1. Trang Chủ
  2. Khoa học tự nhiên
  3. Tiểu luận Sinh học phân tử tế bào: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực

Tiểu luận Sinh học phân tử tế bào: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực

Bài Tiểu luận Sinh học phân tử tế bào: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực có nội dung gồm ba phần trình bày khái quát về tế bào nhân sơ và tế bào nhân thực; cơ chế phân bào; điều khiển chu kì tế bào;... Mời các bạn cùng tham khảo! TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA SINH HỌC BÀI TIỂU LUẬN MÔN: SINH HỌC PHÂN TỬ TẾ BÀO Chủ đề: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực. HÀ NỘI – 2022 NỘI DUNG CHÍNH PHẦN I. K

Thể loại Tài liệu miễn phí Khoa học tự nhiên

Số trang 19

Ngày tạo 4/8/2023 5:07:56 PM +00:00

Loại tệp DOCX

Kích thước 1.15 M

Tên tệp

Tải Tiểu luận Sinh học phân tử tế bào: Cơ chế phân bào... (.pdf)

Xem mẫu

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA SINH HỌC BÀI TIỂU LUẬN MÔN: SINH HỌC PHÂN TỬ TẾ BÀO Chủ đề: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của  sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực.
  2. HÀ NỘI – 2022
  3. NỘI DUNG CHÍNH PHẦN I. KHÁI QUÁT VỀ TẾ BÀO NHÂN SƠ VÀ TẾ BÀO NHÂN THỰC 1. Lịch sử nghiên cứu tế bào 2. Đặc điểm cấu trúc của tế bào nhân sơ và tế bào nhân thực PHẦN II. CƠ CHẾ PHÂN BÀO 1. Cơ chế phân bào ở sinh vật nhân sơ 2. Cơ chế phân bào ở sinh vật nhân thực 2.1. Cơ chế nguyên phân 2.2. Cơ chế giảm phân PHẦN III. ĐIỀU KHIỂN CHU KÌ TẾ BÀO 1. Đặc điểm của chu kì tế bào 2. Các cơ chế điều khiển chu kì tế bào 2.1. Điều khiển chu kì tế bào ở sinh vật nhân sơ 2.2. Điều khiển chu kì tế bào ở sinh vật nhân thực TÀI LIỆU THAM KHẢO
  4. PHẦN I. KHÁI QUÁT VỀ TẾ BÀO NHÂN SƠ VÀ TẾ BÀO NHÂN THỰC 1. Lịch sử nghiên cứu tế bào Robert Hooke là người đầu tiên sử dụng kính hiển vi để quan sát về tế bào, đồng   thời mở ra ngành khoa học sinh học tế bào. Năm 1665, tế bào được Hooke mô tả giống  như  các ô rỗng có thành bao quanh và xếp cạnh nhau như  tổ  ong. Sau đó vào những   năm 1674 – 1683, cùng với sự phát triển của kính hiển vi, nhà khoa học người Hà Lan  Antonie van Leeuwenhoek  đã phát hiện được các tế  bào như: vi sinh vật trong giọt  nước ao, tế bào máu, tế bào tinh trùng động vật. Từ những quan sát của mình, ông đã  kết luận rằng tế bào có cấu tạo phức tạp gồm màng sinh chất, tế  bào chất chứa các   bào quan và nhân chứ không chỉ có dạng xoang rỗng như Hooke thấy. Năm 1838 ­ 1839,  Matthias Schleiden và Theodor Schwann đã đưa ra học thuyết tế bào với nội dung: Tất   cả sinh vật được cấu tạo từ tế bào và tế bào là đơn vị sống cơ bản của sinh giới . Năm  1858, Virchow phát biểu thêm rằng: Tế  bào sinh ra từ  tế  bào có trước.  Năm 1862,  Pasteur tiếp tục chứng minh rằng: Sự sống không tự hình thành ngẫu nhiên từ các chất   vô sinh.  Ngày nay học thuyết tế bào vẫn giữ nguyên giá trị của nó và tế bào được xem   là đơn vị  tổ  chức cơ  bản của thế  giới sống cả  về  cấu tạo, chức năng sinh lý và di  truyền. F. Engels đã từng đánh giá: cùng với hoạc thuyết tiến hóa của Darwin, và  thuyết bảo tồn năng lượng, học thuyết tế bào là một trong ba phát kiến vĩ đại của thể  kỉ XIX. 2. Đặc điểm cấu trúc của tế bào nhân sơ và tế bào nhân thực Tùy theo mức độ  phức tạp về  cấu trúc mà người ta phân biệt hai dạng tế  bào  nhân sơ và tế bào nhân thực. Từ hai loại tế bào này sẽ cấu trúc nên hai nhóm sinh vật  tương  ứng là sinh vật nhân sơ  và sinh vật nhân thực. Sinh vật nhân sơ  bao gồm vi   khuẩn và vi khuẩn cổ. Sinh vật nhân thực được tạo nên từ  các tế  bào nhân thực như  động vật đơn bào, tảo, nấm, thực vật và động vật. Tế bào nhân sơ thường có kích thước nhỏ và cấu tạo đơn giản với ba thành phần   cấu tạo chính: màng sinh chất, tế bào chất, vùng nhân (Hình 1). Màng sinh chất của vi   khuẩn chứa khoảng 45% lipit và 55% protein có cấu trúc và chức năng tương tự màng  sinh chất của tế bào nhân thực. Nhiều chỗ màng sinh chất gấp nếp lồi lõm vào tế bào  chất tạo nên các mezoxom được xem như một loại bào quan có vai trò quan trọng trong  sự phân bào. Bên trong tế bào chất có chứa nhiều loại riboxom tổng hợp protein của vi   khuẩn nhưng không có các bào quan có màng bao bọc và không có hệ thống nội màng   điển hình như  tế bào nhân thực. Hầu hết các chức năng của các bào quan như  ty thể,   lục lạp, bộ máy Golgi được tiến hành trên màng sinh chất. Vùng nhân chứa nhiễm sắc   thể  của vi khuẩn là phân tử  ADN trần (không liên kết với histon), là chuỗi xoắn kép  dạng vòng khu trú ở vùng tế bào chất. Ngoài ADN trong thể nhân, còn có một số phân   4
