Thụ thể hormon adrenalin, Protein G và các chất truyền tin thứ hai

Chương 6 Thụ thể hormon adrenalin, Protein G và các chất truyền tin thứ hai 6.1 Đại cương về thụ thể Receptor Thuật ngữ thụ thể hay thụ cảm receptor được dùng trong sinh học để chỉ khả

Chương 6

Thụ thể hormon adrenalin, Protein G và các chất truyền tin thứ hai

6.1 Đại cương về thụ thể (Receptor)

Thuật ngữ thụ thể hay thụ cảm (receptor) được dùng trong sinh học để chỉ khả năng của một phân tử tiếp nhận hay nói cách khác là gắn với một phân tử khác Thông thường quá trình tiếp nhận như vậy giúp cho thông tin được đưa từ ngoài vào trong tế bào, từ tế bào này sang tế bào khác Xét về bản chất cấu tạo, receptor là những protein có trọng lượng phân tử lớn Những protein này có cấu trúc đặc biệt, có khả năng nhận biết và gắn đặc hiệu với một số phân tử khác gọi là cấu tử gắn (ligand) Các ligand có thể có nguồn gốc nội sinh hoặc ngoại sinh và thường có kích thước rất nhỏ so với receptor Cấu tử gắn với receptor có thể làm cho receptor được kích thích hoặc hoạt hóa gọi là các (agonist) (chất đồng vận) và ngược lại chúng gây kìm hãm được gọi là chất đối kháng (antagonist) Ngày nay khái niệm về receptor được mở rộng hơn để giải thích nhiều quá trình sinh

lý như sự đáp ứng nghe, nhìn, áp lực, sự thay đổi về nhiệt độ vv Từ đây xuất hiện một loạt các thuật ngữ:

Mecanoreceptor: thụ thể cơ học, có tác dụng nhận biết các kích thích cơ học

Baroreceptor: thụ cảm áp suất, có tác dụng nhận biết sự thay đổi về áp lực bên ngoài Thermoreceptor: thụ cảm nhiệt độ, đóng vai trò nhận biết sự biến đổi của nhiệt độ Photoreceptor: quang thụ thể, thụ thể ánh sáng, giúp nhận biết ánh sáng

Chemoreceptor: thụ cảm hoá học (hoá thụ thể) có chức năng tiếp nhận các kích thích

Bình thường receptor không có hoạt tính sinh học, không tự tạo ra hoạt tính mà chỉ làm nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu từ ligand đặc hiệu đưa tới Như vậy receptor chỉ trở thành dạng hoạt động, có hoạt tính sinh học sau khi được gắn với ligand So với quá trình gắn giữa enzym với cơ chất thì việc gắn receptor – ligand có điểm khác biệt cơ bản Khi enzym

gắn với cơ chất thì nó thể hiện hoạt tính xúc tác làm biến đổi cơ chất Còn khi receptor gắn với ligand thì nó không làm biến đổi ligand mà chỉ tiếp nhận tín hiệu từ ligand

Đáp ứng của mỗi tế bào không thể tách rời receptor Tuy vậy, như trên đã trình bày, receptor chỉ đóng vai trò tiếp nhận tín hiệu Sau đó cần có những cơ chế truyền tin tiếp theo

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng receptor màng tế bào có vai trò sinh học trong hoạt động của tế bào, trong sự nhận diện, truyền tin, tác dụng tạo miễn dịch, tác dụng của thuốc Người ta đã chứng minh trực tiếp về sự tồn tại các receptor được liên kết trên bề mặt tế bào tiếp nhận những chất truyền xung động thần kinh, các hormon, các kháng nguyên Trước đó, người ta không giải thích được đầy đủ tại sao hormon, kháng nguyên hoạt động với nồng độ rất thấp nhưng gây ra thay đổi rất lớn trong chuyển hoá Sở dĩ tạo được tác dụng như vậy chính là do sự nâng cao khả năng hoạt động của hệ thống enzym màng tế bào, bởi những tín hiệu mới để tạo tác dụng sinh học bằng quá trình phosphoryl hoá mãnh liệt hoặc kích thích cảm ứng ADN để tổng hợp protein mới Đó là một quá trình khuếch đại tín hiệu thông tin trao đổi chất

