Cấu trúc và vai trò của màng tế bào. Chu kỳ tế bào, các hình thức phân chia tế bào nhân thực, ý nghĩa sinh học và khả năng ứng dụng sự phân chia tế bào trong công nghệ sinh học
1 Tiểu luận chuyên đề Sinh học tế bào PHẦN 1. MỞ ĐẦU Mọi cơ thể sống đều có cấu tạo tế bào, tế bào là đơn vị tổ chức cơ bản của mọi sinh vật sống cả về cấu tạo, chức năng sinh lý và di truyền. Chỉ ở giai đoạn xuất hiện tế bào thì sự sống mới biểu hiện đầy đủ các đặc tính như trao đổi chất, sinh trưởng phát triển, sinh sản, cảm ứng và thích nghi với môi trường sống. Tất cả mọi hoạt động sống đều diễn ra trong tế bào dù là cơ thể đơn bào hay đa bào. Trong hệ thống màng sinh học thì màng sinh chất là loại màng xuất hiện đầu tiên, trong quá trình tiến hoá, từ loại màng này sẽ phân hoá vào khối tế bào chất để tạo nên hệ thống màng nội bào phức tạp trong đó có cả màng nhân. Màng sinh chất không phải là một hàng rào thụ động trong trao đổi chất giữa tế bào với môi trường mà nó có tính chọn lọc. Trong tế bào màng sinh chất giúp cho việc tổ chức và điều hòa quá trình sinh học ở các xoang riêng biệt như màng nhân, màng ty thể, màng lạp thể vv… Có thể khẳng định màng tế bào có cấu trúc rất tinh vi, phù hợp với chức năng của nó. Mặt khác những rối loạn các thành phần của màng tế bào cũng gây nên những bệnh nguy hiểm cho con người như: xơ vữa động mạch, nhồi máu cơ tim, suy gan, viêm tuỵ v.v có thể dẫn đến tàn tật hoặc thậm chí tử vong. Mặc dù có nhiều chức năng quan trọng và khả năng gây ra nhiều bệnh nguy hiểm như vậy nhưng hiện nay vẫn chưa có nhiều nghiên cứu sâu về tế bào nói chung, đặc biệt là màng tế bào nói riêng. Do đó đang đặt ra cần phải có những nghiên cứu sâu hơn nữa về màng tế bào. Ngoài ra, khi nghiên cứu về tế bào thì chu kỳ tế bào, các hình thức phân chia tế bào nhân thực, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân chia cũng như khả năng ứng dụng sự phân chia tế bào trong công nghệ sinh học cũng là một vấn đề đang được các nhà tế bào học quan tâm. Xuất phát từ những lý do trên, em tiến hành nghiên cứu tiểu luận: “Cấu trúc và vai trò của màng tế bào. Chu kỳ tế bào, các hình thức phân chia tế bào nhân thực, ý nghĩa sinh học và khả năng ứng dụng sự phân chia tế bào trong công nghệ sinh học”. 1 Tiểu luận chuyên đề Sinh học tế bào PHẦN 2. NỘI DUNG A. MÀNG TẾ BÀO, SỰ PHÂN HÓA ĐA DẠNG CỦA HỆ THỐNG MÀNG TẾ BÀO, NHỮNG ĐẶC TÍNH VÀ VAI TRÒ CỦA MÀNG TRONG ĐỜI SỐNG TẾ BÀO. NHỮNG THÀNH TỰU NGHIÊN CỨU BỆNH LÝ TẾ BÀO 1. Màng tế bào (Cell membrane) Gồm có 2 thành phần là màng bảo vệ (vỏ, vách tế bào) và màng sinh chất (màng plasma) Hình 1.1. Màng tế bào dưới kính hiển vi điện tử 1.1. Màng bảo vệ (có thể có hoặc không có đối với mỗi tế bào) 1.1.1. Màng bảo vệ của tế bào động vật: Một số tế bào động vật có một lớp dày che phủ phía ngoài màng sinh chất. Lớp này làm bằng các sản phẩm tiết đặc biệt của tế bào, thường là các chất nhầy hoặc các kitin có thấm muối canxi như một số đơn bào có vỏ hoặc tế bào vỏ của tiết túc. Hình 1.2. Vỏ tế bào động vật 1 Tiểu luận chuyên đề Sinh học tế bào 1.1.2. Màng bảo vệ của tế bào thực vật (cell wall): Tế bào thực vật ngoài lớp màng sinh chất còn có thêm màng bảo vệ làm bằng các chất khác nhau chủ yếu là cenlulose, hemicenlulose và các pectin. Các loại tế bào chuyên hoá đặc biệt có màmg bảo vệ chứa thêm lignin, các chất sáp, và các chất khoáng có gốc canxi cacbonat hay silic. màng này phát triển mạnh ở các mô nâng đỡ và yếu ở các mô phân sinh 1.1.3. Màng bảo vệ của tế bào vi khuẩn: Tế bào vi khuẩn được bao bọc xung quanh bởi nhiều lớp màng. Ngoài cùng là lớp vỏ nhầy (capsule) hoặc lớp dịch nhày, dưới lớp này là thành tế bào (cell wall) và bên trong thành tế bào là màng tế bào chất (cytoplasmic membrane) hay gọi là màng nguyên sinh chất (protoplasmic membrane) Thành tế bào vi khuẩn có kích thước khác nhau tuỳ loại. Nói chung vi khuẩn Gram dương có thành tế bào dày hơn, khoảng 14-18nm, có khả năng giữ thuốc nhuộm, trọng lượng thành tế bào có thể chiếm tới 10-20% trọng lượng khô của tế bào. Vi khuẩn Gram âm có thành tế bào mỏng hơn nhưng phức tạp hơn, khoảng 10nm, không có khả năng giữ thuốc nhuộm. Thành phần hoá học của thành tế bào vi khuẩn gồm có các glycopeptit như: mucopeptit, peptidoglycan, glycozaminopeptit, murein ., và polysaccarid, một số là amino acid như glixin, axit D-asparaginic, D-serin 1 Tiểu luận chuyên đề Sinh học tế bào Hình 1.3. Màng tế bào của vi khuẩn Gram dương và Gram âm 1.2. Màng sinh chất (plasma membrane) Là màng có ở mọi tế bào. Màng tế bào còn gọi là màng plasma, màng lipoprotein hay màng sinh chất. Hình hiển vi điện tử cho thấy màng tế bào là một màng mỏng, khoảng 100 A 0 gồm hai lớp xẫm song song kẹp ở giữa là một lớp nhạt. Mỗi lớp dày khoảng từ 25 A 0 đến 30 A 0 . Lớp nhạt là lớp phân tử kép lipit còn hai lớp xẫm là do đầu của các phân tử protein lồi ra khỏi lớp phân tử kép lipit tạo nên. 1 Tiểu luận chuyên đề Sinh học tế bào Hình 1.4. Sơ đồ một mảnh màng lipoprotein của tế bào 1.2.1. Thành phần sinh hoá a. Lipit Hàm lượng lipit trong cấu trúc màng chiếm khoảng 50%. Có 10 loại lipit chủ yếu trong màng tế bào là: cholesterol, glycolipid, sphingomyelin, photphatidylcholine, photphatidylethanolamine, photphatidylinositol, photphatidylserine, photphatidylglycerol, diphotphatiylglycerol, photphattidic acid. Mỗi loại bào quan có tỷ lệ lipit đặc trưng riêng. b. Phospholipid Là loại protein chủ yếu cấu trúc nên màng, chiếm khoảng 55 - 57%. Phospholipid là những phân tử lipid mà trong phân tử có một nhóm axit béo được thay bằng axit phosphoric. CH 2 − COO − phosphat CH − COO - axit béo CH 2 − COO − axit béo c. . Cholesterol Là một loại lipid quan trọng của màng. Phân tử cholesterol có một nhóm phân cực và nhân là steroid. Hình 1.5: Cấu trúc phân tử Phospholipid Hình 1.6: Công thức cấu tạo và mô hình phân tử Cholesterol 1 Tiểu luận chuyên đề Sinh học tế bào - Phân tử cholesterol xếp xen kẽ vào giữa các phân tử phospholipid. Nhân steroid xếp xen kẽ vào các mạch kỵ nước của phân tử phospholipid. - Ở màng sinh chất của Eukaryota, thường có tỉ lệ phospholipid và cholesterol xấp xỉ nhau. Nếu có sự thay đổi tỷ lệ này trong màng sẽ làm thay đổi tính linh động của màng. - Cholesterol có vai trò cố định cơ học cho màng, gây bất động cho các mạch cacbon của lớp phân tử phospholipid. Cholesterol ngăn không cho các hydratcacbon liên kết chặt lại với nhau và là thành phần của nhiều loại hormon. - Cholesterol chiếm từ 25 đến 30% thành phần lipid màng tế bào và màng tế bào là loại màng sinh chất có tỉ lệ cholesterol cao nhất, màng tế bào gan có tỉ lệ cholesterol còn cao hơn: 40% lipit toàn phần. Thành phần còn lại của lipit màng là glycolipid (khoảng 18%) và axit béo kỵ nước (khoảng 2%) [1], [4], [7], [8]. Hình 1.7: Cholesterol trong lớp lipid kép 1 Tiểu luận chuyên đề Sinh học tế bào d. Protein Màng lipit đảm nhiệm phần cấu trúc