sự biệt hóa tế bào

Điều hòa thích nghi Một số amip biểu hiện sự thay đổi hình thái và sinh lý đặc biệt để đáp lại các điều kiện môi trường khác nhau.. Điều hòa hoạt tính của protein.Sau khi mạch polypeptid

I CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỀU HÒA

1 Điều hòa thích nghi

Một số amip biểu hiện sự thay đổi hình thái và

sinh lý đặc biệt để đáp lại các điều kiện môi

trường khác nhau Khi các amip được cho vào nước, chúng chuyển từ dạng amip sang dạng có lông để bơi Khi môi trường thiếu dinh dưỡng,

chúng có thể biến đổi thành dạng mô biểu bì

Vi khuẩn trong môi trường dinh dưỡng tối thiểu có khả năng tổng hợp amino acid

Nhưng nếu cho amino acid vào thẳng

mội trường nuôi, vi khuẩn ngừng tổng hợp amino acid Đến khi nguồn amino acid hết, nó mới tự

tổng hợp amino acid cho bản thân

Các biến đổi trên đều thuận nghịch chứng tỏ sự thay đổi chức năng ở đây không do biến dị di

truyền và sự xuất hiện hay biến mất các cấu trúc mới không làm ảnh huởng tiềm năng di truyền

sẵn có Các hiện tượng trên do hiện tượng điều hòa gọi là điều hòa thích nghi

2 Hoạt động nối tiếp của các gen

Khi phage xâm nhập vi khuẩn, DNA của

phage lúc đầu sao chép, sau đó các

protein khác nhau mới được tổng hợp nên

Như vậy có các gen “sớm” sớm tạo enzyme sao chép DNA và các gen “muộn” xác định các thành phần của vỏ Trong quá trình nhiễm khuẩn, nhóm gen đầu hoạt động, nhóm thứ hai hoạt động tiếp theo Như vậy cơ chế điều hoà chức năng của

gen diễn ra theo trình tự nghiêm ngặt Đây là kiểu điều hòa nối tiếp

3 Biệt hóa tế bào

Nhiều sinh vật bậc cao như con người

hợp tử do chia nguyên nhiễm Từ một hợp tử khi truởng thành, cơ thể người có khoảng 200 loại tế bào khác nhau (tế bào gan, tim, thận, da, …) Mỗi loại tế bào chỉ biểu hiện một phần thông tin Quá trình chuyên môn hóa chức năng của tế bào

được gọi là sự biệt hóa tế bào Tuy có sự biệt

hóa nhưng tế bào vẫn giữ nguyên vẹn khả năng

di truyền của mình

4 Khái quát về điều hòa ở Prokaryotae và Eukaryotae

Có sự khác nhau đáng kể giữa

Prokaryotae và Eukaryotae trong điều hòa sự

biểu hiện của các gen Các tế bào Eukaryota có cấu tạo phức tạp hơn nhiều nên sự điều hòa có nhiều mức độ và chi tiết hơn ở tế bào

Prokaryota

a Sự biểu hiện của gen ở Prokaryotae

Bộ máy di truyền của sinh vật tiền nhân

là một DNA vòng tròn chứa một số

lượng gen giới hạn được phiên mã ở

trạng thái tiếp xúc trực tiếp với tế bào chất

Chu trình tế bào ngắn và không có sự biệt hóa tế bào Do đó hoạt động của các gen được điều

hoà do các nhu cầu của tế bào khi cần thiết Tác động của các nhân tố môi trường làm những gen tương ứng được mở để phiên mã, dịch mã tổng hợp protein hay có hiệu quả ngược làm dừng lại

Sự biểu hiện của gen ở Prokaryotae

Trang 236

Màng tế bào Amino acid

tRNA

Design by HTV

b Sự biểu hiện của gen ở Eukaryota

Khác với Prokaryota, nhiễm sắc thể của

Eukaryota có cấu trúc phức tạp hơn Trên cấu trúc nhiễm sắc thể có sự tham gia của protein histone có vai trò điều hòa sự biểu

hiện của các gen Sự điều hòa biểu hiện của gen

ở Eukaryota phải qua nhiều mức điều hòa phức tạp hơn Prokaryota và qua nhiều giai đoạn như: NST tháo xoắn, phiên mã, biến đổi sau phiên mã, mRNA rời nhân ra tế bào chất, dịch mã và biến

đổi sau dịch mã

Ngoài ra, ở Eukaryota, mỗi tế bào có biểu hiện

sống không phải tự do mà chịu sự biệt hóa theo chức năng chuyên biệt trong mối quan hệ hài hòa với cơ thể Các vi khuẩn thường phản ứng trực tiếp với môi trường và sự biểu hiện gen thuận

nghịch Còn các tế bào Eukaryota có những con đường biệt hóa khác nhau và thường sự chuyên hóa là ổn định thường xuyên trong đời sống cá

thể Ngoài ra, ở Eukaryotae có những gen chỉ

biểu hiện ở phôi rồi dừng hẳn

Sự biểu hiện của gen ở Eukaryotae

Amino acid rRNA

Protein Ribosome tRNA

Design by HTV

II CÁC MỨC ĐIỀU HÒA.

1 Điều hòa phiên mã (trans-cription)

Đây là sự điền hòa ảnh hưởng trực tiếp đến việc mở hoặc đóng của gen.đóng của gen Kiểu

điều hòa này chúng ta sẽ gặp trong điều hòa trao

đổi chất, cũng như các quá trình biệt hóa tế bào.

2 Điều hòa dịch mã (translation)

Sự điều hòa biểu hiện ở mức tác động lên RNA thông tin, chúng ta đã gặp

trường hợp trên khi RNA thông tin bị cắt bỏ các intron và gắn các exon lại với nhau để tạo thành RNA thông tin trưởng thành Như vậy, các hệ

thống ảnh hưởng đến sự trưởng thành của RNA thông tin có thể kiểm tra gián tiếp biểu hiện của gen tương ứng Các mRNA của Eukaryota còn

có những đoạn không mã hóa liên quan tới thời gian tồn tại và việc ra khỏi nhân vào tế bào chất

3 Điều hòa hoạt tính của protein.

Sau khi mạch polypeptide được tổng hợp

nên, các protein nhiều khi chịu các biến

đổi thứ cấp trước khi biểu hiện hoạt tính

Ví dụ trypsin là enzyme phân giải protein trong dạ dày chỉ có đươc hoạt tính sau khi chất tiền thân của nó (proenzyme không có hoạt tính) bị cắt mất một đoạn polypeptide

Các protein có thể chịu những biến đổi lập thể

(allosteric): sự kết hợp các enzyme với một số

sản phẩm đặc biệt có thể làm thay đổi cấu trúc

không gian của chúng dẫn đến mất hoạt tính

III ĐIỀU HOÀ Ở PROKARYOTAE

protein gồm 3000 loại khác nhau, trung bình mổi loci có khoảng 3000 phân tử khác nhau Nhưng trên thực tế có lúc trong tế bào có loại phân tử

protein đạt khoảng 500.000 còn các loại khác chỉ khoảng 10 phân tử Như vậy không phải loại

protein nào cũng được tổng hợp với số lượng

bằng nhau, và tế bào phải có những cơ chế điều

hoà để tổng hợp protein tiết kiệm và hợp lý nhất.

Năm 1962, Monod, Tacob và Lwoff đã nêu ra

quan niệm về operon để giải thích sự điều hoà

Trong tế bào có những enzyme được tổng

hợp đều đặn nên gọi là các enzyme cơ

cấu (constitutif), các enzyme khác chỉ

xuất hiện khi có mặt chất cần biến đổi nên gọi là enzyme cảm ứng (inducible) Tương ứng có 2

loại gen được phân biệt : gen cơ cấu và gen điều hoà

liên tục, các sản phẩm của chúng thường xuyên

có mặt trong tế bào Các gen được điều hoà hoạt động tuỳ điều kiện cụ thể của môi trường

1 Kiểm tra biến dưỡng

Quá trình biến dưỡng là quá trình tổng

hợp các chất cần thiết cho tế bào như

quá trình tổng hợp amino acid

tiền thân A (acid chorismique) trải qua 5 giai đoạn

kế tiếp do 5 enzyme xúc tác Quá trình tổng hợp

điều khiển Trp1, Trp2, Trp3, Trp4, Trp5

Ở một đầu của 5 gen cấu trúc có 2 gen

nữa là gen khởi động và gen chỉ huy

Toàn bộ các gen cấu trúc, gen khởi động và chỉ huy tập hợp thành một operon

Một gen khác, cũng là gen cấu trúc không nằm

kề operon, được gọi là gen điều hòa (regulator).

