HOẠT ĐỘNG GIAO THÔNG CỦA TẾ BÀO MỤC LỤC Phần 1: MỞ ĐẦU……………………………………………………………….. Phần 2 : NỘI DUNG……………………………………………………………. A. VẬN CHUYỂN CÁC PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG SINH CHẤT……... I. Cấu trúc “khảm- động” phù hợp với hoạt động vận chuyển các chất qua màng……………………………………………………………………………… I.1. Tính “ khảm”………………………………………………………… I.2. Tính “ động”…………………………………………………………. II. Các phương thức vận chuyển qua màng sinh chất………………………... II.1. Vận chuyển thụ động…………………………………………… …. II.1.1. Khuếch tán thụ động qua lớp photpholipit………………. II.1.2.Khuếch tán tăng cường nhờ các protein…………………... a. Khuếch tán tăng cường nhờ các protein mang……………… b. Khuếch tán tăng cường nhờ các protein kênh………………… II.2. Vận chuyển chủ động ………………………………………………. II.2.1.Vận chuyển tích cực được điều khiển bởi sự thủy phân ATP………………………………………………………………………... II.2.2.Vận chuyển tích cực điều khiển bởi gradient ion………… B. GIAO THÔNG TRONG TẾ BÀO CHẤT………………………………….. I. Protein áo và quá trình nảy chồi các túi……………………………… II. Sự hợp nhất túi với màng mục tiêu …………………………………. C. GIAO THÔNG GIỮA NHÂN VÀ TẾ BÀO CHẤT……………………….. I. Cấu trúc phù hợp với chức năng của màng nhân…………………………... I.1 Cấu trúc chung………………………………………………………... I.2. Phức hợp lỗ nhân…………………………………………………….. II. VẬN CHUYỂN CÁC CHẤT QUA PHỨC HỢP LỖ NHÂN……………... II.1. Vận chuyển có chọn lọc các protein đến và đi từ nhân…………… II.2. Sự vận chuyển của ARN qua màng nhân…………………………. Phần 3: KẾT LUẬN…………………………………………………………….. 1 2 2 2 2 4 4 4 4 6 6 7 9 9 10 11 12 15 17 17 17 19 22 22 27 30 2 Phần 1 : MỞ ĐẦU Nếu coi tế bào giống như một xã hội thu nhỏ, thì sự vận chuyển các chất của tế bào chính là hoạt động giao thông của xã hội đó. Hoạt động này đảm bảo sự thông thương mật thiết giữa các phần khác nhau của tế bào và giữa tế bào với môi trường. Trong quá trình này, các chất vận chuyển phải được chọn lọc và đưa đến đúng nơi cần chúng, chỉ có vậy các hoạt động sống khác của tế bào mới có thể diễn ra bình thường. Với vai trò quan trọng đó, việc tìm hiểu cơ chế vận chuyển và cơ chế kiểm soát hoạt động vận chuyển là một phần không thể thiếu trong nghiên cứu sinh học tế bào. Trong thực tế, việc dạy và học phần sinh học tế bào từ trước tới nay mới chỉ chú trọng đến hoạt động trao đổi chất giữa tế bào và môi trường thông qua màng sinh chất mà chưa đề cập nhiều đến quá trình vận chuyển trong tế bào chất cũng nhưng hoạt động vận chuyển qua màng nhân đặc biệt là về cơ chế của nó. Vì vậy, nhằm cung cấp một cái nhìn toàn cảnh về toàn bộ hoạt động vận chuyển của tế bào và quan trọng hơn là tìm hiểu cách thức nào mà một sản phẩm được chọn lọc và đưa đến đích chính xác, tôi chọn chuyên đề : “Hoạt động giao thông của tế bào”. Cấu trúc chuyên đề gồm 3 phần: Phần 1: Mở đầu Phần 2: Nội dung A. Vận chuyển các phân tử nhỏ qua màng sinh chất B. Giao thông trong tế bào chất C. Giao thông giữa nhân và tế bào chất. Phần 3: Kết luận. 1 Phần 2 : NỘI DUNG A. VẬN CHUYỂN CÁC PHÂN TỬ NHỎ QUA MÀNG SINH CHẤT I. Cấu trúc “khảm- động” phù hợp với hoạt động vận chuyển các chất qua màng. I.1.Tính “ khảm” Màng sinh chất có cấu trúc khảm với nền là 2 lớp photpholipit có đầu kị nước quay vào nhau, đầu ưa nước quay về phía ngoại bào và phía tế bào chất. Khảm trên màng photpholipit có các protein với nhiều chức năng đa dạng và colesteron giúp ổn định màng. Lớp photpholipit kép là kết cấu chính của màng, được hình thành từ một số lượng lớn các phân tử photpholipit liên kết với nhau nhờ tương tác kị nước. Mỗi phân tử photpholipit được cấu tạo từ một phân tử glixerol liên kết với hai axit béo, ở nhóm hydroxyl thứ ba của glyxerol liên kết với nhóm photphat tích điện âm. Những phân tử nhỏ khác thường là những phân tử phân cực hoặc tích điện liên kết với nhóm photphat cũng góp phần tạo nên tính đa dạng của các photpholipit. Các phân tử photpholipit có tính phân cực với đầu photphat ưa nước và hai đuôi hydrocacbon của axit béo kị nước. Khi cho photpholipit vào nước chúng tụ tập thành lớp kép để che chắn cho các phần kị nước. Với cấu trúc như vậy đây là con đường thuận lợi để những phân tử nhỏ, không phân cực hoặc các phân tử hòa tan trong lipit dễ dàng khuếch tán qua màng dựa trên sự chênh lệch nồng độ. Các protein được khảm trên lớp photpholipit kép. Dựa vào vị trí khảm có thể chia thành: + Protein hội nhập(protein lồng ghép) gồm : - Protein xuyên màng: là những protein nằm xuyên qua lớp phospholipid, các phần kị nước nằm trong khung photpholipit, phần ưa nước thò ra phía ngoài khung. - Protein hội nhập một phần: có thể chỉ tương tác tới vùng kỵ nước của các phospholipid. + Protein rìa màng (protein ngoại vi): là những protein bám vào mặt ngoài hoặc mặt trong của màng. Trong các cách sắp xếp, protein với các acid amin ưa nước được đưa ra ngoài, nơi có thể tiếp xúc với nước (đầu phân cực hay acid amin có gốc R có điện tích 2 dương), ngược lại những acid amin kỵ nước (không phân cực) được chôn trong màng đôi lipit. Vị trí của những acid amin ưa nước và kỵ nước của protein sẽ giúp cho protein hội nhập một phần vào màng hay xuyên màng. Protein hội nhập chỉ được tách ra khi làm vỡ màng và sau đó xử lý bằng các chất tẩy rửa . Nhiều loại protein màng có vai trò quan trọng đối với quá trình vận chuyển các chất phân cực hoặc tích điện. Tùy đặc điểm từng loại protein này có thể chia thành hai nhóm: - Protein mang: dường như phải trải qua một sự biến đổi hình dạng để bằng cách nào đó di chuyển vị trí gắn kết của chất tan qua màng. Sự biến đổi hình dạng đó có thể được khơi mào bằng cách gắn kết hoặc giải phóng phân tử được vận chuyển. - Protein kênh: Màng có tính chọn lọc rất cao. Tính chọn lọc này trên từng phần của tế bào là do các tác nhân tải (hay chất vận chuyển). Bây giờ người ta biết được những yếu tố vận chuyển, kiểm soát sự qua lại của các phân tử qua màng là những kênh và những bơm chuyên biệt. Các kiểu kênh gồm có : + Kênh khuếch tán: là những protein xuyên màng, đơn giản chỉ cung cấp hành lang cho phép các phân tử nhất định qua màng. Đường đi ưa nước do các protein này cung cấp có thể cho cả các phân tử nước hoặc các ion nhỏ qua rất nhanh từ phía này sang phía kia của màng. + Kênh ion : Kênh ion có cổng: Kiểu kênh này kiểm soát sự di chuyển vật chất qua màng là nhờ một cổng ngang qua kênh. Khi một phân tử tín hiệu, một hormon hay một chất truyền tải mang thông tin từ một tế bào thần kinh này sang một tế bào thần kinh khác, gắn vào một thụ thể (receptor) là