Chuyên đề Tế bào học (20 tiết) Tác giả biên soạn: PGS.TS Nguyễn Xuân Viết Khoa Sinh – Kĩ thuật nông nghiệp, Trường ĐHSP Hà Nội Mục tiêu Chuyên đề bồi dưỡng thường xuyên cho giáo viên THPT giảng dạy Sinh học 10, phần Tế bào học, nhằm cung cấp cho người học kiến thức có nâng cao cách có hệ thống cấu trúc, chức cấu thành tế bào Eucaryota Procaryota, chuyển hoá vật chất lượng sinh sản tế bào Đồng thời bồi dưỡng thêm kĩ phương pháp tiến hành thí nghiệm thơng qua số thực hành có liên quan trực tiếp đến chương trình Sinh học 10 THPT Nội dung Chuyên đề biên soạn thành chương, từ khái quát hình thái đại cương tế bào đến cấu trúc chi tiết trình trao đổi chất lượng, sinh sản tế bào Trong chương, kiến thức trình bày ngắn gọn bản, đặc biệt trọng kiến thức nâng cao mức sinh học phân tử tế bào để người học tiếp cận chất tính thống cấu trúc chức tế bào Cuối chương có thêm số câu hỏi gợi ý để tự luận Phần thực hành gồm năm bao phủ toàn nội dung thực hành chương trình Sinh học 10 THPT số lượng thí nghiệm nhiều đối tượng khác nhau, nhằm giúp giáo viên sau dễ dàng chọn đối tượng thí nghiệm cho phù hợp với điều kiện địa phương Phương pháp giảng dạy Tế bào học cung cấp kiến thức sở để người học qua tiếp thu kiến thức Sinh học Công nghệ sinh học Tế bào đơn vị cấu trúc đơn vị chức năng, việc giảng dạy cần sử dụng hệ thống kênh tranh ảnh, băng đĩa,… kết hợp xây dựng sơ đồ tổng quát, bảng so sánh, hệ thống câu hỏi tự luận, trắc nghiệm… Đồng thời sử dụng kiến thức đ• nâng cao giáo trình khác để giải thích q trình sinh học xảy tế bào, tính hợp lí cấu trúc chức tế bào Kiểm tra, đánh giá Kiểm tra, đánh giá kết sau học xong chuyên đề hình thức kiểm tra tự luận thời gian 60 phút 73 chương Đại cương cấu trúc chức tế bào Các dạng sống thể sống có cấu trúc tế bào Tế bào đơn vị tổ chức sống Tất thể sống hình dạng kích thước nào, cấu tạo từ tế bào Thuyết tổ chức tế bào đại nêu lên rằng: – Tất thể sống cấu trúc từ tế bào – Tế bào chứa đựng vật chất di truyền thể truyền từ tế bào bố mẹ sang tế bào Tất q trình chuyển hố xảy tế bào – Tất tế bào có nguồn gốc từ tế bào khác Hình thái đại cương tế bào 2.1 Thành phần hoá học tế bào 2.1.1 Thành phần nguyên tố tế bào Tất nguyên tố tham gia vào cấu trúc nên chất sống phát giới tự nhiên vô Bốn nguyên tố C, H, O N nguyên tố cấu tạo nên chất sống Cacbon có cấu trúc nguyên tử gồm electron lớp cùng, chúng vừa có xu cho xu 74 nhận electron Do đó, nguyên tử cacbon liên kết với nguyên tố khác với nguyên tử cacbon khác tạo vô số hợp chất chứa cacbon Thành phần chất cấu trúc tế bào có khác sinh vật (bảng 1.1) Bảng 1.1 Tỉ lệ phần trăm thành phần hoá học tế bào vi khuẩn (Procaryote) tế bào động vật có vú (Eucaryote) Thành phần hố học % so với trọng lượng toàn tế bào Vi khuẩn (E coli) Tế bào động vật có vú H2O Các ion vô (Na+, K+, Mg+, Na+, Cl–, …) Prôtêin ARN