SINH HỌC 10 · THÀNH PHẦN HÓA HỌC VÀ CẤU TRÚC TẾ BÀO — Nguyên tố, đại phân tử, bào quan và màng sinh chất: cấu tạo quyết định chức năng
Bài khái niệm Sinh học 10 dựng quanh ẩn dụ tế bào là thành phố thu nhỏ: cổng (màng sinh chất), thư viện (nhân), xưởng (ribosome), đường (nội màng), nhà máy…
SINH HỌC 10 · THÀNH PHẦN HÓA HỌC VÀ CẤU TRÚC TẾ BÀO · LUKATO AI · BÀI KHÁI NIỆM
Thành phố thu nhỏ: nguyên tố, đại phân tử và bào quan
Tế bào làm từ những "viên gạch" hóa học nào, và các bào quan được thiết kế ra sao để mỗi nơi làm tốt một việc
Hãy hình dung tế bào là một thành phố thu nhỏ : ranh giới và cổng (màng sinh chất), thư viện (nhân), xưởng (ribosome), đường và bưu điện (lưới nội chất, Golgi), nhà máy điện (ti thể, lục lạp), bãi tái chế (lysosome), dựng từ một bộ gạch chung: vài nguyên tố, nước và bốn nhóm phân tử. Ở mỗi cấu trúc, bài hỏi: cấu tạo thế này làm được việc gì, và vì sao hợp lí?
6 SƠ ĐỒ TỰ DỰNG 2 PHÒNG THÍ NGHIỆM THUẦN KHÁI NIỆM 8 CÂU TRẮC NGHIỆM TỰ SOẠN
Về chữ "hư cấu". Tế bào và phân tử "mẫu" do bài tự đặt đều mang nhãn hư cấu (ngưỡng S/V 0,6 μm −1 , hệ số gấp nếp, hộp dẹt dày 2 μm, số trong "em thử xem" và trắc nghiệm). Số thật (C, H, O, N khoảng 96 % cơ thể người; nhân sơ khoảng 1–5 μm, nhân thực khoảng 10–100 μm; D cỡ 1000 μm 2 /s) làm tròn, ghi "khoảng". Phần ngoài chương trình mang nhãn MỞ RỘNG .
MỤC 1 · NGUYÊN TỐ VÀ NƯỚC
Vật liệu thô và dòng nước của thành phố
Tế bào là một nắm nguyên tố hòa trong nước. Vì sao chỉ vài nguyên tố được chọn, và vì sao nước là nền móng?
1.1 Nguyên tố đa lượng và vi lượng
Bốn nguyên tố C, H, O, N chiếm khoảng 96 % khối lượng cơ thể người; thêm Ca, P, K, S, Na, Cl, Mg thì được gần 100 %. Nguyên tử C tạo được 4 liên kết cộng hóa trị nên làm khung cho mạch dài, mạch nhánh và vòng. Đa lượng (khoảng từ 0,01 % khối lượng) và vi lượng (Fe, Zn, Cu, I, Mn...) chỉ nói cần nhiều hay ít , không nói quan trọng hơn hay kém: thiếu iodine, tuyến giáp không làm được hormone.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 1. Nguyên tố trong cơ thể người (% khối lượng, khoảng) và phân tử nước phân cực nối nhau bằng liên kết hydrogen.
1.2 Nước: phân tử nhỏ, vai trò lớn
Nước chiếm khoảng 70 % khối lượng tế bào điển hình. Tính chất đặc biệt của nước đến từ hai điều: phân tử nước phân cực (O hút electron mạnh hơn H nên O mang δ−, hai H mang δ+; phân tử gấp khúc nên hai cực không triệt tiêu) và các phân tử nối nhau bằng liên kết hydrogen (mỗi phân tử tạo tối đa 4 liên kết; từng liên kết yếu nhưng rất nhiều, liên tục đứt rồi nối lại). Nhờ đó nước hòa tan ion và chất phân cực (chất kị nước như dầu không tan); cần nhiều nhiệt để nóng lên hay bay hơi (khoảng 4,18 J/(g·°C) và 2260 J/g), nên thân nhiệt ổn định và mồ hôi làm mát hiệu quả; và băng nhẹ hơn nước lỏng nên nổi.
Nước không chỉ "đứng ngoài". Nước tham gia phản ứng (thủy phân, ngưng tụ) và tạo hình : nó đẩy phần kị nước nên protein cuộn lại, phospholipid xếp thành lớp kép.
Chốt ý mục 1: C, H, O, N chiếm khoảng 96 %; nước phân cực, nối nhau bằng liên kết hydrogen
MỤC 2 · BỐN NHÓM PHÂN TỬ SINH HỌC
Gạch, kho, dụng cụ và bản vẽ
Tế bào dựng bốn nhóm phân tử lớn: carbohydrate , lipid , protein , nucleic acid . Ba nhóm (trừ lipid) là đại phân tử : mạch dài ghép từ nhiều đơn phân ; lipid không phải chuỗi đơn phân lặp lại. Cả bốn nối bằng một phản ứng chung.