  5. tử ADN khác được gọi là plasmit chứa thông tin di truyền quy định một số đặc tính của  vi khuẩn. Ngoài ba thành phần chính có  ở  các tế  bào nhân sơ  điển hình, một số  vi   khuẩn còn có thêm các thành phần cấu tạo khác như  lông, roi, thành tế  bào, vỏ  nhầy.  Lông và roi là các protein bám trên bề  mặt tế  bào giúp vi khuẩn di chuyển chủ động  trong môi trường. Thành tế bào có bản chất là peptidoglican giúp vi khuẩn giữ nguyên   hình dạng và không bị tác động của áp suất thẩm thấu trong môi trường nhược trương.   Vỏ nhày là rào cản phụ giúp bảo vệ tế bào, chọn lọc các chất ra vào tế bào.  Tuy cũng được cấu tạo từ ba thành phần chính là màng sinh chất, tế bào chất và   nhân, nhưng tế bào nhân thực có kích thước lớn hơn và cấu tạo phức tạp hơn nhiều so   với tế  bào nhân sơ  (Hình 2). Màng tế  bào cũng gồm hai thành phần chính là lipit và  protein   nhưng   được   phân   hóa   phức   tạp  hơn.   Màng   có   cấu   trúc   khảm   ­  động:   lớp   photpholipit kép tạo nên cái khung liên tục của màng, còn các phân tử protein phân bố  rải rác trong khung, xuyên qua khung hoặc bám  ở  rìa trong và rìa ngoài của màng, các  phân tử  lipit và protein có trong màng có tính động. Tế  bào chất được phân vùng và   chứa các bào quan phức tạp như  mạng lưới nội chất, riboxom, ti thể, lục lạp, thể  Golgi, lizoxom, peroxixom, trung thể…Trong đó trung thể  có ý nghĩa đặc biệt quan   trọng trong sự phân bào (tạo thành bộ máy phân bào), các vi ống và định hướng cho các  vi ống. Tế bào nhân thực có nhân hoàn chỉnh với lớp màng kép bao bọc lấy vật chất di   truyền. Vật chất di truyền gồm một hoặc một số phân tử  ADN mạch thẳng liên kết   với protein histone tạo nên cấu trúc nhiễm sắc thể. Ngoài nhân, ADN còn được tìm   thấy ở một số bào quan như ti thể, lục lạp.  5
  6. Tế bào thực vật cũng như tế bào động vật đều thuộc dạng tế bào nhân thực điển hình.  Ngoài những đặc điểm chung giống nhau, chúng còn khác nhau  ở  một số  đặc điểm.   Một số  loại bào quan chỉ có thể  tìm thấy  ở tế  bào thực vật hoặc tế  bào động vật mà  không thể  cùng tồn tại trong cả  hai loại tế  bào này. Các lysosome, trung tử  với các  trung thể chỉ có ở tế bào động vật mà không có ở tế bào thực vật. Lục lạp, không bào   trung tâm, thành tế  bào, cầu sinh chất có thể  tìm thấy  ở  tế  bào thực vật còn tế  bào   động vật thì không. Như vậy, điểm khác biệt quan trọng giữa sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực   là sự  xoang hóa  ở  tế  bào nhân thực nhờ  các lớp nội màng giúp chúng thực hiện các   hoạt động trao đổi chất riêng biệt. Trong đó, quan trọng nhất là việc hình thành nhân tế  bào có hệ thống màng riêng để bảo vệ các phân tử ADN của tế bào. Chính những khác  biệt trong cấu trúc của hai loại tế bào này sẽ tạo nên sự khác nhau trong cơ chế phân  bào cũng như điều khiển chu kì tế bào ở hai nhóm sinh vật nhân sơ và nhân thực. PHẦN II. CƠ CHẾ PHÂN BÀO 1. Cơ chế phân bào ở sinh vật nhân sơ Tế  bào nhân sơ  chưa có nhân hoàn chỉnh nên phân bào bằng cách phân đôi trực  tiếp, không hình thành thoi phân bào như ở tế bào nhân thực. Nhiễm sắc thể của chúng  chỉ là ADN trần, là chuỗi xoắn kép dạng vòng khu trú ở  vùng tế bào chất được gọi là   thể  nhân ­ nucleoit. Mặc dù ADN của thể  nhân liên kết với các protein giúp đóng gói   phân tử  thành một kích thước nhỏ  gọn, nhưng không có protein histone nên không có  nucleosom  ở  sinh vật nhân sơ. Tuy nhiên, các protein đóng gói của vi khuẩn có liên  quan đến các protein cohesin và condensin tham gia vào quá trình nén nhiễm sắc thể  6
  7. của sinh vật nhân chuẩn. Qúa trình phân đôi của vi khuẩn E. Coli gồm 5 năm bước   (Hình 3). Đầu tiên, ADN nhiễm sắc thể của vi khuẩn bắt đầu nhân đôi tại điểm khởi đầu sao   chép, quá trình này diễn ra theo hai hướng. Ngay sau đó, một bản sao của điểm khởi  đầu sao chép nhanh chóng di chuyển về đầu đối lập của tế bào bằng một cơ chế chưa   rõ. Sự  nhân đôi tiếp tục, mỗi đầu tế  bào đã có một bản sao của điểm khởi đầu nhân  đôi. Đồng thời tế  bào dài ra, các protein FtsZ di chuyển về  giữa của tế  bào và định  hướng sự phân chia giữa các nucleoit ở sinh vật nhân sơ. Nhiễm sắc thể sau khi được  nhân đôi tiếp tục di chuyển về hai cực đối diện của tế bào, các protein FtsZ tạo thành  vòng phân cắt  ở  chính giữa tế  bào và ngăn cách hai nulceoit với nhau. Một vách ngăn  được hình thành giữa các nucleoit, màng sinh chất và thành tế bào lõm dần từ ngoại vi  về phía trung tâm của tế bào. Sau khi vách ngăn hoàn thiện, tế bào phân chia thành hai   tế bào con. Protein FtsZ nằm phân tán trong tế bào chất của hai tế bào mới.  2. Cơ chế phân bào của sinh vật nhân thực 7
