Bộ đếm web cho blog miễn phí

Trang chủ www.docsachysinh.com

Ebook online

 

BẢN ĐỒ LIPID CỦA TẾ BÀO ĐỘNG VẬT CÓ VÚ

Phùng Trung Hùng - Nguyễn Phước Long

CHÚNG TA ĐANG Ở ĐÂU TRONG HIỂU BIẾT VỀ SINH GIỚI?

Hình 20.1: Sự “tiến hóa” từ “genomics” đến lipidomics xuyên suốt qua proteomics và metabolomics. Genomics: Bản đồ hóa toàn bộ DNA và RNA. Proteomics: Xác định, giải trình tự và phân loại chức năng của protein. Metabolomics: Phân tích toàn bộ các quá trình chuyển hóa ở các điều kiện cho sẵn. Lipidomics: Phân tích một cách có hệ thống và sự phân loại của toàn thể lipid trong cơ thể và sự tương tác của nó. TLC: thin-layer chromatography; HPLC: High-performance liquid chromatography; GC: Gas chromatography; ESI-tandem MS: Electrospray ionization-tandem mass spectroscopy; MALDI-TOF: Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-light mass spectroscopy; NMR: Nuclear magnetic resonance.

Ngày nay, khi mà công nghệ phát triển (đặc biệt là ứng dụng phổ khối và khả năng mô hình hóa của tin sinh học) người ta đã phát hiện trong tế bào sống hàng nghìn loại lipid khác nhau. Để trả lời cho câu hỏi các loại lipid này có vai trò như thế nào đối với sự sống của tế bào, người ta đã xây dựng thành một hệ thống tiếp cận hoàn chỉnh, gọi là lipid học tế bào (cellular lipidomics). Nhằm xác định được cân bằng nội môi của lipid và quá trình nhiệt động học của nó, chúng ta phải  hiểu rõ sự chuyển hóa lipid, quá trình vận chuyển chúng xuyên qua các loại màng khác nhau, các phân tử đóng vai trò sensor hay effector,… Và để đạt được tất cả những điều đó, chúng ta còn cần phải hiểu rõ tính chất vật lí của các hỗn hợp lipid, hiệu ứng hóa học của nó đến các protein lân cận cả về cấu trúc lẫn chức năng. Cuối cùng, quan trọng hơn cả là xác định cho được chuyển hóa lipid đóng vai trò quan trọng như thế nào trong hệ thống tín hiệu của tế bào, hiểu được tổng hòa các mối quan hệ giữa chúng và các thụ thể, các protein đặc biệt trên màng tế bào, các túi tiết có bản chất lipid,… Đây là cách tiếp cận sinh học một cách căn bản, lập luận từ những bằng chứng có thật và định lượng hóa chúng – nhằm mục đích cuối cùng là nhất quán với quan niệm hiện nay về sinh học: Sinh học hệ thống (systems biology).

SƠ LƯỢC VỀ SỰ HÌNH THÀNH BÀO QUAN

Hầu hết các bào quan không thể được tạo mới hoàn toàn không có kế thừa: Chúng cần thông tin trong chính bào quan.

Hình 20.2: Tỉ lệ phân bố một số lipid trong các bào quan.

Khi tế bào phân chia, nó phải sao chép các bào quan. Nói chung, tế bào thực hiện điều này bằng cách kết hợp những phân tử mới vào bào quan có sẵn, sau đó làm tăng kích thước bào quan, tiếp đến, bào quan phân chia và phân phối cho hai tế bào con. Vì vậy, mỗi tế bào con thừa hưởng 1 hệ thống màng nội bào hoàn chỉnh từ tế bào mẹ. Sự thừa hưởng này là cần thiết vì 1 tế bào không thể tạo những cấu trúc màng nội bào từ hư vô. Nếu lưới nội chất bị xóa bỏ hoàn toàn khỏi 1 tế bào, làm thế nào tế bào có thể tái tạo lại được? Những protein màng tạo nên màng của lưới nội chất và thực hiện những chức năng của lưới nội chất thực chất cũng do lưới nội chất tạo ra. Lưới nội chất mới không thể tạo ra mà không có một lưới nội chất sẵn có, hay ít nhất là một màng đặc thù chứa các bơm chuyển vị protein cần để đưa protein từ tế bào chất đi vào lưới nội chất (các protein này bao gồm cả các bơm chuyển vị đặc hiệu.) Điều này cũng đúng với ty thể và lạp thể.

