào carbon thứ Glycerol phân tử carbon bất đối, nhng gắn phosphate vào cuối phân tử trở nên chất không đối xứng, chúng đợc gọi tên xác L-glycerol 3-phosphate, D-glycerol 1-phosphate Glycerophospholipid đợc gọi dẫn chất phosphatidic acid (H.1-3), tuỳ thuộc vào alcohol phân cực nhóm đầu Phosphatidylcholine phosphatidylethanolamine có choline ethanolamine dầu phân cực chúng Trong tất hợp chất này, nhóm đầu đợc gắn vào glycerol qua giây nèi phosphodiester, ®ã nhãm phosphate sinh ®iƯn tÝch ©m ë pH trung tÝnh Alcohol cã thĨ tÝch ®iƯn âm (nh phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate), trung tính (phosphatidylserine), mang điện tÝch d¬ng (phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine) Acid bÐo glycerophospholipid cã thĨ thay ®ỉi, song ®èi víi mét phospholipid ®· cho (vÝ dụ phosphatidylcholine) chứa số acid béo đặc biƯt Nãi chung glycerophospholipid chøa acid bÐo b·o hoµ C16 C18 C-1 acid béo không bÃo hoà C18 đến C20 C-2 H.1-3.Glycerophospholipid Các glycerophospholipid thờng gặp diacylglycerol liên kết với đầu alcohol qua phosphodiester Phosphatidic acid, phosphomonoester chất gốc Mỗi dẫn chất gọi theo alcohol nhóm đầu (X), với tiếp đầu ngữ phosphatidyl Trong cardiolipin phosphatidic acid chia glycerol đơn 1.2 Vài phospholipid có acid béo liên kết ether Vài tổ chức động vật thể bậc thấp giàu ether lipid, trong hai mạch acyl đợc gắn vào glycerol dới dạng ether Mạch đợc liên kết ether bÃo hoà nh alkyl ether lipid, hc cã thĨ chøa mét nèi đôi C-1 C-2 nh plasmalogen (H.1-4) Tổ chức tim động vật có xơng sống giàu ether lipid cách đặc biệt; khoảng nửa phospholipid tim plasmalogen H.1-4 Ether lipid Plasmalogen có nhánh alkenyl liên kết ether, đa số glycerophospholipid có acid béo liên kết ester Các yếu tố hoạt hoá tiểu huyết cầu (platelet activating factor) có mạch alkyl dài liên kết ether C-1của glycerol, nhng C-2 liên kết ester với acetic acid, chúng làm cho hợp chất hoà tan nớc nhiều so với glycerophospholipid plasmalogen Màng vi khuẩn đơn bào, sinh vật nguyên sinh có lông chứa tỷ lệ cao ether lipid ý nghĩa chức ether lipid màng cha đợc biết Tối thiểu ether lipid, yếu tố hoạt hoá tiểu huyết cầu (plateletactivating factor) chất tín hiệu phân tử có hiệu Nó đợc giải phóng khỏi bạch cầu (leukocytes) đợc gọi basophil kích thích tập kết tiểu cầu, giải phóng serotonin khỏi tiểu cầu 1.3 Chloroplast chứa galactolipid sulfolipid Nhóm thứ lipid màng lipid phổ biến thực vật: galactolipid, hai gốc galactose đợc liên kết liên kết glycoside vµo C-3 cđa 1,2 diacylglycerol (H.1-5) Galactolipid cã mµng thilakoid (màng trong) chloroplast, chúng chiếm đến 70-80% tổng số lipid màng có mạch, có khả lipid màng phổ biến sinh qun Mµng tÕ bµo thùc vËt cịng chøa sulfolipid, gốc glucose đà đợc gắn sulfonate gắn vào diacylglycerol dới dạng giây nối glycoside Trong sulfolipid, nhóm sulfonate đầu tạo điện tích âm không đổi giống nh ®iÖn tÝch nhãm phosphate phospholipid (H.1-5) H.1-5 Ba glycolipid màng chloroplast Trong monogalactosyldiacylglycerol (MGDGvà digalactosyldiacyl-glycerol (DGDG), hầu hÕt nhãm acyl lµ dÉn xuÊt tõ oleic acid, vµ nhóm đầu không tích điện Trong sulfolipid 6-sulfo-6-deoxy--Dglucopyranosyldiacylglycerol Sulfonate mang điện tích âm không thay đổi 1.4 Archaebacteria chứa lipid mµng nhÊt (unique membrane lipids) Archaebacteria sèng điều kiện sinh thái khắc nghiệt-nhiệt độ cao (nớc sôi), pH thấp, ion hoá cao, ví dụ có lipid màng chứa mạch hydrocarbon dài 32 carbon liên kết đầu với glycerol (H.1-6) Các liên kết qua cầu ether, chúng bền vững nhiều thuỷ phân pH thấp nhiệt độ cao so với giây nối ester tìm thấy eubacateria eukaryote Dới dạng kéo dài hoàn toàn chúng archaebacteria lipid lần dài so với phospholipid sphingolipid làm rộng chiều rộng bề mặt màng đầu phân tử kéo dài đầu cực chứa glycerol liên kết phosphate gốc đờng Tên chung hợp chất glycerol dialkyl glycerol tetraether (GDGT), phản ánh cấu tạo thống H.1-6 Các lipid màng đặc biệt archaebacteria Trong lipid diphytanyl tetraether này, mạch diphytanyl (vàng) cac hydrocarbon dài kết hợp nhóm isopren carbon ngng tụ đuôi -đuôi Dới dạng kéo dài này, nhóm diphytanyl khoảng lần dài độ dài acid béo 16 carbon đà đợc tìm thấy màng eubacteria eukaryote Mạch glycerol archaebacterial lipid có cấu hình R, ngợc lại eubacteria eukaryote có cấu hình S Archaebacterial lipid khác nhóm vào glycerol Trong phân tử đây, glycerol liên kết với disaccaride -glucopyranosyl(1-2)--galactofuranose; glycerol khác liên kết với nhóm đầu glycerol phosphate 1.5 Các Sphingolipid dẫn xuất cđa sphingosine C¸c Sphingolipid, nhãm lín thø t cđa lipid màng, có nhóm đầu phân cực đuôi không phân cực, nhng không giống với glycerophospholipid galactolipid, chúng không chứa glycerol Sphingolipid kết hợp phân tử amino alcohol mạch dài sphingosine (còn gọi 4-sphingenine) dẫn chất nó, phân tử acid béo mạch dài liên kết vào nhờ liên kết amide nhóm đầu cực liên kết với gốc đờng liên kết glycoside, vài trờng hợp khác nhóm phân cực liên kết liên kết phosphodiester Carbon C-1, C-2 C-3 phân tử sphingosine có cấu trúc tơng tự nh carbon glycerol glycerophosphate Một acid béo đợc gắn vào liên kết amide vào NH2 C-2, hợp chất tạo thành ceramide, chúng có cấu trúc tơng tự với diacylglycerol Ceramide chất gốc tất sphingolipid Hình 1-6 Sphingolipid Ba carbon đầu tiên, đầu phân cực sphingosine tơng tự nh carbon cđa glycerol glycerophospholipid Nhãm amino ë C-2 t¹o liªn kªt amide víi acid bÐo Acid bÐo thêng b·o hoà hay có nối đôi, có 16, 18, 22, 24 nguyên tử carbon Ceramide chất gốc sphingolipid Các sphingolipid khác nhóm đầu phân cực (X) gắn vào C-1 Ganglioside có đầu oligosaccaride phức tạp Các chữ viết tắt bài: Glc (D-glucose), Gal (D-galactose), GalNAc (N-acetyl-D-galactosamine), Neu5Ac (N-acetylneuraminic-sialic acid) Cã nhãm phơ cđa sphingolipid, tất dẫn xuất ceramide, nhng khác nhóm đầu chúng: sphingomyeline, glycolipid trung hoà (neutral uncharged) glycolipid) ganglyoside Các Sphingomyeline chứa phosphocholine phosphoethanolamine nh nhóm đầu phân cực chúng chúng đợc phân loại theo glycerophospholipid nh phospholipid (H.12) Thùc vËy, sphingomyeline t¬ng tù nh phosphatidylcholine vỊ tÝnh chÊt chung cđa chóng vµ cÊu trøc chiỊu vµ điện tích