Bộ môn Di truyền – chọn giống cây trồng - Tế bào học thực vật

7/18/15 1 TẾ BÀO HỌC THỰC VẬT Giảng viên: Phạm Thị Ngọc Bộ môn Di truyền – chọn giống cây trồng Số đt: 097 267 32 09 Email: ptngoc132@gmail.com; ptngoc@hua.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO •Tế bào học, Nguyễn Như Hiền, NXB Đại học Quốc gia •Molecular Biology of the Cell, Alberts B.etal, 2002. •Cytogenetic: An introduction. Garber E. D. 1979 •Tế bào học thực vật, Paucheva, 1988 •Embryology of Angiosperms, Vol 1, Johri B.M, 1990 •Molecular Embryology of Flowering Plants, V. Raghavan, 1997 1. TẾ BÀO – ĐƠN VỊ TỔ CHỨC CƠ BẢN CỦA SỰ SỐNG • 1665 Robert Hooke phát hiện ra tế bào lần đầu tiên trên lát cắt mô bần • 1674 – 1683 Antonie Van Leeuwenhoek phát hiện nhiều loại tế bào khác: động vật đơn bào, tế bào máu, tinh trùng. • 1838 – 1839 M.Schleiden và T.Schwan đề xuất học thuyết tế bào: “Tất cả cơ thể sinh vật từ đơn bào cho đến thực vật, động vật và con người đều có cấu tạo tế bào”. • Purkinje (1838), Pholmon (1844), Brawn (1831) – tế bào là khối tế bào chất có chứa nhân và được giới hạn bởi màng nhân. • Các bào quan lần lượt được phát hiện: trung tử (Van Beneden, Boverie - 1876), ty thể (Alman, Benda - 1894), thể Golgi (Golgi - 1898), sự phân bào không tơ (Remark - 1841), phân bào có tơ (Flemming, Strasburger - 1878). • Virchov: Tất cả tế bào đều được sinh ra từ tế bào trước đó (Omnis cellulae e cellulae). 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TRONG TẾ BÀO 2.1 Kỹ thuật hiển vi • 1665 Robert Hooke đã sử dụng kính hiển vi với độ phóng đại 30 lần • Leewenhoek – kính hiển vi phóng đại 300 lần • 1828 – Chế tạo kính hiển vi với độ phóng đại hàng nghìn lần • Nửa sau thế kỷ 19: sử dụng các kỹ thuật hiển vi: kính hiển vi đối pha, hiển vi nền đen • Đầu thế kỷ 20: kỹ thuật hiển vi điện tử Cấu tạo kính hiển vi quang học Kính hiển vi điện tử Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 2 2.2 Kỹ thuật nuôi cấy tế bào – in vitro • Nguyên lý: tế bào, mô được tách ra khỏi cơ thể bằng phẫu thuật vô trùng và được nuôi cấy trong môi trường nuôi nhân tạo với các điều kiện tương tự in vivo. • Ưu điểm: quan sát được trạng thái sống của tế bào như trong cơ thể (in vivo). • Quá trình tái bản mã, phiên mã, dịch mã, quá trình trao đổi chất và thông tin qua màng sinh chất, các quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng trong tế bào, trong ty thể được phát hiện nhờ phương pháp nuôi cấy tế bào kết hợp với các phương pháp hiện đại khác (đánh dấu bằng định vị phóng xạ, kỹ thuật tái tổ hợp DNA) 3. TẾ BÀO HỌC VỚI SẢN XUẤT VÀ ĐỜI SỐNG 3.1. Công nghệ tế bào động vật a) Công nghệ nhân bản vô tính động vật b) Công nghệ tế bào gốc c) Công nghệ sản xuất kháng thể đơn dòng (monoclonal antibody) 3.2. Công nghệ tế bào thực vật a) Công nghệ nhân bản vô tính và vi nhân giống cây trồng - Kỹ thuật giâm củ, giâm cành, chiết, ghép b) Công nghệ vi nhân giống: là công nghệ kết hợp kỹ thuật nuôi cấy tế bào, kỹ thuật lai tế bào cũng như kỹ thuật chuyển gen nhằm mục đích sản xuất cây giống có đặc điểm dự tính một cách nhanh, nhiều, tốt, rẻ. c) Công nghệ tạo cây lai soma d) Công nghệ nuôi cấy tê bào để sản xuất các chế phẩm sinh học Các công đoạn nuôi cấy tế bào: • Chọn lọc cây để lấy mô cấy • Nuôi cấy các mảnh mô từ lá, thân hoặc rễ trong môi trường thích hợp để sản xuất các mô sẹo. • Chọn lọc các dòng gốc có năng suất cao về chế phẩm cần sản xuất. • Chuyển nuôi cấy sang môi trường lỏng để sức sinh