tế bào học

W A $ f f / PGS.TS THÁI DUY NINH T Ễ B À O H Ọ C (TÁI BẢN LẦN THỨ NHẤT, c ố SỬA CHỬA VÀ Bổ SUNG) ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN A A NHÀ XUẤT BẢN ĐAI HOC s PHAM É MỤC LỤC Trang Lời nói đầu Chương I Đại cương tế bào I Lược sử nghiên cứu tế bào II Cơ sở phân tử sống Chương 2: Tế bào nhân sơ 43 I Đại cương tế bào nhân sơ 43 II Hình dạng tế bào nhân sơ 46 III Cấu tạo tế bào nhân sơ 48 IV Trao đổi chất lượng 57 V Sinh sản tế bào nhân sơ 57 VI Ý nghĩa thực tiễn tế bào nhân sơ 58 Chương 3: Tế bào nhân chuẩn 60 I Đại cương tế bào nhân chuẩn 60 II Màng sinh chất chức 62 III Nhân tế bào nhân chuẩn 114 IV Tế bào chất tế bào nhân chuẩn 123 V Lục lạp chức quang hợp 132 VI Mạng lưới nội chất 146 VII Bộ máy golgi .150 VIII Lizoxom 150 IX Peroxizom 151 X Không bào 152 XI Khung nâng đỡ hình dáng tế bào 152 Chương 4: Sự phân chia tế bào 160 I Sự phân chia tế bào nguyên nhiễm 160 II Sự phân chia tế bào giảm nhiễm 167 Chương 5: Các phương pháp nghiên cứu tế b o 178 I Kính hiển vi đối pha 179 II Kính hiển vi giao thoa .182 III Hiển vi tối (nền đen) 183 IV Hiển vi phân cực 183 V Hiển vi điện tử 184 VI Tia rơnghen 186 VII Phương pháp nguyên tử đánh dấu 187 VIII Phương pháp phóng x .188 IX Phương pháp li tâm 190 Lời nói đầu Sách Tê bào học biên soạn theo chương trình mơn Tế bào học trường Đại học Sư phạm Hà Nội Sách giới thiệu đầy đủ hiểu biết đại tế bào học, đặc biệt vấn đề màng sinh chất Sáchdùng làm giáo trình cho sinh viên trường Đại học sư phạm trường Cao đẳng Sư phạm Sách dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên trường đại học, cao đẳng có học mơn Sinh học Sách gồm chương: Chương Đại cương tế bào Chương Tế bào nhân sơ Chương Tế bào nhân chuẩn Chương Sự phân chia tế bào Chương Phương pháp nghiên cứu tế bào Tác giả chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp xây dựng độc giả để sách xuất lần sau hoàn chỉnh TÁC GIẢ Chương I ĐẠI CƯƠNG VỂ TẾ BÀO ■ I LƯỢC SỬ NGHIÊN c ứ u TỂ BÀO Khái niệm tê bào Robert Hooke cách khoảng 300 năm đặt tên cho “hộp” nhỏ cấu tạo nên nút bấc Ngày nay, coi hộp thành xenlulozơ có nhiễm suberin tê bào thực vật chết Cịn tê bào gồm thành xenlulozơ với khơi sinh chất chứa (đơi với tế bào thực vật) Năm 1839, Purkinje (Tiệp) đưa khái niệm chất nguyên sinh chất chứa bên tê bào Rồi Slâyden (Đức), nhà Thực vật học Svan, nhà Động vật học đưa nhiều khái niệm thuộc tế bào Và từ vể sau vối nhiều thành tựu nghiên cứu, tri thức tế bào ngày bổ sung hồn chỉnh dần Học thuyết tế bào địi Tê bào đơn vị thê sông Năm 1855, Virchovv quan niệm tê bào mối sinh tế bào trưốc bị phân đơi Ngày nav, coi tế bào đơn vị câu trúc chức thê sống Mỗi tê bào gồm khôi sinh chất có