Tiểu luận Sinh học tế bào

I. Tế bào chất và các bào quan 1.1 Khái niệm tế bào chất và bào quan Khái niệm tế bào chất: Là khối nguyên sinh chất (protoplasma) chứa nhiều cấu trúc phức tạp như bào quan, các chất dự trữ, các vi sợi, vi ống tạo nên khung xương của tế bào; nằm trong tế bào và bao quanh lấy nhân. Tế bào chất của một số tế bào có sự phân hóa thành hai lớp: + Lớp ngoại chất (exoplasma): ở ngoại vi, mỏng hơn và có độ nhớt cao hơn + Lớp nội chất (endoplasma): Ở bên trong và bao quanh lấy nhân, chứa các bào quan như: mạng lưới nội chất , phức hệ golgi, ribosome, ti thể, lục lạp... Nếu ta loại bỏ các bào quan thì còn lại khối tế bào chất có cấu trúc gọi là chất nền hay thể trong suốt (cytosol). Thể trong suốt chiếm gần một nửa khối lượng tế bào. Nó có thành phần chủ yếu là protein và nước (khoảng 85%). Thể trong suốt có các protein sợi tạo thành bộ khung xương của tế bào, có hàng nghìn enzym, các ribosome làm nhiệm vụ sinh tổng hợp protein. Ngoài hai thành phần chính là nước và protein, thể trong suốt còn có chứa các loại RNA như mRNA, tRNA; các lipid, gluxit, axit amin, nucleoside, nucleotide, các ion. Đôi khi, thể trong suốt còn chứa các hạt dầu và hạt glycogen với số lượng thay đổi tùy loại tế bào. Thể trong suốt có chức năng quan trọng như: 1. Là nơi thực hiện các phản ứng trao đổi chất của tế bào, sự biến đổi trạng thái vật lý của thể trong suốt có thể ảnh hưởng đến hoạt động của tế bào. 2. Nơi thực hiện một số quá trình điều hòa hoạt động các chất 3. Nơi chứa các vật liệu dùng cho các phản ứng tổng hợp các đại phân tử sinh học như các gluxit, lipid, glycogen. Khái niệm bào quan: Bào quan là cấu trúc siêu vi định khu tại từng vùng riêng biệt trong tế bào chất và thực hiện một chức năng xác định Bảng sau thể hiện các loại bào quan có mặt trong tế bào Bảng 1: Các bào quan của tế bào BÀO QUAN CẤU TRÚC MÀNG CHỨC NĂNG Ti thể Màng kép, chứa các enzym hô hấp Hô hấp tế bào Lục lạp Màng kép, chứa diệp lục, các enzym thực hiện chức năng quang hợp Quang hợp Lưới nội chất trơn Hệ thống màng nội bào không có đính riboxom Vận chuyển nội bào Lưới nội chất hạt Hệ thống màng nội bào có đính riboxom Vận chuyển nội bào, tổng hợp protein Bộ máy golgi Màng đơn trơn, chuyên hóa gồm 1 chồng các bap dẹp hình đĩa (các xitec) Đóng gói và xuất xưởng các sản phẩm protein, glicoprotein Lyzoxom Màng đơn, chứa enzym Tiêu hóa nội bào Không bào Màng đơn Tạo sức trương, dự trữ các chất Riboxom Không màng có cấu trúc phức tạp, đường kính khoảng 25nm Tổng hợp protein Peroxixom Màng đơn Trung thể Không màng, có cấu trúc hình trụ, gồm hai trung tử xếp vuông góc với nhau Phân bào Tuy nhiên, tất các bào quan trên không phải là cấu trúc bắt buộc ở tất cả tế bào sinh vật. Sự có mặt của các bào quan khác nhau ở loại tế bào và mức độ tiến hóa của sinh vật. Điều này được thể hiện rõ trong hình vẽ Hình 1: Tế bào prokaryote Hình 2: Tế bào động vật Hình 3: Tế bào thực vật II. Một số bào quan Ti thể và lục lạp là loại bào quan có màng kép và có vai trò quan trọng đối với tế bào vì chúng là nhà máy chuyển hóa năng lượng của tế bào sinh vật nhân chuẩn. Vì vậy, tiểu luận chỉ đề cập đến hai loại bào quan trên. 2.1 Ti thể 2.1.1 Sự phân bố, hình dạng, kích thước Dưới kính hiển vi thường, ti thể là những thể nhỏ có hình dạng khác nhau: hình que, hình cầu, hay hình sợi... Ti thể hình cầu có đường kính khoảng 0,5 - 5µm, hình que có đường kính khoảng 0,2µm dài có khi đến khoảng 10µm. Để quan sát được ti thể thường phải nhuộm ti thể bởi Janus, hematoxylin, fucshin acid Ti thể là bào quan thực hiện chức năng hô hấp trong tế bào nhân thực hiếu khí. Ti thể có nhiều trong các tế bào tích cực chuyển hóa năng lượng, như tế bào gan, tế bào cơ, tế bào lông hút... Trong tế bào gan động vật có khoảng 1000-1500 ti thể. 2.1.2 Cấu trúc Hình 4: Vị trí, hình thái cấu trúc của ti thể trong tế bào Ti thể có cấu tạo màng kép, gồm màng ngoài và màng trong có bản chất là màng lipoprotein bao lấy khối chất nền bên trong, giữa hai màng là khoảng không gian giữa hai màng. Màng ngoài: cũng có cấu tạo như màng sinh chất, có tỉ lệ P/L bằng hoặc lớn hơn 1. Màng ngoài có chứa tỉ lệ cholesterol thấp (bằng 1/6 so với tế bào hồng cầu), có tỉ lệ photphattidyl cholin cao gấp hai lần so với màng tế bào. Màng ngoài có nhiệm vụ tiếp thu phần lớn protein ti thể sản xuất từ tế bào chất để xây dựng ti thể và kiến tạo màng. Đặc biệt, màng ngoài của ti thể có chứa các phức hệ protein làm nhiệm vụ vận chuyển đặc hiệu protein từ tế bào chất vào ti thể. Khi ở bào tương, các protein mang mang 1 chuỗi axit amin ở đầu -N của sợi protein làm tín hiệu dẫn đường. Sợi protein này hoặc nhờ tín hiệu dẫn trực tiếp đến màng ti thể trong hoặc ngoài để tích hợp vào màng lipit kép hoặc đi vào khoảng gian màng hoặc trong lòng ti thể; hoặc vẫn nhờ tín hiệu dẫn đường nhưng phải qua ổ thu nhận (receptor) đặc hiệu trên màng ti thể ngoài. Khi tín hiệu dẫn đường đã xong việc, nó sẽ tách khỏi protein bằng phản ứng thủy phân. Hình 5: Sự vận chuyển protein từ tế bào chất vào ti thể Khoảng gian màng: xen kẽ giữa hai màng, môi trường gian màng cũng tương tụ và cân bằng với bào tương (khoảng gian màng chứa cytochrom b2, cytochrom peroxydase, các enzym sử dụng ATP từ lòng ti thể đi ra để photphoryl hóa các nucleotid nhưng không phải adenin) Màng ti thể trong: màng ti thể trong trừ một số trường hợp nhỏ thành hình ống xòe kín lòng ti thể còn lại hầu hết các trường hợp màng trong gấp nếp xen vào trong lòng ti thể, các nếp gấp đó được gọi là các mào, do đó làm tăng diện tích tiếp xúc của màng trong lên khoảng 3 lần so với màng ngoài. Sự tăng số lượng mào thể hiện mức độ tiến hóa của ti thể và nó cũng tỉ lệ thuận với cường độ chuyển hóa năng lượng trong tế bào. Ví dụ: tế bào cơ tim hoạt động nhiều đòi hỏi phải tiêu phí nhiều ATP nên có số lượng mào lớn gấp 3 lần so với ti thể của tế bào gan là tế bào tiêu thụ năng lượng ít hơn. Hình 6: Cấu trúc hiển vi ti thể Màng trong có cấu tạo giống màng sinh chất nhưng tỉ lệ P/L (khoảng bằng 3) rất cao so với màng ngoài, tỉ lệ cholesterol thấp. Trên màng trong chứa một photpholipit gọi là cariolipid với khả năng chặn ion H+ lại. Protein màng trong có 3 nhóm + nhóm vận tải các chất đặc hiệu, chuyển hóa qua lại màng trong + Phức hợp enzym ATP synthetase để tổng hợp ATP + Nhóm thực hiện các phản ứng oxi hóa khử của chuỗi hô hấp Màng trong là màng thể hiện chức năng chính của ti thể của ti thể. Cơ chế chung của sự phosphoryl hoá oxy hoá ở ti thể của tất cả cơ thể sinh vật là các điện tử được giải phóng ra trong các giai đoạn oxy hoá của sự đường phân (glycolysis) và của chu trình tricarbocylic đã sản sinh 10 phân tử NADH và 2 phân tử FADH2 nếu cơ chất ban đầu là glucozo. Các coenzym khử này tiếp theo bị oxy hoá bằng chuỗi truyền điện tử trên màng ti thể. Hình 7: Chuỗi vận chuyển điện tử trong màng trong ti thể Năng lượng tự do được giải phóng trong quá trình truyền điện tử trên màng ti thể sẽ được đi kèm với sự di chuyển của các proton (H+) vượt qua lớp màng trong của ti thể tạo một gradient điện hoá proton (ΔH+). Năng lượng tự do được giải phóng bằng cách di chuyển các proton trở lại vào màng trong qua kênh proton F0 của phức hệ enzym ATP synthtaza được xúc tác tại thành phần F1 của phức hệ enzym để biến đổi ADP và Pi thành ATP chuyển vào chất nền của ti thể. Người ta cho rằng có bốn phức hệ vận chuyển điện tử. Phức hệ I là (NADH và ubiquinon) đi qua chặng FMN. Và phức hệ II là (succinate - ubiquinon reductase) đi qua chặng FAD. Phức hệ vận chuyển điện tử III là từ Ubiquinol đến Cytochrom C qua Cytochrom reductase chứa các trung tâm Cytochrom - b, các protein chứa sắt- lưu huỳnh (2Fe-2S) và cytochrom C1. Phức hệ IV là sự vận chuyển điện tử từ Cytochrom c- (dạng tích điện âm hay gọi là Cytochrom oxydase) đến O2 của không khí. Chất nền (matrix): là một vùng vật chất không định hình (amorphous)chứa nhiều cấu trúc đặc biệt và hàng trăm loại enzym tham gia tổng hợp ATP, tham gia vào phản ứng oxi hóa pyruvat và các axit béo, enzym của chu trình Krebs. DNA ti thể: Trong chất nền của ti thể có chứa nhiều các phân tử DNA. DNA ti thể được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1963 bởi Nass khi nghiên cứu cấu trúc phôi gà. DNA ti thể là sợi xoắn kép có cấu trúc vòng, dài khoảng 5µm, DNA ti thể của nấm men có thể đạt tới kích thước 