🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Tế bào học - Thái Duy Ninh Ebooks Nhóm Zalo W A $ f f / É PGS.TS. THÁI DUY NINH T Ễ B À O H Ọ C (TÁI BẢN LẦN THỨ NHẤT, cố SỬA CHỬA VÀ Bổ SUNG) ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN A A NHÀ XUẤT BẢN ĐAI HOC sư PHAM MỤC LỤC Trang Lời nói đầu............................................................................................. 5 Chương I. Đại cương về tế bào................................................................ 7 I. Lược sử nghiên cứu tế bào.................................................................. 7 II. Cơ sở phân tử của sự sống................................................................. 8 Chương 2: Tế bào nhân sơ.................................................................... 43 I. Đại cương về 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 và năng lượng.............................................................57 V. Sinh sản của tế bào nhân sơ.............................................................57 VI. Ý nghĩa thực tiễn của tế bào nhân sơ............................................... 58 Chương 3: Tế bào nhân chuẩn.............................................................. 60 I. Đại cương tế bào nhân chuẩn.............................................................60 II. Màng sinh chất và chức năng............................................................62 III. Nhân của tế bào nhân chuẩn..........................................................114 IV. Tế bào chất của tế bào nhân chuẩn............................................... 123 V. Lục lạp và chức năng 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 3 Chương 5: Các phương pháp nghiên cứu tế bào..............................178 I. Kính hiển vi đối pha.......................................................................... 179 II. Kính hiển vi giao thoa.......................................................................182 III. Hiển vi trong nền 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 xạ...............................................................188 IX. Phương pháp li tâm......................................................................190 4 Lời nói đầu Sách Tê bào học được biên soạn theo chương trình môn Tế bào học của trường Đại học Sư phạm Hà Nội. Sách giới thiệu đầy đủ các hiểu biết cơ bản và hiện đại về tế bào học, đặc biệt các vấn đề về màng sinh chất. Sách dùng làm giáo trình cho các sinh viên trường Đại học sư phạm và trường Cao đẳng Sư phạm. Sách còn được dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các trường đại học, cao đẳng có học môn Sinh học. Sách gồm 5 chương: Chương 1. Đại cương về tế bào Chương 2. Tế bào nhân sơ Chương 3. Tế bào nhân chuẩn Chương 4. Sự phân chia tế bào Chương 5. Phương pháp nghiên cứu tế bào Tác giả chân thành cảm ơn các ý kiến đóng góp xây dựng của độc giả để sách xuất bản lần sau được hoàn chỉnh hơn. TÁC GIẢ Chương I ĐẠI CƯƠNG VỂ TẾ BÀO ■ I. LƯỢC SỬ NGHIÊN cứ u TỂ BÀO Khái niệm tê bào đầu tiên là do Robert Hooke cách đây khoảng 300 năm đặt tên cho các “hộp” con nhỏ cấu tạo nên nút bấc. Ngày nay, chúng ta coi các hộp đó là những bức thành xenlulozơ có nhiễm suberin của tê bào thực vật đã chết. Còn tê bào thì gồm các bức thành xenlulozơ đó cùng với các khôi sinh chất chứa ở trong đó (đôi với tế bào thực vật). Năm 1839, Purkinje (Tiệp) đưa khái niệm chất nguyên sinh là chất chứa bên trong tê bào. Rồi Slâyden (Đức), nhà Thực vật học cùng Svan, nhà Động vật học đưa ra nhiều khái niệm thuộc tế bào. Và từ đó vể sau vối nhiều thành tựu nghiên cứu, tri thức về tế bào ngày càng được bổ sung và hoàn chỉnh dần. Học thuyết tế bào ra đòi. Tê bào là đơn vị cơ bản của cơ thê sông. Năm 1855, Virchovv quan niệm tê bào mối được sinh ra do tế bào trưốc đó bị phân đôi. Ngày nav, chúng ta coi tế bào là đơn vị câu trúc và chức năng cơ bản của mọi cơ thê sống. Mỗi tê bào gồm một khôi sinh chất trong đó có màng, nhản và tế bào chất. Trong tế bào chất có nhiều cơ quan dưới tế bào gọi là cơ quan tử. Tất cả chúng đươc boc chung trong màng gần giông màng sinh chất. Muôn • • tìm hiểu tế bào, trước tiên chúng ta nghiên cứu các phần tử mà từ đó cấu tạo nên tê bào, và từ đó các hoạt động sông xảy ra. 7 II. c ơ sở PHÂN TỬ CỦA sự SỐNG Điều cơ bản mà mọi người đều biết là sự sống bắt nguồn từ vật chất không sống, chất vô cơ. Cho nên trước khi tìm hiểu sự sông, tìm hiểu sự tồn tại của tế bào phải xem xét các quy luật lí học và hoá học của vật chất vô cơ. • • • 1. Cấu tạo vật chất ■ ■ Vật chất bao gồm những đơn vị cực nhỏ gọi là nguyên tử cho dù vật chất tồn tại ở trạng thái khí, lỏng hay rắn. Hiện nay chúng ta biết được 105 nguyên tô" hoá học, trong đó có các nguyên tử nhỏ nhất - nguyên tử hiđro - cho đến các nguyên tử lốn nhất là uranium. Ngoài các nguyên tô" tự nhiên, con người còn chế tạo ra các nguyên tô" hoá học nhân tạo(1). Nguyên tử tự nhiên hay nhân tạo đều không trông thấy được bằng kính hiển vi. Nguyên tử được cấu tạo từ ba loại hạt cơ bản là electron tích điện âm, khôi lượng cực nhỏ; proton mang điện dương, khối lượng lớn hơn khôi lượng electron chừng 1835 lần, và các hạt nơtron không mang điện, cũng có khôi lượng xấp xỉ proton. Mô hình đơn giản về cấu tạo nguyên tử được thừa nhận rộng rãi hiện nay là: Nguyên tử có hình dạng một khối cầu. Tâm của nguyên tử là hạt nhân tích điện dương, vỏ nguyên tử gồm các eỉectron chuyên động quanh hạt nhân. Sô đơn vị điện tích âm của vỏ bằng sô đơn vị điện tích dương của hạt nhân. Nguyên tử trung hoà vể điện. Nguyên tử của các nguyên tố hoá học khác nhau thì khác nhau về kích thước, khôi lượng. 2. Vật chất cấu tạo từ nguyên tử Vật chất mà nguyên tử của nó có cùng một sô' proton trong hạt nhân, và do đó nó có cùng sô' electron chuyển động xung (1) Khoa học hiện nay đã tống hợp được đến nguyên tố thứ 112. 8 quanh gọi là nguyên tô hoá học. Các nguyên tô" khác nhau như vàng, bạc, đồng, nhôm... Đặc tính kì diệu của chất sông là không bao giờ chỉ có mặt một nguyên tô mà thôi. Chất sông có 96% khôi lượng khôi lượng của 4 nguyên tố: c, H. o, N; 3% là khối lượng 4 nguyên tô khác: Ca, p, K, s. Các nguyên tô như I, Fe, Na, Cl, Mg, Cu, Mn, Co, Zn,... và nhiều nguyên tô" khác nhau có khôi lượng vô cùng nhỏ trong chất sông (gọi là vi lượng) có trong phần còn lại. Sự sông thế hiện ở các moi quan hệ phức tạp nhất của các nguyên tô" thông thường và phô biến nói trên. 3. Các hợp chất hoá học Phần lốn các nguyên tô" nằm ở trong sinh chất đều ở dạng các hợp chất hoá học. Các hợp chất đó hình thành do hai hay nhiều nguyên tử khác nhau tạo nên. Phần tử nhỏ nhất của chất có thể tồn tại độc lập vẫn giữ nguyên các tính chất của chất đó gọi là phân tử. Hợp chất hoá học bao giờ cũng gồm hai hay nhiều nguyên tô" liên kết với nhau theo một tỉ lệ nhất định. Ví dụ, nước có hai nguyên tử hiđro và một nguyên tử oxi. Công thức hoá học của nưốc là H20. H20 chiếm một tỉ lệ lớn trong sinh chất. Trong xương chiếm 20%, trong não chiếm 85%. H20 chiếm 2/3 khôi lượng cơ thể. Ớ sữa, nước chiếm 95% khôi lượng. Trong sinh chất, nước thực hiện nhiều chức năng, là dung môi hoà tan được hầu hết các chất. HọO là môi trường thuận lợi đê cho phản ứng hoá học xảy ra. H20 hoà tan các cặn bã và thải chúng ra ngoài. H20 có khả năng thu hút nhiệt lớn mà thav đổi nhiệt rất ít. Hiện tượng đó là do hình thành liên kết hiđro giua các phân tử nùớc ở cạnh nhau và năng lượng phá võ liên kết hiđro tương đối nhỏ. Vì thế, nước giữ cho sinh chất tránh thay đổi nhiệt độ đột ngột. 9 Khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi, nước hấp thụ một lượng nhiệt lớn; khả năng đó giúp cơ thế tránh được sự thừa nhiệt bằng con đường thoát hơi nước. Một ví dụ lí thú là: Một cầu thủ đá bóng nặng lOOkg, trong 90 phút đá bóng có 2kg mồ hôi bay đi. Nhiệt bay mồ hôi của nước là 574kcal/kg. Làm bay hơi 2kg mất một lượng nhiệt là 574 X 2 = 1.148kcal. Giả thiết rằng lúc đá bóng, mồ hôi của cầu thủ nói trên không bay đi thì nhiệt lượng sinh ra sau 90 phút đá bóng sẽ làm cho nhiệt độ cơ thể cầu thủ tăng thêm 11,5°C! Nước còn được coi như chất “dầu bôi trơn” không thể thay thế được khắp các bộ phận khác nhau của cơ thể. Khi xương này va chạm xương kia, cơ quan này cọ xát cơ quan khác nhờ có đệm nước mà tránh được xây xát. Sinh chất gồm có hai loại chất: vô cơ và hữu cơ. Các chất hữu cơ bao gồm các chất có chứa cacbon (trừ c o , C02, HCO3, CO3- ). Trên lớp electron hoá trị, nguyên tử của nguyên tô" c có 4 electron có khả năng tham gia liên kết với nhiêu nguyên tử của các nguyên tố khác nên cacbon có thể tạo thành nhiều hợp chất khác nhau hơn bất kì một nguyên tô" nào khác. 3.1. Các hợp chảt ỲÔ cơ Các chất vô cơ có mặt trong sinh chất là axit, bazơ và muôi. Trong sinh chất rất ít trường hợp có phản ứng quá axit hay quá kiểm. Hầu như chúng thường chứa hỗn hợp trung tính. Độ axit hay kiểm được đặc trưng bởi pH. Độ pH của sinh chất nói chung khoáng 7,0. Bất kể sự thay đổi pH nào của sinh chất đểu nguy hại cho sự sống. Khi pH xuôVig giá trị 6 , thì nồng độ H+ trong sinh chất lớn gấp 10 lần so vối lúc pH = 7. Còn muôi là sản phẩm tạo nên khi axit hoá hợp vối bazơ. Khi hoà tan trong nước, muôi phân li thành các ion. Dung dịch 10 chứa các ion đó là dung dịch chất điện li. Chất điện li có tính dẫn điện. Đường, rượu và nhiều chất hữu cơ khác khi hoà tan không phân li thành các ion nên dung dịch không dần điện. Chúng là chất không điện li. Nhiêu loại muôi khoáng có mặt trong sinh chất. Quan trọng nhất trong chất sông là các muôi khoáng có các cation như Na+, K \ Ca2+, Mg2+... ; còn các anion là các cr, HCO3 , P 0 ỉ“f so*-... Nồng độ muối trong chất lỏng cơ thể tuy thấp song có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động của tế bào. Trong điều kiện bình thưòng, hàm lượng muôi thường cô" định. Sự thay đổi đáng kể về nồng độ muôi sẽ gây phương hại đến hoạt động sông của cơ thể. Nồng độ các muôi trong sinh chất đều có tác dụng lên quá trình thẩm thấu của các chất giừa sinh chất và môi trường bao quanh nó. 3.2. Các hợp chất hữu cơ Các chất hữu cơ quan trọng thưòng gặp trong chất sống là gluxit, protein, lipit, axit nucleic và các chất steroit... Một sô"chất trong chúng có chức năng cung cấp năng lượng cần thiết cho hoạt động sông; một số chât tham gia điều chỉnh trao đổi chất của tê bào và một sô" loại tham gia đảm bảo cấu trúc toàn vẹn các bộ phận trong tế bào. Hàm lượng của chúng tương đương nhau giữa các cơ quan khác nhau, giữa các sinh vật khác nhau. Ví dụ, ở mô gan người củng như sinh chất amip có 80% nước, 12% protein, 2% axit nucleic, 5% lipit, 1% gluxit và vài %0 steroit cùng các chất khác. Dĩ nhiên trong các mô đặc biệt thì có ngoại lệ; ví dụ tê bào não chứa nhiều chât giông mỡ. a. Gluxit Đường, tinh bột, xenlulozơ đều thuộc nhóm gluxit. Trong các châ't đó c, H, o chứa theo tỉ lệ 1 : 2 : 1. Loại CGH120 6tức là 11 monosaccarit thuộc dạng gluxit đơn giản thường gặp. Trong sô chúng có glucozơ và fructozơ. Glucozơ có một lượng đáng kể trong cơ thể của động vật. Các loại gluxit khác mà động vật sử dụng đều biến thành glicogen(1) ở gan. Glucozơ là thành phần cấu tạo tuyệt đối cần thiết của máu. Hàm lượng trong máu và mô động vật là 0,1%. Tăng glucozơ trong cơ thể không gây nguy hại gi lớn; song nếu giảm hàm lượng glucozơ thì sẽ làm tăng kích thích của một số tê bào não làm chúng có phản ứng đốì với cả những kích động yếu ớt. Do vậy, dễ sinh ra co giật, mất trí và chết. G Iucozơ Frucozơ CHO I c h 2o h c h 2o h Glucozơ là nguồn năng