Tiểu luận sinh học tế bào

Tiểu luận sinh học tế bào

I Tế bào chất và các bào quan

1.1 Khái niệm tế bào chất và bào quan

Khái niệm tế bào chất: Là khối nguyên sinh chất (protoplasma) chứa nhiều cấu trúc

phức tạp như bào quan, các chất dự trữ, các vi sợi, vi ống tạo nên khung xương của

tế bào; nằm trong tế bào và bao quanh lấy nhân Tế bào chất của một số tế bào có sựphân hóa thành hai 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 bàoquan như: mạng lưới nội chất , phức hệ golgi, ribosome, ti thể, lục lạp

Nếu ta loại bỏ các bào quan thì còn lại khối tế bào chất có cấu trúc gọi là chấtnền hay thể trong suốt (cytosol) Thể trong suốt chiếm gần một nửa khối lượng tếbào Nó có thành phần chủ yếu là protein và nước (khoảng 85%) Thể trong suốt cócác protein sợi tạo thành bộ khung xương của tế bào, có hàng nghìn enzym, cácribosome làm nhiệm vụ sinh tổng hợp protein Ngoài hai thành phần chính là nước

và protein, thể trong suốt còn có chứa các loại RNA như mRNA, tRNA; các lipid,gluxit, axit amin, nucleoside, nucleotide, các ion Đôi khi, thể trong suốt còn chứacác hạt dầu và hạt glycogen với số lượng thay đổi tùy loại tế bào Thể trong suốt cóchức năng quan trọng như:

1 Là nơi thực hiện các phản ứng trao đổi chất của tế bào, sự biến đổi trạng thái vật

lý của thể trong suốt có thể ảnh hưởng đến hoạt động của tế bào

2 Nơi thực hiện một số quá trình điều hòa hoạt động các chất

3 Nơi chứa các vật liệu dùng cho các phản ứng tổng hợp các đại phân tử sinh họcnhư các gluxit, lipid, glycogen

Khái niệm bào quan: Bào quan là cấu trúc siêu vi định khu tại từng vùng riêng biệt

trong tế bào chất và thực hiện một chức năng xác định

Bảng sau thể hiện các loại bào quan có mặt trong tế bào

Bảng 1: Các bào quan của tế bào

các enzym thực hiện chức năng quang hợp

Quang hợp

Lưới nội chất trơn Hệ thống màng nội bào

Lưới nội chất hạt Hệ thống màng nội bào

Đóng gói và xuất xưởng các sản phẩm protein, glicoprotein

Lyzoxom Màng đơn, chứa enzym Tiêu hóa nội bào

phức tạp, đường kính khoảng 25nm

Tổng hợp protein

hình trụ, gồm hai trung tử xếp vuông góc với nhau

Phân bào

Tuy nhiên, tất các bào quan trên không phải là cấu trúc bắt buộc ở tất cả tếbào sinh vật Sự có mặt của các bào quan khác nhau ở loại tế bào và mức độ tiếnhóa của sinh vật Điều này được thể hiện rõ trong hình vẽ

Hình 1: Tế bào prokaryote Hình 2: Tế bào động vật

Hình 3: Tế bào thực vật

II Một số bào quan

Ti thể và lục lạp là loại bào quan có màng kép và có vai trò quan trọng đốivới tế bào vì chúng là nhà máy chuyển hóa năng lượng của tế bào sinh vật nhânchuẩn Vì vậy, tiểu luận chỉ đề cập đến hai loại bào quan trên

2.1 Ti thể

2.1.1 Sự phân bố, hình dạng, kích thước

Dưới kính hiển vi thường, ti thể là những thể nhỏ có hình dạng khác nhau:hình que, hình cầu, hay hình sợi Ti thể hình cầu có đường kính khoảng 0,5 - 5µm,hình que có đường kính khoảng 0,2µm dài có khi đến khoảng 10µm Để quan sátđược ti thể thường phải nhuộm ti thể bởi Janus, hematoxylin, fucshin acid

Ti thể là bào quan thực hiện chức năng hô hấp trong tế bào nhân thực hiếukhí Ti thể có nhiều trong các tế bào tích cực chuyển hóa năng lượng, như tế bàogan, tế bào cơ, tế bào lông hút Trong tế bào gan động vật có khoảng 1000-1500 tithể