26µm. Trong tế bào, DNA ti thể chiếm 1-5% DNA của tế bào. Ví dụ: trong tế bào gan người, số phân tử DNA ti thể là 5. Các DNA ti thể thường nằm trong chất nền, định khu cạnh các mào, DNA tự tái bản theo nguyên tắc bổ sung và nguyên tắc bán bảo toàn nhờ hệ enzym polimeraza có mặt trong ti thể, xảy ra ở gian kì của tế bào. DNA ti thể có dạng vòng, không kiên kết với protein histon- tương tự như DNA của vi khuẩn. DNA ti thể quy định tính di truyền tế bào chất - hay di truyền theo dòng mẹ. Những đột biến xảy ra trong DNA ti thể gây nhiều dạng bệnh tật nhất là đối với hệ thần kinh và hệ cơ. Tần số sai lệch trong DNA ti thể cũng tăng theo tuổi già. Bộ gen của ti thể có hai chức năng chủ yếu: + mã hóa một số protein tham gia vào chuỗi vận chuyển điện tử + Mã hóa cho hệ thống sinh tổng hợp protein gồm một số protein Trình tự nucleotide của phân tử DNA ti thể ở một số sinh vật đã được xác định. Kết quả này giúp chúng ta hiểu rõ hơn cấu trúc và trật tự sắp xếp các gen trên phân tử DNA của bào quan. Ở động vật có xương sống, DNA ti thể có kích thước nhỏ gồm các gen khôngcó intron và hầu như không có khoảng trống giữa các gen. Ví dụ, DNA ti thể của người gồm 16.659 bp tương ứng với 37 gen, trong đó 22 gen mã cho các phân tử RNAt, 13 gen mã cho các polypeptide liên quan đến phản ứng oxy hoá khử. Ở nấm men, DNA ti thể có kích thước lớn hơn so với động vật (78.000 bp) do một số gen có intron và khoảng cách giữa các gen khá lớn. DNA ti thể nấm men có ít nhất 33 gen, trong số này có 2 gen mã cho RNAr, 23 gen mã cho RNAt, 1 gen mã cho protein ribosome và 7 gen mã cho polypeptide tham gia phản ứng oxy hoá khử. Đặc biệt, DNA ti thể của thực vật có kích thước lớn nhất và cấu trúc phức tạp đa dạng nhất. Trình DNA ti thể của Marchantia polymorpha, thực vật nguyên thuỷ không có hệ mao dẫn, đã được xác định hoàn toàn. Đây là phân tử mạch vòng có kích thuớc 186 kb tương ứng với 94 khung đọc mở (ORFs). Trong số 94 ORFs này, thực nghiệm mới xác định được một số gen mà số lượng intron của một gen lên đến 32. Đối với thực vật có hệ mạch, DNA ti thể còn lớn hơn nhiều. Ví dụ, ở ngô hay dưa hấu, DNA ti thể tương ứng với 570 kb và 300 kb. Ở các loài thực vật bậc cao, các gen có thể phân bố ở vị trí khác nhau trên phân tử DNA ti thể mặc dù sản phẩm của gen có cùng một chức năng trong tế bào. RNA ti thể: người ta đã tìm thấy trogn ti thể có các dạng RNA như RNAr, RNAt, RNAm. Riboxom của ti thể có kích thước nhỏ vào khoảng 60S gồm hai tiểu phần 30S và 45S gần giống với riboxom vi khuẩn Sự tổng hợp protein ti thể: ti thể có khả năng tự tổng hợp một số protein cho mình. Sự tổng hợp protein cũng diễn ra trên riboxom theo cơ chế di truyền chung, nhưng axit amin khởi đầu của quá trình tổng hợp protein giống như ở vi khuẩn là N-focmyl methionin, chứ không phải methionin. Một lượng lớn protein của ti thể được tổng hợp từ lưới nội chất có hạt trong tế bào chất theo mã di truyền nằm trong NST, sau đó vận chuyển vào trong ti thể. Hình 8: Mối liên hệ di truyền giữa nhân, ti thể và lục lạp Ti thể cũng tương tự như vi khuẩn, quá trình sinh tổng hợp protein cũng bị ức chế bởi chloramphenicol. Trái lại, quá trình này ở ti thể lại không bị ức chế khi có mặt cycloheximind là chất gây ức chế mạnh quá trình sinh tổng hợp protein ở tế bào chất. 2.1.3 Chức năng của ti thể Ti thể là bào quan có chức năng quan trọng trong tế bào sinh vật. Ti thể là nhà máy sản sinh ATP: Ti thể có vai trò rất quan trong trong hô hấp hiếu khí hay hô hấp có sự có mặt của oxi , ti thể sẽ chuyển hóa năng lượng dạng thế năng có trong cấc liên kết hóa học của chất dinh dưỡng thành năng lượng chứa trong các phân tử ATP. Hình 9: Các giai đoạn chính của quá trình hô hấp tế bào Ti thể tham gia vào quá trình trao đổi chất: Ti thể tham gia vào quá trình trao đổi chất bằng cách phối hợp với các bào quan khác để tổng hợp các sản phẩm như: các hoocmon, các photpholipit, cholesterol, các axitamin. Ngoài ra, ti thể còn tham gia vào các quá trình điều hòa nồng độ ion canxi trong tế bào. Ti thể tham gia vào quá trình tự chết của tế bào: bằng cách giải phóng ra khỏi tế bào chất các nhân tố (ion Ca2+, cytochrom C) có tác