SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG A1

PHẦN I : SINH HỌC TẾ BÀO

PHẦN I

SINH HỌC TẾ BÀO

--- oOo ---

CHƯƠNG 1

CẤU TRÚC CỦA TẾ BÀO

--- oOo ---

I. ĐẠI CƯƠNG: 1. Lược sử phát hiện tế bào

2. Thuyết tế bào

3. Hình dạng và kích thước tế bào

4. Phân loại tế bào

II. CẤU TRÚC CỦA TẾ BÀO CHÂN HẠCH

1. Màng tế bào

2. Các bào quan

3. Nhân

4. Màng nhân

5. Vách tế bào và vỏ tế bào

6. Tiêm mao và chiên mao

III. CẤU TRÚC CỦA TẾ BÀO SƠ HẠCH

IV. CÁC ÐẠI PHÂN TỬ QUAN TRỌNG TRONG TẾ BÀO

1. Carbohydrat, lipid, protein

2. Enzim

===============================================================

CHƯƠNG 1

CẤU TRÚC CỦA TẾ BÀO

Cơ thể sinh vật được cấu tạo bởi những đơn vị cơ bản được gọi là tế bào. Cơ thể con người được cấu tạo bởi hàng ngàn tỉ tế bào. Trẻ sơ sinh có khoảng 2.000 tỉ tế bào, người trưởng thành có khoảng 100.000 tỉ tế bào; có khoảng 30 tỉ tế bào trong não, 20 tỉ tế bào hồng cầu trong máu và có khoảng 200 loại tế bào chuyên hóa khác nhau. Trong khi đó vi khuẩn và các vi sinh vật, cơ thể chỉ là một tế bào. Hầu hết tế bào không thấy được bằng mắt trần nên những hiểu biết về tế bào tùy thuộc vào trình độ phát triển của kính hiển vi. Vào các năm 50, các nhà sinh vật học mới biết có 5 hay 6 bào quan hiện diện bên trong tế bào, nhưng hiện nay với kính hiển vi điện tử người ta đã quan sát được ở mức siêu cơ cấu của rất nhiều bào quan hiện diện trong tế bào.

I. ÐẠI CƯƠNG VỀ TẾ BÀO

1. Lược sử phát hiện tế bào TOP

Hầu hết các tế bào đều có kích thước rất nhỏ nên mắt trần không thể quan sát được, do đó lược sử phát hiện tế bào gần như là lịch sử phát minh ra kính hiển vi. Galileo (1564 - 1642) chế tạo ra viễn vọng kính để quan sát bầu trời, tình cờ khám phá ra những vật rất nhỏ khi quan sát bằng cách lật ngược đầu kính lại.

Antoni Van Leeuwenhoek (1632 - 1723) người Hà Lan, do yêu cầu kiểm tra tơ lụa, ông mài các thấu kính để quan sát chất lượng của vải, nhờ đó quan sát được những vật li ti quanh môi trường sống và khám phá ra sự hiện diện của thế giới vi sinh vật.

Robert Hooke (1635 - 1703) người Anh, lần đầu tiên mô tả các lỗ nhỏ có vách bao bọc của miếng bấc (nút bần) cắt ngang dưới kính hiển vi năm 1665 và Hooke dùng thuật ngữ tế bào (cellula có nghĩa là phòng, buồng nhỏ, vì ý nghĩa lịch sử từ này vẫn còn được dùng cho đến ngày nay) để chỉ các lỗ đó.

2. Thuyết tế bào TOP

Mãi đến thế kỷ 19 khái niệm sinh vật có cấu tạo tế bào của Hooke mới được sống dậy từ nhiều công trình nghiên cứu, đặc biệt hai công trình của hai người Ðức: nhà thực vật học Matthias Jakob Schleiden (1838) và nhà động vật học Theodor Schwann (1839). Hai ông đã hệ thống hóa quan điểm thành thuyết tế bào Tất cả các sinh vật do một hay nhiều tế bào tạo thành, nói một cách khác, Tế bào là đơn vị cấu tạo sống cơ bản của tất cả sinh vật. Ðến năm 1858 thuyết tế bào được mở rộng thêm do một bác sĩ người Ðức (Rudolph Virchow): Tế bào do tế bào có trước sinh ra. Quan điểm (mở rộng tế bào) của Virchow sau đó được Louis Pasteur (1862) thuyết phục các nhà khoa học đồng thời bằng hàng loạt thí nghiệm chứng minh. Như vậy có thể tóm tắt thuyết tế bào như sau: Tế bào là đơn vị cấu tạo sống cơ bản của tất cả sinh vật, tế bào do tế bào có trước sinh ra.

3. Hình dạng và kích thước tế bào TOP

a. Hình dạng

Hình dạng của tế bào rất biến thiên và tùy thuộc rất nhiều vào tế bào là một sinh vật đơn bào hay tế bào đã chuyên hóa để giữ một nhiệm vụ nào đó trong cơ thể sinh vật đa bào. Từ những dạng đơn giản như hình cầu, hình trứng, hình que có thể gặp ở các sinh vật đơn bào đến những hình dạng phức tạp như các tế bào hình sao ở mô thực vật, hay các tế bào thần kinh ở động vật cấp cao...

Ðặc biệt ở các sinh vật đơn bào hình dạng có ý nghĩa quan trọng đối với đời sống của chúng. Thí dụ, vi khuẩn hình cầu có thể chịu đựng được sự khô hạn giỏi vì diện tích tiếp xúc với môi trường bên ngoài ít do đó giữ được nước dù môi trường sống rất khô. Ngược lại vi khuẩn hình que dài có diện tích tiếp xúc cho mỗi đơn vị thể tích với môi trường bên ngoài lớn hơn nên có thể tồn tại dễ dàng trong môi trường có nồng độ thức ăn không cao.

b. Kích thước

Kích thước của tế bào cũng rất biến thiên theo loại tế bào. Nói chung, thường tế bào rất nhỏ và phải dùng kính hiển vi mới quan sát được. Vi khuẩn có lẻ là những sinh vật đơn bào có kích thước nhỏ nhất. Thí dụ, vi khuẩn Dialister pneumosintes có kích thước rất nhỏ 0,5 x 0,5 x 1,5 (m trong khi trứng của chim đà điểu là tế bào có đường kính đến 20 cm, hay tế bào thần kinh có đường kính nhỏ nhưng có thể dài đến 90 - 120 cm. Trung bình thì đường kính biến thiên trong khoảng từ 0,5 đến 40 (m).

Thật ra độ lớn nhỏ của tế bào không quan trọng mà tỉ lệ giữa diện tích bề mặt và thể tích tế bào mới có ảnh hưởng lớn đến đời sống của một tế bào. Tế bào lấy thức ăn, oxy từ môi trường chung quanh và thải chất cặn bả ra bên ngoài tế bào. Các vật liệu này đều phải di chuyển xuyên qua bề mặt của tế bào. Khi tế bào gia tăng kích thước, thể tích tăng gấp nhiều lần so với sự gia tăng của diện tích (ở hình cầu, thể tích tăng theo lủy thừa bậc ba trong khi diện tích tăng theo lủy thừa bậc hai). Do đó, khi tế bào càng lớn lên thì sự trao đổi qua bề mặt tế bào càng khó khăn hơn

4. Phân loại tế bào TOP

Dựa trên đặc điểm cấu trúc của tế bào có thể phân chia tế bào của sinh vật ra làm hai nhóm: tế bào sơ hạch và tế bào chân hạch.

* Tế bào sơ hạch là loại tế bào không có màng nhân. ADN có kiến trúc xoắn vòng kín. Không có các bào quan có màng. Các tế bào này gặp ở các sinh vật thuộc giới sinh vật sơ hạch: Archaebacteria và Eubacteria.

* Tế bào chân hạch là loại tế bào có nhân với màng nhân bao quanh, và nhiều loại bào quan có màng bao. Các tế bào này gặp ở các sinh vật thuộc các giới Protista, Nấm, Thực vật và Ðộng vật.

II. CẤU TRÚC CỦA TẾ BÀO CHÂN HẠCH (Hình 1 và 2)

1. Màng tế bào TOP

Tế bào được một màng bao bọc gọi là màng tế bào, bên trong màng là chất nguyên sinh (protoplasm), gồm tế bào chất (cytoplasm), nhân và các bào quan (organelle) khác (Cấu trúc của màng sẽ được đề cập trong chương 2).