lượng cho sự trao đổi chất của tê bào, kể cả tế bào não bộ. Nồng độ của glucozơ trong máu được điểu chỉnh bằng một cơ chế phức tạp có sự tham gia của hệ thần kinh, gan, tụy, tuyến yên, tuyến trên thận. Nhóm gluxit thứ hai thường gặp trong sinh chất là disaccarit có công thức C12H22On . Bản thân tên gọi cho thấy chúng được tạo thành từ hai phân tử monosaccarit tách một phân tử nước. Đường mía tạo thành từ sự kết hợp của một phân tử glucozơ và một phân tử fructozơ có mất một phân tử nước. (1) Glicogen là glucozơ ở dạng dự trữ. 12 Mantozơ là đường nha, được tạo nên do sự hợp lại của hai phân tử glucozơ có tách một phân tử nước. Đường lactozơ (gọi tắt là đường sữa) tạo thành từ một phân tử glucozơ kêt hợp vối một galactozơ cũng đồng thời tách một phân tử nưốc. Nó có trong sữa động vật có vú. Fructozơ có độ ngọt cao nhất trong các loại đường đơn. Còn saccarin là chất ngọt nhân tạo, ngọt hơn hàng trăm lần so với bất kì một loại đường nào. Loại đường Độ ngọt so với saccarozơ (%) Lactozơ 16,0 Galactozơ 31,1 Mantozơ 32,5 Glucozơ 74,3 Saccarozơ 100,0 Fructozơ 173,3 Saccarin 55000,0 Các gluxit có phân tử lượng lớn hơn là các polisaccarit. Trong sô' đó có tinh bột, xenlulozơ; phân tử của chúng cũng cấu tạo từ nhiều monosaccarit và loại bỏ các phân tử nước. Tinh bột có công thức là (CcHi0O5)n. Các loại tinh bột khác nhau về sô" gô"c n. Chúng là thành phần cơ bản của chất sông động và thực vật. “Tinh bột” của động vật có tên là glicogen. Khác biệt giữa nó với các tinh bột khác là phân tử của chúng phân nhánh và tan trong nước. Sở dĩ cây không tích luỹ dạng đơn giản như glucozơ và phải tích luỹ dạng phức tạp vì glucozơ rất dễ bị tan và khuếch tán khỏi tê bào. Còn phân tử tinh bột và glicogen thì ít hoà tan. Trong gan, glicogen dễ dàng chuyển thành glucozơ đê vận chuyển đến các cơ quan khác thông qua hê tuần hoàn. 13 Xenlulozơ là hợp chất bền vững có chức năng bảo vệ tê bào. Nó không tan. Phân tử của nó cũng gồm nhiều glucozơ song các liên kết hoá học giữa các glucozơ ở tinh bột và xenlulozơ khác nhau. Enzym phân huỷ tinh bột thì không phân huỷ được xenlulozơ. Các dẫn xuất xenlulozơ có vai trò thực tiễn rất lón như chế chất nổ, chế tơ vixcô, xenluloit, một sô" chất dẻo, phim ảnh và sơn. Trong chất sống, gluxit đóng vai trò “chất đôV’ cung cấp nhiột, năng lượng và các vật liệu khung để chế tạo nhiều chất sổng khác C(;H12Og + 6 0 2 —> 6H20 + 6C 02 + 680kcal. Gluxit cũng liên kết với các chất khác như protein, lipit để tham gia cấu tạo nhiều chất sống phức tạp khác của sinh chất. Ribozơ và dêôxiribozơ là các đường chứa 5 cacbon. Chúng tham gia cấu tạo các phân tử axit nucleic như ADN, ARN. b. Lipit Chất béo nguyên chất cũng được cấu tạo từ c, H, 0 nhưng hàm lượng oxi trong chúng ít hơn nhiều so với gluxit. Chất béo mềm hơn, có khi ở thể lỏng, có loại ỏ thể rắn. Mỗi phân tử chất béo được cấu tạo từ một phân tử glixerin và 3 phân tử axit béo. Các chất béo khác nhau đểu do thành phần axit béo khác nhau tạo nôn. Axit béo là những mạch dài các nguyên tử cacbon. ở một đầu có nhóm -COOH (cacboxyl). Tất cả chúng đểu chứa một lượng chẵn nguyên tử cacbon. Ví dụ: axit béo panmitic có 16 c (CI5H31COOH), axit stearic có 18 c (C17H35COOH). Các axit béo : no và chưa no. Loại chưa no có chứa liên kết đôi trong mạch cacbon. Ví dụ: ơ axit oleic trong 18 cacbon có một liên kêt đôi. Khi có liên kêt đôi, sô nguyên tử H ít đi. Phân 14 tử tristearinglixerit (C57H 110Of,) là chất béo ở trong mỡ bò do 3 phân tử axit stearic liên kết với một phân tử glixerin. Công thức câu tạo như sau: H o H-C-O-C - (CH2),6 - CH3 (1) o H-C-O-C - (CH2),6 - CH3 (2) o H - ộ - 0 - C - ( C H 2)16- C H 3 (3) H Chất béo trong sinh chất có vai trò quan trọng. Nó tham gia cấu trúc và cũng là nguồn năng lượng. Một gam chất béo cho một sô" năng lượng gấp đôi một gam glucozơ nôn dùng nó dự trữ thì tiết kiệm hơn. Khi cơ thổ thừa gluxit thì gluxit có thể biến thành chất béo để dự trữ. Lúc cần thiết thì từ chất béo chuyển thành gluxit, glucozơ để sử dụng. Chất béo là thành phần cấu trúc thiết yôu của màng sinh chất. Màng này bao quanh tế bào, bao quanh nhân và một sô" cơ quan tử khác, vỏ miêlin ở sợi thần kinh chứa nhiều chất bóo. Dưới da động vật, người, chất béo tích tụ làm giảm sự mất nhiệt. Ngoài chức năng đó, chúng còn làm tăng tính đàn hồi của da. Trong nhiều loại chất béo khác, ngoài axit béo còn có các chất khác như photpho tạo thành photpholipit là thành phần cấu trúc quan trọng của tế bào động, thực vật, đặc biệt ở tế bào thần kinh. Màng sinh chất được cấu tạo từ các lốp kép của các phân tử photpholipit. Steroit là các hợp châ't béo phức tạp; phân tử gồm các nguyên tử cacbon tạo nên 4 vòng gắn với nhau, trong đó có 3 vòng chứa 6 cacbon, còn vòng thứ 4 chứa 5 nguyên tử cacbon. 15 Các sinh tô D, hoocmon sinh dục, các chất tiết từ vỏ tuyến trên thận, các muối của axit mật và các cholesterol là các steroit có vai trò sinh học quan trọng. Cholesterol là một cấu phần quan trọng của mô thần kinh và các mô khác. Còn các steroit hoocmon thì giữ vai trò chủ yếu trong việc trao đối chất. c. Protein Các chất có chứa c, H, o, N và có cả s cũng như p đều xếp vào các protein. Trong chúng, nguyên tô" chủ đạo là nitơ. Toàn bộ các enzym, một sô" hoocmon và nhiều thành phần cấu trúc quan trọng của sinh chất đều là protein. Protein là hợp chất sinh học quan trọng nhất. Phân tử của chúng có phân tử lượng cao. Chúng gồm nhiều hợp chất đa dạng nhất của chất sông. Người ta tổng hợp được gluxit, chất béo nhưng chưa tổng hợp được phân tử protein. Trong phân tử protein có hàng nghìn nguyên tử. Ví dụ, hêmôglôbin (sắc tô" đỏ) tạo ra màu đỏ máu có công thức phân tử: C3032H/1816O872N780S8Fe4 cho ta thấy một phần mức độ phức tạp của phân tử hêmôglôbin. Đa sô" protein của chất sông là enzym. Enzym là chất xúc tác sinh học điều chỉnh tôc độ của nhiều quá trình sinh hoá xảy ra trong sinh chất. Hợp phần nhỏ nhất tạo nên phân tử protein phức tạp nói trên là các axit amin. Người ta thu được axit amin khi thuỷ phân protein. Hiện nay có khoảng 35 axit amin khác nhau được phát hiện; 20 trong 35 đó đã được thực nghiệm xác nhận. Số lượng axit amin khác nhau tạo nên phân tử protein khác nhau. Trật tự sắp xếp các axit amin khác nhau đã tạo nên sự đa dạng phong phú nhất của protein. Bởi thê có thể cho rằng sô lượng protein là vô tận. Việc phát hiện cấu trúc phân tử hoocmon insulin, bao gồm các loại axit amin ở các vị trí xác định, là một bằng chứng chứng minh tính chất phức tạp và quan trọng của phân tử protein trong điều hoà trao đổi chất. 16 Sự đa dạng sinh học cho thấy có vô vàn protein đặc trưng cho sự đa dạng đó. Cứ mỗi loài sinh vật lại có một sô loại protein đặc trưng. Các loài giông nhau có protein đặc trưng giông nhau. Nghiên cứu sự giông và khác nhau giữa protein các cơ thể khác nhau tạo điểu kiện tô"t cho nghiên cứu tiên hoá sinh giối và nghiên cứu quan hệ họ hàng huyết thông giửa các cá thê sinh học khác và giông nhau. Đơn vị cấu trúc cơ sở của protein là các axit amin. Trong axit amin có 2 nhóm chức hoá học: một là nhóm axit (-COOH), một là nhóm amin (-NH2). Nhóm amin có vai trò như kiềm, vi thê chúng phản ứng vối các axit. Còn nhóm axit có phản ứng vối kiềm. Nhờ hai nhóm chức đôi lập đó mà các protein có tính chât đệm, nghĩa là có khả năng chông lại sự thay đổi độ axit và độ kiềm của môi trường, do đó bảo vệ được sinh chất. Các axit amm trong phân tử protein kêt hợp vối nhau nhờ liên kết peptit. Ví dụ: glixin kết hợp với alanin thành glixinalanin: Glixin Alanin H - N - CH, - c - OH + H - N - CH - c - OH — I II I I 11 H o H CH- o — H - N - C H - - Ỉ - C - N + C H - C - O H I ‘ • [l I ! I 11 H ! o H ! CH. o Lièn kết peptit Glixinalamn Trong tổng scí các axit amin, người ta phát hiện 8 axit amin đặc biệt, gọ 1 là axit amin không thay thế. Protein tham gia cấu tạo sinh chất, cấu tạo các enzym (phần apoenzym). cấu tạo các hoocmon. Protein có vai trò đặc biệt trong cấu tạo và chức năng của màng sinh chất. Chúng củng được sử dung như nguồn (ỊliTiycây Iiciiig' liídng thiôt. I DẠHỘC THAI NGUYENỊ 2- TÊBÀOHỌC TẲMRP'' " ị 17 d. Axit nucleic Hai nhóm chất riêng biệt được xêp vào axit nucleic là ADN (axit đeoxiribonucleic) và ARN (axit ribonucleic). dĩ. ADN Năm 1890, từ trong nhân của các tế bào có ở trong mủ, Mise (Đức) đã phân tích và phát hiện phân tử ADN. Sau đó, năm 1924, bằng phương pháp hoá nhuộm, Fenlgen phát hiện được ADN trong thể nhiễm sắc của nhân tế bào. về sau những năm 40 của thê kỉ XX, cấu trúc ADN đã được tìm thấy với các đơn vị cấu trúc là các nucleotit. Các nucleotit này sắp xếp thành từng cặp. Đến năm 1953, Watson (Mĩ) và Crick (Anh) từ các nghiên cứu hết sức kĩ lưỡng bằng các phương pháp hoá, lí đặc sắc đã đưa ra được cấu trúc phân tử chính xác của ADN. Họ xác nhận ADN có dạng chuỗi xoắn kép (xem hình 1.1). 20 Ầ Hình 1.1. Mẩu ADN của VVatson và Crick (P: photphat; S: đường ribỗzơ; A: adenin; T: timin; X: xytozin; G: guanin) 18 Vê cấu trúc phân tử, ADN là một cao phân tử (polime), gồm nhiều đơn phân (monome) gọi là nucleotit. Mỗi nucleotit gồm 3 thành phần (xem hình 1.2). XytozinGuanm .... N — HN Timin H o Đeoxiribozơ H \ h H/H Ờ H H — N — HN o = p Photphat / \ HO o o 11 Ă Hình 1.2. Một doạn ADN. 0 m Các cặp bazơ bô’ sung nhau (X - G; A - T) H o o p / / \ o OH Giữa X và G có 3 liên kết hiđro, giữa A và T có 2 liên kết hidro. - Đường pentozơ gọi là đeôxiribozơ (C5H10O|). - Nhóm photphat (axit photphoric). - Bazơ nitơ. 19 Nhóm photphat gắn vào cacbon 5’ của đường đeôxiribozơ, còn bazơ nitơ gắn vào cacbon 1’. Có bôn loại bazơ nitơ: Loại Adenin (A) và Guanin (G) là các dẫn xuất của bazơ purin; còn dẫn xuất của bazơ pyrimidin thì có Timin (T) và Xytozin (X). Các nucleotit nốì nhau thành chuỗi polinucleotit qua nhóm photphat và đường pentozơ. Mỗi gốc axit photphoric liên kết với nguyên tử cacbon 5’của một gốíc đường và với nguyên tử cacbon 3’ của một gốc đường khác qua các liên kết photphođieste. Hai chuỗi polinucleotit xoắn lại với nhau thành chuỗi xoắn kép, trong đó bazơ nitơ chuỗi này liên kết vối chuỗi kia bàng liên kết hiđro theo nguyên tắc bổ sung. Rõ ràng là ADN có cấu tạo đa phân, do nhiều đơn phân hợp lại, có cấu tạo nhiều bậc. Sự đa dạng của sinh giới bắt nguồn từ đây. Ở từng loài riêng có trình tự sắp xếp các nucleotit riêng trong phân tử ADN của loài, và cũng có cả đặc thù cùng số lượng nucleotit riêng. Trong một loài virus đơn giản nhất cũng có đến 5000 nucleotit, còn trong 46 nhiễm sắc thể người thì có đến 5000 tỉ nucleotit. Trong 2 chuỗi polinucleotit, đường pentozơ và photphat đểu giông nhau, riêng 4 bazơ nitơ có liên kết khác nhau. Thuỷ phân ADN, E.Chargaff phát hiện thấy ở bất kì phân tử ADN nào cũng đểu có tổng sô" bazơ purin bằng tổng số bazơ pirimidin (Định luật E.Chargaff). Có nghĩa là: A = T tức 4 = 1 T X = G tức 4= 1 G 20 Định luật cơ bản trên đã làm cơ sở cho cấu trúc phân tử ADN theo nguyên tắc bổ sung. A + T Tỉ sô ------— khác 1 trong phần lốn trường hợp rât khác G + X nhau trong các loại ADN của các loài sinh vật, nhưng lại đặc trưng cho từng loài; ở mỗi loài, tỉ scí này là một hằng sô' riêng. Ví du: ở người tỉ sô" —+ — = 1,52; ở cừu là 1,36: gà mái là 1,38; G + X rùa là 1,31;... Tỉ sô đó gọi là tỉ sốbazơ. Mô hình Watson và Crick cho thấy mỗi vòng của chuỗi xoắn kép gồm có 10 cặp bazơ có chiều dài là 34Ả vì khoảng cách giừa 2 cặp bazơ liền nhau là 3,4Ả. Định luật E.Chargaff cho thây rõ đặc điểm quan trọng nhất của mô hình là sự liên kết đôi đặc thù giữa các bazơ. Các bazơ liên kết nhau