Giáo trình Sinh học đại cương (Nghề: Chăn nuôi - Cao đẳng): Phần 1 - Trường Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp

Giáo trình Sinh học đại cương cung cấp những kiến thức sinh học đại cương dành cho sinh viên ngành cao đẳng chăn nuôi. Nội dung bài giảng gồm lý thuyết và thực hành, cung cấp những kiến thức cơ bản về: cấu tạo tế bào, trao đổi chất qua màng tế bào, cấu tạo cơ thể động vật bậc cao. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 1 giáo trình!

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH ĐỒNG THÁP

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CỘNG ĐỒNG THÁP

GIÁO TRÌNH

NGÀNH, NGHỀ: CHĂN NUÔI TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

(Ban hành kèm theo Quyết định Số:…./QĐ-CĐCĐ-ĐT ngày… tháng… năm 2017

của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp)

Đồng Tháp, năm 2017

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm

LỜI GIỚI THIỆU

Bài giảng đại cương được biên soạn nhằm cung cấp những kiến thức sinh học đại cương dành cho sinh viên ngành cao đẳng chăn nuôi Nội dung bài giảng gồm lý thuyết và thực hành, cung cấp những kiến thức cơ bản về: cấu tạo tế bào, trao đổi chất qua màng tế bào, cấu tạo cơ thể động vật bậc cao

Chương 1 Mô và tổ chức cơ thể động vật

Chương 2 cơ chế kiểm soát ở động vật Chương 3 sự trao đổi chất ở động vật Chương 4 sự sinh sản ở động vật Cuối mỗi chương có câu hỏi ôn tập nhằm giúp sinh viên hệ thống kiến thức sau khi học lý thuyết và thực hành

Chúng tôi hi vọng tài liệu này có thể giúp ích một phần nào cho các bạn sinh viên trong quá trình học tập

Đồng Tháp, ngày… tháng năm 2017

Chủ biên Trương Thị Mỹ Phẩm

MỤC LỤC

Trang

LỜI GIỚI THIỆU ii

PHẦN I SINH HỌC TẾ BÀO 1

Chương 1 CƠ SỞ HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG 1

1 Mục tiêu 1

2 Nội dung chương 1

2.1 Đặc trưng cơ bản của sự sống 1

2.2 Các nguyên tố hóa học và liên kết hóa học trong chất sống 2

2.2.1 Các nguyên tố hóa học 2

2.2.2 Các liên kết hóa học 3

2.3 Các chất vô cơ 6

2.4 Các chất hữu cơ 9

Chương 2 CẤU TRÚC TẾ BÀO 23

1 Mục tiêu 23

2 Nội dung chương 23

2.1 Đại cương về tế bào 23

2.1.1 Học thuyết tế bào 23

2.1.2 Những đặc tính chung của tế bào 24

2.1.3 Phân loại tế bào 26

2.2 Cấu trúc tế bào Prokaryote 26

2.2.1 Vách tế bào 26

2.2.2 Cấu trúc bên trong 27

2.3 Cấu trúc tế bào Eukaryote 27

2.3.1 Hệ thống các cấu trúc có màng 27

2.3.2 Tế bào chất 32

2.3.3 Nhân 34

2.4 Màng tế bào 35

2.4 1 Cấu trúc của màng 35

2.4.2 Trao đổi chất qua màng 39

2.5 Thực hành 49

1 Mục tiêu 55

2 Nội dung chương 55

2.1 Chu kỳ tế bào 55

2.2 Phân bào nguyên nhiễm 55

2.2.1 Giai đoạn chuẩn bị 55

2.2.2 Giai đoạn phân bào 56

2.3 Phân bào giảm nhiễm 58

2.3.1 Lần phân bào thứ nhất 59

2.3.2 Lần phân bào thứ 60

2.4 Thực hành 63

Chương 4 SỰ TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG CỦA TẾ BÀO 69

1 Mục tiêu 69

2 Nội dung chương 69

2.1 Sự quang hợp 69

2.1.1 Đại cương về quang hợp 69

2.1.2 Pha sáng 70

2.1.3 Pha tối 73

2.2 Hô hấp tế bào 75

2.2.1 Đại cương về hô hấp tế bào 75

2.2.2 Sự hô hấp carbohydrate 75

2.2.3 Sự hô hấp lipit và protein 78

2.3 Thực hành 78

PHẦN 2 SINH HỌC CƠ THỂ ĐỘNG VẬT 83

Chương 1 MÔ VÀ TỔ CHỨC CƠ THỂ ĐỘNG VẬT 83

1 Mục tiêu 83

2 Nội dung chương 83

2.1 Các loại mô động vật 83

2.1.1 Biểu mô 83

2.1.2 Mô liên kết 85

2.1.3 Mô cơ 87

2.1.4 Mô thần kinh 87

2.3 Thực hành 88

Chương 2 CƠ CHẾ KIỂM SOÁT Ở ĐỘNG VẬT 89

1 Mục tiêu 89

2 Nội dung chương 89

2.1 Hệ thần kinh 89

2.1.1 Cấu tạo tế bào thần kinh 89

2.1.2 Xung thần kinh và sự dẫn truyền xung thần kinh 90

2.1.3 Các con đường thần kinh 91

2.2 Hệ nội tiết ở động vật hữu nhũ 92

2.2.1 Các tuyến nội tiết và các hormone 92

2.2.2 Các tuyến nội tiết chính ở người 93

2.2.3 Các phương thức tác động của hormone 94

Chương 3 SỰ TRAO ĐỔI CHẤT Ở ĐỘNG VẬT 97

1 Mục tiêu 97

2 Nội dung chương 97

2.1 Hệ hô hấp 97

2.1.1 Cấu trúc của hệ hô hấp 97

2.1.2 Sự trao đổi khí ở phổi và ở mô 99

2.2 Hệ tuần hoàn 101

2.2.1 Máu 101

2.2.2 Hệ tuần hoàn 104

2.3 Hệ tiêu hóa 108

2.3.1 Cấu trúc hệ tiêu hoá 108

2.3.2 Sự tiêu hoá bằng enzim ở người 109

2.4 Hệ bài tiết 113

2.4.1 Cấu trúc của thận 113

2.4.2 Chức năng của thận 114

2.5 Thực hành 115

Chương 4 SỰ SINH SẢN Ở ĐỘNG VẬT 126

1 Mục tiêu 126

2 Nội dung chương 126

2.1.1 Sinh sản vô tính 126

2.1.2 Sinh sản hữu tính 128

2.2 Sự phát sinh giao tử ở động vật 130

2.2.1 Sự sinh tinh 130

2.2.2 Sự sinh trứng 133

2.3 Sự thụ tinh và tạo hợp tử ở động vật 135

2.3.1 Sự vận chuyển của tinh trùng 135

2.3.2 Sự tiếp xúc của tinh trùng với trứng (quá trình thụ tinh) 134

2.4 Thực hành 135

TÀI LIỆU THAM KHẢO 138

PHẦN I SINH HỌC TẾ BÀO Chương 1 CƠ SỞ HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG

1 Mục tiêu: Cung cấp cho sinh viên kiến thức tổng quan về cơ sở hóa học của sự

sống

2 Nội dung chương

2.1 Đặc trưng cơ bản của sự sống

2.1.1 Trao đổi chất

Để tồn tại các tế bào phải thực hiện liên tục hàng loạt phản ứng hóa học để phân hủy chất dinh dưỡng cung cấp năng lượng và vật liệu cho các quá trình sinh tổng hợp và các quá trình sống khác như tăng trưởng, vận động, sinh sản Toàn bộ

các hoạt động hoá học của cơ thể sinh vật được gọi là trao đổi chất (metabolism)

Khi sự trao đổi chất dừng thì cơ thể sinh vật sẽ chết

2.1.2 Sự nội cân bằng

Quá trình trao đổi chất tuy phức tạp, nhưng được điều hòa hợp lý để duy trì các hoạt động bên trong tế bào ở mức cân bằng và ổn định ở một trạng thái nhất định Ví dụ, nhiệt độ cơ thể người bình thường luôn được duy trì ở 37oC dù thời tiết

có thay đổi Xu hướng các cơ thể sinh vật tự duy trì môi trường bên trong ổn định

gọi là sự nội cân bằng (homeostasis) và được thực hiện do các cơ chế nội cân bằng

