BỘ XƯƠNG TẾ BÀO(CYTOSKELETON – CYTOSQUELETTE) docx

Mỗi loại sợi được tạo thành từ sự trùng phân polymerization các tiểu đơn vị subunit khác nhau : siêu sợi actin được tạo thành từ actin; siêu ống từ các tubulin và siêu sợi trung gian đư

BỘ XƯƠNG TẾ BÀO

(CYTOSKELETON – CYTOSQUELETTE)

- Bộ xương tế bào là một mạng lưới các protein sợi nằm trong bào tương của tế bào eukaryote, có chức năng tạo khung, duy trì hình dạng và thực hiện các chuyển động của tế bào

- Bộ xương tế bào có nhiều chức năng khác nhau là do được cấu tạo từ 3 loại

protein sợi : siêu sợi actin (actin filament), siêu ống (microtubule) và siêu sợi trung gian (intermediate filament) Mỗi loại sợi được tạo thành từ sự trùng phân

(polymerization) các tiểu đơn vị (subunit) khác nhau : siêu sợi actin được tạo thành từ actin; siêu ống từ các tubulin và siêu sợi trung gian được tạo thành từ 6 loại protein sợi khác nhau

- Do thành phần cấu tạo không giống nhau nên mỗi loại sợi tạo ra sự chuyển động riêng, chẳng hạn, siêu sợi actin tham gia chủ yếu vào các chuyển động co cơ, chuyển động của các chân giả; siêu ống tạo ra sự chuyển động của các lông chuyển, roi và một

số bào quan trong bào tương; còn siêu sợi trung gian như laminin có chức năng duy trì hình dạng của màng nhân, v.v…

1 Siêu sợi actin:

- Siêu sợi actin hiện diện trong hầu hết các loại tế bào và là loại protein sợi chiếm tỷ

lệ khá lớn, khoảng 5%, trong số các protein của tế bào

- Siêu sợi actin tập trung chủ yếu ở những cấu trúc của tế bào như: vi nhung mao, thể liên kết trung gian, … và cũng là thành phần chính cấu tạo nên mạng lưới các sợi protein phân bố ở ngay mặt bào tương của màng tế bào

- Siêu sợi actin được cấu tạo từ sự trùng phân của các tiểu đơn vị, gọi là actin-G (globular actin) Bản thân actin-G là một polypeptid có 375 acid amin, trọng lượng phân tử khoảng 42.000 dalton và có dạng hình cầu kích thước 6nm x 4nm Trong mỗi actin-G đều có chứa 1 phân tử ATP và sự trùng phân của các actin-G thành siêu sợi actin luôn cần có sự thủy phân phân tử ATP này Siêu sợi actin có dạng 2 chuỗi xoắn vào nhau và mỗi vòng xoắn có 14 đôi actin-G có chiều dài khoảng 77nm

- Các siêu sợi actin có tính phân cực, nghĩa là 2 đầu của một siêu sợi actin không giống nhau Người ta phân biệt một cực “dương” và một cực “âm” hay “cực nhanh” và

“cực chậm” Sự trùng phân của các actin-G xảy ra ở cả 2 đầu của siêu sợi actin nhưng tốc độ trùng phân ở cực “dương” nhanh hơn ở cực “âm” gấp 10 lần

2 Các protein kết hợp với siêu sợi actin:

- Siêu sợi actin thường kết hợp với các protein rất đặc biệt như : spectrin, tropomyosin, và myosin, v.v…

 Spectrin đặc biệt có rất nhiều trong hồng cầu Sự kết hợp giữa siêu sợi actin và

spectrin qua trung gian ankyrin (cũng có bản chất là một protein) có chức năng rất

đặc biệt là duy trì hình dạng lõm hai mặt của hồng cầu giúp hồng cầu tăng diện tích trao đổi khí với các mô, và giúp cho hồng cầu chống lại các lực cơ học bằng cách thay đổi hình dạng của hồng cầu