Màng tế bào chứa nhiều loại receptor để liên kết đặc trưng với các ligand như hormon, chất dẫn truyền thần kinh vv…Những chất dẫn truyền (ligand) liên kết với nhóm điều hoà của receptor ở bề mặt tế bào, gây ảnh hưởng đến nhóm hiệu ứng của receptor, phần lớn là adenylate cyclase ở màng tế bào Phần điều hoà của receptor sau khi được liên kết với ligand sẽ tự thay đổi cấu hình của mình, kết quả là receptor có thể di động tiếp cận với một protein hoạt hoá là protein G gắn với màng tế bào Khi protein G được hoạt hoá sẽ chuyển thành trạng thái kích thích hoạt động của một dạng enzym màng tế bào là adenylate cyclase

Chính vai trò sinh học của lipid màng tế bào tạo thuận lợi cho việc hình thành yếu tố móc nối liên kết hai nhóm của receptor hoặc một nhóm điều hoà với một nhóm hiệu ứng Điều này đã giải thích hiệu quả gây ra qua sự kết hợp của một loại ligand Sự hoạt hoá adenylate cyclase làm tăng nhiều AMP vòng (AMPc) dẫn đến hoạt hoá các enzym nhóm kinase để phosphoryl hoá protein đặc hiệu thường là các enzym điều hoà của tế bào

6.2 Thụ thể hormon β - Adrenergic, protein G và các chất truyền tin 6.2.1 Đặc điểm chung về cấu trúc và chức năng

Đây là thụ thể gồm bảy chuỗi xoắn xuyên màng có chức năng tiếp nhận hormon tham gia hoạt hoá adenylate cyclase thông qua cơ chế kết hợp với protein G Epinephrine (adrenalin) khởi động quá trình hoạt hoá adenylate cyclase bằng cách gắn vào thụ thể β-adrenergic, là một protein có kích thước 64 kDa nằm xuyên bảy lần ngang qua màng sinh chất của các tế bào đích (hình 6.1)

Hình 6.1

Mô hình thụ thể β-adrenergic (theo Gross J và cộng sự 1996 ) Vùng đầu N của thụ thể β-adrenergic, giống như rhodopsin, có chứa các oligosacarid liên kết vào vị trí N và nằm ở phía ngoài của màng tế bào Vùng đầu C có chứa Serine và Threonine được phosphoryl hoá thuận nghịch, định vị trong vùng nội bào Giống như ánh sáng tác động lên quang thụ thể chứa retinal, khi epinephrine liên kết với thụ thể nằm trong hốc gắn kết với hormon ở trên màng tế bào sẽ tạo ra khả năng dịch chuyển của receptor tiếp cận với protein G để hoạt hoá protein này Khi protein G được hoạt hoá sẽ tiếp cận với enzym adenylate cyclase nằm trong màng tế bào tạo ra phản ứng biến đổi ATP thành AMP vòng Quá trình này được minh hoạ ở sơ đồ hình 6.2

VÞ trÝ liªn kÕt chÊt truyÒn tin

Vïng dÞch ngo¹i

bµo

mµng tÕ bµo

M¶nh t−¬ng t¸c víi protein G

Vï ng dÞc h

néi bµo

Protein G điều khiển adenylate cyclase được gọi là protein kích thích (Gs) Gs đã kích thích adenylate cyclase như thế nào? Alfred Gilman đã tinh sạch Gs và thấy rằng nó có chứa các tiểu đơn vị α (45kDa), β (35kDa) và γ (97kDa) Trong đó tiểu phần α có hoạt tính GTPase (có thể liên kết và thuỷ phân GTP); còn β và γ sẽ tạo phức βγ giữ cho protein G bám trên bề mặt tế bào ở phía tế bào chất