trưởng của mô cấy và tăng sản lượng chế phẩm với các bình cấy dung tích lớn (250ml). Các dòng gốc có năng suất cao được chuyển sang nuôi cấy đại trà hoặc được cất giữ lâu dài trong bình nitơ lỏng. • Sản xuất ở mức đại trà với quy mô nuôi cấy lớn trong các lò phản ứng sinh học (bioreactor) có hệ ổn hóa, có hệ điều chỉnh tự động về các điều kiện nuôi cấy với độ tiệt trùng cao. • Chiết và tinh chế các chế phẩm cần sản xuất. Culturing (micropropagating) Plant Tissue - the steps • Selection of the plant tissue (explant) from a healthy vigorous ‘mother plant’ - this is often the apical bud, but can be other tissue • This tissue must be sterilized to remove microbial contaminants 7/18/15 3 The Steps, II • Establishment of the explant in a culture medium. The medium sustains the plant cells and encourages cell division. It can be solid or liquid • Each plant species (and sometimes the variety within a species) has particular medium requirements that must be established by trial and error The Steps, III • Multiplication- The explant gives rise to a callus (a mass of loosely arranged cells) which is manipulated by varying sugar concentrations and the auxin (low): cytokinin (high) ratios to form multiple shoots • The callus may be subdivided a number of times Dividing shoots Warmth and good light are essential The Steps, IV • Root formation - The shoots are transferred to a growth medium with relatively higher auxin: cytokinin ratios The pottles on these racks are young banana plants and are growing roots Tissue culture plants sold to a nursery & then potted up The Steps, V • The rooted shoots are potted up (deflasked) and ‘hardened off’ by gradually decreasing the humidity • This is necessary as many young tissue culture plants have no waxy cuticle to prevent water loss Chương I: CÁC DẠNG TẾ BÀO 1.1. VIRUS • Khái niệm: Virus là dạng sống rất bé, có kích thước từ 15 đến 350nm. Chúng chưa có cấu tạo tế bào nên chưa được coi là cơ thể sống, chúng chỉ sống ký sinh trong tế bào vi khuẩn, thực vật hoặc động vật. Đa số virus là những nhân tố gây bệnh. • Ba quan điểm về vị trí của virus trong thế giới sống:  Quan điểm 1: virus tồn tại như một dạng sống trung gian trong bước chuyển tiếp từ vật chất chưa sống sang vật chất sống, tức là từ phức hệ đại phân tử sang tế bào.  Quan điểm 2: virus là dạng thoái hóa của một dạng vi khuẩn do đời sống siêu ký sinh của chúng trong tế bào.  Quan điểm 3: nguồn gốc của virus là một đoạn ADN hoặc ARN chứa một số gen nhất định bị tách ra từ hệ gen (genome) của tế bào và lại được chuyển nạp vào tế bào. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 4 Cấu tạo virus: • Lõi axit nucleic (axit deoxyribonucleic hoặc axit ribonucleic) là genome, vốn di truyền của virus. • Vỏ bao protein Hoạt động sống: khi ký sinh trong tế bào, axit nucleic của virus sẽ tự tái bản và phiên mã nhờ sử dụng hệ enzyme và bộ máy tổng hợp của tế bào chủ để tổng hợp các protein đặc trưng cho mình và sinh sản. Virus Structure Capsids, Nucleic Acid, Envelope Icosahedral Enveloped Helical 2 kiểu đối xứng trong cấu tạo virus: • Đối xứng khối: gặp ở các virus cầu. VD: các adenovirus gây bệnh viêm phế quản, viêm giác mạc, viêm phổi. Chúng chứa lõi ADN và vỏ bọc protein tạo nên 20 mặt tam giác với 12 đỉnh. (hình 1.1). • Đối xứng xoắn: VD: virus gây bệnh khảm ở thuốc lá là một khối hình trụ dài 300nm, đường kính 18nm, có lõi chứa ARN gồm 2200 nucleotide và một vỏ bọc gồm 2200 