Giáo trình Tế bào học

152 trang ngocly 40 Free

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Tế bào học", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_te_bao_hoc.pdf

Nội dung text: Giáo trình Tế bào học

Phần I THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA TẾ BÀO Chương 1 CÁC LIÊN KẾT HÓA HỌC 1.1. Thành phần nguyên tố của tế bào Mọi cơ thể sống từ đơn giản đến phức tạp đều được cấu tạo từ tế bào. Tế bào được cấu tạo nên từ các chất hóa học. Thành phần hoá học trong tế bào rất phức tạp, đa dạng. Trong tế bào chứa nhiều nguyên tố khác nhau với hàm lượng rất khác nhau. Trong hơn 100 nguyên tố hóa học có trong tự nhiên, trong tế bào có mặt hơn 70 nguyên tố khác nhau. Trong các nguyên tố có mặt trong tế bào, 16 nguyên tố (C, H, O, N, S, P, K, Mg, Ca, Fe, Ca, Cl, Na, Mn, Zn, I) là những nguyên tố có vai trò quan trọng trong việc cấu tạo nên các thành phần của tế bào, thực hiện các chức năng sống của tế bào. Sáu nguyên tố C, H, O, N, S, P được gọi là các nguyên tố phát sinh sinh vật vì vai trò quan trọng của chúng. Các nguyên tố này chiếm trên 97% khối lượng tế bào. Từ 6 nguyên tố này, cấu tạo nên tất cả các hợp chất hữu cơ của tế bào nên có vai trò quyết định sự tồn tại của sự sống. Ngoài 16 nguyên tố chủ yếu trên, trong tế bào còn có nhiều nguyên tố khác với hàm lượng và vai trò khác nhau. Trong tế bào của các nhóm sinh vật khác nhau, hàm lượng các nguyên tố cũng không giống nhau. Hàm lượng các nguyên tố trong tế bào còn thay đổi tuỳ thuộc điều kiện môi trường (thực vật, VSV), chế độ dinh dưỡng (động vật). 1.2. Các liên kết hoá học trong tế bào 1.2.1. Liên kết cộng hoá trị Liên kết cộng hoá trị là loại liên kết phổ biến và có vai trò quan trọng trong các hợp chất hoá học của cơ thể sống. Trong liên kết cộng hoá trị, hai nguyên tử cùng bỏ ra các điện tử để dùng chung cho cả hai nguyên tử. Nếu mỗi nguyên tử bỏ ra một điện tử dùng chung sẽ tạo nên liên kết đơn (-), nếu bỏ ra 2 điện tử dùng chung sẽ tạo ra liên kết đôi (=) và nếu bỏ ra 3 điện tử dùng chung sẽ tạo ra liên kết ba (≡). Một nguyên tử có thể đồng thời bỏ ra các điện tử dùng chung với một số nguyên tử khác. Nguyên tử có thể liên kết với nguyên tử khác cùng nguyên tố hay khác nguyên tố. Liên kết cộng hoá trị là loại liên kết quan trọng, là liên kết để các nguyên tử gắn lại với nhau tạo nên hầu hết các loại hợp chất trong cơ thể. 1.2.2. Liên kết ion Liên kết ion hay còn gọi liên kết tĩnh điện là liên kết được tạo ra bởi lực hút tĩnh điện giữa 2 ion trái dấu hay giữa 2 nguyên tử khác nhau lớn về độ âm điện.
Giữa 2 nguyên tử khác nhau lớn về độ âm điện như Na và Cl thì Cl là nguyên tử có độ âm điện lớn nên có khả năng hút hẳn 1 điện tử của Na sang quĩ đạo của nó, làm cho nguyên tử thừa 1 điện tử và tích điện Cl-. Ngược lại, Na có độ âm điện rất bé nên dễ nhường hẳn điện tử cho Cl để trở thành Na+. Hai ion Na+ và Cl- liên kết với nhau bằng lực hút tĩnh điện tạo ra phân tử NaCl: Na+ + Cl- NaCl Liên kết ion tạo nên nhiều hợp chất vô cơ như NaCl, KCl Liên kết ion cũng có mặt trong nhiều hợp chất hữu cơ như trong cấu trúc bậc III của protein. 1.2.3. Liên kết hyđro Liên kết hyđro được tạo ra giữa các nhóm có H (NH, OH, ) với các nguyên tử có độ âm điện lớn như O, N. Do độ âm điện lớn nên các nguyên tử O, N tạo lực hút nguyên tử H của các nhóm NH, OH dịch gần về phía nó, làm cho nguyên tử H trở thành cầu nối giữa 2 nhóm và 2 nhóm liên kết lại với nhau nhờ "sợi dây nối H2". Các liên kết H2 có chiều dài xác định và hướng xác định nên tạo thành hình dạng ổn định của phân tử. Liên kết H2 là liên kết yếu dễ dàng bị phân huỷ bởi năng lượng nhỏ. Liên kết hyđro là loại liên kết rất quan trọng trong các đại phân tử như protein, acid nucleic Trong protein, liên kết hyđro tạo nên cấu trúc bậc II của phân tử. Trong acid nucleic, các nucleotide ở 2 chuỗi của ADN hay 2 phần khác nhau của chuỗi ARN liên kết với nhau bằng liên kết hydro theo nguyên lý bổ sung để tạo nên phân tử ADN và ARN. 1.2.4. Liên kết kỵ nước Trong các phân tử phân cực thường chứa các gốc mang điện tích trái dấu và có khả năng liên kết với các phân tử nước, đó là gốc ưa nước. Trái lại, ở các phân tử không phân cực, hay các phần không phân cực của 1 phân tử do không tích điện nên không có khả năng liên kết với các phân tử nước, đó là gốc kỵ nước, như gốc -CH3. Khi các gốc kỵ nước ở gần nhau, giữa chúng hình thành lực hút, đó là lực hút kỵ nước tạo nên liên kết kỵ nước. Liên kết kỵ nước có mặt trong cấu trúc của protein, lipid 1.2.5. Liên kết hấp dẫn Khi 2 phân tử ở gần nhau với khoảng cách ngắn d < 5Ao thì giữa chúng xuất hiện lực hút hấp dẫn (lực van dervan) làm cho chúng hút dính vào nhau. Loại liên kết này là cơ sở hình thành cấu trúc bậc IV từ cấu trúc bậc III của protein.
Chương 3 CÁC CHẤT HỮU CƠ 3.1. Gluxit 3.1.1. Monosaccharide (đường đơn) Từ các polyalcol có từ 3C đến 7C bị khử hyđro sẽ tạo ra các phân tử đường đơn tương ứng. Tuỳ theo vị trí khử H2 sẽ tạo ra 2 dạng đường: - Nếu khử H2 tại C1 sẽ cho đường dạng aldose. - Nếu khử H2 tại C2 sẽ cho đường dạng catose. Trong nguyên tử đường đơn có chứa các nguyên tử C bất đối nên có các dạng đồng phân lập thể. Số lượng đồng phân lập thể được tính bằng công thức A = 2n . Trong đó: A là số đồng phân, n là số lượng nguyên tử C bất đối có trong phân tử. Người ta qui định lấy vị trí nhóm OH của nguyên tử C bất đối ở xa nhóm định chức nhất để phân thành 2 nhóm đồng phân: - Nếu tại C bất đối đó nhóm OH quay phía phải thì phân tử đó thuộc đồng phân D. - Nếu tại C bất đối đó nhóm OH quay phía trái thì phân tử đó thuộc đồng phân L. Đa số các phân tử đường có 5C trở lên ở trong dung dịch đều có cấu trúc dạng vòng. Có 2 loại vòng: vòng 5 cạnh và vòng 6 cạnh. Khi hình thành cấu trúc dạng vòng làm xuất hiện thêm một nguyên tử C bất đối mới sẽ xuất hiện dạng đồng phân mới. Nhóm OH tạo ra này gọi là nhóm OH - glucozid. Nếu nhóm OH - glucozid quay lên trên thì có dạng đồng phân β, nếu nhóm OH - glucozid quay xuống dưới thì tạo ra dạng đồng phân α. Trong tế bào có nhiều loại monosaccharide khác nhau, trong đó có một số loại khá phổ biến: - Triose: aldehyl - glyceric, dioxiaceton. - Tetraose: erytrose - Pentose: ribose, ribulose, xilulose - Cetose: cedoheptulose. 3.1.2. Disaccharide Disaccharide là đường đôi do 2 đơn vị monosaccharide liên kết với nhau tạo thành. Liên kết giữa 2 monosaccharide là liên kết glucozid. Có nhiều loại disaccharide tồn tại trong tế bào. Trong đó, phổ biến nhất là maltose, saccharose, lactore. - Maltose là loại đường đôi do 2 phân tử α.D.glucose liên kết với nhau bằng liên kết (1 - 4) glucozid.
CH2OH CH2OH O O O Maltose là thành phần trung gian cấu trúc nên tinh bột và cũng là sản phẩm phân huỷ tinh bột hay glycogen không hoàn toàn. - Saccharose là loại đường đôi do phân tử α.D.glucose ngưng tụ với phân tử β.D.fructose tạo nên. Hai monosaccharide này liên kết với nhau bằng liên kết (1α - 2β) glucozid tạo nên: CH OH CH2OH 2 O O CH2OH O Saccharose là đường đơn phổ biến ở thực vật, có nhiều trong mô dự trữ của nhiều nhóm cây như mía, củ cải đường. - Lactose là loại đường đôi do phân tử β.D.galactose ngưng tụ với phân tử α.D.glucose tạo nên. Liên kết giữa 2 monosaccharide này là liên kết (1- 4) glucozid: CH 2 OH CH 2 OH O O O O Lactose có nhiều trong cơ thể động vật nhất là trong sữa. 3.1.3. Polysaccaride Polysaccharide là các gluxit phức với phân tử rất lớn gồm nhiều đơn vị monosaccharide liên kết với nhau tạo nên. Polysaccharide không có vị ngọt như monosaccharide hay disaccharide, không tan trong nước mà chỉ tạo dung dịch keo. Đây là nhóm chất hữu cơ phổ biến và có khối lượng lớn nhất trên trái đất. Polysaccharid rất đa dạng về chủng loại. Trong cơ thể sinh vật có rất nhiều loại polysaccharide khác nhau, trong đó phổ biến nhất là tinh bột, glycogen, cellulose. 3.1.3.1. Tinh bột
Tinh bột là chất dự trữ rất phổ biến ở thực vật. Có nhiều trong các mô dự trữ như hạt, củ. Tinh bột không phải là đơn chất mà là hỗn hợp các chuỗi thẳng các phân tử amylose và chuỗi phân nhánh là amilopectin. Tỷ lệ 2 nhóm chất này trong tinh bột quyết định các tính chất lý - hoá của chúng, quyết định chất lượng của chúng (độ dẻo, độ nở ) * Amylose. Amylose là polysaccharide được tạo nên từ các phân tử α.D.glucose. Các α.D.glucose liên kết với nhau bằng liên kết (1α - 4) glucozid tạo nên chuỗi polysaccharide. Mối liên kết glucozit được tạo ra sẽ loại một phân tử H2O. Do chỉ có loại liên kết (1α - 4) glucozid cấu tạo nên amylose nên phân tử amylose có cấu trúc mạch thẳng. Amylose được tạo ra từ 5000 - 1000 phân tử α.D.glucose (có khi chỉ khoảng 250 - 300 phân tử). Chuỗi phân tử glucose xoắn lại với nhau theo hình xoắn lò xo. Sự hình thành dạng xoắn do hình thành các liên kết hyđro giữa các glucose tạo ra. Mỗi vòng xoắn có 6 đơn vị glucose và được duy trì bởi liên kết hyđro với các vòng xoắn kề bên. Khoảng không gian giữa các xoắn có kích thước phù hợp cho một số phân tử khác liên kết vào, ví dụ như iod. Khi phân tử iod liên kết vào vòng xoắn sẽ làm cho các phân tử glucose thay đổi vị trí chút ít và tạo nên phức màu xanh đặc trưng. Dạng xoắn của amylose chỉ tạo thành trong dung dịch và ở nhiệt độ thường. Khi ở nhiệt độ cao chuỗi xoắn sẽ bị duỗi thẳng ra và không có khả năng liên kết với các phân tử khác. CH2OH CH2OH CH2OH O O O O O O O 1 đoạn amylose * Amylopectin.Amylopectin có cấu tạo phức tạp hơn. Tham gia cấu tạo amylopectin có khoảng 500.000 đến 1 triệu phân tử α.D.glucose liên kết với nhau. Trong amylopectin có 2 loại liên kết: - Liên kết (1α - 4) glucozid tạo mạch thẳng. - Liên kết (1α - 6) glucozid tạo mạch nhánh. Cứ khoảng 24 - 30 đơn vị glucose trên mạch sẽ có một liên kết (1α - 6) glucozid để tạo mạch nhánh. Trên mạch nhánh cấp 1 lại hình thành mạch nhánh cấp 2, cứ như vậy phân tử amylopectin phân nhánh nhiều cấp rất phức tạp. Trong tinh bột tỷ lệ amylopectin chiếm khoảng 80%, còn amylose chiếm 20%. Tỷ lệ này thay đổi ở các nhóm sinh vật khác nhau. Tinh bột là nguyên liệu dự trữ trong thực vật. Đây là dạng dự trữ thích hợp nhất vì tinh bột không có khả năng thấm qua màng tế bào nên không thể thất thoát ra khỏi tế bào.
3.1.3.2. Glycogen Glycogen là polysaccharide dự trữ ở động vật, đó là tinh bột ở động vật. Cấu trúc của glycogen giống tinh bột nhưng mức độ phân nhánh nhiều hơn ở tinh bột, cứ khoảng 8 - 12 đơn vị glucose đă có một liên kết (1α - 6) glucozid để tạo nhánh mới. Ở động vật và người, glucogen được dự trữ chủ yếu ở gan. Sự phân huỷ và tổng hợp glycogen được hệ thống các hoocmon điểu khiển một cách chặt chẽ để điều hoà sự ổn định lượng glucose trong máu luôn là hằng số 1%. 3.1.3.3. Cellulose Trong các hợp chất hữu cơ có trong cơ thể sinh vật thì cellulose có tỷ lệ cao hơn cả. Nó là thành phần chính của thành tế bào thực vật. Cũng như amylose, amylopectin, cellulose là chất trùng hợp từ nhiều đơn phân. Thành phần đơn phân của cellulose là β.D.glucose. Các phân tử β.D.glucose liên kết với nhau bằng liên kết (1β - 4) glucozid thay nhau 1 "sấp" và 1 "ngửa". Sự thay đổi về thành phần và cấu tạo này dẫn đến sự khác biệt về tính chất giữa cellulose và amylose. Phân tử cellulose không cuộn xoắn như amylose mà chỉ có cấu trúc dạng mạch thẳng. Cấu trúc này tạo điều kiện hình thành các liên kết hyđro giữa các phân tử cellulose nằm song song với nhau, tạo nên cấu trúc màng cellulose và vi sợi (micro fibrin) trong cấu trúc màng cellulose của tế bào thực vật. Các sợi này không tan trong nước, rất bền về cơ học nên tạo nên lớp màng cellulose bền chắc. CH2OH CH2OH O O O O O O O CH2OH 3.2. Lipid So với gluxit, lipid là hợp chất phức tạp hơn và có nhiều chức năng trong cơ thể sống. Một đặc trưng chung của nhóm chất này là chứa nhiều nhóm CH3 nên chúng ít hay không hoà tan trong nước mà chỉ hoà tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực như etanol, clorofooc, ete Lipid có nhiều loại khác nhau:
Lipid Lipid đơn giản Lipid phức tạp Triglyceric Photpholipid Sap Spingo lipid Steric Gluco lipid 3.2.1. Lipid đơn giản Lipid đơn giản là nhóm lipid chứa 2 thành phần là alcol và acid béo. Tuỳ theo thành phần alcol mà tạo ra 3 loại lipid đơn giản khác nhau: 3.2.1.1. Triglyceric (chất béo) Triglyceric (chất béo) có trong thực vật là dầu, trong động vật là mỡ. Thành phần chất béo gồm glycerin và acid béo. Các acid béo liên kết với glycerin bằng liên kết ester. Glycerin có thể liên kết với 1 acid béo tạo ra monoglyceric, với 2 acid béo tạo ra diglyceric và với 3 acid béo tạo ra triglyceric. Thành phần dầu, mỡ chứa cả monoglyceric, diglyceric, triglyceric và một ít acid béo tự do, glycerin tự do. O O O CH2 - O - C - R1 CH2 - O - C - R1 CH2 - O - C - R1 O O CHOH CH - O - C - R2 CH - O - C - R2 CH2OH O CH2OH CH2 - O - C - R3 Mono - glyceric Di - glyceric Tri - glyceric Mỡ động vật và dầu thực vật về bản chất hoá học giống nhau, chúng chỉ khác nhau về thành phần acid béo. Ở động vật chứa acid béo no và có mạch C dài nên nhiệt nóng chảy cao, còn ở dầu thực vật chứa acid béo không no và có mạch C ngắn nên nhiệt nóng chảy thấp.