  8. Nhiễm sắc thể  của sinh vật nhân thực có cấu trúc phức tạp gồm ADN xoắn  kép, liên kết với protein histon tạo thành các sợi nhiễm sắc. Trong kì trung gian, các sợi  nhiễm sắc ở trạng thái giãn xoắn được gọi là chất nhiễm sắc, và khi phân bào chúng ở  trạng thái xoắn và co ngắn lại tạo thành các thể  có hình dạng nhất định được gọi là  nhiễm sắc thể. Sau khi ADN được tái bản, nhiễm sắc thể được nhân đôi ở pha S của   kì trung gian, nhiễm sắc thể  sẽ  gồm 2 nhiễm sắc tử đính với nhau  ở  trung tiết (tâm  động). Vì nhiễm sắc thể  có cấu trúc phức tạp, nằm trong nhân có màng nhân, nên   phương thức phân bào diễn ra phức tạp và đòi hỏi phải có bộ máy phân bào (thoi phân   bào). Có hai phương thức phân bào là: phân bào nguyên nhiễm (nguyên phân ­ mitosis)   và phân bào giảm nhiễm (giảm phân ­ meiosis).  2.1. Cơ chế nguyên phân Nguyên phân là hình thức phân bào nguyên nhiễm, trong đó từ một tế  bào ban đầu  phân chia sẽ tạo ra hai tế bào mới giống nhau và giống hệt tế bào ban đầu. Người ta  quy ước chia nguyên phân thành năm kì: kì đầu, kì trước giữa, kì giữa, kì sau và kì cuối.   Gối lên kì cuối của nguyên phân là kì chia tế bào chất và kết thúc pha phân bào (Hình   4). Sau khi hoàn thành kì trung gian, các nhiễm sắc thể  đơn đã nhân đôi để  tạo thành   nhiễm sắc thể kép. Mỗi nhiễm sắc thể kép gồm hai nhiễm sắc tử chị em dính với nhau   ở  tâm động và dọc theo nhiễm sắc thể  nhờ  các protein cohesin. Mỗi trong nhiễm sắc   tử  có một thể  động, một cấu trúc protein liên kết với một đoạn đặc hiệu của ADN  nhiễm sắc thể   ở  tâm động. Hai thể  động của nhiễm sắc thể  kép quay về  hai hướng   đối lập nhau.  Bước vào kì đầu của nguyên phân, các nhiễm sắc thể  kép bắt đầu co xoắn.  Ở  tế  bào thực vật, do có không bào trung tâm lớn nên trước khi quá trình nguyên phân bắt  đầu, nhân phải di chuyển vào trung tâm của tế  bào. Hạch nhân dần tiêu bến, bộ  máy  phân bào xuất hiện. Tế  bào động vật có trung thể  gồm hai trung tử  và vùng quanh  trung tử, trung tử nhân đôi ở pha S kì trung gian tạo thành hai đôi trung tử con và phát   triển thành trung thể mới. Do sự hoạt hoá của chất quanh trung tử, các đơn hợp tubulin   trong tế  bào chất trùng hợp hoá thành các vi  ống tubulin. Các vi  ống xếp phóng xạ  8
  9. quanh trung tử mới, tạo thành sao phân bào. Hai trung thể và hai sao di chuyển vể hai   cực tế bào. Giữa hai sao, các vi ống phát triển sắp xếp thành hệ thống sợi có dạng hình  thoi được gọi là thoi phân bào. Tế bào của thực vật thiếu các trung tử;  thay vào đó, các  vi  ống hình thành một trục trên bề  mặt của nhân và sau đó được tổ  chức thành một   trục bởi chính các nhiễm sắc thể, sau khi vỏ nhân bị phá vỡ.  Kì trước giữa, các lamins được phosphoryl hóa bởi các  yếu tố  thúc đẩy nguyên  phân (MPF), màng nhân tan rã đứt ra thành nhiều đoạn và biến thành các bóng không   bào bé phân tán trong tế bào chất, tạo điều kiện cho nhiễm sắc thể di chuyển ra ngoại   vi tế  bào. Các vi ống thể động bắt đầu tìm kiếm và gắn vào các thể  động của nhiễm  sắc thể. Một số vi ống không gắn vào thể động của nhiễm sắc thể (các vi ống không  thể  động)  sẽ tìm và tương tác với các vi  ống không thể  động tương  ứng từ  phía đối  diện để  hình thành thoi phân bào. Khi một vi  ống kết nối với thể  động, một protein   động cơ  sẽ  kích hoạt, sử  dụng năng lượng từ ATP để  "trượt" lên  ống về  phía trung  thể  khởi đầu. Hoạt động vận động này, cùng với quá trình polyme hóa và khử  phân  giải của các vi ống, cung cấp lực kéo cần thiết để sau này phân tách hai nhiễm sắc tử  của nhiễm sắc thể. Kì giữa là kì dài nhất của nguyên phân, sau khi các vi ống đã định vị và gắn vào các   thể  động, hai trung thể  bắt đầu kéo các nhiễm sắc thể  về  các đầu đối diện của tế  bào. Sự  kéo căng của thoi phân bào làm cho các nhiễm sắc thể  sắp xếp dọc theo  mặt  phẳng xích đạo, một đường tưởng tượng nằm  ở  trung tâm tế  bào. Để  đảm bảo sự  phân bố  đồng đều của các nhiễm sắc thể   ở  cuối quá trình nguyên phân,  điểm kiểm  tra chuyển tiếp đảm bảo rằng các thể  động được gắn đúng vào thoi phân bào và các   nhiễm sắc thể được xếp thẳng hàng. Kì sau bắt đầu khi các protein cohesin tách nhau ra khiến các nhiễm sắc tử chị em  của mỗi cặp đột ngột tách nhau theo, mỗi nhiễm sắc tử trở thành một nhiễm sắc thể  đơn, trượt dọc theo thoi phân bào về  hai phía đối diện của tế  bào. Các vi  ống không   gắn với nhiễm sắc thể dài ra và đẩy ra xa nhau, tách các cực và làm cho tế bào dài ra.   