Biology · AP Biology
Truyền thông tin giữa các tế bào và chu kì tế bào
tín hiệu và sự phân bào mà chúng kích hoạt
Các tế bào trao đổi với nhau bằng phân tử. Tín hiệu đến, thụ thể bắt lấy nó, và một chuỗi protein bên trong tế bào truyền tiếp cho đến khi có điều gì đó thay đổi: một gene được bật, một enzyme bắt đầu hoạt động, tế bào phân chia.
Ở bên phải, một phân tử epinephrine gắn vào thụ thể trên tế bào gan. Bên trong, mỗi protein bật nhiều protein kế tiếp, nên một tín hiệu ở bề mặt cuối cùng tạo ra hàng nghìn enzyme hoạt động phân giải glycogen.
Chương này theo dõi những tín hiệu như vậy: chúng đi xa đến đâu, thụ thể biến chúng thành đáp ứng như thế nào, điều gì xảy ra khi một con đường bị hỏng, và cơ chế điều hòa ngược giữ cơ thể ổn định ra sao. Sau đó chương chuyển sang đáp ứng quan trọng nhất đối với sự sinh trưởng và sửa chữa, tức chu kì tế bào, cùng các tín hiệu và điểm kiểm soát điều khiển nó. Khi những cơ chế kiểm soát này hỏng, kết quả là ung thư.
qua tiếp xúc, tại chỗ và ở khoảng cách xa
Tín hiệu là một phân tử (phối tử) do một tế bào phóng thích và một tế bào khác phát hiện. Tùy khoảng cách phải truyền, sự truyền tín hiệu chia thành ba loại.
Tiếp xúc trực tiếp. Các tế bào động vật nối với nhau bằng liên kết khe, và các tế bào thực vật nối với nhau bằng cầu sinh chất, dùng chung tế bào chất: ion và các phân tử nhỏ đi thẳng qua. Tế bào cũng có thể truyền tín hiệu bằng cách chạm nhau, khi một protein trên bề mặt tế bào này gắn vào thụ thể của tế bào kia. Một tế bào miễn dịch trình diện kháng nguyên sẽ hoạt hóa tế bào T hỗ trợ theo cách này.
Truyền tín hiệu cục bộ. Một tế bào tiết ra chất điều hòa cục bộ khuếch tán đến các tế bào lân cận (truyền tín hiệu cận tiết). Các yếu tố sinh trưởng hoạt động theo cách này, và các morphogen trong phôi cho tế bào biết vị trí của mình. Ở xináp, một neuron phóng thích chất dẫn truyền thần kinh qua khe hẹp đến một đích duy nhất. Vi khuẩn cũng phóng thích tín hiệu: khi có đủ số tế bào, tín hiệu đạt đến ngưỡng và cả quần thể cùng đáp ứng (cảm ứng mật độ).
Truyền tín hiệu đường dài. Các tế bào nội tiết phóng thích hormone vào máu, và máu mang chúng đi khắp cơ thể: insulin, hormone sinh trưởng ở người, hormone tuyến giáp, testosterone và estrogen. Thực vật gửi hormone qua mô mạch, hoặc như ethylene, qua không khí.
Tín hiệu đến nhiều tế bào nhưng chỉ những tế bào có thụ thể tương ứng mới đáp ứng. Trong hình, hormone đi qua tế bào không có thụ thể và tác động lên tế bào có thụ thể.
tiếp nhận, truyền tín hiệu, đáp ứng
Mọi con đường truyền tín hiệu đều có ba giai đoạn. Tiếp nhận: phối tử gắn vào thụ thể. Truyền đạt: thụ thể đổi hình dạng và truyền tín hiệu qua một chuỗi phân tử. Đáp ứng: tế bào thực hiện một hoạt động nào đó.
Thụ thể là một protein có vị trí gắn vừa với hình dạng và điện tích của phối tử, giống như trung tâm hoạt động của enzyme vừa với cơ chất. Vì vậy một tín hiệu chỉ tác động lên các tế bào có thụ thể của nó, và một phân tử có hình dạng tương tự có thể chặn hoặc bắt chước nó.
