Giáo trình Hình thái - Giải phẫu thực vật

Nội dung text: Giáo trình Hình thái - Giải phẫu thực vật

1. ĐẠI HỌC HUẾ PGS.TS. NGUYỄN KHOA LÂN (chủ biên) PGS.TS. NGUYỄN NHƯ ĐỐI GIÁO TRÌNH HÌNH THÁI - GIẢI PHẪU THỰC VẬT HUẾ, 2006
2. MỞ ĐẦU I. Tính đa dạng sinh học Thái dương hệ của chúng ta được hình thành cách đây khoảng 4,7 tỷ năm và tuổi trái đất cũng xấp xỉ tuổi Thái dương hệ. Theo những đánh giá khác nhau thì nguồn gốc và sự tiến hoá ban đầu của sự sống xảy ra trên hành tinh cách đây khoảng 3,5 tỷ năm. Từ những dạng sống đầu tiên trải qua nhiều biến đổi và phân nhánh với thời gian dài 2 tỷ năm, thiên nhiên đã để lại cho loài người một tài nguyên vô cùng đa dạng, phong phú. Theo dự đoán của các nhà sinh học có từ hơn 2 triệu loài sinh vật. Cho đến nay, các công trình điều tra cơ bản, thám hiểm, chúng ta chỉ mới biết khoảng hơn 1.392.485 loài, trong đó có khoảng 322.311 loài thực vật. Chúng phân bố khắp nơi trên trái đất. Từ các vùng cực quanh năm băng giá vẫn có thực vật sinh sống như địa y, rêu, cỏ bông , cho đến miền nhiệt đới, có những rừng mưa với nhiều loại cây đa dạng, phong phú. Trong một khu vực nhất định của rừng Mã Lai có từ 2.500 đến 10.000 loài thực vật. Ở nước ta, chỉ với diện tích 2.500 ha vườn Quốc gia Cúc Phương đã có hơn 2.500 loài thực vật. Vì vậy, các hệ sinh thái rừng nhiệt đới được công nhận là nơi tích luỹ đa dạng sinh vật, trung tâm của các luồng giao lưu thế giới sinh vật, có quá trình chuyển hoá năng lượng lớn và sự tiến hoá của chúng. Theo thời gian, có một số lượng lớn loài sinh vật xuất hiện, hoặc bị diệt vong. Để khái quát được số lượng khổng lồ các loài sinh vật đó, các nhà sinh học cố gắng tập hợp chúng thành năm giới: Tiền nhân (Monera), Đơn bào nhân thực (Protista), giới Nấm (Fungi), giới thực vật (Plantae) và giới động vật (Animalia). Chúng có quan hệ với nhau bởi một nguồn gốc chung và làm sáng tỏ những quá trình sống chủ yếu giống nhau đối với toàn bộ thiên nhiên sống. Vai trò của giới thực vật xanh trong thiên nhiên rất là to lớn, chúng thuộc sinh vật sản xuất có khả năng chuyển hoá quang năng thành hoá năng cần cho sự sống, và cây xanh thường mở đầu cho các chuỗi thức ăn trong hệ sinh thái nói riêng và sinh quyển nói chung. Ngay các chuỗi thức ăn mở đầu bằng chất hữu cơ phân huỷ cũng có nguồn gốc trực tiếp hoặc gián tiếp từ cây xanh. Các quần thể thực vật trong tự nhiên nhất là rừng có vai trò to lớn trong việc điều hoà thành phần không khí, tầng ozôn, khí hậu, làm giảm tác hại gió bão, hạn chế nạn xói mòn, lũ lụt, hạn hán, làm giảm ô nhiễm môi trường sống Vì vậy, có thể khẳng định rằng, không có giới thực vật thì sự sống trên trái đất không thể tiếp diễn được. Thực vật không những là thức ăn cần thiết cho động vật mà còn cần cho sự sống của con người. Trong số 75.000 loài thực vật có khả năng cung cấp nguồn lương thực, thực phẩm cho con người, mới sử dụng có hiệu quả 1.500 loài. Cây thuốc có trong tự nhiên cũng rất lớn, nhưng hiện nay chỉ mới phát hiện 500 loài có chứa hoạt chất chữa bệnh, kể cả ung thư. Nguồn tài nguyên này, hàng năm mang lại cho thế giới khoảng 40 tỷ đô la. Đó là chưa nói đến nguồn tài nguyên động vật rất đa dạng. Vi khuẩn, nấm cũng góp phần rất quan trọng trong sự chuyển hoá dòng năng lượng và dòng tuần hoàn vật chất trong thiên nhiên cũng như trong đời sống con người. Vai trò của thực vật rất to lớn. Chúng ta cần phải nghiên cứu, bảo vệ và phát triển chúng. Cần phải tìm cách tăng sản lượng của chúng để phục vụ cho nhu cầu ngày càng cao của con người. II. Đối tượng và nhiệm vụ của hình thái giải phẫu thực vật
3. Hình thái giải phẫu học thực vật là một khoa học chuyên nghiên cứu về hình thái, cấu tạo và tổ chức của hệ thống sống. Đối tượng của hình thái giải phẫu thực vật là nghiên cứu hình thái, cấu trúc của những hệ thống sống trên tất cả mọi mức độ tổ chức từ cơ thể đến hệ thống cơ quan, mô, tế bào, bào quan và dưới bào quan tạo thành một thể thống nhất, có quan hệ chặt chẽ với môi trường sống. Do đó, nhiệm vụ cơ bản của hình thái giải phẫu thực vật là nghiên cứu hình thái học toàn bộ cơ thể, hình thái học cơ quan, mô học, hình thái học tế bào, bào quan và dưới bào quan. Sự nghiên cứu trong mỗi mức độ đó, phải bao hàm cả những mức độ liên quan và sử dụng những sự kiện, phương pháp, khái quát của nhiều bộ môn trung gian. Đồng thời tất cả những mức độ nghiên cứu hình thái có quan hệ bổ sung cho nhau tạo nên một lĩnh vực thống nhất của hình thái giải phẫu trong khái niệm rộng của nó. Trên mỗi mức độ mới của tổ chức, xuất hiện những tính chất mới không có liên hệ hoàn toàn với tính chất của những yếu tố cấu tạo. Chính vì vậy sự phân tích hệ thống sinh vật thành những thành phần cấu tạo của nó, thậm chí mô tả cặn kẽ tất cả những yếu tố, cũng không thể cho ta biết các đặc tính một cách hoàn toàn. Chính vì vậy, cơ quan học không nhầm với mô học, mô học với tế bào học, tế bào học với mức độ phân tử. Tuy nhiên, nghiên cứu một cách sâu sắc từng mức độ của cơ thể là rất cần thiết, để hiểu biết tối đa về những đặc điểm của những yếu tố cấu trúc. Chính vì thế, việc nghiên cứu hình thái cấu tạo các cơ quan và các hệ thống của chúng không thể coi là đầy đủ, nếu thiếu phần nghiên cứu cấu tạo mô và tế bào. Do đó, hình thái giải phẫu là toà nhà nhiều tầng mà nền móng của nó là sự nghiên cứu cấu tạo phân tử nằm trong cơ sở những quá trình sống của tế bào, trên cơ sở đó cần phải nghiên cứu những quy luật sống và sự phát triển tiến hoá của chúng, là nhằm sử dụng nguồn tài nguyên to lớn và cải tạo nó để phục vụ cho cuộc sống con người ngày càng tốt đẹp hơn. Những nội dung trên đây thuộc về lĩnh vực hình thái giải phẫu học mô tả trên đối tượng cây trưởng thành để nghiên cứu các quy luật hình thái giải phẫu của cơ thể thực vật. - Một hướng nghiên cứu mới hình thành - giải phẫu học cá thể phát sinh nhằm nghiên cứu sự hình thành tế bào mô, cơ quan của cơ thể trong cá thể phát sinh. - Một lĩnh vực nghiên cứu nữa của bộ môn này là hình thái giải phẫu học so sánh và hình thái giải phẫu học tiến hoá nhằm nghiên cứu các dấu hiệu hình thái giải phẫu khác nhau trong quá trình phát triển và tiến hoá, làm cơ sở cho sự phân chia các nhóm thực vật. - Sống trong những môi trường khác nhau, thực vật đã hình thành những đặc điểm thích nghi riêng để tiến hành trao đổi chất, trao đổi năng lượng và trao đổi thông tin, nó thuộc lĩnh vực hình thái giải phẫu học thích nghi. Trên dây là những hướng nghiên cứu khác nhau của môn hình thái giải phẫu thực vật, thuộc bộ môn thực vật học III. Lược sử nghiên cứu hình thái giải phẫu thực vật Trong lịch sử phát triển của thực vật học, thì hình thái giải phẫu thực vật phát triển tương đối sớm. Hơn 2.300 năm trước đây, Theophraste được gọi là người sáng lập môn thực vật học. Ông đã công bố các dẫn liệu hình thái giải phẫu của cơ thể thực vật trong tác phẩm “Lịch sử thực vật”, nghiên cứu về cây cỏ. Những thành tựu nghiên cứu về hình thái nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu phân loại và hệ thống phát sinh của thế giới thực vật và các công trình phân loại của Rivenus, Turnephor, Xezanpin ở thế kỷ XVI và XVII.
4. Sau khi đã phát minh ra kính hiển vi quang học bởi Janxen (1590) Cornelius, Dereben (1609 – 1610) thợ mài kính ở thành phố Midenbua và bởi Galilê (1612) nhà vật lý và thiên văn học người Ý. Robert Hooke (1635-1722) người Anh đã sử dụng kính hiển vi đầu tiên có độ phóng đại 30 lần vào năm 1665 để quan sát lát cắt thực vật. R.Hooke lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ tế bào để giới thiệu các đơn vị nhỏ được giới hạn bằng các vách có thể thấy được trong lớp tế bào bần. Ông ta đã mở đầu cho một giai đoạn mới nghiên cứu cấu tạo của các tế bào và mô bên trong của cơ thể. Từ đó, các công trình nghiên cứu khác nhau trong lĩnh vực tế bào của nhiều nhà khoa học trên thế giới, lần lần làm sáng tỏ cấu tạo và chức năng của tế bào, dẫn tới hình thành học thuyết tế bào (1838). Năm 1703 Giôn Rei đã phân biệt hai nhóm cây Một lá mầm và Hai lá mầm. Những hệ thống phân loại của Carolus Linnaeus (1707 –1778), Bena Jussieu J., Antoine Jussieu, Augustin de Candolle, đều đã dựa vào hình thái giải phẫu các cơ quan, chủ yếu là cơ quan sinh sản, mà chưa chú ý đến hệ thống sinh và họ quan niệm loài là bất biến. Bước sang thế kỷ XIX, những thành tựu nghiên cứu hình thái, giải phẫu đã góp phần đưa phân loại học đạt những kết quả to lớn. Đến thời kỳ Charle Darwin, thì khoa học thực vật có một bước chuyển mạnh mẽ. Học thuyết tiến hoá Darwin đã bác bỏ quan điểm sinh vật không biến đổi, mà có quá trình phát triển và tiến hoá do quy luật di truyền, biến dị, chọn lọc tự nhiên và nhân tạo. Chính Darwin và trước đó là Lamarck đã xác định tính thống nhất và tiến hoá của sinh giới. Do vậy, Engels. F đã đánh giá cao và xem học thuyết Darwin là một trong ba phát kiến lớn của thế kỷ XIX cùng với học thuyết tế bào và định luật bảo toàn năng lượng. Sau Darwin, hình thái giải phẫu, phân loại thực vật đã được nghiên cứu trên quan điểm tiến hoá, những hệ thống phát sinh khác nhau đã được hình thành và lập luận chủ yếu đều dựa vào các dẫn liệu hình thái giải phẫu so sánh, di truyền như Engler, Hutchison, Bus, Cuôc xanốp (Kypcaнoь), Takhtajan Sự phát triển của phân loại thực vật gắn liền với những tiến bộ của hình thái giải phẫu thực vật, đặc biệt gắn liền với các dụng cụ phóng đại, các kỹ thuật hiển vi, cho phép nghiên cứu cấu tạo tế bào là đơn vị cơ bản về cấu tạo và chức năng của cơ thể. Sau khi R.Hooke sử dụng kính hiển vi quang học để quan sát sinh vật hiển vi, ông đã xuất bản cuốn sách “hình hiển vi” năm 1965. Sau R.Hooke, vào những năm 70 của thế kỷ XVII, nhà động vật học người Ý Malpighi M. và nhà thực vật học người Anh là Grew đã công bố nhiều công trình giải phẫu về tổ chức học (mô học), vì vậy, có thể xem Malpighi M.và Grew là những người đặt nền móng nghiên cứu giải phẫu học. Hai thế kỷ tiếp theo, các nhà sinh học đi sâu nghiên cứu nội chất tế bào như Robert Brown đã phát hiện nhân tế bào. Năm 1980, Hanstein đã giới thiệu thuật ngữ “thể nguyên sinh” để chỉ một đơn vị chất nguyên sinh (tế bào). Như vậy, từ quan điểm tế bào là một “xoang rỗng” đã chuyển sang quan niệm tế bào là một khối nguyên sinh chất có chứa nhân và được giới hạn bằng vách tế bào là thành phần không sống của tế bào (tế bào thực vật và nấm). Sau khi học thuyết tế bào ra đời, thì tế bào học bắt đầu phát triển nhanh chóng. Remark (1841) khám phá phân bào không tơ, De Flemming (1898 –1880) nghiên cứu phân bào giảm phân ở động vật , Strasbuger tìm thấy phân bào gián phân ở thực vật, E.Van Beneden (1887) khám phá sự giảm phân, Waldeyer (1890) nghiên cứu thể nhiễm sắc, Hertwing (1875) nghiên cứu sự thụ tinh, Van Beneden, Boveri (1876) tìm thấy trung thể, Altman (1884) khám phá ty thể và bộ máy Golgi (1889)
5. Học thuyết tế bào ra đời đã thúc đẩy nhiều bộ môn mới tách ra như hình thái học, giải phẫu học, tế bào học, di truyền học, sinh lý học, sinh hoá học. Từ đó các nhà khoa học đã đi sâu tìm mối liên quan giữa cấu tạo và chức năng. Ngay từ năm 1874 Svendener đã chú ý đến việc áp dụng nguyên tắc, nghiên cứu giải phẫu trên quan điểm chức năng sinh lý. Sau đó 10 năm, G.Habeclan phát triển đầy đủ hướng này trong cuốn sách “Giải phẫu, sinh lý thực vật”. Cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX, nghiên cứu tế bào được tiến hành mạnh mẽ. Tiếp theo là những khám phá các cấu trúc siêu hiển vi nhờ phát minh ra kính hiển vi điện tử (năm 1932) bởi giáo sư Ruska, tiến sĩ vật lý điện tử, và phân tích cấu trúc bằng tia Rơnghen, mở đầu cho việc nghiên cứu sinh học phân tử. Do vậy, cấu tạo và chức năng đã trở thành một thể thống nhất, không có ranh giới rõ ràng nữa. Ở Việt Nam, các công trình nghiên cứu hình thái giải phẫu còn ít. Dưới thời Pháp thuộc, ở Việt Nam chỉ có công trình nghiên cứu về giải phẫu gỗ của H.Lecomte và sau khi miền Bắc được giải phóng năm 1954 thì việc nghiên cứu và giảng dạy hình thái giải phẫu được chú ý ở các trường phổ thông và đại học. Hiện nay cũng có các công trình nghiên cứu cấu tạo gỗ, đặc biệt là gỗ cây rừng ngập mặn miền Bắc và một số công trình nghiên cứu sâu về hình thái, giải phẫu một số loài, chi, họ thực vật ngành Hạt kín của các tác giả Việt Nam có giá trị về lý thuyết cũng như ứng dụng để phục vụ công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. IV. Quan hệ giữa hình thái giải phẫu thực vật với các môn học khác - Hình thái giải phẫu thực vật là môn học cơ sở. Nó cung cấp các kiến thức cơ sở cho nhiều môn học khác trước hết là phân loại và sinh học phát triển cá thể thực vật thuộc bộ môn thực vật học. - Sinh lý học thực vật được nghiên cứu các chức năng sống trên cơ sở các đặc điểm hình thái giải phẫu. Qua đó thấy được mối liên hệ thống nhất giữa cấu tạo và chức năng. - Sinh thái học thực vật nghiên cứu sự tác động qua lại giữa thực vật và môi trường sống. Nhờ các dấu hiệu biến đổi về hình thái, giải phẫu của các cơ quan cây khác nhau của cá thể, quần thể mà giải thích sự thích nghi khác nhau cùng với các quy luật hình thành các hệ sinh thái, các biôm của sinh quyển - Địa lý thực vật nghiên cứu sự phân bố thực vật tại các vùng địa lý sinh học trên cơ sở nghiên cứu các dấu hiệu hình thái giải phẫu của những dạng thực vật đặc trưng hiện nay cũng như các đại địa chất trước đây, cùng với các quy luật phát tán loài và các khu hệ thực vật. - Cổ thực vật học nghiên cứu hình thái giải phẫu dạng hoá thạch từ các thời đại địa chất trước đây. Các di tích hình thái giải phẫu của thực vật đã chết là rất cần thiết cho việc xác định lịch sử phát triển thực vật, đồng thời cung cấp những dấu hiệu xác định tuổi các tầng của lớp vỏ trái đất. - Bảo vệ thực vật nghiên cứu chống bệnh cho cây trồng trên cơ sở các kiến thức hình thái giải phẫu để biết các loài gây bệnh như vi khuẩn, nấm hay vi rút và sự phản ứng của các tế bào, mô, cơ quan của cây trồng đối với sự xâm nhập của các loài ký sinh. - Trồng trọt cũng được nghiên cứu trên cơ sở các đặc điểm hình thái giải phẫu của cây trồng, các sản phẩm nông nghiệp, của các giống cây, các sản phẩm nông nghiệp phục