Gen điều hòa thường xuyên tạo ra 1 pro được gọi là chất kìm hãm (repressor), nhưng chất này chưa có hoạt tính

a Trong trường hợp thiếu tryptophan, mRNA–polymerase gắn ở gen khởi

động sẽ di chuyển theo chiều dài của

operon, tổng hợp nên mRNA thông tin chung cho

cả 5 gen Tiếp theo cả 5 enzyme E1, E2, E3, E4, E5được tạo thành để tổng hợp tryptophan

b Nếu tryptophan dư thừa tích tụ trong tế bào

chất, nó sẽ như 1 chất đồng kìm hãm và gắn với chất kiềm hãm tạo nên dạng có hoạt tỉnh kìm

hãm Chất này gắn lên gen chỉ huy làm ngưng trệ phiên mã nên việc sản xuất tryptophan bị dừng

Sự điều hòa này gọi là sự điều hòa ngược

Điều hòa tổng hợp tryptophan

Enzyme1 Enzyme 2 Enzyme 3 Enzyme 4 Enzyme 5

Chuỗi sinh tổng hợp tryptophan

Gen điều hòa

Gen điều hòa

2 Kiểm tra thoái dưỡng

Trong thoái dưỡng các chất thức ăn được phân hủy dễ tạo năng lượng hoặc các chất cần thiết cho quá trình tổng hợp Về

nguyên tắc, cơ chế điều hoà giống với điều hòa biến dưỡng, chỉ khác là sự có mặt của cơ chất dẫn tới tổng hợp các enzyme phân huỷ

Trường hợp operon lactose là ví dụ rất rõ

về cơ chế điều hòa này Thông thường

tế bào vi khuẩn sử dụng đường glucose

nhưng khi thiếu glucose mà có lactose, tế bào sẽ tạo các enzyme phân hủy lactose Tế bào E.coli

có 3 gen (G1, G2, G3) cấu trúc của 3 enzyme

(beta–galactosidase, permease, transacetylase) xúc tác các phản ứng chu trình phân hủy lactose

Gen điều hòa R tổng hợp chất kìm hãm là 1

protein Khi có đường lactose trong

tế bào, nó sẽ kết hợp với chất kìm hãm

làm chất này mất hoạt tính Nhờ đó, việc phiên

mã các gen cấu trúc được tiến hành nhờ tổng

lactose

Khu đường lactose biến đổi hết, chất kìm hãm được giải phóng, nó trở lại kìm hãm gen chỉ huy làm quá trình phiên mã bị đình trệ, sự tổng hợp các enyme bị ngừng

Điều hòa phân hủy lactose:

a)không có lactose b) có lactose

a)

b)

RNA polymerase

RNA polymerase

Ribosome

Ribosome

Design by HTV

IV SỰ BIỆT HÓA TẾ BÀO

1 Các tế bào biệt hóa chứa thông tin

di truyền như nhau

Ở các sinh vật bậc cao cũng như ở người, cơ thể trưởng thành gồm nhiều tế bào khác nhau Các tế bào này đều bắt nguồn từ một hợp tử ban đầu, nhưng quá trình biệt hóa để thực hiện các chức năng khác nhau Tuy nhiên thực nghiệm xác

định rằng số lượng nhiễm sắc thể, số lượng DNA và tỉ số A+G/G+C của các tế bào thuộc các mô khác nhau của cùng một cơ thể đều giống nhau.

Sử dụng kỹ thuật lai ADN cho thấy ADN từ những tế bào của các mô khác nhau của

cùng một cá thể không bị biến đổi trong

quá trình biệt hóa, chúng có thể tự hồi tính

(renaturation) với nhau.

