Điều hòa hoạt động tế bào là một điều kiện vô cùng quan trọng để đảm bảo sự phát triển và hoạt động bình thường của tế bào .

Nếu không có các cơ chế điều hòa, các phản ứng hóa sinh trong tế bào diễn ra quá mức, hay tế bào có thể phát triển quá mức, sẽ nhanh chóng dẫn đến sự rối loạn và giết chết tế bào. Cơ chế điều hòa hoạt động của tế bào chủ yếu là dựa vào cơ chế điều hòa ngược (feedback mechanism) .

1.Điều hòa hoạt động hóa sinh trong tế bào

Có hai cơ chế cơ bản để điều hòa hoạt động hóa sinh trong tế bào, đó là sự điều hòa gen (gene), và sự điều hòa enzym,

1.1.Sự điều hòa gen

1.1.1.Operon của tế bào và sự điều hòa

tổng hựp các sản phẩm Sự tổng hợp các sản phẩm hóa sinh trong tế bào thường được tiến hành bằng một loạt các phản ứng, và mỗi phản ứng được xúc tác bởi một enzym đặc hiệu. Sự tạo thành các ,enzym này được kiểm tra bởi một dãy gen trên cùng một chuỗi ADN của nhiễm sắc thể, được gọi là operon, và các gen chịu trách nhiệm tạo thành các enzym, được gọi là gen cấu trúc. Có ba gen câu trúc, và chúng tạo ra ba enzym tương ứng cho sự tổng hợp một sản phẩm đặc hiệu trong tế bào .

Ở đoạn trước của chuỗi ADN có bộ điều khiển, đó là một loạt các nucleotit (nucle- otide), có mối quan hệ vơi men ARN

polymeraz (polymerase RNA). Polymeraz phải gắn với bộ điều khiển này trước khi nó có thể bắt đầu đi dọc theo chuỗi ADN để tổng hợp ARN. Vì vậy, bộ điều khiển là yếu tố cơ bản để hoạt hóa operon .

1.1.2.Kiểm tra operon bởi bộ điều khiển ức chế

Một dãy nucleotit (nucleotide) nằm ngay trước chuỗi gen câu trúc là bộ điều khiển ức chế, vì một protein điều hòa có thể gắn ở đây, cái đó ngăn cản sự gắn của ARN polymeraz với bộ điều khiển, vì vậy nó ức chế sự sao mã gen trong operon. Một pro-tein điều hòa như vậy, được gọi là protein ức chế. Mặt khác, một chất làm thay đổi pro-tein ức chế, làm đứt cầu nối của nó với bộ điều khiển, được gọi là chat hoạt hóa, vì nó hoạt hóa, hay gây ra quá trình sao chép, để tạo ARN, bằng cách lấy đi protein ức chế .

1.1.3.Kiểm tra operon bằng một protein hoạt hóa

Một bộ điều khiển khác, nằm cạnh bộ điều khiển ức chế, gọi là bộ điều khiển hoạt
hóa. Khi protein điều hòa gắn vào bộ điều khiển này, nó thu hút ARN polymeraz (poly- merase RNA) tới bộ điều khiển, bằng cách này nó hoạt hóa operon. Vì vậy, một protein điều hòa loại này, được gọi là protein hoạt hóa, nó thúc đẩy sự sao mã gen .

hóa Một bộ điều khiển khác, nằm cạnh bộ điều khiển ức chế, gọi là bộ điều khiển hoạt
hóa. Khi protein điều hòa gắn vào bộ điều khiển này, nó thu hút ARN polymeraz (poly- merase RNA) tới bộ điều khiển, bằng cách này nó hoạt hóa operon. Vì vậy, một protein điều hòa loại này, được gọi là protein hoạt hóa, nó thúc đẩy sự sao mã gen .

1.1.4.Sự diều hòa ngược âm tính của operon

Sự sao mã gen trong operon sẽ tạo ra ARN, và một số sản phẩm sẽ được tổng hợp trong tế bào. Các sản phẩm rìày có thể gây ra ức chệ ngược chiều đối với operon. Nó có thể gây ức chế bằng cách tạo ra một protein ức chế để gắn với bộ điều khiển ức chế, hoặc tạo ra một protein để phá vỡ cầu nối giữa protein hoạt hóa với bộ điểu khiển hoạt hóa .

