Bài giảng Sinh học tế bào - Chương IV: Màng tế bào và thông tin qua màng

107 trang ngocly 2860

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Sinh học tế bào - Chương IV: Màng tế bào và thông tin qua màng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_sinh_hoc_te_bao_chuong_iv_mang_te_bao_va_thong_tin.ppt

Nội dung text: Bài giảng Sinh học tế bào - Chương IV: Màng tế bào và thông tin qua màng

CHƯƠNG IV MÀNG TẾ BÀO VÀ THƠNG TIN QUA MÀNG
• Tầm quan trọng cấu trúc màng tế bào • Cấu trúc căn bản của màng tế bào • Màng tế bào nhân sơ và nhân thực • Các cấu trúc phía trên màng và các kết nối • Sự vận chuyển thụ động và tích cực • Thơng tin qua màng tế bào : tín hiệu, thụ thể và đáp trả
• Màng tế bào cĩ vai trị quan trọng hàng đầu đối với tế bào, ngay khi xuất hiện tế bào trong tiến hĩa. Tất cả tế bào đều cĩ chung tính chất là cĩ màng tế bào, khơng những nĩ bao tế bào mà cịn duy trì sự khác nhau giữa các ngăn trong tế bào. Đặc biệt, ở tế bào nhân thực nhiều bào quan cĩ cấu trúc màng. Tuy đa dạng, nhưng các màng tế bào cĩ cấu trúc giống nhau là từ lipid và những đặc tính chuyên biệt được xác định do các protein. Màng cĩ tính thấm chọn lọc đối với các chất khác nhau và là nơi tiếp nhận, truyền tín hiệu tạo sự giao lưu thơng tin giữa các tế bào để cơ thể đa bào hoạt động nhịp nhàng và hài hịa trong mối quan hệ với mơi trường.
I. CẤU TRÚC CĂN BẢN CỦA MÀNG TẾ BÀO • Tất cả các loại tế bào từ vi khuẩn đến tế bào người đều được bao bọc bởi một màng ngồi, gọi là màng sinh chất (plasma membrane). Các màng tế bào cĩ vai trị then chốt trong đời sống tế bào. Màng sinh chất bao bọc tế bào, xác định ranh giới, và duy trì sự khác nhau giữa bào tương và mội trường ngoại bào. Bên trong tế bào nhân thực, các màng của lưới nội chất, bộ Golgi, ti thể và các bào quan khác cĩ màng bao duy trì sự khác nhau đặc trưng giữa các cấu phần của bào quan với bào tương.
• Thang nồng độ ion (ion gradient) xuyên màng, được thiết lập bởi các protein chuyên biệt của màng, cĩ thể được sử dụng để tổng hợp ATP, để điều khiển sự vận chuyển qua màng của các chất tan chọn lọc, hay như trong tế bào thần kinh và cơ, để sản sinh và chuyển các tín hiệu điện. Trong tất cả các tế bào, màng sinh chất cũng chứa các protein tác động như các thụ thể (receptors) nhận các tín hiệu ngoại bào, cho phép tế bào thay đổi hành vi đáp lại các tín hiệu mơi trường, bao gồm các tín hiệu từ những tế bào khác; các thụ thể này cĩ thể chuyền thơng tin xuyên màng.
TÍNH CHẤT CỦA MÀNG TẾ BÀO : - Vật cản có tính chọn lọc cao: . - Giới hạn độ lớn của tế bào, tạo không gian nhỏ cô đậm để các phân tử dễ gặp nhau thực hiện phản ứng. - Nền để bố trí hợp lý các cấu trúc theo không gian thành hệ thống. - Bề mặt thực hiện nhiều phản ứng. - Chuyền năng lượng: giữa hai phía của màng khi có sự chênh lệch nồng độ các chất hoặc các ion sẽ tạo thế năng có thể dự trữ hay chuyển đổi năng lượng. • – Thu nhận tín hiệu
Số lượng tương đối của các kiểu màng Phần trăm tổng màng tế bào Tế bào gan * Tế bào tuyến tụy* 1. Màng sinh chất 2 5 2. Lưới nội chất nhám 35 60 3. Lưới nội chất trơn 16 <1 4. Màng bộ Golgi 7 10 5. Ti thể - Màng ngồi 7 4 - Màng trong 32 17 6. Nhân - Màng trong 0,2 0,7 Màng túi tiết Khơng xác định 3 Màng lysosome 0,4 Khơng xác định Màng peroxisome 0,4 Khơng xác định
2. Nền tảng lipid của màng tế bào • Tất cả các màng sinh học cĩ cấu trúc tổng quát chung : mỗi một là màng lipid đơi mỏng và các phân tử protein, gắn nhau chủ yếu bằng các tương tác khơng cộng hĩa trị. Các phân tử lipid chiếm gần 50% khối lượng của phần lớn các màng của tế bào động vật, phần cịn lại hầu như là các protein. Một tế bào động vật nhỏ cĩ khoảng 109 phân tử lipid. Tế bào chứa khoảng 500 – 1.000 loại lipid khác nhau. Các lipid màng gồm 3 nhĩm lớn chủ yếu là phospholipid, cholesterol và glycolipid; và hàng trăm nhĩm nhỏ lipid. Cả ba nhĩm lipid lớn đều lưỡng tính (amphiphile), tức một đầu phân tử kị nước (hydrophobe), cịn đầu kia ưa nước (hydrophile).
• Phospholipid là thành phần cấu trúc chính của màng. Nĩ cĩ đầu phân cực ưa nước và hai đuơi carbohydrate kỵ nước là các acid béo và chúng xếp chặt nhau. • Nhờ tính chất vật lý đặc biệt lưỡng cực, các phân tử phospholipid dễ tự động hình thành tấm 2 lớp trong dung dịch nước : đầu phân cực hướng vào nước cịn đuơi kị nước hướng vào trong với nhau (hình 4.1). Sự hình thành tấm phospholipid 2 lớp là quá trình tự lắp ráp. Một tính chất quan trọng nữa của tấm phospholipid 2 lớp là dù các phân tử đã xếp lớp, các mạch hydrocarbon của chúng vẫn chuyển động thường xuyên.
• Sự di chuyển đĩ tạo cho tấm 2 lớp tính dịng lỏng hai chiều (bi-dimensionel fluid). Tính chất này biểu hiện ở chỗ: các phân tử phospholipid cấu trúc cĩ thể di chuyển ngang dọc theo một phía của màng. Sự dời chỗ của một phân tử lipid cĩ thể đạt 107 lần/giây. Trong các điều kiện bình thường 1 phân tử phospholipid cĩ thể đi ngang qua bề mặt tế bào nhân thực trong vài giây. Các phân tử cĩ thể tự di động ngang hay quay trịn như hình 4.2. Tính chất này của tấm phospholipid 2 lớp cũng cho phép các loại phân tử khác gắn trên nĩ di chuyển theo bề mặt của màng.
• Tấm phospholipid 2 lớp khi ở trạng thái lỏng cịn cĩ nhiều tính chất sinh học quan trọng khác. Chúng khơng để đầu mút bị hở mà tự động khép lại thành túi kín. Tấm 2 lớp lỏng cũng rất mềm dẻo làm cho màng dễ thay đổi hình dạng mà khơng bị vỡ ra. Cuối cùng sự dung hợp màng (membrane fusion) là một hiện tượng quan trọng của tế bào. Các túi lipid cĩ thể nhập vào nhau, khi đĩ các màng 2 lớp nối liền thành tấm liên tục chung của túi lớn. Nhờ đĩ, vật chất từ bộ phận này cĩ thể chuyển sang chỗ khác, như từ các túi tiết dịch đưa ra khỏi tế bào trong hiện tượng xuất bào (exocytosis) và nhập bào (endocytosis) khi đưa những phân tử lớn từ ngồi vào trong tế bào.