Dầu và mỡ là những chất dự trữ trong cơ thể thực vật và động vật. Dầu và mỡ là những chất có năng lượng lớn nên chúng là chất cung cấp nguồn năng lượng đáng kể cho cơ thể hoạt động. Lớp mỡ động vật còn có tác dụng chống rét, điều hoà nhiệt độ. Mỡ, dầu còn là môi trường hoà tan cho một số chất có hoạt tính sinh học cao như vitamin, hoocmon nên có vai trò rất quan trọng trong cơ thể. 3.2.1.2. Sáp Thành phần của sáp gồm 1 phân tử acid béo no và một alcol mạch thẳng bậc 1 liên kết với nhau bằng liên kết ester: R1 - O - C - R2 O Có nhiều loại alcol và nhiều loại acid béo khác nhau tạo nên nhiều loại sáp khác nhau. Sáp thành thành chính của chất bảo vệ trên bề mặt lá, trên mặt ngoài của một số côn trùng 3.2.1.3. Sterit Sterit được tạo ra từ 1 phân tử alcol mạch vòng bậc 1 và một acid béo. Alcol của sterit là sterol. Sterol là một chất rất quan trọng trong tế bào động vật và người. Từ sterol hình thành nên nhiều hoocmon quan trọng của cơ thể. Ngoài ra cholesterol là một loại lipid cùng với phospholipid cấu tạo nên màng tế bào. 3.2.2. Lipid phức tạp Lipid phức tạp là nhóm lipid mà trong thành phần ngoài alcol và acid béo còn có các chất khác. Tuỳ thành phần nhóm chất này mà tạo ra nhiều nhóm lipid phức tạp khác nhau trong đó quan trọng nhất là nhóm phospholipid. 3.2.2.1. Phospholipid Phospholipid là nhóm lipid phức tạp mà trong thành phần, ngoài glycerin, acid béo còn có H3PO4 và một số nhóm chất khác. Trong 3 nhóm OH của glycerin, 2 nhóm tạo liên kết ester với H3PO4 để tạo nên acid phosphatic. Qua H3PO4 của acid phosphatic liên kết thêm với các chất khác sẽ tạo nên các loại phospholipid khác nhau. Trong các loại phospholipid trên thì phosphatidyl - colin (leucitin) có vai trò quan trọng hơn cả. Nó là thành phần của màng tế bào. Trong cấu trúc của leucitin, 2 phân tử acid béo hấp dẫn nhau nên chúng cùng xếp trên cùng một hướng. Đầu cuối của acid béo chứa gốc kỵ nước (CH3) nên hình thành nên đầu kỵ nước của leucitin. Liên kết giữa C2 o và C3 của glycerin có thể bị quay vặn đi 1 góc 180 làm cho nhóm P phân cực nằm về chiều ngược lại với 2 chuỗi acid béo và hình thành đầu ưa nước của leucitin. Do cấu trúc đặc biệt đó mà leucitin là một phân tử vừa kỵ nước vừa ưa nước.
Khi phospholipid trộn với nước, chúng có thể làm thành lớp bề mặt hay tạo mixen. Một dạng cấu trúc quan trọng nhất là cấu trúc lớp kép phospholipid. Cấu trúc này gồm 2 lớp lipid quay vào nhau, các đầu ưa nước quay ra ngoài tạo liên kết hydro với các phân tử nước xung quanh, còn các đầu kỵ nước quay vào trong với nhau. Từng phân tử có thể chuyển động từ phía này sang phía kia một cách tuần hoàn tự do bên trong các lớp của chính bản thân nó Sự phân bố theo dạng lớp lipid kép này khá bền vững, đây là cơ sở cấu trúc cho tất cả màng tế bào. 3.2.2.2. Spingolipid Là lipid phức tạp. Thành phần gồm spingorin, alcol, acid béo, H3PO4. 3.3. Protein 3.3.1. Acid amin - đơn vị cấu trúc protein Thành phần cấu tạo nên protein là các acid amin. Acid amin là hợp chất hữu cơ chứa 2 nhóm cơ bản: amin (NH2) và cacboxyl (COOH) với công thức cấu tạo tổng quát là: H2N - CH - COOH R Các Aa được phân biệt nhau bởi gốc R. Trong protein có 20 loại acid amin khác nhau. Do trong phân tử Aa có chứa nguyên tử Cα bất đổi nên tồn tại 2 dạng đồng phân lập thể: H2N - CH - COOH HOOC - CH - NH2 R R L.acid amin D.acid amin Trong 2 dạng trên chỉ có dạng L.acid amin mới tham gia cấu tạo protein còn dạng D.acid amin chỉ tồn tại tự do trong tế bào. 3.3.2. Cấu tạo protein 3.3.2.1. Cấu tạo protein bậc I Từ các acid amin, nhờ liên kết peptid nối chúng lại với nhau tạo nên chuỗi polypeptid: Chuỗi polypeptid là cơ sở cấu trúc bậc I của protein. Tuy nhiên, không phải mọi chuỗi polypeptid đều là protein bậc I. Nhiều chuỗi polypeptid chỉ tồn tại ở dạng tự do trong tế bào mà không tạo nên phân tử protein. Những chuỗi polypeptid có trật tự acid amin xác định thì mới hình thành phân tử protein. Người ta xem cấu tạo bậc I của protein là trật tự các acid amin có trong chuỗi polypeptid. Thứ tự các acid amin trong chuỗi có vai trò quan trọng vì là cơ sở cho việc hình thành cấu trúc không gian của protein và từ đó qui định đặc tính của protein.
Phân tử protein ở bậc I chưa có hoạt tính sinh học vì chưa hình thành nên các trung tâm hoạt động. Phân tử protein ở cấu trúc bậc I chỉ mang tính đặc thù về thành phần acid amin, trật tự các acid amin trong chuỗi. Trong tế bào protein thường tồn tại ở các bậc cấu trúc không gian. Sau khi chuỗi polypeptid - protein bậc I được tổng hợp tại ribosome, nó rời khỏi ribosome và hình thành cấu trúc không gian (bậc II, III, IV) rồi mới di chuyển đến nơi sử dụng thực hiện chức năng của nó. 3.3.2.2. Cấu tạo protein bậc II Từ cấu trúc mạch thẳng của protein (cấu trúc bậc I), hình thành các liên kết nội phân tử, đó là liên kết hyđro làm cho chuỗi mạch thẳng cuộn xoắn lại tạo nên cấu trúc bậc II của protein. Cấu trúc bậc II của protein là kiểu cấu trúc không gian ba chiều. Sở dĩ chuỗi polypeptid có thể cuộn xoắn lại được là do trong các liên kết trên chuỗi polypeptid thì liên kết peptid (C - N) là liên kết bền vững, còn các liên kết xung quanh nó (Cα - C) (Cα - N) là liên kết yếu có thể quay quanh trục của liên kết peptid: O O 2 1 3 N Cα C N Cα C H R H R Liên kết 1: liên kết peptid là liên kết bền vững. Liên kết 2: liên kết Cα - C là liên kết yếu. Liên kết 3: liên kết Cα - N là liên kết yếu. Do các liên kết (Cα - C) (Cα - N) có thể quay quanh liên kết peptid (C - N) nên chuỗi polypeptid có thể cuộn xoắn lại tạo cấu trúc bậc II của protein. Có nhiều kiểu cấu trúc protein bậc II khác nhau, phổ biến nhất là xoắn α, gấp nếp β, xoắn colagen. * Xoắn α. Trong kiểu xoắn này, chuỗi polypeptid xoắn lại theo kiểu xoắn ốc. Mỗi vòng xoắn có 3,6Aa, khoảng cách giữa 2 Aa là 1,5 Ao. Vậy chiều dài một vòng xoắn là 5,4 Ao. Các Aa liên kết với nhau bằng liên kết hyđro để tạo sự xoắn. Cấu trúc protein bậc II dạng xoắn lò xo do nhiều liên kết hyđro tạo nên, nhưng năng lượng của mỗi liên kết rất nhỏ nên xoắn α có thể được kéo dài ra hay co ngắn lại như 1 chiếc lò xo. Tính chất này cho phép giải thích khả năng đàn hồi cao của các protein hình sợi dạng lò xo. Cấu trúc bậc II dạng xoắn α là cơ sở hình thành cấu trúc protein hình cầu hay hình sợi xoắn. * Gấp nếp β. Từ 2 đến nhiều chuỗi polypeptid có thể hình thành cấu trúc bậc II theo dạng gấp nếp β. Trước hết, từng chuỗi tự gấp nếp theo dạng cấu trúc lượn sóng nhờ sự linh động của các liên kết (Cα - C) và (Cα - N) trong chuỗi polypeptid. Sau đó, giữa 2
chuỗi gần nhau hình thành liên kết hydro: nhóm CO của chuỗi này liên kết với nhón NH của chuỗi kia tạo nên một thể thống nhất. Cấu trúc protein theo dạng gấp nếp β cho phép phân tử có thể gấp lại ở bất kỳ vị trí nào trong chuỗi, nhưng nếu kéo căng ra dễ dàng bị đứt. protein bậc II theo dạng gấp nếp β là cơ sở tạo nên phân tử protein dạng sợi như fibrion. * Xoắn colagen. Cấu trúc bậc II theo dạng xoắn colagen chỉ có ở loại protein colagen. Đây là dạng xoắn α đặc biệt. Từ 3 chuỗi polypeptid ở dạng xoắn α, chúng lại xoắn vào với nhau tạo nên sợi siêu xoắn - xoắn cấp 2. Cấu trúc bậc II của protein là sự chuyển giao giữa cấu trúc mạch thẳng (bậc I) sang cấu trúc không gian. Protein ở dạng cấu trúc bậc II chưa hình thành các tâm hoạt động nên chưa có hoạt tính sinh học. Bởi vậy, các protein chức năng (protein enzyme, protein vận chuyển ) không tồn tại ở dạng bậc II này. Chỉ có một số protein cấu trúc mới tồn tại ở cấu trúc bậc II như protein vắt qua màng, protein trong sợi cơ 3.3.2.3. Cấu tạo protein bậc III Từ cấu trúc bậc II, nhờ các loại liên kết khác nhau như liên kết disunfit, liên kết ion, liên kết kỵ nước nối các Aa ở các vị trí khác nhau lại với nhau làm cho phân tử protein cuộn xoắn lại chặt hơn, chuyển từ cấu trúc dạng sợi sang cấu trúc dạng khối (cầu, bầu dục ). Cấu trúc bậc III của protein tạo ra phụ thuộc sự có mặt các gốc R chứ không còn liên quan đến liên kết hydro như trong cấu trúc bậc II. Mức độ cuộn xoắn, mức độ cấu trúc bậc III của phân tử protein phụ thuộc sự có mặt và vị trí của các Aa có khả năng tạo nên các loại liên kết ion, disunfit, kỵ nước. Bởi vậy, thành phần Aa khác nhau sẽ tạo nên cấu trúc bậc III không giống nhau. Ở cấu trúc bậc III, phân tử protein đă hình thành các trung tâm hoạt động do có điều kiện để tập hợp các Aa thích hợp lại gần nhau để tạo tâm hoạt động. Đã có tâm hoạt động nên protein bậc III có hoạt tính sinh học và tham gia thực hiện các chức năng sinh học của chúng như chức năng xúc tác (enzyme), chức năng điều tiết (nguyên sinh chất), chức năng vận chuyển 3.3.2.4. Cấu tạo protein bậc IV Ở một số phân tử protein còn có cấu trúc phức tạp hơn. Trong các phân tử này, có một số phân tử protein bậc III có cùng chức năng liên kết lại với nhau nhờ liên kết hấp dẫn để tạo nên phân tử protein lớn hơn, phức tạp hơn - protein bậc IV. Ví dụ phân tử hemoglobin (Hb) gồm 4 phân tử protein bậc III kết hợp lại: 2 tiểu thế β và 2 tiểu thế α. Mỗi tiểu thể là một phân tử protein bậc III. Hai phân tử dạng α và dạng β có cấu trúc khác nhau làm cho chúng có thể ăn khớp vào nhau nhờ lực hút tĩnh điện. Giữa các tiểu thể không hình thành liên kết cộng hoá trị nên chúng dễ tách rời ra thành các protein độc lập ở cấu trúc bậc III. 3.3.3. Tính chất, vai trò protein
3.3.3.1. Tính chất protein * Tính chất lưỡng tính. Do thành phần protein là các phân tử acid amin, mà acid amin là chất lưỡng tính nên protein cũng là phân tử lưỡng tính. Ngoài ra, do trong thành phần Aa của protein có 2 nhóm: - Các Aa acid: trong cấu tạo có 2 nhóm COOH, trong đó 1 nhóm dùng để tạo liên kết peptid còn một nhóm hình thành ion COO-. - Các Aa kiềm: trong cấu trúc có 2 nhóm NH2, trong đó một nhóm tạo liên kết + peptid còn một nhóm hình thành NH3 . Như vậy, phân tử protein vừa có khả năng phân ly như 1 acid tạo COO- vừa có khả + năng phân ly như một chất kiềm tạo NH3 nên mang tính lưỡng tính. Sự phân ly của protein phụ thuộc pH môi trường. Nếu protein tích điện thì các phân tử nước sẽ liên kết chung quanh phân tử, bởi liên kết ion tạo nên lớp màng bao bọc bảo vệ cho protein. Ở điểm đẳng điện, do protein trung hoà về điện nên không có màng nước bao bọc, các phân tử bị kết vón vào nhau gây hiện tượng kết tủa. * Kết tủa và biến tính. Khi dung dịch protein có pH bằng điểm đẳng điện, lớp màng nước không được tạo thành sẽ làm cho các phân tử protein không tích điện kết vón lại với nhau. Hoặc do một tác nhân nào đó làm mất màng nước như nhiệt độ cao, acid đặc các phân tử protein không được bảo vệ bởi màng nước cũng bị kết vón lại - đó chính là sự kết tủa của protein. Có nhiều tác nhân gây nên hiện tượng kết tủa của phân tử protein như pH, các muối vô cơ, các acid hữu cơ, acid vô cơ, nhiệt độ Sự kết tủa có thể thuận nghịch, có thể không thuận nghịch. Sự kết tủa thuận nghịch là sự kết tủa mà khi không còn tác nhân gây kết tủa nữa thì protein lại trở lại trạng thái hoà tan bình thường. Kết tủa không thuận nghịch là dạng kết tủa mà khi không còn tác nhân gây kết tủa, phân tử protein vẫn không hoà tan trở lại. Ví dụ protein kết tủa do muối (NH4)2SO4 khi không còn tác nhân muối thì protein trở lại trạng thái hoà tan. Còn khi kết tủa bởi nhiệt độ cao thì dù có làm nguội dung dịch protein trở lại, protein cũng không hoà tan được. Khi phân tử protein bị kết tủa, cấu trúc không gian của phân tử bị thay đổi do các liên kết hyđro, các liên kết ion, liên kết kỵ nước bị ảnh hưởng. Mạch polypeptid bị tháo gỡ để hình thành các vùng cuộn thưa ngẫu nhiên. Cấu trúc không gian bị phá vỡ, tâm hoạt động bị biến dạng không còn hoạt động bình thường hay mất khả năng hoạt động Kết quả là tính chất của protein bị biến đổi - đó là sự biến tính của protein. Sự biến tính cũng có khả năng thuận nghịch và bất thuận nghịch liên quan đến sự kết tủa thuận nghịch và bất thuận nghịch. Các phân tử enzyme khi biến tính không còn khả năng xúc tác. Các protein chức năng không còn hoạt tính để thực hiện chức năng. 3.3.3.2. Vai trò protein
Protein là chất hữu cơ có vai trò đặc biệt trong cơ thể sống. Protein gắn liền với sự sống, tồn tại cùng sự tồn tại của sự sống. Có thể tóm tắt các chức năng chủ yếu của protein như sau: - Protein là thành phần chủ yếu cấu tạo nên tế bào, đặc biệt là cấu trúc nên màng tế bào. - Protein - enzyme là chất xúc tác sinh học, xúc tác các phản ứng hoá sinh xảy ra trong tế bào nên có vai trò quyết định quá trình trao đổi chất-năng lượng của cơ thể. - Protein của nguyên sinh chất có vai trò điều tiết các hoạt động sống xảy ra trong cơ thể. Nó quyết định các tính chất của nguyên sinh chất. - Nhiều loại protein có chức năng vận chuyển như hemoglobin vận chuyển O2 trong máu, các chất làm nhiệm vụ vận chuyển qua màng - Protein trong cơ có vai trò vận động. - Nhiều loại protein là các loại kháng thể được tạo ra trong cơ thể đề kháng lại các kháng nguyên gây bệnh giúp cho cơ thể miễn dịch với bệnh tật. - Một số protein là hoocmon như insulin có vai trò quan trọng trong điều tiết hoạt động sinh lý của cơ thể (như insulin điều chỉnh lượng glucose trong máu ổn định ở 1%). Ngoài ra, tùy cơ thể mà protein còn một số vai trò đặc trưng khác. 3.4. Acid nucleic 3.4.1. Cấu tạo nucleotide 3.4.1.1. Thành phần nucleotide Nucleotide có 3 nhóm thành phần: - H3PO4. - Bazơ nitơ. - Đường pentose. Có 2 loại nucleotide: ribo nucleotide và dezoxi - ribo nucleotide. Thành phần của 2 loại nucleotide có phần giống nhau và cũng có phần khác nhau: Thành phần Ribo nucleotide Dezexi - ribo nucleotide H3PO4 H3PO4 H3PO4 Pentose Ribose Dezoxi ribose Bazơ N A, G, C, U A, G, C, T 3.4.1.2. Cấu tạo nucleotide Từ 3 nhóm thành phần trên liên kết với nhau tạo ra nucleotide. Từ đường pentose liên kết với bazơ nitơ tạo nên nucleozid - liên kết nỗi giữa C1 của pentose với N3 (nếu là bazơ pirimidin) hay với N9 (nếu là bazơ nitơ purin) là liên kết glucozid (N - C) và loại đi 1 phân tử H2O.
