Giáo trình môn Tế bào học

Nội dung text: Giáo trình môn Tế bào học

1. LỜI NÓI ĐẦU Từ khi học thuyết tế bào ra đời (1838 - 1839), sinh học đã chuyển sang một giai đoạn mới. Tế bào học đã trở thành môn khoa học cơ sở cho các ngành sinh học khác. Những thành tựu về tế bào học đã góp phần đẩy mạnh sự phát triển các ngành sinh học. Là môn khoa học cơ sở, Tế bào học trở thành môn học bắt buộc trong chương trình đào tạo ở khoa Sinh các trường Đại học Sư phạm, Đại học Khoa học tự nhiên cũng như một số trường trong khối Nông - Lâm - Ngư - Y. Để phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu về tế bào học của cán bộ, sinh viên, chúng tôi đã tiến hành biên soạn giáo trình Tế bào học này. Để hoàn thành giáo trình này, chúng tôi đã nhận được sự góp ý quý báu của nhiều đồng nghiệp, đặc biệt là PGS. TS. Nguyễn Như Hiền - Đại học Quốc gia Hà Nội. Chúng tôi chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp quý báu đó. Vì còn hạn chế về nguồn tư liệu cũng như trình độ nên giáo trình không tránh khỏi những sai sót. Chúng tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp để lần tái bản sau giáo trình được hoàn thiện hơn. CÁC TÁC GIẢ
2. Mở đầu 1. Đối tượng và nhiệm vụ của môn Tế bào học Tế bào học là một môn khoa học nghiên cứu tế bào. Tế bào là đơn vị tổ chức cơ sở của vật chất sống về hình thái, sinh lí sinh hóa và di truyền. Tế bào tồn tại ở tất cả các mức độ của tổ chức sống ở cơ thể vi sinh vật, thực vật và động vật. Vì vậy, vi sinh vật, động vật và thực vật đều là đối tượng nghiên cứu của tế bào học. Cấu trúc của siêu vi khuẩn (virus) không có những đặc điểm chung với cấu trúc tế bào, chúng thiếu hệ thống enzyme nên thiếu sự trao đổi chất riêng của mình, do đó siêu vi khuẩn không thuộc phạm vi và đối tượng nghiên cứu của tế bào học. Các cơ thể vi sinh vật có thể xem là các cơ thể có tổ chức ở mức độ tế bào mà nhân của chúng ở hệ phân tán. Chúng là đối tượng nghiên cứu của tế bào học. Các cơ thể đơn bào như nguyên sinh động vật là những cơ thể có cấu trúc chỉ gồm một tế bào. Mặc dầu cơ thể đơn bào có tính đa dạng, nhưng chúng vẫn giữ cấu trúc chung của tế bào. Như vậy, cơ thể đơn bào vừa là tế bào vừa là cơ thể toàn vẹn. Trong cơ thể đa bào có nhiều loại tế bào phân hoá khác nhau trên cơ sở phân hóa chức năng. Ví dụ: tế bào bạch cầu vẫn giữ nguyên tính chất nguyên thuỷ, trái lại với những tế bào phân hoá cao như tế bào thần kinh. Tuy được phân hóa cao, nhưng tế bào trong cơ thể đa bào vẫn giữ được những nét đặc trưng của một tế bào riêng rẽ. Như vậy, tế bào của cơ thể đa bào không chỉ là một thành phần của cơ thể toàn vẹn mà còn là một đơn vị sống toàn vẹn. Nghiên cứu tất cả các đặc tính cấu trúc, di truyền các quá trình sinh lý, sinh hoá, nguồn gốc và tiến hóa của tế bào ở tất cả các dạng tồn tại là đối tượng của môn tế bào học đại cương. Nhưng, trước kia, tế bào học chỉ nghiên cứu bó hẹp trong lĩnh vực hình thái học, một số quá trình sinh lí, còn quá trình sinh hoá, lí sinh, di truyền tế bào chưa được nghiên cứu. Mãi đến những năm 30 của thế kỉ XX, do sự xâm nhập của các môn khoa học khác như toán, lí, hóa vào sinh học và do ứng dụng các phương tiện nghiên cứu mới trong sinh học như kĩ thuật hiển vi điện tử, hóa tế bào, li tâm siêu tốc, nguyên tử, đánh dấu, phân tích cấu trúc bằng tia Rơnghen thì trong tế bào học có một cuộc cách mạng lớn, đã đi sâu vào nghiên cứu các hiện tượng lý sinh, các quá trình sinh hoá - nghiên cứu ở mức độ siêu hiển vi và cả mức độ phân tử, và đã đạt được những thành tựu to lớn, đặt môn tế bào học vào vị trí mũi nhọn của nền khoa học sinh học hiện đại. Nhiệm vụ của môn tế bào học hiện nay là nghiên cứu và giải quyết 3 vấn đề lớn: vấn đề tiến hóa; vấn đề tự điều khiển; vấn đề tự sinh sản của tế bào. * Vấn đề tiến hoá của tế bào gồm: - Làm sáng tỏ con đường xuất hiện phức hệ tổ chức tế bào trong quá trình hình thành sự sống.
3. - Nghiên cứu các định luật tiến hóa của tế bào ở các dạng tồn tại (là vấn đề chủng loại phát sinh của tế bào). - Nghiên cứu các vấn đề có liên quan đến quá trình cá thể phát sinh của tế bào ở cơ thể đơn bào và cơ thể đa bào. * Vấn đề tự điều khiển bao gồm: - Nghiên cứu các quá trình bảo đảm cho sự sống của tế bào. - Nghiên cứu cơ chế, quá trình đưa đến trạng thái bất bình thường của tế bào. - Định tính, thích nghi của tế bào với môi trường sống. - Nghiên cứu các cơ chế điều hòa các quá trình nội bào theo không gian và thời gian. - Nghiên cứu phương thức tồn tại của chức phận và quan hệ tương hỗ giữa các tế bào trong cơ thể đa bào dưới hệ thống điều khiển chung của cơ thể. * Vấn đề sinh sản bao gồm: - Nghiên cứu các quá trình sinh sản và sinh trưởng của tế bào và các cấu trúc của tế bào. - Làm sáng tỏ cơ chế tổng hợp protein trong tế bào, cơ chế, chức năng di truyền của tế bào: tích thông tin di truyền, chuyển thông tin di truyền cho thế hệ các tế bào con. - Tế bào được xem là đơn vị sống cơ bản cả về cấu trúc, chức phận cũng như di truyền của tất cả các dạng tồn tại của các tổ chức sống, do đó tế bào học được xem là trung tâm của hệ thống khoa học sinh học. Chính ở đây cũng là nơi gặp gỡ của các kiến thức toán, lí, hóa. Thành tựu của tế bào học là cơ sở để giải quyết các vấn đề cơ bản như: nguồn gốc sự sống, vấn đề sinh tổng hợp protein, vấn đề di truyền học các vấn đề trong y học và nông nghiệp Đồng thời cũng là cơ sở vững chắc cho khoa học triết học duy vật macxit. 2. Sơ lược lịch sử môn Tế bào học Danh từ tế bào bắt nguồn từ chữ Latinh "Cela" có nghĩa là xoang rỗng, được Robert Hooke dùng lần đầu tiên vào năm 1665 khi ông miêu tả cấu trúc của nút bần dưới kính hiển vi phóng đại 30 lần do ông chế tạo. Khoảng 10 năm sau (1674), Leewenhook với kính hiển vi phóng đại 270 lần, lần đầu tiên đã quan sát thấy các tế bào tự do, các cấu trúc chứa bên trong tế bào và đã phát hiện ra nhân của tế bào hồng cầu. Tuy nhiên, thời bấy giờ người ta chưa có khái niệm rõ ràng về cấu trúc chứa bên trong tế bào. Những hiểu biết đầu tiên như vậy kéo dài 100 năm. Mãi đến thế kỉ XIX, nhờ sự hoàn thiện dần của kính hiển vi mà đã có nhiều công trình nghiên cứu tế bào ra đời. Từ đó, người ta đã khám phá ra hàng loạt các cấu trúc quan trọng trong tế bào. Đáng chú ý hơn cả là công trình nghiên cứu và tổng kết của nhà thực vật học Schleiden (1838) và nhà động vật học Schwann (1839). Trên cơ sở công trình nghiên cứu của mình và dựa vào kết quả của nhiều công trình trước đó, hai ông đã tổng kết nâng lên thành lý luận. Và học thuyết tế bào ra đời. Học thuyết tế bào đã xác nhận rằng: “Tất cả sinh vật từ động vật, thực vật và cả cơ thể đơn bào đều có cấu tạo gồm các tế bào và các