nhóm đầu (H.1-7) Sphingomyeline có mặt màng nguyên sinh tế bào động vật đặc biệt nhiều màng bao quanh sợi trục thần kinh H 1-7 Sự tơng tự hình dạng cấu trúc phân tử phosphatidylcholine sphingomyeline (một sphingolipid) Glycosphingolipid, chúng có nhiều mặt màng tế bào, có nhóm đầu hay nhiều phân tử đờng liên kết trực tiếp vào nhóm -OH C-1 mạch ceramide, chúng không chứa phosphate Cerebroside có đờng đơn liên kết vào ceramide Các đờng galactose liên kết đà đợc tìm thấy đặc trng màng tế bào thần kinh Các đờng glucose liên kết đợc tìm thấy tế bào thần kinh Globoside glycosphingolipid trung hoà, không tích điện, có hay phân tử đờng, thờng D-glucose, D-galactose, N-acetylD-galactosamine Cerebroside globoside gọi neutral glycolipid không tích điện pH Các ganglyoside, sphingolipid phức tạp có oligosaccharide nh cac nhóm phân cực hay nhiều gốc N-acetylneuraminic acid (Neu5Ac), sialic acid (thờng gọi đơn giản sialic acid) Sialic acid cho ganglyoside tích điện âm pH 7, điểm phân biệt với globoside Ganglioside víi gèc sialic acid ë lo¹t GM (M lµ mono), vµ cịng nh vËy (GT, 3gèc salic acid GQ, gốc) 1.6 Sphingolipid bề mặt tế bào vị trí tiếp nhận sinh học H 1-8 Glycosphingolipid nh chất định nhóm máu Nhóm máu ngời (A, O, B) đợc định phần nhờ nhóm đầu oligosaccharide (xanh) glycosphingolipid Ba olygosaccharide tơng tự nh đà đợc tìm thấy gắn vào protein máu xác định cá thể loại máu O, A, B Sphingolipid đợc phát từ kỷ trớc nhờ Johann Thudichum C¬ thĨ ngêi cã Ýt nhÊt 60 sphingolipid khác đà đợc xác định màng tế bào Nhiều số đặc trng cho màng nguyên sinh tế bào thần kinh vài vị trí tiếp nhận bề mặt tế bào Mạch carbohydrate sphingolipid định định nhóm máu ngời định loại máu cá thể cã thĨ tiÕp nhËn chun m¸u Ganglyoside tËp trung măt tế bào, chúng nh điểm tiếp nhận phân tử tế bào bề mặt tế bào bạn Loại số lợng ganglyoside màng nguyên sinh thay đổi đột ngột trình phát triển ban đầu 1.7 Sterol chứa vòng carbon Sterol có mặt màng hầu hết tế bào eukaryote Cấu trúc đặc trng nhóm lipid màng có nhân steroid, bao gồm vòng ngng tụ, vòng carbon vòng carbon (H.1-9) 10 thích liên kết GTP thĨ kh¸c (heterotrimeric GTP-binding Stimulatory G protein, or G8), Gs, bên phía bào tơng màng nguyên sinh, Alfred G, Gilman Martin Rodbell đà phát r»ng GTP liªn kÕt vao G s, Gs kích thích sản sinh AMPv nhờ adenylyl cyclase màng nguyên sinh Chức Gs tơng tự công tắc nhóm protein G khác tiêu biểu Ras đà đợc mô tả H 3- tình insulin receptor Vè mặt cấu trúc, G Ras khác (phân biệt); G protein loại Ras monomer, ngợc lại G protein tơng tác với serpentine receptor trimer (thể 3) tiểu đơn vị, (Mr 43.000), (Mr 37.000), (Mr 7500-10.000) H 3-17 Epinephrine chất tổng hợp tơng tự Epinephrine gọi adrenaline, đợc giải phóng từ tuyến thợng thận điều hòa chuyển hóa lợng cơ, gan, mô mỡ, phục vụ nh chất dẫn truyền thần kinh adrenergic neuron, lực recptor đợc thể nh số phân ly cho số phân ly receptor ligand complex Isoproterenol propranolon đồng đẳng tổng hợp, có lực với receptor cao h¬n so víi epinephrine 186 H 3-18 Sù vËn chun tín hiệu epinephrine: Con đờng adrenergic Bảy giai đoạn chế