theo nguyên tắc bô sung, từng cặp một phải gồm một bazơ có kích thước lớn (A, T) liên kết với một bazơ có kích thước nhỏ (G. X) và ngược lại. Kết quả là hai sợi đơn trong chuỗi xoắn kép bô sung cho nhau. Nguyên lí bô’ sung nói trên có tầm quan trọng đặc biệt với hiện tượng di truyền, bảo đảm cấu trúc đặc trưng của axit nucleotit, biểu hiện không chỉ trong cấu trúc của ADN mà còn trong cơ chế tự sao chép ADN, cơ chế phiên mã cơ chê dịch mã. Một đặc tính quan trọng khác của mô hình cấu trúc ADN là tính định hướng ngược chiều của hai sợi đơn trong phân tử ADX và đặc biệt nừa là liên kết 3’- 5’ photphatdieste, dẫn tới tính chất song song ngược chiều nhau của hai sợi đơn. từ 3’ - 5’ và ngược lại 5 - 3'. Nói cách khác, đầu 3’ của sợi này nằm ở phía đẩu 5 của sợi kia và ngiiỢc lại. Các ADN khác nhau thì cũng khác nhau vê chiêu xoán, khoáng cách và độ nghiêng của các cặp bazơ. 21 Dạng ADN mà Watson và Crick phát hiện thuộc dạng B, khá phổ biến, xoắn phải, các cặp bazơ nằm thẳng góc vối trục xoắn. Dạng z có chiều xoắn trái, mỗi vòng xoắn có 12 cặp bazơ. Dạng A, c, D đều có dạng khác so với dạng B về sô" lượng cặp bazơ ở mỗi vòng xoắn và độ nghiêng. d2. ARN Về mặt cấu trúc hóa học, ARN cũng là một chất cao phân tử (polime), cũng gồm nhiểu nucleotit gắn với nhau như trong một sợi đơn của phân tử ADN, và hình thành một chuỗi đơn polinucleotit (xem hình 1.3). So sánh với AD N thì A R N khác với 3 đặc điềm: - Một là, đường pentozơ của ARN là đường ribozỢ (C5H 10Oõ), không còn là đường đeôxiribozơ như trong ADN. - Hai là, trong ARN có 1 trong 4 bazơ nitơ khác với ADN. Đó là Ưraxin, ở ADN là Timin. - Ba là, ARN chỉ có một sợi đơn polinucleotit trong khi ADN là chuỗi xoắn kép gồm hai sợi đơn. Tuỳ theo chức năng di truyền của các phân tử ARN mà người ta chia ARN thành các loại khác nhau. Chỉ ngoại lệ là trong virus, ARN là bộ gen (genom) của chúng. ARN trong virus vì thế mà có chức năng duy trì và truyền đạt thông tin di truyền tương ứng cho thế hệ sau. ARN của virus thường chỉ là một sợi. Riêng một số virus đặc biệt như rêtrôvirus thì ARN có 2 sợi. Các loại ARN còn lại được phân biệt nhau thông qua chức năng tham gia trong quá trình sinh học tổng hợp protein. ( húng có 3 loại, được tông hợp thông qua phiên mã ADN. 22 O' Hình 1.3. Sự sắp xếp một đoạn ribonucleic • A RN thông tin (m-ARN, i-ARN ) Cũng còn được gọi là ARN trung gian, được tổng hợp trong nhân của tế bào, trên khuôn mẫu của ADN, làm nhiệm vụ 23 trung gian truyền thông tin di truyền từ ADN trong nhân sang protein được tống hợp tại riboxom trong tế bào chất. Tổng số lượng m-ARN trong tế bào rất ít, vài phần trăm ARN tổng số. Sổ" lượng nucleotit trong m-ARN rấ t biến đổi, từ 150 đến hàng ngàn nucleotit. Thời gian sông (tồn tại) trong tế bào rất ngắn. • ARN vận chuyên (t-ARN, S-ARN) Được gọi là ARN hòa tan, chiếm từ 10 - 20% tổng sô ARN trong tê bào. Sợi của nó chứa khoảng 75 - 85% ribonucleotit, khôi lượng phân tử 260.000 đvC. ARN vận chuyển có cấu trúc đặc thù: Mạch đơn • %/ • • ribonucleotit quấn trở lại làm thành ba kiểu thuỳ như lá dâu. Trong 3 thuỳ đó thì: - Một thuỳ mang đối mã anticodon, sẽ khớp bổ sung vối mã sao (codon) trên m-ARN. - Một thuỳ tác dụng vối riboxom. - Một thuỳ có chức năng nhận diện enzym gắn axit amin tương ứng vào ARNT-vận chuyển. Một scT ARN-vận chuyển có thuỳ thứ tư. 60 - 70% cấu trúc ARN-vận chuyển có dạng xoắn kép, tạo nên không gian 3 chiều. Đầu mút có chức năng mang axit amin của tất cả các loại ARN vận chuyển đều có kêt thúc là AXX và đầu mút phía còn lại là G. Chức năng của ARN-vận chuyển là kết hợp VỚI axit amin đê tống hợp protein tại nboxom. Có đên 00 - 60 loại ARN vận chuyển khác nhau. Mỗi loại chỉ kêt hợp với một trong 20 axit amin. và dưa lần lượt các axit amin vào riboxom. ARN-vận chuyến có 2 chức năng trong trong sự tham gia tông hợp protein: tiêp nhận và liên kết. 24 Qhức năng tiếp nhận của ARN-vận chuyển thê hiện ở sự nhận diện, tiếp n h â n axit ạmin tương ứng đã được hoạt hoá. về chjfcLZLãng liên kết, axit amin được liên kết với ARN vận chuyển ở đầu mút và cứ mỗi phân tử ARN-vận chuyển sẽ kéo vào axit amin một riboxom tương ứng liên kết với nó ; sự liên kết xảy ra nhờ tác động của một enzym hoạt hoá riêng biệt đổi với axit amin. • ARN-riboxom (r-ARN) Loại này chiêm phần lớn ARN trong tê bào, 80% ARN tổng số’. Riboxom có dạng hạt bé, quan sát được dưới kính hiển vi điện tử. Có nhiều riboxom trong các tê bào đang hoạt động tồng hợp protein mạnh. Kích thước thay đổi, khoảng 250 Ả ở sinh vật nhân chuẩn. Riboxom có bản chất hoá hoc là nuclêôprotein. Vai trò của ARN trong di truyền là lập nên môi liên quan giừa gen và protein trong suôt quá trình tổng hợp protein (thực chất là mối liên hệ ADN và quá trình tổng hợp protein). • ARNịà Cầu nôi,giữa ADỈSL ưà protcin Các thực nghiệm đã chứng minh tính cầu nôi của ARN trong môi liên hệ vối ADN và sự tổng hợp protein. Đầu tiên ngưòi ta xác nhận ADN được phát hiộn ở trong nhân tế bào, còn ARN được tìm thây ở tê bào chất, nơi xảy ra sự tổng hợp tất cả các protein. Trong phôi đang phát triển của nhiều loài chứa rất nhiều ARN. Những tê bào tông hợp nhiều protein thì có nhiều riboxom. Ở Escherichia coli đang kì phát triển có tối 15.000 riboxom, khôi lượng của tông lượng riboxom đó bằng 1/2 khôi lượnơ tê bào. sô lượng ARN-riboxom chiếm đến 2/3 tổng số ARN. Thực khuẩn thê mang ADN xâm nhập vào vi khuẩn thì ARN của vi khuẩn được tổng hợp từ ADN của virus trước lúc protein của virus được bát đầu tông hợp. 25 e. Enzym Nhiều chất được sử dụng nhanh chóng bởi tê bào sông nhưng lại bị trơ một cách kì lạ khi ở ngoài tế bào cơ thể. Trong công nghệ hoá học, không phải công nghệ sinh học, muôn phân huỷ glucozơ phải nhờ tác động của nhiệt độ cao, axit mạnh hay kiềm đặc... Trong tế bào, chất nguyên sinh không thể sử dụng các tác nhân nhiệt cao, axit mạnh và kiềm đặc như trên để phân huỷ glucozơ, mà thực hiện nhờ tác nhân đặc biệt gọi là enzym. Enzym là chất xúc tác phản ứng sinh hoá học. Chất xúc tác tham gia điều khiển tốc độ các phản ứng mà không bị tiêu biên mất sau khi phản ứng kết thúc. Vì thê nó có thể được sử dụng lặp đi lặp lại nhiều lần, và cũng chính vì thế mà một lượng rất nhỏ enzym có thể xúc tác phản ứng cho một lượng rất lớn chất nền. Tính chất diệu kì của enzym là có khả năng xúc tác kĩ lạ. Một phân tử enzym catalaza có thể phân giải 5.000.000 phân tử H20 2 trong một giây ở điều kiện 0°c. Trong lúc đó nếu dùng 1 nguyên tử sắt (Fe) để xúc tác thì phải mất 300 năm mới phân giải xong. Chứng tỏ enzym có hoạt tính xúc tác rất cao. Các enzym khác nhau về tính chuyên hoáy nghĩa là các loại khác nhau có tác dụng xúc tác trên các chất nền phản ứng khác nhau. Có loại có tính chuyên hoá tuyệt đổì. Enzym ureaza chỉ xúc tác quá trình phân huỷ urê tổng hợp thành khí amoniac và khí cacbonic, không xúc tác cho một phản ứng nào khác ngoài urê. Các enzym phân giải saccarozơ, mantozơ, lactozơ cũng đặc biệt tương ứng. Các enzym khác có tính chuyên hoá tương đối. chỉ có tác dụng xúc tác lên một sô chât họ hàng gần nhau (hình 1.4). Peroxidaza phân giải được một sô peroxit khác nhau trong đó có H ,02. 26 cacboxylpcpmclaza chyniotrypxin pcpxin tripxin aninopcptitdaza tyroxin acginin Hình 1.4. Sơ đố giải thích tính đặc hiệu của enzym Cacboxyipeptitdaza xúc tác phản ứng phân huỷ peptit có nhóm cacboxyi tự do. Aminopeptitdaza xúc tác peptit có nhóm amin tự do. Pepxin xúc tác nhóm amoni dẫn zuất của tyrozim (hay phenylalanin). Chymoừypxin xúc tác nhóm gốc cacboxyl của dẫn xuất amino. Còn ừyxin xúc tác acginin (Giese, A.c. (1962) Cell physiology). Cũng còn có các enzym có tính chuyên hoá riêng như chỉ phân giải các chất nền có các kiểu liên kết thuộc kiểu nhất định. Ví dụ: Enzym lipaza tuyến tuỵ chỉ phân giải este giữa glixerin và axit béo trong các lipit khác nhau. Enzym kiểm tra cả hai chiều thuận nghịch của phản ứng mà không quyết định chiều hướng của phản ứng. Chúng chỉ làm tăng tốc độ cho phản ứng đạt tối cân bằng. Trong trường hợp phản ứng theo chiều thuận có toả năng lượng, nếu muôn phản ứng xảy ra theo chiểu ngược lại thì phải cung cấp một năng lượng tương ứng. Các enzym thường hoạt động phôi hợp với nhau theo một chuỗi liên tục, trong đó sản phẩm của phản ứng trước là chất nền cho phản ứng sau. Tế bào cũng như một nhà máy gồm có nhiều phân xưởng chứa nhiều enzym khác nhau, mà mỗi enzym thực hiện một chặng của quá trình liên tục. Ví dụ: Quá 27 trình từ phân tử glucozơ biến thành axit lactic trong tế bàc thực vật, động vật cũng như tế bào vitamin khuẩn có đến 11 phân tử enzym khác nhau hoạt động nối tiếp nhau liên tục. Cấu tạo của enzym bao gồm hai tiểu phần: apôenzym và coenzym. Apôenzym thường là protein. Coenzym gọi là nhóm hoạt động bao gồm phân tử hữu cơ bé thường chứa photphat. Tất cả các vitamin đóng vai trò chức năng như là coenzym của enzym ở trong tê bào. Một enzym có đủ hai tiểu phần mối có chức năng xúc tác. Có loại enzym, coenzym của nó phải phôi hợp vối một ion kim loại nhất định mới hoạt động được. Đa sô" các ion đó thuộc • • • • f • • ion của các nguyên tô vi lượng (Cu, Co, Zn, Mn, Mo...)- Chúng giữ chức năng chính là kích thích enzym. Các enzym tuỳ thuộc vai trò của mình định vị trong các tổ chức bào quan tương ứng. Nhà Hoá học Emil Kischer (Đức) đưa ra giả thiết enzym và cơ chất phản ứng như là chìa khoá và ố khoá. Cũng có quan niệm cho rằng trong khi xúc tác phản ứng, enzym lrên kết vối chất nền tạo ra chất trung gian là enzym-chất nền. Vê sau, chất trung gian này lại phân giải cho enzym như ban đầu và sản phẩm của phản ứng. Quan niệm đó được L.Michaelis toán học hoá công thức hoá học khoảng cách đây nửa thế kỉ. David Keilin ở Đại học tổng hợp Cambridge và E. Chance ở Đại học tổng hợp Pennsylvania đã tìm được dẫn liệu thực tê xác minh cho quan niệm trên. Họ lấy enzym trong củ cải đen màu nâu trộn với peroxihiđro thì hình thành phức chất trung gian: enzym-chât nền màu lục. Sau đó phức chất biến thành màu đỏ nhạt, enzym hình thành trở lại màu nâu ban đầu và các sản phẩm phân giải của peroxihiđro. Phần của enzym tương tác được với chất nển gọi là trung tâm hoạt động của enzym (hình 1.5). 28 (B) Hình 1.5 (A) Sơ đồ trung tâm hoạt động của enzym (phần đen) 1. Hai trung tâm của một enzym. 2. Chúng kết hợp với chất nền. 3. Phân tử chất nền hoạt hoá. 4. Chất nền bị bẻ đôi. (J.E. Pfeiffer, Sci. Amer). (B) Giải thích hoạt động enzym và chất nền như ổ và chia khoá (J.E. Pfeiffer, Sci. Amer). 29 c h 2=c h CH3 J CH=CHc h 3\ C y s - S CH, / s----Cys CHCHj CH3 Ị N -i NV N / N — Fe — N N — Fe — N \ ____ / CH3 // V —- CH2CH2CCX) / CH, N N \ — ỉ NCH?CH, I = r coo CH> \CH?CH?COO CH, CH2CH2COO Protopocphirin sát IX (Trong xitoccom b) HO Hem c (Trong Xítocrom c) CH3 CH=CH, i CH1/' \/ - Á' CH.