CHƯƠNG ĐẠI CƯƠNG VỀ TẾ BÀO 9.1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU - HỌC THUYẾT TẾ BÀO 9.1.1 Đối tượng nhiệm vụ Sinh học tế bào xem môn Khoa học sống Sinh học tế bào có đối tượng nghiên cứu tế bào - đơn vị tổ chức thể sống cấu trúc chức di truyền Sinh học tế bào nghiên cứu mối tương quan cấu tạo chức hoạt động sống tế bào thể; nghiên cứu sở phân tử tế bào tượng di truyền, biến dị tiến hóa, sinh trưởng, phát triển sinh sản thể; nghiên cứu mối tương quan tế bào, thể với môi trường sống Kiến thức sinh học tế bào ứng dụng nhiều lĩnh vực sau: - Y dược học: Để phòng chống bệnh nhiễm trùng, bệnh di truyền, v.v - Nông, lâm, ngư nghiệp: Để tạo giống mới, làm tăng suất trồng vật nuôi, v.v - Công nghệ thực phẩm, công nghệ môi trường, v.v Sinh học phân tử Sinh học tế bào sở khoa học Công nghệ sinh học đại, ngành công nghệ mũi nhọn kinh tế trí thức kỷ XXI 9.1.2 Lược sử đời phát triển - Năm 1655, Robert Hooke quan sát vách tế bào thực vật chết (nút bần) nhờ kính hiển vi quang học thô sơ, ông cho “tế bào xoang rỗng” - Năm 1676, Anton van Leeuwenhoek dùng kính hiển vi phóng đại 300 lần phát kiến tế bào sống (như vi sinh vật từ giọt nước ao, tế bào máu, tinh trùng động vật) cho “tế bào xoang rỗng mà có cấu trúc phức tạp” - Năm 1858, R Virchov phát triển thêm tế bào sinh từ tế bào sống trước hình thành tế bào ngẫu nhiên từ chất vô sinh - Năm 1862, Louis Pasteur chứng minh sống không tự ngẫu sinh Sự sử dụng kính hiển vi để nghiên cứu sinh vật, phát kiến tế bào xây dựng Học thuyết tế bào vào năm 1838 - 1839 khai sinh Sinh học tế bào (Cytology), môn học trọng đến mối liên hệ cấu trúc chức bào quan tế bào, tăng trưởng phát sinh hình thái mức tế bào Học thuyết tế bào gây ảnh hưởng to lớn chuyên ngành sinh học từ hình thành chuyên ngành giải phẫu hiển vi, sinh lý tế bào, di truyền tế bào, bệnh học tế bào, v.v Sang kỷ XX, Tế bào học phát triển nhanh chóng không nhờ ứng dụng phương pháp đại ly tâm siêu tốc, kính hiển vi điện tử, nuôi cấy tế bào,… mà nhờ tích hợp Tế bào học với Di truyền học, Sinh học phân tử, Sinh học phát triển, Miễn dịch học để hình thành chuyên ngành trung gian di truyền tế bào, tế bào học phân tử, Miễn dịch học tế bào,… mà thân Tế bào học trước bó hẹp nghiên cứu cấu trúc tế bào mở rộng nghiên cứu lĩnh vực sinh lý, di truyền, tiến hóa sâu vào chế phân tử tế bào, cấu trúc tế bào gọi Sinh học tế bào (Cell Biology) 9.1.3 Học thuyết tế bào Thế kỷ XIX, nhờ hoàn thiện kính hiển vi, nhà thực vật học M Schleiden nhà động vật học T Schwann tổng kết thành tựu nghiên cứu tế bào nhiều nhà nghiên cứu trước đấy, vào năm 1838 - 1839 đề xuất học thuyết tế bào: “Tế bào đơn vị sống cấu trúc thực vật” (M Schleiden, 1938); “Tế bào đơn vị sống sinh vật” (T Schwann, 1939) Học thuyết tế bào chứng minh giới sống đa dạng có tính thống nhất, có nguồn gốc chung có cấu tạo tế bào Học thuyết tế bào ba phát kiến lớn kỷ XIX (cùng với Học thuyết tiến hóa Darwin Thuyết bảo tồn lượng) Cho đến nay, khoa học khẳng định trừ virus, tất sinh vật có cấu tạo tế bào Các vi khuẩn Eschirichia coli (E coli), nấm men rượu saccharomyces cerevisiae thể gồm tế bào, sinh vật đơn bào Phần lớn thực vật động vật, mà người nhìn thấy, gồm hàng tỷ tế bào tạo nên sinh vật đa bào Học thuyết tế bào đại khẳng định tất sinh vật cấu tạo nên từ tế bào sản phẩm tế bào, tế bào tạo nên từ phân chia tế bào trước nó, có giống thành phần hóa học hoạt tính trao đổi chất tất loại tế bào hoạt động thể tích hợp hoạt tính đơn vị tế bào độc lập 9.2 ĐỊNH NGHĨA TẾ BÀO Ngày với phát triển sinh học đại, Học thuyết tế bào giữ nguyên giá trị tế bào xem đơn vị tổ chức giới sống cấu tạo, chức sinh lý di truyền theo nguyên lý sau: 1) Tế bào đơn vị sống bé nhất, đơn vị tổ chức tất thể sống 2) Tất thể sống cấu tạo gồm tế bào hay nhiều tế bào Các trình trao đổi chất di truyền diễn tế bào 3) Tế bào sinh từ tế bào có trước Mặc dù tế bào nguyên thủy hình thành tự sinh ngẫu nhiên môi trường Trái Đất cách khoảng 3,5 tỷ năm, tế bào khả tự sinh ngẫu nhiên mà tế bào sinh từ tế bào có sẵn (R Virchov, 1858), tất tế bào tồn tất thể hậu duệ tế bào nguyên thủy Công nhận tế bào cấp tổ chức thể sống có nghĩa trình xuất tiến hóa sống, giai đoạn xuất tế bào sống biểu đầy đủ với đặc tính trao đổi chất, sinh trưởng phát triển, sinh sản, cảm ứng thích nghi với môi trường sống Tất hoạt động sống diễn tế bào dù thể đơn bào hay đa bào 9.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sinh học tế bào đạt nhiều thành tựu to lớn nhờ vào ứng dụng kỹ thuật phương pháp nghiên cứu (kỹ thuật hiển vi, hóa tế bào, nuôi cấy tế bào,…) với dựa vào tư lý luận khoa học khách quan (học thuyết tế bào, học thuyết tiến hóa, học thuyết nhiễm sắc thể, học thuyết gen, học thuyết hệ thống,…) Về nguyên tắc, tất tính chất phần tử tế bào sống phát phương pháp tinh vi khác Sau số kỹ thuật chủ yếu ứng dụng nghiên cứu tế bào 9.3.1 Hiển vi (microscope) Năm 1665, R Hooke phát minh kính hiển vi quang học (photonic microscope) với độ phóng đại 30 lần nhờ quan sát tế bào mô bần thực vật H V Leewenhoek cải tiến kính hiển vi với độ phóng đại 300 lần phát kiến nhiều dạng tế bào đơn bào (amip, trùng lông,…), hồng cầu, tinh trùng người, vi khuẩn, v.v Từ năm 1828, với tiến công nghệ chế tạo kính hiển vi với độ phóng đại lên đến hàng nghìn lần, nhà khoa học phát nhiều dạng tế bào mô thực vật, động vật cấu trúc tế bào đến năm 1838 - 1839 đời Học thuyết tế bào, xem khai sinh ngành Sinh học tế bào Trong suốt nửa sau kỷ XIX nhờ tiến kỹ thuật hiển vi nâng cao độ phóng đại, độ phân giải, ứng dụng kỹ thuật vi cắt làm tiêu nhuộm màu, nhà khoa học phát nhiều bào quan tế bào thực vật động vật (ty thể, lạp thể, phức hệ golgi, hạch nhân, nhiễm sắc thể,…), cấu trúc hiển vi mô khác nhau, phát nhiều trình hoạt động sống tế bào mô (sự thẩm thấu qua màng, phân bào sinh sản tế bào, sinh trưởng phát triển mô quan,…) Đến kỷ XX, nhờ kết hợp kỹ thuật lý hóa ly tâm siêu tốc, điện di, sắc lý, hóa tế bào đặc biệt kỹ thuật hiển vi điện tử, nhà tế bào học phát cấu trúc phân tử đại phân tử bào quan ty thể, lục lạp, phức hệ golgi, nhiễm sắc thể, hạch nhân, trung thể, màng sinh chất, đồng thời phát nhiều bào quan với chức quan trọng ribosome, lysosome, peroxisome, mạng lưới nội chất chế phân tử hoạt động sống chúng mức độ tế bào, mức độ phân tử 9.3.2 Tách nuôi cấy tế bào Để nghiên cứu tế bào, người ta phải làm tiêu hiển vi, nghĩa tế bào (hoặc mô) xử lý định hình hóa chất formol, cồn,… để chúng không bị phân rã, sau mẫu vật đúc vào khối paraphin để cắt thành lát mỏng máy vi cắt (độ mỏng vài