phân tử protein tập hợp theo kiểu xoắn ốc. TÍNH ĐA DẠNG CỦA CẤU TẠO VIRUS RNA Coat protein TMV 1.2. TẾ BÀO NHÂN SƠ (PROKARYOTA) Cấu tạo tế bào nhân sơ: a. Thành tế bào: có độ dày từ 10 – 20nm và được cấu tạo bởi chất peptidoglican (bao gồm polysaccarit liên kết với peptit). b. Màng sinh chất (lipoprotein): chứa khoảng 45% lipit và 55% protein. c. Tế bào chất: chứa tới 65 – 90% nước. Khối tế bào chất chứa các ribosome (từ 10.000 đến 100.000), các chất vùi, các mezosome d. Nucleoid và nhiễm sắc thể 7/18/15 5 Prokaryotic flagella Nucleoid region (DNA) Ribosomes Plasma membrane Cell wall Capsule Pili SƠ ĐỒ CẤU TẠO VI KHUẨN 1.3. TẾ BÀO NHÂN CHUẨN (EUKARYOTA) Cấu tạo:  Một màng sinh chất có bản chất hóa học là Lipoprotein dầy 8,5nm bao quanh khối tế bào chất  Khối tế bào chất gồm: + Các bào quan (organoid) + Các chất vùi (Paraplasma) là các chất tồn dư hoặc dự trữ trong tế bào chất ở các dạng hạt (hạt glycogen, hạt tinh bột), các giọt (giọt dầu), các tinh thể vô cơ, hữu cơ và các sắc tố.  Nhân được cấu tạo bởi màng nhân là màng kép có nhiều lỗ. Bên trong màng nhân là dịch nhân chứa chất nhiễm sắc và hạch nhân. Sự khác nhau giữa tế bào động vật và thực vật Tế bào thực vật Tế bào động vật - Có thành vỏ xenlulo bao ngoài màng sinh chất - Có lục lạp – tự dưỡng - Chất dự trữ là tinh bột - Phân bào không có sao và phân tế bào chất bằng vách ngang trung tâm - Hệ không bào phát triển - Không có thành vỏ xenlulo - Không có lục lạp – dị dưỡng - Chất dự trữ là glycogen - Phân bào có xuất hiện sao và phân tế bào chất bằng eo thắt ở trung tâm - Ít khi có không bào Cytoskeleton Ribosomes Centriole Lysosome Flagellum Not in most plant cells Nucleus Smooth endoplasmic reticulum (ER) Golgi apparatus Rough endoplasmic reticulum (ER) Mitochondrion Plasma membrane • Mô hình tế bào động vật Mô hình tế bào thực vật Cytoskeleton Mitochondrion Nucleus Rough endoplamsic reticulum (ER) Ribosomes Smooth endoplasmic reticulum (ER) Golgi apparatus Plasmodesmata Plasma membrane Chloroplast Cell wall Central vacuole Not in animal cells 1.4. HÌNH THÁI ĐẠI CƢƠNG CỦA TẾ BÀO 1.4.1. Hình dạng của tế bào • Tế bào thường có hình dạng cố định và đặc trưng cho mỗi loại tế bào • Hình dạng của tế bào tùy thuộc chủ yếu vào đặc tính thích nghi chức năng và và một phần do sức căng bề mặt và độ nhớt của nguyên sinh chất, tác động cơ học của tế bào bên cạnh cũng như tính chất biến đổi linh hoạt của màng sinh chất. • Trong môi trường lỏng, tế bào thường có dạng cầu • Đa số tế bào thực vật và động vật có dạng hình khối đa giác (gồm 12 mặt) 7/18/15 6 1.4.2. Kích thƣớc của tế bào • Độ lớn của tế bào rất thay đổi. Thường thì tế bào có độ lớn vào khoảng 3 – 30µm. • Thể tích của tế bào cũng rất thay đổi ở các dạng khác nhau • Thường thì thể tích của một loại tế bào là cố định và không phụ thuộc vào thể tích chung của cơ thể • Sự sai khác về kích thước ở các cơ quan là do số lượng tế bào chứ không phải do thể tích của tế bào quy định 1.4.3. Số lƣợng tế bào • Số lượng tế bào trong cơ thể đa bào nói chung là rất lớn • Cơ thể đa bào dù có số lượng tế bào nhiều đến mấy thì cũng được phát triển từ một tế bào khởi nguyên gọi là hợp tử (Zygote). Chương II CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA MÀNG SINH CHẤT 2.