Tất cả các quá trình này đều được thúc đẩy bởi các protein vận động , các cỗ máy phân  tử có thể  “trượt” dọc theo các đường dẫn vi  ống và mang nhiễm sắc thể hoặc các vi  ống khác về hai cực của tế bào. Đây là thời kì diễn ra nhanh nhất của nguyên phân, chỉ  mất vài phút. Kết thúc kì sau, ở hai cực của tế bào có hai bộ nhiễm sắc thể hoàn chỉnh  và tương đương nhau. Khi các nhiễm sắc thể đã di chuyển xong về hai cực của tế bào cũng là lúc kì cuối   bắt đầu. Các vi ống cực tiếp tục dài ra, kéo dài tế  bào hơn nữa. Một vỏ  nhân mới sẽ  hình thành bằng cách sử  dụng các túi màng của vỏ  nhân cũ của tế  bào mẹ.  Vỏ  mới  hình thành xung quanh mỗi bộ nhiễm sắc thể con đã tách rời và nhân con xuất hiện trở  lại, thoi phân bào tiêu biến. Cả  hai bộ  nhiễm sắc thể, bây giờ  được bao quanh bởi  màng nhân mới, bắt đầu "giãn" hoặc phân rã. Quá trình phân chia nhân hoàn tất, mỗi  9
  10. nhân con có một bộ nhiễm sắc thể giống hệt nhau.  Ngay sau đó quá trình phân chia tế  bào chất diễn ra phân cắt tế bào mẹ thành hai tế bào con. Tế bào động vật hình thành  eo thắt và lõm sâu của eo tiến tới cắt đôi tế bào chất. Khi vòng sợi actin co rút kéo theo  phần màng sinh chất lõm thắt vào trung tâm, và khi màng nối với nhau sẽ phân tách tế  bào chất thành hai nửa, mỗi nửa chứa một nhân con. Đối với tế bào thực vật do được  bao bởi thành xenlulozơ nên sự phân chia tế bào chất xảy ra khác với tế bào động vật.  Một vách ngăn ngang xuất hiện ở vùng trung tâm xích đạo, và phát triển dần ra ngoại   vi cho đến khi liên kết với thành tế  bào, và như  vậy phân tách tế  bào chất thành hai   nửa chứa nhân con. 2.2. Cơ chế giảm phân Giảm phân, phân bào giảm nhiễm, là hình thức phân bào chỉ  xảy ra ở các tế  bào   sinh dục chín (tế bào sinh tinh và sinh trứng) tạo ra các giao tử (tinh trùng hoặc trứng)  mang một nửa bộ  nhiễm sắc thể  của tế  bào mẹ  ban đầu. Giống với nguyên phân,   giảm phân cũng có một lần nhân đôi nhiễm sắc thể ở pha S kì trung gian nhưng có hai  lần phân bào liên tiếp là giảm phân I và giảm phân II, trong mỗi lần phân bào lại chia   thành các kì: kì đầu, kì giữa, kì sau, kì cuối. Diễn biến chi tiết của quá trình giảm phân   được mô tả như trong hình 5. Giảm phân I chính là quá trình phân ly các nhiễm sắc thể  trong cặp nhiễm sắc  thể tương đồng, tạo ra hai tế bào đơn bội. Kì đầu I cho đến nay là giai đoạn dài nhất,  nhiễm sắc thể  bắt đầu co xoắn, màng nhân và nhân con dần tan rã, bộ  máy phân bào  xuất hiện. Trung thể  sau khi nhân đôi tiến dần về  hai cực tế  bào, các thoi phân bào  hình thành. Các cặp nhiễm sắc thể tương đồng, tiếp hợp và có thể trao đổi chéo thông  tin di truyền cho nhau. Tiếp hợp kết thúc  ở  giữa kì đầu và nhiễm sắc thể  trong từng   cặp dần tách nhau ra. Mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng có một hoặc nhều hơn các   bắt chéo, điểm xảy ra trao đổi chéo và các nhiễm sắc thể tương đồng vẫn còn liên  kết   với nhau nhờ lực cố kết giữa các nhiễm sắc tử chị em. Cuối kì đầu I, vi ống từ các cực   gắn vào hai thể động, cấu trúc protein nằm  ở  tâm động của các nhiễm sắc thể  . Cặp  nhiễm sắc thể tương đồng sau đó di chuyển về măt phẳng xích đạo của tế  bào. Ở  kì  giữa, các cặp nhiễm sắc thể  tương đồng xếp thành hai hàng  ở  mặt phẳng xích đạo,  10
  11. mỗi nhiễm sắc thể trong một cặp hướng về một cực của tế bào. Cả hai nhiễm sắc tử  của một nhiễm sắc thể tương đồng gắn với các vi ống thể  động từ  một cực, còn các  nhiễm sắc tử  của các nhiễm sắc thể  kia gắn với vi  ống từ  cực đối lập. Sau đó các   protein gắn kết các nhiễm sắc tử chị em bị phân hủy làm cho các nhiễm sắc thể tương  đồng tách nhau ra. Mỗi nhiễm sắc thể trong cặp tương đồng di chuyển về một cực đối   lập nhờ sự định hướng của bộ thoi phân bào. Lực cố kết giữa các nhiễm sắc tử chị em   vẫn duy trì ở tâm động, làm cho các nhiễm sắc tử di chuyển như một đơn vị hướng về  cùng một cực. Sau khi các sự kiện của kì sau I kết thúc, tế bào chuyển sang kì cuối I và   phân chia tế bào chất. Đầu kì cuối I, mỗi nửa tế bào có một bộ nhiễm sắc thể đơn bội   hoàn chỉnh với các nhiễm sắc thể  đã được nhân đôi. Mỗi nhiễm sắc thể  gồm hai  nhiễm sắc tử  chị  em, một hoặc cả hai nhiễm sắc tử có vùng ADN của nhiễm sắc tử  không chị  em. Qúa trình phân chia tế  bào chất diễn ra tương tự  như phân chia tế  bào  chất ở nguyên phân: tế bào động vật hình thành eo thắt trung tâm, tế bào thực vật hình   thành vách ngăn ngang phân cắt tế  bào. Kết thúc kì cuối, nhiễm sắc thể  dãn xoắn và   màng nhân, nhân con tái hình thành. Sau khi kết thúc giảm phân I, tế  bào trải qua một kì chuyển tiếp rất ngắn rồi   ngay lập tức bước vào giảm phân II mà không có quá trình nhân đôi nhiễm sắc thể.  