4. sản phẩm của tế bào”. Học thuyết tế bào là một trong những tổng kết vĩ đại về sinh học. Học thuyết tế bào ra đời đã có ảnh hưởng lớn đến tất cả các hướng nghiên cứu sinh học. Sinh học và tế bào học bắt đầu phát triển mạnh mẽ từ đây. Tuy nhiên, trong suốt thế kỉ XIX, tế bào học chỉ tập trung nghiên cứu về cấu trúc và hiện tượng sinh sản của tế bào và hình thái Đó là thời kì nghiên cứu tế bào có tính chất cổ điển. Trong những năm của thế kỉ XX, tế bào học phát triển rất mạnh, nhanh chóng đạt được nhiều thành tựu lớn. Thành công đó nhờ vào hai nguyên nhân sau: - Sự tiến bộ của kĩ thuật, của phương pháp nghiên cứu, trước hết là kĩ thuật hiển vi điện tử và phân tích cấu trúc bằng tia Rơnghen. - Sự phối hợp chặt chẽ với các môn khoa học khác như di truyền, sinh lý, sinh hoá và lí sinh. Nhờ vậy mà các nhà tế bào học đi sâu nghiên cứu cấu trúc siêu hiển vi, cấu trúc phân tử của tế bào và các quá trình sinh lí, sinh hoá, lý sinh trong tế bào học. Sau đây đề cập đến một số thành tựu đã đạt được Những thành tựu khoa học của ngành sinh lí tế bào: Từ chỗ nghiên cứu tế bào trên mẫu vật đã được xử lí và nhuộm màu ở thế kỉ XIX, bước sang thế kỉ XX, các nhà sinh lí học tập trung nghiên cứu các tế bào sống. Từ chỗ chỉ nghiên cứu các dạng vận động của tế bào như cử động amip, tự cử động của tiêm mao , người ta đã sáng tạo và áp dụng các phương pháp nghiên cứu mới như phương pháp nuôi cấy tế bào của Harison (1909) và của Caren (1912). Nhờ phương pháp này mà các nhà nghiên cứu đã có thể tách được các dòng tế bào thuần và nghiên cứu được cấu trúc và chức năng của tế bào sống một cách tốt nhất. Năm 1911, Caren đã áp dụng phương pháp phẫu thuật vào tế bào. Nhờ đó, người ta đã nghiên cứu thành công hàng loạt vấn đề như: xác định độ nhớt, ý nghĩa của pH, quá trình oxy hóa khử, quan hệ giữa nhân và tế bào chất Để nghiên cứu quá trình sinh lí và tính chất lí hóa, các nhà tế bào học đã tập trung nghiên cứu bản chất của màng tế bào làm mô hình màng; nghiên cứu sự vận chuyển và cơ chế vận chuyển các chất qua màng; nghiên cứu sự cảm ứng và co rút của tế bào, cùng các hoạt động khác của tế bào. Người ta đã thành công trong nghiên cứu điện sinh học của tế bào và đã có những kết quả đem ra áp dụng phục vụ sức khoẻ con người. Gần đây, người ta đã chú ý đến quá trình tự điều khiển và tự điều hòa trong tế bào và đã thu được những kết quả đáng kể. Những nghiên cứu của hóa tế bào: Công trình nghiên cứu có ý nghĩa đầu tiên của hóa tế bào là phát hiện và tách được acid nucleic từ tế bào bạch cầu, từ tinh trùng, từ hồng cầu chim của Mise (1869) và của Cotsen (1891). Và sau công trình của Watson và Crick thì vai trò quan trọng của acid đó đối với sinh tổng hợp protein, di truyền tế bào mới được làm sáng tỏ. Người ta đã khám phá ra những phân tử đặc hiệu (enzyme) trong tế bào và vai trò xúc tác cho quá trình biến đổi năng lượng cần thiết cho hoạt động sống của tế bào (Vilan 1903, Vacbua 1908-1913). Đặc biệt, sau khi Bensli (1934) dùng phương pháp li tâm tách được một lượng ty thể đủ để thực hành phân tích hoá học và vật lí học thì vai trò của ty thể và enzyme hô hấp cư trú trong ty thể mới xác định được rõ ràng, và cơ chế quá trình oxy hoá khử trong tế bào
5. mới được khám phá một cách tường tận. Từ đó, các nhà tế bào học lần lượt tách được các cấu thành khác của tế bào để nghiên cứu vai trò của chúng. Phương pháp nghiên cứu đánh dấu ra đời cho các nhà tế bào học một khả năng nghiên cứu mới: khả năng nghiên cứu tế bào động của quá trình trao đổi chất trong tế bào. Sự phát triển của hoá tế bào hiện nay đã cho phép ta sử dụng các phương pháp phân tích vi hoá và siêu vi để nghiên cứu các lượng vô cùng nhỏ của các chất, của từng tế bào và cả cấu thành của tế bào. Ngày nay, áp dụng phương pháp sắc ký, phương pháp quang phổ, phương pháp huỳnh quang hấp thụ tia rơnghen đã cho phép ta nghiên cứu thành phần hóa học của màng, các chất quan trọng của tế bào như phân tử acid nucleic, protein trong từng phần khác nhau của tế bào. Những thành tựu khoa học của ngành di truyền học tế bào: Khoảng giữa thế kỉ XIX, tính chất phổ biến của tế bào là phân bào được xem là quá trình trung tâm và cơ sở cho sinh sản tế bào. Nhà tế bào học và di truyền học nổi tiếng Wilson (1925) đã phát biểu: “Đặc tính di truyền chính là sự liên tục di truyền bảo đảm bởi sự phân chia tế bào”. Các định luật cơ bản của di truyền được Enzimedel phát minh từ năm 1865. Nhưng thời kỳ ấy, các thành tựu và hiểu biết về tế bào còn quá nghèo nàn chưa đủ cơ sở vật chất và lí luận để giải thích được và vì vậy công trình vĩ đại này bị lãng quên. Vào đầu thế kỉ XX, sự phát triển của tế bào học đạt được ở mức cao, do đó, cơ chế phân ly tính trạng di truyền do Enzimedel tìm ra có thể hiểu và giải thích được. Người ta đã biết rằng các tế bào sinh dục nguyên thuỷ (noãn nguyên bào, tinh nguyên bào) là lưỡng bội khác với các tế bào sinh dục đã chín là đơn bội và chu trình biến đổi của nhiễm sắc thể trong phân bào giảm nhiễm liên quan chặt chẽ với hiện tượng di truyền. Và chỉ sau khi Morgan và các cộng tác của ông đã xác định được đơn vị di truyền gọi là gen và xác định được các locus bên trong nhiễm sắc thể thì các nghiên cứu thực nghiệm, các định luật di truyền tiến hoá mới có cơ sở và mới có thể trở thành một lĩnh vực sinh học gọi là di truyền học. Những năm gần đây đã phát triển hướng nghiên cứu mới: di truyền phân tử và di truyền sinh hoá. Người ta đã đi sâu nghiên cứu hiện tượng di truyền không chỉ ở mức độ tế bào mà còn ở mức độ phân tử. Người ta đã xác định được mã di truyền, nghiên cứu sự đóng mở gen, thay đổi gen hay ghép gen. Đã có nhiều thành công lớn trong lí luận và thực tiễn. Những thành tựu khoa học về các cấu trúc siêu vi của tế bào và sinh học phân tử: Nhåì sự phối hợp chặt chẽ giữa tế bào học và các môn: sinh hoá, hóa lí, hóa cao phân tử, đồng thời áp dụng các phương pháp nghiên cứu hóa lí vào sinh học mà những năm gần đây đã xuất hiện những nghiên cứu mới trong sinh học như: hình thái siêu vi và sinh học phân tử. Nghiên cứu tổ chức hay còn gọi là siêu cấu trúc của tế bào có ý nghĩa quan trọng bậc nhất, bởi vì tất cả các quá trình sinh lí và sinh hoá đặc trưng cho vật chất sống đều được thể hiện trong cấu trúc phân tử của tế bào và ở mức độ phân tử. Những thành tựu của sinh học phân tử có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của sinh học hiện đại.