3. Cấu trúc của màng sinh chất • Lớp đơi của lipid hình thành phần nền chủ yếu của màng; các lipid phần lớn là phospholipid, nhưng ở sinh vật bậc cao cĩ thêm cholesterol. Tính chất lỏng của màng phụ thuộc vào thành phần cấu tạo màng. Các màng của tế bào sinh vật nhân thực chứa một số lượng đáng kể cholesterol chen vào giữa hai phân tử phospholipid như hình 4.4 và làm tăng tính cứng của màng.
MÀNG TẾ BÀO
• Ngồi ra, cholesterol cịn làm giảm tính thấm của các phân tử tan trong nước, tăng tính mềm dẻo và ổn định cơ học. Cholesterol là một steroid, nĩ cịn giữ vai trị như chất “đệm” của tính lỏng : ở nhiệt độ cao hạn chế sự vận động quá mức của các mạch acid béo, khi nhiệt độ thấp tránh sự gắn kết thành tinh thể. • Các protein đa số dạng cầu, khơng đồng nhất và cĩ sự phân bố thành đốm như hình khảm. Các protein ngoại vi (extrinsic protein) nằm trên bề mặt của màng. Các protein nội vi (intrinsic proteins) gắn vào giữa lớp lipid một phần hay tồn bộ; một số xuyên qua màng và cĩ thể nối với nhau tạo thành kênh xuyên qua màng.
4. Các protein màng tế bào • Mặc dù lớp lipid đơi đảm bảo cấu trúc căn bản của màng sinh học, các protein màng thực hiện phần lớn nhiệm vụ đặc hiệu và như vậy tạo cho mỗi kiểu màng cĩ chức năng riêng biệt. Các protein màng cĩ sự dao động lớn trong cấu trúc và trong cách kết hợp với lớp đơi lipid, mà điều này phản ánh các chức năng đa dạng của chúng. Như vậy, cĩ nhiều protein màng khác nhau cho phép tế bào thực hiện chức năng và tương tác với mơi trường, và theo đánh giá khoảng 30% các protein mã hĩa trong hệ gen (genome) của tế bào động vật là các protein màng.
• Số lượng và các kiểu protein ở các loại màng khác nhau. Ví dụ, ở màng cơ lập dây thần kinh protein ít hơn 25%, cịn ở các màng liên quan đến biến đổi năng lượng (ti thể, lục lạp) cĩ thể đến 75%. Thường trong các màng protein khoảng 50%. Lipid cĩ phân tử lượng nhỏ nên số phân tử của nĩ nhiều hơn protein. Đối với tế bào cĩ 50% protein thì khoảng 50 phân tử lipid cĩ 1 phân tử protein. Các protein nội vi cĩ thể xuyên qua màng một hoặc vài lần và thường đầu kị nước hướng vào trong màng. Các protein cũng gĩp phần làm thay đổi tính chất cơ học của màng.
Các loại protein màng • – Các protein ngoại vi (extrinsic proteins), ở mặt ngồi màng, gắn với các cơ chất hoặc chế biến các đại phân tử cho sự vận chuyển vào trong tế bào. • – Các protein xen màng (integral membrane proteins) cắm sâu giữa màng. • – Các protein gắn màng (membrane-bound proteins) khơng cắm sâu giữa màng, nhưng gắn chặt bề mặt tế bào và ở khoảng giữa hai màng (periplasm). Ví dụ, giữa màng sinh chất và màng ngồi vi khuẩn Gram-âm và một số protein của tế bào chất. • – Các lipoprotein là protein cĩ đuơi lipid gắn vào đầu mút amino acid của protein. Các protein này tương tác trực tiếp với các protein xen màng trong nhiều quá trình quan trọng của tế bào như trao đổi chất năng lượng.
Các protein xen màng gồm các nhĩm căn bản : A) các protein nối màng của những tế bào kề nhau; B) các kênh protein; C) các protein vận chuyển; D) các protein thụ thể (nhận, dịch chuyển tín hiệu); E) các điểm gắn protein tan vào khung sườn tế bào; F) bơm nhờ ATP trong vận chuyển tích cực; G) các enzyme
• Hệ thống sợi nâng đỡ: Ở hồng cầu nhĩm protein dồi dào nhất là Spectrin, một loại protein cĩ sợi dài, mỏng và dẻo, chiếm khoảng 25% khối lượng protein của màng. Các protein này là thành phần căn bản của hệ thống sợi nâng đỡ như khung sườn (cytoskeleton) nằm dưĩi màng tế bào (hình 4.6). Chính hệ thống nâng đỡ của các sợi spectrine này giúp tế bào chống lại tác động bất lợi từ ngồi.
Protein và glycolipid bên ngồi • Tổng các carbohydrate chiếm 2-10% trọng lượng của màng. Phần lớn các protein nằm ở bề mặt ngồi của màng đều gắn với những oligosaccharide bằng liên kết cộng hĩa trị nên được gọi là glycoprotein. • Hầu hết các lipid nằm ở lớp đơn phía ngồi chứa các nhĩm oligosaccharide, gọi là glycolipid. Các glycolipid cĩ lẽ hiện diện ở tất cả màng của tế bào động vật, nơi chúng chiếm khoảng 5% của các phân tử lipid thuộc lớp đơn phía ngồi. Chúng cĩ thành phần giao động từ lồi này sang lồi khác. Các oligosaccharide này nhơ ra trên bề mặt, giữ vai trị trong tương tác giữa tế bào với mơi trường.
Oligosaccharides are linked to proteins and exposed on the cell surface-recognition by proteins from other cells: cell-to-cell signaling
• Nghiên cứu cho thấy glycoprotein và glycolipid là những điểm nhận biết (recognition sites) các tín hiệu và quan hệ giữa các tế bào. Ví dụ, nếu trộn lẫn các tế bào riêng lẻ của gan và thận với nhau trong mơi trường nuơi, chúng sẽ tự động nhận biết nhau để kết lại thành cụm tế bào : gan theo gan và thận theo thận. Sự nhận biết này cĩ ý nghĩa quan trọng trong quá trình phát triển phơi, điều hịa sự tăng trưởng và phân chia tế bào. Một hiện tượng nữa cĩ liên quan đến sự nhận biết là ức chế khi tiếp xúc (contact inhibition) : trong nuơi tế bào, các tế bào bình thường phân chia đến khi tạo một lớp (monolayer) chạm khít nhau thì dừng. Các tế bào ung thư mất khả năng này.
II. MÀNG TẾ BÀO NHÂN SƠ • Màng tế bào và vách tế bào là hai cấu trúc thực hiện các chức năng vơ cùng quan trọng cho tế bào nhân sơ : vận chuyển chất dinh dưỡng (màng) và duy trì áp suất thẩm thấu (vách). Điều quan trọng là các vi sinh vật hấp thu dinh dưỡng trực tiếp từ mơi trường qua vách và màng tế bào.
