Chương 2: Tế bào và chức năng của tế bào

Chương 2: Tế bào và chức năng của tế bàoMỗi một trong số 100 triệu tỷ tế bào của cơ thể là một cấu trúc sống mà có thể tồn tại trong vài tháng hoặc vài năm, với điều kiện là nó được cung

Chương 2: Tế bào và chức năng của tế bào

Mỗi một trong số 100 triệu tỷ tế bào của cơ thể là một cấu trúc sống mà có thể tồn tại trong vài tháng hoặc vài năm, với điều kiện là nó được cung cấp những chất dinh dưỡng thích hợp Tế bào

là đơn vị cấu trúc của cơ thể, cung cấp cấu trúc cho mô và cơ quan của cơ thể, tiêu hóa chất dinh dưỡng và biến chúng thành năng lượng, và thực hiện những chức năng riêng biệt Tế bào cũng chứa mã di truyền của cơ thể, chúng kiểm soát những chất được tổng hợp bởi tế bào và cho phép

tế tạo những bản sao của nó

Để hiểu được chức năng của các cơ quan và các cấu trúc khác của cơ thể, đầu tiên chúng ta cần hiểu được những cấu trúc cơ bản của tế bào và chức năng của những bộ phận cấu thành nên nó Cấu tạo tế bào

Một tế bào điển hình, như đã được nhìn dưới kính hiển vi quang học, được trình bày ở hình 2-1

2 phần chính của tế bào là nhân và tế bào chất Nhân tế bào được ngăn cách với tế bào chất bởi màng nhân, và tế bào chất ngăn cách với dịch xung quanh bởi màng tế bào, hay còn gọi là màng plasma

Những chất khác nhau tạo nên tế bào được gọi chung là nguyên sinh chất Nguyên sinh chất chủ yếu bao gồm 5 chất cơ bản: nước, chất điện giải, protein, lipid và carbohydrat

Nước Môi trường dịch chủ yếu trong tế bào là nước, nó có mặt ở hầu hết các tế bào, trừ tế bào

mỡ, chiếm 70-85% tế bào Rất nhiều chất hóa học của tế bào tan trong nước Một số chất khác lơ lửng trong nước như những hạt rắn Những phản ứng hóa học xảy ra ở giữa những chất hòa tan hoặc trên bề mặt của các hạt lơ lửng hoặc trên các màng

Ion Những ion quan trọng trong tế bào bao gồm kali, magie, phosphate, sulfat, bicarbonate, và một lượng nhỏ hơn natri, clo và calci Những ion này sẽ được bàn kỹ hơn ở chương 4, về mối quan hệ giữa dịch nội bào và dịch ngoại bào

Những ion này cung cấp thành phần hóa học vô cơ cho phản ứng tế bào và cần thiết cho quá trình hoạt động của một số cơ chế kiểm soát của tế bào Ví dụ, những ion hoạt động tại màng tế bào là cần thiết cho sự truyền xung điện hóa tại tế bào thần kinh và sợi cơ

Protein Sau nước, chất có nhiều nhất trong hầu hết các tế bào là protein, thông thường chiếm từ 10-20% tế bào Protein có thể chia thành 2 loại: protein cấu trúc và protein chức năng

Protein cấu trúc hiện diện trong tế bào dưới dạng các sợi dài được trùng hợp từ những phân tử protein riêng biệt Tác dụng nổi bật của những sợi trong tế bào là cấu thành nên những sợi vi quản tạo nên khung xương của những bào quan như vi nhung mao, sợi trục thần kinh, thoi phân bào của những tế bào đang trong thời kỳ phân bào, và những ống dạng sợi mỏng giữ những phần của tế bào chất và nhân sinh chất lại với nhau trong những ngăn riêng của chúng Những protein dạng sợi được tìm thấy ngoài tế bào, đặc biệt nhất là trong những sợi collagen và elastin ở những

mô liên kết và ở thành mạch, gân, dây chằng

Protein chức năng là loại protein hoàn toàn khác biệt và thường bao gồm tổ hợp những phân tử ở dạng ống-cầu Những protein này chủ yếu là những enzym của tế bào, và khác với những protein

dạng sợi, thường di động trong dịch tế bào Mặc dù, nhiều trong số chúng bám vào các cấu trúc dạng màng trong tế bào Những enzym tiếp xúc trực tiếp với những chất khác trong dịch nội bào

và xúc tác cho những phản ứng hóa học trong tế bào Ví dụ, phản ứng hóa học phân hủy glucose thành những thành phần cấu tạo của nó sau đó kết hợp với oxy để tạo thành CO2 và nước cùng lúc đó cung cấp năng lượng cho tế bào được xúc tác bởi một chuỗi enzym