 Tropomyosin là một loại protein sợi có 2 chuoi xoắn giống nhau, phân bố dọc

theo chiều của siêu sợi actin

 Myosin có khả năng kết hợp với siêu sợi actin được xếp chung vào nhóm

myosin II Myosin II là một phân tử không đối xứng có trọng lượng khoảng 500.000 dalton, gồm 2 phần: phần thân và phần đầu Phần thân là phần lớn nhất của phân tử myosin do 2 chuỗi peptid giống nhau có khoảng 2.000 acid amin, dài

cầu (thuộc 2 chuỗi peptide của phần nặng) và trên đó có phân tử ATPase; mỗi thể hình cầu của phần đầu myosin còn có 2 chuỗi nhẹ nhỏ đính vào

- Trong tế bào cơ sự phân bố của siêu sợi actin và cac protein kết hợp với siêu sợi actin rất đặc biệt và thay đổi tùy theo từng loại tế bào cơ khác nhau như : cơ vân, cơ tim và cơ trơn

 Tế bào cơ vân, còn gọi là sợi cơ

vân, có dạng hình trụ thon ở hai

đầu, đường kính khoảng 0,1mm và

dài khoảng từ vài cm đến 12cm

Sợi cơ vân có chứa trong bào

tương rất nhiều vi sợi cơ

(myofilament) cũng có dạng hình

trụ, đường kính khoảng 1-2m và

dài theo suốt chiều dài của sợi cơ

vân

 Vi sợi cơ có 2 thành phần cấu tạo chính: siêu sợi actin và sợi myosin Sự phân

bố rất đặc biệt của các siêu sợi actin và sợi myosin đã tạo nên những vạch sáng và tối có tính lập đi lập lại một cách rất đều nhau suốt trên chiều dài của vi sợi cơ Ở động vật có xương sống, các siêu sợi actin có chiều dài khoảng 1m và rộng khoảng 8nm Trong khi đó các phân tử myosin kết hợp thành từng bó có chiều dài

khoảng 1m và rộng khoảng 150nm do phần thân của phân tử myosin này kết hợp với phần thân của các phân tử myosin xung quanh và sắp xếp gối lên nhau theo một khoảng cách rất đều và tạo thành bó myosin, trong khi phần đầu được bộc lộ

ra ngoài và xếp đều theo chiều vòng xoắn ốc Sự sắp xếp của các siêu sợi actin quanh bó myosin rất đều như sau: cứ 6 siêu sợi actin bao quanh 1 bó myosin, vì vậy trên thiết đồ cắt ngang các sợi sẽ phân bố theo hình lục giác rất đều đặn

 Tế bào cơ tim tuy có kích thước nhỏ hơn và có dạng hình trụ phân nhánh, nhưng sự phân bố của các siêu sợi actin và sợi myosin rất giống với tế bào cơ vân

- Ngoài tropomyosin và myosin, trong tế bào cơ vân và cơ tim còn có một loại

protein kết hợp với siêu sợi actin là troponin Troponin là một phức hợp gồm 3 thành phần: troponin I (Inhibitor) cùng với Tropomyosin nằm ở tại rãnh do 2 chuỗi xoắn

của siêu sợi actin tạo ra Tropomyosin có tác dụng ngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếp của phần đầu myosin và actin bằng cách che lấp điểm gắn (hay điểm tiếp xúc) nằm trên

siêu sợi actin ; troponin T (Tropomyosin) có vai trò gắn kết phức hợp troponin vào tropomyosin; còn troponin C (Troponin có gắn Ca ++) có ái tính rất cao đối với Ca++, khi gắn kết với Ca++ sẽ có tác dung giải phóng vị trí bị che 1ấp do phức hợp troponin I

và tropomyosin tạo ra điểm gắn trên siêu sợi actin nhờ đó được bộc lộ ra để tương tác trực tiếp với phần đầu của myosin