kết hợp epinephrine (E) vào receptor (Rec), hoạt hóa adenylyl cyclase (AC) đợc thảo luận nhiều Phân tử adenylyl cyclase tơng tự màng nguyên sinh đợc điều chỉnh nhờ G proten (Gs) nh ®· chØ ra, mét protein Gi øc chÕ ( không đợc vẽ ra) Gs Gi chịu ảnh hởng hormone khác Các hormone gây kết hợp GTP vào G i làm ức chế adenylyl cyclase làm cho nồng độ [AMPv] tế bào thấp Khi vị trí liên kết nucleotide G s (trên tiểu đơn vị ) đợc liên kết với GTP, Gs đợc hoạt hóa hoạt hóa adenylyl cyclase (AC); với GDP liên kết vào vị trí đó, Gs bất hoạt Sự liên kết epinephrine giúp receptor xúc tác đổi vị trí GDP liên kết GTP, chuyển Gs thành dạng hoạt động (giai đoạn 2) Vì điều xẩy ra, tiểu đơn vị gama Gs phân ly khỏi tiểu đơn vị Gs , với GTP đà liên kết chuyển vào mặt phẳng màng từ receptor đến phân tử gần cạnh adenylyl cyclase (giai đoạn 3) G s đợc giữ màng nhờ nhóm palmitoyl liên kết đồng hóa trị Adenylyl cyclase (H 3-19) protein qua màng nguyên sinh, có vị trí hoạt động nằm mặt phía bào tơng Nó xúc tác tổng hợp AMPv từ ATP: 187 Sự kết hợp Gs hoạt ®éng víi adenylyl cyclase kÝch thÝch cyclase xóc t¸c tỉng hợp AMPv (H.3-18), giai đoạn 4), làm tăng nồng độ [AMPv] Sự kích thích nhờ Gs tự bị hạn chế; Gs GTPase, tự tắt nhờ chuyển GTP liên kết thành GDP (H 3-19 ) G s không hoạt động phân ly khỏi adenylyl cyclae, làm cho cyclase bất hoạt Sau Gs táI kết hợp với tiểu đơn vị gama, Gs lần lại sẵn sàng liên kết với receptor liên kết hormone Tác động dòng xuống epinephrine hoạt hóa glucogen phosphrylase b Sự chuyển hóa đợc xúc tiến enzyme phosphorylase b kinase, chung xóc t¸c sù phosphoryl hãa gèc Ser đặc biệt phosphorylase b, chuyển thành phosphorylase a (H 3-19) AMPv không tác động lên phosphrylase b kinase cách trực tiếp, mà hoạt hóa dị lập thể protein kinase phụ thuộc AMPv gọi protein kinase A PKA (H.3-18, giai đoạn 5), xúc tác phosphoryl b kinase không hoạt động thành phosphorylase a kinase hoạt động 188 H.3-19 12-13 Tơng tác Gs với adenylyl cyclase Trung tâm xúc tác adenylyl cyclase (AC, xanh biển-blue) đà đợc tách từ membrane anchor, đà đợc kết tinh với Gs (xanh lơ-green) xác định cấu trúc tinh thể Terpene thực vật Forkolin (màu vàng) thuốc kích thích mạnh enzyme GTP (đỏ) liên kết với Gs kích thích tơng tác Gs với adenylyl cyclase Dạng không hoạt động PKA chứa tiểu đơn vị xúc tác (C) tiểu đơn vị điều chỉnh (R) (H 3-21a), chúng tơng tự tần số domain điều hòa xúc tác PKG (protein kinase xúc tác phụ thuộc GMPv) R2C2 phức hợp xúc tác bất hoạt, domain tự ức chế tiểu đơn vị R chiếm vị trí gắn chất tiểu đơn vị C 189 H.3-19 Sự chuyển hóa qua lại phosphorylase a phosphorylase b H.3-20 Sự tự bất hoạt Gs Hoạt động GTPase bên protein, nhiều trờng hợp đà đợc kích thích RGS protein (regulator of G protein 190 signaling) đợc định GTP liên kết đợc thủy phân thành GDP nhanh nh nh G protein tồn hoạt động H 3-21 Hoạt hóa protein kinase (PKA) phụ thuộc AMPv (a) Sơ đồ thể (tetramer) R2C2, domain ức chế tự động tiểu đơn vị điều hòa R (regulatory) chiếm vị trí liên kết chất, làm ngăn chặn hoạt động tiểu đơn vị xúc tác (C) AMPv hoạt hóa dị lập thể PKA cách phân ly tiểu đơn