1. Cấu trúc màng tế bào vi khuẩn thực • Lớp đơi phospholipid là cấu trúc cơ bản chung của các màng sinh học. Đặc tính lớp đơi của màng thể hiện sự sắp xếp ổn định nhất của các phân tử lipid trong mơi trường lỏng. Cấu trúc màng được ổn định nhờ các liên kết hydro và tương tác kị nước. Ngồi ra, các cation Mg2+ và Ca2+ tăng cường sự ổn định nhờ kết hợp với điện tích âm của phospholipid. Các lipid của màng như steroid và hopanoid làm gia tăng độ cứng của màng. Steroid khơng cĩ ở màng tế bào vi khuẩn trừ các nhĩm vi khuẩn metan (methanotrophic) và Mycoplasma. Các chất steroid là các phân tử tạo độ cứng, cịn các acid béo thì mềm dẽo. Các phân tử hopanoid tương tự steroid hiện diện trên màng của nhiều vi khuẩn và cĩ lẽ đĩng vai trị tương tự steroid ở màng tế bào nhân thực Eukaryotae. Một hopanoid phổ biến là C30 hopanoid diplotene. Hopanoid khơng cĩ ở màng tế bào vi khuẩn cổ Archaea.
2. Màng của vi khuẩn cổ • Khác với lipid của Bacteria và Eukarya cĩ các liên kết ester của acid béo gắn vào glycerol, lipid của Archaea cĩ các liên kết ether gắn giữa glycerol với mạch nhánh kị nước của nĩ. Hơn nữa, lipid của Archaea khơng cĩ các acid béo. Thay vào đĩ, các mạch bên của chúng gồm các đơn vị lặp lại là isoprene (hydrocarbon 5 C). Ngồi những khác biệt nổi bậc đĩ, cấu trúc màng sinh chất của Archaea nĩi chung giống với màng của Bacteria và Eukarya : bề mặt ưa nước bên ngồi với bên trong kị nước.
• Glycerol diether và glycerol tetraether là các lipid chủ yếu ở Archaea (hình 4.7). Trong tetraether, phytanyl (4 isoprene nối nhau) mạch bên của mỗi phân tử glycerol nối nhau bằng liên kết cộng hĩa trị tạo màng lipid lớp đơn thay vì lớp đơi (hình 4.8). Cấu trúc màng một lớp đơn kiểu này phổ biến ở các Archaea chịu nhiệt, cĩ thể tăng trưởng ở nhiệt độ rất cao (>100OC).
Diglycerol tetraether Màng lipid đơi và màng lipid lớp đơn
3. Vách tế bào vi khuẩn • Vách tế bào bao phía ngồi màng sinh chất tạo khung vững, cứng cho tế bào, duy trì hình dạng và cĩ lẽ quan trọng hơn cả giúp chống chịu các tác nhân bất lợi, nhất là áp suất thẩm thấu của mơi trường bên ngồi. Độ vững của vách tế bào cĩ được nhờ các tính chất của peptidoglucan, một loại đại phân tử gồm 2 loại đường khác thường gắn với một peptid ngắn với 2 amino acid, chỉ cĩ ở vách tế bào vi khuẩn. Các đường và các peptid nối nhau lại thành một đại phân tử bào tồn bơ màng tế bào. Bình thường tế bào vi khuẩn khơng sống được nếu thiếu vách tế bào.
• Hệ thống phân loại của vi khuẩn dựa vào một phản ứng đặc biệt là nhuộm Gram (tên nhà khoa học Đan Mạch), mà phân biệt 2 nhĩm vi khuẩn chính : Gram-dương hấp thu và giữ lại màu và Gram-âm khơng nhuộm màu. Kết quả dương tính hay âm tính liên quan đến cấu trúc của vách tế bào vi khuẩn • Căn cứ phản ứng nhuộm Gram, lãnh giới vi khuẩn thực phân thành 3 nhĩm chính : vi khuẩn Gram dương, Gram âm và Mycoplasma.
Vách tế bào vi khuẩn Gram-dương (a) và Gram-âm (b). Ở những vi khuẩn Gram âm, tức không nhuộm màu Gram, vách tế bào mỏng lớp peptidoglycan chỉ khoảng 10%. Mặt ngoài lớp peptidoglycan là một lớp dày chiếm tỉ lệ 80% có chứa protein, lipid, lipo-polysacchrid.
• – Vi khuẩn Gram dương: vách tế bào dày cĩ chứa nhiều peptidoglycan (mucopeptid hay murein) với tỉ lệ từ 80% − 90% và teichoic acid. Vì vậy, vi khuẩn Gram dương cĩ màu tím khi được nhuộm kép với fuschin và tím tinh thể. • – Vi khuẩn Gram âm : vách tế bào mỏng gồm 3 lớp : màng tế bào trong cùng, lớp peptidoglucan (chỉ khoảng 10%) và lớp dày ngồi cùng (chiếm 80%) với lippoprotein và lipopolysaccharid tạo phức hợp lipid-polysaccharid. • – Mycoplasma là nhĩm vi khuẩn cĩ kích thước nhỏ nhất, đặc biệt là khơng cĩ vách tế bào. Chúng sống kí sinh ở cơ thể động vật, thực vật và cơn trùng
III. CÁC CẤU TRÚC PHÍA NGỒI MÀNG VÀ CÁC NỐI LIÊN BÀO • Trên bề mặt các tế bào nhân thực cĩ các cấu trúc như vách tế bào thực vật, nền ngoại bào (extracellular matrix - ECM) của tế bào động vật, các nối liên bào (intercellular junctions) hỗ trợ gắn các tế bào với nhau thành những cấu trúc cấp cao hơn. Ở thực vật, nấm và vi khuẩn vách tế bào tách biệt hẳn với màng sinh chất. Vỏ của tế bào động vật khơng cĩ sự tách biệt đĩ, được gọi là glycocalix. Các carbohydrate của nĩ gắn với các phân tử glycoprotein và glycolipid. Các chất này chỉ nằm ở bề mặt bên ngồi tấm lipid 2 lớp.
1. Vách tế bào thực vật • Từ lâu người ta đã phát hiện vách tế bào thực vật, nấm và phần lớn vi khuẩn cĩ vách tế bào, giàu carbohydrate phía ngồi màng sinh chất. • Cấu tạo : Vách tế thực vật nằm ngồi màng sinh chất, nĩi chung khơng được coi là một phần của tế bào chất, tuy nĩ là sản phẩm của tế bào. Thành phần cấu trúc căn bản là phức hợp polysaccharide cellulose dưới dạng các sợi chỉ dài. Các sợi cellulose được gắn với nhau nhờ chất nền của các carbohydrate khác chủ yếu là pectin và hemicellulose. Vách tế bào cĩ nhiều lỗ để nước, khơng khí và các chất hồ tan cĩ thể qua lại tự do. Chức năng cho các chất ra vào thuộc màng sinh chất.
• Phần đầu tiên của vách tế bào xuất hiện khi tế bào cịn non gọi là vách sơ cấp (primary wall). Nếu tế bào tiếp tục tăng trưởng chúng chỉ cĩ vách này. Khi các vách của hai tế bào gặp nhau ở giữa chúng sẽ hình thành phiến giữa (middle lamella) gắn chúng lại với nhau. Pectin dưới dạng pectate calcium là thành phần căn bản của phiến giữa. Nếu pectin bị tan các tế bào gắn vào nhau yếu hơn. Trái cây chín mềm đi do pectin lúc đĩ chuyển sang dạng hồ tan. • Các tế bào mơ mềm của thực vật chỉ cĩ vách sơ cấp và phiến giữa. Sau khi ngừng tăng trưởng, các tế bào lập tức hình thành vách thứ cấp (secondary wall) cứng hơn, cĩ nhiều chất gỗ hơn và các lớp khác của vách tế bào
• Vách thứ cấp cũng do tế bào chất tạo ra nên nĩ nằm giữa vách sơ cấp và màng tế bào. Vách sơ cấp thường dày hơn thứ cấp và gồm nhiều lớp chặt chồng nhau. Các lớp sợi cellulose xếp song song với nhau và lớp này với lớp khác chéo nhau theo gĩc 60o - 90o. Sự sắp xếp như vậy làm tăng độ cứng của vách tế bào. Ngồi cellulose vách thứ cấp thường chứa lignin (mộc tố) làm cứng hơn. • Vách tế bào của cả nấm và vi khuẩn khác với tế bào thực vật ở chỗ khơng phải cellulose, mà chitin mới là thành phần cấu trúc chính. Vỏ tơm cũng chứa nhiều chitin. Một phần của vách tế bào vi khuẩn cịn cĩ murein.
