Vách tế bào

Sự có mặt vách xenluloza của tế bào bao phủ lên bề mặt màng ngoại chất là một trong những đặc trưng để phân biệt các tế bào thực vật và tế bào động vật. Ngoại lệ, thực vật cũng có tế bào không có vách xenluloza (các giao tử) và tế bào động vật có vách tương tự vách xenluloza (các tế bào bao Hải tiêu). Vách sơ cấp là thành phần không thuộc chất nguyên sinh, nhưng nó cũng có sự tăng trưởng và phân hoá. Theo một số nhà nghiên cứu, thì tế bào chất vẫn thâm nhập vào vách khi còn đang sinh trưởng và phân hoá. làm cho hình dạng của tế bào và kết cấu mô hết sức phong phú, nó có chức năng nâng đỡ, bảo vệ tế bào sống hay tế bào đã chết (mô cứng, quản bào, mạch thông). Vì vậy, mà người ta xem vách tế bào như bộ khung sườn bên ngoài của tế bào, chúng giúp thực vật ở cạn chống lại sự tác động của lực cơ học, bảo vệ sinh học, chống mất nước ... Để thực hiện chức năng nâng đỡ thì thực vật tiến hành theo hai cách, ở hai loại tế bào khác nhau.

• Đối với những tế bào sống, sự xuất hiện đồng thời hai đặc tính cấu tạo: vách xenluloza bao bọc xung quanh nguyên sinh chất và không bào chứa dịch tế bào nằm trong thể nguyên sinh, không phải là ngẫu nhiên, mà có mối tương quan sinh lý chặt chẽ với nhau của tế bào, nó tạo ra một hệ thống thẩm thấu có hiệu lực, tác dụng tương hỗ với vách xeluloza đàn hồi, gây sức trương cho tế bào ở các cơ quan còn non. Đặc trưng cấu tạo này, còn có mối quan hệ phụ thuộc với lối sống tự dưỡng và làm cho thực vật đa bào trở nên cứng rắn, nhờ vậy, khi thực vật tiến lên cạn, cơ thể có thể vươn mình đứng thẳng lên được trong không khí.
• Đối với những tế bào chết, do vách tế bào dày lên gấp bộ, bảo đảm cho các cơ quan có độ cứng rắn, thực hiện chức năng nâng đỡ. còn giữ vai trò trong một số hoạt động hấp thu, thoát hơi nước, di chuyển và tiết.

Trong quá trình hình thành vách, có nhiều chất hoá học khác nhau, tham gia cấu tạo vách nhằm thực hiện chức năng bảo vệ và nâng đỡ có hiệu quả. Chúng ta có thể phân biệt ba nhóm chính sau đây:

• Cơ chất (matrix) là những chất không định hình, nó có nhiều trong màng sơ cấp như pectin, hemixenluloza.
• Chất xây dựng bộ khung sườn của vách. Những chất sắp xếp trong mạng tinh thể, có dạng sợi. Phân tử xenluloza là chất cơ sở chủ yếu để cấu trúc nên bộ khung sườn ngoài, nằm trong cơ chất của vách. Còn đối với Nấm thì kitibioza là chất chủ yếu tạo nên bộ khung sườn của vách.
• Chất tẩm trong và tẩm ngoài là những chất vô định hình, hình thành chậm hơn so với cơ chất và bộ khung sườn của vách. Chất tẩm trong là chất bám vào khoảng trống ở trong bộ khung sườn của vách tế bào. Những chất này có ảnh hưởng quan trọng đến tính chất lý hoá của vách. Chẳng hạn chất tẩm trong là linhin gọi là vách hoá gỗ. Nếu chất tẩm trong là suberin gọi là vách hoá bần, để bảo vệ sinh học, chống mất nước, cách nhiệt, cách điện với môi trường ngoài. Chất tẩm ngoài là chất bám trên bề mặt phía ngoài của vách tế bào biểu bì hoặc là chất sáp để chống thấm nước và thoát hơi nước. Ngoài ra, còn có các chất tẩm ngoài khác xuất hiện trong quá trình hình thành vách tế bào.