Lipid Lipid là những kiểu chất được nhóm lại với nhau vì tính chất tan trong dung môi béo Những phân tử lipid đặc biệt quan trọng là phospholipid và cholesterol, những chất chỉ chiếm tổng cộng 2% tế bào Sự quan trọng của phospholipid và cholesterol là chúng phần lớn không tan trong nước và do đó được dùng để tạo nên màng tế bào và các màng trong tế bào để phân cách các ngăn khác nhau của tế bào

Một vài tế bào chứa một lượng lớn triglyceride, cũng được gọi là chất béo trung tính Trong tế bào mỡ, triglyceride thường chiếm một lượng lớn khoảng 95% tế bào Mỡ được tích trữ ở những

tế bào này tượng trưng cho nhà kho chứa chất dinh dưỡng chính của cơ thể mà sau đó có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng khi nào cơ thể cần

Carbohydrat Carbohydrat có ít chức năng cấu trúc trong tế bào ngoại trừ phân tử glycoprotein, nhưng chúng đóng vai trò chính trong dinh dưỡng của tế bào Hầu hết tế bào của cơ thể người không chứa một lượng lớn carbohydrat, chúng thường chiếm trung bình 1% tế bào nhưng có thể lên đến 3% ở tế bào cơ, đôi khi là 6% ở tế bào gan Dù sao, carbohydrat ở dạng glucose hòa tan thường xuất hiện trong dịch ngoại bào do đó chúng sẵn sàng cung cấp cho tế bào Ngoài ra, một lượng nhỏ glucose chứa trong tế bào dưới dạng glycogen, một dạng polymer không tan của glucose, có thể thủy phân để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào

Cấu trúc tế bào

Tế bào chứa rất nhiều cấu trúc, gọi là các bào quan Tính chất tự nhiên của các bào quan cũng quan trọng như các cấu trúc hóa học của tế bào cho chức năng tế bào Ví dụ, không có một trong

số các bào quan, như là ti thể, hơn 95% năng lượng tế bào giải phóng từ chất dinh dưỡng sẽ biến mất ngay lập tức những bào quan quan trọng nhất và những cấu trúc khác được trình bày ở hình 2-2

Cấu trúc màng của tế bào

Hầu hết bào quan của tế bào được che phủ bởi màng bao gồm lipid và protein Những màng này gồm màng tế bào, màng nhân, màng lưới nội sinh chất, màng ti thể, lysosome,và bộ máy golgi Thành phần lipid của màng tạo nên một hàng rào cản trở sự di chuyển của nước và những chất tan trong nước từ một ngăn của tế bào sang những ngăn khác vì nước không tan trong lipid Tuy nhiên, những phân tử protein trên màng xuyên qua màng tế bào, tạo nên một con đường cho các chất có thể đi qua Ngoài ra, nhiều protein màng là enzyme xúc tác cho những phản ứng hóa học khác nhau

Màng tế bào

Màng tế bào (cũng được gọi là màng plasma) bao phủ tế bào và là một màng mỏng, mềm dẻo, linh hoạt, chỉ dày 7,5-10 nm Chúng được cấu tạo bởi gần như toàn bộ là lipid và protein

Khoảng 55% protein, 25% phospholipid, 13% cholesterol, 4% lipid khác, 3% carbohydrat Hàng rào lipid màng tế bào ngăn cản sự xuyên qua của những chất tan trong nước Hình 2-3 trình bày cấu trúc màng tế bào Cấu trúc cơ bản của nó là lớp lipid kép, là một màng mỏng, gồm 2 lớp lipid, mỗi lớp chỉ có bề dày một phân tử, trên bề mặt của toàn bộ tế bào Rải rác trên lớp lipd là những phân tử protein lớn

Lớp lipid kép tạo nên bởi 3 loại lipid chính: phospholipid, sphingolipid, và cholesterol

Phospholipid là thành phần chiếm số lượng lớn nhất Một đầu của phân tử phospholipid tan trong nước, đó là đầu ưa nước Đầu còn lại tan trong mỡ, là đầu kỵ nước Đầu phosphate là đầu ưa nước và đầu acid béo là đầu kỵ nước

Vì đầu kỵ nước của phân tử phospholipid bị đầy bởi nước nhưng hút lẫn nhau, chúng có xu hướng tự nhiên là gắn với nhau ở giữa màng, như hình 2-3 Đầu phosphate ưa nước, do đó, tạo thành 2 mặt của màng tế bào hoàn chỉnh, với dịch nội bào ở trong màng và dịch ngoại bào ở mặt ngoài

Lớp lipid ở giữa màng không thấm với những chất tan trong nước như ion, đường, urea Ngược lại, chất tan trong mỡ như oxy, CO2, rượu có thể xuyên qua phần này của màng một cách dẽ dàng