Từ nucleozide, nhóm OH của C5 của pentose liên kết ester với H3PO4 tạo nên nucleotide. Có 2 nhóm nucleotide: ribonucleotide và dezoxiribo nucleotide. Mỗi nhóm có 4 loại nucleotide chính và nhiều nucleotide hiếm (nucleotide chính biến đổi thành) Bazơ nitơ Ribo nucleotide Dezoxiribo nucleotide A Adenozin.5' - monoP Dezoxi adenozin5' - mono P G Guanozin 5' - monoP Dezoxi guanozin 5' - mono P C Cytidin 5' - monoP Dezoxi cytidin 5' - mono P T Dezoxi timidin 5' - mono P U Uridin 5' - mono P Từ các nucleotide mono P có thể liên kết thêm 1 H3PO4 tạo ra nucleotide - Di P hay liên kết thêm với 2 H3PO4 tạo nên nucleotide - Tri P. nucleotide - Tri P là nhóm nucleotide có vai trò rất quan trọng trong cơ thể, đặc biệt là ATP. Trong cấu tạo của nucleotide - Tri P có 2 liên kết giàu năng lượng - gọi là liên kết cao năng tạo ra ở 2 nguyên tử P ngoài cùng. Ngoài các nucleotide thường trên, trong phân tử acid nucleic, đặc biệt trong ARN còn có nhiều nucleotide hiếm do các nucleotide thường biến đổi bằng nhiều cách: - Biến đổi bazơ nitơ (metyl hoá hay tio hoá ). - Biến đổi pentose (metyl hoá). - Thay đổi cấu trúc bazơ N. - Thay đổi kiểu cấu trúc nucleotide. 3.4.2. Cấu tạo acid nucleic 3.4.2.1. Cấu tạo chuỗi poly nucleotide Từ các đơn phân nucleotide liên kết lại bằng liên kết photphodiester tạo nên chuỗi poly nucleotide. Các ribonucleotide nối với nhau cho chuỗi polyribonucleotide, còn các dezoxiribonucleotide nối với nhau sẽ tạo nên chuỗi poly dezoxiribonucleotide. Liên kết ester được tạo ra từ nhóm C3'-OH của nucleotide trước với nhóm OH còn lại của H3PO4 ở đầu 5' của nucleotide sau. Hai nhóm OH loại 1 phân tử nước và nối lại với nhau bằng liên kết ester. Như vậy, phân tử H3PO4 đă tạo ra 1 liên kết ester trong nucleotide và 1 liên kết ester nối 2 nucleotide lại với nhau, do đó gọi là liên kết photphodiester. Chuỗi polynucleotide mang tính phân cực. Đầu trái luôn có nhóm P là đầu 5', đầu phải luôn luôn có nhóm OH tự do tại C3 nên gọi là đầu 3'. Chuỗi polynucleotide chỉ nối dài theo chiều 5'-3', tức là nucleotide mới vào liên kết để kéo dài chuỗi chỉ được nối thêm vào đầu 3'.
Từ 4 loại nucleotide (trong ADN là dAMP, dGMP, dCMP và dTMP; trong ARN là AMP, GMP, CMP, UMP) sẽ tạo nên vô số các chuỗi polynucleotide khác nhau. Các chuỗi polynucleotide được phân biệt nhau bởi 3 yếu tố: - Thành phần các nucleotide. - Số lượng các nucleotide. - Trật tự sắp xếp các nucleotide. Từ polyribonucleotide tạo ra ARN, còn từ polydezoxiribonucleotide sẽ tạo ra ADN. 3.4.2.2. Cấu tạo ADN (aciddezoxiribonucleic) * Đặc điểm cấu tạo AND. Phân tử ADN được tạo ra từ hai chuỗi polynucleotide - hai chuỗi này xếp song song và ngược chiều nhau. Sự đối song của phân tử ADN bảo đảm có sự liên kết bổ sung giữa hai chuỗi qua các bazơ nitơ. Bazơ nitơ quay vào phía giữa hai chuỗi nên hai chuỗi phải ngược chiều nhau. Sự đối song cũng đảm bảo sự ổn định cho cấu trúc phân tử ADN. Để có các liên kết bổ sung giữa hai chuỗi thì hai chuỗi phải song song. Các bazơ nitơ của hai polynucleotide liên kết với nhau bằng liên kết hydro theo nguyên lý bổ sung: A chuỗi này liên kết với T chuỗi kia bằng 2 liên kết hydro và ngược lại G chuỗi này liên kết với C chuỗi kia bằng 3 liên kết hydro. Tính chất bổ sung trên bảo đảm cho hai chuỗi luôn song song và khoảng cách giữa hai chuỗi không đổi do trong cặp bazơ bổ sung bao giờ cũng có một bazơ purin có kích thước lớn đi kèm một bazơ pirimidin có kích thước bé. ADN có nhiều kiểu cấu trúc khác nhau. Mỗi kiểu cấu trúc tồn tại trong điều kiện riêng và chúng có thể chuyển đổi lẫn nhau khi thay đổi các điều kiện tương ứng. Hiện nay, người ta tìm thấy trong tế bào ADN tồn tại ở dạng B, A, C, D, Z, E trong đó, dạng B phổ biến hơn và có vai trò trong cơ chế truyền đạt thông tin di truyền. Thành phần của ADN cũng rất đa dạng. Sự đa dạng của chuỗi polynucleotide đã phân tích ở trên tạo nên sự đa dạng của ADN. Hình thái ADN trong tế bào cũng rất đa dạng. Có loại ADN sợi đơn thẳng, sợi đơn dạng vòng, sợi kép thẳng, sợi kép dạng vòng Kích thước ADN cũng rất đa dạng, từ vài trăm cặp bazơ đến hàng triệu cặp bazơ. * Cấu trúc không gian ADN dạng B (theo Watson - Crick). Kết hợp nhiều công trình nghiên cứu về ADN trước đó, đặc biệt là nghiên cứu của Sachgaff cùng những nghiên cứu của mình, năm 1953, Watson và Crick đã công bố mô hình cấu trúc không gian của ADN. Mặc dù đến nay người ta đă phát hiện thêm nhiều dạng cấu trúc khác của ADN, cũng như xác định được cấu trúc thực của ADN có khác so với mô hình lý thuyết của Watson - Crick, nhưng sự ra đời mô hình của Watson - Crick đã trở thành bước ngoặt trong sinh học, báo hiệu sự ra đời của sinh học phân tử.
Cấu trúc không gian của ADN, theo Watson - Crick, có những đặc điểm cơ bản sau: - Hai chuỗi polynucleotide đối song, xoắn theo chiều phải. - Khung dizoxiriboza và H3PO4 nằm ngoài bề mặt phân tử. - Các bazơ nitơ hướng vào phía trong chuỗi xoắn. Mặt phẳng các bazơ nitơ song song với nhau và thẳng góc với trục phân tử. Hai bazơ nitơ của hai chuỗi liên kết với nhau bằng liên kết hydro theo nguyên tắc bổ sung (A = T, G ≡ C). Hai cặp bazơ nitơ gần nhau xếp lệch góc 36oC. Đường kính chuỗi xoắn 2 nm. Mặt phẳng hai cặp bazơ nitơ liền nhau cách nhau 0,34 nm. Mỗi vòng xoắn có 10 cặp bazơ nitơ với chiều dài 3,4nm. Kích thước trên là theo tính toán của Watson - Crick, là kích thước gốc. Gần đây, qua xác định bằng thực nghiệm, người ta thấy ADN dạng B (dạng của Watson - Crick) có trung bình 10,5 cặp bazơ nitơ trên một vòng xoắn và chiều dài vòng xoắn là 3,6nm (thay vì 10 cặp và 3,4nm ở mô hình Watson - Crick). Các dạng cấu trúc của ADN Dạng cấu trúc Đặc tính B A C Z Chiều xoắn Phải Phải Phải Trái Số cặp N của 1 vòng 10,0 10,9 91/3 12,0 Đường kính vòng xoắn 20Ao 23Ao 19Ao 18Ao Khoảng cách 2n 3,4Ao 2,9Ao 3,3Ao 3,4Ao Chiều dài vòng xoắn 34Ao 32Ao 31Ao 45Ao Góc của bazơ nitơ với trục 90o 20o 18o Góc giữa hai bazơ 36o 32,7o 38,6o - 30o 3.4.2.3. Cấu tạo ARN ARN là loại acid nucleic có những đặc điểm về thành phần, cấu tạo giống ADN nhưng cũng có những đặc trưng riêng. Thành phần ARN chứa riboza thay vì dezoxiribo ở ADN. Bazơ nitơ của ARN, ngoài những thành phần giống ADN, còn có U đặc trưng riêng của ARN, T cũng có trong thành phần của ARN. Đơn phân của ARN là ribonucleotide. Từ ribonucleotide liên kết với nhau tạo thành chuỗi polyribonucleotide. ARN cấu tạo từ 1 chuỗi polyribonucleotide nhưng cũng có những đoạn tạo liên kết bổ sung giữa hai phần khác nhau của chuỗi, trong đó, A liên kết với U thay cho T.
Có nhiều loại ARN với cấu tạo và chức năng khác nhau, ARN thông tin (ARNm), ARN vận chuyển (ARNt), ARN ribosome (ARNr), tiền ARN (proARN), ARN phân tử nhỏ của nhân (¸Nh s¸ng ARN), ARN mồi (primer ADN) * ARNm. ARNm được tổng hợp ở trong dịch nhân từ ADN. ARNm có đời sống rất ngắn: ở procariote ARNm chỉ tồn tại trong vài sau phút khi thực hiện xong quá trình dịch mã, còn ở eucariote có thể kéo dài từ vài phút đến vài ngày. ARNm được tái tạo rất nhanh và nó chỉ tồn tại trong thời gian của một thông tin. Một ARNm có thể được đọc nhiều lần nếu tiến hành dịch mã trên polyribosome. Kích thước ARNm tuỳ thuộc kích thước phân tử protein do nó phụ trách tổng hợp. Số lượng ARNm ở các tế bào khác nhau không giống nhau. Ở tế bào người có khoảng 80.000 - 100.000 ARNm khác nhau trong một tế bào. ARNm có cấu tạo tổng quát như sau: - Ở procariote: P - P - p - 5' AUG AUG AUG 3' protein 1 protein 2 protein 3 - Ở uecariote: (4) (1) (2) (3) (5) (6) Protein m5 G.P.P.P AUG AUG PolyA ARNm ở eucariote có các phần: (1) Mũ. (2) Phần không mã hoá. (3) Mã mở đầu. (4) Phần mã hoá acid amin. (5) Mã kết thúc (một trong ba mã: UAG, UAA, UGA). (6) Đuôi (gồm cả đoạn polyA - có khoảng 150 - 200A). * ARNt. ARNt được tổng hợp từ dịch nhân. ARNt là loại có kích thước bé chỉ có khoảng 75 - 90 nucleotide với hằng số lắng là 4,5s (M = 25000 - 30.000). Trong thành phần của ARNt có khoảng 30 loại nucleotide hiếm, chiếm 10% tổng số nucleotide của phân tử. Nhiệm vụ của ARNt là vận chuyển acid amin từ tế bào chất đến ribosome để tổng hợp protein ở đó, cho nên với mỗi acid amin phải có ít nhất một ARNt tương ứng. Nhưng trong tế bào, do một Aa có thể mã hoá bởi nhiều bộ ba, cho nên cũng sẽ có nhiều ARNt cùng vận chuyển một loại acid amin.
ARNt có cấu trúc không gian đặc trưng. Phân tử ARNt có cấu trúc chia nhiều thuỳ như dạng lá chẻ ba, trong đó, có đoạn dạng vòng không có liên kết bổ sung, có đoạn hình thành liên kết bổ sung. Người ta chia ARNt ra làm 5 vùng có thành phần chức năng khác nhau. * ARNr. ARNr được tổng hợp trong nhân con và ngay sau đó liên kết với protein để tạo nên các phân tử ribonucleoprotein là các tiền ribosome. Qua quá trình trưởng thành, các ribonucleoprotein này chuyển từ nhân con ra tế bào chất và tạo thành ribosome ở đó.
TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phạm Thị Trân Châu, Trần Thị Áng (1992), Hoá Sinh học, Nxb Giáo dục Hà Nội. 2. Nguyễn Như Hiền, Trịnh Xuân Hậu (2000), Tế bào học, Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội. 3. Nguyễn Bá Lộc (2000), Hoá sinh, Nxb Giáo dục Hà Nội.
Phần II CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG CỦA TẾ BÀO Chương 4 ĐẠI CƯƠNG VỀ TẾ BÀO 4.1. Hình thái của tế bào 4.1.1. Hình dạng Tế bào thường có hình dạng tương đối cố định và đặc trưng cho mỗi loại tế bào. Ví dụ: tinh trùng, tế bào trứng, tế bào thần kinh, tế bào hồng cầu, các loại tế bào biểu mô Tuy vậy, có một số tế bào luôn luôn thay đổi hình dạng như: amíp, bạch cầu Trong môi trường lỏng, tế bào có dạng hình cầu như bạch cầu trong máu. Đa số tế bào động vật và thực vật có dạng hình khối đa giác, có loại phân nhánh (hình 4.1). Hình 4.1. Hình dạng tế bào 1. Tế bào hình lăng trụ; 2. Tế bào hình khối vuông; 3. Tế bào dẹt; 4a. Bạch cầu nhân hình củ lạc; 4b. Tế bào lim phô; 5. Tế bào cơ trơn; 6. Tế bào thần kinh đa cực; 7. Tế bào hình lăng trụ tiết nhầy; 8. Tế bào mầm khía; 9. Tinh trùng; 10. Hồng cầu; 11. Tế bào đa nhân. 4.1.2. Kích thước Kích thước của tế bào rất khác nhau đối với các loài khác nhau. Nói chung, tế bào có độ lớn trung bình vào khoảng 3 - 30μm. Nhưng có những tế bào rất lớn có thể nhìn
thấy, sờ mó được như trứng gà, trứng vịt Tế bào có kích thước lớn nhất là trứng đà điểu, đường kính đạt tới 17,5cm. Trái lại, đa số tế bào vi khuẩn có kích thước từ 1 - 3μm. Ngày nay, người ta đã khám phá ra một loại tế bào có thể xem là nhỏ nhất, đó là tế bào microplasma laidlawii có đường kính 0,1μm, chỉ lớn hơn nguyên tử hydro 1.000 lần và gần bằng kích thước của siêu vi khuẩn. Trong nó chỉ chứa khoảng 1.000 hoặc chục nghìn các đại phân tử sinh học và tổng hợp vài chục các enzyme khác nhau. Thể tích của tế bào cũng rất thay đổi ở các dạng khác nhau. Tế bào vi khuẩn có thể tích vào khoảng 2,5μm3. Đối với các tế bào của các mô ở người (trừ một số tế bào thần kinh) có thể tích vào khoảng từ 200 đến 15.000μm3. Thường thể tích của các loại tế bào là cố định và không phụ thuộc vào thể tích chung của cơ thể. Ví dụ: tế bào thận, gan của bò, ngựa, chuột đều có thể tích như nhau. Sự sai khác về kích thước của cơ quan là do số lượng tế bào chứ không phải là do kích thước của tế bào. 4.1.3. Số lượng tế bào Số lượng tế bào trong các cơ thể khác nhau thì rất khác nhau. Sinh vật đơn bào, cơ thể chỉ có một tế bào. Các sinh vật đa bào, trong cơ thể có từ vài trăm tế bào (như nhóm trùng bánh xe có 400 tế bào) đến hàng tỉ tế bào. Ví dụ: cơ thể người có 6.1014 tế bào chỉ tính riêng hồng cầu trong máu người cũng đã đạt tới 23 nghìn tỉ. Tuy nhiên, cơ thể đa bào dù có số lượng tế bào lớn đến bao nhiêu cũng được phát triển từ 1 tế bào khởi nguyên: hợp tử. 4.2. Các dạng tế bào và cấu trúc đại cương Trong thực tế, không tồn tại một dạng tế bào chung nhất cho tất cả các cơ thể sinh vật, mà tế bào phân hoá ở nhiều dạng khác nhau trong quá trình tiến hoá của sinh vật. Ngày nay, nhờ kỹ thuật kính hiển vi điện tử, người ta đã xác lập được hai dạng tế bào: - Dạng có nhân nguyên thuỷ (procaryota) có tổ chức còn nguyên thuỷ, chưa có màng nhân. - Dạng tế bào có nhân chính thức (eucaryota). 4.2.1. Tế bào nhân nguyên thuỷ (procaryote) Thuộc loại tế bào nhân nguyên thuỷ có vi khuẩn (bacteria) và vi khuẩn lam (cyamobactena). Tế bào của chúng có kích thước từ 0,5 - 3μm, thiếu màng nhân, thiếu các bào quan chính thức như: lục lạp, thể lyzosom, phức hệ Golgi Ở bọn này, thông tin di truyền được tích trong nhiễm sắc thể gồm mạch xoắn kép ADN dạng vòng, nhiễm sắc thể này không chứa các protide kiềm, thiếu bộ máy phân bào và hạch nhân.
