Sinh học 10: Tế bào là hệ thống thông tin: thụ thể, chuỗi truyền tin, khuếch đại và điểm kiểm soát chu kì tế bào
Chuyên đề Sinh học 10 về thông tin tế bào: mọi con đường tín hiệu đều gồm ba hộp Tiếp nhận, Truyền tin, Đáp ứng, và biết hộp nào hỏng thì suy ra được bệnh và…
LUKATO AI · SINH HỌC 10 · THÔNG TIN TẾ BÀO
THỤ THỂ · CHUỖI TRUYỀN TIN · ĐIỂM KIỂM SOÁT
Ba hộp trong mọi tín hiệu:
tiếp nhận, truyền tin, đáp ứng
Hormone, thuốc, độc tố và ung thư đều là cùng một câu hỏi: tín hiệu nào, thụ thể nào, chuỗi truyền tin nào, và cổng kiểm soát nào đang hỏng. Ba phòng thí nghiệm cho bạn bật tắt từng hộp và tự thấy vì sao thuốc chặn thượng nguồn có thể thất bại; mọi con số trong bài được kiểm bằng code.
- 1. Thụ thể ở trong hay ở màng tùy tín hiệu tan trong lipid hay nước
- 2. Ức chế cạnh tranh trượt phải, không cạnh tranh hạ trần
- 3. Bước luôn bật phía sau làm thuốc phía trước vô tác dụng
phòng thí nghiệm tương tác
bí kíp có chỗ vỡ
hiểu lầm được phản biện
01
Khái niệm lõi
Tế bào là hệ thống thông tin: nhận, truyền, đáp ứng
Mỗi tế bào trong cơ thể nhận hàng trăm loại tín hiệu cùng lúc: hormone, chất dẫn truyền thần kinh, yếu tố tăng trưởng, và quyết định co, tiết, chuyển hóa glucose, phân chia hay chết. Câu hỏi của đề thi luôn quay về một khung: ba hộp . Hộp 1 là tiếp nhận (thụ thể bắt tín hiệu), hộp 2 là truyền tin (chuỗi phân tử chuyển và khuếch đại), hộp 3 là đáp ứng (đổi hoạt tính enzyme, mở kênh, bật hoặc tắt gen). Hỏng ở hộp nào thì triệu chứng khác nhau, và chữa ở hộp nào cũng khác nhau. Việc đầu tiên là hỏi: tín hiệu tan trong lipid hay tan trong nước ? Câu trả lời quyết định thụ thể nằm trong tế bào hay ở màng.
Ba con đường cho một tín hiệu. Trái: hormone steroid tan trong lipid nên qua màng và gắn thụ thể bên trong tế bào. Giữa: hormone tan trong nước như insulin không qua được màng nên gắn thụ thể ở màng, rồi chuỗi truyền tin bên trong làm phần còn lại. Phải: ở xinap thần kinh - cơ, acetylcholine gắn kênh ion mở cổng nên đáp ứng đến trong mili giây.
Hộp 1 · Tiếp nhận Thụ thể gắn tín hiệu và đổi hình dạng
Hộp 2 · Truyền tin Chuỗi phân tử hoạt hóa nhau, nhân số lượng lên
Hộp 3 · Đáp ứng Enzyme hoạt động, kênh mở, gen bật hoặc tắt
bước 1
Phân loại tín hiệu
Tan trong lipid (steroid) thì thụ thể ở trong; tan trong nước hoặc phân tử lớn thì thụ thể ở màng.
bước 2
Xác định thụ thể
Thụ thể là protein có vị trí gắn đặc hiệu với một loại tín hiệu. Tế bào không có thụ thể thì không đáp ứng, dù tín hiệu có mặt.
bước 3
Theo dõi chuỗi truyền tin
Mỗi phân tử hoạt hóa phân tử kế tiếp. Chuỗi cho phép khuếch đại, điều hòa và tích hợp nhiều tín hiệu.
bước 4
Đọc đáp ứng và điểm kiểm soát
Đáp ứng có thể là hoạt động enzyme, thay đổi gen hoặc chu kì tế bào. Chu kì có điểm kiểm soát để chặn đáp ứng sai.