Sphingolipid, có nguồn gốc từ sphingosine, cũng có nhóm ưa nước và nhóm kỵ nước, chiếm một lượng nhỏ màng tế bào, đặc biệt là tế bào thần kinh Những phân tử sphingolipid phức tạp trên màng được cho là có một vài chức năng, bao gồm bảo vệ khỏi những yếu tô môi trường có hại, truyền tín hiệu, và là vị trí bám của protein ngoại bào

Phân tử cholesterol màng cũng là lipid vì nhân steroid của nó cũng tan trong mỡ

Những phân tử này, như là tan trong lớp kép của màng Chúng chủ yếu giúp xác định tính thấm của màng với những thành phần tan trong nước của dịch cơ thể Cholesterol cũng kiểm soát độ chắc lỏng của màng

Protein xuyên màng và protein ngoại biên

Hình 2-3 cũng cho thấy những khối hình cầu nổi lên trên bề mặt màng lipid Những protein màng này chủ yếu là glycoprotein Có 2 loại protein màng: protein xuyên màng xuyên qua toàn

bộ màng và protein ngoại biên chỉ gắn vào một mặt của màng và không xuyên qua màng

Nhiều protein xuyên màng tạo thành những cấu trúc kênh xuyên qua màng, nơi mà phân tử nước

và những chất tan trong nước, đặc biệt là ion, có thể khuếch tán giữa dịch ngoại bào và nội bào Những protein kênh cũng có tính chọn lọc, do đó ưu tiên khuếch tán một số chất hơn những chất khác

Những protein xuyên màng khác hoạt động như những protein mang để vận chuyển các chất không thể khuếch tán qua lớp lipid kép Đôi khi những protein mang này có thể vận chuyển các

chất ngược chiều gradient nồng độ, được gọi là vận chuyển tích cực Một số khác hoạt động như những enzyme

Protein xuyên màng có thể hoạt động như một receptor cho những chất tan trong nước, như những hormone peptide, những chất không thể dễ dàng đi qua màng tế bào Tác động qua lại của receptor màng với những gốc kết hợp riêng biệt tạo nên sự thay đổi cấu tạo của receptor Quá trình này hoạt hóa enzyme ở phần nội bào của protein, hoặc gây ra sự tác động giữa receptor

và protein trong bào tương, hoạt động như tín hiệu thứ hai, chuyển tiếp thông tin từ phần ngoại bào của receptor vào phần trong của tế bào Theo cách này, protein xuyên màng bắc cầu qua màng tế bào tạo nên một phương tiện vận chuyển thông tin về môi trường vào trong tế bào Protein ngoại biên thường gắn với protein xuyên màng Những protein này hầu hết có chức năng như enzyme hoặc như bộ kiểm soát việc vận chuyển các chất qua kênh của màng

Carbohydrat màng-Glycocalyx

Carbohydrat màng được tìm thấy gần như không thay đổi trong tổ hợp với protein hoặc lipid dưới dạng glycoprotein hoặc glycolipid Sự thật là hầu hết protein xuyên màng là glycoprotein,

và khoảng một phần mười lipid màng là glycolipid Phần “glyco” của những phân tử này gần như lồi ra không thay đổi ở phía ngoài tế bào, treo lủng lẳng ra ngoài từ bề mặt tế bào Nhiều carbohydrat khác gọi là proteoglycan-chủ yếu là carbohydrat gắn vào một nhân protein nhỏ-gắn lỏng lẻo vào mặt ngoài tế bào Do đó toàn bộ mặt ngoài tế bào có một lớp áo carborhydrat lỏng lẻo gọi là glycocalyx

Những nửa carbohydrat gắn vào mặt ngoài tế bào có một vài chức năng:

1 Nhiều trong số chúng tích điện âm, làm cho hầu hết các tế bào có toàn bộ mặt ngoài tích điện âm do đó đẩy những vật tích điện âm khác

2 Lớp glycocalyx của một số tế bào gắn với lớp glycocalyx của các tế bào khác do đó gắn một tế bào với tế bào khác

3 Nhiều phân tử carbohydrat hoạt động như một receptor cho những hormone gắn vào, như insulin, khi gắn vào, phức hợp hoạt hóa protein gắn ở trong màng, sau đó hoạt hóa một chuỗi các enzyme nội bào

4 Một số carbohydrate tham gia vào phản ứng miễn dịch, được thảo luận ở chương 5

Tế bào chất và bào quan

Tế bào chất chứa đầy những hạt lớn nhỏ và bào quan Phần đông như thạch của tế bào chất mà ở