màng, nhản tế bào chất Trong tế bào chất có nhiều quan tế bào gọi quan tử Tất chúng đươc boc chung màng gần giơng màng sinh chất Mn tìm hiểu tế bào, trước tiên nghiên cứu phần tử mà từ cấu tạo nên tê bào, từ hoạt động sơng xảy • • II c s PHÂN TỬ CỦA s ự SỐNG Điều mà người biết sống bắt nguồn từ vật chất không sống, chất vơ Cho nên trước tìm hiểu sơng, tìm hiểu tồn tế bào phải xem xét quy luật lí học hố học vật chất vơ • • • Cấu tạo vật chất ■ ■ V ật chất bao gồm đơn vị cực nhỏ gọi nguyên tử cho dù vật chất tồn trạ n g th khí, lỏng hay rắn Hiện biết 105 ngun tơ" hố học, có nguyên tử nhỏ n h ấ t - nguyên tử hiđro - nguyên tử lốn n h ấ t uranium Ngồi ngun tơ" tự nhiên, người cịn chế tạo ngun tơ" hoá học nhân tạo(1) Nguyên tử tự nhiên hay nhân tạo khơng trơng thấy kính hiển vi Nguyên tử cấu tạo từ ba loại h ạt electron tích điện âm, khơi lượng cực nhỏ; proton mang điện dương, khối lượng lớn khôi lượng electron chừng 1835 lần, h t nơtron khơng mang điện, có khơi lượng xấp xỉ proton Mơ hình đơn giản cấu tạo ngun tử thừa nhận rộng rãi là: Nguyên tử có hình dạng khối cầu Tâm ngun tử hạt nhân tích điện dương, vỏ nguyên tử gồm eỉectron chuyên động quanh hạt nhân Sô đơn vị điện tích âm vỏ sơ đơn vị điện tích dương hạt nhân Ngun tử trung hồ vể điện Nguyên tử nguyên tố hoá học khác khác kích thước, khơi lượng Vật chất cấu tạo từ nguyên tử Vật chất mà ngun tử có sơ' proton h ạt nhân, có sơ' electron chuyển động xung (1) Khoa học tống hợp đến nguyên tố t h ứ 112 khuẩn lên men chất cacbohiđrat động vật thực vật đóng vai trị to lớn Có thể nói, khơng có vi khuẩn tấ t nguyên tử cacbon, nitơ tích tụ lại xác chết mãi sông ngừng lại khơng có ngun liệu tổng hợp lên chất ngun sinh Đặc biệt có vi khuẩn có khả sử dụng nitơ khí để tạo nên hợp chất nitơ, từ thực vật có chúng cộng sinh, tổng hợp protein cần thiết cho chúng Và protein lại cần thiết cho động vật người Trong công nghệ sinh học, hoạt động sống vi khuẩn nhân tơ" có vai trị trọng yếu Con người sản xuất rượu loại bia, vang, nhò lên men vi khuẩn lên men rượu đôi vối đường Các thực phẩm giàu chất dinh dưỡng sữa chua, bơ, phomát, đậu phụ, nưốc chấm nhờ hoạt động vi khuẩn lên men sữa, đậu tương, hạt dầu giàu protein Trong công nghiệp sản xuất vacxin để phòng bệnh dịch nguy hiểm uốn ván, bại liệt, sốt rét, khai thác hoạt động vi sinh vật virus gây nên bệnh dịch Để biến rác thải địi sơVig hàng ngày người, đặc biệt đô thị, thành sản phẩm có ích khơng gây nhiễm mơi trường sống, người ta khai thác hoạt động vi khu ẩn lên men thôi, nấm phân huỷ xác hữu bền vững xenlulozơ Từ rác thải biên thành khí đ ố t^ u n nóng, sưởi ấm, biến thành phân bón vi sinh, biến thành eompost (phân trộn) phân bón