milimet) làm tiêu Tiêu xử lý làm paraphin nhuộm màu để làm xuất cấu trúc khác tế bào mô Quan sát tiêu cố định biết cấu trúc chết tế bào, biết hoạt động sống tế bào bào quan tế bào Từ năm đầu kỷ XX đời kỹ thuật nuôi cấy mô - tế bào in vitro cho phép nhà nghiên cứu quan sát trạng thái sống tế bào tương tự thể (in vivo) Nguyên lý phương pháp nuôi cấy mô - tế bào mô tế bào tách khỏi thể phẫu thuật vô trùng nuôi cấy môi trường nuôi nhân tạo với điều kiện (chất dinh dưỡng, độ pH, nhiệt độ,…) tương tự điều kiện in vivo Bằng phương pháp nuôi cấy tế bào kết hợp với kỹ thuật đại (kỹ thuật lai tế bào, kỹ thuật đánh dấu chất đồng vị, kỹ thuật DNA tái tổ hợp,…) nhà nghiên cứu phát nhiều chế phân tử trình sống nhu trình tái mã, phiên mã, trình trao đổi chất thông tin qua màng sinh chất, trình chuyển hóa vật chất lượng tế bào, ty thể, lục lạp, trình sản xuất chế tiết chất, trình vận động co cơ, dẫn truyền thần kinh, điều hòa hoạt động gen trình phát triển phôi thai,… kỹ thuật nuôi cấy mô áp dụng công nghệ tế bào, công nghệ gen 9.3.3 Phân đoạn (fractionnement) ly tâm Áp dụng kỹ thuật phân đoạn phương pháp ly tâm cho phép tách riêng bào quan đại phân tử sinh học để phân tích thành phần sinh hóa tìm hiểu vai trò chúng tế bào Máy ly tâm sử dụng rộng rãi thí nghiệm sinh học để tách rửa tế bào Việc tách bào quan đại phân tử cần đến máy ly tâm siêu tốc Để đánh giá tốc độ lắng xuống đáy ống ly tâm, dùng hệ số lắng (coefficient of sedimentation) S Hệ số tính đơn vị Svedberg (S); S = cm x 10-13 giây 9.3.4 Sắc ký (chromatography) - Sắc ký giấy; - Sắc ký mỏng; - Sắc ký cột; - Sắc ký lỏng cao áp (HPLC - high performance liquid chromatography) 9.3.5 Điện di (electrophoresis) 9.3.6 Đánh dấu đồng vị phóng xạ chất kháng thể 9.3.7 Tách nhuộm tế bào 9.3.8 Kỹ thuật chụp ảnh chẩn đoán 9.3.9 Công nghệ DNA tái tổ hợp (xem Sinh học đại cương - Phạm Thành Hổ, 2011 - Tủ sách Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Lưu hành nội bộ; Sinh học tế bào - Bùi Trang Việt, 2013 - Nhà xuất ĐHQG TP.HCM, tái lần 3) 9.4 KÍCH THƯỚC, HÌNH DẠNG VÀ CẤU TRÚC TẾ BÀO - Kích thước: Tế bào động vật thực vật khoảng 10-100 μm, tế bào vi khuẩn khoảng 1-10 μm - Hình dạng: Rất nhiều dạng: Đa giác, kéo dài, phân nhánh, hình dĩa, hình cầu, hình que, v.v - Cấu trúc: Kích thước hình dạng tế bào thay đổi theo chức năng, tế bào giống cấu trúc bản, gồm: + Lớp phủ bề mặt; + Màng sinh chất; + Tế bào chất; + Nhân 9.5 CÁC DẠNG TỒN TẠI CỦA TẾ BÀO 9.5.1 Tế bào nhân sơ tế bào nhân thực Tùy theo mức độ phức tạp cấu trúc, tế bào phân biệt dạng, gồm: - Tế bào nhân sơ (prokaryote, pro - sơ khai, caryon - nhân) cấu tạo nên thể vi khuẩn thật (Eubacteria), vi khuẩn cổ (Archaebacteria) vi khuẩn lam; hầu hết prokaryotes sinh vật đơn bào Một số loài sống thành nhóm, tập đoàn gồm nhiều tế bào giống Một số khác hình thành tổ chức đa bào có phân công chức Sự phân loại dựa vào trình tự nucleotide rRNA 16S ribosom thuộc Sinh học phân tử tách sinh vật prokaryotes thành hai nhóm vi khuẩn thực (Eurobacteria) vi khuẩn cổ (Archaebacteria) Các nghiên cứu sâu cho thấy vi khuẩn cổ có trao đổi chất giống với vi khuẩn thực, sinh tổng hợp đại phân tử giống với sinh vật nhân thực - Tế bào nhân thực (eukaryote, eu - thực, caryon - nhân) cấu tạo nên thể nguyên sinh động vật, tảo, nấm, thực vật động vật 9.5.2 Khái niệm virus Virus chưa có cấu tạo tế bào nên chưa xem thể sống Virus dạng sống có cấu tạo gồm số gen (DNA RNA) chứa thông tin di truyền virus vỏ bọc protein bảo vệ (capsit) Virus sống ký sinh bắt buộc tế bào (vi khuẩn, thực vật, động vật nói chung, người), chúng sử dụng máy trao đổi chất tế bào chủ để nhân số lượng virus tăng lên 9.6 TÍNH PHÂN NGĂN TRONG TẾ BÀO Bên tế bào có phân ngăn (vùng) hay chia thành nhiều ngăn kèm với chức chuyên biệt (màng, cytosol, lục lạp, lysosome,…) Sự phân vùng thể rõ tế bào nhân thực nhờ hệ thống màng bào quan Sự phân ngăn giúp hoạt động xảy đồng thời, phối hợp giúp hoạt động diễn hoàn hảo Ngoài ra, có nhiều loại tế bào nhiều chi tiết không giống nhau, tế bào nêu thêm số điểm chung nhất: - Màng tế bào cấu trúc màng: Tất loại tế bào từ vi khuẩn đến tế bào người bao bọc màng ngoài, gọi màng sinh chất - Kích thước hầu hết loại tế bào nhỏ bé, phải nhìn kính hiển vi thấy Kích thước tế bào không phụ thuộc kích thước thể lớn hay nhỏ Vật thể nhỏ tế bào, tỷ lệ bề mặt so khối lượng lớn; nhờ diện tích tiếp xúc lớn, việc thu nhận chất từ vào nhanh phế phẩm loại kịp thời, đảm bảo cho cường độ trao đổi chất cao Các tế bào vi sinh vật nhỏ bé có cường độ trao đổi chất cao - Hệ gen DNA: Tất tế bào có DNA xác định chương trình phát triển cá thể - Ribosome: Nhà máy tổng hợp protein thực toàn chức tế bào CHƯƠNG 10 TẾ BÀO NHÂN SƠ (PROKARYOTE, VI KHUẨN) 10.1 KÍCH THƯỚC, HÌNH DẠNG - Kích thước tế bào nhỏ, chiều dài - 10 μm, chiều rộng 0,1 - 1,0 μm - Hình dạng đa dạng, gồm: + Hình que (bacilli): Trực khuẩn (Bacillus); gặp dạng đơn, dạng đôi, dạng chuỗi; + Hình xoắn (helice): Xoắn khuẩn (Spirillum); + Hình dấu phẩy: Phẩy khuẩn (Vibrio); + Hình cầu: Cầu khuẩn (Coccus), song cầu khuẩn (Diplococcus), tứ cầu khuẩn (Gaffkya), liên cầu khuẩn (Streptococcus) tạo thành chuỗi (strepto-); + Hình cầu tạo đám (staphylo-), tụ cầu khuẩn (Staphylococcus); + Hình khối vuông, khối tam giác, khối hình sao, v.v 10.2 CẤU TRÚC BỀ MẶT TẾ BÀO Các cấu trúc bề mặt tế bào theo thứ tự từ vào gồm: - Nang lớp nhầy (capsule, slime layer); - Vách tế bào (cell wall); - Màng sinh chất (màng nguyên sinh; plasma membrane) 10.2.1 Nang lớp nhầy - Nếu lớp cứng có cấu trúc chặt gọi nang (capsule), bao phía vách tế bào làm tăng khả bảo vệ cho tế bào - Vi khuẩn tiết chất nhầy (slime) hay nhựa dẻo (gum) dễ biến dạng, có thành phần polysaccharide tạo lớp nhầy giúp vi khuẩn bám vào bề mặt rắn chống nước Nhiều vi khuẩn gây bệnh có lớp nhầy bên vách tế bào giúp tăng cường khả chống đề kháng tế bào vật chủ tăng tính bám dính vào chất chúng Mặc khác, lớp nhầy giúp kết dính tế bào vi khuẩn hình thành khuẩn lạc 10.2.2 Vách tế bào Hầu hết tế bào nhân sơ có vách tế bào bên màng sinh chất tạo khung vững chắc, giúp trì hình dạng tế bào, hoạt động rào cản phụ để chọn lọc chất vào tế bào, bảo vệ tế bào không bị vỡ diện môi trường nhược trương có lysozyme Tuy nhiên, môi trường có áp suất thẩm thấu cao tế bào nhân sơ chết Hầu hết tế bào nhân sơ có thành tế bào (trừ Mycoplasma, Thermoplasma (archae) Planctomycetales) Độ dày vách tế bào 10-20 nm; - Cấu tạo vách tế bào peptidoglycan (gồm phân tử polysaccharides liên kết ngang với phân tử peptides ngắn) Thành phần cấu tạo vách khác