đó các hạt rải rác được gọi là dịch bào tương và chứa chủ yếu là protein, điện giải và glucose Rải rác trong tế bào chất là những giọt mỡ trung tính, hạt glycogen, ribosome, các túi bài tiết và

5 bào quan đặc biệt quan trọng: lưới nội sinh chất, bộ máy golgi, ty thể, lysosome, và

peroxisome

Lưới nội sinh chất

Hình 2-2 trình bày mạng lưới hệ thống hình ống và phẳng trong bào tương, đó là lưới nội sinh chất Cơ quan này giúp xử lý các phân tử tạo thành bởi tế bào và chuyển chúng tới những nơi

riêng biệt bên trong hoặc bên ngoài tế bào Những túi và những ống này nối liền với nhau Ngoài

ra, thành của chúng được tạo nên bởi màng lipid kép chứa một lượng lớn protein, giống như màng tế bào Tổng diện tích của cấu trúc này trong một số tế bào-ví dụ như tế bào gan-có thể gấp

30 đến 40 lần diện tích màng tế bào

Cấu trúc chi tiết của những phần nhỏ của lưới nội chất được trình bày ở hình 2-4 Khoảng không bên trong các ống và túi được lấp đầy bởi endoplasmic matrix, một môi trường loãng khác với dịch ở bào tương phía ngoài lưới nội chất Kính hiển vi điện tử cho thấy khoảng không phía trong lưới nội chất nối liền với khoảng không giữa 2 màng của màng nhân

Những chất được tạo thành ở một số phần của tế bào đi vào khoảng không trong lưới nội chất và sau đó được gửi tới những nơi khác của tế bào Như vậy, diện tích rộng lớn của mạng lưới này và nhiều hệ thống enzyme gắn trên màng của nó cung cấp bộ máy chính cho chức năng chuyển hóa của tế bào

Ribosome và lưới nội chất hạt

Gắn với mặt ngoài của nhiều lưới nội chất là một số lượng lớn những hạt nhỏ gọi là ribosome Nơi những hạt này có mặt, lưới nội chất được gọi là lưới nội chất hạt ribosome bao gồm hỗn hợp RNA và protein, và chức năng của nó là tổng hợp protein mới trong tế bào, như được trình bày ở chương này và chương 3

Lưới nội chất trơn

Là những phần của lưới nội chất không gắn ribosome Phần này được gọi là lưới nội chất không hạt hoặc trơn Chức năng của lưới nội chất trơn là tổng hợp lipid và một số chức năng khác được thúc đẩy bởi enzyme

Bộ máy golgi

Bộ máy golgi, được trình bày ở hình 2-5, có mối quan hệ mật thiết với lưới nội chất Nó có màng giống như của lưới nội chất trơn Bộ máy golgi thông thường bao gồm 4 hoặc nhiều hơn các lớp mỏng, phẳng, chứa các túi nằm cạnh một phía của nhân tế bào Bộ máy này phát triển ở những tế bào bài tiết, chúng nằm ở phía của tế bào mà từ đó các chất tiết được đẩy ra ngoài

Chức năng của bộ máy golgi có mối quan hệ với lưới nội chất Như hình 2-5, những hạt vận chuyển nhỏ ( cũng gọi là túi lưới nội chất) tiếp tục tách ra từ lưới nội chất và ngay sau đó hòa vào bộ máy golgi Theo cách này, những chất trong túi lưới nội chất được vận chuyển từ lưới nội chất đến bộ máy golgi Những chất được vận chuyển sau đó được xử lý trong bộ máy golgi để tạo thành lysosome, túi tiết, và nhiều thành phần khác của tế bào chất được trình bày trong chương này

Lysosome

Lysosome, trình bày ở hình 2-2, là bào quan dạng túi, được tạo thành bởi bộ máy golgi và phân tán vào khắp tế bào chất lysosome cung cấp hệ thống tiêu hóa nội bào cho phép tế bào tiêu hóa những cấu trúc có hại cho tế bào, thức ăn đã được ăn bởi tế bào và những chất không mong muốn như vi khuẩn Lysosome khác nhau ở những loại tế bào khác nhau, nhưng chúng thường

có đường kính 250-750 nm Chúng được bao quanh bởi một màng lipid kép đặc trưng và được lấp đầy bởi một lượng lớn những hạt nhỏ có đường kính 5-8 nm, là những protein tập hợp của 40 loại enzyme tiêu hóa khác nhau Enzyme thủy phân có khả năng tách các hợp chất thành 2 hoặc nhiều phần bằng cách kết hợp hydro từ phân tử nước với một phần của hợp chất và gắn phần hydroxyl của phân tử nước với phần còn lại của hợp chất Ví dụ, protein bị thủy phân thành các amino acid, glycogen bị thủy phân để tạo thành glucose, lipid bị thủy phân để tạo thành acid béo

và glycerol

Các enzyme thủy phân tập trung nhiều ở lysosome Thông thường, màng lysosome ngăn cản những enzyme thủy phân kết hợp với những chất khác trong tế bào và do đó ngăn cản hoạt động tiêu hóa của chúng Tuy nhiên, một vài tình trạng của tế bào làm phá hủy màng của lysosome, cho phép giải phóng các enzyme tiêu hóa Những enzyme này sau đó tách những chất hữu cơ thành những chất nhỏ hơn, có khả năng khuếch tán cao như amino acid và glucose Một số chức năng của lysosome được thảo luận sau đây trong chương này