Ví dụ: tế bào vi khuẩn escherichia coli (hình 4.2). 3 1 2 4 5 6 7 8 Vách t ế bào Hình 4.2. Sơ đồ tế bào của sinh vật có nhân nguyên thuỷ (theo Lodish) 1. Sợi ADN; 2 Vách tế bào; 3. Plasmic; 4. Metosome; 5. Màng sinh chất; 6. Vách tế bào; 7. Khoảng trống màng bao; 8. Màng ngoài. Vách tế bào bao phía ngoài màng sinh chất tạo nên khung cứng vững chắc cho tế bào; có nhiệm vụ bảo vệ sự tác động cơ học, giữ và cố định hình dạng của tế bào, quan trọng hơn cả là chống chịu các tác nhân bất lợi, nhất là áp suất thẩm thấu của môi trường bên ngoài. Độ vững chắc của vách tế bào có được là nhờ các tính chất của peptidoglucan (còn gọi là murein) chỉ có ở procaryote. Peptidoglucan được cấu tạo từ hai loại đường gắn với một peptid ngắn gồm hai acid amin, chỉ có ở vách tế bào vi khuẩn. Các đường và các peptid kết nối với nhau thành một đại phân tử bao bọc toàn bộ màng tế bào. Do phản ứng nhuộm màu violet mà người ta phân biệt được hai loại vi khuẩn: Gram dương hấp thụ và giữ lại màu và Gram âm không nhuộm màu. Vách tế bào của các vi khuẩn Gram dương như streptococus rất dày, gồm peptidoglucan. Vách của tế bào Gram âm như E.coli gồm 3 lớp: màng tế bào trong cùng, peptidoglucan và lớp dày ngoài cùng gồm lipoprotein và liposaccharide tạo phức hợp lipopolysaccharide.
Dưới vách tế bào là màng sinh chất bao bọc tế bào chất (hình 4.3). Hình 4.3. Vách tế bào vi khuẩn (theo Phạm Thành Hổ) Mesosome là cấu trúc do màng tế bào xếp thành nhiều nếp nhăn, lõm sâu vào khối tế bào chất. Có thể đây là nơi gắn ADN vào màng. Trong nguyên sinh chất có vùng tương tự nhân gọi là nucleotide. Bộ gen chứa một phân tử ADN lớn, vòng tròn, trơn (nghĩa là không gắn thêm protein). Sợi ADN của tế bào procaryota cũng mang bộ gen xếp theo đường thẳng, các gen này xác định các đặc tính di truyền của tế bào và các hoạt tính thông thường nên cũng được gọi là nhiễm sắc thể. Ngoài ra, tế bào procaryote còn có thể có các phân tử ADN nhỏ độc lập gọi là plasmid. plasmid thường cũng có dạng vòng tròn. Các ribosome nằm rải rác trong tế bào chất, chúng sẽ gắn lên mARN để tổng hợp protein. Phần lớn vi khuẩn quang hợp chứa chlorophyll gắn với màng hay các phiến mỏng (tấm). Một số vi khuẩn có các cấu trúc lông nhỏ gọi là tiêm mao (flagella) dùng để bơi. Tế bào procaryota phân bố khắp nơi trên quả đất. Chúng sinh trưởng rất nhanh, chu kỳ một thế hệ ngắn, đa dạng về sinh hoá và rất mềm dẻo về di truyền. 4.2.2. Tế bào nhân thực (eucaryota)
Tế bào của tất cả các cơ thể còn lại như: tảo, nấm, động vật đơn bào, tế bào thực vật và động vật thuộc loại tế bào có nhân chính thức. Nhóm sinh vật này nhận được bọc trong màng nhân. Trong tế bào chất, hệ thống màng rất phát triển như: mạng lưới nội sinh chất, phức hệ Golgi, cùng các bào quan có màng như ty thể, lạp thể, lyzosom. Nhân chứa hạch nhân và nhiễm sắc thể. Nhiễm sắc thể gồm ADN và histon. Quá trình phân bào rất phức tạp nên cần có bộ máy phân bào (hình 4.4). 1 2 3 4 5 6 9 7 8 Hình 4.4. Sơ đồ cấu tạo tế bào của sinh vật nhân thật (theo Lodish) 1. Màng nhân; 2.Màng tế bào; 3. Thể Golgi; 4. Ty thể; 5. Peroxisome; 6. Lysosome; 7.Túi tiết; 8. Lưới nội chất hạt; 9. Nhân. 4.2.3. Tế bào thực vật và động vật 4.2.3.1. Tế bào thực vật Tế bào thực vật có lớp vỏ bao ngoài: polysaccharide (cellulose), trong tế bào chất có chứa các không bào. Bộ máy phân bào thường thiếu trung tử. Đa số tế bào thực vật có lục lạp là cơ quan chuyển hoá quang năng thành hoá năng. Sự phân chia tế bào chất thực hiện nhờ sự phát triển một vách ngăn mới chia tế bào thành hai phần bằng nhau (hình 4.5).
2 4 5 3 1 6 7 8 9 10 12 11 Hình 4.5. Mô hình cấu tạo tế bào thực vật (theo Lodish) 1. Ty thể; 2. Màng nguyên sinh chất; 3. Tơ ngoài; 4. Peroxixsom; 5. Nhân; 6. Hạch nhân; 7. Lưới nội chất hạt; 8. Lưới nội chất nhẵn; 9. Phức hệ Golgi; 10. Lysosom; 11. Vi sợi ; 12. Lỗ nhân. 4.2.3.2. Tế bào động vật Tế bào động vật thường không có vỏ bao ngoài, không có lục lạp, phân bào bằng sự hình thành eo thắt (hình 4.6). Trong cơ thể động vật, các tế bào phân hoá khác nhau phụ thuộc vào chức năng riêng của chúng. Ở các động vật đơn bào, cơ thể chỉ gồm một tế bào, nhưng có nhiều cơ quan nhỏ (bào quan đảm nhận chức năng khác nhau, giống như động vật đa bào). Tất cả các dạng tế bào khác nhau phản ánh tính chất tiến hoá đa dạng của vật chất sống, cho phép tế bào thích nghi với những chức năng khác nhau, thích nghi với những điều kiện sống khác nhau (bảng 4.1).
2 1 3 4 5 6 7 13 8 12 9 11 10 Hình 4.6. Mô hình cấu tạo tế bào động vật (theo Lodish) 1. Không bào; 2. Hạch nhân; 3. Nhân; 4. Nội chất hạt; 5. Peroxisom; 6. Lưới nội chất nhẵn; 7. Lục lạp; 8. Ty thể; 9. Thể Golgi; 10. Sợi liên bào; 11. Màng sinh chất; 12. Vi sợi đỡ tế bào; 13. Vách tế bào. Bảng 4.1. So sánh giữa các tế bào procaryote và eucaryota Nhóm sinh vật Các điểm Procaryota Eucaryota TT so sánh (vi khuẩn, vi khuẩn lam) (nấm, thực, động vật) 1 Kích thước 1 - 10μm 10 - 100μm 2 Màng nhân Không Có 3 Các nhiễm Một vòng tròn, không có Nhiều, thẳng, có protein sắc thể protein histon histon 4 Bộ Golgi Không Có 5 Lưới nội Không Có sinh chất 6 Lyzosom Không Có 7 Ty thể Không Có 8 Chlorophyll Không có trong lục lạp Trong lục lạp 9 Ribosome Tương đối nhỏ Tương đối to 10 Vi ống, vi sợi Không Có 11 Lông Không có cấu trúc 9 + 2 Có cấu trúc 9 + 2
TÀI LIỆU THAM KHẢO I. TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT 1. Nguyễn Như Hiền, Trịnh Xuân Hậu (2000), Tế bào học, Nxb Đại học quốc gia Hà Nội. 2. Phạm Thành Hổ (1995), Sinh học đại cương - Tế bào học, Di truyền học, Học thuyết tiến hoá, Tủ sách Đại học tổng hợp Tp. Hồ Chí Minh. II. TÀI LIỆU TIẾNG ANH 3. Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis Martin Raff, Keith Roberts, James D. watson (1983), Molecular biology of The Cell, Garland Publishing, Inc, New York& London. 4. Lodish, Berk, Zipursky, Matsudaira, Baltimore, Darnell (1999), Molecular Cell Biology, Media Connected, W.H. Freeman and Company. 5. W.D. Phlipps and T. J. Chilton (1991), A - Level Biology, Oxford University Press.
Chương 6 TẾ BÀO CHẤT VÀ MẠNG LƯỚI NỘI CHẤT 6.1. Tế bào chất (cytoplasma) Tế bào chất là khối nguyên sinh chất (protoplasma) nằm trong màng tế bào và bao quanh lấy nhân. Tế bào chất của một số tế bào có sự phân hóa thành 2 lớp: - Lớp ngoại chất (exoplasma) ở ngoại vi, mỏng hơn và có độ nhớt cao hơn. - Lớp nội chất (endoplasma) ở bên trong và bao quanh lấy nhân, chứa các bào quan như: mạng lưới nội sinh chất, phức hệ Golgi, ribosome, ty thể, lạp thể, thể lido Nếu loại bỏ các bào quan thì còn lại khối tế bào chất không có cấu trúc - gọi là chất nền hay thể trong suốt (cytosol). 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 lại thành bộ khung của tế bào. Trong thể trong suốt có hàng nghìn enzyme và chứa đầy ribosome để tổng hợp protein. Gần một nửa enzyme được tổng hợp nên trên các ribosome là các protein của thể trong suốt. Do đó, nên xem thể trong suốt là một khối gel có tổ chức cao hơn là một dung dịch chứa enzyme. Ngoài protein ra, trong thể trong suốt còn có các loại ARN như mARN, tARN chiếm 10% ARN của tế bào. Trong thể trong suốt còn có các chất như: lipid, gluxit, acid amin, nucleoside, nucleotide và các ion. Thỉnh thoảng có các hạt dầu và hạt glycogen với số lượng thay đổi và có thể mang từ vùng này qua vùng khác tùy hoạt tính của tế bào. Thể trong suốt giữ nhiều chức năng quan trọng như: - Là nơi thực hiện các phản ứng trao đổi chất của tế bào, là nơi gặp nhau của chuỗi 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 hòa hoạt động của các chất. - Nơi chứa các vật liệu dùng cho các phản ứng tổng hợp các đại phân tử sinh học như các gluxit, lipid, glycogen. Mọi hoạt động sống của tế bào đều xảy ra trong tế bào chất và do các bào quan riêng biệt phụ trách và được phối hợp điều hòa một cách nhịp nhàng. 6.2. Mạng lưới nội sinh chất (endoplasma reticulum) Mạng lưới nội sinh chất được phát hiện bằng kính hiển vi điện tử. Mạng lưới nội sinh chất có ở mọi loại tế bào động vật và thực vật, gần đây, người ta cho rằng những cấu trúc tương tự như mạng lưới nội sinh chất được nhận thấy cả ở vi khuẩn. 6.2.1. Cấu tạo hình thái
Mạng lưới nội sinh chất chỉ được mô tả sau khi có kính hiển vi điện tử. Nó là một hệ thống các túi nhỏ, hoặc túi dẹt song song và nối thông nhau hình thành một mạng lưới 3 chiều. Mỗi ống hoặc túi đều được bọc bởi một cái màng lipoproteide có độ dày khoảng 75Å (tương tự màng tế bào). Về phía ngoài mạng lưới nội sinh chất thông với môi trường ngoài, và về phía trong nó thông với khoảng quanh nhân. Lòng mạng lưới nội sinh chất thường hẹp có đường kính từ 250Å - 500Å. Mặt ngoài có thể có ribosome bám vào, hoặc có thể nhẵn không có ribosome bám. Vì vậy, người ta phân biệt 2 loại: mạng lưới nội sinh chất có hạt và mạng lưới nội sinh chất không hạt hay mạng lưới nội sinh chất nhẵn (hình 6.1). 1 2 3 Hình 6.1. Lưới nội chất của tế bào gan (theo Krstie) 1. Lưới nội chất nhẵn; 2.Lưới nội chất hạt; 3. Lưới nội chất xoang. Mức độ phát triển của mạng lưới nội sinh chất tùy thuộc vào từng loại tế bào và giai đoạn hoạt động của tế bào. Ở tế bào có hoạt động chế tiết mạnh thì mạng lưới nội sinh chất phát triển. 6.2.2. Thành phần hóa học Mạng lưới nội sinh chất chứa: - Phospholipid (35% trọng lượng khô) - Protein (60% trọng lượng khô). Protein ở mạng lưới nội sinh chất bao gồm cả các enzyme, ví dụ như phosphatase. 6.2.3. Chức năng Mạng lưới nội sinh chất có các chức năng sau: - Tập trung và cô đặc một số chất từ ngoài tế bào vào hay ở trong tế bào. Những protein do ribosome bám ở ngoài màng tổng hợp được đưa vào lòng ống. - Tham gia tổng hợp các chất: mạng lưới nội sinh chất có hạt tổng hợp protein, còn gluxit và lipid do mạng lưới nội sinh chất không hạt tổng hợp.
- Vận chuyển và phân phối các chất. Những giọt lipid trong lòng ruột lọt vào trong tế bào biểu mô ruột (bằng cơ chế ẩm bào) được chuyền qua mạng lưới nội sinh chất để đưa vào khoảng gian bào. - Màng của mạng lưới nội sinh chất cũng góp phần quan trọng vào sự hình thành các màng của ty thể và peroxysome bằng cách tạo ra phần lớn các lipid của các bào quan này. TÀI LIỆU THAM KHẢO I. TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT 1. Phạm Phan Địch, Nguyễn Văn Ngọc, Đỗ Kính (1984), Tế bào học, Mô học, Phôi sinh học, Nxb Y học, Hà Nội. 2. Nguyễn Như Hiền, Trịnh Xuân Hậu (2000), Tế bào học, Nxb Đại học quốc gia Hà Nội. 3. Phạm Thành Hổ (2002), Sinh học đại cương - Tế bào học, Di truyền học, Học thuyết tiến hoá, Nxb Đại học quốc gia Tp. Hồ Chí Minh. II. TÀI LIỆU TIẾNG ANH 4. Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis Martin Raff, Keith Roberts, James D. Watson (1983), Molecular biology of The Cell, Garland Publishing, Inc, New York& London. 5. Lodish, Berk, Zipursky, Matsudaira, Baltimore, Darnell (1999), Molecular Cell Biology, Media Connected, W.H. Freeman and Company. 6. W.D. Phlipps and T. J. Chilton (1991), A - Level Biology, Oxford University Press.
Chương 7 TY THÊ (Mitochondria) Ty thể được phát hiện và mô tả đầu tiên bởi Altman từ năm 1894 và đến năm 1897 Benda đặt tên là mitochondria. Cấu trúc siêu hiển vi của ty thể được Palad nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử vào năm 1952 và Sjostand vào năm 1953. 7.1. Cấu tạo hình thái Hình dạng chung của ty thể trong các loại tế bào khác nhau thì rất khác nhau và thường có dạng sợi, hạt hoặc cả sợi và hạt trong một tế bào. Ví dụ: trong tế bào gan, ty thể có thể thay đổi từ dạng hạt sang sợi và ngược lại; còn trong tế bào biểu bì ruột, dạng sợi nằm ở phần ngoài, dạng hạt nằm ở phần trong (hình 7.1). A B C D Hình 7.1. Các dạng ty thể khác nhau A. Dạng hạt trong tế bào chuột; B. Dạng sợi trong tế bào thận thú; C - D. Dạng sợi - hạt trong tế bào gan. Kích thước của chúng cũng rất thay đổi, ở đa số tế bào ty thể có chiều dày tương đối cố định, khoảng 0,5μm, chiều dài thì thay đổi và tối đa là 7μm. Số lượng ty thể trong các loại tế bào khác nhau thì khác nhau và ở các trạng thái sinh lý khác nhau cũng khác nhau. Ví dụ: trong tế bào gan chuột có đến 2.500, còn trong tinh trùng một số sâu bọ chỉ có 5 - 7 ty thể. Ty thể được cấu tạo bởi 2 lớp màng giống màng tế bào. - Màng ngoài: dày 60Å, bảo đảm tính thấm của ty thể. - Màng trong: dày 60Å. Từ màng trong hình thành nên các mấu lồi ăn sâu vào trong xoang ty thể gọi là tấm hình răng lược (crista). Màng trong chia xoang ty thể thành 2 xoang. + Xoang ngoài nằm giữa màng trong mà màng ngoài rộng khoảng 60 - 80Å và thông với xoang của các vách răng lược. + Xoang trong được giới hạn bởi màng trong và chứa đầy chất nền của ty thể gọi là matrix.