một protein xuyên màng, lúc đó có sự thay đổi cấu trúc. Sự thay đổi này làm cho cổng mở ra, và tín hiệu thứ hai, thường là một ion như ion Na+ hay Ca++, có thể đi qua mang thông tin vào trong tế bào. Hình 1: Mô hình kênh ion có cổng 3 Kiểu kênh đóng mở này vận chuyển nhiều thông tin hóa học (chemical messages) cả ở thực vật và động vật, các xung thần kinh nhờ đó động vật cảm nhận thế giới bên ngoài, các cử động và có lẽ ngay cả suy nghĩ. Kênh ion phối hợp (kênh đồng vận chuyển): Là kiểu kênh phức tạp hơn cho hai chất qua cùng chiều hoặc ngược chiều. Hình 2 : Kênh ion phối hợp I.2. Tính “ động” Các phân tử protein và lipit có thể dịch chuyển trong một phạm vi nhất định của màng. + Khung lipit có tính linh hoạt cao: - Các phân tử photpholipit có thể dịch chuyển ngay, tự quay, dịch chuyển trên dưới → tính mềm dẻo của màng. - Khi đuôi hidrocacbon ở trạng thái no→ màng có tính bền vững, ở trạng thái chưa no màng có tính mềm dẻo - Tính mềm dẻo của màng còn phụ thuộc vào tỉ lệ photpholipit /colesteron + Các protein có kích thước lớn hơn và vận chuyển chậm hơn. Một số có thể vận chuyển theo mặt phẳng của màng, một số dường như chuyển động theo cách được định hướng, có thể là dọc theo các sợi của bộ khung tế bào nhờ các protein động cơ kết nối với vùng tế bào chất của các prtein màng. II. Các phương thức vận chuyển qua màng sinh chất II.1. Vận chuyển thụ động II.1.1. Khuếch tán thụ động qua lớp photpholipit Cơ chế đơn giản nhất mà các phân tử có thể đi qua màng tế bào là khuếch tán thụ động. Trong khuếch tán thụ động, chỉ đơn giản là một phân tử hòa tan trong màng phospholipid, khuếch tán qua nó, và sau đó hòa tan trong dung dịch nước ở phía bên kia của màng tế bào. Không có protein màng tế bào tham gia và cơ chế của quá trình 4 vận chuyển được xác định chỉ đơn giản bằng nồng độ tương đối của các phân tử bên trong và bên ngoài tế bào. Chiều chuyển động của các phân tử luôn luôn là xuôi dốc nồng độ của chúng từ một nơi với nồng độ cao đến một nơi có nồng độ thấp hơn. Do đó khuếch tán thụ động là một quá trình không đặc hiệu mà bất kỳ phân tử nào có khả năng hòa tan trong màng phospholipid đều có thể vượt qua màng tế bào tới khi đạt sự cân bằng nồng độ giữa bên trong và bên ngoài tế bào. Quan trọng hơn, chỉ các phân tử nhỏ, tương đối kỵ nước mới có thể khuếch tán qua một màng phospholipid kép ở mức giá đáng kể (Hình 3). Do đó, các loại khí (như O2 và CO2), các phân tử kỵ nước (chẳng hạn như benzene), và các phân tử phân cực, nhỏ nhưng không tích điện (như H2O và ethanol) có khả năng khuếch tán qua màng tế bào. Các phân tử sinh học khác, không thể hòa tan trong vùng kỵ nước của màng phospholipid. Do đó, các phân tử tích điện, phân cực kích thước lớn hơn như glucose cũng như các phân tử tích điện với bất kỳ kích thước nào (bao gồm các ion nhỏ như H +, Na +, K +, và Cl-) không thể vượt qua màng tế bào bằng cách khuếch tán thụ động. Việc vận chuyển các phân tử này qua màng đòi hỏi một cơ chế vận chuyển tích cực và các kênh protein, mà nhờ đó kiểm soát được sự vận chuyển của hầu hết các phân tử sinh học vào và ra khỏi tế bào. Hình 3: Tính thấm của lớp kép phospholipid. 5 Khí, các phân tử kỵ nước, và các phân tử nhỏ phân cực có thể khuếch tán qua lớp kép phospholipid. Phân tử phân cực lớn và phân tử tích điện không thể đi qua. II.1.2.Khuếch tán tăng cường nhờ các protein Khuếch tán tăng cường, giống như khuếch tán thụ động, đều có động lực là sự chênh lệch nồng độ tương đối của các phân tử giữa bên trong và ngoài tế bào và không tiêu tốn năng lượng. Các phân tử đi qua màng theo hướng xác định bởi gradient nồng độ của chúng, với trường hợp của phân tử tích điện, hướng vận chuyển được xác định bởi điện thế qua màng. Tuy nhiên, khuếch tán tăng cường khác khuếch tán thụ động ở chỗ các phân tử vận chuyển không hòa tan trong màng phospholipid nên không thể trực tiếp đi qua lớp này. Thay vào đó, hành trình của chúng phải thông qua các protein cho phép các phân tử vận chuyển qua màng mà không phải tương tác trực tiếp với vùng kỵ nước của lớp photpholipit. Do đó khuếch tán tăng cường cho phép các phân tử phân cực và tích điện, chẳng hạn như carbohydrate, axit amin, nucleoside, và các ion vượt qua màng sinh chất. Hai loại protein vận chuyển trong khuếch tán tăng cường thường được phân biệt: protein mang và protein kênh. Protein mang liên kết với các phân tử cụ thể được vận chuyển ở một mặt của màng tế bào. Sau đó, chúng trải qua những thay đổi về hình dạng cho phép các phân tử đi qua màng tế bào và được phát tán ở phía bên kia. Ngược lại, protein kênh hình thành lỗ thông qua màng tế bào, cho phép khuếch tán tự do của bất kỳ phân tử tích điện nào có kích thước phù hợp. a. Khuếch tán tăng cường nhờ các protein mang Protein mang chịu trách nhiệm trong khuếch tán tăng cường của các loại đường, axit amin, và nucleoside trên màng sinh chất của hầu hết các tế bào. Sự hấp thu glucose - nguồn năng lượng trao đổi chất, là một trong những chức năng vận chuyển quan trọng nhất của màng tế bào, và vận chuyển glucose cung cấp một ví dụ điển hình cho nghiên cứu về một protein mang. Cũng như nhiều protein màng tế bào, cấu trúc ba chiều của protein vận chuyển đường chưa được biết đến, vì vậy cơ chế phân tử của quá trình vận chuyển vẫn còn là một câu hỏi mở. Tuy nhiên, các nghiên cứu động học cho thấy các chức năng vận chuyển glucose được thực hiện bằng cách luân phiên giữa hai trạng thái cấu hình (Hình 4). Trong cấu hình đầu tiên, vị trí liên kết với đường quay ra bên ngoài của tế bào. Các liên kết của glucose vào vị trí này gây ra một sự thay đổi cấu trúc trong chất vận 6 chuyển, nhờ vậy mà vị trí liên kết đường bây giờ quay mặt về phía trong của tế bào. Đường sau đó có thể được phát tán vào bào tương, tiếp theo là sự trở lại của phương tiện vận chuyển về cấu hình ban đầu của nó. Hình 4: Mô hình của sự khuếch tán tăng cường glucose. Chất vận chuyển glucose chuyển đổi giữa hai trạng thái nhờ đó vị trí liên kết đường được luân phiên tiếp xúc với bên ngoài và bên trong tế bào. Hầu hết các tế bào, bao gồm hồng cầu, được tiếp xúc với nồng độ glucose ngoại bào đã cao hơn so với bên trong tế bào, do đó thuận lợi cho viêc khuếch tán vào bên trong tế bào của glucoz. Khi glucose được đưa vào các tế bào nó nhanh chóng được chuyển hóa, do đó nồng độ glucose trong tế bào lại xuống thấp và đường tiếp tục được vận chuyển vào tế bào từ các dịch ngoại bào. Bởi vì những thay đổi về cấu hình của các phương tiện