Sinh Học Tế Bào
Đáp ứng tín hiệu trong tế bào
- Chi tiết bài viết
- Bài viết liên quan
Tế bào luôn phải tiếp nhận và xử lý những tín hiệu từ môi trường ngoại bào để đáp ứng những thay đổi tức thời đang diễn ra xung quanh. Mỗi tế bào có thể tiếp nhận cùng lúc nhiều tín hiệu rồi tổng hợp tất cả các thông tin đó để đưa ra phương án đáp ứng. Tế bào không chỉ là nơi nhận tín hiệu, mà còn có thể gửi “thông báo” đến các tế bào gần hoặc xa.
Tế bào tiếp nhận những loại tín hiệu nào?
Hầu hết các tín hiệu của tế bào là các chất hoá học. Sinh vật nhân sơ thường có các bộ phận cảm biến để nhận biết các chất dinh dưỡng và điều hướng tới nguồn thức ăn. Đối với sinh vật đa bào, các tín hiệu hoá học của tế bào thường là các yếu tố tăng trưởng, các loại nội tiết tố, các tín hiệu dẫn truyền thần kinh và các thành phần kết cấu ngoại bào. Các loại tín hiệu này có thể tác động cục bộ hoặc được lan truyền đi rất xa. Ví dụ, các tín hiệu dẫn truyền thần kinh được xếp vào loại tín hiệu ngắn, được truyền qua lại giữa những tế bào thần kinh nằm cạnh nhau hoặc giữa tế bào thần kinh với tế bào cơ. Có những tín hiệu phải được truyền đi rất xa mới tới đích. Một ví dụ tiêu biểu là ở động vật có vú, nội tiết tố kích thích rụng trứng được truyền từ não đến buồng trứng để kích thích trứng rụng.
Một số tế bào có thể nhận biết và đáp trả các kích thích cơ học. Ví dụ, các tế bào cảm giác ở da có thể phản ứng với áp lực của động tác sờ, chạm. Các tế bào ở tai có thể phản ứng lại những chuyển động của sóng âm. Hay các tế bào chuyên biệt trong hệ thống mạch máu có khả năng nhận biết sự thay đổi của huyết áp nhằm ổn định áp lực lên tim.
Làm thế nào tế bào nhận biết các tín hiệu?
Tế bào có các protein thụ thể (receptors) kết hợp với các phân tử tín hiệu để bắt đầu các đáp ứng sinh lý. Các loại thụ thể có tính đặc hiệu với từng loại phân tử. Ví dụ thụ thể dopamine chỉ kết hợp được với phân tử dopamine, thụ thể insulin kết hợp với insulin, các thụ thể yếu tố tăng trưởng thần kinh kết hợp với các yếu tố tăng trưởng thần kinh, v.v… Có hàng trăm loại thụ thể được tìm thấy trong tế bào. Số lượng các loại thụ thể khác nhau ở từng loại tế bào. Một số loại thụ thể có thể đáp ứng trực tiếp với ánh sáng hoặc áp suất giúp tế bào cảm ứng những thay đổi trong không khí.
Các thụ thể thường là các protein xuyên màng, bám vào các phân tử tín hiệu bên ngoài tế bào, sau đó truyền dẫn tín hiệu thông qua một chuỗi các phản ứng chuyển đổi phân tử thành các tín hiệu nội bào. Các thụ thể màng tế bào được chia thành 3 loại: thụ thể phối hợp G-protein (G-protein-coupled receptors), thụ thể kênh ion (ion channel receptors) và thụ thể liên kết enzyme (enzyme-linked receptors). Sự phân loại và tên gọi trên dựa vào cơ chế mà các thụ thể chuyển hoá các tín hiệu ngoại bào thành nội bào, như là thông qua hoạt động của protein, thông qua đóng mở kênh ion, hay hoạt hoá enzyme. Nhờ các thụ thể màng tế bào có khả năng tương tác với cả tín hiệu ngoại bào lẫn nội bào, nên các phân tử tín hiệu có thể gây ảnh hưởng lên chức năng của tế bào mà không cần phải được chuyên chở vào bên trong tế bào. Đó cũng bởi vì hầu hết các phân tử tín hiệu có kích thước rất lớn hoặc rất phân cực (charged) không thể đi qua màng sinh chất của tế bào (Hình 1).
Không phải tất cả các thụ thể đều hiện diện ở phía ngoài của tế bào. Có vài loại có mặt ở sâu bên trong tế bào hoặc ở cả trong nhân tế bào. Những thụ thể này bám vào các loại tín hiệu có khả năng đi xuyên qua màng sinh chất (các loại khí như N2O hay các loại hormone gốc steroid như estrogen).
Làm thế nào tế bào đáp ứng với các tín hiệu
Khi protein thụ thể tiếp nhận một tín hiệu, nó thay đổi cấu trúc và bắt đầu một chuỗi các phản ứng sinh hoá bên trong tế bào. Những đường truyền tín hiệu nội bào này, còn được gọi là các chuỗi truyền dẫn tín hiệu (signal transduction cascade), sẽ khuyếch đại thông tin, và tạo ra nhiều tín hiệu nội bào khác.