6. Sự xác lập lên mối tương quan rất chặt chẽ giữa trình tự sắp xếp các acid amin trong mạch polypeptid với hình thù của phân tử protein và với các đặc tính sinh học xác định của chúng. Làm sáng tỏ cơ chế hoạt động của các enzyme khác nhau Sáng tạo ra mô hình phân tử ADN và làm sáng tỏ vai trò của chúng trong hiện tượng di truyền và cuối cùng hình thành quan niệm hiện đại về hoá học lập thể về các đại phân tử. Như vậy, thành tựu của sinh học phân tử đã cho phép ta đi sâu vào bản chất của sự sống. Tất cả các đặc tính lý hóa của các phân tử tham gia vào hoạt động sống, cũng như mối tương quan giữa các phân tử đều có liên hệ đến tổ chức tế bào. Hay nói cách khác, sinh học phân tử có cơ sở tế bào học của nó. Vì vậy mà ngày nay đã hình thành nên chuyên ngành: sinh học phân tử tế bào. Cần phải chú ý rằng, dù cho vai trò của các đại phân tử (acid nucleic, protein ) có quan trọng đến bao nhiêu đi nữa đối với sự sống thì ở mức độ phân tử riêng rẽ chưa thể hiện được sự sống mà tổ chức tế bào vẫn là tổ chức cơ sở nhất, nhỏ nhất thể hiện tính chất sống của vật chất sống. 3. Các phương pháp nghiên cứu Tế bào học 3.1. Phương pháp hiển vi 3.1.1. Kính hiển vi thường (kính hiển vi quang học) Độ phóng đại kính hiển vi quang học phụ thuộc vào hệ thống ống kính: vật kính và thị kính. Khoảng cách của tiêu bản có thể quan sát được đối với kính hiển vi thường phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng. Độ phóng đại mạnh nhất của vật kính hiện nay là 120 lần và độ phóng đại tối đa của thị kính là 30 lần. Như vậy, độ phóng đại tối đa của kính hiển vi quang học là 120 x 30 = 3600 lần. Vật nhỏ bao nhiêu thì kính hiển vi quang học có thể quan sát được? Ta biết khoảng cách (do) cho phép tối thiểu đối với ánh sáng thường được biểu diễn bằng công thức: do = 1/3 λ (λ là độ dài bước sóng ánh sáng) Độ dài trung bình của bước sóng ánh sáng thường là 0,6 μ (1 micron: μ = 0,001 mm). Như vậy, do = 1/3 x 0,6 = 0,2 μ Nghĩa là đối với kính hiển vi thường chỉ có thể quan sát thấy những chi tiết của tiêu bản có khoảng cách lớn hơn 0,2 μ. Vậy, muốn tăng khả năng phóng đại của kính hiển vi thường cần sử dụng các tia sáng khác có độ dài bước sóng ngắn hơn. 3.1.2. Kính hiển vi tử ngoại
7. Kính hiển vi tử ngoại dùng tia tử ngoại có độ dài bước sóng ngắn để tăng khả năng cho phép của kính hiển vi thường. Người ta thường dùng các tia với độ dài bước sóng từ 275 - 210 nm (1nm = 0,001μm). Khả năng cho phép tốt nhất có thể đạt tới 0,1μ. Ánh sáng tử ngoại không nhìn thấy được bằng mắt thường nên muốn thu ảnh người ta phải mắc vào kính một bộ phận chụp hình hoặc dùng màn ảnh huỳnh quang để ảnh hiện lên màn ảnh. Dùng kính hiển vi tử ngoại, ngoài khả năng làm tăng độ phóng đại còn cho phép ta nghiên cứu thành phần hoá học của các cấu trúc sinh học mà không cần thiết phải qua quá trình định hình và nhuộm màu. Vì vậy, dùng kính hiển vi tử ngoại có thể nghiên cứu các đối tượng sinh học ở trạng thái sống. 3.1.3. Kính hiển vi huỳnh quang Hiện tượng huỳnh quang là hiện tượng phát sáng của các chất khi bị kích thích bởi năng lượng và hấp thụ năng lượng đó. Nguồn năng lượng cung cấp cho vật có thể khác nhau. Huỳnh quang quang học: sự phát sáng do ánh sáng thường. Huỳnh quang Rơnghen: sự phát sáng dưới tác dụng của tia Rơnghen. Huỳnh quang phóng xạ: do các chất phóng xạ. Huỳnh quang sinh vật: quan sát thấy ở các cơ thể sinh vật. Trong kĩ thuật tế bào và mô học, người ta sử dụng ánh sáng thường để làm phát quang các đối tượng nghiên cứu, vì khi các chất đã hấp thụ được tia sáng thì phát sáng. Đối tượng nghiên cứu dưới kính hiển vi huỳnh quang thường có hai loại: - Các đối tượng tự bản thân phát ra huỳnh quang không cần nhuộm màu. Loại này gọi là huỳnh quang nguyên sinh. Ví dụ: vitamin A, B2 - Huỳnh quang thứ sinh: được xuất hiện khi các đối tượng nhuộm màu bằng các chất huỳnh quang đặc biệt. Ví dụ: acridin, orange, Phương pháp thu huỳnh quang cho phép ta nghiên cứu các hoạt động sinh vật sống, quan sát sự xâm nhập và phân tán số phận của các chất huỳnh quang diễn ra trong cơ thể sống trong quá trình trao đổi chất bình thường và bệnh lí cũng như các chất tiêm vào tế bào và mô. Dùng huỳnh quang có thể nghiên cứu cấu trúc và thành phần hóa học của các chất như ADN, ARN trong tế bào. 3.1.4. Kính hiển vi đối pha Phương pháp này cho phép ta thu được các ảnh rõ nét của cấu trúc tế bào sống mà kính hiển vi thường không thấy được. Phương pháp đối pha dựa vào nguyên tắc các cấu thành riêng biệt các cấu trúc của các tiêu bản trong suốt khác với môi trường xung quanh bởi chỉ số chiết quang. Phương pháp hiển vi đối pha cho phép không những nghiên cứu được đối tượng sống hiển vi không qua tiêu bản nhuộm màu mà còn phân biệt được các cấu trúc trong tế bào sống, nghiên cứu được các quá trình sống diễn ra trong tế bào sống như quá trình
