Tài liệu Các loại prôtêin tham gia quá trình phân bào

TRƯỜNG PHỔ THÔNG VÙNG CAO VIỆT BẮC CÁC LOẠI PRÔTÊIN THAM GIA QUÁ TRÌNH PHÂN BÀO Tác giả: Nguyễn Thị Mai Các bạn thân mến! Trong quá trình tham gia ôn luyện Học sinh giỏi môn Sinh phần phân bào, tôi nhận thấy các em học sinh thường hay bị lúng túng khi ôn kiến thức phần các loại protein tham gia quá trình phân bào. Để giúp các em phần nào trong việc hệ thống kiến thức, nắm chắc kiến thức về các loại protein tham gia quá trình phân bào, từ đó có thể vận dụng tốt kiến thức phần này trong việc giải quyết các vấn đề liên quan, bài viết sau đây tôi xin được đề cập đến vấn đề này. A. KIẾN THỨC TỔNG QUAN: I. Phân bào: Phân bào là hiện tượng tế bào (động vật, thực vật, vi khuẩn,…) phân chia, tạo ra nhiều tế bào mới và theo một "chương trình" đã lập sẵn của cơ thể. Chu kỳ phân bào, hay chu kỳ tế bào, là một vòng tuần hoàn các sự kiện xảy ra trong một tế bào từ lần phân bào này cho đến lần kế tiếp, trong đó bộ máy di truyền và các thành phần của tế bào được nhân đôi và sau đó tế bào phân chia làm hai tế bào con. Chu kỳ tế bào có thể được chia thành các pha sau: G1, S, G2 (các pha G1, S, G2 được gộp lại thành kỳ trung gian) và pha nguyên phân hay pha M. Bản thân pha M bao gồm hai quá trình liên quan chặt chẽ với nhau: quá trình nguyên phân trong đó nhiễm sắc thể của tế bào mẹ nhân đôi và được chia tách ra làm hai phần bằng nhau, và quá trình phân chia tế bào chất trong đó tế bào chất của tế bào mẹ tách làm hai phần bằng nhau và hình thành hai tế bào con. Việc kích hoạt mỗi pha phụ thuộc vào sự tiến triển đúng cách của pha trước. Tế bào nếu có chu kỳ bị tạm thời ngưng trệ hay bị đảo ngược thì được xem như lâm vào một trạng thái tĩnh lặng gọi là pha G0. 1 Biểu đồ tổng quan về chu kỳ tế bào. Vòng tròn ngoài: I = kỳ trung gian, M = nguyên phân; Vòng trong: M = nguyên phân, G1 = pha G1, G2 = pha G2, S = pha S; không nằm trong vòng nào: G0 = pha G0/pha nghỉ Pha G0 Mô tả Trong pha này tế bào không tham gia vào chu kỳ và ngừng phân chia. Trong pha này tế bào tăng kích thước. Điểm kiểm soát G1 điều khiển các G1 cơ chế giúp cho tế bào chuẩn bị đầy đủ mọi thứ trong G1 rồi mới tiến tới pha S. S Sự nhân đôi ADN x ảy ra trong pha này. Trong pha G2 tế bào tiếp tục sinh trưởng. Điểm kiểm soát G2 điều khiển G2 các cơ chế giúp cho tế bào chuẩn bị đầy đủ mọi thứ trong G2 rồi mới tiến tới phân chia trong nguyên phân. 2 Tế bào ngừng sinh trưởng và toàn bộ năng lượng được tập trung vào việc M phân chia tế bào thành hai tế bào con một cách có quy củ. Ở giữa giai đoạn nguyên phân có một điểm kiểm soát ở kỳ giữa nhằm đảm bảo tế bào đã sẵn sàng hoàn tất quá trình phân bào. II. Các loại protein tham gia quá trình phân bào. 1. Hệ thống kiểm soát chu kỳ tế bào dựa trên sự hoạt động của protein kinaza (Cdks): Hệ thống kiểm soát chu