ADN Photpholipit Các lipit khác Các polisaccarit 70 15 – 70 18 1,1 0,25 2 2.1.2 Nước vai trò nước việc trì phát triển sống Cấu trúc vỏ electron nguyên tử oxi, hiđro tính chất phân cực phân tử nước: Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc vỏ điện tử nguyên tố cấu thành phân tử nước Ôxi hiđro liên kết đôi electron dùng chung – dạng liên kết cộng hoá trị bền vững Oxi hút electron phía mạnh nên phía đầu oxi mang điện tích âm, cịn 75 đầu phía hiđro mang điện tích dương đ• làm cho phân tử nước có tính phân cực Tính phân cực phân tử nước làm cho dễ dàng hình thành liên kết hiđro phân tử nước với phân tử nước với phân tử chất khác Do đó, nước dung mơi hồ tan chất, có ý nghĩa chuyển hoá dẫn truyền xung động; nước có nhiệt dung lớn, nhiệt bay cao, có ý nghĩa điều hoà nhiệt thể; nước có sức căng bề mặt lớn, tạo lực mao dẫn, có ý nghĩa vận chuyển thể thể 2.1.3 Axit nuclêic vai trò thông tin di truyền Axit nuclêic bao gồm ADN ARN Các chất sống có cấu trúc theo nguyên tắc đa phân mà đơn phân nuclêôtit Các nuclêôtit liên kết tạo chuỗi polinuclêôtit Các chuỗi polinuclêôtit khác số lượng, thành phần trật tự xếp nuclêơtit đ• tạo vơ số phân tử ADN khác nhau, sở để giải thích tính đa dạng phong phú giới sống ADN (hoặc ARN số virut HIV) vật chất mang thơng tin di truyền, có vai trị lưu giữ truyền đạt thơng tin di truyền cho hệ sau Các ARN khác bao gồm: ARN thông tin làm nhiệm vụ truyền thông tin từ ADN nhân tới ribôxôm tế bào chất; ARN ribôxôm với prôtêin cấu trúc tạo nên ribôxôm; ARN vận chuyển có chức vận chuyển axit amin tới ribơxơm, thực q trình dịch m• thơng tin di truyền 2.1.4 Prơtêin – cấu trúc chức Phân tử prơtêin có cấu trúc theo nguyên tắc đa phân mà đơn phân axit amin Công thức tổng quát axit amin: – Các axit amin liên kết liên kết peptit tạo nên chuỗi polipeptit: Các đơn phân khác chủ yếu nhóm R Các chuỗi polipeptit khác số lượng, thành phần trật tự xếp đơn phân chuỗi Chuỗi polipeptit thường dạng xoắn gấp nếp gọi cấu trúc bậc hai Cấu trúc bậc hai tiếp tục xoắn tạo nên cấu trúc không gian ba chiều gọi cấu trúc bậc ba Cấu trúc bậc có protêin có cấu trúc 76 nhiều mạch polipeptit Các prơtêin có chức sống khác (bảng 1.2) Bảng 1.2 Chức prôtêin Loại prôtêin Chức Ví dụ Prơtêin cấu trúc Prơtêin enzim Prơtêin hoocmơn Prôtêin dự trữ Prôtêin vận chuyển Prôtêin thụ thể Prôtêin co d•n Prơtêin bảo vệ Cấu trúc tế bào thể Xúc tác phản ứng Điều hoà trao đổi chất Dự trữ axit amin Vận chuyển chất Nhận trả lời tín hiệu Vận động (co cơ) Bảo vệ thể chống bệnh tật Kêratin cấu trúc nên lông, Colagen tạo nên mô liên kết, Lipaza thủy phân lipit, Insulin điều hoà glucozơ máu Prôtêin sữa, hạt, Hemôglobin vận chuyển O2, prôtêin mang màng vận chuyển chất qua màng, Prôtêin thụ thể màng Actin miozin Kháng thể, interferon chống lại vi khuẩn virut xâm nhập thể 2.1.5 Lipit hợp chất