vận chuyển glucose có thể đảo ngược, nên đường có thể được vận chuyển theo hướng ngược lại chỉ đơn giản bằng cách đảo ngược các bước trong hình 4. Ví dụ dòng chảy ngược như vậy xảy ra, trong các tế bào gan, nơi glucose được tích lũy và phát tán vào lưu thông. b. Khuếch tán tăng cường nhờ các protein kênh 7 Ngược lại với các protein mang, protein kênh chỉ đơn giản là hình thành các hành lang trong màng, cho phép các phân tử nhỏ có kích thước và điện tích phù hợp qua lớp lipid. Một nhóm các protein kênh, thảo luận trước đó, là Porins, trong đó cho phép tự do đi lại của các ion và các phân tử phân cực nhỏ qua màng. Các màng sinh chất của nhiều tế bào này cũng có chứa các protein kênh nước (aquaporins), thông qua đó các phân tử nước có thể qua màng nhanh hơn nhiều so với chúng có thể khuếch tán qua màng phospholipid. Các protein kênh đặc trưng điển hình nhất là các kênh ion, mà thông qua đó các ion đi qua màng sinh chất. Mặc dù các kênh ion có mặt trong màng của tất cả các loại tế bào, nhưng chúng đã được đặc biệt nghiên cứu trong tế bào thần kinh và tế bào cơ, nơi mà sự đóng mở các kênh này quyết định đến việc truyền tải các tín hiệu điện. Ba thuộc tính của các kênh ion điểu khiển chức năng của chúng (Hình 5). Đầu tiên, tốc độ vận chuyển thông qua các kênh cực kỳ nhanh chóng. Hơn một triệu ion mỗi giây chạy qua kênh mở - tốc độ dòng vận chuyển lớn hơn vận chuyển bằng protein mang khoảng một nghìn lần. Thứ hai, các kênh ion mang tính chọn lọc cao vì khe hẹp trong kênh chỉ giới hạn đối với các ion có kích thước và điện tích hợp lý. Do đó, protein kênh cụ thể cho phép việc thông qua của Na+, K+, Ca2+, và Cl- qua màng. Thứ ba, hầu hết các kênh ion không mở thường trực. Thay vào đó, việc mở các kênh ion được điều chỉnh bởi "cổng" mà chỉ thoáng mở để đáp ứng với các kích thích nhất định. Một số kênh (được gọi là các kênh ligand-gated) mở để đáp ứng với sự liên kết của chất dẫn truyền thần kinh hoặc phân tử tín hiệu khác; những kênh khác (kênh điện ápgated) mở để đáp ứng với những thay đổi trong điện thế qua màng tế bào. Hình 5: Mô hình của một kênh ion. 8 Khi kênh đóng, dòng chảy của các ion bị chặn bởi một cánh cổng. Kênh mở cho phép các ion đổ nhanh chóng thông qua kênh. Kênh có chứa một lỗ hẹp cho phép thông qua các ion có kích thước phù hợp. II.2. Vận chuyển chủ động II.2.1.Vận chuyển tích cực được điều khiển bởi sự thủy phân ATP Dòng vận chuyển của các phân tử bằng cách khuếch tán tăng cường, thông qua hoặc protein mang hoặc protein kênh, luôn luôn là xuôi dốc theo gradient điện hóa qua màng. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, các tế bào phải vận chuyển các phân tử chống lại gradient nồng độ của chúng. Trong vận chuyển tích cực, năng lượng được cung cấp bởi một phản ứng khác đi kèm (chẳng hạn như thủy phân ATP). Bơm ion chịu trách nhiệm duy trì gradient của ion qua màng tế bào cung cấp ví dụ quan trọng của vận chuyển tích cực được điều khiển trực tiếp bởi sự thủy phân ATP. Như đã biết, nồng độ của Na+ bên ngoài cao hơn bên trong tế bào, trong khi nồng độ K+ bên trong cao hơn bên ngoài. Các gradient ion được duy trì bởi bơm Na K (còn gọi là Na+- K+ ATPase), bằng cách sử dụng năng lượng có nguồn gốc từ thủy phân ATP để vận chuyển Na+ và K+ ngược với gradient điện hóa của chúng. Quá trình này là kết quả của việc ATP làm thay đổi cấu hình của bơm (Hình 6). Đầu tiên, các ion Na+ liên kết với vị trí có ái lực cao bên trong tế bào. Liên kết này kích thích quá trình thủy phân ATP và phosphoryl hóa của bơm, gây ra một sự thay đổi cấu hình làm xoay vị trí liên kết với Na + về phía bên ngoài của tế bào và làm giảm ái lực đối với Na+. Do đó, Na+ được giải phóng vào dịch ngoại bào. Đồng thời, vị trí có ái lực cao với K+ được xoay ra bề mặt tế bào. Các liên kết của K+ ngoại bào vào vị trí này kích thích quá trình thủy phân của nhóm phosphate liên kết với bơm và gây ra một sự thay đổi cấu hình thứ hai, vị trí liên kết với K+ xoay về phía tế bào chất và làm giảm ái lực liên kết của chúng để K+ được phát tán bên trong tế bào. Bơm có ba vị trí liên kết với Na+ và hai cho K+, vì vậy mỗi chu kỳ vận chuyển ba Na+ và hai K+ qua màng tế bào và tiêu tốn một phân tử ATP. 9 Hình 6: Mô hình hoạt động của bơm Na-K. II.2.2.Vận chuyển tích cực điều khiển bởi gradient ion Các bơm ion sử dụng năng lượng có nguồn gốc trực tiếp từ thủy phân ATP để vận chuyển các phân tử chống lại gradient điện hóa của chúng. Các phân tử khác được vận chuyển ngược với gradient nồng độ của chúng nhờ sử dụng năng lượng có nguồn gốc không phải từ thủy phân ATP mà từ việc vận chuyển cùng với một phân tử thứ hai theo hướng xuôi chiều nồng độ. Gradient Na+ được thiết lập bởi bơm Na-K thường cung cấp một nguồn năng lượng cho vận chuyển tích cực của các loại đường, axit amin, và các ion trong các tế bào động vật có vú. Gradient H+ được thiết lập bởi các bơm H+ của vi khuẩn, nấm men, và tế bào thực vật đóng vai trò tương tự. Các tế bào biểu mô niêm mạc ruột cung cấp một ví dụ tốt về vận chuyển tích cực do gradient Na+. Các tế bào sử dụng các hệ thống vận chuyển tích cực của màng sinh chất tại các nhung mao của chúng để hấp thụ đường và các axit amin có trong thức ăn từ lòng ruột. Sự hấp thu glucose, ví dụ, được thực hiện bởi một chất vận chuyển mà vận chuyển đồng thời hai Na+ và một glucose vào trong tế bào (Hình 7). Dòng chảy của Na+ xuôi gradient nồng độ của nó cung cấp năng lượng cần thiết để hấp thu đường và để tích lũy một nồng độ glucose cao trong tế bào 10 Hình 7: Vận chuyển tích cực của glucose. Vận chuyển tích cực do gradient Na+ chịu trách nhiệm về sự hấp thu glucose từ ruột. Phương tiện vận chuyển đồng chuyển liên kết và vận chuyển một đường và hai Na + vào trong tế bào. Hấp thụ đồng thời glucose và Na+ là một ví dụ về symport (đồng chuyển), vận chuyển hai phân tử về cùng một hướng. Ngược lại, sự khuếch tán tăng cường glucose là một ví dụ về Uniport (đơn chuyển), việc vận chuyển chỉ có một phân tử duy nhất. Vận chuyển tích cực cũng có thể xảy ra bởi antiport (đối chuyển), trong đó hai phân tử được vận chuyển theo hai hướng ngược nhau (Hình 8). Ví dụ, Ca2+ được xuất khẩu từ các tế bào không chỉ bởi bơm Ca2+ mà còn bởi một antiporter Na+- Ca2+ trong đó vận chuyển Na+ vào trong tế bào và Ca2+ ra. Một ví dụ khác được cung cấp bởi protein trao đổi Na+- H+, có chức năng điều chỉnh của độ pH trong tế bào. Na+-H+ antiporter vận chuyển Na+ vào trong tế bào đồng thời xuất khẩu H+, do đó