2. Các bào quan TOP

a. Mạng nội chất (endoplasmic reticulum: ER)

Mạng nội chất được phát hiện vào năm 1945 dưới kính hiển vi tương phản pha (phase-contrast microscope). Mạng nội chất hiện diện ở tất cả tế bào chân hạch. Kính hiển vi điện tử cho thấy mạng nội chất nối liền với màng ngoài của nhân ở một số vị trí.

Mạng nội chất giống như một hệ thống ống và túi, tròn hay dẹp, thông thương với nhau và có màng bao quanh (cisternae). Khoảng giữa hai màng của túi, ống được gọi là khoang (lumen). Ở hầu hết tế bào, mặt ngoài của mạng nội chất có các ribô thể gắn vào, khi đó nó được gọi là mạng nội chất sần (RER), nơi không có các ribô thể được gọi là mạng nội chất láng (SER) (Hình 3a và 3b).

Hình 3a. Mạng nội chất sần Hình 3b. Mạng nội chất láng

Vùng ngoại vi của màng nhân liên tục với khoang của mạng nội chất. Do đó, những kênh trên mạng nội chất có thể là con đường để vận chuyển vật chất giữa nhân và những phần khác của tế bào chất, tạo ra một hệ thống thông tin giữa nhân là trung tâm điều khiển và phần còn lại của tế bào. Hầu hết protein liên kết với màng hay được vận chuyển bởi mạng nội chất được tổng hợp bởi ribô thể của mạng nội chất

sần. Protein tổng hợp từ các ribô thể tự do trong tế bào chất sẽ thực hiện chức năng trong dịch tế bào chất.

Nhiệm vụ của mạng nội chất không đơn thuần là đường vận chuyển bên trong tế bào. Màng của mạng nội chất là nơi chứa các protein và các protein này có cả hai chức năng, vừa là thành phần cấu trúc vừa là enzim xúc tác các phản ứng hóa học. Hiện nay, có nhiều bằng chứng cho thấy rằng ít nhất là một số protein cấu tạo mạng nội chất hoạt động như enzim; một số của những enzim này được gắn thêm một đường đa ngắn, đường này có nhiệm vụ như một cái nhản đưa thư (mailing label) để đưa protein đến đúng nơi nhận trong tế bào. Trong hình 4 một chuỗi gồm 14 phân tử đường gắn vào phân tử protein trên mạng nội chất sần có chức năng như một cái nhản, protein nào không có nhản thì sẽ ở lại mạng nội chất. Khi bốn phân tử đường cuối cùng được tách ra thì protein sẽ được chuyển đến hệ Golgi (G: glucoz, M: manoz, N: N-acetyl-glucosamin).

Mạng nội chất còn có nhiệm vụ như một xưởng chế tạo, các enzim của chúng xúc tác sự tổng hợp các phospholipid và cholesterol được dùng để tạo ra màng mới hay các protein màng được tổng hợp bởi ribô thể trên mạng nội chất là thành phần của màng lipid mới. Vùng láng đặc biệt gia tăng ở các tế bào có nhiệm vụ tổng hợp lipid như hormon steroid. Ở tế bào gan của động vật có xương sống, protein màng của vùng láng có vai trò quyết định trong sự thải chất độc và dược phẩm như các thuốc giảm đau (barbiturate), các loại thuốc kích thích như camphetamin, morphin và codein.

Hình 4. Protein được gắn nhản

b. Hệ Golgi

Hệ Golgi (do Camillo Golgi, người đầu tiên mô tả vào năm 1898) gồm một hệ thống túi dẹp có màng bao và xếp gần như song song nhau (Hình 5). Mặt phía gần nhân được gọi là mặt cis, phía đối diện là mặt

trans. Các túi chuyên chở (transport vesicle) chứa bên trong lipid và protein mới được tổng hợp, được tách ra từ màng của mạng nội chất hòa vào các túi dẹp của hệ Golgi ở mặt cis. Các chất này vào trong hệ Golgi được biến đổi, sắp xếp lại và sau đó các túi mới được tách ra từ mặt trans. Các túi này vận chuyển các phần tử đến các bào quan khác và màng sinh chất, đôi khi các túi được chuyển đến glycocalyx.

Hệ Golgi đặc biệt to ở những tế bào tiết như tế bào tụy tạng tiết ra insulin hay tế bào ruột non tiết ra chất nhày (mucus). Hiện nay, người ta biết vai trò của hệ Golgi trong chức năng tiết là tồn trử, biến đổi (cô đặc lại) và bọc các sản phẩm tiết lại. Mặc dù sự tổng hợp protein không xảy ra ở hệ Golgi, nhưng những đường đa được tổng hợp tại đây từ các đường đơn sẽ được gắn vào lipid hay protein để tạo ra glycolipid hay glycoprotein. Các túi được tách ra từ hệ Golgi có vai trò quan trọng làm tăng bề mặt của màng tế bào. Khi túi được chuyển đến bề mặt của màng sinh chất, chúng sẽ được gắn vào màng này, sau đó vỡ ra và phóng thích nội dung ra bên ngoài tế bào trong quá trình ngoại xuất bào, một phần hay tất cả màng của túi được hòa vào màng sinh chất hay trở về hệ Golgi.

Các kết quả nghiên cứu cho thấy có sự liên quan giữa những phần khác nhau của tổng thể hệ thống màng

trong tế bào. Một phân tử cấu trúc màng có nguồn gốc từ vùng sần của mạng nội chất được chuyển đến vùng láng, sau đó đi đến hệ Golgi trong các túi chuyên chở và cuối cùng đến màng sinh chất, từ đây chúng có thể trở về hệ Golgi hay một số bào quan khác chỉ là một túi rổng. Như vậy màng phospholipid luôn được đổi mới.

c. Tiêu thể (lysosome)

Tiêu thể là một thể có màng bao bọc, là những túi dự trử các enzim có khả năng thủy phân các đại phân tử trong tế bào. Màng của tiêu thể là màng không thấm, bên trong chứa các enzim tiêu hóa. Nếu màng của tiêu thể bị vỡ ra, các enzim được phóng thích vào trong tế bào chất và lập tức các đại phân tử trong tế bào sẽ bị thủy giải. Tiêu thể hoạt động như một hệ thống tiêu hóa của tế bào, có khả năng tiêu hóa các vật liệu có kích thước lớn được mang vào tế bào do sự nội nhập bào.Trong hình 6 enzim tiêu hóa được tổng hợp ở vùng sần của mạng nội chất, được bọc lại ở vùng láng trong các túi chuyên chở và được chuyển đến hệ Golgi.

Hình 5. Hệ Golgi

Hình 6. Chu trình của enzim tiêu hóa

Khi có một nơi nào đó cần enzim thì từ màng của hệ Golgi tách ra một túi có chứa enzim. Những protein gắn bên ngoài của tiêu thể như là một bộ phận để nhận diện ra rằng enzim đã đến đúng vị trí cần nó, thí dụ nơi có các túi nội nhập bào từ màng tế bào đưa vào, tại đây tiêu thể và túi này sẽ hòa vào nhau. Khi nội dung được tiêu hóa hoàn toàn, những sản phẩm hữu ích được đưa trở vào tế bào chất, những cặn bả được đưa ra ngoài bởi sự ngoại xuất bào, màng của túi được hòa nhập vào màng tế bào.

Sự hoạt động không bình thường của tiêu thể là nguyên nhân của nhiều bệnh. Một trường hợp đã được biết là bệnh Tay - Sachs, vì tiêu thể tiêu hóa lipid thiếu một enzim. Khi những tiêu thể thiếu enzim này hòa vào những túi chứa lipid, chúng không tiêu hóa hoàn toàn được nội dung này. Kết quả là những túi này tích tụ và làm nghẻn sự dẫn truyền các xung động của các tế bào thần kinh.

d. Peroxisom

Peroxisom có hình dạng tương tự tiêu thể, nhưng peroxisom không được tách ra từ hệ Golgi, mà nó được sinh ra từ peroxisom có trước. Tế bào phải được thừa hưởng ít nhất một peroxisom từ tế bào chất của tế bào mẹ, nếu không sẽ không tránh khỏi cái chết.

