Tiểu luận " Hóa sinh học chức năng thông tin "

Chia sẻ: Vominh Tam | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:40

Thêm vào BST

Báo xấu

178
lượt xem 44
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sự sống vốn rất đa dạng và ẩn chứa nhiều điều kỳ diệu, nhưng “tất cả cũng chỉ là những biến thiên vô cùng của bất cứ một hệ thống tổng hợp nào.” Nghiên cứu tế bào đã được con người tiến hành từ xa xưa, cùng với thời gian và sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các bí ẩn của sự sống trong tế bào đó lần lượt được khám phá. Những cấu trúc hiển vi và siêu hiển vi của tế bào đó được làm sáng tỏ. Một cấu trúc quan trọng đóng vai trò quyết định cho mọi hoạt động...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tiểu luận " Hóa sinh học chức năng thông tin "

1 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP Tiểu luận "Hóa sinh học chức năng thông tin"
2 MỤC LỤC MỞ ĐẦU:............................................................................................................... 3 Quy Nhơn, 04 – 2010. ............................................................................................. 4 NỘI DUNG: ........................................................................................................... 5 I. SƠ LƯỢC CẤU TRÚC MÀNG TẾ BÀO THÍCH NGHI VỚI CƠ CHẾ TIẾP NHẬN VÀ TRUYỀN ĐẠT THÔNG TIN. .............................................................. 5 I.1.1. Cấu trúc và sự liên kết của các protein xuyên màng .................................. 6 Hình 2: Cấu trúc protein xuyên màng ................................................................... 7 I.1.2.Vai trò của protein xuyên màng: .................................................................. 7 I.3.1.Vai trò của protein màng: ............................................................................. 9 I.3.2.Tính chất của protein màng:....................................................................... 10 II. HÓA SINH HỌC CHỨC NĂNG THÔNG TIN:........................................... 11 II.1. Một số khái niệm và định nghĩa cơ bản liên quan vớichức năng thông tin: .............................................................................................................................. 11 II.1.1.Thông tin : .................................................................................................. 11 II.1.2. Thụ thể: ..................................................................................................... 11 II.2. Cơ sở hóa sinh học của chức năng thông tin: ............................................. 13 III.CƠ CHẾ HÓA SINH HỌC CHỨC NĂNG THÔNG TIN: .......................... 14 III.1. Sự truyền tín hiệu và các chất nhận ở sinh vật nhân sơ: .......................... 14 Sơ đồ hệ thống điều tiết hai thành phần .............................................................. 15 Hình 4: Cơ chế photphorin hóa tín hiệu của hệ thống 2 thành phần ở vi khuẩn 16 Hình5: Hệ thống 2 thành phần của E.Coli phát hiện sự thay độ thẩm thấu ....... 17 III.2. Sự truyền tín hiệu ở sinh vật nhân thực:................................................... 18 III.2.1. Cơ chế hóa sinh học tổng quát của chức năng truyền thông tin: .......... 18 IV. MỘT SỐ CƠ CHẾ TRYỀN THÔNG TIN Ở SINH VẬT ĐA BÀO ........... 18 IV. 1. Ở động vật: ................................................................................................ 18 IV.1.1. Hệ thống tín hiệu nội tiết:........................................................................ 18 IV.1.1.1. Các hoocmôn steroit ( estradiol, progesterol...): .................................... 19 Hình 6: Sơ đồ hai kiểu chất nhận bảy cầu theo Alberts và CS-1994 ................... 21 Hình 8 : Sơ đồ cấu trúc protein G ........................................................................ 23
3 IV.1.1.3.Thụ thể insulin:...................................................................................... 25 Khái niệm về thụ thể insulin ............................................................................... 25 Hình 9: Sơ đồ quá trình chuyển họa preproinsulin thành insulin....................... 26 Vai trò của thụ thể insulin: ................................................................................. 26 Cơ chế tác động của insulin điều hòa gluco máu: .............................................. 27 IV.1.4. Hệ thống truyền tín hiệu ánh sáng và màu sắc ..................................... 28 Hình10 . Công thức cấu tạo của Retinal .............................................................. 28 IV.1.5. Sự truyền tin giữa kháng thể và kháng nguyên: .................................... 29 IV.1.6. Tín hiệu nhận dạng tế bào lạ: ................................................................ 30 Cơ chế nhận dạng là : .......................................................................................... 30 IV.1.2 . Sự truyền tín hiệu thần kinh: ................................................................. 31 Đối với các tín hiệu thần kinh thì nguyên tắc chung cũng xảy ra tương tự ............. 31 IV.2. Ở Thực vật:................................................................................................. 