6. vụ cho công nghiệp - Lâm nghiệp cũng được nghiên cứu trên cơ sở đặc điểm hình thái giải phẫu cây rừng, các giống cây trồng rừng, các sản phẩm gỗ, phân loại gỗ, phân loại cây rừng - Phương pháp giảng dạy bộ môn thực vật ở Đại học và Phổ thông dựa trên cơ sở kiến thức thực vật được xác định để giảng dạy ở Đại học và Phổ thông và để phục vụ giảng dạy cho các bộ môn khác. V. Phương pháp nghiên cứu bộ môn hình thái giải phẫu thực vật Phương pháp nghiên cứu hình thái giải phẫu thực vật là quan sát, mô tả, so sánh và trên cơ sở các sự kiện đã thu thập được mà phân tích, tổng hợp, để đi đến suy diễn hoặc suy diễn giả thiết, nhằm tránh sự mô tả một cách giản đơn, cóp nhặt một cách không cần thiết mà phải đòi hỏi nghiên cứu các sự kiện một cách sâu sắc trên cơ sở một học thuyết nhất định. N.K. Kolxov đã nói: “Làm việc với những lý thuyết không chính xác có thể bác bỏ được, còn hơn là không có một lý thuyết nào, khi đó, không biết nên chứng minh và bác bỏ cái gì”. Trong phương pháp nghiên cứu hình thái giải phẫu biết kết hợp quan sát tiến hành trong điều kiện tự nhiên với việc nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, để so sánh các mẫu thu thập được, phân tích tổng hợp và rút ra kết luận. Phương pháp thực nghiệm là rất quan trọng khi nghiên cứu sự phát sinh, phát triển của các cơ quan trong điều kiện tương ứng. Nghiên cứu hình thái giải phẫu có thể tiến hành trên cơ thể chết hoặc trên cơ thể sống ở những cơ quan đang hình thành hay đã trưởng thành, phải theo dõi trong quá trình phát triển cá thể hay trong phát sinh loài. Sự nghiên cứu tế bào, mô và cơ quan phải tiến hành nghiên cứu hiển vi hay siêu hiển vi. Người ta có thể sử dụng phương pháp ngâm mủn hoặc làm tiêu bản hiển vi. Có lát cắt mỏng dày đến micromet hoặc siêu hiển vi, lát cắt có độ dày đến nanomet. Các lát cắt theo một hướng nhất định trong không gian (theo mặt phẳng ngang, dọc hay tiếp tuyến). Để nghiên cứu sự phát triển mô, cơ quan người ta phải tiến hành làm các tiêu bản liên hoàn, trong các giai đoạn kế tiếp nhau. Đồng thời cũng phải biết xử lý các mẫu vật với các chất định hình phù hợp, để không làm hư hỏng các cấu trúc bên trong tế bào. Để nghiên cứu cấu trúc tế bào, mô trong các cơ quan khác nhau, thì cần phải tiến hành nhuộm màu khác nhau, bởi vì tế bào, mô có cấu trúc khác nhau thì bắt màu khác nhau. Ngoài ra, người ta cũng dùng các phản ứng hoá học xảy ra trên các bản cắt gọi là phương pháp phân tích vi hoá học, để mà nhận biết các thành phần có trong tế bào, mô. Đối với hình thái học thực nghiệm, người ta sử dụng phương pháp nuôi cấy mô trên vitrô. Bằng cách đó, người ta có thể nuôi cấy mô được cắt rời từ cây ra trong thời gian hàng chục năm mà vẫn tiếp tục phát triển và hình thành tế bào, mô, cơ thể mới. Điều đó, giúp ta hiểu được các quy luật điều khiển sự tạo thành tế bào và mô trong quá trình phát triển cá thể. Muốn nghiên cứu cấu trúc hiển vi hay siêu hiển vi, thì phải chế tạo các dụng cụ phóng đại, dựa trên cơ sở, năng lượng bức xạ sản sinh ra tỷ lệ nghịch với độ dài bước sóng. Năng lượng bức xạ càng lớn thì độ phóng dại càng lớn. Tất cả các bức xạ điện từ đều có thể sử dụng nó, để chế tạo dụng cụ phóng đại (bức xạ Rơnghen, sóng cực ngắn điện tử, tia tử ngoại (10-380nm), các tia sáng thấy (380-780nm), tia hồng ngoại (trên 780nm). Các kính hiển vi sử dụng tia sáng thấy, có độ phóng đại tối đa trên ba nghìn lần, nhưng trong nghiên cứu người ta chỉ sử dụng độ phóng đại trên dưới một vài nghìn lần. Từ các tia sáng thấy người ta cũng có thể chế tạo các loại kính hiển vi phân cực để nghiên
7. cứu cấu tạo tinh thể, kính hiển vi tương phản pha để nghiên cứu tế bào sống, kính hiển vi đáy đen để nghiên cứu cấu trúc siêu vi, kính hiển vi chiếu sáng phía trên, kính hiển vi kép để nghiên cứu hình thái, các vật thể có cấu tạo không gian ba chiều Để nghiên cứu, phát hiện các chi tiết cấu tạo hiển vi nhỏ hơn thì phải sử dụng các tia có bước sóng ngắn hơn, như kính hiển vi tử ngoại, khả năng phân ly của kính là 100nm, tia Rơnghen có thể phân biệt cấu trúc vật chất sống dưới 1nm, kính hiển vi điện tử có khả năng phân ly là 0,2nm. Người ta có thể cải tiến kính hiển vi điện tử để nâng độ phóng đại từ 4 vạn lần lên một triệu lần. Hiện nay, các ông Binning và Rohrer đã chế tạo thành công kính hiển vi hiệu ứng đường hầm (1982), cho phép nhìn thấy vật chất có khoảng 0,01nm, nghĩa là bằng một phần mười đường kính trung bình của mỗi nguyên tử. Ngoài ra, trong nghiên cứu hình thái giải phẫu thực vật, người ra dùng máy vi quang phổ để kiểm tra định lượng, phương pháp phóng xạ và tự ghi cho phép xác định được cấu trúc sinh hoá tế bào, các ly tâm siêu tốc để phân tích các tổ hợp cấu thành tế bào, máy vi phẫu để tiến hành giải phẫu hiển vi tế bào, tách và nuôi cấy tế bào, phương pháp sắc kí, phương pháp điện di hay đánh dấu các phân tử của tế bào bằng các đồng vị phóng xạ và các chất kháng thể để nghiên cứu các đại phân tử Với các thành tựu nghiên cứu ngày càng hiện đại, cho phép con người khám phá bản chất của vật chất sống cũng như các cơ chế của hiện tượng sống, hiểu rõ sự khác nhau giữa vật chất không sống và vật chất sống. Chương 1 TẾ BÀO I. Khái niệm tế bào Tế bào là đơn vị cơ sở của sự sống, bao gồm vật chất sống và không sống, tác động qua lại với nhau và thống nhất với nhau bởi ba quá trình: Chuyển hoá vật chất, chuyển hoá năng lượng và chuyển hoá thông tin. Các đặc tính sống chỉ biểu hiện đầy đủ, thống nhất, đồng bộ, hài hoà ở mức tổ chức tế bào và ở các mức độ tổ chức cao hơn. Ở giai đoạn rất sớm của sự tiến hoá sự sống, đã chỉ ra rằng, trang bị cơ bản, bắt buộc được thiên nhiên chọn lọc, đó phải là tế bào. Sự sống được bắt đầu thể hiện dưới dạng hình thái cấu tạo tế bào nguyên thuỷ, cực kỳ đơn giản, tương tự các dạng tiền thân tế bào. Trong quá trình tiến hoá từ tế bào sinh vật tiền nhân (prokaryota) đến tế bào sinh vật nhân thực (eucaryota), tế bào cấu tạo ngày càng phức tạp, phân hoá nhiều bào quan với các chức năng chuyên biệt khác nhau, đạt đến mức chuyên hoá hình thái đa dạng và chức năng cao, phong phú. Thuật ngữ tế bào (cellula, tiếng la tinh có nghĩa là căn buồng nhỏ) được Robert Hooke người Anh đưa ra vào thế kỷ 17. Ông là người đầu tiên sử dụng kính hiển vi quang học, quan sát các lát cắt mỏng nút chai, thấy có nhiều ô nhỏ giống như tổ ong, mỗi ô nhỏ ông gọi là tế bào (hình 1). Thực ra, các ô mà ông quan sát được ở mảnh bần nút
8. chai, chỉ là vách bao quanh tế bào thực vật đã chết. Sau này ông đã nhận biết được tế bào ở những mô thực vật khác và thấy các ô tế bào sống đều chứa đầy chất "dịch". Trải qua hai thế kỷ, nhờ kính hiển vi ngày càng hoàn thiện, người ta ngày càng chú ý tới chất nguyên sinh và thể vùi của nó. Người ta cho rằng chất nguyên sinh là phần chính của tế bào, còn vách là sản phẩm tiết từ chất nguyên sinh của tế bào thực vật, cũng như tế bào nấm. Tế bào động vật thường không có vách. Chất nguyên sinh có nghĩa là thành phần sống bao gồm tế bào chất, các bào quan và nhân. Năm 1880, Hanstein đưa ra thuật ngữ "thể nguyên sinh" để chỉ một đơn vị chất nguyên sinh chứa trong tế bào. Như vậy, tế bào thực vật, tế bào nấm là thể nguyên sinh có vách bao bọc bên ngoài, còn thể nguyên sinh của tế bào động vật không có vách bao bọc bên ngoài. Những nghiên cứu về sau, người ta đã khám phá được các thành phần của thể nguyên sinh. Năm 1831, Robert Brown đã phát hiện nhân trong tế bào. Năm 1846 Hugo Von Mohl đã tìm thấy có sự khác nhau giữa chất nguyên sinh và dịch tế bào, năm 1862 Kolliker đã phân biệt được tế bào chất bao quanh nhân. Tiếp theo là những khám phá về nhiều chi tiết hiển vi và siêu hiển vi khác nhau, đầu tiên với kính hiển vi quang học như các lạp thể, ty thể, nhiễm sắc thể, phân bào nguyên phân, giảm phân và sau này ở thể kỷ 20 với kính hiển vi điện tử như ribôxôm, mạng lưới nội chất, ADN, gen được phát minh. Hình của Robert Hooke trong cuốn sách" Hình hiển vi" của ông xuất bản năm 1665. Trong cuốn sách này Hooke đã mô tả nhiều đối tượng trong số các đối tượng mà ông đã nghiên cứu bằng kính hiển vi do ông thiết kế
9. Hình 2. Sơ đồ cấu tạo hiển vi (b) và siêu hiển vi (c) tế bào thực vật sf = vách tế bào, pd= sợi liên bào, pl = màng ngoại chất; ER = mạng lưới nội chất; sm = nhân tế bào; mh = màng kép nhân; r = ribôxôm; n = hạch nhân ; m = ti thể ; sz = thể cầu ; d = dictyoxôm ; P = lục lạp ; v = không bào; L = lipit. Người ta phân biệt trong tế bào có hai nhóm thành phần: chất nguyên sinh và không phải chất nguyên sinh. Theo thói quen, người ta mô tả những thành phần của nhóm chất nguyên sinh là chất sống, còn nhóm thành phần không phải chất nguyên sinh là chất không sống. Rõ ràng là không thể vạch ra một ranh giới rõ rệt giữa thành phần sống và không sống, bởi vì trong tế bào, có thể chuyển hoá từ chất không sống trở thành chất sống và ngược lại, mặt khác trong tế bào, thành phần chất nguyên sinh tác động qua lại với thành phần không phải chất nguyên sinh tạo nên sự sống của tế bào. Như vậy, tế bào có thể xác định như một thể nguyên sinh có hoặc không có vách bao bọc, có liên quan với các hoạt động sống của tế bào. Ở tế bào sinh vật tiền nhân, "nhân", nhiễm sắc thể ở trạng thái phân tán chưa có màng kép nhân bao bọc đó là tế bào nhân sơ, ở tế bào bào sinh vật nhân thực, các nhiễm sắc thể được bao bọc trong màng kép nhân, đó là tế bào nhân chuẩn (nhân thực). Trong quá trình phát triển, một số tế bào, mô có nhiều hơn một nhân như trường hợp của các tế bào cọng bào hay hợp bào, chẳng hạn như ở một số tảo và nấm. Thể bào tử của nấm bậc cao, tế bào thường có hai nhân, mô, phôi nhủ của một số cây Hạt kín hoặc phôi của hạt trần có nhiều nhân. Trạng thái nhiều nhân cũng có thể xảy ra trong quá trình phát triển của tế bào có kích thước lớn như sợi hoặc ống nhựa mủ. Người ta cho rằng ở một số cấu trúc nhiều nhân, mỗi nhân được tế bào chất bao bọc xung quanh gọi là "sinh vị" và toàn bộ cấu trúc này là một tổ hợp của các đơn vị chất nguyên sinh gọi là cọng bào. Còn trường hợp thể bào tử nấm nhầy nhiều nhân, do các tế bào một nhân hợp lại với nhau gọi là hợp bào. II. Thành phần, cấu tạo của tế bào 1.Hình dạng và kích thước tế bào Hình dạng và kích thước của tế bào thực vật nhân thực rất đa dạng. Trừ cơ thể có diệp lục nhân thực đơn bào (Protista), và một số lớn thực vật bật thấp đại đa số trường hợp cơ thể thực vật đa bào (plantae), phân hóa nhiều loại mô khác nhau, vì vậy có nhiều loại tế bào với hình dạng và chức năng khác nhau. Tế bào mô phân sinh thường nhỏ, chứa đầy chất nguyên sinh, dưới kinh hiển vi quang học thường không thấy được không bào. Sự không bào hóa đi cùng với sự sinh trưởng của tế bào. Hình dạng và kích thước tế bào là đặc trưng cho từng loại mô cấu tạo nên cơ thể hoặc cho các cơ thể khác nhau. Tế bào mô phân sinh thường có hình khối nhiều mặt (14, 16, 18 mặt). Trong quá trình sinh trưởng, từ các tế bào mô phân sinh, phân hóa thành hai kiểu: Kiểu tế bào mô mềm (parenchyma) có chiều dài, chiều rộng không khác nhau mấy đặc trưng cho mô mềm dự trữ, mô mềm vỏ v.v , ngược lại, kiểu tế bào hình thoi (prosenchyma) có chiều dài gấp nhiều lần chiều rộng, đặc trưng cho các mô dẫn truyền, các tế bào sợi thuộc mô cứng v.v Độ lớn tế bào cũng rất khác nhau, thông thường từ 10m – 100m. Cũng có tế bào đạt được 200m hoặc hơn, có thể thấy được mắt thường. Tế bào nhân thực có kích
10. thước lớn hơn tế bào nhân sơ, do tế bào chất phân hóa nhiều bào quan khác nhau ( xem hình 2). 2. Thành phần cấu tạo của tế bào 2.1. Vách tế bào 2.1.1. Thành phần hóa học của vách tế bào Sự có mặt vách xenluloza của tế bào bao phủ lên bề mặt màng ngoại chất là một trong những đặc trưng để phân biệt các tế bào thực vật và tế bào động vật. Ngoại lệ, thực vật cũng có tế bào không có vách xenluloza (các giao tử) và tế bào động vật có vách tương tự vách xenluloza (các tế bào bao Hải tiêu). Vách sơ cấp là thành phần không thuộc chất nguyên sinh, nhưng nó cũng có sự tăng trưởng và phân hoá. Theo một số nhà nghiên cứu, thì tế bào chất vẫn thâm nhập vào vách khi còn đang sinh trưởng và phân hoá. Vách tế bào làm cho hình dạng của tế bào và kết cấu mô hết sức phong phú, nó có chức năng nâng đỡ, bảo vệ tế bào sống hay tế bào đã chết (mô cứng, quản bào, mạch thông). Vì vậy, mà người ta xem vách tế bào như bộ khung sườn bên ngoài của tế bào, chúng giúp thực vật ở cạn chống lại sự tác động của lực cơ học, bảo vệ sinh học, chống mất nước Để thực hiện chức năng nâng đỡ thì thực vật tiến hành theo hai cách, ở hai loại tế bào khác nhau. + Đối với những tế bào sống, sự xuất hiện đồng thời hai đặc tính cấu tạo: vách xenluloza bao bọc xung quanh nguyên sinh chất và không bào chứa dịch tế bào nằm trong thể nguyên sinh, không phải là ngẫu nhiên, mà có mối tương quan sinh lý chặt chẽ với nhau của tế bào, nó tạo ra một hệ thống thẩm thấu có hiệu lực, tác dụng tương hỗ với vách xeluloza đàn hồi, gây sức trương cho tế bào ở các cơ quan còn non. Đặc trưng cấu tạo này, còn có mối quan hệ phụ thuộc với lối sống tự dưỡng và làm cho thực vật đa bào trở nên cứng rắn, nhờ vậy, khi thực vật tiến lên cạn, cơ thể có thể vươn mình đứng thẳng lên được trong không khí. + Đối với những tế bào chết, do vách tế bào dày lên gấp bộ, bảo đảm cho các cơ quan có độ cứng rắn, thực hiện chức năng nâng đỡ. Vách tế bào còn giữ vai trò trong một số hoạt động hấp thu, thoát hơi nước, di chuyển và tiết. Trong quá trình hình thành vách, có nhiều chất hoá học khác nhau, tham gia cấu tạo vách nhằm thực hiện chức năng bảo vệ và nâng đỡ có hiệu quả. Chúng ta có thể phân biệt ba nhóm chính sau đây: - Cơ chất (matrix) là những chất không định hình, nó có nhiều trong màng sơ cấp như pectin, hemixenluloza. - Chất xây dựng bộ khung sườn của vách. Những chất sắp xếp trong mạng tinh thể, có dạng sợi. Phân tử xenluloza là chất cơ sở chủ yếu để cấu trúc nên bộ khung sườn ngoài, nằm trong cơ chất của vách. Còn đối với Nấm thì kitibioza là chất chủ yếu tạo nên bộ khung sườn của vách. - Chất tẩm trong và tẩm ngoài là những chất vô định hình, hình thành chậm hơn so với cơ chất và bộ khung sườn của vách. Chất tẩm trong là chất bám vào khoảng trống ở trong bộ khung sườn của vách tế bào. Những chất này có ảnh hưởng quan trọng đến tính chất lý hoá của vách. Chẳng hạn chất tẩm trong là linhin gọi là vách hoá gỗ. Nếu chất tẩm trong là suberin gọi là vách hoá bần, để bảo vệ sinh học, chống mất nước, cách nhiệt, cách điện với môi trường ngoài. Chất tẩm ngoài là chất bám trên bề mặt phía ngoài của vách tế bào biểu bì hoặc là chất