Sinh vật ở mức phát triển càng cao, các cơ chế điều hoà càng phức tạp

2.1.3 Sự tăng trưởng (growth)

Sự tăng trưởng (growth) là sự tăng khối lượng chất sống của mỗi cơ thể sinh

vật Nó bao gồm sự tăng kích thước của từng tế bào và tăng số lượng tế bào tạo nên

cơ thể Sự tăng trưởng của tế bào khác nhiều về căn bản so với sự lớn lên của tinh thể trong dung dịch muối Khi tăng trưởng diễn ra, từng phần của tế bào hay cơ thể vẫn hoạt động bình thường

Một số sinh vật như phần lớn thực vật có thời gian tăng trưởng kéo dài rất lâu như các cây cổ thụ nghìn năm Hầu hết động vật có giới hạn tăng trưởng nhất định, kích thước đạt tối đa lúc sinh vật trưởng thành

2.1.4 Sự vận động

Sự vận động dễ thấy ở các động vật như các động tác leo, trèo, đi lại

Sự vận động ở thực vật chậm và khó nhận thấy như dòng chất trong tế bào lá Các

vi sinh vật vận động nhờ các lông nhỏ hay giả túc như ở amip

2.1.5 Sự đáp lại

Là sự đáp lại các kích thích khác nhau từ môi trường bên ngoài Các động vật có những phản ứng nhất định như thay đổi màu sắc, nhiệt độ, tập tính sống Con mắt người là một cơ quan rất tinh vi thu nhận nhanh nhạy, chính xác các kích thích ánh sáng truyền cho hệ thần kinh để có phản ứng đáp lại

Các thực vật cũng có nhiều phản ứng tuy chậm và khó nhận thấy hơn như cây xanh mọc hướng về ánh sáng, cây mắc cỡ rũ lá khibị chạm, cây bắt ruồi đậy nắp lại khi con vật đã chui vào

2.2 Các nguyên tố hóa học và liên kết hóa học trong chất sống

2.2.1 Các nguyên tố hóa học

Tế bào cũng được cấu tạo từ các nguyên tố vốn có trong tự nhiên Tuy nhiên trong 92 nguyên tố có trong tự nhiên thì chỉ có 22 nguyên tố có trong các sinh vật Các nguyên tố được chia thành 3 nhóm dựa theo vai trò tham gia vào chất sống, tạo các chất hữu cơ, các ion hay chỉ có dấu vết Trong đó

- Các nguyên tố tham gia cấu tạo chất hữu cơ như :N, O, C, H, P, S

- Các ion : K+, Na+, Mg++, Ca++, Cl

Các nguyên tố chỉ có dấu vết: Fe, Mn, Co, Cu, Zn, B, V, Al, Mo, I, Si

Trong cơ thể sinh vật C, H, O, N chiếm tới hơn 96% thành phần của tế bào Các nguyên tố khác có vết ít được gọi là vi lượng hay vi tố

Vai trò chủ yếu của các nguyên tố trong cơ thể người:

- Oxygen (O) chiếm khoảng 65%, tham gia cấu tạo hầu hết các chất hữu cơ, phân tử nước và tham gia vào quá trình hô hấp

- Carbon (C) chiếm khoảng 18%, có thể tạo liên kết với 4 nguyên tử khác, tạo khung chất hữu cơ

- Hydrogen (H) chiếm khoảng 10%, là thành phần của nước và hầu hết các chất hữu cơ

- Nitrogen (N) có khoảng 3%, tham gia cấu tạo các protein, acid nucleic

- Calcium (Ca) có khoảng 1,5% là thành phần của xương và răng, có vai trò quan trọng trong co cơ, dẫn truyền xung thần kinh và đông máu

- Phosphor (P) có khoảng 1%, giữ vai trò quan trọng trong chuyển hoá năng lượng, thành phần của acid nucleic

- Kalium (K) (Potassium), có khoảng 0,4% là cation (ion+) chủ yếu trong tế bào, giữ vai trò quan trọng cho hoạt động thần kinh và co cơ

- Sulfua (S) có khoảng 0,3%, có mặt trong thành phần của phần lớn protein

- Natrium (Na) (Sodium), có khoảng 0,2% là cation chủ yếu trong dịch của

mô, giữ vai trò quan trọng trong cân bằng chất dịch, trong dẫn truyền xung thần kinh

- Magnesium (Mg) khoảng 0,1% là thành phần của nhiều hệ enzyme quan trọng, cần thiết cho máu và các mô

- Chlor (Cl) khoảng 0,1%, là anion (ion-) chủ yếu của dịch cơ thể, có vai trò trong cân bằng nội dịch

- Sắt (Fe) (Ferrum) chỉ có dấu vết, là thành phần của hemoglobin, myoglobin

Ví dụ : Hydrogen có 1 điện tử lớp ngoài cùng, carbon có 4, nitrogen có 5 và oxygen có 6

Hình 1.1 Mô hình cấu trúc nguyên tử của các nguyên tố H, C, N, O

Các nguyên tử kết hợp với nhau một cách chính xác bằng những liên kết hóa học để tạo nên hợp chất

* Liên kết hóa học là lực hút gắn 2 nguyên tử với nhau Mỗi liên kết chứa một thế năng hóa học nhất định Phụ thuộc vào số điện tử lớp ngoài cùng, các nguyên tử của một nguyên tố hình thành một số lượng đặc hiệu các liên kết với những nguyên tử của nguyên tố khác

- Có 2 loại liên kết hóa học chủ yếu là liên kết cộng hóa trị và liên kết ion

Trong các hoạt động sống thì liên kết quan trọng là liên kết hydro và các tương tác yếu (như lực hút van der waals vàì tương tác kỵ nước)

2.2.2.1 Liên kết cộng hóa trị

Liên kết cộng hóa trị được tạo ra do góp chung điện tử giữa các nguyên tử

Ví dụ : Sự gắn 2 nguyên tử Hydrogen tạo thành phân tử khí Hydrogen Trong phân tử nước có 2 nguyên tử H nối liên kết cộng hóa trị với 1 nguyên tử O :

Liên kết cộng hóa trị đơn khi giữa hai nguyên tử có chung một cặp điện tử, liên kết đôi khi có chung hai cặp điện tử và liên kết ba khi có chung ba cặp điện tử

Ví dụ : Hai nguyên tử Oxygen liên kết đôi với nhau bằng hai cặp điện tử thành phân tử Oxygen

2.2.2.2 Liên kết ion

Khi nguyên tử nhận thêm hoặc mất điện tử nó trở nên tích điện được gọi là ion Những nguyên tử có 1, 2, 3 điện tử ở lớp ngoài cùng có xu hướng mất điện tử trở thành các ion mang điện dương (cation) Các nguyên tử có 5 hay 6, 7 điện tử ở lớp ngoài cùng có xu hướng nhận điện tử trở thành ion mang điện âm (anion)

Do điện tích khác dấu, các cation và các anion kết hợp với nhau nhờ liên kết ion Liên kết ion khác với liên kết cộng hóa trị là không góp chung điện tử

Ví dụ : Na+ + Cl- = NaCl (muối ăn)

2.2.2.3 Liên kết Hydro và các tương tác yếu khác

- Liên kết Hydro

Liên kết hyđro có xu hướng hình thành giữa nguyên tử có điện âm với nguyên tử Hydrogen gắn với Oxy hay Nitơ Các liên kết Hydro có thể được tạo giữa các phần của một phân tử hay giữa các phân tử Các liên kết Hydro yếu hơn liên kết cộng hóa trị 20 lần nhưng giữ vai trò rất quan trọng trong các hoạt động sống

- Lực hút van der waals xảy ra khi các phân tử gần kề nhau do tương tác giữa các đám mây điện tử

- Tương tác kỵ nước xảy ra giữa các nhóm của những phân tử không phân cực Chúng có xu hướng xếp kề nhau và không tan trong nước như trường hợp các giọt dầu nhỏ tự kết nhau

- Các liên kết Hydro, ion, lực Vanderwals yếu hơn liên kết cộng hóa trị nhiều nhưng chúng xác định tổ chức của các phân tử khác nhau trong tế bào, nhờ chúng các nguyên tử dù đã có liên kết cộng hóa trị trong cùng phân tử vẫn có thể tương tác lẫn nhau

