TÍN HIỆU TẾ BÀO
Nội dung • Sự trao đổi thông tin giữa các tế bào • Các loại tín hiệu ngoại bào • Các bước liên quan đến quá trình trao đổi thông tin giữu các tế bào thông qua các tín hiệu ngoại bào • Các loại truyền tin giữa các tế bào (intercellular signalling): • Hormones • Thụ thể tiếp nhận tín hiệu : Receptor và các phần tử gắn Ligand • Các phần tử truyền tin thứ 2 • Giới thiệu một số con đường truyền tín hiệu.
Nội dung • Sự trao đổi thông tin giữa các tế bào • Các loại tín hiệu ngoại bào • Các bước liên quan đến quá trình trao đổi thông tin giữu các tế bào thông qua các tín hiệu ngoại bào • Các loại truyền tin giữa các tế bào (intercellular signalling): • Hormones • Thụ thể tiếp nhận tín hiệu : Receptor và các phần tử gắn Ligand • Các phần tử truyền tin thứ 2 • Giới thiệu một số con đường truyền tín hiệu.
Các loại tín hiệu ngoại bào – Các kích kích thích thích từ từ môi trường: ánh sắng, mùi vị, âm thanh, dinh dưỡng – Từ tế bào phát tín hiệu: hiệu: phân chia, biệt biệt hóa, các phần tử truyền tín hiệu sản sinh bởi các tế bào : peptid, protein, hormone…..
Sự truyền tín hiệu ngoại bào • Các Các phâ phân n tử tử tín tín hiệu hiệu đượ đượcc giải giải phón phóng g bởi bởi các các tế tế bào bào phát tín hiệu • Các Các tín tín hiệu hiệu này này gọi gọi là chất chất gắn gắn ligand • L bám bám vào vào thụ thụ thể thể đặc đặc hiệu hiệu tươn tương g ứng ứng trên trên tế bào bào đíc đích hl • Sự tươn tương g tác tác giữa giữa RL tạo tạo ra ra sự sự tha thayy đổi đổi cấu cấu hìn hình h của của R • Kích Kích thíc thích h sự sự sản sản si sinh nh các các ph phản ứng ứng đáp đáp trả trả đặ đặc hiệu iệu của tế bào
• A cell targeted by a particular chemical signal has a receptor protein that recognizes the signal molecule.
Các bước chính của quá trình trao đổi thông tin giữa các tế bào thông qua các tín hiệu ngoại bào 1. Tổng hợp các phần tử tín hiệu 2. Giải phóng các phần tử tín hiệu bởi các tế bào phát tín hiệu 3. vận chuyển tín hiệu đến tế bào đích 4. Tiếp nhận tín hiệu bởi các thụ thể 5. Phản ứng trả lời của tế bào thong qua các con đường truyền tín hiệu 6. Những thay đổi những thay đổi đặc thù trong chức năng, đồng hoá hay phát triển của tế bào và các điều hoà đáp ứng lại thường đi kèm theo; 7. Bất hoạt các thụ thể receptor 8. Loại bỏ các phần tử tín hiệu
Các loại tín hiệu giữa các tế bào (intercellular signalling):
Hormones – Nhóm ưa lipid: (lipophilic): là các phần tử ưa lipid có kích thước nhỏ, có khả năng khuyêch tán qua màng sinh chất và tương tác với các thụ thể nội bào • Steroid: cortisol, progesterone, estradiol và testosterone) • Thyroxine • Retinoic acid – Tác động chậm – tổng hợp theo nhu cầu, được giải phóng trực tiép từ màng sinh chất – Rất bền vững do bám vào các protein vận chuyển màng
– Nhóm tan trong nước với thụ thể bám bề mặt tế bào • Peptide hormones: insulin, yếu tố sinh trưởng và glucagon • Các phần tử tích điện có kích thước nhỏ: ví dụ epinephrine và histamine, catecholamines là những chất cấu tạo từ amino acids và có chức năng như các hormones và chất dẫn truyền thần kinh. – Tác động nhanh: giây đến vài phút – Tích lũy và giải phóng nhanh thong qua hiện tượng xuất bào – Phân rã nhanh chóng
– Nhóm ưa lipid lien kết với thụ thể bề mặt tế bào • Prostaglandins (eicosanoid super family): ít nhất 16 loại prostaglandins thuộc 9 nhóm khác nhau, gọi là PGA-PGI. Họ eicosonoid hormone còn bao gồm prostacyclins, thromboxanes và leukotrienes.