2.1 Ngưng tụ, thủy phân và quy tắc n − 1
Ngưng tụ nối hai phân tử bằng một liên kết cộng hóa trị và tách ra một phân tử nước ; thủy phân là chiều ngược lại (thêm một H 2 O để bẻ liên kết). Cả hai chiều do enzyme xúc tác.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 2. Nối n mảnh bằng ngưng tụ: mỗi mối nối tách một H 2 O; mạch hở có n − 1 mối nối, mạch vòng có n.
Mạch hở gồm n đơn phân: số liên kết = n − 1 = số phân tử H 2 O tách ra Đúng cho mạch thẳng lẫn phân nhánh; mạch khép vòng có n liên kết. Thủy phân hoàn toàn cần thêm n − 1 nước.
2.2 Bốn nhóm: cấu tạo quyết định chức năng
- Carbohydrate (nối bằng liên kết glycoside): tinh bột (glucose cuộn xoắn, ít nhánh) là kho ở thực vật; glycogen (nhiều nhánh, cắt glucose rất nhanh) là kho ở động vật và nấm; cellulose (chuỗi thẳng, song song, giữ nhau bằng liên kết hydrogen) tạo sợi bền của thành tế bào thực vật. Cùng đơn phân glucose, cách nối khác thì vật liệu khác hẳn.
- Lipid (kị nước): triglyceride = glycerol + 3 acid béo (3 liên kết ester) là kho đậm đặc, khoảng 9 kcal/g, hơn gấp đôi carbohydrate và protein (khoảng 4 kcal/g); phospholipid có đầu ưa nước và hai đuôi kị nước nên tự xếp thành lớp kép, nền của mọi màng; steroid (cholesterol, hormone sinh dục) có khung 4 vòng.
- Protein : chuỗi 20 loại amino acid nối bằng liên kết peptide ; n amino acid mạch hở có n − 1 liên kết. Chuỗi 100 amino acid có tới 20 100 ≈ 1,3 × 10 130 trình tự. Bậc 1 là trình tự; bậc 2 là xoắn α, nếp β; bậc 3 là khối ba chiều (gốc kị nước vào trong, cầu disulfide); bậc 4 là nhiều chuỗi ghép lại. Hình dạng quyết định chức năng : enzyme có "túi" vừa cơ chất. Nhiệt độ cao hay pH lệch xa phá các liên kết yếu của bậc 2, 3, 4 ( biến tính ) nhưng liên kết peptide vẫn nguyên; đổi một amino acid cũng có thể đổi chức năng (hồng cầu hình liềm: glutamic acid thành valine).
- Nucleic acid : đơn phân là nucleotide (đường pentose, nhóm phosphate, base nitrogen) nối bằng liên kết phosphodiester . DNA (deoxyribose; A, T, G, C) có hai mạch đối song song giữ nhau bằng liên kết hydrogen (A–T có 2, G–C có 3), lưu thông tin di truyền. RNA (ribose; A, U, G, C) thường một mạch: mRNA, tRNA, rRNA.
MỞ RỘNG Chaperone giúp protein gấp đúng. Hình dạng cuối do trình tự amino acid quyết định (Christian Anfinsen, thập niên 1960), nhưng trong tế bào đông đúc chuỗi mới dễ gấp sai; chaperone bám vào chuỗi đang gấp để nó tự tìm hình đúng, không mang thông tin về hình.
2.3 Phòng A: đếm mối nối và nước
PHÒNG A Ngưng tụ và thủy phân hư cấu
Chọn nhóm chất, số đơn phân n (2 đến 100) và chiều phản ứng; lab đếm liên kết, nước và kiểm bảo toàn nguyên tử. Công thức đơn phân là số thật (glucose C 6 H 12 O 6 , glycine C 2 H 5 NO 2 , dAMP C 10 H 14 N 5 O 6 P); chuỗi "n đơn phân giống nhau" là hư cấu, mạch hở.
Mẫu có sẵn
Nhóm chất
Chiều
Số đơn phân n
Phản ứng
Công thức phân tử
Kiểm bảo toàn nguyên tử
Chốt ý mục 2: bốn nhóm, bốn kiểu liên kết, một quy tắc n − 1. Cùng đơn phân, cách nối khác thì vật liệu khác. Biến tính phá bậc 2, 3, 4, không phá bậc 1.
Chuỗi polypeptide mạch hở gồm 150 amino acid (số hư cấu). Tổng hợp có bao nhiêu liên kết peptide, tách bao nhiêu H 2 O? Thủy phân hoàn toàn cần thêm bao nhiêu H 2 O? Đun nóng làm biến tính thì số liên kết peptide đổi thế nào?