Peroxisome

Peroxixome giống với lysosome, nhưng chúng khác biệt trong 2 điểm quan trọng Thứ nhất, chúng được cho là được hình thành bằng cách tự tái tạo lại ( hoặc có thể nảy chồi ra từ lưới nội chất trơn) hơn là từ bộ máy golgi Hai là, nó chứa nhiều enzyme oxidase hơn là hydrolase Một vài enzyme oxidase có khả năng kết hợn oxy với hydro lấy từ các chất hóa học khác nhau trong

tế bào để tạo thành hydro peroxide( H2O2) Hydro peroxide là một chất oxy hóa mạnh và được dùng kết hợp với catalase, một enzyme oxy hóa khác có mặt với số lượng lớn ở peroxisome, để oxy hóa những chất có thể gây độc cho tế bào Ví dụ, khoảng một nửa số rượu một người uống vào được giải độc thành acetaldehyde bởi peroxisome của tế bào gan theo cách này Chức năng chính của peroxisome là chuyển hóa những acid béo chuỗi dài

Túi tiết

Một trong những chức năng quan trọng của tế bào là tiết ra những chất hóa học đặc biệt Gần như tất cả các chất tiết được hình thành bởi lưới nội chất và bộ máy golgi và sau đó được giải phóng từ bộ máy golgi vào bào tương dưới dạng các túi được gọi là túi tiết hoặc hạt tiết Hình

2-6 trình bày túi tiết điển hình bên trong tế bào tụy, những túi này chứa tiền enzyme( những

enzyme chưa được hoạt hóa) Những tiền enzyme sau đó được tiết ra ngoài màng tế bào vào ống tụy từ đó vào trong tá tràng, nơi chúng được hoạt hóa và thực hiện chức năng tiêu hóa thức ăn trong hệ tiêu hóa

Ty thể

Ty thể, trình bày ở hình 2-2 và 2-7, được gọi là nhà máy năng lượng của tế bào Không có chúng,

tế bào không có khả năng lấy năng lượng từ chất dinh dưỡng, và về cơ bản tất cả chức năng của

tế bào sẽ dừng lại

Ty thể xuất hiện ở mọi nơi trong bào tương, nhưng số lượng ty thể trong tế bào thay đổi từ dưới

100 tới vài nghìn, phụ thuộc vào nhu cầu năng lượng của tế bào Tế bào cơ tim,ví dụ, sử dụng một lượng lớn năng lượng nên có một lượng ty thể lớn hơn nhiều so với tế bào mỡ, tế bào thực hiện ít hoạt động và sử dụng ít năng lượng Hơn nữa, ty thể tập trung ở phần của tế bào mà phần

đố chịu trách nhiệm chính trong chuyển hóa năng lượng Chúng cũng biến đổi nhiều về kích thước và hình dạng Một số ty thể có đường kính chỉ vài nanomet và có hình cầu, trong khi một

số kéo dài và có đường kính 1micromet, dài 7micromet, một số khác thì phân nhánh hoặc mảnh như sợi chỉ

Cấu trúc cơ bản của ty thể, như hình 2-7, bao gồm 2 màng lipid kép, màng ngoài và màng trong Màng trong có nhiều phần lộn vào trong tạo nên những ngăn hoặc ống nhỏ gọi là mào mà trên đó enzyme oxy hóa gắn vào Mào ty thể tạo nên một diện tích lớn cho các phản ứng hóa học xảy ra Thêm vào đó, khoang trong ty thể được lấp đầy bởi ma trận chứa một lượng lớn enzyme phân hủy cần thiết để lấy năng lượng từ chất dinh dưỡng Những enyme này hoạt động kết hợp với enzyme oxy hóa trên mào ty thể để oxy hóa chất dinh dưỡng, do đó tạo nên CO2 và nước cùng lúc đó giải phóng năng lượng Năng lượng được phóng thích được sử dụng để tổng hợp một chất giàu năng lượng gọi là adenosine triphosphate(ATP) ATP sau đó ATP được vận chuyển ra ngoài

ty thể và khuếch tán khắp tế bào để giải phóng năng lượng của nó bất cứ nơi nào cần để thực hiện chức năng tế bào Cấu trúc hóa học chi tiết của ATP được tạo bởi ty thể được cung cấp ở chương 68, nhưng một vài chức năng cơ bản của ATP trong tế bào được giới thiệu dưới đây trong chương này