Do đó, operon trở nên bị ức chế. Như vậy, một khi các sản phẩm được tổng hợp theo yêu cầu đủ nhiều chúng sẽ ức chế operon, còn khi các sản phẩm trong tế bào giảm sút, operon lại trở nên hoạt động. Bằng cách nẩy, nồng độ các sản phẩm được điều hòa một cách tự động.

 1.1.5.Các cơ chế khác kiểm tra sự sao chép bằng operon

1. Một operon thường được kiểm tra bằng một gen điều hòa nằm trong phức hợp gen của nhân. Đó là gen điều hòa, nó tạo nên protein điều hòa, protein này hoạt động như là một chất hoạt hóa hay ức chế, để kiểm tra operon .
2. Nhiều operon khác nhau có thể được kiểm tra đồng thời bằng cùng một pro-tein điều hòa, hay cùng một piotein điều hòa hoạt động như một chất hoạt hóa cho operon này, và như một chất ức chế cho một operon khác .
   
3. Sự kiểm tra có thể xảy ra ở các giai đoạn khác của sự tổng hợp hóa sinh trong tế bào. Thí dụ, sự kiểm ha có thể ở điểm khởi đầu của sự sao chép trên dãy ADN; hay trong quá trình tạo phân tử ARN trong nhân trước khi chúng được giải phóng vào trong bào tương; hoặc hãn hữu, sự kiểm tra xảy ra ở mức tạo thành phân tử protein trong bào tương bằng sự giải mã ARN trên ribosom .
4. ADN được đóng gói trong những đơn vị cấu trúc đặc biệt là nhiễm sắc thể, ADN bị cuộn lại quanh một protein nhỏ là histon (histone), và các cuộn này được gắn chặt với nhau trong một tình trạng đặc. Chừng nào ADN còn trong tình trạng đặc, nó không thể hoạt động để tạo ra ARN .

Tuy nhiên, nhiều cơ chế kiểm tra có thể gây ra một vùng chọn lựa của nhiễm sắc thể, vùng này trở nên mất đông đặc, để cho sự sao chép ARN có thể xảy ra. Ngoài ra, các yếu tố từ bên ngoài tế bào, như một số hormon (hormone), có thể hoạt hóa vùng nhiễm sắc thể đặc hiệu, cho phép sao mã gen .

Vì có chừng 100.000 gen khác nhau trong mỗi tế bào người, nên có nhiều cách kiểm tra hoạt động gen. Hệ thống kiểm tra gen đặc biệt quan trọng trong sự điều hòa nồng độ các chất trong tế bào như: các axít amin, các dẫn xuất của axít amin, các cơ chất trung gian, các sản phẩm chuyển hóa của cacbohydrat, lipit và protein .

1.2.Sự điều hòa enzym

Ngoài sự kiểm tra chức năng tế bào bằng sự điều hòa gen một số hoạt động tế bào được kiểm tra bằng các chất hoạt hóa hay ức chế .

Các chất này hoạt động trực tiếp trên các enzym đặc hiệu trong tế bào .

1.2.1.Sự ức chế enzym

Một số chất hóa học được tạo thành trong tế bào có tác dụng điều hòa ngược âm tính, tức là ức chế trên hệ enzym đặc hiệu, mà đã xúc tác trong quá trình tổng hợp ra chính chúng. Hầu hết các sản phẩm được tổng hợp hoạt động trên enzym đầu tiên, thường gắn trực tiếp với enzym, và bất hoạt nó .

Quá trình ức chế enzym có tác dụng điều hòa nồng độ một số chất trong tế bào như: một số axít amin, purin (purine), pyrimidin (pyrimidine), và các chất khác .

1.2.2.Hoạt hóa enzym

Các enzym bị bất hoạt thường có thể được hoạt hóa lại khi cần. Thí dụ, phần lớn ATP bị phân hủy trong tế bào, một số lớn AMP vòng được tạo .thành, như là một sẩn phẩm phân hủy ATP. Sự có mặt của AMP vòng ngay lập tức gây hoạt hóa men glycogen phosphorylaz (glycogen phosphorylase), và giải phóng phân tử glucoz, chất này được chuyển hóa nhanh chóng và giải phóng năng lượng, dùng để phục hồi phân tử ATP dự trữ .