3 Cơ chế phân tử của hiện tượng co cơ:

- Sự co cơ có liên quan chặt chẽ với vai trò của hệ thần kinh, năng lượng và các chất điện giải, đặc biệt quan trọng nhất là vai trò của Ca ++

- Khi có tín hiệu từ luồng xung động thần kinh truyền đến tế bào cơ sẽ gây ra hiện tượng khử cực ở màng bào tương và hiện tượng kích thích điện học này sẽ lan đi nhanh chóng đến hệ thống ống T và sau đó là lưới nội bào trơn bao bọc xung quanh các siêu sợi cơ Tại màng lưới nội cơ trơn, hiện tượng khử cực làm thay đổi điện thế màng do đó khởi động các kênh phóng thích Ca++ nhằm mở kênh này ra, do đó sẽ gây ra sự vận chuyển một lượng lớn Ca++ từ lòng lưới nội cơ trơn ra dịch cơ tương theo gradient nồng

độ

- Khi nồng độ Ca++ trong dịch bào tương tăng cao, troponin C sẽ gắn kết với Ca++

để tạo nên phức hợp Troponin C - Ca++ Phức hợp này sẽ làm mất đi tác dụng ức chế

sự gắn kết myosin vào actin do troponin I và troponin T tạo ra Nhờ đó myosin được tiếp xúc trực tiếp với actin Để sự gắn kết actin myosin xảy ra còn cần phải có sự thủy phân và giải phóng phân tử ATP Sự thủy phân ATP làm cho chuỗi nhẹ của phân tử myosin thay đổi cấu hình nhằm tạo thuận lợi cho sự gắn kết myosin-actin xảy ra và actin trượt vào myosin theo một hướng nhất định

- Do xung động thần kinh truyền đi rất nhanh qua hệ thống ống T và lưới nội cơ

tương để đến từng sarcomer nên hầu hết các siêu sợi cơ trong tế bào cơ đều co thắt cùng một lúc Tuy nhiên, sự gia tăng nồng độ Ca++ trong dịch bào tương chỉ thoáng qua để rồi sau đó các ion này được bơm một cách chủ động và nhanh chóng vào trong lưới nội cơ tương nhờ bơm Ca++ -ATPase ở tại màng Nồng độ Ca++ trong dịch bào tương giảm làm cho vai trò ức chế gắn kết actin-myosin của Troponin I và Troponin T được phục hồi, cơ trở về trạng thái nghỉ

- Tế bào cơ trơn có các đặc điểm như sau: có dạng hình thoi dài, có thể có phân nhánh ở hai đầu Về mặt cấu trúc phân tư, tế

bào cơ trơn cũng có nhiều sợi actin và

myosin nhưng không tạo thành sarcomer và

cũng không có Troponin

- Ở mức độ siêu cấu trúc, cơ trơn không

có những hệ thống các protein co thắt (siêu

sợi cơ) có tổ chức như đối với cơ vân, mà cơ trơn lại có những protein co thắt được xếp thành bó bắt chéo trong bào tương và đầu tận cùng của các bó này được đính vào những điểm có chức năng giống như cái neo (anchoring points) Những điểm neo này

có cấu trúc giống với thể liên kết dính và được phân bố ở vòng quanh mặt trong màng

tế bào

- Trương lực do sự co thắt cơ trơn được tạo ra được truyền qua các điểm neo rồi lan đến màng ngoài sợi cơ, nhờ vậy giúp cho bó cơ trơn hoạt động như là một khối thống nhất Mặc dù Ca++ vẫn là yếu tố chính kiểm soát sự co thắt như cơ vân, nhưng cơ chế chuyển động của ion này lại khác Ở trạng thái nghỉ, ion Ca++ được tích trữ trong lưới nội cơ tương Khi bị kích thích, ion Ca++ được phóng thích ra bào tương và kết hợp

với một protein gọi là calmodulin, là một loại protein kết hợp với calcium, có vai trò

tương tự như troponin-C Phức hợp Ca++- Calmodulin sau đó sẽ kích hoạt một enzym gọi là kinase của chuỗi nhẹ trên myosin, enzym này sẽ phosphoryle hóa chuỗi nhẹ myosin và cho phép chuỗi này gắn kết với actin Actin và myosin sẽ tương tác với nhau tạo ra sự co cơ lúc này giống như sự co cơ vân

