BÀI GIẢNG CƠ CHẾ THÔNG TIN SINH HỌC

Sự đáp ứng tín hiệu thông tin nội tiết hormone 3.3.THÔNG TIN QUA RECEPTOR MÀNG - PROTEIN G 3.3.1.. ligand -Phân tử thông tin nội bào ISM - thông tín viên thứ hai the second messenger: c.

CHƯƠNG III

MOLECULAR BIOLOGY OF THE CELL

BIOLOGICAL COMMUNICATION MECHANISM

CƠ CHẾ THÔNG TIN SINH HỌC

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)

là quá trình giao tiếp giữa các cá

thể trong môi trường sống.

(2) Thông tin sinh học là quá

trình giao tiếp nội tại trong cơ thể

giữa các mô bào, giữa các tế bào.

(3) Điều hành các tiến trình sinh

Hình 2 Sự đáp ứng phân tử thông tin giản đơn

ở 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 nhất (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 (Ca 2+

ICF ), phophatidyl inositol diphosphate (PIP 2 ), IP 3 (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)

Hình 3 Các loại tín hiệu và các kiểu thông tin

TÓM LẠI

Đặc điểm sự truyền đạt thông tin sinh học tế bào :

Tiến trình truyền đạt không chỉ

do một phân tử thông tin nội bào (ISM) thực hiện mà do nhiều ISM

Tiến trình truyền đạt đi từ phân

tử thông tin nội bào (ISM) này chuyển sang ISM khác theo kiểu dây chuyền với nhiều cấp bậc, từ cấp bậc này sang cấp bậc khác.

Kiểu “Quân bài domino”

Loại thông tin Nguồn gốc Cấu tạo Chức năng

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 cái

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 1 Một số thông tín viên thứ nhất (Endocrine signal)

Loại thông tin Nguồn gốc Cấu tạo Chức năng

EGF Các tế bào Protein Tăng sinh tế bào biểu mô

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

Loại thông tin Nguồn gốc Cấu tạo Chức năng

Protein delta Neuron, phôi bào Protein Ngăn chận biệt hoá neuron phôi

Bảng 2 Một số thông tín viên thứ nhất (Paracrine signal)

Bảng 3 Một số thông tín viên thứ nhất (Autocrine signal)

• Receptor bề mặt tế bào - receptor màng (cell-surface receptor)

-Thành phần protein xuyên màng, liên kết với các phân tử thông tin không thấm nhập qua màng sinh học.

• Receptor nội bào (intracellular receptor) là thành phần protein vận chuyển ở tế bào chất hoặc dịch nhân, liên kết với các phân tử thông tin , thấm nhập qua màng sinh học.

•Receptor nhân (nuclear receptor) có cấu trúc nhị tử đồng thể (homodimer) hoặc nhị tử dị thể (heterodimer) , như cortisol receptor, estrogen receptor, progesterone receptor, vitamin D receptor, thyroid hormone receptor, retinoic acid receptor).

b.Dựa vào sự tương tác giữa receptor màng với các phân tử thông tin nội bào (ISM)

Receptor màng gồm 3 họ:

Receptor liên kết protein G (G protein-coupled receptors)

Receptor liên kết kênh ion (ion-channel-coupled receptors)

Receptor liên kết enzyme (enzyme-coupled receptors)

Hình 5 Các loại receptor màng tương tác ISM

Hình 7 Cơ chế điều hóa quá trình sao chép gene

của receptor nhân

Hình 8 Cell adhension

molecules

Hình 9 Sự đáp ứng NO ở mô cơ trơn thành mạch

3.2.5 Kiểu đáp ứng tín hiệu thông tin tổng quát

Sự đáp ứng hay hiệu ứng sinh học biểu hiện ở mô bào đích không những phụ thuộc vào phân tử thông tin ngoại bào (ESM) mà còn phụ thuộc vào bộ máy nội bào của từng loại

mô, tế bào thông qua receptor protein màng hoặc receptor nội bào (tế bào chất hay dịch nhân)