dụng hoạt hóa các enzym caspatza, endonucletaza gây tự chết theo chương trình tế bào (apoptosis) Trong chất nền của ti thể có đủ các dạng RNA và riboxim nên ti thể có khả năng tự tổng hợp được một số protein riêng cho ti thể 2.1.4 Sự phát sinh ti thể Hình 10: Sự phân chia của ti thể Ti thể là bào quan có hệ di truyền tự lập và hệ tự tổng hợp chất. Trong ti thể có chứa các DNA và các dạng RNA (mRNA, tRNA, rRNA). Mỗi ti thể chứa khoảng 5 - 10 phân tử DNA trong chất nền. DNA của ti thể cũng có cấu trúc sợi xoắn kép theo mô hình Watson- Crick và giống DNA của vi khuẩn (DNA dạng trần không có histon và có cấu tạo vòng). DNA ti thể chứa hệ gen mã hoá cho khoảng 13 protein của riêng ti thể. DNA ti thể là cơ sở của nhân tố di truyền ngoài nhân (ngoài thể nhiễm sắc). Các dạng mRNA, tRNA, rRNA trong ti thể đều được phiên mã từ DNA ti thể và chúng là cơ sở để ti thể có thể tự tổng hợp lấy một số protein của mình (còn đa số các protein khác của ti thể đều được tế bào chất cung cấp). Vì ti thể có hệ di truyền độc lập nên ti thể có khả năng tự sinh sản bằng các phân đôi ti thể mẹ để sinh ra các ti thể con. Thời gian nửa sống của ti thể (thời gian đủ để đổi mới một nửa số lượng ti thể trong tế bào) là khoảng 10 ngày. Vì rằng DNA ti thể giống với DNA vi khuẩn và riboxom của ti thể giống riboxom của vi khuẩn về kích thước và thành phần rRNA cũng như có sự giống nhau về cơ chế tổng hợp protein giữa ti thể và vi khuẩn nên các nhà tế bào học cho rằng ti thể là kết quả của sự cộng sinh của dạng vi khuẩn hiếu khí trong tế bào trong quá trình tiến hoá sơ khai của tế bào Eucaryote. 2.2 Lục lạp Lục lạp là bào quan chỉ có ở tảo và thực vật, có vai trò quan trọng trong sự chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng ở dạng thế năng trong các hợp chất hữu cơ. Về hình dạng, kích thước và sự phân bố của lục lạp trong các tế bào khác nhau, ở loài cây khác nhau thì khác nhau, nhưng trong cùng một mô thì chúng tương đối ổn định. Ở lá của thực vật bậc cao tế bào chứa một lượng lớn lục lạp có dạng hình cầu, hình trứng hoặc hình đĩa. Tế bào tảo thường chỉ có một lục lạp lớn có dạng hình lưới, hình dải xoắn hoặc hình sao dẹp. Hình 11: Một số dạng lục lạp (A) ở tảo Spirogyra, (B) Zygnema, (C) Oedogonium Số lượng lục lạp trong tế bào của các mô khác nhau là khác nhau, nhưng trong một chừng mực nào đó số lượng lục lạp đặc trưng cho loài. Nếu như số lượng thiếu thì lục lạp sẽ phân chia để tăng thêm số lượng và nếu thừa thì một số lục lạp sẽ thoái hoá đi. Ở thực vật bậc cao tế bào lá thường chứa 20-40 lục lạp và rất ít gặp một loại tế bào có chứa một hoặc hai lục lạp. Tế bào giao tử Anthoceros và tế bào mô phân sinh Selaginella chỉ chứa có một lục lạp. Kích thước lục lạp ở các tế bào khác nhau, ở các loài khác nhau cũng thay đổi khá lớn. Ở thực vật bậc cao chúng thường có đường kính trung bình 2 –4 μm. Thường thì trong tế bào cùng loài, lục lạp có kích thước không đổi nhưng lại có sự sai khác về giới tính và di truyền. Ví dụ, trong các tế bào đa bội lục lạp có kích thước lớn hơn so với tế bào đơn bội cùng loài. Thường thì những cây mọc ở chỗ bóng dâm lục lạp lớn hơn và chứa nhiều chlorophyll hơn so với cây được ánh sáng chiếu thường xuyên. Lục lạp phân bố trong tế bào chất có khi rất đồng đều, nhưng thường tập trung ở phần gần nhân hoặc ngoại biên gần thành tế bào. Đặc tính phân bố của lục lạp trong tế bào thường phụ thuộc vào điều kiện ngoại cảnh, ví dụ cường độ chiếu sáng. Người ta tính ra rằng ở lá cây Ricinus communis cứ trên mỗi 1 mm2 có khoảng 400.000 lục lạp. Trong tế bào, lục lạp có thể chuyển chỗ hoặc thay đổi hình dạng do ảnh hưởng của dòng chảy tế bào chất hoặc có thể tích cực chuyển vận theo amip hoặc theo kiểu co rút tuỳ thuộc và cường độ chiếu sáng. 2.2.1Thành phần hóa học Ngày nay, nhờ các phương pháp nghiên cứu sinh lí sinh hóa người ta đã biết rõ thành phần hóa học của lục lạp, bảng chỉ rõ thành phần hóa học của lục lạp ở thực vật bậc cao Bảng 2: Thành phần hóa học của lục lạp Chất Hàm lượng % khối lượng chất khô Các chất cầu thành Protein 35-55 Khoảng 80% không hòa tan Lipit 20-30 Mỡ 50%, cholin 46%, sterin 20%, inozitol 22%, sáp 