31 Hiện tượng cảm quang là một chức năng của tế bào. ........................................ 31 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO:.................................................................................. 34 MỞ ĐẦU: Sự sống vốn rất đa dạng và ẩn chứa nhiều điều kỳ diệu, nhưng “tất cả cũng chỉ là những biến thiên vô cùng của bất cứ một hệ thống tổng hợp nào.” Nghiên cứu tế bào đã được con người tiến hành từ xa xưa, cùng với thời gian và sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các bí ẩn của sự sống trong tế bào đó lần lượt được khám phá. Những cấu trúc hiển vi và siêu hiển vi của tế bào đó được làm sáng tỏ. Một cấu trúc quan trọng đóng vai trò quyết định cho mọi hoạt động sống và qua nó mọi hoạt động sống như trao đổi chất, sinh trưởng phát triển, vận động, cảm ứng được xảy ra để duy trì sự sống của tế bào đó là cấu trúc “màng tế bào”. Màng tế bào đã được nghiên cứu từ thế kỷ XVIII nhưng đến đầu thế kỷ XX, nhân loại đã khám phá khá đầy đủ và chi tiết cấu trúc và chức năng của màng. Nhiều nhà khoa học sinh học đã cho rằng nghiên cứu tế bào chính là nghiên cứu màng tế
4 bào. Quả thật, màng tế bào đảm nhận các chức năng quang trọng có tính quyết định sự tồn tại , sinh trưởng, phát triển của tế bào như trao đổi chất qua màng, Ngăn cách khuếch tán thẩm thấu , Cảm ứng , phân cắt và biệt hóa tế bào, thụ cảm, liên kết tế bào tạo mô, định hướng chuyển động, bảo vệ tế bào,… Một trong những chức năng quan trọng của màng tế bào là thu nhận và truyền đạt thông tin nhờ các cơ chế rất tinh vi và chính xác vì “Các tế bào luôn tắm mình trong môi trường nhiều thông tin và tín hiệu”. Để thực hiện chức năng thông tin này, nguyên lý cơ bản của sự sống là tế bào phải có cấu trúc đặc biệt tương ứng thích nghi với cơ chế mà nó đẩm nhận. Vậy cơ chế của quá trình này diễn ra như thế nào, đây hẳn là vấn đề hết sức thú vị mà các nhà khoa học đã từng bước làm sáng tỏ. Để trang bị cho mình một kiến thức nhất định về vấn đề này , được sự cho phép của Thầy giáo giảng viên PGS. TS Lê Dụ tôi nghiên cứu đề tài “ Hóa sinh học chức năng thông tin” dưới hình thức một bài tập tiểu luận Trong giới hạn cho phép của một bài tập cùng với những hạn chế nhất định của bản thân và điều kiện nghiên cứu, chắc hẳn bài tập còn nhiều nội dung chưa được làm rõ….Tôi thành thật kính mong sự góp ý và sửa sai của của Thầy giáo và các bạn cùng học. Quy Nhơn, 04 – 2010.
5 NỘI DUNG: Để thực hiện chức năng thông tin này, màng tế bào có cấu trúc đặc biệt tương ứng. Cấu trúc này thường nằm trên bề mặt tế bào. Cơ quan đảm nhận chức năng này gọi là thụ thể màng hoặc thụ quan bề mặt. Các thụ thể màng có cơ chế hoạt động cụ thể là tiếp xúc, cảm ứng, nhận biết, tiếp nhận liên kết và chuyển tín hiệu đó vào trong hoặc ra ngoài. Như ta đã biết đặc tính của màng là luôn luôn chứa đựng các phân tử protein. Và các protein màng chịu trách nhiệm thực hiện hầu hết các quá trình động học mà màng tế bào đảm nhiệm. I. SƠ LƯỢC CẤU TRÚC MÀNG TẾ BÀO THÍCH NGHI VỚI CƠ CHẾ TIẾP NHẬN VÀ TRUYỀN ĐẠT THÔNG TIN. Hình 1 Như trên đã nêu hóa sinh học chức năng thông tin được thực hiện trên cơ sở protein màng, bao gồm:
6 I.1. protein xuyên màng : protein xuyên màng là những protein liên kết với màng lipid kép phần lớn bằng các liên kết không cộng hóa trị nên có thể rất linh động có thể di chuyển theo chiều ngang của màng tế bào, và thực hiện linh hoạt nhiều chức năng sống khi chúng có thể thay đổi cấu hình không gian của phân tử. I.1.1. Cấu trúc và sự liên kết của các protein xuyên màng Giống như các loại protein thông thường khác, protein màng cũng có các bậc cấu trúc: cấu trúc bậc một, bậc hai, bậc ba và bậc bốn. Protein màng có cả hai loại hình cầu và hình sợi. Các phân tử protein nhô ra phía ngoài màng thường liên kết với các phân tử gluxit tạo thành các glycoprotein. Các glycoprotein này đóng vai trò là các kênh truyền tín hiệu qua màng giữa tế bào này với tế bào khác hoặc trong nội bộ tế bào. Chúng xuyên qua lớp kép lipid của màng và liên kết rất chặt chẽ với lớp kép lipid qua chuỗi acid béo và như vậy chỉ được lấy ra khi đã phá vỡ lớp kép lipid. Nhiều protein trong số chúng là các glycoprotein có chứa các gốc đường nhô ra phía môi trường. Các protein này thường tạo thành các phức hệ protein và có nhiều tiểu đơn vị. Chúng là các enzyme, các thụ thể, chất vận chuyển, chất liên lạc và chất dính kết. Chúng có hai loại là protein xuyên màng một lần hoặc nhiều lần. Chúng có các phần nằm trong màng chứa các trình tự xoắn alpha gồm 20 đến 25 acid amin kỵ nước. Các đoạn trình tự bao gồm các acid amin ưa nước phân tách các đoạn trình tự kỵ nước. Các trình tự ưa nước có xu hướng nhô ra hai phía của màng, tiếp xúc với môi trường nước ở trong tế bào chất và môi trường ngoài. Protein xuyên màng được liên kết cộng hoá trị với các phân tử phospholipid hay glycolipid của màng nên còn được gọi là các protein liên kết với lipid màng. Chúng có diện tích tiếp xúc lớn với môi trường ở hai phía của màng. Có loại protein xuyên qua màng một lần, ví dụ như glycophorin (màng hồng cầu) hoặc xuyên màng nhiều lần như bacterioRhodopsin (màng vi khuẩn) xuyên qua màng bảy lần.