Lần phân bào II cũng trải qua các kỳ: kỳ  đầu II, kỳ  giữa II, kỳ  sau II, kỳ  cuối II và  phân tế  bào chất để  tạo thành hai tế  bào mang nhiễm sắc thể  đơn bội. Người ta nói  lần phân bào hai là phân bào cân bằng và nó có cơ chế tương tự với phân bào nguyên   phân. Sự phân ly ở kỳ sau hai giống hệt với nguyên phân, hai nhiễm sắc tử chị em tách  khỏi nhau và di chuyển về hai cực theo mặt phẳng cắt dọc giữa hai nhiễm sắc tử ch ị  em. Do chỉ có một lần nhân đôi nhiễm sắc thể diễn ra vào kì trung gian trước lần phân   bào I nhưng lại có tới hai lần phân chia nhiễm sắc thể cho các tế bào con ở kì sau I và  sau II nên khi kết thúc quá trình giảm phân, từ một tế bào có bộ nhiễm sắc thể lưỡng  bội ban đầu sẽ tạo ra bốn tế bào con đơn bội. PHẦN III. ĐIỀU KHIỂN CHU KÌ TẾ BÀO 1. Đặc điểm của chu kì tế bào Chu kì tế bào là một chu trình tuần hoàn các sự kiện xảy ra trong một tế bào từ  lần phân bào này cho đến lần phân bào kế tiếp. Chu kì tế  bào  ở  sinh vật nhân sơ  rất đơn giản và được chia thành ba giai đoạn:   giai đoạn giữa phân chia  (sơ  sinh) và bắt đầu sao chép nhiễm sắc thể  (giai  đoạn   B); thời kỳ  cần thiết để  sao chép nhiễm sắc thể  (kỳ  C);  và khoảng thời gian từ  khi  hoàn thành quá trình nhân đôi nhiễm sắc thể đến khi hoàn thành quá trình phân chia tế  bào (kỳ D) (Hình 6). 11
  12. 12
  13. Chu   kì   tế   bào   ở   sinh   vật  nhân thực diễn ra phức tạp hơn  với hai thời kì chính là kì trung  gian   và   phân   bào   (M).   Kì   trung  gian bao gồm ba pha là G1, S, G2  (Hình 7). Chu kỳ  phân bào có ý  nghĩa   sống   còn   đối   với   tế   bào  bởi   nhờ   đó   mà   trứng   được   thụ  tinh từ một tế bào đơn phát triển  thành cơ  thể  trưởng thành, đồng  thời tóc, da, tế  bào máu và một  vài cơ  quan nội tạng luôn được  làm mới. Sau giai đoạn phân chia,  mỗi tế  bào con tạo thành sẽ  bắt  đầu kỳ trung gian của một chu kỳ phân bào mới. Pha Gl là pha sinh trưởng của tế bào  vì trong pha này xảy ra sự tổng hợp các ARN và protein, số lượng nhiễm sắc thể chứa   hàm lượng ADN là ổn định. Mỗi một nhiễm sắc thể chứa một phân tử  ADN liên kết   với histon  ở  trạng thái hoạt động. Vào cuối pha G l, có một thời điểm được gọi là  điểm kiểm soát R. Nếu tế bào vượt qua điểm R chúng tiếp tục đi vào pha S.  Đối với   các tế bào biệt hoá thì tế bào không vượt qua R mà đi vào quá trình biệt hoá tế bào để  tạo nên các dòng tế bào sinh dưỡng (tế bào soma) khác nhau, có chức năng khác nhau.   Cuối pha G1 tế  bào tổng hợp một loại protein đặc trưng là cyclin A và được tích luỹ  trong nhân tế bào. Pha S: chủ yếu xảy ra sự tổng hợp ADN (tái bản ADN) và nhân đôi   nhiễm sắc thể. Protein cyclin A (nhân tố  hoạt hoá tổng hợp ADN) tác động cho tới  cuối pha S thì biến mất. Sau pha S, hàm lượng ADN và số  lượng nhiễm sắc thể  đã  được nhân đôi. Pha G2: các ARN và protein được tổng hợp chuẩn bị  cho phân bào.   Cuối pha G2, một protein được tổng hợp là cyclin B và được tích luỹ  trong nhân cho   đến tiền kỳ phân bào. Cyclin B hoạt hoá enzim kinaza và đóng vai trò quan trọng trong   việc thực hiện quá trình phân bào như sự tạo thành các vi ông tubulin để tạo thành thoi  phân bào. Tiếp theo pha G2 là pha phân bào, là thời kỳ tế bào mẹ phân chia thành 2 tế  bào con. 2. Điều khiển chu kì tế bào 2.1. Điều khiển chu kì tế bào ở sinh vật nhân sơ Chất dinh dưỡng là yếu tố quyết định chính cho việc bắt đầu sao chép nhiễm sắc   thể của sinh vật nhân sơ. Việc sản xuất protein khởi đầu DnaA và các thành phần thiết  yếu khác của cơ  chế  sao chép tỷ  lệ  thuận với lượng cacbon sẵn có và tốc độ  tăng  trưởng. Sự thiếu hụt các axit amin sẽ ức chế trực tiếp sự khởi đầu sao chép thông qua  13