Hình 20.3: Cấu trúc của các glycero-phosphate lipid.

Do đó, có lẽ thông tin cần cho việc tạo một bào quan không chỉ nằm trên đoạn DNA mã hóa protein đặc trưng của bào quan. Thông tin ít nhất ở dạng 1 phân tử protein đặc trưng tồn tại trước đó trên màng bào quan cũng rất cần thiết, và thông tin này được chuyển từ tế bào ban đầu đến các thế hệ sau dưới hình thức bào quan. Có lẽ, thông tin đó cần cho việc truyền thừa các cấu trúc dưới tế bào, trong khi những thông tin trên DNA cần cho việc truyền lại cho đời sau trình tự nucleotide và trình tự amino acid.

Tuy nhiên, như những gì được bàn luận kỹ ở chương khác, lưới nội chất hình thành một dòng các bóng màng liên tiếp được kết hợp với một bộ phận của tập hợp các protein màng lưới nội chất và nhờ đó có thành phần khác với bản thân lưới nội chất. Tương tự, màng sinh chất liên tục tạo ra vô số những loại bóng màng nhập bào chuyên biệt khác nhau. Vì thế, có 1 số bào quan có thể được tạo thành từ bào quan khác và không được truyền lại cho đời sau trong phân bào.( VD: lysosome, phức hợp Golgi, peroxisome, endosome...).

Hình 20.4: Sự đa hình và cấu dạng phân tử của một số lipids.

SỰ TỰ SẮP XẾP LIPID VÀ SỰ PHÂN PHỐI Ở CẤP ĐỘ DƯỚI TẾ BÀO

Từ vi khuẩn đến các tế bào eukaryotes đều sử dụng glycerol làm bộ khung (backbone) cho hầu hết các lipid của chúng. Những phospholipids chính của vi khuẩn là phosphatidylserine (PS), phosphatidylethanolamine (PE), phosphatidylglycerol (PG) và cardiolipin (CL) (các tế bào eukaryote cũng có các phospholipids này). PG và CL được tổng hợp và giữ lại trong ti thể. Ngoài ra, ti thể cũng có enzyme PS-decarboxylase (PSD) có chức năng tổng hợp một nữa lượng PE của tế bào. PC và PI (phosphatidylinositol) là hai loại phospholipid chính ở tế bào eukaryote.

Hình 20.5: Sự phân bố các loại lipid chính ở động vật có vú nói chung.

PC có chứa hai chuỗi acyl béo (một no và một không no) và một đầu phân cực lớn do vậy nó có cấu trúc không gian hình trụ (cylindrical shape). Như ta đã biết, entropy cao nhất khi đuôi lipid càng xa đầu ưa nước hay các phân tử nước được giải phóng tối đa khỏi thành phần này (hiệu ứng kị nước), ta cũng tìm thấy điều này ở PC. Do những thuộc tính trên, PC có tính chất linh động cao và do vậy nó tạo nên tính chất sinh học của màng sinh học. Tuy nhiêu, màng sinh học cũng có từ 5 đến 10 loại lipid khác để có thể thực hiện tốt chức năng dẫn truyền lộ trình tín hiệu và giữ cho màng luôn có tính linh động.

Hình 20.6: Dạng ion hóa của CL tại pH sinh lý. CL chỉ được ion hóa một phần ở pH này (pK2 > 8.5) và do vậy có thể “nhốt” một proton bởi khả năng tạo liên kết hydrogen với gốc sn-2 hydroxyl của khung glycerol, kết quả là gắn kết được 2 PA trong cấu trúc của CL.

Hình 20.7: Điều hòa tổng hợp cholesterol

Hầu hết PE được tìm thấy ở màng sinh học đều có hình nón (cone shaped) và do vậy không thể tự nó tạo nên cấu trúc màng lipid kép được. Tính chất này khiến PE có khả năng gắn vào các protein màng để thực hiện các quá trình hợp nhất và phân đôi tế bào (fusion – fission). Khi xảy ra các điều kiện trung hòa điện tích, (charge neutralization – điện tích của một cation bị loại bỏ bởi hiện tượng adsorption – tạo lớp chất lỏng hoặc khí trên bề mặt chất rắn) mitochondrial phospholipid cardiolipin (CL) cũng có hiện tượng tạo kết cấu lớp lipid khác kết cấu kép.