11. sáp để chống thấm nước và thoát hơi nước. Ngoài ra, còn có các chất tẩm ngoài khác xuất hiện trong quá trình hình thành vách tế bào. Đứng về phương diện hình thái, vách tế bào quy định những hình dạng đặc trưng cho từng loại tế bào và mô, là cơ sở để phân loại mô. Do đó khi tế bào bước vào giai đoạn chuyên hoá bao giờ cũng đi cùng với sự biến đổi vách. Vì vậy, khi mới phát minh tế bào, thì người ta lầm tưởng, vách tế bào là thành phần cơ bản cấu tạo nên tế bào thực vật. Sau này người ta xác định được chất nguyên sinh là thành phần chính cấu tạo nên tế bào. Ở thế kỉ 20, việc nghiên cứu vách tế bào có những ứng dụng quy mô công nghiệp như xenluloza và những dẫn xuất của chúng, nhờ có sự phát triển những kỷ thuật mới và hoàn thiện trong việc nghiên cứu tế bào. Những thí nghiệm vi hoá trên các nguyên liệu vách đã tinh vi, chính xác hơn và việc sử dụng kính hiển vi phân cực, tia X, kính hiển vi điện tử đã trở thành hiện thực để nghiên cứu cấu trúc siêu hiển vi của vách tế bào. 2.1.2. Cấu tạo hiển vi và siêu hiển vi của vách sơ cấp và thứ cấp tế bào thực vật nhân thực. + Ở thực vật, mỗi tế bào trong cùng một mô, đều có vách riêng của nó và kết dính với các tế bào bên cạnh bởi chất gian bào. Những tế bào non thường có vách mỏng hơn tế bào đã phát triển đầy đủ. Ở một số tế bào của mô mềm vách hầu như dày thêm không đáng kể, khi tế bào ngừng phát triển. Trên cơ sở phát triển về cấu trúc, người ta phân biệt ba phần trong các vách tế bào thực vật. Chất gian bào (gọi là phiến giữa) nằm giữa các vách cạnh nhau. Vách sơ cấp (8-14% xenluloza) và vách thứ cấp (30-50% xenluloza) nằm tiếp giáp với nhau, nghĩa là vách thứ cấp nằm giữa vách sơ cấp và chất nguyên sinh . Phiến giữa thường là chất vô định hình, đẳng hướng. Thành phần chủ yếu là hợp chất pectic và có thể kết hợp với canxi. Ở các mô gỗ, phiến giữa thường được hoá gỗ. Trong thời gian sinh trưởng thứ cấp, chất gian bào và vách sơ cấp khó phân biệt với nhau. Vì vậy vách sơ cấp và hợp chất gian bào nằm giữa hai tế bào cạnh nhau đều xuất hiện như một đơn vị gọi là phiến giữa. Thuật ngữ phiến giữa kép có thể dùng trong trường hợp lớp chất gian bào bị lu mờ, nhưng khi nó dùng với nghĩa cấu trúc chập ba thành một đơn vị (lớp gian bào với hai vách sơ cấp cạnh nhau) hoặc chập năm (lớp gian bào, hai vách sơ cấp, hai vách thứ cấp).
12. Hình 3. Vách tế bào thứ cấp Loại cấu trúc vách thông thường ở những tế bào với các lớp vách thứ cấp trong các lát cắt ngang (A) và dọc (B). Các lớp vách được phân loại theo quan niệm của Kerr và Bailey (Arnold. Arboretum Jour.15,1934) C, D- tế bào với vách thức cấp và các lỗ đơn. C- các thể cứng từ một lát cắt ngang của quả Cydonia (mộc qua). D- Sợi libe từ một lắt cắt ngang của thân Nicotianna (thuốc lá) C- x420; D- x 325; (C,D x 560) 1. vách thứ cấp 3 lớp; 2- Khoang tế bào; 3- Chất gian bào; 4- vách sơ cấp 5; Cặp lỗ đơn 6- Phiến giữa (chấm nhỏ); 9- Lỗ phân nhánh; 7 = vách thứ cấp; 8 = phiến giữa. + Vách sơ cấp là vách được hình thành đầu tiên trong tế bào đang phát triển, là vách có mặt trong tất cả các loại tế bào. Trong vách sơ cấp, cơ chất là pectin, hemixenluloza. Chất xây dựng bộ khung của vách là xenluloza ở trạng thái tinh thể. Nó có thể hoá gỗ, hoặc hoá bần. Vách sơ cấp trải qua một quá trình sinh trưởng bề mặt liên tục hay gián đoạn, bởi sự sinh trưởng theo chiều dày kết hợp với nhau. Nếu vách sơ cấp dày, nó thường biểu hiện sự phân lớp rõ. Vách sơ cấp thường được liên kết với chất nguyên sinh. Những thay đổi xảy ra ở vách sơ cấp là thuận nghịch, có thể giảm bớt chiều dày, các chất hoá học có thể bị loại trừ hoặc thay thế bằng chất khác. Ví dụ, vách tế bào của tầng phát sinh libe gỗ, có chiều dày thay đổi theo mùa và vách sơ cấp của nội nhũ ở một số hạt thường bị tiêu hoá trong thời gian nẩy mầm. + Vách thứ cấp là vách bao giờ cũng xuất hiện liên tiếp theo vách sơ cấp. Vách thứ cấp có thành phần chủ yếu là xenluloza (chiếm 50%) hoặc là hỗn hợp của xenluloza và hêmixenluloza. Nó có thể biến đổi do chất tẩm là linhin hay suberin. Vách thứ cấp của quản bào, mạch gỗ hay sợi thường phân thành ba lớp và lớp trong cùng đôi khi chỉ bao gồm một dải xoắn ốc. Giữa các lớp, có thể khác nhau về vật lý hoá học. Số lượng lớp có thể ít hơn ba hoặc nhiều hơn ba. Chức năng chính của vách là bảo vệ lý, hoá học và sinh học. Các tế bào có vách thứ cấp của quản bào, mạch gỗ, sợi thường không có thể nguyên sinh và thường phân hoá xảy ra một chiều không thể đảo ngược. Những tế bào khác có vách thứ cấp, còn thể nguyên sinh hoạt động như tế bào đá, tia libe, các tế bào mô mềm libe. Sự phân loại vách sơ cấp và thứ cấp do Kerr và Bailey (1934) đề xướng và được sử dụng rộng rải nhưng vẫn còn chưa thích hợp( xem hình 3). + Cấu tạo siêu hiển vi của bộ khung sườn vách tế bào
13. - Xenluloza là chất chủ yếu xây dựng bộ khung sườn của vách tế bào, nó được sắp xếp thành mạng tinh thể đặc trưng. Xenluloza là hợp chất đa trùng phân polysaccharit, có công thức tổng quát là (C6H10O5)n. Haworth đã xác định thành phần cấu tạo hoá học của phân tử xenluloza. Đơn phân glucoza là dạng vòng 6 cạnh gọi là piranoza, nó không nằm trong một mặt phẳng như sơ đồ của Haworth, mà là dạng cong nằm trong khối không gian. Do đó, các góc piranoza không gây ra một sức căng bề mặt lớn như vòng piranoza nằm trong một mặt phẳng. Vì vậy không tiêu tốn nhiều năng lượng để duy trì cấu trúc đó. Trong phân tử xenluloza các đơn phân tử .Dglucoza liên kết với nhau và hai đơn phân tử  - D glucoza cạnh nhau liên kết với nhau, quay một góc ngược nhau 1800 và hình thành một disaccharit gọi là xenlobioza - đơn vị cấu tạo nên phân tử xenluloza. Để làm sáng tỏ cấu tạo phân tử xenluloza, không chỉ các nhà hoá học, mà còn có đóng góp của các nhà khoa học nghiên cứu chúng với tia Rơnghen. Chiều dài phân tử xenluloza được cấu tạo bởi những độ dài của những nhóm giống nhau gọi là chu kì sợi, mỗi chu kì sợi dài 10,3A0, cũng tương ứng với độ dài của xenlôbioza. Từ đó, người ta xác định được độ dài đơn phân .D glucoza là 5,15A0, chiều rộng là 7,35A0, chiều dày 3,2A0. Trên cơ sở những số liệu này, người ta tính được chiều dài, chiều rộng, chiều dày của phân tử xenluloza. Chẳng hạn phân tử xenluloza cấu tạo vách thứ cấp của sợi gai, gồm 8000 đơn phân glucoza trùng phân với nhau. Vì vậy, độ dài phân tử xenluloza của nó dài 4m. Với phương pháp tương tự, người ta tính được độ dài phân tử xenluloza trong vách sơ cấp gồm 1500 - 3000 đơn phân glucoza. - Cấu tạo tinh thể xenluloza: Theo các nhà nghiên cứu tia Rơnghen thì các phân tử xenluloza được sắp xếp thành mạng tinh thể. Mạng tinh thể gồm một hệ vô hạn các ô mạng cơ sở hình hộp còn gọi là tinh thể cơ sở sắp xếp kín trong không gian. Tinh thể cơ sở có đối xứng monoklin được cấu tạo như sau: (hình 4). Những phân tử xenluloza sắp xếp song song với trục b, trên trục này mỗi chu kì sợi đều giống nhau, dài 10,3A0. Độ dài này cũng giống như độ dài của chu kì sợi và độ dài của xenlobioza. Như vậy, từng đơn vị xenlobioza sắp xếp trên trục b của tinh thể cơ sở, trên trục a có cạnh 8,35A0, trên trục c có độ dài là 7,9A0. Góc bêta hợp thành bởi hai trục a và b là 840. Từng xenlobioza sắp xếp trên 4 cạnh dài nhất của tinh thể cơ sở, song song với trục b còn đơn vị xenlobioza nằm ở mặt giữa các tinh thể cơ sở hơn một xenlobioza (xenlobioza + 1/2 đơn phân glucoza). Những vòng piranoza nằm trong một mặt phẳng được xác định bởi hai trục a và b, đồng thời chúng cũng song song với nhau. Những disaccharit nằm trên mặt giữa của tinh thể cơ sở quay một góc 1800 ngược với các disaccharit nằm trên các cạnh dài. Để duy trì mạng tinh thể xenluloza cần có ba loại lực, những lực này có trong mối quan hệ phụ thuộc với ba chiều không gian của tinh thể nguyên tố. Những đơn phân của glucoza liên hệ với nhau nhờ các liên kết cọng hoá trị, trong hướng chiều dài của trục b, tức là theo hướng chiều dài của phân tử xenluloza. Trong hướng trục a, xuất hiện những liên kết hydro được tạo thành giữa các nguyên tử oxy của các chuỗi bên cạnh, khoảng cách giữa chúng là 2,5A0. Trên trục c, xuất hiện những lực tác dụng tương hỗ gọi là lực van der Waals. Theo Frey wyssling (1955) thì những liên kết ít được hình thành trong hướng đồng nhất gần với trục c. Cấu tạo không gian của mạng lưới tinh thể xenluloza như trên, bảo đảm cho vách xenluloza có độ bền cơ học lớn, và không thể đơn giản giải thích bằng các liên kết cọng hoá trị chính. Cấu tạo tinh thể cơ sở trên đây thuộc loại xenluloza tự nhiên còn gọi là xenluloza I. Ngoài ra còn có xenluloza thuỷ phân. Thành phần hoá học của hai loại xenluloza này giống nhau, nhưng chỉ khác nhau trong cấu trúc tinh thể. Xenluloza thuỷ phân không chứa nước tinh
14. thể như xenluloza I. Cấu tạo tinh thể cơ sở xenluloza thuỷ phân, còn gọi là xenluloza II như sau: Trên trục b, mỗi chu kì sợi là 10,3A0, trục a là 8,14A0, trục c là 9,14A0, góc bêta là 620. Như vậy, xenluloza II khác với xenluloza I không những hình dạng mà còn kích thước nữa. - Mixen xenluloza (sợi cơ sở) Trong vách tế bào thực vật, tồn tại các phần tử tinh thể nhỏ bé, không thể quan sát dưới kính hiển vi quang học, gọi là mixen. Đó là những chuỗi phân tử xenluloza sắp xếp một cách chặt chẽ, song song với nhau trong mạng tinh thể, nhưng nó tiếp tục kéo dài ra ngoài mạng tinh thể bằng cách nối liền với các mixen bên, còn gọi là paramixen một dạng cận tinh thể, sắp xếp lộn xộn. Tiếp theo mixen bên là tinh thể mixen, chúng sắp xếp nối tiếp nhau trong sợi cơ sở. Như vậy, mixen xenluloza bao gồm những bó tinh thể cơ sở xenluloza họp với nhau. Khoảng giữa các mixen này có các chuổi phân tử xenluloza thuộc dạng cận tinh thể nối liền nhau với các mixen tinh thể, tạo thành sợi cơ sở hay mixen xenluloza (hình 5). Chúng có hình trụ dài hay nói đúng hơn có dạng phiến mỏng, chiều rộng trung bình từ 60 - 70A0, có trường hợp đạt tới 100A0, chiều dày khoảng 30 - 50A0, chiều dài tối thiểu 600A0, tối đa dạt tới hàng nghìn A0. - Sợi bé xenluloza: những sợi bé xenluloza được xem như là những đơn vị xây dựng siêu hiển vi đặc trưng nhất của bộ khung sườn xenluloza. (H.6)
15. Trong vách tế bào, người ta không thể thấy được chiều dài tận cùng của các sợi bé. Sau khi rửa nước và thuỷ phân với axit phù hợp thì làm xuất hiện màu trắng đục và đem quan sát dưới kính hiển vi điện tử, người ta có thể xác định được kích thước các sợi bé: Chiều rộng vào khoảng 50 - 100A0, chiều dài từ hàng trăm đến hàng nhìn A0 (hình 6). Trong sợi bé có 4 - 6 sợi cơ sở. Những sợi bé tập hợp lại thành bó và tạo thành sợi lớn (hình 7)
16. 2.1.3. Đường lưu thông giữa các tế bào – các lỗ của vách tế bào + Lỗ: vách thứ cấp của tế bào thường đặc trưng bởi sự có mặt của các chỗ lõm hoặc các hốc bởi sự khác nhau về chiều sâu, chiều rộng và các chi tiết cấu trúc. Những hốc đó gọi là lỗ (hình 8). Các vách sơ cấp cũng có chỗ lõm, nhưng khác với lỗ ở vách thứ cấp về cấu trúc và sự phát triển, nên chúng được gọi là lỗ sơ cấp, bởi vì khi nhìn lát cắt trên bền mặt, những chỗ lõm tập hợp thành một chuỗi. Trong những tế bào ít chuyên hoá, chỉ có vách sơ cấp, trên đó có các vùng lỗ sơ cấp có thể biến đổi, nhưng không đáng kể. Ngược lại, tế bào chuyên hoá hơn, vùng lỗ sơ cấp biến đổi nhiều. Trong các vùng lỗ sơ cấp, vách tương đối mỏng, nhưng liên tục qua các vùng lỗ. Mặt khác, các sợi liên bào chỉ xuyên qua được các vùng lỗ sơ cấp, do sự dày lên của vách thứ cấp không liên tục, mà thường gián đoạn tại vùng lỗ sơ cấp, nhưng khó phân biệt vách sơ cấp và vách thứ cấp dưới kính hiển vi quang học. Về định nghĩa lỗ của vách thứ cấp, thường người ta không những chỉ đề cập tới hốc và còn phần sơ cấp nằm ở đáy hốc. Vì vậy, lỗ bao gồm hốc và màng lỗ. Hai lỗ chính được phân biệt ở vách thứ cấp là lỗ đơn và lỗ viền. Lỗ viền khác lỗ đơn ở chỗ, vách thứ cấp tạo thành vòm trên hốc lỗ và lỗ mở của nó thu hẹp dần vào phía trong khoang tế bào (hình 9). Các lỗ đơn, vách thứ cấp không tạo thành vòm. Nếu lỗ của vách tế bào này, nằm đối diện với vách tế bào kề sát bên cạnh gọi là cặp lỗ (hình 8). Màng lỗ nói chung cho cả hai lỗ của một cặp lỗ và bao gồm hai vách sơ cấp và chất gian bào. Hai lỗ viền tạo ra cặp lỗ viền, hai lỗ đơn tạo ra cặp lỗ đơn. Nếu đối diện một lỗ viền với một lỗ đơn thì gọi là cặp lỗ nữa viền. Nếu một lỗ đối diện với khoang gian bào thì gọi là lỗ tịt. Đôi khi cũng gặp hai hoặc nhiều lỗ đối diện với một lỗ ở tế bào bên cạnh thì gọi là lỗ kép một phía. Các lỗ đơn có thể tìm thấy ở các mô mềm, sợi gỗ, tế bào đá Lỗ viền có thể quan sát ở quản bào, mạch gỗ, sợi gỗ.