loại bỏ H+ dư thừa sản xuất bởi các phản ứng trao đổi chất và ngăn chặn quá trình axit hóa của tế bào chất. 11 Hình 8 : Ví dụ về antiport. Ca2+ và H+ được xuất khẩu từ các tế bào nhờ đối chuyển, mà cặp đôi với chúng là Na+ đang được nhập khẩu vào tế bào xuôi chiều nồng độ. B. GIAO THÔNG TRONG TẾ BÀO CHẤT Vận chuyển dạng túi là hoạt động chủ yếu của tế bào chịu trách nhiệm về việc vận chuyển các phân tử giữa một loạt các bào quan trong tế bào chất. Các túi này có liên quan và tương tự như các túi trong vận chuyển các chất đưa ra bề mặt tế bào. Khả năng chọn lọc của phương thức vận chuyển này là chìa khóa để duy trì chức năng các cơ quan của tế bào. Ví dụ, các enzyme của lysosome phải được vận chuyển đặc biệt từ bộ máy Golgi đến lysosome mà không tới màng tế bào hay đến lưới nội chất. Nhờ một số các tín hiệu mà protein mục tiêu tới các bào quan xác định. Những protein này được vận chuyển trong túi, vì vậy tính đặc hiệu của kiểu vận chuyển này dựa vào các tín hiệu chọn lọc trên màng bao của “hàng hóa vận chuyển’’ để nhận diện và chỉ gắn với màng mục tiêu thích hợp. Do vai trò của phương thức vận chuyển này đối với các tổ chức của tế bào nhân chuẩn, nên tìm hiểu cơ chế phân tử điều khiển việc đóng gói túi, nảy chồi, và hợp nhất là một phần quan trọng trong nghiên cứu sinh học tế bào. I. Protein áo và quá trình nảy chồi các túi Bước đầu tiên trong vận chuyển dạng túi là sự hình thành của một túi nảy chồi từ màng. Bề mặt túi về phía tế bào chất được phủ bởi các protein, và việc xuất hiện các nhóm protein áo này sẽ điều khiển sự nảy chồi các túi bằng biến dạng màng. Có ba 12 kiểu lớp áo đặc trưng trên các túi tùy thuộc chức năng của các túi vận chuyển. Loại đầu tiên được mô tả là những túi phủ- clathrin, chịu trách nhiệm cho sự hấp thu của các phân tử ngoại bào từ màng sinh chất bằng phương thức thực bào (endocytosis) cũng như sự vận chuyển của các phân tử từ mặt trans của bộ máy Golgi đến lysosome. Hai loại túi khác đã được xác định là nảy chồi từ ER (lưới nội chất) và phức hệ Golgi. Những túi này được gọi là nonclathrin hoặc túi phủ COP (COP là viết tắt của protein áo). Một loại của các túi này (túi phủ COPII ) nảy chồi từ ER và vận chuyển hàng hóa của chúng về phía trước dọc theo con đường bài tiết, tới bộ máy Golgi. Ngược lại, các túi phủ COPI nảy chồi từ phần trung gian giữa ER và bộ máy Golgi hoặc từ bộ máy Golgi và có chức năng trong những con đường thu hồi nhằm giữ lại các protein thường trú tại Golgi và ER. Ví dụ, túi COPI đưa các protein thường trú của ER (được đánh dấu bằng các tín hiệu thu hồi ) từ phần trung gian giữa ER và bộ máy Golgi hoặc từ mặt cis của bộ máy Golgi trở lại ER. 13 Hình 9 : Các loại túi vận chuyển và lộ trình của chúng Lớp áo của các túi phủ clathrin gồm hai loại phức hợp protein, protein clathrin và protein adapter (protein kết nối), được lắp ráp ở phía tế bào chất của màng (Hình 10). Clathrin đóng vai trò cấu trúc bằng cách lắp ráp thành một cấu trúc mạng tinh thể dạng rổ làm biến dạng màng tế bào và điều khiển sự nảy chồi các túi. Sự liên kết của clathrin với màng qua trung gian là một lớp protein thứ hai được gọi là protein kết nối. Các protein kết nối khác nhau chịu trách nhiệm lắp ráp của các túi phủ clathrin phủ tại màng tế bào và mặt trans của bộ máy Golgi, và nó là các protein có liên quan đến việc lựa chọn các phân tử cụ thể sẽ được đưa vào túi. Ví dụ, protein liên kết AP-1 tham gia vào quá trình nảy chồi từ mặt trans của bộ máy Golgi, chúng liên kết với phần tế bào chất của các thụ thể mannose-6-phosphate, do đó định hướng các protein dành cho lysosome vào túi clathrin phủ. 14 Hình 10: Sự gia nhập của protein lysosome vào túi phủ clathrin. Protein nhắm mục tiêu cho tiêu hóa nội bào được đánh dấu bằng mannose-6phosphat, phân tử này lại liên kết với các thụ thể mannose-6-phosphate trên mặt trans của bộ máy Golgi Lớp áo của túi phủ COPI và COPII bao gồm các phức hợp protein khác nhau, có chức năng tương tự như clathrin và các protein trong quá trình nảy chồi các túi. Việc lắp ráp lớp áo cho các túi cũng yêu cầu các protein liên kết GTP, sự xuất hiện của chúng để điều chỉnh các liên kết của các lớp protein áo với màng. Sự nảy chồi cho cả hai túi clathrin và COPI từ phức hợp Golgi đòi hỏi một protein liên kết GTP gọi là ARF (yếu tố ADP-ribosylation), trong khi sự nảy chồi của các túi COPII từ ER đòi hỏi một protein liên kết GTP riêng biệt gọi là Sar1. Vai trò của các protein này được minh họa bằng các chức năng của ARF trong lắp ráp của các túi COPI (Hình ). Bước đầu tiên trong việc hình thành túi là sự kết hợp của ARF liên kết GDP với màng Golgi. 15 Protein trong màng Golgi sau đó kích thích GDP liên kết ARFchuyển thành GTP, và sau đó các protein áo COPI liên kết với các phức hợp ARF / GTP. Sự lắp ráp của lớp áo dẫn đến sự biến dạng của màng tế bào và nảy chồi các túi. Sau đó ARF thủy phân GTP liên kết của nó, dẫn đến việc chuyển đổi của ARF về trạng thái liên kết GDP và phân ly của các protein áo từ màng túi. Hình 11: Vai trò của ARF trong việc hình thành các túi COP. ARF luân phiên giữa trạng thái liên kết GTP và liên kết GDP. Khi liên kết với GDP, ARF kết hợp với màng ở mặt trans của mạng lưới Golgi, nơi có yếu tố hoạt hóa guanine nucleotide (GEF) thúc đẩy việc hoạt hóa GDP. II. Sự hợp nhất túi với màng mục tiêu 16 Sự hợp nhất của một túi vận chuyển với mục tiêu của nó gồm hai sự kiện. Đầu tiên, túi vận chuyển phải nhận diện chính xác màng mục tiêu; ví dụ, một túi mang enzyme lysosome chỉ cung cấp hàng hóa của mình đến lysosome. Thứ hai, các túi và màng mục tiêu phải hợp nhất, nhờ đó phân phối hàng hóa trong túi đến bào quan đích. Nghiên cứu trong nhiều năm qua đã dẫn đến sự phát triển của một mô hình hợp nhất túi trong đó có sự nhận biết đặc hiêu giữa một túi và mục tiêu của nó được thực hiện bởi sự tương tác giữa các cặp đôi độc đáo của các protein màng, tiếp theo là sự hợp nhất giữa các lớp đôi phospholipid của túi và màng mục tiêu . Protein tham gia vào phản ứng hợp nhất túi ban đầu được xác định trong thí nghiệm của James Rothman bằng cách phân tích sinh hóa hệ thống vận chuyển dạng túi thu được từ các tế bào động vật có vú. Phân tích các protein liên quan đến sự hợp nhất túi trong các hệ thống này đã dẫn Rothman và các đồng nghiệpcủa mình đến đề xuất một mô hình chung, được gọi là giả thuyết bẫy (SNARE hypothesis), trong đó quá trình hợp nhất được tiến hành thông qua tương tác giữa các cặp protein xác định, gọi là SNAREs (cặp bẫy), trên túi và trên màng mục tiêu (tương ứng v-SNAREs và tSNAREs)(Hình 12). Sự hình thành các phức hợp giữa v-SNAREs trên túi và tSNAREs trên màng mục tiêu sẽ dẫn đến hợp nhất màng tế bào. Hợp nhất màng 17 Phân li phức hợp SNARE Hình12: Quá trình hợp nhất túi. Hợp nhất túi thông qua liên kết đặc hiêu các cặp v-SNARE và t-SNARE trên túi và màng mục tiêu tương ứng. Protein Rab liên kết GTP tạo điều kiện hình thành các phức hợp v-SNARE/t-SNARE. Ngoài các bẫy, quá trình hợp nhất túi đòi hỏi ít nhất hai loại protein. Các protein Rab là họ các protein liên kết GTP nhỏ. Hơn 30 protein Rab khác nhau đã được biết đến và thực hiện chức năng trong quá trình vận chuyển túi nhất định. Chúng có thể hoạt động trong một vài bước vận chuyển túi, bao gồm tương tác với bẫy để điều chỉnh và tạo thuận lợi cho sự hình thành của phức hợp v-SNARE/t-SNARE. Sau sự hình thành phức hợp hoàn chỉnh giữa các SNAREs và hợp nhất màng, một phức hợp của hai loại protein bổ sung (phức hợp NSF / SNAP) là cần thiết để hoàn tất quá trình vận chuyển túi. Các protein NSF / SNAP được tiếp nhận vào màng sau sự hình thành của phức hợp v-SNARE/t-SNARE, và chúng không cần thiết trực tiếp cho túi hoặc màng đích cũng như sự hợp nhất màng. Thay vào đó, các protein NSF / SNAP hoạt động sau khi hòa màng nhằm tháo rời phức hợp bẫy, do đó cho phép bẫy được tái sử dụng cho vòng tiếp theo của quá trình vận chuyển túi. C. GIAO THÔNG GIỮA NHÂN VÀ TẾ BÀO CHẤT Màng nhân phân tách các thành phần của nhân với tế bào chất và cung cấp khuôn khổ cấu trúc của nhân. Màng nhân, đóng vai trò là rào cản ngăn chặn việc thông qua tự do của các phân tử giữa nhân và tế bào chất, duy trì nhân như một khoang sinh hóa riêng biệt. Các kênh duy nhất thông qua màng nhân được tạo nên bởi những phức hợp lỗ nhân, cho phép trao đổi có chọn lọc các phân tử giữa nhân và tế 18 bào chất. Sự thu nhận có chọn lọc các protein và ARN thông qua các lỗ nhân không chỉ thiết lập nên các thành phần bên trong của nhân, mà còn đóng một vai trò quan trọng trong việc điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thực điển hình. I. Cấu trúc phù hợp với chức năng của màng nhân I.1 Cấu trúc chung Nhân được bao quanh bởi một hệ thống hai màng đồng tâm, được gọi là màng trong và màng ngoài. Màng ngoài là liên tục với lưới nội chất, do đó, không gian giữa các màng (xoang quanh nhân) được kết nối trực tiếp với các khoang của lưới nội chất. Ngoài ra, màng ngoài của nhân có chức năng tương tự như màng của mạng lưới nội chất và có ribosome dính vào bề mặt về phía tế bào chất. Ngược lại, màng nhân bên trong mang các protein độc đáo dành riêng cho nhân. Hình 13: Cấu trúc của màng nhân. Màng nhân bên trong được lót bởi các tấm lamina, có tác dụng như một vị trí đính kèm cho nhiễm sắc thể. Các chức năng quan trọng của màng nhân là hoạt động như một rào cản ngăn cách các thành phần của nhân với tế bào chất. Như các màng tế bào khác. Màng nhân là lớp photpholipit kép chỉ thấm với các phân tử nhỏ không phân cực. Các phân tử khác không thể khuếch tán qua lớp màng này. Màng trong và màng ngoài kết nối với nhau tại khu phức hợp lỗ nhân – là các kênh duy nhất mà qua đó các phân tử nhỏ phân 19 cực và các đại phân tử có thể đi qua màng nhân. Như sẽ nói đến trong phần tiếp theo, các lỗ nhân là một cấu trúc phức tạp chịu trách nhiệm về giao thông có chọn lọc các protein và ARN giữa nhân và tế bào chất. Bên dưới màng nhân là lớp lamina mỏng – một mạng lưới các sợi có tác dụng chống đỡ, ổn định cấu trúc cho nhân. Tấm lamina bao gồm một hoặc nhiều protein có liên quan gọi là lamins. Ví dụ, hầu hết các tế bào động vật có vú, có bốn lamin khác nhau, được kí hiệu là : A, B1, B2 và C. Hầu hết các lamins là các protein dạng sợi khối lượng 60 -80 kilodalton (kd), có liên quan đến các protein trung gian của bộ khung xương tế bào. Các lamin lại liên kết với nhau để tạo thành các sợi lớn hơn. Giai đoạn đầu tiên của sự kết hợp này là sự tương tác của hai lamin để tạo thành dimer trong đó khu vực xoắn α của hai chuỗi polipeptit quấn quanh nhau trong một cấu trúc như cuộn dây thừng. Các chất nhị trùng sau đó liên kết với nhau để tạo thành các sợi và cuối cùng tạo thành phiến nhân lamina. Ngoài ra các lamin còn liên kết với các protein của màng nhân trong góp phần giúp tổ chức các sợi này thành mạng lưới và làm trung gian giữa các phần kết nối của nó với màng. Hình14: Mô hình lắp ráp lamin. Các polypeptide lamin tạo dimer, trong đó khu vực xoắn α trung tâm của hai chuỗi polypeptide được quấn quanh nhau. Sự kết hợp từ đầu đến đuôi của các dimer để tạo thành polymer sợi thẳng 20 Ngoài việc là cấu trúc hỗ trợ cho màng nhân, phiến nhân được cho là nơi đính kèm nhiễm sắc thể. Chất nhiễm sắc trong nhân tế bào được tổ chức thành các vòng lớn DNA, một số trong đó có liên kết với màng nhân. Các lamins liên kết nhiễm sắc thể và có thể làm trung gian trong tương tác này. I.2. Phức hợp lỗ nhân Phức hợp lỗ nhân là những kênh duy nhất thông qua đó các phân tử nhỏ cực, các ion, và các đại phân tử (protein và RNA) có thể đi lại giữa nhân và tế bào chất. Phức hợp lỗ nhân là một cấu trúc cực kỳ lớn với đường kính khoảng 120 nm và có một khối lượng phân tử ước tính khoảng 125 triệu Dalton - khoảng 30 lần kích thước của một ribosome. Ở động vật có xương sống, các phức hợp lỗ nhân bao gồm từ 50 đến 100 protein khác nhau. Bằng cách kiểm soát giao thông của các phân tử giữa nhân và tế bào chất, các lỗ nhân đóng một vai trò cơ bản trong hoạt động sinh lý của tất cả các tế bào nhân chuẩn. ARN được tổng hợp trong nhân phải được xuất khẩu ra các tế bào chất, nơi nó tham gia hoạt động tổng hợp protein. Ngược lại, các protein cần thiết cho các chức năng của nhân (ví dụ, các yếu tố phiên mã) phải được vận chuyển vào nhân từ những nơi tổng hợp nó trong tế bào chất. Ngoài ra, còn có nhiều protein đi lại liên tục giữa nhân và tế bào chất. Hình ảnh của phức hợp lỗ nhân dưới kính hiển vi điện tử cho thấy một cấu trúc với tám tổ chức đối xứng xung quanh một kênh trung tâm lớn, đó là con đường mà các protein và ARN đi qua màng nhân. Nghiên cứu cấu trúc chi tiết, bao gồm cả phân tích hình ảnh trên máy tính đã dẫn đến sự phát triển mô hình ba chiều của phức hợp lỗ nhân ( hình 15). Những nghiên cứu này chỉ ra rằng các phức hợp lỗ nhân gồm một nhóm tám sợi protein được sắp xếp quanh một kênh trung tâm. Các sợi được kết nối với vòng nhẫn ở bề mặt nhân và tế bào chất, cùng với tổ hợp sơi – vòng nhẫn được neo trong màng nhân tại vị trí có sự hợp nhất giữa hai màng trong và ngoài. Sợi protein kéo dài từ cả hai phía vòng nhẫn tế bào chất và vòng nhẫn nhân, tạo thành cấu trúc basketlike ( giống cái giỏ) tách biệt ở nhân. Kênh trung tâm có đường kính khoảng 40 nm, đủ rộng để các hạt lớn nhất có thể vượt qua màng nhân. Nó chứa một cấu trúc gọi là cấu trúc vận chuyển trung tâm, thông qua đó sự vận chuyển tích cực các đại phân tử được cho là xảy ra. 21 Hình 15: Phức hợp lỗ nhân Tùy thuộc vào kích thước, các phân tử có thể đi qua các phức hợp lỗ nhân bởi một trong hai cơ chế khác nhau. Bình thường cấu trúc vận chuyển trung tâm không đóng kín mà luôn mở với một đường kính khoảng 9 nm đủ để các phân tử nhỏ và một số protein có khối lượng phân tử nhỏ hơn khoảng 50 kd khuếch tán một cách thụ động qua màng nhân theo hai hướng : tế bào chất đến nhân hoặc nhân đến tế bào chất. Hầu hết các protein và ARN, tất nhiên không thể đi qua các kênh ở đường kính này. Khi có các tín hiệu thích hợp đường kính của kênh có thể được điều chỉnh, nó có thể mở ra một kích thước hơn 25 nm – một kích thước đủ để chứa phức hợp lớn Ribonucleoprotein, chẳng hạn như tiểu đơn vị ribosome. Đây là một quá trình tích cực trong đó protein và ARN phù hợp được chấp nhận và chọn lọc để vận chuyển theo một hướng nhất định : các protein của nhân được chọn lọc nhập khẩu từ tế bào chất đến nhân trong khi ARN được xuất khẩu từ nhân ra tế bào chất. 22 Hình16 : Vận chuyển các phân tử qua phức hợp lỗ nhân. Các phân tử nhỏ có thể nhanh chóng vượt qua các kênh mở trong phức hợp lỗ nhân bằng cách khuếch tán thụ động. Ngược lại, các đại phân tử được vận chuyển bởi một cơ chế chọn lọc phụ thuộc vào năng lượng. II. VẬN CHUYỂN CÁC CHẤT QUA PHỨC HỢP LỖ NHÂN II.1. Vận chuyển có chọn lọc các protein đến và đi từ nhân II.1.1. Cơ chế vận chuyển Cơ sở cho sự vận chuyển có chọn lọc qua màng nhân được hiểu tốt nhất đối với những protein được nhập khẩu từ tế bào chất đến nhân tế bào. Protein này chịu trách nhiệm cho tất cả các mặt về cấu trúc và chức năng của gen, chúng bao gồm các protein histon, AND polimeaza, ARN polimeaza, các yếu tố phiên mã, yếu tố kết nối và nhiều loại khác. Những protein này nhắm mục tiêu đến nhân tế bào nhờ trình tự axit amin đặc biệt, được gọi là tín hiệu định vị nhân. Tín hiệu định vị nhân đầu tiên được mô tả một cách chi tiết bởi Alam Smith và các đồng nghiệp vào năm 1984. Họ đã nghiên cứu một loại kháng nguyên T của virut nhiễm trên khỉ SV40 ( simian virus 40), một loại protein virut được mã hóa để khởi đầu sao chép ADN của virut trong tế bào bị nhiễm. Như mong đợi về một loại protein tái bản, kháng nguyên T thường được định vị đến nhân. Tín hiệu chịu trách nhiệm về sự định vị nhân của nó được khám phá lần đầu bởi phát hiện rằng sự biến đổi của một 23 dư lượng lysine ngăn cản sự nhập khẩu vào nhân của kháng nguyên T , kết quả là dẫn đến sự tích tụ của kháng nguyên này trong tế bào chất. Nghiên cứu tiếp theo đã xác định tín hiệu định vị nhân của kháng nguyên T là chuỗi bảy axit amin : Pro - Lys Lys- Lys - Arg - Lys-Val. Tín hiệu định vị nhân được xác định trong nhiều loại protein khác nhau. Hầu hết các trình tự, tương tự như của kháng nguyên T , là đoạn ngắn giàu các axit amin cơ bản (lysine và arginine). Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, các axit amin tạo thành các tín hiệu định vị nhân gần nhau chứ không tiếp giáp sát với nhau. Ví dụ, các tín hiệu định vị nhân của nucleoplasmin (một loại protein liên quan đến lắp ráp nhiễm sắc thể ) bao gồm hai phần: một cặp Lys-Arg kèm theo bốn lysine nằm cách nó mười axít amin về cuối chuỗi ( Hình 17). Cả hai trình tự Lys-Arg và Lys-Lys-Lys-Lys đều cần thiết cho việc hướng nhân, nhưng các axít amin giữa những trình tự này có thể bị biến đổi mà không ảnh hưởng tới sự định vị nhân. Kiểu tín hiệu định vị nhân tương tự gặp ở nhiều loại protein do đó nó có thể phổ biến hơn so với tín hiệu định vị nhân đơn giản của kháng nguyên T. Ngoài ra, một số protein, chẳng hạn như protein ribosome, có tín hiệu định vị nhân riêng biệt mà không liên quan đến các tín hiệu định vị nhân giàu các axit amin cơ bản của một trong hai loại nucleoplasmin hoặc T kháng nguyên. Hình 17 : Tín hiệu định vị nhân. Tín hiệu định vị nhân của kháng nguyên T là một chuỗi đơn giản của các axit amin. Ngược lại, tín hiệu định vị nhân của nucleoplasmin gồm hai phần: một cặp Lys-Arg và một chuỗi bốn axitamin Lys-Lys-Lys-Lys. Hoạt động nhập khẩu protein thông qua các phức hợp lỗ nhân có thể được chia thành hai bước, phân biệt bởi nhu cầu năng lượng của mỗi giai đoạn ( Hình 18). Bước 24 đầu tiên, không cần năng lượng, protein có chứa các tín hiệu định vị nhân liên kết với các phức hợp lỗ nhân nhưng không đi qua các lỗ nhân. Trong giai đoạn này, các tín hiệu định vị nhân được nhận biết bởi một protein thụ thể trong tế bào chất, và các phức hợp thụ thể bề mặt liên kết với các lỗ nhân. Các thụ thể - được gọi là importin , bao gồm hai tiểu đơn vị. Một tiểu đơn vị ( importin α) liên kết với tín hiệu định vị nhân giàu các axit amin cơ bản của các protein như kháng nguyên T và nucleoplasmin. Tiểu đơn vị thứ hai (importin β) liên kết với các sợi tế bào chất của phức hợp lỗ nhân, đưa protein mục tiêu đến các lỗ nhân. Các loại tín hiệu định vị nhân, chẳng hạn như những protein ribosome, được nhận biết bởi các thụ thể khác nhau có liên quan đến importin β và chức năng tương tự như importin β trong việc vận chuyển các protein mục tiêu của chúng vào nhân . Hình 18 : Quá trình nhập khẩu protein thông qua các phức hợp lỗ nhân. Protein được vận chuyển thông các phức hợp lỗ nhân theo hai bước. Trong ví dụ, một protein có tín hiệu định vị nhân (NLS) là một chuỗi amino axit cơ bản điển hình được nhận biết bởi importin. Bước thứ hai của quá trình là sự vận chuyển thông qua các phức hợp lỗ nhân, là một quá trình phụ thuộc vào năng lượng lấy từ sự thủy phân GTP. Chất vận chuyển quan trọng trong quá trình này là một protein nhỏ liên kết GTP gọi là Ran, ( Hình 19 ). Sự tạo thành hay thủy phân GTP ảnh hưởng tới cấu hình và hoạt động 25 của Ran. Các enzyme xúc tác liên kết giữa GTP với Ran được định vị trên màng nhân về phía trong nhân trong khi các enzym xúc tác thủy phân GTP được định vị ở phía tế bào chất. Do đó, có một gradient của Ran / GTP qua màng nhân, với nồng độ cao của Ran / GTP phía trong nhân và nồng độ cao của Ran / GDP trong tế bào chất. Gradient này của Ran / GTP được cho là để xác định hướng của quá trình vận chuyển và thủy phân GTP bởi Ran xuất hiện để giải thích cho hầu hết (nếu không phải tất cả) nhu cầu năng lượng cho sự nhập khẩu của nhân. Importin β tạo phức với importin α và protein mục tiêu của nó ở phía tế bào chất của phức hợp lỗ nhân, trong sự hiện diện của một nồng độ cao của Ran / GDP. Phức hợp này sau đó được vận chuyển qua lỗ nhân vào nhân nơi đang có nồng độ cao của Ran / GTP. Ở phía nhân của lỗ nhân, Ran / GTP gắn vào importin β, thay cho importin α và protein mục tiêu. Kết quả là, các protein mục tiêu giải phóng trong nhân. Phức hợp Ran / GTP - importin β sau đó được xuất khẩu ra tế bào chất, nơi mà GTP được thủy phân thành GDP, giải phóng importin β để tham gia vào một vòng nhập khẩu vào nhân khác. Hình 19: Vai trò của các protein Ran trong quá trình nhập khẩu vào nhân. Giao thông thông qua các phức hợp lỗ nhân được điều khiển bởi một gradient của Ran / GTP, với nồng độ cao của Ran / GDP trong tế bào chất và nồng độ cao của Ran / GTP trong nhân. Một số protein ở lại trong nhân sau khi được nhập khẩu từ tế bào chất, nhưng nhiều phân tử vận chuyển khác đi qua lại giữa nhân và tế bào chất. Một số loại protein này hoạt động như “ phu khuân vác” trong việc vận chuyển các phân tử khác, chẳng 26 hạn như ARN; Một số khác phối hợp chức năng nhân và tế bào chất (ví dụ, bằng cách điều chỉnh hoạt động của các yếu tố phiên mã ). Protein được nhắm mục tiêu xuất khẩu từ nhân tế bào bởi trình tự axit amin đặc biệt, được gọi là tín hiệu xuất khẩu nhân. Cũng như tín hiệu định vị nhân, tín hiệu xuất khẩu nhân được nhận biết bởi các thụ thể trong nhân mà nhờ đó các protein được vận chuyển trực tiếp thông qua các phức hợp lỗ nhân đến tế bào chất. Điều thú vị là các thụ thể xuất khẩu nhân (gọi là exportins ) có liên quan đến importin β. Giống như importin β, các exportins liên kết với Ran , điều đó là cần thiết để xuất khẩu khỏi nhân cũng như nhập khẩu vào nhân. Tuy nhiên, đáng chú ý, Ran / GTP thúc đẩy sự hình thành của phức hợp ổn định giữa exportins và protein mục tiêu, trong khi lại phân tách phức hợp giữa importins và protein mục tiêu của nó. Hiệu ứng của liên kết Ran / GTP với exportins điều khiển sự chuyển động của các protein có chứa các tín hiệu xuất khẩu từ nhân ra tế bào chất. Như vậy, exportins tạo ra các phức hợp ổn định với các protein mục tiêu của nó gắn với Ran / GTP trong nhân. Sau khi vận chuyển sang phía tế bào chất của màng nhân, GTP thủy phân dẫn đến sự phân ly của protein mục tiêu,và phát tán vào tế bào chất. Hình 20 : Hoạt động xuất khẩu của nhân. Phức hợp giữa các protein mục tiêu mang tín hiệu xuất khẩu nhân (NES), exportins, và Ran / GTP hình thành trong nhân. Sau khi vận chuyển qua phức hợp lỗ nhân, Ran GAP kích thích sự thủy phân GTP II.1.2. Điều chỉnh sự nhập khẩu của Protein vào nhân 27 Một khía cạnh hấp dẫn của việc vận chuyển protein vào nhân là một mức độ mà tại đó các hoạt động của protein nhân có thể được kiểm soát. Các yếu tố phiên mã là một ví dụ, chúng chỉ có chức năng khi có mặt trong nhân, vì vậy điều chỉnh sự nhập khẩu của chúng tới nhân là một phương tiện mới để kiểm soát sự biểu hiện của gen. Việc điều chỉnh sự nhập khẩu vào nhân của các yếu tố phiên mã và protein kinase đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hành vi của các tế bào để đáp ứng với những thay đổi trong môi trường, vì nó cung cấp một cơ chế mà theo đó các tín hiệu nhận được trên bề mặt tế bào có thể được truyền đến nhân tế bào. Trong một cơ chế điều chỉnh, các yếu tố sao chép (hoặc protein khác) liên kết với các protein tế bào chất mà tín hiệu định vị nhân của chúng bị che giấu; vì tín hiệu của chúng không được nhận biết, nên những protein này vẫn ở lại trong tế bào chất. Một ví dụ được cung cấp bởi các yếu tố phiên mã NF-κB, là yếu tố hoạt hóa phiên mã của chuỗi nhẹ globulin miễn dịch κ - trong tế bào lympho B ( hình 21 ). Trong các tế bào không bị kích thích NF-κB được tìm thấy như là một phức hợp không hoạt động với một protein ức chế (IκB) trong tế bào chất. Liên kết với IκB xuất hiện để che giấu tín hiệu định vị nhân NF-κB , do đó ngăn cản NF-κB từ tế bào chất đang được vận chuyển vào nhân tế bào . Trong các tế bào bị kích thích, IκB bị phosphoryl hóa và phân hủy bởi ubiquitin , cho phép NF-κB vào nhân và kích hoạt phiên mã của các gen mục tiêu. 28 Hình 21: Điểu chỉnh sự nhập khẩu vào nhân của yếu tố phiên mã Việc nhập khẩu vào nhân của các yếu tố phiên mã khác được điều chỉnh trực tiếp bởi sự phosphoryl hóa chính nó, chứ không phải do kết hợp với protein ức chế . Ví dụ, yếu tố phiên mã SWI5 của nấm men được nhập khẩu vào nhân chỉ ở giai đoạn nhất định của chu kỳ tế bào. Mặt khác, khi SWI5 được giữ lại trong tế bào chất là kết quả của sự phosphoryl hóa các serine liền kề với tín hiệu định vị nhân của nó, ngăn chặn nhập khẩu vào nhân. Điều chỉnh sự dephosphoryl hóa các vị trí này kích hoạt SWI5 ở giai đoạn thích hợp của chu kỳ tế bào sẽ cho phép sự vận chuyển của nó đến nhân. II.2. Sự vận chuyển của ARN qua màng nhân Trong khi nhiều protein được vận chuyển chọn lọc từ tế bào chất vào nhân, thì hầu hết các ARN được xuất khẩu từ nhân ra tế bào chất. Cũng giống như nhập khẩu protein, việc xuất khẩu ARN thông qua phức hợp lỗ nhân là một quá trình tích cực, phụ thuộc năng lượng và cần tới protein Ran liên kết GTP. ARN được vận chuyển qua màng nhân dưới dạng phức hợp với protein, mà trong một số trường hợp phức hợp đủ lớn để có thể quan sát bằng kính hiển vi điện tử . Dạng vận chuyển phổ biến của các ARN là phức hợp Ribonucleoprotein hơn là ARN trần, và ARN được nhắm mục tiêu cho vận chuyển từ nhân bởi các tín hiệu xuất khẩu trên các protein liên kết với chúng. Những protein này được nhận biết bởi exportins và vận chuyển từ nhân ra tế bào chất như mô tả ở trên. Các tiền mARN và mARN được kết hợp với một tập hợp ít nhất 20 protein (hình thành các heterogeneous nuclear ribonucleoproteins, hoặc hnRNPs ) trong quá trình chế biến và cuối cùng vận chuyển đến các tế bào chất. Ít nhất hai trong số các protein hnRNP này có tín hiệu xuất khẩu và được cho là có chức năng như các “ phu khuân vác” của mRNA trong quá trình xuất khẩu của chúng đến tế bào chất. Như đã biết, ARN ribosome được lắp ráp với các protein ribosome trong nhân , và tiểu đơn vị ribosome nguyên vẹn sau đó được vận chuyển đến các tế bào chất. Quá trình xuất khẩu của chúng từ nhân được thông qua bởi các tín hiệu xuất khẩu hiện diện trên protein