7 Hình 2: Cấu trúc protein xuyên màng Phần protein nằm trong màng là kị nước và liên kết với đuôi kị nước của lớp kép lipid. Các đầu của phân tử protein thò ra phía bề mặt ngoài và bề mặt trong của màng là ưa nước và có thể là các tận cùng nhóm amin hoặc cacboxyl. Các protein xuyên màng thường liên kết với hydratcacbon tạo nên các glycoprotein nằm ở phía ngoài của màng. Ví dụ: Glycophorin là protein xuyên màng một lần tìm thấy ở màng hồng cầu có cấu tạo gồm 131 acid amin. Phần ưa nước là đầu tận cùng amin, nằm ở phía ngoài màng và liên kết với gluxit (hydratcarbon) chứa đến mười sáu mạch bên oligosacarid. Nhiều protein xuyên màng một lần đã được tách chiết và nghiên cứu, một số lớn có vai trò thụ thể ( protein kinase đặc trưng cho tyrosin, thụ thể insulin, nhân tố sinh trưởng biểu bì...) Protein “băng 3” tìm thấy trong màng hồng cầu là một protein xuyên màng mười hai lần, các phần xuyên qua lớp kép lipid bằng các chuỗi xoắn anpha. Protein này bao gồm 930 acid amin và có vai trò rất quan trọng trong chức năng vận chuyển O2 và CO2 của hồng cầu. I.1.2.Vai trò của protein xuyên màng: Protein xuyên màng có các chức năng cơ bản sau:
8 - Chức năng vận chuyển: Các protein xuyên màng tồn tại dưới dạng các bơm ion, bơm proton thực hiện chức năng trao đổi chất qua màng - chức năng cấu trúc chống đỡ như các protein bộ khung tế bào, - chức năng truyền tín hiệu thông tin trao đổi chất và chức năng bảo vệ như các thụ thể màng (receptor) - Chức năng xúc tác: thực hiện hàng loạt chức năng xúc tác cho các phản ứng của quá trình phosphoryl hóa oxy hóa và quang hợp tạo năng lượng cho cơ thể sống. I.2. Các protein ngoại biên: Các protein ngoại biên hình thành các liên kết ion với các cấu trúc màng. Chúng có thể được tách ra khỏi màng dễ dàng bằng cách đưa về pH thích hợp mà không phá vỡ tính nguyên vẹn của màng. Chúng nằm về cả hai phía của màng và cũng thường liên kết với các phần không phải là cấu trúc màng. Các protein này thường liên kết với lớp lipid kép thông qua liên kết cộng hoá trị với một phân tử photpholipid và nằm ở bề mặt ngoài màng sinh chất hoặc bề mặt trong của màng (phía cytosol). Các protein bề mặt ngoài màng thường liên kết với gluxit cộng hoá trị tạo nên các glycoprotein, còn protein bề mặt trong màng phía tế bào chất thường liên kết với các protein tế bào chất như ankyrin và qua ankyrin liên hệ với bộ khung tế bào (Cytoskeleton) tạo ra hệ thống neo màng và điều chỉnh hình dạng tế bào. Các protein xuyên màng tương tác chặt chẽ với các chuỗi lipid màng, và vì vậy chúng chỉ có thể bị phân tách bởi các tác nhân phù hợp với các tương tác không phân cực này. Trái lại, các protein rìa màng liên kết với màng chủ yếu qua các liên kết tĩnh điện và các liên kết hydro. Các tương tác phân cực này có thể vị phá vỡ bởi dung dịch muối hay sự thay đổi pH. Nhiều protein bề mặt màng liên kết với bề mặt của các protein xuyên màng, các protein khác neo vào lớp kép lipid bởi một liên kết cộng hoá trị với chuỗi kị nước, như một acid béo chẳng hạn. Hình 3
9 I.3. Vai trò , tính chất của các protein màng I.3.1.Vai trò của protein màng: Protein trong màng sinh chất chiếm 25 - 75% (trung bình 50%) khối lượng màng. Tuỳ thuộc vào dạng tế bào mà hàm lượng và bản chất các protein có thể khác nhau và thực hiện các chức năng rất đa dạng và phong phú. Đó là các chức năng: cấu trúc, enzym, vận chuyển chất qua màng, thụ thể màng, thu nhận thông tin, ức chế tiếp xúc, miễn dịch,... Có thể nói phần lớn các chức năng sinh học của màng được thực hiện bởi các protein màng. Ở đây, các chức năng có liên quan đến cơ chế tiếp nhận , xử lý và dẫn truyền thông tin bao gồm - Thu nhận và truyền tín hiệu giữa các tế bào và trong nội bộ tế bào: Chức năng này thường do các glicoprotein đảm nhiệm hoặc một số loại đặc biệt như protein G, Rhodopsin của màng võng mạc. − Chức năng miễn dịch: protein màng đóng vai trò là các kháng nguyên bề mặt (CD) và thụ thể (receptor) tế bào, tham gia vào quá trình miễn dịch. − Hình thành các phức hệ enzym tham gia vào các phản ứng hoá sinh của tế bào (ví dụ: phức hệ Cytochrom oxidase trong chuỗi truyền điện tử hô hấp định vị ở màng