Tương tự như tiêu thể, peroxisom chứa enzim nhưng là enzim oxy hóa, chúng xúc tác các phản ứng trong đó nguyên tử hydro được chuyển từ hợp chất hữu cơ (như formaldehyd và rượu ethyl) đến oxy, để tạo ra hydro peroxyd (H2O2), đây là một chất cực độc đối với tế bào. Tuy nhiên, peroxisom còn có một enzim khác nữa là catalaz, sẽ chuyển chất H2O2 độc này thành nước và oxy. Tế bào gan và thận người có rất nhiều peroxisom, do đó rượu ethyl do người uống được oxy hóa nhờ các peroxisom trong những tế bào này.

e. Không bào (vacuole)

Không bào có một màng bao quanh, bên trong chứa một dịch lỏng , được tìm thấy cả ở tế bào thực vật và động vật, đặc biệt rất phát triển ở tế bào thực vật. Có nhiều loại không bào với chức năng khác nhau. Ở một số động vật nguyên sinh, đặc biệt sống ở nước ngọt có không bào đặc biệt gọi là không bào co bóp

(contractile vacuole) giử vai trò quan trọng trong sự thải nước ra khỏi tế bào. Không bào tiêu hóa để tiêu hóa thức ăn. Ngoài ra, ở vi khuẩn và vi khuẩn lam có không bào khí chứa khí giúp tế bào nổi lên mặt nước. Ðiểm đặc biệt là màng bao của không bào khí được cấu tạo bằng protein.

Ở hầu hết tế bào thực vật, có một không bào rất to chiếm từ 30 - 90% thể tích tế bào. Các tế bào chưa trưởng thành có nhiều không bào nhỏ xuất xứ từ mạng nội chất và hệ Golgi. Các túi này tích chứa nước, to ra và có thể hòa vào nhau để tạo ra một không bào to ở tế bào trưởng thành. Dần dần, không bào sẽ đẩy tế bào chất ra ngoại biên của tế bào và chỉ còn là một lớp mỏng (Hình 7).

Hình 7. Sự phát triển của không bào ở tế bào thực vật

Không bào ở tế bào thực vật chứa một dịch lỏng gồm nước và một số chất hòa tan trong đó. Màng không bào có tính thấm đặc biệt và có thể điều khiển sự di chuyển vật chất qua màng này. Không bào tích nước bằng sự thẩm thấu, trương lên và đẩy tế bào chất ra sát vách tế bào, áp lực này tạo cho tế bào một sức trương nhất định. Vách tế bào đủ cứng rắn để giử cho tế bào không bị vỡ ra. Sức trương của tế bào rất quan trọng, nó giúp cho các cơ quan của cây như lá, thân non đứng vững được. Khi sức trương này không còn nữa, cây sẽ héo. Nhiều chất quan trọng cho đời sống của thực vật được chứa trong không bào: các hợp chất hữu cơ như đường, các acid hữu cơ, acid amin, một vài protein, sắc tố antocianin cho màu tím, xanh và đỏ đậm thường thấy trong cánh hoa, trái và lá vào mùa thu. Aïp suất thẩm thấu cao của không bào giúp cho cây có thể hấp thu được nước ở đất rất khô bằng sự thẩm thấu. Ngoài ra, không bào còn là nơi tích chứa những chất thảií do các quá trình biến dưỡng. Một số chất thải có thể được xử dụng lại dưới tác dụng của enzim. Chức năng này rất quan trọng vì cây không có thận hay các cơ quan khác để thải chất bả như động vật, thực vật thải chất bả khi cây rụng lá.

f. Ty thể bộ (mitochondria)

Ty thể bộ là toàn thể các ty thể hiện diện trong tế bào. Ty thể là nơi tổng hợp năng lượng chủ yếu của tế bào chân hạch, là nơi diễn ra quá trình hô hấp, lấy năng lượng từ thức ăn để tổng hợp ATP là nguồn năng

lượng cần thiết cho các hoạt động của tế bào. Năng lượng cần thiết để co cơ hay cung cấp cho các bơm hoạt động trong sự vận chuyển tích cực qua màng tế bào. Số lượng ty thể tùy thuộc vào mức độ hoạt động của tế bào. Thí dụ, tế bào cơ tim có 72 lần co thắt trong một phút có chứa hàng ngàn ty thể. Giống như nhân, mỗi ty thể được bao bọc bởi hai màng, màng ngoài trơn láng, màng trong với các túi gấp nếp (crista) sâu vào bên trong chất căn bản (matrix) làm gia tăng diện tích của màng trong lên rất nhiều (Hình 8). Ty thể có chứa ADN, ribô thể riêng nên có thể nhân lên độc lập với sự phân chia của nhân.

Hình 8. Cơ cấu của ty thể

g. Lạp bộ (plastid)

Lạp bộ gồm tất cả các lạp hiện diện trong tế bào, được tìm thấy trong hầu hết tế bào thực vật, trừ tế bào nấm, mốc và tế bào động vật. Lạp có thể quan sát được dưới kính hiển vi thường. Có hai loại lạp chính: sắc lạp (chromoplast) và vô sắc lạp (leucoplast).

* Lục lạp (chloroplast)

Lục lạp là sắc lạp có chứa diệp lục tố (chlorophyll), và các sắc tố vàng hay cam gọi là carotenoid. Phân tử diệp lục tố hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời để tổng hợp ra các phân tử hữu cơ phức tạp (đặc biệt là đường) từ các nguyên liệu vô cơ như nước và khí carbonic. Phản ứng tổng hợp này sản sinh ra oxy, là loại khí mà hầu hết các loài sinh vật khác lệ thuộc vào nó.

Dưới kính hiển vi điện tử, một lục lạp được bao bọc bởi hai màng và vô số các túi dẹp có màng bao được gọi là thylakoid nằm trong chất cơ bản gần như đồng nhất được gọi là stroma. Thylakoid hoặc phân bố khắp trong stroma, hoặc xếp chồng chất lên nhau được gọi là grana (Hình 9). Diệp lục tố và carotenoid gắn trên màng thylakoid. Lục lạp cũng có chứa ADN và ribô thể riêng như ty thể.

Hình 9. Cơ cấu của lục lạp (dưới kính hiển vi điện tử)

* Sắc lạp không có diệp lục tố

Thường có màu vàng hay cam (đôi khi có màu đỏ) vì chúng chứa carotenoid. Sắc lạp này làm cho hoa, trái chín, lá vàng có màu vàng hay cam đặc trưng. Một số sắc lạp không bao giờ chứa diệp lục tố, một số khác thì do mất diệp lục tố, đây là trường hợp của trái chín và lá mùa thu.

* Vô sắc lạp

Vô sắc lạp có chứa các vật liệu như tinh bột, dầu và protein dự trử. Lạp có chứa tinh bột được gọi là bột lạp (amyloplast), thường gặp ở hột như lúa và bắp, hay dự trử trong rễ và thân như carot và khoai tây, ngoài ra có thể hiện diện trong tế bào ở các phần khác của cây. Tinh bột là hợp chất dự trử năng lượng dưới dạng từng hạt. Cây có hột giàu tinh bột là nguồn lương thực giàu năng lượng.

h. Ribô thể

Hình 10. Ribô thể

Tế bào chất chứa vài triệu ribô thể, ribô thể là những hạt nhỏ không có màng bao có đường kính từ 25 - 30 nm. Ribô thể gồm hai bán đơn vị được tạo ra trong hạch nhân từ những phân tử ARN và protein (Hình 10). Ở tế bào chân hạch các bán đơn vị này đi qua lỗ của màng nhân ra ngoài tế bào chất, nơi đây chúng sẽ kết hợp với phân tử mARN để tổng hợp protein. Ribô thể trược dọc theo sợi mARN tạo ra một chuổi ribô thể được gọi là polyribosom hay polysom, các ribô thể sau khi tổng hợp protein vẫn tiếp tục tự do trong tế bào chất hay chúng có thể gắn vào bề mặt của mạng nội chất. Các ribô thể có thể gắn trên vùng sần của mạng nội chất hay trôi nổi trong tế bào chất. Protein được tổng hợp từ các ribô thể tự do trong tế bào chất thì không được đưa ra khỏi tế bào hay tham gia vào cấu trúc màng tế bào mà là những enzim trong dịch tế bào chất.

i. Trung thể (centrosome)

Ở hầu hết tế bào động vật, bên ngoài nhân có một vùng được gọi là trung thể bao gồm hai bào quan được gọi là trung tử (centriole). Trung tử hiện diện từng đôi và xếp thẳng góc nhau. Khi có trung tư,í chúng là nơi xuất phát của thoi vi ống trong lúc tế bào phân cắt. Ở tiết diện ngang, trung tử có cấu trúc đồng đều với chín nhóm ba vi ống xếp thành đường tròn (Hình 11).

Thể gốc (basal bodies) có cấu tạo giống hệt trung tử, được tìm thấy ở gốc của các tiêm mao và chiên mao. Trung tử và thể gốc có mối liên quan với nhau. Thí dụ, thể gốc ở chiên mao của nhiều loại tinh trùng trở thành một trung tử của tế bào trứng sau khi thụ tinh; trung tử của tế bào ở thành của ống dẫn trứng phân cắt thành thể gốc tiêm mao hoạt động nhịp nhàng để đưa trứng đến nơi thụ tinh.