Đứng về phương diện hình thái, vách tế bào quy định những hình dạng đặc trưng cho từng loại tế bào và mô, là cơ sở để phân loại mô. Do đó khi tế bào bước vào giai đoạn chuyên hoá bao giờ cũng đi cùng với sự biến đổi vách. Vì vậy, khi mới phát minh tế bào, thì người ta lầm tưởng, vách tế bào là thành phần cơ bản cấu tạo nên tế bào thực vật. Sau này người ta xác định được chất nguyên sinh là thành phần chính cấu tạo nên

tế bào. Ở thế kỉ 20, việc nghiên cứu vách tế bào có những ứng dụng quy mô công nghiệp như xenluloza và những dẫn xuất của chúng, nhờ có sự phát triển những kỷ thuật mới và hoàn thiện trong việc nghiên cứu tế bào. Những thí nghiệm vi hoá trên các nguyên liệu vách đã tinh vi, chính xác hơn và việc sử dụng kính hiển vi phân cực, tia X, kính hiển vi điện tử đã trở thành hiện thực để nghiên cứu cấu trúc siêu hiển vi của vách tế bào.

+ Ở thực vật, mỗi tế bào trong cùng một mô, đều có vách riêng của nó và kết dính với các tế bào bên cạnh bởi chất gian bào. Những tế bào non thường có vách mỏng hơn tế bào đã phát triển đầy đủ. Ở một số tế bào của mô mềm vách hầu như dày thêm không đáng kể, khi tế bào ngừng phát triển. Trên cơ sở phát triển về cấu trúc, người ta phân biệt ba phần trong các vách tế bào thực vật. Chất gian bào (gọi là phiến giữa) nằm giữa các vách cạnh nhau. Vách sơ cấp (8-14% xenluloza) và vách thứ cấp (30-50% xenluloza) nằm tiếp giáp với nhau, nghĩa là vách thứ cấp nằm giữa vách sơ cấp và chất nguyên sinh .

Phiến giữa thường là chất vô định hình, đẳng hướng. Thành phần chủ yếu là hợp chất pectic và có thể kết hợp với canxi. Ở các mô gỗ, phiến giữa thường được hoá gỗ. Trong thời gian sinh trưởng thứ cấp, chất gian bào và vách sơ cấp khó phân biệt với nhau. Vì vậy vách sơ cấp và hợp chất gian bào nằm giữa hai tế bào cạnh nhau đều xuất hiện như một đơn vị gọi là phiến giữa. Thuật ngữ phiến giữa kép có thể dùng trong trường hợp lớp chất gian bào bị lu mờ, nhưng khi nó dùng với nghĩa cấu trúc chập ba thành một đơn vị (lớp gian bào với hai vách sơ cấp cạnh nhau) hoặc chập năm (lớp gian bào, hai vách sơ cấp, hai vách thứ cấp).

thứ cấp

Loại cấu trúc vách thông thường ở những tế bào với các lớp vách thứ cấp trong các lát cắt ngang (A) và dọc (B).

Các lớp vách được phân loại theo quan niệm của Kerr và Bailey (Arnold. Arboretum Jour.15,1934) C, D- tế bào với vách thức cấp và các lỗ đơn. C- các thể cứng từ một lát cắt ngang của quả Cydonia (mộc qua). D- Sợi libe từ một lắt cắt ngang của thân Nicotianna (thuốc lá) C- x420; D- x 325; (C,D x 560)

1. vách thứ cấp 3 lớp; 2- Khoang tế bào; 3- Chất gian bào; 4- vách sơ cấp 5; Cặp lỗ đơn 6- Phiến giữa (chấm nhỏ); 9- Lỗ phân nhánh; 7 = vách thứ cấp; 8 = phiến giữa.