loài Ở số loài, vách tế bào có thêm lipopolysaccharides (carbonhydrate liên kết với lipids) Đây đặc điểm giúp phân biệt vi khuẩn nhuộm Gram (Gram stain; H Christian Gram, 1884) với thuốc nhuộm tím tinh thể (crystal violet) Vi khuẩn Gram dương (Gram - positive bacteria, Gram +) bắt màu có màu đỏ tía, vách tế bào loài phần lớn peptidoglycan lipopolysaccharides Vi khuẩn Gram âm (Gram - negative bacteria, Gram -) không bắt màu, vách tế bào có peptidoglycan có thêm lipopolysaccharides Phần lớn vi khuẩn gây bệnh vi khuẩn Gram âm, nhờ vào hợp chất lipopolysaccharides giúp vi khuẩn Gram âm chống lại lysozyme (có tuyến nước bọt tuyến mũi người) có khả kháng kháng sinh cách ngăn cản đường vào kháng sinh Lysozyme tác động trực tiếp lên vách tế bào Chất kháng sinh ví dụ penicillin có tác dụng ngăn cản hình thành liên kết chéo polysaccharides polypeptides So sánh vách vi khuẩn Gram+ GramChỉ tiêu so sánh Thành phần (% khối lượng chất khô vách tế bào) Peptidoglycan Acid teicoic Lipid Protein Bắt màu thuốc nhuộm Vi khuẩn Gram+ Vi khuẩn Gram- 30 - 95 Cao Hầu Không có có - 20 Không có 20 Cao Màu đỏ tía (do có lớp peptidoglycan dày có khả giữ phức hệ tím tinh thể iod) Không bắt màu (do lớp peptidoglycan mỏng nên giữ phức hệ tím tinh thể iod) 10.2.3 Màng sinh chất Màng sinh chất bao bọc tế bào, phân tách phần tế bào chất với môi trường xung quanh Màng sinh học có tính bán thấm, hay gọi thấm có chọn lọc; có chức kiểm soát vận chuyển chất, trao đổi thông tin tế bào môi trường Cấu tạo màng sinh chất gồm: - Hai lớp phospholipid (lớp phospholipid kép), chiếm 30-40% khối lượng màng Đầu phosphate phospholipid tích điện, phân cực, ưa nước; đuôi hydrocarbon không tích điện, không phân cực, kỵ nước - Các phân tử protein - nằm trong, hay xen màng - chiếm 60-70% khối lượng màng; 10.3 CÁC BÀO QUAN 10.3.1 Tế bào chất (Cytolasm) Phía màng sinh chất khối tế bào chất chứa đến 65-90% nước, chất vô hữu khác Trong tế bào chất có protein, acid nucleic, hydratcarbon, lipid, ion vô nhiều chất khác có khối lượng phân tử thấp Trong tế bào chất xảy trình trao đổi chất lượng trình tổng hợp protein, trình đường phân để tích lũy ATP, trình hô hấp, trình quang hợp 10.3.2 Ribosome Ribosome hạt dạng hình cầu, kích thước bé, khoảng 20-35 nm Ribosome gồm tiểu phần có số lắng 50S 30S; hai tiểu phần kết hợp tạo thành ribosome có số lắng 70S Các ribosome phân bố tự tế bào chất, số lượng thay đổi tùy trạng thái sinh lý - bình thường từ 10.000-100.000, chúng gắn lên mRNA để tổng hợp protein 10.3.3 Mesosome Là cấu trúc màng tế bào xếp thành nhiều nếp nhăn cuộn lõm sâu vào khối tế bào chất Có vai trò phân bào, hô hấp hiếu khí quang hợp Có thể mesosome nơi gắn DNA vào màng 10.3.4 Vật chất di truyền Vật chất di truyền tế bào nhân sơ phân tử DNA lớn, mạch đơn vòng, gắn thêm protein (trần) Vùng DNA nhuộm màu đậm tương tự nhân tế bào nhân thực Những vòng DNA lớn tương tác với proteins hình thành nhiễm sắc thể (chromosome) có gen xác định đặc tính di truyền tế bào prokaryotes, tập trung số khu vực tế bào gọi vùng nhân (không có màng nhân) So với tế bào eukaryotes, gene tế bào nhân sơ nhỏ đơn giản Trung bình gene tế bào prokaryote 1/1000 ADN tế bào nhân thực Ngoài DNA nhiễm sắc thể, tế bào nhân sơ có vòng DNA nhỏ gọi plasmids chứa vài genes Plasmid có khả nhân đôi (sao chép) độc lập với nhiễm sắc thể Trong hầu hết môi trường, tế bào nhân sơ tồn không cần plasmids chức quan trọng mã hóa DNA nhiễm sắc thể Tuy nhiên, genes plasmids giúp tế bào nhân sơ sống môi trường có kháng sinh, có chất dinh dưỡng lạ 10.3.5 Các thể vùi (Inclusions) Các hạt (granules) thể vùi khác thường diện tế bào chất vi khuẩn Chúng đa dạng, có hai chức nguồn dự trữ lượng chỗ chứa tiền chất cho sinh tổng hợp cấu trúc 10.3.6 Diệp lục tố (Chlorophyll) Phần lớn vi khuẩn quang hợp chứa phân tử chlorophyll gắn với màng hay phiến mỏng Các phiến mỏng (lamellae) chlorophyll liên tục với màng cấu trúc độc lập 10.3.7 Tiên mao (Flagella) Tiên mao có cấu tạo đơn giản gồm loại protein flagelin, cấu tạo vi ống Nhiều loài vi khuẩn có khả chuyển động định hướng có tiên mao (hoặc gọi roi) Các tiên mao tập trung toàn thể hai đầu tế bào: - Có tiên mao mọc cực (đơn mao); - Có chùm tiên mao mọc cực (chùm mao); - Có hai tiên mao mọc cực (song mao); - Có nhiều tiên mao mọc khắp quanh tế bào (chu mao) Trong môi trường đồng nhất, sinh vật nhân sơ chuyển động theo hướng ngẫu nhiên Trong môi trường không đồng nhất, sinh vật nhân sơ chuyển động theo hướng kích thích chẳng hạn hướng sáng, hướng nguồn thức ăn, tránh chất độc,… Có ba chế chuyển động vi khuẩn: 1) Nhờ tiên mao; 2) Nhờ hai hay nhiều khuẩn mao bên vách tế bào có cấu trúc tương tự tiên mao Mỗi sợi có motor gắn vào tế bào, motor quay tế bào chuyển động theo chế xoắn nút chai Cơ chế đặc biệt hiệu môi trường có độ nhớt cao 3) Một số vi khuẩn tiết chất nhầy gây chuyển động trượt thiếu khuẩn mao 10.4 SỰ PHÂN BÀO CỦA TẾ BÀO NHÂN SƠ Các sinh vật đơn bào sử dụng chủ yếu phân chia tế bào (binary fission) để sinh sản Ở sinh vật đa bào phân bào đóng vai trò quan trọng trình phát triển sửa chữa mô Bất kỳ tế bào phân chia trải qua bốn giai đoạn sau: - - Đầu tiên xuất dấu hiệu sinh sản: Các dấu hiệu xuất bên bên tế bào Quá trình chép DNA (vật chất di truyền) thành phần khác tế bào sống thực để đảm bảo hai tế bào sinh giống hệt có đầy đủ chức Tế bào phân phối DNA chép vào hai tế bào mới, trình phân chia Các vật chất bổ sung vào màng tế bào (và vách tế bào sinh vật có vách tế bào) để hoàn thành trình phân ly thành hai tế bào Đây trình phân chia tế bào chất Bốn kiện xuất trình phân chia tế bào nhân sơ tế bào nhân thực Sự trực phân tế bào nhân sơ Ads by Info 10 CHƯƠNG 12 SỰ CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG TẾ BÀO 12.1 NĂNG LƯỢNG VÀ SỰ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG - Năng lượng khả hoàn thành công - Công lực tạo nên chuyển động đối tượng chống lại lực đối lập 12.1.1 Hai dạng lượng tế bào - Phân biệt hai dạng lượng: Thế động + Thế năng: Năng lượng dạng định vị trật tự; + Động năng: Dạng lượng chuyển động - Phản ứng tích lũy lượng: Quá trình quang hợp chuyển quang thành dạng hóa (glucose) Các sinh vật tự dưỡng nhận lượng lượng tử (photon) ánh sáng chuyển hóa thành dạng lượng liên kết hóa học Ánh sáng 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 (∆G = 686 kcal/mol) - Phản ứng giải phóng lượng: Quá trình quang hợp chuyển quang (photon) thành dạng hóa (glucose) C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O (∆G = - 686 kcal/mol) ATP 12.1.2 ATP - Đồng tiền lượng - ATP hợp chất hữu cơ, cấu tạo gồm base adenine, đường ribose ba nhóm phosphate Liên kết phosphate thứ hai thứ ba phần tích lũy lượng; nhóm phosphate bị tách lượng giải phóng - ATP giữ vai trò chủ chốt trình chuyển hóa lượng hoạt động sống Tế bào thực ba loại công chủ yếu: Công hóa học (vd: Quá trình tổng hợp polymer từ monomer), công vận chuyển (vd: Sự bơm chất qua màng ngược với hướng vận chuyển thụ động), công học (vd: Sự đập lông roi) 12.1.3 Chu kỳ chuyển hóa ATP - ADP - ATP - Các chất hữu tích (dạng hóa năng), qua trình hô hấp tế bào chất hữu bị phân giải đồng thời lượng giải phóng sử dụng để thực chức sống (co cơ, dẫn truyền thần kinh, hoạt tải, tổng hợp chất) - ATP dễ biến đổi thuận nghịch để giải phóng tích trữ lượng Khi tế bào sử dụng ATP chất cung cấp lượng ATP bị phân giải nhờ enzyme thành ADP P, nhóm phosphate không mà liên kết với chất thực chức (vd: Protein hoạt tải, protein co cơ, chất tham gia phản ứng) Khi hoạt động chức hoàn thành, nhóm phosphate lại liên kết với ADP để tạo thành ATP nhờ nguồn lượng tạo từ phản ứng giải phóng lượng 34 12.2 VAI TRÒ CỦA ENZYME TRONG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG 12.2.1 Trao đổi chất tế bào sống Tế bào tuân theo quy luật bảo tồn lượng, tế bào không tự tạo lượng không làm lượng mà tế bào chuyển hóa lượng từ dạng sang dạng khác Sự chuyển hóa vật chất.trong tế bào bao gồm tất phản ứng diễn tế bào thể sống Các phản ứng bao gồm hai trình: Đồng hóa dị hóa - Quá trình đồng hóa: Là trình tổng hợp chất phức tạp từ chất đơn giải để tạo thành chất hữu đặc trưng; ví dụ: Tổng hợp tinh bột từ glucose, tổng hợp protein từ acid amin, tổng hợp acid nucleic từ nucleotite,… Các chất hữu tổng hợp tích lũy cần cho trình sống - Quá trình dị hóa: Là trình phân giải chất phức tạp thành chất đơn giản hơn, liên kết hóa học bị phá vỡ, chuyển thành động năng; ví dụ: Tinh bột phân giải thành glucose, protein phân giải thành acid amin, acid nucleic phân giải thành nucleotite - Mối tương quan đồng hóa dị hóa: Hai trình đồng hóa dị hóa ngược mâu thuẫn thống xảy song song tác động tương hỗ lẫn nhau: Đồng hóa 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 (+ Q) Dị hóa (- Q) Cần thiết phải có tham gia chất xúc tác sinh học enzyme để trình đồng hóa dị hóa xảy tế bào sống 12.2.2 Vai trò xúc tác sinh học enzyme - Bản chất hóa học enzyme: Enzyme hợp chất hữu phức tạp, có chất hóa học thuộc protein tế bào sinh ra, có tác động xúc tác phản ứng xảy nhanh điều kiện sinh lý bình thường thể sống thân enzyme không thay đổi phản ứng hoàn thành Do đó, enzyme quay vòng sử dụng nhiều lần - Cấu trúc enzyme: Enzyme protein nên có cấu trúc phức tạp, đặc biệt cấu trúc hình thù không gian Mỗi loại enzyme có cấu trúc không gian đặc thù, đặc biệt vùng gọi trung tâm hoạt tính - cấu trúc số acid amin đặc thù có thù hình không gian đặc thù, phù hợp cấu trúc chất mà enzyme xúc tác Enzyme đơn giản: Chỉ cấu tạo protein; Enzyme phức tạp: Cấu tạo gồm protein nhóm bổ sung (ion kim loại, hợp chất hữu cơ) gọi coenzyme - Vai trò enzyme chuyển hóa vật chất: + Xúc tác phản ứng hóa học: Tác động enzyme làm cho trình 35 đồng hóa dị hóa xảy cách nhanh chóng điều kiện nhiệt độ áp suất bình thường thể + Kiểm soát phản ứng hóa học đặc biệt: Nhờ có tính đặc thù cao (thông qua điều chỉnh hoạt tính enzyme) nên enzyme kiểm soát phản ứng hóa học đặc biệt điều chỉnh tốc độ phản ứng tương ứng với điều kiện trao đổi chất thể 12.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme - Nhiệt độ: Đa số enzyme hoạt động nhiệt độ tối ưu khoảng 40-45 0C Enzyme hoạt tính nhiệt độ thấp, nhiệt độ tăng cao dần hoạt tính chúng tăng lên đến đạt đến nhiệt độ tối ưu Trên mức nhiệt độ tối ưu hoạt tính enzyme giảm dần hoạt tính hoàn toàn mức nhiệt tăng cao - Độ pH: Độ acid độ kiềm dung dịch enzyme hoạt động gây ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme Nếu độ pH tối ưu bị thay đổi dẫn đến kìm hãm phá hủy enzyme - Nồng độ chất: Khi nồng độ chất tăng hoạt tính enzyme tăng theo, tùy thuộc vào nồng độ enzyme - Các chất ức chế enzyme: Hoạt tính enzyme bị ức chế tác động nhiều chất khác + Các chất ức chế cạnh tranh: Các chất có cấu tạo hóa học hình dạng giống chất Khi chất chất ức chế diện xảy cạnh tranh trung tâm hoạt tính dẫn đến kìm hãm hoạt động enzyme + Các chất ức chế không cạnh tranh: Các chất không kết hợp với trung tâm hoạt tính enzyme không chịu ảnh hưởng nồng độ chất Các chất ức chế không cạnh tranh thường ion kim loại nặng (Hg 2+, Ag+); chúng kết hợp với phân tử enzyme gây biến đổi gián tiếp hình thù trung tâm hoạt tính làm cho không phù hợp với cấu hình chất 12.3 SỰ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG QUA QUÁ TRÌNH HÔ HẤP TẾ BÀO Hô hấp tế bào trình tế bào sống phân giải chất hữu chứa để tổng hợp ATP Chất hữu cung cấp lượng carbohydrate, lipid, protein,… đa số tế bào, glucose nhiên liệu phổ biến Năng lượng giải phóng từ phân giải glucose tế bào sử dụng để tổng hợp ATP từ ADP + P, phần lượng biến thành nhiệt Hô hấp tế bào gồm ba giai đoạn diễn liên tiếp nhau: - Đường phân (glyco giải): Xảy bào tương (cytosol); 36 - Chu trình Krebs (chu trình acid citric): Xảy chất ty thể; Chuỗi chuyền electron tổng hợp ATP (oxy-phosphoryl hóa): Xảy màng ty thể 12.3.1 Đường phân (Giai đoạn 1) Đường phân giai đoạn thứ phân giải glucose, xảy bào tương Một phân tử glucose (6 C) bị phân giải thành hai phân tử acid piruvic (3 C); phần lượng giải phóng tích lũy vào ATP Glucose → acid pyruvic + H2O Qua đó, 4ATP hình thành 2ATP bị sử dụng cho trình, tích lũy 2ATP Đồng thời electron (ē) giải phóng NAD + (nicotin amidadenin dinucleotic) bị khử thành NADH: NAD+ + 4ē + 4H+ → 2NADH + 2H+ Không có CO2 sinh trình đường phân Đường phân xảy với có oxy thiếu oxy Khi có oxy, acid pyruvic vào chu trình Krebs để tiếp tục trình phân giải Đối với vi khuẩn kỵ khí, trình đường phân (lên men; vd: Lên men rượu, lên men acid laclic) giai đoạn độc để giải phóng lượng tích lũy chúng vào ATP 12.3.2 Chu trình Krebs (Giai đoạn 2) Trường hợp có oxy, acid pyruvic khuyếch tán từ bào tương vào chất ty thể Nhờ hệ enzyme chất ty thể, acid pyruvic tiếp tục bị oxy hóa-khử lượng giải phóng chuyển hóa vào ATP Đầu tiên, acid pyruvic bị oxy hóa tạo thành acetyl coenzyme A (acetyl CoA) sản sinh 2CO2 2NADH (do khử NAD+) Tiếp theo acetyl CoA vào chu trình Krebs, axetyl CoA bị oxy hóa tạo sản phẩm acid citric sản phẩm sau acid citric Chu trình diễn gồm giai đoạn (phản ứng), xúc tác enzyme đặc thù Kết chu trình Crebs: Năng lượng giải phóng tích vào 2ATP, số lượng lại tích vào 6NADH 