2.1.2 Cấu trúc

Hình 4: Vị trí, hình thái cấu trúc của ti thể trong tế bào

Ti thể có cấu tạo màng kép, gồm màng ngoài và màng trong có bản chất làmàng lipoprotein bao lấy khối chất nền bên trong, giữa hai màng là khoảng khônggian giữa hai màng

Màng ngoài: cũng có cấu tạo như màng sinh chất, có tỉ lệ P/L bằng hoặc lớn

hơn 1 Màng ngoài có chứa tỉ lệ cholesterol thấp (bằng 1/6 so với tế bào hồng cầu),

có tỉ lệ photphattidyl cholin cao gấp hai lần so với màng tế bào Màng ngoài cónhiệm vụ tiếp thu phần lớn protein ti thể sản xuất từ tế bào chất để xây dựng ti thể

và kiến tạo màng Đặc biệt, màng ngoài của ti thể có chứa các phức hệ protein làmnhiệm vụ vận chuyển đặc hiệu protein từ tế bào chất vào ti thể Khi ở bào tương,các protein mang mang 1 chuỗi axit amin ở đầu -N của sợi protein làm tín hiệu dẫnđường Sợi protein này hoặc nhờ tín hiệu dẫn trực tiếp đến màng ti thể trong hoặcngoài để tích hợp vào màng lipit kép hoặc đi vào khoảng gian màng hoặc trong lòng

ti thể; hoặc vẫn nhờ tín hiệu dẫn đường nhưng phải qua ổ thu nhận (receptor) đặchiệu trên màng ti thể ngoài Khi tín hiệu dẫn đường đã xong việc, nó sẽ tách khỏiprotein bằng phản ứng thủy phân

Hình 5: Sự vận chuyển protein từ tế bào chất vào ti thể Khoảng gian màng: xen kẽ giữa hai màng, môi trường gian màng cũng

tương tụ và cân bằng với bào tương (khoảng gian màng chứa cytochrom b2,cytochrom peroxydase, các enzym sử dụng ATP từ lòng ti thể đi ra để photphorylhóa các nucleotid nhưng không phải adenin)

Màng ti thể trong: màng ti thể trong trừ một số trường hợp nhỏ thành hình

ống xòe kín lòng ti thể còn lại hầu hết các trường hợp màng trong gấp nếp xen vàotrong lòng ti thể, các nếp gấp đó được gọi là các mào, do đó làm tăng diện tích tiếpxúc của màng trong lên khoảng 3 lần so với màng ngoài Sự tăng số lượng mào thểhiện mức độ tiến hóa của ti thể và nó cũng tỉ lệ thuận với cường độ chuyển hóanăng lượng trong tế bào Ví dụ: tế bào cơ tim hoạt động nhiều đòi hỏi phải tiêu phí

nhiều ATP nên có số lượng mào lớn gấp 3 lần so với ti thể của tế bào gan là tế bàotiêu thụ năng lượng ít hơn

Hình 6: Cấu trúc hiển vi ti thể

Màng trong có cấu tạo giống màng sinh chất nhưng tỉ lệ P/L (khoảng bằng 3)rất cao so với màng ngoài, tỉ lệ cholesterol thấp Trên màng trong chứa mộtphotpholipit gọi là cariolipid với khả năng chặn ion H+ lại Protein màng trong có 3nhóm

+ nhóm vận tải các chất đặc hiệu, chuyển hóa qua lại màng trong

+ Phức hợp enzym ATP synthetase để tổng hợp ATP

+ Nhóm thực hiện các phản ứng oxi hóa khử của chuỗi hô hấp

Màng trong là màng thể hiện chức năng chính của ti thể của ti thể Cơ chếchung của sự phosphoryl hoá oxy hoá ở ti thể của tất cả cơ thể sinh vật là các điện

tử được giải phóng ra trong các giai đoạn oxy hoá của sự đường phân (glycolysis)

và của chu trình tricarbocylic đã sản sinh 10 phân tử NADH và 2 phân tử FADH2nếu cơ chất ban đầu là glucozo Các coenzym khử này tiếp theo bị oxy hoá bằngchuỗi truyền điện tử trên màng ti thể