Giống như transducin một protein truyền và khuếch đại tín hiệu ánh sáng trong cơ chế nhìn, Gs có sự chuyển hoá giữa dạng GTP hoạt hoá adenylate cyclase và dạng liên kết G với GDP (G - GDP) thì không hoạt hoá adenylate cyclase Khi không có mặt của hormon thì gần như toàn bộ Gs đều ở dạng G - GDP bất hoạt Sự liên kết của các hormon vào thụ thể sẽ khởi động cho sự liên kết của GTP vào protein G thay thế cho GDP: phức hợp thụ thể-hormon liên kết vào protein G, cảm ứng sự giải phóng GDP đã được liên kết và cho phép GTP thế chân liên kết vào tiểu đơn vị α Tiểu phần α có mang GTP (Gsα-GTP) được tách ra từ tiểu đơn vị βγ (Gβγ) sẽ hoạt hoá adenylate cyclase Do vậy dòng thông tin xuất phát từ phức hợp thụ thể-hormon tới Gs rồi tới adenylate cyclase (hình 6.2)

Hình 6.2

Sự hoạt hoá adenylate cyclase nhờ tín hiệu hormon liên kết với thụ thể (theo Horton và CS 1994)

Khi một hormon được gắn vào thụ thể sẽ làm cho nhiều Gsα được tạo thành, tạo ra sự trả lời kích thích được khuếch đại Sự hoạt hoá adenylate cyclase nhờ epinephrine và sự hoạt hoá cGMP phosphodiesterase nhờ rhodopsin đã được quang hoạt hoá là hai quá trình

có cơ chế giống nhau Gs và transducin là các thành viên của một họ các protein mang hai chức năng tín hiệu

ngoại bào

nội bào

Sự hoạt hoá adenylate cyclase dừng lại như thế nào? Transducin có cơ chế dựa trên sự khử hoạt tính Tương tự như vậy, Gs có hoạt tính GTPase GTP khi đã liên kết vào tiểu đơn

vị α của Gs sẽ bị thuỷ phân trong một khoảng thời gian rất ngắn thành GDP Tuy nhiên sự thuỷ phân của GTP được gắn vào Gs là cần thiết nhưng không đầy đủ cho việc khử hoạt tính của adenylate cyclase Sơ đồ các vùng hoạt động chức năng của Gs được trình bày ở hình 6.3

Tóm lại tín hiệu thông tin thứ nhất (hormon) sau khi được nhận biết bởi các thụ thể bảy chuỗi xoắn xuyên màng sẽ được truyền đến protein G theo các con đường khác nhau

và sẽ được tế bào trả lời khác nhau Hầu hết các thụ thể hormon nối protein G hoạt hoá cho một chuỗi các phản ứng làm thay đổi nồng độ của các chất phân tử nhỏ đóng vai trò là chất truyền tin thứ hai trong tế bào, thường gặp nhất là cAMP và ion Ca++

6.2.2 AMP vòng - chất truyền tin thứ hai trong hoạt động của nhiều hormon

Những nghiên cứu đầu tiên của Earl Sutherland trong thập niên 1950 đã đưa đến một tiến bộ lớn trong nhận thức của chúng ta về việc các hormon hoạt động như thế nào ở mức

độ phân tử Mục đích trước tiên là xác định epinephrine (một catechol-amin bắt nguồn từ Tyrosine) và glucagon (một peptit có 29 acid amin) đóng vai trò là những tín hiệu phân giải glycogen, một dạng dự trữ của glucose ở cơ thể động vật xảy ra như thế nào Ông đã phát hiện ra rằng các hormon này liên kết với các thụ thể bề mặt tế bào, khởi đầu cho sự hình thành của AMP vòng (cAMP) – một nucleotit nhỏ bắt nguồn từ ATP Bản thân các hormon không xâm nhập vào tế bào sống mà tất cả các ảnh hưởng của chúng đến tế bào đều được thực hiện thông qua cAMP Như vậy, hormon đóng vai trò là chất truyền tin thứ nhất (từ tế bào này đến tế bào khác) còn cAMP đóng vai trò là chất truyền tin thứ hai (bên trong một tế bào)