17. A, B- Các tế bào tia với vách thứ cấp ( để trắng trong hình vẽ) từ một lát cắt xuyên tâm của gỗ táo. Các lỗ đơn và cặp lỗ nhìn qua lát cắt và bề mặt. C, D- Các tế bào mô mềm không có vách thứ cấp từ thân thuốc lá. Sợi liên bào phân tán khắp vách ở C và giới hạn vào các vùng lỗ sơ cấp ở D ( A,B x865; C x 420; D x 325; C,D theo Livingston, Amer. Jour. Bot, 22, 1935) 1. Cặp lỗ đơn; 2- Phiến giữa kép; 3- Vách với các sợi liên bào; 4-Phiến giữa; 5- Màng lỗ; 6- Khoang lỗ; 7- Lỗ nhìn qua bề mặt; 8- Vách sơ cấp; 9- Sợi liên bào ở vùng lỗ sơ cấp; 10- Khoảng gian bào.
18. + Đường lưu thông giữa các tế bào hay sợi liên bào. Dưới kính hiển vi quang học và với kỹ thuật đặc thù, người ta có thể quan sát sợi liên bào có cấu trúc hình sợi, chiều rộng từ 1-2m, kéo dài từ tế bào chất đến vách tế bào, nối liền với các tế bào khác của cơ thể thực vật, tạo thành một tổng thể của khối nguyên sinh chất của toàn bộ cơ thể. Sợi liên bào có thể quan sát ở Tảo đỏ, Rêu, Quyết, thực vật có hạt. Ở vách tế bào biểu bì, các sợi liên bào chạy dài ra phía ngoài tiếp xúc với môi trường ngoài gọi là sợi nối ngoài. Các sợi liên bào có thể tập trung thành nhóm ở vùng lỗ sơ cấp hoặc phân bố khắp nơi trên vách và có thể đếm được các sợi liên bào. Mạng lưới nội chất dường như nối liền với sợi liên bào. Theo các nhà nghiên cứu, các đầu ống nhỏ của mạng lưới nội chất đi qua các sợi liên bào. Sợi liên bào hình thành trong thời gian phân bào và cũng có thể hình thành theo một cách khác. Chức năng của sợi liên bào có liên quan vận chuyển các vật liệu và dẫn truyền kích thích, cũng là nơi cho phép vi rút chuyển từ tế bào này qua tế bào khác. Các giác mút của cây kí sinh cũng có sợi liên bào, liên quan đến sự vận chuyển chất dinh dưỡng và vi rút từ cây chủ hoặc ngược lại (hình 8). 2.2. Màng sinh chất 2.2.1. Đại cương về màng sinh chất Tế bào là đơn vị cơ bản của mọi sinh vật (trừ vi rút), có khả năng tự sinh sản tức là khả năng tái tạo lại chính bản thân mình, đó là đặc tính quan trọng nhất, kì diệu nhất của cơ thể sống, không có ở vật thể không sống. Bất kỳ tế bào nào cũng được bao bọc xung quanh bởi màng sinh chất (plasmalema). Trong tế bào, màng sinh chất chiếm vị trí ưu thế, chúng không chỉ xác định ranh giới tế bào, còn gọi là màng ngoại chất mà còn xác định những ranh giới các bào quan và các không bào. Tất cả các loại màng sinh chất đều có cấu trúc ba lớp: hai lớp ưa osmic và một lớp kỵ osmic chúng chỉ khác nhau tỷ lệ thành phần hoá học và bản chất các phân tử protein, lipit và gluxit cấu tạo nên chúng. Màng sinh chất trước hết là màng chắn vật lý, ngăn cách hai môi trường khác nhau - môi trường sống bên trong và môi trường ngoài tế bào - để bảo vệ, mặt khác, chúng có vai trò quan trọng trong việc vận chuyển các chất, vận chuyển thông tin, trao đổi năng lượng giữa tế bào với môi trường ngoài tế bào cũng như bảo đảm các mối quan hệ bên trong tế bào. 2.2.2. Thành phần hóa học và cấu tạo phân tử của màng sinh chất Ngay từ thế kỷ XIX, Overton đưa ra giả thuyết cấu trúc màng sinh chất là màng lipit và đã nêu ra các quy luật Overton về tính thấm của màng. Từ đó Mikcalit đã nghiên
19. cứu tính thấm của màng ngoại chất. + Thành phần hoá học Phân tích thành phần hoá học, màng sinh chất của nhiều kiểu tế bào khác nhau, đều có lipit, protein và gluxit, nhưng tỷ lệ phần trăm của ba loại này khác nhau ở mỗi kiểu tế bào, do chức năng của chúng khác nhau Thông thường lipit có 3 loại chủ yếu: Photphatit, cholesterol và glycolipit. Chúng là những chất lưỡng cực: đầu kị nước không phân cực nằm ở giữa đầu ngược lại ưa nước có phân cực quay ra phía ngoài. Photpholipit là thành phần cấu trúc màng. Chúng thường có ba loại photphatit - ethanolamin, photphatit- serin, photphatit cholin. Thành phần lipit của mỗi lớp màng ngoại chất rất thay đổi. Các phân tử lipit của lớp ngoài thường bảo hoà hơn và tại đó có các nhóm amin tận cùng (-NH2) của các phân tử protêin nội vi. Lớp ngoài cũng thường có glycolipit, chiếm khoảng 5% của các phân tử lipit. Lớp trong chủ yếu là photpholipit. Gangliosit là những glycolipit phức tạp nhất chứa một hay nhiều đơn phân axit sialic (axit N-acethylneuraminic hay NANA), của glucoza, của galactoza hay của N-acétylgalactosamin. Tính bất đối xứng trong sự phân bố chuổi hydrocacbon và của các nhóm cực của các đầu photpholipit, dẫn đến sự tích điện âm ở mặt trong của màng ngoại chất. Trong màng ngoại chất, người ta quan sát thấy một tỷ lệ giống nhau cho tất cả các màng (Glyxeraldehit - 3P - deshydrogenaza, ATPaza, protein, kinaza ) và các protein đặc thù khác nhau (các protein kênh, các protein kinaza, clathrin, spectrin, polypeptit 5. Thành phần các protein giữa hai lớp lipit của màng ngoại chất có khác nhau. Những protein thường là những glycoprotein tham gia vào sự vận động, vận chuyển các chất, sự truyền thông tin, giữ bản sắc của tế bào. + Cấu tạo phân tử của màng sinh chất Màng được cấu tạo một lớp đôi lipit (photpholipit là dồi dào nhất) trong chúng các protein hình cầu ghét nước xen vào gọi là protein nội vi và những protein ưa nước gọi là protein ngoại vi nằm trên bề mặt lớp đôi lipit (Hình 10). Các phân tử lipit của mỗi lớp có trục nằm thẳng góc với bề mặt của lớp kép, các đầu ưa nước phân cực quay ra ngoài và nằm trong môi trường nước, trong khi đó các đuôi ghét nước không phân cực quay về phía giữa của lớp đôi lipit, cách xa các phân tử nước. Các protein màng có tỷ trọng lớn phân phối đều đặn hay tập trung thành khối giữa các phân tử lipit. Các protein có dạng hình gậy hoặc hình cầu. (H.10)
20. Các loại phân tử protein và lipit ở mặt ngoài và mặt trong của màng có sự khác nhau, làm cho các mặt tế bào trở nên không đối xứng và làm cho màng phân cực với sự tăng thêm tích điện âm ở mặt trong. Sự tác động qua lại không cọng hoá trị giữa các phân tử cấu tạo nên màng, và sự chuyển động nhiệt của các phân tử lipit dẫn đến sự chuyển động liên tục của các phân tử màng. Vì vậy, màng ngoại chất không phải là cấu trúc tĩnh mà là màng thể khảm lỏng (theo Singer và Nicholson năm 1972). Sự vận động của các phần tử cấu tạo màng đã được chứng minh bằng thực nghiệm. Với việc nghiên cứu màng nhân tạo được cấu tạo chỉ một lớp lipít, người ta biết được các đặc tính lý hoá của chúng. Tiếp theo người ta nghiên cứu màng nhân tạo với hai lớp lipit, cho thấy đầu phân cực hướng vào nước và đuôi kị nước không phân cực hướng vào giữa màng. Sự hình thành tấm photpholipit hai lớp là quá trình tự động lắp ráp, có sự tác động qua lại của lớp này và lớp khác (hình 10). Qua thực nghiệm, người ta thấy màng photpholipit hai lớp, các mạch hydrocacbon vẫn chuyển động thường xuyên tạo ra dòng lỏng hai chiều, mặc dù các phân tử vẫn giữ được cấu trúc hai lớp, chúng có thể thể di chuyển ngang, dọc theo một phía của màng. Các phân tử có thể di chuyển quay tròn. Sự dời chỗ của một phân tử lipit có thể đạt 107 lần/giây. Trong điều kiện bình thường mỗi phân tử photpholipit di chuyển ngang qua bề mặt tế bào nhân thực trong vài giây. Phân tử lipit có thể di chuyển từ mặt ngoài vào mặt trong hay ngược lại gọi là di chuyển bập bênh hay Flip - Flốp. Nhờ vậy, các phân tử protein nằm trên lớp kép lipit cũng di chuyển theo bề mặt của màng. Nhờ có trạng thái lỏng của màng sinh chất, mà chúng tự động khép lại thành túi kín, không để nội chất chảy ra ngoài, nó cũng làm cho màng ngoại chất có tính linh động cao, dễ thay hình đổi dạng, mà tế bào không bị vỡ ra. (H.11)
21. Cuối cùng sự dung hợp màng là một hiện tượng quan trọng của tế bào. Các túi lipit có thể nhập vào nhau, khi đó hai màng nối liền nhau thành tấm liên tục chung của túi lớn. Nhờ đó, vật chất từ bộ phận này có thể di chuyển sang chỗ khác như trong các hiện tượng xuất bào và nhập bào đưa các đại phân tử hay các phần tử lớn từ ngoài tế bào vào trong tế bào như trường hợp uống bào (pinocytose) hay thực bào (phagocytose) ( H.12) 2.2.3 Chức năng của màng sinh chất + Các phân tử lipit xác định cấu trúc căn bản của màng sinh chất, còn các phân tử protein thực hiện các chức năng đặc hiệu của màng sinh chất. Tế bào tác động qua lại giữa tế bào với môi trường bên ngoài tế bào và giữa các tế bào của cơ thể đa bào. Màng tế bào không đơn giản là một cái túi chứa các chất phức tạp, cũng không chỉ giới hạn là một vỏ học cơ học tạo ra hình dáng tế bào. Màng sinh chất có vai trò cực kỳ quan trọng trong việc điều chỉnh thành phần của dịch nội bào vì các chất dinh dưỡng, các sản phẩm tiết hoặc các chất thải bã đi vào hoặc đi ra khỏi tế bào đều phải qua sự kiểm
22. soát ngặt nghèo của màng ngoại chất. Màng không cho phép một số chất không cần thiết lọt vào, nhưng lại cho phép các chất cần thiết cho sự sống của tế bào đi vào. Các tế bào hầu như lúc nào cũng được môi trường nước bao bọc. Điều này khẳng định lại, tế bào sống nguyên thuỷ bắt đầu xuất hiện trong môi trường nước. Môi trường nước có thể là nước ngọt hay nước biển (sinh vật đơn bào) hay dịch mô hoặc huyết tương (chất lỏng bao xung quanh tế bào) động thực vật đa bào ở cạn. Chức năng quan trọng hàng đầu của màng ngoại chất là điều hoà sự trao đổi chất, các chất di chuyển vào hoặc ra tế bào đều phải qua vật cản là màng sinh chất và màng ngoại chất của mỗi loại tế bào có chức năng chuyên biệt để cho các chất nào đi qua, với tốc độ nào và theo hướng nào. Tế bào thực hiện kiểm tra bằng hai cách: sử dụng quá trình khuếch tán, thẩm thấu và sự vận chuyển tích cực các chất vào hoặc ra khỏi tế bào. Khả năng đi qua màng của một chất không chỉ phụ thuộc vào kích thước phân tử mà còn phụ thuộc điện tích, vào độ hoà tan của các phân tử trong chất béo. Ngoài ra, ở các sinh vật đa bào còn có những mối liên hệ giữa các tế bào chủ yếu ở ba dạng: (H13) - Các tế bào tiết những chất hoá học ra ngoài, đi đến các tế bào tiêu điểm thành những tín hiệu tác động lên màng. - Những tế bào có các phân tử thông tin gắn ở màng, tác động đến màng những tế bào kế cận. - Các cầu liên bào trên màng (những lỗ nối giữa hai màng tế bào kề nhau) nối trực tiếp tế bào chất của những tế bào kề nhau. Tóm lại cấu tạo màng sinh chất nói riêng và các loại màng của các bào quan trong tế bào nói chung, chúng là màng sinh chất rất tinh vi và có nhiều tính chất mà vật liệu do con người chế tạo hiện nay khó sánh kịp. Chỉ với vài lớp phân tử màng có tính thấm chọn lọc cao, tính đàn hồi cao, cách điện, cách nhiệt cao. Ví dụ, màng ti thể dày 80A0 chịu điện thế 200mV tính ra là 200.000V/cm. Diện tích màng của tế bào rất lớn, bảo đảm mặt bằng rộng cho nhiều quá trình trao đổi chất trên màng tế bào. Bề mặt tế bào không những phân biệt các chất khác nhau, mà còn nhận biết lẫn nhau, có quan hệ khi tiếp xúc với nhau. Có enzim chỉ có hoạt tính, khi gắn vào màng tế bào, số khác khi gắn vào màng tế bào sẽ mất hoạt tính. 2.3. Tế bào chất (Cytoplasma) Tế bào chất là thành phần cơ bản bao xung quanh nhân, không bào và chứa các thể ẩn nhập, bao gồm hai phần khác nhau: Thể trong suốt (hyaloplasma) không có cấu