10 trong ti thể, phức hệ thu nhận ánh sáng định vị ở màng trong của lục lạp có chức năng vận chuyển điện tử từ các phân tử chlorophyl tới các trung tâm quang hoá). Vì protein màng thực hiện phần lớn các hoạt động của màng cũng như của tế bào nên từ lâu nó đã được coi là đích điều trị bệnh lý tưởng trong y dược học. Bằng việc thay đổi hoạt tính của một protein màng, một tác nhân dược học có thể ảnh hưởng tới sinh lý bên trong của tế bào mà không cần phải được hấp thụ vào bên trong. Thực chất, tầm quan trọng của các protein màng với vai trò là các đích tác dụng có thể được minh chứng bởi cơ chế tác dụng của phần lớn các loại thuốc đang được sử dụng hiện nay. I.3.2.Tính chất của protein màng: Tính chất nổi bật của các protein màng là tính linh động. Các phân tử protein có khả năng chuyển động quay xung quanh vị trí của nó và chuyển dịch trong màng. Bình thường các phân tử protein phân bố ít nhiều đồng đều, nhưng khi có sự thay đổi nào đó của môi trường (ví dụ: hạ thấp độ pH, sự kích thích của các kháng thể, các tín hiệu của hormon hoặc các cấu tử gắn ligand v.v…) thì các phân tử protein sẽ di chuyển tạo nên những tập hợp. Tuy nhiên điều đặc biệt là các protein chỉ quay xung quanh vị trí của nó và không bao giờ quay từ mặt này sang mặt kia của màng. Tính linh động của các protein màng khác nhau một cách rõ rệt. Một số protein linh động gần bằng lipid, trong khi một số khác hầu như không linh động. Ví dụ: protein thụ cảm ánh sáng - Rhodopsin trên màng tế bào võng mạc là một protein rất linh động. Hệ số khuếch tán của nó vào khoảng 0,4 micromet/s. Sự di chuyển nhanh chóng của Rhodopsin rất cần thiết để có được những tín hiệu một cách kịp thời. Các màng khác nhau có thành phần protein màng khác nhau: Ví dụ: Màng myelin quanh các sợi thần kinh nhất định có hàm lượng protein thấp (18%). -Ngược lại, hầu hết màng sinh chất của các tế bào khác có hoạt tính hơn nhiều. Chúng chứa nhiều bơm, cổng và các thụ thể cùng các enzyme. Thành phần protein trong các màng này thường chiếm 50%.
11 - Các màng tham gia vào sự chuyển hoá năng lượng như là màng trong của ty thể và lục lạp có tỷ lệ protein cao nhất, thường là 75%. II. HÓA SINH HỌC CHỨC NĂNG THÔNG TIN: II.1. Một số khái niệm và định nghĩa cơ bản liên quan vớichức năng thông tin: II.1.1.Thông tin : Tế bào phản ứng với ngoại cảnh bằng cách tái tổ chức các cấu trúc của nó, điều tiết hoạt tính protein và thay đổi hình mẫu biểu hiện của gen. Các thông tin kích thích cho những phản ứng trả lời như vậy gọi là tín hiệu. Các tín hiệu đó có thể là các phần tử rất bé, các đại phân tử hay các tác nhân vật lí. Tín hiệu tương tác với tế bào thông qua phân tử chất nhận. Các tín hiệu có trong môi trường xung quanh tế bào bao gồm : -Tín hiệu hóa học: như các hoocmoon, các chất hóa học, các độc tố, các chất kháng sinh : Các tín hiệu hóa học có thể thấm qua màng sinh chất và tương tác với các chất nhận nội bào ví dụ steroit. Tuy nhiên phần lớn các tín hiệu này là các phân tử ưa nước ở bên ngoài tế bào. Những tín hiệu này tương tác với chất nhận xuyên màng hay các chất nhận liên kết với màng gây ra biến đổi cấu trúc chất nhận, giúp chúng thấm được vào bên trong tế bào -Tín hiệu vật lí: như ánh sáng, bóng tối, nhiệt độ, độ PH…: các tín hiệu này có thể tương tác với chất nhận hay tác động trực tiếp ví dụ ánh sáng kích thích ProteinGliên kết với chất nhân rhodopsin và opsin tế bào nón khi photon ( lượng tử) làm cho phân tử nhạy cảm với ánh sáng được tiếp hợp 11-cis retinal biến đỏi tất cả cấu dạng trans. Trái lại phản ứng với sốc nhiệt và stress tương tự được tác đọng trực tiếp như gia tăng protein biến tính trong tế bào. -Tín hiệu sinh học: như vi khuẩn, vi rút các đại phân tử từ tế bào như AND, ARN… II.1.2. Thụ thể: Là các phân tử protein hay lipo protein hay enzim đặc hiệu có khả năng tiếp nhận thông tin . Thụ thể có thể được phân bố trên màng sinh chất, màng nhân, màng các