CAMP được tổng hợp nhờ chu trình biến đổi ATP: trong đó có vai trò của adenylate cyclase (hình 6.4)

Hình 6.4

Sự tổng hợp và phân giải cAMP nhờ các enzym

Nhóm 3’OH của đường ribose gắn vào nhóm α-phosphoryl của AMP để tạo ra một liên kết 3’, 5’ phosphodieste, cùng với việc giải phóng của pyrophosphate Adenylate cyclase là một protein màng có kích thước 120 kDa với nhiều đoạn chuyển màng, xúc tác cho phản ứng nội phân tử đó Quá trình tổng hợp cAMP, cũng giống như cGMP, là phản ứng thu nhiệt nhẹ (ΔG0’= +1,6 kcal/mol) Năng lượng được sinh ra là do sự thuỷ phân tiếp theo của pyrophosphate dưới sự xúc tác của pyrophosphatase Sự thuỷ phân của cả cAMP

và cGMP đều là những phản ứng toả nhiệt lớn (ΔG0’= −12 kcal/mol)

Người ta đã sử dụng nhiều tiêu chuẩn thí nghiệm để xác định xem cAMP có đóng vai trò như một chất truyền tin thứ hai trong hoạt động của một loại hormon cụ thể hay không

1 Adenylate cyclase trong một tế bào đích sẽ được kích thích bởi các hormon

tác động lên thụ thể tế bào đó Hoạt tính cyclase củacác tế bào không đáp ứng

sẽ không được kích thích khi không bổ sung hormon

2 Sự thay đổi nồng độ cAMP trong tế bào đích sẽ xảy ra trước hoặc cùng thời

điểm cuối cùng của sự kích thích hormon Sự thay đổi về lượng hormon sẽ dẫn tới sự thay đổi về nồng độ cAMP

3 Các chất ức chế phosphodiesterase có thể hoạt động cùng với các hormon làm

cho cAMP như một chất truyền tin thứ hai

4 Sự bổ sung cAMP hoặc một chất tương tự vào các tế bào đích cũng có hiệu

quả sinh học tương tự như của hormon Thực tế cAMP không được sử dụng theo cách này vì lượng cAMP xâm nhập vào tế bào là rất ít Tuy nhiên các dẫn xuất ít phân cực của cAMP như dibutyryl cAMP lại có khả năng thấm vào tế bào, thuỷ phân các liên kết este và giải phóng cAMP

Các thí nghiệm dựa trên các tiêu chuẩn đó đã cho thấy cAMP là một chất truyền tin thứ hai cho rất nhiều loại hormon như epinephrine và glucagon và nhiều loại khác (bảng 6.1)

Bảng 6.1

Các hormon sử dụng cAMP như một chất truyền tin thứ hai STT Các hormon sử dụng cAMP như một chất truyền tin thứ hai

1Canx itonin

2 Chorionic gonadotropin

3 Corticotropin

4Epin ephri ne(a

dren aline) 5Các

on kích thích các

tế bào tạo sắc

tố đen

10 Norepinephrine (noradrenaline) 11Các

Như vậy cAMP có ảnh hưởng rất lớn đến nhiều quá trình diễn ra trong tế bào Ví dụ:

nó phân giải các nhiên liệu dự trữ, tăng sự bài tiết của các acid ở màng dạ dày, dẫn đến sự

phân tán của các hạt sắc tố đen, làm giảm sự ngưng kết tiểu cầu, gây ra sự mở của các kênh ion Cl-