23. trúc và thể hình thái có cấu trúc (morphoplasma) được bao bọc bên ngoài bởi màng sinh chất trừ trung thể hay còn gọi là trung tâm tổ chức của vi quản, không có màng sinh chất bao quanh các trung thể. Như chúng ta đã biết, các sinh vật có cấu trúc hoá học rất phức tạp, từ những chất đơn giản đến các đại phân tử sinh học. Tuy nhiên, chỉ các chất hoá học phức tạp chưa đủ để có hoạt động sống, chúng phải được tổ chức lại trong các phức hệ phân tử của nhiều bào quan với những chức năng chuyên biệt khác nhau để hình thành tế bào nhân thực. Đó là sự khác biệt rất cơ bản giữa tế bào sinh vật nhân sơ và tế bào sinh vật nhân thực. 2.3.1. Tính chất lý học và thành phần hóa học của tế bào chất + Thể trong suốt là thành phần không có hình thái cấu trúc của tế bào chất, nó là nền đồng nhất, trong suốt chứa mạng lưới tua vách. Thể trong suốt tương ứng với bào tương (cytosol) ở trạng thái sol, nghĩa là nếu sau khi ly tâm siêu tốc phân hoá, phần nổi lên trên cùng là bào tương (cytosol). Thể trong suốt có tổ chức nếu chứa bộ khung sườn tế bào, ngoài ra nó có thể chứa thể vùi như lạp tạo bột, hạt alơrôn, giọt dầu và các sản phẩm trao đổi chất cuối cùng. - Thành phần thể trong suốt: Thể trong suốt chiếm gần một nửa khối lượng của tế bào. Thể trong suốt có nhiều nước, có thể đến 85%. Sau nước, protein là thành phần chủ yếu. Thể trong suốt chứa đựng một số lượng protein sợi xếp thành bộ khung tế bào. Trong thể trong suốt có hàng nghìn enzim và chứa đầy riboxom để tổng hợp protein. Gần một nửa số enzim được tổng hợp trên các riboxom là các protein của thể trong suốt. Do đó, nên coi thể trong suốt là một khối gel có tổ chức rất cao, hơn là một dung dịch chứa enzim. Ngoài protein, trong thể trong suốt còn có các loại ARN như ARNt, ARNm chiếm 10% ARN của tế bào. Trong thể trong suốt còn có sự hiện diện của các chất như gluxit, axit amin. nucleosit, nucleotit và các ion. Thỉnh thoảng trên nền đồng nhất có các hạt dầu, hạt tinh bột với số lượng thay đổi và có thể mang từ vùng này sang vùng khác tuỳ hoạt tính của tế bào. - Chức năng thể trong suốt: thể trong suốt giữ nhiều chức năng quan trọng như: Nền môi trường, làm nơi thực hiện các phản ứng trao đổi chất của tế bào, là nơi gặp nhau của các chuổi phản ứng trao đổi chất. Sự biến đổi trạng thái vật lý của thể trong suốt có thể ảnh hưởng đến hoạt động của tế bào. Nơi thực hiện một số quá trình điều hoà hoạt động của các chất. Nơi chứa các vật liệu dùng cho các phản ứng tổng hợp các đại phân tử sinh học như gluxit, axit amin, các nucleotit. Nơi dự trữ các chất năng lượng như gluxit, lipit, glycogen. 2.3.2. Cấu tạo hiển vi và siêu hiển vi của tế bào chất 2.3.2.1. Bộ khung trong tế bào Bộ khung trong tế bào bao gồm các vi sợi actin, myosin, các sợi trung gian, và các vi quản là hệ thống cấu trúc bên trong tế bào tạo thành mạng lưới không gian ba chiều trong tế bào chất, cần cho sự định hình kiểm soát hình dạng và đồng thời hỗ trợ cho sự vận động không những bên trong mà cả bản thân tế bào. Bộ khung trong tế bào là thành phần của tế bào chất, có thể quan sát dưới kính hiển vi huỳnh quang hoặc dưới kính hiển vi điện tử. Chúng có chức năng sau: - Tạo ra hình dáng đặc trưng cho các kiểu tế bào và mô
24. - Hình thành các thể sao để định vị các tổ chức bên trong tế bào (tế bào động vật). - Hình thành các thoi vô sắc trong phân bào để phân phối các nhiễm sắc thể về hai cực tế bào. - Hình thành các thể sinh màng. - Tạo ra các dòng chảy trong tế bào, sự di chuyển tế bào, do sự trượt tương đối các sợi actin và myosin + Vi quản: có dạng hình trụ ống, đường kính 25nm, dài 0,1m đến hàng chục m, thành vi quản dày 5nm, được cấu tạo bởi 13 tiền sợi, mỗi tiền sợi có đường kính 5nm. Các tiền sợi được cấu tạo bởi phân tử có trọng lượng phân tử 55 kd. Phân tử này là chất dị trùng phân đôi gồm 2 đơn phân khác nhau, liên kết với nhau nhờ GTP đó là tubilin và tubilin , liên kết với nhau theo trục dọc của vi quản, tạo nên cấu trúc phân cực. Các vi quản phần lớn không ở trạng thái tỉnh mà ở trạng thái động, thường xuyên phân giải và trùng phân mới. Các chất dị trùng phân đôi có khả năng tự trùng phân thành vi quản tại trung tâm tổ chức của vi quản và tự phân giải dưới tác dụng của nhiệt độ 370C, nồng độ tubilin giảm, giảm ion canxi và một số yếu tố khác còn chưa biết. Sự liên kết các vi quản giữa chúng tạo thành 9 nhóm ba để tạo thành trung tử hoặc liên kết thành 9 nhóm đôi với 2 vi quản đơn ở giữa để tạo thành tiên mao hoặc tiêm mao (lông của vi khuẩn chỉ có một vi quản). Các vi quản liên kết với nhau nhờ các protein đặc thù dynein và nexin. Dynein là protein ATP cho phép các vi quản trượt tương đối lên nhau. Giữa các nhóm vi quản có các cầu nối liên kết với nhau nhờ các protein nexin (hình 13). Thể sao có trong các tế bào động vật, thực vật đơn bào bao gồm các trung tử, khối vật chất vô định hình bao quanh trung tử và các vi quản thể sao phát ra từ trung thể. Nó có chức năng kiểm tra sự định vị của các bào quan trong tế bào và tác động qua lại với màng. Các thoi phân bào của động vật và thực vật đơn bào được hình thành từ trung thể, còn ở thực vật bậc cao các thoi phân bào được hình thành từ các cực phân bào và có thể xem cực phân bào là trung thể không có trung tử. Các vi quản còn có vai trò dịch các thông tin hoocmôn và tham gia sự phân phối các chất nhận của màng. + Các vi sợi: các vi sợi có đường kính thay đổi từ 3 - 8nm và có trong tất cả các tế bào.
25. Các sợi actin nhỏ, có đường kính 8nm, là các phân tử protein được tạo nên do sự đa trùng phân trong các điều kiện nồng độ cao của Mg++. Đó là các sợi đa trùng phân rất mảnh, dài xoắn vào nhau như dây thừng. Đôi khi các sợi actin được kết hợp với sợi myosin, nó cũng là những sợi dài giống sợi actin, nhưng ở một đầu có mấu lồi khi myosin biến hình có thể làm các sợi trượt tương đối với nhau (hình 15). Khả năng của một sợi này vận động tương đối so với sợi kia là cơ sở của nhiều kiểu vận động như sự di chuyển của các tế bào nấm nhầy, amíp, sự hình thành thể sinh màng, sự eo thắt tế bào khi phân chia. Các vận động này sẽ ngừng lại nếu tế bào bị xử lý bởi chất cytochalasin B, làm biến tính sợi actin. Các vi sợi chỉ có actin đóng vai trò cấu trúc, chúng tạo nên khung sườn tế bào, duy trì hình dạng tế bào. Các vi sợi làm thành từng bó hay thành từng tấm nằm dưới màng sinh chất. Các vi sợi có cấu tạo gần giống với các actin bởi vì chúng nhận biết bởi các kháng thể chống actin. Có khoảng vài chục protein có khả năng liên kết với các vi sợi. Chẳng hạn như myosin, villin, spectrin Một số protein có mặt trong tất cả các kiểu tế bào, một số khác chỉ có mặt trong các tế bào chuyên hoá đặc thù. Chúng có các chức năng khác nhau như điều chỉnh sự lắp ráp của các vi sợi, cấu tạo bó, néo các vi sợi với các vùng đặc thù của màng. Spectrin là một kiểu protein kéo dài làm thành 2 chuổi ,  (trọng lượng phân tử bằng 240Kda, 220 Kda, quấn vào nhau. Bộ khung sườn gắn với màng bởi protein néo là ankyrin, nó liên kết với chuổi  của spectrin, đầu khác liên kết với protein màng gọi là protein 3.(hình 15) + Các sợi trung gian, có đường kính từ 8 - 14nm. Chúng được cấu tạo từ các phân tử không đều, có dạng sợi chỉ, trọng lượng phân tử thay đổi giữa 40 - 200Kda. Các protein này tập trung giữa chúng để hình thành các chất đa trùng phân vững bền hơn vi quản và vi sợi. Các sợi trung gian có sự phân bố theo sự phân bố của vi quản. Chúng có trong các mô chuyên hoá đặc thù. + Mạng lưới tua vách là mạng lưới không gian ba chiều nằm trong tế bào chất mà các vi sợi khác nhau và các bào quan được định vị trên chúng. 2.2.3.2. Các bào quan dạng màng và hạt Các bào quan dạng màng và hạt thuộc hệ thống cấu trúc nội bào, phân hoá trong tế bào chất, gồm những màng có chức năng khác nhau, nhưng chúng đều liên thông trực
26. tiếp hay gián tiếp với nhau qua những túi vận chuyển. Hệ thống các cấu trúc màng nội bào có quan hệ với màng ngoại chất và có nguồn gốc từ chúng. 2.2.3.2.1. Mạng lưới nội chất và riboxôm Mạng lưới nội chất là một hệ thống túi dẹp có trong tất cả tế bào nhân thực. Mạng lưới nội chất được tạo ra từ một màng duy nhất là một phiến mỏng, kéo dài liên tục, gấp nếp nhiều lần, phân nhánh phức tạp, bao thành các khoang rỗng trong màng kéo thành mạng lưới chiếm hơn một nữa số lượng màng trong tế bào. Các khoang trống trong màng được gọi là tia của lưới nội chất hay túi chứa, chúng chiếm 10% thể tích của tế bào (hình 16). Màng của lưới nội chất tách các tia với thể trong suốt. Ngược lại, các tia của lưới nội chất và bộ máy Golgi tách nhau bởi hai màng. Mạng lưới nội chất chia ra làm hai loại: mạng lưới trơn và có hạt. Trên bề mặt mạng lưới có hạt có nhiều riboxôm. (H.16) Hai mũi tên chỉ ra sự liên thông thương giữa mạng lưới nội chất có hạt và mạng lưới nội chất trơn. - Mạng lưới nội chất có hạt có tỷ lệ protit/lipit cao hơn màng ngoại chất, cholesterol chiếm tỷ lệ thấp, nên màng của chúng linh động hơn. Phophatidylcholin chiếm trên 50%. Màng mạng lưới nội chất có hạt có các enzim như gluco-6-phophataza, nucleositphotphataza, glucôsyltransferaza, chúng tham gia vào các quá trình thuỷ phân. Ở các tế bào tổng hợp protein mạnh thì số lượng riboxôm nhiều. Sự tổng hợp các phân tử protein cấu tạo màng ngoại chất và màng các bào quan đều liên quan đến mạng lưới nội chất có hạt. Mạng lưới nội chất có hạt cũng tổng hợp phopholipit và cholesterol tham gia cấu tạo nên màng ngoại chất hoặc không ngừng đổi mới chúng. - Mạng lưới nội chất không hạt có lượng cholesterol và phophatidylcholin cao hơn, chiếm trên 50% tổng số lipit. Trên màng và trong túi có chứa chiều enzim tổng hợp các lipit phức tạp. Các tuyến nhờn là nơi tổng hợp các lipit mạnh nhất, ở đó có nhiều mạng lưới nội chất không hạt. Chức năng của mạng lưới nội chất không hạt là tổng hợp phopholipit, các axit béo. Tóm lại, mạng lưới nội chất là trung tâm sản xuất protein, lipit và chuyển sang bộ máy Gogli để biến đổi và phân phối đến các nơi khác trong tế bào.
27. - Riboxôm là phức hệ phân tử, tạo thành các hạt bé, nơi tổng hợp các mạch polypeptit. Mỗi ribôxôm gồm hai phân đơn vị: một lớn và một nhỏ. Mỗi đơn vị là phức hợp gồm ARNr, các enzim và các protein cấu trúc. Ở sinh vật tiền nhân (riboxôm 70S) gồm hai phân đơn vị 50S và 30S: Phân đơn vị lớn gồm 2 phân tử ARNr và có 35 protein, phân đơn vị nhỏ có ARNr và khoảng 20 protein. Các đơn vị này khi lắp ráp lại với nhau thì sẽ có một cấu trúc hoạt tính, có khả năng tổng hợp protein.Ở sinh vật nhân thực, riboxôm 80S được lắp ráp từ hai phân đơn vị 40S và 60S. Các riboxôm 80S gắn vào mạch ARNm tạo thành polyxôm. Ở nhiều tế bào thì những đơn vị chức năng có hiệu quả để tổng hợp protein là nhóm có 5-6 riboxom hoặc poliriboxôm. Khi không thực hiện tổng hợp, các phân đơn vị tách rời ra trong tế bào chất, Ở E.coli có gần 6.000 riboxôm. Người ta thấy rằng, kích thước riboxôm của vi khuẩn rất giống với riboxôm có trong ty thể, lục lạp. Nhìn chung riboxôm từ sinh vật thấp đến bậc cao khá đồng nhất về cấu tạo và thành phần hoá học đặc biệt là protein, nhưng ARN - riboxôm có thể có giao động lớn. Hình 17. Sơ đồ cấu tạo không gian 3 chiều của bộ máy Golgi. Cấu trúc siêu hiển vi bộ máy Golgi của tế bào động vật có vú. Các dictyosom khác nhau được nối với nhau, bởi các ống nối bằng cách hợp nhất các túi ở mặt trans để cấu tạo nên bộ máy Golgi. Cách sắp xếp này được làm sáng tỏ bởi Rambourrg 2.2.3.2.2. Bộ máy Golgi (Golgi apparatus hay Golgi complex) Bộ máy Golgi được phát hiện từ năm 1898 bởi Golgi. Nó thường nằm gần nhân tế bào hay ở cạnh trung thể. Bộ máy Golgi bao gồm các dictyosom mà mỗi dicyosom gồm nhiều túi nhỏ dẹp, được giới hạn bởi một màng, xếp chồng lên nhau không có riboxôm (hình 17). Mỗi dictyosom thường gồm 4-6 túi nhỏ có đường kính gần 1m là đơn vị hoạt động của bộ máy Golgi. Trong một tế bào các dictyosom nối với nhau bởi các ống để cấu tạo nên bộ máy Golgi. Ở tế bào thực vật, bộ máy Golgi chỉ có một dictyosom, nên bộ máy Golgi ở tế bào thực vật còn gọi là dictyosom. Các bọng tròn nhỏ, đường kính 50nm, có màng bao bọc, nằm rải rác xung quanh các chồng túi của bộ máy Golgi. Mỗi dictyosom có hai mặt: mặt cis và mặt trans giữa các mặt đó có các bể chứa chồng lên nhau: (xem hình 18).