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HỆ THỐNG MÀNG SINH HỌC Cấu tạo chung của hệ thống màng sinh học: • Là màng lipoproteit có độ dày từ 7 – 10nm, có thành phần hóa học gồm lipit (25 – 75%) và protein (25 – 75%). Ngoài ra còn có hydrat cacbon (5 – 10%) • Lipit chủ yếu là photpholipit tạo thành lớp kép xếp theo kiểu đầu ưa nước quay ra ngoài và vào trong, còn đầu kỵ nước quay lại với nhau • Protein phân bố rất đa dạng và linh hoạt trong lớp lipit kép. • Cacbon hydrat thường liên kết với lipit hoặc protein ở mặt ngoài màng • Hàm lượng lipit, protein và cacbon hydrat cũng như cách sắp xếp chúng trong màng tùy thuộc vào chức năng của màng. 2.2. CẤU TRÚC CỦA MÀNG SINH CHẤT • Khái niệm: Màng sinh chất là màng lipoproteit bao phủ khối tế bào chất của tế bào. Màng sinh chất khu trú, cách ly tế bào với môi trường ngoại bào, đồng thời thực hiện sự trao đổi vật chất và thông tin giữa tế bào với môi trường. • Màng sinh chất tồn tại ở cả các tế bào Prokaryota và Eukaryota. • Màng sinh chất ở các dạng tế bào khác nhau có thể có cấu tạo khác nhau về hàm lượng các chất, về khu trú của các phân tử trong màng, hoặc có thể biến đổi về siêu cấu trúc để thực hiện chức năng đặc biệt, nhưng đều có diện cấu tạo chung và thành phần sinh hóa điển hình. Charles Overton(1890) --Lipophilic Irving Langmuir(1902) --- benzene-lipid solution onto the surface of the water Gorter and Grendel(1925): --- lipid bilayer,7 m in diameter --- twice monolayer of lipid --- erythrocytes Davson and Danielli(1935) ---Differential permeability --- glucose, galactose --- the presence of proteins in membranes 7/18/15 7 MÔ HÌNH CẤU TRÚC MÀNG SINH CHẤT 2.2.1. Thành phần hóa sinh và cấu trúc phân tử a) Lipid Lipid ở trong màng chiếm khối lượng khoảng 50% (dao động từ 25 – 75%). Các lipit chủ yếu của màng là: + Phospholipids có đến 55 – 57% photphatidilethanolamin, photphatidiserin, photphatidilcholin, sphingomielin). + Cholesterol + Các glicolipid (sphingosin, ceramit, galactocerebrosit). Lớp kép lipit Đầu ƣa nƣớc Đuôi kỵ nƣớc Protein xuyên màng Protein rìa màng CẤU TẠO MÀNG SINH CHẤT Phospholipids 7/18/15 8 Cholesterol Đặc tính của lipid ở màng • Phân tử lipit có 1 đầu ưa nước (đầu phân cực) và 1 đầu kỵ nước. Đó là những phân tử lưỡng tính (amhiphile).VD: phân tử phospholipids có đầu phân cực được cấu tạo từ cholin, photphat, glycerol và hai đuôi kỵ nước. Đuôi gồm hai mạch hydrocacbon no (CH2 – CH2 – CH2) hoặc chưa no (CH2 – CH = CH – CH2) trong đó thường có đến 14 – 24 nguyên tử C. • Trong môi trường nước, các phân tử lipit sắp xếp sao cho các đầu phân cực quay ra phía nước còn đuôi kỵ nước quay lại với nhau. • Khi các phân tử phospholipids có đuôi hydrocacbon kỵ nước ở trạng thái no màng có tính bền vững, còn khi đuôi hydrocarbon có nối đôi màng trở nên nhầy và có tính lỏng lẻo. 7/18/15 9 • Các phân tử phospholipids có thể tự quay, dịch chuyển ngang, dịch chuyển trên dưới (dịch chuyển flip - flop). • Phân tử cholesterol có 1 nhóm phân cực và nhân steroid. Các phân tử cholesterol xếp xen kẽ vào giữa các phân tử photpholipit theo cách nhóm phân cực xếp ở mức các đầu ưa nước của photphlipit và nhân steroid xếp xen kẽ vào các mạch kỵ nước của photphlipit. Cách sắp xếp này có tác dụng gây bất động cho các mạch và có vai trò cố định cơ học cho màng. • Khi tỷ lệ photpholipit/cholesterol cao, màng mềm dẻo, còn khi tỷ lệ này nhỏ (nếu nhiều cholesterol) – màng sẽ bền chắc. • Các glycolipit là các lipit liên kết với oligosaccarit. Sự sắp xếp của các phân tử lipit trong môi trƣờng nƣớc Phospholipids Micelle Liposome Nước Nước b) Protein • Protein trong màng sinh chất chiếm 25 – 75%. Tùy dạng tế bào mà