SINH HỌC TẾ BÀO Chương 1. Sự sống tế bào Tóm tắt chương này mô tả 1. Những đặc tính căn bản của sinh vật 2. Những khái quát căn bản về sự sống 3. Những nguyên lý hoạt động của tế bào 4. Sơ lược về cấu trúc và chức năng của tế bào 5. Tiến hóa của tế bào Chương này sẽ tóm tắt những kiến thức trọng tâm các vấn đề cốt lõi của sự sống, các học thuyết tế bào, sự tiến hóa, thí nghiệm chứng mình RNA là bắt nguồn sự sống. Phân tích mẫu thiên thạch cho thấy sự sống đến từ vũ trụ.
ÔN TẬP MÔN SINH HỌC TẾ BÀO TÀI LIỆU ÔN THI CAO HỌC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU: SỰ SỐNG VÀ TẾ BÀO Nội dung chương: Những đặc tính sinh vật Những khái quát sống Những nguyên lý hoạt động tế bào Sơ lược cấu trúc chức tế bào Tiến hóa tế bào Những đặc tính sinh vật Ba đặc tính sinh vật: • Được tạo tế bào, • Có DNA vật liệu di truyền, • Có khả tiến hành phản ứng hóa học tế bào (biến dưỡng) Vài dạng sống đặc biệt • Virus: DNA (RNA) + vỏ protein + Phage = virus vi khuẩn + Virion = virus ngồi tế bào • Viroid: vịng RNA tự bổ sung, gây bệnh thực vật (khoai tây) • Prion (proin), protein nhỏ gây bệnh “bò điên” Những khái quát sống (1) Học thuyết tiến hóa: Các loài sinh từ nhiều tổ tiên lần lượt, qua trình truyền với biến đổi theo chế chọn lọc tự nhiên (Darwin, 1859) (Có sợi vơ hình ràng buộc dạng sống.) Về sau, “tiến hóa” (evolution) dùng thay “truyền với biến đổi” Darwin Sinh học tế bào |9 Chọn lọc tự nhiên tác động lên phenotype (chọn lọc biến dị di truyền, không sáng tạo), di truyền đặc điểm (tính trạng) liên quan với genotype Chỉ có sinh vật thích nghi với mơi trường sống truyền đặc điểm di truyền qua nhiều hệ Lamarck (1744-1829) người đề nghị giải thích “tiến hóa”: đặc điểm kiểu hình tập nhiễm truyền cho cháu (hươu cao cổ tiến hóa qua hệ vươn tới ngày cao hơn) (2) Học thuyết tế bào Tế bào đơn vị cấu trúc sinh vật (Schleiden Schwan, 1839) Hoạt động cá thể tùy vào hoạt động riêng rẽ hợp tác tế bào thành viên, phân tử (kể DNA) tự sống cịn ngồi tế bào (3) Học thuyết chromosome: Các gene chromosome, tập tính chromosome giảm phân thụ tinh sở kiểu di truyền (Sutton 1902) Lịch sử: + 1865, Mendel nêu nguyên lý di truyền chưa hiểu chấp nhận rộng rãi + 1900, Correns nêu vai trị chromosome + 1902, Sutton nêu giả thuyết, giải thích tỉ lệ phân ly 9:3:3:1 (4) Lý thuyết trung tâm sinh học phân tử: Thông tin di truyền chuỗi DNA, qua mã dịch mã, chuyển thành trình tự acid amin protein (Crick 1958) Crick (1958) nêu hai thuyết: • Giả thuyết trình tự: Trình tự base xác định trình tự acid amin, trình tự acid amin xác định cấu trúc ba chiều protein Sinh học tế bào |9 • Lý thuyết trung tâm: Thơng tin trình tự truyền từ DNA qua RNA tới protein (DNA RNA protein) Watson (1965) hợp hai thuyết Crick thành “lý thuyết trung tâm” (5) Sinh vật đặt tên thuộc giới sinh vật Linnaeus (thế kỷ XVIII) đề xuất tên khoa học (tên kép) cho loài (Homo sapiens) Phân loại theo cấp bậc: loài (đơn vị phân loại bản), giống, họ, bộ, lớp, ngành, giới, liên giới (6) Sự sống có nhiều mức tổ chức • Hệ sinh thái Quần xã Quần thể Cơ thể Hệ quan Cơ quan Mơ Tế bào Hóa học (phân tử (7) Liên hệ cấu trúc chức xảy mức tổ chức sinh vật (Mỗi cấu trúc sinh vật có chức năng) (8) Tổ chức đặc biệt mức tổ chức dẫn tới tính chất phát sinh Tính chất phát sinh (emergent