28. - Mặt cis (mặt lồi) quay về phía mạng lưới nội chất và các bọng chuyển từ mạng lưới nội chất sang. Màng mạng lưới nội chất có hạt có quan hệ với mặt cis và thường không có riboxom. - Mặt trans (mặt lõm) có quan hệ với các bọng có vỏ bọc, với bọng trơn và với các không bào tiết. Các túi dẹp các bộ máy Golgi làm nhiệm vụ biến đổi, chọn lọc và đóng gói các đại phân tử sinh học mà sau đó được tiết ra ngoài hay được vận chuyển đến các bào quan khác. Nhiệm vụ của bộ máy Golgi là hoàn tất một số công việc của mạng lưới nội chất. Các protein từ mạng lưới nội chất chuyển sang có thể được biến đổi tiếp tục (glucô hoá, sulfát hoá, photphorin hoá ) Bộ máy Golgi cũng biến đổi glycan và cho chúng thoát ra qua các túi nhờn. Các bọng nhỏ làm nhiệm vụ vận chuyển vật liệu giữa bộ máy Golgi và các thành phần khác của tế bào 2.2.3.2.3. Các vi thể: Peroxysom và Glyoxysom - Peroxysom có cấu tạo túi cầu nhỏ, đường kính 0,2 -0,5m, chỉ bao bọc một màng đơn như lysoxom. Trong quá trình trao đổi chất một số phản ứng oxy hoá trong tế bào làm phân huỷ các axit amin, các lipit hình thành nên nước oxy già và nhiều chất độc khác. Trong peroxysom chứa các enzim oxy hoá tự sản sinh và xúc tác cho các phản ứng oxy hoá phân huỷ các chất độc, các H2O2. - Glyoxysom: là một vi thể khác chứa các enzim phân huỷ lipit thực vật thành đường nuôi cây con. Bào quan này chỉ có ở thực vật. Có thể nói glyoxysom là peroxysom của thực vật. 2.3.3. Tính chất sinh lý của tế bào chất + Tính thấm Nồng độ các chất tập trung bên trong tế bào cao hơn môi trường ngoài. Nếu không có màng bao bọc giữ lại, các chất bên trong sẽ khuyếch tán ra môi trường bên
29. ngoài. Như vậy, màng tế bào là vật cản duy trì trật tự hoá học trong tế bào, ngoài ra, các chất đi qua lại màng, cần có năng lượng tự do. Màng gọi là màng thấm có chọn lọc hay bán thấm khi các phân tử chất này qua được mà phân tử chất khác không qua được. Sự di chuyển của một dung môi thường là nước qua màng thấm chọn lọc từ chỗ có nồng độ các chất thấp hơn gọi là sự thẩm thấu. Nồng độ đường ví dụ 5% trong ống có màng bán thấm bao bọc gọi là nồng độ thẩm thấu (hình 19). Nước sẽ di chuyển từ chổ nồng độ thẩm thấu thấp vào chỗ có nồng độ cao hơn. Nồng độ thẩm thấu phụ thuộc tổng các phần tử hoà tan trong một đơn vị thể tích, trong trường hợp có nhiều chất khác nhau hoà tan. Nước di chuyển qua màng bán thẩm về phía có nồng độ dung dịch cao hơn do áp suất thẩm thấu. Áp suất của cột nước trong ống được dùng làm mức đo áp suất thẩm thấu của dung dịch đường. Dung dịch đường có nồng độ cao hơn sẽ có áp suất thẩm thấu cao hơn. Thẩm tích và thẩm thấu chỉ là hai dạng đặc biệt của khuếch tán là những hiện tượng rất căn bản cho hoạt động sống của tế bào. Thẩm tích là sự khuếch tán của các phân tử hoà tan qua màng bán thấm. Nếu tế bào rơi vào môi trường có nồng độ thẩm thấu cao hơn gọi là dung dịch ưu trương, nước sẽ đi ra ngoài tế bào, làm tế bào co lại. Nếu tế bào nằm trong dung dịch nhược trương có nồng độ thẩm thấu thấp hơn tế bào, nước vào trong tế bào làm phồng lên. Dung dịch có nồng độ thẩm thấu bằng với nồng độ thẩm thấu của tế bào gọi là đẳng trương. Môi trường sống của nhiều tế bào, nhất là dịch cơ thể thường đẳng trương. Nhiều chất di chuyển vào và ra khỏi tế bào chỉ nhờ khuếch tán đơn giản. Tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào kích thước, hình dạng của phân tử, vào điện tích của chúng và nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, các phân tử chuyển động nhanh hơn và tốc độ khuếch tán tăng.
30. pl + Sự vận chuyển có chọn lọc của các phân tử Sự tham gia với số lượng lớn của lipit vào cấu trúc màng, giải thích vì sao các phân tử nhỏ của các chất tan trong lipit có thể khuếch tán vào và ra khỏi tế bào, nhưng sự thấm qua màng của các chất không tan trong lipit thì lại phụ thuộc vào các protein màng. Màng tế bào tương đối không thấm đối với phần lớn các phân tử lớn phân cực. Điều này là một ưu thế vì đa số các chất chuyển hoá trong tế bào đều phân cực, không thấm qua màng, ngăn chúng thoát ra ngoài bằng khuếch tán. 2.4 Các bào quan của tế bào Các bào quan này có chức năng chuyển hoá năng lượng, bao gồm hai bào quan: ty thể và các lạp thể. Ty thể có trong tất cả các tế bào nhân thực và các lạp thể đặc biệt là lục
31. lạp chỉ có ở thực vật, đều có chức năng biến đổi năng lượng thành dạng hữu ích để hoạt hoá các phản ứng của tế bào. Cả hai bào quan này đều có hình thái đặc biệt, đều chứa bên trong một số lớn cấu trúc màng. Các màng này đóng vai trò quyết định trong hoạt động chuyển hoá năng lượng của hai bào quan này. Thứ nhất, chúng là điểm tựa cơ học cho sự vận chuyển điện tử để biến đổi năng lượng của các phản ứng oxy hoá. Thứ hai chúng bao bọc nhiều cấu trúc bên trong chứa các enzim xúc tác các phản ứng khác của tế bào. Ngoài ra cả hai có bộ máy di truyền độc lập riêng, đó là phân tử ADN vòng giống như vi khuẩn, và có nguồn gốc tiến hoá giống nhau. Về vấn đề này có 2 quan điểm: - Quan điểm phát triển: Trong quá trình phát triển và tiến hoá của tế bào nhân thực, các bào quan năng lượng hình thành từ màng nhân. Màng nhân eo thắt tạo thành thể khởi sinh (i). Từ thể khởi sinh sẽ phân hoá thành hai dạng bào quan: ty thể, lạp thể (hình 20). - Quan điểm cọng sinh: trong quá trình tiến hoá của tế bào nhân thực, vi khuẩn xoắn cọng sinh với tế bào nhân thực nguyên thủy và biến đổi thành ty thể. Còn lục lạp là kết quả của quá trình tăng trưởng về khối lượng của ty thể, mào gà đứt ra và biến đổi thành hệ thống thylakoit trên cơ sở hình thành các sắc tố quang hợp dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. 2.4.1. Ty thể Ty thể có hình dáng và kích thước giống tế bào vi khuẩn tức là hình trụ kéo dài, có đường kính 0,5 - 1m. Nó gồm các phần sau (hình 21A, B): + Chất nền (matrix): là phần chất choán bên trong của ty thể. Chất nền chứa một hỗn hợp rất đậm đặc của hàng trăm enzim, gồm các enzim cần cho oxy hoá piruvat, các axit béo và trong chu trình axit citric. Nó chứa các bản sao của ADN và các enzim khác nhau cần cho sự biểu hiện của các gen ty thể.
32. + Màng trong: màng trong được xếp lại nhiều nếp nhăn gọi là mào gà, làm tăng diện tích của màng. Nó chứa các protein với ba chức năng: - Thực hiện các phản ứng oxy hoá trong chuổi hô hấp. - Một phức hợp enzim có tên ATP synthetaza tạo ra ATP trong cơ chất. - Các protein vận chuyển đặc biệt điều hoà sự đi qua các chất ra ngoài hoặc vào trong chất nền. Vì có thang điện hoá, bộ máy của ATP synthetaza được thiết lập xuyên qua màng này do chuổi hô hấp, nên điều quan trọng là màng không thấm đối với các phần lớn ion nhỏ. + Màng ngoài: nhờ một protein tạo một kênh quan trọng, nên màng ngoài bị thấm bởi các phân tử nhỏ hơn hay bằng 10.000 dalton. Các protein khác bao gồm các enzim tham gia tổng hợp lipit trong ti thể và các enzim chuyển hoá lipit sang dạng tham gia trao đổi chất và tiếp theo trong matrix. + Khoảng giữa màng, chứa nhiều enzim sử dụng ATP do matrix đưa ra để phophorin hoá các nucleotit khác. Ty thể là trung tâm năng lượng của tế bào. Quá trình phân huỷ hiếu khí các thức ăn kèm theo tổng hợp ATP được gọi là hô hấp tế bào. Hô hấp tế bào là quá trình trải qua nhiều bước do enzim xúc tác, nhờ đó tế bào chiết rút năng lượng từ polysaccharit, lipit, protein và các chất hữu cơ khác. Toàn bộ quá trình dị hoá từ khi thu nhận các chất dinh dưỡng đến sự phân huỷ hoàn toàn, có thể chia thành ba giai đoạn: - Giai đoạn phân giải các chất đa trùng phân thành các chất đơn giản như protein thành a.amin, polysaccharit thành glucoza, lipit thành axit béo và glyxerol. Các phản ứng này xảy ra do sự xúc tác của enzim ở các mô dự trữ, thể vùi.
33. - Giai đoạn phân giải ở tế bào chất. Các chất đơn giản sẽ đi vào tế bào và chịu sự phân giải mạnh hơn ở tế bào chất như glucoza với quá trình đường phân biến thành pyruvat để xâm nhập vào ti thể. Trong ty thể pyruvat được chuyển hoá thành nhóm axetyl của hợp chất axetyl - coenzim A. Các glyxerol của lipit được chuyển hoá thành photphoglyxeraldehit rồi thành pyruvat. Các axit béo được chia cắt thành từng đoạn 2C để gắn vào thành axetyl -coenzim A. Các axit amin có nhiều cách chuyển hoá khác nhau: Một số axit amin chuyển thanh pyruvat, một số axit amin khác chuyển thành axetyl - CoA, số axit amin khác chuyển thành chất tham gia chu trình Krebs. - Sự biến đổi năng lượng xảy ra trong ty thể, nhóm axetyl của axetyl -CoA qua chu trình axit citric (chu trình Krebs) và hệ thống chuyền điện tử được oxy hoá hoàn toàn để thành CO2, H2O . Trong quá trình oxy hoá cuối cùng tạo ra 34ATP + 2ATP (của đường phân), có tất cả 36ATP. Mỗi ATP cung cấp 7,3Kcal. Phân tử glucoza chứa năng lượng tự do khoảng 670kcal/mol, sự phân giải glucoza chỉ tích luỹ được 270kcal/mol dạng năng lượng sinh học chiếm 39% năng lượng ban đầu của glucoza, 61% năng lượng còn lại được toả ra ở dạng nhiệt góp phần thúc đẩy nhanh các phản ứng khác nhau trong tế bào, một số nhiệt phế thải ở dạng entropie. 2.4.2. Lạp thể Trong các tế bào của phần lớn thực vật đều có lạp thể - là một thể nhỏ mà ở đó diễn ra sự tổng hợp hoặc tích luỹ các chất hữu cơ. Ở thực vật bậc thấp chỉ chứa một hoặc hai lạp có hình dạng khác nhau và khác với lục lạp có dạng bầu dục của thực vật bậc cao, có tên gọi là sắc thể, trên chúng có hạch tạo bột để tổng hợp tinh bột. Mặc dù các lạp thể có khác nhau về hình thái cấu trúc và chức năng, chúng có quan hệ với nhau qua sự hình thành cấu trúc mầm (tiền lạp thể) ở các mô phân sinh, và một loại lạp có thể biến đổi thành loại lạp khác (hình 22). Sự phân loại lạp thường dựa vào sự có mặt có sắc tố, chiếm ưu thế hay không có sắc tố như lạp không màu là lạp không có sắc tố, lạp màu là lạp chứa nhóm sắc tố carotenoit chiếm ưu thế, lục lạp chứa nhóm sắc tố chlorophin chiếm ưu thế và có vai trò sinh lý trong quang hợp, sử dụng được năng lượng ánh sáng mặt trời. + Lục lạp: Lục lạp điển hình có dạng hình thấu kính, đường kính gần 5m và dày 1m. Mỗi tế bào có từ 20 - 100 lục lạp, chúng có thể lớn lên và phân chia theo kiểu trực phân như ty thể. Lục lạp không đơn giản chỉ là cái túi chứa đầy chlorophin mà điều rất quan trọng của lục lạp là hệ thống cấu trúc màng. Chúng có màng ngoài rất dễ thấm, màng trong rất ít thấm, trong đó chứa nhiều protein vận chuyển đặc biệt và một khoảng không gian hẹp nằm giữa hai màng trong và ngoài. Màng trong bao quanh một vùng
34. không xanh lục được gọi là stroma tương tự như chất nền (matrix) của ty thể. Stroma chứa các enzim, các riboxom, ARN và ADN. Có sự khác nhau quan trọng giữa tổ chức của các ti thể và lục lạp. Màng trong của lục lạp không xếp thành mào gà và không chứa chuổi chuyền điện tử. Ngược lại, hệ thống quang hợp hấp thụ ánh sáng, chuổi chuyền điện tử và ATP synthetaza đều chứa trong màng thứ ba tách ra từ màng thứ hai. Màng thứ ba hình thành một tập hợp các túi dẹp có hình đĩa gọi là các thylakoit mà tại đó các phân tử sắc tố quang hợp được tổng hợp dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Lớp phân tử chlorophin cũng như carotenoit và lớp phân tử photpholipit nằm giữa protein, có một diện tích khá lớn. Ngoài ra, cấu trúc lớp có thể dễ dàng chuyền năng lượng từ phân tử protein này đến phân tử bên cạnh. Người ta cho rằng ánh sáng của mỗi thylakoit này được nối với ánh sáng của thylakoit khác, chúng xác định một thành phần cấu trúc gọi là khoảng trong thylakoit được tách ra với stroma bởi màng của thylakoit. Các thylakoit được xếp chồng lên nhau tạo thành một phức hợp cấu trúc hạt (grana). Các phân tử diệp lục nằm trên màng thylakoit của grana, nên ta thấy lá cây, thân non, quả non có màu xanh. Lục lạp là đơn vị cơ năng quang hợp nhờ đó mà năng lượng ánh sáng mặt trời thu nhận nhờ sắc tố chlorophin và sử dụng để khử các chất vô cơ (CO2 và H2O ) thành cacbonhydrat và O2. Thực chất của quang hợp là sự chuyển hoá năng lượng ánh sáng thành năng lượng hoá học ở dạng liên kết phân tử. Các phản ứng quang hợp có vai trò quan trọng là dự trữ năng lượng, mà năng lượng này được thu nhận từ vũ trụ để duy trì sự sống. Quang hợp được thực hiện ở bào quan lục lạp của tế bào. Quá trình được thực hiện gồm hai pha chủ yếu: - Pha sáng thu nhận và tích trữ năng lượng ở dạng ATP và NADPH xảy ra ở màng thylakoit. Nó sử dụng 48 phôton ánh sáng nhờ các phức hợp enzim và cấu trúc tinh vi của lục lạp, để quang phân ly 12 phân tử nước, thải ra 6O2, tích trữ được 12 NADPH2 và 18ATP, trong số đó có 6ATP được sử dụng cho tế bào. - Pha tối xảy ra ở stroma, nó sự dụng 18 ATP và 12 NADPH2 của pha sáng để tổng hợp chất hữu cơ theo chu trình Calvin. + Lạp màu: các lạp màu có hình dạng khác nhau: kéo dài, phân thuỳ, có góc cạnh, hình cầu, thường có màu vàng hoặc màu cam thuộc nhóm carotenoit. Các lạp màu có các thể vùi như: tinh thể carotenoit, các cầu nhỏ hiển vi và siêu hiển vi, các bó sợi siêu hiển vi. Carotin trong các lạp màu cà rốt đầu tiên giống như các hạt nhỏ nhưng về sau chúng kết tinh thành dải, dạng phiến hoặc xoắn ốc. Đến nay, người ta vẫn chưa biết các tinh thể trưởng thành có màng kép lạp hay không. Sự phát triển của các lạp màu với thể vùi hình cầu, hình sợi từ các lục lạp thường kéo theo sự phá huỷ của các hạt grana. Các lạp màu còn phát triển từ các lạp không màu. + Lạp không màu: Các lạp không màu không phải là một nhóm lạp xác định rõ ràng. Chúng có ở những tế bào trưởng thành không bị phơi ra ngoài ánh sáng như ở tuỷ thân, các cơ quan dưới đất. Chúng chưa được phân hoá rõ ràng từ các lạp chưa trưởng thành của các tế bào mô phân sinh. Các lạp của biểu bì thường không mang chất màu và được xếp vào nhóm lạp không màu. Lạp không màu thường xuất hiện như những khối nguyên sinh chất nguyên sinh, hình dạng có thể thay đổi hay bền vững. Chúng thường tụ tập gần nhân. Các lạp không màu được chuyển hoá như những thể dự trữ tinh bột và được