cho trồng lương thực, rau quả, cảnh Công nghệ sản xuất nhiều loại vitamin, nhiều loại thực phẩm giàu protein đại khác thịt nhân tạo, sử dụng hoạt động vi khuẩn thích ứng Riêng đơi với mơn khoa học sinh học sinh học phân tử vi khuẩn Escherichia coli trở thành đối tượng vô giá trị để nghiên cứu Ngày nay, 45 khoa học khác nghiên cứu tê bào đạt nhiều thành tựu to lớn, củng nhờ sử dụng vi khuẩn làm đối tượng tác động Watson sở nghiên cứu Escherichia coli tạo thành tựu sinh học phân tử (E Coli bé 500 lần so với té bào bình thường động vật hay thực vật, có khơi lượng 2.10 ”12 gam, chứa 75% nước so với khối lượng khơ, có khoảng 3000 - 6000 loại phân tử khác nhau) F Jacob J Monod (1960) dựa vào kết nghiên cứu đối tượng E Coli mà phát minh chế điều hoà phiên mã tế bào nhân sơ q trình tổng hợp protein Tóm lại, hiểu biết loài người phân tử, sinh học vi mơ ngày sâu Trên sở ngày khai thác kết nghiên cứu đế phục vụ cho lợi ích người Cho nên việc nghiên cứu tế bào nhân sơ vi khuẩn tế bào thực vật động vật (tê bào nhân chuẩn) nói chung điểu cần thiêt trước đồi với người yêu thích khoa học sinh học II HÌNH DẠNG TỂ BÀO NHÂN s Vi khuẩn có hình dạng n h ất định, vách vi khuẩn định (trừ số vi khuẩn khơng có vách) Kích thước chúng từ bé cho đên lốn nh ất khoảng từ đến 10 |^m chiều dài, 0,2 đên l|im chiều ngang Các vi khuẩn gây bệnh chi khoảng từ 0,2 - lOịim Phần lốn lồi vi khuẩn có dạng tê bào đơn lẻ, sơ lồi có nhiều tê bào xêp thành cụm, thành chuỗi Hình dáng tế bào vi khuẩn có ba loại: cầu khuân dạng vi khuẩn có dạng hình cầu, xoắn khn có dạng hình xoắn hay hình dấu phẩy, trực khn có dạng hình que (hình 1) 46 Hình 2.1 Các kiếu vi khuân Dạng hình cầu: A Staphylococcus aureus; B Diplococcus pneum oniae; Streptococcus pyogenes c Dạng hình que: D Bacillus subtilis; E Corynebacterium diphteriae; F Eberthella ty phi Dạng hình xoắn: G Vibro comma; H Spirillum volutans; I Treponema pallidum Trong sơ" cầu khuẩn, có loại có tế bào riêng rẽ, có loại xếp th àn h hai tế bào (lậu cầu gây bệnh lậu (Gonococcus), có loại xếp nhiều tế bào th ành chuỗi dài (liên cầu khuẩn - Streptococus), có loại nhiều tế bào xếp thành 47 chùm lộn xộn chùm nho (tứ cầu khuẩn —Staphylococcus) Còn loại xoắn khuẩn gồm hai loại chính: Loại thứ cc thể xoắn ít, đơi có hình dấu phẩy (xoắn khuẩn gây bệnh tả); Loại thứ hai xoắn nhiều dụng cụ mở nút chai, sô" loại gây bệnh giang mai III CẤU TẠO TỂ BÀO NHÂN s Hình 2.2 Tê bào vi khuẩn (phóng đại 50.000 lẩn) Tuy sinh giối có nhiều loại sinh vật bé nhỏ không quan sát mắt, song tê bào vi khuẩn khác xa với 48 nhiều vi sinh vật khác vê' cấu tạo sơ" q trình sinh lí khác khơng có phân bào khơng có màng nhân, thê nhiễm sác, khơng có hầu