Chất nền thường là đồng nhất, nhưng đôi khi quan sát thấy có các sợi mỏng hoặc các hạt nhỏ có mật độ điện tử cao, các hạt này là nơi đính các cation hai hoá trị, đặc biệt là Mg+2 và Ca+2. Các tấm hình răng lược là những vách ngăn không hoàn toàn. Số lượng các tấm răng lược không giống nhau ở những tế bào khác nhau và ở các loài khác nhau. Mặt trong của màng trong có những khối hình cầu đường kính 80 -100Å đính vào bề mặt của tấm hình răng lược nhờ một cái cuống dài 30 -50Å - gọi là hạt cơ bản. Trong một ty thể có tới 104 - 105 hạt cơ bản (Vermander - Moran 1963). Hạt cơ bản có 3 chức năng: - Thực hiện phản ứng oxy hoá khử, giải phóng e- - Vận chuyển e- đến để tổng hợp ATP. - Thực hiện phản ứng phân giải ATP và cung cấp năng lượng cho các hoạt động của tế bào (hình 7.1 và 7.2). 1 2 A 3 4 5 B 6 7 8 9 C 10 Hình 7.1. Sơ đồ cấu trúc chung của ty thể A. Cắt bỏ một phần; B. Cắt dọc toàn bộ; C. Phóng đại một crista; 1. Màng ngoài; 2. Màng trong; 3. Các vách ngăn; 4. Vòng ADN; 5. Ribosom ty thể; 6. Chất nền; 7. Màng trong; 8. Xoang chứa dịch; 9. Màng ngoài; 10. Các hạt hình nấm (đường kính 0,8nm).
5 4 3 1 2 Hình 7.2. Ty thể cắt dọc ở tế bào tuỵ dơi (Ảnh HVDT - theo Fawcett) 1. Khoảng trống trong màng; 2. Cơ chất; 3. Màng ngoài; 4. Tấm lược; 5. Màng trong. 7.2. Thành phần hoá học Thành phần hoá học của ty thể chủ yếu gồm: - Protein chiếm khoảng 60 - 70% trọng lượng khô và tồn tại dưới 2 dạng khác nhau: một phần tham gia vào thành phần siêu cấu trúc của ty thể, phần khác hoà tan trong matrix. - Lipid chiếm khoảng 25 - 30% trọng lượng khô, chủ yếu là các phospholipid và một phần ít cholesterol. Ngoài ra, trong ty thể có chứa một lượng không lớn ARN (khoảng 0,5 - 3%) và ADN (khoảng 0,024 - 0,34%). Nass (1963, 1964), Lin và Pei (1965) cũng đã tìm thấy glycogen trong ty thể. Ty thể chứa một số lượng lớn các hệ enzyme tham gia vào quá trình hô hấp của tế bào như: các enzyme citocromoxydase, sucsinatdehydrogentase; các enzyme của dây chuyền điện tử: NADP và NADcitocromcreductase, Ngoài ra, trong chất nền còn có chứa các enzyme tham gia chu trình acid béo, các enzyme nucleotide khác nhau, các cofecenzyme + - ++ - - - - và các ion vô cơ K , HPO4 , Mg , C , SO4
7.3. Chức năng Chức năng quan trọng của ty thể là nơi tổng hợp năng lượng dưới dạng hợp chất cao năng ATP. Nhờ chứa hệ thống enzyme chuyền điện tử, enzyme của chu trình Creb và phosphoryll hoá mà ty thể đã thực hiện các quá trình oxy hoá các hydratcacbon, acid béo, các acid amin và một số chất khác như cholin. Năng lượng được giải phóng ra trong các quá trình đó được tích vào liên kết phosphat cao năng của ATP theo phản ứng: ADP + P vô cơ + E (năng lượng) ATP Đồng thời ty thể cũng là nơi cung cấp năng lượng chủ yếu cho mọi hoạt động của tế bào. Quá trình cung cấp năng lượng thực hiện theo phản ứng: ATP ADP + P vô cơ + năng lượng Ngoài ra, ty thể còn có khả năng tổng hợp các chất chủ yếu, cần thiết cho hoạt động của ty thể như các enzyme hô hấp, protein 7.4. Nguồn gốc phát sinh Giả thuyết trước đây cho rằng, trong quá trình tiến hoá của tế bào thì ty thể có nguồn gốc từ sự phân hoá của màng sinh chất ăn sâu vào tế bào, sau đó tách ra và phức tạp hoá dần hệ thống các răng lược để hình thành một bào quan độc lập. Dẫn chứng cho giả thuyết này là ở nhiều vi khuẩn có cấu trúc mezoxom (là các nếp gấp của màng sinh chất ăn sâu vào tế bào) có chứa enzyme và nhân tố của sự hô hấp hiếu khí. Đây được xem là hình ảnh ty thể nguyên thuỷ. Ngày nay, người ta công nhận giả thuyết "cộng sinh" về nguồn gốc chủng loại của ty thể. Sự xuất hiện của ty thể trong tế bào eucaryota là kết quả cộng sinh của vi khuẩn hiếu khí với tế bào. Dẫn chứng thuyết phục nhất là trong ty thể có chứa ADN giống với ADN của vi khuẩn, ribosome của ty thể về kích thước giống với ribosome vi khuẩn. Đặc biệt cơ chế và hoạt động tổng hợp protein trong ty thể có nhiều đặc điểm giống với vi khuẩn (acid amin khởi động; là N. focmylmethionin, sự tổng hợp bị ức chế bởi cholomphenicol v.v ).
TÀI LIỆU THAM KHẢO I. TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT 1. Nguyễn Như Hiền, Trịnh Xuân Hậu (2000), Tế bào học, Nxb Đại học quốc gia Hà Nội. 2. Phạm Thành Hổ (2002), Sinh học đại cương - Tế bào học, Di truyền học, Học thuyết tiến hoá, Nxb Đại học quốc gia Tp. Hồ Chí Minh. II. TÀI LIỆU TIẾNG ANH 3. Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis Martin Raff, Keith Roberts, James D. Watson (1983), Molecular biology of The Cell, Garland Publishing, Inc, New York& London. 4. Lodish, Berk, Zipursky, Matsudaira, Baltimore, Darnell (1999), Molecular Cell Biology, Media Connected, W.H. Freeman and Company. 5. W.D. Phlipps and T. J. Chilton (1991) A - Level Biology, Oxford University Press.
Chương 8 LẠP THÊ (Plastide) Lạp thể là những bào quan đặc trưng cho tế bào thực vật, có liên quan đến quá trình sinh tổng hợp các hydratcacbon đặc trưng cho sự trao đổi chất của thực vật. Người ta thường phân biệt hai nhóm lạp thể lớn: - Nhóm thứ nhất: bạch lạp - là lạp thể không có màu, gồm: + Lạp bột (amiloplast) là nơi tổng hợp tinh bột. + Lạp dầu (oleoplast) là nơi tổng hợp dầu. + Lạp đạm (proteinoplast) là nơi tập trung protein. - Nhóm thứ 2: sắc lạp - là lạp thể có chứa sắc tố gồm: + Lục lạp là lạp thể màu lục có chứa sắc tố chlorophyll. + Lạp cà rốt (carotinoridoplast) là lạp thể có chứa sắc tố màu vàng. Trong điều kiện sinh lý phát triển cá thể của thực vật, các lạp thể có thể chuyển hoá cho nhau. Ví dụ: bạch lạp biến thành lục lạp, như sự hoá xanh của mầm cây từ chỗ tối ra chỗ sáng, lục lạp biến thành sắc lạp như khi quả chín thì màu xanh biến thành màu vàng, đỏ, Sự phân hoá thành nhiều loại lạp thể như trên chỉ đặc trưng cho thực vật xanh bậc cao. Ở tảo, lạp thể chỉ có 1 loại chromotophora. Ở vi khuẩn lam và vi khuẩn quang hợp không có lục lạp ở dạng phân hoá mà do sắc chất (chromatoplasma) thực hiện. Ở nấm và nấm nhầy không có lạp thể vì cơ thể dị dưỡng. 8.1. Bạch lạp Bạch lạp là loại lạp thể không màu có hình dạng không xác định và có trong các bộ phận không màu của cây. Như đã nói ở trên, có nhiều loại bạch lạp: lạp bột, lạp dầu và lạp đạm, nhưng phổ biến nhất là lạp bột (amiloplast) có vai trò tổng hợp các tinh bột thứ cấp từ các mono và disacarit. Tinh bột do lạp bột tổng hợp được giữ lại ở dạng dự trữ để sử dụng lâu dài cho các giai đoạn phát triển cá thể về sau của cây. Các hạt tinh bột này có kích thước lớn và được gọi là tinh bột dự trữ. Thực ra, các loại lạp thể khác như lục lạp đều có khả năng tổng hợp tinh bột, nhưng các hạt tinh bột kiểu này có kích thước bé và được gọi là tinh bột cấp một hay tinh bột chuyển tiếp. Ví dụ trong lục lạp, tinh bột chỉ được hình thành trong thời gian lục lạp còn đồng hóa CO2, sau đó, chúng biến mất và được chuyển vận cho các nơi sử dụng hoặc cho cơ quan dự trữ. Người ta có thể dễ dàng tách các hạt tinh bột từ dịch nghiền của mô thực vật nhờ trọng lượng riêng rất lớn của tinh bột (lớn hơn I,6) cao hơn trọng lượng riêng của các cấu thành khác của tế bào. Cũng vì vậy mà ta có thể chế biến bột bằng cách đơn giản là để lắng tinh bột do tác dụng của
trọng lượng mà không cần phải ly tâm. Trong nội nhũ của hạt lúa chứa đầy tinh bột nên người ta thu được bột gạo đơn giản bằng cách chỉ cần xay nghiền chúng là được. Tuy nhiên, loại bột như vậy còn chứa rất nhiều cấu thành khác của tế bào, cho nên, để nghiên cứu tính chất hóa lý các hạt tinh bột thì còn phải tách chúng khỏi hỗn hợp bột đó. Chúng ta đều biết tinh bột gồm 2 thành phần amilo và amilopectin, trong đó hàm lượng amilo chiếm từ 1/5 - 1/4. Trong tinh bột của một số hạt có thể không có amilo (ví dụ trong ngô nếp). Trong các hạt loại khác thì amilo có thể chiếm đến 1/3 hoặc tới 1/2. Sự sai khác về thành phần hóa học đó không hề ảnh hưởng đến đặc tính hình thái của các hạt tinh bột. Tinh bột ngô nếp khi nhuộm bằng iod có màu đỏ nhạt cũng có cấu tạo hiển vi giống như tinh bột ngô tẻ là loại tinh bột khi nhuộm bằng iod sẽ bắt màu đen. Như vậy, đặc tính đa dạng về hình thái của các hạt tinh bột ở các loài và họ thực vật khác nhau là do các nhân tố điều chỉnh sự tổng hợp tinh bột. Trong các dạng tinh bột hạt hòa thảo và tinh bột củ được nghiên cứu nhiều nhất, chúng khác nhau về rơnghen đồ, về hình dạng: tinh bột hòa thảo có dạng hình cầu (ví dụ lúa mì), còn tinh bột củ có dạng hình trứng (ví dụ khoai tây). Ngoài ra, tinh bột dạng hình trứng ở củ có cấu trúc lớp đồng tâm thấy rất rõ dưới kính hiển vi, còn đặc tính cấu trúc lớp tinh bột hòa thảo thường thì không thấy dưới kính hiển vi mà người ta chỉ quan sát được chúng sau khi ngâm mủn. Sự hình thành và phát triển các hạt tinh bột ở thảo và củ đều tương tự như nhau. Trong chất nền của lạp bột có chứa các ống nhỏ và túi nhỏ, lúc đầu xuất hiện phần tử tinh bột có kích thước hiển vi điện tử. Có trường hợp phân tử tinh bột xuất hiện ở trung tâm lạp bột, các ống nhỏ và túi bao quanh thành vòng kín có cấu trúc tương tự như không bào. Tinh bột mới được hình thành trong chất nền bao quanh hạt tinh bột nguyên thủy đó và kết quả là xuất hiện trung tâm tạo tinh bột có kích thước thấy được dưới kính hiển vi quang học có tên gọi là hilum. Hilum phát triển to lên do sự hình thành tinh bột mới và cuối cùng trong lạp bột chứa đầy tinh bột. Trong khi tinh bột hình thành và lớn lên, các ống và túi trong chất nền lạp bột bị ép ra ngoại biên, cuối cùng kích thước hạt tinh bột phát triển lớn hơn kích thước ban đầu của lạp bột, kết quả là hạt tinh bột được bao bởi màng (nó gồm màng kép của lạp bột và chất nền còn lại). Màng này càng ngày càng to và biến thành càng khô. Ở nội nhũ hạt lúa trong các lạp bột xuất hiện nhiều trung tâm tạo bột nguyên thủy. Các chất tinh bột nguyên thủy này lớn lên, tiếp xúc dính với nhau hình thành hạt phức tạp hơn. Giữa các hạt tinh bột bé tạo thành hạt lớn phức tạp vẫn còn di tích chất nền của lạp bột, vì vậy, dễ dàng tách các hạt tinh bột bé khỏi hạt lớn. Ở hạt gạo, các hạt tinh bột bé này có kích thước rất bé, do đó, người ta thường dùng bột gạo để chế tạo phấn bôi mặt. Ở trong lạp bột của nội nhũ lúa mì, lúa mạch thì chỉ xuất hiện một trung tâm tạo bột và quá trình phát triển có thể hình thành hạt tinh bột lớn có kích thước tới 20 - 30µm. Đặc tính cấu tạo lớp trong hạt tinh bột của hạt hòa thảo phản ánh chu kỳ ngày, nghĩa là phụ thuộc vào chu kỳ ngày, của sự trao đổi chất của cây, phụ thuộc vào các nhân tố ngoại cảnh như chiếu sáng, nhiệt độ, cường độ tổng hợp đường. Cũng vì vậy mà gọi lớp vỏ ở hạt tinh bột là vòng ngày giống như vòng năm ở thân cây (nếu ta đem chiếu sáng liên tục, ổn định và nhiệt độ ổn định thì trong các hạt tinh bột hạt hòa thảo không quan sát thấy cấu trúc lớp). Còn cấu trúc lớp của hạt tinh bột củ khoai tây không mang tính chất chu kỳ ngày, mà phụ thuộc vào các nội nhân tố, có lẽ chủ yếu là phụ thuộc vào sự vận chuyển của đường là nguyên liệu để tổng hợp tinh bột.
8.2. Sắc lạp 8.2.1. Lục lạp (chloroplast) Lục lạp là bào quan phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong thế giới thực vật, vì nó thực hiện chức năng quang hợp biến năng lượng của ánh sáng mặt trời thành năng lượng hoá học để cung cấp cho toàn bộ thế giới sinh vật. 8.2.1.1. Cấu tạo hình thái Lục lạp cũng có cấu trúc màng hai lớp. Màng ngoài rất dễ thấm, màng trong rất ít thấm, giữa màng ngoài và màng trong có một khoang giữa màng. Màng trong bao bọc một vùng không có màu xanh lục được gọi là stroma tương tự như chất nền matrix của ty thể. Stroma chứa các enzyme, các ribosome, ARN và ADN. Khác với ty thể, màng trong của lục lạp không xếp lại thành crista và không chứa chuỗi chuyền điện tử. Ngược lại, hệ thống quang hợp hấp thu ánh sáng, chuỗi chuyền điện tử và ATP synthetase, tất cả đều được chứa trong màng thứ 3 tách biệt. Màng này hình thành một tập hợp các túi dẹt hình đĩa gọi là thylakoid (bản mỏng). Màng của thylakoid tạo nên một khoảng trong thylakoid (thylakoid interspace) tách biệt với stroma. Các thylakoid có xu hướng xếp chồng lên nhau tạo thành phức hợp gọi là grana. Diệp lục tố (chlorophylle) nằm trên màng thylakoid nên grana có màu lục (hình 8.1 và 8.2).