- Các tương tác yếu giữ vai trò quan trọng không những vì chúng xác định vị trí tương đối giữa các phân tử mà còn vì sự định hình những phân tử mềm dẻo như protein và acid nucleic

2.3 Các chất vô cơ

Trong thành phần chất sống, các chất vô cơ chiếm tỉ lệ nhiều hơn các chất hữu cơ Chúng gồm có nước các acid, base, muối và các chất khí hòa tan Trong số này nước chiếm tỷ lệ cao nhất và quan trọng nhất cho sự sống

2.3.1 Nước (H 2 O)

Trong bất kỳ cơ thể sinh vật nào nước cũng chiếm phần lớn, cá biệt như con sứa nước chiếm 98%, ở động vật có vú nước chiếm 2/3 trọng lượng cơ thể Nước là chất vô cơ đơn giản, có số lượng lớn trên hành tinh, nó có những tính chất lý hóa đặc biệt nên chiếm phần lớn chất sống và có lẽ sự sống bắt nguồn từ môi trường nước Cơ thể sinh vật được sinh ra, phát triển, chết đều ở trong môi trường nước dù

là ở dạng này hay dạng khác

Về mặt hoá học phân tử nước có một nguyên tử Oxygen và hai hydrogen Điện tích chung của phân tử nước trung hòa, nhưng các điện tử phân bố không đối xứng nên làm phân tử nước phân cực Nhân của nguyên tử Oxygen kéo một phần các điện tử của Hydrogen làm cho vùng nhân trở nên hơi có điện tích âm ở hai góc, còn nhân của các nguyên tử Hydrogen trở nên hơi điện dương Do sự phân cực, hai phân tử nước ở kề nhau có thể tạo thành liên kết hydro Các phân tử nước tập hợp lại thành mạng lưới nhờ các liên kết hydro Bản chất dịnh vào nhau của các phân tử nước xác định phần lớn các tính chất đặc biệt của nó, như sức căng bề mặt, nhiệt năng cao, hấp thu nhiều nhiệt lượng, ít thay đổi nhiệt

Do bản chất phân cực, các phân tử nước tập hợp xung quanh các ion và các phân tử khác phân cực Các chất tham gia với các liên kết hydro của nước gọi là ưa nước và dễ hoà tan trong nước Các phân tử không phân cực làm đứt mạng lưới liên kết hydro của nước Chúng là các phân tử kỵ nước Các phân tử kỵ nước có thể đẩy các phân tử nước để đứng kề nhau

Lượng nước trong cơ thể nhiều hay ít, tăng hay giảm tùy thuộc vào giai đoạn phát triển và trao đổi chất của sinh vật Lúc còn non, nước chiếm tỷ lệ cao hơn lúc già Nước cũng thay đổi trong các cơ quan khác nhau

Ví dụ : Ở chất xám nước chiếm 85% , chất trắng 75%, ở xương 20% và men răng chỉ có 10%

Hình 1.2 Cấu trúc không gian của nước (a,b), liên kết hydro(c), các phân tử

nước tạo mạng

- Nước có vai trò hết sức quan trọng đối với cơ thể sống :

+ 95% nước ở dạng tự do có vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa và trao đổi chất trong tế bào, giữa tế bào và môi trường Các chất hóa học tan trong nước nhờ nước mà phân phối đều, chúng có cơ hội gặp nhau để rồi phản ứng với nhau

+ 5% nước ở dạng liên kết bằng các liên kết khác nhau hay kết hợp với các thành phần khác như protein

Khi nước trong tế bào giảm thấp xuống thì các hoạt động trong tế bào cũng

bị giảm

Ví dụ : amip mất nước co lại trong nang Do vậy người ta dùng phương pháp chống ẩm để ức chế không cho vi khuẩn hoạt động và bảo quản sinh vật

Nước có vai trò trong điều hòa nhiệt độ Nước có nhiệt dung cao, hấp thu nhiều năng lượng nóng lên chậm, khi tỏa nhiệt cũng chậm làm nhiệt độ thay đổi không đột ngột

Nước làm cho môi trường ôn hòa - động vật và thực vật phát triển tạo môi trường ngoài và trong cho cơ thể

Sức căng bề mặt của nước lớn do vậy nước mao dẫn từ đất lên cây Hiện tượng này cũng giúp máu lưu thông trong cơ thể động vât

Do tầm quan trọng như vậy nên nước là một nhân tố giới hạn trong sinh môi Những nơi ít nước như sa mạc thì sự sống nghèo nàn, vùng rừng mưa nhiệt đới, vùng bãi triều của sông, biển là những nơi nhiều nước thì sự sống phong phú hơn

2.3.2 Các chất vô cơ khác

Trong cơ thể ngoài nước ra còn có các chất vô cơ khác như acid, base, muối

vô cơ và các nguyên tố kim loại Ở động vật có xương, bộ xương chứa nhiều chất

vô cơ nhất (khoảng 1/10 trọng lượng cơ thể, chủ yếu là Ca) Các chất vô cơ thường gặp là NaCl, KCl, NaHCO3, CaCl2, CaCO3, MgSO4, NaH2PO4, .các kim loại như I, Zn, Fe, Co, ở dạng vô cơ, có trong chất hữu cơ hay gắn với protein Chúng có số lượng rất ít, được coi là dấu vết, nhưng giữ vai trò trọng yếu trong nhiều chất hữu cơ như Fe, trong Heme của Hemoglobin trong máu, cobalt trong vitamin B12

Đặc điểm quan trọng của chúng là tính chất điện phân cho ra các cation(+) và các anion(-) từ đó chúng kết hợp với ion H+ và OH- để làm thay đổi pH môi trường Các cation và anion có thể kết hợp với nhau tạo thành acid, base hay trung tính:

H+ + HCO3- → H2CO3 có tính acid

NH4+ + OH- → NH4OH có tính base

Tuy nồng độ thấp, nhưng muối có vai trò đáng kể trong tế bào và cơ thể

Sự cân bằng các muối giúp cho hoạt động sinh lí xảy ra bình thường Khi các muối bị giảm bất thường thì gây rối loạn

Ví dụ : Ca trong máu giảm quá mức bình thường gây co giật Hoạt động tim rối loạn khi nồng độ K+,Na+, Ca+ mất cân bằng

NaCl duy trì áp suất thẩm thấu, giữ nước trong mô, khi muối trong mô tăng,

áp suất thẩm thấu tăng do đó mô phải giữ nước để giảm áp suất thẩm thấu

2.3.3 Các khí hòa tan

Dịch cơ thể chứa các khí hoà tan:

- Khí CO2 chỉ chiếm 0,03% trong không khí Trong cơ thể sinh vật lượng

CO2 có thể nhiều hơn do quá trình oxy hóa chất hữu cơ sinh ra Ở thực vật khí CO2

được sử dụng để làm nguồn nguyên liệu tổng hợp các chất hữu cơ

- Oxygen có nhiều trong không khí (20-21%) hòa tan khá nhiều trong tế bào, tham gia vào các phản ứng oxy hóa để tạo ra năng lượng cần thiết cho hoạt động của sinh vật

- Nitrogen có nhiều trong không khí (79%) nhưng là khí trơ, chỉ có một số vi sinh vật có khả năng cố định nitơ trong không khí Các sinh vật khác sử dụng

nitrogen ở dạng hợp chất mà không sử dụng ở dạng khí

2.4 Các chất hữu cơ

Các chất hữu cơ là những chất đặc trưng của cơ thể sinh vật Chúng có số lượng rất lớn, rất đa dạng nhưng được tạo nên theo những nguyên tắc chung cho cả thế giới sinh vật Có thể phân biệt hai loại: các chất hữu cơ phân tử nhỏ và các đại phân tử sinh học

Các chất hữu cơ phân tử nhỏ gồm các chất như hydrocarbon, carbohydrate (glucide), lipid, các amino acid và các nucleotide cùng các dẫn xuất Một số trong các chất này là những đơn vị cấu trúc (đơn phân) cho các đại phân tử sinh học Các chất hữu cơ phân tử nhỏ được tổng hợp theo nguyên tắc từng phản ứng đơn giản do các enzyme xúc tác Trọng lượng phân tử của chúng trong khoảng 100 - 1000 và chứa đến 30 nguyên tử C