vị C khỏi tiểu đơn vị ức chế R PKA đà đợc hoạt hóa phosphoryl hóa nhiều loại chất protein (bảng 12-3) chứa PKA có thứ tự giống (X-Arg-(Arg/Ly)-X-(Ser/Thr)-B, X gốc B gốc thân dầu nào), bao gồm phosphorylase b kinase (b) Vùng liên kết chất tiểu đơn vị xúc tác đợc xác định quang phổ tia X Mạch nhánh enzyme đợc biết điểm quan trọng liên kết chất tính đặc hiệu vẽ màu tím Cơ chất peptide vẽ màu đỏ nằm đờng rÃnh bề mặt enzyme với gốc Ser màu vàng nằm vị trí xúc t¸c Trong tetramer R2C2, domain øc chÕcđa R n»m rÃnh này, khóa đờng dẫn đến chất Khi AMPv liên kết vào vị trí tiểu đơn vị R R thay đổi cấu hình phức hợp R2C2 phan ly cho tiểu đơn vị C hoạt động xúc tác tự Cơ chế tơng tự này-sự đổi chỗ domain ức chế-đợc làm trung gian hoạt hóa dị lập thể nhiều loại protein kinase nhê tÝn hiƯu thø cđa chóng 191 H.3-22 Epinephrine cascade Epinephrin kích hoạt loạt phản ứng tế bào gan (hepatocyte), chất xúc tác xúc tác chất xúc tác, gây khuyếch đại lớn tín hiệu Sự liên kết số nhỏ phân tử epinephrine vào receptor -adrenergic đặc hiệu bề mặt tế bào hoạt hóa adenylyl cyclase Để giải thích khuyếch đại, 20 phân tử AMPv đợc sản xuất nhờ phân tử adenylyl cyclase hoạt hóa 10 phân tử enzyme PKA, phân tử PKA lại hoạt hóa 10 phân tử enzyme (tỉng 100) vµ cø tiÕp tơc nh vËy vỊ phÝa trớc Nh đà đợc H.3-18 (giai đoạn 6), PKA điều hòa số enzyme (bảng 3-3) Vị trí xúc tác PKA (H.3-21b) tơng tác với vài gốc gần Thr Ser protein đích, tơng tác định tính đặc hiệu chất So sánh thứ tự perotein chất cho PKA đà thu đợc thứ tự giống 192 nhau-các gốc bên cạnh đặc hiệu để đánh dấu gốc Ser Thr cho phosphoryl hóa (bảng 3-3) Sự vËn chun tÝn hiƯu nhê adenylyl cyclase kÕ thõa vµi giai đoạn khuyếch đại tín hiệu hormone khởi nguồn (H.3-22) Trớc hết, liên kết phân tử hormone vào receptor hoạt hóa vài phân tử G s, cách hoạt hóa phân tử adenylyl cyclase, phân tử Gs hoạt động kích thích tổng hợp nhiỊu ph©n tư AMPv ChÊt tÝn hiƯu thø AMPv hoạt hóa PKA, phân tử PKA xúc tác phosphoryl hóa nhiều phân tử protein đích-phosphorylase b kinase tong H 3-22 Kinase hoạt hóa hoạt hóa glycogen phosphorylase b, no nhanh chãng híng ®Õn sù huy ®éng glucose tõ glycogen Tác đông hệ thống cascade khuyếch đại tin hiệu hormone vài lệnh nồng độ epinephrine có nồng độ thấp (hoăc hormone khác) hormone hoạt động AMPv, tín hiệu thứ tế bào hệ thống tồn ngắn Nó nhanh chóng bị phân hủy cyclic nucleotide phosphodiesterase thành 5AMP (H.3-18, giai đoạn 7), chung không hoạt động nh lµ mét chÊt tÝn hiƯu thø TÝn hiƯu tế bào tiếp tục tồn receptor tế bào bị chiếm epinephrine Các chất Methyl xanthine nh caffeine theophylline ức chế phosphodiesterase làm tăng thêm nửa đời sống AMPv cách chất làm tăng khả hoạt động AMPv 4.2 -adrenergic receptor bị tê liệt phosphoryl hóa Nh ghi nhận trớc đây, hƯ thèng vËn chun tÝn hiƯu tr¶i qua sù bÊt hoạt tín hiệu tồn Sự tê liệt -adrenergic receptor đợc trung gian protein kinase, phosphoryl hóa receptor domain tế bào, tơng tác bình thờng với Gs (H.3-23) Khi receptor gắn víi epinephrine, β-adrenergic receptor kinase (βARK) phosphoryl hãa c¸c gèc Ser gần đầu tận carboxyl receptor Bảng 