cơ bản còn các chức năng đặc hiệu của màng thì phần lớn do các phân tử protein màng đảm nhiệm. Cho đến nay người ta đã phát hiện trên 50 loại protein màng (cùng có trên một màng plasma duy nhất). Tỷ lệ P/L (protein/lipit) xấp xỉ bằng 1 ở màng tế bào hồng cầu. Một số tế bào đặc biệt thì tỉ lệ này cao hơn như P/L của màng tế bào gan =1,4; P/L của màng tế bào ruột = 4,6. Căn cứ vào tính cách liên kết với màng lipit, người ta chia protein màng ra làm hai loại: protein xuyên màng và protein ngoại vi * Protein xuyên màng Gọi là protein xuyên màng vì phân tử protein có một phần nằm xuyên suốt màng lipit và hai đầu của protein thò ra hai phía của màng. Protein xuyên màng có các loại sau: - Glycophorin: một loại protein xuyên màng một lần trong màng hồng cầu, có 131 acid amin, có phần kỵ nước xuyên màng ngắn, chuỗi polypeptit 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 oligosaccarit này tạo thành phần lớn các cacbohydrat của bề mặt tế bào. [1], [4], [8]. - Protein Band3 xuyên màng: Loại này được nghiên cứu đầu tiên ở màng hồng cầu Đó là một phân tử prôtêin dài, phần kỵ nước xuyên trong màng rất dài, lộn vào lộn ra tới 6 lần. Phần thò ra trên bề mặt ngoài màng tế bào cũng liên kết với các oligosaccarit. Phần xuyên màng phụ trách vận chuyển một số anion qua màng. Phần thò vào bào tương gồm hai vùng: vùng gắn với Ankyrin - một trong các loại protein thành viên của hệ lưới protein lát trong màng, và vùng gắn với các enzyme phân ly glucoza và gắn với hemoglobin. Với vai trò vận chuyển anion, Band3 như là 1 Tiểu luận chuyên đề Sinh học tế bào một phân tử độc lập. Khi gắn với Ankyrin để níu hệ lưới protein vào màng lipit thì Band3 như là có đuôi [8]. Hình 1.8: Một số loại prôtêin xuyên màng 1. Protein xuyên màng một lần (helix) với 2 đầu ở hai phía của màng (bitopic). 2. Protein xuyên màng nhiều lần (helical) với 2 đầu ở hai phía của màng (polytopic). 3. Protein xuyên màng nhiều lần với 2 đầu ở một phía của màng (barrel) * Protein ngoại vi Loại này chiếm khoảng 30% thành phần protein màng. Gặp ở mặt ngoài hoặc mặt trong tế bào. Chúng liên kết với đầu thò ra hai bên màng của các protein xuyên màng. Kiểu liên kết được gọi là hấp phụ, không phải là liên kết đồng hoá trị mà bằng lực tĩnh điện hay bằng các liên kết kỵ nước. Protein rìa màng ngoài thường liên kết với gluxit tạo thành glicoprotein. Protein rìa màng trong thường liên kết với các protein tế bào chất như ankyrin và qua ankyrin liên hệ với hệ vi ống, vi sợi tạo thành hệ thống neo màng và điều chỉnh hình dạng tế bào [4]. Nhiều protêin ngoại vi khác cũng đã được phát hiện ở phía ngoài màng, chúng tham gia cùng các oligosaccarit có mặt trong lớp áo tế bào hoặc dưới lớp áo tế bào, đóng các vai trò khác nhau. 1 Tiểu luận chuyên đề Sinh học tế bào Như trên đã nói, fibronectin là một protein ngoại vi bám ở mặt ngoài màng tế bào, protein này gặp hầu hết ở tế bào động vật từ san hô cho đến người, ở các tế bào sợi, tế bào cơ trơn, tế bào nội mô . Nhờ fibronectin mà tế bào bám dính dễ dàng với cơ chất của nó [1]. e. Cacbonhydrat màng tế bào: Cacbonhydrat có mặt ở màng tế bào dưới dạng các oligosaccarit. Các oligosaccarit gắn vào hầu hết các đầu ưa nước của các protein màng thò ra bên ngoài màng tế bào. Đầu ưa nước của khoảng 1/10 các phân tử lipit màng (lớp phân tử ngoài) cũng liên kết với các oligosaccarrit. Sự liên kết với các oligosaccarrit được gọi là sự glycosyl hoá biến