Vị trí của thụ thể phụ thuộc vào phối tử:
| phối tử | ví dụ | thụ thể |
|---|
| phân cực hoặc lớn | epinephrine, insulin, hầu hết các peptide | nằm ở màng sinh chất, vị trí gắn ở phía ngoài |
| nhỏ, không phân cực | hormone steroid (testosterone, estrogen), hormone tuyến giáp | ở tế bào chất hoặc nhân |
Ở bên trái, một phối tử tan trong nước không thể xuyên qua lớp kép; nó gắn vào thụ thể màng, và sự đổi hình dạng của thụ thể truyền đến một protein chuyển tiếp bên trong. Ở bên phải, một steroid khuếch tán qua lớp kép, gắn vào thụ thể trong tế bào chất, rồi cặp này vào nhân như một nhân tố phiên mã bật một gene.
Các đáp ứng gồm thay đổi biểu hiện gene, hoạt tính enzyme, bộ khung tế bào, sự phân chia tế bào và sự chết của tế bào. Nhiều con đường đạt được điều đó nhờ biến đổi protein, thường là gắn thêm các nhóm phosphate, hết protein này đến protein khác.
chất truyền tin thứ cấp, kinase và sự khuếch đại
Epinephrine (adrenaline) báo cho tế bào gan giải phóng glucose. Nó không bao giờ vào tế bào; một chuỗi protein mang thông điệp của nó vào bên trong.
Epinephrine gắn vào thụ thể kết cặp protein G (GPCR), xuyên màng bảy lần. Thụ thể đổi hình dạng và hoạt hóa một protein G, protein này đổi GDP lấy GTP và bật enzyme adenylyl cyclase. Enzyme đó biến ATP thành AMP vòng (cAMP), một chất truyền tin thứ cấp: nhỏ, tạo ra nhanh và khuếch tán trong tế bào chất. (Ca2+ và IP3 là chất truyền tin thứ cấp trong các con đường khác.)
cAMP hoạt hóa protein kinase A. Một kinase chuyển nhóm phosphate từ ATP sang một protein khác, làm đổi hình dạng và hoạt tính của nó. Kinase phosphoryl hóa kinase, tạo thành chuỗi phosphoryl hóa, cho đến khi kinase cuối cùng hoạt hóa glycogen phosphorylase, enzyme cắt glucose khỏi glycogen. Phosphatase loại bỏ các nhóm phosphate, nên con đường tắt khi tín hiệu dừng.
Sự khuếch đại. Mỗi bước hoạt hóa nhiều bản sao của chất kế tiếp. Với các số liệu này cho từng bước:
| một phân tử epinephrine tạo ra | phân tử |
|---|
| thụ thể gắn epinephrine | 1 |
| các protein G hoạt động, mỗi protein bật một adenylyl cyclase | 10 |
| cAMP | 1,000 |
| protein kinase A hoạt động | 500 |
| phosphorylase kinase hoạt động | 5,000 |
| glycogen phosphorylase hoạt động | 50,000 |
| glucose 1-phosphate được cắt ra từ glycogen | 5,000,000 |
Các hệ số khuếch đại nhân với nhau: . Một chuỗi nhiều bước cũng cho nhiều vị trí hơn để điều hòa tín hiệu, và cho phép một tín hiệu phân nhánh đến nhiều đáp ứng.
Các thụ thể khác hoạt động theo cách khác. Thụ thể tyrosine kinase ghép đôi khi phối tử gắn vào và tự phosphoryl hóa, khởi động nhiều con đường cùng lúc. Kênh ion đóng mở nhờ phối tử mở ra để cho ion đi qua.
đột biến, thuốc và độc tố
Một đáp ứng chỉ tốt khi mọi mắt xích trong con đường của nó đều tốt. Thay đổi bất kì thành phần nào, bằng đột biến hoặc hóa chất, thì đáp ứng cũng thay đổi theo.
Ở bên phải, ba bản sao của cùng một con đường nhận cùng một xung phối tử (đường màu xám):
| con đường | điều gì thay đổi | đáp ứng |
|---|
| bình thường | không có gì | bật khi phối tử còn gắn, tắt sau đó |
| thụ thể bị chặn | một chất đối kháng chiếm vị trí gắn | không có, dù nhiều phối tử đến đâu |
| chuỗi chuyển tiếp luôn bật | một đột biến làm chất chuyển tiếp luôn hoạt động | luôn bật, dù có hay không có phối tử |
Đột biến. Một thay đổi ở vùng gắn của thụ thể có thể khiến nó không gắn được phối tử; một thay đổi ở chỗ khác có thể khiến nó truyền tín hiệu mà không cần phối tử. Một protein chuyển tiếp không còn tắt được sẽ liên tục ra lệnh cho tế bào phân chia; các protein Ras đột biến kiểu này có trong nhiều loại ung thư.