- Siêu ống được cấu tạo chủ yếu từ các đơn phân là tubulin Phân tử tubulin có

dạng hình cầu, trọng lượng phân tử khoảng 55.000 dalton tương ứng với 450 acid amin

- Có hai loại tubulin: tubulin  và tubulin , xuất phát từ một phân tử chung Vì

vậy, phân tử tubulin  và tubulin  có những đoạn giống nhau về trình tự của các acid amin Tubulin  và tubulin  có thể kết hợp với nhau một cách tự nhiên thành từng

cặp gọi là heterodimer Sau đó các heterodimer có khả năng liên kết với nhau và tạo

thành những cấu trúc gọi là những siêu ống nhờ hiện tượng trùng phân

- Có hai loại siêu ống là siêu ống bền và siêu ống không bền :

1 Siêu ống không bền

- Siêu ống không bền là các siêu ống có thể vừa tự giải trùng thành các heterodimer

và vừa được trùng phân từ các heterodimer Các siêu ống này luôn có sự tồn tại đồng thời hai phản ứng khử trùng và trùng phân

- Siêu ống không bền đươc tìm thấy ở dạng tự do trong bào tương, nhưng đặc biệt rất nhiều ở tại các cấu trúc như thoi phân bào và trung tử

- Mỗi siêu ống có chu vi được tạo thành từ 13 chuỗi

protofilament) xếp thành 1 vòng tròn có đường kính 25nm Các phân tử tubulin  và tubulin  xếp xen kẽ nhau một cách đều đặn theo chu vi của siêu ống cũng như dọc theo chiều dài của mỗi phân tử tubulin (hay siêu sợi protofilament)

- Siêu ống không bền có tính phân cực do đó tốc độ trùng phân ở cực (+) nhanh hơn cực (-) gấp 3 lần Trong tế bào, sự hình thành các siêu ống được bắt đầu từ những trung tâm tổ chức Cực “âm” của các siêu ống được gắn chặt vào trung tâm tổ chức còn cực “dương” ở dưới dạng tự do Siêu ống không bền luôn được thay đổi thường xuyên Lúc đầu siêu ống được tạo thành và kéo dài ra nhờ sự trùng phân của các heterodimer, nhưng sau đó lại bị rút ngắn lại một cách đột ngột do sự giải trùng

- Trong tế bào luôn có sự thăng bằng giữa trùng phân và khử trùng, hay nói cách khác luôn tồn tại song song một lượng heterodimer tự do và các siêu ống trong bào tương Tuy nhiên sự thăng bằng này có thể bị ảnh hưởng bởi các tác nhân vật lý khác nhau: ví dụ khi áp lực thủy tĩnh trong tế bào tăng cao hay ở nhiệt độ 0oC sẽ làm tăng phản ứng giải trùng, và tác nhân hóa học như một số loại Alkaloid: colchicin,

vinblastin, vincristin, … có thể lien kết rất chuyên biệt với các heterodimer tự do trong bào tương tế bào, do đó sẽ ngăn chặn sự trùng phân để tạo thành các siêu ống từ các heterodimer này Dựa vào đặc tính này người ta đã sử dụng những hóa chất này dưới dạng những thuốc có tác dụng chống gián phân do ngăn chặn sự hình thành các siêu ống của thoi phân bào, vì vậy một trong số những hóa chất nêu trên được dùng trong phòng nuôi cấy tế bào, một số khác được dùng trong điều trị một số bệnh ung thư

- Có một số loại protein kết hợp với siêu ống không bền như ATPase Sự kết hợp này có khả năng tạo ra sự chuyển dịch của một số bào quan trong bào tương của tế

bào Chẳng hạn, kinesin là một loại ATPase, khi gắn vào siêu ống sẽ làm dịch chuyển

một số bào quan từ thân neuron về phía sợi trục, hay theo chiều của cực (+) của siêu