8. thực bào, các thay đổi của nhân và tế bào chất trong thời kì phân chia; sự chuyển động của ty thể. Ngoài ra, để nghiên cứu tế bào sống, người ta còn dùng hiển vi giao thoa, hiển vi nền đen và kĩ thuật hiển vi phân cực. 3.1.5. Kính hiển vi điện tử Điểm khác nhau cơ bản giữa kính hiển vi thường và kính hiển vi điện tử là các tia sáng được thay thế bằng các chùm tia điện tử có bước sóng ngắn hơn nhiều lần, do đó tăng khả năng phóng đại lên nhiều lần. Sơ đồ biểu diễn kích thước của đối tượng nghiên cứu của các phương pháp nghiên cứu: 1mm Miền của mắt thường 100 μ 10μ (tế bào lớn, hồng cầu) Miền của kính hiển vi quang học 1μ (vi khuẩn) 1000Å Siêu vi khuẩn Miề n của kính hiển vi điện tử 100Å Phân tử protein 10Å Về khả năng lí thuyết, khoảng cách cho phép tối thiểu của kính hiển vi điện tử khoảng 100.000 lần bé hơn kính hiển vi thường. Điều đó cho chúng ta khả năng rộng lớn để tăng độ phóng đại đến hàng triệu lần. Hệ thống kính hiển vi điện tử, về nguyên tắc chung, giống như hệ thống kính hiển vi thường, chỉ khác nguồn sáng tới (chùm tia điện tử) . Kĩ thuật hiển vi điện tử mở ra chân trời mới trong nghiên cứu thế giới siêu vi của tế bào. Kĩ thuật hiển vi điện tử cho phép ta khám phá ra rất nhiều điều mới lạ trong cấu trúc siêu vi của tế bào. Ví dụ: mạng lưới nội bào, thể ribo, lizo phát hiện ra cấu trúc của màng tế bào, màng nhân, cấu trúc nhân 3.2. Phương pháp Rơnghen Phương pháp phân tích cấu trúc bằng tia Rơnghen cho phép chúng ta phân biệt được các cấu trúc từ 10 Å trở xuống. Phương pháp này dựa trên cơ sở hiện tượng nhiễu xạ của tia Rơnghen, xuất hiện khi các tia phóng xạ Rơnghen đụng vào nguyên tử và phân tử tạo mạng không gian trong vật chất. Khi các chùm song song của tia Rơnghen xuyên
9. qua đối tượng nghiên cứu thì ảnh nhiễu xạ sẽ được ghi lên phim ảnh đặt sau đối tượng nghiên cứu. Nhờ phương pháp này người ta đã phân biệt được cấu trúc không gian phức tạp của hàng loạt protein và nhờ nó mà Watson và Crick đã xây dựng được mô hình cấu trúc không gian của ADN. Đây là một trong những phương pháp hiện đại tốt nhất của các nhà sinh học phân tử, đã mở ra con đường vô cùng rộng lớn cho sự phát triển của sinh học phân tử. 3.3. Phương pháp tế bào Nhiệm vụ của tế bào học không chỉ xác định bằng sinh hoá của tế bào mà chủ yếu là xác định cấu trúc sinh hóa phức tạp định khu trong tế bào cả về số lượng cũng như chất lượng. 3.3.1. Phương pháp tách các cấu thành của tế bào Người ta thường nghiền tế bào trong môi trường nước, sau đó li tâm để tách các phần khác nhau của tế bào dựa trên sự khác nhau về hằng số lắng của các cấu thành. Ngày nay, với các máy li tâm siêu tốc chiết phần và li tâm siêu tốc phân tích có tốc độ khoảng 60.000 - 70.000 vòng/phút và dùng các dung môi khác nhau thích hợp, người ta không chỉ phân tích đuợc các cấu thành của tế bào như: nhân, hạch nhân, ti thể, lạp thể, nhiễm sắc thể mà còn phân tích được cấu thành đại phân tử trong tế bào và xác định được trọng lượng phân tử của chúng. Ví dụ: các đại phân tử protein, acid nucleic hoặc virus, tách mạch xoắn ADN 3.3.2. Phương pháp nhuộm màu hóa tế bào Người ta dựa vào đặc tính các cấu thành khác nhau trong tế bào sẽ bị nhuộm màu khác nhau khi dùng những chất màu đặc trưng để làm xuất hiện các cấu thành khác nhau của tế bào ở đúng vị trí của chúng. Để xác định được các chất hoặc các nhóm chất khác nhau, người ta sử dụng phương pháp đặc trưng cho từng chất: - Dùng phương pháp (phản ứng) hóa học giống các phản ứng dùng trong hóa học phân tích nhưng thích hợp để nghiên cứu các mô. - Dùng các phản ứng đặc trưng cho một số chất. - Dùng các phương pháp lí hoá. Ngày nay, người ta đã dùng các phương pháp khác nhau để làm xuất hiện các hydratcarbon, các lipid, các protide, các enzyme, acid nucleic trong tế bào và các cấu thành của tế bào đúng vị trí thật của chúng. Phương pháp này chỉ cho kết quả định tính. 3.3.3. Phương pháp nghiên cứu tế bào sống Có nhiều phương pháp nghiên cứu tế bào sống như: - Phương pháp vi phẫu thuật. - Phương pháp nuôi cấy tế bào - mô italic.