• Chức năng: Vách cellulose - pectic tạo một khung cứng giúp tế bào thực vật cĩ hình dạng tối thiểu và cĩ thể coi như làm bộ xương cho tế bào thực vật, đặc biệt ở tế bào cĩ vách thứ cấp. Ngồi ra, vách cịn là ranh giới ngồi cùng bảo vệ tế bào chống chịu với tác động bên ngồi. Khi thực vật tiến lên mơi trường cạn tác động của mơi trường sống khắc nghiệt hơn thì vai trị của vách tế bào càng lớn.
Vách thứ cấp Hình 4.10. Vách Vách sơ cấp tế bào và phiến giữa các tế bào Phiến giữa kề nhau. Plasmodesmata = nối cầu sinh Khơng bào chất Bào tương Màng sinh chất Vách tế bào
2. Chất nền ngoại bào tế bào động vật • Tế bào động vật khơng cĩ vách cứng, nhưng chúng tạo ra chất nền ngoại bào (extracellular matrix - ECM). • Cấu trúc: Thành phần chủ yếu của ECM là các glycoprotein do tế bào tiết ra. Glycoprotein dồi dào nhất trong ECM của hầu hết tế bào động vật là collagen, mà nĩ tạo ra những sợi chắc bên ngồi tế bào. Trên thực tế, số lượng collagen chiếm khoảng một nữa tổng protein cơ thể người. Các sợi collagen cắm vào mạng lưới đan lại của các proteoglycan (cĩ thể đạt đến 95% carbohydrate). Các phức hợp proteoglycan gồm hàng trăm sợi gắn khơng cộng hĩa trị với một phân tử polysaccharide dài. Một số tế bào gắn vào chất nền ngoại bào bởi các glycoprotein khác như fibronectin. Fibronectin và các protein ECM khác gắn vào các protein thụ thể bề mặt tế bào, gọi là integrin chèn vào màng sinh chất. Ở phía tế bào chất, integrin nối với các vi sợi của khung sườn tế bào.
Các sợi Các phức hợp collagen cắm proteoglycan vào lưới gồm hàng trăm proteoglycan sợi gắn liên FibronectinDịch ngoại bào kết yếu với 1 gắn vào phân tử integrin chèn polysaccharide vào màng dài sinh chất Các Integrin là các protein Màng sinh màng gồm 2 chất tiểu phần Chất nền ngoại bào tế bào động vật
Chức năng: • Chất nền ngoại bào cĩ nhiều chức năng quan trọng cho sự sống tế bào: • - Bộ khung đảm bảo độ cứng cơ học cho tế bào động vật, giúp chống chịu các tác động căng thẳng từ ngồi. Đặc biệt, các tế bào mơ liên kết, như xương và gân, chứa đầy ECM là cơ sở của tính bền vật lý của các tế bào.
Chức năng: • - Điều hịa hành vi tế bào : ECM khơng phải là một khung cơ học thụ động, nĩ cĩ vai trị tích cực và phức tạp trong điều hịa hành vi tế bào của những tế bào chạm nĩ, chứa nĩ, hay trườn qua mạng lưới của nĩ, ảnh hưởng đến sự sống cịn, phát triển, di chuyển, tăng sinh, hình dạng và chức năng. Ví dụ, nĩ cĩ thể ảnh hưởng đến sự di chuyển của một số tế bào trong phát triển phơi hay ảnh hưởng đến hoạt tính các gen trong nhân. • - Gĩp phần hình thành cơ thể đa bào : cùng với các nối liên bào, ECM cũng cĩ vai trị quan trọng trong sự gắn kết các tế bào trong cơ thể đa bào phức tạp.
3. Các nối liên bào • Ở thực vật, các nối liên bào trên màng gồm các nối cầu sinh chất (plasmodesmata) (xem hình 4.10) và kênh tế bào chất (cytoplasmic channels) xuyên qua các vách tế bào kế cận. • Tế bào động vật cĩ các kiểu : nối khít (tight junctions), thể nối liên bào (desmosomes) và nối khe (gap junctions).
Nối khít • Ở kiểu nối này, màng sinh chất của các tế bào kế cận ép và gắn chặt nhau nhờ các protein đặc hiệu. Sự bịt kín quanh các tế bào ngăn khơng cho dịch ngoại bào rị rỉ xuyên qua lớp các tế bào biểu bì. Ví dụ, các nối khít giữa các tế bào da làm nước khơng thấm được qua da vào trong cơ thể.
• Các kiểu nối ở tế bào động vật
Thể nối liên bào cịn gọi là nối neo (anchoring junction) • làm chức năng như đinh tán rive, đĩng chặt các tế bào với nhau thành các phiến chắc. Các sợi trung gian làm các protein keratin cứng cáp neo vào thể nối liên bào trong tế bào chất. Các desmosome gắn các tế bào cơ với nhau trog cơ. Một số “chỗ rách cơ” làm đứt các thể nối liên bào.
Nối khe cịn gọi là các nối liên thơng (communicating junctions), • tạo các kênh tế bào chất từ tế bào này đến tế bào kế cận, cĩ chức năng tương tự plasmodesmata ở thực vật. Nối khe gồm các protein màng bao quanh một lỗ, mà qua đĩ các ion, đường, các amino acid, và các phân tử nhỏ khác cĩ thể đi qua. Các nối khe (Gap junctions) cần thiết cho sự giao lưu giữa các tế bào của nhiều kiểu mơ, gồm cơ tim và trong các phơi động vật.
Tầm quan trọng của những cơ chế gắn kết các tế bào • Các tế bào cĩ thể bám vào nhau qua các mối nối, hay chúng cĩ thể gắn nhau nhờ các chất nền ngoại bào; chúng phải kết lại với nhau nếu chúng hình thành cấu trúc đa bào cĩ mức tổ chức cao hơn như các mơ, cơ quan. Chính các cơ chế của sự cố kết điều khiển cấu trúc của cơ thể đa bào : hình dạng, độ cứng, và sự sắp xếp của các kiểu tế bào khác nhau. • Những mối nối giữa các tế bào thiết lập những con đường giao lưu thơng tin, cho phép chúng trao đổi tín hiệu để điều phối hành vi của chúng và điều hịa các kiểu biểu hiện gen.
• Sự bám vào các tế bào khác và chất nền ngoại bào kiểm sốt sự định hướng của mỗi cấu trúc nội bào. Sự tạo ra và ngắt rời các chỗ bám và sự tạo mẫu của chất nền điều khiển con đường các tế bào di chuyển trong cơ thể, hướng dẫn chúng trong tăng trưởng, phát triển cơ thể và tự hồi phục. Như vậy, bộ máy của các mối nối tế bào, các cơ chế cố kết tế bào và chất nền ngoại bào cĩ ý nghĩa then chốt đối với mỗi diện mạo tổ chức, chức năng, và biến động các cấu trúc đa bào. • Các tế bào cĩ thể kết hợp hàng triệu, hàng tỉ chúng lại với nhau để hình thành cấu trúc to lớn, chắc chắn và ổn định như con voi hay cây cổ thụ cao trăm mét. Các sinh vật đa bào kích thước lớn như vậy thể hiện một kỳ cơng kiến trúc đáng kinh ngạc nhất, mà trong chiến lược xây dựng căn bản cĩ sự tham gia của ECM và các gắn kết tế bào-tế bào (cell-cell adhesions) nối chúng lại với nhau.
