Tế bào

Tế bào là một đơn vị cấu trúc cơ bản có chức năng sinh học của sinh vật sống. Tế bào là đơn vị nhỏ nhất của sự sống có khả năng phân chia độc lập, và các tế bào thường được gọi là "những viên gạch đầu tiên cấu tạo nên sự sống". Bộ môn nghiên cứu về các tế bào được gọi là sinh học tế bào.
Tế bào bao gồm tế bào chất bao quanh bởi màng tế bào, trong đó có nhiều phân tử sinh học như protein và axit nucleic. Các sinh vật sống có thể được phân thành đơn bào (có một tế bào, bao gồm vi khuẩn) hoặc đa bào (bao gồm cả thực vật và động vật). Trong khi số lượng tế bào trong các thực vật và động vật ở các loài là khác nhau, thì cơ thể con người lại có hơn 10 nghìn tỷ (1012) tế bào. Phần lớn tế bào động vật và thực vật chỉ có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi, với kích thước từ 1 đến 100 micromét.
Tế bào được phát hiện bởi Robert Hooke vào năm 1665, người đã đặt tên cho các đơn vị sinh học của nó. Học thuyết tế bào, lần đầu tiên được nghiên cứu vào năm 1839 của Matthias Jakob Schleiden và Theodor Schwann, phát biểu rằng tất cả các sinh vật sống được cấu tạo bởi một hay nhiều tế bào, rằng các tế bào là đơn vị cơ bản tạo nên cấu trúc và chức năng của các cơ quan, tổ chức sinh vật sống, rằng tất cả các tế bào đến từ các tế bào đã tồn tại trước đó, và các tế bào đều chứa thông tin di truyền cần thiết để điều hòa chức năng tế bào và truyền thông tin đến các thế hệ tế bào tiếp theo. Các tế bào xuất hiện trên trái Đất khoảng 4 tỷ năm trước.
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:
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.
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 DNA, vật liệu di truyền quan trọng và các phân tử RNA 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.
"Bài chính:" Màng tế bào
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.
"Bài chính:" Bộ khung tế bào
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.
Tế bào chất - Không gian thực hiện chức năng tế bào.
"Bài chính:" Tế bào chất
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 hiện 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. Tế bào 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 (DNA và rRNA). Hầu hết các sinh vật sử dụng DNA để lưu trữ dài hạn thông tin di truyền trong khi chỉ một vài virus dùng RNA 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 RNA cũng được sử dụng như là một bản lưu đối với một số gen đề phòng sai hỏng.
Ở các sinh vật nhân sơ, vật liệu di truyền là một phân tử DNA 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 DNA 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 trưng 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 gen riêng biệt là bộ gen của nhân và bộ gen của ty thể. Bộ gene nhân (là thể lưỡng bội) bao gồm 46 phân tử DNA mạch thẳng tạo thành các nhiễm sắc thể riêng biệt. Bộ gene ty thể là phân tử DNA mạch vòng, khá nhỏ và chỉ mã hóa cho một vài protein quan trọng.
Các bào quan.
"Bài chính:" 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.
Giải phẫu tế bào.
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. Tế bào sinh vật nhân sơ có 3 vùng cấu trúc chính là:
Các đặc trưng:
Tế bào sinh vật nhân chuẩn.
Tế bào 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 DNA của tế bào. "Eukyryote" là chữ Latin có nghĩa là có nhân thật sự. Tế bào 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:
Các quá trình chức năng của tế bào.
Sinh trưởng và trao đổi chất của 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:
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 nhân chuẩn, chu trình TCA tiến hành trong ty thể trong khi sinh vật nhân sơ lại tiến hành ở ngay tế bào chất.
Hình thành các tế bào mới.
"Bài chính:" Phân bào
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 hoặc nảy chồi (budding). Tế bào 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 DNA (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.
"Bài chính:" 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 RNA thông tin dựa trên trình tự khuôn của DNA. Trên khuôn RNA 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 những phân tử RNA ribosome và khoảng 80 loại protein khác nhau. Khi các tiểu đơn vị ribosome liên kết với phân tử RNA thông tin thì quá trình dịch mã được tiến hành. Khi đó, ribosome sẽ cho phép một phân tử RNA vận chuyển ("tRNA") mang một loại amino acid đặc trưng đi vào. RNA vận chuyển này bắt buộc phải có bộ ba đối mã có trình tự bổ sung với bộ ba mã sao trên RNA thông tin. Các amino acid lần lượt tương ứng với trình tự các bộ ba nucleotide trên RNA thông tin sẽ liên kết với nhau để tạo thành một chuỗi polypeptide.
Nguồn gốc tế bào.
"Bài chính": Nguồn gốc sự sống
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.
Tế bào 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: