BÁO CÁO TỐT NGHIỆP Tiểu luận "Hóa sinh học chức năng thông tin" 1 MỤC LỤC BÁO CÁO TỐT NGHIỆP 1 Tiểu luận 1 "Hóa sinh học chức năng thông tin" 1 MỤC LỤC 2 MỞ ĐẦU: Sự sống vốn rất đa dạng và ẩn chứa nhiều điều kỳ diệu, nhưng “tất cả cũng chỉ là những biến thiên vô cùng của bất cứ một hệ thống tổng hợp nào.” Nghiên cứu tế bào đã được con người tiến hành từ xa xưa, cùng với thời gian và sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các bí ẩn của sự sống trong tế bào đó lần lượt được khám phá. Những cấu trúc hiển vi và siêu hiển vi của tế bào đó được làm sáng tỏ. Một cấu trúc quan trọng đóng vai trò quyết định cho mọi hoạt động sống và qua nó mọi hoạt động sống như trao đổi chất, sinh trưởng phát triển, vận động, cảm ứng được xảy ra để duy trì sự sống của tế bào đó là cấu trúc “màng tế bào”. Màng tế bào đã được nghiên cứu từ thế kỷ XVIII nhưng đến đầu thế kỷ XX, nhân loại đã khám phá khá đầy đủ và chi tiết cấu trúc và chức năng của màng. Nhiều nhà khoa học sinh học đã cho rằng nghiên cứu tế bào chính là nghiên cứu màng tế bào. Quả thật, màng tế bào đảm nhận các chức năng quang trọng có tính quyết định sự tồn tại , sinh trưởng, phát triển của tế bào như trao đổi chất qua màng, Ngăn cách khuếch tán thẩm thấu , Cảm ứng , phân cắt và biệt hóa tế bào, thụ cảm, liên kết tế bào tạo mô, định hướng chuyển động, bảo vệ tế bào,… Một trong những chức năng quan trọng của màng tế bào là thu nhận và truyền đạt thông tin nhờ các cơ chế rất tinh vi và chính xác vì “Các tế bào luôn tắm mình trong môi trường nhiều thông tin và tín hiệu”. Để thực hiện chức năng thông tin này, nguyên lý cơ bản của sự sống là tế bào phải có cấu trúc đặc biệt tương ứng thích nghi với cơ chế mà nó đẩm nhận. Vậy cơ chế của quá trình này diễn ra như thế nào, đây hẳn là vấn đề hết sức thú vị mà các nhà khoa học đã từng bước làm sáng tỏ. Để trang bị cho mình một kiến thức nhất định về vấn đề này , được sự 2 cho phép của Thầy giáo giảng viên PGS. TS Lê Dụ tôi nghiên cứu đề tài “ Hóa sinh học chức năng thông tin” dưới hình thức một bài tập tiểu luận Trong giới hạn cho phép của một bài tập cùng với những hạn chế nhất định của bản thân và điều kiện nghiên cứu, chắc hẳn bài tập còn nhiều nội dung chưa được làm rõ….Tôi thành thật kính mong sự góp ý và sửa sai của của Thầy giáo và các bạn cùng học. Quy Nhơn, 04 – 2010. NỘI DUNG: Để thực hiện chức năng thông tin này, màng tế bào có cấu trúc đặc biệt tương ứng. Cấu trúc này thường nằm trên bề mặt tế bào. Cơ quan đảm nhận chức năng này gọi là thụ thể màng hoặc thụ quan bề mặt. Các thụ thể màng có cơ chế hoạt động cụ thể là tiếp xúc, cảm ứng, nhận biết, tiếp nhận liên kết và chuyển tín hiệu đó vào trong hoặc ra ngoài. Như ta đã biết đặc tính của màng là luôn luôn chứa đựng các phân tử protein. Và các protein màng chịu trách nhiệm thực hiện hầu hết các quá trình động học mà màng tế bào đảm nhiệm. 