+ Vách sơ cấp là vách được hình thành đầu tiên trong tế bào đang phát triển, là vách có mặt trong tất cả các loại tế bào. Trong vách sơ cấp, cơ chất là pectin, hemixenluloza. Chất xây dựng bộ khung của vách là xenluloza ở trạng thái tinh thể. Nó có thể hoá gỗ, hoặc hoá bần. Vách sơ cấp trải qua một quá trình sinh trưởng bề mặt liên tục hay gián đoạn, bởi sự sinh trưởng theo chiều dày kết hợp với nhau. Nếu vách sơ cấp dày, nó thường biểu hiện sự phân lớp rõ. Vách sơ cấp thường được liên kết với chất nguyên sinh. Những thay đổi xảy ra ở vách sơ cấp là thuận nghịch, có thể giảm bớt chiều dày, các chất hoá học có thể bị loại trừ hoặc thay thế bằng chất khác. Ví dụ, vách tế bào của tầng phát sinh libe gỗ, có chiều dày thay đổi theo mùa và vách sơ cấp của nội nhũ ở một số hạt thường bị tiêu hoá trong thời gian nẩy mầm.

+ Vách thứ cấp là vách bao giờ cũng xuất hiện liên tiếp theo vách sơ cấp. Vách thứ cấp có thành phần chủ yếu là xenluloza (chiếm 50%) hoặc là hỗn hợp của xenluloza và hêmixenluloza. Nó có thể biến đổi do chất tẩm là linhin hay suberin. Vách thứ cấp của quản bào, mạch gỗ hay sợi thường phân thành ba lớp và lớp trong cùng đôi khi chỉ bao gồm một dải xoắn ốc. Giữa các lớp, có thể khác nhau về vật lý hoá học. Số lượng lớp có thể ít hơn ba hoặc nhiều hơn ba. Chức năng chính của vách là bảo vệ lý, hoá học và sinh học. Các tế bào có vách thứ cấp của quản bào, mạch gỗ, sợi ... thường không có thể nguyên sinh và thường phân hoá xảy ra một chiều không thể đảo ngược. Những tế bào khác có vách thứ cấp, còn thể nguyên sinh hoạt động như tế bào đá, tia libe, các tế bào mô mềm libe. Sự phân loại vách sơ cấp và thứ cấp do Kerr và Bailey (1934) đề xướng và được sử dụng rộng rải nhưng vẫn còn chưa thích hợp( [link]).

+ Cấu tạo siêu hiển vi của bộ khung sườn vách tế bào

- Xenluloza là chất chủ yếu xây dựng bộ khung sườn của vách tế bào, nó được sắp xếp thành mạng tinh thể đặc trưng. Xenluloza là hợp chất đa trùng phân polysaccharit, có công thức tổng quát là (C6H10O5)n. Haworth đã xác định thành phần cấu tạo hoá học của phân tử xenluloza.

Mạng tinh thể cơ sở của xenluloza I

Đơn phân glucoza là dạng vòng cạnh gọi là piranoza, nó không nằm trong một mặt phẳng như sơ đồ của Haworth, mà là dạng cong nằm trong khối không gian. Do đó, các góc piranoza không gây ra một sức căng bề mặt lớn như vòng piranoza nằm trong một mặt phẳng. Vì vậy không tiêu tốn nhiều năng lượng để duy trì cấu trúc đó. Trong phân tử xenluloza các đơn phân tử β.Dglucoza liên kết với nhau và hai đơn phân tử β - D glucoza cạnh nhau liên kết với nhau, quay một góc ngược nhau 1800 và hình thành một disaccharit gọi là xenlobioza - đơn vị cấu tạo nên phân tử xenluloza. Để làm sáng tỏ cấu tạo phân tử xenluloza, không chỉ các nhà hoá học, mà còn có đóng góp của các nhà khoa học nghiên cứu chúng với tia Rơnghen. Chiều dài phân tử xenluloza được cấu tạo bởi những độ dài của những nhóm giống nhau gọi là chu kì sợi, mỗi chu kì sợi dài 10,3A0, cũng tương ứng với độ dài của xenlôbioza. Từ đó, người ta xác định được độ dài đơn phân β.D glucoza là 5,15A0, chiều rộng là 7,35A0, chiều dày 3,2A0. Trên cơ sở những số liệu này, người ta tính được chiều dài, chiều rộng, chiều dày của phân tử xenluloza. Chẳng hạn phân tử xenluloza cấu tạo vách thứ cấp của sợi gai, gồm 8000 đơn phân glucoza trùng phân với nhau. Vì vậy, độ dài phân tử xenluloza của nó dài 4μm. Với phương pháp tương tự, người ta tính được độ dài phân tử xenluloza trong vách sơ cấp gồm 1500 - 3000 đơn phân glucoza.