• Hơn thế nữa, các cơ chế này cịn giúp các tế bào chống lại các tác động căng thẳng (stresses) cĩ thể được truyền xuyên cấu trúc đa bào. • Một là, nhờ sức bền của chất nền ngoại bào, một mạng lưới phức tạp của các protein và các mạch polysaccharide mà tế bào tiết ra. Hai là, nhờ vào sức bền của khung sườn bên trong tế bào và vào các gắn kết nối các khung sườn của các tế bào kế cận với nhau. Các mơ thực vật cĩ riêng sức bền đến các vách tế bào bao quanh mỗi tế bào. Trong các tế bào động vật, cả hai loại cấu trúc được sử dụng, nhưng mức độ tùy loại mơ.
IV. SỰ VẬN CHUYỂN CÁC CHẤT ĐI VÀO VÀ RA KHỎI TẾ BÀO • Tế bào là một hệ thống hở thường xuyên phải thu nhận năng lượng và vật liệu từ mơi trường bên ngồi cho các hoạt động sống liên tục của mình. Chức năng quan trọng hàng đầu của màng tế bào là điều hồ sự qua lại của các chất giữa trong và ngồi tế bào. Nĩ là vật cản cĩ chọn lọc và định hướng thực hiện chức năng chuyên biệt đĩ. Sự qua lại các chất thực hiện bằng các cách chủ yếu :
• - Sự vận chuyển thụ động gồm quá trình như khuếch tán, thẩm thấu; qua trung gian các protein gồm kênh protein (channel) và transporter (protein vận chuyển). Hai quá trình sau được là thụ động, vì tuy nhờ các protein nhưng các phân tử di chuyển theo hướng từ chỗ nồng độ cao về phía thấp. • - Sự vận chuyển tích cực địi hỏi cung cấp năng lượng để các phân tử di chuyển ngược thang nồng độ : từ thấp lên cao.
1. Khả năng một số chất qua lại màng tế bào
2. Sự khuếch tán và thẩm thấu (osmosis) • Khuếch tán là hiện tượng các phân tử của một chất di chuyển từ vùng cĩ nồng độ cao hơn đến chỗ cĩ nồng độ thấp hơn của chất đĩ. Hiện tượng khuếch tán xảy ra khi các chất ở trạng thái lỏng hoặc khí. Quá trình khuếch tán xảy ra một cách tự động và nhiều chất di chuyển vào và ra khỏi tế bào chỉ nhờ khuếch tán đơn giản. Tốc độ khuếch tán phụ thuộc kích thước, hình dạng của phân tử, vào điện tích của chúng và nhiệt độ.
Sự thẩm thấu (osmosis) • Màng tế bào là vật cản duy trì trật tự hĩa học trong tế bào; sự qua lại màng cần năng lượng tự do. Màng thấm cĩ chọn lọc hay bán thấm khi các phân tử chất này qua được mà phân tử khác thì khơng . • Sự di chuyển của một dung mơi ((nước) qua màng thấm chọn lọc từ chỗ cĩ nồng độ chất cao hơn gọi là sự thẩm thấu (osmosis). Nước sẽ di chuyển từ chỗ nồng độ thấm thấu thấp vào chỗ cĩ nồng độ cao hơn. Nồng độ thẩm thấu phụ thuộc tổng các phần tử hồ tan trong một đơn vị thể tích. Nước di chuyển qua màng bán thấm về phía cĩ nồng độ dung dịch cao hơn do áp suất thẩm thấu. Màng sinh học cĩ tính bán thấm nên sự di chuyển nước qua nĩ cũng theo qui luật thẩm thấu. • Khuếch tán và thẩm thấu rất căn bản cho sự sống của tế bào.
Dung dịch đẳng trương Dung dịch ưu trương Dung dịch nhược trương
• Nếu tế bào rơi vào mơi trường cĩ nồng độ thẩm thấu cao hơn, được gọi là dung dịch ưu trương (hypertonic), nước trong tế bào sẽ đi ra ngồi làm tế bào co lại. Trong dung dịch nhược trương (hypotonic), cĩ nồng độ thẩm thấu thấp hơn tế bào, nước sẽ vào trong tế bào làm căng ra. Dung dịch đẳng trương (isotonic) cĩ nồng độ thẩm thấu bằng với nồng độ tế bào thì tế bào khơng biến dạng. Ví dụ, hồng cầu của máu trong các dung dịch cĩ áp suất thẩm thấu khác nhau sẽ cĩ các biến dạng tương ứng (hình 4.14). Mơi trường sống của nhiều tế bào, nhất là dịch cơ thể, thường đẳng trương.
3. Sự vận chuyển qua trung gian các protein tải • Do bên trong cĩ tính kỵ nước, lớp đơi lipid của các màng tế bào ngăn cản sự đi qua của hầu hết các chất phân cực. Chức năng vật cản đĩ cho phép tế bào duy trì các nồng độ chất tan trong bào tương của chúng khác với trong dịch ngoại bào và trong các ngăn kín nội bào. Tuy nhiên, để thu lợi từ vật cản đĩ, các tế bào đã tiến hĩa tạo những con đường chuyển các phân tử đặc hiệu tan-trong nước và các ion xuyên qua màng của chúng để nội tiêu hĩa (ingest) các chất dinh dưỡng căn bản, bài tiết phế thải trao đổi chất, và điều hịa các nồng độ ion nội bào.
• Các tế bào đã sử dụng các protein xuyên màng được chuyên hĩa cho sự vận chuyển các ion vơ cơ và các phân tử nhỏ tan trong nước đi xuyên qua lớp đơi lipid màng. Tầm quan trọng của sự vận chuyển màng được thể hiện ở số lượng lớn các gen mã hĩa cho các protein vận chuyển, mà chúng đạt đến 15 – 30% của các protein màng ở tất cả các sinh vật. Một số tế bào cĩ vú chuyên biệt dành đến 2/3 tổng tiêu thụ năng lượng trao đổi chất cho các quá trình vận chuyển màng.
Sơ đồ mơ tả các nguyên tắc chung của sự vận chuyển qua màng. Để vận chuyển các chất phân cực (glucose, amino acid) xuyên tấm lipid 2 lớp, các transporter (protein tải) hay mang (carrier) gắn với chúng và tải xuyên màng. Sự vận chuyển qua trung gian này, là sự vận chuyển qua trung gian protein tải (carrier-mediated transport). Hai nhĩm chủ yếu các protein màng làm trung gian :
• – Các transporter di chuyển các phân tử đặc hiệu xuyên các màng và chúng cĩ thể tích cực hay thụ động. Một transporter thay đổi giữa hai cấu hình, sao cho điểm gắn chất tan được sử dụng liên tiếp ở một phía lớp đơi và sau đĩ ở phía khác. • – Các kênh (channels) tạo thành khe hẹp ưa nước (hydrophilic) cho sự di chuyển thụ động, mà qua đĩ chất tan cĩ thể khuếch tán, trước tiên là các ion vơ cơ nhỏ. Dịng chất tan đi qua các protein kênh thì luơn thụ động. • Cả hai tạo ra các con đường protein liên tục xuyên lớp đơi lipid. Các nhân tố giúp cho các chất qua màng như các kênh và transporter (bơm) được gọi chung là permease (chất cho phép).