hàm lượng và bản chất protein có thể khác nhau và thực hiện các chức năng rất đa dạng, phong phú: cấu trúc, hoạt tính enzyme, vận chuyển các chất qua màng • Tùy theo cách sắp xếp của protein trong màng người ta phân biệt hai loại: + Protein xuyên màng + Protein rìa màng (bám ở phía ngoài của màng hoặc phía trong màng). Cấu tạo màng sinh chất Protein xuyên màng • Những protein này nằm xuyên qua chiều dày của màng và liên kết rất chặt chẽ với lớp kép lipit qua chuỗi axit béo. Có loại protein xuyên màng 1 lần, ví dụ như glycophorin (màng hồng cầu), hoặc nhiều lần (bacteriorodospin – màng vi khuẩn, xuyên qua màng 7 lần). • Phần nằm trong màng là kỵ nước và liên kết với đuôi kỵ nước của lớp kép lipit. • Các đầu của phân tử protein thò ra phía rìa ngoài và rìa trong là ưa nước và có thể là tận cùng nhóm amine hoặc carboxyl. • Các protein xuyên màng thường liên kết với hydratcacbon tạo nên các glicoproteit nằm ở phía ngoài màng. 7/18/15 10 Protein rìa màng • Những protein rìa màng thường liên kết với lớp lipit kép bằng liên kết hóa trị với 1 phân tử photpholipit và xếp ở rìa ngoài (rìa tiếp xúc với môi trường ngoại bào), hoặc rìa trong của màng (rìa tiếp xúc với tế bào chất). • Các protein rìa ngoài thường liên kết với gluxit tạo nên các glycoproteit. Còn protein rìa trong thường liên kết với các protein tế bào chất như ankyrin và qua ankyrin liên hệ với bộ xương tế bào tạo nên hệ thống neo màng và điều chỉnh hình dạng tế bào. Các glycoproteit và lớp áo (cell coat) • Glycoproteit là những protein liên kết với polysaccarit cấu tạo từ nhiều đường khác nhau (gluco, manno, fuco, glucosamin, hexosamin) xếp thành các mạch phân nhánh, trong đó axit sialic (axit nơraminidic) có mang điện âm xếp ở tận cùng mạch gluxit. • Các proteoglican là những protein liên kết với mạch polysaccarit không phân nhánh – là mạch trùng hợp của đường đôi (disaccarit – glicosaminoglican). • Các glycoproteit và glycolipit ở phía ngoài của màng tạo nên tính bất đối xứng của màng và là thành phần của lớp áo (cell coat). Gluxit • Gluxit trong màng sinh chất chiếm khoảng 2 – 10%. Đó là những mạch oligosaccarit hoặc polysaccarit liên kết đồng hóa trị với các protein màng tạo nên các glycoprotein hoặc proteoglican, liên kết với lipit tạo nên các glycolipit và luôn được định khu ở mặt ngoài của màng. • Phần gluxit thò ra ngoài màng tạo nên một lớp cấu trúc sợi – là lớp áo có chức năng quan trọng như bảo vệ màng, tạo cực âm cho màng (do axit sialic), kháng nguyên bề mặt, liên kết với các tế bào bên cạnh 2.2.2 Tính biến động của màng sinh chất 1) Tính linh hoạt của lớp kép lipit • Thể hiện ở trạng thái lỏng hoặc nhớt của lớp do sự phân bố các photpholipit chưa no và no. Khi các photpholipit ở trạng thái no – màng trở nên nhớt, ở trạng thái chưa no (trạng thái ở nhiệt độ sinh lý) – màng trở nên lỏng. • Sự chuyển động linh hoạt của các phân tử lipit: chuyển động dịch chỗ và chuyển động co dãn. • Khi chuyển động dịch chỗ, các phân tử lipit chuyển chỗ theo tuyến ngang (dịch chuyển sang bên cạnh). Đây là chuyển động nhanh. Sự chuyển dịch của chúng có thể xảy ra từ lớp lipit này sang lớp lipit kia (chuyển dịch Flip - Flop). Đó là chuyển dịch chậm hơn. 7/18/15 11 2) Tính linh hoạt của các protein màng • Các phân tử protein có khả năng chuyển động quay và chuyển dịch trong màng. Bình thường, các phân tử protein phân bố khá đồng đều. Nhưng khi có sự thay đổi nào đấy của môi trường, ví dụ như hạ thấp độ pH, sự kích thích của kháng thể thì các phân tử protein chuyển động tạo nên những tập hợp.VD: sự di chuyển của các phân tử protein tạo thành mũ kháng nguyên ở tế bào limpho. 