  14. việc sản xuất guanosine tetraphosphate và guanosine pentaphosphate (được gọi chung là  (p) ppGpp). Tốc độ tăng trưởng cũng có thể ảnh hưởng gián tiếp đến sự khởi đầu, có  khả năng ngăn chặn sự khởi đầu quá mức. Sự sẵn có của chất dinh dưỡng và sự thiếu   axit amin cũng ảnh hưởng đến sự kéo dài sao chép và sự phân li của nhiễm sắc thể.  Việc đạt được kích thước hoặc khối lượng cụ  thể đã được chấp nhận rộng rãi  như là cơ chế chính liên kết sự phát triển của tế bào với việc bắt đầu sao chép nhiễm  sắc thể. Theo hướng này, một yếu tố cần thiết để bắt đầu sao chép, thường được giả  định là DnaA, tích lũy phụ  thuộc vào tốc độ  tăng trưởng, đạt đến ngưỡng khi tế  bào  đạt được kích thước cụ thể (được gọi là 'khối lượng ban đầu') để  kích hoạt sao chép  (Donachie, 1968). Nếu khối lượng ban đầu không đổi có nghĩa là các tế bào ngắn phải   trì hoãn quá trình sao chép cho đến khi chúng đạt đến kích thước thích hợp, trong khi  các tế bào dài hơn sẽ bắt đầu sao chép ADN sớm hơn. Đây là một cơ chế đơn giản để  duy trì cân bằng kích thước tế bào trong một quần thể nhất định.  Sự kiểm soát tạm thời quá trình phân chia tế bào ở sinh vật nhân sơ (Hình 8). Quá trình lắp ráp FtsZ được phối hợp với việc bắt  đầu sao chép DNA và phân ly  nucleoid để  đảm bảo rằng các tế  bào con nhận được các bản sao hoàn chỉnh của bộ  gen vi khuẩn. Ở Bacillus subtilis , con đường sinh tổng hợp glucolipid đóng vai trò như  một bộ  cảm biến trao đổi chất để  truyền thông tin về  lượng carbon và tốc độ  tăng  trưởng, thông qua nồng độ UDP­glucose nội bào, đến bộ máy phân chia.  Khi cảm biến  14
  15. này   hoạt   động   (trên   cùng),   sự  phân chia được kết hợp với việc   đạt được kích thước cụ thể (được  gọi là 'khối lượng tới hạn') cũng  như   thời   gian   nhân   đôi   khối  lượng. Khi   cảm   biến   này   bị   lỗi  (dưới cùng), sự phân chia không bị  tách rời khỏi việc đạt được khối  lượng   tới   hạn   nhưng   vẫn   nhạy   cảm với thời gian nhân đôi khối  lượng, dẫn đến giảm kích thước  tế bào. 2.2. Điều khiển chu kì tế bào ở sinh vật nhân thực Điều hòa chu kỳ tế bào rất quan trọng đối với tế bào, bao gồm phát hiện và sửa   chữa những tổn thương trong bộ gen cũng như ngăn ngừa sự phân chia tế bào một cách   mất kiểm soát. Cơ chế kiểm soát chu kỳ tế bào được lập trình và có định hướng, nghĩa   là mỗi quá trình xảy ra theo một hướng liên tục và không thể  đảo ngược chu kỳ. Các   cơ chế điều hòa được thể hiện tóm tắt trong hình 9. Thứ  nhất là một hệ  thống các điểm chốt của chu kỳ  và cơ  chế  tác động điều   chỉnh của MPF. Cơ  chế  kiểm tra  ở  điểm chốt là cơ  chế  kiểm tra theo mối liên hệ  ngược, nghĩa là công việc  ở  giai đoạn sau chỉ  được bắt đầu khi công việc của giai   đoạn trước đó đã hoàn thành, cũng có nghĩa là công việc sẽ  xảy  ở  giai đoạn sau đã  được chuẩn bị  đầy đủ, tiền đề  cần thiết diễn ra  ở  giai đoạn trước đó. Tác động lên   điểm chốt có các tín hiệu nội bào và các tín hiệu đến từ  các tế  bào và các mô khác  trong cơ thể, cũng như tín hiệu đến từ môi trường. Có ba điểm chốt quan trọng: đó là  điểm chốt từ Gl sang S (ở nấm men được gọi là điểm xuất phát S (start), còn ở  động  vật bậc cao được gọi là điểm hạn định R (restriction)), khi tế bào vượt qua được điểm   chốt G l chúng sẽ đi vào S để tổng hợp ADN. Điểm chốt thứ hai là điểm chốt G2 để  kiểm tra cửa vào M của tế bào, và điểm chốt thứ 3 là điểm chốt M ở thời kỳ từ kì giữa  chuyển sang kì sau phân bào, thường được gọi là điểm cửa ra của phân bào, nghĩa là  khi tế  bào vượt qua điểm này sẽ  hoàn tất phân bào và đi vào Gl tiếp tục chu kỳ  mới   (hình 7). Điểm chốt Gl báo hiệu rằng quá trình tăng trưởng, quá trình chuẩn bị cho sự  tái bản ADN ỏ Gl đã được hoàn tất. Đối vổi các tế bào bị ách lại ở Gl, các nhân tố sinh  trưởng GF (Growth Factor) cũng như các chất kích thích phân bào thường tác động lên  điểm chốt Gl. Nhân tố phiên mã E2F có tác động kích thích sự phiên mã các gen mã hóa  cho các protein và enzim cần thiết cho sự tái bản ADN. Khi tế bào chưa vượt qua điểm   chốt G l thì E2F bị   ức chế  do liên kết với các protein  ức chế, ví dụ, protein Rb. Khi   15