Như vậy, AMP vòng hoạt động như là một chất hoạt hố a enzym đô’i vđi men phosphorylaz, và vì vậy nó điều hòa nồng độ ATP trong tế bào .

Một ví dụ khác là sự tạo thành purin và pyrimidin, những chất này thì cần thiết cho tế bào để tổng hợp ADN và ARN. Khi purin

được tạo thành, chúng sẽ ức chế enzym cần cho sự tạo thành chính chúng, nhưng chúng lại hoạt hóa enzym cần cho sự tạo thành pyrimidin. Ngược lại, pyrìmidin được tạo thành sẽ ức chế enzym của riêng nó, nhưng hoạt hóa enzym của purin. Bằng cách này có sự điều hòa chéo liên tục, giữ cho nồng độ hai chất luôn bằng nhau trong tế bào .

2.Hệ thống ADN – Gen điều hòa sự sinh sản tế bào

2.1.Sự sinh sản tế bào bắt đầu với bản sao ADN

Sự sinh sẵn tế bào bắt đầu từ trong nhân. Bước đầu tiên là sao tất cả ADN trong nhiễm sắc thể, quá trình diễn ra kéo dài từ 4 đến 8 giờ. Từ 1 đến 2 giờ sau đó, sự gián phân mới xẩy ra, quá trình gián phân thực tế chỉ diễn ra trong khoảng 30 phút. ADN bị Sao chép một lần, dẫn đến kết quả là có hai bản chính xác của toàn bộ ADN. Hai bản này trở thành ADN trong hai tế bào con mới, mà sẽ được tạo thành trong lúc gián phân .

ADN được sao chép tương tự như ARN được sao chép do ADN, ngoại trừ một số điểm khác biệt quan trọng sau: Cả hai dãy ADN trong mỗi một nhiễm sắc thể đều được sao chép, không phải chỉ có một trong hai dãy .

Cả toàn bộ dãy ADN được sao chép từ đầu này tới đầu kia, chứ không phải chỉ một phần nhỏ của dãy, như trong sao chép ARN bởi gen .

Cácenzym chính cho sự sao chép ADN là một phức hợp của nhiều enzym, gọi là ADN polymeraz (DNA polymerase), tương ứng với ARN polymeraz Nó gắn và chuyển động dọc theo chuỗi ADN, trong khi một enzym khác, ADN ligaz (DNA ligase), xúc
tác sự gắn các nucleotit (nucleotide) liên tiếp từ phân tử này tơi phân tử kia, dùng cầu nối phosphat năng lượng cao để cung cấp năng lượng cho sự gắn này .

2.2.Điều hòa sự phát triển và sinh sản của tế bào

Có một số tế bào phát triển và sinh sản suốt đời, như các tế bào tạo máu củạ tủy xương, các lớp mầm của da và biểu mô ruột .

Tuy nhiên, nhiều tế bào khác, như tế bào cơ trơn, không thể sinh sản trong nhiều năm .

Một số tế bào, như các nơrôn (neuron), và phần lớn tế bào cơ vân không sinh sản suốt đời, ngoại trừ trong thời gian bào thai .

Trong một số mô, sự tái sinh rất mạnh, để bù lại số tế bào đã mất đi. Thí dụ, bẩy phần tám trọng lượng gan có thể bị cắt bỏ, và các tế bào của một phần tám còn lại sẽ phát triển và phân chia cho tới khi khôi gan trở lại bình thường. Phần lớn các loại tế bào khác cũng có khả năng như vậy , như tế bào tuyến, tế bào tủy xương, tổ chức dưới da, biểu mô ruột, và một số các mô khác, ngoại trừ các tế bào biệt hóa cao, như tế bào thần kinh và tế bào cơ.Sự phát triển của tế bào được điều hòa bằng các yếu tố phát triển, một số yếu tố phát triển tuần hoàn trong máu, một số khác có nguồn gốc từ các mô bên cạnh. Thí dụ tế bào biểu mô của tuyến tụy sẽ không phát triển nếu không có yếu tố phát triển từ các mô liên quan .

2.3.Điều hòa kích thước tế bào

Kích thước tế bào được xác định bằng số ADN chức năng trong nhân. Tế bào phát triển đến một kích thước nào đó, sự sao chép ẠDN ngừng lại, và tế bào giữ nguyên ở kích thước đó. Nếu sự sao chép ADN tiếp tục, nhân sẽ chứa một lượng ADN lớn hơn bình thường, và tế bào phát triển lớn hơn một cách cân xứng. Khi lượng ADN tăng lên, dẫn đến kết quả là sự sản xuất ARN tăng lên, và số pro-tein được tổng hợp trong tế bào cũng tăng lên, làm cho tế bào phát triển lớn hơn .