kỳ tế bào được quản lý bởi trạng thái hoạt động và không hoạt động của những điểm kiểm tra, những protein then chốt, những phức hợp protein khởi đầu, điều chỉnh quá trình nhân đôi ADN, phân chia nhiễm sắc thể và phân chia tế bào chất. Protein kinaza (Cdks) là một thành phần đóng vai trò quan trọng trong kiểm soát chu kỳ tế bào thông qua hệ thống các điểm kiểm tra, chỉ được hoạt hoá trong một số khoảng thời gian nhất định trong chu kỳ tế bào, sau đó nhanh chóng trở lại trạng thái không hoạt hoá. Một số loại protein kinaza được hoạt hoá vào cuối pha G1 và khiến cho tế bào bước vào pha S; một loại protein kinaza khác hoạt hoá ngay trước pha M, dẫn đến tế bào bước vào pha phân bào. Các tế bào của động vật có xương sống có bốn loại Cdk khác nhau (Cdk 1, 2, 4, 6). Sự bật - tắt của protein kinaza trong khoảng thời gian chính xác có liên quan tới nhóm thứ hai của các loại protein trong hệ thống kiểm soát – cyclins. Bản thân cyclins không có hoạt tính enzim, nhưng chúng phải kết hợp với protein kinaza trước khi kinaza có thể có hoạt tính enzim. Nồng độ cyclins của tế bào thay đổi trong chu kỳ tế bào tạo nên sự thay đổi hoạt động của phức hợp cyclin – Cdk; khả năng hoạt động của phức hợp đó khởi động một số hoạt động trong chu kỳ tế bào như chuyển sang pha S hay pha M. Mỗi phức hợp cyclin-Cdk phosphoryl hóa một nhóm protein khác nhau và vì vậy chúng kích thích các loại hoạt động khác nhau trong tế bào, bản thân một loại phức hợp cũng có hiệu quả hoạt tính khác nhau tùy thời điểm trong chu kỳ. Protein có vai trò đưa tế bào vào pha M là M-cyclin hay cyclin A, và phức hệ với Cdk tương ứng là M-Cdk. Sự tổng hợp M-cyclin bắt đầu ngay sau khi 3 phân bào và tiếp tục trải qua kỳ trung gian. Nồng độ của M-cyclin từ từ tăng lên, bắt đầu pha phân chia tế bào; sự giảm nhanh nồng độ sau đó dẫn tới pha phân chia tế bào kết thúc. Tương tự đó là loại cyclin có vai trò tác động khiến tế bào vào pha S - S-cyclin hay cyclin B, cung phức hệ tương ứng S-Cdk. Phức hợp Cyclin-Cdk Cyclin Cdk G1-Cdk Cyclin D1,D2,D3 Cdk4, Cdk6 G1/S-Cdk Cyclin E Cdk2 S-Cdk Cyclin A Cdk2, Cdk1 M-Cdk Cyclin B Cdk1 Hoạt tính của Cdks được điều chỉnh bởi sự phosphoryl hoá và phản phosphoryl hoá. Việc phosphoryl hóa Cdk - do enzym kinaza Wee1 thực thi sẽ diễn ra tại một cặp axít amin ở phần trên của vị trí hoạt động của Cdk, qua đó ức chế hoạt tính của phức hợp cyclin-Cdk. Việc phosphorylst hóa này chủ yếu nhằm vào Cdk1 và diễn ra trước pha nguyên phân. Các gốc photphat được gắn vào Cdk sau đó sẽ được enzym photphataza Cdc25 gỡ bỏ nhằm trả lại hoạt tính cho phức hợp cyclin-Cdk. Cdc25 cũng chủ yếu tác động vào Cdk1 khi pha nguyên phân bắt đầu xảy ra. Nói cách khác, cơ chế điều tiết của Wee1 và Cdc25 đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hoạt tính của cyclin M-Cdk tại pha nguyên phân. 