2FADH 2; giải phóng 8ē - đó, 6ē khử NAD + thành 6NADH 2ē khử 2FAD+ (flavin adenin dinucleotic) thành 2FADH - đồng thời giải phóng 4CO2 Các phân tử CO2 khuyếch tán khỏi ty thể 12.3.3 Quá trình oxy-phosphoryl hóa (Chuỗi chuyền electron tổng hợp ATP) Được thực màng ty thể, trình oxy-phosphoryl hóa trình chuyển hóa lượng tích NADH FADH2 vào ATP thông qua chuỗi chuyền electron tổng hợp ATP, diễn với có mặt oxy ē NADH → O2 ADP + Pi → ATP 37 - Chuỗi chuyền ē: + Là phản ứng cặp chuyền ē từ chất cho (NADH, FADH 2) đến chất nhận ē (O2) với chuyển ion H + xuyên qua màng ty thể theo gradient proton Các chất chuyền ē đóng vai trò chất nhận chất cho ē Qua trình đường phân chu trình Krebs, ē giải phóng tích vào NADH FADH2 có mặt chất Phân tử NADH chuyển ē cho flavoprotein FMN (gọi theo tên nhóm protein FMN - flavin mononucleotic) có phức hệ I (NADH dehydrogenase) + Trong phức hệ I, FMN chuyền ē cho protein Fe-S, protein Fe-S chuyền ē cho ubikinon Q (là chất nhận ē protein) có mặt màng thường không chứa phức hệ + Mặt khác, FADH2 chuyền ē cho protein Fe-S phức hệ II (succinate dehydrogenase), protein Fe-S lại chuyền ē cho ubikinon Q + Dòng ē từ ubikinon Q chuyền cho chất phức hệ III (gồm cytocrom c-oxidoreductase) Tiếp đó, ē chuyền qua cytocrom c (một protein không nằm màng mà dạng hòa tan chất cạnh màng) đến phức hệ IV gồm cytocrom a a3 (phức hệ IV, gọi cytocrom oxydaza, nhờ chứa nguyên tử Fe nên có khả nhận ē chuyển ē) Cuối cùng, cytocrom a3 chuyền ē cho oxy Oxy chất nhận ē cuối chuỗi chuyền ē Oxy liên kết với hydro tạo thành nước Mục đích chuỗi chuyền ē kìm hãm tốc độ “rơi lượng” ē từ NADH FADH đến oxy Từ đó, lượng ē giải phóng từ từ qua nhiều chặng - Sự tổng hợp ATP - Cơ chế hóa thẩm thấu: Sự tổng hợp ATP kèm theo chuỗi chuyền ē nhờ phức hệ ATP-sintetaza màng ty thể Phức hệ ATP-sintetaza hoạt động bơm H + Sự chuyền ē qua chuỗi tạo lực để vận tải proton (H+) từ chất qua màng vào xoang gian màng tạo nên gradient H+ (sai khác nồng độ H+) phía đối lập màng (giữa xoang gian màng xoang chất nền), tức tạo nên điện màng Lực điện màng tạo nên dòng H + từ xoang gian màng xuyên qua phức hệ ATP-sintetaza vào chất động lực thúc đẩy ATP-sintetaza hoạt động tổng hợp ATP từ ADP P có chất Đây gọi chế hóa thẩm thấu (chemiosmosis) tổng hợp ATP màng ty thể 12.3.4 Hiệu suất sử dụng lượng hô hấp tế bào Tổng kết giai đoạn trình hô hấp tế bào: - Tổng số ATP tạo ra: 36 38ATP (tùy thuộc loại tế bào) - Hiệu suất chuyển hóa lượng trình hô hấp tế bào: + Một mol glucose bị phân giải giải phóng 686 kcal; + Số lượng cần tích vào ATP 7,3 kcal/mol; Vậy 38ATP tích được: 38 x 7,3 = 277,4 kcal; Hiệu suất chuyển hóa lượng: 277,4 : 686 ~ 0,4 Vậy có khoảng 40% lượng chuyển hóa từ glucose sang ATP Số lượng lại chuyển thành nhiệt, số lại bị thoát môi trường 12.3.5 Sự lên men 38 Có nhiều dạng tế bào oxy hóa chất hữu để tích lũy ATP không cần đến oxy, lên men Ở chất nhận ē (nhân tố oxy hóa) NAD + - mà oxy Chất NAD+ nhận proton biến thành NADH (nhân tố khử), số lượng giải phóng sử dụng để tổng hợp phân tử ATP Nếu có oxy, piruvate tiếp tục oxy hóa ty thể Sự lên men trường hợp biến đổi trình đường phân điều kiện thiếu oxy (kỵ khí) Khi đó, pyruvate không vào trình oxyphosphorin hóa mà bị biến đổi thành sản phẩm cuối khác alcol (sự lên men rượu) acid lactic (sự lên men lactic) Xem giáo trình: Sự lên men rượu; Sự lên men lactic; So sánh lên men với hô hấp tế bào; Phân giải lipid, protein acid nucleic 12.4 QUANG TỔNG HỢP VÀ HÓA TỔNG HỢP 12.4.1 Điều kiện trình quang hợp - Nước (H2O): Thiếu nước làm cho quang hợp giảm - Carbondioxide (CO2): Nồng độ CO2 cao làm cho quang hợp tăng - Sắc tố: Nằm màng thylakoid, chủ yếu diệp lục tố (chlorophyll) Cấu tạo chlorophyll gồm: + Nhân porphyrin (vòng tetrapyroll nguyên tử Mg giữa), thích nước, liên kết với protein; + Chuỗi phytol dài, thích lipid, liên kết với thành phần lipid màng thylakoid Chlorophyll a có cực đại hấp thu: Lam-tím, đỏ Chlorophyll b có cực đại hấp thu: Lam, cam Carotenoid hấp thu lam-lục Chlorophyll a (sắc tố hoạt động quang hợp) có khả phóng thích điện tử Chlorophyll b, c, d carotenoid hấp thu ánh sáng truyền lượng cho chlorophyll a - Ánh sáng: Quang hợp bắt đầu có ánh sáng tối thiểu Cường độ ánh sáng tăng làm tăng cường độ quang hợp Ánh sáng tối ưu cho quang hợp thay đổi tùy theo loài Quang hợp mạnh tia ánh sáng đỏ, cam lam Cường độ quang hợp thấp tia lục, vàng, chàm, tím - Nhiệt độ: Quang hợp bắt đầu mức nhiệt độ tối thiểu; nhiệt độ tăng làm cho trình quang hợp tăng 12.4.2 Hai pha trình quang hợp Quá trình quang hợp chuỗi dài phản ứng phức tạp, gồm hai pha: - Pha sáng: Sự quang giải nước, xảy màng thylakoid, ánh sáng - Pha tối: Quá trình cố định CO2, xảy stroma (chất nền); giai đoạn không cần diện ánh sáng 12.4.2.1 Pha sáng Chlorophyll hấp thu photon, số ē giải phóng khỏi quỹ đạo, ē giải phóng chuyền qua chuỗi chuyền ē khu trú màng thykaloid lục lạp Sự chuyền ē tạo nên dẫn đến tổng hợp ATP nhờ phức hệ ATP-sintetaza có màng thylakoid 39 Dưới tác động ánh sáng, nước phân ly để cung cấp electron bù đắp cho số electron bị giải phóng khỏi chlorophyll Sản phẩm quang phân ly nước O proton H+ Các electron chuyền cho NADP +; NADP+ biến đổi thành NADPH; ATP NADPH nguồn lượng lực khử cần cho pha tối a Hệ quang hợp Hệ quang hợp đơn vị quang hợp có chức thu bắt photon từ ánh sáng mặt trời, chứa màng thylakoid, bao gồm phức hệ protein chứa sắc tố gọi phức hệ thu bắt photon Phức hệ thu bắt photon bao gồm phưc hợp protein đặc thù (protein xuyên màng) liên kết với phân tử sắc tố khác (chlorophyll a, chlorophyll b carotenoid) Phức hệ thu bắt photon chứa trung tâm phản ứng gồm phức hợp protein xuyên màng chứa phân tử chlorophyll a chất thu nhận ē Phức hệ thu bắt photon đóng vai trò anten thu bắt photon Một anten ánh sáng gồm vài trăm sắc tố phụ thu phận truyền lượng ánh sáng bước sóng khác trung tâm phản ứng Khi phân tử sắc tố thu nhận photon lượng chuyền từ phân tử sắc tố sang sắc tố khác cuối chuyền vào cho phân tử chlorophyll a trung tâm phản ứng Khi chlorophyll a thu nhận photon, ē chúng bị giải phóng khỏi quỹ đạo chuyền cho chất nhận có trung tâm phản ứng - Hệ quang hợp I (PS I): Phức hợp protein chứa trung tâm phản ứng chlorophyll a thu lượng ánh sáng bước sóng λ = 700 nm (gọi P700); protein có chứa Fe S - Hệ quang hợp II (PS II): Phức hợp protein chứa trung tâm phản ứng chlorophyll a thu lượng ánh sáng bước sóng λ = 680 nm (gọi P680), pheophytin, c1c quinon (QA, QB) Cơ chế hoạt động hệ quang hợp chuyển hóa lượng photon thành lượng tích lũy ATP NADPH pha