Tế bào
là đơn vị cấu trúc và chức năng của đa số sinh vật (trừ những dạng sống tiền tế bào chẳng hạn như virus). Những sinh vật đơn bào như vi khuẩn, cơ thể chỉ gồm một tế bào. Các sinh vật đa bào cấu tạo từ nhiều tế bào; ví dụ con người gồm khoảng ...
là đơn vị cấu trúc và chức năng của đa số sinh vật (trừ những dạng sống tiền tế bào chẳng hạn như virus). Những sinh vật đơn bào như vi khuẩn, cơ thể chỉ gồm một tế bào. Các sinh vật đa bào cấu tạo từ nhiều tế bào; ví dụ con người gồm khoảng 1014 tế bào.
Học thuyết tế bào xây dựng từ thế kỷ 19 đã phát biểu rằng:
mọi sinh vật được cấu tạo từ một hoặc nhiều tế bào
các tế bào chỉ được tạo ra từ những tế bào trước đó
mọi chức năng sống của sinh vật được diễn ra trong tế bào và rằng
các tế bào chứa các thông tin di truyền cần thiết để điều khiển các chức năng của mình
có thể truyền vật liệu di truyền này cho các thế hệ tế bào tiếp theo
Thuật ngữ tế bào có nguồn gốc từ tiếng Latin cella, nghĩa là khoang nhỏ. Thuật ngữ này do nhà sinh học Robert Hooke đặt ra khi ông quan sát các tế bào nút bấc.
Tổng quan
Các đặc tính của tế bào
Mỗi tế bào là một hệ thống mở, tự duy trì và tự sản xuất: tế bào có thể thu nhận chất dinh dưỡng, chuyển hóa các chất này thành năng lượng, tiến hành các chức năng chuyên biệt và sản sinh thế hệ tế bào mới nếu cần thiết. Mỗi tế bào chứa một bản mật mã riêng hướng dẫn các hoạt động trên.
Mọi tế bào đều có một số khả năng sau:
Sinh sản thông qua phân bào.
Trao đổi chất tế bào bao gồm thu nhận các vật liệu thô, chế biến thành các thành phần cần thiết cho tế bào, sản xuất các phân tử mang năng lượng và các sản phẩm phụ. Để thực hiện được các chức năng của mình, tế bào cần phải hấp thu và sử dụng được nguồn năng lượng hóa học dự trữ trong các phân tử hữu cơ. Năng lượng này được giải phóng trong các con đường trao đổi chất.
Tổng hợp các protein, đây là những phân tử đảm nhiệm những chức năng cơ bản của tế bào, ví dụ như enzyme. Một tế bào động vật thông thường chứa khoảng 10.000 loại protein khác nhau.
Đáp ứng với các kích thích, hoặc thay đổi của môi trường bên trong và bên ngoài như những thay đổi về nhiệt độ, pH hoặc nguồn dinh dưỡng.
Di chuyển các túi tiết.
Các dạng tế bào
Người ta có thể phân loại tế bào dựa vào khả năng có thể tồn tại độc lập hay là không. Các sinh vật có thể bao gồm chỉ một tế bào (gọi là sinh vật đơn bào) thường có khả năng sống độc lập mặc dù có thể hình thành các khuẩn lạc. Ngoài ra, sinh vật cũng có thể bao gồm nhiều tế bào (sinh vật đa bào) thì mỗi tế bào được biệt hóa và thường không thể sống sót khi bị tách rời. Trong cơ thể con người có đến 220 loại tế bào và mô khác nhau.
Nếu xét về cấu trúc nội bào, các tế bào có thể chỉ làm 2 dạng chính.
sinh vật nhân sơ thường có cấu trúc đơn giản, chỉ thấy ở sinh vật đơn bào hoặc tập đoàn đơn bào. Trong hệ thống phân loại 3 giới, các sinh vật nhân sơ là thuộc giới Vi khuẩn cổ và Eubacteria.
sinh vật nhân chuẩn thường chứa các bào quan có màng riêng. Sinh vật đơn bào nhân chuẩn cũng rất đa dạng nhưng chủ yếu là sinh vật đa bào. eukyryote bào gồm các sinh vật là động vật, thực vật và nấm.
