Lecture:Sinh học Đại cương MIT 7.013/Chapter 9
Nhiễm sắc thể, chu trình và sự phân chia tế bào[sửa]
Năm 1951, ở tuổi 31 Henritta được đưa và bệnh viện Hopkins để chữa một căn bệnh ung thư ác tính. Mặc dù cô ta đã chết sau đó vài tháng, nhưng những tế bào ung thư của cô ta vẫn còn được lưu lại cho đến ngày nay. Khoa học đã tìm ra được rằng việc nuôi duỡng các tế bào việc nuôi dưỡng các tế bào ung thư trong những điều kiện môi trường dinh dưỡng đầy đủ chúng có thể sinh sản một cách vô hạn định trong các đĩa trong phòng thí nhiệm, ở đó chúng phát triển và tạo ra các khối tế bào có hình dạng không xác định. Trải qua một nửa thế kỉ thì đã có tới hơn 10 nghìn công trình nghiên cứu đuợc công bố về ung thư có sử dụng những thông tin từ những tế bào của Henritta. Nhưng liệu rằng sự bất diệt của những tế bào này có thực sự tốt cho sự tạo thành của các tổ chức sinh vật không?
Theo những nhận thức về giác quan, sự sinh sản vô hạn của tế bào là hợp lý. Phần lớn các cơ thể đa bào được hình thành từ những cơ thể đôn bào: cụ thể là từ tinh trùng và trứng tạo thành hợp tử,các hợp tử này tạo thành hai rồi 4 tế bào cho đến khi tạo thnahf một cơ thể hoàn chỉnh, cơ thể này lại có thể bắt đầu một quá trình sinh sản mới. Một cơ thể hoàn chỉnh không phải chỉ là một khối của tế bào Hela nôi cấy, các tế bào phải tạo thành các mô đặc biệt, từ đó hình thành lên các cơ quan, mỗi cơ quan trong chúng thực hiện một vai trò nhất định. Từ những nghiên cưucaanr thận trên những con dun nhỏ Canorhabdiiselegan đã chỉ ra điều đó. Trong nghiên cứu này 1090 tế bào được sinh ra từ tinh trùng và trứng và chính xác là 131 tế bào đã chết ngay sau khi con dun này sinh ra. Nếu như chương trình chết của tế bào không được thực hiện nũa thì nó sẽ tạo ra những dị hình trong cấu trúc.
Một tế bào chết thường có một chương trình đã được lập trình sẵn ở trong bộ gen. Với một tế bào bình thường chứng sẽ phát triển thành một cơ quan hoàn chỉnh, một tế bào sẽ phát triển thành một cơ quan hoàn chỉnh, ở đây có sự kết hợp giữa quá trình phân chia tế bào và quá trình tự chết của tế bào. Không giống với những tế bào không bình thường tế bào ung thư của Hela, chúng có thể dữ được sự phát triển mãi bởi vì chúng đã có sự biến đổi làm mất cân bằng trong bộ gen, và chúng đã vượt qua được chương trình chết tự động của tế bào.
Trong chương này đầu tiên chúng ta sẽ mô tả làm cách nào mà những sinh vật đơn bào prổkaytic có thể sinh sản tạo ra các cá thể mới từ những sinh vật đơn bào đàu tiên. Các hình thức sinh sản nguyên phân và giảm phân, sự khác nhau giữa sinh sản vô tính và sinh sản hữu tính mối quan hệ của các laọi hình sinh sản này. Cuối cùng chúng ta sẽ thảo luận về sự phân chia tế bào, tầm quan trọng của quá trình chết cảu tế bào, và về apôptis.
Trong một mô bình thường, sinh sản của một tế bào thường là sự sinh ra của một tế bào này kèm theo đó là sự mất đi của tế bào khác. Chúng ta đã biết được rằng hiện tượng chết lập trình của tế bào là rất quan trọng
Hệ thống sinh sản tế bào[sửa]
Các sinh vật đơn bào sử dụng chủ yếu phân chia tế bào để sinh sản , ở các sinh vật đa bào phân bào cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển và sửa chữa các mô (hình 9.1). Bất kì tế bào nào phân chia cũng đều trải qua 4 giai đoạn như sau:
- Đầu tiên xuất hiện các dấu hiệu sinh sản . Các dấu hiệu này có thể xuât hiện bên trong hoặc bên ngoài tế bào .