hữu vô khác a) Lipit (lipit đơn giản: dầu, mỡ, sáp lipit phức tạp: phôtpholipit sterôit) – Phôtpholipit côlestêrôn (cholesterol) lipit quan trọng cấu trúc nên màng sinh học 77 – Các lipit có vai trị dự trữ lượng tế bào; thành cấu trúc nhiều loại hoocmôn testơstêrơn, estrơgen có chất sterơit; sắc tố (diệp lục, ); loại vitamin A, D, E, K, b) Gluxit Đường đơn (monosaccarit): Các đường đơn thường gặp glucozơ, fructozơ, galactozơ, có cơng thức phân tử C6H12O6, có cơng thức cấu tạo khác nhau, nên có đặc tính khác Đường đôi (đisaccarit): Saccarozơ (cấu tạo từ glucozơ ?–1,2–frucozơ) nhờ liên kết glicôzit bền vững; mantozơ (Glucozơ ? 1,4– glucozơ); lactozơ (Galactozơ ?–1,4–galactozơ); Đường đa (polisaccarit): Cấu trúc mạch thẳng xenlulozơ cấu trúc mạch phân nhánh tinh bột, glicơgen Tinh bột dạng hiđratcacbon dự trữ thực vật, có cấu trúc chuỗi ?–glucozơ liên kết liên kết 1,4–glycôzit, không phân nhánh (amylozơ) chuỗi ?–glucozơ liên kết liên kết 1,4 1,6–glycôzit (amylôpectin) Glicơgen hiđratcacbon dự trữ động vật Phân tử glicôgen cấu trúc chuỗi ?–glucozơ liên kết ?–1,4–glicôzit đoạn mạch thẳng, liên kết ?–1,6–glycôzit nơi phân nhánh) Cần nhớ rằng, xenlulozơ có cấu trúc mạch thẳng gồm đơn phân ?– glucozơ liên kết liên kết 1–4–glicôzit đơn phân cấu tạo nên tinh bột Nhưng khác với tinh bột, cấu trúc phân tử xenlulozơ liên kết hiđro hình thành nhóm OH chuỗi song song liền kề, nhờ mà phân tử xenlulozơ có tính ổn định mặt cấu trúc Đường đơn đường đôi giống tính hồ tan nước đường đơn có tính khử mạnh cịn đường đơi khơng Đường đơn cung cấp lượng, cấu trúc nên đường đa; đường đa có vai trị dự trữ lượng, tham gia cấu trúc tế bào (xenlulozơ), kết hợp prôtêin tạo glicôprôtêin c) Muối vô cơ: Thành phần cấu tạo nên xương (Ca2+), thành phần nhiều phân tử hữu ADN, ARN, ATP (H2P ), ion giữ vai trị quan trọng cân điện tích dịch lỏng (Na+, K+, Cl–, ) d) Nguyên tố vi lượng: Tuy tế bào cần với số lượng nhỏ khơng thể thiếu vai trò quan trọng chúng, 78 Mg2+, Mn2+, Cu2+ cofactor nhiều enzim; Fe2+, Fe3+ cấu trúc phân tử hemơglơbin, cytơcrơm 2.1.6 Các dạng liên kết hố học vai trò chúng thể – Liên kết cộng hố trị (ví dụ oxi hiđro phân tử nước) liên kết bền vững – Liên kết ion hay liên kết tĩnh điện (liên kết Na+ Cl– ? NaCl; liên kết ADN histon; ) – Liên kết hiđro: liên kết yếu, có ý nghĩa quan trọng trì ổn định cấu hình khơng gian ba chiều đại phân tử Các phân tử khơng hồ tan nước (kị nước) gần xuất tương tác kị nước Trong trường hợp đó, vùng khơng phân cực phân tử liên kết với thay với phân tử nước gọi liên kết kị nước Ví dụ lớp kép lipit cấu trúc màng sinh học – Hai loại liên kết yếu khác lực hút Vande Van liên kết kị nước có vai trị đặc biệt quan trọng cấu trúc phân tử prơtêin, góp phần giữ vững cấu trúc đặc thù prơtêin, làm tăng tính ổn định phân tử Trong phân tử prơtêin, electron