Hóa chất. Một chất đối kháng gắn vào thụ thể mà không hoạt hóa nó: thuốc chẹn beta chiếm các thụ thể epinephrine ở tim và làm hạ huyết áp, còn thuốc kháng histamine chặn các thụ thể histamine. Một chất chủ vận bắt chước phối tử. Độc tố tả làm biến đổi một protein G trong tế bào ruột khiến nó luôn hoạt động; cAMP luôn ở mức cao, tế bào bơm Cl− ra ngoài, nước đi theo, gây tiêu chảy nặng.
Các bệnh cũng theo cùng logic đó: trong đái tháo đường type 2, tế bào đích đáp ứng yếu với insulin, nên tín hiệu vẫn được gửi đi nhưng đáp ứng không đủ.
một thay đổi kích hoạt sự điều chỉnh của chính nó
Trong điều hòa ngược âm, đáp ứng chống lại sự thay đổi đã gây ra nó, đưa hệ thống trở về giá trị đặt. Nhờ đó cơ thể giữ cho đường huyết, nhiệt độ và cân bằng nước gần như không đổi: đó là cân bằng nội môi.
Sau bữa ăn, đường huyết tăng. Các tế bào β ở tuyến tụy phát hiện điều này và tiết insulin. Insulin báo cho tế bào gan, cơ và mô mỡ hấp thu glucose, đồng thời báo cho gan dự trữ glucose dưới dạng glycogen, nên đường huyết giảm trở lại. Khi đường huyết xuống dưới giá trị đặt, các tế bào α tiết glucagon, gan phân giải glycogen và đường huyết lại tăng lên.
| số phút sau bữa ăn | 0 | 30 | 60 | 90 | 120 | 180 |
|---|
| glucose (mg/dL) | 90 | 139 | 126 | 111 | 101 | 93 |
|---|
| insulin (µU/mL) | 8 | 67 | 59 | 41 | 28 | 14 |
|---|
Đường huyết đạt đỉnh khoảng 29 phút sau bữa ăn và lại gần bằng 90 mg/dL vào phút thứ 120. Insulin tăng cùng với glucose và giảm khi glucose đã trở lại mức cũ: cơ chế hiệu chỉnh tự tắt.
Khi vòng điều hòa bị hỏng. Ở bệnh đái tháo đường type 1, các tế bào β bị phá hủy và không có insulin được tạo ra (đường cong màu xám): đường huyết bắt đầu ở mức cao và vẫn cao. Trong bệnh Graves, kháng thể kích thích tuyến giáp giống như hormone điều hòa của chính nó; tuyến giáp tạo ra ngày càng nhiều hormone, nhưng hormone này không còn tắt được tín hiệu kích thích đó.
một thay đổi tự thúc đẩy chính nó mạnh hơn
Trong điều hòa ngược dương, đáp ứng khuếch đại sự thay đổi đã gây ra nó, đưa hệ thống ngày càng xa trạng thái ban đầu. Cơ chế này dùng cho những sự kiện phải hoàn tất nhanh, và phải có một yếu tố bên ngoài vòng điều hòa để kết thúc nó.
Chuyển dạ. Đầu em bé kéo giãn cổ tử cung. Các dây thần kinh báo về não, và thùy sau tuyến yên tiết oxytocin. Oxytocin làm tử cung co bóp mạnh hơn, làm cổ tử cung giãn nhiều hơn, rồi lại tiết thêm oxytocin. Trong hình, mỗi cơn co gấp 1.45 lần cơn trước. Khi em bé ra đời, sự kéo giãn mất đi và vòng điều hòa dừng lại.