2.4.1 Các Carbohydrate (glucide)

Các nguyên tố tạo thành gồm: C, H và O Trong công thức của carbohydrate

dù cho C bằng mấy thì tỷ lệ H và O luôn là 2:1 như trong phân tử nước Các phân tử carbohydrate rất khác nhau về kích thước nhưng chẳng khó khăn gì khi phân loại chúng Có 3 nhóm chính: đường đơn (monosaccharide), đường đôi (disaccharide)

và đường phức (polysaccharide)

2.4.1.1 Các đường đơn (monosaccharide )

Đó là các glucide đơn giản có công thức chung (CH2O)n, số n dao động từ 3

đến 7 Các đường đơn là các aldehyde hay ketone có thêm 2 nhóm hydroxyl hay

nhiều hơn Đường đơn thường phân loại theo số cacbon có trong chúng Đơn giản

nhất là đường 3 carbon, gọi là triose như glyceraldehyde, dihydroxyacetone

Hình 1.3 Đường 3C

- Đường 5 (pentose): như Ribose và Deoxyribose: C5H10O5; C5H10O4

- Đường 6 (hexose): như glucose, fructose: C6H12O6

Trong mỗi nhóm các nguyên tử kết hợp với nhau có thể theo các cách khác

nhau, thường hình thành các cấu trúc hóa học khác nhau dù là số nguyên tử C, H và

O vẫn như nhau Các dạng cấu trúc này được gọi là các đồng phân cấu trúc

Một trong số các kiểu đồng phân có vai trò quan trọng cho hoạt động sống

của tế bào đó là Glucose và Fructose

Các nhóm aldehyde hay ketone của một gluxide có thể phản ứng với nhóm

hydroxyl Phản ứng này có thể xảy ra bên trong phân tử gluxide có n > 4 để tạo

vòng 5 hay 6 nguyên tử cacbon Các nguyên tử C trong trường hợp này đánh số thứ

tự từ 1, 2, 3, từ các đầu gần nhất với nhóm aldehyde hay ketone

2.4.1.2 Các đường đôi ( disaccharide )

Hai đường đơn có thể gắn với nhau tạo thành đường kép (disaccharide) như

saccharose (đường ăn thông dụng - glucoseα 1,2 fructose), maltose (glucoseα 1,4

glucose), lactose (galactoseβ 1,4 glucose), thường có trong cơ thể sinh vật

Đường maltose được thấy trong ống tiêu hóa của người như sản phẩm đầu tiên của sự tiêu hóa tinh bột, và sau đó được gãy tiếp thành glucose để hấp thụ vào

cơ thể và sử dụng cho quá trình hô hấp Maltose gồm 2 phân tử glucose kết hợp với nhau bởi mối liên kết glycosid Trong cơ thể sống mối liên kết này hình thành qua một số bước, mỗi bước do 1 enzyme xúc tác

2.4.1.3 Các đường đa (polysaccharide)

Là các polymer được cấu tạo từ các đơn vị đường đơn (monomer) chủ yếu là glucose do có phân tử lớn Các polysaccharide được coi là các đại phân tử sinh học nhưng việc tổng hợp chúng giống với các phân tử nhỏ Ví dụ: tinh bột bao gồm nhiều trăm đơn vị glucose nối nhau Tinh bột gồm 10-20% amylose tan trong nước, 80-90% amylopectin không tan trong nước gây tính chất keo cho hồ tinh bột Tinh bột là chất dự trữ của tế bào thực vật, glycogen là chất dự trữ của tế bào động vật

Nó có cấu trúc phân tử rất giống amylopectin nhưng phân nhánh mau hơn qua khoảng mỗi 8-12 đơn vị glucose (amylopectin - 24-30 đơn vị) Cellulose với số đơn

vị glucose là 300-15000, không xoắn cuộn được mà như 1 băng duỗi thẳng tạo vi sợi

2.4.1.4 Vai trò của carbohydrate trong sinh vật

Là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu của sinh vật, thực vật tổng hợp nên các chất đường đơn, đường đôi và tinh bột Động vật ăn thực vật rồi chuyển glucide thực vật thành của nó và dự trữ ở dạng glycogen, glycogen khi cần thì biến đổi thành glucose Glucose là nguồn năng lượng trực tiếp trong tế bào và cơ thể luôn có một lượng glucose ổn định

Ví dụ: Ở động vật có vú là 0,1% trong máu - thiếu hay thừa đều gây rối loạn

Glucose khi bị thủy phân còn làm nguyên liệu để tổng hợp lipide

2.4.2 Lipid

Lipid có nhiều chức năng sinh học quan trọng, chúng là thành phần cấu trúc màng, mỡ và dầu có vai trò dự trữ và có thể tự cô lập Chúng làm thành cái áo bao bọc và bảo vệ cho sinh vật không thấm nước ở bề mặt ngoài và đôi khi hoạt động như một yếu tố liên lạc về mặt hóa học cả bên trong tế bào và giữa các tế bào

Lipid không tan trong nước do được cấu tạo bằng những nối C - H không phân cực, chúng ngăn cản các phân tử nước xâm nhập vào và kết quả là những phân

tử lipid kết tụ lại với nhau tạo ra những giọt không tan Tuy nhiên, chúng dễ dàng tan trong các dung môi hữu cơ như chloroform Lipid cũng gồm C, H, O nhưng O rất ít, ngoài ra, chúng còn có chứa những nguyên tố khác đặc biệt là P và N Các loại lipid khác nhau là: mỡ, dầu, sáp, phospholipid, glycolipid và steroid

2.4.2.1 Lipid dự trữ: dầu và mỡ

Cùng một đơn vị trọng lượng, dầu và mỡ chứa nhiều năng lượng hơn carbohydrat do chứa nhiều các nối C - H, trung bình 1 gr mỡ chứa năng lượng gấp 2

- 3 lần nhiều hơn carbohydrat hay protein

Tất cả mỡ đều có sườn chính là glycerol, chứa 3 nguyên tử C, mỗi phân tử nối với một chuỗi acid béo tạo ra một triglycerid Acid béo là một chuỗi những hydrocarbon với chiều dài thay đổi và tận cùng là nhóm carboxyl (-COOH), các acid béo được nối với phân tử glycerol ở nhóm carboxyl; các acid béo trong dầu và

mỡ ăn được chứa từ 4 - 24 nguyên tử C Ba loại acid béo chính là acid stearic, acid palmitic và acid oleic Acid béo có số lượng H tối đa được gắn vào C (như acid stearic) được gọi là bảo hòa vì không có nối đôi giữa hai nguyên tử C như bơ, mỡ heo và mỡ các động vật khác Acid béo với các nối đôi được gọi là chưa bảo hòa như dầu olive, dầu bắp, thường ở dạng lỏng ở nhiệt độ thường Dầu có hơn một nối đôi được gọi là nhiều lần chưa bảo hòa (polyunsaturated) Margarin chưa bảo hòa chứa 70% của dầu nhiều lần chưa bảo hòa có xu hướng được thay thế bơ trong bửa

ăn hàng ngày của những người ăn kiêng vì các mỡ bảo hòa gây các bệnh về mạch máu

Hình 1.5 Cấu tạo của lipid

2.4.2.2 Lipid bảo vệ: sáp (waxe)

Sáp tương tự như mỡ chỉ khác là acid béo được nối với một chuỗi alcol dài hơn glycerol, sáp không hòa tan trong nước, không có nối đôi trong chuỗi carbon và

trơ (inert) đối với các phản ứng hóa học, chúng làm thành lớp bảo vệ bề mặt ngoài của nhiều động vật bao gồm cả bộ xương ngoài của côn trùng, lông vũ của

chim và lông mao của thú và cả lớp biểu bì của lá và trái của thực vật

2.4.2.3 Lipid màng: phospholipid và glycolipid

+ Phospholipid: tương tự dầu và mỡ chỉ khác là chúng có hai phân tử acid béo gắn vào mỗi phân tử glycerol và một nhóm phosphat gắn vào C thứ ba

Hình 1.6 Phospholipid

Vì gốc phosphat mang điện tích âm nên đầu phosphat của phospholipid ưa nước (hydrophilic) và tan trong nước, đuôi acid béo kỵ nước (hydrophobic), không tan trong nước Sự khác biệt về tính chất đối với nước của hai đầu của phân tử (nên

có tên là lưỡng ái: amphipatic) giữ cho phospholipid dễ dàng tạo thành màng đôi trong cấu trúc tế bào Khi phospholipid được đưa vào nước, đầu kỵ nước bị đẩy ra khỏi nước và tụ tập lại với nhau tạo ra các micel hay màng hai lớp lipid