2. Protein ức chế phân bào. Người ta đã phát hiện các protein có tác dụng ức chế hoạt tính các cyclin – kinaza, được gọi là CKI. Ở động vật có vú có 3 lớp protein CKI được gọi là p21, p27, p57, đóng vai trò ức chế hệ MPF từ đó ức chế chu kỳ tế bào. Trong đó, p21 đáp ứng lại các hư hỏng của ADN, ức chế sự tăng sinh của tế bào trong phát triển phôi sinh. Protein p27 có vai trò ức chế chu kỳ tế bào và điều chỉnh sự tăng sinh tế bào trong cơ thể ở giai đoạn phôi và thai. Protein p57 được biểu hiện ở các tế bào được biệt hoá của đa số mô của cơ thể trưởng thành. Ngoài ra, p53 là một protein quan trọng nằm trong điều hòa chu kỳ tế bào gọi là gene áp chế khối u p53. Khi có tổn thương ở ADN, p53 làm ngừng chu 4 trình tế bào cho đến khi ADN bị tổn thương được sửa chữa hoặc p53 có thể làm cho tế bào chết theo lập trình nếu không còn khả năng sửa chữa ADN. Những đột biến mất chức năng p53 làm tăng tính bất ổn định di truyền và làm giảm chết tế bào theo lập trình. Người ta phát hiện thấy trên 50% người mắc các bệnh về ung thư (như ung thư vú, ung thư đại tràng, ung thư phổi, ung thư gan...) đều có những điểm khác biệt trên gene mã hoá p53 so với người bình thường. 3. Protein tham gia quá trình nhân đôi ADN. Quá trình tự nhân đôi ADN hay tổng hợp ADN là một cơ chế sao chép các phân tử ADN xoắn kép trước mỗi lần phân bào. Kết quả của quá trình này là tạo ra hai phân tử ADN gần như giống nhau hoàn toàn, chỉ sai khác với tần số rất thấp. Có được như vậy là do cơ chế nhân đôi thực hiện dựa trên nguyên tắc bổ sung và các protein có trong hệ thống tìm kiếm, sửa chữa các sai hỏng ADN hoạt động hiệu quả. Protein Gyraza Helicaza SSB ADN primaza Vai trò Bám vào điểm khởi đầu sao chép tiến hành tháo xoắn Cắt đứt các liên kết hidro, tách 2 mạch đơn của ADN Bám vào 2 mạch đơn Tổng hợp đoạn RNA mồi ở đầu 5' của mỗi đoạn ADN mới được tổng hợp cũng như đầu 5’ ở mỗi doạn Okazaki. ADN polimeraza Gắn vào vị trí đoạn mồi này và xúc tác phản ứng kéo dài (I, II, III) chuỗi cho đến khi kết thúc mạch ADN làm khuôn, sửa chữa sai hỏng trên ADN 4. Protein tham gia quá trình phân chia chất nhiễm sắc và phân chia tế bào chất. Vấn đề quan trọng trong tế bào ở pha M là phân chia chính xác chất nhiễm sắc sau khi chúng được nhân đôi trong pha S, do vậy, mỗi sợi nhiễm sắc mà tế bào con sau khi phân chia nhận được là một bản sao của nhiễm sắc thể trong tế bào ban đầu.  Khi nhiễm sắc thể được nhân đôi trong pha S, hai bản sao của mỗi nhiễm sắc thể giữ nguyên ở trạng thái đính với nhau, hay còn được gọi là các nhiễm sắc 5 tử chị em. Các nhiễm sắc tử chị em được giữ với nhau bởi phức hệ protein cohesins, được lắp ráp theo chiều dài của mỗi nhiễm sắc tử chị em. Protein cohesins giữa các nhiễm sắc tử chị em quan trọng trong quá trình phân chia nhiễm sắc thể, được bảo vệ bởi protein shugoshin khỏi sự