35. coi là lạp bột. Lạp dầu cũng là lạp không màu có chức năng dự trữ các chất dạng lipit. Các chất béo không chỉ được phát sinh từ các lạp dầu mà còn trực tiếp từ tế bào chất. + Nguồn gốc của các lạp Trong sự phát triển cá thể tế bào của mô phân sinh, có các lạp nhỏ không có cấu trúc hoặc có cấu trúc hết sức đơn giản nhưng thường có một hạt tinh bột, gọi là các tiền lạp thể. Từ tiền lạp thể hình thành các lạp khác nhau (hình 22). Trong các lạp, các ADN vòng chúng tiến hành sao mã và phân chia theo kiểu trực phân. Theo chủng loại phát sinh các lạp có hai quan điểm khác nhau: - Quan điểm phát triển: trong quá trình tiến hoá từ sinh vật tiền nhân đến sinh vật nhân thực, các lạp được phân hoá trong tế bào chất, để thực hiện các chức năng quang hợp, dự trữ - Quan điểm cọng sinh: các lạp thể có nguồn gốc từ ty thể. Ty thể tăng trưởng, các mào răng lược tách khỏi màng trong và phát triển thành các grana. Cũng có người cho rằng, bào quan lục lạp là kết quả cọng sinh của tế bào vi khuẩn lam với tế bào sinh vật nhân thực. 2.5. Nhân tế bào 2.5.1. Số lượng, hình dạng kích thước nhân Ở sinh vật chưa có cấu tạo tế bào như vi rút, nhiễm sắc thể là đại phân tử ADN hay ARN thuần khiết, chúng chỉ có chức năng sinh sản và mã hoá cho vỏ protein để bảo vệ chúng. Ở sinh vật tiền nhân, nhiễm sắc thể chỉ là phân tử ADN thuần khiết, dạng vòng, nằm trong tế bào chất, chưa được bao bọc trong màng kép nhân. Ở sinh vật nhân thực, do các nhiễm sắc thể được khu trú trong màng kép nhân, nhờ đó mà bào quan nhân được hình thành (hình 23). Nhân có hình dạng khác nhau: bầu dục, hình cầu v.v , kích thước cũng không giống nhau từ 5m - 50m. Tế bào thường có một nhân nhưng cũng có nhiều nhân. Tế bào non nhân thường nằm giữa, tế bào già nhân bị dồn ra phía màng. 2.5.2. Thành phần cấu tạo của nhân Nhân là bào quan lớn nhất dễ nhìn thấy dưới kính hiển vi quang học, chiếm khoảng 10% thể tích của tế bào, nhưng nó chứa hầu như toàn bộ ADN của tế bào (95%) (hình 23). Hai cấu trúc nhân được hình thành đó là hạch nhân và các sợi nhiễm sắc hay còn gọi là sợi
36. thể nhân nằm trong dịch nhân được bao quanh bởi màng kép nhân. Đó là bước nhảy vọt về cấu trúc nhân mà có thể thấy được trong pha gian kỳ của tế bào mô phân sinh hoặc trong tế bào mô vĩnh viễn. + Màng kép nhân: màng kép nhân là ranh giới giữa nhân và chất tế bào, nó gồm hai màng cơ sở giống như hai màng đơn của lưới nội chất. Màng nhân và mạng lưới nội chất liền nhau (hình 24). Mạng lưới nội chất nối liền với các tế bào khác nhau qua sợi liên bào, vì vâỵ hình như có một hệ thống màng liên tục tồn tại giữa nhân và các tế bào khác. Tính đồng nhất của màng kép nhân với mạng lưới nội chất được xác định bằng những quan sát siêu hiển vi trong quá trình phân bào có tơ. Cuối kì trước và kì giữa màng kép nhân bị tách ra thành các đoạn nhỏ mà không thể phân biệt được với mạng lưới nội chất. Ở kì cuối, các bọng tương tự với mạng lưới nội chất hợp nhất lại bao quanh các nhiễm sắc thể và hạch nhân. Dưới kính hiển vi quang học, có thể quan sát được "màng nhân", giới hạn giữa tế bào chất và nhân. Màng này thấy được dưới kính hiển vi quang học là do các chất dị nhiễm sắc nối liền với màng kép nhân qua các sợi lamina tương tự như các sợi của bộ khung sườn tế bào. Màng kép nhân có màng ngoài tiếp giáp với tế bào chất và màng trong tiếp giáp với các sợi lamina, do đó mà nó không tiếp xúc trực tiếp với các sợi nhiễm sắc. Giữa hai màng này, có một khoảng không bao quanh nhân, Trên màng kép nhân có các lỗ mở, tạo ra sự thông thương giữa nhân và tế bào chất, cho phép vận chuyển các chất nội sinh và ngoại sinh theo hai chiều: nhân - tế bào chất và tế bào chất - nhân. Nó có vai trò trong việc điều hoà các ARN và các protein giữa nhân và tế bào chất. + Dịch nhân: Số lượng dịch nhân lớn, có cấu trúc hạt. Tỷ lệ protein trong tế bào chất cao hơn trong nhân. Một trong những khác nhau quan trọng về mặt hoá học giữa nhân và tế bào chất là dựa vào bản chất và lượng các axit nucleic giữa hai thành phần này của chất nguyên sinh. ADN và các đơn vị thông tin di truyền tích giữ trong chúng là đặc
37. điểm riêng biệt của nhân và được coi là trung tâm di truyền. ARN trong tế bào chất thường phong phú hơn trong nhân. + Chất nhân - Sợi nhiễm sắc và nhiễm sắc thể Trong gian kì các nhiễm sắc thể tháo xoắn tạo thành mạng lưới bao gồm các sợi nhiễm sắc (sợi thể nhân) là nhiễm sắc thể của pha gian kì để sao mã ADN và phiên mã ARNm, ARNt, ARNr. Số lượng ADN trong mỗi nhân tuỳ thuộc vào mức độ bội thể trong cơ thể. Trong thời gian phân bào, ADN cuộn lại. Tổ chức vật chất di truyền như thế có ưu điểm lớn, nhờ nó mà số đơn vị phân ly giảm đi, sự phân ly có hiệu quả hơn giảm bớt nguy cơ phân ly sai và sửa sai của các đơn vị di truyền, nếu như các đơn vị di truyền này tồn tại riêng rẻ. Mặt khác các đơn vị di truyền nằm trong nhiễm sắc thể bảo đảm sự tương tác và kiểm tra lẫn nhau mà hình thành các quy luật di truyền Menden và các quy luật di truyền Menden bổ sung. Những ưu điểm di truyền này, do chọn lọc tự nhiên tạo nên và không thể có ở các đơn vị di truyền tồn tại độc lập với nhau. Như vậy, nhiễm sắc thể là phức hợp các đơn vị di truyền, là sản phẩm của quá trình tiến hoá, có giá trị chọn lọc cao. Sợi nhiễm sắc là chất nhuộm màu mạnh bởi các chất nhuộm kiềm và nucleoprotein là chất cấu thành chủ yếu của sợi nhiễm sắc. Chất nhiễm sắc thể hiện các vùng có các sợi ADN xoắn mạnh mà nó cấu tạo nên các hạt nhiễm sắc còn gọi là dị nhiễm sắc. Còn những đoạn tháo xoắn, ít bắt màu nằm giữa các đoạn dị nhiễm sắc là nhiễm sắc thực. Ở thời kì phân bào, các sợi thể nhân bện xoắn mạnh tạo thành nhiễm sắc thể pha phân bào, chúng có hình dáng và kích thước đặc trưng ở kì giữa, gồm hai nhiễm sắc thể con dính với nhau ở eo sơ cấp, lúc này màng nhân khuếch tán vào tế bào chất. Nhiễm sắc thể gồm có ADN, các protein histon giữ vai trò cốt lõi trong việc cuộn lại phân tử ADN và các protein không histon. Cả ba thành phần này gộp lại, tạo nên sợi nhiễm sắc ở pha gian kì. Sợi ADN dài quấn quanh các protein histon tạo nên nucleosom là đơn vị cấu trúc của nhiễm sắc thể. Nếu như chúng xoắn lại ở pha phân bào, thì tạo thành nhiễm sắc thể có cấu trúc gồm các phần: nhiễm sắc thể thực, dị nhiễm sắc thể, eo sơ cấp, thể cuối, eo thứ cấp, và thể kèm chỉ có ở nhiễm sắc thể hạch nhân. Trong quá trình phân bào, các tập tính của nhân có nhiều thay đổi, kèm theo sự xuất hiện bộ máy phân bào, để phân phối các nhiễm sắc thể vào các tế bào con. + Hạch nhân: hạch nhân là thể nội nhân điển hình có mặt trong nhân ở pha gian kì, chúng thường biến mất trong thời gian phân bào và đến kì cuối thì hình thành lại ở eo thứ cấp của nhiễm sắc thể hạch nhân. Hạch nhân có hình bầu dục hoặc hình cầu, nhuộm màu đậm, là bộ máy sản xuất riboxom: các ARNr, được tổng hợp, ngưng tụ ngay trong nhân với các protein riboxom để hình thành các riboxom. Nó được tạo nên nhờ các cuộn ADN từ nhiều nhiễm sắc thể góp chung lại. Nhưng theo M. Maillet, hạch nhân gồm có hai phần: sợi nhiễm sắc có dạng trăng lưỡi liềm bao xung quanh hạch nhân và có các hạt đậm, đồng nhất mà kích thước của chúng không đều (trung bình từ 1 - 2m) trong các tế bào bình thường (hình 23). Nếu phá huỷ hạch nhân bằng tia Rơngen hoặc tia tử ngoại thì sự phânchia tế bào bị ức chế. 2.5.3. Chức năng của nhân Chức năng quan trọng của nhân tế bào là chứa thông tin di truyền. Sự phân chia đều đặn nhiễm sắc thể về các tế bào con đảm bảo sự chia đều thông tin di truyền cho các thế hệ sau của các tế bào sôma, hay tạo ra các tế bào sinh sản hữu tính hoặc sinh sản vô tính bằng bào tử.
38. Nhân cần thiết cho các quá trình trao đổi chất mà trước hết là tiến hành sao mã ADN, phiên mã các ARN và để tổng hợp các protein cấu trúc đặc biệt là các protein enzim là công cụ phân tử để thực hiện các chức năng tế bào. Màng kép nhân cũng có vai trò điều hoà các ARN và các protein. Do vậy nhân là trung tâm điều khiển mọi hoạt động sống của tế bào, bảo đảm cho sự sinh trưởng, phát triển, sinh sản của tế bào. Tế bào mất nhân, có thể tiếp tục tổng hợp protein nhưng không thể sinh sản và duy trì sự sống của tế bào lâu dài được. Hemeling tiến hành thực nghiệm trên loài tảo biển đơn bào Acetabularia mediteranea. Loài tảo biển này cao 5cm, có sự phân hoá thành các phần mủ, cuống, rễ giả nhưng nhân nằm ở phần rể giả . Khi ghép đoạn cuống không nhân của loài này lên phần rễ giả của loài khác thì mủ mọc trên đoạn cuống không nhân phụ thuộc vào nhân của loài rể giả có nhân. Trên cơ sở những thí nghiệm ấy, Hemeling kết luận rằng, nhân sinh ra một chất nào đấy cần cho việc tạo mủ. Chất này phân tán bằng cách khuếch tán theo cuống đi lên phía trên và kích thích tạo mủ (hình 25). 2.6. Các thể ẩn nhập trong tế bào Các thành phần không phải chất nguyên sinh là sản phẩm trao đổi chất của thành phần nguyên sinh, nằm trong tế bào chất như không bào chứa dịch tế bào, các hạt tinh bột, hạt alơron, các giọt dầu và các sản phẩm trao đổi chất cuối cùng như các tinh thể vô
39. cơ, chúng nằm vùi trong tế bào chất nên gọi là thể vùi hay thể ẩn nhập. Vách tế bào là sản phẩm trao đổi chất của thành phần nguyên sinh, nhưng nó nằm ngoài màng sinh chất, nên không được coi là một thành phần của tế bào chất. Các thành phần nguyên sinh và không phải chất nguyên sinh (trừ các sản phẩm bài tiết, các tinh thể vô cơ) là các thành phần cơ bản của tế bào thực vật chúng tác động qua lại với nhau tạo ra tế bào sống. Thể ẩn nhập là các sản phẩm thứ sinh được tạo ra do tổng hợp thứ cấp hoặc do sự phân giải qua sự trao đổi chất trong đời sống tế bào. Chúng là những sản phẩm dự trữ hay thải bả thường có cấu trúc đơn giản hơn chất nguyên sinh. Các sản phẩm thứ sinh được nghiên cứu nhiều nhất là các hạt tinh bột, xenluloza, chất béo, protein và chất vô cơ ở dạng tinh thể và các chất hữu cơ thuộc sản phẩm phân giải như tanin, nhựa, gôm, cao su, ancaloit mà chức năng của chúng chưa được hiểu biết đầy đủ. Các chất thứ sinh nằm trong không bào, trong vách tế bào và có thể phối hợp với các thành phần của chất nguyên sinh tế bào. 2.6.1. Hạt tinh bột Hạt tinh bột là những chất tổng hợp thứ sinh chính của chất nguyên sinh, tinh bột tồn tại như một nguyên liệu dự trữ trong thể nguyên sinh, chất này có những phân tử chuổi dài mà những đơn vị cơ bản của chúng là gốc glucoza, mất một phân tử nước và có công thức C6H10O5 . Các phân tử tinh bột đều có cấu tạo từ một số lớn các nhóm monosaccharit, kết hợp với nhau thành chuỗi dài và thẳng (amiloza) hoặc phân nhánh (amilopectin). Các phân tử tinh bột của các loại khác nhau, đều có công thức phân tử tổng quát là (C6H10O5)n. Các lạp không màu có chức năng tổng hợp các tinh bột thứ cấp để dự trữ, gọi là lạp bột. Những thay đổi hình thái, kích thước của các hạt tinh bột thường rất đa dạng, có thể sử dụng chúng để góp phần xác định đặc tính các loài cây (hình 26). Chẳng hạn kích thước hạt tinh bột khoai tây là 70 - 100m, lúa mì là 30 - 40m, ngô là 12 - 18m và hình thái cấu tạo rất khác nhau. Các hạt tinh bột ở nhiều cây có sự phân lớp đồng tâm rõ rệt, vì sự luân phiên các lớp khúc xạ nhiều hay ít do sự ngậm nước hay không ngậm nước của các phân tử tinh bột. Các lớp này sắp xếp quanh một cái rốn mà vị trí của chúng ở trung tâm hoặc lệch tâm. Các hạt bán kép có hai hay nhiều rốn nhưng nằm chung trong một màng của lạp không màu. Tinh bột phổ biến trong cơ thể thực vật nhưng thường có trong mô mềm dự trữ của hạt, mô mềm của các mô dẫn thứ cấp ở thân và rễ, mô mềm của các cơ quan dự trữ như thân, rễ, củ, thân hành (H.27)
40. 2.6.2. Hạt alơrôn Hạt alơrôn là thành phần chính trong chất nguyên sinh, nhưng chúng cũng tồn tại như những chất thứ sinh, tạm thời không hoạt động, xem như là chất dự trữ. Chúng tồn tại ở dạng kết tinh hoặc vô định hình. Protein vô định hình có thể tạo ra các chất định hình hoặc vô định hình như ở Tảo, Nấm, noãn cầu hạt trần. Protein kết tinh phối hợp những thuộc tính keo, vì vậy chúng có dạng tinh thể. Protein vô định hình quen thuộc là gluten, nó là một chất liên kết với tinh bột ở nội nhũ lúa mì, ở nhiều hạt, phôi nhũ, nội nhũ hoặc ngoại nhũ có chứa protein dự trữ ở dạng hạt alơron. Các hạt này có thể là đơn hoặc có chứa các thể vùi dạng cầu (á cầu) và dạng tinh thể của protein. Những dạng tinh thể protein hình khối lập phương có trong tất cả tế bào mô mềm ở vùng ngoại vi củ khoai tây (hình 28). Nguồn gốc của các thể vùi protein đã được nghiên cứu chủ yếu bằng cách theo dõi sự phát triển các hạt alơrôn, protein đầu tiên nằm trong không bào, protein cô đặc lại chuyển thành alơron. 2.6.3. Giọt dầu Chất chất dầu phân bố rộng rải trong cơ thể cây và chúng tồn tại với một lượng nhỏ trong tế bào cây. Thuật ngữ chất béo không chỉ dùng để diễn đạt các este của axit béo
41. với glyxerol mà còn liên quan với những chất được tập hợp dưới tên lipit. Dầu được coi là chất béo lỏng. Các chất sáp, suberin và cutin có bản chất là chất béo và thường xuất hiện như những chất bảo vệ ở trong và trên vách tế bào. Phophatit và sterol cũng có liên quan với chất béo. Chất béo và dầu là các thể vùi, thường là nguyên liệu dự trữ trong hạt, bào tử, phôi, trong các tế bào mô phân sinh và đôi khi nằm trong mô vĩnh viễn. Chúng xuất hiện như những thể rắn hoặc thông thường là những giọt nhỏ kích thước khác nhau hoặc phân tán vào tế bào chất hoặc được tập hợp thành khối lớn. Về mặt nguồn gốc, chất béo hoặc hình thành trong tế bào chất (không bào dầu) hoặc hình thành trong lạp không màu (lạp dầu). Tinh dầu là một chất dễ bay hơi, có mùi thơm, thường thấy phổ biến trong cây như ở Tùng bách, chúng có trong tất cả các mô của các loài cây khác, chúng chỉ phát triển ở cánh hoa, vỏ quả, lá hoặc trong quả. 2.6.4. Tanin Tanin là một nhóm các chất phenol, thường có liên quan với glucozit. Với nghĩa hẹp, tanin chỉ là một loại hợp chất phenol đặc biệt, có trong lượng phân tử cao. Những chất khan nước của tanin như phlobaphen là những chất vô định hình có màu vàng, màu đỏ hoặc màu nâu. Chúng xuất hiện như những khối hạt nhỏ, thô hoặc mịn hoặc như các thể với kích thước khác nhau. Tanin đặc biệt phong phú trong nhiều lá cây có ở phloem và chu bì của thân, rể, ở quả chưa chín, có ở vỏ hạt và các khối u bệnh lý như các mụn cây. Tuy nhiên, dường như không có mô nào là không có tanin hoàn toàn và chúng còn tìm thấy ở mô phân sinh của các cây một lá mầm, thường rất nghèo tanin. Ở các tế bào riêng lẽ, tanin nằm trong nguyên sinh chất và cũng có thể xâm nhập vào vách chẳng hạn như mô bần. Trong chất nguyên sinh, tanin là một thành phần thông thường của không bào hoặc ở trong tế bào chất ở dạng giọt nhỏ và những giọt này hợp lại với nhau.