- Quá trình sao chép ADN (vật chất di truyền ) và các thành phần khác của tế bào sống được thực hiện để đảm bảo hai tế bào mới được sinh ra giống hệt nhau và có đầy đủ các chức năng.
- Tế bào phân phối các ADN đã được sao chép vào hai tế bào mới . Đây là quá trình phân chia.
- Các vật chất mới được bổ sung vào màng tế bào ( và vách tế bào đối với các sinh vật có vách tế bào) để hoàn thành quá trình phân ly thành 2 tế bào mới. Đây là quá trình phân chia tế bào chất. 4 sự kiện này sẽ xuất hiện trong bất kì quá trình phân chia nào cả ở tế bào nhân sơ và nhân chuẩn..
Prokaryote phân chia bằng trực phân[sửa]
Ở các sinh vật nhân sơ, phân bào là cách sinh sản duy nhất của toàn bộ các sinh vật đơn bào. Tế bào phát triển đến kích thước nhất định, sao chép ADN sau đó phân chia thành hai tế bào mới. Đây là quá trình trực phân.
Dấu hiệu sinh sản: Tỉ lệ sinh sản của nhiều loài nhân sơ phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Vi khuẩn Escherichia coli, một loài được dùng phổ biến trong nghiên cứu di truyền học , là một “cỗ máy phân chia tế bào” , quá trình phân chia diễn ra liên tục. Ở điều kiện bình thường, 37°C quá trình phân chia diễn ra trong 40 phút. Nhưng nếu nguồn Cacbonhydrat và muối dồi dào, quá trình phân chia chỉ mất 20 phút. Một loại vi khuẩn khác Baccillus subtilis, ngừng phân chia khi lượng thức ăn cung cấp ít và sẽ tiếp tục phân chia trở lại nếu điều kiện được cải thiện hơn. Những quan sát này gợi ý rằng các nhân tố bên ngoài như nguồn vật chất trong môi trường, kiểm soát bước khởi đầu quá trình phân bào ở các sinh vật nhân sơ.
Sao chép ADN . Một nhiễm săc thể, chúng ta đã thấy ở chương 4, là một phân tử ADN chứa các thông tin di truyền. Khi tế bào phân chia, tất cả các nhiễm sắc thể được sao chép thành 2 bản, mối bản sẽ được phân chia vào 1 trong 2 tế bào mới được sinh ra. Hầu hết các sinh vật nhân sơ chỉ có 1 nhiễm sắc thể, một phân tử ADN đơn mạch thẳng với các Protein liên kết với nó. Trong vi khuẩn E.coli, ADN là một phân tử liên tục thường được nghiên cứu ở dạng các nhiễm sắc thể vòng. Nếu ADN của vi khuẩn đựoc sắp xếp thành một vòng, vóng đó sẽ có chu vi khoảng 1.6 triệu nm (1.6mm). Bản thân vi khuẩn đó chỉ có đường kính 1µm (1000nm) và dài khoảng 4µm. Do đó ADN của vi khuẩn, khi trải ra chúng sẽ tạo thành 1 vòng tròn lớn gấp 100 lần tế bào! Để nằm vừa trong tế bào, ADN phải được đóng gói. Các phân tử ADN được đóng gói bằng cách tự cuộn xoắn, các protein mang điện tích dương (bazơ) liên kết với các ADN mang điện tích âm (axit) để cuộn xoắn. Sự xuất hiện các nhiễm sắc thể vòng là điểm đặc trưng cho tất cả các sinh vật nhân sơ, cũng như ở 1 số virut và cũng đựoc tìm thấy ở lục lạp và ty thể của tế bào nhân chuẩn.
