Bài giảng Sinh học đại cương

Cấu hình protein của mặt trong màng lysosome và enzyme tiêu hóa đảm bảo tránh sự tự phân hủy lysosome.Lysosome có vai trò trong: - Tiêu hóa nội bào: Ở amip, không bào tiêu hóa food vacuo

Năm 1862, Louis Pasteur bằng thực nghiệm chứng minh sự sống không tự ngẫu sinh.Những tuyên bố này là nền tảng cho học thuyết tế bào.

1.2 Nội dung cơ bản của học thuyết tế bào

(1) Tế bào là đơn vị cấu trúc và chức năng của cơ thể sống

(2) Tất cả cơ thể sinh vật đều được cấu tạo từ tế bào

(3) Tế bào có khả năng phân chia hình thành các tế bào mới

(4) Tế bào được bao bọc bởi màng có vai trò điều hòa hoạt động trao đổi chất giữa tế bào và môi trường

(5) Tất cả tế bào có sự giống nhau căn bản về thành phần hóa học và các hoạt tính trao đổi chất giữa tất cả các loại tế bào

(6) Tế bào chứa DNA mang thông tin di truyền điều hòa hoạt động của tế bào ở một số giai đoạn trong đời sống của nó

(7) Hoạt động của cơ thể là sự tích hợp hoạt tính của các đơn vị tế bào độc lập

(8) Có hai loại tế bào: prokaryote và eukaryote Chúng khác nhau trong tổ chức cấu trúc

tế bào, hình dạng và kích thước nhưng cũng có một số đặc điểm giống nhau, chẳng hạn như tất cả đều là những cấu trúc ở mức độ cao, thực hiện các quá trình phức tạp cần thiết để duy trì sự sống

Classical interpretation

2 Cells are the fundamental functional and structural unit of life

3 All cells come from pre-existing cells

4 The cell is the unit of structure, physiology, and organization in living things

5 The cell retains a dual existence as a distinct entity and a building block in the construction of organisms

Modern interpretation

The generally accepted parts of modern cell theory include:

1 The cell is the fundamental unit of structure and function in living things

2 All cells come from pre-existing cells by division

3 Energy flow (metabolism and biochemistry) occurs within cells

4 Cells contain hereditary information (DNA) which is passed from cell to cell during cell

division

5 All cells are basically the same in chemical composition

6 All known living things are made up of cells

7 Some organisms are unicellular, i.e., made up of only one cell

8 Others are multicellular, composed of a number of cells

9 The activity of an organism depends on the total activity of independent cells

Exceptions

See also: Origin of life

1 Viruses are considered by some to be alive, yet they are not made up of cells Viruses have many of the features of life, but by definition of life, they are not alive

2 The first cell did not originate from a pre-existing cell There was no exact first cell since the definition of cell is not that precise This is an intellectual game that comes from making strict logical symbols out of the biological definitions

3 Mitochondria and chloroplasts have their own genetic material, and reproduce independently from the rest of the cell

Types of cells

Cells can be subdivided into the following subcategories:

1 Prokaryotes: Prokaryotes lack a nucleus (though they do have circular DNA) and other

divisions of prokaryotes

2 Eukaryotes: Eukaryotes, on the other hand, have distinct nuclei and membrane-bound

organelles (mitochondria, chloroplasts, lysosomes, rough and smooth endoplasmic reticulum, vacuoles) In addition, they possess organized chromosomes which store genetic material

II CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TẾ BÀO HỌC

2.1 Hiển vi

Tế bào có kích thước rất nhỏ nên không thể nhìn thấy bằng mắt thường Sự phát hiện kính hiển vi giúp nghiên cứu tế bào ở những khía cạnh khác nhau Điều quan trọng đối với kính hiển vi không chỉ ở độ phóng đại mà còn ở giới hạn phân giải

Kính hiển vi quang học độ phóng đại khoảng 2000 lần, có thể phân biệt được khoảng cách nhỏ nhất là 0.2µm

Kính hiển vi điện tử có độ phóng đại khoảng 250.000 lần, có thể phân biệt đến Å

Gần đây nhiều cải tiến kính hiển vi đã được thực hiện và nhiều loại kính hiển vi mới ra đời phục vụ tốt hơn cho nghiên cứu tế bào như kính hiển vi huỳnh quang, kính hiển vi nổi

2.2 Tách và nuôi cấy tế bào

Trong nhiều trường hợp việc nghiên cứu từng loại tế bào là cần thiết, tiến hành nhiều thí nghiệm , do đó cần một số lượng lớn tế bào đó Các phương pháp tách chiết và nuôi cấy tế bào ngày càng được cải tiến và hoàn thiện để đáp ứng nhu cầu này

2.3 Phân đoạn các thành phần tế bào

Các thành tựu khoa học cung cấp nhiều phương pháp cho việc tách riêng các bào quan

và các đại phân tử sinh học để nghiên cứu thành phần sinh hóa và vai trò của chúng trong tế bào

Các phương pháp thường được áp dụng: Phương pháp siêu ly tâm, phương pháp sắc kí.Ngoài ra, trong nghiên cứu tế bào học còn sử dụng nhiều phương pháp hiện đại khác như: Điện di, đánh dấu bằng đồng vi phóng xạ và kháng thể…

III THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA TẾ BÀO

3.1Thành phần nguyên tố:

Trong tế bào có thể có mặt hầu hết các nguyên tố trong tự nhiên (92 nguyên tố) Trong

đó, 25 nguyên tố đã được nghiên cứu kỹ là C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn, Mo,

B, Cl, Na, Si, Co… là cần thiết cho sự sống Trong đó, C, H, O và N chiếm 96% trọng lượng chất khô của tế bào, các nguyên tố còn lại chiếm 5%

Các nguyên tố trong tế bào có thể được chia thành 3 nhóm: cấu tạo chất hữu cơ, các ion

và nguyên tố vi lượng (đại lượng, vi lượng và siêu vi lượng)

Tỉ lệ và vai trò của từng nguyên tố trong tế bào cũng khác nhau

Có thể tạo liên kết hydrogen giữ các phân tử nước và với các phân tử chất khác

Nhiệt dung riêng lớn (1cal/g/OC)

Vai trò của nước:

Là một dung môi tốt

Tham gia trực tiếp vào các phản ứng hóa học (phản ứng thủy phân)

Là nguyên liệu cho hoạt động của tế bào (cung cấp proton H+ cho các phản ứng)

Điều hòa trạng thái của nguyên sinh chất: (sol, coacevate và gel)

Tạo sức căng bề mặt tế bào

Ví dụ: Fe Cu, Mn là thành phần của các enzyme; Các muối hòa tan là yế tố quan trọng trong

sự hấp thu nước của tế bào

3.2.3 Các khí hòa tan

Trong nguyên sinh cất của tế bào có chứa các khí hoa tan: CO2, O2,

3.2.4 Các hợp chất hữu cơ

3.2.4.1 Carbohydrate

Bao gồm cả các đường và polymer của chúng: monosaccharide, disaccharide và polysaccharide.

Công thức chung: CnH2nOn

Carbohydrate là nguyên liệu cấu trúc và nhiên liệu của tế bào

Monosaccharide

Monosaccharide là những đường có 3 ≤ n ≤ 7

Tiêu chí phân loại: Phân loại dựa vào:

Vị trí gốc carbonyl (C=O): đường có thể là aldose (aldehyde) hay ketose (ketone)

Số lượng nguyên tử carbon (hình 2.1 a)

Vị trí của nhóm OH gắn vào C1 trong cấu trúc vòng: α-glucose hay β-glucose (hình 2.1 b)

Sự sắp xếp trong không gian của 4 loại nhóm thế quanh carbon bất đối xứng (chiral carbon): đường dạng D hay L (đồng phân quang học)

Hình 2.1 (a & b) Phân loại monosaccharide

Trong dung dịch, glucose và hầu hết các monosacchride khác hình thành dạng vòng Để thuận tiện người ta đánh số carbon trong vòng bắt đầu từ carbon (C1) liên kết với oxygen gắn với carbon (hình 2.2)

Hình 2.3 Sự hình thành sucrose (α-1,2 glycoside), maltose (α-1,4 glycoside)

Các đơn phân của sucrose và maltose được xếp như những đồng tiền ngửa

Các đơn phân của lactose (β-1,4 glycoside) được xếp như những đồng tiền ngửa-sấp

Hình 2.4: Lactose

Polysaccharide

Polysaccharide là những polymer của monosaccharide

Cấu trúc và chức năng của polysaccharide phụ thuộc vào các monomer của nó và vị trí của liên kết glycoside.

Một phân tử tinh bột có khoảng 280-300 phân tử glucose

Tinh bột có hai dạng: amylose và amylopectin

Glycogen là chất dự trữ ở động vật, được tìm thấy ở gan, cơ

Đơn phân của glycogen là alpha-glucose

Cấu trúc của glycogen tương tự như amylopectin nhưng phân nhánh sau 8-12 phân đơn phân glucose (hình 2.6)

Sự khác nhau trong liên kết của các monomer trong cellulose, tinh bột dẫn đến sự khác nhau trong cấu trúc không gian 3 chiều (3D) của chúng:

Tinh bột có cấu trúc xoắn, mỗi bước xoắn có 6 đơn vị glucose được được ổn định nhờ

liên kết hydrogen giữa các vòng xoắn kề nhau

Cellulose mạch thẳng Các phân tử cellulose xếp song song nhau, liên kết với nhau

bằng các liên kết hydrogen giữa các gốc OH tự do làm thành các vi sợi (microfibrill) rất chắc,

là nguyên liệu cho xây dựng tế bào

Hình 2.7: Cấu trúc của cellulose

Hình 2.8: Liên kết giữa các đơn phân trong tinh bột, glycogen và cellulose

Chitin:

Chitin là polysaccharide, có cấu trúc tương tự như cellulose nhưng gốc OH của C2 được thay thế bởi –NH - CO-CH3 (acetyl-glucosamine)

Chitin là nguyên liệu xây dựng vỏ của chân khớp, vách tế bào nấm

Hình 2.9: Monomer của chitin

3.2.4.2 Lipid

Lipid là những đại phân tử sinh học nhưng không phải là một polymer Các lipid có chung một tính chất là không hoăc ít có ái lưc với nước bởi vì chúng chứa phần lớn gốc hydrocarbon và chỉ một một vài liên kết phân cực với oxygen Lipid không tan trong nước nhưng tan trong dung môi hữu cơ

Lipid giữ vai trò quan trọng trong tế bào: phospholid là thành phần quan trọng của tế bào; là chất dự trữ năng lượng , là chất cách nhiệt; là dung môi hòa tan các chất như vitamin (A,D, E,K)

Dầu mỡ và sáp

Dầu mỡ được cấu thành từ glycerol và các acid béo (fatty acid)

Acid béo có một đầu –COOH và một đuôi hydrocarbon no (saturated) hay không no (unsaturated) Số nguyên tử carbon của acid béo vào khoảng 16-18

Mỡ động vật, triacylglycerol chứa acid béo no dễ đông ở nhiệt độ phòng Ngược lại, dầu cá và dầu thực vật thường chứa các acid béo không no nên đông đặc ở nhiệt độ thấp hơn

Dầu và mỡ có thể là tri, di hay mono-acylglycerol

Các acid béo trong dầu và mỡ có thể giống hay khác nhau

Hình 2.10: Acid béo no và không no

Hình 2.11: Tổng hợp và cấu trúc của mỡ – triacylglycerol

Sáp: một lượng nhỏ acid béo liên kết với rượu mạch dài thay vì glycerol

Dầu mỡ chứa nhiều năng lượng

Ví dụ: Một gram dầu mỡ chứa năng lượng gấp đôi một gram carbohydrate

Hình 2.12: Cấu trúc của phospholipid

Trong môi trường nước, phospholipid hình thành cấu trúc –hạt micelle với đầu ưa nước quay ra ngoài và đầu kỵ nước quay vào trong Ở bề mặt màng tế bào, phospholipid hình thành lớp đôi với đầu ưa nước quay ra ngoài và đầu kỵ nước quay vào nhau

Hình 2.14: Steroid: cholesterol, vitamin D, testosterone và cortisone

Cholesterol là một steroid tham gia thành phần cấu trúc màng tế bào động vật và là tiền chất của các steroid khác Tuy nhiên nồng độ cholesteron trong máu cao gây vữa xơ động mạch (atherosclerosis)

3.2.4.3 Protein

Protein là một polymer được cấu thành từ 20 loại amino acid Một protein có thể được hình thành từ một hay nhiều polypeptide cuộn thành các cấu hình đặc trưng

Polypeptide là polymer của các amino acid Các amino acid liên kết với amino acid kế tiếp bằng liên kết peptide Một đầu của polypetide là –NH2 (N-terminus), đầu kia tận cùng bằng –COOH (C-terminus) Polypeptide đặc trưng bởi trình tự amino acid.

Hình 2.15: Các amino acid và cấu trúc chung của amino acid

Hình 2.16: Cấu trúc của polypeptide

Các amino acid khác nhau chủ yếu ở nhánh bên R và trong sinh vật chỉ tồn tại các amino acid

Bốn mức độ cấu trúc của protein

Chức năng của protein phụ thuộc vào cấu hình đặc trưng của nó (conformation)

Hình 2.17: Cấu trúc của hemoglobin

Trình tự của polypeptide có thể xác định cấu hình không gian ba chiều (3D) của protein

Cấu trúc bậc một (primary structure)

Cấu trúc bậc một của protein là trình tự amino xác định của nó Trình tự amino acid được xác định bởi thông tin di truyền Sự thay đổi trong cấu trúc bậc một có thể ảnh hưởng đến cấu hình và chức năng của protein

Hình 2.18: Bệnh hồng cầu hình lưỡi liềm: đột biến thay thế một Glu thành Val

Cấu trúc bậc hai

Chuỗi polypeptide có thể gấp lại thành một số cấu trúc đều đặn trong không gian Cấu trúc bậc hai được biết đến nhiều nhất là xoắn α (α-helix) Sườn polypeptide hình thành một cấu trúc xoắn phải với 3,6 acid amin trên một vòng xoắn; như vậy nhóm N-H trong liên kết peptid thứ n đã tạo liên kết hydro với nhóm C=O trong liên kết peptide thứ (n+3) của chuỗi Những phần có cấu trúc xoắn α thường tìm thấy trong các protein hình cầu và một số protein hình sợi

Cấu trúc tấm gấp nếp β (β-pleated sheet), thường gọi là gấp β, được ổn định bởi các liên kết hydro hình thành giữa các nhóm N-H và C=O của các phần khác nhau trong chuỗi polypeptide Một vài đoạn của chuỗi polypeptide có thể được xếp cạnh nhau tạo nên cấu trúc tấm, trong đó các nhánh bên R có thể hướng lên phía trên hoặc phía dưới tấm Nếu các đoạn

nói trên chạy cùng chiều (ví dụ từ đầu tận cùng N đến C), ta có tấm song song (parallel), nếu

chúng xếp khác chiều (N đến C và C đến N) ta có tấm đối song song (antiparallel) Các tấm β

rắn chắc, đóng vai trò quan trọng trong các protein cấu trúc, ví dụ như trong sợi fibroin

Protein collagen trong mô liên kết còn có cấu trúc xoắn ba (triple helix), trong đó ba chuỗi polypeptide được bện vào nhau khiến cho nó rất chắc

Hình 2.19: Cấu trúc bậc hai

Cấu trúc bậc ba

Cấu trúc bậc ba là cách thức mà chuỗi polypeptide với những đoạn có cấu trúc xoắn α, gấp β hay các cấu trúc bậc hai khác cùng với các vòng nối (connecting loop) gấp lại trong không gian ba chiều

Bản chất của cấu trúc bậc ba vốn đã được định hình sẵn từ cấu trúc bậc một Khi đặt vào điều kiện thích hợp, hầu hết các chuỗi polypeptide tự động gấp lại thành một cấu trúc bậc

ba đúng bởi vì cấu trúc này có năng lượng thấp nhất có nghĩa là bền nhất Trong cấu trúc bậc

ba, các đoạn cấu trúc bậc hai và các đoạn nối gấp lại sao cho hầu hết các acid amin ưa nước thì quay ra bề mặt còn các acid amin kị nước thì nằm ở bên trong protein Điều này mang lại sự

ổn định cho toàn bộ cấu trúc

Các yếu tố giúp ổn định cấu trúc bậc ba gồm có các liên kết yếu như lực van der Waals, liên kết hydro, liên kết ion, tương tác kị nước xảy ra giữa các nhánh bên trong chuỗi polypeptide Đôi khi cũng có sự tham gia của một dạng liên kết cộng hóa trị: liên kết disulfide hình thành giữa hai cysteine

Chức năng của protein

Các chất xúc tác: các enzyme ribonuclease, cytochrome, trypsine (thủy giải peptide)

Protein cấu trúc: glycoprotein, keratin

Protein vận chuyển: hemoglobin

Protein vận động: myosin, actin

Protein bảo vệ: kháng thể

Các chất có hoạt tính sinh học: insulin, hormone

3.2.4.4Nucleic acid

Nucleic chứa và truyền thông tin thông tin di truyền

Có hai loại nucleic acid: DNA và RNA, đây là những đại phân tử giúp sinh vật tạo nên những thành phần phức tạp của sinh vật từ thế hệ này đến thế hệ kế tiếp DNA điều khiển quá trình tái bản của nó, tổng hợp RNA và qua RNA điều hòa tổng hợp protein

DNA là vật chất di truyền của sinh vật được nhận từ bố mẹ Khi tế bào phân chia, DNA được sao chép và truyền từ thế hệ tế bào đến thế hệ tế bào kế tiếp

Thông tin di truyền mã hóa trong DNA chương trình hóa hoạt động của tế bào Tuy nhiên, không phải DNA mà là protein điều khiển trực tiếp hoạt động của tế bào chúng, là công

cụ cho hầu hết chức năng sinh học

Mỗi gene điều khiển tổng hợp một mRNA, sau đó tương tác với bộ máy tổng hợp protein điều khiển tổng hợp một polypeptide Nơi tổng hợp protein thực sự là ribosome Như vậy, thông tin di truyền được chuyển từ nhân ra tế bào chất

Hình 2.22: Dòng thông tin di truyền trong tế bào

Nucleotide – đơn phân của acid nucleic

Nitrogenous (amine) base

Các base của ADN và ARN có cấu trúc dị vòng (heterocyclic) thơm (Hình 1.4)

Các purine có cấu trúc hai vòng, gồm adenine (A) và guanine (G) Các pyrimidine có

cấu trúc một vòng, gồm cytosine (C), thymine (T) và uracil (U)

A, G C tìm thấy trong cả hai loại nucleic acid, thymine tìm thấy trong DNA và uracil được tìm thấy trong ARN Thymine khác với uracil ở chỗ có thêm một nhóm methyl ở vị trí số

5, vì vậy thymine chính là 5-methyluracil

Nucleoside

Trong các acid nucleic, mỗi base liên kết hóa trị với vị trí số 1 (C-1) của một đường

pentose để tạo nên một nucleoside Vị trí của liên kết này trên base là vị trí 9 (N-9) đối với các

purine và vị trí 1 (N-1) đối với các pyrimidine

Ở ARN, đường pentose đó là ribose Còn ở ADN, đó là 2’-deoxyribose, trong đó

nhóm hydroxyl ở vị trí số 2 bị thay bởi một nguyên tử hydro

Liên kết giữa base và đường được gọi là liên kết glycoside Ở ARN, các nucleoside

gồm adenosine, guanosine, cytidine và uridine Đối với ADN, tên các nucleoside gồm deoxyadenosine, deoxyguanosine, deoxycytidine và deoxythymidine (hay thymidine)

Nucleotide

Một nucleotide gồm một nucleoside cùng với một hay nhiều nhóm phosphate nối hóa

trị tại vị trí 3’, 5’ hoặc 2’ của đường pentose (vị trí 2’ chỉ có ở đường ribose) Nếu là đường

ribose, người ta gọi hợp chất đó là ribosenucleotide; còn nếu là đường deoxyribose thì gọi là deoxynucleotide Về mặt hóa học, các hợp chất này là những phosphate ester.

Trong trường hợp có từ một đến ba nhóm phosphate gắn vào vị trí 5’, ta được các hợp chất 5’-monophosphate, -diphosphate và -triphosphate tương ứng; ví dụ như AMP (adenosine 5’-monophosphate), dGDP (deoxyguanosine 5’-diphosphate), dCTP (deoxycytidine 5’-triphosphate), TTP (thymidine 5’-triphosphate) hay ATP (adenosine 5’-triphosphate)…

Các nucleoside 5’-triphosphate (NTPs) hay các deoxynucleoside 5’-triphosphate (dNTPs) là vật liệu cấu thành nên phân tử acid nucleic đa phân Trong quá trình tổng hợp

ARN hay ADN, hai phosphate được tách ra, chỉ để lại một nhóm phosphtate cho mỗi đơn phân tham gia vào chuỗi nucleotide Nucleotide chính là đơn phân của acid nucleic

Hình 2.23: Cấu trúc nucleotide

Liên kết phosphodiester

Trong một chuỗi nucleotide của ADN hoặc ARN, mỗi phosphate liên kết hóa trị với một pentose ở vị trí 5’ và một pentose kế tiếp ở vị trí 3’ tạo thành một liên kết 3’, 5’-phosphodiester Có thể hình dung mỗi chuỗi nucleotide bao gồm một sườn chính gồm các đường pentose xen kẽ với các phosphat; trong đó, cứ mỗi đường lại có một base gắn vào vị trí 1’

Ở pH trung tính, mỗi phosphate đều chứa điện tích âm vì vậy các acid nucleic là những polymer mang điện tích âm

Trình tự ADN/ARN

Mỗi chuỗi nucleotide (trừ chuỗi nucleotide dạng vòng) đều có một đầu 5’ tự do có thể gắn hoặc không gắn với các nhóm phosphate và một đầu 3’ tự do có một nhóm hydroxyl Định

hướng của mỗi chuỗi nucleotide là 5’→3’ và theo quy ước viết trình tự thì đầu 5’ nằm phía bên trái Ví dụ không được viết trình tự một đoạn ADN một mạch là ATACGTA, mà phải viết

là 5’-ATACGTA-3’ Một trình tự ARN có thể viết là 5’-AUGCUUGA-3’ Điều này có nghĩa

là hướng của chuỗi là xác định, AUGCUUGA khác hẳn với AGUUCGUA

Hình 2.24: Cấu trúc chuỗi nucleic acid

Chuỗi xoắn kép ADN

Cấu trúc chuỗi xoắn kép

Cấu trúc phổ biến nhất của ADN là cấu trúc chuỗi xoắn kép (double helix) Các đặc tính cơ bản của cấu trúc này đã được James Watson và François Crick đề xuất vào năm 1953

Phân tử ADN là một chuỗi xoắn kép gồm hai mạch đơn xoắn đều quanh một trục, mỗi mạch đơn là một chuỗi nucleotide Mỗi chuỗi có định hướng 5’→3’; hướng của hai mạch trong chuỗi xoắn kép là ngược chiều nhau nên người ta gọi chúng là hai mạch đối song song Mỗi chu kỳ xoắn của ADN gồm 10 bp (base pair – cặp base) dài khoảng 3,4nm, đường kính vòng xoắn khoảng 2nm

Sườn phosphate-đường của mỗi mạch đơn hướng ra ngoài, còn các base của chuỗi xoắn kép hướng vào trong Hai mạch đơn kết hợp với nhau nhờ các liên kết hydro hình thành giữa các cặp base bổ sung nằm trên hai mạch A liên kết với T bằng hai liên kết hydro và giữa G và

C là ba liên kết hydro

Trên đây chỉ là mô hình của ADN dạng B theo Watson và Crick Ngày nay, người ta biết rằng ADN có nhiều dòng họ cấu trúc khác nhau ở một vài chỉ số

Hình 2.25: cấu trúc chuỗi xoắn kép của DNA

Dạng B thường tồn tại trong điều kiện sinh lý bình thường, còn các dạng khác tồn tại trong những điều kiện độ ẩm và ion khác nhau Đặc biệt, dạng Z có chiều xoắn ngược về phía bên trái và theo hình zigzac

Bảng 1.1: Một số dạng cấu trúc của ADN

Dạng ADN

Số cặp base trong một

chu kỳ xoắn

Chiều và góc xoắn

so với mặt phẳngcủa base

Khoảng cách thẳng đứng giữa hai base kề nhau

Đường kínhvòng xoắn

ra hai phân tử con giống hệt nhau từ một phân tử mẹban đầu.

Ý nghĩa của cấu trúc chuỗi xoắn kép

Phân tử ADN thường có cấu trúc chuỗi xoắn kép Cấu trúc này là một cấu trúc ổn định:

• Trong chuỗi xoắn kép, các đường pentose và các nhóm phosphate xoay ra ngoài, hình thành liên kết hydro với nước đảm bảo tính ổn định cho phân tử

• Chuỗi xoắn kép cho phép các base purine và pyrimidine có cấu trúc phẳng xếp chồng khít lên nhau bên trong phân tử ADN, hạn chế sự tiếp xúc của chúng với nước Nếu hai đơn tách rời nhau, các base kị nước sẽ phải tiếp xúc với nước, điều này sẽ đặt chúng vào một tình thế bất lợi, không ổn định

• Hai mạch đơn bắt cặp với nhau nhờ các liên kết bổ sung giữa một bên là purine (A và G cùng kích thước lớn) và bên kia là pyrimidine (T và C cùng kích thước bé hơn) Điều này đảm bảo cho hai mạch đơn luôn đi song song

• Mỗi phân tử ADN có một số lượng liên kết hydro rất lớn nên dù chuyển động nhiệt có làm phá vỡ các liên kết nằm hai đầu phân tử thì hai mạch đơn vẫn được gắn với nhau bởi các liên kết ở vùng giữa Chỉ trong những điều kiện rất khắc nghiệt, ví dụ nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sinh lý nhiều lần, thì mới có sự phá vỡ đồng thời quá nhiều liên kết hydro khiến phân tử bị biến tính, không còn giữ được cấu hình ban đầu

IV TẾ BÀO EUKARYOTE

Hình 2.26: tế bào thực vật và tế bào động vật

4.1 Nhân

Phần lớn tế bào có một nhân Một số trường hợp, tế bào có nhiều nhân như

Paramecium (2 nhân), một số tế bào gan và tế bào nước bọt của động vật có vú (2-3 nhân),

một số tế bào đa nhân có đến hàng chục nhân (megacaryocyte trong tủy xương) Tuy nhiên, cũng có tế bào không nhân chẳng hạn như tế bào hồng cầu.

Hình dạng của nhân tùy thuộc vào hình dạng tế bào: tế bào hình cầu (lymphocyte, tế bào nhu mô, neuron), nhân thường có hình cầu; trong các tế bào hình trụ, hoặc hình kéo dài theo một trục (tế bào cơ, tế bào biểu bì), nhân có hình bầu dục; một số nhân có hình phức tạp (nhân phân thùy của tế bào bạch cầu)

Kích thước của nhân phụ thuộc loại và trạng thái chức năng của tế bào, trung bình khoảng 5µm

Màng nhân có cấu trúc không liên tục Trên màng nhân có các lỗ nhân (nuclear pore),

có đường kính khoảng 100nm Tại mép của lỗ này, màng ngoài và màng trong nối với nhau

Lỗ nhân được cấu tạo từ một phức hợp protein gọi là phức hợp lỗ Phức hợp này nối các lỗ với nhau có vai trò điều hòa kích thước lỗ và vận chuyển các chất có kích thức lớn (large macromolecules and particles) qua lỗ

Ngoài lỗ màng nhân, trên mặt của màng nhân có các phiến mỏng (lamina) lót mặt trong của màng, đảm bảo ổn định hình dạng của nhân

Ngoài việc tách biệt nhân và tế bào chất, màng nhân có chức năng trong trao đổi chất, tổng hợp protein và ổn định hình dạng nhân

Nhân chứa hầu hết gene của tế bào Các DNA tổ chức với protein làm thành chất nhiễm sắc Chất nhiễm sắc (chromatin) bắt màu có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi như một khối lộn xộn Khi tế bào chuẩn bị phân chia, chromatin xoắn lại và dày lên gọi là nhiễm sắc thể (chromosome) có số lượng đặc trưng cho mỗi loài

Hạch nhân (nucleolus) được tìm thấy trong nhân của tế bào khi không phân chia Đây là

tổ chức tổng hợp các thành phần của ribosome

Nhân có vai trò chứa và truyền thông tin di truyền từ tế bào này sang tế bào khác Nhân chứa DNA, nhiễm sắc thể Khi tế bào phân chia, DNA và nhiễm sắc thể nhân đôi và phân chia

về hai tế bào con

Nhân điều khiển, điều hòa hoạt động sống của tế bào Cắt trùng Stentor, thành hai phần

một nửa có nhân và một nửa không có nhân Một nửa có nhân nhanh chóng phục hồi Nửa kia

sẽ chết sau đó Đối với Foraminifera, nửa có nhân phục hồi vỏ cứng bị mất, nửa kia không có

Ribosome có hình cầu kích thước nhỏ (20-35nm)

Trong tế bào, ribosome bám trên hệ thống màng mặt ngoài của lưới nội chất, màng nhân (bound ribosome) và nằm tự do trong cytosol

Ribosome tự do tổng hợp protein có chức năng trong tế bào chất, chẳng hạn như các enzyme tham gia vào quá trình chuyển hóa các chất (metabolitic process)

Ribosome bám tổng hợp các protein được xuất ra khỏi tế bào Những tế bào chuyên hóa tiết protein như tế bào các tuyến chẳng hạn như tuyến tụy (pancreas) có tỉ lệ ribosome bám cao

Ribosome được cấu tạo chủ yếu từ RNA và protein Ribosome của prokaryote có hằng

số lắng là 70S gồm hai hai tiểu phần 30S và 50S Ở tế bào eukaryote, ribosome có hằng số lắng là 80S gồm 2 tiểu phần 40S và 60S

Hình 2.28 : Ribosome

4.3 Mạng lưới nội chất (endoplasmic recticulum-ER)

Mạng lưới nội chất là một hệ thống màng chằng chịt (labyrinth) chiếm hơn 50% tổng màng trong tế bào eukaryote Mạng lưới nội chất bao gồm các ống, túi và bể thông với nhau phân bố khắp tế bào chất

Có hai loại mạng lưới nội chất khác nhau Mạng lưới nội chất nhám (rough ER) và mạng lưới nội chất trơn (smooth ER)

4.3.1 Mạng lưới nội chất trơn (smooth endoplasmic recticulum)

Mạng lưới nội chất trơn có chức năng trong chuyển hóa chất như tổng hợp lipid, chuyển hóa carbohydrate, phân giải hóa chất (drug) và độc tố và co cơ

Vd: Mạng lưới nội chất trơn của tế bào cơ (muscle cell) bơm Ca2+ từ cytosol vào trong túi Khi

tế bào cơ bị kích thích bởi các xung thần kinh, Ca2+ được đưa ngược lại vào cytosol gây co cơ

4.3.2 Mạng lưới nội chất nhám (rough endoplasmic recticulum)

Mạng lưới nội chất nhám mặt ngoài có các ribosome Ở nhiều loại tế bào, protein tiết có tính chuyên hóa được tổng hợp ở ribosome của mạng lưới nội chất nhám chẳng hạn như insulin của tuyến tụy Một polypeptide được tổng hợp được đóng gói vào túi hay bóng màng (vesticle) thông qua lỗ, được hình thành bởi protein trên màng của mạng lưới nội chất Khi đi vào túi, polypeptide xoắn thành cấu hình không gian đặc trưng Hầu hết các protein tiết là glycoprotein Các túi protein tiết (transfort vesicle) sau đó tách khỏi mạng lưới nội chất và được vận chuyển đến nơi cần thiết

Hình 2.29: mạng lưới nội chất

4.4 Bộ máy Golgi (Golgi apparatus)

Sau khi rời khỏi mạng lưới nội chất, các bóng vận chuyển (transport vesicle) được đưa đến bộ máy Golgi Ơ đây các sản phẩm của mạng lưới nội chất được biến đổi, phân loại sau đó đưa đến nơi cần thiết

Bộ máy Golgi gồm những túi nhỏ dẹp có màng kép xếp song song nhau tựa như chồng đĩa Các túi dẹp ở gần nhau nối với nhau bởi các ống

Các túi dẹp có cấu trúc phân cực: mặt cis và trans Mặt cis nằm gần mạng lưới nội chất

và tiếp nhận các bóng vận chuyển từ mạng lưới nội chất Các sản phẩm này được biến đổi trong Golgi từ mặt cis tới trans Những biến đổi có thể là loại bỏ một số monomer trên gốc đường của protein, gắn gốc phosphate Các sản phẩm của Golgi sau đó tách khỏi mặt trans đến nơi cần thiết

Hình : Bộ máy Golgi

4.5 Lysosome

Lysosome là các túi enzyme thủy phân được bao bọc bởi màng Các enzyme này có thể hoạt động tốt ở pH khoảng 5 và có thể thủy phân hầu hết các đại phân tử như protein, polysaccharide, nucleic acid và lipid Màng của lysosome đảm bảo pH thấp bằng cách bơm H+

từ cytosol vào Cấu hình protein của mặt trong màng lysosome và enzyme tiêu hóa đảm bảo tránh sự tự phân hủy lysosome.

Lysosome có vai trò trong:

- Tiêu hóa nội bào: Ở amip, không bào tiêu hóa (food vacuole) hòa màng với lysosome để tiêu hóa thức ăn

- Tái chế nguyên liệu thông qua quá trình tự tiêu (autophagy) các bào quan già

- Hủy tế bào theo chương trình Trong quá trình phát triển của nòng nọc thành cóc, lysosome phân hủy các tế bào đuôi Trong quá trình phát triển phôi người, lysosome phân hủy màng ngón tay ở phôi

- Nhiều bệnh di truyền gọi là dự trữ lysosome (lysosomal storage diseases) ảnh hưởng đến

chuyển hóa của lysosome Một người bị bệnh này thiếu active lysosome enzyme hoạt hóa Các lysosome bị ứ đọng cơ chất ảnh hưởng đến hoạt động tế bào

Vd: Bệnh Pompe: gan bị tổn hại do tích lũy nhiều glycogen Bệnh Tay-Sarch, tích lũy lipid ở não

Các bệnh này có thể chữa trị bằng cách tiêm enzyme có liên quan hay bằng liệu pháp gene.Hình 2.30 : Hình thành và chức năng của lysosome (formation and function of lysosome)

4.6 Không bào (vacuole)

Không bào (vacuole) và bóng màng (vesicle) đều được bao bọc mởi màng nhưng không bào lớn hơn Không bào có nhiều chức năng Không bào tiêu hóa (hình thành do thực bào phagocyte), không bào co bóp (contractile vacuole), không bào trung tâm (central vacuole

ở tế bào thực vật trưởng thành) được bao bọc bởi màng (tonoplast) Không bào tế bào thực vật chứa protein, các chất vô cơ (kali, chloride), sản phẩm trung gian của hóa trình chuyển hóa các chất, sắc tố, độc tố

Không bào có vai trò trong sự lớn lên của tế bào thực vật: do không bào kéo dài khi hút nước

Không bào lớn được hình thành từ việc kết hợp nhiều không bào nhỏ hơn

Hình 2.31: không bào

4.7 Ti thể (mitochondria)

Trong tế bào của eukaryote thường có nhiều ti thể, một số trường hợp có một ti thể lớn

Ở những tế bào hoạt động trao đổi đổi chất mạnh, số lượng ti thể nhiều hơn tế bào hoạt động ít

Ti thể có hình hạt hay hình sợi đường kính trung bình 0.1-0.5µm, dài1-10µm

Quay phim hiển vi cho thấy ti thể luôn chuyển động, thay đổi hình dạng và phân chia

Ti thể có màng đôi, màng ngoài trơn, mang trong gấp nếp thành mào có hình răng lược (cristae) làm tăng thêm bề mặt của màng trong nhằm tăng cường hiệu quả chức năng của nó Trên bề mặt của răng lược có các hạt là các protein xuyên màng (integral protein) và rìa màng (peripheral protein) có vai trò trong chuyền điện tử và tổng hợp ATP

Màng trong chia ti thể thành hai buồng: buồng thứ nhất (internal compartment) là vùng hẹp giữa hai màng; buồng thứ hai chất nền của ti thể (mitochondrial matrix) được bao quanh bởi màng trong chứa enzyme thực hiện một vài bước chuyển hóa chất trong hô hấp tế bào Ngoài ra, chất nền còn có các DNA Vì vậy, ti thể có khả năng tự nhân đôi và tổng hợp một số protein

Số lượng lục lạp khác nhau ở các loài thực vật Mỗi tế bào tảo có một lục lạp Thực vật bậc cao trung bình có 20-100 lục lạp

Đường kính lục lạp khoảng 4-6 micrometer, dày 2-3 micrometer

Những cây ưa bóng có số lượng, kích thước lục lạp và hàm lượng sắc tố trong lục lạp nhiều hơn cây ưa sáng

Hình 2.32: Cấu trúc lục lạp

Lục lạp được bao bọc bởi màng kép, chia lục lạp thành hai buồng: khoảng giữa hai màng và chất nền (stroma).

Stroma là nơi xảy ra các phản ứng của pha tối trong quang hợp Thành phần hóa học của stroma bao gồm: Các enzyme, protein, acid nucleic, ribosome, lipid và các giọt dầu

Grana là tập hợp các thylakoid xếp chồng chất lên nhau là nơi xảy ra các phản ứng pha sáng trong quang hợp Màng thylakoid có phức hệ enzyme tổng hợp ATP (ATP-synthetase) Trong màng chứa hệ thống sắc tố và hệ thống chuyền điện tử Một grana có 5-30 thylakoid được gọi là thylakoid grana Mỗi lục lạp có khoảng 40-50 grana được liên kết với nhau bởi thylakoid stroma

Lục lạp có vai trò trong chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học và dùng nó trong việc tổng hợp chất hữu cơ từ CO2 và nước Lục lạp có chứa DNA, như vậy chúng có thể tự sinh sản và tổng hợp một số protein

4.9 Peroxisome

Peroxisome là các bóng màng, có màng đơn Bên trong là chất nền chứa các enzyme oxy hóa đặc trưng: catalase phân giải hydrogen peroxide, enzyme chuyển hóa acid béo Peroxisome ở gan có vai trò trong giải độc bằng cách chuyển H từ chất độc cho oxygen

Một bào quan chuyên biệt của peroxisome là glyoxisome không có ở động vật có xương sống bậc cao Bào quan này chứa enzyme chuyển hóa lipid thành carbonhydrate

Hình 2.33 : Peroxysome

4.10 Bộ xương tế bào (cytoskeleton)

Bộ xương tế bào là mạng lưới vi sợi, vi ống mở rộng khắp nguyên sinh chất (cytoplasm) và có vai trò chính trong tổ chức cấu trúc và hoạt động của tế bào

Chức năng:

Bộ xương tế bào có chức năng nâng đỡ và duy trì hình dạng của tế bào Kiến trúc của

bộ xương chắc chắn và đàn hồi cao; bộ xương cung cấp điểm tự cho các bào quan và rất linh động do có thể bị phân hủy và tái thiết lập

Bộ xương tế bào liên quan đến các dạng vận động của tế bào Sự chuyển động đó đòi hỏi sự tương tác giữa bộ xương và các protein vận động (motor) chẳng hạn như các bóng vận chuyển trên các đường ray (monorail) từ bộ xương; co cơ…

Hình 2.34: Phân tử motor và bộ xương tế bào (motor mocule and cytoskeleton)

Bộ xương cũng tham gia vào điều hòa hoạt động sinh hóa của tế bào Bộ xương có thể chuyển lực cơ học từ bề mặt tế bào vào bên trong và đến nhân Trong thí nghiệm, người ta kéo protein của màng sinh chất liên kết với bộ xương Một video hiển vi cho thấy có sự sắp xếp lại nhân và các tổ chức khác của hạch nhân (nucleoli).

Bộ xương tế bào được cấu trúc bởi: vi ống (microtubule), vi sợi (microfilament) và vi sợi trung gian (intermediate filament)

Vi ống cũng có thể tập hợp thành lông, roi, các vi ống thần kinh của sợi trục (axon), thoi phân bào

Hình 2.35: cấu trúc của tubulin

Vi ống có vai trò:

Kéo nhiễm sắc thể về hai cực, nhờ các vi ống của thoi vô sắc

Vận chuyển các bào quan từ nơi này đến nơi khác: chuyển động của ti thể, bóng màng xuất nhập bào (hình 2.51 và 2.52)

Duy trì hình dạng tế bào: do sự sắp xếp đặc trưng của vi ống (biệt hóa tế bào)

Vi sợi

Vi sợi đường kính khoảng 7 nm, cấu trúc bởi hai sợi actin xoắn lại, được tìm thấy trong tất cả eukaryote Vi sợi dạng này phân bố khắp cytoplasm nhưng thường tập trung sát ngay màng sinh chất Cấu trúc của chúng chịu lực căng (tension forces) Các vi sợi tương tác với các protein khác tạo thành mạng lưới có vai trò nâng đỡ và duy trì hình dạng tế bào Ở tế bào động vật chuyên hóa cho vận chuyển các chất, các bó microfilament làm thành lõi của lông tơ làm tăng diện tích bề mặt tế bào

Dạng vi sợi dày hơn là myosin tương tác với actin có vai trò trong vận động của tế bào

Sự co cơ là kết quả của việc trượt lên nhau của actin và myosin làm tế bào ngắn lại Sự tương

tác của actin và myosin trong tế bào động vật đang phân chia hình thành rãnh phân cắt chia tế bào mẹ thành hai tế bào con.

Hình 2.36 (7.27): Microfilament and mobility

Vi sợi trung gian

Vi sợi trung gian phổ biến trong eukaryote có đường kính 8-12nm Các sợi này chuyên biệt cho việc chịu lực căng và rất đa dạng Sợi trung gian là thành phần cố định của tế bào và

có vai trò trong việc đảm bảo hình dạng tế bào Khi xử lý loại bỏ microtube và microfilament,

tế bào vẫn giữa nguyên hình dạng Như vậy, mạng lưới các sợi trung gian đảm bảo hình dạng nguyên thủy của tế bào

4.11 Trung thể (centriosome)

Trung thể có ở các tế bào động vật đa bào cũng như đơn bào và nằm cạnh nhân Trung thể ở tế bào động vật có một cặp trung tử (centriole) và chất quanh trung tử (pericentriole) Ngày nay, người ta gọi trung thể là MTOC (microtubule organizing centre) Tế bào thực vật không có trung tử

Trung tử có hình trụ đường kính khoảng 0.15-0.25 µm dài 0.7 µm Thành trụ được cấu tạo từ 9 bộ ba vi ống Các vi sợi bao quanh tâm trụ Bộ ba vi ống gồm tubilin A, B và C và được nối với nhau bởi protein nexin Khi tế bào phân chia trung tử nhân đôi

Trước đây cho rằng, trung tử có vai trò trong tạo thoi vô sắc Nhưng nhiều bằng chứng gần đây cho thấy những tế bào bị phá trung tử vẫn hình thành thoi vô sắc

Chất quanh trung thể có nhiều cấu trúc hình cầu kích thước khoảng 40-70nm có cuống đính với các vi ống của trung tử và các vi ống tự do xếp phóng xạ quanh trung tử (hình 2.37)

Hình 2.37: cấu trúc của trung thể (centrisome)

4.12 Lông và roi

Lông và roi là những phần lồi của tế bào chất được bao bởi màng có đường kính khoảng 0.2µm Người ta phân biệt lông và roi dựa vào chiều dài, số lượng và cách thức hoạt động (beating patern) Roi thường dài hơn lông (10-200µm so với 2-20 µm) Tế bào có khoảng vài roi trong khi có tới khoảng 300 lông Roi chuyển động uốn sóng tạo lực cùng hướng với trục của roi Lông chuyển động như mái chèo (oar) tạo lực vuông góc với trục của lông

Mặc dù có chiều dài, số lượng và chuyển động khác nhau nhưng lông và roi có chung cấu trúc siêu hiển vi (ultrastructure) Lông và roi được bao bọc bởi màng sinh chất và gồm 9

đôi microtubule xếp song quanh 2 microtubule ở giữa (9+2) Đôi vi ống gồm alpha và beta microtubule liên kết với nhau bởi protein nexin Alpha microtubule có hai tay là protein dynein hướng tới beta microtubule của cặp kế Alpha microtubule nối với màng bao hai microtubule trung tâm bởi nối phóng xạ Cấu trúc lông và roi được neo vào tế bào nhờ thể nền (basal bodies) tương tự như trung tử có vai trò trong tái sinh lông và roi Dynein có vai trò trong chuyển động của lông và roi Cơ chế chuyển động của DYNEIN giống như mèo leo cây

và cần năng lượng (ATP)

Hình 2.38: cấu trúc và chuyển động của lông và roi

Lông và roi giúp tế bào chuyển động và dọn các chất lỏng trên bề mặt mô Lông tế bào đệm (lining: niêm mạc) của khí quản quét những mảnh vụn ra khỏi phổi

4.13 Vách tế bào (cell wall)

Vách tế bào thực vật bền chắc và quy định hình dạng tế bào Mặt trong cua vách dính với màng nguyên sinh chất

Vách tế bào bao gồm các thành phần cấu trúc sau: Cellulose chiếm 30%, hemicellulose

và pectin chiếm 60%, protein, lipid, peroxydase, ATPase và phosphatase Ở tế bào già, vách tế bào có thêm lignin (hóa gỗ), chất sáp, cutin(cuticle), tannin và suberin…

Các sợi microfibil của cellulose đan kết trong một khối cơ chất vô định hình của polysaccharide (hemicellulose và pectin) và các protein

Khi tế bào còn non, chúng được bào bọc bởi vách sơ cấp Giữa vách sơ cấp của các tế bào lân cận là các phiến giữ (middle lamina) thành phần chính là pectin, chất kết dính các tế bào lại với nhau thành khối mô Khi tế bào trưởng thành, một số tế bào thấm thêm các chất làm vách sơ cấp cứng hơn, một số khác hình thành vách thứ cấp (secondary cell wall) nằm giữa màng sinh chất và vách sơ cấp, có nhiều lớp phiến mỏng hơn

Hình 2.39: Vách tế bào thực vật

Vách tế bào có các chức năng:

o Trao đổi ion như nhóm carboxyl có trong pectin với H+, K+ và các cation khác

o Chất suberin tham gia điều tiết chế độ nước và nhiệt của cây

o Vách tế bào ở cạnh nhau liên kết lại thành hệ thống gian bào, có vai trò trong vận chuyển vật chất

o Vách tế bào có các lỗ, nơi mà các sợi liên bào xuyên qua, đảm bảo cho sự thông thương, sự vận chuyển các chất và truyền thông tin giữa các tế bào.

o Vách tế bào duy trì hình dạng tế bào nhờ áp suất nước và quyết định kích thước của tế bào

4.14 Màng nguyên sinh (plasma membrane)

4.14.1 Cấu trúc

Màng sinh chất là màng khảm lỏng, là lớp sinh chất ngoài cùng của tế bào chất, có cấu tạo đặc thù của màng sinh học bao gồm:

Hình 2.40: Mô hình màng khảm lỏng

Lớp phospholipid kép: Các phân tử phospholipid sắp xếp với đầu kị nước quay vào nhau và

đầu ưa nước quay ra môi trường tạo nên lớp phospholipid kép Các hydrocarbon ở đầu kị nước của phân tử phospholipid có thể chuyển động theo nhiều hướng tạo nên tính linh động của màng Các phân tử phosphilid có thể di chuyển từ nơi này sang nơi khác trong cùng một lớp phospholipid hoặc chuyển từ lớp phospholipid này sang phospholipid khác

Hình 2.41: Tính lỏng của màng sinh chất

Các protein:

Một số protein xuyên qua lớp phospholipid kép một phần hay hoàn toàn Phần không phân cực của protein tương tác với đầu kị nước của phospholip và thường có cấu trúc xoắn alpha Phần ưa nước của protein quay ra phía ngoài màng

Hình 2.42: cấu trúc của protein xuyên màng

Một số protein không xuyên màng: Các protein neo trực tiếp vào phospholipid kép hay thông qua phân tử đường hay phân tử lipid

Các protein gắn vào màng thông qua sự tương tác với protein khác của màng

Các protein trên có thể là các enzyme, các chất nhận hay chất mang, các kênh vận chuyển qua màng, protein điều hòa và protein cấu trúc

Hình 2.43: Một vài chức năng của protein màng

Cũng giống như phospholipid, một số protein có thể di chuyển trong một lớp hoặc giữa hai lớp phospholipid Tuy nhiên, do protein lớn hơn các phân tử phospholipid nên chuyển động chạm hơn nhiều

Hình 2.44: Sự di chuyển của protein màng

Nhiều phân tử protein mặt ngoài của màng gắn vào bộ xương tế bào thật sự bất động

Sự gắn xen của các protein vào màng có vai trò điều hòa tính chất cơ học của màng

Cholsterol (hình 2.40)

Các phân tử cholesterol xếp xen kẽ vào giữa các phân tử phospholip theo cách nhóm phân cực xếp ở mức các đầu ưa nước của phospholipids và nhân steroid xen kẽ vào đuôi hydrocarbon của phospholipids Cholesterol có vai trò cố định cơ học cho màng

Màng có tính lỏng (fluidity): Phụ thuộc và thành phần cấu trúc của màng (phospholipid

có duôi là các hydrocarbon không no làm tăng tính lỏng của màng và ngược lại; Cholesterol làm giảm tính lỏng của màng)

Màng có cấu trúc khảm: Các protein khảm vào lớp phospholipid kép

Màng nguyên sinh là màng bán thấm có chọn lọc, cho nước và một số chất hòa tan đi qua nhưng không cho các chất hòa tan khác đi qua

4.14.2 Chức năng

Màng nguyên sinh chất ngăn cách tế bào với môi trường: điều này tạo cho tế bào một

hệ thống riêng biệt; qua màng, tế bào trao đổi các chất và thông tin với môi trường ngoài cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của tế bào

V CẤU TẠO CỦA TẾ BÀO PROKARYOTE

Hầu hết Prokaryotes là sinh vật đơn bào Một số loài sống thành nhóm, tập đoàn gồm nhiều tế bào giống nhau Một số khác hình thành những tổ chức đa bào có sự phân công chức năng

Prokaryotes có nhiều hình dạng khác nhau: hình cầu (cocci), hình que (bacilli), hình phẩy và hình xoắn (helice) bao gồm xoắn khuẩn (Spirilla) và Spirochettes

Kích thước tế bào từ 1-5 :m Tuy nhiên Prokaryotes lớn nhất có hình roi dài 0.5 mm (tế bào Eukaryote 10-100 :m)

5.1 Vách tế bào

Hầu hết prokaryotes có vách tế bào bên ngoài màng sinh chất (plasma membrane) và duy trì hình dạng của tế bào bảo vệ tế bào không bi vỡ khi đặt trong môi trường nhược trương

và có lysozyme Tuy nhiên môi trường có áp suất thẩm thấu quá cao, Prokaryote sẽ chết

Không giống như vách tế bào thực vật được cấu tạo từ cellulose, vách tế bào vi khuẩn

có cấu tạo từ peptidoglycan gồm các phân tử polysaccharides liên kết ngang với các phân tử petides ngắn Thành phần cấu tạo của vách là khác nhau giữa các loài Ở một số loài, vách tế còn có thêm lipopolysaccharides (carbonhydrate liên kết với lipids) đây là đặc điểm giúp phân biệt vi khuẩn khi nhuộm Gram (Gram stain) với thuốc nhuộm tím tinh thể (crystal violet) Vi khuẩn Gram dương (Gram-positive bacteria) bắt màu sẽ có màu đỏ tía, vách tế bào của loài này phần lớn là peptidoglycan không có lipopolysaccharides Vi khuẩn Gram âm (Gram-negative bacteria) không bắt màu, vách tế bào có ít peptydoglycan và có thêm lipopolysaccharides