Cơ chế hoạt động của hormone tan trong lipid • Hormon khuyếch tán qua lớp phospholipid kép vào trong tế bào • Bám vào thự thể, bật /tắt các gen đặc hiệu • Phân tử mRNA mới được hình thành và điều khiển sự tổng hợp protein mới • Protein mới thay đổi các hoạt động của tế
Cơ chế hoạt động của hormone tan trong nước • Khôngthể khuyêch tán quan màng • Hormone receptors là các protein tổ hợp với màng, hoạt động như phân tử truyền tín hiệu thứ nhất • Protein thụ thể hoạt hóa G-protein trong màng
• G-protein hoạt hóa adenylate cyclase để chuyển hóa ATP thành cAMP trong tế bào chất • Cyclic AMP là phân tử truyền tin thứ hai
• Hoạt hóa kinases trong tế bào chất để tăng tốc độ/làm giảm các phản ứng trả lời sinh lý • Phosphodiesterase bất hoạt cAMP một cách nhanh chóng • Phản ứng trả lời tế bào được tắt đi trừ khi hormone mới xuất hiện
Phản ứng trả lời của tế bào
Thụ thể-Receptor – Thụ thể nội bào : là các protein hòa tan định vị trong dịch nhân và tế bào chất, các ligand của receptor nội bào bao gồm: steroid hormones, thyroid hormone, retinoic acid, và các dẫn xuất của vitamin A, D3. Để bám được vào thụ thể, các ligand này phải đi xuyên qua được màng tế bào. – Thụ thể màng tế bào: các thụ thể màng tế bào không thể được khuyêch tán qua màng tế bào. Các tín hiệu bám vào các protein thụ thể trên bề mặt tế bào, chuyển các tín hiệu ngoại bào thành tín hiệu nội bào và sản sinh ra những thay đổi trong tế bào của tế bào.
4 loại thụ thể màng tế bào
Thụ thể lien kết với G-protein: sự bám của chất gắn Ligand (L) hoạt hóa 1 protein G, dẫn đến sự hoạt hay ức chế sau đó một enzyme có chức năng sản sinh ra một phân tử truyền tin thứ 2 đặc thù hoặc điều hòa một kênh ion, gây ra sự thay đổi trong thế màng. Ví dụ: các thụ thể cho epinephrine, serotonin và glucagon.
adenylyl cyclase (AC)
4 loại thụ thể màng tế bào
Thụ thể lien kết với kênh ion: sự gắn của L làm thay đổi cấu hình không gian của thụ thể do đó các ion đặc hiệu có thể đi qua nó; sự di chuyển các ion làm thay đổi thế điện tử qua màng tế bào. Ví dụ thụ thể acetylcholine ở mô lien kết cơ-thân kinh
4 loại thụ thể màng tế bào
Các thụ thể lien kết Tyrosine kinase: các thụ thể này bị mất hoạt động xúc tác vốn có nhưng sự bám của L kích thích sự hình thành các thụ thể nhị phân tử là cấu trúc sau đó sẽ tương tác với và hoạt hóa một hay nhiêu protein-tyrosine kinase trong dịch bào. Thuộc loại này là các thụ thể cho cytokines, interferons và nhân tố điều hòa sinh trưởng ở người.