- Cấu tạo tinh thể xenluloza: Theo các nhà nghiên cứu tia Rơnghen thì các phân tử xenluloza được sắp xếp thành mạng tinh thể. Mạng tinh thể gồm một hệ vô hạn các ô mạng cơ sở hình hộp còn gọi là tinh thể cơ sở sắp xếp kín trong không gian. Tinh thể cơ sở có đối xứng monoklin được cấu tạo như sau: ([link]).

Những phân tử xenluloza sắp xếp song song với trục b, trên trục này mỗi chu kì sợi đều giống nhau, dài 10,3A⁰. Độ dài này cũng giống như độ dài của chu kì sợi và độ dài của xenlobioza. Như vậy, từng đơn vị xenlobioza sắp xếp trên trục b của tinh thể cơ sở, trên trục a có cạnh 8,35A⁰, trên trục c có độ dài là 7,9A⁰. Góc bêta hợp thành bởi hai trục a và b là 840. Từng xenlobioza sắp xếp trên 4 cạnh dài nhất của tinh thể cơ sở, song song với trục b còn đơn vị xenlobioza nằm ở mặt giữa các tinh thể cơ sở hơn một xenlobioza (xenlobioza + 1/2 đơn phân glucoza). Những vòng piranoza nằm trong một mặt phẳng được xác định bởi hai trục a và b, đồng thời chúng cũng song song với nhau. Những disaccharit nằm trên mặt giữa của tinh thể cơ sở quay một góc 1800 ngược với các disaccharit nằm trên các cạnh dài. Để duy trì mạng tinh thể xenluloza cần có ba loại lực, những lực này có trong mối quan hệ phụ thuộc với ba chiều không gian của tinh thể nguyên tố. Những đơn phân của glucoza liên hệ với nhau nhờ các liên kết cọng hoá trị, trong hướng chiều dài của trục b, tức là theo hướng chiều dài của phân tử xenluloza. Trong hướng trục a, xuất hiện những liên kết hydro được tạo thành giữa các nguyên tử oxy của các chuỗi bên cạnh, khoảng cách giữa chúng là 2,5A⁰. Trên trục c, xuất hiện những lực tác dụng tương hỗ gọi là lực van der Waals. Theo Frey wyssling (1955) thì những liên kết ít được hình thành trong hướng đồng nhất gần với trục c.

Cấu tạo không gian của mạng lưới tinh thể xenluloza như trên, bảo đảm cho vách xenluloza có độ bền cơ học lớn, và không thể đơn giản giải thích bằng các liên kết cọng hoá trị chính. Cấu tạo tinh thể cơ sở trên đây thuộc loại xenluloza tự nhiên còn gọi là xenluloza I. Ngoài ra còn có xenluloza thuỷ phân. Thành phần hoá học của hai loại xenluloza này giống nhau, nhưng chỉ khác nhau trong cấu trúc tinh thể. Xenluloza thuỷ phân không chứa nước tinh thể như xenluloza I. Cấu tạo tinh thể cơ sở xenluloza thuỷ phân, còn gọi là xenluloza II như sau: Trên trục b, mỗi chu kì sợi là 10,3A⁰, trục a là 8,14A⁰, trục c là 9,14A⁰, góc bêta là 620. Như vậy, xenluloza II khác với xenluloza I không những hình dạng mà còn kích thước nữa.