  16. protein Rb bị photphorin hóa nhờ các phức hệ kinaza (tức MPF) như Cdk4/6­cyclinD và  Cdk2­ cyclinE thì E2F được giải phóng, chúng sẽ tác động cùng với Cdk2­ cyclinA lên  hệ  tái bản ADN, và như  vậy Gl được chuyển vào S. Người ta đã phát hiện ra protein  p53 (gọi như vậy vì khối lượng 53kDa) có vai trò ức chế tế bào người ở Gl khi có sự  hư hỏng ADN. Khi protein không hoạt động, các tế bào với hư hỏng ADN sẽ vượt qua   Gl vào S để tái bản ADN, hoàn thành chu kỳ và sẽ cho ra các tế bào con có thể chuyển   dạng thành tế  bào ung thư. Vì vậy người ta gọi gen mã hóa cho protein p53 là gen ức   chế ung thư (tumor suppressor gene). Trong trường hợp bình thường, protein p53 là một   nhân tố phiên mã, chúng rất không bền vững, vì vậy, chúng tồn tại với lượng rất ít vừa   đủ để  bám vào yếu tố kiểm tra tương  ứng của ADN và hoạt hóa sự  phiên mã. Sự  hư  hỏng ADN làm bền vững hoá protein p53 và nồng độ của chúng tăng cao, chúng sẽ tích   cực kích thích phiên mã. Một trong các gen được chúng kích thích phiên mã là gen mã  hóa cho protein ức chế CIP p21, là protein ức chế hoạt tính của phức hệ cyclin­kinaza.  CIP p21 liên kết và ức chế tất cả Cdk­cyclin ở động vật có vú và kết quả là các tế bào   bị ách lại ở Gl (hoặc G0) cho tới khi ADN hư hỏng đã được sửa chữa và nồng độ p53  và CIP p21 giảm xuống. Nếu ADN bị hư hại quá nặng thì protein p53 sẽ hoạt hóa các  gen dẫn đến quá trình tự chết của tế bào (apoptosis). Điểm chốt G2 báo hiệu là các quá  trình cần thiết cho sự phân bào phải được hoàn tất như sự tái bản ADN, sự đông đặc   và tăng xoắn của sợi nhiễm sắc, sự tạo thành các vi ống chuẩn bị cho sự tạo thành thoi  phân bào, thì tế bào mới vượt qua chốt để vào kì đầu của phân bào. Nếu các quá trình  đó chưa được hoàn tất hoặc có xảy ra sự hư hỏng ADN thì tế bào cũng bị dừng lại ở  G2 và không vào được M, như  vậy ngăn chặn không để  xảy ra sự  hư  hỏng trong hệ  gen của thế hệ tế bào con cháu. Điểm chốt của giai đoạn M ở kì giữa chuyển sang kì   sau: Nếu các quá trình như  tan rã màng nhân, tạo thoi phân bào và các trung tiết (tức   tâm động) bám gắn nhiễm sắc thể vào sợi của thoi... chưa hoàn tất thì tế bào bị dừng   lại ở trung kỳ.  Thứ hai là hệ thống điều chỉnh chu kỳ tế bào là gồm hai họ protein chủ yếu. Họ  thứ  nhất là các kinaza phụ  thuộc cyclin­Cdk có tác dụng phát động các quá trình tiền  thân bằng cách gây photphorin hóa nhiều protein đặc trưng tại gốc serin và threonin.   Họ  protein thứ  hai là các protein đặc biệt được gọi là cyclin, các cyclin đóng vai trò  kiểm tra hoạt tính photphorin hóa của Cdk đối với các protein đích. Khi cyclin liên kết   với Cdk thành một phức hệ thì Cdk ở  trạng thái hoạt tính và khi cyclin tách khỏi Cdk  thì Cdk không có hoạt tính. Cyclin và kinases phụ  thuộc cyclin (CDK) là hai loại phân  tử  điều hòa chủ  chốt quyết định diễn biến của chu kỳ  tế  bào. CDK chỉ  có hoạt tính  xúc tác khi được gắn với cyclin hay nói cách khác cyclin là một protein điều hòa có vai   trò hoạt hóa CDK. CDK thực hiện phản  ứng phosphoryl hóa hoạt hóa hay bất hoạt   protein mục tiêu để tế bào đi vào các pha tiếp theo của chu kỳ.Nhờ các tín hiệu ngoại   bào tiền nguyên phân, phức hợp cyclin­CDK G 1 trở  nên có hoạt tính giúp tế  bào tiến  16
  17. vào pha S bằng cách thúc đẩy sự  biểu hiện các nhân tố  phiên mã giúp tăng cường sự  biểu hiện cyclin của pha S và các enzyme cần thiết cho sự nhân đôi ADN. Phức hợp   cyclin­CDK G1cũng thúc đẩy sự phân hủy các phân tử ức chế pha S. Phức hợp cyclin­ CDK ở pha S phosphoryl hóa protein làm phức hợp tiền nhân đôi đã được tập hợp trong  suốt pha G1 gắn vào điểm khởi đầu sao chép ADN cảm  ứng sự  nhân lên của ADN.  Phức hợp cyclin­CDK nguyên phân bị bất hoạt trong suốt pha S và G2 sẽ khởi đầu giai  đoạn nguyên phân bằng cách kích thích các protein liên quan đến sự  xoắn chặt của   nhiễm sắc thể  và sự  hình thành thoi vô sắc. APC được hoạt hóa nhằm thúc đẩy sự  phân hủy các protein cấu trúc liên kết với phức hợp protein gắn vào tâm động nhiễm  sắc thể đồng thời phân hủy cyclin trong giai đoạn nguyên phân để kỳ cuối và giai đoạn  phân chia tế bào chất có thể tiếp tục. Cyclin D là cyclin đầu tiên được tạo ra trong chu  kỳ tế bào đáp ứng lại các tín hiệu ngoại bào chẳng hạn như các nhân tố  tăng trưởng.   Cyclin D gắn vào CDK4, tạo phức hợp cyclin D­CDK4 hoạt hóa có vai trò phosphoryl  hóa protein  ức chế  khối u (Rb) giúp Rb phân tách khỏi phức hợp E2F/DP1/Rb (phức   hợp này được gắn vào gen và ngăn chặn quá trình phiên mã) dẫn tới hoạt hóa E2F. Sự  hoạt hóa này cho phép phiên mã nhiều gen khác nhau như  cyclin E, cyclin A, DNA   polymerase, thymidine kinase, …. Cyclin E khi gắn vào CDK2  tạo phức hợp cyclin E­ CDK2 có vai trò đẩy tế  bào từ  G1 vào pha S. Sự  hoạt hóa phức hợp Cyclin B­CDK2  giúp phá vỡ  màng nhân và khởi đầu kỳ  đầu của giai đoạn nguyên phân, đồng thời sự  bất hoạt phức hợp này giúp tế bào thoát khỏi nguyên phân. Phức hợp cyclin­CDK ở các   giai đoạn khác nhau của tế bào nhân thực được mô tả ở hình   Thứ ba là nhân tố phát động trứng chín ­ MPF (M aturation Promoting Factor) giúp  điều chỉnh chu kì tế bào của phôi ở giai đoạn phát triển sớm. Nhân tố  này giúp cho tế  bào vượt qua điểm chốt G2 tiến vào M. Nhân tố MPF không chỉ có tác dụng phát động  để vượt qua điểm chốt G2 mà còn phát động vượt qua điểm chốt ở G l cho phép tế bào   đi vào S. Tồn tại một số cyclin, khi hàm lượng của chúng đạt tới ngưỡng nào đó sẽ tác  động hoạt hoá MPF và khi chúng bị  phân hủy sẽ  làm bất hoạt MPF và  ức chế  phân  bào. Thứ  tư  là các nhân tố  sinh trưởng giúp điều chỉnh chu kì tế  bào.  