3-3 : Vài Enzyme Protein đợc điều hòa phosphoryl hãa phô thuéc AMPv (B»ng PKA) 193 (5)Trong endocytic vescicle, arrestin phân ly; receptor bị phosphoryl hóa trở bề mặt tế bào H.3-23 Sự bất hoạt -adrenergic receptor có mặt epinephrine Quá trình đợc trung gian bëi protein: β-adrenergic protein kinase (βARK) vµ -arrestin (arr; arrestin 2) Đà đợc đặt bình thờng bào tơng, ARK bị kéo vào màng nguyên sinh nhờ kết hợp với tiểu đơn vị G sgama đợc đặt vào vị trí để phosphoryl hóa receptor Sự phosphoryl hóa tạo vị trí liên kết protein arrestin (arr), đợc gọi arrestin có tác dụng ngăn ngừa tơng tác receptor G-protein, liên kết -arrestin tạo thuận lợi cho cô lập receptor, loại receptor khỏi màng nguyên sinh nhập bào (endocytosis) vào túi nhỏ (vescicles) tế bào Các receptor endocytic vescicles bị dephosphoryl hóa quay màng nguyên sinh, hoàn thành chu kỳ tái lập hệ thống epinephrine -adrenergic receptor kinase thành viên họ G protein-coupled receptor kinase (GRKs), tất chúng phosphoryl hóa serpentine receptor đoạn đầu cuối carboxyl phía bào tơng (carboxyl terminal cytosolic domains) đóng vai trò tơng tự nh ARK việc làm nhạy cảm tái lập nhạy cảm receptor chúng Tối thiểu GRKs khác arrestin đà đợc mà hóa genome ngời; GRK có khả làm nhạy cảm tập hợp nhỏ serpentine receptor, arrestin tơng tác với nhiều loại receptor đà đợc phosphoryl hóa khác Khi ngăn chặn tÝn hiƯu tõ serpentine receptor khái tiÕp xóc víi G protein đà kết hợp, arrestin bắt đầu cascade tín hiệu thứ 2, cách hoạt hóa protein giá đỡ (scaffold proteins), mang đến vài protein kinase, có chức cascade Ví dụ arrestin kÕt hỵp víi serpentine receptor cho angiotensin, mét chÊt điều hòa huyết áp mạnh, liên kết với protein kinase Raf-1, MEK1, vµ ERK (H 3-24) phơc vơ nh lµ mét scaffold nã lµm dƠ 194 dµng cho bÊt kỳ trình tí hiệu nh tín hiệu insulin (H 3-12), đòi hỏi protein kinase để tơng tác H.3-24 -arrestin đợc tháo serpentine receptor khỏi G protein mang enzyme đồng thời MAPK cascade Hiệu kích thích bùng nổ cách đáp ứng: Con đờng đợc hoạt hóa G protein MAPK cascade Đó nhiều thí dụ đà biết hệ thống đà đợc kích hoạt ligand khác (angiotensin insulin tờng hợp này) 4.3 AMPv hoạt động nh tín hiệu thứ cho số phân tử điều hòa Epinephrine nhiều hormone, yếu tố sinh trởng chát điêu hòa khác , chúng hoạt động cách thay đổi nồng độ AMPv tế bào nh hoạt động PKA (Bảng 3-4) Ví du glucagon liên kết vào receptor màng nguyên sinh adipocytes hoạt hóa adenylyl cyclase (qua Gs protein) PKA đợc kích hoạt tăng lên AMPv, phosphoryl hóa hoạt hóa protein khởi đầu cho chuyển chất béo giữ trử thành acid béo (perilipin triacylglycerol lipase nhạy cảm hormone, dẫn đến chuyển hóa acid béo Cũng tơng tự hormone peptide ACTH (adrenocorticotropic hormone, gọi corticotropin) đợc sản xuất tuyến yên trớc, liên kết với receptor đặc hiệu vỏ thợng thận, hoạt hóa adenylyl cyclase làm tăng nồng độ AMPv tế bào PKA phosphoryl hóa hoạt hóa vài enzyme cần thiết cho việc tổng hợp cortisol steroid hormone khác Tiểu đơn vị xúc tác PKA di chuyển vào nhân, phosphoryl hóa protein, làm thay đổi biểu gen đăc hiệu Bảng 3-4 Vài tín hiệu sử