thường xuyên chuyển động vào thời điểm vùng tập trung nhiều electron tích điện âm cịn vùng khác thiếu electron nên mang điện tích dương Những vùng ngẫu nhiên tích nhiều điện tích dương vùng tích nhiều điện tích âm ln hình thành liên tục thay đổi mà không cố định Khi vùng mang điện tích trái dấu gần hút Lực hút gọi liên kết Vande Van, có liên kết hố học yếu (2 – 5kcal/mol, bảng 1.3) đ• khơng đủ lượng để tạo mạng lưới cứng nhắc bên tế bào, nhờ mà bên tế bào khơng bị đặc lại, đảm bảo tính mềm dẻo hệ thống sống Bảng 1.3 Năng lượng cần thiết để bẻ gẫy liên kết hoá trị khơng hố trị Loại liên kết Độ dài (nm) Năng lượng cần để bẻ gẫy liên kết (kcal/mol) Trong chân khơng Trong nước Hố trị 79 Liên kết ion Liên kết hiđro Liên kết Vande Van 0,25 0,30 0,20 90 80 90 1 0,15 2.2 Hình dạng kích thước tế bào Hình dạng tế bào: Tế bào thường có hình dạng cố định đặc trưng cho loại tế bào Một số loại tế bào ln có thay đổi hình dạng: amip, bạch cầu, tế bào tiết,… Hình dạng tế bào chủ yếu đặc tính thích nghi chức năng, phần sức căng bề mặt, độ nhớt nguyên sinh chất, tác động học tế bào bên cạnh xác định Kích thước tế bào: Kích thước tế bào thường khoảng – 30? m Đa số tế bào vi khuẩn có kích thước từ – 3?m Thể tích tế bào thay đổi tuỳ lồi sinh vật: tế bào vi khuẩn tích khoảng 2,5 ~ 3?m3, tế bào thể người tích 200–15.000?m3 Thường thể tích loại tế bào cố định phụ thuộc vào thể tích chung thể Sự sai khác kích thước quan số lượng tế bào thể tích tế bào quy định 2.3 Số lượng tế bào Cơ thể đa bào nói chung có số lượng tế bào lớn Cơ thể người có khoảng 6.1014 tế bào với 200 loại tế bào khác Phần vỏ n•o đ• có tới khoảng 15 tỉ tế bào thần kinh, máu có khoảng 23.000 tỉ tế bào hồng cầu Cơ thể đơn bào (vi khuẩn, động vật đơn bào) gồm tế bào Một số lồi có số lượng hàng trăm tế bào luân trùng (Rotifera) thể gồm 400 tế bào 2.4 Các dạng tồn tế bào 2.4.1 Tế bào nhân sơ (Procaryote) Đại diện gồm vi khuẩn (Bacteria) tảo lam gọi vi khuẩn lam (Cyanobacteria) Vi khuẩn thể có cấu trúc tế bào nhỏ (kích thước bé: – 3?m, trừ Ricketxia có kích thước 0,3?m) 80 phong phú số dạng glicôprôtêin bổ sung phân tử lipơpolisaccarit Tế bào khơng có lipơpolisaccarit kết hợp với thuốc nhuộm gentian violet gọi vi khuẩn Gram dương Tế bào có lipơpolisaccarit khơng nhuộm với gentian violet gọi vi khuẩn Gram âm Vi khuẩn gram dương mẫn cảm với kháng sinh lyzôzim vi khuẩm gram âm Phần lớn sống dị dưỡng đa số hoại sinh Một số vi khuẩn sống cộng sinh Một số khác sống tự dưỡng vi khuẩn quang tổng hợp sử dụng H2S chất cho electron: CO2 + 2H2S (CH2O) + H2O + E ; vi khuẩn hoá tổng hợp lấy lượng từ phân tử vô NH4, N 2NH4 + 3O2 ? 2N + 4H+ + 2H2O + E (Nitrosomonas); 2N + O2 ? 2N + E (Nitrobacter) Vi khuẩn sinh sản phân đơi nhanh: vi khuẩn cho ? 