Hình 11. Tiết diện ngang trung tử

3. Nhân (nucleus) TOP

Nhân là bào quan lớn nhất có màng bao và quan sát được rõ ràng nhất trong các tế bào chân hạch. Nhân đóng vai trò quan trọng trong sự sinh sản của tế bào. Nhân không những là trung tâm của mọi hoạt động của tế bào mà nó còn có vai trò quan trọng trong việc xác định các đặc điểm của thế hệ con cháu của chúng. Nhân chứa hai cấu trúc phân biệt được là nhiễm sắc thể (chromosome) và hạch nhân (nucleolus). Dưới kính hiển vi điện tử, có thể thấy được hai cấu trúc này nằm trong một khối chất vô định hình có dạng hạt, được gọi là chất nhân (nucleoplasm). Nhân được bao bọc bởi màng nhân (nuclear envelope) gồm hai màng phân biệt được.

a. Nhiễm sắc thể

Hình 12. Sơ đồ thể nhân Hình 13. Màng nhân

Nhiễm sắc thể hình sợi dài chỉ quan sát được rõ ràng trong lúc tế bào đang phân chia mà thôi, gồm ADN và protein. ADN là vật liệu chứa các đơn vị cơ bản của sự di truyền được gọi là gen (gene), protein làm thành những phần lõi giống như những cuộn chỉ, sợi ADN quấn lên đó, để thành lập cấu trúc thể nhân (nucleosome) (Hình 12). Gen được sao chép khi tế bào phân cắt để mỗi tế bào con đều có một bản sao. Tất cả gen trong tế bào được gọi là bộ gen (genom).

Thông tin di truyền mang bởi các gen là trình tự các nucleotid, của phân tử ADN. Trình tự này xác định trình tự của acid amin trong phân tử protein được tổng hợp trong tế bào chất. Do vậy, gen được xem là trung tâm của sự sống, chúng mã hóa các thông tin cần thiết cho sự tổng hợp các enzim, để điều hòa vô số các phản ứng hóa học tiêu biểu của tế bào và của sinh vật.

b. Hạch nhân

Hạch nhân thường được thấy rõ nhất lúc tế bào không phân chia. Nhân chứa một đến nhiều hạch nhân. Là một phần của nhiễm sắc thể nên hạch nhân cũng gồm ADN và protein. ADN của hạch nhân gồm nhiều bản sao của gen làm khuôn tổng hợp rARN cho ribô thể. Sau khi được tổng hợp, rARN kết hợp với protein rồi rời khỏi hạch nhân và đi ra tế bào chất, nơi đây chúng trở thành một thành phần của ribô thể. Do vậy, khi tế bào ít tổng hợp protein hạch nhân rất nhỏ hay gần như vắng mặt.

c. Màng nhân

Màng nhân ngăn cách môi trường bên trong nhân và tế bào chất bao quanh. Màng nhân còn là nơi cho hai đầu nhiểm sắc thể bám vào. Không giống như màng sinh chất, màng nhân gồm hai màng, màng ngoài và màng trong, khoảng ngăn cách giữa hai màng là vùng ngoại vi. Dưới kính hiển vi điện tử hai màng của màng nhân được ngắt quảng bởi các lỗ, mỗi lỗ nhân được viền bởi một phức hợp gồm tám protein (Hình 13). Màng nhân có tinh thấm chọn lọc cao.

Sự trao đổi chất xuyên qua các lỗ được kiểm soát nghiêm ngặt và có tính chọn lọc rất cao. Nhiều nghiên cứu cho thấy một số phân tử có thể đi xuyên qua màng sinh chất vào tế bào chất, nhưng lại không thể xuyên qua màng nhân để vào nhân, ngay cả những phân tử có kích thước nhỏ hơn lỗ nhân; trong khi đó có những phân tử lớn hơn lỗ nhân lại có thể đi qua được.

4. Tế bào chất TOP

Tế bào chất là thành phần của chất nguyên sinh gồm phần dịch lỏng là dịch tế bào chất (cytosol) và bộ khung protein được gọi là khung xương tế bào (cytoskeleton).

a. Dịch tế bào chất

Là phần dịch lỏng của tế bào chất, không màu, hơi trong suốt, đàn hồi, không tan trong nước. Thành phần chính của dịch tế bào chất là nước, ngoài ra còn có các đại phân tử protid, lipid và glucid. Các đại phân tử này làm thành các micel, các micel mang cùng điện tích đẩy nhau gây nên chuyển động Brown (Robert Brown) của tế bào chất. Do sự hiện diện của các micel nên dịch tế bào chất ở trạng thái keo, vừa có thể ở trạng thái lỏng (sol) vừa ở trạng thái đặc (gel). Trong tế bào sống thường xuyên có sự thay đổi giữa hai trạng thái trên. Dịch tế bào chất là nơi xảy ra các phản ứng của các quá trình biến dưỡng trong tế bào, các quá trình này sẽ được đề cập trong các chương sau.

b. Khung xương tế bào

Các bào quan trôi nổi tự do trong dịch tế bào chất của tế bào chân hạch hoặc chúng có thể gắn vào hệ thống sợi protein phức tạp bên trong, được gọi là khung xương tế bào. Cái sườn protein này tạo hình dạng của tế bào, tham gia vào các cử động của tế bào và đặc biệt quan trọng trong lúc tế bào phân chia. Ba thành phần quan trọng nhất của khung xương tế bào là vi sợi (microfilament), sợi trung gian

(intermediate filament), và vi ống (microtubule). Ba thành phần này được cấu tạo bởi những bán đơn vị (subunit) protein có thể tập họp thành sợi đơn hay đôi và có thể làm thay đổi hình dạng của tế bào hay gây ra các cử động.* Vi sợi

Hình 14. Một sợi actin

Vi sợi dài, cực mảnh, làm thành sợi đôi, quấn xoắn do các protein actin trùng hợp tạo thành (Hình 14). Vi sợi actin giử vai trò cấu trúc, chúng đan chéo nhau giữ hình dạng tê úbào. Sợi actin khi kết hợp với myosin tham gia vào sự cử động của tế bào. Sợi myosin dài, mãnh, rất giống sợi actin, nhưng có một đầu to. Ðiểm đặc trưng của sự kết hợp actin-myosin là khi được cung cấp năng lượng ATP thì phần đầu của sợi myosin móc vào sợi actin và uốn ngược lại (Hình 15). Sự cử động này làm cho màng cử động kéo theo sự cử động của các sợi actin khác. Ðiều này giải thích được các chuyển động như sự co cơ, sự vận chuyển của các túi chuyên chở bên trong tế bào, vùng giữa của tế bào mẹ thắt lại tách hai tế bào con, cử động ở amip.

Hình 15. Tương tác của actin và sợi myosin Hinh 16. Cơ cấu của sợi trung

gian * Sợi trung gian

Các vi sợi trung gian được tìm thấy nhiều ở tế bào chịu nhiều kích thích cơ học như tế bào thần kinh nên có lẻ chúng làm thành cái khung chống đỡ cho tế bào và nhân của chúng. Bán đơn vị căn bản cấu tạo nên sợi trung gian gồm hai phân tử protein quấn xoắn nhau. Bán đơn vị căn bản này xếp thành từng đôi (một tứ phân), các đôi này gắn nối tiếp nhau từ đầu đến đuôi tạo thành sợi giống như dây thừng. Tám sợi đôi này tạo thành một ống rỗng (Hình 16).

* Vi ống

Hình 17. Vi ống

Vi ống giử vai trò quan trọng trong hệ thống mạng của khung xương tế bào. Vi ống có cấu trúc hình trụ dài, rổng cấu tạo bởi các phân tử protein hình cầu tubulin. Mỗi tubulin gồm hai protein (( và (), trùng phân thành một chồng xoắn ốc gồm 13 bán đơn vị (Hình 17). Vi ống tăng trưởng nhờ sự gắn thêm vào của những phân tử tubulin vào một đầu của sợi; vi ống giử vai trò quan trọng trong cấu trúc và trong sự phân cắt của tế bào. Trong lúc tế bào phân chia vi ống được thành lập và tỏa ra từ mỗi cực của tế bào để tạo ra thoi vi ống để các nhiễm sắc thể trượt trên đó về hai cực của tế bào hình thành nhân mới.