Hình 20.8: PI có mặt ở màng trong của neuron và  glial cell. Nó được chuyển thành PI-4,5-bisphosphate với xúc tác của PI kinase (PIKs). Sự hoạt hóa các phospholipasae C (ví dụ như PLC-β) bởi Gq/11PCR (trong trường hợp của mGluR) sẽ chuyển PI(4,5)P2 thành IP3 và 1,2-DAG. Cơ chế hoạt động sau đó của 2 phân tử này đã được đề cập rất kĩ ở chương lộ trình tín hiệu tế bào. Ngoài ra, DAG lipase (DGL), ví dụ như DGL-α, có khả năng thủy phân 1,2-DAG thành 2-arachidonoyl-sn-glycerol (2-AG) – phân tử có chức năng hoạt hóa GPCR. 2-AG bị thủy phân bởi monoacylglycerol lipase (MGL) hoặc các lipase khác để tạo thành arachidonic acid. Cần lưu ý là 2-AG và arachidonic acid đều là cơ chất cho prostaglandin endoperoxide synthase (PGS). Các phân tử thuộc loại prostaglandin & thromboxane sẽ hoạt hóa thụ thể của chúng (có bản chất liên kết với GPCR). Ngoài ra, arachidonic acid cũng có thể được tổng hợp thông qua hoạt động của phospholipase A2 bằng cách sử dụng PC hoặc một số phospholipid khác.

Thiên hướng tạo thành màng khác kết cấu kép của PE và CL phụ thuộc vào chiều dài và độ không no trong chuỗi acyl của chúng. Mà kết cấu chuỗi acyl được điều biến bởi hiện tượng chuyển đổi chuỗi acyl bởi các enzyme tái cấu trúc (acyl chain composition). Hiện tượng tái cấu trúc lipid ở tế bào sống đã được quan sát bằng công nghệ khối phổ và người ta thấy rằng có tới 50% glycerolipid có chứa chuỗi liên kết ether nhưng phần lớn chức năng của chúng vẫn chưa được biết đến.

 

Hình 20.9: Sự tổng hợp glycerophospholipid

Ngoài các phân tử phospholipid có kết cấu khung là glycerol, tế bào eukaryotes còn có các phân tử sphingolipids và sterols. Sphingolipids thường chứa một chuỗi acid béo rất dài (từ 16 – 32 C) với một nối amide vào sphingoid base. Các phân dạng khác như hiện tượng hydroxyl hóa ở C2 và không no ở C15 thường ít khi xuất hiện. Sphingolipid thường tồn tại ở pha keo rắn nhưng được làm “mềm” hóa bởi sterol. Người ta quan sát thấy rằng sphingolipids và sterol phân bố nhiều hơn ở endosome, giúp kết cấu màng này chắc chắn hơn để có thể thực hiện chức năng hoàn chỉnh. PC và PI lại là thành phần cấu tạo chủ yếu nên ER. Cũng giống như màng của vi khuẩn, lớp màng mỏng và linh động của ER cũng có chứa các protein tiết và thành phần lipid khác với bộ máy Golgi (đã đề cập rõ ở quyển sách trước). Sphingolipids được tổng hợp ở mặt lòng của bộ máy Golgi và được tìm thấy sau đó ở lớp màng bào tương trong khi PS và PE lại phân bố trong bào tương. Một điều lạ là mặc dù cholesterol và sphingolipids có một khả năng tương tác đặc biệt, theo lý phải được phân bố cùng nhau ở thành phần màng không tiếp xúc với bào tương (non-cytosolic leaflet of the membrane), nhưng thực nghiệm lại cho thấy một tỉ lệ rất cao cholesterol và phospholipid cùng tồn tại trong thành phần bào tương. Hiện tượng trên không thể giải thích đơn thuần bằng thuộc tính vật lí được.

Hình 20.10: Sự tổng hợp Sphingolipid.