Về chức năng, nhiễm sắc thể của sinh vật nhân sơ có hai vùng đặc biệt quan trọng với quá trình sinh sản:
- Vị trí mà quá trình sao chép vòng đựợc bắt đầu : mở đầu quá trình sao chép, kí hiệu là ori - Vị trí kết thúc quá trình sao chép : điểm cuối của quá trình sao chép, ter Quá trình sao chép nhiễm sắc thể diễn ra khi ADN mở xoắn thông qua một “phức hệ sao chép” của các Protein ở trung tâm của tế bào. Các Protein này bao gồm các enzym ADN polymeraza, cấu tạo của chúng sẽ được tìm hiểu kĩ hơn ở chương 11. Trong suốt quá trình sao chép ADN của tế bào nhân sơ , tế bào phát triển và điều khiển một cơ chế để phân chia các ADN vào các tế bào con mới hình thành.
Quá trình phân ly ADN : Sự sao chép ADN là tiền đề cho quá trình phân ly. Các phân tử ADN đã được sao chép sẽ đi về 2 tế bào mới.Vùng đầu tiên được sao chép là ori, vùng này gắn với màng sinh chất. Hai vùng ori được tạo ra sẽ phân chia khi các nhiễm sắc thể và các màng sinh chất mới được hình thành giữa chúng, giai đoạn này kéo dài hơn (hình 9.2) Khi kết thúc quá trình sao chép có hai bộ nhiễm sắc thể được hình thành, tế bào vi khuẩn kéo dài.
Sự phân bào Tế bào phân chia hay phân bào, bắt đầu sau khi quá trình sao chép nhiễm sắc thể kết thúc được 20 phút. Đầu tiên ở màng sinh chất hình thành gờ thắt tròn giống như dây thắt miệng túi. Các sợi liên kết các Protein tương tự như hệ vi ống của sinh vật nhân chuẩn là thành phần chính của vòng dây này. Khi màng sinh chất thắt lại, các nguyên liệu xây dựng vách tế bào mới được tổng hợp.Quá trình phân chia hoàn thành.
Eukaryote phân chia bằng nguyên phân hoặc giảm phân[sửa]
Các tế bào nhân chuẩn phức tạp, như ở người và thực vật có hoa, đều có nguồn gốc từ tế bào đơn giản , từ trứng đựợc thụ tinh. Tế bào này sinh ra từ hai tế bào giới tính của của cơ thể bố mẹ (giao tử) kết hợp với nhau. Các giao tử là trứng và tinh trùng chứa các vật chất di truyền của tế bào bố mẹ. Như vậy trứng được thụ tinh chứa 1 bộ nhiễm sắc thể của bố và một của mẹ. Sự hình thành cơ thể đa bào từ trứng được thụ tinh được gọi là sự phát triển. Nó liên quan đến cả sự sinh sản tế bào và biệt hoá tế bào. Ví dụ, một người trưởng thành có vài ngàn tỉ tế bào, tất cả các tế bào đều có nguồn gốc tận cùng từ trứng được thụ tinh, và rất nhiều tế bào có vai trò biệt hoá..Quá trình biệt hoá diễn ra như thế nào sẽ được xem xét trong phần 3. Ở đây chúng ta tập trung vào sự sinh sản của tế bào. Sinh sản ở tế bào nhân chuẩn, cũng giống như sở tế bào nhân sơ, có 4 giai đoạn : dấu hiệu sinh sản, sao chép ADN, phân ly và phân chia tế bào chất. Nhưng ở một mức độ nào đó các giai đoạn diễn ra phức tạp hơn. Đầu tiên khác với tế bào nhân sơ , các tế bào nhân chuẩn không phân chia liên tục bất cứ khi nào điều kiện môi trường thích hợp. Trong thực tế các tế bào nhân chuẩn trong cơ thể đa bào biệt hoá và hiếm khi phân chia. Vì vậy các dấu hiệu phân chia không liên quan đến môi trường của một tế bào đơn giản mà nó liên quan đến toàn bộ sinh vật. Thứ hai không chỉ có một nhiễm sắc thể đơn, sinh vật nhân chuẩn thường có nhiều nhiễm sắc thể ( người có 46) vì vậy quá trình sao chép và phân chia về cơ bản giống với nhân sơ nhưng phức tạp hơn (hình 9.1). Thứ ba tế bào nhân chuẩn có nhân riêng biệt, nhân này sẽ được sao chép và phân chia thành hai nhân mới. Do đó quá trình phân chia tế bào chất được phân biệt với phân chia vật chất di truyền. Cuối cùng, sự phân chia tế bào chất khác nhau ở tế bào thực vật(có vách tế bào) và tế bào động vật (không có vách). Điểm khác biệt chủ yếu giữa sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn trong sinh sản tế bào là ở sinh vật nhân chuẩn các nhiễm sắc thể mới được sao chépvẫn bát cặp với các nhiễm sắc thể còn lại như các nhiễm sắc tử chị em, và có một cơ chế mới ,nguyên phân, để phân chia chúng vào hai nhân mới. Sinh sản ở tế bào nhân chuẩn bao gồm 3 bước đặc trưng :
- Sự sao chép ADN trong nhân
- Cuộn xoắn và phân chia ADN đã được sao chép vào hai nhân mới (phân chia nhân)
- Phân chia tế bào chất (phân bào)
Một
cơ
chế
thứ
hai
của
quá
trình
phân
chia
nhân
,
đó
là
giảm
phân,
xảy
ra
ở
tế
bào
mầm
để
tạo
ra
giao
tử
đóng
góp
cho
quá
trình
sinh
sản
tạo
ra
cơ
thể
mới.