“ CH I N yCH3 CH ĩ'i CH, CH:i N — Fe — N \ = y N \ CH2CH2COO CHO CHpCHpCOO Hem A (Trong xitoc^om a) Hình 1.6. Nhóm hoạt động (ngoại) của các loại xitôcrõm có 4 - 5 thành viên, vòng chứa nitơ ỏ cấu trúc vòng là pocphirin. Bốn nguyên tử nitơ cùng liên kết với ion sắt ỏ dạng hoặc Fe2* hoặc Fe3\ sắ t pocphirin IX được tim thấy trong các xitỏcrỗm b và trong hemỏglôbin và myỏglôbin. Nhân hem c liên kết cộng hoá trị vói protein của xitôcrỗm c thông qua các liên kết thioeste đến hai đuôi Cys. Hem A, có ỏ trong xitồcrôm a, có đuôi isoprenoit dài gắn vói một vòng 5 thành phần. Hệ thống liên kết đỗi đã chia của vòng pocphirin có thể hấp thụ ánh sáng trồng thấy nhờ các hem này. Enzym vì có cấu tạo protein nên chịu ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ, độ pH của các nhân tô. Ngoài ra, nồng độ enzym. nồng độ chât nền và nhân tô phụ thuộc đều có ảnh hưởng tối tôc độ phản ứng enzym. Các chất làm ngộ độc enzym là xianua, 30 axit iodoaxetic, íluorua, levizit... Một trong các enzym hô hấp là xitôcrôm oxidaza nhạy cảm vối chất độc xianua (axit xyanhiđric và muối của nó). Bò chỉ ăn vài lá sắn xanh chứa nhiều axit xyanhiđric là bị ngộ độc hô hấp và chết ngay. f. Vitamin Vitamin là những hợp chất hữu cơ tương đối đơn giản; tuy không phải là nguồn cung cấp năng lượng nhưng có vai trò rất to lớn trong việc điều hoà hoạt động trao đổi chất và năng lượng của tế bào, mô, cơ quan và cơ thể. Vitamin không được tổng hợp trong tế bào động vật, mà được tổng hợp trong tế bào thực vật, trong các vi sinh vật. Các tế bào của động vật muôn hoạt động bình thường phải được cung cấp vitamin, mặc dù chỉ cần một lượng rất ít. Rất nhiều nghiên cứu xác nhận vitamin cũng là những nhân tô"có mặt bắt buộc trong các enzym (coenzym). Vitamin trong tế bào chia làm hai nhóm cơ bản dựa vào tính hoà tan trong các loại dung môi khác nhau: một loại vitamin tan trong nước (gồm vitamin c và các vitamin B) và loại thứ hai tan trong mỡ (gồm vitamin A, D, E, K). fl. Các uitamin tan trong nước • Vitamin c (axit L-Ascobic) Công thức cấu tạo hoá học: c h 2o h I H O —CH OH OH Tính chất của vitamin c là tan trong nước, dỗ bị oxi hoá. Khi đun nóng thì bị phân huỷ ở khoảng 40°c. Khối lượng phân tử là 176.1 đvC. 31 Vitamin c có mặt trong nhiều loại quả, các loại củ như củ cải, khoai tây, hành. Nó là thành phần quan trọng của các phản ứng oxi hoá-khử. Thiếu vitamin c, cơ thể người yếu toàn thể. làm chảy máu ở lợi, dưới da, viêm khốp xương. • Vitamin nhóm B có nhiều loại: Vitamin BI (tiamin) Công thức cấu tạo hoá học: Cl H2 k >-----c — c h 2o h h 3c n h 2hci \ Vitamin BI tan trong nước, không chịu nhiệt độ cao. Khôi lượng phân tử là 337,3 đvC. Có mặt trong nhiều cây xanh, trong cám gạo, khoai tây, men bia, cà rốt. Nó là coenzym của enzym cacboxylaza, tham gia điều hoà sự trao đổi gluxit. Thiếu vitamin Bl, người ta dễ mắc bộnh phù. + Vitamin B2 (riboílavin) Công thức cấu tạo hoá học: H2C— (CHOH)3 CHOH CH. H,c Vitamm B2 hoà tan trong nưốc, ổn định trong môi trường 32 axit, chịu nhiệt, phân huỷ nhanh trong môi trường kiềm, nhạy cảm với ánh sáng. Khối lượng phân tử là 376,4 đvC. Có mặt trong các tế bào ở cả thực vật lẫn động vật; có nhiều trong nấm men, mầm lúa, nấm mổíc và vi sinh vật yêm khí. Nó là coenzym của các enzym thuộc hệ oxi hoá khử khác nhau, nhất là flavin oxidaza. Thiếu vitamin B 7 % 2 thì chuột thí • nghiệm bị rụng lông, bị đục nhân mắt, viêm mắt và chết. Vitamin B6 (piridoxan) Công thức cấu tạo hoá học: ỌH2OH N Vitamin B6 hoà tan trong nưốc, chịu nhiệt, nhạy cảm với ánh sáng. Khối lượng phân tử là 169,0 đvC. Có mặt trong hạt và mầm hạt hoà thảo và trong nấm men, là của enzym decacboxylaza của một sô" amin axit. Tham gia trong thành phần của enzym transaminaza. Vitamin B5 (PP, niaxin, axit nicotinic) Công thức cấu tạo hoá học: N N Hoà tan trong nước, chịu nhiệt. Khổi lượng phân tử 123,1 đvC. Có mặt trong các hạt alơron dự trữ của hạt; củng có trong 3- TẾBÀOHỌC 33 mầm lúa, hạt lạc. Tham gia vào thành phần của ADN, các dẫn xuất của nó đều là những chất chuyển hoá năng lượng quan trọng. Tham gia hoạt hoá sự trao đổi photpho, gluxit, lipit. Vitamin B3 (axit pantotenic) Công thức cấu tạo hoá học: c h 3 ọ h ọ CH3- C — CH cHNH2 1 ĩ 11 c h 2o h c - c h 2 I '1 ỎOOH Hoà tan trong nước, chịu nhiệt. Phân huỷ trong môi trường kiềm và axit. Khối lượng phân tử là 219,2 đvC. Có mặt trong nấm men, trong hạt alơron của hạt lúa. Tham gia vào quá trình hô hấp, có trong thành phần của axetylaza. Vitamin H (biotin) Công thức cấu tạo hoá học: Ọ HN X NH HC-----CH CH, CH V c h 3 H 1 Ọ---------CH2 1 1 COOH ChU Hoà tan trong nước, chịu nhiệt. Khối lượng phân tử là 244,3 đvC. Có mặt trong cám, cà rôt. Là coenzym của các enzym như hexokinaza, cacboxylaza và nhiều enzym khác tham gia trao đôi gluxit, lipit và protein. Chúng có vai trò điểu chỉnh sự sinh trưởng của sinh vật. 34 Vitamin Bc (axit folic) Công thức cấu tạo hoá học: Hoà tan trong nước, dễ bị phân huỷ khi đun nóng. Dưối tác dụng của chất oxi hoá và ánh sáng thì củng dễ bị phân huỷ. Khổi lượng phân tử là 427,4 đvC. Có mặt trong nhiều loại nấm, rau dền. Tham gia tồng hợp sinh học timin. Vitamin B12 (xiancobanamin) Công thức cấu tạo hoá học rất phức tạp. Hoà tan trong nước, chịu được nhiệt, bị phân huỷ dưới ánh sáng. Chứa nhân pocphirin, coban, photpho và nhóm xianamit. Khôi lượng phân tử 1355,4 đvC. Tham gia sự hình thành hồng cầu. Inozit Công thức cấu tạo hoá học: HOH HOHỌ ỌHOH I I HOHỏx ^CHOH HOH Tan trong nước. Khôi lượng phân tử 180,0 đvC. Chứa ở trong hạt, cây mầm và nấm men. Rất cần cho sự sinh trưởng của mô tách rời trong quá trình nuôi cấy mô. 35 • Vitamin p (axit p-aminobenzoic) Công thức cấu tạo hoá học: COOH ít tan trong nước, chịu nhiệt. Khôi lượng phân tử 123,0 đvC. Có mặt trong mô thực vật và động vật. cầ n thiết cho sinh trưởng của mô sinh vật. f2. Các vitamin tan trong mỡ • Vitamin A (axeroítol) Công thức cấu tạo hoá học Gà một nửa của phân tử (3--carotin). H c = c H H HC— c = c — Ợ = H C — CH2OH Hc H,cI H ,c Tan trong mỡ, nhạy cảm với sự oxi hoá, chịu nhiệt khá. Khôi lượng phân tử là 286,5 đvC. Vitamin A chứa trong cà rốt, cà chua, gấc, trứng gà, trong các loại tảo. Có vai trò bảo vệ mô biểu bì. giữ cho da bình thường, nhất là tham gia bảo vệ võng mô của mát. • Vitamin D Trong nhóm này có vitamin D2 , D3 , D4 . Công thức cảu tạo hoá học phức tạp. 36 Tan trong mỡ, chịu nhiệt. Vitamin D được hình thành trong cơ thể từ chất ecgoxterol khi bị chiếu xạ. Khôi lượng phân tử D3 là 384,7 đvC, D2 là 396,7 đvC, D4 là 398,7 đvC. Chúng có trong nấm, cây xanh, có vai trò xúc tiến sự trao đổi canxi trong xương động vật. • Vitamin E (tocoíerol) Công thức cấu tạo hoá học a-tocoferol: CH3 ỌH3 H2 H2 I H2 c — r - c —c — c — c -1-H L H h Hoà tan trong mỡ, chịu nhiệt. Nhạy cảm vối sự oxi hoá và ánh sáng. Khôi lượng phân tử là 470,7 đvC. Chiếm 10 - 40mg% chất khô của phần xanh của cây. 80mg% trong lục lạp và hạt. Củng có mặt trong rau diếp, dầu ôliu... Tham gia điều hoà sự tổng hợp và phân huỷ của carotenoit. • Vitamin K Trong vitamin K có nhiều loại khác nhau (Kl, K2, K3). Công thức cấu tạo hoá học của vitamin K2 (íiloquinon): c h 3 c h h 2 / — c — c = c ------ (CH2I3 H2C ----- (CH2)4— HC------(CH2)3— CH CH CH, CHU CH, 0 Hoà tan trong mõ. Nhạy cảm với ánh sáng. Khôi lượng 37 thay đổi nhiều tuỳ loại. Trong lục lạp, tỉ lệ giữa chúng với diệp lục là 1/200. Có trong nấm men, cà chua. Tham gia quá trình quang hợp, tạo máu ở ngươi và động vật. 4. Liên kết hoá học trong các hợp chất sống Trong chất sông, các nguyên tó hoá học tồn tại trong các hợp chất hoá học. Trong sinh học, sự hình thành các hợp chất hoá học từ các đơn chất thông qua các kiểu liên kết hoá học. Các hợp chất có nguồn gốc sinh vật có nhiều loại liên kết hoá học khác nhau, nhưng trong đó quan trọng hơn cả là loại liên kết tĩnh_diẽn (hay liên kết ion), liên kết hiđro và liên kết cộng hoá trị. Liên kết hiđro và liên kết tĩnh điện có lực liên kết yếu nên dễ đứt. Còn liên kết cộng hoá trị có lực liên kết bền hơn hai liên kết kể trên. Muôn phá vỡ liên kết cộng hoá trị trong các phản ứng hoá học phải dùng năng lượng lớn. Trong sinh vật, các enzym tham gia các phản ứng hình thành và phá vở các liên kết đó nhờ cơ chê xúc tác của enzym mà không cần đến năng lượng lớn. Liên kêt tĩnh điện tạo nên nhờ sức hút lẫn nhau của 2 phân tử tích điện. Ví dụ: Na++ C1 -> NaCl Liên kêt hiđro hình thành giữa nguyên tử hiđro linh động ở chất này vối một nguyên tử có độ âm điện lớn ở một phân tử khác (thường là nguyên tử oxi). c =0 + H o Ị — (Ị =o • • • H o--(Ị--- I I c = 0 + H — N H 38 ộ = 0 • • H — N ----- I Á Liên kết cộng hoá trị là liên kết được hình thành do sự góp chung electron của các nguyên tử của các nguyên t<3 (thường là phi kim vối nhau hoặc hiđro với phi kim). Liên kết cộng hoá trị quan trọng hơn cả là liên kết anhiđrit. Liên kết kiểu này là sự liên kết>hai phân tử đồng thời tách một phân tử nước. Ví dụ: nhóm -OH của phân tử này và một nguyên tử H của phân tử kia. Cũng thường xảy ra sự thế nhóm -OH trong phân tử nhờ nhóm photphat cùng với việc tách nhóm photphat và nguyên tử hiđro khỏi phân tử kia. Lúc đó nhóm photphat vô cơ được giải phóng và liên kết anhiđrit được tạo ra. liên kct anhiđrit Liên kết anhiđrit giữa các gluxit là liên kết glucozit. Liên kết anhiđrit giữa các axit amin là liên kết peptit. Liên kết anhiđrit giữa các chất béo là liên kết este. Có nhiều loại liên kết este. Trong sô" đó quan trọng hơn cả là liên kết estephotphat: xảy ra giữa nhóm OH của gluxit và H từ axit photphoric. Ngoài ra còn có liên kết với thioeste: xảy ra giữa nhóm OH của nhóm -COOH với H của nhóm -SH (xem hình 1.7). Trong axit nucleic, liên kết glucozit là liên kết được hình thành khi đường phản ứng vối bazơ của purin hay của pirimidin; liên kết estephotphat là liên kết giữa đường và phot pho. Coenzym-A hình thành nên liên kết thioeste với hàng loạt các chât khác. Trong axetyl coenzym-A có liên kết thioeste giữa axit axetyl với coenzym A. 39 CH ỵCH2 'CH j '• c h 3 © CH, Ị CH, / ' - • .CH CH : 0 \ c h 3 % 0* ^ « : 0 \ CH,OH. ' c * C—NH, \\ .. NH2. .0 c — 0 Hình 1.7. Các liên kêt không cùng hoá trị ổn định của cấu tạo protein a. liên kết ion hay liên kết tĩnh điện; c. liên kết vô cực b. liên kết hiđro; d. liên kết Vandec van Ví dụ: Liên kết glucozit: R - C - 0 H + 'ụ o ^ C - R ' —► R -C -O — C -R ' *H20 Liên kết peptit: R' +H,o R'-H,0 40 / ĩ / 0 • / X Liên kêt este: I ^ —- R-*€-Oỉl^HO-C-R- \\ \ I ỏ 1 R-C-ĩỷ-C ì> 1 ĩ 0 H H R — Liên kết estephotpho: R -C -O H +H 2 O3 PHO ụ 1 • 0 Liên kết thioeste: P-O jH 2 +h 20 __________________ ... R -C — O H + H S - ệ - R — ► R -C — s— C-R* *H20 V II 1 II I - 0 1 0 1 5. Tính chất lí học của các thành phẩn câu tạo tế bào Như chúng ta đã thấy, các chất cấu tạo nên tế bào có bản chất đặc trưng hoá học, có sô" lượng riêng biệt. Bên cạnh hai gtính chất đó, chúng cũng còn có tính chất vật lí riêng biệt nữa. Tính châ't vật lí phổ biến của bất kì chât nào là khi hỗn hợp với nước thì tạo ra một hệ; có thể đó là một hệ dung dịch thật, một hệ huyền phù, hay một hệ dung dịch keo. Quy định cơ bản đê coi nó ở dạng nào trong ba dạng trên phụ thuộc vào kích thước của các hạt phân tán. Hệ là dung dịch thật khi các hạt hay các ion phân tán đều đặn trong chât lỏng hoà tan (dung môi). Kích thưốc của hạt nhỏ dưới 0 ,0001|im. Dung dịch thật trong suốt, điểm sôi cao, điểm đông đặc thấp so với nước sạch. Nhiệt độ điểm sôi tăng lên cũng như nhiệt độ đông đặc hạ thấp xuống tỉ lệ thuận với nồng độ phân tử có trong dung dịch. Các bazơ, axit, muôi và nhiều chất không điện li như đường... khi tan trong nước đều tạo nên dung dịch thật. Hệ là dạng huyền phù khi các hạt phân tán có kích thưốc lớn hơn o.lịim. Đặc biệt nếu để yên, các hạt sẽ lắng xuống. Dạng huvển phù không trong suốt. Nhiệt độ điểm sôi và điểm đông đặc cũng như nước sạch. 41 Hộ là dung dịch keo khi các hạt không nhỏ như các hạt trong dung dịch thật, nhưng cũng không lớn như thế huyền phù. Kích thước các hạt từ 0 ,0 0 0 lỊim đến 0,ljim. Có các loại khác nhau như keo thịt đông, keo hồ, keo sương mù... Trong dung dịch keo các hạt thường tích điện cùng dấu nên có khuynh hướng đẩy nhau làm cho các phân tử luôn giữ được trạng thái phân tán. Dung dịch keo có khả năng đặc trưng nhất