HIỆN TƯỢNG TẢI LIPID

Flippase và khả năng duy trì sự bất đối xứng của lớp lipid kép

Ở kết cấu màng lipid đơn thuần, đầu ưa nước của các lipid bình thường sẽ không thể di chuyển xuyên qua lớp màng kị nước bên trong. Hiện tượng này được quan sát thấy ở màng tế bào hồng cầu, khi mà thời gian chuyển vị xuyên màng của PC được xác định là hơn 10 giờ. Ngược lại, rất nhiều phospholipid lại di chuyển rất nhanh (đơn vị phần trăm giây) xuyên qua các cơ chế không tiêu tốn năng lượng.

Hình 20.11: Cách hoạt động của flippase.

Khả năng di chuyển bất đối xứng qua các lớp màng sinh học bị chi phối bởi các qui luật nhiệt lực học. Mỗi lớp màng Golgi có chứa một cấu trúc P4-ATPase (thành viên của họ tải cation thuộc P-type ATAPase). P4-ATPase chuyển đổi vị trí của các aminophospholipid PS và PE về phía bào tương, chúng còn được gọi là các flippase. Sự hoạt hóa một phân tử khác, gọi là scramblase cũng cho phép hỗn hợp lipid và đặc biệt là PS lên trên màng tế bào. Hiện tượng này xảy ra ở giai đoạn trễ của quá trình apoptosis, sau khi PS được nhận diện bởi thụ thể của nó và khi các tế bào apoptosis trải qua hiện tượng thực bào. Hơn nữa, PS cũng được phóng thích trong các chuỗi lộ trình tín hiệu của tế bào hồng cầu và tiểu cầu. Ta biết rằng, flippase giữ tính bất đối xứng của màng lipid nhưng sự chuyển đổi tổng khối lượng lipid từ đầu này sang đầu kia cũng dẫn tới sự méo mó, làm cong màng (curvature). Đây có lẽ là cơ chế để giải thích cho sự hình thành các túi tải có nguồn gốc từ bộ máy Golgi. Các lipid không có phần “đầu” lớn như cholesterol, diacylglycerol (DG), ceramide và các acid béo ở trạng thái loại bỏ proton đều sẵn sang cho quá trình chuyển đổi vị trí một cách ngẫu nhiên. Tuuy nhiên, sự vận chuyển các lipoprotein-derived cholesterol từ lysosome đòi hỏi Niemann-Pick disease type C protein 1 (NPC1) ở màng của lysosome. Thay vì hoạt động giống như flippase, NPC1 gắn LDL-derived cholesterol từ long ống lên vùng bao quanh màng, xuyên qua glycocalyx (lớp glycan có nhiệm vụ bảo vệ mặt trong của màng lysosome).

Một lượng lớn các kênh tải loại ABC có chức năng đưa lipid ra khỏi bào tương. Tuy nhiên, chúng không đưa lipid ra mặt ngoài màng tế bào bởi cơ chế flippase. Trong hầu hết các trường hợp, tải ABC đẩy cơ chất lipid đến các thành phần tiếp nhận ở mặt ngoài của màng tế bào. Glucosylceramide (loại glycosphingolipid duy nhất được tổng hợp phía bề mặt tiếp xúc với bào tương duy nhất của Golgi) cần flippase để được đưa vào long bộ máy golgi rồi chuyển thành glycosphingolipid cao hơn. Chưa ghi nhận được một trường hợp thay đổi vị trí trực tiếp ở màng bộ máy golgi. Do vậy, glucosylceramide phải được vận vào ER nhờ protein glucosylceramide-binding protein FAPP2. Điều thú vị cần chú ý ở đây là ER tổng  hợp galactosylceramide. Cả hai loại glycosphingolipid này có thể cùng được đưa vào mặt trong của màng tế bào bởi ABCA12 (một tải có vai trò quan trọng ở mô da, khiếm khuyết gene mã hóa protein này sẽ dẫn đến nhiều loại bệnh ngoài da nghiêm trọng).

Chúng ta cũng cần thiết lượt qua vai trò của scramblase trong miễn dịch. Khi tế bào nhiễm virus, scramblase sẽ chuyển PS ra lớp ngoài, PS sau đó trở thành tiêu điểm cho macrophage nhận diện tế bào bệnh đồng thời cũng là vị trí gắn kết với phức hợp prothrombinase (Xa, Va và II). PS cũng là vị trí gắn kết của bavituximab (thuốc kháng thể đơn dòng), có vai trò trong điều trị một số bệnh như viêm gan siêu vi C, herpes,… Lưu ý, tuy cũng là retrovirus, HIV lại không có khả năng gây ra tình trạng hoán vị của PS.

Sự phân bố lipid trên màng sinh học

Bằng cách nào mà tế bào có thể tổng hợp và duy trì sự khác nhau về thành phần các lipid của các bào quan? Theo tính toán, lipids khuếch tán nhanh ra mặt phẳng màng tế bào với tốc độ khoảng 1  µm2 mỗi giây. Do vậy, các túi tiết với tổng diện tích là 0.02µm2 tạo thành sẽ phủ đầy lipid cho các bào quan theo các lộ trình túi tiết (vesicular pathways). Tuy nhiên, tính chất vật lí của glycerolipids và sphingolipids khiến chúng tách riêng thành 2 pha trạng thái dịch khác nhau (distinct fluid phases) với sự hiện diện của từ 5-50 mol% cholesterol. Ở màng sinh học của bộ máy golgi, các domain màng có nồng độ các loại lipid khác nhau sẽ được vận chuyển bởi các túi tiết khác nhau cùng với các protein đóng vai trò như một cái “nhãn” ghi địa chỉ để gửi chúng đến đúng vị trí. Sự khác biệt tính chất lipid và protein tạo nên một cơ chế phân loại cơ bản khiến mỗi cấu trúc sẽ có một thành phần lipid nhất định đặc thù. Trong suốt quá trình tiến hóa, tế bào buộc phải tổng hợp được sphingolipids và sterols cũng như hệ thống nội màng của chúng. Điều này cho thấy rằng chúng ta có thể dựa vào thành phần lipid để phân loại các tế bào eukaryote. Nhiều chi tiết phân tử về vấn đề này vẫn chưa được hiểu rõ. Ví dụ như làm cách nào protein được phân bố trên màng chính xác với chức năng như vậy.

Hình 20.12: Cấu trúc protein C99 (màu xanh  lá và xanh dương) gắn kết với cholesterol (đen trắng)

Chúng ta cũng cần phải đề cập đến cấu trúc bè lipid (lipid rafts) – màng tế bào được tạo bởi sự kết hợp của các glycosphingolipids và các thụ thể protein để tạo thành một vùng vi domain gọi là glycolipoprotein. Bè lipid có chức năng truyền dẫn các phân tử tín hiệu, làm tăng tính linh động của màng tế bào và khả năng khảm của protein; ngoài ra người ta còn nhắc đến sự điều hòa các chuỗi truyền tin của hệ thần kinh và giữ vững cấu trúc thụ thể. Bè lipid có nồng độ cholesterol cao gấp 3-5 lần những vị trí khác, các phospholipid chủ yếu là sphingolipid (sphingomyelin, tới 50% cao hơn so với mức trung bình của các màng sinh học khác; ngoài ra còn có phosphatidylcholine có độ phân bố ít hơn,…). Các thành phần truyền tin thường gắn liền với bè lipid bao gồm tín hiệu IgE, lộ trình thụ thể kháng nguyên tế bào T, lộ trình thụ thể kháng nguyên tế bào B, lộ trình của EGFR, insulin,…

Vào tháng 6 năm 2012, người ta đã xác định được rằng protein C99 sau quá trình biến đổi β-amyloid (sản phẩm của amyloid precursor protein – APP, có vai trò kích hoạt tiến trình bệnh Alzheimer) có sự gắn kết với cholesterol. Bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ electron thuận từ, người ta đã xác định được protein C99 có vị trí hoạt động đặc biệt – bè lipid. Quá trình đưa APP lên màng tế bào tương tác với β-secretase & γ-secretase để tạo thành protein C99 phụ thuộc phần lớn vào sự gắn kết của nó với cholesterol, do vậy, người ta cho rằng có thể ngăn chặn quá trình này để làm giảm biểu hiện của protein C99, giảm tiến trình Alzheimer.

Màng lipid cũng có thể thành lập một số cấu trúc chỉ gồm 1 lớp lipid – hạt micelle (trong dịch tiêu hóa). Màng lipid đơn không thể sát nhập vào màng bào tương như các liposome, điều này giải thích tại sao sự hấp thu chất béo trong sữa mẹ trọn vẹn hơn so với sữa công nghiệp. Chất béo trong sữa mẹ được chế tiết qua phương thức apocrine, vậy nên được chấp nhận tự nhiên ở các tế bào villus tại ruột của trẻ nhỏ. Đối với protein, tế bào tuyến sữa hay sữa công nghiệp đều có phương thức tiết là merocrine do đó việc hấp thu chất đạm không khác nhau nhiều giữa sữa mẹ và sữa công nghiệp.

Các protein tải và lipid màng trong bào tương

Hình 20.13: Cấu trúc ER và tương quan của nó với nhân & bào tương.

Nhiều họ protein tan trong bào tương có thể gắn kết và làm cho các lipid monomer có khả năng tan trong bào tương. Trong số đó, phải kể đến các họ thụ thể nhân (nuclear receptor family) của các yếu tố phiên mã (transcription factor). Một số khác lại có vai trò vận chuyển các lipid xuyên qua các lớp màng sinh học khác nhau. Ceramide transfer protein (CERT) là protein bắt buộc phải có thể tải những phân tử ceramide mới tổng hợp từ ER đến bộ máy Golgi, tại đây nó được biến đổi để thành sphingomyelin (SM). Quá trình tổng hợp glucosylcereamide tại bộ máy golgi lại không phụ thuộc vào CERT. Tuy vậy, người ta quan sát thấy rằng CERT có khả năng gắn kết với một loại protein khác ở ER cũng như lipid tín hiệu phosphatidylinositol 4-phosphate (PI4P) ở bộ máy golgi tại vị trí liên lạc giữa hai bào quan này.

Hình 20.14: Minh họa hình thức merocrine và apocrine.

 

Ta cần biết thêm rằng, chức năng tải của CERT và sự tổng hợp SM được điều hòa bởi nồng độ của PI4P và cả vị trí phosphoryl hóa của CERT. Điều thú vị là, các CERT-related proteins gắn kết với oxysterol khác nhau có cùng vị trí gắn kết tại ER và Golgi, trong khi các loại oxysterol-binding protein lại được tìm thấy ở nhiều vị trí ER-endosome và Golgi-endosome.

Vào năm 2009, người ta đã lần đầu tiên ghi nhận được sự tồn tại của phức hợp protein đầu tiên tại vị trí tương tác của ER và ti thể. Phức hợp này có vai trò tải PS từ ER đến ti thể và PE (sản phẩm khử carboxyl của PS) trở về lại ER. Tuy nhiên, sự liên quan giữa ER và các hạt lipid (lipid droplet), đặc biệt là quá trình sinh tổng hợp của chúng, sự sắp xếp các loại enzyme trong chuyển hóa lipid tại bề mặt hạt lipid vẫn còn đang được nghiên cứu thêm.

Hình 20.15: a) Mô hình biểu diễn ligand phối hợp với ion calcium ở domain C2A và C2B của synaptotagmin I. b) Cấu trúc của C2A và C2B ở trạng thái gắn kết với Calcium của synaptotagmin I.

SNARE protein (viết tắt từ chữ soluble NSF attachment protein receptor) là một họ protein lớn gồm hơn 60 thành viên. Chúng đóng vai trò quan trọng trong quá trình xuất bào (exocytosis) của các túi tải (transport vesicle) vào màng tế bào. Chúng hoạt động bằng cách tạo thành một cầu nối để nối giữa màng thuộc về tế bào và túi tiết, sự tiếp xúc giữa hai cấu trúc màng khi có SNARE sẽ dẫn đến sự hòa màng. Cần nhớ rằng, hoạt động của các phân tử này phụ thuộc vào nồng độ Ca2+ cũng như các phản ứng liên quan, các sensor của calcium, synaptotagmin,…

Hình 20.16: Sơ đồ mặt cắt của “bộ máy” hòa màng cấu tạo bởi synaptotagmin, SNARE (synaptobrevin, syntaxin và SNAP-25) và phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate.

 Clathrin là một protein đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các túi tiết được phân lập lần đầu tiên bởi Barbara Pearse vào năm 1975. Nó tạo thành một phức hợp hình khối 3 chân (triskelion) cấu thành bởi 3 chuỗi nặng và 3 chuỗi nhẹ của clathrin. Ở đây ta sẽ đề cập cơ chế nhập bào (endocytosis) phụ thuộc vào phân tử protein này, một cơ chế giúp tiêu hủy các bệnh nguyên và độc chất (xem hình).

Tín hiệu định cư tại nhân có thể nằm tại mọi vị trí trên trình tự amino acid và có lẽ tạo thành các quai hay các mảng trên bề mặt protein. Đoạn tín hiệu vẫn thực hiện được chức năng ngay cả khi gắn thêm những đoạn peptide ngắn vào chuỗi lysine trên bề mặt protein tế bào chất, cho thấy vị trí chính xác của đọn tín hiệu trong trình tự amino acid của protein nhân không quan trọng lắm. Hơn nữa, khi 1 đơn vị của 1 phức hợp protein đa thành phần có tín hiệu định cư tại nhân, nguyên phức hợp có thể được nhập vào nhân.

Người ta thấy sự vận chuyển protein nhân qua NPC (nuclear pore complex), đã được quan sát bằng cách gắn những phần tử “vàng” lên đoạn tín hiệu định cư tại nhân, bơm những phần tử này vào tế bào chất, sau đó theo dõi diễn biến qua kính hiển vi điện tử. Sự vận chuyển bắt đầu khi những phần tử này gắn với những sợi dạng tua kéo dài ra từ vành của phức hợp lỗ nhân hướng ra phía tế bào chất, rồi sau đó những phần tử này được chuyển vào trung tâm của phức hợp lỗ nhân. Có lẽ, những vùng không có cấu hình cố định của các protein lỗ nhân, vốn tạo nên rào chắn ngăn cản sự khuếch tán của các đại phân tử, bị đẩy ra để cho phép những phần tử gắn vàng đi qua.

Chúng ta bàn thêm một chút về các sự hình thành tính chất của các protein nói chung và protein tải nói riêng. Khi protein được thử nghiệm đưa khỏi nhân trở lại tế bào chất, dù cho protein rất lớn, chúng vẫn tái tích tụ lại nhanh chóng ở trong nhân. Tín hiệu phân loại còn được gọi là tín hiệu định cư tại nhân sẽ thực hiện vai trò chọn lọc trong tiến trình vận chuyển tích cực vào nhân. Đoạn tín hiệu được xác định chính xác nhờ kỹ thuật tái tổ hợp DNA cho vô số các protein định cư tại nhân, cũng như các protein chỉ được đưa vào nhân tạm thời. Với nhiều protein, tín hiệu gồm 1 hay hai đoạn trình tự ngăn giàu các amino acid tích điện dương như lysine và arginine. với trình tự chính xác thay đổi theo ừng loại protein nhân khác nhau. 1 số protein khác cùng chứa nhiều đoạn tín hiệu khác nhau, nhiều trong số đó chưa được phát hiện.

Sự vận chuyển các đại phân tử về bản chất khác với sự vận chuyển protein xuyên màng ở các bào quan, ở chỗ nó xảy ra qua một cấu trúc lỗ có tính chất ưa nước lớn hơn hẳn so với bơm vận chuyển protein kéo dài qua 1 hay nhiều lớp kép lipid. Chính vì vậy, những protein nhân được hình thành cấu trúc bậc không gian đầy đủ có thể đi vào nhân qua NPC, và các đơn vị ribosome mới tạo thành có thể đi ra tế bào chất theo cách tương tự. Ngược lại, protein phải ở dạng chuỗi không gấp nếp mới có thể được vận chuyển vào các bào quan khác. Tuy nhiên, qua kính hiển vi điện tử, ta thấy những những vật thể rất lớn đi qua NPC dường như bị nén lại khi len qua lỗ, cho thấy chúng chịu một sự biến đổi về cấu hình khi được chuyển qua.