Hình 7: Chuỗi vận chuyển điện tử trong màng trong ti thể

Năng lượng tự do được giải phóng trong quá trình truyền điện tử trên màng tithể sẽ được đi kèm với sự di chuyển của các proton (H+) vượt qua lớp màng trongcủa ti thể tạo một gradient điện hoá proton (ΔH+) Năng lượng tự do được giảiH+) Năng lượng tự do được giảiphóng bằng cách di chuyển các proton trở lại vào màng trong qua kênh proton F0của phức hệ enzym ATP synthtaza được xúc tác tại thành phần F1 của phức hệenzym để biến đổi ADP và Pi thành ATP chuyển vào chất nền của ti thể

Người ta cho rằng có bốn phức hệ vận chuyển điện tử Phức hệ I là (NADH

và ubiquinon) đi qua chặng FMN Và phức hệ II là (succinate - ubiquinonreductase) đi qua chặng FAD Phức hệ vận chuyển điện tử III là từ Ubiquinol đếnCytochrom C qua Cytochrom reductase chứa các trung tâm Cytochrom - b, cácprotein chứa sắt- lưu huỳnh (2Fe-2S) và cytochrom C1 Phức hệ IV là sự vậnchuyển điện tử từ Cytochrom c- (dạng tích điện âm hay gọi là Cytochrom oxydase)đến O2 của không khí

Chất nền (matrix): là một vùng vật chất không định hình (amorphous)chứa nhiều

cấu trúc đặc biệt và hàng trăm loại enzym tham gia tổng hợp ATP, tham gia vào

phản ứng oxi hóa pyruvat và các axit béo, enzym của chu trình Krebs DNA ti thể:

Trong chất nền của ti thể có chứa nhiều các phân tử DNA DNA ti thể đượcphát hiện lần đầu tiên vào năm 1963 bởi Nass khi nghiên cứu cấu trúc phôi gà.DNA ti thể là sợi xoắn kép có cấu trúc vòng, dài khoảng 5µm, DNA ti thể của nấm

men có thể đạt tới kích thước 26µm Trong tế bào, DNA ti thể chiếm 1-5% DNAcủa tế bào Ví dụ: trong tế bào gan người, số phân tử DNA ti thể là 5 Các DNA tithể thường nằm trong chất nền, định khu cạnh các mào, DNA tự tái bản theonguyên tắc bổ sung và nguyên tắc bán bảo toàn nhờ hệ enzym polimeraza có mặttrong ti thể, xảy ra ở gian kì của tế bào DNA ti thể có dạng vòng, không kiên kếtvới protein histon- tương tự như DNA của vi khuẩn DNA ti thể quy định tính ditruyền tế bào chất - hay di truyền theo dòng mẹ Những đột biến xảy ra trong DNA

ti thể gây nhiều dạng bệnh tật nhất là đối với hệ thần kinh và hệ cơ Tần số sai lệchtrong DNA ti thể cũng tăng theo tuổi già Bộ gen của ti thể có hai chức năng chủyếu:

+ mã hóa một số protein tham gia vào chuỗi vận chuyển điện tử

+ Mã hóa cho hệ thống sinh tổng hợp protein gồm một số protein

Trình tự nucleotide của phân tử DNA ti thể ở một số sinh vật đã được xácđịnh Kết quả này giúp chúng ta hiểu rõ hơn cấu trúc và trật tự sắp xếp các gen trênphân tử DNA của bào quan Ở động vật có xương sống, DNA ti thể có kích thướcnhỏ gồm các gen khôngcó intron và hầu như không có khoảng trống giữa các gen

Ví dụ, DNA ti thể của người gồm 16.659 bp tương ứng với 37 gen, trong đó 22 gen

mã cho các phân tử RNAt, 13 gen mã cho các polypeptide liên quan đến phản ứngoxy hoá khử Ở nấm men, DNA ti thể có kích thước lớn hơn so với động vật(78.000 bp) do một số gen có intron và khoảng cách giữa các gen khá lớn DNA tithể nấm men có ít nhất 33 gen, trong số này có 2 gen mã cho RNAr, 23 gen mã choRNAt, 1 gen mã cho protein ribosome và 7 gen mã cho polypeptide tham gia phảnứng oxy hoá khử Đặc biệt, DNA ti thể của thực vật có kích thước lớn nhất và cấutrúc phức tạp đa dạng nhất Trình DNA ti thể của Marchantia polymorpha, thực vậtnguyên thuỷ không có hệ mao dẫn, đã được xác định hoàn toàn Đây là phân tửmạch vòng có kích thuớc 186 kb tương ứng với 94 khung đọc mở (ORFs) Trong số