3 I. SƠ LƯỢC CẤU TRÚC MÀNG TẾ BÀO THÍCH NGHI VỚI CƠ CHẾ TIẾP NHẬN VÀ TRUYỀN ĐẠT THÔNG TIN. Như trên đã nêu hóa sinh học chức năng thông tin được thực hiện trên cơ sở protein màng, bao gồm: I.1. protein xuyên màng : protein xuyên màng là những protein liên kết với màng lipid kép phần lớn bằng các liên kết không cộng hóa trị nên có thể rất linh động có thể di chuyển theo chiều ngang của màng tế bào, và thực hiện linh hoạt nhiều chức năng sống khi chúng có thể thay đổi cấu hình không gian của phân tử. I.1.1. Cấu trúc và sự liên kết của các protein xuyên màng Giống như các loại protein thông thường khác, protein màng cũng có các bậc cấu trúc: cấu trúc bậc một, bậc hai, bậc ba và bậc bốn. Protein màng có cả hai loại hình cầu và hình sợi. Các phân tử protein nhô ra phía ngoài màng thường liên kết với các phân tử gluxit tạo thành các glycoprotein. Các glycoprotein này đóng vai trò là các kênh truyền tín hiệu qua màng giữa tế bào này với tế bào khác hoặc trong nội bộ tế bào. 4 Hình 1 Chúng xuyên qua lớp kép lipid của màng và liên kết rất chặt chẽ với lớp kép lipid qua chuỗi acid béo và như vậy chỉ được lấy ra khi đã phá vỡ lớp kép lipid. Nhiều protein trong số chúng là các glycoprotein có chứa các gốc đường nhô ra phía môi trường. Các protein này thường tạo thành các phức hệ protein và có nhiều tiểu đơn vị. Chúng là các enzyme, các thụ thể, chất vận chuyển, chất liên lạc và chất dính kết. Chúng có hai loại là protein xuyên màng một lần hoặc nhiều lần. Chúng có các phần nằm trong màng chứa các trình tự xoắn alpha gồm 20 đến 25 acid amin kỵ nước. Các đoạn trình tự bao gồm các acid amin ưa nước phân tách các đoạn trình tự kỵ nước. Các trình tự ưa nước có xu hướng nhô ra hai phía của màng, tiếp xúc với môi trường nước ở trong tế bào chất và môi trường ngoài. Protein xuyên màng được liên kết cộng hoá trị với các phân tử phospholipid hay glycolipid của màng nên còn được gọi là các protein liên kết với lipid màng. Chúng có diện tích tiếp xúc lớn với môi trường ở hai phía của màng. Có loại protein xuyên qua màng một lần, ví dụ như glycophorin (màng hồng cầu) hoặc xuyên màng nhiều lần như bacterioRhodopsin (màng vi khuẩn) xuyên qua màng bảy lần. Hình 2: Cấu trúc protein xuyên màng 5 Phần protein nằm trong màng là kị nước và liên kết với đuôi kị nước của lớp kép lipid. Các đầu của phân tử protein thò ra phía bề mặt ngoài và bề mặt trong của màng là ưa nước và có thể là các tận cùng nhóm amin hoặc cacboxyl. Các protein xuyên màng thường liên kết với hydratcacbon tạo nên các glycoprotein nằm ở phía ngoài của màng. Ví dụ: Glycophorin là protein xuyên màng một lần tìm thấy ở màng hồng cầu có cấu tạo gồm 131 acid amin. Phần ưa nước là đầu tận cùng amin, nằm ở phía ngoài màng và liên kết với gluxit (hydratcarbon) chứa đến mười sáu mạch bên oligosacarid. Nhiều protein xuyên màng một lần đã được tách chiết và nghiên cứu, một số lớn có vai trò thụ thể ( protein kinase đặc trưng cho tyrosin, thụ thể insulin, nhân tố sinh trưởng biểu bì ) Protein “băng 3” tìm thấy