là biến đổi từ trạng thái keo lỏng (sol) sang trạng thái keo đặc (gel). Sự biến đổi này phụ thuộc vào nhiệt độ, pH, sự có mặt các ion, hay do tác động cơ học. Hai trạng thái trên nếu biến đối thuận nghịch tức là từ sol sang gel rồi ngược lại từ gel chuyển sang sol thì các loại keo đó gọi là keo biến đổi thuận nghịch. Loại keo chỉ biến đôi từ sol sang gel là keo không biến đổi thuận nghịch. Keo biến đổi thuận nghịch cũng có thể trở thành keo không thuận nghịch khi nhiệt độ, pH, v.v... của chúng thay đối. Trạng thái keo của một chất sông có tính vật lí quan trọng trong việc làm cho bề mặt tiếp xúc của hạt nhân phân tán trong keo tăng lên rất nhanh. Đó là nhân tô quan trọng làm tăng tôc độ các phản ứng sinh hoá học. Chất sôVig tồn tại trong cơ thể, trong tê bào ở'trạng thái keo. Và keo sinh chất là keo thuận nghịch trong điểu kiện sống bình thường. Chương 2 TẾ BÀO NHÂN Sơ I. ĐẠI CƯƠNG VỀ TỂ BÀO NHÂN sơ Trưóc đây rất lâu, khi con người còn chưa biết về tế bào nhân sơ như vi khuẩn là gi, vi sinh vật là gi nhưng đã khai thác theo hướng có lợi nhiều hoạt động sống của chúng. Quá trình lên men rượu, sản suất dấm, làm tương, sản xuất nước mắm, muối dưa chua, làm đậu phụ, làm chao (đậu phụ nhự),... là sự khai thác các mặt có ích của chúng trong việc chế biến thức ăn, nưốc uống phục vụ nhu cầu đời sống hàng ngày, mặc dù lúc bấy giờ chưa phát hiện được một sô ít trong chúng là nguyên nhân cơ bản của các bệnh dịch lan tràn nhanh chóng như bệnh đậu mùa, bệnh dịch hạch, bệnh thương hàn, bệnh tả... Các nhà Sinh học bấy giờ củng chỉ biết nghiên cứu các sinh vật, các cây, con được quan sát xem xét bằng mắt. Những sinh vật bé nhỏ dưới tầm nhìn của mắt thường, con người phải chờ tối giữa thế kỉ XII, nhờ phát minh ra kính hiển vi quang học của Antonv Van Leeuvvenhoek (người Hà Lan) mối có thể nghiên cứu được. Kính hiển vi quang học đầu tiên có khả năng phóng đại các vật kích thước nhỏ không quan sát được bằng mắt lên từ 160 đến 200 lần. Leeuwenhoek dùng kính hiển vi quang học này quan sát các sinh vật nhỏ trong nước, trong phân người và động vật... Ông phát hiện ra thê giới vi sinh vật - lúc ấy ông gọi là những động vật nhỏ. Những động vật nhỏ đó có những hình dạng khác nhau: như hình cầu, hình que, hình xoắn... 43 tương ứng vối những loại hình thể chính của các vi khuẩn. Từ đó các dạng tế bào sinh vật nhân sơ ngày càng được nghiên cứu sâu, có hệ thông hơn. Các nhà y sinh học cũng từ đây bắt đầu nghiên cứu các vi sinh vật gây ra các bệnh tật. Trong sô' chúng, có loại gọi là vi khuẩn, có loại gọi là virus. Vi khuẩn có ba loại hình dạng cơ bản như đã nói trên là: hình cầu, hình que, hình xoắn. Vi khuẩn sinh sản bằng cách cắt đôi ở bất kì đâu; còn virus chỉ sinh sản được bên trong các tê bào sông khác, như tê bào động vât, thưc vât, tê bào vi khuẩn. Thê giối vi khuẩn rất đa dạng, phong phú, có thể gặp khắp nơi trong tự nhiên trên quả đất (trong đất, nước, trên mặt đất, trong không khí bao quanh quả đất...)* Chúng có thể là loại có ích cho đời sống con người, động vật, thực vật nhưng củng có nhiều loại gây bệnh tật. Các nhà khoa học sinh học cũng xếp vi khuẩn thành hai nhóm trên cơ sở dựa vào khả năng hoạt động của chúng là tự dưỡng và dị dưỡng. Các vi khuẩn tự dưỡng không gây bệnh, chúng sử dụng khí cacbonic làm nguồn cacbon chính và có thể phát triển trong môi trường hoá học đơn giản. Các vi khuẩn dị dưỡng thì ngược lại, muôn tồn tại và phát triển phải nhờ các chất hữu cơ của động vật và thực vật sẵn có. Có nghĩa là các vi khuẩn tự dưỡng tự mình tổng hợp được các chất chuyển hoá cần thiết như vitamin, các hoocmon, ... từ các chất vô cơ. Còn các vi khuân dị dưỡng không có khả năng đó, mà phải sông nhờ các chất chuyển hoá trên ở trong các tế bào khác. Nói chung vi khuẩn có vai trò tự nhiên vô cùng to lớn. Trong chu trình của nitơ tự nhiên, các vi khuẩn làm thôi rữa xác hữu cơ của động vật, thực vật, xác vi sinh vật giữ vai trò quan trọng. Trong vòng tuần hoàn tự nhiên của cacbon, các vi 44 khuẩn lên men chất cacbohiđrat ở động vật và thực vật đóng vai trò to lớn. Có thể nói, nếu không có vi khuẩn thì tất cả các nguyên tử cacbon, nitơ sẽ tích tụ lại trong xác chết mãi mãi và sự sông sẽ ngừng lại vì không có nguyên liệu tổng hợp lên chất nguyên sinh mới. Đặc biệt có những vi khuẩn có khả năng sử dụng nitơ khí quyển để tạo nên các hợp chất nitơ, từ đó thực vật có chúng cộng sinh, có thể tổng hợp được protein cần thiết cho cơ thế chúng. Và các protein đó lại rất cần thiết cho các động vật và con người. Trong công nghệ sinh học, chính hoạt động sống của các vi khuẩn là nhân tô" có vai trò trọng yếu. Con người sản xuất rượu các loại bia, vang,... nhò sự lên men của các vi khuẩn lên men rượu đôi vối đường. Các thực phẩm giàu chất dinh dưỡng như sữa chua, bơ, phomát, đậu phụ, nưốc chấm... cũng nhờ hoạt động của các vi khuẩn lên men sữa, đậu tương, các hạt dầu giàu protein. Trong công nghiệp sản xuất vacxin để phòng các bệnh dịch nguy hiểm như uốn ván, bại liệt, sốt rét,... chúng ta cũng khai thác các hoạt động của vi sinh vật và virus gây nên các bệnh dịch đó. Để biến rác thải trong đòi sôVig hàng ngày của con người, đặc biệt ở trong các đô thị, thành các sản phẩm có ích không gây ô nhiễm môi trường sống, người ta đã khai thác hoạt động của vi khuẩn lên men thôi, các nấm phân huỷ xác hữu cơ khá bền vững như xenlulozơ... Từ đó rác thải biên thành khí đ ốt^u n nóng, sưởi ấm, biến thành phân bón vi sinh, biến thành eompost (phân trộn) là phân bón sạch cho các cây trồng lương thực, rau quả, cây cảnh. Công nghệ sản xuất nhiều loại vitamin, nhiều loại thực phẩm giàu protein hiện đại khác như thịt nhân tạo,... cũng đều đã sử dụng hoạt động của các vi khuẩn thích ứng. Riêng đôi với môn khoa học mới như sinh học sinh học phân tử thì các vi khuẩn như Escherichia coli trở thành đối tượng vô cùng giá trị để nghiên cứu. Ngày nay, các 45 khoa học khác nghiên cứu tê bào đã đạt nhiều thành tựu to lớn, củng nhờ sử dụng vi khuẩn đó làm đối tượng tác động Watson trên cơ sở nghiên cứu Escherichia coli đã tạo ra các thành tựu về sinh học phân tử (E . Coli bé hơn 500 lần so với té bào bình thường của động vật hay thực vật, có khôi lượng là 2.10”12 gam, chứa 75% là nước so với khối lượng khô, có khoảng 3000 - 6000 loại phân tử khác nhau). F. Jacob và J. Monod (1960) dựa vào các kết quả nghiên cứu trên đối tượng E. Coli mà phát minh cơ chế điều hoà phiên mã ở tế bào nhân sơ trong quá trình tổng hợp protein. Tóm lại, sự hiểu biết của loài người trong phân tử, sinh học vi mô ngày càng sâu hơn. Trên cơ sở đó ngày càng khai thác các kết quả nghiên cứu đó đế phục vụ cho lợi ích của con người. Cho nên việc nghiên cứu tế bào nhân sơ như các vi khuẩn cũng như tế bào thực vật và động vật (tê bào nhân chuẩn) nói chung là điểu cần thiêt trước nhất đồi với mọi người yêu thích khoa học sinh học. II. HÌNH DẠNG TỂ BÀO NHÂN sơ Vi khuẩn có hình dạng nhất định, do vách vi khuẩn quyết định (trừ một số vi khuẩn không có vách). Kích thước của chúng từ bé nhất cho đên lốn nhất trong khoảng từ dưới 1 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 các loài vi khuẩn có dạng chỉ một tê bào đơn lẻ, nhưng ở một sô loài có nhiều tê bào xêp thành cụm, thành chuỗi. Hình dáng tế bào vi khuẩn có ba loại: cầu khuân là dạng vi khuẩn có dạng hình cầu, xoắn khuân có dạng hình xoắn hay hình dấu phẩy, trực khuàn có dạng hình que (hình 2 .1). 46 Hình 2.1. Các kiếu vi khuân Dạng hình cầu: A. Staphylococcus aureus; B. Diplococcus pneumoniae; c. Streptococcus pyogenes. 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 sô" các cầu khuẩn, có loại chỉ có một tế bào riêng rẽ, có loại xếp thành hai tế bào (lậu cầu gây bệnh lậu (Gonococcus), có loại xếp nhiều tế bào thành chuỗi dài (liên cầu khuẩn - Streptococus), có loại nhiều tế bào xếp thành từng 47 chùm lộn xộn như chùm nho (tứ cầu khuẩn — Staphylococcus) Còn loại xoắn khuẩn thì gồm hai loại chính: Loại thứ nhất cc cơ thể xoắn ít, đôi khi có hình dấu phẩy (xoắn khuẩn gây bệnh tả); Loại thứ hai có thể xoắn nhiều như các dụng cụ mở nút chai, một trong sô" loại này gây bệnh giang mai. III. CẤU TẠO TỂ BÀO NHÂN sơ Hình 2.2. Tê bào vi khuẩn (phóng đại 50.000 lẩn) Tuy trong sinh giối có nhiều loại sinh vật bé nhỏ không quan sát được bằng mắt, song tê bào vi khuẩn khác xa với 48 nhiều vi sinh vật khác vê' cấu tạo và một sô" quá trình sinh lí khác như không có phân bào. không có màng nhân, chỉ một thê nhiễm sác, không có hầu hết các cơ quan tử của một tê bào thông thường trừ riboxom, chúng lại có roi và các sỢi ngắn gọi là lông (pili) (pili F. pili chung). Dưới kính hiển vi điện tử, người ta thấy tê bào vi khuẩn như hình 2 .2 . 1. Nhân tế bào nhân sơ 1.1. Thành phần hoá học, sự phân bô nhân Nhân là một bộ phận của tế bào nói chung chứa đựng bộ máy di truyền có nhiều axit đeôxiribonucleic. Vì chứa ADX nên ưa kiềm dẫn tới nhân bắt màu với chất màu kiềm lúc nhuộm. Ờ tế bào động vật và thực vật, nhân tập trung nhiều ADN nên dễ bắt màu khi nhuộm. Song ở tê bào vi khuẩn, một mặt vì chỉ có ít ADN, mặt khác ADN lại phân tán trong sinh chất cho nên nhuộm màu không tập trung, do đó khó phân biệt; phải nhuộm màu riêng nhân tê bào vi khuẩn bằng thuôc nhuộm đặc biệt mới dễ quan sát. Bởi thê vi khuẩn thuộc loại tê bào nhân sơ. Sự kiện đó chỉ xảy ra từ năm 1935. Ngưòi ta nhuộm được 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 của tế bào nhân sơ một cách chính xác vi tồc độ phân chia tế bào vi khuẩn quá nhanh. Quan sát nhân tê bào vi khuẩn thường gặp 2 hoặc 4 nhân - hiện tượng này là do tế bào vi khuẩn đang ở trong trạng thái phân chia. Ngoài ra còn do các yêu tô' khác mà hình dạng nhân của tế bào thay đôi. Ví dụ. nồng độ NaCl, tia cực tím, tia X, hoặc liều thuôc làm yếu gần chêt các chât kháng sinh như aurêômyxin, cloramphenicol... 