3.Sự biệt hóa tế bào

Một tính chất đặc biệt của sự phát triển và phân chia tế bào là sự biệt hóa tế bào .

Khi tế bào tăng sinh trong bào thai, có sự thay đổi về đặc tính chức năng và vật lý của tế bào, để tạo thành các cấu trúc khác nhau của cơ thể .

Thực nghiệm sau đây để giải thích về sự biệt hóa tế bào. Người ta lấy nhân của một tế bào niêm mạc ruột của con cóc, rồi cây vào trứng của con cóc, mà đã bị lấy mất nhân đi. Kết quả là trứng cóc sẽ cho ra đời một con cóc bình thường. Như vậy chứng tỏ rằng ngay cả tế bào niêm mạc ruột cung vẫn là một tế bào biệt hóa tốt, nó mang tất cả các thông tin di truyền cần thiết cho sự phát triển của toàn bộ cấu trúc hoàn chỉnh cho cơ thể một con cóc trưởng thành .

Như vậy rõ ràng là sự biệt hóa không phải là kết quả của sự mất gen, mà là từ sự ức chế chọn lọc của một số gen khác nhau, Cái đó được giả thiết là ở một giai đoạn nào đó của sự biệt hóa tế bào, bộ gen điều hòa nằm trong phức hợp gen của nhân bắt đầu tạo ra một protein điều hòa mà sau đó nó ức chế vĩnh viễn một nhóm gen chọn lọc. Vì vậy, gen bị ức chế sẽ không bao giờ hoạt động trở lại nữa .

Chú ý là mỗi tế bào của cơ thể có chừng 30.000 gen, nếu tất cả các gen đều hoạt động, nó sẽ tổng hợp 30.000 protein khác nhau .

Nhưng thực tế nó chỉ tạo ra khoảng từ 8.000 – 10.000 phân tử protein, chứng tỏ một số lớn gen không hoạt động .

4.Vấn đề ung thư

Ung thư là do sự đột biến hay sự hoạt hóa bất thường của gen trong nhân tế bào, mà những gen này kiểm tra sự phát triển và giản phân tế bào, những gen này được gọi là oncogen (oncogene). Khoảng 100 oncogen khác nhau đã được phát hiện. Trong tất cả các tế bào cũng có chat antioncogen (antioncogene), nố ức chế sự hoạt hóa oncogen đặc hiệu. Vì vậy, nếu thiếu hay bất hoạt antioncogen, có thể dẫn đến hoạt hóa oncogen và ung thư phát triển .

Thực ra chỉ một phần nhỏ tế bào của cơ thể có thể bị đột biến dẫn tới ung thư, vì các lý do sau đây:

1. Thứ nhất, phần lớn các tế bào bị đột biến khả năng sống kém hơn tế bào bình thường, vì vậy chúng đễ bị chết .
2. Thứ hai, chỉ có một ít tế bào bị đột biến, mà chúng sống được trở thành tế bào ung thư, nhưng chúng vẫn cồn chịu sự điều hòa ngược, để ngăn cản sự phát triển quá mức .
3. Thứ ba, các tế bào ung thư luôn luôn bị phá hủy bởi hệ miễn địch của cơ thể trước khi chúng trở nên phát triển quá mức. Cơ chế như sau: phần lớn tế bào bị đột biến, bộ gen của chúng thay đổi, tạo thành các pro-tein bất thường trong cơ thể. Các protein lạ này kích thích hệ miễn dịch của cơ thể, sản xuất ra các kháng thể và các lympho T cảm ứng chống lại các tế bào ung thư, phá hủy chúng. Những người mà có hệ miễn dịch bị ức chế, thí dụ dùng thuốc ức chế miễn dịch khi ghép thận hay tim, thì khả năng phát triển ung thư tăng lên gấp năm lần .
4. Thứ tư, trong đó ung thư thường nhiều oncogen khác nhau yêu cầu phải được hoạt hóa đồng thời, mới có thể gây ra ung thư .Thí dụ, nếu chỉ một gen đột biến gây tăng sinh nhanh của một dòng tế bào, nhưng không có một gen đột biến khác đồng thời, để gây ra sự tạo mạch máu nhanh cần thiết, thì ung thư chưa phát triển được .