Giải thích. n = 150 nên có 150 − 1 = 149 liên kết peptide và tách ra 149 H 2 O. Thủy phân hoàn toàn bẻ cả 149 liên kết, cần thêm 149 H 2 O. Biến tính chỉ phá các liên kết yếu của bậc 2, 3, 4: 149 liên kết peptide vẫn nguyên , nhưng chuỗi mất hình và chức năng.
MỤC 3 · NHÂN SƠ, NHÂN THỰC VÀ KÍCH THƯỚC TẾ BÀO
Hai kiểu thành phố, và vì sao thành phố nào cũng nhỏ
Mọi tế bào đều có màng sinh chất , tế bào chất , DNA và ribosome , rồi chia thành hai kiểu tổ chức; cả hai kiểu đều nhỏ tới mức cần kính hiển vi, và điều ấy có lí do.
3.1 Hai kiểu tổ chức
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 3. Tế bào nhân sơ (khoảng 1–5 μm) và nhân thực (khoảng 10–100 μm): khác ở màng bao DNA và bào quan có màng.
Điểm khác gốc: nhân sơ (vi khuẩn, cổ khuẩn) có DNA vòng ở vùng nhân không màng và không có bào quan có màng; nhân thực (động vật, thực vật, nấm, nguyên sinh vật) có DNA thẳng kết hợp histone trong nhân có màng kép , cùng đủ bào quan có màng. Thành tế bào: vi khuẩn bằng peptidoglycan, thực vật bằng cellulose, nấm bằng chitin, động vật không có.
Ngăn hóa đem lại gì? Mỗi khu giữ môi trường riêng (lysosome pH khoảng 5, tế bào chất gần trung tính) và nhốt phản ứng nguy hiểm trong túi màng; nhân sơ bù lại bằng tốc độ: nhỏ, đơn giản, phân chia rất nhanh. S trong "70S", "80S" là đơn vị lắng Svedberg nên không cộng được : 70S gồm 50S và 30S.
MỞ RỘNG Cổ khuẩn (archaea): nhân sơ nhưng không phải vi khuẩn. Thành tế bào không có peptidoglycan ; lipid màng nối glycerol bằng liên kết ether (không phải ester). Sinh vật chia thành ba vực : Vi khuẩn, Cổ khuẩn, Nhân thực.
3.2 Vì sao tế bào nhỏ: diện tích và thể tích
Chất dinh dưỡng, O 2 và chất thải đi qua bề mặt (diện tích S), còn nhu cầu tỉ lệ với thể tích V. Khối lập phương cạnh a: S = 6a², V = a³, nên S/V = 6/a; khối cầu đường kính d cũng có S/V = 6/d. Cạnh gấp đôi thì S tăng 4 lần nhưng V tăng 8 lần: S/V giảm một nửa. Thêm nữa, khuếch tán rất chậm đường dài : t ≈ x 2 /(2D) tăng theo bình phương quãng đường. Với D cỡ 1000 μm 2 /s (khoảng): 10 μm cần 0,05 giây; 100 μm cần 5 giây; 1 mm cần 500 giây (khoảng 8,3 phút).
Hai lí do cùng chỉ một hướng: nhỏ thì cung cấp kịp . Sinh vật lớn gồm nhiều tế bào nhỏ. Tế bào buộc phải lớn thì đổi hình (dẹt, kéo dài mảnh như tế bào thần kinh) hoặc gấp nếp bề mặt để tăng S mà không tăng V: vi nhung mao ở ruột, mào ti thể, màng thylakoid.
3.3 Phòng B: tế bào lớn dần
PHÒNG B Kích thước và tỉ lệ S/V hư cấu
Chọn hình dạng, kích thước L và hệ số gấp nếp f; lab tính S, V, S/V rồi so với ngưỡng hư cấu : tế bào "cung cấp kịp" khi S/V ≥ 0,6 μm −1 . Cầu: L là đường kính; lập phương: L là cạnh; hộp dẹt: đáy L × L, dày 2 μm (S = 2L 2 + 8L, V = 2L 2 ). Gấp nếp nhân S/V lên f lần. Thời gian khuếch tán t ≈ x 2 /(2D), D = 1000 μm 2 /s (khoảng), x = L/2 với cầu, lập phương và min(L/2; 1 μm) với hộp dẹt. Ngưỡng 0,6, f và độ dày 2 μm là hư cấu.