sáng thông qua đường chuyền ē giải phóng qua chuỗi chuyền ē b Dòng chuyền electron không vòng Gồm giai đoạn: 1) Hai phân tử chlorophyll a P680 hệ quang hợp II hấp thụ photon trạng thái kích thích, ē giải phóng 2) ē thu bắt chất nhận trung tâm phản ứng 3) Phân tử nước bị phân ly thành ion H + nguyên tử oxy nhờ emzyme Electron giải phóng từ phân ly nước dùng để bù cho ē P680 bị Các nguyên tử oxy nhanh chóng liên kết với tạo nên phân tử nước 4) Electron mang lượng kích thích ánh sáng chuyển từ hệ quang hợp II sang hệ quang hợp I qua chuỗi chuyền ē gồm plastoquinon (Pq), phức hệ cytochrom plastocyanin (Pc) 5) Năng lượng giải phóng dòng ē “rơi” sử dụng để tạo nên ATP nhờ 40 phức hệ ATP-sintetaza 6) Đồng thời, phức hệ I, hai phân tử chlorophyll a P700 trung tâm phản ứng hấp thụ proton, ē giải phóng chuyển cho chất nhận trung tâm phản ứng “Lỗ hổng” ē P700 bù đắp ē đến từ phức hệ II 7) Electron mang lượng kích thích ánh sáng chuyền từ chất nhận phức hệ I cho protein ferredoxin (Fd) 8) Enzyme NADP+ reductaza xúc tác chuyển ē từ Fd sang NADP + để tạo thành NADPH Qua pha sáng, lượng từ ánh sáng hấp thu chlorophyll chuyển hóa thành lượng tích lũy ATP NADPH - chất tích lượng tế bào sử dụng để tổng hợp glucose pha tối c Dòng chuyền ē vòng Trong màng thylakoid, dòng chuyền electron không vòng xảy dòng chuyền ē vòng sử dụng phức hệ I tạo ATP Dòng ē chuyền từ P700 trung tâm phản ứng phức hệ I sang cho ferredoxin, qua cytocrom, plastocianin lại quay P700 Vai trò dòng chuyền ē vòng để bổ sung lượng ATP sử dụng cho trình tổng hợp chất pha tối trường hợp tổng hợp đòi hỏi cung cấp nhiều lượng ATP bình thường 12.4.2.2 Pha tối - Pha tối xảy chất lục lạp không cần đến ánh sáng - Pha tối cần CO2 hệ enzyme có chất lục lạp Tế bào sử dụng lượng pha sáng cung cấp (ATP NADPH) để tổng hợp glucose qua chu trình Calvin Nếu thiếu ATP NADPH tổng hợp glucose bị ngưng trệ; vậy, tổng hợp glucose không cần đến ánh sáng phụ thuộc vào pha sáng Chu trình Calvin chu trình đồng hóa carbon Carbon từ phân tử CO sản phẩm tạo thành dạng đường carbon gliceraldehit-3-phosphate (G3P), gồm giai đoạn: - Cố định carbon: Chu trình sử dụng lần phân tử CO liên kết với đường carbon RuBP nhờ enzyme RuBP carboxilaza (enzyme Rubisco) Sản phẩm phản ứng hợp chất carbon không bền vững nên nhanh chóng bị phân giải tạo nên phân tử 3-phosphateglicerat (3-PGA) - Khử carbon: Mỗi phân tử 3-PGA nhận phosphate từ ATP để tạo thành 1, 3phosphateglicerat Tiếp theo 1, 3-phosphateglicerat bị khử đôi ē từ NADPH tạo thành đường carbon G3P Mỗi chu trình Calvin sử dụng phân tử CO để tạo phân tử G3P; đó, phân tử G3P dùng tổng hợp glucose hợp chất hữu khác; phân tử G3P lại tiếp tục vào giai đoạn tái sinh RuBP - Tái sinh RuBP: Chuỗi phản ứng sử dụng lượng từ ATP để tái xếp phân tử G3P để tái sinh phân tử RuBP (chất nhận CO 2), chu trình Calvin tiếp diễn 41 Để tổng hợp phân tử G3P tái sinh RuBP, chu trình Calvin tiêu tốn phân tử ATP phân tử NADPH cung cấp từ pha sáng phối hợp hệ quang hợp I II, phối hợp vòng chuyền ē không vòng dòng chuyền ē vòng Ngoài đường tổng hợp chất hữu nêu trên, thực vật vùng sa mạc hay vùng nhiệt đới có đường khác Diễn biến đường tổng hợp chất hữu pha tối phụ thuộc vào nhiều điều kiện môi trường (Xem sách giáo trình thực vật C4, thực vật CAM) 42 CHƯƠNG 13 SỰ SINH SẢN CỦA TẾ BÀO NHÂN THỰC 13.1 CHU KỲ TẾ BÀO Chu kỳ tế bào (Cell cycle) thời gian diễn kể từ thời điểm tế bào hình thành nhờ phân bào tế bào mẹ kết thúc để hình thành tế bào Thời kỳ xen kẽ lần phân bào gọi gian kỳ (hoặc gọi kỳ trung gian) - Gian kỳ (Interphase, ký hiệu: I) thời gian tế bào trao đổi chất, sinh trưởng chuẩn bị cho phân bào - Kỳ phân bào (Mitosis, ký hiệu: M) thời kỳ tế bào mẹ phân đôi cho tế bào Trong thể đa bào, tế bào sinh dưỡng biệt hóa khác để thực chức khác nhau, thời gian kéo dài chu kỳ sống chúng có nhiều thay đổi không giống nhau, đặc biệt gian kỳ Ví dụ, tế bào ruột phân bào hai lần qua ngày, tế bào gan phân bào hai lần qua năm, tế bào nơron thể trưởng thành không phân bào mà gian kỳ kéo dài tế bào chết thể chết Trung bình chu kỳ sống đa số tế bào kéo dài từ đến 100 ngày, thời gian gian kỳ thay đổi thời gian phân bào ổn định, chiếm khoảng Chu kỳ tế bào Theo sơ đồ Chu kỳ tế bào nêu trên, tế bào trải qua pha: G1, S; G2 pha M Pha M hoàn thành tế bào (A1 A2) mà chúng có phát triển Đường đậm biểu thị số lượng AND pha - Pha M, gồm 1: Kỳ đầu, 3: Đầu kỳ giữa, 4: Kỳ giữa, = Kỳ sau; = Kỳ cuối - Pha G1: Pha G1 gọi pha tăng trưởng, kiện quan trọng gian kỳ Pha có ba kiện chính: 1) Chín, hoạt động, già; 2) Bước vào vùng phân bào mới; 3) Bước vào pha nghỉ hay pha phân hóa (G0) 43 13.1.1 Gian kỳ Trong gian kỳ, tế bào thực chức trao đổi chất, hoạt động sống khác nhau, tổng hợp DNA, RNA, protein, enzyme, v.v chuẩn bị cho phân bào Tùy theo đặc điểm chức năng, gian kỳ chia giai đoạn hay pha liên tiếp nhau: Pha G1 (gap 1), pha S (synthesis) pha G2 (gap 2) Thời gian kéo dài gian kỳ tùy thuộc vào thời gian pha G1 + S + G2, đặc biệt tùy thuộc vào G1 loại tế bào khác thời gian G1 khác nhau, giai đoạn S G2 tương đối ổn định 13.1.1.1 Pha G1 Pha G1 tiếp sau phân bào tế bào hình thành Thời gian G1 định thời gian chu kỳ tế bào dài hay ngắn - Thời gian G1: Kéo dài từ sau tế bào tạo thành phân bào đến bắt đầu pha S pha tổng hợp DNA Thời gian G1 tùy thuộc vào chức sinh lý tế bào Ở tế bào ung thư G1 diễn thời gian ngắn Trường hợp lý (mô đạt kích thước tối đa, điều kiện môi trường không thuận lợi, v.v ) tế bào ngừng chu kỳ trì trạng thái nghỉ pha G0 Trong pha G0, tế bào vào trạng thái biệt hóa lâu dài, vĩnh viễn thoái hóa Khi kết thúc G1, tế bào có vào pha S G2 để vào kỳ phân bào hay không tùy thuộc vào điều kiện môi trường Vào cuối pha G1 có thời điểm gọi điểm chốt (check point) ký hiệu R (Restriction point) Nếu tế bào vượt qua điểm R chúng tiếp tụcđi vào pha S Nhân tố điều chỉnh để vượt qua thời điểm R vào S phức hệ protein gọi Cdk-cyclin gồm có cyclin D, cyclin E enzyme kinaza phụ thuộc cyclin; đó, cyclin đóng vai trò điều chỉnh, nghĩa cyclin liên kết với kinaza enzyme kinaza thể hoạt tính phát động phản ứng chu kỳ tế bào Pha G1 pha sinh trưởng tế bào pha xảy tổng hợp RNA protein Đối với tế bào biệt hóa tế bào không vượt qua điểm R mà vào trình biệt hóa tế bào để tạo nên dòng tế bào sinh dưỡng (tế bào soma) khác nhau, có chức khác - Tổng hợp chất pha G1: Trong pha G1, nhiễm sắc thể chứa hàm lượng DNA ổn định (ví dụ người 2n = 46 nhiễm sắc thể chứa hàm lượng DNA x 109 cặp nucleotide) Mỗi nhiễm sắc thể chứa phân tử DNA liên kết với histon pha G1 