a. Sự khuếch tán cĩ chọn lọc hay giảm kháng (faciliated diffusion) . .Sự vận chuyển thụ động làm giảm thang nồng độ điện-hĩa xảy ra tự phát, hoặc do sự khuếch tán đơn giản qua lớp đơi lipid hay khuếch tán giảm kháng qua các kênh hay các transporter thụ động. Trường hợp đơn giản nhất là khi cĩ sự chênh lệch nồng độ của chất bên ngồi và bên trong tế bào, màng cho chất khuếch tán về phía cĩ nồng độ thấp hơn. Các kênh của màng là những permease đơn giản nhất chúng mở cho các chất đi qua một cách chọn lọc nhưng thụ động : từ nồng độ cao về phía thấp.
b. Sự vận chuyển tích cực • Ngược lại với sự vận chuyển thụ động, sự vận chuyển tích cực (active transport) địi hỏi đầu vào của năng lượng trao đổi chất và luơn nhờ trung gian transporter thu năng lượng để bơm các chất hịa tan ngược thang nồng độ điện-hĩa. Do vậy, các transporter cịn gọi là các bơm (pumps). Thang nồng độ điện-hĩa kết hợp điện thế màng cĩ thể hoạt động bổ sung làm gia tăng lực đẩy lên ion xuyên màng hoặc cĩ thể tác động ngược cái này với cái kia. Trong vận chuyển tích cực, hoạt tính bơm của transporter là một chiều vì nĩ gắn chặt với nguồn năng lượng trao đổi chất, như thủy giải ATP, ánh sáng hay thang nồng độ ion
Sự vận chuyển tích cực nhờ ATP bơm các chất ngược thang nồng độ
• Quá trình transporter chuyển các phân tử nhỏ tan xuyên lớp đơi lipid giống phản ứng enzyme-cơ chất, và ở nhiều chỗ transporter thể hiện giống các enzyme. Tuy nhiên, ngược với các phản ứng enzyme-cơ chất thơng thường, transporter khơng biến đổi chất tan được chuyển mà thay vào đĩ phĩng thích nĩ khơng tích điện về phía khác của màng. Mỗi kiểu transporter cĩ một hay nhiều hơn các điểm gắn đặc hiệu cơ chất tan của nĩ. Nĩ chuyển chất tan xuyên lớp đơi lipid bằng các biến đổi cấu hình khơng gian thuận nghịch để phơ ra theo cách trái ngược nhau điểm gắn-chất tan đầu tiên ở một phía của màng và sau đĩ ở phía kia.
• Sự vận chuyển này rất quan trọng nĩ giúp đưa vào tế bào các chất cĩ kích thước lớn và khơng tan trong màng. Các bơm cũng vận chuyển các đơn vị cấu trúc trên hormone của các đại phân tử sinh học vào tế bào. • Ví dụ điển hình là bơm Na - Kali. Bơm này giữ vai trị quan trọng trong nhiều quá trình trao đổi chất như duy trì dịng điện thần kinh, cơ và sự hút nước của rễ cây.
Bơm Natri-Kali
• Bơm là một protein đặc hiệu ở màng sinh chất, sử dụng năng lượng ATP để đưa ion Na ra ngồi và bơm ion K vào trong tế bào (h.4.18). Điều đĩ tạo nên sự chênh lệch nồng độ ion ở hai phía của màng. Nồng độ ion K+ bên trong cao hơn 10 lần bên ngồi, cịn nồng độ ion Na+ bên ngồi cao hơn bên trong khoảng 10-15 lần. Do đĩ giữa hai phía của màng hình thành điện thế là cơ sở để chuyển các xung thần kinh. Cơ chế tạo thang điện hĩa (electrochemical gradient) này quan trọng đến mức một số tế bào (như tế bào thần kinh) sử dụng 70% tổng năng lượng trao đổi chất chỉ dành cho một hệ thống bơm này.
• Các transporter cĩ thể kết hợp tính thấm thụ động với sự vận chuyển tích cực tạo những khác nhau lớn trong thành phần bào tương so với dịch ngoại bào hay dịng lỏng bên trong các bào quan. Bằng việc sản sinh ra các khác biệt nồng độ ion xuyên lớp đơi lipid, các màng tế bào cĩ thể tích trữ năng lượng ở dạng thang nồng độ điện hĩa, mà nĩ điều khiển các quá trình vận chuyển khác nhau, truyền tín hiệu điện trong các tế bào bị kích điện, và tạo ra phần lớn ATP của tế bào (trong ti thể, lục lạp, tế bào vi khuẩn).
c. Sự đồng chuyển (cotransport) • Sự đồng chuyển do các kênh phức tạp hơn, tuy vẫn chuyển thụ động, thường chuyển hai chất cùng lúc vào tế bào. Sự vận chuyển cĩ phối hợp này rất quan trọng trong việc đưa glucose là nguồn năng lượng chủ yếu vào tế bào. Trong khi Na+ cĩ nồng độ bên ngồi cao gấp 11 lần, nĩ tạo thuận tiện về áp suất thẩm thấu cho sự đi vào trong. Nhờ đĩ, chúng cĩ thể cùng kéo glucose qua kênh vào tế bào. Như vậy, năng lượng tự do của Na+ được dùng để vượt thang nồng độ nhỏ bất lợi của glucose. Tốc độ vận chuyển Na+ và glucose qua màng quá lớn so với sự giải thích về chênh lệch nồng độ. Ngồi ra, giữa bên trong và ngồi tế bào cịn cĩ thang điện- hĩa học (electrochemical gradient) do bên trong cĩ nhiều ion điện âm, bên ngồi nhiều ion dương. Na+ di chuyển hướng vào điện âm bên trong tế bào
• Ví dụ : Một kiểu điều hịa sự ra vào các chất là sự hình thành các chất phức hợp của tế bào. Ví dụ: khi glucose vào tế bào nhanh, nĩ sẽ kết hợp với một chất khác tạo phức hợp chất mới. Nồng độ glucose tự do sẽ giảm để khỏi cản trở sự xâm nhập tiếp tục của glucose.
4. Nhập bào (endocytosis) và xuất bào (exocytosis) • Trường hợp số lượng các chất lớn mà khơng qua màng được tế bào cĩ quá trình thu nhận tích cực gọi là nhập bào, khi tế bào bao các chất vào một túi tách biệt với màng sinh chất. Các quá trình này đều phụ thuộc vào các protein chuyên biệt và chia làm hai loại: • – Thực bào (phagocytosis): là quá trình bao các hạt hay vật rắn vào tế bào. Ví dụ, các bạch cầu trong máu bao các vật thể nhỏ và tiêu hố. • – Ẩm bào (pinocytosis) là quá trình bao các chất lỏng hay hạt nhỏ. Các giọt lỏng bám vào màng, màng lõm dần vào hình thành túi chứa chất lỏng.
V. THƠNG TIN QUA MÀNG • Sự giao lưu thơng tin (communication) ở cấp độ tế bào cĩ ý nghĩa sống cịn đối với sự sống. Mối quan hệ tế bào-tế bào đặc biệt quan trọng ở các sinh vật đa bào. Hàng tỷ tế bào của cơ thể người và các động thực vật khác đã truyền thơng tin lẫn nhau để thiết lập sự điều phối chính xác và hài hịa cho sự phát triển của cơ thể từ một hợp tử thành các mơ, cơ quan khác nhau, hoạt động sống bình thường và sinh sản tạo thế hệ mới. Một trong những chức năng quan trọng của màng tế bào là tiếp nhận thơng tin nhờ các cơ chế tinh vi, chính xác mà nhiều vấn đề cịn chưa rõ.