Phần lớn vi khuẩn gây bênh là vi khuẩn Gram âm bởi vì lypolysaccharides giúp vi khuẩn chóng lại lysozyme có trong tuyến nước bọt và tuyến mũi của người và có khả năng kháng kháng sinh bằng cách ngăn cản đường vào của kháng sinh Lysozyme tác động trực tiếp lên vách tế bào Kháng sinh chẳng hạn penicillin ngăn cản sự hình thành liên kết chéo giữa polysaccharides và polypetides Nhiều vi khuẩn gây bệnh còn có lớp vỏ nhầy bên ngoài vách

tế bào gọi là capsule tăng cường khả năng chống đề kháng của tế bào vật chủ và dính cơ chất của chúng Mặc khác, capsule giúp kết dính các tế bào của vi khuẩn hình thành khuẩn lạc

Một số loài có khuẩn mao giúp kết dính tế bào vào giá thể, giữ các tế bào dính đủ lâu

để truyền DNA trong suốt quá trình tiếp hợp (conjugation)

Ví dụ: Neissenria gonorrhoeae gây bệnh lậu (goorrhoaeae) dùng khuẩn mao bám vào niêm

mạc vật chủ

Hình 21 (27.4) Hình 22 (27.5)

5.2 Lông và roi

Hơn phân nửa prokaryotes có khả năng chuyển động định hướng do có roi Các roi tập trung trên toàn bộ cơ thể hoặc chỉ ở một hoặc hai đầu của tế bào Có ba cơ chế trong chuyển động của vi khuẩn Thứ nhất là nhơ roi Thứ hai là nhờ hai hay nhiều khuẩn mao bên dưới

vách tế bào có cấu trúc tương tự như roi Mỗi sợi có motor gắn vào tế bào Khi motor quay tế bào chuyển động theo cơ chế xoắn nút chai Cơ chế này là đặc biệt hiệu quả trong môi trường

có độ nhớt cao Cơ chế thứ ba là một số vi khuẩn có thể tiết ra chất nhầy gây ra chuyển động trượt như khi thiếu khuẩn mao Trong môi trường đồng nhất Prokaryote chuyển động theo hướng ngẫu nhiên Trong môi trường không đồng nhất, Prokaryote chuyển động hướng kích thích chẳng hạn như hướng sáng, hướng nguồn thức ăn, tránh chất độc Một số loài vi khuẩn

có chứa một số phân tử nhỏ như hợp chất sắt cho phép chúng phân biệt trên, dưới để định hướng bắt mồi

6.3 Màng sinh chất

Màng của prokaryotes có cấu trúc khảm lỏng giống như màng của Eukaryotes Sự gấp nếp của màng tạo nên những màng có chức năng riêng biệt chẳng hạn như thylakoids, mesosome và màng hô hấp (respiration membranes)

Trong bộ gene của Eukaryotes, DNA mạch thẳng tương tác với các proteins hình thành

bộ nhiễm sắc thể đặc trưng cho loài Trung bình bộ gene của một prokaryote chỉ bằng 1/1000 DNA trong một tế bào Eukaryote

Ngoài DNA của nhiễm sắc thể, Prokaryotes còn có những vòng DNA nhỏ hơn gọi là plasmids chứa vài genes Trong hầu hết môi trường, Prokaryotes tồn tại không cần plasmids bởi vì các chức năng quan trọng đều mã hoá trong DNA nhiễm sắc thể Tuy nhiên, các genes của plasmids có thể giúp prokaryotes sống trong môi trường có kháng sinh, các chất dinh dưỡng lạ Plasmid nhân đôi độc lập với nhiễm sắc thể và chuyển cho tế bào khác giới khi tiếp hợp (conjugation)

Hình 24 (18.4)

VI CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG TẾ BÀO

6.1 Trao đổi chất qua màng tế bào

6.1.1 Tính thấm của lớp phospholipids kép

Đuôi kỵ nước của phospholipids ngăn cản sự vận chuyển các ion và các phân tử phân cực như H+, Na+ Các phân tử không tan trong nước như hydrocarbon, CO2, O2 qua màng dễ dàng

Những phân tử nhỏ phân cực nhưng không tích điện như ethanol cũng có thể qua màng.Lớp phospholipids kép không thấm đối với những phân tử không tích điện nhưng kích thước lớn chẳng hạn như glucose và sucrose

Tuy nhiên, lớp phospholipids kép chỉ là một phần câu chuyện về tính thấm có chọn lọc của màng

6.1.2 Protein vận chuyển

Những protein vận chuyển là protein xuyên màng (hình 2.40) Một số protein vận chuyển làm thành các chanel ưa nước (hình 2.40) Số khác liên kết với các chất và vận chuyển chúng qua màng Trong cả hai trường hợp, mỗi protein vận chuyển chuyên biệt cho một hay một số cơ chất

Như vậy, tính thấm của màng phụ thuộc vào cả hai lớp lipid kép và các protein vận chuyển chuyên biệt

6.1.3 Khuếch tán (diffusion)

Khuếch tán là cơ chế vận chuyển qua màng một cách thụ động không tốn năng lượng Các chất được vận chuyển qua màng theo chiều từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp

Hình 2.45 sự khuếch tán chất hòa tan qua màng

Quá trình thẩm thấu của nước qua màng tế bào có thể được minh họa qua sự co nguyên sinh (plasmolysis) của tế bào khi đặc trong những môi trường có nầng độ khác nhau (hình 2.46)

Hình 2.46: mô hình thẩm thấu của nước qua màng thấm chọn lọc (a) và sự co nguyên sinh của tế bào (b)

6.1.5 Khuếch tán được làm dễ

Một số phân tử phân cực hoặc ion không thấm qua lớp lipid kép có thể được vận chuyển qua màng nhờ các protein vận chuyển Hiện tượng này gọi là khuếch tán được làm dễ Trong nhiều trường hợp, protein thay dổi hình dạng để vận chuyển vị trí gắn cơ chất từ bên ngoài màng sang bên trong màng

Hình 2.47: khuếch tán được làm dễ

6.1.6 Sự vận chuyển chủ động

Sự hấp thụ chủ động các chất hòa tan vào tế bào đòi hỏi phải tiêu tốn năng lượng Sự vận chuyển chủ động là sự vận chuyển vật chất ngược chiều gradient nồng độ, phải tốn năng lượng (ATP)

Hình 2.51: ba hình thức nhập bào

6.1.8 Xuất bào (exocytosis)

Tế bào tiết các chất có phân tử lượng lớn qua màng tế bào bằng cách hòa các bóng màng với màng

Hình 2.52: xuất bào

6.1.8 Trao đổi thông tin qua màng.

Qua màng tế bào có thể phát đi và thu nhận thông tin điều hòa các hoạt động sống Thông tin ở dạng những tín hiệu hóa học có khả năng liên kết với các thụ quan trên màng Sự truyền tín hiệu có thể là:

Nội tiết tác động xa (endocrine transmission): chất nội tiết đổ và trong máu tác động đến các tế bào khác nhau trong cơ thể.

Cận tiết (paracrine transmission): tác động lên tế bào kế tiếp (khoảng cách xung quanh khoảng 1mm) bằng các chất hóa học trung gian cục bộ (local chemical messenger)

Sự truyền qua synapses (synatic transmission)

6.2 Sinh trưởng và sinh sản của tế bào.

6.2.1 Sinh trưởng của tế bào

Tế bào con bằng con đường trao đổi chất làm tăng khối lượng tế bào chất và nhân Tế bào tăng trưởng đến mức nào đó thì phân chia cho các tế bào mới

6.2.2 Sinh sản của tế bào

Tế bào prokaryote và một số tế bào eukaryote phân chia tế bào bằng hình thức trực phân Trong trực phân của prokaryote, DNA nhân đôi và dính ở hai điểm khác nhau trên màng sinh chất Màng sinh chất mới và vách mới hình thành ở phần giữa tế bào chia tế bào mẹ thành hai tế bào con Ở đây không có sự xuất hiện nhiễm sắc thể cũng như thoi vô sắc Nhiều khi trong trực phân, nhân phân chia thành hai nữa không đều nhau Tế bào chất phân chia cùng với nhân hoặc không phân chia hình thành tế bào hai hay đa nhân Tế bào gan, sụn, bạch cầu phân bào theo kiểu trực phân

Hình 2.53: Trực phân của prokaryote

Phân bào có tơ là hình thức phân bào phổ biến ở tế bào eukaryote gồm hai giai đoạn: phân chia nhân có sự hình thành thoi vô sắc, một cấu trúc giúp cho sự phân chia đều nhiễm sắc thể về hai nhân; phân chia tế bào chất

Sự phân chia tế bào chất ở tế bào động vật và thực vật có sự khác biệt Ở tế bào động vật, một rãnh phân chia xuất hiện trên bề mặt tế bào gần mặt phẳng xích đạo, sau đó ăn sâu vào do tác động co rút của vòng vi sợi actin bên trong tế bào chất cắt tế bào mẹ thành hai tế bào con giống nhau (daughter cells) Trong khi ở tế bào thực vật, không xuất hiện rãnh phân cắt Những bóng màng (vesicle) chứa nguyên liệu xây dựng vách tế bào từ Golgi di chuyển tới giữa tế bào và tổ chức thành đĩa tế bào (cell plate) chia tế bào mẹ thành hai tế bào con (daughter cell)

Hình 2.54: phân chia tế bào chất ở tế bào động vật và thực vật

6.3 Biệt hóa tế bào (differentiation)

Biệt hóa tế bào là một quá trình mà một tế bào chưa chuyên hóa (undifferentiated cell) trở nên chuyên hóa thành một hay nhiều tế bào cấu trúc nên cơ thể Trong suốt quá trình biệt hóa, một số gene được hoạt hóa một số gene khác bị bất hoạt Kết quả là tế bào biệt hóa có cấu trúc và chức năng đặc trưng (hình 2.55).