+ Glycolipid: là lipid có đường cũng là thành phần quan trọng trong màng tế bào, giống phospholipid có hai acid béo gắn vào phân tử glycerol, nhưng có một dây carbon ngắn từ 1- 15 đường đơn nối vào C thứ ba Glycolipid cũng lưỡng ái và tạo thành micel khi gặp nước tương tự phospholipid

Steroid là những phân tử quan trọng trong động vật có xương sống, chúng được tìm thấy ở tim, mạch máu và gan Một số hormon và vitamin cũng là steroid Một trong steroid nhiều nhất là cholesterol, là thành phần cấu tạo màng của tất cả tế bào động vật và là điểm khởi đầu để tổng hợp ra các hormon Cholesterol, không tan trong nước, có thể kết tủa bởi mật trong túi mật, tạo ra sỏi mật Chúng tích tụ

trong các động mạch làm tăng huyết áp và nguy cơ suy tim và nhồi máu cơ tim ở người và những động vật khác Mức độ cholesterol trong máu không nhất thiết là do chế độ ăn uống của con người mà tùy thuộc nhiều hơn vào tỉ lệ tổng hợp cholesterol

của cơ thể

2.4.3 Protein

Protein có cấu trúc phân tử rất thay đổi và có rất nhiều chức năng: là enzim cho các quá trình biến dưỡng, protein cấu trúc, cử động, tồn trử, dinh dưỡng và vận chuyển, kháng thể và toxin để bảo vệ và tấn công, và hormon để điều hòa các chức năng của cơ thể Protein chứa C, H, O, N và thường có S Ðơn vị cấu tạo protein là acid amin Chỉ có 20 loại acid amin khác nhau được tìm thấy trong protein Tuy nhiên, số tổ hợp của acid amin sẽ tạo ra rất nhiều loại protein

2.4.3.1 Acid amin

Tất cả acid amin có cấu trúc tương tự nhau, mỗi acid amin có chứa một gốc amin (- NH2, trừ prolin có chứa một gốc imino - NH -), và một gốc carboxyl (COOH), một nguyên tử H và một chuỗi bên là gốc R gắn vào C trung tâm

Hình 1.8 Cấu tạo của 20 loại acid amin

Các acid amin chỉ khác nhau ở gốc R, có thể chỉ là một nguyên tử H như ở glycin, hay phức tạp như cấu trúc có hai vòng như ở tryptophan (Hình 31) Ðặc điểm của mỗi acid amin ảnh hưởng lên hình dạng của phân tử protein là do gốc R

mà ra

Có ba acid amin có chức năng đặc biệt là: methionin là acid amin đặc biệt được tổng hợp đầu tiên trong quá trình tổng hợp protein, prolin làm cho chuỗi acid amin xoắn lại và cystein nối các chuỗi acid amin lại với nhau Một số gốc R phân cực (ưa nước), một số khác thì không Sự không phân cực của chuỗi bên làm cho protein không tan trong nước Ðầu tiên các acid amin được viết tắt bằng ba chữ cái, bây giờ thì chỉ một chữ cái (alanin, ala, A)

2.4.3.2 Polypeptid

Một chuỗi acid amin được gọi là polypeptid Acid amin trong chuỗi polypeptid được nối với nhau bằng liên kết peptid, được tạo ra khi gốc - COOH của một acid amin này gắn với gốc - NH2 của acid amin khác và giải phóng một phân

tử nước Khi các acid amin liên kết nhau để tạo ra polypeptid luôn luôn có một gốc amin tự do ở một đầu N và một gốc carboxyl ở C tận cùng của đầu kia, một protein

có thể gồm một hay nhiều sợi polypeptid với hàng trăm acid amin theo một trình tự đặc biệt

Các sợi polypeptid có thể liên kết chéo với cầu nối cộng hóa trị là các cầu nối

disulfid, được tạo ra giữa hai nguyên tử S của hai acid amin cystein Cầu nối disulfide có thể nối các cystein trong cùng một chuỗi polypeptid hay giữa các chuỗi

polypeptid khác nhau, kết quả là tạo ra cấu trúc không gian ba chiều của protein

Hình 1.9 Sự thành lập nối peptid giữa hai acid amin

2.4.3.3 Cấu trúc của protein

Protein được chia làm hai loại chính: đơn giản và phức hợp Protein đơn giản chỉ chứa acid amin Protein phức hợp (conjugated protein) gồm acid amin và các thành phần hữu cơ hay vô cơ khác, thí dụ: nucleo-, lipo-, phospho- và glycoprotein Những thành phần không phải là acid amin của protein phức hợp được gọi là gốc prosthetic

Cấu trúc cấp một (sơ cấp) của một protein là do trình tự thẳng của các acid amin trong chuỗi polypeptid Mỗi loại protein có cấu trúc cấp một khác nhau

Cấu trúc cấp hai của protein là do các cầu nối hydro giữa các acid amin nằm

kế nhau trong cấu trúc cấp một Thí dụ một cấu trúc cấp hai xoắn phải (giống như một cầu thang xoắn

Cấu trúc cấp ba là do các polypeptid có cấu trúc cấp hai xếp chồng lên nhau, tạo ra một khối hình cầu Sự cuộn lại thường do sự tương tác giữa các acid amin tương đối xa nhau trong Hình dạng cuối cùng cũng do ảnh hưởng của môi trường, đặc biệt là pH, do những vùng có điện tích trên phân tử cũng ảnh hưởng lên hình dạng của phân tử

A B C D

Hình 1.10 Bốn kiểu cấu trúc của protein

Hình dạng của phân tử quan trọng đặc biệt ở những protein như hormon, là những thông tin hóa học chỉ nhận protein đúng hình dạng tương thích với nó như kiểu chìa khóa và ổ khóa Một số protein có kích thước lớn như hemoglobin, chứa hơn một chuỗi polypeptid, có cấu trúc khác hơn, cấu trúc cấp bốn Hầu hết những protein có kích thước lớn đặc biệt là enzim có chứa hai sợi polypeptid hay hơn nữa Hình dạng không gian ba chiều của protein được gọi là dạng hay cấu hình của protein Tùy theo dạng protein được chia ra làm hai loại

chính: protein hình sợi và protein hình cầu Trong protein hình sợi,

các sợi polypeptid xếp song song nhau theo một trục đơn tạo ra các

sợi hay bản (collagen, keratin, elastin) Protein hình sợi không tan trong nước và thường rắn chắc và là thành phần cấu tạo chính của tóc, móng, sừng và vuốt Ở protein hình cầu, các sợi polypeptid cuộn chặt thành hình tròn hay hình cầu Protein hình cầu tan trong nước và gồm hầu hết các protein chức năng như enzim và các hormon

Hình 1.11 Protein hình sợi

2.4.4 Enzim

Các phản ứng hóa học xảy ra trong tế bào sống được tăng tốc nhờ những chất

xúc tác sinh học, được gọi là enzim, và thường là các protein Một tế bào động vật, có thể chứa đến 4.000 loại enzim khác nhau; mỗi loại xúc tác cho một phản

ứng hóa học khác nhau Một số enzim chung cho nhiều loại tế bào, trong khi một

số khác chỉ chuyên biệt cho một loại tế bào để thực hiện một chức năng đặc biệt Trong một phản ứng có enzim, chất phản ứng được gọi là cơ chất (substrate) Hầu hết enzim có tính chuyên biệt và chỉ phản ứng một cách chọn lọc trên một loại cơ chất nào đó mà thôi Là chất xúc tác, enzim giảm năng lượng kích động cần thiết cho một phản ứng xảy ra trong điều kiện nhiệt độ và sinh lý bình thường (thí dụ 370C ở hầu hết hữu nhũ) Enzim có thể mang hai chất lại với nhau nhờ tạo ra sự phối hợp tạm thời giữa các cơ chất hay tập trung vào một cầu nối hoa học đặc biệt trên cơ chất Tất cả enzim được dùng đi dùng lại