10. Ví dụ: ngày nay, nhờ vào sự hoàn thiện của phương pháp nuôi cấy mô tế bào, người ta không những nuôi cấy thành công các tế bào riêng biệt mà còn có thể nuôi cấy ivitro các bào quan và thậm chí cả các phần tử sống nữa. Và đã đóng góp đáng kể trong việc nghiên cứu tìm hiểu cơ chế phân hóa tế bào, cơ chế hoạt động của gen 3.3.4. Phương pháp quang phổ Ta biết rằng các cấu thành khác nhau trong tế bào hấp thu chọn lọc các tia hồng ngoại, các tia tử ngoại và các tia sáng thường. Nhờ vậy, người ta có thể dùng quang phổ kế để đo lường sự hấp thụ ánh sáng của các cấu thành tế bào. Cường độ hấp thụ ánh sáng của các chất phụ thuộc vào nồng độ của chất đó. Như vậy, ta có thể dựa vào các dẫn liệu quang học để tính toán và đưa ra thành phần hóa học của tế bào và định hướng các chất đó. Ngày nay, với phương pháp này, người ta xác định được các chất trong tế bào với lượng 10-12 - 10-14 g trong diện tích 1 μm2. Kết hợp với các phương pháp khác như kính hiển vi huỳnh quang đã cho phép ta nghiên cứu sự phân bố trong tế bào các chất protide các lipid, các micropolysaccharide cũng như acid nucleic. 3.3.5. Phương pháp nghiên cứu tự đánh dấu và tự chụp hình Phương pháp này dựa trên nguyên tắc sử dụng các chất đồng vị phóng xạ phóng ra các tia α, β và các tia này tự nhũ tương giấy ảnh. Người ta đưa ra các đống vị phóng xạ (C14, P32 và tritium H3 ) vào tế bào, tiêu bản tế bào tự nhũ tương giấy ảnh (tự chụp hình), sau đó, đem rửa ảnh bằng cách thông thường. Dựa vào ảnh chụp, người ta xác định chính xác vị trí, mật độ các phần có chất phóng xạ. Phương pháp này không những cho phép chúng ta biết được sự phân bố các chất trong tế bào mà còn cho phép chúng ta theo dõi được số phận và tính chất động học của các chất trong tế bào. Ví dụ: nhờ H3 timidin cho phép ta theo dõi được cơ chế tự tái bản của ADN, nghiên cứu sự tổng hợp protein trên các thể ribosome. 3.3.6. Các phương pháp thông dụng trong sinh học phân tử Phương pháp tách chiết acid nucleic. Phương pháp phân tích định tính và định lượng acid nucleic. Phương pháp lai phân tử. Phương pháp PCR. Phương pháp xác định trình tự acid nucleic. Phương pháp điện di. Phương pháp sắc ký.
11. 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. W.D. Phlipps and T. J. Chilton (1991), A - Level Biology, Oxford
12. 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.
13. 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.
14. 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.
15. 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
16. 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.
17. 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:
18. 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.
19. 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.
20. 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.
21. 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
22. 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
23. 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
24. 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.
25. 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'.
26. 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.
27. 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.
28. 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.
29. 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.
30. 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.
31. 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
32. 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.
33. 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.
34. 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)
35. 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).
36. 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).
37. 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
38. 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.
39. Chương 5 MÀNG SINH CHẤT (Plasma membrane) 5.1. Khái niệm về hệ thống màng sinh học Tất cả các loại tế bào, không có ngoại lệ, kể cả những tế bào được xem là “trần” khi xem dưới kính hiển vi thường đều được bao bởi cái màng gọi là màng sinh chất có cấu trúc hiển vi và phân tử giống nhau. Màng sinh chất là màng lipoproteide bao phủ khối tế bào chất của tế bào. Màng sinh chất cách ly tế bào với môi trường ngoại bào, thực hiện sự trao đổi vật chất và thông tin giữa tế bào và môi trường. Màng sinh chất tồn tại ở tất cả các dạng tế bào procaryota cũng như eucaryota. Người ta đã tìm thấy ở nhiều loại virus có lớp màng lipoproteide bao bọc xung quanh lõi nucleocapside. Ở Togavirus, Rabdovirus và Mixcovirus, lớp màng bao gồm lớp lipid kép liên kết với glycoproteide ở phía ngoài. Màng sinh chất ở các dạng tế bào khác nhau có cấu tạo khác nhau về hàm lượng các chất về sự phân bố của các phân tử trong màng, có thể biến đổi về siêu cấu trúc để thực hiện các chức năng riêng biệt, nhưng đều có diện cấu tạo chung và thành phần sinh hoá điển hình. 5.2. Cấu tạo màng sinh chất 5.2.1. Thành phần hoá học của màng 5.2.1.1. Lipid Lipid trong màng chủ yếu có hai dạng: - Dạng lipid phân cực (ưa nước) - Dạng lipid trung tính (kỵ nước) Đối với tế bào động vật (hồng cầu, mô ), lipid chiếm 40 - 50% trọng lượng khô. Trong đó, dạng phân cực gồm có phospholipid chiếm 80% tổng số lipid, sphingolipid. Trong các loại lipid trung tính có cholesterol và acid béo tự do là quan trọng hơn cả. 5.2.1.2. Protein Ngày nay, người ta đã xác định được hai loại protide có trong cấu trúc màng, đó là: - Dạng hình cầu hấp thụ trên bề mặt ranh giới của hai pha lipid và protein, hoạt tính enzyme của màng chủ yếu phụ thuộc vào protein này. - Dạng sợi, chúng cùng với phospholipid giữ vai trò chủ yếu cấu tạo nên màng, làm cho nó có tính đàn hồi cao và mềm dẻo về mặt cơ học. Hàm lượng protein thay đổi tuỳ theo từng loại màng, ví dụ màng tế bào cơ có 65%, màng tế bào gan có 85%. 5.2.1.3. Gluxit
40. Các gluxit thường gặp trong màng tế bào gồm: - Polysaccharide có ở màng tế bào động vật. Người ta cho rằng chúng có vai trò quan trọng trong việc xác định tính kháng nguyên của bề mặt tế bào. - Olygosaccharide mọc trên các đảo protein. Có giả thiết cho rằng nó có nhiệm vụ giữ sự ổn định của cấu trúc màng. Ngoài ra, các gluxit còn kết hợp với lipid và pritein để tạo nên glycoprotein và glycolipid. 5.2.1.4. Các chất khác - Dạng các ion liên kết cố định với cấu trúc màng, quan trọng nhất là Ca++, ngoài ra còn có Mg++, K+, Na+. - Dạng các ion tự do di chuyển qua màng, hoặc tham gia vào các quá trình trao đổi chất xảy ra trong thành phần cấu trúc màng. - Nước: nước trong tế bào tồn tại dưới hai dạng tự do và liên kết. Nước liên kết quan trọng nhất là nước liên kết với lipoprotein. Phần nước này không bị mất đi ngay cả khi ta sấy khô tế bào. 5.2.2. Cấu trúc phân tử của màng sinh chất Thành phần chủ yếu của màng sinh chất là lipid và protein, vì vậy, để có thể tìm hiểu được cấu trúc phân tử của màng sinh chất, trước hết xét mối quan hệ giữa lipid và protein. Tất cả các thuyết về cấu trúc màng sinh học đều tập trung vào việc mô hình hoá sự tương tác và phân bố trong không gian của lipid và protein. 5.2.2.1. Mô hình cấu trúc màng của Davson - Danielli Từ lâu, người ta đã biết rằng lipid và nhiều chất hoà tan trong lipid di chuyển dễ dàng giữa tế bào và môi trường xung quanh. Từ đó cho rằng màng tế bào có chứa lipid. Năm 1925, E.Gorter và F.Grendel đã chiết xuất lipid từ màng hồng cầu và hoà tan chúng vào benzen rồi nhỏ dung dịch lên trên bề mặt nước chứa trong một cái khay nhỏ. Khi benzen bay hơi, trên bề mặt nước còn lại một lớp màng gồm các phân tử lipid phân cực. Đo điện tích của lớp màng đơn phân tử này, hai ông thấy nó gấp đôi điện tích bề mặt của tất cả các tế bào hồng cầu ban đầu dùng để chiết xuất lipid. Trên cơ sở đó, hai ông kết luận: "Thành phần cấu trúc màng bao gồm hai lớp phân tử lipid”. Dựa vào tính thấm của màng, các kết luận của Gorter và Grendel, đồng thời dựa vào kết quả nghiên cứu của mình năm 1935, J.Danielli ở trường Đại học Princenton và H. Davson ở trường Đại học Luân Đôn đã xây dựng mô hình cấu trúc màng đầu tiên. Theo mô hình của hai ông thì cơ sở cấu trúc của màng bao gồm hai lớp phân tử phospholipid nằm thẳng góc với bề mặt tế bào. Các nhóm phân cực (ưa nước) quay ra ngoài, hướng về nước. Các nhóm không phân cực (kỵ nước) thì quay lại với nhau. Phía