1. Các chiến lược truyền thơng tin ở sinh vật đa bào • Sự truyền thơng tin đặc biệt quan trọng và rất phức tạp ở các sinh vật đa bào. Chương trình phát triển cá thể ở các sinh vật này được thực hiện một cách hồn hảo và chính xác cả trong khơng gian lẫn thời gian (đúng nơi, đúng lúc) một phần quan trọng là nhờ thơng tin nội bào và giữa các tế bào. Ở động vật, các phân tử thơng tin ngoại bào thực hiện mối quan hệ giữa các tế bào là những chất trung gian gồm 3 loại chủ yếu theo khoảng cách tác động : nội tiết (endocrine), cận tiết (paracrine) và tự tiết (autocrine).
•Bốn dạng tín hiệu giữa các tế bào. (A) Tín hiệu phụ thuộc- tiếp xúc . •(B) Sự phát tín hiệu cận tiết •(C) Tín hiệu synap giữa các neuron. •(D) Tín hiệu nội tiết :các hormone vào dịng máu phân bố khắp Figure cơ15-4 thể.Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Bốn dạng tín hiệu giữa các tế bào. (A) Tín hiệu phụ thuộc-tiếp xúc (contact-dependent signaling). (B) Sự phát tín hiệu cận tiết (Paracrine signaling) (C) Tín hiệu synap giữa các neuron. (D) Tín hiệu nội tiết (Endocrine signaling) :các hormone vào dịng máu (bloodstream) phân bố khắp cơ thể.
• – Sự truyền tín hiệu nội tiết: do chất nội tiết tác động xa từ những tuyến chuyên biệt tiết ra như các hormone vào dịng máu hoặc dịch ngoại bào tác động đến các tế bào đích khác nhau phân tán trong cơ thể. • – Sự truyền cận tiết: do chất cận tiết tác động đến các tế bào kế cận (xung quanh khoảng 1mm) bằng các chất thơng điệp hĩa học cục bộ (local chemical messagers). Sự vận chuyển chất dẫn truyền thần kinh từ neuron tới neuron (truyền qua sinap (synaptic transmission) là điểm tiếp xúc giữa các tế bào thần kinh.), từ neuron tới tế bào cơ (cảm ứng hoặc ức chế co cơ) xảy ra qua sự phát tín hiệu cận tiết. Nhiều yếu tố tăng trưởng điều hồ sự phát triển ở sinh vật đa bào cũng tác động ở phạm vi gần.
• – Sự truyền tín hiệu tự tiết: Trong sự phát tín hiệu tự tiết, tế bào đáp ứng với chất do chúng tiết ra gọi là chất tự tiết. Một số yếu tố tăng trưởng tác động theo kiểu này và các tế bào nuơi cấy thường tiết ra các yếu tố tăng trưởng để kích thích sự tăng sinh và phát triển của chúng. • 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 (receptor) gắn với phân tử thơng tin và cĩ phản ứng đáp lại. Nhiều tín hiệu hĩa học tác động với những nồng độ rất thấp. Những tế bào khác nhau cĩ thể phản ứng khơng giống nhau đáp lại cùng một tín hiệu thơng tin. Ví dụ, acetylcholin kích thích sự co cơ xương, nhưng nĩ làm giảm nhịp và lực co cơ tim
2. Các phân tử thơng tin ưa nước và kỵ nước • Các phân tử thơng tin cĩ thể phân loại theo khả năng tan trong nước. Đa phần chúng trong nước và gắn với những thụ thể trên bề mặt tế bào. • Những phân tử thơng tin kỵ nước như các hormon tuyến giáp và steroid khơng tan trong nước, nhưng nhờ gắn với các protein tải đặc hiệu chúng tan trong máu và được chuyển đi xa. Các hormon này tan trong lipid, khi được các protein tải phĩng thích, chúng dễ dàng ngấm qua màng của tế bào tiêu điểm
• Cĩ sự khác nhau về thời gian tồn tại của các phân tử thơng tin tan trong nước và tan trong lipid. Các phân tử thơng tin tan trong nước khi được phĩng thích vào máu chỉ tồn tại vài phút, số khác vài giây hay miligiây ngay khi xâm nhập vào khoảng giữa màng tế bào. Các hormon steroid tồn tại nhiều giờ và các hormon tuyến giáp trong nhiều ngày. Tương ứng các phân tử thơng tin tan trong nước gây phản ứng ngắn hạn, cịn các phân tử thơng tin tan trong lipid cĩ phản ứng lâu dài hơn nhiều.
3. Ba giai đoạn truyền tín hiệu : thu nhận, dịch chuyển và đáp trả • Nhĩm của Sutherland đã nghiên cứu phương thức hormone động vật epinephrine kích thích sự phân hủy glycogen dự trữ trong gan và cơ. Ngày nay, quá trình được mơ tả trên sơ đồ đơn giản hĩa như sau : • Thu nhận • Dịch chuyển • Đáp trả
•Con đường tín hiệu nội bào đơn giản hoạt hĩa bởi phân tử tín hiệu ngoại bào. Phân tử tín hiệu thường gắn vào protein thụ thể (receptor) khảm trong màng sinh chất của tế bào mục tiêu (target cell) và hoạt hĩa một hay nhiều hơn các con đường tín hiệu nội bào qua trung gian của hàng loạt các protein tín hiệu (signaling proteins). Figure 15-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
• 1) Thu nhận: khi các tế bào mục tiêu phát hiện tín hiệu (signals) đến từ bên ngồi. Tín hiệu hĩa học coi như “được phát hiện” khi nĩ gắn vào protein tế bào, mà thường là trên bề mặt. • 2) Dịch chuyển (Transduction) : Sự gắn phân tử tín hiệu làm thay đổi protein thụ thể bằng vài cách, do vậy quá trình dịch chuyển bắt đầu. (Transduction cĩ nghĩa là phiên dịch, do vậy cĩ nghĩa khơng đơn giản chuyển tiếp mà gây ra nhiều biến đổi phức tạp phía sau). Giai đoạn dịch chuyển biến tín hiệu thành dạng tạo ra phản ứng đặc hiệu của tế bào. Các phân tử trong con đường này thường được gọi là các phân tử truyền xung (rờ-le hay “cầu nối” - relay molecules).
• 3) Đáp trả : Ở giai đoạn thứ ba, các tín hiệu đã dịch chuyển cuối cùng kích hoạt phản ứng đặc hiệu của tế bào. Phản ứng cĩ thể là bất kỳ hoạt tính nào rất đa dạng của tế bào như xúc tác bởi enzyme làm thay đổi tao đổi chất, tái cấu trúc khung sườn tế bào làm thay đổi hình dạng hay sự vận động của tế bào, hoặc hoạt hĩa các gen đặc hiệu trong nhân. Quá trình tế bào-truyền tín hiệu đảm bảo cho các hoạt tính cốt lõi diễn ra trong đúng tế bào, đúng thời điểm và sự phối hợp hài hịa với các tế bào khác nhau của cơ thể.
Phân tử tín hiệu ngoại bào 1. Thu nhận Protein thụ thể 2. Dịch chuyển Các protein tín hiệu nội bào 3. Đáp trả Các enzyme Các protein Các protein trao đổi chất điều hịa gen khung sườn Thay đổi Thay đổi Thay đổi trao đổi chất biểu hiện gen hình dạng hay vận động
4. Ba nhĩm thụ thể protein trên bề mặt tế bào • Thụ thể (receptor) là một protein xuyên màng cĩ khả năng liên kết với một ligand tại một domain ở phía ngồi tế bào, từ đĩ làm thay đổi hoạt tính của domain tế bào chất. Cĩ thể chia chúng thành 3 nhĩm theo cơ chế chuyển thơng tin mà chúng sử dụng như sơ đồ trên hình 4.24 mơ tả :
• – Các thụ thể gắn với các kênh ion (Ion channel receptors) là những kênh ion mà việc mở được điều chỉnh bởi phân tử thơng tin. Chúng được sử dụng trong chuyển xung thần kinh giữa các tế bào được kích thích điện. • – Các thụ thể xúc tác tác động trực tiếp như các enzyme kinase protein. Hầu như tất cả các thụ thể xúc tác đã biết được đều là protein xuyên màng với một vùng tế bào chất cĩ chức năng của một protein kinase đặc hiệu cho tyrosine. • – Các thụ thể gắn với protein G (G protein-linked receptors) là nhĩm rất lớn các thụ thể bề mặt hoạt hố protein G tam phân (trimeric G). Chúng được hoạt hĩa hay bất hoạt gián tiếp bởi một enzyme liên kết với màng sinh chất hay một kênh ion.