Enzim có khả năng xúc tác siêu tốc Thí dụ, phản ứng giữa CO2 + H2O tạo

ra H2 CO3 phản ứng xảy ra rất chậm, có thể chỉ tạo ra 200 phân tử acid carbonic/1

giờ khi không có enzim Trong tế bào sống, phản ứng được xúc tác với enzim carbonic anhydraz ước chừng có 600.000 phân tử acid carbonic/1 giây Phản ứng nhanh gấp 10 triệu lần

Trong cấu trúc không gian ba chiều, sợi polypeptid của enzim cuộn lại tạo ra một hay nhiều rảnh trên bề mặt, là những vùng đặc biệt mà cơ chất có thể gắn vào Vùng này được gọi là hoạt điểm (active site) Hoạt điểm của mỗi enzim có hình dạng đặc biệt và chỉ có một loại phân tử cơ chất có thể gắn vào Hoạt điểm không những là nơi cơ chất gắn vào mà hướng cơ chất theo một hướng nhất định Hoạt điểm có thể phân cực hay không, ưa nước hay kỵ nước nên nó gắn một cách chính xác vào phần nào của cơ chất Thí dụ nếu ở phần phân tử cơ chất có điện tích dương thì hoạt điểm của enzim sẽ có điện tích âm

Hoạt điểm của enzim chỉ gồm vài acid amin của toàn thể enzim, những acid amin này kề cận nhau trong một chuỗi polypeptid hay ở những phần khác nhau của các chuỗi polypeptid nhưng kề cận nhau do sự cuộn lại tạo ra cấu trúc không gian

ba chiều cấp ba và cấp bốn của enzim Gốc R của acid amin được đưa ra ngoài tạo

ra hoạt điểm và cách sắp xếp của chúng quyết định sự gắn cơ chất với enzim

Hình 1.12 Mô hình cơ chế xúc tác của enzim 2.4.4.1 Mô hình hoạt động của enzim

+ Mô hình ổ và chìa khóa

Theo thuyết này, một cơ chất gắn vào hoạt đểm như một chìa khóa gắn khít vào ổ, cơ chất và enzim gắn vào nhau tạo ra một phức hợp enzim-cơ chất Cơ chất

bị biến đổi một cách chuyên biệt và kết quả là sản phẩm được phóng thích

Hình 1.13 Mô hình ổ và chìa khóa Hình 1.14 Mô hình cảm ứng

+ Mô hình cảm ứng (the induced-fit model)

Các nghiên cứu cấu trúc của enzim cho rằng hoạt điểm linh động hơn lỗ của

ổ khóa Trong một số trường hợp, trong lúc cơ chất gắn vào, cấu hình thay đổi do hình dạng hoạt điểm của enzim bị cảm ứng làm cho chúng khớp với nhau hơn Sự cảm ứng này làm thay đổi lực giữa các nối đặc biệt của phân tử phản ứng do đó phản ứng có xúc tác được dễ dàng xảy ra

2.4.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng lên hoạt động của enzim

+ pH có thể làm thay đổi cấu hình của enzim, đặc biệt là sự tương tác giữa những acid amin có điện tích âm (acidic) và điện tích dương (basic) Khi pH thay đổi, hình dạng của hoạt điểm có thể thay đổi, do đó cơ chất không thể gắn vào được Hầu hết enzim hoạt động tốt nhất trong khoảng pH 6 - 8 Tuy nhiên, pepsin giúp tiêu hóa protein trong bao tử hoạt động trong khoảng pH rất thấp (2) Pepsin có một trình tự acid amin duy trì cầu nối hydro và ion hóa ngay cả khi có sự hiện diện của acid mạnh pH cũng ảnh hưởng trên phản ứng trong đó ion H+ là một thành phần của sự thay đổi hóa học được xúc tác

+ Nhiệt độ thay đổi dễ làm đứt các cầu nối hydro, các cầu nối này và sự tương tác giữa các cực kỵ nước giúp giữ cấu trúc cấp ba, cấp bốn của protein kể cả enzim Sinh vật thường có những enzim hoạt động tối ưu ở nhiệt độ mà chúng sống

Ở hữu nhũ, nhiệt độ tối ưu từ 35 - 400C Dưới nhiệt độ này, các nối để giữ hình dạng của protein không đủ linh động để thay đổi hình dạng cần thiết tham gia phản ứng Do đó, enzim hoạt động không hữu hiệu ở nhiệt độ dưới 350C Trên 400C, các cầu nối hydro và các cầu nối yếu khác không thể giữ protein ở hình dạng chính xác của nó Một enzim bị biến tính một phần bởi nhiệt có cấu trúc bị quéo lại một

chút và chuỗi polypeptid thay đổi cấu hình (conformation) có thể trở lại hình dạng

cũ nếu được làm nguội, nhưng nếu biến tính hoàn toàn như albumin của trứng luộc

chín thì không thể trở lại dạng ban đầu được nữa

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1

1 Các đặc trưng cơ bản của sự sống?

2 Các nguyên tố hóa học và liên kết hóa học trong chất sống

3 Nêu cấu trúc và chức năng của các đại phân tử quan trọng trong tế bào?

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Giáo trình thực hành Sinh Đại Cương, Bộ Môn Sinh – Khoa Khoa Học Trường ĐHCT, 2001

2 Giáo trình Sinh Đại cương A1, A2, Bùi Tấn Anh, Võ Văn Bé và Phạm Thị Nga, Trường ĐHCT, 2000

3 Sách Sinh Học Đại Cương, Phạm Thành Hổ, NXB ĐHQG TP.HCM, 2000

Chương 2 CẤU TRÚC TẾ BÀO

1 Mục tiêu: Cung cấp cho sinh viên kiến thức cơ bản về tế bào: học thuyết tế bào,

cấu tạo tế bào, trao đổi chất qua màng tế bào, giúp sinh viên hiểu được đơn vị cơ sở cấu tạo cơ thể

2 Nội dung chương

2.1 Đại cương về tế bào

2.1.1 Học thuyết tế bào

Hầu hết các tế bào đều có kích thước rất nhỏ nên mắt trần không thể quan

sát được, do đó lược sử phát hiện tế bào gần như là lịch sử phát minh ra kính hiển

vi Galileo (1564 - 1642) chế tạo ra viễn vọng kính để quan sát bầu trời, tình cờ khám phá ra những vật rất nhỏ khi quan sát bằng cách lật ngược đầu kính lại

Antoni Van Leeuwenhoek (1632 - 1723) người Hà Lan, do yêu cầu kiểm tra

tơ lụa, ông mài các thấu kính để quan sát chất lượng của vải, nhờ đó quan sát được những vật li ti quanh môi trường sống và khám phá ra sự hiện diện của thế giới vi sinh vật

Robert Hooke (1635 - 1703) người Anh, lần đầu tiên mô tả các lỗ nhỏ có vách bao bọc của miếng bấc (nút bần) cắt ngang dưới kính hiển vi năm 1665 và Hooke dùng thuật ngữ tế bào (cellula có nghĩa là phòng, buồng nhỏ, vì ý nghĩa lịch

sử từ này vẫn còn được dùng cho đến ngày nay) để chỉ các lỗ đó

Mãi đến thế kỷ 19 khái niệm sinh vật có cấu tạo tế bào của Hooke mới được sống dậy từ nhiều công trình nghiên cứu, đặc biệt hai công trình của hai người Ðức: nhà thực vật học Matthias Jakob Schleiden (1838) và nhà động vật học Theodor

Schwann (1839) Hai ông đã hệ thống hóa quan điểm thành thuyết tế bào: “Tất cả

các sinh vật do một hay nhiều tế bào tạo thành, nói một cách khác, Tế bào là đơn vị cấu tạo sống cơ bản của tất cả sinh vật.” Ðến năm 1858 thuyết tế bào được mở rộng thêm do một bác sĩ người Ðức (Rudolph Virchow): Tế bào do tế bào có trước

sinh ra Quan điểm (mở rộng tế bào) của Virchow sau đó được Louis Pasteur (1862) thuyết phục các nhà khoa học đồng thời bằng hàng loạt thí nghiệm chứng minh