94 ORFs này, thực nghiệm mới xác định được một số gen mà số lượng intron củamột gen lên đến 32 Đối với thực vật có hệ mạch, DNA ti thể còn lớn hơn nhiều Ví

dụ, ở ngô hay dưa hấu, DNA ti thể tương ứng với 570 kb và 300 kb Ở các loài thựcvật bậc cao, các gen có thể phân bố ở vị trí khác nhau trên phân tử DNA ti thể mặc

dù sản phẩm của gen có cùng một chức năng trong tế bào

RNA ti thể: người ta đã tìm thấy trogn ti thể có các dạng RNA như RNAr,

RNAt, RNAm Riboxom của ti thể có kích thước nhỏ vào khoảng 60S gồm hai tiểuphần 30S và 45S gần giống với riboxom vi khuẩn

Sự tổng hợp protein ti thể: ti thể có khả năng tự tổng hợp một số protein

cho mình Sự tổng hợp protein cũng diễn ra trên riboxom theo cơ chế di truyềnchung, nhưng axit amin khởi đầu của quá trình tổng hợp protein giống như ở vi

khuẩn là N-focmyl methionin, chứ không phải methionin Một lượng lớn proteincủa ti thể được tổng hợp từ lưới nội chất có hạt trong tế bào chất theo mã di truyềnnằm trong NST, sau đó vận chuyển vào trong ti thể.

Hình 8: Mối liên hệ di truyền giữa nhân, ti thể và lục lạp

Ti thể cũng tương tự như vi khuẩn, quá trình sinh tổng hợp protein cũng bị ức

chế bởi chloramphenicol Trái lại, quá trình này ở ti thể lại không bị ức chế khi có mặt cycloheximind là chất gây ức chế mạnh quá trình sinh tổng hợp protein ở tế bào

chất

2.1.3 Chức năng của ti thể

Ti thể là bào quan có chức năng quan trọng trong tế bào sinh vật

Ti thể là nhà máy sản sinh ATP: Ti thể có vai trò rất quan trong trong hô hấp

hiếu khí hay hô hấp có sự có mặt của oxi , ti thể sẽ chuyển hóa năng lượng dạng thếnăng có trong cấc liên kết hóa học của chất dinh dưỡng thành năng lượng chứatrong các phân tử ATP

Hình 9: Các giai đoạn chính của quá trình hô hấp tế bào

Ti thể tham gia vào quá trình trao đổi chất: Ti thể tham gia vào quá trình trao

đổi chất bằng cách phối hợp với các bào quan khác để tổng hợp các sản phẩm như:các hoocmon, các photpholipit, cholesterol, các axitamin Ngoài ra, ti thể còn thamgia vào các quá trình điều hòa nồng độ ion canxi trong tế bào

Ti thể tham gia vào quá trình tự chết của tế bào: bằng cách giải phóng ra

khỏi tế bào chất các nhân tố (ion Ca2+, cytochrom C) có tác dụng hoạt hóa cácenzym caspatza, endonucletaza gây tự chết theo chương trình tế bào (apoptosis)

Trong chất nền của ti thể có đủ các dạng RNA và riboxim nên ti thể có khả

năng tự tổng hợp được một số protein riêng cho ti thể

2.1.4 Sự phát sinh ti thể

Hình 10: Sự phân chia của ti thể

Ti thể là bào quan có hệ di truyền tự lập và hệ tự tổng hợp chất Trong ti thể

có chứa các DNA và các dạng RNA (mRNA, tRNA, rRNA) Mỗi ti thể chứakhoảng 5 - 10 phân tử DNA trong chất nền DNA của ti thể cũng có cấu trúc sợi

xoắn kép theo mô hình Watson- Crick và giống DNA của vi khuẩn (DNA dạng trầnkhông có histon và có cấu tạo vòng) DNA ti thể chứa hệ gen mã hoá cho khoảng 13protein của riêng ti thể DNA ti thể là cơ sở của nhân tố di truyền ngoài nhân (ngoàithể nhiễm sắc).