Tác động của   nhân tố  sinh trưởng có thể  gây cho tế  bào có hai đáp  ứng: đáp  ứng sớm và đáp  ứng   chậm. Trong đáp ứng sớm: Nhân tố sinh trưởng có tác động kích thích sự phiên mã của   nhiều gen, chủ  yếu là các gen mã hóa cho các nhân tố  phiên mã như  c­Fos và C­Jun.  Trong đáp  ứng chậm: Các protein được tổng hợp trong giai đoạn đáp ứng sớm có tác   động hoạt hóa các gen  ở  giai đoạn đáp  ứng chậm. Một số  gen này là các gen mã hóa  cho các nhân tố phiên mã như E2F. Một số gen khác trong đáp ứng chậm là các gen mã  hóa cho các loại cyclin D, A, E, các gen mã hóa cho các loại Cdk2, Cdk4 và Cdk6 cũng  được hoạt hóa và biểu hiện. Cho đến khi nào nồng độ các protein này tích lũy đủ thì tế  bào mới vượt qua điểm R để  vào S và tái bản ADN. Một số nhân tố  phiên mã E2F là   17
  18. cần thiết cho sự phiên mã các gen trên đây, cũng như các gen mã hóa cho nhiều protein   tham gia vào sự tổng hợp ADN và nhân tố E2F cũng kích thích sự phiên mã các gen mã   hóa cho bản thân chúng. Khả  năng kích thích phiên mã của E2F lại bị   ức chế  bởi   protein liên kết với chúng là Rb và bởi 2 protein thân thuộc khác là pl07 và pl30. Protein   Rb đầu tiên được xác định như  là sản phẩm của gen  ức chế, do đó dẫn đến sự  hoạt  hóa các gen cần thiết bởi E2F để đi vào giai đoạn S.  Một số protein  ức chế cũng có vai trò trong điều khiển chu kì tế  bào. các protein   có tác dụng  ức chế  hoạt tính của các cyclin­kinaza, được gọi là CKI (Cyclin Kinase  Inhibitor) và chúng có hai lớp: Một lớp được gọi là CIP (Cdk Inhibitor Protein), chúng  liên kết và  ức chế  tất cả  các phức hệ  Cdkl­, Cdk2­, Cdk4­ và Cdk6­cyclin. Một lớp  khác được gọi là INK4 (kinase­4­inhibitor) liên kết và  ức chế phức hệ Cdk4­cyclin D  và Cdk6­cyclin D. Người ta đã biết được một loại protein INK4 là pl6 có tác động như  một chất ức chế ung thư (tumor suppressor). Người ta cũng đã biết được ở động vật có  vú có ba lớp protein CIP được gọi là p21, p27 và p57. Các protein ức chế như INK4 và   các CIP như p21, p27 và p57 đóng vai trò ức chế hệ MPF, từ đó ức chế chu kỳ tế bào.   Vai trò của CIP p21 là đáp  ứng lại sự  hư  hỏng của ADN  ở  tế  bào động vật có vú.   Chúng cũng có vai trò ức chế sự tăng sinh tế bào trong phát triển phôi sinh. Protein CIP  p57 được biểu hiện trong các tế  bào được biệt hóa của đa số  mô của cơ  thể  trưởng   thành. Như vậy cơ chế phân bào và điều khiển chu kì tế bào ở  sinh vật nhân thực diễn   ra phức tạp và chặt chẽ  hơn so với sinh vật nhân sơ. Điều này phù hợp với sự  phức  tạp và hoàn thiện hơn về cấu trúc của tế bào nhân thực và đồng thời giúp đảm bảo sự  sinh trưởng, phát triển bình thường, ổn định của tế bào và cơ thể.  18
  19. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. N.A. Campbell, J.B Reece, L.A Urry, M.L Cain, S.A Wasseman, P.V Minorsky và R.B  Jackson (2012), Sinh học (dịch theo sách xuất bản lần thứ 8). NXB Giáo dục Việt Nam  6  2. Nguyễn Như Hiền (2007), Giáo trình Sinh học tế bào, NXB Đại học Quốc gia Hà  Nội  3. Jue D. Wang and Petra A. Levin (2009). Metabolism, cell growth and the bacterial cell  cycle, Nature Reviews Microbiology volume 7, pages822–827. 4. Eric V. Wong (2009), Cells: Molecules and Mechanisms, Axolotl Academic  Publishing. 5. http://biomedia.vn/review/chu­ki­te­bao.html 6. https://www.scienceabc.com/pure­sciences/what­is­meiosis­definition­and­stages.html 7. https://vi.wikipedia.org/wiki/Nguy%C3%AAn_ph%C3%A2 19
nguon tai.lieu . vn
Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học Công nghệ thông tin Kinh tế - Thương mại Tài chính - Ngân hàng Kiến trúc - Xây dựng Điện-Điện tử-Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Công nghệ - Môi trường Báo cáo khoa học Quản trị kinh doanh Khoa học xã hội Khoa học tự nhiên Nông - Lâm - Ngư Y khoa - Dược