Giống như vi sợi, chúng cũng tham gia vào sự chuyển vận bên trong tế bào và giúp tạo hình dạng và nâng đỡ cho tế bào cũng như các bào quan của nó. Vi ống còn có vai trò chính trong cấu trúc và cử động của tiêm mao và chiên mao.

5. Vách tế bào và vỏ tế bào TOP

a. Vách tế bào thực vật

Vách tế bào là đặc điểm của tế bào thực vật để phân biệt với tế bào động vật, vách bảo vệ tế bào, giữ hình dạng, tránh sự mất nước cũng như chống sự xâm nhập của các vi sinh vật. Vách ở phía ngoài của màng có thể dày từ 0,1 đến vài (m. Thành phần hóa học của vách thay đổi từ loài này sang loài khác và từ tế bào này sang tế bào khác trong cùng một cây, nhưng cấu trúc cơ bản không thay đổi. Thành phần cấu tạo chính là các phân tử celluloz có dạng sợi được kết dính với nhau bằng chất nền gồm các đường đa khác và protein.

Các phân tử celuloz cấu trúc thành các sợi celluloz xếp song song nhau tạo ra các tấm, các sợi trong các tấm khác nhau thường tạo ra các góc từ 60 - 90o. Ðặc điểm sắp xếp này làm vách tế bào rắn chắc. Các sợi celluloz rộng khoảng 20 nm, giữa các sợi có những khoảng trống có thể cho nước, khí và các ion di chuyển tự do qua mạng lưới này, tính thấm chọn lọc của tế bào là do màng sinh chất quy định (Hình 18).

Ở những cây còn non tế bào có vách mỏng gọi là vách sơ cấp (primary wall), vách này có tính đàn hồi và cho phép tế bào gia tăng kích thước. Giữa hai vách sơ cấp của các tế bào liên kề nhau là phiến giữa hay lớp chung (middle lamella), là một lớp mỏng giàu chất polysaccharid gọi là pectin, thường hiện diện dưới dạng là pectat calci. Khi chất pectin bị hóa nhày, các tế bào không còn gắn chặt vào nhau nữa như khi chín trái trở nên mềm đi.

Hình 18. Các sợi celluloz trong

vách tế bào (kính hiển vi điện tử) Hình 19. Vách của ba tế bào liên kề

Khi tế bào trưởng thành và ngừng tăng trưởng, một số tế bào tạo thêm lớp cứng hơn gọi là vách thứ cấp (secondary wall) nằm giữa vách sơ cấp và màng tế bào. Vách thứ cấp thường dày có nhiều lớp được cấu tạo bằng các sợi celluloz xếp theo nhiều hướng khác nhau, nên vách tế bào trở nên rắn chắt hơn. Ngoài celluloz vách thứ cấp còn có thể tẩm thêm nhiều chất khác như lignin. Khi vách thứ cấp được thành lập hoàn toàn, tế bào có thể chết đi, khi đó chỉ còn làm nhiệm vụ nâng đỡ hay dẫn truyền (Hình 19).

Trên vách của tế bào thực vật có những lỗ nhỏ giúp các chất thông thương giữa các tế bào với nhau, các lỗ này được gọi là cầu liên bào (plasmodesmata), ở vị trí này tế bào chất của hai tế bào liên kề liên tục nhau (symplast).

b. Vỏ của tế bào động vật (coat)

Ở thực vật, nấm và vi khuẩn, vách tế bào riêng biệt với màng tế bào, ngược lại ở tế bào động vật, vỏ không độc lập với màng. Các carbohydrate cấu tạo nên vỏ tế bào thành lập các cầu nối hóa trị với các phân tử lipid hay protein trên màng tế bào (Hình 20). Kết quả tạo ra các glycolipid hay glycoprotein, do đó vỏ tế bào còn được gọi là glycocalyx. Lớp này nằm bên ngoài Hình 20. Màng tế bào với glycocalyx của màng đôi lipid. Theo các nghiên cứu mới đây, trong glycocalyx có những điểm nhận diện (recognition site) trên bề mặt tế bào, đặc điểm này giúp các tế bào phân biệt chủng loại. Thí dụ, trong môi trường cấy các tế bào gan và thận riêng rẻ được trộn đều,

sau một thời gian các tế bào gan nhận ra các tế bào cùng loại và tổ hợp lại với nhau; tương tự điều này cũng xảy ra ở những tế bào thận. Trong môi trường nuôi cấy tế bào, khi các tế bào va chạm nhau, tế bào ngừng chuyển động và sự tăng trưởng chậm và dừng lại, hiện tượng này gọi là sự ức chế do tiếp xúc (contact inhibition). Các sinh vật ký sinh cũng nhờ các carbohydrat trên glycocalyx để nhận ra tế bào chủ để xâm nhập vào. Cơ chế nhận dạng ở mức phân tử này cũng thường gặp như trường hợp các phản ứng dị ứng với các chất lạ cũng như trong sự dẫn truyền các xung thần kinh từ tế bào này sang tế bào khác.

6. Tiêm mao và chiên mao (cilia và flagella) TOP

Ở một số tế bào động vật và tế bào thực vật có một hay nhiều sợi tơ giống như tóc cử động được ở bề mặt ngoài của tế bào. Nếu chỉ có một vài sợi và có chiều dài tương đối dài hơn so với chiều dài của tế bào thì được gọi là chiên mao, nếu có rất nhiều và ngắn thì được gọi là tiêm mao. Ở tế bào chân hạch, cấu trúc cơ bản của chúng giống nhau, và hai từ này dùng lẫn lộn qua lại. Cả hai cơ cấu này đều giúp cho tế bào chuyển động hoặc làm chuyển động chất lỏng quanh tế bào. Thường gặp hai cơ cấu này ở những sinh vật đơn bào và những sinh vật đa bào có kích thước nhỏ và ở giao tử đực của hầu hết thực vật và động vật. Chúng cũng hiện diện ở những tế bào lót ở mặt trong của các ống, tuyến ở động vật, các tiêm mao này giúp đẩy các chất di chuyển trong lòng ống. Ở khí quản người, có thể có đến một tỉ tiêm mao trên 1cm2.

Tiêm mao và chiên mao của tế bào chân hạch là phần kéo dài ra của màng tế bào, với mười một nhóm vi ống nằm trong chất căn bản là tế bào chất; trong đó có chín nhóm với từng đôi vi ống xếp ở chu vi và hai vi ống đơn ở trung tâm (Hình 21). Mỗi chiên mao hay tiêm mao có một thể gốc ở đáy.

Tiêm mao và chiên mao cử động khi vi ống này trượt qua một vi ống khác. Các vi ống ở ngoại biên được nối với nhau bằng các tay protein, các protein này hoạt động như các cầu bắt ngang giữa các đôi vi ống. Khi các tay protein uốn cong lại sẽ đẩy đôi vi ống này qua một vị trí khác, sau đó các tay rời ra và bắt đầu bám vào vị trí mới trên đôi vi ống, và quá trình này được tiếp tục gây ra sự cử động của tiêm mao và chiên mao. Sự cử động này cần năng lượng do ATP cung cấp.

Hình 21. Cấu tạo của tiêm mao và sự cử động của chúng

III. CẤU TRÚC CỦA TẾ BÀO SƠ HẠCH

Hầu hết những bào quan hiện diện trong tế bào chân hạch thì lại không có trong tế bào sơ hạch. Tế bào không có màng nhân và cũng không có các cấu trúc có màng khác như mạng nội chất, hệ Golgi, tiêu thể, peroxisom và ty thể (các chức năng của ty thể được thực hiện ở mặt trong màng của tế bào vi khuẩn). Ở các vi khuẩn quang tổng hợp, có những phiến hay túi có chứa diệp lục tố mà không phải là các lạp có màng bao riêng biệt.

Từ lâu người ta nghĩ rằng tế bào sơ hạch không có nhiễm sắc thể. Hiện nay, với kính hiển vi điện tử người ta biết rằng mỗi tế bào sơ hạch có một phân tử ADN to, mặc dù nó không liên kết chặt chẻ với protein như ADN ở tế bào chân hạch, nó vẫn được xem là nhiễm sắc thể. Tế bào vi khuẩn thường có các ADN nhỏ, độc lập được gọi là plasmid. Nhiễm sắc thể của tế bào sơ hạch và plasmid có kiến trúc vòng kín.

Như nhiễm sắc thể của tế bào chân hạch, nhiễm sắc thể của tế bào sơ hạch có mang các gen kiểm soát các đặc điểm di truyền của tế bào và các hoạt động thông thường của nó. Sự tổng hợp protein được thực hiện trên ribô thể, một bào quan quan trọng trong tế bào chất ở cả tế bào sơ hạch và chân hạch. Tuy nhiên, ribô thể của tế bào sơ hạch hơi nhỏ hơn của tế bào chân hạch.