Tiết sữa. Trẻ bú kích thích các hormone làm sữa chảy ra, nên trẻ bú nhiều hơn; cai sữa sẽ chấm dứt vòng này. Chín của quả. Quả đang chín tạo ra khí ethylene, chất này đẩy nhanh quá trình chín ở chính nó và ở các quả bên cạnh. Đông máu. Tiểu cầu ở vết thương giải phóng các chất thu hút thêm tiểu cầu, cho đến khi vết thương được bịt kín.
| điều hòa ngược âm | điều hòa ngược dương |
|---|
| đáp ứng | chống lại sự thay đổi | củng cố sự thay đổi |
| kết quả | ổn định quanh giá trị đặt | một thay đổi nhanh và hoàn tất |
| ví dụ | đường huyết, thân nhiệt | chuyển dạ, tiết sữa, chín của quả |
kì trung gian, rồi phân bào
Chu kì tế bào là đời sống của một tế bào từ lần phân chia này đến lần phân chia tiếp theo. Phần lớn chu kì là kì trung gian, khi tế bào lớn lên và nhân đôi DNA; một pha M ngắn sẽ phân chia tế bào.
| pha | điều xảy ra | giờ |
|---|
| G1 | sinh trưởng; tế bào tạo protein và bào quan | 11 |
| S | tổng hợp DNA: mọi nhiễm sắc thể được nhân đôi | 8 |
| G2 | tiếp tục sinh trưởng; tế bào chuẩn bị phân chia | 4 |
| M | nguyên phân, rồi phân chia tế bào chất | 1 |
Với một tế bào người nuôi cấy, toàn bộ chu kì kéo dài khoảng 24 giờ, trong đó 23 giờ là kì trung gian. Trên đồ thị, lượng DNA mỗi tế bào tăng gấp đôi từ 2C lên 4C trong pha S, giữ ở 4C qua G2 và nguyên phân, rồi giảm một nửa khi một tế bào thành hai.
Sau pha S, mỗi trong 46 nhiễm sắc thể của tế bào người gồm hai chromatid chị em giống hệt nhau nối ở tâm động: 46 nhiễm sắc thể, 92 chromatid. Nguyên phân chia mỗi cặp cho mỗi tế bào con một chromatid, nên cả hai tế bào con đều có 46 và giống hệt tế bào mẹ về mặt di truyền. Nguyên phân giúp cơ thể lớn lên, sửa chữa mô, và là cách nhiều sinh vật sinh sản vô tính.
G0. Tế bào chuyên hóa thường rời khỏi chu kì và ngừng phân chia. Hầu hết tế bào thần kinh và tế bào cơ trưởng thành ở lại pha G0; tế bào gan có thể quay lại chu kì khi gan bị tổn thương.
Tính thời gian từ một ảnh chụp nhanh. Trong một mẫu tế bào đang phân chia, tỉ lệ tế bào ở mỗi pha bằng tỉ lệ thời gian của chu kì dành cho pha đó. Nếu 20 trong 480 tế bào đang ở nguyên phân thì M kéo dài 20/480 × 24 h = 1.0 h.
nhân đôi, xếp hàng, phân li
Nguyên phân chia cho mỗi tế bào con một bản sao hoàn chỉnh của bộ gene. Quá trình diễn ra theo thứ tự: các nhiễm sắc thể đã được nhân đôi ở pha S co xoắn, xếp thẳng hàng ở giữa tế bào, rồi tách ra về hai cực đối diện.
Tế bào bên phải có 2n = 4: hai cặp tương đồng, màu đỏ từ một bên bố mẹ, màu xanh từ bên còn lại. Đây là một quá trình liên tục; các tên gọi thông thường đánh dấu các giai đoạn của nó.
Kì đầu. Chất nhiễm sắc co xoắn thành các nhiễm sắc thể gọn, mỗi nhiễm sắc thể gồm hai chromatid chị em. Màng nhân tan ra, hai trung thể di chuyển ra xa nhau, tạo thành thoi phân bào gồm các vi ống nằm giữa chúng.
Kì giữa. Các vi ống từ hai cực đối diện gắn vào tâm động của mỗi nhiễm sắc thể, mỗi chromatid chị em một vi ống, và các nhiễm sắc thể xếp thành hàng trên mặt phẳng xích đạo.
Kì sau. Các chromatid chị em tách nhau ra và bị kéo về hai cực đối diện. Mỗi chromatid giờ là một nhiễm sắc thể độc lập: trong chốc lát tế bào có 8.
Kì cuối và phân chia tế bào chất. Màng nhân hình thành quanh mỗi bộ nhiễm sắc thể, và các nhiễm sắc thể giãn xoắn. Phân chia tế bào chất chia tế bào chất: tế bào động vật thắt lại thành hai ở rãnh phân cắt; tế bào thực vật tạo vách tế bào ở giữa.
| nhiễm sắc thể | chromatid (phân tử DNA) |
|---|
| G1 | 4 | 4 |
| G2 đến kì giữa | 4 | 8 |
| kì sau | 8 | 8 |
| mỗi tế bào con | 4 | 4 |
Kì thi AP yêu cầu trình tự các sự kiện này (nhân đôi, xếp hàng, phân li) và tác dụng của từng sự kiện, chứ không hỏi tên các kì.