Các dạng mRNA, tRNA, rRNA trong ti thể đều được phiên mã từ DNA ti thể

và chúng là cơ sở để ti thể có thể tự tổng hợp lấy một số protein của mình (còn đa

số các protein khác của ti thể đều được tế bào chất cung cấp) Vì ti thể có hệ ditruyền độc lập nên ti thể có khả năng tự sinh sản bằng các phân đôi ti thể mẹ để sinh

ra các ti thể con Thời gian nửa sống của ti thể (thời gian đủ để đổi mới một nửa sốlượng ti thể trong tế bào) là khoảng 10 ngày Vì rằng DNA ti thể giống với DNA vikhuẩn và riboxom của ti thể giống riboxom của vi khuẩn về kích thước và thànhphần rRNA cũng như có sự giống nhau về cơ chế tổng hợp protein giữa ti thể và vikhuẩn nên các nhà tế bào học cho rằng ti thể là kết quả của sự cộng sinh của dạng vikhuẩn hiếu khí trong tế bào trong quá trình tiến hoá sơ khai của tế bào Eucaryote

2.2 Lục lạp

Lục lạp là bào quan chỉ có ở tảo và thực vật, có vai trò quan trọng trong sựchuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng ở dạng thế năng trong các hợpchất hữu cơ

Về hình dạng, kích thước và sự phân bố của lục lạp trong các tế bào khácnhau, ở loài cây khác nhau thì khác nhau, nhưng trong cùng một mô thì chúngtương đối ổn định Ở lá của thực vật bậc cao tế bào chứa một lượng lớn lục lạp códạng hình cầu, hình trứng hoặc hình đĩa Tế bào tảo thường chỉ có một lục lạp lớn

có dạng hình lưới, hình dải xoắn hoặc hình sao dẹp

Hình 11: Một số dạng lục lạp (A) ở tảo Spirogyra, (B) Zygnema, (C)

Oedogonium

Số lượng lục lạp trong tế bào của các mô khác nhau là khác nhau, nhưngtrong một chừng mực nào đó số lượng lục lạp đặc trưng cho loài Nếu như số lượngthiếu thì lục lạp sẽ phân chia để tăng thêm số lượng và nếu thừa thì một số lục lạp sẽthoái hoá đi Ở thực vật bậc cao tế bào lá thường chứa 20-40 lục lạp và rất ít gặp

một loại tế bào có chứa một hoặc hai lục lạp Tế bào giao tử Anthoceros và tế bào

mô phân sinh Selaginella chỉ chứa có một lục lạp Kích thước lục lạp ở các tế bàokhác nhau, ở các loài khác nhau cũng thay đổi khá lớn Ở thực vật bậc cao chúngthường có đường kính trung bình 2 –4 μm Thường thì trong tế bào cùng loài, lụcm Thường thì trong tế bào cùng loài, lụclạp có kích thước không đổi nhưng lại có sự sai khác về giới tính và di truyền Ví

dụ, trong các tế bào đa bội lục lạp có kích thước lớn hơn so với tế bào đơn bội cùngloài Thường thì những cây mọc ở chỗ bóng dâm lục lạp lớn hơn và chứa nhiềuchlorophyll hơn so với cây được ánh sáng chiếu thường xuyên Lục lạp phân bốtrong tế bào chất có khi rất đồng đều, nhưng thường tập trung ở phần gần nhân hoặcngoại biên gần thành tế bào Đặc tính phân bố của lục lạp trong tế bào thường phụthuộc vào điều kiện ngoại cảnh, ví dụ cường độ chiếu sáng Người ta tính ra rằng ở

lá cây Ricinus communis cứ trên mỗi 1 mm2 có khoảng 400.000 lục lạp Trong tếbào, lục lạp có thể chuyển chỗ hoặc thay đổi hình dạng do ảnh hưởng của dòng chảy

tế bào chất hoặc có thể tích cực chuyển vận theo amip hoặc theo kiểu co rút tuỳthuộc và cường độ chiếu sáng

2.2.1Thành phần hóa học

Ngày nay, nhờ các phương pháp nghiên cứu sinh lí sinh hóa người ta đã biết

rõ thành phần hóa học của lục lạp, bảng chỉ rõ thành phần hóa học của lục lạp ởthực vật bậc cao

Bảng 2: Thành phần hóa học của lục lạp Chất Hàm lượng % khối lượng chất khô Các chất cầu thành

Lipit

20-30

Mỡ 50%, cholin 46%, sterin 20%, inozitol22%, sáp 16%, glixerin 22%, photphatit 2-7%, etanolamin 8%

Gluxit Thay đổi Tinh bột, đường có photphat có chứa 3-7 nguyên tử CChlorophyl