- Mixen xenluloza (sợi cơ sở)

Trong vách tế bào thực vật, tồn tại các phần tử tinh thể nhỏ bé, không thể quan sát dưới kính hiển vi quang học, gọi là mixen. Đó là những chuỗi phân tử xenluloza sắp xếp một cách chặt chẽ, song song với nhau trong mạng tinh thể, nhưng nó tiếp tục kéo dài ra ngoài mạng tinh thể bằng cách nối liền với các mixen bên, còn gọi là paramixen một dạng cận tinh thể, sắp xếp lộn xộn. Tiếp theo mixen bên là tinh thể mixen, chúng sắp xếp nối tiếp nhau trong sợi cơ sở. Như vậy, mixen xenluloza bao gồm những bó tinh thể cơ sở xenluloza họp với nhau. Khoảng giữa các mixen này có các chuổi phân tử xenluloza thuộc dạng cận tinh thể nối liền nhau với các mixen tinh thể, tạo thành sợi cơ sở hay mixen xenluloza (link target-id = "id1166420913080" /). Chúng có hình trụ dài hay nói đúng hơn có dạng phiến mỏng, chiều rộng trung bình từ 60 - 70A⁰, có trường hợp đạt tới 100A⁰, chiều dày khoảng 30 - 50A⁰, chiều dài tối thiểu 600A⁰, tối đa dạt tới hàng nghìn A⁰.

Sơ đồ của một phần sợi cơ sở chạy dọc. Từng sợi chạy dọc

- Sợi bé xenluloza: những sợi bé xenluloza được xem như là những đơn vị xây dựng siêu hiển vi đặc trưng nhất của bộ khung sườn xenluloza. ([link])

Trong lát cắt ngang siêu vi phẫu thấy rõ sự sắp xếp có định hướng của các sợi bé của loài Cladophora prolifera (a) và Cladophora ruprestris (b).

Trong vách tế bào, người ta không thể thấy được chiều dài tận cùng của các sợi bé. Sau khi rửa nước và thuỷ phân với axit phù hợp thì làm xuất hiện màu trắng đục và đem quan sát dưới kính hiển vi điện tử, người ta có thể xác định được kích thước các sợi bé: Chiều rộng vào khoảng 50 - 100A⁰, chiều dài từ hàng trăm đến hàng nhìn A⁰ (hình 6). Trong sợi bé có 4 - 6 sợi cơ sở. Những sợi bé tập hợp lại thành bó và tạo thành sợi lớn ([link])

r= sợi gai cắt dọc; rk = một phần sợi gai; s = một phần vách của sợi gai; f= sợi lớn; mf = sợi bé; m = mixen; p= paramixen; c= mạng tinh thể được sắp xếp bởi các phân tử xenluloza.

+ Lỗ: vách thứ cấp của tế bào thường đặc trưng bởi sự có mặt của các chỗ lõm hoặc các hốc bởi sự khác nhau về chiều sâu, chiều rộng và các chi tiết cấu trúc. Những hốc đó gọi là lỗ ([link]). Các vách sơ cấp cũng có chỗ lõm, nhưng khác với lỗ ở vách thứ cấp về cấu trúc và sự phát triển, nên chúng được gọi là lỗ sơ cấp, bởi vì khi nhìn lát cắt trên bền mặt, những chỗ lõm tập hợp thành một chuỗi. Trong những tế bào ít chuyên hoá, chỉ có vách sơ cấp, trên đó có các vùng lỗ sơ cấp có thể biến đổi, nhưng không đáng kể. Ngược lại, tế bào chuyên hoá hơn, vùng lỗ sơ cấp biến đổi nhiều. Trong các vùng lỗ sơ cấp, vách tương đối mỏng, nhưng liên tục qua các vùng lỗ. Mặt khác, các sợi liên bào chỉ xuyên qua được các vùng lỗ sơ cấp, do sự dày lên của vách thứ cấp không liên tục, mà thường gián đoạn tại vùng lỗ sơ cấp, nhưng khó phân biệt vách sơ cấp và vách thứ cấp dưới kính hiển vi quang học. Về định nghĩa lỗ của vách thứ cấp, thường người ta không những chỉ đề cập tới hốc và còn phần sơ cấp nằm ở đáy hốc. Vì vậy, lỗ bao gồm hốc và màng lỗ. Hai lỗ chính được phân biệt ở vách thứ cấp là lỗ đơn và lỗ viền. Lỗ viền khác lỗ đơn ở chỗ, vách thứ cấp tạo thành vòm trên hốc lỗ và lỗ mở của nó thu hẹp dần vào phía trong khoang tế bào ([link]). Các lỗ đơn, vách thứ cấp không tạo thành vòm. Nếu lỗ của vách tế bào này, nằm đối diện với vách tế bào kề sát bên cạnh gọi là cặp lỗ ([link]). Màng lỗ nói chung cho cả hai lỗ của một cặp lỗ và bao gồm hai vách sơ cấp và chất gian bào. Hai lỗ viền tạo ra cặp lỗ viền, hai lỗ đơn tạo ra cặp lỗ đơn. Nếu đối diện một lỗ viền với một lỗ đơn thì gọi là cặp lỗ nữa viền. Nếu một lỗ đối diện với khoang gian bào thì gọi là lỗ tịt. Đôi khi cũng gặp hai hoặc nhiều lỗ đối diện với một lỗ ở tế bào bên cạnh thì gọi là lỗ kép một phía. Các lỗ đơn có thể tìm thấy ở các mô mềm, sợi gỗ, tế bào đá ... Lỗ viền có thể quan sát ở quản bào, mạch gỗ, sợi gỗ.