sợi nhiễm sắc nhiễm sắc thể trạng thái hoạt động, nghĩa tổng hợp RNA (phiên mã) tổng hợp protein (dịch mã) Vì vậy, pha G1 pha sinh trưởng tế bào thực hoạt động sinh lý khác Các tế bào phôi sớm thường có chu kỳ ngắn, khoảng 30 phút đến chúng pha G1 Các nhân tố G1 cần thiết cho tái DNA pha S chuẩn bị trước có sẵn tế bào chất tế bào trứng Trong trình phát triển phôi thai, pha G1, gen hệ gen hoạt hóa khác tổng hợp nên protein đặc thù từ tạo nên dòng tế bào soma biệt hóa mô quan khác thể Trong thể trưởng thành, mô tồn tế bào gốc (stem cells) tế bào giữ khả sinh trưởng, phân bào sản sinh tế bào biệt hóa mô (ví dụ, tủy xương có dòng tế bào gốc máu có tiềm phân bào cho 44 tế bào gốc máu có tiềm phân bào cho tế bào máu hồng cầu, bạch cầu loại 13.1.1.2 Pha S Pha S pha pha G1 tế bào vượt qua điểm hạn định R Thời gian kéo dài pha S tương đối ổn định; ví dụ, động vật có vú pha S kéo dài từ - Giai đoạn gọi pha S pha chủ yếu xảy tổng hợp DNA (tái DNA) nhân đôi nhiễm sắc thể Trong pha G1, tế bào chuẩn bị điều kiện cho pha S: vào cuối pha G1 tế bào tổng hợp loại protein đặc trưng cyclin A tích lũy nhân tế bào Protein cyclin A (nhân tố hoạt hóa tổng hợp DNA) với kinaza xúc tiến tái DNA Protein cyclin A tác động cuối pha S biến Sau pha S, hàm lượng DNA số lượng nhiễm sắc thể nhân đôi; ví dụ, tế bào người có 46 x nhiễm sắc thể chứa 12 x 109 cặp nucleotide 13.1.1.3 Pha G2 Tiếp theo pha S pha G2, thời gian pha G2 ngắn từ -5 động vật có vú Trong pha G2, RNA protein tổng hợp chuẩn bị cho phân bào Cuối pha G2, protein tổng hợp cyclin B tích lũy nhân kỳ đầu giai đoạn phân bào Cyclin B hoạt hóa enzyme kinaza đóng vai trò quan trọng việc thực trình phân bào tạo thành vi ống tubulin để tạo thành thoi phân bào 13.1.2 Phân bào Tiếp theo pha G2 pha M, thời kỳ tế bào mẹ phân chia thành tế bào Sự phân bào phương thức sinh sản tế bào, đồng thời phương thức qua tế bào mẹ truyền thông tin di truyền chứa DNA (đã nhân đôi qua pha S) cho tế bào Sự phân bào với tổng hợp chất nội bào gian bào sở tăng trưởng mô, quan thể đa bào 13.2 SỰ ĐIỀU CHỈNH CHU KỲ TẾ BÀO Chu kỳ tế bào gồm nhiều giai đoạn diễn theo lịch trình thời gian xác định loại tế bào khác thể khác nhờ có điều chỉnh hoạt động toàn chu kỳ Sự điều chỉnh chu kỳ tế bào nguyên lý chung diễn theo chế giống thể đơn bào thể đa bào 13.2.1 Một hệ thống trung tâm phát động trình cần thiết chu kỳ Chu kỳ tế bào gồm giai đoạn nối tiếp như: sinh trưởng, nhân đôi DNA, phân bào Mỗi giai đoạn diễn thời gian định nối tiếp Giai đoạn trước phải hoàn thành giai đoạn sau điều kiện giai đoạn sau chuẩn bị giai đoạn trước Nhân tố điều chỉnh trung tâm khiến cho trình xảy liên trình tự, theo thời gian; đó, nhân tố điều chỉnh hoạt động đồng hồ quy định nên thời gian hoạt động giai đoạn thông qua điểm chốt (check point) Điểm chốt thể chế điều chỉnh theo mối liên hệ ngược, nghĩa hoàn thành trình trước điều kiện phát động cho trình sau Hệ thống điều chỉnh chu kỳ tế bào gồm phức hệ sinh hóa tác động theo chu kỳ Đó phức hệ protein hoạt động tương tác theo kiểu kích thích ức chế, phối hợp với trình tiền thân cần thiết cho nhân đôi phân ly DNA Trong chu 45 kỳ, hệ thống điều chỉnh đến lượt lại kiểm tra phanh có tác động phanh hãm chu kỳ điểm chốt đặc biệt Khi trình trước hoàn thành điều kiện cần cho khởi động trình chu kỳ, ách lại điểm chốt Hệ thống “phanh” quan trọng cho phép kiểm tra hệ thống điều chỉnh chu kỳ tín hiệu đến từ môi trường Các tín hiệu đến từ môi trường tác động lên hệ thống điều chỉnh hai điểm chốt chủ yếu: điểm chốt giai đoạn G1 trước vào giai đoạn S, điểm chốt giai đoạn G2 điểm mà hệ thống điều chỉnh thực trình có tác động khởi động phân bào M Đối với tế bào không vào phân bào chu kỳ bị phanh điểm chốt G1 Đối với tế bào nấm men, điểm chốt G1 thường gọi điểm xuất phát - điểm S (Start point) Đối với tế bào động vật điểm chốt gọi điểm hạn định - điểm R (Restriction point) 13.2.2 Hệ thống điều chỉnh chu kỳ - phức hệ protein-kinaza Hệ thống điều chỉnh chu kỳ tế bào gồm có hai họ protein chủ yếu: 1) Các kinaza phụ thuộc cyclin-Cdk (Cyclin dependant kinase) có tác dụng phát động trình tiền thân cách gây phosphrin hóa nhiều protein đặc trưng gốc serin threonine; 2) Các protein đặc biệt gọi cyclin (do chúng xuất theo chu kỳ tế bào - Cell cycle nên gọi cyclin) đóng vai trò kiểm tra hoạt tính phosphorin hóa Cdk protein đích Khi cyclin liên kết với Cdk thành phức hệ Cdk trạng thái hoạt tính cyclin tách khỏi Cdk Cdk hoạt tính Như vậy, chế tổng hợp phân giới protein cyclin với chế tạo phức hệ giải thể phức hệ cyclin-Cdk tế bào điều chỉnh chu kỳ sống Có thể có nhiều loại cyclin khác người ta xếp chúng vào hai loại chủ yếu: - Các cyclin mitosis cyclin liên kết với Cdk giai đoạn G2 cần thiết để tế bào vào giai đoạn mitosis; - Các cyclin G1 cyclin liên kết với Cdk giai đoạn G1 cần thiết để tế bào vào giai đoạn S Nấm men có loại Cdk hoạt động điểm chốt G1 G2 Động vật có vú có nhiều loại Cdk khác nhau, loại tác động cho điểm chốt Sự hoạt hóa không hoạt hóa Cdk giai đoạn chu kỳ thể chuyển giai đoạn chu kỳ thể hiệu hệ điều chỉnh lên chu kỳ cách phát động phản ứng dẫn đến chuyển sang giai đoạn sau chu kỳ Sự hình thành phức hệ cyclin-Cdk G1 cho phép tế bào chuyển từ G1 sang S hình thành phức hệ cyclin-Cdk G2 cho phép tế bào chuyển từ G2 sang giai đoạn M 13.3 PHÂN BÀO Ở TẾ BÀO NHÂN CHUẨN Tế bào nhân chuẩn có nhân chứa nhiễm sắc thể Nhiễm sắc thể có cấu trúc phức tạp gồm DNA liên kết với protein histon tạo thành sợi nhiễm sắc (chromonema) Trong gian kỳ, sợi nhiễm sắc thể trạng thái giãn xoắn gọi chất nhiễm sắc (chromatine); phân bào chúng trạng thái xoắn co ngắn lại tạo thành thể có hình dạng định gọi nhiễm sắc thể (chromosome) Mỗi nhiễm sắc thể chứa phân tử ADN xoắn kép dạng thẳng Qua pha S gian kỳ, ADN tái nhiễm sắc thể nhân đôi tạo thành nhiễm sắc tử (gọi nhiễm sắc tử chị em - sister 46 chromatides) đính với tâm động Vì nhiễm sắc thể có cấu trúc phức tạp, nằm nhân có màng nhân, nên tế bào nhân chuẩn phương thức phân bào diễn phức tạp đòi hỏi phải có máy phân bào (thoi phân bào) Người ta phân biệt hai phương thức phân bào phân bào nguyên nhiễm (nguyên phân - mitosis) phân bào giảm nhiễm (giảm phân - meiosis) Ngoài có dạng phân bào gọi trực phân (amitosis) nội phân (endomitosis) biến thể nguyên phân - Dạng phân bào trực phân đặc trưng cho tế bào biệt hóa cao, tế bào bệnh lý, tế bào bị tác hại vào trình thoái hóa Trong trực phân, nhân nhân đôi cách đơn giản, không xuất nhiễm sắc thể thoi phân bào nên gọi phân bào không tơ Trực phân hình thức phân bào tế bào sinh