Một số tế bào vi khuẩn có tơ mà quen gọi là chiên mao. Những chiên mao này không có vi ống và cấu trúc cũng như sự cử động hoàn toàn khác chiên mao của tế bào chân hạch. Chiên mao của vi khuẩn chỉ được cấu tạo bởi một loại protein flagellin xếp theo đường xoắn. Sự cử động của vi khuẩn là do sự quay tròn của các sợi protein này và đẩy tế bào đi tới; sự đổi hướng di chuyển là nhờ sự đảo ngược chiều quay một cách tạm thời của các sợi protein của chiên mao.

Vách tế bào của hầu hết vi khuẩn được cấu tạo bởi murein gồm một đường đa liên kết với các nhánh acid amin, chỉ được tìm thấy ở tế bào vi khuẩn.

* Thuyết nội cộng sinh

Hiện nay, các nhà sinh vật học cho rằng ty thể và lục lạp là hai bào quan chỉ có trong tế bào chân hạch có nguồn gốc từ những sinh vật sơ hạch sống nội sinh trong tế bào sinh vật chủ. Lynn Margulis ở Ðại học Boston đưa ra các bằng chứng về thuyết nội cộng sinh (endosymbiotic hypothesis) như sau:

- Ty thể và lục lạp đều có chứa ribô thể và nhiễm sắc thể riêng. Ty thể và lục lạp cũng có thể tạo màng riêng cho nó.

- Nhiễm sắc thể của những bào quan này giống của tế bào sơ hạch, cả hai đều có dạng vòng, không liên kết với thể nhân protein, và không có màng bao.

- Các tổ chức bên trong của gen của các bào quan giống như ở tế bào sơ hạch và rất khác với tế bào chân hạch.

- Ribô thể của ty thể và lục lạp giống ribô thể của tế bào sơ hạch hơn là tế bào chân hạch.

- Nhiều vi khuẩn quang tổng hợp ngày nay sống bên trong tế bào chân hạch, cung cấp chất dinh dưỡng cho tế bào, ngược lại tế bào cung cấp nơi ở cho chúng. Tương tự, một số vi khuẩn không quang tổng hợp sống bên trong tế bào chân hạch, lấy chất dinh dưỡng và chia xẻ năng lượng từ thức ăn mà tế bào chủ không thể biến dưỡng được, do đó hình thức cộng sinh này là bắt buộc.

- Sự phân chia tế bào chân hạch có sự tham gia của thoi vi ống trong khi vi khuẩn, ty thể và lục lạp phân chia bằng cách phân đôi.

Theo thuyết này, người ta giả sử rằng cách đây 1,5 tỉ năm một tế bào đã bắt được một vi khuẩn bằng cách nội nhập bào. Vi khuẩn chống lại sự tiêu hóa, sống cộng sinh bên trong tế bào chủ và phân chia độc lập với tế bào chủ. Sau đó, một số gen của vi khuẩn xâm nhập vào trong nhân của tế bào chủ và cùng khống chế tế bào chủ. Theo kiểu giải thích này thì tất cả những sinh vật hiện nay có chứa ty thể, kể cả thực vật, động vật, nấm và nguyên sinh động vật. Cũng theo thuyết này, các vi khuẩn quang tổng hợp khác cũng có cùng nguồn gốc, kết quả là lục lạp xuất hiện ở thực vật và tảo.

IV. CÁC ÐẠI PHÂN TỬ QUAN TRỌNG TRONG TẾ BÀO

1. Carbohydrat, lipid, protein TOP

a. Carbohydrat

Carbohydrat là những hợp chất hữu cơ dồi dào nhất trong tự nhiên. Chúng là nguồn năng lượng hoá học cho cơ thể sống, công thức chung là (CH2O)n; đơn vị căn bản là những đường đơn. Những carbohydrat đơn giản hiện diện với tỉ lệ hai nguyên tử H, một nguyên tử O (giống như nước) nối với một C. Một vài carbohydrat như tinh bột và celluloz là những đại phân tử và rất phức tạp, gồm nhiều đơn vị liên kết nhau.

* Ðường đơn (monosaccharide): những phân tử carbohydrat căn bản là những đường đơn. Các đường đơn chứa ít nhất 3C, nhưng chúng có thể chứa 5, 6 hay nhiều hơn. Các đường 3, 5C có vai trò đặc biệt trong tế bào sẽ được đề cập trong các chương sau, còn đường 6C nguồn cung cấp năng lượng cho tế bào là những phân tử đường đơn để tạo ra các đường phức tạp khác. Có rất nhiều loại đường 6C, trong đó glucoz và fructoz là hai loại đường quan trọng nhất. Glucoz là sản phẩm đầu tiên của quá trình quang hợp và trở thành nguồn nguyên tử C ở mô thực vật và động vật. Ðường đơn có thể được xếp loại theo số nguyên tử carbon. Trioz (glyceraldehyd) 3 C, pentoz (riboz) 5C và hexoz (như glucoz, fructoz và galactoz) 6C. Fructoz và galactoz là đồng phân của glucoz.

Trong một phân tử đường đơn, một C nối với một O bằng nối đôi, trong khi những C khác trong chuỗi nối với một nguyên tử H và gốc hydroxyl. Gốc hydroxyl tạo cho phân tử tính phân cực và dễ dàng tan trong nước. Hai đường đơn có thể có cùng công thức hóa học nhưng khác nhau vị trí của nhóm C = O. Khi nối này không nằm ở C tận cùng chúng tạo ra gốc keton (- C = O). Ðường ketoz như dihydroxyaceton,

ribuloz và fructoz. Khi C = O nằm ở cuối chuỗi nó tạo ra gốc aldehyd (CHO). Ðường aldoz như glyceraldehyd, riboz, galactoz và glucoz (Hình 22).

Hình 22. Các loại đường đơn

Ðường đơn có thể ở dạng dây thẳng, nhưng trong nước chúng luôn luôn ở dạng vòng theo một trong hai cách. Dạng alpha, vị trí của gốc hydroxyl gắn với C thứ 1 ở phía dưới của mặt phẳng của vòng. Dạng beta, nhóm hydroxyl nằm trong mặt phẳng của vòng (Hình 23). Sự khác biệt giữa hai dạng tuy ít nhưng rất

có ý nghĩa trong sinh học khi chúng trùng hợp để tạo ra các đại phân tử. Thí dụ: trùng hợp của (-glucoz tạo ra tinh bột và trùng hợp của (-glucoz tạo ra celluloz.

α-glucoz β-glucoz

Hình 23. Các dạng của glucoz

* Ðường đôi (disaccharide): gồm hai phân tử đường đơn nối với nhau bằng nối glycosidic, C thứ nhất của một phân tử đường đơn phản ứng với một gốc hydroxyl của một phân tử đường khác và mất một phân tử nước (Hình 24). Các đường đôi thông thường như sucroz, maltoz và lactoz. Sucroz (Hình 24) gồm hai phân tử glucoz và fructoz, và là dạng glucoz vận chuyển trong cây từ nơi quang tổng hợp ở lá đến những nơi khác trong cây. Maltoz gồm hai phân tử glucoz có nhiều ở lúa mì, lúa mạch được dùng làm rượu bia. Lactoz là đường đôi gồm glucoz và galactoz và là dạng đường của động vật hữu nhũ tạo sữa cho con. Ngoài ra ở côn trùng đường được vận chuyển trong haemolymph (máu) là trehaloz, một đường đôi gồm hai phân tử glucoz.

* Ðường đa (polysaccharide): gồm nhiều đường đơn nối với nhau thành dạng thẳng hay phân nhánh, chúng có thể được tạo thành từ một loại đường, hai loại đường hay nhiều hơn nữa. Chúng thường không có vị ngọt, là những hợp chất không tan với trọng lượng phân tử cao, và được giữ ở dạng dự trử hay có chức năng cấu trúc.

Tinh bột là một loại đường đa dự trử chính của thực vật bậc cao được hợp thành do amyloz và amylopectin (Hình 25A và B), amyloz gồm hàng trăm phân tử glucoz nối nhau thành chuỗi dài không phân nhánh. Mỗi nối glycosidic được thành lập giữa C thứ nhất của phân tử glucoz này với C thứ tư của phân tử khác, nối (-1,4 (Hình 25A). Phân tử amyloz có xu hướng cuộn tròn lại trong nước do đó không tan (Hình 25C). Amylopectin là những đường đa phân nhánh, dây ngắn khoảng 20 - 30 phân tử glucoz được nối nhau bằng nối (-1,4, ở vị trí nhánh gắn vào dây chính bằng nối (-1,6 (Hình 25B). Các dây nhánh giúp chúng không tan và không đứt đoạn. Tinh bột khoai tây gồm 20% amyloz và 80% amylopectin. Inulin, chất dự trử

ở các củ của cây họ Cúc (Asteraceae), gồm những đơn vị fructofuranoz được nối với nhau bằng những nối glycosidic.