4.1.Các yếu tố gây đột biến

Khả năng đột biến có thể tăng lên nhiều lần, nếu một người tiếp xúc thường xuyên với một số yếu tố hóa học, vật lý, hay sinh vật học, cụ thể là như sau .

• Một số chất hóa học có khả năng gây ra đột biến gen cao, như là các dẫn xuất của thuốc nhuộm anilin khác nhau có thể gây ra ung thư. Do đó công nhân của các nhà máy hóa chất trd nên có nguy cơ cao, nếu không được bảo vệ một cách thích đáng. Các chất hóa học có khả nă ng gây ra ung thư được gọi là carcinogen. Carcinogen mà gây ra số người chết lớn nhất trong hành tinh của chúng ta hiện nay là hóa chất có trong thuốc lá .Chúng tạo ra khoảng một phần tư số người chết do ung thư .
• Ta biết rằng sự bức xạ ion, như là tia X, tia gamma, bức xạ từ các chất  phóng xạ, và ngay cả tia cực tím cũng có thể dẫn tới ung thư. Dưới ảnh hưởng của các bức xạ như vậy, các ion được tạo thành trong các tế bào của mô gây phản ứng cao, có thể làm bể vỡ các chuỗi ADN, như vậy là gây ra đột biến gen .
• Những tác nhân kích thích vật lý cũng có thể dẫn tới ung thư, như là làm mài mòn liên tục các tế bào niêm mạc ruột bằng các loại thức ăn thô nhám. Sự phá hủy các mô, dẫn tới sự gián phân nhanh chóng của các tế bào. Sự gián phân càng nhanh thì cơ hội đột biến của tế bào càng lớn .
• Yếu tố di truyền, ở nhiều gia đình có xu hướng di truyền ung thư mạnh, Trong các gia đình này, giả thiết là có một hay nhiều gen bị đột biến trong bộ gen di truyền, nhưng như thế chưa đủ để gây ra ung thư, vì sự thật
  là phần lớn ung thư yêu cầu không chỉ là một đột biến, mà phái nhiều đột biến trước khi ung thư xảy ra. Vì vậy, khi đã có sẵn gen bị đột biến, chỉ cần thêm một ít gen bị đột biến nữa là có thể dẫn tới ung thư (mà số thêm này ở người bình thường, không có yếu tố di truyền, không thể gây ra ung thư được) .
• Người ta có thể gây ung thư thực nghiệm trên một số loài động vật, kể cả bệnh bạch huyết (leukemia) bằng virus. Trong trường hợp ADN của siêu vi (virus), chuỗi ADN của siêu vi có thể được đưa trực tiếp vào một trong các nhiễm sắc thể của tế bào con vật, chúng sẽ gây ra đột biến gen và dẫn tới ung thư .

4.2.Đặc điểm xâm lấn của tế bào ung thư

Sự khác nhau cơ bản giữa tế bào ung thư và tế bào bình thường là: (1) Tế bào ung thư thường phát triển quá mức, vì nó lọt ra ngoài tầm kiểm soát của các yếu tố phát triển. (2) Các tế bào ung thư ít dính với nhau như các tế bào bình thường, đo đố chúng có khuynh hướng tách ra, đi xuyên qua các mô để vào dòng máu, và được vận chuyển đi khắp cơ thể. Ở đó chúng tạo thành các ổ, để phát triển khối tế bào ung thư mới, hiện tượng mà ta gọi là di căn. (3) Tế bào ung thư cụng tạo ra yếu tố sinh mạch, nó tạo ra nhiều mạch máu mới xâm nhập vào trong khối ung thư, cung cấp chất dinh dưỡng cho tế bào ung thư phát triển .

Tổ chức ung thư cạnh tranh chất  dinh dưỡng với các tế bào bình thường. Do các tế bào ung thư liên tục tăng sinh không có giới hạn, sự tăng lên hàng ngày của chúng về số lượng, chúng đòi hỏi và giành giật tất cả các chất dinh dưỡng cần thiết cho các mô bình thường của cơ thể. Như là một hậu quả, các mô bình thường sẽ bị chết dần đi vì thiếu dinh dưỡng.