4 loại thụ thể màng tế bào
Signal transduction Cascade
-receptor tyrosine kinases OR ligand-triggered protein kinases - Các thụ thể với hoạt tính enzyme: một số thụ thể có hoạt động xúc tác được hoạt
hóa bởi sự bám của một L. Ví dụ một số thụ thể sau khi hoạt hóa có thể xúc tác sụ chuyển hóa GTP thành cMP. Một số khác hoạt động như một protein phosphatases, loại bỏ nhóm phosphate từ gốc phosphotyronsine trong protein xúc tác và do vậy biến đổi hoạt tính của chúng. Nhóm này cũng được gọi là thụ thể serine/threonine kinases hoặc receptor tyrosine kinase
Thụ thể liên kết với G-protein – Thụ thể liên kết G protein là nhóm phổ biến nhất trong các thụ thể, được tìm thấy trong mọi loại sinh vật từ nấm men đến người. Sự hoạt hoá thụ thể bởi việc bám với vật gắn gây ra sự hoạt hoá của protein G (coupled trimeric), G protein sau đó sẽ tương tác với các protein truyền tín hiệu downstream. Tất cả các còn đường truyền tín hiệu GPCR đếu có chung các thành phần/yếu tố sau: • một thụ thể có chứa 7 vùng xuyên màng • một cặp protein G gồm 3 phân tử (coupled trimeric G protein) có chức năng như một nút công tác bằng cách quay vòng giữa trạng thái hoạt động và không hoạt động • một protein phản ứng lại kích thích bao quanh màng
Các protein gắn với guanine này được bật lên on khi chúng gắn với GTP và Off khi GTP bị thuỷ phân thành GDP (fig. 3.32). Sự chuyển hoá cảm ứng bởi các tín hiệu từ trạng thái không hoạt động sang trạng thái hoạt động được điều khiển bởi nhân tố trao đổi Guanine nucleotid (GEF), là nhân tố gây ra sự giải phóng GDP từ switch protein. Sự gắn GTP tiếp theo đó được lựa chọn bởi nồng độ nội bào cao của nó liên quan đến ái lực bám gắn, cảm ứng sự thay đổi về cấu trúc không gian trong ít nhất 2 đoạn protêin có tính bảo thủ cao độ, đwocj gọi là switch I và S-II, cho phép protein gắn vào và hoạt hoá các protein tín hiệu ở downstream (Fig. 15-8). Hoạt động bản chất của GTPase của protein sau đó sẽ thuỷ phân liên GTP thanhg GDP và Pi, vì vậy thay đổi cấu hình không gian cảu SI và SII từ dạng hoạt động
GTPase switch protein
Cơ chế
hoạt động của GPCRs
RTKs:
Receptor tyrosine kinase
• là nhóm thụ thể bề mặt tế bào lớn thứ hai sau thụ thể G. Chất gắn cho RTKs là các hormone hòa tan hoặc các protein/peptid bám màng như: nerve growth factor (NGF), platelet-derived growth factor (PDGF), fibroblast growth factor (FGF), epidermal growth factor
(EGF), và insulin. Việc bám của các L vào thụ thể loại này kích thích hoạt tính protein tyrosine kinase của thụ thể dẫn đến việc kích thích tiếp theo các bước truyền tín hiệu dẫn đến sự thay đổi trong sinh lý tế bào hoặc biểu hiện gen.
Các bước truyền tín hiệu và sự khuyếch
đại tín hiệu •
Đặc điểm quan trọng của các chất truyền tin thứ cấp và con đường truyền tín hiệu là khả năng khuêch đại tín hiệu.
•
Việc bám vào các thụ thể bề mặt tế bào thường không hoạt hóa một phân tử enzyme mà khởi động nhiều phân tử enzyme trên màng sinh chất. Sự haọt hóa adenylate cyclase dẫn đến sự sản xuất nhiều cAMP dẫn đến sự khuêch đại thôgn tin sau đó. Các cAMP này lại hoạt hóa rất nhiều kinases có tác dụng phosphoryl hóa nhiều phân tử protein và dẫn đến sự khuêch đại tiếp theo.
• Như vậy sự bám của 1 phân tử tín hiệu với R của nó có thể dẫn đến sự hoạt hóa hàng tră m, hàng nghìn các phân tử enzyme trong tế bào .