Hình 25A. Amyloz Hình 25B. Amylopectin

Hình 25C. Dạng xoắn trong nước của amyloz

Hình 25. Các thành phần của tinh bột

Glycogen là những đường đa dự trử chính của động vật, chúng có cấu trúc tương tự amylopectin, nhưng phân nhánh nhiều hơn, với khoảng 16 - 24 đơn vị (-glucoz của nhánh bên cách nhau khoảng 8 - 10 phân tử glucoz của dây chính.

Ðường đa phong phú nhất là celluloz được tìm thấy ở thực vật. Gỗ của thực vật gồm 50% là celluloz còn ở sợi bông vải hầu như 100% là celluloz. Celluloz là những đường đa dây thẳng gồm các đơn vị glucoz nối nhau bằng nối (-1,4 (Hình 26), không giống tinh bột và glycogen có các nối (-1,4. Celluloz chỉ được thủy phân khi có enzim cellulaz xúc tác, enzim này chỉ có ở một số vi khuẩn, nguyên sinh động vật và nấm, không

có ở động vật. Một số động vật có thể tiêu hóa được celluloz nhờ các sinh vật cộng sinh trong ruột của chúng như Kangaroo có vi khuẩn và mối có những nguyên sinh động vật sống trong ống tiêu hóa của chúng.

Hình 26. Celluloz

Thực vật còn có chứa những đường đa có cấu trúc khác như pectin (gồm arabinoz, galactoz và acid galacturonic) và hemicelluloz. Chitin là thành phần cấu tạo của bộ xương ngoài của côn trùng, giáp xác và vách tế bào nấm. Chitin là một dạng biến đổi của celluloz, trong đó một gốc có chứa nitơ được thêm vào mỗi đơn vị glucoz (N-acetyl-D glucosamin ) (Hình 27).

Hình 27. Chitin

b. Lipid

Lipid có nhiều chức năng sinh học quan trọng, chúng là thành phần cấu trúc màng, mỡ và dầu có vai trò dự trử và có thể tự cô lập. Chúng làm thành cái áo bao bọc và bảo vệ cho sinh vật không thấm nước ở bề mặt ngoài và đôi khi hoạt động như một yếu tố liên lạc về mặt hóa học cả bên trong tế bào và giữa các tế bào.

Lipid không tan trong nước do được cấu tạo bằng những nối C - H không phân cực, chúng ngăn cản các phân tử nước xâm nhập vào và kết quả là những phân tử lipid kết tụ lại với nhau tạo ra những giọt không tan. Tuy nhiên, chúng dễ dàng tan trong các dung môi hữu cơ như chloroform. Lipid cũng gồm C, H, O nhưng O rất ít, ngoài ra, chúng còn có chứa những nguyên tố khác đặc biệt là P và N. Các loại lipid khác nhau là: mỡ, dầu, sáp, phospholipid, glycolipid và steroid.

* Lipid dự trử: dầu và mỡ

Cùng một đơn vị trọng lượng, dầu và mỡ chứa nhiều năng lượng hơn carbohydrat do chứa nhiều các nối C - H, trung bình 1 gr mỡ chứa năng lượng gấp 2 - 3 lần nhiều hơn carbohydrat hay protein.

Tất cả mỡ đều có sườn chính là glycerol, chứa 3 nguyên tử C, mỗi phân tử nối với một chuỗi acid béo tạo ra một triglycerid (Hình 28). Acid béo là một chuỗi những hydrocarbon với chiều dài thay đổi và tận cùng là nhóm carboxyl (-COOH), các acid béo được nối với phân tử glycerol ở nhóm carboxyl; các acid béo

trong dầu và mỡ ăn được chứa từ 4 - 24 nguyên tử C. Ba loại acid béo chính là acid stearic (18 C), acid palmitic (16 C) và acid oleic (18 C). Acid béo có số lượng H tối đa được gắn vào C (như acid stearic) được gọi là bảo hòa vì không có nối đôi giữa hai nguyên tử C như bơ, mỡ heo và mỡ các động vật khác. Acid béo với các nối đôi được gọi là chưa bảo hòa như dầu olive, dầu bắp, thường ở dạng lỏng ở nhiệt độ thường. Dầu có hơn một nối đôi được gọi là nhiều lần chưa bảo hòa (polyunsaturated). Margarin chưa bảo hòa chứa 70% của dầu nhiều lần chưa bảo hòa có xu hướng được thay thế bơ trong bửa ăn hàng ngày của những người ăn kiêng vì các mỡ bảo hòa gây các bệnh về mạch máu.

Hình 28. Cấu tạo của lipid

* Lipid bảo vệ: sáp (waxe)

Sáp tương tự như mỡ chỉ khác là acid béo được nối với một chuỗi alcol dài hơn glycerol, sáp không hòa tan trong nước, không có nối đôi trong chuỗi carbon và trơ (inert) đối với các phản ứng hóa học, chúng làm thành lớp bảo vệ bề mặt ngoài của nhiều động vật bao gồm cả bộ xương ngoài của côn trùng, lông vũ của chim và lông mao của thú và cả lớp biểu bì của lá và trái của thực vật.

* Lipid màng: phospholipid và glycolipid

+ Phospholipid: tương tự dầu và mỡ chỉ khác là chúng có hai phân tử acid béo gắn vào mỗi phân tử glycerol và một nhóm phosphat gắn vào C thứ ba (Hình 29). Vì gốc phosphat mang điện tích âm nên đầu phosphat của phospholipid ưa nước (hydrophilic) và tan trong nước, đuôi acid béo kỵ nước (hydrophobic), không tan trong nước. Sự khác biệt về tính chất đối với nước của hai đầu của phân tử (nên có tên là lưỡng ái: amphipatic) giữ cho

Hình 29. Phospholipid phospholipid dễ dàng tạo thành màng đôi trong cấu trúc tế bào. Khi phospholipid được đưa vào nước, đầu kỵ nước bị đẩy ra khỏi nước và tụ tập lại với nhau tạo ra các micel hay màng hai lớp lipid.

+ Glycolipid: là lipid có đường cũng là thành phần quan trọng trong màng tế bào, giống phospholipid có hai acid béo gắn vào phân tử glycerol, nhưng có một dây carbon ngắn từ 1- 15 đường đơn nối vào C thứ ba. Glycolipid cũng lưỡng ái và tạo thành micel khi gặp nước tương tự phospholipid.

* Steroid: cấu trúc phân tử của steroid hoàn toàn khác các lipid khác. Steroid có cấu trúc gồm 4 vòng carbon, dẫn xuất từ cholesterol có thể thêm vào một số đuôi hydrocarbon khác nhau (Hình 30).

Cholesterol Hình 30. Steroid Testosterol

Steroid là những phân tử quan trọng trong động vật có xương sống, chúng được tìm thấy ở tim, mạch máu và gan. Một số hormon và vitamin cũng là steroid. Một trong steroid nhiều nhất là cholesterol, là thành phần cấu tạo màng của tất cả tế bào động vật và là điểm khởi đầu để tổng hợp ra các hormon. Cholesterol, không tan trong nước, có thể kết tủa bởi mật trong túi mật, tạo ra sỏi mật. Chúng tích tụ trong các động mạch làm tăng huyết áp và nguy cơ suy tim và nhồi máu cơ tim ở người và những động vật khác. Mức độ cholesterol trong máu không nhất thiết là do chế độ ăn uống của con người mà tùy thuộc nhiều hơn vào tỉ lệ tổng hợp cholesterol của cơ thể.

c. Protein

Protein có cấu trúc phân tử rất thay đổi và có rất nhiều chức năng: là enzim cho các quá trình biến dưỡng, protein cấu trúc, cử động, tồn trử, dinh dưỡng và vận chuyển, kháng thể và toxin để bảo vệ và tấn công, và hormon để điều hòa các chức năng của cơ thể. Protein chứa C, H, O, N và thường có S. Ðơn vị cấu tạo protein là acid amin. Chỉ có 20 loại acid amin khác nhau được tìm thấy trong protein. Tuy nhiên, số tổ hợp của acid amin sẽ tạo ra rất nhiều loại protein.