Hình 11 Thuyết thông tín viên thứ hai (Sutherland, 1975)

TARGET CELL

ATP c.AMP

YẾU TỐ KÍCH THÍCH

Thông tín viên thứ nhất

Thông tín viên thứ hai

c.AMP   Hiệu ứng sinh học



Sự biến dưỡng

 Hiệu quả

RH

Hình 12 Cơ chế điều hành thông tin nội tiết

3.3 THÔNG TIN QUA RECEPTORS MÀNG - PROTEIN G

3.3.1.Protein G

• Hơn 20 loại protein G ở tế bào động vật; trong đó, một số có

vai trò đáp ứng miễn dịch

• Các protein G có tính đặc hiệu cho từng loại receptor màng

(GPCR s -protein G-coupled cell surface receptor), gọi là siêu họ protein G (superfamily protein G).

• Protein G có cấu tạo là protein trimer dị thể: Subunit α

(40-45kD), subunit β (37kD), và subunit γ (8-10kD)

• Có 20 loại Gα khác nhau được phân thành nhiều họ Gα:

-G αs hay G s (stimulatory), G αi hay G i (inhibitory), G olf (olfactory-khứu giác) kết hợp với olfactory receptor ở niêm mạc mũi, G t (transducin) chuyển đổi các tín hiệu thị giác với chất cảm quang rhodopsin ở lớp võng mạc.

-Subunit α có vai trò GTPase

3.3.2.Protein “công tắc” (protein switches)

- Protein “công tắc” thuộc nhóm tín hiệu nội bào với vai trò kích hoạt các tín hiệu nội bào khác.

- 2 nhóm protein “công tắc”: nhóm phosphoryl hóa và nhóm liên kết GTP (protein G)

Nhóm phosphoryl hóa: enzyme protein kinase và phosphatase

Nhóm liên kết GTP: protein liên kết GTP hay GTPase

Hình 14 Nhóm protein “công tắc”

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) ở các tế bào không nhân (prokaryotic cell) và có nhân (eukaryotic cell).

-Nồng độ 10 -7 M trong tế bào chất và gia tăng gấp 20 lần khi tín hiệu ngoại bào (the first messenger) kích hoạt adenylate cyclase (8 dạng) thông qua GPCR s

Hình 15 Phản ứng tổng hợp và

phân giải c.AMP

Bảng 4 Một số tác động của c.AMP ở mô bào đích

thyroxine

Buồng trứng LH Phân tiết progesterone

Gan Glucagon Phân giải glycogen gan

Mô mỡ Adrenaline, ACTH, TSH, glucagon Phân giải triacylglycerol

Protein G (G αs và G αi ) cùng với Ca 2+

ICF kiểm soát quá trình hoạt động adenylate cyclase (tác động của 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 và protein

Protein G

+ Adenylate cyclase

+ Protein kinase

(transcription)

(2) Cơ chế thông tin “Kích hoạt tín hiệu inositol phospholipid”

 Ở một số mô bào, protein G (Gq ) kích hoạt phospholipase C-β màng, enzyme này xúc tác phosphoryl hóa inositol phospholipid màng tạo thành PIP 2 – Phosphatidyl inositol 4,5 diphosphate, tiếp tục phân tách, tạo thành diacylglycerol và IP 3 (inositol 1,4,5 triphosphate)

 Phân tử IP 3 tan trong 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 và mở kênh phóng thích Ca 2+ cổng IP 3 (IP 3 - gated Ca 2+ release channel) (hay IP 3 receptor) điều hành tiến trình giải phóng calcium, làm tăng Ca 2+

Hình 18 Phản ứng tổng hợp PIP 2

từ lớp màng lipid ngoài

Hình 19 Phản ứng tổng hợp PIP 2

từ lớp màng lipid trong