Các thành phần tế bào
Mọi tế bào (bất kể sinh vật nhân chuẩn hay nhân sơ) đều có màng tế bào hay màng sinh chất, dùng để bao bọc tế bào, cách biệt thành phần nội bào với môi trường xung quanh, điều khiển nghiêm ngặt sự vận chuyển vào và ra của các chất, duy trì điện thế màng và nồng độ các chất bên trong và bên ngoài màng. Bên trong màng là một khối tế bào chất đặc (dạng vật chất chiếm toàn bộ thể tích tế bào). Mọi tế bào đều có các phân tử ADN, vật liệu di truyền quan trọng và các phân tử ARN tham gia trực tiếp quá trình tổng hợp nên các loại protein khác nhau, trong đó có các enzyme. Bên trong tế bào, vào mỗi thời điểm nhất định tế bào tổng hợp nhiều loại phân tử sinh học khác nhau. Phần dưới đây sẽ miêu tả ngắn ngọn các thành phần cơ bản của tế bào cũng như chức năng của chúng.
Màng tế bào - Tấm áo ngoài
Vỏ bọc bên ngoài của một tế bào sinh vật nhân chuẩn gọi là màng sinh chất. Màng này cũng có ở các tế bào sinh vật nhân sơ nhưng được gọi là màng tế bào. Màng có chức năng bao bọc và phân tách tế bào với môi trường xung quanh. Màng được cấu thành bởi một lớp lipid kép và các protein. Các phân tử protein hoạt động như các kênh vận chuyển và bơm được nằm khảm vào lớp lipid một cách linh động (có thể di chuyển tương đối).
Bộ khung tế bào - Hệ vận động
Bộ khung tế bào là một thành phần quan trọng, phức tạp và linh động của tế bào.nó là hệ thống mạng sợi và ống protein( vi ống , vi sợi, sợi trung gian đan chéo nhau. Nó cấu thành và duy trì hình dáng tế bào; là các điểm bám cho các bào quan; hỗ trợ quá trình thực bào (tế bào thu nhận các chất bên ngoài); và cử động các phần tế bào trong quá trình sinh trưởng và vận động. các protein tham gia cấu thành bộ khung tế bào gồm nhiều loại và có chức năng đa dạng như định hướng, neo bám, phát sinh các tấm màng.
chất - Không gian thực hiện chức năng tế bào
Bên trong các tế bào là một không gian chứa đầy dịch thể gọi là tế bào chất (cytoplasm). Nó bao hàm cả hỗn hợp các ion, chất dịch bên trong tế bào và cả các bào quan. Các bào quan bên trong tế bào chất đều có hệ thống màng sinh học để phân tách với khối dung dịch này. Chất nguyên sinh (cytosol) là để chỉ riêng phân dịch thể, chứ không có các bào quan.
Đối với các sinh vật nhân sơ, tế bào chất là một thành phần tương đối tự do. Tuy nhiên, tế bào chất trong tế bào sinh vật nhân chuẩn thường chứa rất nhiều bào quan và bộ khung tế bào. Chất nguyên sinh thường chứa các chất dinh dưỡng hòa tan, phân cắt các sản phẩm phế liệu, và dịch chuyển vật chất trong tế bào tạo nên hiên tượng dòng chất nguyên sinh. Nhân tế bào thường nằm bên trong tế bào chất và có hình dạng thay đổi khi tế bào di chuyển. chất cũng chứa nhiều loại muối khác nhau, đây là dạng chất dẫn điện tuyệt vời để tạo môi trường thích hợp cho các hoạt động của tế bào. Môi trường tế bào chất và các bào quan trong nó là yếu tố sống còn của một tế bào.
Vật liệu di truyền - Yếu tố duy trì thông tin giữa các thế hệ
Vật liệu di truyền là các phân tử nucleic acid (ADN và ARN). Hầu hết các sinh vật sử dụng ADN để lưu trữ dài hạn thông tin di truyền trong khi chỉ một vài virus dùng ARN cho mục đích này. 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 ARN 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 ADN 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 chuẩn, phân tử ADN 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 trung cho loài). Ngoài ra, các bào quan như ty thể và lục lạp đều có vật liệu di truyền riêng của mình (xem thêm thuyết nội cộng sinh).
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 ADN mạch thẳng tạo thành các nhiễm sắc thể riêng biệt. Bộ gen ty thể là phân tử ADN mạch vòng, khá nhỏ và chỉ mã hóa cho một vài protein quan trọng.
Các bào quan
Cơ thể con người cấu tạo từ nhiều cơ quan như tim, phổi, thận .., mỗi cơ quan đảm nhiệm một chức riêng. Các tế bào thường chứa những cơ quan nhỏ gọi là bào quan, được thích nghi và chuyên hóa cho một hoặc một vài chức năng sống nhất định. Các bào quan thường chỉ có ở các tế bào sinh vật nhân chuẩn và thường có màng bao bọc.