Tóm lại, số lượng ADN của các tế bào biệt hóa về căn bản giống với của hợp tử ban đầu và chứa nguyên vẹn thông tin di truyền đủ để phát triển thành cá thể nguyên vẹn.

2 Các tế bào chỉ sử dụng một phần

thông tin

Phân tích sinh hóa cho thấy các tế bào thuộc các mô khác nhau có hàm lượng protein và ARN khác nhau rất nhiều.

Nhiều loại tế bào chuyên hóa tổng hợp chủ yếu một protein.Ví dụ :Tế bào cơ tổng hợp nhiều

myosin,một protein quan trọng trong cơ co, hay tế bào biểu bì (epithalial) tổng hợp nhiều

keratine

Như vậy cùng chứa thông tin di truyền như nhau, nhưng mỗi tế bào biệt hóa chỉ sử dụng một phần thông tin ; tổng hợp chủ yếu một loại protein, không tổng hợp các loại

khác tuy chúng có thông tin của các loại này

Sự khác nhau giữa mARN của các tế bào biệt

hóa khác nhau của cùng một cơ thể cũng cho

thấy thông tin chỉ sử dụng một phần.

3 Hoạt động nối tiếp của các gen trong

quá trình phát triển phôi

Các trạng thái biệt hóa của tế bào đạt được nhờ hàng loạt các giai đoạn, mà trong đó các gen

khác nhau hoạt động nối tiếp Nhiều sự kiện

chứng minh hoạt động nối tiếp của các gen, ví dụ; các chỗ phình (puff) trên nhiễm sắt thể

khổng lồ.

Ở mỗi giai đọan phát triển, một số gen mở hoạt động, một số gen khác đóng và có sự thay đổi hoạt động của các gen trong quá trình phát triển các thể.

Chỗ phình trên nhiễm sắc thể khổng lồ

Design by HTV

4 Sự điều hòa phiên mã là căn bản

trong biệt hóa tế bào

Giả thiết được chấp nhận hiện nay là trong các tế bào biệt hoá, một số gen phiên mã, một số gen khác thì không Không có sự kiện nào mâu thuẫn với giả thuyết này và nó giải thích hợp lý hơn cả tình trang biệt hoá của các tế bào

Việc phát triển các gen điều hoà và các gen

đóng hay mở giúp hiểu được sự điều hoà quá

trình phát triển cá thể và biệt hoá tế bào.

Bộ gen đơn bội của tế bào người có số

lượng ADN gấp 1.000 lần so với genome

vi khuẩn Tuy nhiên, số lượng gen cấu

trúc ở người chỉ gấp 10 lần so với gen cấu trúc vi khuẩn Điều đó cho thấy rất nhiều gen ở người tham gia vào các cơ chế điều hoà.

5 Điều hoà sự phát triển phôi

Sự điều hòa ở mức phiên mã giữ vai trò

quan trọng trong sự phát triển phôi

Ngay lần phân chia đầu tiên của hợp tử, nếu tế bào chất phân bố không đều thì sẽ có ảnh hưởng đến quá trình biệt hóa tế bào tiếp theo Sự phân bố các chất ở phôi mang và phôi vị không đồng đều dẫn đến sự biệt hóa Những tín hiệu từ các tế bào lân cận cũng có ảnh hưởng đến sự biệt

hoá các tế bào.

Ngoài hoạt động cuả tế bào chất ,ngay trong

cấu tạo nhiễm sắt thể của sinh vật eucaryota

cũng có chứa các nhân tố phân tử giữ vai trò

điều hoà Đó là các protein histone và protein acid không chứa histon Một hỗn hợp in vitro gồm DNA, RNA–polymerase và các ribonucleoside

triphosphate đang phiên mã tạo RNA, nếu thêm

histon vào quá trình bị ngưng

Có lẽ histon kìm hãm hoạt động của ADN

Nhưng hỗn hợp đã có chưá histone nói trên nếu thêm vào các protein acid thì quan sát thấy có tổng hợp ARN.

Tuy nhiên chưa rõ các protein acid là các nhân tố duy nhất xác định hoạt tính các gen hay chỉ là những yếu tố trung gian trong một chuỗi phức

tạp của sự điều hoà.