12 nội quan. Mỗi thụ thể có những đặc trưng về cấu tao riêng, có khả năng thu nhận những tín hiệu phù hợp nhất. Tùy theo vị trí phân bố có thể chia thụ thể thành hai nhóm: thụ thể màng và thụ thể nội bào. Các thụ thể trên màng tế bào có thể chia thành các nhóm theo cơ chế chuyển thông tin mà chúng sử dụng : - Các thụ thể gắn với các kênh: là các kênh ion mà việc mở được điều chỉnh bởi phân tử thông tin. Chúng được sử dụng trong chuyển xung thần kinh giữa tế bào được kích thích điện. - Các thụ thể gắn với protein G : được hoạt hóa hay bất hoạt hóa gián tiếp bởi một enzim liên kết với màng tế bào hay một kênh ion. Các thụ thể, enzim hay kênh ion được gắn kết nhờ chất trung gian là protein thứ ba, protein điều hòa gắn với GTP, còn được gọi là protein G. Các thụ thể liên kết với protein G nói chung họat hóa một loạt những sự kiện làm biến đổi một hay nhiều phân tử thông tin nhỏ giữa các tế bào, thường gọi là những chất trung gian nội bào. Các chất này tiếp đó đến lượt biến đổi cấu trúc những protein mục tiêu của tế bào. Hai chất trung gian nội bào quan trọng nhất là cAMP vòng (cyclic AMP) và các ion Ca++. II.1.3. Chức năng thông tin: Chức năng thông tin bao gồm tiếp xúc, cảm ứng, tiếp nhận , liên kết, và chuyển tín hiệu đó qua màng dẫn đến làm biến đổi bên trong hoặc bên ngoài màng tế bào, hay từ tế bào chất, hay từ không bào  tế bào chất. Như vậy phương thức về mối quan hệ giữa môi trường và tế bào không kèm theo sự dẫn truyền vận chuyển qua màng mà chủ yếu là sự tiếp nhận thông tin mà các tín hiệu từ môi trường. II.1.4.Sự truyền tín hiệu: Sự truyền tín hiệu bao gồm các con đường hoạt hóa theo trình tự các enzim và các chất điều biến ở mức độ các phân tử bé gọi là tín hiệu thứ hai. Điều này cho phép khuếch đại tín hiệu gốc . Con đường truyền tín hiệu trực tiép có thể là hội tụ hay phân hướng , cho phép tăng kích thích để tái sinh các phản ứng tương tự và các tín hiệu riêng biệt để tạo ra các phản ứng trả lời khác nhau với thời gian và cường độ kích thích, và sự tổng hợp đặc hiệu tế bào của các chất nhận khác nhau và các thành phần của tín hiệu. Các con đường truyền tín hiệu là chức
13 năng của mạng lưới điều tiết phức tạp, và phản ứng trả lời phụ thuộc vào sự cân bằng của các lực đối kháng trong tế bào. II.1.5. Sự phân bố tín hiệu: Bao gồm sự hoạt hóa hay ức chế tác nhân phiên mã, enzim và các thành phần cấu trúc tế bào, thường là sự biến đổi trạng thái photphorin hóa của chúng. II.2. Cơ sở hóa sinh học của chức năng thông tin: Phần lớn protein xuyên màng là các Pr vắt qua màng , trong đó phơi ra bề mặt màng , là các protein có hình dạng khớp với những tín hiêụ đặc biệt của những thông tin tương ứng. Đây là điểm cấu tạo của phân tử protein enzim, với 2 kiểu khớp cơ bản : - Khớp hình dạng theo kiểu ổ khóa chìa khóa: Là trường hợp enzim có trung tâm hoạt đọng có cấu hình thương thích với cấu hình cơ chất -Khớp cảm ứng : là trường hợp enzim không có sẳn cấu hình tương thích hay nói khác là không khớp về hình dạng nhưng có khả năng tiếp nhận, bản thân phân tử nhận có khả năng thay đổi cấu hình của mình đế nhận được tín hiệu. Ví dụ: các phân tử hocmon hoặc phân tử các phân tử phi hocmon. Khi hocmon hay vật chất nào đó phi hocmon tác động lên bề mặt tế bào thì phân protein enzim trên bề mặt tế bào cảm ứng với hocmon đó hoặc vật chất phi hocmon đó . Sau khi cảm ứng được rồi thì nó phát sinh ra ái lực để liên kết với nó, liên kết giữa protein với phân tử phát ra tín hiệu là liên kết hóa học phù hợp.Tín hiệu của đầu protein trên màng tế bào gọi là tín hiệu tế bào phù hợp với tín hiệu thông tin của môi trường. Phân tử protein có đầu phơi ra bề mặt màng thường là protein loại glyco protein. Đầu phơi ra đó chính là đoạn polyglucid hoặc poliglucid liên kết với protein ngoại vi. Thành phần này chính là thụ quan hay thụ thể màng. Sau đó, thụ quan ấy liên kết với tín hiệu môi trường, tín hiệu đó làm biến đổi đầu kia của phân tử protein . Sự biến đổi đầu kia của phântử protein dẩn đến kết quả cuối cùng là thay đổi hoạt động tế bào ( Biến đổi này thường là qua trình biến đổi oxi hóa khử sinh học xảy ra trong tế bào hay là sự biến đổi các quá trình oxy hóa khử trong tế bào: hoặc tăng cường theo hưởng phân giải hoặc tăng cường tổng hợp trên cơ sở nhu cầu sự sống của tế bào).