trong màng hồng cầu là một protein xuyên màng mười hai lần, các phần xuyên qua lớp kép lipid bằng các chuỗi xoắn anpha. Protein này bao gồm 930 acid amin và có vai trò rất quan trọng trong chức năng vận chuyển O2 và CO2 của hồng cầu. I.1.2.Vai trò của protein xuyên màng: Protein xuyên màng có các chức năng cơ bản sau: - Chức năng vận chuyển: Các protein xuyên màng tồn tại dưới dạng các bơm ion, bơm proton thực hiện chức năng trao đổi chất qua màng - chức năng cấu trúc chống đỡ như các protein bộ khung tế bào, - chức năng truyền tín hiệu thông tin trao đổi chất và chức năng bảo vệ như các thụ thể màng (receptor) - Chức năng xúc tác: thực hiện hàng loạt chức năng xúc tác cho các phản ứng của quá trình phosphoryl hóa oxy hóa và quang hợp tạo năng lượng cho cơ thể sống. I.2. Các protein ngoại biên: Các protein ngoại biên hình thành các liên kết ion với các cấu trúc màng. Chúng có thể được tách ra khỏi màng dễ dàng bằng cách đưa về pH thích hợp mà không phá vỡ tính nguyên vẹn của màng. Chúng nằm về cả hai phía của màng và cũng thường liên kết với các phần không phải là cấu trúc màng. 6 Các protein này thường liên kết với lớp lipid kép thông qua liên kết cộng hoá trị với một phân tử photpholipid và nằm ở bề mặt ngoài màng sinh chất hoặc bề mặt trong của màng (phía cytosol). Các protein bề mặt ngoài màng thường liên kết với gluxit cộng hoá trị tạo nên các glycoprotein, còn protein bề mặt trong màng phía tế bào chất thường liên kết với các protein tế bào chất như ankyrin và qua ankyrin liên hệ với bộ khung tế bào (Cytoskeleton) tạo ra hệ thống neo màng và điều chỉnh hình dạng tế bào. Các protein xuyên màng tương tác chặt chẽ với các chuỗi lipid màng, và vì vậy chúng chỉ có thể bị phân tách bởi các tác nhân phù hợp với các tương tác không phân cực này. Trái lại, các protein rìa màng liên kết với màng chủ yếu qua các liên kết tĩnh điện và các liên kết hydro. Các tương tác phân cực này có thể vị phá vỡ bởi dung dịch muối hay sự thay đổi pH. Nhiều protein bề mặt màng liên kết với bề mặt của các protein xuyên màng, các protein khác neo vào lớp kép lipid bởi một liên kết cộng hoá trị với chuỗi kị nước, như một acid béo chẳng hạn. 7 Hình 3 I.3. Vai trò , tính chất của các protein màng I.3.1.Vai trò của protein màng: Protein trong màng sinh chất chiếm 25 - 75% (trung bình 50%) khối lượng màng. Tuỳ thuộc vào dạng tế bào mà hàm lượng và bản chất các protein có thể khác nhau và thực hiện các chức năng rất đa dạng và phong phú. Đó là các chức năng: cấu trúc, enzym, vận chuyển chất qua màng, thụ thể màng, thu nhận thông tin, ức chế tiếp xúc, miễn dịch, Có thể nói phần lớn các chức năng sinh học của màng được thực hiện bởi các protein màng. Ở đây, các chức năng có liên quan đến cơ chế tiếp nhận , xử lý và dẫn truyền thông tin bao gồm - Thu nhận và truyền tín hiệu giữa các tế bào và trong nội bộ tế bào: Chức năng này thường do các glicoprotein đảm nhiệm hoặc một số loại đặc biệt như protein