1 2 11 3 10 4 5 6 7 9 8 Hình 8.1. Cấu trúc lục lạp (theo Philips) 1. Màng ngoài; 2. Màng trong; 3. Xoang chứa dịch; 4. Vòng ADN; 5. Thylacoid; 6. Phi ến; 7. Grana; 8. Giọt mỡ; 9. Hạt tinh bột; 10. Stroma; 11. Ribosome lục lạp. 8.2.1.2. Thành phần hoá học Thành phần hoá học của lục lạp chủ yếu gồm: - Protein chiếm khoảng 35 - 55%, trong đó có khoảng 80% dạng không hoà tan và liên kết với lipid thành lipoproteide, dạng hoà tan có thể là các enzyme. - Lipid chiếm khoảng 20 - 30% gồm mở trung tính, steroid, hospholipid. - Chlorophille, các carotinoid như carotin và xantophin. - Gluxit như tinh bột, đường. - Các acid nucleic: ARN từ 2 - 4%, ADN từ 0,2 - 0,5%. - Thành phần vô cơ: Fe, Cu, Mn, Zn, ngoài ra còn có cytocrom, vitamin K, E - ATP, NAD.
1 2 3 4 5 6 Hình 8.2. Lục lạp bổ dọc của tế bào thực vật (ảnh HVDTq - theo Ledbetter) 1. Màng plasma; 2. Hạt; 3. Màng thylakoid; 4. Cơ chất; 5. Màng lục lạp (ngoài và trong); 6. Hạt tinh bột. 8.2.1.3. Chức năng Lục lạp thực hiện quá trình quang hợp. Nhờ chlorophille chứa trong lục lạp mà cây xanh hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời và biến chúng thành năng lượng hoá học trong ATP để tổng hợp các chất hữu cơ. Quá trình quang hợp được tổng quát bằng sơ đồ sau: năng lượng ánh sáng 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + O2 Chlorophille 8.2.1.4. Sự phát sinh của lục lạp Theo dõi quá trình phát sinh chủng loại, người ta quan sát thấy sự phức tạp hóa dần dần trong cấu trúc lục lạp. Ở vi khuẩn, cấu trúc dùng để hấp thụ và chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời chính là màng sinh chất bao quanh tế bào. Ở vi khuẩn lam, hệ thống màng có chức năng quang hợp đã được tách khỏi màng bởi 1 lớp tế bào chất. Lục tảo đã có lục lạp phân hóa nhưng có cấu trúc đơn giản, nghĩa là chưa có hệ thống cột. Từ rêu, dương xỉ, lục lạp đã có dạng điển hình giống lục lạp thực vật bậc cao.
Qua các thế hệ tế bào tính liên tục của lạp thể là do lục lạp có khả năng tự sinh sản bằng cách phân chia, và người ta cũng đã chứng minh rằng lục lạp được hình thành chỉ bằng cách phân chia từ lục lạp có trước. Khả năng tự phân chia của lục lạp là do lục lạp có hệ thống di truyền tự lập riêng (có ADN) và hệ tổng hợp protein tự lập (có chứa ribosome, các loại ARN). Ribosome của lục lạp giống ribosome của procaryota, có hằng số lắng 70S gồm 2 đơn vị nhỏ là 50S và 30S. Đơn vị nhỏ 50S chứa rARN 5S và 23 S và 26 - 84 protein. Đơn vị nhỏ 30S chứa rARN 16S và 19 - 25 protein. ADN của lục lạp cũng có cấu tạo giống ADN của procaryota (vi khuẩn và tảo lam) có cấu trúc vòng, -16 -16 không chứa histon có chiều dài tối đa 150µm với hàm lượng 10 - 10 g. ADN của lục lạp chứa thông tin mã hóa cho một số protein mà lục lạp tự tổng hợp trên ribosome của mình. Còn các protein khác do tế bào cung cấp. ADN lục lạp là nhân tố di truyền ngoài nhiễm sắc thể. Người ta cho rằng trong quá trình chủng loại, lục lạp được hình thành là kết quả của sự cộng sinh của một loài vi khuẩn lam trong tế bào. 8.2.2. Lạp carot (carotinoidoplast) Lạp carot có thành phần sinh hóa khác với lục lạp, lipid chiếm đến 58%, protein 22%. Nếu như trong lục lạp, lipid chỉ chiếm 1/3 và protein chiếm 1/2 trọng lượng chung thì đối với lạp carot, lipid chiếm quá 1/2 và protein chỉ chiếm 1/5 trọng lượng chung. Về acidnucleic thì trong lạp carot người ta chỉ tìm thấy ARN. Trong các sắc tố nếu β - carotin là thành phần sinh hoá quan trọng trong lục lạp thì trong lạp carot chúng biến thành epoxit, do đó, hàm lượng β - carotin trong sắc lạp hầu như không có. Thay thế cho β - carotin, trong lạp carot có các carotinoit khác. Ví dụ trong củ cà rốt có α - carotm, trong quả cà chua cũng như quả họ Solanaceae có sắc tố licopin. Về mùa thu, khi lá xanh hóa vàng thì chlorophill đã bị phá hủy, các chất carotinoit còn lại trong lạp thể và giữ ở dạng oxy hóa hoặc ở dạng các este phức tạp hòa tan trong tế bào. Lạp carot có thể được hình thành từ lục lạp hoặc từ bạch lạp (ví dụ ở củ cà rốt). Theo dõi quá trình màu hóa của lá hay sự chín của quả, ta có thể thấy rõ sự hình thành sắc lạp từ lục lạp. Trong quá trình hình thành sắc lạp, chlorophill và tinh bột trong lục lạp dần dần biến mất, đồng thời sắc tố vàng tăng dần hàm lượng và hòa tan trong lipid ở dạng các thể cầu bé. Cấu trúc tấm của lục lạp bị phá hủy và chất nền của lục lạp cũng bị thoái hóa. Như vậy ta có thể xem lạp carot là giai đoạn già cỗi và thoái hoá của lạp thể. Tuy nhiên, cũng không nên xem lạp carot không đóng vai trò gì trong đời sống của cây. Màu của hoa và quả cũng có tác dụng lôi kéo côn trùng, chim và đó cũng là một phương thức thụ phấn và phát tán hạt.
Chương 9 CÁC BÀO QUAN KHÁC 9.1. Phức hệ Golgi (Golgi complex) Phức hệ Golgi hay bộ Golgi được phát hiện vào năm 1898 bởi Golgi. 9.1.1. Cấu tạo hình thái Bộ Golgi thường nằm gần nhân tế bào, ở tế bào động vật nó thường ở cạnh trung thể (centrosome) hay ở trung tâm tế bào. Bộ Golgi được tạo thành bởi các thành phần sau: - Những bao dẹt xếp song song thành chồng như chồng đĩa. Mỗi bao dẹt có hình một cái đĩa cong đường kính từ 1 - 3µm. Đường kính của lòng bao từ 100 - 200Å. - Những túi nhỏ hình cầu, đường kính 300 - 1000Å, nằm ở vùng ngoại vi của những bao dẹt. - Những không bào lớn hình cầu đường kính khoảng 5000Å, có khi tới 30.000Å. Chúng thường nằm ở đầu các bao dẹt, hoặc chen vào giữa các chồng bao dẹt (hình 9.1). 1 2 4 3 Hình 9.1. Bộ Golgi (theo Bruce Alberts) 1. Phía nhân; 2. Các túi đi vào; 3. Golgi dạng túi; 4. Golgi dạng bao dẹt.
C ả 3 thành phần nói trên đều được bao bọc bởi màng giống với màng tế bào, có chiều dày 75Å, nhẵn không có ribosome bám ở mặt ngoài. Bộ Golgi phát triển ở các tế bào tiết mạnh (tế bào tuyến) (hình 9.2). 9.1.2. Thành phần hóa học Cho đến nay chưa được biết đầy đủ vì việc tách bộ Golgi ra khỏi tế bào để nghiên cứu còn gặp khó khăn. Tuy nhiên, bằng phương pháp hóa tế bào người ta thấy bộ Golgi có protein, phospholipide, một số loại men như phosphatase acid, phosphatase kiềm. 9.1.3. Chức năng - Trước đây, H. Hacohob (1924) và Bowen (1929) cho rằng vai trò của bộ Golgi có liên quan đến sự hình thành chất tiết của tế bào. Hình 9.2. Siêu cấu trúc của bộ - Ngày nay, nhờ các phương Golgi của tế bào thực vật - tảo pháp nghiên cứu hiện đại đã cho phép Chlamydomonas (ảnh HVĐT - các nhà nghiên cứu đưa ra quan niệm theo George Palade) về dây chuyền sản xuất nội bào và bộ Golgi tham gia với tư cách là một khâu trong dây chuyền đó. Bộ Golgi là nơi tập trung, sắp xếp, đóng gói và cô đặc những sản phẩm chế tiết đã được sản xuất bởi mạng lưới nội sinh chất và chế biến thành các hạt chất tiết. Sản phẩm tập trung vào bộ Golgi thường là protein, các hạt noãn hoàng (Kessel, 1966), các hoocmon thuộc loại steroit (Duffaire, 1970), các hoocmon insulin và glucagon (Kawanishi, 1966). - Bộ Golgi tham gia tạo ra tiền lysosome. Ở tế bào dòng tinh, bộ Golgi tạo ra cực đầu của tinh trùng. Ngày nay, có rất nhiều dẫn liệu chứng minh vai trò của bộ Golgi không những chỉ tập trung, sắp xếp mà còn tham gia vào sự tổng hợp các polysaccharide, các glucoprotein. Vai trò này thể hiện ở cả tế bào động vật và tế bào thực vật (Raugier, 1966, Heban, 1969). Tóm lại, khi sản xuất protein thì ribosome là nơi tổng hợp, còn bộ Golgi chỉ là nơi tập trung chế biến và khi sản xuất polysaccharide thì bộ Golgi chính là nơi tổng hợp (mô hình của Favard, 1969 - hình 9.3).
Glucose Galactose Acid amin Ribosom Polysaccharit Protein Mucopolysaccharit Glucoproteide Lưới nội sinh chất Hình 9.3. Mô hình chức năng của phức hệ Golgi (theo Favard) 9.2. Ribosome Ribosome còn gọi là hạt palad, đượ c Palade mô tả lần đầu tiên vào năm 1953. ribosome có trong tất cả tế bào từ vi khuẩn đến động vật bậc cao. 9.2.1. Cấu tạo hình thái Ribosome là những khối hình cầu hay hình trứng có đường kính 150Å. S ự phân bố của ribosome trong tế bào thay đổi tuỳ vùng. Chúng có thể ở dạng t ự do rải rác trong tế bào chất, hay dính vào mặt ngoài của màng mạng lướ i nội sinh chất hoặc mặt ngoài củ a màng nhân (hình 9.4). Ribosome có thể đứng riêng lẻ hoặc liên kết với nhau thành chuỗi bởi một sợi m ảnh có đường kính 15Å. Ngày nay, ng ười ta đã biết đó là sợi mARN. Mỗi chuỗi có từ 5 - 70 ribosome Hình 9.4. Cấu trúc ribosome (theo Phạm Phan Địch) (theo Rich, 1963-1964). Khoảng cách giữa các ribosome là 50 - 150Å. Mỗi 1. Tiểu phần nhỏ; 2. mARN; 3. tARN; chuỗi như vậy gọi là polysom. 4. Acid amin; 5. Tiểu phần lớn; 6. Chuỗi polypeptide; 7. Màng của lưới nội chất. Mỗi ribosome được tạo thành bởi 2 đơn vị nhỏ gọi là hai tiểu phần có độ lắng và kích thước khác nhau. Hai tiểu phần gắn vào nhau nhờ ion Mg++. Khi nồng độ Mg++ thấp hơn 0,001M, ribosome tách thành 2 tiểu phần có độ lắng khác nhau (hình 9.5).
Ribosome vi khuẩn có độ lắng là 70S; ribosome của thực vật và động vật là 80S thì tiểu phần lớn có độ lắng là 60S, còn tiểu phần nhỏ là 40S. Ở ribosome 70S thì tiểu phần lớn có độ lắng 50S và tiểu phần nhỏ là 30S. Hình 9.5. Ribosome tách thành các tiểu phần (theo Phạm Phan Địch) Trên tiểu phần lớn có 3 vùng liên kết với ARN: - Vùng liên kết với mARN. - Vùng liên kết peptid - tARN (vùng P) để cố định tARN khi đang lắp ráp acid amin vào mạch polypeptid. - Vùng liên kết amino - acyl - tARN (vùng A) để cố định tARN đang mang acid amin chuyền vào ribosome. Khi ribosome đính vào lưới nội bào thì nó thường được dính ở phần của tiểu phần lớn. 9.2.2. Cấu tạo hoá học Bằng phương pháp phân tích hoá học người ta xác định được thành phần hoá học của ribosome. Mỗi ribosome chứa: rARN, các enzyme, và các protein cấu trúc và nước. Ribosome 70S chứa 50% nước; rARN bằng 63% trọng lượng khô, protein bằng 37% trọng lượng khô. Ribosome 80S chứa 80% nước; rARN bằng 50% trọng lượng khô và protein chiếm 50% trọng lượng khô. Ngoài những thành phần nói ở trên, trong ribosome còn có ion Mg++, Ca++, các enzyme như ribonuclease, deoxyribonuclease ở dạng không hoạt tính, leuxinaminopeptidase, β - galactoridase, các enzyme phosphatase base và acid. 9.2.3. Chức năng Chức năng chủ yếu của ribosome là nơi tổng hợp protein. Chính trên ribosome các acid amin đã được hoạt hoá tập hợp lại và được lắp ráp đúng vị trí vào mạch polypeptid theo đúng mật mã di truyền ở trong mạch mARN (xem ở phần tổng hợp protein). 9.3. Lysosome (tiêu thể) Lysosome được De Duve (Bỉ) nghiên cứu, mô tả đầu tiên vào năm 1949 và đặt tên vào năm 1955. Lysosome là bào quan có trong hầu hết các tế bào động vật và cả động vật đơn bào. Đặt biệt thể lysosome có nhiều và có kích thước lớn trong các đại thực bào và bạch cầu.
9.3.1. Cấu tạo hình thái Kích thước, hình dạng của lysosome rất đa dạng và tuỳ thuộc vào các chất khác nhau mà thể lysosome thu thập vào để phân giải. Lysosome là những khối hình cầu đường kính từ 0,2 - 0,4μ, có khi lớn đến 1 - 2μ. Lysosome được bao bởi một màng lipoproteide (màng tế bào). - Tuỳ thuộc vào sự hình thành, thành phần cũng như hoạt tính chức năng của các chất chứa trong lysosome mà người ta phân thành 4 dạng, trong đó chỉ có một dạng là nguyên phát còn 3 dạng kia là lysosome thứ phát. + Thể lysosome cấp I: là dạng lysosome nguyên phát. Là khối hình cầu nhỏ, chứa những enzyme thuỷ phân. Những enzyme này sẽ hoạt động khi xung quanh trở thành acid (pH < 7). + Không bào tiêu hoá: được tạo ra do sự gắn kết của không bào chứa dị vật với lysosome nguyên phát. Trong không bào tiêu hoá, dị vật dần dần bị phân huỷ nhờ sự hoạt động của các enzyme chứa trong lysosome nguyên phát. + Thể cặn bã: khi các dị vật không bị phân huỷ hoàn toàn, những cặn bã còn tồn tại trong lysosome tạo thành thể cặn bã. Thể cặn bã sẽ bị tống ra khỏi tế bào. + Các không bào tự tiêu (còn được gọi là xitolysosome) là một dạng của lysosome chứa những cấu trúc của bản thân tế bào (ví dụ: các ty thể, ribosome, các mảnh của mạng lưới nội sinh chất, ) đang trong quá trình bị tiêu hoá. Vì vậy, nhiều tác giả gọi không bào tự tiêu là xitolysosome hoặc otolysosome. Không bào tự tiêu được hình thành trong các quá trình sinh lý hoặc bệnh lý. - Dựa vào quá trình tiêu hoá nội bào người ta còn phân biệt ra 3 kiểu lysosome như sau: + Các yếu tố tiền lysosome, đó là các fagosome hay otofagosome. + Các lysosome cấp I và cấp II (các fagolysosome, otolysosome hoặc xitolysosome) (hình 9.6). + Các yếu tố hậu lysosome, tương đương với các thể còn lại. Các yếu tố tiền lysosome chỉ chứa các dị vật - là các đối tượng để phân giải mà không chứa enzyme. Các thể lysosome cấp I có chứa enzyme hydrolase-acid, nhưng chưa tham gia vào quá trình tiêu hoá. Các lysosome cấp II chứa các enzyme hydrolase, chứa cả các chất chưa bị tiêu hoá hoặc đang bị tiêu hoá.