14 III.CƠ CHẾ HÓA SINH HỌC CHỨC NĂNG THÔNG TIN: III.1. Sự truyền tín hiệu và các chất nhận ở sinh vật nhân sơ: III.1.1. Sự truyền tín hiệu: Sinh vật nhân sơ không thể tồn tại, sống sót nếu khong có khả năng phát triển tuyệt vời khả năng cảm thụ môi trường. Chúng có phản ứng với sự hiện các chất dinh dưỡng bằng cách tổng hợp ra các protein liên quan đến sự hấp thụ và trao đỏi các chất dinh dữơng đó. Và vi khuẩn cũng có khả năng phản ứng với tín hiệu không dinh dưỡng cả về tín hiệu hóa học hay vật lí, chẳng hạn như vi khuẩn còn có khả năng hiệu chỉnh sự vân động của nó tùy thuộc vào gradient đang tồn tại về phía ánh sáng, ôxy, độ thẩm thấu, nhiệt độ và hóa chất độc trong môi trường. III.1.2. Các cơ chế cơ bản: Các cơ chế cơ bản làm cho vi khuẩn cảm nhận và trả lời đối với môi trương là chung cho tất cả các hệ thống thụ cảm của tế bào bao gồm: phát hiện, khuếch đại tín hiệu các trả lời tín hiệu thích hợp. nhiều con đường truyền tín hiệu ở vi khuẩn cho thấy sự tồn tại những đơn vị điều biến gọi là chất truyền và chất nhận. Những chất điều biến ấy tạo nên cơ sở của các hệ thống điều tiết hai thành phần. và vi khuẩn sử dụng hệ thống điều tiết hai thành phần này để cảm nhận các tín hiệu ngoại bào. Vậy cơ chế quá trình này như thế nào? Vi khuẩn cảm nhận hóa chất có trong môi trường nhờ một họ nhỏ các chất nhận bề mặt tế bào. Mỗi chất nhận liên quan với một phản ứng trả lời đối với một nhóm cá hóa chất xác định ( phối tử). Protein trong màng sinh chất của vi khuẩn liên kết trực tiếp vào phối tử hay với protein hòa tan vốn đã gắn vào phối tử trong không gian ngoại biên của tế bào chất và vách tế bào. Nhờ vào sự liên kết, protein màng chịu sự biến đỏi cấu dạng để lan truyền qua màng đến miền tế bào chất của protein chất nhận. Sự biến đổi cấu dạng như vậy khởi đầu cho con đường truyền tín hiệu đẫn đến phản ứng trả lời. Phổ lan truyền của các trả lời gồm sự điều tiết thẩm thấu, tính hướng hóa và tạo bào tử đều do hệ thống hai thành phần điều tiết. Hệ thống hai thành phần bao gồm protein cảm thụ và protein điều tiết trả lời. Protein cảm thụ Protein điều tiết trả lời
15 Tín Truyền Tín hiệu Lối vào Chất nhận Lối ra hiệu vào ra Sơ đồ hệ thống điều tiết hai thành phần Protein cảm thụ tìm thấy kích thích ở miền tín hiệu vào và truyền tín hiệu cho miền truyền bằng cách biến đổi cấu hình . Miền truyền của protein cảm thụ sau đóliên kết với chất điều tiết trả lời bằng cách photpho rin hóa protein của miền. Sự phôtphorin hóa miền chất nhận cảm ứng ra sự biến đổi cấu hình làm hoạt hóa miền lối ra và đổi hướng phản ứng trả lời của tế bào. III.1.3. Cơ chế truyền thông tin để phát hiện độ thẩm thấu trong môi trường nhờ sử dụng hệ thồn hai thành phần: Hệ thống hai thành phần tương đối đơn giản ở vi khuẩn E. Coli và vi khuẩn gram - là hệ thống tín hiệu liên quan đén sự cảm thụ độ thẩm thấu. Các loài vi khuẩn trên có hai màng tế bào: màng trong và màng ngoài tách biệt nhau bởi vách tế bào . Màng trong là vật chắn thấm thứ nhất của tế bào. Màng ngoài chứa những lỗ lớn. Lỗ này có được là do trên màng có các protein lỗ. Protein lỗ có hai loại là : - Omp F : tạo ra những lỗ lớn - OmpC: tạo ra những lỗ nhỏ hơn. Khi vi khuẩn E.Coli buộc phải chịu nhiệt độ cao trong môi trường nó tổng hợp nhiều protein OmpC hơn protein OmpF làm xuất hiện những lỗ nhỏ trên màng ngoài. Các lỗ nhỏ này lọc thải các chất tan từ vùng tế bào chất ngoại biên có tác dụng bảo vệ màng trong khỏi tác động của nồng độ chất tan cao trong môi trường bên ngoài. Khi vi kuẩn ở trong môi trường có độ thẩm thấu thấp thì OmpF được tổng hợp nhiều hơn và kích thước trung bình của các lỗ tăng lên. Sự biểu hiện mã hóa hai protein lỗ được hệ thống hai thành phần điều tiết
