BÀI GIẢNG CƠ CHẾ THÔNG TIN SINH HỌC

CHƯƠNG III

MOLECULAR BIOLOGY OF THE CELL

CƠ CHẾ THÔNG TIN SINH HỌC
BIOLOGICAL COMMUNICATION MECHANISM

TS. ĐỖ HIẾU LIÊM


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
2


(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
học của tế bào:
-Sự tồn tại (sống sót)
-Sự phát triển và phân chia
-Sự biệt hóa
-Sự chết

Hình 1. Các tiến trình sinh học

3


Hình 2. Sự đáp ứng phân tử thông tin giản đơn
ở tế bào đích
4


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 (Ca2+ICF), phophatidyl inositol diphosphate (PIP2), IP3
(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)
• Tín hiệu tiếp hợp (synaptic signals)
5


Hình 3. Các loại tín hiệu và các kiểu thông tin
6


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”

7


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

8


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

Nguồn gốc

Cấu tạo

Chức năng

EGF

Các tế bào

Protein

Tăng sinh tế bào biểu mô

PDGF

Tiểu cầu

Protein

Tăng sinh tế bào

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

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

Nguồn gốc

Cấu tạo

Chức năng

Protein delta

Neuron, phôi bào

Protein

Ngăn chận biệt hoá neuron phôi
9

3.2.3. Receptors
(1). Receptor có tính nhạy và tính đặc hiệu với các phân tử
thông tin ngoại bào (ESM)
(2). Phân loại
a. Dựa vào vị trí
• 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).
10


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 4. Receptor nhân

11

Hình 5. Các loại receptor màng tương tác ISM

12


Hình 6. Receptor nội bào điều hòa quá trình biểu hiện gene

13


Hình 7. Cơ chế điều hóa quá trình sao chép gene
của receptor nhân

14


3.2.4. Gap junction
- Gap junction (mối nối hở) là kênh protein trên màng liên kết
phần tế bào chất giữa các tế bào biểu mô lân cận (lớp biểu mô).
- Kênh cho phép trao đổi các ion và các phân tử nhỏ tan trong
nước giữa các tế bào  trao đổi trực tiếp các phân tử thông tin
nội bào (ISM) - thông tín viên thứ hai (Ca2+, c.AMP...)

Hình 8. Cell adhension
molecules

15


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

16


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 10. Các kiểu đáp ứng acetyl choline ở mô cơ

17


YẾU TỐ KÍCH THÍCH

c.AMP 
học



Hiệu ứng sinh

Sự biến dưỡng

Hiệu quả

RH

TARGET CELL

Hor.1

TNT

Hor.2
Thông tín viên
thứ nhất

ATP

A.C
c.AMP

Thông tín viên thứ hai

Hình 11. Thuyết thông tín viên thứ hai (Sutherland, 1975)
18


Hình 12. Cơ chế điều hành thông tin nội tiết
(Negative and possitive feedback mechanism)
19


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
(GPCRs-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 (4045kD), subunit β (37kD), và subunit γ (8-10kD).
• Có 20 loại Gα khác nhau được phân thành nhiều họ Gα:
-Gαs hay Gs (stimulatory), Gαi hay Gi (inhibitory), Golf
(olfactory-khứu giác) kết hợp với olfactory receptor ở niêm
mạc mũi, Gt (transducin) chuyển đổi các tín hiệu thị giác với
chất cảm quang rhodopsin ở lớp võng mạc.
-Subunit α có vai trò GTPase
20


Hình 13. Protein G

21


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)

Hình 14. Nhóm protein “công tắc”

Nhóm phosphoryl hóa: enzyme protein kinase và phosphatase
Nhóm liên kết GTP: protein liên kết GTP hay GTPase
22

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 10-7M 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 GPCRs.
Hình 15. Phản ứng tổng hợp và
phân giải c.AMP
23


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

Hormone

Tác động sinh học

Tuyến giáp

TSH

Tổng hợp và phân tiềt

thyroxine

Vỏ nang thượng thận

ACTH

Phân tiết cortisol

Buồng trứng

LH

Phân tiết progesterone

Mô cơ

Adrenaline

Phân giải glycogen cơ

Xương

Parathyroid hormone

Tái hấp thu chất xương

Tim

Adrenaline

Tăng co thắt cơ tâm

Gan

Glucagon

Phân giải glycogen gan

Thận

Vasopressine

Tái hấpthu nước

Mô mỡ

Adrenaline, ACTH, TSH, glucagon

Phân giải triacylglycerol

24


Protein G (Gαs và Gαi) cùng với Ca2+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
kinase kiểm soát tổng hợp enzyme
25