Như vậy có thể tóm tắt thuyết tế bào như sau: Tế bào là đơn vị cấu tạo sống cơ bản

của tất cả sinh vật, tế bào do tế bào có trước sinh ra

2.1.2 Những đặc tính chung của tế bào

a Hình dạng

Hình dạng của tế bào rất biến thiên và tùy thuộc rất nhiều vào tế bào là một sinh vật đơn bào hay tế bào đã chuyên hóa để giữ một nhiệm vụ nào đó trong cơ thể sinh vật đa bào Từ những dạng đơn giản như hình cầu, hình trứng, hình que có thể gặp ở các sinh vật đơn bào đến những hình dạng phức tạp như các tế bào hình sao ở

mô thực vật, hay các tế bào thần kinh ở động vật cấp cao

Hình 2.1 Hình dạng tế bào

2.2 Hình dạng tế bào amip

Hình 2.3 Hình dạng tế bào máu người

Ðặc biệt ở các sinh vật đơn bào hình dạng có ý nghĩa quan trọng đối với đời sống của chúng Ví dụ, vi khuẩn hình cầu có thể chịu đựng được sự khô hạn giỏi vì diện tích tiếp xúc với môi trường bên ngoài ít do đó giữ được nước dù môi trường sống rất khô Ngược lại vi khuẩn hình que dài có diện tích tiếp xúc cho mỗi đơn vị thể tích với môi trường bên ngoài lớn hơn nên có thể tồn tại dễ dàng trong môi trường có nồng độ thức ăn không cao

b Kích thước

Kích thước của tế bào cũng rất biến thiên theo loại tế bào Nói chung, thường

tế bào rất nhỏ và phải dùng kính hiển vi mới quan sát được Vi khuẩn có lẻ là những sinh vật đơn bào có kích thước nhỏ nhất Ví dụ, vi khuẩn Dialister pneumosintes có kích thước rất nhỏ 0,5 x 0,5 x 1,5 µm trong khi trứng của chim đà điểu là tế bào có đường kính đến 20 cm, hay tế bào thần kinh có đường kính nhỏ nhưng có thể dài đến 90 - 120 cm Trung bình thì đường kính biến thiên trong khoảng từ 0,5 đến 40

µm

Thật ra độ lớn nhỏ của tế bào không quan trọng mà tỉ lệ giữa diện tích bề mặt

và thể tích tế bào mới có ảnh hưởng lớn đến đời sống của một tế bào Tế bào lấy thức ăn, oxy từ môi trường chung quanh và thải chất cặn bả ra bên ngoài tế bào Các vật liệu này đều phải di chuyển xuyên qua bề mặt của tế bào Khi tế bào gia tăng kích thước, thể tích tăng gấp nhiều lần so với sự gia tăng của diện tích (ở hình cầu, thể tích tăng theo lủy thừa bậc ba trong khi diện tích tăng theo lủy thừa bậc

hai) Do đó, khi tế bào càng lớn lên thì sự trao đổi qua bề mặt tế bào càng khó khăn hơn

2.1.3 Phân loại tế bào

Dựa trên đặc điểm cấu trúc của tế bào có thể phân chia tế bào của sinh vật ra làm hai nhóm: tế bào sơ hạch và tế bào chân hạch

* Tế bào sơ hạch là loại tế bào không có màng nhân ADN có kiến trúc xoắn vòng kín Không có các bào quan có màng Các tế bào này gặp ở các sinh vật thuộc giới sinh vật sơ hạch: Archaebacteria và Eubacteria

* Tế bào chân hạch là loại tế bào có nhân với màng nhân bao quanh, và nhiều loại bào quan có màng bao Các tế bào này gặp ở các sinh vật thuộc các giới Protista, Nấm, Thực vật và Ðộng vật

2.2 Cấu trúc tế bào Prokaryote

Hình 2.4 Cấu tạo tế bào Procaryota

2.2.2 Cấu trúc bên trong

Hầu hết những bào quan hiện diện trong tế bào chân hạch thì lại không có trong tế bào sơ hạch Tế bào không có màng nhân và cũng không có các cấu trúc có màng khác như mạng nội chất, hệ golgi, tiêu thể, peroxisom và ty thể (các chức năng của ty thể được thực hiện ở mặt trong màng của tế bào vi khuẩn) Ở các vi khuẩn quang tổng hợp, có những phiến hay túi có chứa diệp lục tố mà không phải là các lạp có màng bao riêng biệt

Tế bào vi khuẩn thường có các ADN nhỏ, độc lập được gọi là plasmid Nhiễm sắc thể của tế bào sơ hạch và plasmid có kiến trúc vòng kín

Như nhiễm sắc thể của tế bào chân hạch, nhiễm sắc thể của tế bào sơ hạch có mang các gen kiểm soát các đặc điểm di truyền của tế bào và các hoạt động thông thường của nó Sự tổng hợp protein được thực hiện trên ribô thể, một bào quan quan trọng trong tế bào chất ở cả tế bào sơ hạch và chân hạch Tuy nhiên, ribô thể của tế bào sơ hạch hơi nhỏ hơn của tế bào chân hạch

Một số tế bào vi khuẩn có chiên mao

2.3 Cấu trúc tế bào Eukaryote

2.3.1 Hệ thống các cấu trúc có màng

2.3.1.1 Mạng nội chất

Mạng nội chất hiện diện ở tất cả tế bào chân hạch Mạng nội chất giống như một hệ thống ống và túi, tròn hay dẹp, thông thương với nhau và có màng bao quanh Khoảng giữa hai màng của túi, ống được gọi là khoang Ở hầu hết tế bào, mặt ngoài của mạng nội chất có các ribô thể gắn vào gọi là mạng nội chất sần, nơi không có các ribô thể được gọi là mạng nội chất láng

Hình 2.5a Mạng nội chất sần Hình 2.5b Mạng nội chất láng

Nhiệm vụ của mạng nội chất vừa là đường vận chuyển bên trong tế bào vừa

là nơi chứa các protein có chức năng là thành phần cấu trúc và là enzim xúc tác các phản ứng hóa học

2.3.1.2 Hệ Golgi

Hệ Golgi gồm một hệ thống túi dẹp

có màng bao và xếp gần như song song

nhau Mặt phía gần nhân được gọi là mặt

cis, phía đối diện là mặt trans Chức năng

biến đổi, sắp xếp, vận chuyển các phần tử

đến các bào quan khác và màng sinh chất

Hệ Golgi còn có chức năng tiết là tồn trữ,

biến đổi (cô đặc lại) và bọc các sản phẩm

tiết lại

Hệ Golgi đặc biệt to ở những tế bào

tiết như tế bào tụy tạng tiết ra insulin hay tế bào ruột non tiết ra chất nhày

2.3.1.3 Tiêu thể (lysosome)

Tiêu thể là một thể có màng bao bọc, là những túi dự trữ các enzim có khả năng thủy phân các đại phân tử trong tế bào Màng của tiêu thể là màng không thấm, bên trong chứa các enzim tiêu hóa Nếu màng của tiêu thể bị vỡ ra, các enzim được phóng thích vào trong tế bào chất và lập tức các đại phân tử trong tế bào sẽ bị thủy giải Tiêu thể hoạt động như một hệ thống tiêu hóa của tế bào, có khả năng tiêu hóa các vật liệu có kích thước lớn được mang vào tế bào do sự nội nhập bào

2.3.1.4 Peroxisom

Peroxisom có hình dạng tương tự tiêu thể, nhưng peroxisom không được tách

ra từ hệ Golgi, mà nó được sinh ra từ peroxisom có trước Tế bào phải được thừa hưởng ít nhất một peroxisom từ tế bào chất của tế bào mẹ, nếu không sẽ không tránh khỏi cái chết

Tương tự như tiêu thể, peroxisom chứa enzim nhưng là enzim oxy hóa, chúng xúc tác các phản ứng trong đó nguyên tử hydro được chuyển từ hợp chất hữu

cơ (như formaldehyd và rượu ethyl) đến oxy, để tạo ra hydro peroxyd (H2O2), đây

là một chất cực độc đối với tế bào Tuy nhiên, peroxisom còn có một enzim khác

Hình 2.6 Hệ Golgi

nữa là catalaz, sẽ chuyển chất H2O2 độc này thành nước và oxy Tế bào gan và thận người có rất nhiều peroxisom, do đó rượu ethyl do người uống được oxy hóa nhờ các peroxisom trong những tế bào này

2.3.1.5 Không bào

Không bào có một màng bao quanh, bên trong chứa một dịch lỏng, được tìm thấy cả ở tế bào thực vật và động vật, đặc biệt rất phát triển ở tế bào thực vật Có nhiều loại không bào với chức năng khác nhau Ở một số động vật nguyên sinh, đặc biệt sống ở nước ngọt có không bào đặc biệt gọi là không bào co bóp giữ vai trò quan trọng trong sự thải nước ra khỏi tế bào Không bào tiêu hóa để tiêu hóa thức