41. ngoài và phía trong lớp phospholipid có một lớp phân tử protein hình cầu. Trong đó, các nhóm phân cực của protein cũng hướng ra ngoài và các nhóm không phân cực hướng về phía lipid. Các phân tử protein tạo nên lỗ cực của màng. Theo tính toán của các tác giả thì chiều dày của màng khoảng 80μm và lực tác dụng giữa 2 màng là lực tĩnh điện (hình 5.1). Ngoại bào 2 1 3 3 Tế bào chất Hình 5.1. Mô hình cấu trúc màng của Davson - Danielli (theo Robertis) 1. Gốc acid sialic; 2. Mạch bên của oligosacharide; 3. Glycoprotein; 4. Protein cấu trúc. Mô hình cấu trúc màng của Davson - Danielli đã giải thích được tính bền vững, đàn hồi, tính thấm có chọn lọc của màng đối với lipid và các chất hoà tan trong lipid, giải thích được mối quan hệ của protein với các lỗ cực. Hai ông cho rằng ở hai phía của màng được bao bọc bằng protein, trong khi các lỗ mang điện tích được bao bọc bởi protein sẽ cho phép các phân tử nhỏ và một số ion đi qua màng. 5.2.2.2. Mô hình khảm lỏng của Singer - Nicolson Năm 1972, S.J. Singer ở trường Đại học tổng hợp California và G. L. Nicolson ở viện Salk đã đưa ra mô hình khảm lỏng (fluid mosaic model). Mô hình khảm lỏng đã chấp nhận quan điểm của Davson - Danielli về lớp kép phospholipid định hướng: đuôi kỵ nước vào trong và đầu ưa nước hướng ra môi trường ngoài chứa nước. Nhưng sự sắp xếp của protein hoàn toàn khác mô hình của Davson - Danielli. Thay vì bao bọc lấy phía ngoài màng thì hàng loạt protein đặc hiệu thâm nhập sâu vào trong màng để làm cầu nối cho hàng loạt các chức năng cơ bản của màng. - Các protein nằm ở mặt ngoài (protein ngoại biên) thì khác với protein nằm ở mặt trong, một số màng hoàn toàn không có protein ngoại biên. - Các protein định vị một phần hoặc hoàn toàn nằm trong lớp kép phospholipid (nội protein), có những vị trí như sau:
42. + Một số nằm hoàn toàn trong lớp kép phospholipid. + Một số khác có một phần đi qua bề mặt màng. + Một số khác có một nửa nằm ngoài lớp kép phospholipid, nữa khác nằm ở nửa trong lớp kép phospholipid. - Các protein sợi nằm một phần trong màng hoặc xuyên qua màng. Một số xuyên qua toàn bộ lớp kép phospholipid, nối với môi trường nước ở cả hai mặt. Lớp kép phospholipid tạo nên phần chính của màng. Trong màng nguyên sinh chất ở các cơ thể bậc cao, ngoài phospholipid, còn có cholesterol. Điểm đặc biệt đáng chú ý là: cấu trúc của màng không có tính ổn định. Các phân tử lipid có thể di chuyển dọc theo màng. Tính linh hoạt lớn nhất của phospholipid là ở những màng có hàm lượng phospholipid không no cao và ở những màng không chứa cholesterol. Khi có cholesterol, nó sẽ gắn với phospholipid bên cạnh và liên kết chúng lại với nhau làm giảm tính linh hoạt của chúng. Các protein cũng có thể chuyển động, nhưng chậm hơn nhiều so với phospholipid. Có một số loại protein của màng bị gắn chặt vào một chỗ, do đó sẽ làm hạn chế tính linh hoạt của màng Trong mô hình khảm lỏng, các lỗ trên màng được thể hiện như các đường ống xuyên qua một hoặc một nhóm phân tử protein. Khả năng của các protein không bị cố định mà trôi trong lớp kép của phospholipid đã giải thích tính linh hoạt của nhiều lỗ trên màng. Tính chất đặc biệt của một số nhóm R của acid amin đã tạo cho các lỗ màng có tính chọn lọc cao, nghĩa là không phải tất cả các ion hoặc các phân tử nhỏ đều có thể dễ dàng đi qua, mà một số khác không qua được (hình 5.2).
43. 2 1 3 4 9 9 6 8 7 5 Hình 5.2. Mô hình khảm lỏng về cấu trúc màng sinh chất (theo Philips) 1. Protein s ợi; 2. Mặt ngoài của màng; 3. Các nhóm hydrat bám vào protein hình cầu; 4. Lớp kép lipid; 5. Các protein bám màng; 6. Protein tạo lỗ; 7. Protein xuyên màng; 8. Cholesterol làm ổn định cấu trúc màng. 9. Bên trong tế bào. 5.2.2.3. Quan điểm hiện nay về cấu trúc màng Mặc dù mô hình khảm lỏng của Singer và Nicolson đã thuyết phục nhiều người, nhưng hiện nay, nhờ có phương pháp nghiên cứu hiện đại, các nhà khoa học đã làm sáng tỏ thêm cấu trúc của màng. Theo quan điểm hiện đại, màng sinh chất cũng được cấu tạo bởi lớp kép lipid và protein, cũng có thể là sợi, hình cầu và phân bố linh động ở các vị trí khác nhau. - Lớp phân tử kép lipid: gọi là lớp phân tử kép lipid vì lớp này gồm hai lớp phân tử lipid áp sát nhau, làm nên cấu trúc cơ bản hình vỏ cầu bao bọc quanh tế bào, chính vì vậy mà lớp phân tử lipid kép được gọi là phần màng cơ bản của màng sinh chất. Màng lipid có thành phần cấu tạo và đặc tính cơ bản như sau: về thành phần hoá học, màng lipid gồm có hai loại: phospholipid và cholesterol. Tính chất chung của hai loại này là mỗi phân tử đều có một đầu ưa nước và một đầu kỵ nước. Đầu ưa nước quay ra ngoài tế bào hoặc vào trong tế bào chất để tiếp xúc với nước của môi trường hoặc của tế bào chất; đầu kỵ nước thì quay vào giữa, nơi tiếp giáp của hai lớp lipid. Tính chất dấu đầu kỵ nước này đã làm cho màng luôn luôn có xu hướng kết dính các phân tử lipid với nhau để cho
44. đầu kỵ nước khỏi tiếp xúc với nước, lớp phân tử kép lipid còn khép kín lại tạo thành một túi kín để cho tất cả các đầu kỵ nước đều được dấu kín, tách khỏi nước. Nhờ tính chất này mà màng lipid có khă năng tự khép kín, tái tổ hợp nhanh mỗi khi bị mở ra, xé ra hoặc tiếp thu một bộ phận màng lipid mới vào màng. Các phospholipid: các phospholipid, nói chung, rất ít tan trong nước. Có rất nhiều loại phospholipid, chúng chiếm khoảng 55% trong thành phần lipid của màng. Bốn loại chính theo thứ tự từ nhiều đến ít là: phosphatidylcholin, sphingomyelin, phosphatidilethanolamin, phosphatidylserin. Ngoài ra còn có phosphatidylinositol với tỷ lệ ít hơn. Các loại phân tử này xếp xen kẽ với nhau, từng phân tử có thể quay xung quanh chính trục của mình và đổi chỗ cho các phân tử bên cạnh hoặc cùng một lớp phân tử theo chiều ngang. Sự đổi chỗ này là thường xuyên. Chúng còn có thể đổi chỗ cho nhau tại hai lớp phân tử đối diện nhau, nhưng trường hợp này rất hiếm xảy ra so với sự đổi chỗ theo chiều ngang. Khi đổi chỗ sang lớp màng đối diện, các phospholipid phải cho phần đầu ưa nước vượt qua lớp tiếp giáp kỵ nước giữa hai lá màng, cho nên có sự can thiệp của một hoặc một số protein màng (hình 5.3). Khuyếch tán ngang Sự xáo trộn (hiếm gặp) Sự uốn Sự xoay cong tròn Hình 5.3. Các dạng chuyển động của phân tử lipid trong lớp Chính sự vậnphospholipid động đổi ch ỗkép này (theo đã t ạBruceo nên Alberts) tính lỏng linh động của màng tế bào. Hai lớp màng thường chứa nội dung phospholipid khác nhau. Ngoài chức năng là thành phần chính tạo nên lớp màng cơ bản của tế bào và là thành phần chính phụ trách sự vận chuyển thụ động vật chất qua màng, các phospholipid được coi như là cơ sở để dung nạp các phân tử protein màng, các nhánh gluxit trên bề mặt màng, làm cho màng có thêm nhiều chức năng có tính đặc hiệu (hình 5.4).
