Tổng quan về sự sống và tế bào

tế bào có trước". Phát biểu này được xem là "Quy luật hữu cơ". Ý kiến này, đã phản bác lại các học thuyết hiện thời. Điều này có thể hiểu rằng: các tế bào không thể tự sinh ra từ các chất vô cơ. Năm 1862, Loisis Pasteur đưa ra bằng chứng cho ý kiến trên bằng các thí nghiệm cổ điển của mình. Rudolf Virchow Hình 1.8: Rudolf Virchow (1821 – 1902) Hình 1.9: Loisis Pasteur (1822 - 1895) Thí nghiệm của Pasteur: Môi trường dinh dưỡng được đun nóng và tiệt trùng trong cầu với hai dạng cổ thẳng và cổ cong. a) Thí nghiệm đối chứng, Pasteur sử dụng bình với cổ thẳng cho phép vi khuẩn đi vào tự do. Môi trường dinh dưỡng trong bình nhanh chóng bị nhiễm bởi sự phát triển của các loại vi khuẩn. b) Bình thí nghiệm Pasteur có cổ dài hình chữ S. Với kiểu bình này, vi khuẩn không thể đi vào hoặc đi ra tự do ngay cả khi nó tiếp xúc với không khí. Kết quả là: không có sự phát triển của vi khuẩn. c) Khi hình cổ S đã được gỡ bỏ vi khuẩn bắt đầu phát triển trong các môi trường đã vô trùng. Tháng 8, năm 1880, Weissman giới thiệu một hệ quả quan trọng của quy luật hữu cơ: “Các tế bào sống ngày nay có nguồn gốc từ thời cổ đại" tức là phải có một tế bào tổ tiên chung. Những luận điểm chính của học thuyết tế bào Những luận điểm cổ điển: Tất cả các sinh vật sống được tạo thành từ một hoặc nhiều tế bào. Tế bào là đơn vị cơ bản của cuộc sống. Tất cả các tế bào tồn tại phát sinh từ các tế bào trước. Tế bào là đơn vị cấu trúc, sinh lý học, và tổ chức sinh vật sống. Những luận điểm mới được bổ sung: Các tế bào là đơn vị cơ bản của cấu trúc và chức năng trong cơ thể sống. Tất cả các tế bào phát sinh từ những tiền tế bào. Sự biến dưỡng ( sự trao đổi chất và sinh hóa ) xảy ra bên trong tế bào. Tế bào chứa thông tin di truyền (DNA) được truyền từ tế bào sang tế bào thông qua cơ chế phân chia tế bào. Tất cả các tế bào này về cơ bản không khác nhau về thành phần hóa học giữa các loài sinh vật. Tất cả các sinh vật sống được biết đến là tạo thành từ một hoặc nhiều tế bào. Một số sinh vật được tạo thành từ chỉ một tế bào và được gọi là sinh vật đơn bào. Các sinh vật đa bào, bao gồm một số lượng tế bào. Hoạt động của một cá thể sinh vật là tổng hòa của các hoạt động các tế bào riêng rẽ. Tóm lại, ngày nay, các nhà khoa học thường giới thiệu học thuyết tế bào như sau: “Các tế bào là đơn vị cơ bản của cấu trúc và chức năng của mọi sinh vật sống.” Các kiểu tế bào sống căn bản 1.2.3.1. Đặc điểm chung của tế bào[4] Tất cả các tế bào từ tế bào vi khuẩn đến tế bào người đều được bao bọc bởi một màng ngoài gọi là màng tế bào chất. Một tế bào không có màng thì không được gọi là tế bào. Màng tế bào chất là một màng sinh học ngăn cách tế bào chất với môi trường bên ngoài. Tế bào được tổ chức rất chặt chẽ. Để giữ được trật tự như vậy, tế bào cần kiểm soát được vật chất đi vào và đi ra khỏi tế bào. Sự kiểm soát này được thực hiện chủ yếu bởi màng tế bào chất, trong đó lớp đôi phospholipid có vai trò ngăn cản sự qua lại không kiểm soát của vật chất. Nhóm glycerol ưa nước của lipid được sắp xếp ở mặt ngoài của màng trong khi các acid béo kỵ nước tụ tập bên trong màng. Lớp kỵ nước này ngăn cản sự chuyển dịch qua màng của các phân tử phân cực, tích điện tan trong nước. Các phân tử này chỉ được vận chuyển qua màng thông qua các protein xuyên màng. Màng tế bào là nơi khu trú của rất nhiều loại protein có chức năng enzyme, vận