ribosome. Với tRNA, các protein đặc biệt làm trung gian trong xuất khẩu từ nhân chưa được xác định. Trái ngược với mRNA, tRNA, và rRNAs, có chức năng trong tế bào chất, chức năng snRNAs trong nhân như thành phần của bộ máy chế biến ARN . Có lẽ đáng ngạc nhiên, các ARN ban đầu được vận chuyển từ nhân ra tế bào chất, nơi mà chúng liên kết với protein để tạo thành snRNPs chức năng và sau đó trở về nhân ( Hình 22). Protein 29 liên kết với mũ 5 ' của snRNAs xuất hiện để tham gia vào việc xuất khẩu các snRNAs đến tế bào chất, trong khi trình tự hiện diện trên các protein snRNP lại chịu trách nhiệm vận chuyển snRNPs từ tế bào chất vào nhân tế bào. Hình 22: Vận chuyển snRNAs giữa nhân và tế bào chất. snARN ban đầu được xuất khẩu từ nhân ra tế bào chất, nơi mà chúng liên kết với protein để tạo thành phức hợp snRNP. Các snRNP sau đó được vận chuyển trở lại vào nhân 30 Phần 3: KẾT LUẬN Như vậy hoạt động vận chuyển các chất trong tế bào diễn ra rất đa dạng, phong phú với nhiều hình thức khác nhau tùy thuộc vào chất vận chuyển và các cấu trúc tham gia quá trình vận chuyển. Nhưng dù ở hình thức nào quá trình vận chuyển cũng tuân theo một nguyên tắc chung là chỉ vận chuyển những chất cần thiết đến những nơi cần thiết. Nhờ đó các các hoạt động của tế bào không bị xáo trộn mà được điều chỉnh rất chặt chẽ. Với mong muốn xây dựng một chuyên đề hỗ trợ nhằm nâng cao hiệu quả trong giảng dạy phần sinh học tế bào tôi đã cố gắng nghiên cứu, sưu tầm, chọn lọc và sắp xếp phù hợp với logic các kiến thức. Nhưng do thời gian và trình độ có hạn nên chuyên đề chắc chắn không tránh khỏi sai sót. Vì vậy tôi rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô, đồng nghiệp và bạn bè. 31 [...]... chặn quá trình axit hóa của tế bào chất 11 Hình 8 : Ví dụ về antiport Ca2+ và H+ được xuất khẩu từ các tế bào nhờ đối chuyển, mà cặp đôi với chúng là Na+ đang được nhập khẩu vào tế bào xuôi chiều nồng độ B GIAO THÔNG TRONG TẾ BÀO CHẤT Vận chuyển dạng túi là hoạt động chủ yếu của tế bào chịu trách nhiệm về việc vận chuyển các phân tử giữa một loạt các bào quan trong tế bào chất Các túi này có liên quan... khoảng 30 lần kích thước của một ribosome Ở động vật có xương sống, các phức hợp lỗ nhân bao gồm từ 50 đến 100 protein khác nhau Bằng cách kiểm soát giao thông của các phân tử giữa nhân và tế bào chất, các lỗ nhân đóng một vai trò cơ bản trong hoạt động sinh lý của tất cả các tế bào nhân chuẩn ARN được tổng hợp trong nhân phải được xuất khẩu ra các tế bào chất, nơi nó tham gia hoạt động tổng hợp protein... protein NSF / SNAP hoạt động sau khi hòa màng nhằm tháo rời phức hợp bẫy, do đó cho phép bẫy được tái sử dụng cho vòng tiếp theo của quá trình vận chuyển túi C GIAO THÔNG GIỮA NHÂN VÀ TẾ BÀO CHẤT Màng nhân phân tách các thành phần của nhân với tế bào chất và cung cấp khuôn khổ cấu trúc của nhân Màng nhân, đóng vai trò là rào cản ngăn chặn việc thông qua tự do của các phân tử giữa nhân và tế bào chất, duy... protein tế bào chất mà tín hiệu định vị nhân của chúng bị che giấu; vì tín hiệu của chúng không được nhận biết, nên những protein này vẫn ở lại trong tế bào chất Một ví dụ được cung cấp bởi các yếu tố phiên mã NF-κB, là yếu tố hoạt hóa phiên mã của chuỗi nhẹ globulin miễn dịch κ - trong tế bào lympho B ( hình 21 ) Trong các tế bào không bị kích thích NF-κB được tìm thấy như là một phức hợp không hoạt động. .. mục tiêu của nó Hiệu ứng của liên kết Ran / GTP với exportins điều khiển sự chuyển động của các protein có chứa các tín hiệu xuất khẩu từ nhân ra tế bào chất Như vậy, exportins tạo ra các phức hợp ổn định với các protein mục tiêu của nó gắn với Ran / GTP trong nhân Sau khi vận chuyển sang phía tế bào chất của màng nhân, GTP thủy phân dẫn đến sự phân ly của protein mục tiêu,và phát tán vào tế bào chất... được nhập khẩu từ tế bào chất, nhưng nhiều phân tử vận chuyển khác đi qua lại giữa nhân và tế bào chất Một số loại protein này hoạt động như “ phu khuân vác” trong việc vận chuyển các phân tử khác, chẳng 26 hạn như ARN; Một số khác phối hợp chức năng nhân và tế bào chất (ví dụ, bằng cách điều chỉnh hoạt động của các yếu tố phiên mã ) Protein được nhắm mục tiêu xuất khẩu từ nhân tế bào bởi trình tự axit... phiên mã SWI5 của nấm men được nhập khẩu vào nhân chỉ ở giai đoạn nhất định của chu kỳ tế bào Mặt khác, khi SWI5 được giữ lại trong tế bào chất là kết quả của sự phosphoryl hóa các serine liền kề với tín hiệu định vị nhân của nó, ngăn chặn nhập khẩu vào nhân Điều chỉnh sự dephosphoryl hóa các vị trí này kích hoạt SWI5 ở giai đoạn thích hợp của chu kỳ tế bào sẽ cho phép sự vận chuyển của nó đến nhân... trong tế bào chất Liên kết với IκB xuất hiện để che giấu tín hiệu định vị nhân NF-κB , do đó ngăn cản NF-κB từ tế bào chất đang được vận chuyển vào nhân tế bào Trong các tế bào bị kích thích, IκB bị phosphoryl hóa và phân hủy bởi ubiquitin , cho phép NF-κB vào nhân và kích hoạt phiên mã của các gen mục tiêu 28 Hình 21: Điểu chỉnh sự nhập khẩu vào nhân của yếu tố phiên mã Việc nhập khẩu vào nhân của. .. hình và hoạt động 25 của Ran Các enzyme xúc tác liên kết giữa GTP với Ran được định vị trên màng nhân về phía trong nhân trong khi các enzym xúc tác thủy phân GTP được định vị ở phía tế bào chất Do đó, có một gradient của Ran / GTP qua màng nhân, với nồng độ cao của Ran / GTP phía trong nhân và nồng độ cao của Ran / GDP trong tế bào chất Gradient này của Ran / GTP được cho là để xác định hướng của quá... snRNP lại chịu trách nhiệm vận chuyển snRNPs từ tế bào chất vào nhân tế bào Hình 22: Vận chuyển snRNAs giữa nhân và tế bào chất snARN ban đầu được xuất khẩu từ nhân ra tế bào chất, nơi mà chúng liên kết với protein để tạo thành phức hợp snRNP Các snRNP sau đó được vận chuyển trở lại vào nhân 30 Phần 3: KẾT LUẬN Như vậy hoạt động vận chuyển các chất trong tế bào diễn ra rất đa dạng, phong phú với nhiều ...2 Phần : MỞ ĐẦU Nếu coi tế bào giống xã hội thu nhỏ, vận chuyển chất tế bào hoạt động giao thông xã hội Hoạt động đảm bảo thông thương mật thiết phần khác tế bào tế bào với môi trường Trong... chúng Na+ nhập vào tế bào xuôi chiều nồng độ B GIAO THÔNG TRONG TẾ BÀO CHẤT Vận chuyển dạng túi hoạt động chủ yếu tế bào chịu trách nhiệm việc vận chuyển phân tử loạt bào quan tế bào chất Các túi... Bằng cách kiểm soát giao thông phân tử nhân tế bào chất, lỗ nhân đóng vai trò hoạt động sinh lý tất tế bào nhân chuẩn ARN tổng hợp nhân phải xuất tế bào chất, nơi tham gia hoạt động tổng hợp protein