45. Lỏng Nhớt Chuỗi hydrotcacbon Chuỗi hydratcacbon thẳng không bão hoà có liên kết bão hoà kép dạng cis Hình 5.4. Liên kết đôi của chuỗi hydrotcacbon không bão hoà làm tăng trạng thái lỏng của màng kép phosphlipid và làm cản trở sự tập hợp các chuỗi phân tử khác (theo Bruce Alberts) Cholesterol: là loại phân tử lipid nằm xen kẽ các phospholipid và rải rác trong hai lớp màng. Cholesterol chiếm từ 20 - 30% thành phần lipid của màng và màng tế bào là loại màng sinh chất có tỉ lệ cholesterol cao nhất. Tỉ lệ cholesterol càng cao thì màng càng cứng và bớt tính lỏng linh động. Cholesterol làm cho màng thêm vững chắc (những dòng tế bào đột biến không có khả năng tổng hợp cholesterol nên bị tan đi nhanh do màng lipid không tồn tại được). Thành phần còn lại của lipid là glycolipid (khoảng 18%) và acid béo kỵ nước (khoảng 2%) (hình 5.5). - Các phân tử protein màng tế bào: màng lipid đảm nhận phần cấu trúc cơ bản, còn các chức năng đặc hiệu của màng thì phần lớn do các phân tử protein đảm nhiệm. Cho đến nay, người ta đã phát hiện trên 50 loại protein màng (cùng có trên một màng duy nhất). Tỉ lệ protein trên lipid là xấp xỉ 1 ở màng tế bào hồng cầu. Căn cứ vào cách liên kết với màng lipid, người ta chia protein màng ra 2 loại: protein xuyên màng và protein ngoại vi.
46. 4 2 4 2 11 5 5 33 6 6 Hình 5.5. Cholesterol (theo Bruce Alberts) A. Cấu trúc phân tử; B. Mô hình cấu trúc; C. Mô tả cùng với 2 phân tử phospholipid trong một lớp; 1. Các vòng steroit; 2. Đầu phân cực; 3. Đuôi hydrocacbon không phân cực; 4. Nhóm phía lỗ đầu; 5. Vùng cholesterol cứng; 6.Vùng chất lỏng bổ sung. Protein xuyên màng: gọi là xuyên màng vì phân tử protein có một phần nằm xuyên suốt màng lipid và 2 phần đầu của phân tử thì thò ra hai phía bề mặt của màng. Phần xuyên suốt của màng, tức là phần dấu trong màng lipid là phần kỵ nước, vẫn là hình sợi nhưng có thể chỉ xuyên qua màng một lần, nhưng cũng có loại lộn vào lộn ra để xuyên qua màng nhiều lần, có khi tới 6, 7 lần. Các phần thò ra hai phía bề mặt màng đều ưa nước và nhiều loại phân tử protein màng đều có đầu thò vào phía tế bào chất, đó là nhóm cacboxyl (COO-) mang điện tích âm nên chúng đẩy nhau và cũng vì vậy mà các phân tử protein xuyên màng, tuy có di động nhưng vẫn phân bố đồng đều trong toàn bộ màng tế bào (tính chất này có thay đổi khi độ pH thay đổi). Protein xuyên màng cũng có khả năng di động kiểu tịnh tiến trong màng lipid. Protein xuyên màng chiếm 70% protein màng tế bào. Protein xuyên màng có các loại sau: + Glycophorin: một loại protein xuyên màng có phần kỵ nước xuyên màng ngắn, chuỗi polypeptid ưa nước thò ra ngoài màng có mang những nhánh oligosaccharide và cả những nhánh polysaccharide giàu acid sialic. Glycophorin chiếm phần lớn các protein xuyên màng và là thành phần chính mang các nhánh olygosaccharide. Các olygosaccharide này tạo thành phần lớn các cacbonhydrat của bề mặt tế bào. Các glycophorin có thể mang các tên khác nhau. Chức năng của chúng cũng đa dạng như chức năng của lớp áo tế bào. Sơ đồ xuyên màng của glycophorin (hình 5.6).
47. 1 3 2 4 5 Hình 5.6. Sơ đồ phân tử glycophorin của màng tế bào hồng cầu người (theo Bruce Alberts) 1. Đườ ng trung tính; 2. Acid sialic; 3. Khoảng trống ngoại bào; 4. Lớp lipid kép; 5. Tế bào chất. + Protein Band3 xuyên màng: loại này được nghiên cứu đầu tiên ở màng hồng cầu. Đó là 1 phân tử protein dài, phần kỵ nước xuyên trong màng rất dài, lộn vào lộn ra đến 6 lần. Phần thò ra trên bề mặt ngoài màng tế bào cũng liên kết với các olysaccharide. Phần xuyên màng có nhiệm vụ vận chuyển một số anion qua màng. Phần ở trong tế bào chất gồm 2 vùng: vùng gắn với ankyrin, một trong các loại protein thành viên của hệ lưới protein lát trong màng, vùng gắn với enzyme phân ly glucose và gắn với hemoglobin. Vai trò vận chuyển anion Band3 được xem như là một phân tử độc lập. Khi gắn với ankyrin để nối hệ lưới vào màng lipid thì Band3 như là có đôi (hình 5.7).