6.2.3 CAMP kích thích sự phosphoryl hoá của nhiều protein đích bởi protein

kinase

cAMP ảnh hưởng như thế nào đến các quá trình diễn ra trong tế bào? Hầu hết sự ảnh hưởng của cAMP tới tế bào sinh vật nhân chuẩn được thực hiện thông qua sự hoạt hoá của một protein kinase duy nhất là protein kinase A (PKA) PKA có 2 chuỗi điều hoà (R) và 2 chuỗi xúc tác (C) Khi không có mặt cAMP thì phức hệ R2C2 ở trạng thái bất hoạt Sự liên kết của cAMP vào chuỗi R sẽ làm giải phóng chuỗi C, phần có hoạt tính enzym lên chính

nó PKA được hoạt hoá sau đó sẽ phosphoryl hoá gốc Serine và Threonine đặc hiệu nhiều protein ở tế bào đích để làm thay đổi hoạt tính của chúng Một vài ví dụ minh hoạ cho điều này là:

1 Trong quá trình trao đổi glycogen: sự phosphoryl hoá của hai enzyme nhờ

PKA đã dẫn đến sự phân giải của glycogen và ức chế sự tổng hợp của glycogen

2 Các tế bào biểu mô có chứa kênh ion Cl- gọi là CFTR Kênh này được mở

nhờ sự phosphoryl hoá một nhân tố đã được hoạt hoá dưới sự xúc tác của PKA ở vùng điều hoà CFTR

3 PKA kích thích sự biểu hiện gen đặc hiệu bằng cách phosphoryl hoá một nhân

tố hoạt hoá quá trình phiên mã được gọi là protein liên kết với nhân tố đáp ứng của cAMP (CREB)

4 Sự truyền qua synap giữa hai nơron thần kinh ở ốc sên biển Aplysia được

tăng cường bởi serotonin - một chất dẫn truyền thần kinh được giải phóng bởi các tế bào bên cạnh Serotonin liên kết vào thụ thể để khởi động cho quá trình hoạt hoá adenylate cyclase Nồng độ cAMP tăng lên sẽ hoạt hoá PKA, khi PKA được hoạt hoá sẽ phosphoryl hoá kênh K+ và làm cho chúng đóng lại Việc đóng các kênh K+ sẽ làm tăng sự kích thích của các tế bào đích

6.2.4 Protein G, tác nhân điều khiển quan trọng cho các tín hiệu qua màng

Bề mặt tế bào được bao bọc bởi hàng trăm các tín hiệu hoá - lý hoạt hoá cho các thụ thể liên kết với màng Các thụ thể đã được hoạt hoá sẽ khởi động một dòng thông tin truyền qua vị trí của các protein cặp đôi Đó chính là protein G Nó được gọi như vậy vì nó liên kết với các nucleotit Guanine là GDP và GTP Chúng có dạng heterotrime (vì chúng được cấu tạo từ ba loại tiểu đơn vị khác nhau) và liên kết với:

• Bề mặt bên trong của màng plasma

• Các thụ thể nhận biết xuyên màng của các hormon, được gọi là các thụ thể

liên kết với protein G (GPCRs)

• Ba tiểu đơn vị tạo ra protein G là: Gα mang vị trí gắn nucleotit, có ít nhất 20

loại Gα khác nhau được tìm thấy trong các tế bào động vật có vú Tiểu đơn vị

Gβ và Gγ

6.2.4.1 Cơ chế hoạt động của protein G

Protein G tồn tại ở dạng hoạt động sẽ gắn với GTP và dạng không hoạt động thì gắn với GDP

Các tiểu đơn vị α liên kết với GTP và thuỷ phân GTP thành GDP Tất cả các dạng đồng phân của tiểu đơn vị α đều là GTPase, mặc dù tỷ lệ thực của quá trình thuỷ phân GTP