dụng AMPv nh lµ chÊt tÝn hiƯu thø hai Vµi hormone hoạt động nhờ ức chế adenylyl cyclase (inhibiting adenylyl cyclase), mức độ AMPv giảm thấp hơn, protein chèn Ðp sù phosphoryl hãa VÝ dơ sù liªn kÕt cđa somatostatin vào receptor dẫn đến hoạt hóa inhibitory G protein (G protein ức chế), Gi, tơng tự cấu tróc nh Gs, 195 nã øc chÕ adenylyly cyclase vµ làm giảm AMPv Somatostatin làm ảnh hởng đến hiƯu lùc cđa glucagon Trong m« mì, prostaglandin E ức chế adenylyl cyclase, làm giảm nồng độ AMPv làm chậm chuyển hóa lipid giữ trử đà đợc kích hoạt epinephrine glucagon Trong tế bào, tổ chức định khác PGE1 kích thích tổng hợp AMPv, receptor đợc nối vào adenylyl cyclase qua mét protein øc chÕ qua protein G, G s kÝch thÝch Trong c¸c tỉ chøc víi α2-adrenergic receptor, epinephrine làm giảm nồng độ AMPv, receptor đợc liên kết với adenylyl cyclase qua protein ức chế G, G i Ngắn gọn, tín hiệu tế bào nh epinephrine PGE1 có tác động khác tổ chức hay loại tế bào khác nhau, tùy thuộc vào yếu tố: loại receptor tổ chức, loại G protein tỉ chøc (G s hay Gi), víi chóng receptor liên kết vào, hệ thống đối tợng enzyme tế bào Yếu tố thứ t giải thích tín hiệu đợc làm trung gian nhờ tín hiệu thứ đơn (AMPv) đợc giữ trình tín hiệu đến vùng đặc hiệu tế bµo nhê scaffold protein AKAPs (A kinase anchoring proteins) cã hóa trị 2, liên kết vào tiểu đơn vị R PKA phần liên kết vào cấu trúc đặc hiệu tế bào giữ PKA vào vùng phụ cận chúng Ví dụ, AKAPs đặc hiệu liên keetrs PKA vµo microtubules vµ actin filament, Ca +2 channel, ty thể nhân Các loại tế bào khác cã AKAPs kh¸c nhau, nh thÕ AMPv cã thĨ kÝch thÝch sù phosphoryl hãa c¸c protein ty thĨ mét tÕ bµo vµ phosphoryl hãa actin filament tÕ bµo khác 4.4 Hai tín hiệu thứ dẫn xuất phosphatidylinositol Nhóm thứ serpentine receptor đợc liên kÕt qua mét G protein vµo phospholipase C (PLC) mµng nguyên sinh đặc hiệu cho lipid màng phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate Enzyme nhạy cảm hormone xúc tác tạo thành chÊt tÝn hiÖu thø cã hiÖu lùc: diacetylglycerol Inositol 1,4,5triphosphate, IP3 (không lẫn lộn với PIP3) Khi hormone nhóm (bảng 12-5) liên kết với receptor đặc hiệu màng nguyên sinh (H.3-25, giai đoạn 1) phức hợp receptor hormone xúc tác GTP-GDP exchange phức hợp G protein kết hợp, G q (giai đoạn 2), hoạt hóa nh -adrenergic receptor hoạt hóa Gs (H.3-18) Gq đà đợc hoạt hóa lại hoạt hóa PLC liên kết màng đặc hiệu (giai đoạn 3), xúc tác tạo sản phẩm ®ã, mét tÝn hiÖu thø ®ã diacetylglycerol vµ 196 H.3-25 197 198 ... carbohydrate gắn vào vài protein lipid màng nguyên sinh lộ mặt màng tế bào 3.1.3 Protein ria màng dễ dàng bị hoà tan Protein màng chia thành nhóm theo hoạt động (H.1-26) Protein xuyên qua màng (integral... màng nguyên sinh thay đổi đột ngột trình phát triển ban đầu 1.7 Sterol chứa vòng carbon Sterol có mặt màng hầu hết tế bào eukaryote Cấu trúc đặc trng nhóm lipid màng có nhân steroid, bao gồm vòng... sáng; 90% protein màng nguyên sinh vùng glycoprotein rhodopsin hấp thu ánh sáng 24 Màng nguyên sinh biệt hoá hồng cầu có khoảng 20 loại protein chiếm u thÕ cịng nh chõng Êy lo¹i protein thiĨu sè