• Các thụ thể và enzyme hay kênh ion được gắn kết nhờ chất trung gian là protein thứ ba, protein điều hịa gắn với GTP (Guanosine-triphosphate) cịn gọi là Protein G. Do vậy, các thụ thể này được gọi là các receptor gắn kết protein G (G protein-couple receptors - GPCR), cĩ ở mọi tế bào nhân thực từ nấm men tới người. Bộ gen người, mã hố cho vài ngàn GPCR. Chúng bao gồm các receptor tham gia hệ thị giác, khướu giác, vị giác; thụ thể của nhiều chất dẫn truyền thần kinh và phần lớn các thụ thể cho các hormone kiểm sốt quá trình biến dưỡng carbohydrate, amino acid và chất béo.
• Các thụ thể liên kết với protein G nĩi chung hoạt hĩa một loạt những sự kiện làm biến đổi một hay nhiều phân tử thơng tin nhỏ giữa các tế bào mà được gọi là những thơng điệp nội bào hay thơng điệp thứ cấp (secondary messagers). Các chất này tiếp đĩ đến lượt biến đổi cấu trúc những protein mục tiêu trong tế bào. Hai thơng điệp thứ cấp quan trọng nhất là cAMP vịng (cyclic AMP) và các ion Ca++.
5. Sự phụ thuộc các tế bào động vật vào nhiều phân tử tín hiệu nội bào • Mỗi kiểu tế bào phơ bày ra một loạt các thụ thể cho phép nĩ đáp trả đến một loạt tương ứng các phân tử tín hiệu tạo ra bởi các tế bào khác. Các phân tử tín hiệu đĩ hoạt động trong các tổ hợp để điều hịa hành vi của tế bào (hình 4.24). Như nêu ở đây, một tế bào riêng lẻ thường địi hỏi nhiều tín hiệu để sống cịn, tăng trưởng và phân bào hoặc biệt hĩa. Nếu mất đi các tín hiệu sống cịn thích hợp, tế bào sẽ phải tự tử được biết như là apoptosis (sự chết tế bào theo chương trình).
sống sĩt (các mũi tên xanh). Tăng trưởng + Phân bào Biệt hĩa. Apoptosis. Figure 15-8 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
6. Các tương tác giữa tín hiệu, ligan và thụ thể • Các phân tử tín hiệu (Signals) ngoại bào điều hồ tương tác giữa các sinh vật đơn bào và cũng là các chất điều hồ chủ chốt của các quá trình sinh lý và phát triển ở sinh vật đa bào. Cả các tế bào nhân sơ và nhân thực đều phải xử lý thơng tin từ mơi trường ngồi và đáp trả một cách thích hợp. Các tín hiệu ngoại bào bao gồm các protein-neo màng và tiết (membrane-anchored and secreted proteins), các peptide, các phân tử nhỏ kỵ nước (như các hormone steroid, thyroxine), các phân tử nhỏ ưa nước dẫn xuất từ các amino acid (như epinephrine), các khí (nitric oxide - NO), và kích thích vật lý (ánh sáng).
Ligand (chất gắn hay phối tử) • là phân tử tín hiệu gắn vào thụ thể. Thụ thể gắn các ligand với tính đặc hiệu đáng kể, mà được xác định nhờ tương tác khơng đồng hố trị giữa ligand và amino acid đặc trưng của protein thụ thể. Sự gắn ligand làm cho thụ thể biến dạng. Ligand khơng tiếp tục tham gia vào con đường này. • Cĩ ít nhất bảy kiểu thụ thể chủ yếu trên bề mặt tế bào, mà ba kiểu thụ thể nghiên cứu tốt ở sinh vật nhân thực phức tạp đã nêu ở trên.
Con đường tín Thụ thể bề mặt hiệu nội bào tế bào Nhân Chức năng protein thay đổi Tổng hợp protein thay đổi Bộ máy tế bào chất thay đổi Hành vi tế bào thay đổi
• Tế bào đáp lại chỉ một ít trong nhiều tín hiệu mà chúng nhận được. Kiểu các tín hiệu mà tế bào sản sinh ra được xác định di truyền. Các tín hiệu bên ngồi cảm ứng 2 kiểu đáp lại của tế bào (hình) • (1) Thay đổi hoạt tính hoặc chức năng của các protein đặc hiệu tồn tại trước đĩ (2) Thay đổi số lượng protein đặc hiệu do tế bào sinh ra, chủ yếu là do thay đổi các yếu tố phiên mã làm hoạt hố hoặc ức chế quá trình này. Nĩi chung, kiểu đáp ứng 1 xảy ra nhanh hơn kiểu 2. Sự phát tín hiệu từ các thụ thể gắn kết-protein G (GPCRs - G protein– coupled receptors) (hình 4.26) thường làm thay đổi hoạt tính protein cĩ sẵn trước đĩ, mặc dù hoạt hố các receptor này ở một số tế bào cĩ thể làm thay đổi biểu hiện gen.
Mặt Ngồi tế bào ngồi Màng tế bào Bào tương Hình 4.26. Sơ đồ cấu trúc chung của receptor gắn kết-protein G.
• Tất cả các thụ thể GPCR đều chứa 7 domain xuyên màng, với đoạn đầu N trên mặt ngồi màng, đầu C nằm trong bào tương của màng sinh chất. Do vậy, chúng được gọi là các thụ thể gắn protein G bảy-trải rộng (seven-spanning G protein-linked receptors) là những protein với bảy vùng xuyên lớp lipid đơi. Ligand gắn vào phía ngồi tế bào và làm biến dạng protein phía tế bào chất. Điều này làm nhơ điểm gắn cho protein G, mà nĩ cũng cĩ điểm gắn cho GTP. Tiểu phần gắn GTP tách ra và di chuyển dọc theo màng cho đến khi gặp protein hiệu ứng (effector), cĩ thể xúc tác nhiều phản ứng, khuếch đại tín hiệu, .
• Cấu tạo của màng sinh chất rất tinh vi và cĩ nhiều tính chất mà các vật liệu do con người chế tạo hiện nay khĩ sánh kịp. Chỉ với vài lớp phân tử màng cĩ tính thấm chọn lọc, tính đàn hồi cao, cách nhiệt, cách điện cao. Ví dụ, màng ti thể dày 8,0 nm chịu điện thế 200 mV tính ra là 200.000 V/cm. Diện tích màng của tế bào rất lớn. Tính ra 6g tế bào gan chuột, cĩ tổng diện tích các loại màng là vài ba trăm m2. Diện tích này đảm bảo mặt bằng rộng cho nhiều quá trình trao đổi chất trên màng tế bào. Bề mặt tế bào khơng những phân biệt các chất khác nhau mà cịn nhận biết lẫn nhau, cĩ quan hệ khi tiếp xúc lẫn nhau. Các màng cịn cĩ ảnh hưởng đến các quá trình trao đổi chất.