42. Về chức năng, tanin được giải thích như những chất bảo vệ nguyên sinh chất chống lại sự khô héo, thối rửa hoặc hư hại do động vật, hoặc như những chất dự trữ gắn liền với sự trao đổi chất của tinh bột theo một phương thức chưa xác định nào đó, như những chất chống oxy hoá và như những chất keo bảo vệ và giữ vững tính đồng nhất của tế bào. 2.6.5. Tinh thể canxi oxalat và các chất vô cơ khác Tinh thể này thường thấy ở các không bào. Một số tinh thể canxi oxalat hình thành trong tế bào biểu bì, hay tế bào mô mềm. Một số tinh thể khác hình thành trong dị tế bào. Còn một số tinh thể của chúng lắng đọng trong vách tế bào. Các tinh thể thường nhỏ hơn tế bào chứa chúng, hoặc lấp đầy toàn bộ tế bào, thậm chí còn làm biến dạng tế bào. Các tinh thể hình kim thường nằm trong các tế bào dị hình lớn, khi trưởng thành là những tế bào chết, chứa đầy chất nhầy, có phồng lên, nhưng vách tế bào vẫn mỏng nên tế bào có thể bị vỡ và các tinh thể hình kim bị tống ra ngoài. Các tinh thể canxi oxalat có thể kết tinh đồng đều khắp mô hoặc bị giới hạn vào một vùng mô. Canxi cacbonat ít khi thấy tồn tại ở những tinh thể có hình dạng rõ rệt. Nang thạch và tinh thể canxi cacbonat nằm trong mô mềm và biểu bì. Ở mô biểu bì, chúng có thể tạo ra ở lông hoặc ở các nang thạch tế bào đã tăng trưởng. Silic được lắng đọng hầu hết trong vách tế bào, nhưng đôi khi hình thành trong khoang tế bào. Silic thường tồn tại ở dạng vô định hình (hình 29). 2.7. Không bào và dịch tế bào Không bào là khoảng không gian được hiện ra trong tế bào chất như những túi chứa nước và các chất tan hoặc tích chứa nước do tế bào thải ra. Không bào được bao quanh màng nội chất. Các tế bào nhân thực có nhiều loại không bào tương ứng với chức năng khác nhau như ở nguyên sinh động vật có không bào co bóp, không bào tiêu hoá, không bào dự trữ thức ăn. Ở tế bào thực vật, có các không bào thẩm thấu, không bào đạm (hạt alơrôn, không bào dầu (giọt dầu), chúng còn gọi là không bào thực phẩm. Tất cả các không bào của cùng một tế bào hoặc một cơ thể được coi như là một hệ thống gọi là hệ thống không bào. Thành phần chính của không bào chứa dịch tế bào của thực vật là nước và các chất hoà tan khác như muối, đường đơn, axit hữu cơ và những hợp chất hoà tan khác như
43. protein, các chất béo, tanin, các loại anthoxyan hay các nhóm sắc tố đó có trong dung dịch của không bào tạo ra màu sắc của hoa, quả, lá mùa thu. Chúng tạo ra dung dịch thật hoặc trạng thái keo trong không bào. Những chất có mặt trong không bào, được liệt vào những chất thứ sinh. Chúng có thể là chất dự trữ được dùng vào các hoạt động sống, hoặc những sản phẩm cuối cùng của trao đổi chất. Có hai loại không bào: loại tương đối kiềm thường nhuộm màu cam đỏ nhạt với đỏ trung bình và loại axit rõ rệt, màu đỏ lam nhạt. Nồng độ của dịch tế bào thay đổi và khi một chất tích luỹ quá độ bảo hoà của nó thì có thể kết tinh được. Nồng độ có thể tăng lên khi các hạt khô. Nếu ta đặt tế bào vào dung dịch ưu trương, sẽ dấn tới hiện tượng co nguyên sinh của tế bào. Các không bào thay đổi hình dạng và kích thước gắn liền với giai đoạn phát triển và trạng thái trao đổi chất trong tế bào. Ở các tế bào trưởng thành có một không bào duy nhất nằm trung tâm tế bào, ngược lại tế bào chất và nhân nằm sát vách tế bào. Ở các tế bào mô phân sinh không bào thường nhiều và nhỏ, nhưng ở một số tế bào mô phân sinh của tầng sinh mạch, có một hệ thống không bào lớn. Không bào nhỏ bé của tế bào mô phân sinh tăng về kích thước qua hoạt động sống hoặc chứa các sản phẩm trao đổi chất cuối cùng. Độ nhớt dịch tế bào có thể kết hợp với sự có mặt của chất keo, đôi khi chúng xuất hiện dạng gel thụ động. Không bào có chứa các hợp chất tanin thường có độ nhớt cao. Ở các tế bào mô phân sinh, không bào thường nhiều và nhỏ, nhưng nó tăng kích thước qua sự hấp thụ nước và dần dần hợp lại với nhau, khi tế bào lớn lên và già đi. Như vậy, sự tăng trưởng của một tế bào thực vật thường kéo theo sự tăng số lượng dịch tế bào và mở rộng vách của nó. Chất nguyên sinh của nó có thể phát triển về số lượng. III. Sự phân bào (Sự sinh sản tế bào) Có thể phần thành hai nhóm phân bào: trực phân và gián phân. Gián phân được phân chia thành hai loại: phân bào nguyên nhiễm và giảm nhiễm. Trong đời sống của cơ thể thực vật, các cách phân bào ấy có giá trị khác nhau. Phân bào trực phân hay còn gọi là phân bào không tơ, xảy ra ở sinh vật tiền nhân hoặc ở một số mô như phôi nhũ hoặc nội nhũ, nhằm làm tăng nhanh số lượng tế bào trong một thời gian ngắn. Phân bào nguyên nhiễm và giảm nhiễm còn gọi là phân bào có tơ thường xảy ra ở tế bào sinh vật nhân thực, chúng có cấu trúc nhiễm sắc thể và quá trình phân bào, tạo ra sự đa dạng các tế bào thể (soma) và tế bào sinh sản (germen), nghĩa là tạo được sự da dạng nguyên liệu làm cho quá trình tiến hoá nhanh hơn. Cơ sở phân tử của sự sinh sản là sự tái bản ADN, cơ sở tế bào học của sự sinh sản là sự phân bào. Đứng về phương diện sinh sản để hình thành cơ thể con thì có ba loại sinh sản: sinh sản vô tính bằng bào tử, sinh sản hữu tính và sinh sản vô tính sinh dưỡng. 1. Sự phân bào trực phân Đó là hình thức phân bào của sinh vật tiền nhân hay tế bào của một số mô thuộc sinh vật nhân thực mà tế bào chất và “nhân” bị thắt ngang tách đôi như tế bào vi khuẩn, còn ở các tế bào nội nhũ, phôi nhũ cũng như tế bào mô bị thương nhân kéo dài chia đôi cùng với tế bào chất. Phân bào trực phân có thể xảy ra sự tái bản ADN một lần hay nhiều lần, hoặc ADN không tăng lên trong pha gian kì, nhưng do không có thoi vô sắc nên tế bào chất và nhân trực tiếp eo thắt ở giữa tạo ra hai tế bào con. Mỗi tế bào con, chứa số lượng nhiễm sắc thể bằng nhau hoặc không bằng nhau. Sự phân bào không có thoi vô sắc có thể phân chia nhân, nhưng tế bào chất không phân chia, dẫn tới tế bào có nhiều nhân. 2. Sự phân bào gián phân
44. Sự phân bào gián phân bao gồm sự phân bào nguyên nhiễm và giảm nhiễm. Đặc trưng của phân bào gián phân hình thành bộ máy phân bào để phân phối các nhiễm sắc thể về hai cực của tế bào con và chỉ xảy ra ở tế bào sinh vật nhân thực. 2.1. Sự phân bào nguyên nhiễm Phân bào nguyên nhiễm ở thực vật chỉ xảy ra ở các tế bào của mô phân sinh, ở các tế bào nguyên bào tử, và ở một số tế bào mô vĩnh viễn duy trì khả năng phân chia, mà các tế bào con nhận đúng một số lượng nhiễm sắc thể, kiểu nhiễm sắc thể và các đặc tính hình thái, sinh lý giống tế bào mẹ. Mỗi chu kì phân bào nguyên nhiễm gồm có hai pha: gian kì và kì phân chia (M). Kỳ phân chia gồm: pha phân chia nhân (caryodiérèse), tiếp theo là pha phân chia tế bào chất (cytodiérèse). Chu kì phân bào là toàn bộ những thay đổi hình thái, cấu tạo mà một tế bào phải trải qua trong lúc hình thành tế bào con (hình 30). 2.1.1. Gian kì Gian kì là pha dài nhất mà nó được bắt đầu khi kết thúc kì cuối của pha phân chia. Gian kì gồm pha G1, pha S, và pha G2. Thời gian của gian kì này thay đổi tuỳ theo điều kiện sinh lý của các kiểu tế bào. Nếu chu kì tế bào kéo dài 23 giờ, thì gian kì chiếm mất 22 giờ còn kì phân chia chiếm gần 1 giờ. Vì vậy chức năng của pha gian kì nhằm tổng hợp các vật liệu cần thiết để sản sinh ra các tế bào con. (H.30) + Pha G1: Pha G1 còn gọi là pha tăng trưởng, là sự kiện quan trọng nhất trong gian kì. Pha này có ba sự kiện chính: * Chín; hoạt động; già * Bước vào vùng phân bào mới * Bước vào pha Go, pha nghỉ hay pha phân hoá - Thời gian của pha này: tuỳ theo bản chất của tế bào (tế bào phôi pha G1 một giờ, tế bào ung thư thì rất ngắn). Ngược lại, thời gian của pha G1 kéo dài đến nỗi giường
45. như dừng lại, không chuyển vào pha S, kí hiệu của pha này là Go (ở các tế bào chuyên hoá của mô vĩnh viễn). - Điểm tới hạn hay điểm khởi sự. Cuối pha G1, tế bào có thể: bước vào pha Go: tế bào bước vào vùng chuyên hoá đi vào pha S để tiếp tục bước vào pha phân chia. Trong thực tế, ngay khi tế bào bước ra khỏi pha G1, nó liên tục đi vào các pha S, G2, kì phân chia (M), bất chấp môi trường ngoài như thế nào. Nó có một điểm không quay trở lại hay điểm tới hạn (R) hay còn gọi là điểm bắt đầu (S) nghĩa là qua khỏi điểm R hay điểm S, tế bào bắt buộc đi vào liên tục các pha khác của chu kì tế bào, cho dù điều kiện môi trường xảy ra như thế nào. Điểm S được khám phá ở tế bào nấm men nuôi cấy và nó cũng có ở tất cả các tế bào nhân thực, nằm ở vị trí cuối pha G1, còn gọi là điểm R. - Chức năng của các tế bào pha G1. Tế bào mới được hình thành chứa một lượng ADN đặc trưng cho từng loài, tương ứng trong tế bào 2n hoặc n (soma). Ở giai đoạn này, các nhiễm sắc thể được hình thành bởi một sợi nhiễm sắc (chromatin) xoắn hoặc không xoắn. Trong pha này, mỗi nhiễm sắc thể được hình thành một phân tử ADN xoắn kép liên kết với các histon. Đầu pha G1, các tế bào con vừa được phân chia, vì vậy khối lượng tế bào con bằng 1/2 tế bào mẹ. Trong pha này, các tế bào con phải tổng hợp các enzim và các phân tử trước khi bước vào pha M. Pha G1 là pha tổng hợp, trong pha này sự tái bản ADN không thể xảy ra. Mỗi gen tổng hợp các phân tử ARNr, ARNt, ARNm. Các protein được tổng hợp bởi các axit amin (chuổi các axit amin quyết định cấu trúc đặc thù và các chức năng của mỗi protein). Trong pha G1, sự tổng hợp ARNm, bảo đảm sản xuất protein cần thiết cho sinh trưởng của tế bào (ADN chịu trách nhiệm tổng hợp ARN chứa trong nhiễm sắc thực). + Pha S hay pha sao chép ADN - Sự khởi động pha S. Pha này xảy ra nhờ có các tín hiệu rất chính xác. Khi hợp nhất tế bào pha S với tế bào pha G1 hay pha Go, nhân của tế bào Go hay G1 chuyển thành nhân của tế bào pha S, như vậy, tín hiệu sản xuất bởi tế bào pha S gây ra sự phân bào của tế bào Go và G1. Ngược lại, các tín hiệu của tế bào pha S không có tác dụng đối với tế bào pha G2. Các tín hiệu pha S được sản xuất trong tế bào chất, có khả năng kích thích tế bào pha G1 hay pha Go, được gọi là chất hoạt hoá pha S. Khi ADN được tái bản, thì sự tái bản mới ADN được đình chỉ hoàn toàn trong các nhiễm sắc thể. - Yếu tố ngăn chặn chuyển từ pha G1 đến pha S. Protein P53cdc2 (enzim kinaza của chu kì phân bào) ngăn chặn tái bản của ADN, đặc biệt ngăn chặn sự tái bản hỗn loạn. Enzim này có trong pha G1 dưới dạng của pha S. - Các yếu tố cho phép đi từ pha G1 đến pha S và yếu tố khởi sự bắt đầu Các protein cyclin (cyclin A, B ) được tiết ra trong suốt chu kì tế bào và đạt được tối đa ở pha M: bằng cách liên kết với enzim kinaza cdk2, chúng cho phép chuyển sang pha S. Vai trò quan trọng được tác động bởi enzim kinaza cdk2 được thể hiện bởi protein Cip1 (protein ức chế cdk2). Protein này làm thành một phức hệ với cdk2 mà nó ức chế hoạt động protein kinaza và ngăn chặn đi từ pha G1 đến pha S. Yếu tố cdk2 không đủ để khởi động đi từ pha G1 đến pha S. Nó phải thêm vào các yếu tố cytokin (yếu tố tăng trưởng) với một tỷ lệ dinh dưỡng đủ cũng như protein P53cdc2 (cdc là gen của chu kì phân chia tế bào, chịu trách nhiệm tổng hợp protein có trọng lượng phân tử 53 dalton) với điều kiện, protein này được photphorin hoá và liên kết với protein G1. Vì vậy nó trở thành yếu