9.3.2. Cấu tạo hoá học Màng lysosom là màng sinh chất (màng tế bào) được cấu tạo từ protein và lipid. Hệ thống màng có nguồn gốc từ màng Golgi hoặc màng tế bào (Smith, 1969). Trong lysosom có chứa nhiều men thuỷ phân như: phosphatase acid, ADNase, ARNase, protease, lipase, glucosidase, collagenase, catepsin, Hiện nay, ngườ i ta đã biết chính xác 40 loại men khác nhau có trong lysosom. Nh ững men này chỉ hoạt động ở trong môi trường acid (pH = 5) và chỉ được giải phóng ra khỏi lysosom bị phá huỷ. 9.3.3. Chức năng Lysosom tham gia vào quá trình tiêu hoá nội bào. Lysosom tiêu huỷ các dị vật xâm nhập vào tế bào, tiêu hoá các bào quan già không còn hoạt động được nữa. Đôi khi lysosom còn tiêu huỷ ngay bản thân tế bào (sự tự tiêu), Hình 9.6. Lysosom (ảnh HVĐT - men catepsin đóng vai trò quan trọng theo Daniel) trong sự tự tiêu. Theo De Duve, quá Phần trên là lysosom cấp I trình tiêu hoá nội bào diễn ra theo sơ Phần dưới là lysosom cấp II đồ sau (hình 9.7). Các sản phẩm do enzyme của lysosome phân giải một phần có thể được tế bào sử dụng, còn các chất có hại cho tế bào hoặc bị thải ra khỏi tế bào hoặc được tích luỹ trong lysosome ở dạng các hạt lipofucsin.
Hình 9.7. Hoạt động chức năng của lysosom (theo De Duve) 1. D ị vật; 2. Đại phân tử; 3. Không bào ẩm bào; 4. Thể thực bào; 5. Lưới nội ch ất hạt; 6. Lysosom nguyên phát; 7. Không bào tiêu hoá; 8-9. Thể cặn bã; 10. Cặn bã bài xuất ra ngoài; 11. Không bào tự tiêu. 9.4. Peroxysome 9.4.1. Cấu tạo Peroxysome là bào quan được bao bọc bởi một màng đơn mỏng, thường nằm gần lưới nội sinh chất không hạt hoặc phần nhẵn của lưới nội sinh chất có hạt. Nhiều tác giả cho rằng peroxysome được hình thành từ lưới nội sinh chất. Các protein của màng peroxysom được tổng hợp từ lưới nội sinh chất có hạt rồi chuyển tới phần không hạt, từ đó hình thành túi của peroxysome. Các enzyme trong túi được tổng hợp ở trong tế bào chất rồi đưa vào bên trong túi (hình 9.8). Peroxysome chứa catalase và một số enzyme oxy hoá như urat oxydase, D. aminoacid oxydase.
Hình 9.8 Peroxysome (ảnh HVDT- theo Daniel) 3 peroxysome trong tế bào gan. Cả 3 thể vùi và màng lưới nội chất đều thể hiện rõ. 9.4.2. Chức năng - Peroxysome dùng enzyme oxydase để thực hiện phản ứng oxy hoá tách nguyên tử hydrogen từ các cơ chất đặc hiệu và tạo H2O2 (hydroperocid): oxydase RH2 + O2 R + H2O2 - Enzyme catalase sử dụng H2O2 từ phản ứng trên để oxy hoá nhiều cơ chất khác bao gồm: phenol, acid formic, formaldehyd và alcol: catalase H2O2 + RH2 R + 2H2O Catalase có thể chuyển H2O2 thành H2O: catalase H2O2 2H2O + O2 - Peroxysome trong tế bào gan và thận tham gia giải độc một số chất như etanol thành acetaldehyd. - Peroxysome xúc tác cho phản ứng phân tách các acid béo thành acetyl CoA, chất này được đưa đến ty thể tham gia vào hô hấp của tế bào. Như vậy, peroxysome là bào quan chuyên biệt để thực hiện các phản ứng tạo H2O2, rồi lại sử dụng H2O2 để oxy hoá một số chất khác trong tế bào. 9.5. Glyoxysome Là một vi thể chứa các enzyme dùng phân huỷ lipid thực vật thành đường để nuôi cây con. Tế bào động vật không có bào quan này. 9.6. Không bào (vacuole) Không bào được hiện ra trong tế bào chất như những túi chứa nước và
các chất tan hoặc tích nước do tế bào chất thải ra. Túi được bao quanh bởi một màng gọi là tonoplast, có thể xem như màng trong của tế bào chất. Có nhiều loại không bào tương ứng với các chức năng khác nhau: Ở một số nguyên sinh động vật có không bào “co bóp” (contractive vacuole) giữ vai trò quan trọng trong việc thải các chất và nước dư ra khỏi tế bào. Nhiều nguyên sinh động vật còn có không bào “dinh dưỡng” (food vacuole) chứa các hạt thức ăn. Các tế bào thực vật chưa trưởng thành chứa nhiều không bào nhỏ. Trong quá trình lớn lên, các tế bào hút thêm nước to ra và nhập lại với nhau thành một không bào lớn chiếm hầu hết thể tích của tế bào trưởng thành. Không bào lớn đẩy tế bào chất ra vách tế bào thành một lớp mỏng. Không bào thực vật chứa một dung dịch lỏng có các chất hoà tan, đây là dung dịch ưu trương nên hút nước do áp suất thẩm thấu. Do đó, không bào tạo một áp lực căng lên vách tế bào thực vật. Nhiều chất quan trọng cho đời sống của tế bào thực vật được chứa ở không bào như các chất hữu cơ chứa nitrogen hoà tan, có cả acid amin, các đường và cả một số protein. Không bào còn có chức năng chứa một số chất thải, các enzyme được tiết vào không bào để phân cắt các chất thải thành các chất đơn giản hơn để được đưa trở lại thể trong suốt (cytosol) và tái sử dụng. Một số chất khác như anthocyanin hay nhóm các sắc tố đó có trong dung dịch của không bào giữ vai trò tạo các màu của hoa, quả và lá mùa thu. 9.7. Vi ống (microtubule) Vi ống phổ biến ở các loại tế bào khác nhau, vì vậy, người ta xem chúng là cấu trúc cố định của tế bào. Số lượng, vị trí và hướng sắp xếp của chúng trong các tế bào khác nhau rất khác nhau. Vi ống có cấu trúc hình ống rỗng ở giữa, chiều dài có khi đạt tới 2,5µm, đường kính từ 150 - 300Å, lòng ống rộng từ 100 - 200Å, thành ống dày 40 - 60Å. Vi ống thường nằm ở lớp ngoài của tế bào chất, sát với tơ cơ (tế bào cơ vân), hoặc theo trục dọc của tế bào (tế bào biểu bì), hoặc theo kiểu phóng xạ. Vi ống liên quan chặt chẽ với ty thể, trung tử, mạng lưới nội sinh chất và với màng nhân. Vi ống có vai trò như bộ xương của tế bào, có nhiệm vụ nâng đỡ tế bào, đồng thời có vai trò là hàng rào để định khu các bào quan trong tế bào, ngoài ra còn có vai trò chuyên chở và vận động tế bào chất. Rosh (1970) cho rằng tính chất đa chức năng của vi ống là do khả năng biến đổi hình thù không gian của ống protein của vi ống. 9.8. Tơ cơ (miofibrin) Có thể xem tơ cơ là cấu trúc của tế bào được phân hoá làm chức năng co rút. Có hai dạng tơ cơ: tơ cơ trơn và tơ cơ vân. Tơ cơ trơn tạo nên cơ trơn, tơ cơ vân có cấu trúc vân ngang tạo nên cơ vân. Hai loại này phổ biến ở động vật đa bào.
Tơ cơ trơn đặc trưng cho các nội quan ở động vật có xương sống và cơ thể của nhiều động vật không xương sống bậc thấp. Tơ cơ vân tạo nên cơ của cơ thể cũng như cơ tim của động vật có xương sống và động vật chân khớp. - Tơ cơ vân có cấu trúc sợi, trên chiều dọc có xếp xen kẽ nhiều giải ngang hay là đĩa. Một số đĩa rộng và tối, còn các đĩa khác hẹp và sáng. - Dưới kính hiển vi phân cực, các đĩa tối thể hiện tính lưỡng chiết quang, vì vậy có tên gọi là đĩa A (Anisotropie). Các đĩa sáng thì không thể hiện tính lưỡng chiết quang nên có tên gọi là đĩa I (Isotrope). Các đĩa A và I lần lượt nằm xen kẽ nhau suốt chiều dài tơ cơ. Tơ cơ thường có đường kính vào khoảng 1 - 2µm và dài khoảng 10 - 20µm cho đến vài mm hoặc vài cm. Mỗi đĩa A lại được chia làm đôi bởi 1 giải ngang được gọi là giải H, các đĩa I ở chính giữa cũng được chia làm đôi bởi một giải có tên là tấm Z. Đoạn tơ cơ được giới hạn bởi hai đầu tấm Z được gọi là 1 tiết cơ (sarcomere). Như vậy, có thể xem tiết cơ là đơn vị cấu trúc tuyến tính của tơ cơ (hình 9.9). 1 3 2 Hình 9.9. Cấu tạo một tiết cơ 1. Actin; 2. Myosin; 3. Một tiết cơ. Các tơ cơ nằm trong tế bào chất của tế bào cơ, lớp tế bào này được gọi là cơ chất (sarcoplasma), trong đó có nhân tế bào, các ty thể và các bào quan khác. Dưới kính hiển vi điện tử cấu trúc siêu hiển vi của tơ cơ vân ở tất cả các động vật thuộc các bậc phân loại khác nhau nói chung đều giống nhau. Mỗi một tơ cơ gồm rất nhiều sợi bé hơn gọi là tiểu tơ cơ (protofibrin). Tiểu tơ cơ chia làm hai loại: + Tiểu tơ cơ dày có cấu trúc protein miozin. + Tiểu tơ cơ mảnh gồm protein actin. Chính các tiểu tơ cơ quyết định cấu trúc các đĩa và giải của tơ cơ vân. Tiểu tơ cơ dày chỉ có ở đĩa A đi qua giải H; tiểu tơ cơ mảnh thì chạy suốt đĩa I và xuyên qua đĩa A xen kẽ với tiểu tơ cơ dày cho đến giải H. Như vậy, giải H là vùng chỉ có tiểu tơ cơ dày, đĩa I là vùng chỉ có tiểu tơ cơ mảnh và đĩa A là vùng có chứa cả tiểu tơ cơ dày và tiểu tơ cơ mảnh.
- Tơ cơ trơn: khác với tơ cơ vân, các tơ cơ trơn chỉ gồm có một loại tiểu tơ cơ, có đường kính vào khoảng 1000Å và có chiều dài bằng chiều dài cơ trơn. - Chức năng: sự vận động của hai tiểu tơ cơ (actin và miozim) là tương đối với nhau. Đó là cơ sở của nhiều kiểu vận động như: sự co cơ, sự di chuyển kiểu amip, sự thắt lại giữa tế bào khi phân chia, cũng như sự vận chuyển các túi nhỏ trong tế bào. - Các vi sợi chỉ gồm có actin đóng vai trò cấu trúc. Chúng tạo nên sườn nội bào (cytoskeleton) là một hệ thống các rãnh phức tạp giúp duy trì hình dạng tế bào. 9.9. Tơ nâng đỡ (tonofibrin) Tơ nâng đỡ thường gặp ở nhiều tế bào của cơ thể đa bào, ví dụ ở tế bào thượng bì, ở tế bào sinh vật đơn bào. Tơ nâng đỡ có cấu trúc sợi và thường gồm những bó sợi có kích thước siêu hiển vi xếp song song; mỗi sợi có đường kính từ 60 - 150Å. Mỗi bó sợi có hàng trăm sợi siêu hiển vi. Ở tế bào thượng bì, tơ nâng đỡ xếp thẳng góc với màng tế bào và không xuyên qua màng sang tế bào bên cạnh. Tơ nâng đỡ có chức năng nâng đỡ (ví dụ ở tế bào đơn bào) hoặc có vai trò tăng cường mối liên hệ giữa các tế bào (đối với tế bào thượng bì). 9.10. Tiên mao (flagella) và tiêm mao (cillia) Tiên mao và tiêm mao thường nằm trên bề mặt của tế bào, đó là cơ quan vận động của tế bào, đặc biệt là sinh vật đơn bào. Về cấu trúc giữa tiên mao và tiêm mao không khác nhau, chúng chỉ khác nhau về kích thước và số lượng. Khi trên bề mặt tế bào có số lượng nhiều nhưng ngắn thì gọi là tiêm mao, khi có số lượng ít và dài thì gọi là tiên mao. Tiêm mao có ở thảo trùng, ở tế bào sinh vật đa bào, ví dụ như ở tế bào biểu mô có lông tơ lót ống tiêu hoá, lót ống hô hấp, ống sinh dục Tiên mao có nhiều ở sinh vật đơn bào, tinh trùng. Tiên mao và tiêm mao đều được bao bởi 1 lớp màng có cấu trúc 3 lớp - chính là do sự kéo dài của màng tế bào mà thành. Bên trong có cấu trúc sợi. Các sợi sắp xếp theo sơ đồ được trình bày trong hình 9.10. Sơ đồ cho thấy phía trong màng có 9 cặp vi ống nằm ngoài dày 300Å. Ở chính giữa có 2 sợi trung tâm được bọc trong một bao trung tâm dày 150Å. Ở giữa sợi ngoại vi và sợi trung tâm có 9 sợi thứ cấp nhỏ hơn.
Thành phần hoá học chủ yếu của tiên mao và tiêm mao là protein, ngoài ra còn có lipid. Protein và lipid là 2 thành phần chủ yếu tạo nên sợi microfibrin và sợi falagelin. Falagelin tương ứng với myosin của sợi cơ (ở đây không có actin). Tiên mao và tiêm mao có thể rụng đi, mất đi và loại mới sẽ dược phát triển từ chất nền. Thể nền có nguồn gốc từ trung tử. Ch ức năng: là cơ quan vận động của tế bào. Năng lượng cầ n cho hoạt động của Hình 9.10. Cấu trúc hiển vi của lông bơi chúng cũ ng là ATP. và sơ đồ cắt ngang ở 3 vùng (ngọn roi, gần gốc roi và trong gốc roi) (theo 9.11. Thành và vỏ tế bào Pechenik) Tế bào thực vật được bao bọc bởi những thành tế bào, các thành này nằm ngoài màng sinh chất và là tổ hợp đơn giản của gluxit. Đã từ lâu, các nhà sinh học biết tế bào thực vật, nấm và phần lớn các vi khuẩn có thành dày và chất giàu gluxit. Nhưng chỉ những năm gần đây người ta mới nhận thấy rằng tế bào động vật cũng có gluxit ở mặt ngoài của chúng. Các gluxit ở tế bào động vật không tạo nên thành của tế bào, tuy nhiên chúng hoạt động như những nhóm phía ngoài không phụ thuộc vào một số lipid và ptotein màng. Mặc dầu không liên hệ với nhau, các nhóm gluxit này thường được mô tả là “vỏ” tế bào và “vỏ” này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định một số đặc tính của tế bào. Sự có mặt của gluxit trên bề nặt ngoài của các tế bào làm xuất hiện các đặc tính chung của chúng. Tuy nhiên, cũng cần phân biệt: một bên là thành tế bào dễ nhận thấy, dày và tương đối cứng của thực vật, nấm và vi khuẩn. Bên kia là lớp “vỏ” khó thấy, mỏng và mềm của tế bào động vật. - Thành tế bào thực vật, nấm và vi khuẩn: thành tế bào thực vật, nói chung, không được coi là một phần của màng sinh chất, mặc dầu nó là sản phẩm của tế bào. Thành phần cấu trúc cơ bản của thành tế bào là loại polysaccharide tổng hợp - cellulose - có cấu trúc dạng sợi. Sợi cellulose gắn với nhau nhờ khuôn của các dẫn xuất gluxit khác, trong đó, có pectin và hemicellulose. Khuôn này không hoàn toàn lấp đầy các khoảng trống giữa các sợi và chúng cho phép nước, không khí, các chất hoà tan đi qua thành tế bào một cách tự do.