Ty thể là có khả năng tự sao chép, có nghĩa là một ty thể có thể tạo ra ty thể thứ hai, thứ ba, và hơn nữa, ở bất cứ nơi nào có yêu cầu của tế bào về một lượng lớn ATP Thật vậy, ty thể chứa DNA tương tự như DNA trong nhân tế bào Ở chương 3, chúng ta sẽ thấy DNA là thành phần hóa học cơ bản của nhân kiểm soat sự tái tạo của tế bào DNA của ty thể đóng vai trò tương tự, kiểm soát sự tái tạo của ty thể Tế bào phải đối mặt với nhu cầu năng lượng tăng cao- khi điều đó xay ra, ví dụ ở hệ cơ xương khi thực hiện những bài tập lặp đi lặp lại-có thể tăng mật độ ty thể để đáp ứng nhu cầu nằng lượng

Bộ khung xương tế bào-cấu trúc dạng ống và dạng sợi

Bộ khung xương tế bào là một mạng lưới những protein dạng sợi sắp xếp lại thành sợi hoặc ống cấu trúc này khởi đầu từ những phân tử protein tổng hợp bởi ribosome trong bào tương Những phân tử này sau đó trùng hợp lại để tạo thành các sợi Ví dụ, một lượng lớn sợi actin thường xuyên được tìm thấy ở vùng ngoài của bào tương, được gọi là ngoại bào tương, để hình thành độ mềm dẻo cho màng tế bào Ngoài ra, trong tế bào cơ, sợi actin và myosin tạo thành bộ máy co rút đặc biệt là cơ sở cho sự co cơ, như được thảo luận trong chương 6

Một loại sợi cứng đặc biệt gồm những phân tử dạng ống trùng hợp lại được sử dụng ở tất cả các

tế bào để tạo nên những cấu trúc dạng ống vững chắc, gọi là ống vi tiểu quản hình 2-8 trình bày ống vi tiểu quản điển hình ở phần đuôi tinh trùng

Một ví dụ nữa về ống vi tiểu quản là cấu trúc xương ống ở trung tâm của vi nhung mao tỏa ra ngoài từ tế bào chất đến đỉnh của các vi nhung mao Cấu trúc này được thảo luận sau ở chương này và được minh họa ở hình 2-18 Ngoài ra, cả trung thể và thoi phân bào của các tế bào đang phân chia cũng gồm những vi tiểu quản

Như vậy, chức năng cơ bản của các vi tiểu quản là hoạt động như một khung xương tế bào, cung cấp những cấu trúc vững chắc cho tế bào Bộ khung xương tế bào không những xác định hình

dạng tế bào mà còn tham gia vào sự phân chia tế bào, cho phép tế bào di chuyển, và cung cấp một hệ thống như đường ray để điều khiển sự di chuyển của các bào quan trong tế bào

Nhân tế bào

Nhân tế bào, là trung tâm điều khiển của tế bào, gửi tín hiệu đến tế bào để phát triển và trưởng thành, để tái tạo, hoặc chết Nhân tế bào chứa một lượng lớn DNA, bao gồm những gene Gene quyết định tính đặc trưng của protein tế bào, bao gồm protein cấu trúc, cũng như enzyme nội bào kiểm soát hoạt động của bào tương và nhân

Gene cũng kiểm soát và đẩy mạnh sự sinh sản của tế bào Gene đầu tiên sao chép để tạo thành 2

bộ gene, sau đó tế bào chia ra bằng một quá trình đặc biệt gọi là sự phân bào để tạo thành 2 tế bào con, mỗi một trong số chúng nhận một trong 2 bộ gene Tất cả các hoạt động của nhân tế bào được bàn luận chi tiết ở chương 3

Không may, sự xuất hiện của nhân tế bào dưới kính hiển vi không cung cấp bất cứ manh mối nào

về cơ chế nhân tế bào thực hiện hoạt động điều khiển của nó Hình 2-9 cho thấy nhân tế bào trong kỳ trung gian dưới kính hiển vi quang học(khoảng thời gian giữa 2 lần phân bào), cho thấy chất nhiễm sắc nhuộm màu tối khắp nhân sinh chất Trong khi phân bào, chất nhiễm sắc tạo nên một cấu trúc nhiễm sắc thể, có thể dễ dàng nhận thấy dưới kính hiển vi quang học, như được mô

tả ở chương 3

Màng nhân

Màng nhan, cũng được gọi là vỏ nhân, là 2 màng kép, một màng ở bên trong cái còn lại Màng bên ngoài liên tiếp với lưới nội chất của bào tương, và khoảng không ở giữa 2 màng cũng tiếp nối với khoảng không trong lưới nội chất, như hình 2-9