chuyển. Tế bào có khả năng điều hòa thành phần và hoạt động của các protein vận chuyển này để kiểm soát sự di chuyển của phân tử vào và ra khỏi tế bào. Khả năng đi qua màng tề bào của một chất không chỉ phụ thuộc vào kích thước phân tử mà còn phụ thuộc điện tích, vào độ hào tan của các phân tử trong chất béo. Ba đặc tính quan trọng của màng tế bào Tính lỏng là do lipid và protein màng không ngừng di chuyển. Tính không cân xứng của lớp đôi phospholipid và các phân tử protein màng. Tính thấm chọn lọc: nước và các phân tử nhỏ không mang điện tích có thể xuyên qua lớp đôi phospholipids dễ dàng còn các phân tử hữu cực và các ion thì không thể di chuyển tự do qua màng. Hình 1.10: Màng tế bào chất. Các tế bào đều chứa các thành phần hóa học cơ bản giống nhau: polysaccharide, protein, acid nucleic, lipid, khoáng và vitamin [5] Polysaccharide Polysaccharide là phân tử đa phân được tạo thành từ hàng trăm đến hàng ngàn đơn vị đường phân tử lượng nhỏ (carbohydrate, CHO). Các đơn phân đường trong polysaccharide được nối với nhau bằng liên kết glycoside gồm liên kết α và liên kết β. Liên kết α -1,4 – giữa hai phân tử glucose là dạng dự trữ năng lượng và dự trữ carbon quan trọng nhất ở vi khuẩn, thực vật và động vật. Ví dụ như glycogen là chất dự trữ của tế bào động vật, tinh bột là chất dự trữ của tế bào thực vật. Liên kết β-1,4 – giữa hai phân tử glucose là dạng cấu thành thành phần vách tế bào (cellulose). Protein Protein là phân tử đa phân được cấu tạo bởi các chuỗi các amino acid nối với nahu bằng liên kết peptide. Liên kết này được tạo thành giữa các nhóm amin của amino acide này với nhóm carboxylic acid của amino acid kia. Hai mươi amino acid khác nhau về tính chất hóa học của các nhánh bên trong phân tử. Các protein có chức năng rất đa dạng, có thể nói chúng thực hiện hầu hết các chức năng căn bản của chất sống như: xúc tác các phản ứng sinh hóa, các phân tử cấu trúc của tế bào, sự vận động, dự trữ và vận chuyển thức ăn, các chất đều hòa và bảo vệ tế bào. Thành phần protein của màng gồm: Các protein xuyên màng thâm nhập ít nhiều trong lớp đôi phospholipids, bằng cách tạo ra các tương tác kị nước với phần không phân cực của phospholipids. Các protein ngoại vi nằm rải rác trên màng nhờ các tương tác tĩnh điện với phần phân cực của phospholipids hay phần phân cực nhô ra ngoài của protein xuyên màng. Lipid Lipid là thành phần quan trọng của màng. Lipid có chứa phần ưa nước (phân cực) và phần kị nước (không phân cực). Bản chất hóa học của lipid thích hợp cho vai trò màng chắn ngăn cản sự thấm tự do của các phân tử phân cực qua màng. Lipid có thể ở dạng đơn giản hoặc phức tạp. Dạng đơn giản gọi là triglyceride trong đó ba nhóm acid béo gắn với một phân tử glycerol. Dạng lipid phức tạp là lipid đơn giản có chứa các nguyên tố khác như P, S, N hoặc chứa các nhón ưa nước như đường, ethanolamine, serine, choline. Lipid chứa nhóm phosphate được gọi là phospholipids là một nhóm lipid phức tạp rất quan trọng trong cấu tạo của màng tế bào. Acid nucleic Trong tế bào có hai dạng acid nucleic chính là DNA và RNA. Cả hai phân tử này đếu được tạo thành từ các đơn phân nucleotide. Một số nucleotide còn có vai trò trong sự biến dưỡng năng lượng ATP (adenosine triphosphate). Phân tử nucleotide gồm có một đường, phosphate và một base nitric. DNA và RNA khác nhau ở thành phần đường trong nucleotide (đường deoxyribose và ribose). Acid nucleic được tạo thành nhờ liên kết cộng hóa trị giữa các nhóm đường và phosphate của hai nucleotide kề nhau, tạo thành khung đường phosphate. Tính độc đáo của acid nucleic là được tạo bởi các base trong bộ khung này. Mỗi loại acid nucleic có bốn loại base gồm Cytosine (C), Thymine (T) và Uracil (U) thuộc nhóm pirimidine và Adenine (A), Guanine (G) thuộc nhóm pirine. Trong đó ba loại Adenine (A), Guanine (G) và Cytosine (C) hiện diện trong cả hai loại acid nucleic. Base thứ tư trong DNA là Thymine (T) và ở RNA là Uracil (U). Tất cả các tế bào đều chứa vật liệu di truyền là DNA và các phân tử RNA mã hóa cho protein mà hầu hết sau này chúng trở thành enzym Vật liệu di truyền là các phân tử nucleic acid (DNA và RNA). Hầu hết các sinh vật sử dụng DNA để lưu trữ dài hạn thông tin di truyền. Thông tin di truyền của sinh vật chính là mã di truyền quy định tất cả protein cần thiết cho mọi tế bào của cơ thể. Tuy nhiên, một nghiên cứu mới đây cho thấy có thể một số RNA cũng được sử dụng như là một bản lưu đối với một số gene đề phòng sai hỏng. Ở các sinh vật nhân sơ, vật liệu di truyền là một phân tử DNA dạng vòng đơn giản. Phân tử này nằm ở một vùng tế bào chất chuyên biệt gọi là vùng nhân. Tuy nhiên, đối với các sinh vật nhân thật, phân tử DNA được bao bọc bởi các phân tử protein tạo thành cấu trúc nhiễm sắc thể, được lưu giữ trong nhân tế bào (với màng nhân bao bên ngoài). Mỗi tế bào thường chứa nhiều nhiễm sắc thể (số lượng nhiễm sắc thể trong mỗi tế bào là đặc trưng cho loài). Ngoài ra, các bào quan như ty thể và lục lạp đều có vật liệu di truyền riêng. Ví dụ, một tế bào người gồm hai bộ gene riêng biệt là bộ gen của nhân và bộ gen của ty thể. Bộ gen nhân (là thể lưỡng bội) bao gồm 46 phân tử DNA mạch thẳng tạo thành các nhiễm sắc thể riêng biệt. Bộ gen ty thể là phân tử DNA mạch vòng, khá nhỏ và chỉ mã hóa cho một vài protein quan trọng. Các tế bào có khả năng phân chia tạo ra tế bào mới Phân bào là quá trình sinh sản từ một tế bào (gọi là tế bào mẹ) phân chia thành hai tế bào con. Đây là cơ chế chính của quá trình sinh trưởng của sinh vật đa bào và là hình thức sinh sản của sinh vật đơn bào. Những tế bào sinh vật nhân sơ phân chia bằng hình thức phân cắt (binary fission) hoặc nảy chồi (budding). Tế bào sinh vật nhân thật thì sử dụng hình thức phân bào là nguyên phân (mitosis) (một hình thức phân bào có tơ). Những tế bào lưỡng bội thì có thể tiến hành giảm phân để tạo ra tế bào đơn bội. Những tế bào đơn bội đóng vai trò giao tử trong quá trình thụ tinh để hình thành hợp tử (lưỡng bội). Trong phân bào, quá trình tự nhân đôi DNA (dẫn đến nhân đôi nhiễm sắc thể) đóng vai trò cực kỳ quan trọng và thường diễn ra tại kỳ trung gian giữa các lần phân chia. Tế bào có khả năng tiến hóa hình thành những thuộc tính mới và truyền lại cho thế hệ sau, có khả năng phân hóa hình thành cơ chất hoặc cấu trúc mới trong chu kỳ sống của tế bào giúp cho quá trình sinh sản, phát tán và tồn tại của tế bào Tế bào có khả năng sao chép trung thực thông tin di truyền của mình và chuyển một bản sao cho tế bào mới nhưng thỉnh thoảng có xảy ra sai sót trong quá trình sao chép thông tin di truyền và tạo ra đột biến. Thông thường đột biến là có hại và làm chết tế bào. Tuy nhiên, đột biến cũng tạo nếu protein mã hóa bởi gen đột biến có khả năng xúc tác một phản ứng khác hơn so với protein ban đầu. Dưới những điều