hết quan tử tê bào thơng thường trừ riboxom, chúng lại có roi sỢi ngắn gọi lông (pili) (pili F pili chung) Dưới kính hiển vi điện tử, người ta thấy tê bào vi khuẩn hình 2 Nhân tế bào nhân sơ 1.1 Thành phần hố học, s ự phân bơ nhân Nhân phận tế bào nói chung chứa đựng máy di truyền có nhiều axit đxiribonucleic Vì chứa ADX nên ưa kiềm dẫn tới nhân bắt màu với chất màu kiềm lúc nhuộm Ờ tế bào động vật thực vật, nhân tập trung nhiều ADN nên dễ bắt màu nhuộm Song tê bào vi khuẩn, mặt có ADN, mặt khác ADN lại phân tán sinh chất nhuộm màu không tập trung, khó phân biệt; phải nhuộm màu riêng nhân tê bào vi khuẩn thuôc nhuộm đặc biệt dễ quan sát Bởi thê vi khuẩn thuộc loại tê bào nhân sơ Sự kiện xảy từ năm 1935 Ngưòi ta nhuộm nhân vi khuẩn bàng thuốc azua metylen eosinat, phương pháp Robinovv, phương pháp Piechaud, dùng phản ứng Fenlgen 1.2 Hình dáng nhân Rất khó quan sát hình dáng nhân tế bào nhân sơ cách xác vi tồc độ phân chia tế bào vi khuẩn nhanh Quan sát nhân tê bào vi khuẩn thường gặp nhân - tượng tế bào vi khuẩn trạng thái phân chia Ngoài cịn u tơ' khác mà hình dạng nhân tế bào thay đơi Ví dụ nồng độ NaCl, tia cực tím, tia X, liều thc làm yếu gần chêt chât kháng sinh aurêômyxin, cloramphenicol 4- TÊBÀOHỌC 49 1.3 Cấu tạo nhản Sử dụng kính hiển vi điện tử để quan sát nhân, so sánh nhân tế bào động vật thực vật nói chung, nhân tế bào vi khuẩn có cấu tạo sau: a Khơng có màng nhản: người ta phân biệt cấu trúc nhân nguyên sinh chất thành phần cấu tạo hố học chúng khác b Nhân có cấu tạo sợi có đưịng kính - nm, khơng có nhân con, sợi xoắn ADN Nếu tháo xoắn, ta có sợi dài lmm c Là sợi A D N đóng kín: Hiện chưa thơíng vể ý kiến cho ADN có hay khơng có liên kết với loại protein kiểu protamin hay histon tê bào động thực vật Các gen phân tử ADN nhân tê bào vi khuẩn xếp thẳng hàng nhóm liên kết vịng Đó giả thuyết nhà hình thái học nhân xác nhận • • • d Sợi A D N tê bào vi khn thường có dạng vịng trịn Kêt luận có nhờ Klein Schmidt li giải Micrococcus lisodeiticus điều kiện không dùng chất tẩy mạnh ADN giải phóng cách dễ dàng hấp thụ lên lớp protein; ADN mạ bóng sau quan sát bàng kính hiển vi điện tử Hình ảnh thu nhận ADN rõ Đó sợi dài, có đường kính phù hợp vối đường kính hai sợi xoắn lại khơng có hai đầu tự do, tạo vòng tròn c Sơi A D N tự chép theo sơ đồ Crick Watson Cairns chứng minh kiện bàng thí nghiệm tuyệt vời sau đây: Ong nuôi E Coli mơi trường có timin đánh dâu tritium Timin trộn lẫn vào ADN, ADN trở thành có tính chảt phóng xạ Sau thời gian nuôi cấy khác nhau, đem li giải tẽ bào vi khuấn phức hệ gồm enzym phân 50 giải loại thuốc tẩy, ADN giải phóng Đem ADN đặt lên phiến kính mỏng Phiến kính đặt chỗ khơ sau phủ lên nhờ hỗn dịch thuốc ảnh Hai tháng sau bóc lốp ảnh chụp đem quan sát thấy có sợi bị gãy, có sợi độc có hình vịng trịn chu vi 1400Ịim Phân tử ADN có khối lượng phân tử tỉ Nó hình thành chuỗi polinucleotit kép Chuỗi tự chép theo cách bán bảo tồn, sợi dùng làm khn để hình thành sợi bên 1.4 Sinh chất t ế bào nhân sơ Sinh chất tê bào vi khuẩn khác vối sinh chất tê bào động thực vật Trong tế bào động vật thực vật bậc cao, sinh chất có câu tạo phức tạp vối trung tử, tiểu thể trung, ti thể, máy Golgi, mạng lưới nội chất loại Sinh chất chúng có chuyển động, hình thức biến khơng bào Cịn tế bào vi khuẩn, sinh chất cấu trúc đơn giản Sinh chất tế bào vi khuẩn ln trạng thái gel, sinh chất khơng thể chuyển động Trong chúng hạt thể vùi Dưới kính hiển vi điện • tử,7 sinh chất có cấu tạo • dày đặc h t có đường kính 10 - nm Đó riboxom câu tạo nhờ protein ARN Các riboxom bị quay li tâm có độ lắng 30S, 50S 70S 0 S Loại có 70S loại 30S 50S hợp thành Loại 0 S hai loại 70S hợp thành Nhiều riboxom hợp th n h nhiều đám nhiều riboxom (poliriboxom) sinh chất Các poliriboxom noi xảy tổng hợp protein Thể vùi sinh chất kho chứa eacbonhicừat, chứa * đơn vị đo độ lắng đọng q u ay li tâm 51 photphat chất có lượng cao Tóm lại sinh chất vi khuẩn có đặc điểm sau: + Khơng chuyển động nội bào + Khơng có phận biệt hố.* + Khơng có trung tử + Khơng có máy Golgi + Khơng có mạng lưối nội chất + Khơng có lạp + Khơng có hệ tiểu vật Nhưng sô' lượng riboxom rấ t nhiều nên tế bào vi khuẩn có khả tống hợp lớn, sinh sôi nảy nở nhanh Màng sinh chất tế bào nhân sơ Nếu tách vách khỏi tế bào vi khuẩn, thấy màng sinh chất bao bọc sinh chất Muôn quan sát màng sinh chất, đặt tế bào vi khuẩn dung dịch ưu trương (dung dịch có nồng độ chất tan lớn nồng độ chất tan tương ứng có tế bào chất) nước sinh chất khỏi tê bào vi khuẩn Sinh chất vi khuẩn co lại có màng chiết quang bọc sinh chất tách rời vách Màng nhuộm màu rõ Nêu nhúng tê bào vi khuẩn trở lại dung dịch nhược trương (dung dịch có nồng độ chất tan bé nồng độ chât tan tương ứng tê bào chất) tế bào vi khuẩn trương phình lên bị nổ vỡ Có thể thu hồi riêng màng sinh chất nhờ phương pháp li tâm sau phá vỡ tế bào vi khuẩn Dưới kính hiển vi diện tử, màng sinh chất có bề dày khoảng lOnm Màng gồm có miền: hai miền ngồi có màu đục tối, miền dày màu sáng Phân tích hố học người ta thấy màng bao gồm lốp kép photpholipit chủ yếu lớp kép photpholipit có phân tử protein xếp rải rác, phân tử protein xun màng Ở rìa ngồi rìa lốp kép photpholipit, người ta cịn tìm thấy phân tử protein rìa màng Loại nằm miền ngồi gọi rìa màng ngồi, loại nằm miền gọi rìa màng Cũng có người xem màng biển lỏng photpholipit, mà "biển" lỏng có mặt "đảo" protein Và xem màng khảm lỏng gần Kiểu câ^u tạo màng vi khuẩn mô tả hệt kiểu màng sinh chất tế bào động vật thực vật bậc cao khác Chức n ă n g m n g sin h c h ấ t tê bào n h ả n sơ Chức thấm chọn lọc: Màng sinh chất có chức hàng rào thẩm thấu Nó cho phép số chất hồ tan cần thiết cho tế bào vi khuẩn vào tế bào vi khuẩn, đồng thịi cho phép sơ" chất khác hồ tan có hại cho tế bào vi khuẩn khỏi tế bào vi khuẩn (các độc tố" đôi vối tế bào vi khuẩn ) Trên màng sinh chât phân bổ nhiều loại enzym chuyển hoá chât trao đổi lượng enzym thuộc nhóm xitơcrơm, enzym hoạt động chu trình Krebs Đơi với phân chia tê bào vi khuẩn, màng nguyên sinh “màng” mạc thể cịn gọi mảnh (mêxơsơm) có chức đạo phân chia tế bào vi khuẩn Mêxôsôm khâu trung gian liên kết không đổi chất nhân màng sinh chất Tóm lại màng sinh chất mẽxơsơm tế bào ỵi khuẩn đóng^vaLtrị ti thê ỏ loai tế bào khác củng tham gia vào trình phân chia tế bào 53 Vách tế bào nhân sơ Người ta nhận biết vách tế bào nhân sơ nhiều cách: vi phẫu phân tích, phân lập vách, nhuộm màu; y tế dùng phản ứng kháng thể đặc hiệu, phổ biến soi kính hiển vi điện tử Vách vi khuẩn khung bên ngồi có tác dụng giữ hình dáng định tế bào vi khuẩn Cấu tạo vách có chức bảo vệ thể vi khuẩn chông lại áp suất thẩm thấu nội bào lốn Thành phần cấu tạo vách xenlulozơ Vách loài vi khuẩn kêt hợp thành phức hợp bền vững VỐI thuốc nhuộm tím gentiem lugol phức hợp khó bị phân rã y tế gọi ui khuân gram dương (+), vách có lớp đồng nhất, dày 15 - 20nm Vách loại cho phép cồn dẫn thuốc nhuộm vào VI khuẩn vi khuẩn ui khuấn gram âm (-) Vách có cấu tạo ba miền Một miền sáng nằm hai miền đen Miền bao gồm porin (là protein) tạo kênh để phân tử lốn (M > 1000 ) qua Miển peptidoglican (gần chitin), làm cứng vỏ Miền miền có nhiều yếu tơ" vận chuyển qua đến màng sinh chất Có loại tơ bào vi khuẩn có vách gồm đơn vị thứ cấp có cấu trúc đa giác, đường kính từ - lOnm Một sơ" khác có cấu trúc sợi Các câu trúc vách tê bào vi khuẩn thường nhạy cảm với loại thuốc kháng sinh Vách nằm cách màng sinh chất khoảng trung gian, chứa glicopeptit (protein - glucan) Khôi lượng khô vách tê bào vi khuẩn rấ t lốn chiếm khoáng 20 - 35% so với khối lượng tổng số Phân tích thành phần hố sinh học vách tế bào vi 54 khuẩn gram dương, người ta thấy có nhiều loại ozơ axetyl glucosamin (AG), axit axetyl muramic (AAM), glucozơ, galactozơ, gentibiozơ Cũng có nhiều loại axit amin alanin, lizin hay diaminopimelic, axit glutamin, glixin khơng có lipit Phân tích kiểu cấu trúc, người ta thấy vách murêin có tổ chức liên kết chất lại sau (hình 2.3): Hình 2.3 55 Bên ngồi vách tế bào vi khuẩn cịn có lớp vỏ Đó sản phẩm tiết từ vách, vỏ chứa chất tiết giữ vai trị nhân tơ' kháng ngun