Sự khuyêch đại tín hiệu bên ngoài từ một thụ thể bề mặt tế bào
or
“switch protein”kiểu phosphoryl hóa Sự họat hoá hầu hết tất cả các thụ thể bề mặt dẫn đến sự thay đổi trực tiếp hay gián tiếp trong sự phosphoryl hoá protein thông qua sự họat hoá protein kinase, có chức năng thêm nhóm phosphat vào các gốc đặc hiệu hay protein phosphatase có khả năng cắt ở nhóm phosphate. Các tế bào động vật có chưa 2 loại protein kinase: nhóm các enzyme gắn thêm phosphate vào nhóm hydrroxyl trên chất nhận tyrosine và nhóm mà thêm phosphate vào nhóm hydroxyl của serine hoặc threonine (hoặc cả hai). Phosphatase có thể cùng hoạt động với kinase để bất tắt chức năng của các protein khác nhau.
serine (Ser)
threonine (Thr)
H
H
+
H3N
C
COO
+
H3N
C
COO
CH2
CH OH
OH
CH3
Nhiều enzyme được điều hòa bởi liên kết đồng hóa trị của phosphate, trong liên kết ester , với nhóm hydroxyl của một gốc amino acid đặc biệt (serine, threonine, or tyrosine).
O
Protein Kinase Protein
OH + ATP
Protein
O
P
O
+ ADP
O
Pi
H2O
Protein Phosphatase
Một protein kinase chuyển gốc phosphate đầu kết thúc của ANT thành một nhóm hydroxyl trên 1 phân tử protein . Một protein phosphatase hoạt hóa sự loại bỏ của Pi bằng sự thủy phân (hydrolysis).
Sự phosphoryl hóa Phosphorylation có thể thay đổi trực tiếp hoạt động của 1 enzyme, ví dụ thúc đẩy sự thay đổi cấu hình. Hoặc, sự thay đổi hoạt tính có thể là kết quả của việc bám vào một phân tử protein khác mà nhận dạng một cách đặc hiệu một vùng đã được phosphoryl hóa
O
Protein Kinase Protein
OH + ATP
Protein
O
P
O
+ ADP
O
H2O
Pi
Protein Phosphatase
Protein kinases và phosphatases được điều hòa bởi một loạt các tín hiệu phức tạp , ví dụ:
Một số protein kinases được hoạt hóa bởi Ca++-calmodulin.
Protein Kinase A được hoạt hóa bởi cyclicAMP (cAMP).
Các chất truyền tin thứ 2 – Sự bám của các ligand (truyền tin thứ nhất) tới nhiều thụ thể màng tế bào dẫn đến sự tăng tồn tại trong thời gian ngắn (hoặc giảm) trong nồng độ của một số phân tử tín hiệu nội bào có khối lượng phân tử thấp được gọi là các second mesenger chất thông tin thứ cấp. Các chất này sau đó sẽ bám vào các protein khác để biến đổi hoạt động của chúng. – Các loại chất truyền tin thứ 2: • • • • •
3′,5′ -cyclic AMP (cAMP); 3′,5′ -cyclic GMP (cGMP); 1,2-diacylglycerol (DAG); inositol 1,4,5-trisphosphate (IP 3); Ca++
Các loại chất truyền tin thứ 2 phổ biến
cAMP •
Cyclic adenosine monophosphate (cAMP, cyclic AMP or 3'-5'-cyclic adenosine monophosphate) là chất truyền tin thứ hai đóng vai trò quan trong trong nhiều quá trình
của tế bào •
Được sử dụng để truyền các tín hiệu nội bào như là chuyển các tác động của hormone ( glucagon, adrenaline) vốn không đ i xuyên qua được thành tế bào.
•
Liên quan đến sự hoạt hóa protein kinase và điều hòa các tác dụng của adrenaline và
glucagon cũng như điều hòa sự đi qua của Ca== qua các kênh ion
Protein Kinase A (cAMP-Dependent Protein Kinase) chuyển Pi từ ATP thành OH của một Ser or Thr Protein Kinase A ở trạng thái nghỉ là phức hệ gồm : 2 catalytic subunits ( C) và 2 regulatory subunits ( R).