điểm kiểm soát, cyclin và CDK
Tế bào chỉ phân chia khi cần. Tại các điểm kiểm soát, chu kì dừng lại cho đến khi điều kiện thích hợp.
| điểm kiểm soát | câu hỏi đặt ra |
|---|
| điểm kiểm soát G1 | Tế bào đã đủ lớn chưa, có đủ chất dinh dưỡng và yếu tố sinh trưởng không, DNA có nguyên vẹn không? |
| điểm kiểm soát G2 | DNA đã được nhân đôi hoàn toàn chưa, và có nguyên vẹn không? |
| điểm kiểm soát M | Mỗi nhiễm sắc thể đã gắn vào sợi thoi vô sắc từ cả hai cực chưa? |
Tế bào không vượt qua điểm kiểm soát G1 sẽ không vào pha S; nó có thể vào G0. Tế bào không vượt qua điểm kiểm soát M sẽ dừng ở kì giữa, nên không mất nhiễm sắc thể nào.
Cyclin và CDK. Kinase phụ thuộc cyclin (CDK) có mặt suốt chu kì nhưng chỉ hoạt động khi gắn với một cyclin. Cyclin được tạo đều đặn trong kì trung gian (đường cong đỏ) và bị phân hủy trong nguyên phân. Khi tích lũy đủ cyclin, các phức hợp cyclin–CDK phosphoryl hóa những protein đưa tế bào sang giai đoạn tiếp theo. Phức hợp kích hoạt nguyên phân là MPF (màu xanh lam). Khi cyclin bị phân hủy ở kì sau, MPF tắt và tế bào có thể hoàn tất phân chia.
Các tín hiệu từ bên ngoài tác động vào đây. Một yếu tố tăng trưởng, chẳng hạn yếu tố tăng trưởng có nguồn gốc từ tiểu cầu ở vết thương, gắn vào thụ thể và khởi động một con đường làm tăng lượng cyclin, đẩy tế bào vượt qua điểm kiểm soát G1.
khi các cơ chế kiểm soát hỏng
Phá vỡ chu kì tế bào có thể dẫn đến một trong hai kết quả: tế bào phân chia khi không nên, hoặc tế bào bị khiến cho chết.
Ung thư là sự phân chia tế bào không kiểm soát, do đột biến ở các gene điều hòa chu kì. Tế bào bình thường trong đĩa nuôi cấy ngừng phân chia khi chạm nhau (ức chế phụ thuộc mật độ) và chỉ phân chia khi bám vào bề mặt (phụ thuộc vào sự bám dính). Tế bào ung thư bỏ qua cả hai và chồng chất lên nhau thành khối u.
Có hai loại gene liên quan. Tiền gene sinh ung thư mã hóa các protein thúc đẩy phân chia, như thụ thể yếu tố tăng trưởng và protein truyền tín hiệu; một đột biến làm nó hoạt động quá mức, gọi là gene sinh ung thư, giống như chân ga bị giữ chặt. Gene ức chế khối u mã hóa các phanh. Gene nổi tiếng nhất, p53, dừng chu kì khi DNA bị tổn thương và, nếu tổn thương không sửa được, sẽ khởi động quá trình chết theo chương trình. Ung thư thường cần nhiều đột biến như vậy trong cùng một dòng tế bào.
Chết theo chương trình là sự chết có lập trình của tế bào. Tế bào co lại, DNA bị cắt nhỏ, và tế bào vỡ thành các mảnh có màng bao bọc để các tế bào khác nuốt, không làm tràn chất bên trong ra mô. Quá trình này loại bỏ các tế bào bị tổn thương và tạo hình cơ thể: ở phôi người, nó loại bỏ mô giữa các ngón tay.
Nhân đôi. Một quần thể tế bào ung thư nhân đôi sau mỗi 24 giờ, bắt đầu từ 1,000 tế bào:
| giờ | 0 | 24 | 48 | 72 | 96 |
|---|
| số tế bào | 1,000 | 2,000 | 4,000 | 8,000 | 16,000 |
|---|
: sau 96 h, 4 lần nhân đôi, số tế bào gấp 16 lần.
← Năng lượng tế bào · Di truyền →