phân giải sớm của protein kết dính nhiễm sắc tử. Ở trạng thái bình thường, cohesin chỉ bị phá huỷ muộn trong quá trình phân bào, cho phép các nhiễm sắc tử chị em được tách ra. Ở phần lớn tế bào của các loài động vật trong kỳ trung gian có quá trình hình thành thoi phân bào, cấu tạo bởi các vi ống với các tiểu phần là protein tubulins được toả ra từ các trung thể. Chính sự trung hợp và giải trùng hợp các tiểu phần tubulins đã tạo nên sự tổng hợp thoi phân bào hay quá trình co rút tơ vô sắc dẫn đến sự di chuyển của các nhiễm sắc thể trong kỳ sau của quá trình phân bào.  Trong kỳ đầu của quá trình phân bào, một nhóm các phức hệ protein có tên là condensins giúp chất nhiễm sắc đóng xoắn, co ngắn và thể hiện hình thái đặc trưng.  Các nhiễm sắc thể đính vào thoi phân bào ở đầu kỳ giữa. Đầu dương của các tơ phân bào đính với nhiễm sắc thể qua một phức hệ protein đặc biệt là kinetochores – phức hệ được lắp ráp vào cuối kỳ đầu.  Trong quá trình phân chia tế bào chất, một cấu trúc ở các tế bào động vật cấu tạo từ chuỗi các sợi actin và sợi myosin chồng gối lên nhau, được gọi là vòng co, có vai trò tạo ra eo thắt màng sinh chất trong quá trình phân chia tế bào chất, tạo ra hai tế bào con. Vòng co được tổng hợp trong kỳ sau và được đính với các protein bám màng ở mặt tế bào chất của màng sinh chất. Lực sinh ra từ sự trượt lên nhau của các sợi actin và các sợi myosin. III. Bảng tổng hợp: Protein Kinaza Chức năng Kiểm soát chu kỳ tế bào thông qua các điểm chốt trong kỳ Cyclin trung gian và trạng thái hoạt hoá/không hoạt hoá. Kết hợp với kinaza tạo nên phức hệ Cdk, kiểm soát mức độ được hoạt hoá của kinaza thông qua nồng độ cyclin trong 6 tế bào. Kinaza Wee1 Photphoryl hoá protein kinaza. Photphataza Cdc25 Gỡ bỏ các gốc photphat nhằm trả lại hoạt tính cho phức hệ p21, p27, p53, p57 Gyraza Helicaza SSB ADN primaza ADN cyclin - Cdk. Ức chế hoạt tính các cyclin – kinaza, ức chế chu kỳ tế bào. Bám vào điểm khởi đầu sao chép tiến hành tháo xoắn. Cắt đứt các liên kết hidro, tách 2 mạch đơn của ADN. Bám vào 2 mạch đơn, giữ 2 mạch tách nhau. Tổng hợp đoạn RNA mồi ở đầu 5' của mỗi đoạn ADN mới được tổng hợp cũng như đầu 5’ ở mỗi doạn Okazaki. polimeraza Gắn vào vị trí đoạn mồi này và xúc tác phản ứng kéo dài (I, II, III) chuỗi cho đến khi kết thúc mạch ADN làm khuôn, sửa Cohesin Shugoshin chữa sai hỏng trên ADN. Giữ các nhiễm sắc tử chị em với nhau. Bảo vệ protein cohesion khỏi sự phân giải sớm của protein Condensin kết dính nhiễm sắc tử. Giúp chất nhiễm sắc đóng xoắn, co ngắn và thể hiện hình Kinetochores Tubulin thái đặc trưng. Vị trí đính bám của sợi tơ vô sắc với nhiễm sắc thể Đơn phân cấu tạo vi ống hay sợi tơ vô sắc trong thoi phân Actin và myosin bào. Đơn phân cấu tạo nên sợi actin và sợi myosin của cấu trúc vòng co trong phân chia tế bào chất. B. MỘT SỐ CÂU HỎI