Nhân tế bào - trung tâm tế bào: Nhân tế bào là bào quan tối quan trọng trong tế bào sinh vật nhân chuẩn. Nó chứa các nhiễm sắc thể của tế bào, là nơi diễn ra quá trình tự nhân đôi ADN và tổng hợp ARN. Nhân tế bào có dạng hình cầu và được bao bọc bởi một lớp màng kép gọi là màng nhân. Màng nhân dùng để bao ngoài và bảo vệ ADN của tế bào trước những phân tử có thể gây tổn thương đến cấu trúc hoặc ảnh hưởng đến hoạt động của ADN. Trong quá trình hoạt động, phân tử ADN được phiên mã để tổng hợp các phân tử ARN chuyên biệt, gọi là ARN thông tin (mRNA). Các ARN thông tin được vận chuyển ra ngoài nhân, để trực tiếp tham gia quá trình tổng hợp các protein đặc thù. Ở các loài sinh vật nhân sơ, các hoạt động của ADN tiến hành ngay tại tế bào chất (chính xác hơn là tại vùng nhân).
Ribosome - bộ máy sản xuất protein: Ribosome có cả trong tế bào sinh vật nhân chuẩn và sinh vật nhân sơ. Ribosome được cấu tạo từ các phân tử protein và ARN ribosome (rRNA). Đây là nơi thực hiện quá trình sinh tổng hợp protein từ các phân tử ARN thông tin. Quá trình này còn được gọi là dịch mã vì thông tin di truyền mã hóa trong trình tự phân tử ADN truyền qua trình tự ARN để quyết định trình tự axít amin của phân tử protein. Quá trình này cực kỳ quan trọng đối với tất cả mọi tế bào, do đó một tế bào thường chứa rất nhiều phân tử ribosome—thường hàng trăm thậm chí hàng nghìn phân tử.
Ty thể và lục lạp - các trung tâm năng lượng: Ty thể là bào quan trong tế bào sinh vật nhân chuẩn có hình dạng, kích thước và số lượng đa dạng và có khả năng tự nhân đôi. Ty thể có bộ gen riêng, độc lập với bộ gen trong nhân tế bào. Ty thể có vai trò cung cấp năng lượng cho mọi quá trình trao đổi chất của tế bào. Lục lạp cũng tương tự như ty thể nhưng kích thước lớn hơn, chúng tham gia chuyển hóa năng lượng mặt trời thành các chất hữu cơ (trong quá trình quang hợp). Lục lạp chỉ có ở các tế bào thực vật.
Mạng lưới nội chất và bộ máy Golgi - nhà phân phối và xử lý các đại phân tử:: Mạng lưới nội chất (ER) là hệ thống mạng vận chuyển các phân tử nhất định đến các địa chỉ cần thiết để cải biến hoặc thực hiện chức năng, trong khi các phân tử khác thì trôi nổi tự do trong tế bào chất. ER được chia làm 2 loại: ER hạt (rám) và ER trơn (nhẵn). ER hạt là do các ribosome bám lên bề mặt ngoài của nó, trong khi ER trơn thì không có ribosome. Quá trình dịch mã trên các ribosome của ER hạt thường để tổng hợp các protein tiết (protein xuất khẩu). Các protein tiết thường được vận chuyển đến phức hệ Golgi để thực hiện một số cải biến, đóng gói và vận chuyển đến các vị trí khác nhau trong tế bào. ER trơn là nơi tổng hợp lipid, giải độc và bể chứa calcium.
Lysosome và peroxisome - hệ tiêu hóa của tế bào: Lysosome và peroxisome thường được ví như hệ thống xử lý rác thải của tế bào. Hai bào quan này đều dạng cầu, màng đơn và chứa nhiều enzyme tiêu hóa. Ví dụ, lysosome có thể chứa vài chục enzyme phân huỷ protein, nucleic acid và polysacharide mà không gây hại cho các quá trình khác của tế bào khi được bao bọc bởi lớp màng tế bào.
Giải phẫu tế bào
sinh vật nhân sơ
Sinh vật nhân sơ là nhóm tế bào không có màng nhân. Đây là đặc điểm chính để phân biệt với các tế bào sinh vật nhân chuẩn. Sinh vật nhân sơ cũng không có các bào quan và cấu trúc nội bào điển hình của tế bào sinh vật nhân chuẩn. Hầu hết các chức năng của các bào quan như ty thể, lục lạp, bộ máy Golgi được tiến hành trên màng sinh chất. sinh vật nhân sơ có 3 vùng cấu trúc chính là:
1. tiên mao (flagella), tiêm mao, hay lông nhung (pili) - các protein bàm trên bề mặt tế bào;
2. vỏ tế bào bao gồm capsule, thành tế bào và màng sinh chất;
3. vùng tế bào chất có chứa Bộ gene, các ribosome và các thể vẩn (inclusion body).