Các vùng lỗ sơ cấp có lỗ đơn và sợi liên bào A, B- Các tế bào tia với vách thứ cấp ( để trắng trong hình vẽ) từ một lát cắt xuyên tâm của gỗ táo. Các lỗ đơn và cặp lỗ nhìn qua lát cắt và bề mặt. C, D- Các tế bào mô mềm không có vách thứ cấp từ thân thuốc lá. Sợi liên bào phân tán khắp vách ở C và giới hạn vào các vùng lỗ sơ cấp ở D ( A,B x865; C x 420; D x 325; C,D theo Livingston, Amer. Jour. Bot, 22, 1935)

1. Cặp lỗ đơn; 2- Phiến giữa kép; 3- Vách với các sợi liên bào; 4-Phiến giữa; 5- Màng lỗ; 6- Khoang lỗ; 7- Lỗ nhìn qua bề mặt; 8- Vách sơ cấp; 9- Sợi liên bào ở vùng lỗ sơ cấp; 10- Khoảng gian bào.

Cặp lỗ viền của Pinus, nhìn qua lát cắt (A) và bề mặt (B)

+ Đường lưu thông giữa các tế bào hay sợi liên bào. Dưới kính hiển vi quang học và với kỹ thuật đặc thù, người ta có thể quan sát sợi liên bào có cấu trúc hình sợi, chiều rộng từ 1-2 μ size 12{μ} {}m, kéo dài từ tế bào chất đến vách tế bào, nối liền với các tế bào khác của cơ thể thực vật, tạo thành một tổng thể của khối nguyên sinh chất của toàn bộ cơ thể. Sợi liên bào có thể quan sát ở Tảo đỏ, Rêu, Quyết, thực vật có hạt. Ở vách tế bào biểu bì, các sợi liên bào chạy dài ra phía ngoài tiếp xúc với môi trường ngoài gọi là sợi nối ngoài. Các sợi liên bào có thể tập trung thành nhóm ở vùng lỗ sơ cấp hoặc phân bố khắp nơi trên vách và có thể đếm được các sợi liên bào. Mạng lưới nội chất dường như nối liền với sợi liên bào. Theo các nhà nghiên cứu, các đầu ống nhỏ của mạng lưới nội chất đi qua các sợi liên bào. Sợi liên bào hình thành trong thời gian phân bào và cũng có thể hình thành theo một cách khác.

Chức năng của sợi liên bào có liên quan vận chuyển các vật liệu và dẫn truyền kích thích, cũng là nơi cho phép vi rút chuyển từ tế bào này qua tế bào khác. Các giác mút của cây kí sinh cũng có sợi liên bào, liên quan đến sự vận chuyển chất dinh dưỡng và vi rút từ cây chủ hoặc ngược lại ([link]).