16 Hình 4: Cơ chế photphorin hóa tín hiệu của hệ thống 2 thành phần ở vi khuẩn Protein cảm thụ EnvZ định cư trong màng trong. Protein có miền tín hiệu vào N- đầu cuối cùng ở vùng sinh chất ngoại biên. Đó là protein phát hiện ra sự thay đổi của độ thẩm thấu trong môi trường nằm giữa hai phân mãnh màng bắc ngang qua và miền truyền tế bào chất C- đầu cuối cùng. Khi độ thẩm thấu của môi trường cao, protein cảm thụ trên màng, EnvZ ( ở dạng nhị phân) tác động như là kinaza tự photphorin hóa histidin. EnvZ đã được photphorin hóa sau đó photphorin hóa chất điều tiết trả lời ( OmpR) vốn cod miền liên kết AND. OmpR đã được photphorin hóa gắn vào gen khởi đầu của hai gen lỗ OmpC và OmpF tăng cường sự biểu hiện của dạng biểu hiện chất ức chế về sau. Khi độ thẩm thấu của môi trường thấp , EnvZ hoạt động như là protein photphataza thay vào kinaza và loại photpho của Ỏmp liên kết với gen khởi đầucủa hai gen lỗ. Sự biểu hiện của OmpC bị ức chế , còn sự biểu hiện của OmpF thì được kích thích. -Khi độ thẩm thấu của môi trường tăng lên, miền tín hiệu vào chịu sự biến đổi của cấu dạng và được truyền qua màng đến miền truyền. Sau đó miền truyền tự photphorin hóa gốc histidin của nó. Gốc photphat đựơc nhanh chóng dẫn đến gốc aspactat của miền nhận của chất điều tiết trả lời OmpR. N- đầu cuối cùng của của
17 OmpR chứa miền liên kết AND. Khi đã được hoạt hóa nhờ photphorin hóa , miền này tương tác với ARN-polimeraza tại gen khởi đầu của các gen lỗ làm tăng sự biểu hiện của gen OmpCvà ức chế biểu hiện của gen OmpR, kích thích sự biểu hiện của OmpF và ức chế sự biểu hiện của OmpC. Theo cách đó, kích thích thẩm thấu được truyền đến các gen. Hình5: Hệ thống 2 thành phần của E.Coli phát hiện sự thay độ thẩm thấu Ngoài ra ở sinh vật nhân sơ còn có cơ chế truyền thông tin có liên quan đến tín hiệu thứ hai. Khi các tế bào trả lời đối với hàng loạt các tín hiệu khác nhau và đòi hoải phải có số lượng khổng lồ các chất nhận. Tuy nhiên vùng phân bố các phản ứng trả lời thì ít hơn nhiều . Nhiều tín hiệu đạt đến bề mặt tế bào làm cho tế hoặc phân chia hoặc rời khỏi chu trình tế bào . Những tín hiệu khác cảm ứng sự biểu hiện của các nhóm gen đặc trưng vốn bảo vệ các tế bào khỏi sốc . Vì vậy, những con đường tín hiệu sớm hội tụ vào một số các mạng các mạng tín hiệu nội bào và điều đó cho phếp các tế bào chuyển đổi thông tin phức tạp đến được bề mặt tế bào thành các tín hiệu hóa sinh đơn gian trong tế bào chất. Những phân tử liên quan đến qúa trình đó gọi là các tín hiệu thứ hai .
18 Các tín hiệu thứ hai thường là các nucleotit mạch vòng như 3’,5’-AMP vòng ký hiệu là 3’,5-cAMP, tương tự còn có 3’,5 cGMP, hoặc lipit hoặc ion canxi… III.2. Sự truyền tín hiệu ở sinh vật nhân thực: Việc điều phối sự phát triển và phản ứng trả lời đối với môi trường của các sinh vật đa bào phức tạp đòi hỏi phải có nhiều cơ chế tín hiệu. Ở động vật : Hai hệ thống tín hiệu chủ yếu là hệ thống thần kinh và hệ nội tiết. Ở thực vật: Thực vật không di chuyển, không có hệ thần kinh, nhưng lại có các hoocmon như là các tín hiệu hóa học. Là cơ thể quang hợp, thực vật có những cơ chế thích nghi với sự sinh trưởng và phát triển của chúng đối với mặt định lượng hay định tính của ánh sáng. III.2.1. Cơ chế hóa sinh học tổng quát của chức năng truyền thông tin: - Sự biến đổi môi trường ngoài hoặc trong ( thường là bên ngoài) tác động trực tiếp đến hocmon. - hocmon xem như nhân tố tiếp nhận (adrenalin, ínulin…) trung gian, hocmon này về nguyên lí có cấu hình khớp với thụ thể màng. - Màng sinh chất (màng tế bào) có các siêu đơn vị thu thể màng (thụ quan) (1), (2) - Bên trong là các siêu đơn vị đồng hành với thụ quan bề mặt (3) - Siêu đơn vị phân giải (4) là yếu tố biến đổi đầu trong của Pr thụ quan nói trên, sự biến đổi này đòi hỏi phải có năng lựợng tác động (ATPADP…AMP).ADP, AMP được xem là chất trung gian thư2 - Tác động của chất trung gian thứ 2 làm biến đổi tế bào như hoạt hóa gen, hoạt hóa E, thay đỏi tính thấm, thay đổi điện thế,… - Qua trình này cần E Phôtphodiesteraga. IV. MỘT SỐ CƠ CHẾ TRYỀN THÔNG TIN Ở SINH VẬT ĐA BÀO IV. 1. Ở động vật: IV.1.1. Hệ thống tín hiệu nội tiết: Sự truyền tín hiệu nội tiết tác động xa do những tuyến chuyên biệt tiết các hoocmon vào máu tác động đến các tế bào khác nhau phân tán trong cơ thể.