Hình 2.55: biệt hóa tế bào ở người

6.4 Sự vận động của tế bào (xenm phần:4.10, 4.12 và 5.2)

VII SỰ ĐA DẠNG CỦA TẾ BÀO

7.1 Sự đa dạng hình thái của tế bào

7.1.1 Hình dạng tế bào

Một số tế bào có hình dạng nhất định: tế bào tinh trùng, Paramescium, tế bào thực vật,

tế bào hồng cầu

Một số tế bào luôn thay đổi hình dạng: amip, bạch cầu

Hình dạng tế bào phụ thuộc vào chức năng, sức căng bề mặt, tác động của tế bào bên cạnh cũng như tính chất của nguyên sinh chất

Trong môi trường lỏng tế bào có hình cầu: tế bào bạch cầu trong máu có hình cầu Nhưng khi ra khỏi mạch máu, bạch cầu thò chân giả và biến đổi hình dạng

Tế bào động thực vật có hình khối do tương tác với các tế bào trong mô

Tế bào thần kinh có hình sao và phân nhánh phù hợp với chức năng dẫn truyền thông tin Tế bào cơ trơn có hình thoi phù hợp với chức năng co rút

7.1.2 Kích thước của tế bào

Kích thước tế bào rất đa dạng thường từ 3-30µm

Có những tế bào rất to như tế bào trứng chẳng hạn như trứng đà điểu có đường kính khoảng 17 cm

Có những tế bào rất nhỏ như Mycoplasma laidlawii chỉ khoảng 0.1µm bằng 10 lần bé hơn tế bào vi khuẩn, 100 lần bé hơn tế bào động vật và 1000 lần bé hơn tế bào amip

Sự khác biệt trong các bào

quan đơn giản

Không Không Chuyển một phần theo một hướng

Không Không

Chỉ có Mycoplasma và methanotroph

Nhỏ hơn, một sợi (one fiber)

Không Không

Peptidoglycan (trừ Mycoplasma và Archeaobacteria)

70S Không Không hoặc rất hiếm Không

Không

có có nhiều hơn một phổ biến có có Phân bào giảm nhiễm và thụ tinh

Có Có Có Lớn hơn, có màng bao, 20 microtubule 9+2

Có Có Cellulose

80S Có Có Có

Mô, cơ quan

7.4 Phân biệt tế bào động vật và thực vật

Không

Không Không Glycogen Phân bào có xuất hiện sao, phân tế bào chất bằng eo thắt ở trung tâm

Không phát triển có

Chương III

ENZYME, HÔ HẤP TẾ BÀO VÀ QUANG HỢP

TẾ BÀO HỌC (cont.)

I KHÁI NIỆM EMZYME

Trao đổi chất hay chuyển hóa vật chất là toàn bộ các hóa trình hóa học xảy ra trong tế bào Phần lớn các phản ứng xảy ra trong tế bào được điều hòa bởi chất xúc tác đạc biệt gọi là emzyme

Enzyme là chất xúc tác sinh học có các tính chất sau:

(1) Enzyme không gây ra phản ứng mà làm giảm năng lượng hoạt hóa (activation energy) của các phản ứng hóa học, do đó làm tăng tốc độ của các phản ứng Điều này là bởi vì khi enzyme liên kết với các cơ chất tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất làm cấu trúc nội tại của cơ chất thay đổi theo chiều hướng giảm năng lượng hoạt hóa

Hình 3.0: Enzyme làm giảm năng lượng hoạt hóa

(2) Enzyme không bị bị biến đổi hay mất đi và có thể sử dụng nhiều lần trong các phản ứng của tế bào Sau phản ứng enzyme được giải phóng

(3) Chỉ cần một lượng nhỏ enzyme so với cơ chất cũng xúc tác được phản ứng

(4) Enzyme có tính đặc hiệu cao Tính đặc hiệu của enzyme thể hiện ở các cấp độ khác nhau Mỗi ezyme chỉ xúc tác cho một kiểu phản ứng nhất định, một cơ chất nhất định hay một loại đồng phân nhất định của cơ chất đó

(5) Không phải mọi tế bào cùng chứa một hệ enzyme Điều đó giải thích tại sao có nhiều hơn một loại tế bào

II CẤU TRÚC CỦA ENZYME

Bản chất hóa học của enzyme là protein hình cầu có thể chia enzyme thành hai nhóm lớn sau:

Enzyme đơn giản-enzyme một thành phần nghĩa là khi thủy phân chỉ cho một thành phần duy nhất là amino acid Hoạt tính của enzyme này chỉ phụ thuộc vào cấu trúc của protein

Enzyme phức tạp: Ngoài thành phần protein gọi là apoezyme, enzyme còn chứa thêm nhóm không phải là protein gọi là cofactors Nhóm ngoại này rất đa dạng Có thể phân biệt ba nhóm ngoại cơ bản:

(1) Nếu nhóm ngoại là các phân tử hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp thì gọi là coenzyme, thường bắt nguồn từ vitamin chứ không từ amino acid Coenzyme liên kết thuận nghịch với enzyme, tham gia trực tiếp trong các phản ứng mà enzyme xúc tác.

Ví dụ: NAD và FAD là hai coenzyme như chất mang điện tử và H cho nhiều phản ứng oxi hóa khử có enzyme xúc tác trong tế bào

(2) Nhóm phụ gia (prosthetic group) tương tự như coezyme nhưng gắn chặt với protein enzyme bằng liên kết hóa trị chẳng hạn như enzyme catalase Giống như coenzyme nhóm prosthetic thường là thành phần cơ bản trong cơ chế xúc tác của enzyme

(3) Nhóm ngoại là các ion kim loại như Fe, Mn, Cu, Ca, Zn CÁc ion có vai trò ổn định cấu trúc của enzyme và cơ chất hoạc có thể tham gia trực tiếp phản ứng chẳng hạn như cytochrome chứa Fe tham gia vào chuỗi chuyền điện tử

Một số enzyme đòi hỏi cả hai thành phần để có hoạt tính xúc tác Nhóm ngoại thường

ổn định nhiệt trong khi protein enzyme bị biến tính khi bị đun nóng Phức hệ enzyme-cofactor

có hoạt tính xúc tác gọi là holoenzyme Khi cofactor bị loại bỏ thì phần protein (apoenzyme) còn lại mất hoạt tính xúc tác

Trên bề mặt của các enzyme có một hoạc một số khe, túi- chỗ lõm gọi là vị trí hoạt động (active site) nơi xảy ra hoạt động xúc tác của enzyme

III CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA ENZYME

3.1 Mô hình hoạt động của enzyme

Nhiên cứu đầu tiên về tính đặc hiệu của enzyme với cơ chất do Emil Fischer đề xướng (1894) Fischer cho rằng khi enzyme xúc tác phản ứng thì cơ chất lắp khít vào vị trí hoạt độn của enzyme tương tự như chìa khóa lắp vào ổ khóa Từ đó Fischer nêu giả thuyết mô hình “ ổ khóa và chìa khóa” (lock and key model) (hình 3.1) cho hoạt động của enzyme Mỗi ổ khóa có một chìa khóa Do đó mỗi enzyme chỉ có một chỉ xúc tác cho một loại cơ chất nhất định

Hình 3.1: mô hình “ ổ khóa và chìa khóa” (lock and key model)

Theo mô hình này, cơ chế xúc tác của enzyme trải qua nhiều giai đoạn: Giai đoạn đầu tiên là sự kết hợp giữa enzyme và cơ chất tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất nhờ hình thành nhiều liên kết đặc biệt là liên kết hydrogen Sự liên kết này làm thay đổi cấu hình không gian của cơ chất làm thay đổi nội năng, năng lượng hoạt hóa của phản ứng giảm, phân tử trở nên

linh động dễ phản ứng hơn Sau đó enzyme xúc tác lên cơ chất tạo thành sản phẩm cuối phản ứng enzyme được giải phóng.

Tuy nhiên, khi Daniel Koshland nghiên cứu động học của enzyme, những bằng chứng thực nghiệm cho thấy rằng cấu hình trung tâm hoạt động của enzyme không phải cố định và có thể biến đổi phù hợp với cơ chât khi liên kết với cơ chất đó Từ đây, Daniel Koshland đưa ra

mô hình khớp cảm ứng (induced-fit model) cho hoạt động xúc tác của enzyme (hình 3.2) Theo mô hình này thì một enzyme có thể xúc tác cho một hoạc một số phản ứng hóa học tương tự do chúng có tính đặc hiệu trong việc lựa chọn cơ chất Vị trí hoạt động của mỗi enzyme khác nhau có hình dạng sao cho chỉ khớp với một hoạc một số cơ chất nhất định Mô hình này hiện nay được chấp nhân rộng rãi

Hình 3.2: mô hình khớp cảm ứng (induced-fit model)

3.2 Tính đặc hiệu của enzyme

Khác với chất xúc tác vô cơ, enzyme chỉ có khả năng xúc tác cho một một hay một số

cơ chất hoặc một kiểu phản ứng nhất định Tính đặc hiệu của enzyme rất đa dạng Ở đây chỉ đề cặp đến hai kiểu đặc hiệu:

(1) Đặc hiệu cho phản ứng

Mỗi enzyme chỉ xúc tác cho một kiểu phản ứng chẳng hạn như phàn ứng của NAD dehydrogenase trong hô hấp, lipase cắt liên kết ester nối glycerol và acid béo của nhiều loại lipids

IV PHÂN LOẠI ENZYME

Các enzyme thường có tên tận cùng là ase Có sáu nhóm enzyme chính:

Nhóm 1 Oxidoreductases: xúc tác các phản ứng oxi hóa khử, chuyển H và điện tử từ

cơ chất sang chất nhận

Nhóm 2 Transferases: chuyển nhóm nhỏ các nghuyên tử từ cơ chất sang chất nhận.

Nhóm 3 Hydrolases: Làm gẩy các liên kết bằng thủy phân.

Nhóm 4 Lyases:làm thay đổi chiều dài mạch carbon Fructose-1,6-diphosphate

aldolase cắt Fructose-1,6-diphosphate thành ALPG và PDA; Decarboxylase: lọai CO2

Nhóm 5 Isomerases: chuyển đổi đồng phân chẳng hạn Glocose-P-isomerase chuyển

Glo-6-P thành Fro.-6-P); triose-P-isomerase chuyển ALPG thành PDA)

Nhóm6 Ligases: tạo liên kết hóa học chẳn hạn DNA ligase gắn các đoạn okazaki trong

nhân đôi DNA mạch chậm

V CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT TÍNH ENZYME.