Màng nhân bị xuyên thủng bởi hàng nghìn lỗ nhân Những phân tử protein phức tạp gắn vào cạnh của lỗ do đó vùng trung tâm của lỗ chỉ có đường kính 9 nm Dù vậy lỗ đủ lớn để những phân tử có trọng lượng 44000 có thể đi qua dễ dàng

Hạch nhân và sự hình thành ribosome

Nhân của hầu hết tế bào chứa một hoặc nhiều cấu trúc bắt màu gọi là hạch nhân Hạch nhân, không như hầu hết các bào quan khác được nhắc đến ở đây, không có một màng giới hạn nào Thay vào đó, đó đơn giản là sự tập trung của một số lượng lớn RNA và những loại protein như tìm thấy ở ribosome Hạch nhân trở nên lớn hơn khi tế bào tích cực tổng hợp protein

Sự hình thành hạch nhân (và ribosome ở bào tương ngoài nhân) bắt đầu ở trong nhân tế bào Đầu tiên, những gene DNA riêng biệt của nhiễm sắc thể tổng hợp nên RNA Một số RNA được tổng hợp được chứa ở hạch nhân, nhưng hầu hết chúng được vận chuyển ra ngoài qua các lỗ nhân tới bào tương Tại đây, chúng được kết hợp với những protein đặc biệt để tạo thành ribosome trưởng thành đóng vai trò chủ yếu tổng hợp protein bào tương, như được thảo luận rõ hơn ở chương 3

So sánh tế bào động vật với những dạng sống dưới tế bào

Tế bào là một tổ chức phức tạp đòi hỏi hàng trăm triệu năm để phát triển sau dạng sống sớm nhất, một tổ chức giống như virus bây giờ, xuất hiện đầu tiên trên trái đất Hình 2-10 cho thấy

mối quan hệ giữa kích thước của virus nhỏ nhất từng được biết với virus lớn nhất, rickettsia, vi khuẩn và tế bào có nhân, cho thấy tế bào có đường kính gấp khoảng 1000 lần virus nhỏ nhất do

đó có thể tích gấp 1 tỷ lần Tương ứng với đó, chức năng và tổ chức của tế bào phức tạp hơn rất nhiều so với virus

Bản chất cấu tạo của virus là acid nucleic được bọc bởi lớp áo protein Acid nucleic này được cấu tạo bởi những thành phần cơ bản (DNA hoặc RNA) giống như của tế bào động vật có vú, và chúng có khả năng tự sinh sản trong những điều kiện thuận lợi Do đó virus truyền lại vật chất di truyền của nó từ thế hệ này đến thế hệ khác và do đó cấu trúc đó sống theo một cách giống như

tế bào và con người đang sống

Những chất hóa học bên cạnh acid nucleic và những protein đơn giản trở thành những phần của sinh vật, và những chức năng chuyên biệt bắt đầu phát triển ở nhiều phần khác nhau của virus Một màng bao bọc bên ngoài virus, và bên trong màng, xuất hiện dịch Những chất hóa học đặc biệt sau đó phát triển bên trong dịch để thực hiện những chức năng riêng, nhiều protein enzyme xuất hiện có khả năng xúc tác các phản ứng hóa học, như vậy quyết định hoạt động của sinh vật

Ở bậc tiếp theo của sự sống, đặc biệt là rickettsia và vi khuẩn, các bào quan phát triển bên trong sinh vật, tượng trưng cho sự tập hợp những cấu trúc hóa học thực hiện chức năng theo một cách

có hiệu quả hơn là phân tán các chất khắp dịch tế bào

Cuối cùng, ở tế bào có nhân, các bào quan phát triển phức tạp hơn nữa, và bào quan quan trọng nhất là nhân Nhân tế bào phân biệt loại tế bào này với những dạng sống thấp hơn nó, nhân tế bào cung cấp một trung tâm điều khiển tất cả hoạt động của tế bào, và chúng chuẩn bị cho sự sinh sản các thế hệ mới, mỗi tế bào mới có gần như chính xác cấu trúc của tổ tiên nó

Hệ thống chức năng của tế bào

Trong phần còn lại của chương này, chúng ta thảo luận một vài chức năng của tế bào mà làm cho chúng trở thành một tổ chức sống