19 Sự truyền tín hiệu nội tiết tác đông đến các tế bào kế cận (xung quanh khoảng 1mm) bằng các chất hóa học trung gian cục bộ. Trong mỗi trường hợp, tế bào tiêu điểm đáp lại các tín hiệu ngoại bào đặc hiệu nhờ những protein chuyên biệt gọi là các thụ thể gắn với phân tử thông tin và có phản ứng đáp lại. Nhiều tín hiệu hóa học tác động với những nồng độ rất thấp (< 10-8M) và các thụ thể đặc hiệu của chúng gắn với các phân tử thông tin với ái lực cao. Những tế bào khác nhau có những phản ứng không giống nhau đáp lại cùng một tín hiệu thông tin. Ví dụ: acetylcholine kích thích sự co cơ xương, nhưng nó làm giảm nhịp và lực co cơ tim. Các phân tử thông tin có thể phân loại theo khả năng tan trong nước hoặc không tan trong nước. - Các phân tử thông tin tan trong nước: (chiếm đại đa số) Chúng gắn với những thụ thể trên bề mặt tế bào. - Những phân tử thông tin kỵ nước như các hoocmon tuyến giáp và steriod không tan trong nước, nhưng nhờ gắn với các protein tải đặc hiệu chúng tan trong máu và được chuyển đi xa. Các hoocmon này tan trong lipit, khi được các protein tải phóng thích, chúng dễ dàng ngấm qua màng tế bào tiêu điểm. Có sự khác nhau về thời gian tồn tại của các phân tử thông tin tan trong nước và tan trong lipit. Các phân tử thông tin không tan trong nước khi được phóng thích vào máu chỉ tồn tại trong vài phút, số khác vài giây hay miligiây ngay khi xâm nhập vào khoảng giữa màng tế bào. Các hoocmonsteriod tồn tại trong nhiều giờ, còn hoocmon tuyến giáp thì tồn tại trong nhiều ngày. Tương ứng, các phân tử thông tin tan trong nước gây phản ứng ngắn hạn, còn các phân tử thông tin trong lipit có phản ứng lâu dài hơn. IV.1.1.1. Các hoocmôn steroit ( estradiol, progesterol...): Vai trò của hoocmon steroit: steroit ảnh hưởng trước hết đến quá trình phiên mã, trung tâm chịu tác dụng là nhân tế bào. Hiệu quả sinh học của chúng phụ thuộc vào quá trình sinh tổng hợp protein mới. Do đó thời gian cần thiết để thể hiện kết quả tác dụng tương đối lâu, phải hàng giờ.
20 Cơ chế tiép nhận thông tin: Các hoocmon steroit và các hoocmon cùng họ tác động bằng cách kết hợp với các protein thụ quan đặc hiệu trong bào tương. Tiếp theo, phức hợp hoocmon – thụ quan đi vào nhân tương tác với trung tâm ADN đặc hiệu gọi là các yếu tố đáp lại hoocmon. Sự kết hợp này ảnh hưởng đến sự phiên mã của các gen bên cạnh. Do trung tâm tác dụng của chúng (là nhân tế bào) , các thành viên của mọi protein này cũng gọi là thành viên nhân(nuclear receptors). Hàm lượng thụ quan nhân rất thấp chỉ khoảng104 phân tử trong 1 tế bào. Mỗi protein thụ quan có đomen khoảng 80 gốc tham gia trong việc kết hợp với ADN . Đầu N của đomen này là vùng quan trọng đối với việc khởi động quá trình sao chép . Đômen ở vùng C tham gia liên kết hoocmon và khởi động sao chép. Tất cả các thụ quan của họ này đã được biết đều chứa Zn . Zn có vai trò chủ yếu kết hợp với ADN Ví dụ: Tác dụng của 17-β-estradiol, trước hết nó kết hợp chặt với thụ thụ quan đặc hiệu có trong tế bào chất của các tế bào dạ con . Phức hoocmon – thụ quan này đi vào nhân tế bào. Sau khi kết hợp với estradiol, ái lực giữa thụ quan và ADN tăng lên đáng kể. Tương tác giữa phức estradiol – thụ quan với ADN có tính đặc hiệu cao. Tính đặc hiệu còn thể hiện ở chỗ estron có thể kết hợp với thụ quan nhưng phức này không kết hợp với ADN do đó estron không có tác dụng kích thích tăng trưởng dạ con . IV.1.1.2 Các hoocmon amin và các hoocmon peptit: ( ví dụ như epinephrin, norepinephrin, coocticotropin, glucagon...) Các hoocmon này tác dụng theo cơ chế thông qua chất trung gian AMP vòng (AMPv). Do đó AMPv đươc xem là chất truyền tin thứ hai trong tế bào . Hoocmon là chất truyền tin thứ nhất. Theo cơ chế này , tác dụng của các hoocmon đến tế bào đích được thực hiện như sau: - Trong màng nguyên sinh của tế bào chịu sự tác dụng có chứa thụ quan hoocmon , sẽ kết hợp đặc hiệu với hoocmon . - Sự kết hợp giữa hoocmon và chất nhận làm tăng hoocmonạt độ của ađenilatxiclaz, một enzim gắn trong màng nguyên sinh .