Phần đầu tiên của thành tế bào do tế bào trẻ đang phát triển tạo ra gọi là thành sơ cấp. Nơi thành của 2 tế bào chạm nhau, lớp giữa chúng được gọi là tấm trung gian sẽ gắn chúng với nhau. Pectin một polysaccharide tổng hợp trong dạng pectatecanxi là cấu trúc cơ bản của tấm trung gian. Nếu pectin bị hoà tan, tế bào sẽ kém liên kết chặt chẽ với nhau. Ví dụ: khi quả chín, pectatecanxi chuyển hoá một phần thành dạng khác dễ hoà tan hơn, các tế bào trở nên mềm hơn. Tế bào của các mô mềm ở thực vật chỉ có thành sơ cấp và tấm trung gian giữa các tế bào. Sau khi ngừng phát triển, các tế bào tạo phần gỗ cứng hơn và các lớp tiếp tục phát triển để hình thành nên thành thứ cấp. Thành thứ cấp thường dày hơn thành sơ cấp và được cấu tạo từ các lớp rất chặt hoặc tấm. Sợi cellulose của mỗi sợi tấm nằm song song với nhau và có góc 60 - 900 với sợi của tấm bên cạnh. Ngoài cellulose, thành thứ cấp còn chứa các chất khác như lignin làm cho chúng chắc hơn. Trên thành tế bào có những cầu nối, qua đó, các tế bào cạnh nhau liên hệ với nhau gọi là, cầu sinh chất (plasmadesmata). Có 2 dạng: + Dạng thứ nhất là các đường ống qua màng, qua đó nguyên sinh chất của từng tế bào riêng biệt trong một cơ thể thực vật đa bào liên kết và trao đổi với nguyên sinh chất của tế bào khác. Các nguyên sinh chất liên kết với nhau thành một hệ thống gọi là hợp bào (symplaste). Phần lớn sự trao đổi chất giữa các tế bào như trao đổi đường và acid amino thường xảy ra qua cầu sinh chất của hợp bào. + Dạng thứ 2 gọi là lõm, đó là vật cản có tính thấm chọn lọc do thành sơ cấp tạo nên. Thành tế bào của nấm và các vi khuẩn được cấu tạo từ chitin (thực vật từ cellulose) là dẫn xuất của amino glucosamine. Ở vi khuẩn, thành tế bào có chứa vài dạng cơ chất hữu cơ thay đổi theo từng nhóm. Phản ứng đặc biệt của các cơ chất hữu cơ này đối với các chất nhuộm màu là dấu hiệu để phân loại vi khuẩn trong phòng thí nghiệm. Nhờ có thành tế bào mà tế bào thực vật, nấm và vi khuẩn không bị vỡ ở môi trường ngoài rất loãng (nhược trương). Ở môi trường này tế bào phồng lên do áp lực trương và sẽ ép vào thành tế bào. Áp lực trương trên thực tế còn làm cho cấu trúc cơ học của cây xanh mạnh hơn (hình 9.11).
1 2 3 4 Hình 9.11. Vách tế bào (theo Phạm Thành Hổ) 1. Vách thứ cấp; 2. Phiến giữa; 3. Vách sơ cấp; 4. Giữa tế bào. - Glucocalix: ở tế bào động vật, gluxit (chính là olygosaccharide) đã gắn vào protein hoặc lipid ở mặt ngoài tế bào tạo thành glycoprotein và glucolipid. Sự liên kết giữa oligosaccharide với protein và lipid ở mặt ngoài tế bào động vật như vậy được gọi là glycocalix (hình 9.12). Theo những nghiên cứu mới nhất thì glycocalix chính là điểm nhận biết trên bề mặt tế bào, tạo cho nó khả năng tương tác với các tế bào khác. Ví dụ: khi trộn tế bào gan và thận riêng rẽ trong môi trường nuôi cấy, các tế bào gan sẽ nhận biết nhau và sẽ tái kết hợp, các tế bào thận cũng sẽ tách ra và tái kết hợp. Sự nhận biết của các tế bào trong quá trình phát triển phôi và cả sự kiểm soát quá trình phát triển của tế bào cũng phụ thuộc vào glycocalyse. Ngày nay, người ta còn cho rằng sự nhận biết của tế bào vật chủ ở vi rút có lẽ cũng phụ thuộc vào glucocalix. Và glucocalix của tế bào ngoại lai chính là dấu hiệu để phần tử kháng thể của hệ miễn dịch dùng để nhận biết vật gây bệnh.
1 2 7 3 4 6 5 Hình 9.12. Sơ đồ lớp thành và vỏ tế bào (glycocalyx) (theo Bruce Alberts) 1. Đường dư; 2. Glycoprotein hấp thụ; 3. Glycoprotein vận chuyển qua màng; 4. Glycolipide; 5. Tế bào chất; 6. Lớp lipid kép; 7. Thành tế bào (glycocalyx). Glucocalyse được tạo nên từ oligosaccharit ở phía ngoài của gluco, lipid và glucoprotein và của adsobedglycoprotein và proteoglycans. 9.12. Trung thể (centrosome) 9.12.1. Cấu tạo Trung thể còn gọi là trung tâm tế bào (cytocentrom), là bào quan có trong tất cả tế bào động vật đa bào, đơn bào và trong tế bào một số thực vật (tảo, nấm, rêu, dương xỉ và một số hạt trần). Trong tế bào của thực vật hạt kín, người ta chưa quan sát thấy trung thể, tuy rằng, có một số tác giả có mô tả các cấu trúc tương tự. Trung thể tồn tại trong tế bào chất ngay cả trong thời gian tế bào không phân chia, và xuất hiện rõ khi phân chia nguyên nhiễm (mitose). Trong tế bào không phân chia thì trung thể có trong tế bào chất, nằm cạnh nhân và ở giữa có 2 hạt bắt màu sáng nằm vuông góc với nhau gọi là trung tử (9.13). Trung tử (centriole) có kích thước từ 0,2 - 0,3µm. Dưới kính hiển vi điện tử, trung tử xuất hiện như cái ống trụ tròn, dài 0,3 - 0,6µm và đường kính 1000 - 2000Å. Thành ống được cấu tạo bởi 9 nhóm ống nhỏ, mỗi nhóm có 3 ống nhỏ. Trong 3 ống có 1 ống hoàn chỉnh (A) dính với 2 ống không hoàn chỉnh (B,C) (hình 9.14 và 9.15).
9.12.2. Chức năng 1 Trung tử đóng vai trò quan 1 trọng trong quá trình phân bào. Trong quá trình phân bào, trung tử 2 phân chia và di chuyển về 2 cực 3 đối lậ p của tế bào và hoạt động như tâm điểm cho thoi vô sắc và 4 hình thành nhân của tế bào con. Tuy nhiên, những tế bào không có trung tử thoi vô sắc cũng được hình thành. Hình 9.13. Vị trí của trung thể ở trong tế bào 1. Trung tâm tế bào; 2. Trung tử; 3. Ống vi thể; 4. Nhân. C B A Hình 9.14. Cấu tạo trung tử (theo Phillips) Hình 9.15. Trung thể có vệ tinh gắn vào (theo Phạm A. Nhìn từ bên; B. Lát cắt ngang; C. Bộ ba các ống siêu vi.
Chương 10 NHÂNTẾ BÀO (NUCLEUS) 10.1. Cấu tạo của nhân 10.1.1. Cấu trúc đại cương Nhân (nucleus) được Brawn phát hiện vào năm 1831 và được xem là thành phần bắt buộc của tất cả tế bào động vật và thực vật. Cơ thể một số vi sinh vật không quan sát thấy nhân, nhưng tìm thấy trong tế bào vi khuẩn và cả siêu vi khuẩn những chất tương đồng đối với chất của nhân: protide nhân (nucleoprotide) phân tán trong tế bào chất. Những công trình nghiên cứu hiển vi điện tử và di truyền vi sinh vật đã chứng minh các “chất nhân” của cơ thể vi sinh vật có chức năng giống như nhân của cơ thể đa bào. Như vậy, nhân hoặc chất nhân là tổ chức cố định và bắt buộc của tế bào ở bất kỳ mức độ tổ chức nào của sinh vật. Trong đời sống của tế bào có thể chia làm hai thời kỳ: - Thời kỳ trao đổi chất. - Thời kỳ phân chia nhân. Mỗi thời kỳ nhân có cấu trúc riêng. Thời kỳ trao đổi chất nhân ở trạng thái không phân chia - trạng thái tĩnh. Thời kỳ phân chia nhân thay đổi để tiến tới sự phân chia nhân và phân chia tế bào. Ở đây ta xét nhân ở thời kỳ trao đổi chất - thời kỳ nhân ở gian kỳ (interphase) 10.1.2. Số lượng Tuyệt đại đa số tế bào có một nhân. Có nhiều tế bào có 2 hoặc 3 nhân (tế bào gan, tế bào tuyến nước bọt động vật có vú, ). Có những tế bào đa nhân, có khi hàng chục như tế bào đa nhân (megacaryocyte) trong tuỷ xương. Trái lại, cũng có những tế bào không có nhân như tế bào hồng cầu động vật có vú. Nhưng hồng cầu không nhân chỉ ở giai đoạn trưởng thành, giai đoạn non hồng cầu có nhân. 10.1.3. Hình dạng Hình dạng của nhân phụ thuộc vào hình dạng của tế bào. Tế bào hình cầu, hình khối, nhân thường có dạng hình cầu (tế bào limpho). Tế bào hình trụ (như tế bào cơ) thì nhân có dạng dài hình bầu dục. Tuy vậy, trong nhiều loại tế bào nhân có hình dạng phức tạp. Ví dụ: tế bào bạch cầu có hạt nhân phân khúc hình thuỳ. Hình dạng của nhân có thể thay đổi tuỳ chức năng của tế bào. Ví dụ: nhân của bạch cầu có hạt phân thuỳ phức tạp là để tăng bề mặt tiếp xúc của nhân với tế bào chất. 10.1.4. Kích thước và vị trí Kích thước của nhân là đặc trưng đối với từng loại tế bào nhất định. Nói chung, tế bào dạng trẻ có nhân lớn hơn tế bào dạng già. Kích thước của nhân có liên quan đến kích
thước của toàn tế bào. Nói cách khác là liên quan đến kích thước của tế bào chất. Tỷ lệ của nhân và tế bào chất có thể biểu hiện bằng chỉ số của Hertwig (1908) như sau: N = Vn P Vc− Vn Trong đó: N : tỷ số giữa nhân và tế bào chất. P Vn: thể tích nhân. Vc: thể tích tế bào chất. Tỷ số này cho thấy khi thể tích tế bào chất tăng thì thể tích nhân cũng tăng. Và khi cân bằng này bị phá vỡ là nguyên nhân kích thích sự phân chia tế bào. Vị trí của nhân thay đổi theo trạng thái của tế bào, nhưng nói chung, vị trí của nhân là đặc trưng cho từng loại tế bào. Trong tế bào phôi, nhân thường nằm ở trung tâm; trong tế bào đã phân hóa nhân thay đổi vị trí tùy theo sự hình thành các chất dự trữ trong tế bào chất. Ví dụ: trong tế bào trứng giàu noãn hoàng, nhân thường nằm ở phần nền. Tuy nhiên, trong tế bào đã phân hóa thì dù cho nhân ở vị trí nào cũng đều được bao bởi tế bào chất. 10.1.5. Cấu trúc nhân trong tế bào sống và trong tế bào tiêu bản Trong đa số tế bào sống, nhân có đặc tính đồng nhất quang học. Người ta chỉ phân biệt được màng nhân, chứa bên trong các thể hình cầu (1 hoặc vài thể) có tính chiết quang mạnh, đó là hạch nhân. Một số tế bào ở gian kỳ có thể quan sát được nhiễm sắc thể và còn có thể quan sát được các hạch và các búi khác nhau nằm trong dịch nhân (hình 10.1). Trong tế bào tiêu bản (đã nhuộm màu), nhân có cấu trúc rất phức tạp. Cấu trúc hiển vi của nhân tuỳ thuộc rất nhiều vào phương pháp định hình và phương pháp nhuộm màu. Trong tiêu bản ta có thể quan sát thấy: - Màng nhân (nuclear membrane) phân cách rõ giới hạn nhân và tế bào chất. - Hạch nhân (nucleolus) là các thể hình cầu, có đặc tính nhuộm màu kiềm; và đặc tính này tập trung cao ở hạch chất ribonucleoprotide. - Chất nhiễm sắc (chromatin) là những cấu trúc sợi hoặc búi được đặc trưng bởi chất acid deoxyribonucleotide (ADN) của nhiễm sắc thể (chromosome) ở dạng tháo xoắn. - Dịch nhân (nucleoplasma) là chất không nhuộm màu hoặc bắt màu hơi acid chứa đầy trong nhân.
Hình 10.1. Cấu tạo nhân tế bào (theo Phạm Thành Hổ) 10.2. Thành phần hoá học của nhân Thành phần hoá học của nhân rất phức tạp, trong đó, nucleoprotide đóng vai trò quan trọng nhất. Đối với một số tế bào, nucleoprotide là thành phần chính của cấu trúc nhân (tinh trùng cá hồi 96%; 100% trong nhân một số hồng cầu). Chất protein nhân có thành phần khá phức tạp, gồm 2 loại: - Protein đơn giản có tính kiềm như: protamin, histon. - Protein phi histon có tính acid. Acid deoxyribonucleic (ADN) tập trung chủ yếu ở nhiễm sắc thể. Acid ribonucleic có trong hạch nhân và trong dịch nhân. 10.3. Cấu trúc hiển vi và siêu hiển vi 10.3.1. Cấu trúc màng nhân Màng nhân ngăn cách nhân với tế bào chất bọc xung quanh nhân. Nhiều kết quả nghiên cứu đã cho thấy mối tương quan giữa nhân và tế bào chất phần lớn phụ thuộc vào hoạt tính của màng nhân. - Về tính chất, màng nhân khác với màng tế bào chất. Ví dụ: màng nhân khi bị phá huỷ không có khả năng hàn gắn lại. Màng nhân khi bị thương làm cho nhân chết và toàn bộ tế bào chết. Trái lại, màng tế bào khi bị tổn thương có khả năng phục hồi, hàn gắn lại. - Về tính thấm, màng nhân cũng khác với màng tế bào. Ví dụ: có một số protein có thể thấm qua màng tế bào mà không thể thấm qua màng nhân được.
- Về thành phần hoá học, màng nhân có cấu trúc từ các protein không hoà tan liên kết với lipid. - Về cấu trúc, các nghiên cứu màng nhân dưới kính hiển vi điện đã chứng minh rằng màng nhân gồm 2 lớp màng (và đó là những túi, những tế bào chứa). Một màng hướng vào nhân gọi là màng trong, một màng hướng vào tế bào chất gọi là màng ngoài. Giữa hai màng giới hạn bởi 1 xoang, gọi là xoang quanh nhân. Độ dày chung của màng vào khoảng 100Å, của xoang từ 100 - 300Å. Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng mỗi một màng của màng nhân cũng gồm 3 lớp như màng tế bào chất (Yamamoto, 1963). Màng ngoài có thể nối với mạng lưới nội sinh chất bằng các vi ống và hình thành một hệ thống ống thông với nhau. Qua hệ thống ống này, nhân có thể liên hệ trực tiếp với môi trường. Màng nhân có cấu trúc không liên tục, nó có nhiều lỗ hình trụ, qua đó mà tế bào chất thông với nhân. Các lỗ có dạng hình phễu, đường kính mặt trong và mặt ngoài khác nhau - vào khoảng 50 - 100Å. Các lỗ phân bố đều với khoảng cách từ 500 - 1000Å. Hệ thống lỗ có vai trò rất quan trọng trong quá trình trao đổi chất giữa nhân và tế bào chất. Vì các chất thấm qua lỗ là kết quả hoạt động tích cực của các chất chứa trong lỗ. Ngoài ra, hệ thống lỗ còn có chức năng nâng đỡ và cố định màng nhân. Xoang quanh nhân có ý nghĩa đặc biệt trong quá trình tổng hợp protid đối với các tế bào có mạng lưới nội sinh chất kém phát triển. Chức năng: màng nhân tham gia vào quá trình tổng hợp và chuyên chở các chất, tham gia vào quá trình sinh tổng hợp protein vì mặt ngoài của màng nhân có đính các thể ribosome. 10.3.2. Cấu trúc của chất nhiễm sắc (chromatine) Khi quan sát tế bào đã được nhuộm màu, người ta thấy các cấu trúc chứa chất nhiễm sắc, đó là những chất có tính bắt màu đặc biệt đối với một số thuốc nhuộm. Ta có thể quan sát thấy từng sợi hay búi nằm trong nhân và làm thành mạng lưới. Các búi chất nhiễm sắc được gọi là tâm nhiễm sắc (chromocentre hoặc caryosome). Cấu trúc của chất nhiễm sắc có thể thay đổi ở các tế bào khác nhau của cùng 1 cơ thể, hoặc ở tế bào cùng loại của các cơ thể khác nhau. Bản chất của chất nhiễm sắc là các ADN của nhiễm sắc thể (chromosome) ở dạng tháo xoắn. Nhiễm sắc thể có hình dáng và kích thước đặc trưng chỉ ở kỳ giữa (metaphase) của sự phân bào. Nhiễm sắc thể gồm có ADN, các protein histone và các protein không histone của nhiễm sắc thể. Cả 3 thành phần gộp lại là chất nhiễm sắc. Như vậy, cấu trúc chất nhiễm sắc của nhân ở gian kỳ chính là nhiễm sắc thể ở kỳ phân chia, nhưng ở trạng thái ẩn. 10.3.3. Hạch nhân Trong thời kỳ tế bào không phân chia (gian kỳ), bao giờ chúng ta cũng quan sát thấy hạch nhân. Ở tiền kỳ, hạch nhân hoà tan vào trong nhân và biến mất; đến đầu mạt kỳ, hạch