VẬN DỤNG Câu 1. Hãy cho biết phân bào ở sinh vật nhân thực các protein sau có vai trò gì: Protein Cohesin, protein Tubulin, protein Shugoshin, protein phân giải Cohesin. Đáp án: Vai trò của các protein trong phân bào của sinh vật nhân thực: - Tubulin là protein cấu trúc lên sợi thoi phân bào, giúp cho sự dịch chuyển của NST trong quá trình phân bào. - Protein (phi histon) cohesin tạo sự kết dính giữa các nhiễm sắc tử chị em và các nhiễm sắc thể trong cặp tương đồng khi tiếp hợp. 7 - Protein (phi histon) shugoshin bảo vệ cohesin ở vùng tâm động tránh sự phân giải sớm của protein kết dính nhiễm sắc tử ở kỳ sau giảm phân I. - Enzim phân giải cohesin để phân tách các nhiễm sắc tử chị em và nhiễm sắc thể trong cặp tương đồng ở kỳ sau của nguyên phân và giảm phân. Câu 2. Protein p53 có vai trò gì trong quá trình điều hòa chu trình tế bào? Điều gì xảy ra nếu gen mã hóa protein p53 bị đột biến sai hỏng? Đáp án: Vai trò của protein p53 trong chu kì tế bào - p53 là một protein quan trọng nằm trong điều hòa chu kỳ tế bào - gọi là gene áp chế khối u p53. Khi có tổn thương ở DNA, p53 làm ngừng chu trình tế bào cho đến khi DNA bị tổn thương được sửa chữa hoặc p53 có thể làm cho tế bào chết theo lập trình nếu không còn khả năng sửa chữa DNA. - Nếu đột biến gen xảy ra ở gen mã hóa p53 sẽ làm cho protein p53 hoạt động mất chức năng vì vậy sẽ không kiểm soát được chu kì tế bào, do đó sẽ làm phát sinh khối u, tăng sinh mất kiểm soát có thể gây ung thư. Câu 3. Từ những hiểu biết về diễn biến trong các pha của kì trung gian, hãy đề xuất thời điểm dùng tác nhân gây đột biến gen và đột biến đa bội để có hiệu quả nhất. Thời điểm xử lý đột biến - Tác động vào pha S dễ gây đột biến gen vì ở giai đoạn này diễn ra quá trình nhân đôi ADN. - Để gây đột biến đa bội có hiệu quả cần xử lý cônsixin vào pha G 2 (hoặc thí sinh có thể viết là “cuối pha G2”) của kì trung gian. - Bởi vì: + Đến G2 nhiễm sắc thể của tế bào đó nhân đôi. + Sự tổng hợp các vi ống hình thành thoi vô sắc bắt đầu từ pha G 2. Cơ chế tác động của cônsixin là ức chế sự hình thành các vi ống, xử lý cônsixin lúc này sẽ có tác dụng ức chế hình thành thoi phân bào. Hiệu quả tạo đột biến đa bội thể sẽ cao 8 Câu 4. Các nhiễm sắc tử đính với nhau trong suốt giảm phân I nhưng lại tách nhau ra trong giảm phân II và trong nguyên phân như thế nào? Tại sao cohensin ở tâm động không bị phân hủy trong khi sự phân hủy lại xảy ra ở vai vào cuối kì giữa I? Đáp án : - Các nhiễm sắc tử được gắn với nhau dọc theo chiều dài của chúng bằng các phức protein được gọi là cohensin. - Trong nguyên phân, sự gắn kết này kéo dài tới tận cuối kì giữa, khi enzim phân hủy cohensin làm cho các nhiễm sắc tử có thể di chuyển về các cực đối lập của tế bào. - Trong giảm phân, sự gắn kết các nhiễm sắc tử được giải phóng qua hai bước: + Trong kì sau