G, Rhodopsin của màng võng mạc. − Chức năng miễn dịch: protein màng đóng vai trò là các kháng nguyên bề mặt (CD) và thụ thể (receptor) tế bào, tham gia vào quá trình miễn dịch. − Hình thành các phức hệ enzym tham gia vào các phản ứng hoá sinh của tế bào (ví dụ: phức hệ Cytochrom oxidase trong chuỗi truyền điện tử hô hấp định vị ở màng 8 trong ti thể, phức hệ thu nhận ánh sáng định vị ở màng trong của lục lạp có chức năng vận chuyển điện tử từ các phân tử chlorophyl tới các trung tâm quang hoá). Vì protein màng thực hiện phần lớn các hoạt động của màng cũng như của tế bào nên từ lâu nó đã được coi là đích điều trị bệnh lý tưởng trong y dược học. Bằng việc thay đổi hoạt tính của một protein màng, một tác nhân dược học có thể ảnh hưởng tới sinh lý bên trong của tế bào mà không cần phải được hấp thụ vào bên trong. Thực chất, tầm quan trọng của các protein màng với vai trò là các đích tác dụng có thể được minh chứng bởi cơ chế tác dụng của phần lớn các loại thuốc đang được sử dụng hiện nay. I.3.2.Tính chất của protein màng: Tính chất nổi bật của các protein màng là tính linh động. Các phân tử protein có khả năng chuyển động quay xung quanh vị trí của nó và chuyển dịch trong màng. Bình thường các phân tử protein phân bố ít nhiều đồng đều, nhưng khi có sự thay đổi nào đó của môi trường (ví dụ: hạ thấp độ pH, sự kích thích của các kháng thể, các tín hiệu của hormon hoặc các cấu tử gắn ligand v.v…) thì các phân tử protein sẽ di chuyển tạo nên những tập hợp. Tuy nhiên điều đặc biệt là các protein chỉ quay xung quanh vị trí của nó và không bao giờ quay từ mặt này sang mặt kia của màng. Tính linh động của các protein màng khác nhau một cách rõ rệt. Một số protein linh động gần bằng lipid, trong khi một số khác hầu như không linh động. Ví dụ: protein thụ cảm ánh sáng - Rhodopsin trên màng tế bào võng mạc là một protein rất linh động. Hệ số khuếch tán của nó vào khoảng 0,4 micromet/s. Sự di chuyển nhanh chóng của Rhodopsin rất cần thiết để có được những tín hiệu một cách kịp thời. Các màng khác nhau có thành phần protein màng khác nhau: Ví dụ: Màng myelin quanh các sợi thần kinh nhất định có hàm lượng protein thấp (18%). -Ngược lại, hầu hết màng sinh chất của các tế bào khác có hoạt tính hơn nhiều. Chúng chứa nhiều bơm, cổng và các thụ thể cùng các enzyme. Thành phần protein trong các màng này thường chiếm 50%. 9 - Các màng tham gia vào sự chuyển hoá năng lượng như là màng trong của ty thể và lục lạp có tỷ lệ protein cao nhất, thường là 75%. II. HÓA SINH HỌC CHỨC NĂNG THÔNG TIN: II.1. Một số khái niệm và định nghĩa cơ bản liên quan vớichức năng thông tin: II.1.1.Thông tin : Tế bào phản ứng với ngoại cảnh bằng cách tái tổ chức các cấu trúc của nó, điều tiết hoạt tính protein và thay đổi hình mẫu biểu hiện của gen. Các thông tin kích thích cho những phản ứng trả lời như vậy gọi là tín hiệu. Các tín hiệu đó có thể là các phần tử rất bé, các đại phân tử hay các tác nhân vật lí. Tín hiệu tương tác với tế bào thông qua phân tử chất nhận. Các tín hiệu có trong môi trường xung quanh tế bào bao gồm : -Tín hiệu hóa học: như các hoocmoon, các chất hóa học, các độc tố, các chất kháng sinh : Các tín hiệu hóa học có thể thấm qua màng sinh chất và tương tác với các chất nhận nội bào ví dụ steroit. Tuy nhiên phần lớn các tín hiệu này là các phân tử ưa nước ở bên ngoài tế bào. Những tín hiệu này tương tác với chất nhận xuyên màng hay các chất nhận liên kết với màng gây ra biến đổi cấu trúc chất nhận, giúp chúng thấm được vào bên trong tế bào -Tín hiệu vật lí: như ánh sáng, bóng tối, nhiệt độ, độ PH…: các tín hiệu này có thể tương tác với chất nhận hay tác động trực tiếp ví dụ ánh sáng kích thích ProteinGliên kết với chất nhân rhodopsin và opsin tế bào nón khi photon ( lượng tử) làm cho phân tử nhạy cảm với ánh sáng được tiếp hợp 11-cis retinal biến đỏi tất cả cấu dạng trans. Trái lại phản ứng với sốc nhiệt và stress tương tự được tác đọng trực tiếp như gia tăng protein biến tính trong tế bào. -Tín hiệu sinh học: như vi khuẩn, vi rút các đại phân tử từ tế bào như AND, ARN… II.1.2. Thụ thể: Là các phân tử protein hay lipo protein hay enzim đặc hiệu có khả năng tiếp nhận thông tin . Thụ thể có thể được phân bố trên màng sinh chất, màng nhân, màng các 10 [...]... Khanh – Sinh học phát triển thực vật NXB Giáo dục 3 Lê Duy Thành – Cơ sở sinh học phân tử - NXB Giáo dục 4 Phạm thị Trân Châu, Trần Thị Áng – Hóa sinh học. NXB Giáo dục 5 PGS.TS Trinh Lê Hùng- Cơ sở hóa sinh- NXB Giáo dục 6 Các nguyên lý và quá trình sinh học- Nhà Xuất bản Khoa học kỹ thuật 7 GS TS Đỗ Ngọc Liên Sinh học phân tử tập 1- Nhà xuất bản Đại học Quốc gia – 2007 8 GS TS Đỗ Ngọc Liên Sinh học phân... sống có thể tồn tại và phát triển Trong chức năng thông tin thụ quan là bộ phận đầu tiên của cả một quá trình phức tạp Xét ở khía cạnh hóa sinh học màng thì thụ quan là các phân tử protein chuyên hóa với chức năng tiếp nhận xử lý và dẫn truyền các thông tin tín hiệu của tế bào Tế bào luôn chìm đắm trong bể thông tin tín hiệu Do vậy tiếp nhận xử lý truyền đạt thông tin và biến đổi tế bào thực hiện phản... oxi hóa khử sinh học xảy ra trong tế bào hay là sự biến đổi các quá trình oxy hóa khử trong tế bào: hoặc tăng cường theo hưởng phân giải hoặc tăng cường tổng hợp trên cơ sở nhu cầu sự sống của tế bào) 13 III.CƠ CHẾ HÓA SINH HỌC CHỨC NĂNG THÔNG TIN: III.1 Sự truyền tín hiệu và các chất nhận ở sinh vật nhân sơ: III.1.1 Sự truyền tín hiệu: Sinh vật nhân sơ không thể tồn tại, sống sót nếu khong có khả năng. .. con đường truyền tín hiệu là chức 12 năng của mạng lưới điều tiết phức tạp, và phản ứng trả lời phụ thuộc vào sự cân bằng của các lực đối kháng trong tế bào II.1.5 Sự phân bố tín hiệu: Bao gồm sự hoạt hóa hay ức chế tác nhân phiên mã, enzim và các thành phần cấu trúc tế bào, thường là sự biến đổi trạng thái photphorin hóa của chúng II.2 Cơ sở hóa sinh học của chức năng thông tin: Phần lớn