 

 

KẾT  LUẬN

Nhiệt động học của cholesterol cho đến nay vẫn là một điều bí ẩn đối với ngành lipidomics. Mặc dù chúng có thể di chuyển tự do xuyên qua các lớp màng sinh học, nhưng đồng thời cũng lại chịu sự tác động của một số protein. Cholesterol có ái lực cao với sphingolipid, điều này trái với các kết quả thực nghiệm về sự gắn kết của nó trên màng sinh học. Người ta cũng không biết tế bào di chuyển các domains của sphingolipids và cholesterol một cách rõ ràng, như tại sao các túi tiết của bộ Golgi lại di chuyển có trật tự thay vì chuyển động nhiệt hỗn loạn (có giả thuyết cho rằng chúng chuyển động dựa trên cấu trúc khung xương tế bào). Hơn nữa, các nhà vật lí – lí sinh không thể thành công trong việc định hướng sự gắn kết của các protein lên các màng “sinh học” nhân tạo, trong khi tế bào lại làm điều đó một cách “dễ dàng”. Thậm chí, cơ chế hoàn chỉnh cách thức hoạt động của flippase cho từng loại lipid cũng chưa được hiểu rõ,… Còn rất nhiều, rất nhiều điều cần phải được tìm hiểu trong thời gian sắp tới. Sự phát triển của ngành lipidomics hứa hẹn sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về bản chất của màng tế bào, về sự hằng định nội môi của lipid; một lĩnh vực khó đến mức các nhà sinh học lạc quan nhất cũng chỉ dám đưa ra những câu kết luận dè dặt.

Hình 20.17: Mô tả sự phức tạp trong cấu trúc của lỗ nhân.

Đọc thêm

Some proteins are bound to membranes by covalently linked lipids

A  number  of  membrane-bound  proteins  are  covalently linked  with  various  lipids,  which  promotes  association of  the  protein  with  the  lipid  bilayer.  These  modifications include  glycerophosphatidyl  inositol  (GPI)  anchors,  cyste-ine  acylation,  N-terminal  myristoylation,  isoprenylation,  and C-terminal  sterol  addition  (Levental  et  al.,  2010). Addition  of GPI with saturated fatty acids tethers a major family of extra-cellular  proteins  to  the  membrane,  predominantly  in  lipid rafts.  Transmembrane  and  intracellular  proteins  can  undergo S-acylation  with  saturated  fatty  acids,  again  leading  to  asso-ciation  with  lipid  rafts.  For  example,  in  myelin  proteolipid protein,  fatty  acids  (16:0,  18:0,  18:1)  are  attached  to  the  cyste-ine  moieties  in  the  protein  as  thioesters.  Analysis of  the  neuronal  palmitoyl-proteome  has  identified  palmi-toylaton of neurotransmitter receptors, transporters, adhesion  molecules,  SNAREs  and  other  vesicular  trafficking  proteins (Kang  et  al.,  2008).  Drug-induced  activity  paradigms  suggest  that palmitoylation contributes to activity-dependent changes in  synaptic  morphology  and  function.  A  number  of  cellular proteins are also acylated with myristic acid (14:0) on the free amino  group  of  N-terminal  amino  acids.  A  class  of  proteins, including  Ras,  a  proto-oncogene  product,  has  been  shown  to form  covalent  links  with  farnesyl  (C15)  or  C20  isoprenes  via  a thioether  linkage  to  cysteine  (Glomset  et  al.,  1990).  The  lipid anchor  in  Ras,  which  occupies  a  central  position  in  intracel-lular  signal  transduction,  is  essential  for  its  activity.  The Hedgehog  family  of  proteins  contains  palmitic  acid  linked  to the  amino  terminal  domain  and  cholesterol  covalently  linked to the carboxy terminal signaling domain (Bijlsma et al., 2004), making  them  the  only  sterolated  proteins  identified  to  date.

These  proteins  are  of  critical  importance  in  patterning  dur-ing  development  and  in  tumorigenesis.  Lipidated  Hedgehog proteins are secreted from cells via the membrane transporter Dispatched,  and  then  transduce  signals  through  two  mem-brane-bound receptors, Patched and Smoothened

 

Sửa lần cuối ngày 8/9/2012 - www.docsachysinh.com  

 Hãy cùng nhau chung tay xây dựng cộng đồng Y sinh học của Việt Nam bằng tri thức khoa học!