I, cohensin được loại bỏ ở các vai cho phép các nhiễm sắc thể tương đồng tách nhau ra. + Ở kì sau II, cohensin được loại bỏ ở tâm động cho phép các nhiễm sắc tử tách rời nhau. - Cohensin ở tâm động không bị phân hủy trong khi sự phân hủy lại xảy ra ở vai vào cuối kì giữa I vì có protein shugoshin bảo vệ cohensin khỏi bị phân hủy ở tâm động. Câu 5. Thế nào là vi ống thể động và vi ống không thể động ? Các vi ống thể động hoạt như thế nào trong hoạt động hướng cực của các NST ? chức năng của các vi ống không thể động là gì ? Đáp án : - vi ống thể động : là vi ống bám vào thể động. - vi ống không thể động : vi ống không bám vào thể động. - Hoạt động của vi ống : có 2 cơ chế + Các pr động cơ đã cõng các NST bước đi dọc theo vi ống và các đầu thể động của vi ống giải trùng hợp khi các pr đi qua + Các NST bị guồng bởi các pr động cơ tại các cực của thoi và các vi ống phân dã sau khi đi qua các pr động cơ . 9 - Chức năng của các vi ống không thể động : + Chịu trách nhiệm về sự dài ra của cả tế bào ở kì sau + cơ chế : các vi ống không thể động phát sinh từ các cực đối lập lồng vào nhau trong kì giữa / kì sau các đoạn lồng vào nhau ngắn đi khi các pr động cơ đẩy chúng ra xa nhau nhờ ATP => khi chúng đẩy nhau , các cực của thoi cũng bị đẩy ra xa làm tế bào dài ra. Câu 6. Các nhiễm sắc thể ở kỳ giữa nguyên phân giống và khác với các nhiễm sắc thể ở kỳ giữa giảm phân II như thế nào? Đáp án : Các nhiễm sắc thể ở kỳ giữa nguyên phân giống và khác các nhiễm sắc thể ở kỳ giữa giảm phân II như thế nào? - Giống nhau: Mỗi nhiễm sắc thể được cấu tạo từ 2 nhiễm sắc tử, và mỗi nhiếm sắc tử định hướng giống nhau trên mặt phẳng xích đạo. - Khác nhau: Trong tế bào đang phân chia nguyên nhiễm thì các nhiễm sắc tử của mỗi nhiễm sắc thể là giống hệt nhau, còn trong tế bào đang giảm phân thì các nhiễm sắc tử có thể khác nhau về di truyền do trao đổi chéo xảy ra ở giảm phân I Câu 7. Trong giai đoạn đầu quá trình phát triển phôi ở ruồi giấm, giả sử từ nhân của hợp tử đã diễn ra sự nhân đôi liên tiếp 7 lần, nhưng không phân chia tế bào chất. Kết quả thu được sẽ như thế nào? Phôi có phát triển bình thường không? Tại sao? - Nguyªn ph©n thùc chÊt lµ sù ph©n chia nh©n, cßn ph©n chia tÕ bµo chÊt lµ ho¹t ®éng t¬ng ®èi ®éc lËp. V× vËy, nÕu nguyªn ph©n x¶y ra mµ sù ph©n chia tÕ bµo chÊt chưa x¶y ra th× sÏ h×nh thµnh mét tÕ bµo ®a nh©n (trong trêng hîp nµy lµ tÕ bµo chøa 128 nh©n). - Ruåi con sÏ ph¸t triÓn b×nh thêng, v× tÕ bµo ®a nh©n nªu trªn sÏ ph©n chia tÕ bµo chÊt ®Ó h×nh thµnh ph«i nang, råi ph¸t triÓn thµnh ruåi trëng thµnh. Các bạn thân mến! Chắc hẳn phần trình bày của tôi trên đây không tránh khỏi những thiếu sót, xin được cảm ơn bạn với những góp ý chân 10 thành để phần hệ thống kiến thức của tôi thêm hoàn chỉnh! Một lần nữa xin được cảm ơn! Người trình bày Nguyễn Thị Mai 11