16%, glixerin 22%, photphatit 2-7%, etanolamin 8% Gluxit Thay đổi Tinh bột, đường có photphat có chứa 3-7 nguyên tử C Chlorophyll 9 Chlorophyll a 75% Chlorophyll b 25% Carotinoit 4,5 Xantophyll 75%, carotin 25% RNA 2-4 DNA 0,2-0,5 Trong lục lạp có đến 80% là loại protein không hoà tan có liên kết với lipit ở dạng lipoproteit. Như vậy, đa số protein thuộc protein cấu trúc, nhưng một số lớn protein là các enzym; các enzym chứa trong lục lạp có thể ở dạng hoà tan hoặc định khu trong cấu trúc của màng lục lạp. Thuộc lipit có các mỡ trung tính, các steroit và photpholipit. Một trong những thành phần sinh hoá quan trong của lục lạp là chlorophyll. Phân tử chlorophyll có cấu trúc không đối xứng gồm một “đầu” ưa nước được hình thành từ 4 vòng piron xếp xung quanh nguyên tử magiê (Mg) và 1 “đuôi” dài là mạch kỵ nước (gọi là mạch fiton). Chlorophyll cũng giống sắc tố ở động vật, ví dụ hemoglobin và cytochrom, đều là những pocfirin, chỉ khác là trong phân tử của chúng nguyên tử Fe được thay bằng Mg. Ngoài chlorophyll ra, còn có các carotinoit là những sắc tố có màu khác nhưng thường bị màu lục của chlorophyll che lấp và chỉ về mùa thu ta mới thấy vì khi đó hàm lượng của chlorophyll bị giảm đi. Thuộc carotinoit có carotin và xantofin. Carotin có đặc tính ở chỗ mạch hydrocacbua chưa no, ngắn, do đó chúng có tính chất hoàn toàn kỵ nước, còn xantofin thì trái lại có chứa vài nhóm ưa nước. Hình 12: Phân tử diệp lục a, b. Hình 13: Sự hấp thụ ánh sáng của các phân tử sắc tố quang hợp Trong lục lạp còn chứa axit nucleic với hàm lượng RNA chiếm khoảng 2-4% chất khô, AND chiếm 0,2 - 0,5% khối lượng chất khô. DNA lục lạp có liên hệ với hệ thống di truyền nhiễm sắc thể trong nhân và sự tổng hợp protein của lục lạp Hơn nữa, trong lục lạp còn chứa các chất truyền năng lượng và hệ enzym, các chất khử..., như: NADP, cytocrom, plastokinon, plastoxianin, ferredoxin, reductaza, ATP synthetaza, các enzym của chu trình calvin. 2.2.2 Cấu trúc hiển vi của lục lạp Lục lạp có cấu trúc màng lipoprotein gồm có màng ngoài và màng trong, 2 màng được phân cách bởi khe gian màng. Màng ngoài có tính thấm cao, màng trong có tính thấm kém hơn và mang các protein vận chuyển. Giữa hai màng có 1 khoảng không gian hẹp có pH=7. Khác với ti thể ở chỗ màng trong của lục lạp là trơn không có mào. Màng giới hạn phần dịch bên trong gọi là chất nền (stroma). Trong chất nền có chứa nhiều hạt hình cầu có kích thước 15-20nm là các ribosome lục lạp và các hạt tính bột có kích thước khác nhau. Nhưng cấu trúc quan trọng nhất của lục lạp là hệ thống cột hình mạng lưới nằm trong chất nền được gọi là các chồng grana. Hệ thống này gồm các cột (grana) được nối với nhau bởi các tấm gian cột (intergrana lamella). Số lượng các cột thay đổi từ vài cột cho đến 50 cột tùy loại lục lạp, đường kính cột khoảng 0,6µm. Cột bao gồm hệ thống các túi dẹt, xếp chồng lên nhau tạo nên cột có cấu trúc hình tấm (grana lamella) hay thylacoid Hình 14: Vị trí, hình thái, cấu trúc của lục lạp trong mô lá Thylacoid là một túi dẹt, có cấu trúc giống màng sinh chất dày khoảng 7nm, đường kính khoảng 0,6µm, dày khoảng 20nm. Hình 15: Cấu trúc hiển vi của lục lạp Màng tylacoid có cấu trúc đặc biệt để thực hiện chức năng quang hợp: chứa các các cấu trúc hạt hình nấm, kích thước khoảng 10-20nm tương tự như ở màng trong của ti thể, phức hệ ATP synthetaza. Trên màng thylacoid còn chứa các phân tử chlorophyll a, b được sắp xếp theo trật tự nhất định và các carotinoit. Hình 16: Quang hệ II và quang hệ I Đặc điểm tổ chức quan trọng của các thylakiod là các hệ thống quang hợp I (PSI) và hệ quang hợp II (PSII). Các hệ thống quang hợp này không phân bố ngẫu nhiên xuyên qua hệ thống màng PSI nằm ở các màng không xếp chồng và ở các màng bộc lộ nhô ra chất nền, trong khi PSII được tìm thấy chỉ ở lớp màng xếp chồng lên nhau (granal membranes). Hình 17: Trung tâm phản ứng Trên màng thylacoid, các phân tử chloropyll liên kết với protein đặc trưng trong màng, còn đuôi kị nước thì liên kết với photpholipit. Các phân tử này tập chung thành một phức hệ anten thu bắt các photon ánh sáng. Mỗi phức hệ anten hoạt động như một “cái phễu” có chức năng tập trung năng lượng ánh sáng vào hai phân tử diệp lục đặc trưng của hệ được gọi là trung tâm phản ứng (đối với quang hệ I là chlorolyll a P700, đối với quang hệ II là chlorophyll a P680). Qua nghiên cứu cho thấy, ở tất cả thực vật, mỗi trung tâm phản ứng có xấp xỉ 250 phân tử chlorophyl. Sự truyền năng lượng kích động từ phân tử chlorophyl này tới chlorophuyl khác theo cơ chế truyền năng lượng forster hoặc sự cộng hưởng và tái hấp thu các quang tử (photon). Màng thilakoid của thực vật và tảo xanh lục có chứa hai loại phân tử chlorophyl-a (chl-a) và chlorophyyl-b (chl-b) khác nhau. Chl-a được tìm thấy ở tất cả phức hệ trung tâm phản ứng quang hợp cũng như ở cả các phức hệ anten, trong khi chl-b chỉ thấy có ở phức hệ anten. Trong màng thylacoid còn chứa các sắc tố và enzim của dãy vận chuyển điện tử (plastokinon, các cytocrom, feredoxin...) và tổng hợp ATP (ATP synthetaza) của phức hệ quang hợp I và II, các enzim chịu trách nhiệm tổng hợp gluco thì định khu trong chất nền lục lạp. Người ta đã xác định được khoảng 15 loại protein khác nhau liên kết với chlorophyl, trong đó một số liên kết với quang hệ PSI, một số khác liên kết với PSII. Tất cả các protein, này được mã hoá ở nhân tế bào, được tổng hợp và vận chuyển đến lục lạp, trước khi liên kết với chất diệp lục chlorophyl và kết hợp với quang hệ. Cùng với sắc tố chlorophyl, người ta cũng tìm thấy sắc tố carotenoid ở bộ máy anten. Nói chung tỷ lệ carotenoid/ chlorophyl tổng số gần đạt tới 0,5 điển hình ở phức hệ anten và phổ biến ở thực vật. Chlorophyl có mày xanh, vì nó hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 430nm (ánh sáng xanh) và 680nm (bước sóng ánh sáng đỏ) của phổ ánh sáng thấy được. Trong khi đó carotenoid cũng có khả năng hấp thụ ánh sáng ở 450nm-500nm và truyền năng lượng này cho các phân tử chlorophyl. Hình 18: sự phân bố của diệp lục a, b trong màng thylacoid Hình 19: Mô hình cấu trúc ATP synthetaza trên thylacoid Các phức hệ protein của màng thilakoid được thể hiện không giống nhau về chiều ngang trong cách sắp xếp cài vào màng. Chẳng hạn ATP synthase định khu hầu như trên màng bộc lộ về phía chất nền stroma. Giống như protein quang hệ I, trong khi protein quang hệ II cài vào màng thilakoid ở hệ màng xếp chồng nhau (grana). Ở PSII thể lõi bên trong có các protein liên kết với chlophyl-a, được gọi là CP43, CP47, liên kết chặt chẽ với phức hệ trung tâm phản ứng D1/D2. Một số protein liên kết với chl-a và chl-b ở vùng bao quanh lõi là LHCII. ở PSI, phức hệ lõi chứa khoảng 90 phân tử chl-a liên kết với các protein phức hệ LHCI. Bản thân các phức hệ LHCI nằm bao quanh lõi PSC cũng liên kết với cả hai dạng chl-a và chl-b. Các protein LHC có cấu trúc trimer đều tìm thấy ở các PSI và PSII 2.2.3 DNA lục lạp Thực vật có ba loại lục lạp khác nhau tuỳ thuộc vào hợp chất mà chúng có như tinh bột, các sắc tố hoặc các chất béo. Cả ba loại này đều có chứa phân tử DNA (DNAcp) với kích thước thay đổi từ 85 đến 292 kb ở tảo và 120 đến 160 kb ở thực vật bậc cao. Đặc biệt ở một số thực vật như tảo xanh Acetabularia, DNAcp lớn đến 2000 kb. Phân tử DNAcp của một số thực vật đã được xác định trình tự nucleotide. Lục lạp thuốc lá Nicotiana tobacum có DNAcp gồm 155.844 bp tương ứng với khoảng 150 gen. Số lượng phân tử DNAcp trong mỗi tế bào phụ thuộc vào số lục lạp trong một tế bào và số DNAcp trong mỗi lục lạp. Ví dụ, tế bào tảo đơn bào Chlamydomonas reinhardtii chỉ có một lục lạp chứa khoảng 100 phân tử DNAcp. Số gen phân bố trên DNAcp bao gồm gen mã cho RNAr, RNAt, protein ribosome và một số polypeptide tham gia phản ứng quang hợp, hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời. 2.2.4 Chức năng của lục lạp Lục lạp là bào quan thực hiện chức năng quang hợp trong tế bào thực vật. Ánh sáng mặt trời ở dạng các quang tử (photon) được hấp thụ bởi các sắc tố quang hợp, các điện tử được giải phóng, chuyền qua chuỗi vận chuyển điện tử qua đó ATP được tổng hợp. Lục lạp đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống thực vật vì lục lạp chính là nơi thực hiện quá trình quang hợp. Quang hợp là một trong những chức năng sinh học quan trọng bậc nhất của thực