Sự ăn của tế bào-sự thực bào

Nếu tế bào muốn sống, phát triển và sinh sản, chúng phải kiếm thức ăn và những chất khác từ môi trường xung quanh Hầu hết các chất đi qua màng tế bào bằng sự khuếch tán và vận chuyển tích cực

Sự khuếch tán bao gồm sự di chuyển đơn giản qua màng tế bào bởi sự di chuyển tự do của các phân tử chất, các chất đi chuyển qua các lỗ màng hoặc hoặc qua lớp lipid kép với những chất tan trong mỡ

Vận chuyển tích cực bao gồm sự vận chuyển các chất qua màng bởi các protein cấu trúc xuyên qua màng Cơ chế vận chuyển tích cực rất quan trọng với chức năng của tế bào và được thể hiện chi tiết ở chương 4

Những hạt rất lớn đi vào trong tế bào bằng một chức năng đặc biệt của màng tế bào gọi là sự nhập bào Hình thức chính của sự nhập bào là ẩm bào và thực bào Ẩm bào nghĩa là sự ăn các hạt

nhỏ tạo thành các túi dịch ngoại bào và các hạt cấu thành vào trong bào tương Thực bào nghĩa là

ăn các hạt lớn như vi khuẩn, tế bào nguyên vẹn hoặc một phần những mô thoái hóa

Sự ẩm bào

Ẩm bào xảy ra liên tục trên màng của hầu hết các tế bào, nhưng chúng đặc biệt nhanh ở một số tế bào Ví dụ, nó xảy ra rất nhanh ở đại thực bào, khoảng 3% màng của đại thực bào chìm vào thành các túi mỗi phút Mặc dù vậy, các túi ẩm bào rất nhỏ-thường có đường kính 100-200 nm-hầu hết trong số chúng chỉ được nhìn thấy dưới kính hiển vi điện tử

Ẩm bào là cách duy nhất để các phân tử lớn nhất, như hầu hết protein, có thể đi vào tế bào Trên thực tế, tốc độ ẩm bào tăng lên khi những đại phân tử gắn vào màng tế bào

Hình 2-11 giải thích các bước của sự ẩm bào, cho thấy 3 phân tử protein gắn vào màng Những phân tử này thường gắn vào những receptor đặc biệt trên bề mặt màng đặc trưng cho từng loại protein được hấp thụ Những receptor này thường tập trung ở những hố trên màng tế bào, gọi là coated pits Ở bên trong màng tế bào những hố này là một mạng lưới những protein dạng sợi gọi

là clathrin, giống như những protein khác, có thể bao gồm những sợi co như actin và myosin Một khi phân tử protein gắn với receptor, tính chất bề mặt của màng thay đổi theo cách toàn bộ

hố lõm vào trong và những protein dạng sợi xung quanh hố tạo thành hàng rào bao chặt lấy những protein gắn, cũng như bao lấy một lượng nhỏ dịch ngoại bào Ngay lập tức sau đó, phần lõm vào của màng tách ra từ bề mặt tế bào, tạo thành túi ẩm bào đi vào trong bào tương

Điều gì là nguyên nhân làm cho màng tế bào lõm vào để tạo thành các túi ẩm bào đến nay còn chưa rõ Quá trinh này yêu cầu năng lượng bên trong tế bào, được cung cấp bởi ATP, phân tử giàu năng lượng được thảo luận sau này Quá trình này cũng yêu cầu sự có mặt của ion calci của dịch ngoại bào, thứ phản ứng với những protein co bên dưới các hố để tạo ra lực tách các túi ra khỏi màng tế bào

Sự thực bào

Sự thực bào xảy ra rất giống với sự ẩm bào, ngoại trừ chúng bao gồm những hạt lớn hơn phân tử Chỉ một vài tế bào nào đó có khả năng thực bào, đặc biệt nhất là đại thực bào mô và một số tế bào bạch cầu

Sự thực bào bắt đầu khi các hạt như vi khuẩn, tế bào chết, hoặc các mảnh vụn mô gắn với các receptor của thực bào Trong trường hợp đó là vi khuẩn, mỗi vi khuẩn thường đã gắn với một kháng thể riêng biệt, và đó là kháng thể gắn với receptor của thực bào, kéo theo vi khuẩn cùng với nó Sự làm trung gian này của kháng thể gọi là sự opsonin hóa, được thảo luận ở chương 34

và 35

Sự thực bào xảy ta theo những bước sau:

1 Receptor màng tế bào gắn với phối tử trên bề mặt các hạt

2 Bờ của màng xung quanh điểm gắn lộn ra ngoài trong một phần giây để bao xung quanh toàn bộ hạt, sau đó ngày càng nhiều receptor màng gắn với phối tử của hạt Tất cả xảy ra đột ngột theo cách như khóa kéo để tạo thành túi thực bào