48. 1 3 2 Hình 5.7. Sơ đồ hai phân tử protein xuyên màng Band3 (theo Bruce Alberts) 1. Khoảng trống ngoại bào; 2. Tế bào chất; 3. Lớp phospholipid kép. Protein xuyên màng này còn có thêm các protein enzyme vận tải hay gặp. Tên của chúng phụ thuộc vào vật chất mà chúng vận chuyển qua màng. Protein màng ngoại vi: loại này chiếm khoảng 30% thành phần protein màng, gặp ở mặt ngoài hay mặt trong màng tế bào. Chúng liên kết với đầu thò ra 2 bên màng của các protein xuyên màng. Kiểu liên kết này được gọi là hấp phụ, không phải là liên kết cộng hoá trị mà bằng lực hút tĩnh điện hay bằng các liên kết kỵ nước. Ví dụ ở hồng cầu: fibronectin là protein ngoại vi; ở phía ngoài màng còn có actin, spectrin, ankyrin; Band4.1 thì ở phía trong màng. Tất cả 4 loại protein ngoại vi này làm thành một mạng lưới protein lát bên trong màng hồng cầu, bảo đảm tính bền vững và hình lõm hai mặt cho màng hồng cầu. Spectrin là những phân tử hình sợi xoắn và là phần sợi của lưới. Lưới gồm các mắt lưới, mỗi mắt lưới là một hình 6 cạnh. Cạnh là spectrin. Đỉnh góc có 21 loại xen kẽ nhau: loại thứ nhất gồm actin và Band4.1, loại thứ hai gồm 2 phân tử ankyrin. Mỗi phân tử ankyrin liên kết với vùng gắn với ankyrin của phân tử protein xuyên màng band3 (Band3 liên kết trực tiếp với ankyrin, chỉ chiếm 20% tổng số Band3). Và như vậy, lưới protein làm bằng pritein ngoại vi và nối vào màng bằng protein xuyên màng. Nhiều protein màng ngoại vi khác cũng đã được phát hiện ở phía ngoài màng, chúng tham gia cùng các olygosaccharide có mặt trong lớp áo tế bào và thực hiện các chức năng khác.
49. Fibronectin là một protein màng ngoại vi bám ở mặt ngoài màng tế bào. Protein này gặp ở hầu hết động vật, từ san hô đến người, ở các tế bào sợi, tế bào cơ trơn, tế bào nội mô Tế bào ung thư có tiết ra protein này nhưng không giữ được nó trên bề mặt của màng tế bào. Sự mất khả năng bám dính này tạo điều kiện cho tế bào ung thư di cư. - Cacbohydrat màng tế bào: cacbohydrat có mặt ở màng tế bào dưới dạng các olygosaccharide. Các olygosaccharide gắn vào các đầu ưa nước của các protein thò ra ngoài màng. Đầu ưa nước của khoảng 1/10 các phân tử lipid màng (lớp phân tử ngoài) cũng liên kết với các olygosaccharide. Sự liên kết với các olygosaccharide được gọi là sự glycocyl hoá - biến protein thành glycoprotein và lipid thành glycolipid. Các chuỗi cacbohydrat thường rất quan trọng đối với sự gấp khúc protein để tạo thành cấu trúc bậc 3 và do đó, chúng làm cho protein được bền và có vị trí chính xác trong tế bào. Khi liên kết với mặt ngoài màng tế bào tại phần acid sialic của protein, phần acid này tích điện làm cho bề mặt glycoprotein của tế bào mang điện tích âm. Các phân tử glycoprotein đều mang điện tích âm nên đẩy nhau làm cho chúng không bị hoà tan với nhau. Glycolipid cũng vậy, có phần cacbohydrat quay ra phía ngoài tế bào liên kết với một acid gọi là ganglyoside - cũng mang điện tích âm và cùng với các glycoprotein làm cho mặt ngoài của hầu hết tế bào động vật có điện tích âm. - Áo tế bào (cell coat): cả ba thành phần: lipid màng, protein xuyên màng và protein ngoại vi cùng với cacbohydrat glycosyl hoá tạo nên một lớp bao phủ tế bào gọi là áo tế bào. Tính chất chung là như vậy, nhưng từng vùng, từng điểm khác nhau thì thành phần và cấu trúc rất khác nhau tạo nên các trung tâm, các ổ khác nhau phụ trách các chức năng khác nhau như: nhận diện, đề kháng, truyền tin, vận tải Điều đáng chú ý là protein tế bào chất không thấy có glycosyl hoá. Ở vi khuẩn eubacteria hầu như không có glycosyl hoá. 5.3. Chức năng của màng tế bào 5.3.1. Chức năng bảo vệ 5.3.1.1. Bảo vệ cơ học Màng tế bào đóng vai trò là bức tường kiên cố ngăn cách tế bào với môi trường ngoài, bảo vệ các vật chất chứa trong tế bào được ổn định, bảo vệ tế bào khỏi những tác động cơ học của môi trường ngoài. Tất nhiên, bức tường này không cố định, cứng rắn mà rất mềm dẻo, linh hoạt có thể thay đổi hình dạng, có thể chuyển động, có thể đổi mới thành phần sinh hóa của mình. 5.3.1.2. Bảo vệ về mặt sinh lý Màng đóng vai trò điều hòa dòng trao đổi từ ngoài vào và trong ra. Nhờ đó mà nó ngăn cản không cho các vật lạ, các kẻ thù xâm nhập vào tế bào.
50. Khi kẻ thù đã xâm nhập vào cơ thể, nó có nhiệm vụ bắt giữ và đào thải chúng ra. Ví dụ lymphocyte có nhiệm vụ tiêu diệt kẻ thù của cơ thể. 5.3.2. Chức năng thông tin - miễn dịch Theo Minhina (1978) thì chính các loại đường như oligosaccharide, ganglyoside có trong màng có khả năng tiếp nhận những thông tin đa dạng và phức tạp từ môi trường ngoài. Các thông tin mà tế bào nhận được là các chất hóa học, hoocmon, virus và ngay cả các yếu tố gây bệnh cũng tương tác với oligosaccharide. Cũng nhờ các đường này mà cơ thể nhận biết được những tế bào của mình và phân biệt được tế bào lạ. Chính điều này đã giải thích được sự không dung nạp miễn dịch trong nuôi cấy mô. 5.3.3. Chức năng trao đổi chất Màng tế bào là nơi thực hiện sự trao đổi chất của tế bào. Hoạt tính trao đổi chất của màng thể hiện rõ nhất ở màng ty thể, màng mạng lưới nội sinh chất, màng của phức hệ Golgi. 5.3.4. Chức năng vận chuyển các chất qua màng Chức năng quan trọng hàng đầu của màng tế bào là điều hòa sự qua lại của các chất giữa bên trong và bên ngoài tế bào. Tất cả các chất di chuyển vào hoặc ra khỏi tế bào đều phải qua vật cản là màng và màng của mỗi loại tế bào có chức năng chuyên biệt để cho chất nào đi qua, với tốc độ nào và theo hướng nào. Tế bào thực hiện việc vận chuyển các chất qua màng bằng các quá trình tự nhiên như: khuyếch tán, thẩm thấu, sự vận chuyển tích cực, quá trình thực bào (phagocytosis) và quá trình uống bào (pinocytosis). Nội dung chi tiết về chức năng vận chuyển các chất qua màng sẽ trình bày kỹ ở phần III (Sinh lý tế bào).
51. 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 (1999), Di truyền học, Nxb Giáo dục Tp. Hồ Chí Minh. 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. 7. Roberts et all (1975), Cell Biology, Philadelphila - London - Toronto.
52. 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
53. 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.
54. - 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.
55. 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.
56. 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).
57. 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
58. 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 ).