R2C2
Adenylate cyclase là một trong những phân tử trả lời kích thích chính của nhóm GPCR
Một số GPCR được gắn liền với các cổng trao đổi ion
cGMP •
Cyclic guanosine monophosphate (cGMP) là một nucleotid mạch vòng bắt nguồn từ guanosine triphosphate (GTP).
•
cGMP hoạt động như một chất truyền tin thứ hai giống như cAMP, có vai trò hoạt hóa protein kinase trong phản ứng trả lời sự bám vào bề mặt tế bào bởi các peptid hormone không có khả năng thẩm thấu qua màng. Sự tổng hợp cGMP được xúc tác bởi guanylate cyclase (GC), chuyển
•
GTP thành cGMP.
• •
GC bám màng được hoạt hóa bởi peptide hormones ví dụ e atrial natriuretic factor , trong khi GC dnạg hào tan được hoạt hóa bởi nitric oxide NO để
kích thíhc sự tổng hợp cGMP. cGMP đóng vai trò điều hòa các kênh ion, đồng hóa đường, sự tự chết của tế bào, co giãn cơ….
DAG, IP3, Ca++ • inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3) and diacylglycerol (DAG). IP3 và DAG là các sản phẩm của quá trình bẻ gãy phân tử phosphotidylinositol (PI), được sản sinh thông qua sự hoạt hóa các loại thụ thể của nhiều hormone ((GPCRs and RTKs)
Ca++ • Nhiều tín hiệu ngoại bào cảm ứng sự tăng nồng độ Ca++ để điều hòa nhiều chức năng của tế bào: phtá triển phôi, sự bài tiết, co rút cơ…. • Ca++ có thẻ được dùng như một tín hiệu bởi chúng có nồng độ thấp trong tế bào chất và cao trong dịch ngoại bào cũng như ở ER. • Khi một tín hiệu giúp mở kênh Ca++ ở màng sinh chất hoặc mang ER, Ca++ “đổ bộ” vào dịch bào để thực hiện các tác động của chúng.
Giới thiệu một số con đường truyền tín hiệu MAP kinase pathway SAP/JNK pathway p38 pathway ERK pathway NFkB pathway Cell survival pathway Wnt signaling pathway Jak/Stat pathway Smad pathway
Con đường tín hiệu MAP kinase •
•
•
•
•
Hoạt hóa bởi RTK thông quan yếu tố sinh trưởng, hormone Dẫn đến sự hoạt hóa apdaptor protein gọi là Ras-GTPase Ras cảm ứng các bước tín hiệu kinase khởi đầu với 1 kinase gọi là rac và sự hoạt hóa của MAP kinase đạt cực đại Một loạt kinase tham gia vào các bước trung gian Sự hoạt hóa MAPK dẫn đến sự thay đổi vị trí trong nhân và phosphoryl hóa nhiều protein khác nhau, bao gồm cả các yếu tố phiên mã tham gia điều hòa sự biểu hiện gen.
MAPK kinase paths
Stress, cytokines, hormones & mitogens signal
through cdc42/rac
cdc42/rac
– then activates one of three MAPK paths:
p38MAPK:
stress response & apoptosis (MAPKAP(MAPKAP-
Stress Cytokines
Stress Hormones Cytokines
Mitogens Hormones
2, HSP27) JNK:
cdc42/rac
stress response & proliferation (jun ( jun))
Activation of ras/MEK/ERK path: proliferation &
grb2
differentiation
MEKKs
MEK 3/6
JNKK 1/2
p38MAPK
JNK 1/2
ras
raf-1
MEK 1/2
MAPK kinase
transcription factors (nucleus)
MEKKs
MAPKAP-2 HSP27
ATF
ATF
elk
jun elk
ERK 1/2
elk RSK
sos