Sự kích hoạt các protein thụ thể có thể kích hoạt quá trình tổng hợp các phân tử nhỏ, được gọi là “người đưa tin” thứ cấp (second messenger), giúp khởi xướng và phối hợp các đường truyền tín hiệu nội bào. Ví dụ, AMP vòng (cAMP) tham gia vào chuỗi dẫn truyền tín hiệu như là một “người đưa tin” thứ cấp bên trong tế bào. cAMP là “người đưa tin” thứ cấp đầu tiên được phát hiện trong lịch sử. cAMP được tổng hợp từ ATP bằng enzyme adenyl cyclase nằm trong màng tế bào. Hàng trăm/nghìn phân tử cAMP được sản xuất mỗi khi enzyme adenyl cyclase được hoạt hoá. Sau đó, các cAMP kích hoạt enzyme protein kinase (PKA), một loại enzyme chuyển nhóm phosphate từ phân tử ATP đến protein (phosphoryl hoá protein). Mỗi bước trong chuỗi truyền dẫn lần lượt khuếch đại tín hiệu ban đầu, và phản ứng phosphoryl hoá sẽ điều hoà những đáp ứng ngắn hạn hay dài hạn bên trong tế bào. Chuỗi truyền dẫn tín hiệu cAMP ngừng lại nhờ vào hoạt tính phân huỷ cAMP của enzyme phosphodiesterase.
Các ví dụ khác của “người đưa tin” thứ cấp là diacylglycerol (DAG) và inositol 1,4,5-triphosphate (IP3). Cả hai phân tử này được sản xuất bởi enzyme phospholipase, cũng là một protein màng. IP3 giải phóng Ca2+ – cũng là một “người đưa tin” thứ cấp – từ dự trữ nội bào. Sau đó, DAG và Ca2+ cùng nhau kích hoạt enzyme protein kinase C (PKC).
Tín hiệu ảnh hưởng đến hoạt động của tế bào như thế nào?
Các protein kinase như PKA và PKC xúc tác cho sự chuyển nhóm phosphate từ phân tử ATP đến các phân tử protein. Các acid amine như serine, threonine và tyrosine là các vị trí phổ biến của sự phosphoryl hóa. Phản ứng phosphoryl hoá giúp kiểm soát hoạt động của những enzyme tham gia vào đường truyền tín hiệu nội bào. Cụ thể, việc gắn thêm các nhóm phosphate sẽ tạo ra sự thay đổi về cấu trúc của enzyme, dẫn đến kích hoạt hoặc ức chế sự hoạt động của enzyme. Việc loại bỏ các nhóm phosphate đã gắn lên enzyme sẽ được thực hiện bởi enzyme phosphatase vào lúc thích hợp để trả protein về cấu trúc và hoạt tính ban đầu.
Phosphoryl hoá cho phép điều khiển các chức năng phức tạp của protein. Nhóm phosphate có thể thêm vào nhiều vị trí trong một protein. Một loại protein có thể lần lượt là cơ chất của nhiều loại kinase và phosphatase.
Tại cùng một thời điểm, một tế bào tiếp nhận và đáp ứng nhiều tín hiệu và vận hành cùng lúc nhiều con đường truyền dẫn tín hiệu trong tế bào chất. Có nhiều điểm giao nhau giữa các đường truyền dẫn tín hiệu. Ví dụ, một “người đưa tin” thứ cấp độc lập hoặc một protein kinase có thể đóng vai trò ở nhiều đường dẫn truyền tín hiệu khác nhau. Thông qua mạng lưới này của con đường tín hiệu, các tế bào không ngừng tích hợp tất cả các thông tin mà nó nhận được từ bên ngoài môi trường.
Kết luận
Các tế bào thường nhận được tín hiệu ở dạng hóa học thông qua các phân tử tín hiệu. Khi một phân tử tín hiệu gắn với một thụ thể thích hợp trên bề mặt tế bào, một chuỗi các tác động được kích hoạt không chỉ để truyền tín hiệu vào bên trong tế bào mà còn để khuếch đại tín hiệu đó. Các tế bào cũng có thể truyền các phân tử tín hiệu đến các tế bào khác. Một số các tín hiệu hóa học được truyền đi bằng con đường ngắn, nhưng các tín hiệu khác phải truyền đi xa hơn nhiều để đến được mục tiêu của nó.
Đại Tài, Thanh Nguyệt (chuyển ngữ)
T.S. Nguyễn Ngọc Phương Thảo (biên tập, cố vấn khoa học)
Nguồn Hình: Cell Signals
Bài Gốc: Nature
Bài này được trích từ các sách sau:
Xin mời Quý Độc Giả bỏ ra 2-5 phút để làm một khảo sát mức độ hài lòng về bài viết của IBSG tại đây. IBSG chân thành cảm ơn Quý Độc Giả!