Các đặc trưng:
chất của sinh vật nhân sơ là phần dịch lỏng chiếm hầu hết thể tích tế bào, khuếch tán vật chất và chứa các hạt ribosome nằm tự do trong tế bào.
Màng sinh chất là lớp phospholipid kép phân tách phần tế bào chất với môi trường xung quanh. Màng sinh học này có tính bán thấm, hay còn gọi là thấm có chọn lọc.
Hầu hết các tế bào sinh vật nhân sơ đều có thành tế bào (trừ Mycoplasma, Thermoplasma (archae), và Planctomycetales. Chúng được cấu tạo từ peptidoglycan và hoạt động như một rào cản phụ để chọn lọc những chất vào ra tế bào. Thành tế bào cũng giúp vi khuẩn giữ nguyên hình dạng và không bị tác động của áp suất thẩm thấu trong môi trường nhược trương.
Nhiễm sắc thể của tế bào sinh vật nhân sơ thường là một phân tử ADN dạng vòng (trừ vi khuẩn Borrelia burgdorferi gây bệnh Lyme). Mặc dù không phải có cấu trúc nhân hoàn chỉnh, ADN được cô đặc trong hạch nhân. sinh vật nhân sơ còn chứa những cấu trúc ADN ngoài nhiễm sắc thể gọi là plasmid, nó cũng có dạng vòng nhưng nhỏ hơn ADN nhiễm sắc thể. Trên các plasmid thường chứa các gene có chức năng bổ sung, ví dụ kháng kháng sinh.
sinh vật nhân sơ mang các tiên mao giúp tế bào di chuyển chủ động trong môi trường.
sinh vật nhân chuẩn
sinh vật nhân chuẩn thường lớn gấp 10 lần (về kích thước) so với tế bào sinh vật nhân sơ do đó gấp khoảng 1000 lần về thể tích. Điểm khác biệt quan trọng giữa sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn là tế bào sinh vật nhân chuẩn có các xoang tế bào được chia nhỏ do các lớp màng tế bào để thực hiện các hoạt động trao đổi chất riêng biệt. Trong đó, điều tiến bộ nhất là việc hình thành nhân tế bào có hệ thống màng riêng để bảo vệ các phân tử ADN của tế bào. Eukyryote là chữ Latin có nghĩa là có nhân thật sự. sinh vật nhân chuẩn thường có những cấu trúc chuyên biệt để tiến hành các chức năng nhất định, gọi là các bào quan. Các đặc trưng gồm:
chất của sinh vật nhân chuẩn thường không nhìn thấy những thể hạt như ở sinh vật nhân sơ vì rằng phần lớn ribosome của chúng được bám trên mạng lưới nội chất.
Màng tế bào cũng có cấu trúc tương tự như ở sinh vật nhân sơ tuy nhiên thành phần cấu tạo chi tiết lại khác nhau một vài điểm nhỏ. Chỉ một số tế bào sinh vật nhân chuẩn có thành tế bào.
Vật chất di truyền trong tế bào sinh vật nhân chuẩn thường gồm một hoặc một số phân tử ADN mạch thẳng, được cô đặc bởi các protein histone tạo nên cấu trúc nhiễm sắc thể. Mọi phân tử ADN được lưu giữ trong nhân tế bào với một lớp màng nhân bao bọc. Một số bào quan của sinh vật nhân chuẩn có chứa ADN riêng.
Một vài tế bào sinh vật nhân chuẩn có thể di chuyển nhờ tiêm mao hoặc tiên mao. Những tiên mao thường có cấu trúc phức tạp hơn so với sinh vật nhân sơ.
Các quá trình chức năng của tế bào
Sinh trưởng và trao đổi chất của tế bào
Bài chính: Sinh trưởng tế bào, Trao đổi chất tế bào
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. Trao đổi chất là các quá trình mà tế bào xử lý hay chế biến các phân tử dinh dưỡng theo cách riêng của nó. Các quá trình trao đổi chất được chia làm 2 nhóm lớn:
1) quá trình dị hóa (catabolism) nhằm phân huỷ các phân tử hữu cơ phức tạp để thu nhận năng lượng (dưới dạng ATP) và lực khử;
2) quá trình đồng hóa (anabolism) sử dụng năng lượng và lực khử để xây dựng các phân tử hữu cơ phức tạp, đặc thù và cần thiết.