3) Kiểm soát tính linh hoạt của màng • Tính linh hoạt của màng, đặc biệt là tính linh hoạt của các protein màng được kiểm soát bởi các nhân tố bên ngoài và bên trong. Sự kiểm soát ngoài là do các tác nhân của môi trường ngoại bào. VD: lectin kích thích sự hợp nhóm của các glycoproteit màng. • Sự kiểm soát linh hoạt của màng tùy thuộc vào hệ thống bộ xương tế bào gồm các vi sợi và vi ống nằm sát màng, liên kết với màng qua các protein rìa trong của màng. Figure 4.8 Roi tế bào Cytoskeleton Tế bào chất Liên kết với các vi sợi và môi trƣơng ngoại bào a b Chức năng thu nhận và truyền đạt thông tin c d Chức năng enzyme Chức năng vận chuyển e Chức năng nối kết f Chức năng nhận biết tế bào Tế bào chất CHỨC NĂNG CỦA MÀNG SINH CHẤT 2.3. SỰ VẬN CHUYỂN CÁC CHẤT QUA MÀNG 7/18/15 12 2.3.1. Sự vận chuyển vật chất không chi phí năng lượng • Khuyếch tán • Thẩm thấu • Sự vận chuyển dễ dàng thông qua protein chuyên chở a) Khuyếch tán • Thực hiện qua lớp kép lipid và qua kênh protein (protein channel) • Điều kiện: Kích thước của phân tử Tính chất của phân tử Gradien nồng độ a) Khuyếch tán qua lớp kép lipit b) Thẩm thấu • Là hiện tượng nước và các chất hòa tan trong nó thấm qua màng. • Hoạt động nhờ cơ chế tạo lỗ hoặc khe do sự di chuyển họp nhóm của các protein có trong màng 7/18/15 13 • Quá trình khuyếch tán và thẩm thấu qua màng để vào trong tế bào phụ thuộc vào sự chênh lệch nồng độ các chất giữa môi trường trong và môi trường ngoài tế bào. • Cmtn > Cmtttb môi trường ưu trương • Cmtn = Cmtttb môi trường đẳng trương • Cmtn < Cmtttb môi trường nhược trương Tế bào trong điều kiện đẳng trƣơng (isotonic) Tế bào trong môi trƣờng nhƣợc trƣơng (Hypotonic) Tế bào trong môi trƣờng ƣu trƣơng (Hypertonic) c) Sự vận chuyển dễ dàng • Thực hiện nhờ các protein chuyên chở (transport protein) • Vận chuyển những phân tử có kích thước lớn hoặc phân cực • Không tiêu tốn năng lượng, hoạt động dựa trên sự chênh lệch gradien nồng độ • Các protein mang là các protein nằm tại màng, được sử dụng làm chất chuyên chở bằng cách gắn với chất được chuyên chở nhờ phần có hình thù bổ trợ đặc trưng và chuyển chúng vào tế bào chất. Hoạt tính này cũng tương tự như enzyme – cơ chất, nhưng khác ở chỗ chất được chuyên chở không bị làm thay đổi cấu trúc Các dạng protein chuyên chở • Bơm protein (pumps) • Kênh protein (channels) • Protein mang (carriers) 7/18/15 14 Protein mang Cơ chế hoạt động của protein mang • Các protein mang thay đổi thù hình từ một phía của màng (khi gắn với chất chuyên chở) và trở lại thù hình ban đầu ở phía kia của màng (khi đã giải phóng chất chuyên chở) Sự vận chuyển dễ dàng Glucose đƣợc vận chuyển qua màng nhờ protein GLUT Sự vận chuyển dễ dàng Vận chuyển ion qua inophore Vận chuyển đƣờng, amino axit, các phân tử protein nhỏ qua protein mang Sự vận chuyển thụ động 2.3.2 Hoạt động của các protein mang 1. Vận chuyển đơn hƣớng (uniport) VD: Sự vận chuyển glucose từ môi trường ngoại bào vào tế bào chất qua kênh protein (khi nồng độ glucose ở môi trường ngoài cao hơn nội bào) 7/18/15 15 Hoạt động của các protein mang Uniport Symport Antiport A A B A B VD: Sự vận chuyển đồng thời Gluco – Na+ từ xoang ống thận vào tế bào chất 2. Vận chuyển đồng hƣớng (Symport) Hoạt động của các protein mang ATP 4 ADP 3 mitochondrial matrix adenine nucleotide