ăn Ngoài ra, ở vi khuẩn và vi khuẩn lam có không bào khí chứa khí giúp tế bào nổi lên mặt nước Ðiểm đặc biệt là màng bao của không bào khí được cấu tạo bằng protein Ở hầu hết tế bào thực vật, có một không bào rất to chiếm từ 30 - 90% thể tích tế bào Các tế bào chưa trưởng thành có nhiều không bào nhỏ xuất xứ từ mạng nội chất và hệ Golgi Các túi này tích chứa nước, to ra và có thể hòa vào nhau để tạo

ra một không bào to ở tế bào trưởng thành Dần dần, không bào sẽ đẩy tế bào chất

ra ngoại biên của tế bào và chỉ còn là một lớp mỏng

Hình 2.7 Sự phát triển của không bào ở tế bào thực vật

Ngoài ra, không bào còn là nơi tích chứa những chất thải do các quá trình biến dưỡng Một số chất thải có thể được sử dụng lại dưới tác dụng của enzim Chức năng này rất quan trọng vì cây không có thận hay các cơ quan khác để thải chất bả như động vật, thực vật thải chất bả khi rụng lá

2.3.1.6 Ty thể bộ

Ty thể bộ là toàn thể các ty thể hiện diện trong tế bào Ty thể là nơi tổng hợp năng lượng chủ yếu của tế bào chân hạch, là nơi diễn ra quá trình hô hấp, lấy năng lượng từ thức ăn để tổng hợp ATP là nguồn năng lượng cần thiết cho các hoạt động của tế bào Ty thể được bao bọc bởi hai màng, màng ngoài trơn láng, màng trong với các túi gấp nếp (crista) sâu vào bên trong chất căn bản (matrix) làm gia tăng diện tích của màng trong lên rất nhiều Ty thể có chứa ADN, ribô thể riêng nên có thể nhân lên độc lập với sự phân chia của nhân

Hình 2.8 Cơ cấu của ty thể

2.3.1.7 Lạp bộ

Lạp bộ gồm tất cả các lạp hiện diện trong tế bào, được tìm thấy trong hầu hết

tế bào thực vật, trừ tế bào nấm, mốc và tế bào động vật Có hai loại lạp chính: sắc lạp và vô sắc lạp

* Lục lạp

Lục lạp là sắc lạp có chứa diệp lục tố và các sắc tố vàng hay cam gọi là

carotenoid Phân tử diệp lục tố hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời để tổng hợp ra các phân tử hữu cơ phức tạp (đặc biệt là đường) từ các nguyên liệu vô cơ như nước

và khí carbonic Phản ứng tổng hợp này sản sinh ra oxy, là loại khí mà hầu hết các loài sinh vật khác lệ thuộc vào nó

Lục lạp được bao bọc bởi hai màng và vô số các túi dẹp có màng bao được gọi là thylakoid nằm trong chất cơ bản gần như đồng nhất được gọi là stroma Thylakoid hoặc phân bố khắp trong stroma, hoặc xếp chồng chất lên nhau được gọi

là grana Diệp lục tố và carotenoid gắn trên màng thylakoid Lục lạp cũng có chứa ADN và ribô thể riêng như ty thể

Hình 2.9 Cơ cấu của lục lạp (dưới kính hiển vi điện tử)

* Sắc lạp không có diệp lục tố

Thường có màu vàng hay cam (đôi khi có màu đỏ) vì chúng chứa carotenoid Sắc lạp này làm cho hoa, trái chín, lá vàng có màu vàng hay cam đặc trưng Một số sắc lạp không bao giờ chứa diệp lục tố, một số khác thì do mất diệp lục tố, đây là trường hợp của trái chín và lá mùa thu

Hình 2.10 Ribô thể

Ribô thể là những hạt nhỏ không có màng bao có đường kính từ 25 - 30 nm Ribô thể gồm hai bán đơn vị được tạo ra trong hạch nhân từ những phân tử ARN và protein Ở tế bào chân hạch các bán đơn vị này đi qua lỗ của màng nhân ra ngoài tế bào chất, nơi đây chúng sẽ kết hợp với phân tử mARN để tổng hợp protein Ribô thể trượt dọc theo sợi mARN tạo ra một chuỗi ribô thể được gọi là polyribosom hay polysom, các ribô thể sau khi tổng hợp protein vẫn tiếp tục tự do trong tế bào chất hay chúng có thể gắn vào bề mặt của mạng nội chất Protein được tổng hợp từ các ribô thể tự do trong tế bào chất thì không được đưa ra khỏi tế bào hay tham gia vào

cấu trúc màng tế bào mà là những enzim trong dịch tế bào chất

2.3.1.9 Trung thể

Ở hầu hết tế bào động vật, bên ngoài nhân có một vùng được gọi là trung thể bao gồm hai bào quan được gọi là trung tử Trung tử hiện diện từng đôi và xếp thẳng góc nhau Khi có trung tử chúng là nơi xuất phát của thoi vi ống trong lúc tế

bào phân cắt

2.3.2 Tế bào chất

Tế bào chất là thành phần của chất nguyên sinh gồm phần dịch lỏng là dịch

tế bào chất và bộ khung protein được gọi là khung xương tế bào

2.3.2.1 Dịch tế bào chất

Là phần dịch lỏng của tế bào chất, không màu, hơi trong suốt, đàn hồi, không tan trong nước Thành phần chính của dịch tế bào chất là nước, ngoài ra còn có các đại phân tử protid, lipid và glucid Các đại phân tử này làm thành các micel, các micel mang cùng điện tích đẩy nhau gây nên chuyển động Brown (Robert Brown) của tế bào chất Do sự hiện diện của các micel nên dịch tế bào chất ở trạng thái keo,

vừa có thể ở trạng thái lỏng (sol) vừa ở trạng thái đặc (gel) Trong tế bào sống thường xuyên có sự thay đổi giữa hai trạng thái trên Dịch tế bào chất là nơi xảy ra

các phản ứng của các quá trình biến dưỡng trong tế bào

2.3.2.2 Khung xương tế bào

Các bào quan trôi nổi tự do trong dịch tế bào chất của tế bào chân hạch hoặc chúng có thể gắn vào hệ thống sợi protein phức tạp bên trong, được gọi là khung xương tế bào Cái sườn protein này tạo hình dạng của tế bào, tham gia vào các cử động của tế bào và đặc biệt quan trọng trong lúc tế bào phân chia

2.3.2.3 Vách tế bào thực vật

Vách tế bào là đặc điểm của tế bào thực vật để phân biệt với tế bào động vật, vách bảo vệ tế bào, giữ hình dạng, tránh sự mất nước cũng như chống sự xâm nhập của các vi sinh vật Vách ở phía ngoài của màng có thể dày từ 0,1 đến vài cm Thành phần hóa học của vách thay đổi từ loài này sang loài khác và từ tế bào này sang tế bào khác trong cùng một cây, nhưng cấu trúc cơ bản không thay đổi Thành phần cấu tạo chính là các phân tử celluloz có dạng sợi được kết dính với nhau bằng chất nền gồm các đường đa khác và protein

Ở những cây còn non tế bào có vách mỏng gọi là vách sơ cấp, vách này có tính đàn hồi và cho phép tế bào gia tăng kích thước Khi tế bào trưởng thành và ngừng tăng trưởng, một số tế bào tạo thêm lớp cứng hơn gọi là vách thứ cấp nằm giữa vách sơ cấp và màng tế bào Vách thứ cấp thường dày có nhiều lớp được cấu tạo bằng các sợi celluloz xếp theo nhiều hướng khác nhau, nên vách tế bào trở nên rắn chắc hơn Ngoài celluloz vách thứ cấp còn có thể tẩm thêm nhiều chất khác như lignin Khi vách thứ cấp được thành lập hoàn toàn, tế bào có thể chết đi, khi đó chỉ

còn làm nhiệm vụ nâng đỡ hay dẫn truyền

Trên vách của tế bào thực vật có những lỗ nhỏ giúp các chất thông thương giữa các

tế bào với nhau, các lỗ này được gọi là cầu liên bào