vật nhân sơ (như tế bào vi khuẩn) hay tế bào sinh vật nhân chuẩn (các tế bào nội nhũ, phôi nhũ tế bào mô bị thương, ) nhằm làm tăng nhanh số lượng tế bào thời gian ngắn Phân bào trực phân xảy tái DNA lần hay nhiều lần, DNA không tăng lên pha gian kỳ thoi vô sắc nên tế bào chất nhân trực tiếp eo thắt tạo hai tế bào Mỗi tế bào con, chứa số lượng nhiễm sắc thể không Sự phân bào thoi vô sắc phân chia nhân, tế bào chất không phân chia, dẫn đến tạo thành tế bào hai nhân đa nhân (ví dụ tế bào gan) - Nội phân dạng biến đổi nguyên phân, DNA nhiễm sắc thể nhân đôi không phân chia tế bào mà lại tế bào, tạo thành tế bào đa bội (polyploide) có số nhiễm sắc thể tăng cao nhiều lần Trong trường hợp sợi nhiễm sắc thể nhân đôi nhiều lần (do nhân đôi DNA) số lượng nhiễm sắc thể không đổi dẫn đến tượng đa sợi (politenisation), tạo nên nhiễm sắc thể đa sợi (politen chromosome) - tượng xảy nhiều sâu bọ, ví dụ ruồi 13.3.1 NGUYÊN PHÂN 13.3.2 GIẢM PHÂN 13.3.3 SO SÁNH NGUYÊN PHÂN VÀ GIÁN PHÂN - Ý NGHĨA (xem giáo trình) 1) Giáo trình học phần - Nguyễn Như Hiền (2006), Giáo trình Sinh học tế bào, Nxb Giáo dục Việt Nam - Võ Thị Thương Lan (2011), Giáo trình Sinh học phân tử tế bào ứng dụng, Nxb Giáo dục Việt Nam 2) Danh mục tài liệu tham khảo - Harvey Lodish cộng (2013), Sinh học phân tử tế bào Tập 1, (sách dịch), Nxb Trẻ - Jane B Reece, Lisa A Urry, Michael L Cain, Steven Alexander Wasserman, Peter V Minorsky, Rob Jackson, Neil A Campbell (2013), Sinh học (dịch theo sách xuất lần thứ 8), Nxb Việt Nam - Jane B Reece, Lisa A Urry, Michael L Cain, Steven Alexander Wasserman, Peter V 47 Minorsky, Rob Jackson (2014), Campbell Biology -Tenth edition, Pearson Education, Inc Đánh giá kết học tập Đánh giá trình Thi kết thúc học phần Chuyên cần Thực hành Thi học phần 10% 25% 15% 50% 48 [...]... loại protein xuyên màng và protein rìa màng + Protein xuyên màng: Là những protein nằm xuyên qua khung lipid (một lần hoặc nhiều lần) Phần kỵ nước của protein (gồm các acid amin kỵ nước tạo nên xoắn α) nằm trong khung lipid, còn đầu ưa nước thì thò ra phía ngoài khung (phía môi trường hoặc phía tế bào chất) + Protein rìa màng: Là những protein bám vào mặt ngoài hoặc mặt trong của màng - Protein màng... gian và thời gian Hệ thống màng sinh học, gồm màng nguyên sinh và màng nội bào khác (màng mạng lưới nội chất, màng bộ máy golgi, màng ti thể, màng lục lạp, màng lisosome, màng không bào, màng nhân, ) đều có thành phần hóa học gồm lipid, protein và carbonhydrate; trong đó, lipid và protein là chủ yếu (chiếm hơn 90 % khối lượng khô của màng) nên được gọi là màng lipoprotein Lipid có trong màng chủ yếu... phospholipid, ngoài ra còn có cholesterol Protein có trong màng gồm nhiều loại có chức năng rất khác nhau Màng nguyên sinh rất mỏng, có độ dày khoảng 7,5 - 10 nm (75 - 100 Å), là ranh giới ngoài của mỗi tế bào, bao quanh tế bào chất như hàng rào ổn định Các phân tử lipid, protein và carbonhydrate được sắp xếp trong màng theo mô hình “khảm động” (J Singer & G Nicolson, 197 2) tạo nên đặc tính và chức năng... của mùa hè màng trở nên lỏng và mềm dẻo hơn, ) 11.3.1.2 Protein của màng - Protein có trong màng rất đa dạng, chúng phân bố “khảm” vào khung lipid Ví dụ, trong màng nguyên sinh của hồng cầu có đến 50 loại protein khác nhau Màng nguyên sinh của các loại tế bào khác nhau chứa các loại protein khác nhau thực hiện nhiều chức năng đa dạng Các protein màng tham gia tạo nên tính chất “động” của màng do chúng... bào và bộ xương tế bào, integrin (protein xen trong màng plasma) cho phép chất nền ngoài tế bào ảnh hưởng đến nhiều hoạt động của tế bào, như biểu hiện gene hay di chuyển tế bào Trong y sinh học, chất nền ngoài tế bào chỉ mạng lưới các protein và carbonhydrate bao quanh một tế bào hay lấp đầy các khoảng gian bào Dịch ngoài tế bào chỉ toàn bộ dịch cơ thể ở bên ngoài các tế bào, bao gồm huyết tương, dịch... + Vận chuyển chất qua màng: Protein tạo nên kênh vận chuyển (channel protein) Protein đóng vai trò chất mang (transporter) Protein tạo nên các bơm ion có vai trò vận chuyển chủ động các ion qua màng + Chức năng enzyme: Nhiều protein màng có hoạt tính enzyme, chúng xúc tác các phản ứng xảy ra trong màng hoặc trong tế bào chất + Thu nhận và truyền đạt thông tin: Các protein thụ quan (receptor) có trong... lipid như các hormon steroide (cortisol, estrogen, testosteron, progresteron, ), vitamin D, sẽ được vận chuyển qua màng và vào trong tế bào chất của tế bào Ở đây chúng sẽ liên kết với các protein thụ quan nội bào thành phức hệ hormon - thụ quan nội bào Phức hệ này sẽ đi vào nhân tế bào và có tác động hoạt hóa các gen b Thụ quan màng Thụ quan màng là những protein hoặc glicoprotein đặc trưng khu trú... hiệu quả sinh lý như mở các kênh ion để vận chuyển các ion, kích hoạt các enzyme, hoạt hóa các protein trong dây chuyền trao đổi chất của tế bào, hoặc hoạt hóa các gen Ba nhóm protein thụ quan trên bề mặt tế bào, gồm: - Thụ quan gắn với các kênh ion: Được điều chỉnh bởi các protein; - Thụ quan xúc tác: Tác động trực tiếp như các enzyme là protein xuyên màng; - Thụ quan gắn với protein G (protein được... lạp, bộ máy Golgi được tiến hành trên màng sinh chất Tế bào Prokaryote có 3 vùng cấu trúc chính là: 1) Tiên mao (flagella), hay khuẩn mao (pili) - các protein bám trên bề mặt tế bào; 2) Vỏ tế bào bao gồm capsule, vách tế bào và màng sinh chất; 3) Vùng tế bào chất có chứa DNA genome, các ribosome và các thể vùi (inclusions) Các đặc trưng của tế bào prokaryote: • Tế bào chất là phần dịch lỏng chiếm hầu... protein màng (thường là glycoprotein) đóng vai trò “chất đánh dấu” (maker) để các tế bào cùng loại hoặc khác loại nhận biết nhau + Chức năng nối kết: Nhiều protein màng đóng vai trò nối kết các tế bào trong mô thành một khối ổn định 17 + Chức năng neo màng: Nhiều protein liên kết với các protein sợi hoặc các vi sợi trong tế bào chất, do đó tạo nên sự ổn định và bền chắc của màng 11.3.1.3 Carbonhydrate ... học gồm lipid, protein carbonhydrate; đó, lipid protein chủ yếu (chiếm 90 % khối lượng khô màng) nên gọi màng lipoprotein Lipid có màng chủ yếu phospholipid, có cholesterol Protein có màng gồm... 11.3.1.2 Protein màng - Protein có màng đa dạng, chúng phân bố “khảm” vào khung lipid Ví dụ, màng nguyên sinh hồng cầu có đến 50 loại protein khác Màng nguyên sinh loại tế bào khác chứa loại protein... bào chất) + Protein rìa màng: Là protein bám vào mặt mặt màng - Protein màng có nhiều chức sau: + Vận chuyển chất qua màng: Protein tạo nên kênh vận chuyển (channel protein) Protein đóng vai trò