kiện môi trường nhất định, tế bào đột biến này có thể có ưu thế chọn lọc cao hơn các tế bào khác. Đây chính là cơ chế căn bản của chọn lọc tự nhiên theo học thuyết tiến hóa của Darwin. Các tế bào có khả năng biến dưỡng, thu nhận cơ chất từ môi trường, chuyển hóa chúng để chúng để thu năng lượng và vật liệu để cấu thành tế bào; đồng thời trả lại môi trường các chất thải Giữa những lần phân bào, các tế bào thực hiện hàng loạt quá trình trao đổi chất nội bào nhằm duy trì sự tồn tại cũng như sinh trưởng của mình. Sự trao đổi chất là toàn bộ các phản ứng trong tế bào bao gồm hai quá trình xảy ra song song và tác động tương hỗ lẫn nhau: sự đồng hóa là quá trình tổng hợp nên các phân tử hữu cơ phức tạp sự dị hóa là quá trình phân hủy các thức ăn giải phóng năng lượng cho tế bào. Một trong các con đường trao đổi chất quan trọng là đường phân (glycolysis), con đường này không cần oxy. Mỗi một phân tử glucose trải qua con đường này sẽ tạo thành 4 phân tử ATP và đây là phương thức thu nhận năng lượng chính của các vi khuẩn kị khí. Đối với các sinh vật hiếu khí, các phân tử pyruvat_sản phẩm của đường phân, sẽ tham gia vào chu trình Kreb (hay còn gọi là chu trình TCA) để phân huỷ hoàn toàn thành CO2, đồng thời thu nhận thêm nhiều ATP. Ở sinh vật sinh vật nhân thật, chu trình TCA tiến hành trong ty thể trong khi sinh vật sinh vật nhân sơ lại tiến hành ở ngay tế bào chất. Năng lượng cho sự sống trên trái đất là ánh sáng mặt trời được các sinh vật tự dưỡng thu nhận trong quá trình quang hợp để tổng hợp nên hợp chất giàu năng lượng như glucose. Các sinh vật dị dưỡng như động vật, nấm và nhiều vi sinh vật không thu nhận trực tiếp được từ năng lượng mặt trời mà phải nhận gián tiếp ở dạng thức ăn là các chất hữu cơ do các sinh vật quang hợp tạo ra. Năng lượng chứa trong các chất hữu cơ thường được giải phóng thông qua quá trình hô hấp trong đó oxy và glucose được kết hợp để tạo ra CO2 và nước. Ở đây năng lượng được sử dụng để thực hiện tất cả các phản ứng do enzym xúc tác trong tế bào. Các phản ứng biến đổi năng lượng trong tế bào cũng tuân theo các quy luật hóa học thông thường nhưng có những đặc điểm sau: Dạng năng lượng được chuyển hóa chủ yếu là năng lượng hóa học của các hợp chất hữu cơ. Nhờ có cấu trúc tinh vi tế bào thực vật đã thu được năng lượng ánh sáng mặt trời và biến nó thành năng lượng hóa học để rồi luân chuyển trong thế giới sinh vật. Quá trình oxy hóa giải phóng năng lượng qua nhiều phản ứng trung gian nên cơ chất thường không tiếp xúc trực tiếp với oxy. Tất cả các tế bào đều đòi hỏi sự cung cấp năng lượng. tế bào luôn giữ được cấu trúc rất trật tự trong quá trình sống. Để giữ được trật tự theo thời gian, tế bào cần liên tục tạo ra năng lượng và sử dụng một phần năng lượng đó để giữ cấu trúc tế bào tất cả các tế bào có khả năng giao tiếp với môi trường xung quanh, đáp ứng thích nghi với các tín hiệu môi trường các tế bào đều được đều hòa ở mức độ cao nhờ các hệ thống thụ cảm phức tạp cho phép chúng nhận biết được mọi hoạt động đang diễn ra trong tế bào và điều kiện môi trường xung quanh chúng, các thông tin này được xử lý một cách liên tục để điều hòa sự trao đổi chất Tài liệu tham khảo Hồ Huỳnh Thùy Dương (2002), Sinh học phân tử, nhà xuất bản giáo dục, TP. Hồ Chí Minh. Bùi Trang Việt (2005), Sinh học tế bào, nhà xuất bản đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh, TP. Hồ Chí Minh.