ống Sự vận chuyển theo chiều ngược lại do một loại ATPase khác gọi là dynein

2 Siêu ống bền:

- Các tubulin tạo nên các siêu ống bền hoàn toàn giống với các tubulin của siêu ống không bền Tính bền vững của các siêu ống này phụ thuộc chủ yếu vào các protein kết hợp với siêu ống hơn là bản thân các tubulin

- Các siêu ống bền thường tồn tại dưới dạng những bộ đôi hoặc bộ ba các siêu ống Trong trường hợp này, một trong số các siêu ống sẽ có thành (hay chu vi) trọn vẹn gồm 13 chuỗi Tubulin (protofilament), trong khi đó một (nếu là bộ đôi) hoặc hai (nếu

là bộ ba) siêu ống còn lại sẽ có dạng hình chữ C và hai đầu tự do của chữ C sẽ gắn

- Các siêu ống bền được tìm thất trong các cấu trúc như : Trung tử, Thể đáy, Lông chuyển và Roi

a Trung tử :

- Trung tử là một bào quan cặp, luôn luôn gần nhau và vuông góc với nhau Khảo sát mặt cắt ngang qua trung tử bằng kính hiển vi điện tử cho thấy mỗi trung tử là một

cấu trúc gồm có 9 bộ ba

(siêu ống) sắp xếp khá đều theo hình tròn có đường kính khoảng 200nm và dài khoảng 400nm Mỗi bộ ba có 3 siêu ống được ký hiệu là A, B và C Siêu ống A có thành trọn vẹn và hướng về trung tâm của trung tử Dọc theo chiều dài của siêu ống A và siêu ống

C của mỗi bộ ba còn có các cầu protein kết nối tương ứng với siêu ống C và siêu ống

A của bộ ba kế cận Trung tử được tổng hợp nhờ vào khuôn mẫu của trung tử có sẵn khi có hiện tượng phân bào Mỗi bộ ba siêu ống của trung tử sẽ làm khuôn mẫu để tổng hợp chỉ 1 siêu ống mới mà thôi, siêu ống đơn (siêu ống A) mới được tạo thành sẽ làm khuôn mẫu để tổng hợp ra 2 siêu ống (siêu ống B và C), nhờ đó tạo nên bộ ba siêu ống A, B và C hoàn thiện Trung tử cũng là trung tâm tổ chức để tạo ra các siêu ống

không bền và cùng với các siêu ống này hình thành nên thoi phân bào để kéo các NST tiến về hai cặp trung tử ở hai cực khi tế bào phân chia

b Thể đáy:

- Thể đáy là cấu trúc có đặc điểm cấu tạo giống như trung tử, phân bố ở tại phần gốc của các lông chuyển hoặc roi Ở những tế bào có nhiều lông chuyển, các thể đáy tại phần gốc của lông chuyển sẽ tạo thành một vệt sẫm màu, quan sát được bằng kính hiển

vi quang học, gọi là Tấm tận cùng Thể đáy có chức năng làm khuôn mẫu để tổng hợp

ra cặp siêu ống trung tâm của lông chuyển hoặc roi, ngoài ra còn kết hợp với các protein sợi thuộc bộ xương tế bào như siêu sợi actin để tạo thành mạng lưới protein sợi phân bố ở ngay mặt trong của màng tế bào

c Lông chuyển và Roi:

- Lông chuyển và roi là những cấu trúc có đặc

tính chuyển động, có trục ở giữa là các siêu ống và

bao bọc bên ngoài là mang tế bào Sự khác biệt

giữa 2 kiểu cấu trúc lông chuyển và roi tạo ra kiểu

chuyển động đặc trưng cho từng loại

- Lông chuyển có kích thước ngắn khoảng từ 2 -

10m, chuyển động đơn giản theo một hưóng nhất