4- TÊBÀOHỌC 49 1.3. Cấu tạo nhản Sử dụng kính hiển vi điện tử để quan sát nhân, so sánh nhân của tế bào động vật và thực vật nói chung, nhân tế bào vi khuẩn có cấu tạo như sau: a. Không có màng của nhản: người ta vẫn phân biệt được cấu trúc nhân và nguyên sinh chất vì thành phần cấu tạo hoá học của chúng khác nhau. b. Nhân có cấu tạo một sợi có đưòng kính 3 - 8nm, không có nhân con, là một sợi xoắn ADN. Nếu tháo xoắn, ta có một sợi dài lmm. c. Là một sợi AD N đóng kín: Hiện tại cũng chưa thôíng nhất vể ý kiến cho rằng ADN này có hay không có liên kết với loại protein kiểu như là protamin hay histon như ở tê bào động thực vật. Các gen trên phân tử ADN nhân tê bào vi khuẩn xếp thẳng hàng trên cùng một nhóm liên kết vòng. Đó là giả thuyết được các nhà hình thái học về nhân xác nhận. • • • d. Sợi ADN của tê bào vi khuân thường có dạng vòng tròn. Kêt luận này có được là nhờ Klein Schmidt li giải Micrococcus lisodeiticus trong điều kiện không dùng chất tẩy mạnh. ADN được giải phóng ra một cách dễ dàng và được hấp thụ lên một lớp protein; ADN được mạ bóng và sau đó quan sát bàng kính hiển vi điện tử. Hình ảnh thu nhận được của ADN rất rõ. Đó đúng là một sợi dài, có đường kính phù hợp vối đường kính của hai sợi xoắn lại và không có hai đầu tự do, nó tạo ra một vòng tròn. c. Sơi ADN tự sao chép theo sơ đồ Crick và Watson. Cairns đã chứng minh sự kiện này bàng một thí nghiệm tuyệt vời sau đây: Ong nuôi cây E. Coli trên một môi trường có timin đánh dâu bằng tritium. Timin trộn lẫn vào ADN, ADN trở thành có tính chảt phóng xạ. Sau các thời gian nuôi cấy khác nhau, đem li giải tẽ bào vi khuấn đó bằng một phức hệ gồm enzym phân 50 giải cùng một loại thuốc tẩy, ADN được giải phóng ra. Đem ADN đặt lên phiến kính mỏng. Phiến kính được đặt chỗ khô và sau đó được phủ lên nhờ hỗn dịch thuốc ảnh. Hai tháng sau bóc lốp ảnh chụp ra đem quan sát sẽ thấy có những sợi bị gãy, nhưng có những sợi độc nhất có hình vòng tròn chu vi 1400Ịim. Phân tử ADN này có khối lượng phân tử là 2 tỉ. Nó được hình thành bởi một chuỗi polinucleotit kép. Chuỗi này tự sao chép theo cách bán bảo toàn, mỗi sợi được dùng làm khuôn để hình thành sợi bên. 1.4. Sinh chất của tế bào nhân sơ Sinh chất của tê bào vi khuẩn khác vối sinh chất của các tê bào động thực vật. Trong tế bào động vật và thực vật bậc cao, sinh chất có câu tạo phức tạp vối trung tử, tiểu thể trung, ti thể, bộ máy Golgi, mạng lưới nội chất các loại... Sinh chất của chúng còn có các chuyển động, sự hình thức và sự biến mất của không bào. Còn ở tế bào vi khuẩn, sinh chất cấu trúc đơn giản. Sinh chất tế bào vi khuẩn luôn ở trạng thái gel, vì vậy sinh chất không thể chuyển động. Trong chúng có các thể hạt. các thể vùi. Dưới kính hiển vi điện tử, sinh chất có cấu tạo cơ bản bởi • 7 • dày đặc các hạt có đường kính 10 - 2 0 nm. Đó là các riboxom câu tạo nhờ protein và ARN. Các riboxom khi bị quay li tâm có độ lắng là 30S, 50S. 70S và 100S . Loại có 70S là do loại 30S và 50S hợp thành. Loại 100S là do hai loại 70S hợp thành. Nhiều riboxom hợp thành nhiều đám nhiều riboxom (poliriboxom) trong sinh chất. Các poliriboxom là noi xảy ra sự tổng hợp protein. Thể vùi trong sinh chất là các kho chứa eacbonhicừat, chứa * là đơn vị đo độ lắng đọng khi quay li tâm. 51 các photphat và các chất có năng lượng cao. Tóm lại sinh chất của vi khuẩn có những đặc điểm sau: + Không chuyển động được nội bào. + Không có các bộ phận biệt hoá.* + Không có trung tử. + Không có bộ máy Golgi. + Không có mạng lưối nội chất. + Không có lạp thế. + Không có hệ tiểu vật. Nhưng sô' lượng của riboxom rất nhiều nên tế bào vi khuẩn có khả năng tống hợp lớn, sinh sôi nảy nở rất nhanh. 2. Màng sinh chất tế bào nhân sơ Nếu tách vách ra khỏi tế bào vi khuẩn, chúng ta sẽ thấy màng sinh chất bao bọc sinh chất. Muôn quan sát màng sinh chất, đặt tế bào vi khuẩn trong dung dịch ưu trương (dung dịch có nồng độ chất tan lớn hơn nồng độ chất tan tương ứng có trong tế bào chất) thì nước trong sinh chất thoát khỏi tê bào vi khuẩn. Sinh chất vi khuẩn co lại và có một màng chiết quang hơn bọc sinh chất tách rời vách. Màng này có thể được nhuộm màu rõ. Nêu nhúng tê bào vi khuẩn này trở lại trong dung dịch nhược trương (dung dịch có nồng độ chất tan bé hơn nồng độ chât tan tương ứng trong tê bào chất) thì tế bào vi khuẩn sẽ trương phình lên và có thể bị nổ vỡ. Có thể thu hồi riêng màng sinh chất nhờ các phương pháp li tâm sau khi đã phá vỡ các tế bào vi khuẩn. Dưới kính hiển vi diện tử, màng sinh chất có bề dày khoảng lOnm. Màng gồm có 3 miền: hai miền ngoài và trong có màu đục tối, miền giữa dày hơn màu sáng. Phân tích hoá học người ta thấy màng bao gồm một lốp kép photpholipit là chủ yếu. ở trên lớp kép photpholipit này còn có các phân tử protein sắp xếp rải rác, đó là các phân tử protein xuyên màng. Ở rìa ngoài cũng như ở rìa trong của lốp kép photpholipit, người ta còn tìm thấy các phân tử protein rìa màng. Loại nằm ở miền ngoài gọi là rìa màng ngoài, loại nằm ở miền trong gọi là rìa màng trong. Cũng có người xem màng như một biển lỏng photpholipit, mà trên ô "biển" lỏng đó có mặt các "đảo" protein. Và nếu xem màng như khảm lỏng cũng có thể gần đúng. Kiểu câ^u tạo màng vi khuẩn mô tả ở trên cũng hệt như kiểu màng sinh chất của các tế bào động vật và thực vật bậc cao khác. Chức năng của m àng sinh chất ở tê bào nhản sơ Chức năng thấm chọn lọc: Màng sinh chất có chức năng như một hàng rào thẩm thấu. Nó cho phép một số chất hoà tan cần thiết cho tế bào vi khuẩn đi vào được trong tế bào vi khuẩn, đồng thòi nó cũng cho phép một sô" chất khác hoà tan có hại cho tế bào vi khuẩn đi ra khỏi tế bào vi khuẩn (các độc tố" đôi vối tế bào vi khuẩn...). Trên màng sinh chât phân bổ nhiều các loại enzym chuyển hoá các chât và trao đổi năng lượng như các enzym thuộc nhóm xitôcrôm, các enzym hoạt động trong chu trình Krebs. Đôi với sự phân chia của tê bào vi khuẩn, màng nguyên sinh cùng “màng” mạc thể cũng còn gọi là mảnh giữa (mêxôsôm) có chức năng chỉ đạo sự phân chia tế bào vi khuẩn. Mêxôsôm như là khâu trung gian của sự liên kết không đổi giữa các chất nhân và màng sinh chất. Tóm lại. màng sinh chất và mẽxôsôm của tế bào ỵi khuẩn đóng^vaLtrò như ti thê ỏ các loai tế bào khác và củng tham gia vào quá trình phân chia của tế bào. 53 3. Vách tế bào nhân sơ Người ta nhận biết vách tế bào nhân sơ bằng nhiều cách: vi phẫu phân tích, phân lập vách, nhuộm màu; trong y tế thì dùng phản ứng kháng thể đặc hiệu, và phổ biến hiện nay là soi kính hiển vi điện tử. Vách vi khuẩn như một cái khung bên ngoài có tác dụng giữ hình dáng nhất định của tế bào vi khuẩn. Cấu tạo vách có chức năng bảo vệ cơ thể vi khuẩn chông lại áp suất thẩm thấu nội bào lốn. Thành phần cấu tạo vách là các xenlulozơ. Vách của các loài vi khuẩn nào kêt hợp thành phức hợp bền vững VỐI thuốc nhuộm tím gentiem và lugol và phức hợp này khó bị phân rã thì trong y tế gọi đó là ui khuân gram dương (+), vách này chỉ có một lớp đồng nhất, dày 15 - 20nm. Vách của loại nào cho phép cồn dẫn thuốc nhuộm vào VI khuẩn thì vi khuẩn đó là ui khuấn gram âm (-). Vách này có cấu tạo ba miền. Một miền sáng nằm giữa hai miền đen. Miền ngoài bao gồm các porin (là protein) tạo ra kênh để các phân tử lốn (M > 1000) đi qua. Miển giữa là peptidoglican (gần như chitin), làm cứng vỏ. Miền trong là miền có nhiều yếu tô" vận chuyển qua đến màng sinh chất. Có loại tô bào vi khuẩn có vách gồm các đơn vị thứ cấp có cấu trúc đa giác, đường kính từ 8 - lOnm. Một sô" khác có cấu trúc sợi. Các câu trúc vách tê bào vi khuẩn thường nhạy cảm với các loại thuốc kháng sinh. Vách nằm cách màng sinh chất một khoảng trung gian, chứa glicopeptit (protein - glucan). Khôi lượng khô của vách của tê bào vi khuẩn rất lốn. chiếm khoáng 20 - 35% so với khối lượng tổng số. Phân tích thành phần hoá sinh học của vách tế bào vi 54 khuẩn gram dương, người ta thấy có nhiều loại ozơ như axetyl glucosamin (AG), axit axetyl muramic (AAM), glucozơ, galactozơ, gentibiozơ... Cũng còn có nhiều loại axit amin như alanin, lizin hay diaminopimelic, axit glutamin, glixin... không có lipit. Phân tích kiểu cấu trúc, người ta thấy trong vách các murêin có tổ chức liên kết các chất lại như sau (hình 2.3): Hình 2.3 55 Bên ngoài vách của tế bào vi khuẩn còn có một lớp vỏ. Đó là sản phẩm tiết ra từ vách, vỏ chứa các chất tiết đó giữ vai trò là nhân tô' kháng nguyên. <* 4. Roi và lông tế bào nhân sơ - Roi làm cho tế bào vi khuẩn di động được, dài chừng 6 - 12nm, đường kính 10 đến 30nm. Hình dạng của roi lúc chuyển động có thể là lượn sóng hoặc xoáy trôn ốc. Chúng phân bố khác nhau tuỳ loại vi khuẩn (hình 2 .2). Điểm xuất phát của lông từ màng sinh chắt vượt qua màng nguyên sinh và thò ra ngoài. Tại gôc roi có thể cơ bản. Thành phần hoá học'của roi là các protein có khôi lượng phân tử từ 30000 đến 40000. Roi là cơ quan vận động của tế bào vi khuẩn. Tổc độ vận động khoảng 0,5nm/phút. - Ở tế bào vi khuẩn, ngoài roi còn có lông (pili). Lông cũng có hình dáng như roi song ngắn hơn. Có hai loại lông: lông thường và lông giới tính. Lông thường có thành phần cấu tạo hoá học là một loại protein. Lông giới tính dài tới 20|am, đường kính là 8,5nm. Sô" lượng ở trên mỗi tê bào không nhiểu, từ 1 đên 4 chiếc. Qua lông, các nucleic được bơm đẩy qua. Lúc giao phôi xảy ra thì một đầu của lông cá thê đực này cò' định ở cá thể cái. 5. Vỏ tê bào nhân sơ Vỏ của vi khuẩn là một bộ phận tuỳ tiện gặp ở một sô" loài tê bào vi khuẩn như Clostridium, Bacillus... vỏ xuất hiện trong điều kiện không thuận lợi cho đời sông của chúng như nhiệt độ cao, pH thay đổi. Trên tê bào vi khuẩn, vỏ có thể hình thành ớ các vị trí khác nhau: ở giữa, ở gần cuối hay ở cuôì của tế bào vi khuẩn. vỏ có thành phần hoá sinh học là các protein giàu liên kêt đisuníua như xystin, các canxi và các axit dipicolinic. Ở tê bào khuẩn lam, vỏ làm cho tê bào nổi lên bám vào hay chọc thủng vào các giá thê khác. IV. TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG Tê bào vi khuẩn cũng có phương thức trao đổi chất và năng lượng như hầu hết tế bào giới sinh vật. Chúng ta kêt hợp nghiên cứu nội dung này khi nghiên cứu trao đổi chất và năng lượng của các tế bào nhân chuẩn. Đa sô" tế bào vi khuẩn sinh sôrig theo phương thức dị dưỡng ngoại trừ tế bào khuẩn lam. V. SINH SẢN CỦA TỂ BÀO NHÂN s ơ Sự sinh sản piia-tấ-bần vi khuẩn thường theo con đường sinh sản vô tính -J)hân đôi tế bào. Trong quá trình đó có sự phân đôi thể nhiễm sắc và sự phân chia các phần còn lại của tê bào. Tuy nhiên sự nhân đôi thể nhiễm sắc và phân chia miền nhân không phải là luôn luôn xả}' ra đồng thời với sự phân chia các phần còn lại của tế bào. Vì vậy mỗi tê bào thường có một hoặc bôn hoặc nhiều hơn về sô' lượng miền nhân. Ở một sô" loài thì tế bào mẹ kéo dài ra rồi mới phân chia. Trong khi đó ở một số tế bào khác, hai tế bào con được tách ra rồi mới lớn lên. Sự phân chia tế bào xảy ra rất nhanh ở vi khuẩn, ở một sô' lớn tế bào vi khuẩn cứ 20 phút lại có một lần phân chia. Với tốc độ phân chia như vậy. sau 6 giờ một tế bào vi khuấn sinh được 250.000 tế bào mới trong điểu kiện thuận lợi. Con sô' này giúp chúng ta hiểu được vì sao chỉ có một số" lượng nhỏ vi khuẩn xâm nhập vào cơ thể người và động vật thì chẳng mấy chốc đã có thể làm xuất hiện triệu chứng bệnh tật. Một sô" tài liệu nghiên cứu tế bào và di truyền cũng cho thấy 57 thỉnh thoảng ở vi khuẩn có thể có hiện tượng sinh sản giông sinh sản hữu tính. Lúc đó cũng xảy ra sự liên kết giữa hai tế bào và trao đổi các yếu tô di truyền, ở E. Coli, có thể hiện tính “đực - cái”. Tê bào tính “đực” chuyền các tín hiệu di truyền nhờ cách tiếp xúc trực tiếp với các tế bào “cái”. Khả năng chuyển gen này được điều chỉnh nhờ yếu tô" sinh sản lông F*. Lông ĩ* có thể chuyển sang tế bào “cái” và khi đó tế bào này sẽ thành tế bào “đực”. Các tế bào vi khuẩn bình thường đều là đơn bội. Khi sinh sản hữu tính, thể nhiễm sắc từ tế bào “đực” được chuyền một phần hay toàn bộ sang tế bào “cái” và kết quả là tạo ra một tế bào một phần hay hoàn toàn lưõng bội. Tế bào mới này nếu phân li thể nhiễm sắc thì sẽ tạo nên thế hệ con đơn bội như cũ. VI. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA TỂ BÀO NHÂN sơ Hàng loạt các sản phẩm hoá sinh học được các loài vi khuẩn khác nhau sinh ra trong quá trĩnh trao đối chất là những chất có giá trị lớn đôi với con người, sản lượng của nhiều ngành công nghiệp (công nghệ sinh học) phụ thuộc một phần hoặc toàn bộ vào hoạt động sông của vi khuẩn. Nhiều loại vi khuẩn nhất định có khả năng sản xuất ra một lượng lớn các hợp chất hoá học quan trọng như rượu butylic, axeton,... Không có sự tham gia của vi khuẩn sẽ không thực hiện được quá trình sấy thuốc lá, quá trình xử lí da trướcjíhi thuộc, quá trình ngâm vỏ đay để sản xuất sợi, quá trình-sản xuất nưốc mắm, quá trình sản xuất bột ngọt* „7 Vi khuẩn được dùng để sản xuất thực phẩm như bơ, phomát, dưa chua, xử lí bông, tơ, cà phê, ca cao,... Người ta cũng đã dùng vi khuẩn để xử lí làm sạch nước bẩn, phân giải rác bẩn, phân huỷ các4ép dầu mỏ chảy tràn trên mặt biển,.:.' Đặc biệt là người ta dùng 58 vi khuẩn đê sản xuất phân bón chọ.câỵ trồng và vi khuẩn có vai trò to lốn trong chu trình nitơ và cacbon tự nhiên. Trong việc phòng các bệnh hiểm nghèo như uổn ván, bại liệt, bạch hầu, ho gà, người ta đã dùng vi khuẩn thích hợp để sản xuất văcxin. Công nghệ sinh học phát triển mạnh mẽ như hiện nay trên thê giới phần chủ yếu và quan trọng sô một vẫn là khai thác hoạt động sông vô cùng đa dạng, phong phú của các tế bào vi khuẩn. Tuy nhiên khả năng gây bệnh cho người và động vật cũng hết sức to lốn. Vì vậy, việc nghiên cứu chúng có tầm quan trọng lớn lao. 59 Chương 3 TẾ BÀO NHÂN CHUẨN I. ĐẠI CƯƠNG VỀ TỂ BÀO NHÂN CHUẨN Tế bào nhân sơ có hình dạng thuộc ba dạng phổ biến là hình que, hình phẩy hay xoắn và hình Cầuj còn các tế bào nhân chuẩn thì hình dáng đa dạng hơn. Tế bào biểu bì thực vật có hình dạng khôi vuông hay chữ nhật, vách phía tiếp xúc môi trường dày và hóa cutin ở lá, hoá bần ở thân rễ. Đặc biệt tế bào biểu bì rễ non còn có thể phình ra thành tế bào lông hút. Tê bào tầng phát sinh có hình khôi chữ nhật, thành mỏng, nhân lớn, tế bào chất nhiều. Tế bào mô thịt gần như quả trứng. Tê bào mô thịt lá chứa nhiều lục lạp và hạt tinh bột. Tế bào mach • • • X # • I dẫn có hình trụ rỗng dài, vạch hoá lignin, có tác dụng nâng đỡ cơ học và dẫn dắt thức ăn từ dưối lên và tế bào có lỗ rây thì dẫn chất hữu cơ tổng hợp đến các bộ phận khác của cây. Tế bào cánh hoa thì không bào lớn, chứa nhiều chất có màu sắc. Tế bào động vật cũng vô cùng đa dạng, phong phú. Tuỳ loại mô khác nhau mà tế bào có hình dạng khác nhau. Tế bào hồng cầu hình đĩa dẹp hai bên. Tế bào cơ thì dài và gần nhọn hai đầu. Tế bào thần kinh có hình dạng sao có hình tua dài,... Tế bào nhân chuẩn có hình dạng nói chung phức tạp, song cách cấu tạo rất gần giông nhau: chúng đểu có vỏ, màng sinh chất, nhân và tê bào chất. Trong tế bào chất thì có nhiều cơ quan tử xây dựng nên nhờ hệ thống màng bên trong tế bào (hình 3.1). Trong cơ thể động vật cũng như thực vật, các tế bào trên cơ sở 60 chức năng thông nhất hợp lại thành các mô. Nhiều mô hợp lại thành cơ quan. Nhiều cơ quan hợp lại thành cơ thê hoàn chỉnh. Hình 3.1. Sơ dổ cấu trúc chi tiết tế bào động vật (biểu bì lông ruột) Aer: lưới nội chất không có hạt; p: lỗ màng nhân; chr: thể nhiễm sắc; ri' riboxom; d: thể sợi desmosoma; c: trung tử; nu: nhân; clr: gốc lông; p v túi uống■ ger: mạng lưới nội chất có hạt; bm: bên ngoàii màng; cl: lông; g: bộ máy Golgi; mv: túi của màng; li: lyzoxôm; mf: rành sâu; pm: màng sinh chất; mi: ti thể; sv: túi tiết 61 Trưốc tiên chúng ta tìm hiểu màng sinh chất và chức năng của màng sinh chât. II. MÀNG SINH CHẤT VÀ CHỨC NĂNG Điếu trưốc tiên muôn nói là tế bào xuất hiện chỉ khi có màng hình thành. Tế bào có thành phần cấu tạo hết sức phức tạp. Các màng vạch rõ ra ranh giới bên ngoài và điều khiển dòng phân tử qua ranh giới đó. Màng chia không gian bên trong tế bào ra thành các bộ phận riêng biệt, các quá trình và thành phần riêng rẽ. Chúng tổ chức phản ứng phức tạp liên tục và chúng còn làm trung tâm của việc dự trữ năng lượng và thông tin qua lại từ tế bào đến tế bào. Các hoạt động~sinh học của các màng bắt nguồn từ các tính chất vật lí đặc biệt của chúng. Các màng bển vững nhưng linh hoạt, tự khép kín và thẩm thấu chon lọc đôi vối các chất tan có cực. Tính linh hoạt • • • của nó cho phép thay đổi có định hướng, đồng thời làm cho tê bào vừa lớn lên vừa chuyển động (như amip). Khả .năng đóng kín các chỗ vỡ tạm thời cho màng liền lại cho phép sự hợp nhất lại của hai màng như lúc thải ra khỏi tế bào hay cho phép phần màng đơn đóng sau khi phân chia, thu được hai ngărTđã kín, như ở trong thực bào, hay trong sự phân chia tế bào không sinh ra lỗ lớn thô thông qua bề mặt của tế bào. Vì màng có tính thẩm thâu chọn lọc: giữ lại các chất và các ion nhất định đối VỚI các tê bào và đôi với các phần của tê bào đặc trưng vầ ngăn chặn các thứ khác. Các màng không phải là các tấm chán thụ động. Chúng bao gồm một loạt protein đặc biệt kích thích hay xúc tác khác nhau của các phân tử. Các bơm vận chuyên các chất tan hữu cơ đặc biệt và các ion vô cơ qua màng ngược gradient nồng độ, biên đối năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Chất nhận 62 (receptor) của màng sinh chất nhạy cảm với các dấu hiệu ngoài tê bào, làm biến đổi chúng thành phân tử thay đổi trong tê bào. Các màng gồm có hai lớp phân tử và do đó rất mỏng, chúng được coi như hai đơn vị cơ bản. Hầu hết các quá trình sinh lí tê bào là phôi hợp vối màng (thậm chí như sự tổng hợp các chất lipit và các chất protein và sự biến đổi năng lượng trong ti thê và lục lạp). Vì các va chạm giữa các phân tử ở trong không gian hai lớp khác nhiều so với ở trong không gian ba lớp nên hiệu quả của các con đường xúc tác enzym nhất định xảy ra trong hai lớp được tăng lên rất lớn. Protein rìa màng TỂ BÀO CHẤT Hình 3.2. Mô hình câu trúc màng sinh chất Trong phần này, trước hết chúng ta mô tả thành phần của màng tế bào và cấu tạo hoá học của chúng, cấu trúc lí học là nơi tao ra các màng chức năng sinh học. Sau đó chúng ta 63 nghiên cứu sự vận chuyển màng và sự vận chuyển qua màng có protein của các chất tan. Trong phần cuối chúng ta sè tìm hiểu vai trò của màng trong trao đổi năng lương, tổng hdp mô, chuỵển.giao tín hiệur íổng hợp protein (hình 3.2). 1. Thành phần cấu tạo phân tử của màng sinh chất Để hiểu chức năng của màng, ta phải nghiên cứu xác định ' thành phần của màng; ví dụ, thành phần nào là phổ biến nhất trong màng, đơn vị nào duy nhất để màng có các chức năng dặc trưng,... Hiểu biết thành phần cũng thay đổi trong các nghiên cứu của cấu trúc màng, như các mẫu đối với cấu trúc màng, cần thiết làm cho phù hợp và giải thích thành phần đã biết. Trưốc khi làm rõ cấu trúc và chức năng của màng, chúng ta nghiên cứu xem xét thành phần phân tử của màng. Bảng 3.1. Các thành phán chủ yếu của màng sinh chất của các loài khác nhau Photpho lipit (%) Các lipit khác sterol (%)Loai sterol • Gan Protein (%) chuột 45 27 25VCholesterol t Lá ngũ cốc 47t26\Galactolipit 7 Sitosterol rượu52 7Triaxylglixerol Men Trùng đế Steryl este4 Ergosterol giày 56 40 — 4 Stigmasterol E. Coli 75 25 — 0 — Các protein và các lipit có cực được coi như cấu tử chiếm phần lớn khôi lượng của màng sinh chất. Trong đó một phần « 4 nhỏ là cacbohiđrat dạng glicoprotein. Tỉ lệ tương đôi giữa protein và lipit khác nhau trong các loại màng khác nhau (bảng 3.1), phản ánh tính phong phú về vai trò của màng, vỏ miêlin, đóng vai trò như chất cách điện bị động bọc xung quanh sỢi của các tê bào nơron, bao gồm một lớp lipit sơ cấp; nhưng màng của vi sinh vật, của lục lạp, của ti thể, trong đó có nhiêu quá trình trao đồi chất xúc tác bởi enzym xảy ra tại chỗ chứa protein hơn lipit. 2. Mỗi màng có thành phần lipit đặc trưng Đế nghiên cứu thành phần của màng, điều quan_£xạag dẩu tiên lả tách dườc màng thích hdp. Khi các tế bào nhân thực là đôi tượng đê nghiên cứu cơ chế, các màng sinh chất của chúng được xé vụn ra và tách phân đoạn, tách các thành phần tế bào và các cơ quan tử gắn liền với màng như ti thể, lục lạp, lizôxôm, nhân và phần khác. Các phần cắt đoạn của màng sinh chất và các cơ quan tử đã cắt rời có thê được tách bằng kĩ thuật li tâm. Phân tích hoá học của màng tách ròi từ các nguồn khác nhau dẫn đến một sô" tính chất chung. Thành phần lipit của màng là đặc trưng cho từng loại, từng loài, từng loại mô và từng loại cơ quan tử gắn liền với tế bào đã sử dụng (bảng 3.2). Các tế bào có cơ chế rõ ràng kiểm soát các loại và tổng số các lipit của màng đã tổng hợp và cung cấp các lipit đặc trưng cho các cơ quan tử cụ thể. Sự phôi hợp tuyệt vời này được xem là các tiến bộ đặc biệt chỉ một không hai đối với các tế bào và cơ thể trong quá trình tiến hoá; nhưng trong nhiều trương hợp, tầm quan trọng về chức năng của các hợp chất lipit đặc trưng này còn chưa được phát hiện. 5- TẾBÀOHỌC 65 Bảng 3.2. Thành phần lipit của màng cơ quan tử của tế bào gan chuột Choi PC PE PS Pl PG CL SM Màng sinh chất 30 18 11 9 4 0 0 14 Phức hê Golgi 8 40 15 4 6 0 0 10 Màng lưới nội chất trơn 16 50 21 0 7 0 2 12 Màng lưới nội chất có hạt 6 55 16 3 8 0 0 3 Màng nhân 10 55 20 3 7 0 0 3 Màng lizôxôm 14 25 13 0 7 0 5 24 Màng ti thể: trong 3 45 24 1 6 2 18 3 ngoài 5 45 23 2 13 3 4 5 Kí hiệu: Choi là cholesterol; PC là photphatidylcholin PE là photphatidyletanolamin; PS là photphatidylserin; PI là photphatidylinositol; PG là photphatidylglixerol; CL là cadiolipin; SM là sphingomyelin. 3. Các màng giữ chức năng khác nhau có protein khác nhau Hợp chất protein của các màng từ các nguồn khác nhau là khác nhau rất lớn so với hợp chất lipit của chúng, phản ánh sự đặc trưng về chức năng. Đoạn ngoài tê bào que của võng mạc mắt động vật có xương sông là có đặc trưng cao đổi VỐI sự tiếp nhận ánh sáng. Trôn 90% protein màng của nó là protein hấp thụ ánh sáng rhodopsin. Màng sinh chất không đặc trưng của hồng cầu có khoáng 20 loại thành phần protein đáng chú ý, một^âố lớn trong sô đó có sô lượng ít. Nhiều loại trong đó đóng vai trò như chất vận chuyển, mỗi loại chịu trách nhiệm vận chuyển một chất hqà 66 tan riêng đi qua màng. Màng trong của E. Coli chứa hàng trăm protein khác nhau, các nhân tô vận chuyến khác nhau cũng như các một sô enzym tham gia vào quá trình trao đổi, biên đôi năng lượng, tổng hợp lipit, xuất ngoại protein và phân chia tê bào. Màng ngoài của E. Coli có các protein có các chức năng khác nhau và kiểu protein khác nhau. Một sô loại protein màng có nhiêu cacbohiđrat liên kết cộng hoá trị. Các cacbohiđrat có thê chiếm từ 1 - 70% của tổng khôi lượng của các glicoprotein này. Trong rhodopsin của mắt động vật có xương sông một loại hèxasaccarit đơn chiếm 4% tổng sô". Trong glicophonn, một glicoprotem của màng sinh chất của hồng cầu, thì 60% của khôi lượng bao gồm các đơn vị polisaccarit phức tạp liên kết cộng hoá trị với các đuôi axit amin. Ba đuôi axit amin như serin, threonm (Thr) và asparagin (Asp) thường là các điểm tiếp xúc. Thông thường màng sinh chát chứa nhiều glicoprotein, nhưng các màng nội bào như màng lục lạp, màng ti thể thì chứa ít các cacbohiđrat liên kết cộng hoá trị. Các nửa của glicoprotein ỏ bề mặt ảnh hương tới sự gấp cuộn của protein, vận chuyển tối bê mặt của tê bào và các chức năng thu nhận (reception) của các glicoprotein này. Một sô" các protein này có liên kêt cộng hoá trị với một hoặc nhiều lipit. mà các lipit có thê giử vai trò như những cọc néo kị nước, giu chát protein vói màng. Một nửa lipit trên một số protein màng là axit béo. gán với amit hay liên kết este. Các protein có chuỗi dài isoprenoit liên kêt cộng hoá trị, và những protein khác liên kết vối photphatidylinositol (hình 3.3) thông qua polisaccarit phức tạp (glican). 67 L ip it m o ie ty ữ ẽ m tié p xu c Mynstoyl đuôi anrino^y Panmtoyl * Panmtoyl Pamesyl Ser hoâc Thr ờ trang C ysởtrong 14C _>____ Metyl este của đuôi cacboxyl Cys ơ c^ycan ■ inoátd Photphattiđylincstd - c^ycan o— o arĩinoaxit đuôi cacbax^ Hình 3.3. Các lipit liên kết đống hoá trị néo các protein ria màng. Chuỗi duôi íarnesyl là một isoprenoit. 