là khác nhau từ dạng này sang dạng khác (Carty et al., 1990; Linder et al., 1990) Khi GDP liên kết với tiểu đơn vị α, chúng sẽ kết hợp với βγ để tạo thành dạng heterotrimer không hoạt động Phân tử protein G dạng này cũng có khả năng liên hợp với một thụ thể không hoạt động Khi có mặt của các chất kích thích, thụ thể sẽ bị hoạt hoá và thay đổi cấu trúc rồi được vận chuyển tới tiểu đơn vị α, làm cho ái lực của tiểu đơn vị α đối với GDP giảm xuống, GDP rời khỏi vị trí hoạt động Nhờ đó mà GTP mới gắn vào được tiểu đơn vị α Sự liên kết của GTP đối với tiểu đơn vị α là rất cao vì trong tế bào, nồng độ GTP cao hơn GDP và ái lực của tiểu đơn vị α đối với GTP cũng cao hơn rất nhiều so với GDP Sau khi GTP đã liên kết vào tiểu đơn vị α, nó sẽ tách khỏi các tiểu đơn vị βγ và thụ thể Lúc này protein G là các dimer có hoạt động chức năng vì các tiểu đơn vị β và γ sẽ không bao giờ tách rời khỏi protein G ở dạng bất hoạt trừ khi chúng bị biến tính Khi các tiểu đơn vị α, β,

γ tách rời nhau ra thì chúng sẽ tương tác với các cơ quan cảm ứng (Clapham và Neer, 1993)

Một khi GTP bị phân cắt thành GDP do chính hoạt động của tiểu đơn vị α thì các tiểu đơn vị α, β, γ sẽ liên kết trở lại, trở về trạng thái bất hoạt và quay trở về thụ thể Sự tái hợp này sẽ khoá lại các tiểu đơn vị Vì vậy, mặc dù tiểu đơn vị βγ không liên kết với GTP nhưng sự hoạt hoá của nó lại phụ thuộc vào sự hoạt hoá của tiểu đơn vị α

Hoạt tính GTPase của tiểu đơn vị α được tăng cường nhờ hai enzym cảm ứng, là phospholipase C (Bertein et al., 1992) và cGMP phosphodiesterase (Arshavzky và Bownds, 1992) Trước đây chúng ta vẫn nghĩ rằng chỉ có các chất phân tử lượng thấp, các protein liên kết với GTP dạng monomer như ras là được điều hoà bởi các protein hoạt hoá GTPase (GAPs) (Trahey và Mc Cormick, 1987; Gibbs et al., 1988) Việc tìm ra một yếu tố cảm ứng có thể điều chỉnh hoạt tính GTPase của tiểu đơn vị α có ý nghĩa rằng với mỗi một

Thô thÓ g¾n víi ligand ho¹t hãa

Hình 6.5

Chu kỳ điều hoà của các protein G (theo Strosberg và CS 1996)

yếu tố cảm ứng có thể ảnh hưởng tới thời gian hoạt hoá của chính nó Về mặt nguyên lý thì các yếu tố cảm ứng khác nhau có thể làm như thế với các mức độ khác nhau

Trước đây các nhà khoa học vẫn cho rằng chỉ có tiểu đơn vị α mới làm nhiệm vụ điều hoà các yếu tố cảm ứng, trong khi vai trò của βγ chỉ là để bất hoạt tiểu đơn vị α, kiềm chế tín hiệu và ngăn cản sự nhiễu khi không có sự kích thích hormon (Birnbaumer, 1987; Birnbaumer et al., 1990; Gilman, 1987) Nhưng thực tế thì các tiểu đơn vị βγ cũng có thể điều hoà các cơ quan cảm ứng (kênh muscarinic K+ ở tim) (Logothesis et al., 1987) Như vậy, các yếu tố cơ quan cảm ứng không chỉ được điều hoà bằng các tiểu đơn vị α, hoặc chỉ riêng βγ, mà cả hai yếu tố đều tham gia điều hoà theo các con đường phức tạp khác nhau Khi một cơ quan cảm ứng được điều hoà bởi cả hai tiểu đơn vị thì hoạt động của βγ có thể phụ thuộc vào sự hoạt hoá của α, hoặc cũng có thể quá trình điều hoà của các tiểu đơn vị là hoàn toàn độc lập

Tiểu đơn vị α Tiểu đơn vị βγ