Mẫu có sẵn
Hình dạng
Kích thước L (μm)
Hệ số gấp nếp f
Diện tích và thể tích
Tỉ lệ S/V
Khuếch tán tới điểm sâu nhất
So với ngưỡng
Chốt ý mục 3: nhân sơ khác nhân thực ở chỗ DNA có màng bao hay không và có bào quan có màng hay không; tế bào nhỏ vì S/V = 6/L giảm khi L tăng. S tăng theo L², V theo L³; thời gian khuếch tán tăng theo x². Khi phải lớn: đổi hình, gấp nếp hoặc đa bào.
Tế bào cầu hư cấu đường kính 10 μm có S/V = 0,6 μm −1 . Nếu đường kính tăng gấp đôi (20 μm), S, V và S/V thay đổi thế nào? Với ngưỡng hư cấu 0,6 μm −1 , tế bào 20 μm còn đạt không, và gấp nếp bao nhiêu lần thì đạt lại?
Giải thích. Đường kính gấp đôi thì S tăng 2² = 4 lần, V tăng 2³ = 8 lần, nên S/V giảm một nửa: 6/20 = 0,3 μm −1 . Vì 0,3 < 0,6 nên tế bào 20 μm không đạt (chỉ 0,5 lần ngưỡng). Gấp nếp f lần nhân S/V lên f lần, nên cần 0,3 × f ≥ 0,6, tức f ≥ 2 . Thử ở Phòng B: cầu, L = 20, f = 2 cho đúng 1,00 lần ngưỡng.
MỤC 4 · BÀO QUAN
Đi từng khu của thành phố: cấu tạo nào, việc nấy
Thay vì học thuộc, hãy hỏi ở mỗi khu: cấu tạo này giúp làm việc gì? Thường là một trong ba: tăng diện tích, ngăn cách một môi trường riêng, hoặc kiểm soát cái gì vào ra.
4.1 Bốn khu tiêu biểu
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 4. Nhân, ti thể, lục lạp: mỗi ô ghi cấu tạo → chức năng; ô cuối đếm lớp màng.
- Nhân : giữ DNA là giữ bản vẽ gốc an toàn; lỗ nhân cho mRNA ra và protein vào nhưng không cho DNA ra, nên chỉ "bản sao" ra xưởng. Ribosome (rRNA và protein, không có màng ) lắp amino acid thành protein theo mRNA; có loại tự do và loại bám lưới nội chất hạt .
- Hệ nội màng : lưới nội chất hạt gấp và gắn đường cho protein, rất phát triển ở tế bào chuyên tiết; lưới nội chất trơn tạo lipid, khử độc; Golgi sửa, phân loại, đóng gói vào túi có "nhãn địa chỉ"; lysosome (pH khoảng 5) phân giải thức ăn, vi khuẩn bị nuốt và bào quan hỏng, màng giữ enzyme khỏi phân giải tế bào. Các màng đơn nối nhau bằng túi vận chuyển nảy chồi rồi hòa màng.
- Ti thể và lục lạp (thực vật, tảo) có màng kép, DNA vòng riêng, ribosome riêng loại nhỏ như vi khuẩn và tự chia đôi. Mào ở ti thể và grana ở lục lạp dùng cùng một "mẹo": nhiều màng trong thể tích nhỏ, nên tế bào cần nhiều năng lượng có nhiều ti thể.
- Không bào (màng đơn) trung tâm của tế bào thực vật chứa nước, ion, đường, sắc tố; nước đẩy lên thành tạo sức trương giữ lá đứng thẳng. Khung xương giữ dáng tế bào và là "đường ray" cho túi, bào quan; thành tế bào chống vỡ khi nước vào.
MỞ RỘNG Thuyết nội cộng sinh. Lynn Margulis (cuối thập niên 1960) phát triển ý tưởng rằng ti thể và lục lạp bắt nguồn từ vi khuẩn bị tế bào lớn nuốt vào mà không tiêu, rồi sống chung cùng có lợi. Bằng chứng: màng kép, DNA vòng, ribosome nhỏ, tự chia đôi, rRNA gần với vi khuẩn.
Chốt ý mục 4: cấu tạo của bào quan là lời giải thích cho chức năng của nó. Màng kép có lỗ (nhân); không màng (ribosome); màng đơn nối nhau bằng túi (lưới nội chất, Golgi, lysosome); mào và grana tăng diện tích màng.
Tế bào tụy hư cấu tiết rất nhiều enzyme tiêu hóa (protein); tế bào cơ tim hư cấu co bóp liên tục. Mỗi loại có bào quan nào phát triển đặc biệt, vì sao?
Giải thích. Tế bào tụy có lưới nội chất hạt (ribosome tạo protein, lưới gấp và gắn đường) và bộ máy Golgi (sửa, đóng gói thành túi tiết) rất phát triển. Tế bào cơ tim cần rất nhiều ATP liên tục nên có rất nhiều ti thể với mào dày đặc. Bào quan phục vụ việc chính của tế bào thì nhiều và phát triển hơn.