Sáu loại tín hiệu, ba kiểu thụ thể
Loại tín hiệu · Thụ thể ở đâu · Đáp ứng điển hình · Chỗ dễ nhầm
Hormone steroid (estrogen, testosterone, cortisol) · trong tế bào (tế bào chất hoặc nhân) · phức hợp hormone - thụ thể điều hòa phiên mã gen, đáp ứng chậm (vài giờ) · tan trong lipid nên tự đi qua lớp kép phospholipid; không cần thụ thể ở màng
Hormone peptide, protein (insulin, glucagon) · màng sinh chất · hoạt hóa chuỗi truyền tin, đổi hoạt tính enzyme hoặc vận chuyển chất (đáp ứng trong vài phút) · phân tử lớn, tan trong nước, không qua được màng nên chỉ gắn ở mặt ngoài
Adrenalin · màng sinh chất, thụ thể nối với protein G · protein G hoạt hóa enzyme tạo chất truyền tin thứ hai (cAMP), rồi chuỗi enzyme tiếp theo · adrenalin là một hormone tan trong nước nên cũng chỉ gắn thụ thể ở màng
Chất dẫn truyền thần kinh (acetylcholine ở xinap thần kinh - cơ) · màng sau xinap, thụ thể chính là một kênh ion · mở kênh, ion đi qua, đáp ứng trong mili giây · gần như không có hộp truyền tin: tiếp nhận và đáp ứng nằm trên cùng một phân tử
Yếu tố tăng trưởng (như EGF) · màng sinh chất, thụ thể có hoạt tính enzyme kinase · chuỗi kinase truyền tới nhân, tế bào đi vào chu kì phân chia · đáp ứng cuối cùng nằm ở nhân nhưng thụ thể vẫn ở màng
Tín hiệu qua liên kết trực tiếp (cầu sinh chất ở thực vật, liên kết khe ở động vật) · không cần thụ thể ở màng · ion và phân tử nhỏ đi thẳng qua kênh nối hai tế bào kề nhau · không có phân tử tín hiệu tan trong dịch ngoại bào
Vì sao thụ thể của steroid nằm trong tế bào còn của insulin ở màng
Màng sinh chất có lớp kép phospholipid với phần giữa kị nước. Phân tử nhỏ, không phân cực như hormone steroid khuếch tán qua lớp này. Insulin là protein gồm 51 amino acid, quá lớn và phân cực, không qua được màng, nên phải gắn thụ thể ở mặt ngoài tế bào rồi truyền tin vào trong. Ngoại lệ hay gặp: hormone tuyến giáp không phải steroid nhưng vẫn vào được tế bào nhờ chất vận chuyển và gắn thụ thể trong nhân.
Một tế bào gan nhận cortisol (hormone steroid) và insulin (hormone protein) cùng lúc. Thụ thể của mỗi chất nằm ở đâu, và đáp ứng nào đến nhanh hơn?
Gợi ý 1 · Tính chất
Cortisol là steroid, tan trong lipid và đi qua màng. Insulin là protein lớn, tan trong nước, không qua được màng.
Gợi ý 2 · Hộp truyền tin
Insulin gắn thụ thể ở màng và phải kích hoạt chuỗi truyền tin bên trong. Cortisol gắn thụ thể trong tế bào, phức hợp vào nhân điều hòa gen.
Kết luận
Thụ thể cortisol ở trong tế bào, thụ thể insulin ở màng. Đáp ứng qua chuỗi truyền tin ở màng (đổi hoạt tính enzyme, vận chuyển glucose) thường tính bằng giây đến phút; đáp ứng của steroid cần thay đổi biểu hiện gen nên thường chậm hơn, tính bằng giờ.
02
Tiếp nhận
Thụ thể bão hòa và hai loại chất ức chế
Thụ thể là những protein có số lượng hữu hạn , nên đáp ứng không tăng mãi theo nồng độ tín hiệu mà bão hòa . Hằng số K là nồng độ tín hiệu làm một nửa số thụ thể gắn tín hiệu (K nhỏ nghĩa là thụ thể gắn chặt). Kéo các thanh trượt: đường nét đứt xám là đường cong gốc, đường xanh đậm là đường hiện tại, chấm vàng là điểm bạn đang đứng. Chuyển giữa ba chế độ ở dãy nút. Thử ba việc: ở chế độ cạnh tranh, tăng I thấy đường cong trượt sang phải nhưng trần vẫn 100%; ở chế độ không cạnh tranh, tăng I thấy trần tụt xuống (đường đỏ đứt) và kéo L tới 1000 cũng không vượt trần; bấm Phát để thấy đáp ứng chạy theo L.