properties): tương tác thành phần riêng lẻ làm phát sinh cách tự nhiên hệ thống có tổ chức, với tính chất khơng có thành phần riêng lẻ Ví dụ Vẻ đẹp bơng tuyết hay đường bay đàn chim hoạt động (action)/ cách hoạt động (behavior) phân tử nước chim riêng lẻ Các tính chất phát sinh tìm thấy mức tổ chức (khơng có mức trước), kể từ mức hóa học: Na + Cl NaCl Nếu cho vào ống nghiệm hỗn hợp phân tử trích từ lục lạp, quang hợp khơng thể xảy Tính chất phát sinh phổ biến giới vật chất (kim cương đầu viết chì than tạo carbon, cách xếp nguyên tử C khác nhau) Sinh học tế bào |9 (9) Sinh vật môi trường mạng lưới đan kết, tương tác không ngừng Những nguyên lý hoạt động tế bào (1) Biểu thơng tin di truyền (kiểm sốt mã) theo hai chế: + Kiểm soát di truyền mã hóa: theo lý thuyết trung tâm + Kiểm soát di truyền biểu sinh: biến đổi chromatin, thường methylhóa DNA biến đổi histone sau dịch mã methyl hóa acetyl hóa histone Genotype thừa hưởng từ cha mẹ; phenotype chịu ảnh hưởng genotype, biến đổi di truyền biểu sinh, nhân tố môi trường cà cách sống (2) Nhiều tiểu-đơn vị tự tập hợp (tách pha lỏng - lỏng) thành bào quan hay đại phân tử, không cần khuôn hay enzyme (như tạo tiểu hạch, hay kết hợp phospholipid protein để tạo màng tế bào) (3) Tương tác dấu hiệu - thể nhận hướng dẫn thành phần tế bào tới nơi (protein nhân có dấu hiệu trình tự acid amin ngắn dính vào thể nhận để qua lỗ nhân) (4) Sự vận chuyển tế bào thực nhờ khuếch tán, bơm, động phân tử, vận tải bóng (vacuolar traffacking) (5) Các thể nhận chế truyền tín hiệu giúp tế bào thích nghi với mơi trường (6) Tế bào sống trạng thái cân động, thường nhờ chế kiểm soát ngược âm (7) Các hoạt động tế bào sống tuân theo hai luật nhiệt động học + Năng lượng chuyển đổi, tồn lượng vũ trụ khơng thay đổi Sinh học tế bào |9 + Entropy (sự trật tự) tồn vũ trụ có khuynh hướng khơng ngừng gia tăng Sơ lược cấu trúc chức tế bào Ba nhóm bào quan: • Khơng có màng: ribosome, trung tử (MTOC), proteasome, chaperonin, xương tế bào (vi ống, vi sợi sợi trung gian) • Có màng (hệ thống nội màng): mạng nội chất nhám trơn, thể Golgi, lysosome khơng bào • Có hai màng (bao): ty thể lục lạp Proteasome (có cytosol, nhân): loại bỏ protein bất thường/khơng cịn cần thiết Chaperonin (phức hợp protein chaperone): • Giúp protein quấn cuộn (trước, cho theo cách tự sinh) • Giúp protein quấn cuộn sai quấn cuộn trở lại • Có thể HSP, giúp protein bị duỗi nhiệt quấn cuộn trở lại Sinh học tế bào |9 Chaperonin có dạng trụ rỗng với mũ, hoạt động qua ba bước để giúp chuỗi polypeptide sau dịch mã quấn cuộn Bộ xương tế bào: Vi sợi vi ống có tế bào; Sợi trung gian có động vật đa bào, bền, tạo phiến nhân hệ thống sợi nâng đỡ tế bào Vi ống có tính hữu cực linh động: Đầu “+” gắn phóng thích dimer, giúp vi ống kéo dài, rút ngắn hay biến mất; đầu “-” bền gắn vào MTOC (trung tâm tổ chức vi ống) Động phân tử máy đổi hóa (ATP) thành động năng, để vận chuyển hàng hóa (đại phân tử / bào quan) cách bước dọc vi ống hay vi sợi, gồm ba nhóm chính: myosin di chuyển vi sợi; kinesin (ra ngoại vi) dynein (về trung tâm) vi ống Tiến hóa tế bào (nguồn gốc sống) Thuyết bóng Oparin thuyết bóng thời Sinh học tế bào |9 Vào năm 1920, Oparin (Nga) Haldane (Anh) cho khí ngun thủy mơi trường khử, chứa khí CH4, NH3, H2 nước Theo Oparin, từ vật chất