protein thành glycoprotein, lipit thành glycolipit. Các chuỗi carbohydrat thường rất quan trọng đối với sự gấp protein để tạo thành cấu trúc bậc ba và do đó làm cho protein được bền và có vị trí chính xác trong tế bào. Nói chung, chúng không có vai trò trong chức năng xúc tác của protein. Khi liên kết với mặt ngoài màng tế bào tại phần axit sialic của protein- phần axit này tích điện làm cho bề mặt glycoprotein của tế bào mang điện âm. Các phần tử glycoprotein đều mang điện âm nên đẩy nhau làm cho chúng không bị hoà nhập với nhau. Glycolipid cũng vậy, có phần carbohydrat quay ra phía ngoài tế bào cũng liên kết với một acid gọi là ganliosit cũng mang điện âm và góp phần cùng với các glycoprotein làm cho mặt ngoài của hầu hết tế bào động vật có điện tích âm [1], [8]. 1.2.2. Mô hình phân tử và tính linh động của màng [3] [5] [7] [ 9] Màng sinh chất là một loại màng mỏng, khoảng 7,5 – 10 nm, bao quanh tế bào chất, gồm hai lớp xẫm màu song song kẹp giữa một lớp nhạt. Lớp nhạt là lớp phân tử kép lipit còn hai lớp xẫm là đầu của các phân tử protein lồi ra khỏi lớp kép lipit tạo thành. 1 Tiểu luận chuyên đề Sinh học tế bào Hình 1.9. Mô hình “khảm động” của một mảnh màng Sự sắp sếp của các phân tử lipit: Các phân tử lipit xếp thành hai lớp ép sát nhau nên được gọi là lớp phân tử kép lipit với đầu kỵ nước quay ra ngoài, quay ra phía ngoài hoặc vào trong tế bào và đầu kỵ nước quay vào giữa, nơi tiếp giáp của hai lớp phân tử lipit. Tính chất kỵ nước này làm cho các phân tử lipit luôn có xu hướng kết dính lại với nhau để đầu kỵ nước khỏi tiêp xúc với nước, nhờ có tính chất này mà màng có khả năng tự động khép kín và tái hợp nhanh. Các loại photpholipit xếp xen kẽ nhau, từng phân tử có thể tự quay quanh trục của mình và đổi chỗ cho các phân tử trong cùng lớp, sự đổi chỗ giữa các phân tử của hai lớp rất hiếm xảy ra. Sự vận động đổi chỗ thường xuyên của các phân tử photpholipit đã tạo nên tính lỏng linh động của màng. Trong khung lipit của màng tế bào Eukaryota còn có các phân tử cholesterol sắp xếp xen kẽ giữa các phân tử photpholipit tạo thêm tính ổn định của khung, tỷ lệ photpholipit/cholesterol càng cao thì tính linh động của màng càng giảm [2] [3] [7]. Sự sắp xếp của các phân tử protein màng: Lớp kép lipit là phần cơ bản của màng sinh chất, tạo thành giá đỡ cho các phân tử protein xuyên màng, các phân tử loại này có phần kỵ nước nằm xuyên [...]... 1.5 Chức năng chung của màng tế bào: - Bao bọc tế bào, là ranh giới giữa tế bào với môi trường ngoài - Truyền đạt thông tin bằng các tín hiệu hoá học và vật lý học - Xử lý thông tin: + Nhân diện: nhận diện tế bào quen , lạ , kẻ thù + Kích thích hoặc ức chế tiếp xúc giữa các tế bào, giữa tế bào với cơ chất - Làm giá thể cho các enzyme xúc tác các phản ứng sinh học các loại trên màng, cố định các chất... soát bởi các tác nhân bên trong và bên ngoài tế bào 1 Tiểu luận chuyên đề Sinh học tế bào Sự kiểm soát tính linh hoạt của màng còn phụ thuộc hệ vi sợi, vi ống nằm sát màng sinh chất và liên kết với màng sinh chất qua các protein rìa trong màng [4] b Tính thấm chọn lọc: Nhờ tính thấm chọn lọc mà màng sinh học cho phép vài chất ra hay vào tế bào dễ dàng hơn những chất khác và cản sự ra vào của một số... bảo độ liên kết và trao đổi giữa các tế bào cạnh nhau thì 1 Tiểu luận chuyên đề Sinh học tế bào màng sinh chất và thành tế bào có những biến đổi để hình thành các cầu nối sinh chất Nhờ các cầu nối này mà các tế bào có thể trao đổi chất trực tiếp với nhau 2.2 Tăng cường hấp thụ và chế tiết [2] [3] [4] [5] Trên bề mặt tế bào, có những cấu trúc chuyên biệt của màng để đảm nhiệm các chức năng khác nhau... và chính xác hơn 1 Tiểu luận chuyên đề Sinh học tế bào Hình 2.1 Bao myelin ở tế bào thần kinh 2.5 Sự phân hoá của màng sinh chất tạo các cấu trúc chuyên biệt khác [1] [4] Màng sinh chất của một số vi khuẩn và nguyên sinh động vật còn phân hoá để tạo nên các cấu trúc đặc biệt khác như roi, nhung mao, mesosome… ở tế bào vi khuẩn, màng sinh chất gấp nếp tạo thành một cấu trúc đặc biệt là mesosome Mesosome... do các túi của bộ Golgi cung cấp thông qua các túi tiết và các túi thải chất cặn bã 1 Tiểu luận chuyên đề Sinh học tế bào Thường xuyên màng tế bào bị thu nhỏ lại vì phải lõm vào để tạo nên các các túi tiết và túi thải Nói chung các túi này đều có cấu tạo màng giống như màng tế bào nên sự tiếp nhận và hoà nhập màng rất dễ dàng Ngoài ra các cuộc tìm địa chỉ và tiếp nhận đều có tín hiệu dẫn đường và phức... kết gian bào ở vùng nối kết gian bào có sự thay đổi về cấu tạo và hình dạng của màng, có sự tham gia của các protein liên kết và sự tạo thành phức hệ vi sợi trong tế bào chất Có ba loại nối kết gian bào: a Các cầu nối gian bào: Đó là các nối kết giữa hai tế bào cạnh nhau, ở đó hai màng sinh chất tiếp cận nhau đến nỗi không thể phân biệ được hai màng Các cầu nối được hình thành là do sự liên kết của protein... tàng nên việc chẩn đoán sớm mầm bệnh có ý nghĩa rất lớn, đặc biệt là các bệnh di truyền chưa có biện pháp chữa trị Ngày nay nhờ các kỹ thuật nuôi cấy tế bào, xét nghiệm sinh hoá và đặc biệt là các kỹ thuật sinh học phân tử mà người ta có thể nhận biết được các tác nhân gây bệnh và các biến đổi trong tế bào một cách nhanh chóng và chính xác Trong các bệnh lý của tế bào thì những bệnh liên quan đến tổn... dạng của màng sinh chất Màng sinh chất phân hóa về cấu trúc và biến dạng thành phức hệ cấu tạo thích nghi với các chức năng khác nhau Các dạng phân hóa gồm có: tăng cường sự liên hệ giữa các tế bào cạnh nhau, tăng cường hấp thụ, chế tiết, dẫn xuất vv… [ 2.1 Tăng cường mối liên kết giữa các tế bào cạnh nhau [2] [3] [4] [5] Ở cơ thể đa bào, hai tế bào cạnh nhau liên kết với nhau qua khoảng gian bào nhờ các. .. mao Nhờ các vi mao mà bề mặt ruột non tăng lên 600 lần với diện tích hấp thu rộng tới 500 m2 Mâm khía: đối với một số loại tế bào thì phần màng đáy lõm sâu vào bên trong khối tế bào chất tạo thành các ô ngăn cách nhau, trong các ô có chứa nhiều ty thể Cấu trúc mâm khía làm tăng diện tích bề mặt của màng, đáp ứng sự vận chuyển tích cực của các chất Cấu trúc này gặp ở tế bào biểu mô ống thận, tế bào tuyến... khác qua màng Có hai đặc tính về cấu trúc của màng giải thích tính thấm chọn lọc của màng sinh chất: + Các phân tử vô cực, kỵ nước hoà tan trong lipid qua màng dễ dàng hơn các chất hữu cực, ưa nước + Các protein xuyên màng cho phép sự di chuyển qua màng các chất thích nước khác nhau, theo những hướng và tốc độ khác nhau [1], [8] c Tính không cân xứng: + Tính không cân xứng của các màng sinh học: Do . ph n hoá a d ng c a m ng sinh ch t M ng sinh ch t ph n h a v c u tr c v bi n d ng th nh ph c h c u t o th ch nghi v i c c ch c n ng kh c nhau. C c d ng. ADN, khi nhi m s c th t ch đôi th c c mesosome c ng đ ng th i t ch đôi, ch ng xa d n nhau v k o theo ADN t ch xa nhau, h nh th nh v ch ng n ph n chia hai