Phòng thí nghiệm 1 · Thụ thể bão hòa và chất ức chế LAB 1
Nồng độ tín hiệu L (thang log)
Hằng số K của thụ thể (thang log)
Chất ức chế I (bội số của Ki)
Nồng độ tín hiệu
Thụ thể gắn tín hiệu
Đáp ứng
Trần đáp ứng
L để đạt nửa trần
Tăng L có bù được không
Ba chế độ so sánh
Chế độ · Chất ức chế gắn ở đâu · Ảnh hưởng đến đường cong · Tăng tín hiệu có bù được không
Không chất ức chế · không có · đường cong hình chữ S trên thang log, nửa trần ở L = K, trần 100% · không cần bù
Ức chế cạnh tranh · giành đúng vị trí gắn tín hiệu của thụ thể · đường cong dịch sang phải: nửa trần ở L = K(1 + I), trần vẫn 100% · có: L lớn đủ thì tín hiệu thắng và đáp ứng về 100%
Ức chế không cạnh tranh (mô hình) · gắn vị trí khác hoặc làm một phần thụ thể ngừng hoạt động · trần tụt xuống 100/(1 + I)%, nửa trần vẫn ở L = K · không: dù L lớn đến đâu cũng không vượt trần mới
Ví dụ có thật cho ức chế cạnh tranh: thuốc chẹn beta như propranolol gắn vào thụ thể beta ở tim giống như adrenalin nhưng không kích hoạt thụ thể. Khi chẹn beta chiếm chỗ, adrenalin phải nhiều hơn mới gây được cùng mức tăng nhịp tim; vì vậy nhịp tim lúc nghỉ và lúc gắng sức đều thấp hơn.
Vì sao ức chế cạnh tranh chỉ làm đường cong trượt phải
Tín hiệu và chất ức chế cùng tranh một vị trí gắn. Tỉ lệ tín hiệu càng lớn thì xác suất vị trí đó bị tín hiệu chiếm càng cao; khi L rất lớn hơn K(1 + I), gần như mọi thụ thể đều gắn tín hiệu và đáp ứng về mức tối đa. Chất ức chế chỉ làm thụ thể trông như có K lớn hơn (K(1 + I)), không đổi số thụ thể, nên trần giữ nguyên.
Đây là mô hình, không phải mọi thuốc
Mô hình giả sử một vị trí gắn và cân bằng. Thuốc thật có thể là chất chủ vận một phần, có thể gắn gần như không thuận nghịch (trông giống ức chế không cạnh tranh), hoặc thụ thể có nhiều vị trí hợp tác làm đường cong dốc hơn chữ S đơn. Dùng lab để hiểu hai dấu hiệu: trượt phải, hay hạ trần.
Thuốc X làm đường cong đáp ứng trượt sang phải mà trần giữ 100%. Thuốc Y làm trần tụt còn 50% mà nửa trần vẫn ở L = K. Mỗi thuốc thuộc loại nào, và thuốc nào có thể bị tín hiệu mạnh khắc phục?
Gợi ý 1 · Đọc đường cong
X thay đổi vị trí của đường cong (K biểu kiến), Y thay đổi độ cao (trần).
Gợi ý 2 · Ai bù được
Nếu tín hiệu đủ lớn đưa đáp ứng về 100% thì chất ức chế chỉ đang giành chỗ.
Kết luận
X là ức chế cạnh tranh và bị tín hiệu lớn khắc phục. Y là ức chế không cạnh tranh (theo mô hình), trần 50% ứng với 1 + I = 2, tức I = 1; tín hiệu lớn đến đâu cũng không vượt 50%.
03
Truyền tin
Chuỗi phân tử, khuếch đại và công tắc luôn bật
Chuỗi truyền tin là một hàng các hộp nhỏ: mỗi hộp bật hộp sau. Lab dựng một chuỗi bốn bước ; thanh trượt mỗi bước có ba trạng thái: bình thường (truyền nguyên trạng thái đang đến), bị chặn (luôn tắt, như bị thuốc chặn hoặc đột biến mất chức năng) và luôn bật (luôn bật, như đột biến hoạt hóa liên tục). Thanh trượt đầu là tín hiệu ngoài. Phần ô bên dưới ghi ba kết quả: đáp ứng cuối cùng, phân loại chuỗi, và nếu bác sĩ thêm một thuốc chặn từng bước thì đáp ứng còn lại bao nhiêu. Thử ba việc: để chuỗi bình thường rồi chuyển tín hiệu; đặt bước 2 bị chặn thấy đáp ứng tắt dù có tín hiệu; rồi đặt thêm bước 3 luôn bật thấy đáp ứng bật lại và thuốc chặn bước 1 hoặc 2 hết tác dụng.
