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

67
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
từ những hợp chất hoá học.
Osmoreceptor: thụ cảm với áp suất thẩm thấu.
Voloreceptor: thụ cảm với thể tích.
Trong số các receptor kể trên thì chemoreceptor được nghiên cứu kỹ hơn cả do nó liên
quan nhiều đến quá trình trao đổi chất quan trọng và liên quan đến tác dụng của rất nhiều
hợp chất hoá học trị liệu.
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

68
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
để có được đáp ứng sinh học.
Căn cứ vào vị trí khu trú, người ta phân chia receptor thành hai nhóm: Nhóm các
receptor màng tế bào và nhóm các receptor nội bào.
Những receptor gắn chặt trên màng tế bào, khó có khả năng di chuyển linh động. Bản
chất của các receptor này là các protein xuyên màng, giữ vai trò tiếp nhận thông tin từ các
ligand có bản chất ưa nước, những chất vốn không có khả năng qua màng tế bào. Do
receptor màng không thể di chuyển vào trong tế bào nên những thông tin từ ligand sẽ được
tiếp tục đưa đến đích tác dụng thông qua các chất truyền tin thứ hai hay còn gọi là các chất
truyền tin nội bào như AMP vòng (AMPc), GMP vòng (GMPc) và một quá trình
phosphoryl hoá của hàng loạt protein nội bào.
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.

69
6.2 Th th hormon - Adrenergic, protein G v cỏc cht truyn tin
6.2.1 c im chung v cu trỳc v chc nng
õy l th th gm by chui xon xuyờn mng cú chc nng tip nhn hormon tham
gia hot hoỏ adenylate cyclase thụng qua c ch kt hp vi protein G. Epinephrine
(adrenalin) khi ng quỏ trỡnh hot hoỏ adenylate cyclase bng cỏch gn vo th th -
adrenergic, l mt protein cú kớch thc 64 kDa nm xuyờn by ln ngang qua mng sinh
cht ca cỏc t bo ớch (hỡnh 6.1).

Hỡnh 6.1
Mụ hỡnh th th -adrenergic (theo Gross J. v cng s. 1996
)
Vựng u N ca th th -adrenergic, ging nh rhodopsin, cú cha cỏc oligosacarid
liờn kt vo v trớ N v nm phớa ngoi ca mng t bo. Vựng u C cú cha Serine v
Threonine c phosphoryl hoỏ thun nghch, nh v trong vựng ni bo. Ging nh ỏnh
sỏng tỏc ng lờn quang th th cha retinal, khi epinephrine liờn kt vi th th nm trong
hc gn kt vi hormon trờn mng t bo s to ra kh nng dch chuyn ca receptor
tip cn vi protein G hot hoỏ protein ny. Khi protein G c hot hoỏ s tip cn vi

enzym adenylate cyclase nm trong mng t bo to ra phn ng bin i ATP thnh AMP
vũng. Quỏ trỡnh ny c minh ho s hỡnh 6.2.
Vị trí liên kết
chất truyền tin
Vùng dịch ngoại
bào
màng tế bào
Mảnh tơng
tác với
protein G
Vù h ng dịc
nội bào
Protein G iu khin adenylate cyclase c gi l protein kớch thớch (Gs). Gs ó kớch
thớch adenylate cyclase nh th no? Alfred Gilman ó tinh sch Gs v thy rng nú cú
cha cỏc tiu n v (45kDa), (35kDa) v (97kDa). Trong ú tiu phn cú hot tớnh
GTPase (cú th liờn kt v thu phõn GTP); cũn v s to phc gi cho protein G
bỏm trờn b mt t bo phớa t bo cht.
Ging nh transducin mt protein truyn v khuch i tớn hiu ỏnh sỏng trong c ch
nhỡn, Gs cú s chuyn hoỏ gia dng GTP hot hoỏ adenylate cyclase v dng liờn kt G
vi GDP (G - GDP) thỡ khụng hot hoỏ adenylate cyclase. Khi khụng cú mt ca hormon
thỡ gn nh ton b Gs u dng G - GDP bt hot. S liờn kt ca cỏc hormon vo th
th s khi ng cho s liờn kt ca GTP vo protein G thay th cho GDP: phc hp th
th-hormon liờn kt vo protein G, cm ng s gii phúng GDP ó c liờn kt v cho
phộp GTP th chõn liờn kt vo tiu n v . Tiu phn cú mang GTP (Gs-GTP) c
tỏch ra t tiu n v (G) s hot hoỏ adenylate cyclase. Do vy dũng thụng tin xut
phỏt t phc hp th th-hormon ti Gs ri ti adenylate cyclase (hỡnh 6.2).

Hỡnh 6.2
S hot hoỏ adenylate cyclase nh tớn hiu hormon liờn kt vi th th (theo Horton v CS. 1994).
Khi mt hormon c gn vo th th s lm cho nhiu Gs c to thnh, to ra s

tr li kớch thớch c khuch i. S hot hoỏ adenylate cyclase nh epinephrine v s
hot hoỏ cGMP phosphodiesterase nh rhodopsin ó c quang hot hoỏ l hai quỏ trỡnh
cú c ch ging nhau. Gs v transducin l cỏc thnh viờn ca mt h cỏc protein mang hai
chc nng tớn hiu.
ngoi bo
ni bo

70
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.

Hình 6.3
Sơ đồ
vùng
hoạt
động
chức
năng của
G
s
(theo
Strosberg
và CS.
1996)

Phức hệ thụ thể-hormon cũng cần được làm mất hoạt tính nhờ quá trình phosphoryl

hoá để trở về trạng thái không bị kích thích. Cũng giống như Rhodopsin kinase, β-
adrenergic receptor kinase sẽ tạo ra phosphoryl hoá vùng đầu C của phức hệ thụ thể-
hormon chứ không tác động vào thụ thể khi thụ thể không được kết hợp với hormon. Cuối
cùng, sự liên kết của β-arrestin, một đồng phân của arresin võng mạc, sẽ bao phủ lên thụ
thể đã bị phosphoryl hoá, làm giảm khả năng kích thích cho sự hoạt hoá Gs của nó.
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).

71
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

72
dren
aline)
5Các
horm
on
kích
thích
bao
noãn
6Gluc
agon
7 Lipotropin
8Các
hor
mon
tạo
thể
vàn
g

9Các
horm
on

kích
thích
các
tế
bào
tạo
sắc
tố
đen
10 Norepinephrine (noradrenaline)
11Các
horm
on
tuyến
cận
giáp
12 Các hormon kích thích tuyến giáp
13 Vasopressin
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

73
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.

74
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)