Bất kỳ điều kiện nào làm thay đổi cấu hình của enzyme đều làm thay đổi hoạt tính enzyme

5.1 Nồng độ enzyme và nồng độ cơ chất

Tốc độ phản ứng của phần lớn các phản ứng biến đổi theo nồng độc của cơ chất và nồng độ enzyme Khi tăng nồng độ cơ chất thì tốc độ phản ứng tăng chỉ khi nồng độ cơ chất tương đối thấp Khi nồng độ cơ chất lớn tốc độ phản ứng ít phụ thuộc vào nồng độ cơ chất và

có khuynh hướng đạt cực đại do nồng độ enzyme có mặt quyết định

Ở nồng độ cơ chất thấp, nhiều phân tử enzyme có trung tâm hoạt động chưa liên kết với

cơ chất Nên việc tăng hạn chế cơ chất là tăng tốc độ phản ứng Tuy nhiên, ở nồng độ cơ chất cao, hầu hết các trung tâm phản ứng đã liên kết với cơ chất làm cho số phân tử enzyme trở thành yếu tố giới hạn Khi số phân tử ezyme tăng tốc độ phản ứng cự đại tăng lên tương ứng

Hình 3.3: Ảnh hưởng nồng độ lên hoạt tính enzyme

Hình 3.4: Mô hình chất ức chế cạnh tranh

Ví dụ: acid malonic hoạt động như chất cạnh tranh trung tâm hoạt động của enzyme sucxinic dehydrogenase với acid sucxinic Trong điều kiện bình thường, sucxinic

dehydrogenase xúc tác loại hai nguyên tử H của acid sucxinic tạo thành acid fumaric Khi có mặt của acid maloic, enzyme liên kết với trung tâm hoạt động tạo thành phức hợp enzyme – chất ức chế và không thể chuyển hóa được Như vậy làm số lượng trung tâm phản ứng giảm và tốc độ phản ứng cũng giảm theo.

(b) Chất ức chế không cạnh tranh

Chất ức chế không cạnh tranh không gắn vào vị trí xúc tác mà gắn thuận nghịch vào vị trí khác trên enzyme Điều này sẽ làm thay đổi cấu hình của vị trí hoạt động không còn phù hợp với cơ chất Vùng mà chất ức chế cạnh tranh gắn vào enzyme gọi là vị trí di lập thể (allosteric site) và gây ra hiệu ứng dị lập thể (allosteric effect) Khi chất ức chế giải phóng, hoạt động xúc tác của enzyme trở lại bình thường

Hình 3.5: Mô hình chất ức chế không cạnh tranh

Một số chất kìm hãm gây biến đổi hoạt tính enzyme một cách không thuận nghịch Chất kìm hãm dạng này làm biến đội liên tục hay phá hủy trung tâm hoạt động của enzyme Phần lớn các chất độc là những chất kìm hãm không thuận nghịch chẳng hạnh như cyanide (CN-) gắn vào cytochrome cản trở việc vận chuyển điện tử đến O2, penicillin ức chế không thuận nghịch enzyme transpeptidase của vi khuẩn cản trở tạo vách tế bào

5.3 Nhiệt độ

Mỗi một enzyme hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ tối ưu nhất định Khi nhiệt độ lệch sang hai bên nhiệt độ tối ưu hoạt động của enzyme giảm và tốc độ phản ứng sẽ giảm theo Sự tăng nhiệt độ làm cho làm cho động năng của enzyme và cơ chất tăng, chúng chuyển động nhanh hơn, va chạm nhiều hơn Các phức chất emzyme-cơ chất hình thành nhiều hơn, phản ứng xảy

ra nhanh hơn Tuy nhiên nếu nhiệt độ quá cao, enzyme bị biến tính Khi cấu hình vị trí xúc tác không còn phù hợp với cơ chất, enzyme mất hoạt tính xúc tác Khi nhiệt độ hạ thấp hơn nhiệt

độ tối ưu, cơ chất và phân tử enzyme chuyển động chậm Tần số va chạm giữa chúng thấp> Ít phức hợp enzyme-cơ chất hình thành và tốc độ phản ứng giảm

Hình 3.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hoạt động của enzyme

5.4 pH

Mỗi một enzyme hoạt động tối ưu tại một giới hạn pH thích hợp chẳng hạn pepsin hoạt động tối ưu ở pH 2, trypsin hoạt động tối ưu ở pH 8.5 Khi pH lệch sang hai bên phía pH tối thích, hoạt tính của enzyme giảm xuống.

Hình 3.7: Ảnh hưởng của pH lên hoạt động của enzyme

VI HÔ HẤP TẾ BÀO

6.1 Khái niệm hô hấp tế bào

Các hợp chất hữu cơ chứa năng lượng trong sự sắp xếp các nguyên tử của nó Với sự xúc tác của các enzyme, tế bào phân giải các hợp chất hữu cơ phức tạp giàu năng lượng thành những chất đơn giản Một phần năng lượng giải phóng ra được sử dụng vào hoạt động của tế bào, phần còn lại được giải phóng dưới dạng nhiệt Quá trình này gọi là dị hóa Một quá trình

dị hóa phân giải một phần nguyên nhiên liệu trong sự vắng mặt của oxygen gọi là lên men (fermentation) hay hô hấp yếm khí (anarobic repiration) Con đường dị hóa hiệu quả và phổ biến nhất là hô hấp trong quá trình này có sự tham gia của oxygen hay hiếu khí (arobic repiration)

Hô hấp là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ thành các sản phẩm vô cơ cuối cùng nghèo năng lượng như CO2 và nước đồng thời giải phóng ra một nguồn năng lượng lớn

C6H12O6 + O2 = 6CO2+ 6H2O + 674 kcal/mol glucose

Thực chất, hô hấp là một hệ thống oxy hóa khử phức tạp trong đó xảy ra các phản ứng oxy hóa khử: tách điện tử và H từ nguyên liệu hô hấp, chuyển tới oxy không khí dưới tác dụng của hệ enzyme Năng lượng giải phóng từ hô hấp được cố định trong “các chất giàu năng lượng” chẳng hạn như ATP

6.2 Mối quan hệ giữa hô hấp và lên men:

Nhiều nhà sinh lý học nổi tiếng thế giới ở thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20 cho rằng: Hô hấp là sự

kế tục của lên men

C6H12O6 = 2C2H5OH + 2CO2 (Lên men)

2C2H5OH + O2 = 4CO2 + 6H2O

Năm 1933, bằng thực nghiệm, Kostưsep phủ nhận vai trò trung gian của rượu trong hô hấp và đưa ra quan điểm sau:

C6H12O6

Acid pyruvic

(CO2, C2H5OH, CH3 CHOH COOH) (CO2, H2O)

Vậy hô hấp và lên men có giai đoạn chuẩn bị chung: C6H12O6 → Acid pyruvic

6.3 Giai đoạn chuẩn bị của hô hấp và lên men (đường phân: glycolysis):

Glycolysis gồm một loạt (10 phản ứng) các phản ứng không cần O2, xảy ra nhờ một nhóm enzyme trong cytosol

Đặc điểm của cơ chất trong glycolysis là dạng đường đã được hoạt hóa thành dạng ester Đây là dạng đường linh động dễ dàng tham gia phàn ứng Trong glycosis, glucose được xem là cơ chất và pyruvate là sản phẩm cuối cùng của glycolysis

Glycolysis gồm hai phase:

*Pha khởi đầu (initial phase):

Cơ chất từ những nguồn khác nhau được chuyển thành các triose phosphate Quá trình này cần 2ATP

*Giai đoạn bảo tồn năng lượng (energy-conseving phase or energy pay-off phase)

Các triose phosphate trải qua hàng loạt các phản ứng (5 phản ứng) để hình thành sản phẩm pyruvate NAD+ bị khử thành NADH bởi glyceraldehyde-3 phosphate ATP được tổng hợp trong phản ứng giai đoạn này được xúc tác bởi phosphoglycerate kinase, pyruvate kinase

Glycolysis của một phân tử glucose cần 2 ATP, tạo 4 ATP, 2 NAD(P)H và 2 pyruvate

Hình 3.8: Tóm tắt các phản ứng của glycolysis + Video

6.4 Số phận của pyruvate:

Hình 3.9 : Ba số phận của pyruvate tạo ra từ glycolysis

6.5 Hô hấp hiếu khí (aerobic respiration)- crebs cycle –citric acid cycle:

Trong suốt thế kỷ 19, người ta biết rằng trong sự có mặt của O2, tế bào tạo CO2 và H2O Krebs (1937) đã công bố phát hiện chu trình citric acid hay còn gọi chu trình Krebs Chu trình

này giải thích cơ chế oxy hóa pyruvate thành CO2, H2O, NAD(P)H, FADH và ATP và xảy ra trong matrix của ti thể.

6.5.1 Chu trình Krebs

Đầu tiên pyruvate tạo ra từ glycolysis ở cytosol được vận chuyển qua màng trong ti thể

và sau đó được oxy hóa qua hàng loạt các phản ứng được tóm tắt trong hình 3.10

Hình 3.10:Những phản ứng và enzyme của chu trình citric acid ở thực vật + Video

-Oxy hóa một phân tử pyruvate tạo ra: 4 NAD(P)H, 1 FADH, 1 ATP, CO2 và H2O

6.5.2 Ý nghĩa của chu trình Krebs

Tự suy luận

6.6 Hô hấp yếm khí (anaerobic respiration-fermentation):

Trong điều kiện yếm khí, chu trình Krebs và phosphoryl hóa không thể thực hiện Glycolysis không thể xảy ra bởi vì nguồn NAD+ Để khắc phục điều này, pyruvate tạo ra trong glycolysis được oxy hóa bởi NADH tái tạo NAD+ Quá trình này gọi là quá trình lên men Có hai hình thức lên men quan trọng: lên men rượu và lên men lactic

Hiệu quả năng lượng trong lên men thấp bởi vì hầu hết năng lượng trong glucose vẫn còn lưu trữ trong các sản phẩm của quá trình lên men chẳng hạn như ethnol, lactic acid

Trong lên men rượu, pyruvate biết đổi thành ethanol theo hai bước: pyruvate giài phóng

CO2 và hình thành acetaldehyde, sau đó bị khử bởi NADH thành ethanol Quá trình này tái tạo NAD+ Hình thức lên men này xảy ra ở nấm men, vi khuẩn…

Hình 3.11: lên men ethanol

Trong lên men lactic acid, pyruvate bị khử bởi NADH thành lactate Ở người, quá trình lên men này xảy ra ở tế bào cơ lúc chơi thể thao căng thẳng bởi vì thiếu nguồn oxy Lactate tích lũy gây mỏi và đau cơ Sau đó, lactate theo máu đến gan và biết đổi thành pyruvate

Hình 3.12: lên men lactate

6.7 Chuổi chuyền điện tử và quá trình phosphoryl oxyhóa (electron transport and

oxidative phosphorylation)

Như đã đề cập ở trên, glycolysis và chu trình Krebs hình thành 4 ATP trên một phân tử glucose bởi phosphoryl hóa mức cơ chất Các phân tử NADH và FADH2 qua chuổi chuyền điện tử tạo nên động lực tổng hợp 34 ATP Quá trình này gọi là phosphoryl oxygen hóa

6.7.1 Phosphoryl ở mức cơ chất