Trong
khi
hai
tế
bào
mới
được
sinh
ra
trong
nguyên
phân
giống
hệt
tế
bào
mẹ
-
chúng
có
ADN
giống
nhau,
sản
phẩm
của
quá
trình
giảm
phân
thì
không
giống
như
vậy.
Giảm
phân
tạo
ra
tính
đa
dạng
của
sinh
vật
bàng
cách
thay
đổi
vật
chất
di
truyền,
tạo
ra
các
tổ
hợp
gen
mới.Nó
đóng
vai
trò
quan
trọng
trong
chu
trình
sống
của
sinh
vật
sinh
sản
hữu
tính.
Cái gì quyết định tế bào có phân chia hay không?Nguyên phân tạo ra các tế bào giống hệt nhau như thế nào? Tại sao giảm phân lại tạo ra tính đa dạng? Tại sao chúng ta cần các tế bào giống hệt nhau và các tế bào khác nhau? Tại sao hầu hết các sinh vật nhân chuẩn đều sinh sản hữu tính? Phần tiếp theo chúng ta sẽ mô tả chi tiết kì trung gian của nguyên phân và giảm phân và tác động của chúng trong di truyền , phát triển và tiến hoá của sinh vật.
Kỳ giữa và sự kiểm soát phân bào[sửa]
Một tế bào sống và vận hành đến khi phânchia và chết. nếu như nó là 1 giao tử, nó có thể sống và giao phối với một giao tử khác. Vài loại tế bào như tế bào hồng cầu, tế bào cơ, tế bào thần kinh, mất khả năng phân chia khi trưởng thành. Một số tế bào khác như tế bào tủy sống ở cuống thực vật, hiếm khi phân chia. Một số tế bào như những tế bào ở phôi đang phát triễn biệt hóa để phân chia nhanh.
Giữa các kỳ phân chia, tế bào eucarytote trong điều kiện gọi là kỳ trung gian. ở hầu hết tế bào, chúng ta thường gọi là chu kỳ tế bào, có hai kỳ : sự phân chia nhân và kỳ trung gian. Trong chương này, chúng ta sẽ mô tả chu kỳ tế bào diễn ra trong kỳ trung gian, đặc biệt là giai đoạn quyết định tiến hành phânc chia nhân.
Một tế bào theo một chu kỳ sống sẽ tạo được hai tế bào. Chu kỳ tế bào được lập đi lập lại, là nguồn không biến đổi tạo ra một tế bào mới. Tuy nhiên các tế bào ở mô gắn với tốc độ tăng trưởng nhanh cũng mất nhiều thời gian ở kỳ trung gian. Kiểm tra sự bất kỳ sự thu thập nào ở tế bào đang phân chia, ví dụ như tế bào ở phần gốc rễ hoặc là lát tế bào gan, cho biết rằng hầu hết các tế bào ở kỳ trung gian, chỉ có một phần nhỏ ở giai đọan phân chia nhân.