khơng sống, phân tử hữu hình thành hợp thành thể tiền sinh hay bóng (1 - 100 µm) nước canh nguyên thủy, bóng tiến hóa thành tế bào nguyên thủy Thuyết bóng thời (Lerman, 1986) Nhiều chứng cho thấy khí sơ khai chứa chủ yếu N2 CO2, không khử (cung cấp e- ), không oxid hóa (loại e- ), bóng gần miệng núi lửa chìm nước mơi trường khử Sinh học tế bào |9 • Bằng chứng sống bắt đầu giới RNA Phân tử dẫn tới tế bào phải có đủ hai khả năng: tự-tái hoạt tính enzyme DNA protein có hai khả Năm 1983, Cech (ĐH Colorado) Altman (ĐH Yale) khám phá RNA có đủ hai khả trên, gọi ribozyme, từ nhiều người tin tế bào (sự sống) xuất giới RNA (không phải DNA hay protein) đại dương tiền sinh, sau RNA giữ lâu bền gói bóng Phần nâng cao • Thí nghiệm chứng minh tiến hóa RNA theo quan điểm Darwin Tiến hóa Darwin (Darwinian evolution) q trình tự trì (self-perpetuating process) thay đổi liên tục dựa vào đột biến chọn lọc tự nhiên, thứ phải thích nghi với mơi trường để tồn Mizuuchi R., Furubayashi T., Ichihashi N., "Evolutionary transition from a single RNA replicator to a multiple replicator network ," Nature Communications: March 18, 2022 Thí nghiệm: Hệ thống tái RNA bắt cặp dịch mã gồm RNA sợi đơn (RNA chủ) mã hóa tiểu đơn vị xúc tác Qβ replicase (một RNA polymerase tùy thuộc RNA) hệ thống dịch mã từ E coli, đặt ngăn giống tế bào - µm (nhũ tương nước-trong-dầu, water-in-oil emulsion) Sinh học tế bào |9 Hình Thí nghiệm tái (tiến hóa) dài hạn phân tử RNA tự-tái (Bên trái) RNA chủ tạo RNA chủ đột biến RNA ký sinh (1) Tái RNA giọt nước-trong-dầu (2) Các giọt pha lỗng với giọt có chứa hệ thống dịch mã (nhưng không chứa RNA) (3) Khuấy trộn mạnh để gây hợp phân chia ngẫu nhiên Kết quả: Khi tái nhiều lần (240 vòng, 1200 giờ), đột biến xuất hiện, gọi RNA chủ đột biến (mutant host RNAs); cho đột biến vào môi trường, tái tổ hợp làm vùng mã hóa replicase để tạo RNA ký sinh (parasitic RNAs) dùng replicase RNA chủ để tái Kết luận: RNA chủ ban đầu (original host RNAs) đa dạng hóa ngày phức tạp, phân ly thành dòng RNA chủ (host RNAs) RNA ký sinh (parasitic RNAs), tạo nên mạng phân tử tái phức tạp tồn tương tác, theo kiểu tiến hóa Darwin Thơng tin cập nhật Nguồn gốc sống từ vũ trụ Một số người nghĩ rằng, trái đất với bề mặt đại dương bao la cấy hợp chất hữu từ vũ trụ, dựa vào chứng: + Nước, ammonia hay hydrogen cyanide tìm thấy đám mây hay nhân chổi + Một thiên thạch rơi Úc chứa nhiều acid amin mà Miller chứng minh thực nghiệm: glycine, alanine, valine, proline, acid aspartic, acid glutamic + Pyrimidine (C, U, T) purine (G, A) phát thiên thạch giàu-carbon: trước purine U; gần C T Oba et al (ĐH Hokkaido, Nature Communications, April 27, 2022 Sinh học tế bào |9 ... (2) Học thuyết tế bào Tế bào đơn vị cấu trúc sinh vật (Schleiden Schwan, 1839) Hoạt động cá thể tùy vào hoạt động riêng rẽ hợp tác tế bào thành viên, khơng có phân tử (kể DNA) tự sống cịn ngồi tế. .. tín hiệu giúp tế bào thích nghi với mơi trường (6) Tế bào sống trạng thái cân động, thường nhờ chế kiểm soát ngược âm (7) Các hoạt động tế bào sống tuân theo hai luật nhiệt động học + Năng lượng... carbon, cách xếp nguyên tử C khác nhau) Sinh học tế bào |9 (9) Sinh vật môi trường mạng lưới đan kết, tương tác không ngừng Những nguyên lý hoạt động tế bào (1) Biểu thông tin di truyền (kiểm