protein xuyên... ion Ca++ II.1.3 Chức năng thông tin: Chức năng thông tin bao gồm tiếp xúc, cảm ứng, tiếp nhận , liên kết, và chuyển tín hiệu đó qua màng dẫn đến làm biến đổi bên trong hoặc bên ngoài màng tế bào, hay từ tế bào chất, hay từ không bào  tế bào chất Như vậy phương thức về mối quan hệ giữa môi trường và tế bào không kèm theo sự dẫn truyền vận chuyển qua màng mà chủ yếu là sự tiếp nhận thông tin mà các tín... như vậy? Có thể nói tóm tắt đó là do AMPv có tác dụng hoạt 23 hóa bproteinkinaz, một enzim xúc tác cho quá trình photphoril hóa nhiều protein, enzim khác nhau Dạng photphoril hóa và dephotphorit hóa của các protein, enzim này thường có hoocmonạt tính sinh học rất khác nhau, dạng này có hoạt tính sinh học thì dạng kia mất hoạt tính sinh học Các hoocmon tác dụng theo cơ chế đã nêu( Sử dụng AMPv làm chất... không giống nhau đáp lại cùng một tín hiệu thông tin Ví dụ: acetylcholine kích thích sự co cơ xương, nhưng nó làm giảm nhịp và lực co cơ tim Các phân tử thông tin có thể phân loại theo khả năng tan trong nước hoặc không tan trong nước - Các phân tử thông tin tan trong nước: (chiếm đại đa số) Chúng gắn với những thụ thể trên bề mặt tế bào - Những phân tử thông tin kỵ nước như các hoocmon tuyến giáp và... xuất bản Đại học Quốc gia – 2007 8 GS TS Đỗ Ngọc Liên Sinh học phân tử tập 2 - Nhà xuất bản Đại học Quốc gia – 2007 9.Trần Thị Loan - Sinh lý học động vật – Nhà xuất bản Đại học sư phạm 10 Trịnh Hữu Hằng – Đỗ Công Huỳnh- Sinh lý học động vật- NXB KHKT- HÀ NỘI 2001 11.PGS.TS Lê Dụ Bài giảng về chuyên đề hóa sinh học màng 12 Một số trang web ( internet ) 34 35 36 ... với mặt định lượng hay định tính của ánh sáng III.2.1 Cơ chế hóa sinh học tổng quát của chức năng truyền thông tin: - Sự biến đổi môi trường ngoài hoặc trong ( thường là bên ngoài) tác động trực tiếp đến hocmon - hocmon xem như nhân tố tiếp nhận (adrenalin, ínulin…) trung gian, hocmon này về nguyên lí có cấu hình khớp với thụ thể màng - Màng sinh chất (màng tế bào) có các siêu đơn vị thu thể màng (thụ... (xung quanh khoảng 1mm) bằng các chất hóa học trung gian cục bộ 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 gắn với phân tử thông tin và có phản ứng đáp lại Nhiều tín hiệu hóa học tác động với những nồng độ rất thấp (< 10-8M) và các thụ thể đặc hiệu của chúng gắn với các phân tử thông tin với ái lực cao Những tế bào khác . BÁO CÁO TỐT NGHIỆP Tiểu luận " ;Hóa sinh học chức năng thông tin& quot; 1 MỤC LỤC BÁO CÁO TỐT NGHIỆP 1 Tiểu luận 1 " ;Hóa sinh học chức năng thông tin& quot; 1 MỤC LỤC 2 MỞ ĐẦU: Sự. quá trình động học mà màng tế bào đảm nhiệm. 3 I. SƠ LƯỢC CẤU TRÚC MÀNG TẾ BÀO THÍCH NGHI VỚI CƠ CHẾ TIẾP NHẬN VÀ TRUYỀN ĐẠT THÔNG TIN. Như trên đã nêu hóa sinh học chức năng thông tin được thực. proton thực hiện chức năng trao đổi chất qua màng - chức năng cấu trúc chống đỡ như các protein bộ khung tế bào, - chức năng truyền tín hiệu thông tin trao đổi chất và chức năng bảo vệ như các