Kỳ trung gian bao gồm 3 giai đoạn: G1,S,G2. DNA nhân đôi trong giai đọan S ( S nghĩa là tổng hợp). Giai đoạn cuối phân chia nhân và khởi đầu pha S gọi là G1 (gap 1). G2 (gap2) chia phần cuối của kỳ S và phần đầu phân chia nhân, khi sự phân chia nhân và bào tương diễn ra và hai tế bào mới được hình thành. sự phân chia nhân và sự phân chia tế bào chất liên quan tới giai đoạn M của khu kỳ tế bào.
Chúng ta sẽ bàn tới quá trình nhân đôi DNA ở chương 11, sẽ hoàn thành phần cuối của giai đoạn S. Khi chúng chính thức tạo chromosome, sau đó chúng sẽ tách ra thành hai tế bào mới bằng nguyên phân hay giảm phân.
Dù quá trình nhân đôi DNA ưu thế và định nghĩa giai đoạn S, nhưng chu kỳ tế bào quan trọng thay thế các giai đoạn G. G1 thì khá biến đổi thời gian trong các loại tế bào. Vài tế bào phôi đang phân chia tốcđộ bỏqua giai đoạn G1, trong khi các tế bào khác giữ giai đoạn G1 hàng tuần lễ hay cả năm.
Tiêu chuẩn xác định 1 tế bào có giai đoạn G1 là chuẩn bị cho giai đoạn S, vì ở thời điểm này chromosome vẫn đứng riêng lẽ, cấu trúc không nhân đôi. Sự chuyển đổi G1 sang S để một chu kỳ tế bào khác được đưa vào.
Trong qua trình G2, sử chuản bị tế bào để phân chia, ví dụ, sự tổng hợp các thành phần của vi thể sẽ di chuyển chromosome tới điểm ngược của phân chia tế bào. Nhưng chromosome nhân đôi trong giai đoạn S, mỗi chromosome chứa hai chromatid giống nhau.
Cyclin và các quá trình tín hiệu protein khác trong chu trình tế bào[sửa]
Sự quyết định sáng suốt để đi vào kỳ S hay kỳ M như th ế nào? Những sự thay đổi từ G1 sang S, từ G2 sang M tuỳ thuộc vào hoạt động của 1 loại protein gọi là cyclin-dependent kinase, hay là Cdk. Nhớ lại kinase là 1 enzymr phân ly chuyển 1 nhóm phosphate từ ATP cho một phân tử khác, sự chuyển nhóm phosphate này gọi là phosphorylation .
Tại sao quá trình phospho hóa thực hiện ở protien? nhắc lại chương 3, protein có 1 vùng ưa nước (có khuynh hướng tương tác với nước ở vùng bề mặt của đại phân tử) và vùng kỵ nước (tương tác với một phân tử khác ở mặt trong). Những vùng này quan trọng hình thành hình dạng không gian 3 chiều của protein. Nhóm phosphate tích điện, gắn với 1 nhóm acid amin sẽ hướng ra mặt ngoài của protein. bằng cách này quá trình phospho hoá làm thay đổi hình dạng và chức năng của protein. Cdk đóng vai trò quan trọng giúp khởi động các giai đoạn trong chu kỳ tế bào bằng phân ly quá trình phospho hoá ở vài protein đích.
Các nhân tố tăng trưởng kích thích tế bào phân chia[sửa]
Chu kỳ Cdk phức tạp cung cấp kiểm soát quá trình kiểm soát nội bào kiểm soát qua chu kỳ tế bào. Nhưng có những mô trong cơ thể tế bào nơi các tế bào không phân chia, phát triễn chậm và phân chia không đều. Nếu các tế bào này phân chia, chúng bị kích thích từ các tín hiệu bên ngoại (cáctín hiệu hoá học) gọi chung là các nhân tố tăng trưởng. Ví dụ, khi chúng ta bị đứt và chảy máu, những mảnh tế bào tiểu cầu chuyên biệt tụ tập lại tại nơi bị thương và gíup khởi động cục máu đông.Các tiểu cầu sản xuất và phóng thích protein, gọi là nhân tố tăng trưởng chuyển hoá, hoà vơí các tế bào kếcận trên da và kích htích các tế bào phân chia và trị thương.