68 4. Câu trúc phân tử của màng Tất cả các màng sinh chất có các tính chất cơ bản. Chúng không có khả năng thấm đối với nhiều chất tan có cực hay tích điện nhưng có khả năng thấm đôi vối các hợp chất không có cực; màng dày 5 - 8nm, có 3 lớp khi quan sát lớp cắt ngang nhờ kính^hiển vi điện tử mang lại. Thành phán hoả hoc và các, nghiên cứu vât lí của sự thẩm thấu và sư chuyển dông của các phân tử lipit và pro^in ripng hiệt trnng m à n g phrì hợp vói mỏ_ hình khảm lỏng đối vối câu trúc màng_sinbJiQC (hình 3.4). CÁC ĐẨU ĐUÔI AXYL CỦA MỠ ĐUÔI ẤM CACBONHĐRAT (CÓ CỤC) PHOTPHOLIPIT (VÔ CỰC) CÙAGLICOPROTEIN Hinh 3.4. Máu kham long cua câu trúc màng Chuỗi axyl mỡ phía trong màng tạo thành vùng lỏng, kị nước, các protein xuyên màng bơi trên biển mõ, giữ lại nhờ tương tác kị nước vói chuỗi bẽn axit amin không phân cực. cả protein và lipit tự do chuyển động bên trong mặt phẳng lóp kép, nhưng sự chuyển động của chất này từ mặt này của lớp kép đến mặt kia bị giởi hạn. Các nửa cacbohiđrat gắn với vài protein và lipit của màng sinh chất được xoay không cố định ra mặt ngoài của màng. I Photpholipit và sterol của “bọn lưỡng cư” hình thành lốp kép lipit có các vùng không phân cực của lipit trải lên nhau ở 69 phần lõi của lớp kép và cực của chúng hướng lên các nhóm trải ra phía ngoài. Trong những lớp kép lipit này, các protein hình cầu được ấn vào những khoảng cách không đều nhau, giừ lại bằng môi liên hệ không ưa nước giữa lipit của màng và các vùng kị nước trong các protein. Một số” protein lồi ra từ bể mặt này hay bổ mặt kia của màng; hầu hết mở bề ngang của nó rộng ra. Sự định hướng của các phân tử protein trong lớp kép là không đôi xứng, làm cho màng có bờ. Các vùng của protein chìa ra ngoài trên bể mặt phía này của lốp kép khác với phần chìa ra trên mặt phía kia, điều đó phản ánh sự không đốì xứng về chức năng. Các tiểu đơn vị của protein và lipit riêng trong màng tạo nôn thể khảm lỏng. Khái niệm đó không giông như thể khảm của ngói gổm và vữa, mà tự do biến đối một cách ổn định. Thô khảm màng là lỏng vì môi liên hệ qua lại giữa các lipit và giữa lipit vối protein là không đồng hoá trị, làm cho các phần tử lipit riêng và protein vận chuyển tự do phía bên kia trong sơ đồ của màng. Chúng ta sẽ nhìn thấy một sô" nét đặc trưng của mô hình thê khảm lỏng với nhiều chi tiết và xem xét bàng thực nghiệm hỗ trợ thêm cho quan điểm đó. 5. Lóp kép lipit là yếu tố cấu tạo cơ bản Chúng ta đã thây ràng lipit, khi lẫn vào nước thì tự động tạo thành câu trúc hai lốp; hai lớp đó ổn định nhờ mốì quan hệ của màng sinh học (5 - 6nm đo bằng kính hiển vi điện tử) là bề dày đôi vối một lớp kép lipit dày 3nm với các protein lồi ra trên từng phía. Sự nhiễu xạ tia X ở các màng giải thích tính chất phân bô mật độ electron đã làm cho có cấu trúc lớp kép. Các lizoxom (không bào mỡ) hình thành trong phòng thí nghiệm giải thích tính không thẩm thấu tương đối như thê đôi vối các chât tan có cực như đã thấy trong các màng sinh học 70 ỉ (dù mối đây coi chúng có thê thẩm thấu đôi với các chất tan, mà đôi với chúng có chất vận chuyển riêng). Tóm lại, tất cả ■ chứng cố chỉ ra rằng các màng sinh học có cấu tạo lớp kép lipit. Những lipit này sắp xếp không đôi xứng với nhau ở hai phía của lớp kép. Dù không đổi xứng, nó cũng không giông vối protein của màng. Ví dụ, trong màng sinh chất, các lipit nhất định được phát hiện đầu tiên trên bề mặt ngoài của lớp kép, còn một sô lipit khác là trên bề mặt trong (tê bào chất) (hình 3.Õ). MẬT NGOÀI LỚP KÉP LAMIN LSERIN )YLĨ\OSITOL MẬT TRONG LỚP KÉP Hình 3.5. Sự tham gia % của các lipit màng hồng cầu giữa mặt trong và mặt ngoài của màng là không cân đối: Sphingomyelin - Photphatidylcholin - Photphatidyletanolamin - Photphatidylserin - Photphatidylinositol. 71 6. Các lipit màng vận động liên tục Mặc dù cấu trúc hai lốp lipit tự nó là ổn định, các phân tủ photpholipit và sterol riêng của chúng tự do chuyển động trên mặt bằng của màng (hình 3.6). Các phân tử khuếch tán ra các bên nhanh đến nỗi một phân tử lipit riêng rẽ có thể đi vòng quanh một hồng cầu chỉ trong vài giây. Phía giữa của lớp kép cũng lỏng, chuỗi cacbohiđrat riêng của axit béo cũng ở trong tình trạng chuyển động không ngừng nhờ sự quay quanh của các liên kết cacbon - cacbon của các chuỗi axyl dài. Độ lỏng phụ thuộc vào thành phần lipit và nhiệt độ. ở nhiệt độ thâp, sự chuyển động của lipit tương đối ít xảy ra và lốp kép trong sáp xếp gần như tinh thể (paracrystallin). ở trên nhiệt độ đặc trưng cho mỗi màng, các lipit có thể chuyển động nhanh. Nhiệt độ để làm cho chúng chuyển động từ dạng tinh thể đặc tới lỏng phụ thuộc vào thành phần lipit của màng. Các axit béo no sắp xếp trong dạng tinh thể, nhưng các nút trong axit chưa no cản trở sự sắp xếp này, ngăn cản sự tạo ra trạng thái đặc paracrystallin. Ở nhiệt độ cao, màng chuyển từ đặc sang lỏng chứa tỉ lệ cao của các axit béo no bão hoà. Thành phần sterol của màng cũng là một nhân tô" quan trọng quyết định nhiệt độ chuyển động này. Cấu trúc planar (khung) cứng rắn của các nhân steroit cài vào giữa các chuỗi bên axyl mỡ có hai tác dụng đổi vối độ lỏng: dưới nhiệt độ biến đổi từ đặc đên lỏng thì sự chèn vào của sterol ngăn cản sự sắp xêp chặt của các chuỗi axyl mỡ. vì vậy hoà lỏng màng. Ở trên điểm nhiệt chuyển động, hệ thông vòng cứng rắn của sterol làm tính tự do của các chuỗi axyl mỡ nằm bên cạnh chuyển động nhờ sự quay của liên kêt cacbon - cacbon, vì vậy làm giảm sự hoá lỏng trong lõi của lớp kép. Do vậy các sterol hướng tối làm giảm nhẹ mức độ đặc và lỏng của các màng, nơi chứa các sterol. 72 Cả các tế bào vi khuẩn và các tế bào động vật nuôi cấy tự f,điều chỉnh thành phần lipit cho đạt tới độ lỏng bền vững dưới ị^các điều kiện sinh trưởng khác nhau. Ví dụ, khi nuôi ở nhiệt độ ị.thấp, vi sinh vật tổng hợp nhiều axit béo chưa no và một ít axit béo no hơn so vối khi nucleotit ỏ nhiệt độ cao hơn (bảng 3.3). Kêt fquả của sự điều chỉnh này trong thành phần lipit các màng của vi sinh vật nuôi ở nhiệt độ cao hay thấp có độ hoà tan như nhau. í Bảng 3.3. Thành phần axit béo của tê bào E. Coli nuôi cấy ở nhiệt độ khác nhau Axit béo% tổng số các axit béo 1 0°c 20°c 30°c 40°c Myristic (14 : 0) 4 4 4 8 Panmitic (14 : 0) 18 25 29 48 Panmitoleic (16 : 1) 26 24 23 9 Oleic (18 : 1) 38 34 30 12 Hiđroximiristic 13 10 10 8 ' Tỉ lệ giữa không bão hoà và bão hoà ___________________ ___________________________________________ 2,9 2,2 1,6 0,38 Dù sự di chuyển sang bên của các thành phần của màng và sự uốn cong của nhiệt của chuồi axyl xảy ra rõ, loại chuyển động thứ ba bị hạn chế: lớp kép vận chuyên hay sự khuếch tán “flip - flop”. sự vận chuyển của lipit từ mặt này của lốp kép đến măt kia của lớp kép (hình 3.6). Để cho sự chuvển động như thế xảy ra. dấu của phân tử lipit. nơi có phân cực và có thể tích điện, cần phải ròi bỏ khỏi môi trường nước của nó và chuyển vào trong phần kị nước của lớp kép; quá trình có kèm sự thay đổi năng lượng tự do dương và lớn (endergonic cao). Ví dụ, trong khi tổng họp màng sinh chất của vi sinh, các photpholipit đã sản xuất trên mặt bên trong của màng nhất thiết phải trải qua thẩm thấu "Oip - flop” đi vào trong mặt ngoài của lớp kép. 73 Ớ đây các protein dễ dàng khuếch tán flip - flop, miễn là con đường vận chuyển đó có lợi nhiều về mặt năng lượng. t k a m ; T I IÃ I c i i á t TII\\! 1 II\ v BÉN CHI VIA \ w Min; ! ! l A DUOI \ x \ I DAC — 1.0\N<; I R A M . T 1 IU LO ANC; Hình 3.6. Sự chuyển động lipit bên trong lóp kép gồm có sự thẩm thấu bén của các phân tử riêng trong một mặt của lớp kép, và chuyển động nhiệt của các nhóm axyl - lipit ỏ phía trong lóp kép. Vì chuvển động nhiệt, lớp kép tan ỏ nhiệt độ nhât định; khi nhiệt độ hạ xuống, lipit trỏ nên đông đặc (paracrystallin). Sự thẩm thấu kiểu 'ílip -flo p ” rất ít. 74 7 - Có protein màng xuyên qua và nối buộc lớp kép lipit Khi các phân tử protein riêng lẻ và các hỗn hợp phức tạp protein trong các màng sinh chất đã bị tách rời trong điều kiện nhiệt độ thâp nhờ kính hiển vi điện tử, một sô protein chỉ xuất hiện trên bê mặt của màng; một sô protein khác bác cầu qua qua độ dày lốn của lớp kép và kéo lồi ra cả bên trong và bên ngoài bể mặt của màng - đó là các protein điều khiển chất tan hoặc các tín hiệu đi qua màng. Sự định vị của protein màng cũng được nghiên cứu vối các chất, chúng phản ứng vối các chuỗi phụ protein, nhùng chúng không thể đi qua màng (hình 3.7). Hồng cầu của người là đôi tượng thuận lợi cho nghiên cứu, vì màng sinh chất của nó chỉ có một màng. NH C lh -C -O C H .C H , HA H-.N"f~ProieìnNH +CHt-C -O C H ; CHx 1EA (a) Hình 3.7. Các thí nghiệm xác dịnh trật tự của các protein màng trên màng a) Cả etylaxetimidat (EA) và iso-etionylaxetimidat (IEA) phản ứng vòi nhóm axit amin tự do trong các protein, nhưng chỉ dẫn xuất EA thẩm thấu tự do qua màng. Các thí nghiệm như đã để cập đến trong hình 3.7, giải thích ràng phân tử glicophorin xuyên qua màng hồng cầu. Phần amin cuối (mang cacbohiđrat) lồi ra mặt ngoài của màng. Phần amin cuối và cacboxyl cuôi chứa nhiều cực hoặc các phần phụ axit amin tích điện. Vì thế chúng hoàn toàn ưa nước. Cho 75 nên các đoạn dài ở trung tâm của protein chứa chủ yếu các phần axit amin kị nước. Phát hiện này xác định sự sắp xếp chuyển vận màng của glucophorin đã giải thích ở hình vẽ. Màng hóng cầu gôm 3 protein IEAcóC Các vùng ngoại và nội bào của protein phóng xạ Chỉ miền ngoài của protein có IEA phóng xạ Màng tách rời, hòa tan trong SDS. điện di protein đã tách rời nhờ gel pdiacrilamit * IEA EA o Phát hiện protein phóng xạ nhờ phim chụp tia X b. So sánh mô hình đánh dấu nhờ hai chất biểu lộ protein đã cho chỉ nằm trên mặt ngoài hay chỉ nằm trên mặt trong. Protein được đánh dấu nhờ hai chât phản ứng. Khi chất phản ứng thấm nhiều hơn là được cố định cả hai bẽn, và vì thế mỏ rộng màng. 76 ĩ. Các protein sắp xếp không đối xứng Ịjị, Thêm một yếu tô" nữa có thể được suy ra từ các kết quả :ủa thí nghiệm nhờ glucophorin: đó là chúng không chuyển động từ mặt này của lớp kép tới mặt kia; vị trí của nó trong màng là không đôi xứng. Những nghiên cứu tương tự của protein màng khác giải thích rằng mỗi loại có một định hưống riêng trong lớp kép. Và sự định hướng tại protein nhờ sự khuêch tán flip - flop xảy ra rất ít. Hơn nữa các glucoprotein của màng sinh chất được sắp xếp một cách cô định với các đuôi đường của chúng trên bề mặt của tê bào. Chúng ta sẽ thấy sự sắp xếp không đối xứng của các protein màng do không đôi xứng chức năng. Ví dụ, tất cả các phân tử của một cái bơm ion có định hướng giôVig nhau và do đó toàn bộ cả bơm đểu ở trong sự điều khiển giông nhau. 9. Các protein xuyên màng không tan trong nước Các protein của màng có thế phản chia ra hai nhỏm: nhóm cúrjrrntpin Yuypn m àns. chúng_liêiT_kết chặt chẽ VỚI màng; và các nhóm protein nạoai biên (rìa), chúng liên kết ít chặt chẽ hơn, là liên kết thuận nghịch. Các protein rìa màng có thể bị tách rời khỏi màng bằng các xử lí nhẹ (hình 3.9), và lập tức tách khỏi màng, chúng hoà tan hoàn toàn trong nước. Ngược lại sự tách rời của các protein xuyên màng từ màng đòi hỏi các chất hoạt động (chất ức chế, chất dung môi hữu cơ, chất kết tủa). Chúng bị cản trở bởi tương tác kị nưốc. Thậm chí sau khi các protein xuyên màng bị hoà tan, sự chuyên động của chất ức chế có thể gảy ra kết tủa protein khi khôi kết tụ không hoà tan Sự không hoà tan của các protein màng do sự có mặt của phần lớn các axit amin giàu nhóm kị nước. Các tương tác kị nước giữa protein và lipit của màng giải thích tính gắn bó chặt # của protein. 77 D \ l AMINO NGOẢI TRONG ĐẨU CACBOXYL Hình 3.8. Sự sắp xếp lớp kép của glicophorin trong hồng cầu, một vùng ưa nước chứa tất cả các đuôi phụ đường, nằm ỏ bề mặt ngoài, còn vùng ưa nitic khác ấn sâu trong bề mặt trong. Các hình 6 cạnh chỉ ra tetrasaccarit (chứa ha Neu Nac, Gal và Gal NAc) - o - liên kết đến đuôi serin hoặc threonin, các hình 6 cạnh khác giới thiệu oligosaccarit chuỗi N - liên kết tới đuôi asparagin Đoạn của đuôi kị nước tạo ra xoắn - a đi qua lớp kép màng. gel NAc = N axetyl D galactosanin Neu NAc = N axetyl neuraminic axit 78