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 chuẩn, chu trình TCA tiến hành trong ty thể trong khi sinh vật sinh vật nhân sơ lại tiến hành ở ngay tế bào chất.
Hình thành các 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 non. 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). sinh vật nhân chuẩn 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 ADN (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.
Sinh tổng hợp protein
Sinh tổng hợp protein là quá trình tế bào tổng hợp những phân tử protein đặc trưng và cần thiết cho hoạt động sống của mình. Quá trình phiên mã là quá trình tổng hợp những phân tử ARN thông tin dựa trên trình tự khuôn của ADN. Trên khuôn ARN thông tin mới được tạo ra, một phân tử protein sẽ được tạo thành nhờ quá trình dịch mã.
Bộ máy tế bào chịu trách nhiệm thực hiện quá trình tổng hợp protein là những ribosome. Ribosome được cấu từ từ những phân tử ARN ribosome và khoảng 80 loại protein khác nhau. Khi các tiểu đơn vị ribosome liên kết với phân tử ARN thông tin thì quá trình dịch mã được tiến hành. Khi đó, ribosome sẽ cho phép một phân tử ARN vận chuyển (tRNA) mang một loại axít amin đặc trưng đi vào. ARN vận chuyển này bắt buộc phải có bộ ba đối mã có trình tự bổ sung với bộ ba mã sao trên ARN thông tin. Các axít amin lần lượt tương ứng với trình tự các bộ ba nucleotide trên ARN thông tin sẽ liên kết với nhau để tạo thành một chuỗi polypeptide.
Nguồn gốc tế bào
Nguồn gốc tế bào cũng chính là nguồn gốc sự sống, và là những bước quan trọng nhất trong quá trình tiến hóa sự sống. Sự xuất hiện tế bào chính là bước đánh dấu chuyển biến từ thế giới hóa học vô sinh để bắt đầu sự sống sinh vật.
đầu tiên
Sự xuất hiện tế bào đầu tiên (giọt coaseva) được đánh dấu bởi việc hình thành lớp màng tế bào bao quanh những phân tử nucleic acid. Điều này tạo ra hai lợi thế chọn lọc là:
bảo vệ nguyên sinh chất bên trong và
sử dụng các thành quả từ các hoạt động hóa sinh do các protein/enzyme do nucleic acid mã hóa
abc
Lịch sử
1632-1723: Antony van Leeuwenhoek tự mình tìm cách mài các thấu kính để sáng tạo ra kính hiển vi. Ông đã vẽ lại các protozoa như Vorticella trong nước mưa cũng như vi khuẩn trong miệng mình.
1665: Robert Hooke đã phát hiện các tế bào trong nút bấc, và sau đó là trong các mô thực vật sống bằng kính hiển vi.
...I could exceedingly plainly perceive it to be all perforated and porous, much like a Honeycomb...these pores or cells, were not very deep, but consisted of a great many little boxes... – Hooke miêu tả những quan sát của mình đối với tiêu bản nút bấc.
1839: Theodor Schwann và Matthias Jakob Schleiden phát biểu nguyên lý rằng các thực vật và động vật được cấu thành từ tế bào, chứng tỏ các tế bào là đơn vị cấu trúc và phát triển của sinh vật, từ đó mà người ta xây dựng nên Học thuyết .
Giả định cho rằng sự sống có thể bắt nguồn một cách tự phát (generatio spontanea) đã bị bác bỏ hoàn toàn qua chứng minh thực nghiệm của Louis Pasteur (1822-1895).
Rudolph Virchow phát biểu rằng các tế bào chỉ có thể được tạo ra do phân bào (omnis cellula ex cellula).
1931: Ernst Ruska lần đầu tiên thiết kế kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) tại Đại học Berlin. Đến năm 1953 ông đã phát minh kính hiển vi điện tử (EM) với độ phân giải gấp đôi kính hiển vi quang học, từ đó phát hiện ra các bào quan.
1953: Watson và Crick đã đề xuất mô hình cấu trúc xoắn kép của phân tử ADN vào ngày 28 tháng Hai.
1981: Lynn Margulis công bố ấn phẩm Symbiosis in Cell Evolution (Sự Cộng sinh trong Tiến hóa ) xem chi tiết tại thuyết nội cộng sinh.