1021 tế bào vi khuẩn 24 giờ) Cấu tạo tế bào nhân sơ Màng sinh chất có chất hố học lipơprơtêin bao quanh khối tế bào chất Khối tế bào chất chứa ribôxôm, thể vùi chất dự trữ, mezôxôm vài nuclêoid Mezôxôm phần màng sinh chất lõm vào khối tế bào chất, có vai trị tương tự ti thể có chứa enzim nhân tố trình oxiphơtphorin hố Nuclêoid phần tế bào chất có chứa sợi ADN vịng, chưa có nhân đặc trưng cách biệt với tế bào chất nên vi khuẩn, khuẩn lam gọi sinh vật nhân sơ Bao màng sinh chất lớp thành vỏ dày – 30nm có thành phần hố học polisaccarit liên kết với axit amin 2.4.2 Tế bào nhân chuẩn (Eucaryote): tế bào động vật, thực vật, nấm, nguyên sinh Tế bào nhân chuẩn có cấu tạo phức tạp, đa dạng hình thái Hình dạng tế bào khác theo loại mô chức tế bào Đa số tế bào động, thực vật có dạng hình khối đa giác Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc tế bào procaryote (trái) số dạng hình thái vi khuẩn 81 Cấu tạo tế bào nhân chuẩn Màng sinh chất có chất hố học lipơprơtêin, dày khoảng 8,5nm, bao quanh tế bào chất Khối tế bào chất nằm nhân màng sinh chất, cấu tạo phức tạp gồm: Các bào quan mạng lưới nội chất, ti thể, lạp thể, máy Gôngi, lyzôxôm, peroxixôm, trung thể, hệ thống vi ống vi sợi tạo nên khung xương tế bào; Các thể vùi (Paraplasma) gồm có chất tồn dư dự trữ tế bào dạng hạt hạt glicôgen, hạt tinh bột,… giọt dầu, tinh thể vô cơ, hữu cơ, sắc tố Nhân cấu tạo màng nhân có nhiều lỗ nhân bao quanh chất nhân Chất nhân gồm dịch nhân chứa chất nhiễm sắc hạch nhân Cơ thể sống cổ đ• biết vi khuẩn Eobacterium isolatum có niên đại cách 3500 triệu năm Bảng 1.4 So sánh tế bào nhân sơ tế bào nhân chuẩn Tế bào nhân sơ (Procaryote) Tế bào nhân chuẩn (Eucaryote) – Vi khuẩn, vi khuẩn lam – Kích thước bé (1 –3 ?m) – Cấu tạo đơn giản – ADN trần dạng vịng – Chưa có nhân điển hình Chỉ có nucleoid vùng tế bào chất chứa ADN – Tế bào chất có bào quan đơn giản – Riboxôm nhỏ – Phân bào đơn giản cách phân đơi Khơng có ngun phân hay giảm phân – Có lơng roi cấu tạo đơn giản – Nấm, thực vật, động vật – Kích thước lớn (3 –20?m) – Cấu tạo phức tạp – ADN + histon ? tạo nên NST, nhân – Có nhân điển hình: có màng nhân, nhân chứa chất nhiễm sắc hạch nhân – Tế bào chất phân thành vùng chứa bào quan phức tạp như: mạng lưới nội chất, ti thể, lạp thể, ribosom, thể Gôngi, … – Riboxôm lớn 82 ... electron: CO2 + 2H2S (CH2O) + H2O + E ; vi khuẩn hoá tổng hợp lấy lượng từ phân tử vô NH4, N 2NH4 + 3O2 ? 2N + 4H+ + 2H2O + E (Nitrosomonas); 2N + O2 ? 2N + E (Nitrobacter) Vi khuẩn sinh sản phân đôi... kháng sinh lyzôzim vi khuẩm gram âm Phần lớn sống dị dưỡng đa số hoại sinh Một số vi khuẩn sống cộng sinh Một số khác sống tự dưỡng vi khuẩn quang tổng hợp sử dụng H2S chất cho electron: CO2 + 2H2S... nội sinh chất E coli Côlestêrôn Phôtphatidinêtanôlamin Phôtphatidinsêrin Lipit Phôtphatidincôlin Glicôlipit Các lipit khác 17 24 22 15 22 10 28 35 85 39 không đáng kể 21 17 40 không đáng kể 27