vật. Hình 20: Vai trò của lục lạp Hình 21: Sơ đồ quang hợp Nhờ chlorophyll chứa trong lục lạp mà cây xanh có thể hấp thụ được năng lượng ánh sáng mặt trời ở dạng foton và biến chúng thành năng lượng hoá học trong phân tử ATP và được dùng để tổng hợp các chất hữu cơ khác nhau. Nếu như ti thể bằng phương thức oxy photphorin hoá, sử dụng và chuyển hoá năng lượng có trong các phần tử thức ăn, thì quang hợp là quá trình ngược lại, hấp thụ và chuyển hoá năng lượng ánh sáng mặt trời tích vào phân tử thức ăn, vì vậy về phương diện cấu trúc và chức năng thì lục lạp và ti thể về nguyên tắc chung chúng rất giống nhau. Hình 22: Mối liên hệ giữa ti thể và lục lạp về năng lượng Quá trình quang hợp thực hiện trong lục lạp có mấy giai đoạn sau: Hấp thụ năng lượng ánh sáng foton (nhờ dàn anten chlorophyll) và chuyển chúng qua dãy chuyền điện tử và cuối cùng vào ADP và ADP biến thành ATP (nhờ phức hệ ATP – synthetaza) (quang photphorin hoá, RNAon 1955). Quang phân nước: H2O –> 2H+ + O2- trong đó proton hydro được chuyển sang hệ thống NADPH (Tegawa 1963) và giải phóng oxy (O2). Quá trình này được gọi là phản ứng Hill. Liên kết CO2 của không khí với đường có mạch 5 cácbon (ribulozo – 1,5 diphotphat) hình thành hợp chất 6 cacbon và phân giải chúng thành 2 phân tử axit 3–photphoglixeric (Calvin 1962). Liên kết hydro với axit photphoglixeric qua NADPH và khử axit này thành aldehyt photphoglixeric; các đường trio này sẽ được trùng hợp để tạo thành các đường hexo (đồng hoá CO2) và tái sinh ribulo (chu trình Calvin). Phản ứng tổng kết của quang hợp là: CO2 + H2O à C6H12O6 Giai đoạn 1 và 2 được gọi là giai đoạn sáng và được thực hiện trong cấu trúc màng tilacoid của lục lạp nhờ hệ thống quang hợp I và II. Còn giai đoạn 3 và 4 được gọi là giai đoạn tối và được thực hiện trong chất nền của lục lạp và không cần đến ánh sáng và nhờ năng lượng từ ATP và NADPH do phản ứng sáng cung cấp. Theo thuyết hoá thẩm thấu (chemiosmotic) thì điện tử được truyền đi tạo nên dòng vận chuyển ion H+ qua màng tilacoid nhờ đó tạo nên sự khác biệt về pH và điện thế hoạt động đã xúc tiến quá trình tổng hợp ATP. 2.2.5 Sự hình thành lục lạp trong tế bào Qua các thế hệ tế bào tính liên tục của lục lạp là do lục lạp có khả năng tự sinh sản bằng cách phân chia và người ta cũng đã chứng minh rằng lục lạp được hình thành chỉ bằng cách phân chia từ lục lạp có trước. Khả năng tự phân chia của lục lạp là do lục lạp có hệ thống di truyền tự lập riêng (có DNA) và hệ tổng hợp protein tự lập (có chứa riboxom các loại RNA). Riboxom của lục lạp giống riboxom của Procaryote DNA của lục lạp cúng có cấu tạo giống DNA của Procaryote (vi khuẩn lam) có cấu trúc vòng, không chứa histon có chiều dài tối đa 150μm với hàm lượng 10-15 - 10-16g. DNA của lục lạp chứa thông tin mã hoá cho một số protein mà lục lạp tự tổng hợp trên riboxom của mình. Còn các protein khác do tế bào cung cấp. DNA lục lạp - là nhân tố di truyền ngoài nhiễm sắc thể. Người ta cho rằng trong quá trình tiến hoá chủng loại, lục lạp được hình thành là kết quả của sự cộng sinh của một số loài vi khuẩn lam trong tế bào. 3.Giả thuyết về sự hình thành ti thể và lục lạp trong tế bào nhân chuẩn Trước đây, có giả thuyết cho rằng, trong quá trình tiến hóa của tế bào thì ti thể có nguồn gốc từ sự phân hóa của màng sinh chất ăn sâu vào tế bào chất, vế sau ăn sâu và phức tạp hóa hệ thống mào và trở thành một bào quan độc lập. Bằng chứng chứng minh giả thuyết là nhiều loại vi khuẩn có cấu trúc mezoxom là một thành phần của màng sinh chất gấp nếp, ăn sâu vào tế bào chất, có chứa các enzim và các yếu tố tham gia vào quá trình hô hấp hiếu khí - được coi là hình ảnh của ti thể nguyên thủy. Hiện nay, người ta công nhận giả thuyết cộng sinh về nguồn gốc và chủng loại ti thể. Sự xuất hiện ti thể trong tế bào nhân thực là kết quả của quá trình cộng sinh của dạng vi khuẩn hiếu khí với tế bào. Dẫn chứng được đưa ra ở đây là ti thể có chứa DNA giống với DNA của vi khuẩn, riboxom của ti thể có kích thước và rRNA giống với của vi khuẩn, cơ chế tổng hợp protein trong ti thể có nhiều đặc điểm giống với vi khuẩn. Tương tự như ở ti thể, khi theo dõi quá trình phát sinh chủng loại người ta quan sát thấy sự phức tạp hóa dần dần trong cấu trúc lục lạp. Ở vi khuẩn, cấu trúc dùng để hấp thụ và chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời là màng sinh chất có chứa sắc tố quang hợp. Ở vi khuẩn lam, hệ thống màng có chức năng quang hợp là màng thylacoid đã được tách khỏi màng bởi một lớp tế bào chất, trong màng này có chứa chlorophyll. Đến tảo lục, tuy đã phân hóa nhưng vẫm có cấu trúc đơn giản, nghĩa là chưa có hệ thống grana. Bắt đầu từ rêu và dương xỉ đã có dạng điển hình của lục lạp thực vật bậc cao. Hiện nay, người ta công nhận giả thuyết cộng sinh về nguồn gốc và chủng loại ti thể, lục lạp. Sự xuất hiện ti thể, lục lạp trong tế bào nhân thực là kết quả của quá trình cộng sinh của dạng vi khuẩn hiếu khí hoặc vi khuẩn quang hợp với tế bào. Dẫn chứng được đưa ra ở đây là ti thể có chứa DNA giống với DNA của vi khuẩn, riboxom của ti thể có kích thước và rRNA giống với của vi khuẩn, đồng thời cơ chế tổng hợp protein trong ti thể, lục lạp có nhiều đặc điểm giống với vi khuẩn. Hình 23: Con đường tiến hóa hình thành ti thể, lục lạp trong có thể nhân chuẩn Hình 24: Mối liên hệ tiến hóa của các nhóm sinh vật trong việc hình thành ti thể và lục lạp III. Di truyền của các gen trong ti thể và lục lạp Trong tế bào chất cũng có những gen được gọi là gen ngoài nhân hay gen ngoài NST hay gen tế bào chất. Bản chất của các gen này cũng là DNA, có mặt trong ti thể và lục lạp. Lượng DNA trong ti thể và lục lạp ít hơn nhiều sơ với lượng DNA trong NST. Chúng đều là các phân tử xoắn kép, trần, mạch vòng, tương tự DNA của vi khuẩn. Ở nhiều loài thực vật, DNA lục lạp có hàm lượng GC khác biệt với DNA trong nhân và DNA ti thể, DNA lục lạp lớn hơn DNA ti thể động vật từ 8 đến 9 lần. Số lượng gen trên DNA lục lạp chưa được xác định nhiều, những gen được xác định liên quan trực tiếp với kiểu hình của lục lạp. Các gen trong ti thể và lục lạp cũng có khả năng bị đột biến: DNA của lục lạp bị đột biến làm mất khả năng sinh diệp lục tạo ra cây bạch tạng ở dạng thể khảm. Năm 1909, C. Correns một trong ba tác giả tái phát hiện các quy luật Mendel, đã phát hiện ra hiện tượng di truyền không tuân theo quy luật Mendel được gọi là di truyền ngoài nhân hay di truyền qua tế bào chất. Khi ông đem lai hai loài hoa loa kèn xanh (có mầm màu xanh) với hoa loa kèn vàng (có mầm màu vàng) ông thấy: P ♀ Loa kèn xanh x ♂Loa kèn vàng ↓ F1 Tất cả loa kèn xanh P ♀ Loa kèn vàng x ♂ Loa kèn xanh ↓ F1 Tất cả loa kèn vàng Như vậy, đặc tính di truyền là tuỳ thuộc vào cây cái, nếu cây loa kèn cái có màu xanh sẽ cho cây lai loa kèn xanh, nếu cây loa kèn cái có màu vàng sẽ cho cây lai loa kèn vàng. Điều đó chỉ có thể do noãn của cây cái quyết định, noãn và hạt phấn (cây đực) đều chứa bộ thể nhiễm sắc như nhau, nhưng khác nhau ở chỗ noãn chứa nhiều tế bào chất còn hạt phấn thì hầu như không có tế bào chất. Đối với các cơ thể sinh sản hữu tính dị giao tử - giao tử đực khác giao tử cái ở chỗ giao tử cái chứa rất nhiều tế bào chất và trong tế bào chất chứa các bào quan như: ty thể, lục lạp là các bào quan có chứa ADN (xem phần trên). ADN bào quan không chỉ khác biệt với ADN (thể nhiễm sắc) chứa trong nhân ở chỗ là ADN trần dạng vòng mà còn ở chỗ chúng không tạo thành cặp tương đồng và như vậy gen không có alen, do đó sự di truyền của chúng không tuân theo quy luật phân ly của Mendel. Đối với động vật khi ta dùng lừa cái lai với ngựa đực ta được con lai là con bacđô, còn dùng lừa đực lai với ngựa cái ta được con lai là con la. Hai con vật lai này rất khác nhau về nhiều tính trạng. Đối với cơ thể dị giao tử di truyền tế bào chất còn được gọi là di truyền theo mẹ. Di truyền tế bào chất được áp dụng rộng rãi trong công tác chọn giống cây trồng, vật nuôi, cũng như trong pháp y và công nghệ di truyền. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. PGS.TS Nguyễn Như Hiền, Giáo trình sinh học tế bào, Nxb giáo dục 2. Phạm Thành Hổ, Di truyền học, Nxb giáo dục 3. Đỗ Thị Ngọc Liên, giáo trình sinh học màng tế bào, Nxb ĐHQG 4. Nguyễn Thành Đạt, vi sinh vật học,Nxb ĐHSP 4. www.prism.gatech.edu/%7Egh19/b1510/glycolys.htm 5. micro.magnet.fsu.edu/