translocase 3. Vận chuyển đối hướng (antiport) 2.3.3 Sự vận chuyển tích cực qua màng • Là phương thức vận chuyển chất qua màng chống lại gradien nồng độ, có tiêu phí năng lượng ATP do tế bào cung cấp • Tế bào phải chi phí khoảng 10 - 20% số năng lượng ATP cho sự vận chuyển chủ động qua màng • Thực hiện thông qua các protein mang (carrier protein) Các dạng bơm hoạt tải • Na+/K+ • H+ • Ca2+ a) Hoạt tải ion • Cơ chế: 3 ion Na+ liên kết vào phần protein xuyên màng (Na+ - K+ ATPase) làm biến đổi hình thể của phức hệ này, phức hệ mới tạo thành liên kết với 1 phân tử ATP, phân giải thành ADP+P. • P được gắn vào phức hệ làm biến đổi cấu hình của chúng, nhờ vậy phức hệ sẽ vận chuyển được 3 ion Na+ ra phía bên ngoài màng. Sau đó phức hệ lại kết hợp ngay với 2 ion K+. • P được giải phóng ra khỏi phức hệ để phức hệ trở lại trạng thái ban đầu, kết quả là 2 ion K+ được dẫn truyền từ ngoài vào trong. 7/18/15 16 b) Hoạt tải glucose Cơ chế: ion Na+ được bơm chủ động ra ngoài để duy trì nồng độ Na+ bên ngoài cao hơn bên trong tế bào. Do đó ion Na+ có khuynh hướng khuếch tán trở lại phần trong tế bào qua 1 kênh trên màng, đồng thời dẫn truyền vào một phân tử đường. Gradien khuếch tán thúc đẩy Na+ đi vào là lớn khiến cho các phân tử đường được kéo vào thậm chí ngược gradient nồng độ đường. 2.3.4. Sự nhập bào, thực bào và xuất bào • Sự nhập bào và xuất bào là sự vận chuyển các chất qua màng sinh chất trong đó có sự thay đổi và tái tạo của màng tế bào để tạo nên các bóng hoặc túi (dạng không bào - vacuoles) • Đối với các phân tử lớn, hoặc cá thể rắn, hoặc lỏng thì tế bào sử dụng hình thức nhập bào (Endocytosis) để chuyển tải chúng vào trong tế bào, và hình thức xuất bào (Exocytosis) để chuyển tải chúng ra khỏi tế bào. a) Sự nhập bào (Endocytosis) • Là sự hình thành các bóng nội bào có đường kính rất bé, khoảng 0,1µm, do sự lõm vào và tách ra của một phần màng có chứa một chất rắn hoặc dịch lỏng. • Có 2 dạng nhập bào:  Ẩm bào (pinocytosis)  Nhập bào thụ quan (Receptor- mediated pinocytosis) 7/18/15 17 Ẩm bào • Là hiện tượng bắt giữ và đưa vào tế bào các giọt chất lỏng ngoại bào mà các chất hòa tan trong đó giống như thành phần dịch ngoại bào. • Các bóng ẩm bào trơn không có áo bao quanh. Nhập bào thụ quan • Là dạng nhập bào trong đó có có tạo thành các bóng nhập bào có áo bao quanh, do sự lõm vào và tách ra một phần màng đặc biệt có chứa nhóm thụ quan (receptor). • Cơ chế: Phần màng sinh chất có chứa các thụ quan (receptor) đặc trưng khi tiếp xúc với chất gắn đặc trưng (ligand) sẽ lõm vào tế bào chất do tác động của một mạng lưới clathrin được hình thành ngay dưới màng. Các phân tử thụ quan liên kết đặc trưng với các chất gắn (chất hóa học mang thông tin) và được bao bởi bóng nhập bào. • Clathrin là một protein gồm ba mạch polypeptit dài và 3 mạch polypeptit ngắn xếp thành kiềng 3 chân. Nhập bào thụ quan 7/18/15 18 b) Sự thực bào (phagocytosis) • Là các hiện tượng tạo thành các thể thực bào (phagosome) – là những bóng có kích thước lớn (1-2 µm) có màng bao bọc và chứa các phần tử rắn, vi khuẩn hoặc mảnh vỡ tế bào. • Cơ chế:  Khi vi khuẩn xâm nhập vào cơ thể, chúng sẽ bị opsonin hóa, nghĩa là bị gắn vào bề mặt các kháng thể - opsonin. Các tế bào thực bào nhận biết các vi khuẩn có mang opsonin nhờ thụ quan màng đặc trưng (thụ quan Fc) và qua thụ quan – opsonin, vi khuẩn bị gắn chặt vào màng tế bào thực bào.  Nằm cạnh thụ quan là kênh ion có nhiệm vụ vận chuyển natri, và phức hệ Fc – ligand sẽ làm hoạt hóa kênh ion.  Do đó một lượng natri sẽ xâm nhập vào tế bào. Điện thế màng bị hạ thấp làm hoạt hóa sự thực bào – tức là sự chuyển dạng của màng cùng phần ngoại sinh chất nằm dưới màng tạo nên bóng thực bào. • Các thể thực bào vào tế bào chất sẽ liên kết với các lizosome và biến thành các phagolizosome. Phagocytosis c) Sự xuất bào (exocytosis) 2.4. SỰ TRAO ĐỔI THÔNG TIN QUA MÀNG • Màng sinh chất thu nhận các tín hiệu khác nhau (ví dụ các hormone đặc thù) nhờ các protein đặc trưng khu trú ở trong màng đóng vai trò là các thụ quan màng (membrane receptor), vì vậy tế bào có khả năng đáp ứng kịp thời đối với tác động của các nhân tố môi trường. • Các thông tin đến từ môi trường hoặc đến từ tế bào khác thường ở dạng các tín hiệu hóa học. 2.4.1. Hormone và thụ quan màng • Thụ quan màng là những protein hoặc glycoprotein đặc trưng khu trú trong màng. • Chúng có khả năng thay đổi hình thù không gian và liên kết đặc trưng với các chất mang tín hiệu thông tin (thường gọi là chất gắn ligand). • Khi phức hệ thụ quan – chất gắn được hình thành chúng sẽ phát động những tín hiệu sinh lý như: mở các kênh ion để vận chuyển các ion, kích hoạt các enzyme, hoạt hóa các protein trong dây truyền trao đổi chất của tế bào, hoặc hoạt hóa các gen. 7/18/15 19 2.4.2. Cơ chế truyền đạt thông tin qua màng a) Các chất hòa tan trong nước • Chất gắn (VD hormone adrenarin) liên kết với thụ quan màng đặc trưng. • Thông tin được truyền qua chất trung gian là protein G khu trú trong màng kèm với thụ quan (có tên gọi là G bởi vì protein này được hoạt hóa bởi GTP – guanozintriphotphat). • Protein được hoạt hóa sẽ phát động chuỗi phản ứng của tế bào như: điều hòa điện thế màng (mở hoặc đóng các kênh ion), kích hoạt (hoặc ức chế) các phản ứng sinh hóa liên quan đến sự sinh trưởng và tăng sinh tế bào, làm hoạt hóa các gen. • Hoạt động thu nhận thông tin và truyền thông tin nhờ các thụ quan màng được tế bào điều chỉnh để thích nghi với trạng thái của tế bào cũng như với thay đổi của môi trường. b) Các chất hòa tan trong lipit • Các chất mang thông tin là các chất hòa tan trong lipid (hormone steroid, vitamin D, retinoid) sẽ được vận chuyển qua màng vào tế bào chất. Ở đây chúng sẽ liên kết với các thụ quan nội bào tạo thành phức hệ hormone – thụ quan nội bào. • Phức hệ này sẽ đi vào nhân tế bào và có tác động hoạt hóa các gen. 2.5. SỰ PHÂN HÓA CỦA MÀNG SINH CHẤT, LỚP VỎ TẾ BÀO 2.5.1. Một số biểu hiện về phân hóa của màng sinh chất a) Các cầu nối gian bào hay nối kết thông thương (junction - gap): là những nối kết giữa hai tế bào cạnh nhau mà ở đó hai màng sinh chất tiếp cận nhau sít đến đến mức không thể phân biệt được hai màng. Vì khoảng gian bào chỉ khoảng 2 – 3nm, như thể các cầu nối thông thương giữa hai tế bào tạo nên bởi 7 lớp gồm 4 lớp kỵ nước và 3 lớp ưa nước. Các cầu nối có được là nhờ sự liên kết của protein – connexin tạo nên các kênh thông thương tồn tại trong màng của cả hai tế bào. b) Các kết nối vững chắc (thể nối hay thể dây chằng) (desmosome): là kiểu kết nối trong đó có sự thay đổi hình dạng màng sinh chất, có sự tham gia của protein liên kết và cả sự tham gia của phức hệ vi sợi tế bào chất làm cho nối kết ổn định và vững chắc. c) Các nối kết tế bào chất hay cầu nối sinh chất (plasmodesma) Plasmodesma Thành tế bào thực vật Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 20 Cellulose và thành tế bào thực vật Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/