Phòng thí nghiệm 2 · Chuỗi truyền tin và công tắc LAB 2
Tín hiệu ngoài tế bào (0 = không, 1 = có)
Bước 1 · Thụ thể (0 bình thường, 1 bị chặn, 2 luôn bật)
Bước 2 · Protein truyền tin
Bước 3 · Enzyme kinase
Bước 4 · Đáp ứng
Tín hiệu ngoài
Đáp ứng cuối
Số bước chặn / luôn bật
Phân loại
Thêm một thuốc chặn bước
Thuốc có tác dụng không
Khuếch đại qua các tầng (mô hình)
Tầng · Số phân tử hoạt động · Cách tính
0 · Thụ thể gắn tín hiệu · 1 · 1
1 · Protein truyền tin được hoạt hóa · 20 · 20
2 · Enzyme kinase được hoạt hóa · 400 · 20 x 20
3 · Enzyme đáp ứng được hoạt hóa · 8000 · 20 x 20 x 20
Cách đọc bảng: giả sử một phân tử hoạt động hoạt hóa 20 phân tử của tầng kế tiếp (số 20 chỉ là giả định để tính). Sau ba tầng, một tín hiệu cho 8000 phân tử đáp ứng. Hệ số khuếch đại của cả chuỗi là tích các hệ số từng tầng, nên chuỗi càng dài thì khuếch đại càng mạnh; nếu một tầng chỉ có hệ số nhỏ hơn 1 thì chuỗi yếu đi.
Vì sao một chuỗi enzyme lại khuếch đại
Enzyme không bị tiêu thụ khi xúc tác: một enzyme hoạt động liên tục biến đổi nhiều phân tử cơ chất thành dạng hoạt động, và mỗi phân tử ấy lại là một enzyme. Vì vậy số phân tử hoạt động nhân lên qua mỗi tầng mà không cần thêm tín hiệu ngoài. Đó là lí do một lượng rất nhỏ hormone cũng gây đáp ứng lớn.
Chặn thượng nguồn chỉ có tác dụng khi hạ nguồn còn phụ thuộc nó
Nếu một bước nằm sau chỗ thuốc chặn bị đột biến luôn bật, tín hiệu "đi tắt" qua thuốc và đáp ứng vẫn bật. Ví dụ trong lâm sàng: thuốc chặn thụ thể EGF (cetuximab) không có tác dụng ở ung thư đại trực tràng mang đột biến KRAS, vì protein Ras (nằm sau thụ thể) bị đột biến luôn bật. Muốn chặn phải đặt thuốc ở hoặc sau vị trí đột biến.
Chuỗi bốn bước có bước 2 bị chặn bởi thuốc, bước 3 đột biến luôn bật, bước 1 và 4 bình thường. Đáp ứng cuối là gì khi có tín hiệu và khi không có tín hiệu? Thêm thuốc chặn bước 1 có giúp không? Thêm thuốc chặn bước 3 thì sao?
Gợi ý 1 · Đi từng bước
Bước 2 bị chặn nên đầu ra tắt, nhưng bước 3 luôn bật nên đầu ra bật bất kể đầu vào. Bước 4 bình thường truyền trạng thái bật xuống.
Gợi ý 2 · Chặn thêm
Chặn bước 1 chỉ đổi đầu vào của bước 2 vốn đã bị chặn, nên không đổi gì. Chặn bước 3 làm bước đó tắt.
Kết luận
Đáp ứng BẬT dù có hay không có tín hiệu (chuỗi đáp ứng liên tục). Thuốc chặn bước 1 hoặc 2 vô tác dụng; chỉ thuốc chặn bước 3 hoặc 4 mới dập được đáp ứng. Thứ tự các bước quyết định tác dụng của thuốc.
04
Đáp ứng có kiểm duyệt
Chu kì tế bào và ba điểm kiểm soát
Chu kì tế bào gồm bốn pha: G1 (tế bào lớn lên), S (nhân đôi DNA), G2 (chuẩn bị phân bào), M (nguyên phân và chia tế bào chất). Giữa các pha có ba điểm kiểm soát ; mỗi điểm hỏi một câu và chỉ cho đi tiếp khi câu trả lời là "đạt". Bật hoặc tắt từng điều kiện ở dãy nút (nút sáng = điều kiện có mặt) và kéo vị trí tế bào: cổng nào đóng thì tế bào dừng ở đó. Thử ba việc: bỏ nút "Có yếu tố tăng trưởng" để thấy tế bào kẹt ở G1; để "DNA bị hỏng" sáng với p53 còn thì tế bào dừng ở G1 sửa chữa, rồi bật "Mất p53" để thấy DNA hỏng đi qua cổng 1 và bị nhân đôi ; bật "Có NST chưa bám thoi" để thấy dừng ở kì giữa.
Phòng thí nghiệm 3 · Chu kì tế bào và điểm kiểm soát LAB 3
Vị trí của tế bào trên chu kì
Điểm 1 · G1/S
Điểm 2 · G2/M
Điểm 3 · thoi phân bào
Kết cục của chu kì