Những nhân tố khác như Interleukins, chỉ có thể tạo bằng tế bào bạch cầu và cải thiện sự phân chia tế bào trong những tế bào khác v à cầnthiết đối với hệ thống miễn dịch cơ thể. Erythropoietin ở thận kích thích sự phân chia tế bào tủy xương và sản xuất hồng cầu. Ngoài ra còn có nhiều hormone củng cố sụ phân chia trong vài loại tế bào chuyên biệt.
Chúng ta sẽ bàn tới vai trò sinh lý của các nhân tố phát triễn ở chương sau, nhưng tất cả chúng hoạt động tương tự nhau ; Chúng nối với tế bào đích nhờ vào protein receptor chuyên biệt trên bề mặt tế bào đích. Nguyên nhân gắn kết với tế bào đích khởi động chu kỳ tế bào. Tế bào ung thư thường không phân chia không thich hợp, bời vì chúng có nhân tố tăng trưởng riêng và bởi vì chúng không còn đòi hỏi các nhân tố tăng trưởng bắt đầu chu kỳ.
Sinh san vô tính và sinh sản hưu tính[sửa]
Trong quá trình phân bào nguyên phân, chu trình tế bào lặp đi lặp lại nhiều lần, kết quả là từ một tế bào đơn có thể phân chia tao thành nhiều tế bào khác nhau. Trong quá trình giảm phân thì khác, một tế bào chỉ có thể phân chia một lần và tạo thành 4 tế bào con, quá trình này thường ít xẩy ra ở các tế bào hơn. Hai hình thức sinh sản của tế bào này là hai hình thức cơ bản của quá trình sinh sản, tuy nhiên trong cơ chế và vai trò của chúng có những sự khác nhau rất rõ ràng.
sinh sản bằng nguyên phân kết quả bộ gen được bảo toàn
Một tế bào trải qua quá trình sinh sản bằng hình thức phân bào có thể là các cơ thể đơn bào, hinhg thức sinh sản này cũng có thể là sự lựa chon ngẫu nhiên của một số cơ thể da bào, nhờ quá trình phân chia, quá trình phá vỡ thành các mảnh cơ thể khác nhau tử đó phát triển thành một cá thể mới.
Sinh sản vô tính
Sinh sản vô tính còn gọi là sinh sản vegetable, là hình thức phân chia cơ bản của nhân tế bào. Theo cách này một dòng vô tính được tạo thành, chúng mang bôj gen dúng như tế bào bố mẹ.
Nếu có những sự biến đổi xẩy ra ở các tế bào con, làm cho chúng trở nên không giống với các tế bào bố mẹ, các biến đổi này có thể do quá trình đột biến, hoặc do những thay đổi trong vật chất di truyền. Sinh sản vô tính là hình thức sinh sản đơn giản và có hiệu quả trong tự nhiên.
Sinh sản hữu tính
Quá trình sinh sản hữu tính dòi hỏi phải có quá trình giảm phân, nó rất khác so với hình thức sinh sản vô tính. Hình thức sinh sản vô tính có sự tham gia của hai tế bào để tạo thành một tế bào. Tế bào này là sự kết hợp của hai giao tử. mỗi giao tử này mang bộ gen đơn bội.
Qua trình sinh sản băng giảm phân làm cho bộ gen của sinh vật trở nên đa dạng hơn. Sinh sản hĩu tính là hình thức kết hợp thông tin di truyền của hai bộ gen khác nhau, từ đó tạo nên sự đa dạng của bộ gen. Quá trình sinh sản hữu tính được xác định như sau:
- phải có sự tham gia của hai tế bào, mỗi tế bào cung cấp một nửa bộ nhiễm sắc thể cho tế bào con. chúng được tạo thành thông qua các giao tử .
- mỗi giao tử chứa bộ nhiễm sắc thể đơn bội
- Hai giao tử một là các tế bào tinh trùng một là các tế bào trứng, chúng kết hợp với nhau trong quá trình thụ tinh để tạo thành hợp tử. Hợp tử này mang bộ nhiễm sắc thể của cả hai tế bào bố mẹ.