* Acid amin: tất cả acid amin có cấu trúc tương tự nhau, mỗi acid amin có chứa một gốc amin ( - NH2, trừ prolin có chứa một gốc imino - NH -), và một gốc carboxyl (COOH), một nguyên tử H và một chuỗi bên là gốc R gắn vào C trung tâm.

Hình 31. Cấu tạo của 20 loại acid amin

Các acid amin chỉ khác nhau ở gốc R, có thể chỉ là một nguyên tử H như ở glycin, hay phức tạp như cấu trúc có hai vòng như ở tryptophan (Hình 31). Ðặc điểm của mỗi acid amin ảnh hưởng lên hình dạng của phân tử protein là do gốc R mà ra.

Có ba acid amin có chức năng đặc biệt là: methionin là acid amin đặc biệt được tổng hợp đầu tiên trong quá trình tổng hợp protein, prolin làm cho chuỗi acid amin xoắn lại và cystein nối các chuỗi acid amin lại với nhau. Một số gốc R phân cực (ưa nước), một số khác thì không. Sự không phân cực của chuỗi bên làm cho protein không tan trong nước. Ðầu tiên các acid amin được viết tắt bằng ba chữ cái, bây giờ thì chỉ một chữ cái (alanin, ala, A) ( Hình 31).

* Polypeptid: một chuỗi acid amin được gọi là polypeptid. Acid amin trong chuỗi polypeptid được nối với nhau bằng liên kết peptid, được tạo ra khi gốc - COOH của một acid amin này gắn với gốc - NH2 của acid amin khác và giải phóng một phân tử nước. (Hình 32). Khi các acid amin liên kết nhau để tạo ra polypeptid luôn luôn có một gốc amin tự do ở một đầu N và một gốc carboxyl ở C tận cùng của đầu kia, một protein có thể gồm một hay nhiều sợi polypeptid với hàng trăm acid amin theo một trình tự đặc biệt.

Các sợi polypeptid có thể liên kết chéo với cầu nối cộng hóa trị là các cầu nối disulfid, được tạo ra giữa hai nguyên tử S của hai acid amin cystein. Cầu nối disulfide có thể nối các cystein trong cùng một chuỗi polypeptid hay giữa các chuỗi polypeptid khác nhau, kết quả là tạo ra cấu trúc không gian ba chiều của protein.

Hình 32. Sự thành lập nối peptid giữa hai acid amin

* Cấu trúc của protein

Protein được chia làm hai loại chính: đơn giản và phức hợp. Protein đơn giản chỉ chứa acid amin. Protein phức hợp (conjugated protein) gồm acid amin và các thành phần hữu cơ hay vô cơ khác, thí dụ: nucleo-, lipo-, phospho- và glycoprotein. Những thành phần không phải là acid amin của protein phức hợp được gọi là gốc prosthetic.

Cấu trúc cấp một (sơ cấp) của một protein là do trình tự thẳng của các acid amin trong chuỗi polypeptid (Hình 33A). Mỗi loại protein có cấu trúc cấp một khác nhau.

Cấu trúc cấp hai của protein là do các cầu nối hydro giữa các acid amin nằm kế nhau trong cấu trúc cấp một (Hình 33B). Thí dụ một cấu trúc cấp hai xoắn phải (giống như một cầu thang xoắn.

Cấu trúc cấp ba là do các polypeptid có cấu trúc cấp hai xếp chồng lên nhau, tạo ra một khối hình cầu (Hình 33C). Sự cuộn lại thường do sự tương tác giữa các acid amin tương đối xa nhau trong. Hình dạng cuối cùng cũng do ảnh hưởng của môi trường, đặc biệt là pH, do những vùng có điện tích trên phân tử cũng ảnh hưởng lên hình dạng của phân tử.

A B C D

Hình 33. Bốn kiểu cấu trúc của protein

Hình dạng của phân tử quan trọng đặc biệt ở những protein như hormon, là những thông tin hóa học chỉ nhận protein đúng hình dạng tương thích với nó như kiểu chìa khóa và ổ khóa. Một số protein có kích thước lớn như hemoglobin, chứa hơn một chuỗi polypeptid, có cấu trúc khác hơn, cấu trúc cấp bốn (Hình 33D). Hầu hết những protein có kích thước lớn đặc biệt là enzim có chứa hai sợi polypeptid hay hơn nữa.

Hình dạng không gian ba chiều của protein được gọi là dạng hay cấu hình của protein. Tùy theo dạng protein được chia ra làm hai loại chính: protein hình sợi và protein hình cầu. Trong protein hình sợi, các sợi polypeptid xếp song song nhau theo một trục đơn tạo ra các sợi hay bản (collagen, keratin, elastin). Protein hình sợi (Hình 34) không tan trong nước và thường rắn chắc và là thành phần cấu tạo chính của tóc, móng, sừng và vuốt. Ở protein hình cầu, các sợi polypeptid cuộn chặt thành hình tròn hay hình cầu. Protein hình cầu tan trong nước và gồm hầu hết các protein chức năng như enzim và các hormon (Hình 33D).

Hình 34. Protein hình sợi

2. Enzim TOP

Các phản ứng hóa học xảy ra trong tế bào sống được tăng tốc nhờ những chất xúc tác sinh học, được gọi là enzim, và thường là các protein. Một tế bào động vật, có thể chứa đến

4.000 loại enzim khác nhau; mỗi loại xúc tác cho một phản ứng hóa học khác nhau. Một số enzim chung cho nhiều loại tế bào, trong khi một số khác chỉ chuyên biệt cho một loại tế bào để thực hiện một chức năng đặc biệt. Trong một phản ứng có enzim, chất phản ứng được gọi là cơ chất (substrate). Hầu hết enzim có tính chuyên biệt và chỉ phản ứng một cách chọn lọc trên một loại cơ chất nào đó mà thôi. Là chất xúc tác, enzim giảm năng lượng kích động cần thiết cho một phản ứng xảy ra trong điều kiện nhiệt độ và sinh lý bình thường (thí dụ 370C ở hầu hết hữu nhũ). Enzim có thể mang hai chất lại với nhau nhờ tạo ra sự phối hợp tạm thời giữa các cơ chất hay tập trung vào một cầu nối hoa học đặc biệt trên cơ chất (Hình 35). Tất cả enzim được dùng đi dùng lại.

Enzim có khả năng xúc tác siêu tốc. Thí dụ, phản ứng giữa CO2 + H2O tạo ra H2 CO3 phản ứng xảy ra rất chậm, có thể chỉ tạo ra 200 phân tử acid carbonic/1 giờ khi không có enzim. Trong tế bào sống, phản ứng được xúc tác với enzim carbonic anhydraz ước chừng có 600.000 phân tử acid carbonic/1 giây. Phản ứng nhanh gấp 10 triệu lần.

Trong cấu trúc không gian ba chiều, sợi polypeptid của enzim cuộn lại tạo ra một hay nhiều rảnh trên bề mặt, là những vùng đặc biệt mà cơ chất có thể gắn vào. Vùng này được gọi là hoạt điểm (active site) (Hình 35). Hoạt điểm của mỗi enzim có hình dạng đặc biệt và chỉ có một loại phân tử cơ chất có thể gắn vào. Hoạt điểm không những là nơi cơ chất gắn vào mà hướng cơ chất theo một hướng nhất định. Hoạt điểm có thể phân cực hay không, ưa nước hay kỵ nước nên nó gắn một cách chính xác vào phần nào của cơ chất. Thí dụ nếu ở phần phân tử cơ chất có điện tích dương thì hoạt điểm của enzim sẽ có điện tích âm.

Hoạt điểm của enzim chỉ gồm vài acid amin của toàn thể enzim, những acid amin này kề cận nhau trong một chuỗi polypeptid hay ở những phần khác nhau của các chuỗi polypeptid nhưng kề cận nhau do sự cuộn lại tạo ra cấu trúc không gian ba chiều cấp ba và cấp bốn của enzim. Gốc R của acid amin được đưa ra ngoài tạo ra hoạt điểm và cách sắp xếp của chúng quyết định sự gắn cơ chất với enzim.

Hình 35. Mô hình cơ chế xúc tác của enzim

* Mô hình hoạt động của enzim

+ Mô hình ổ và chìa khóa (Hình 36)

Theo thuyết này, một cơ chất gắn vào hoạt đểm như một chìa khóa gắn khít vào ổ, cơ chất và enzim gắn vào nhau tạo ra một phức hợp enzim-cơ chất. Cơ chất bị

biến đổi một cách chuyên biệt và kết quả là sản phẩm được phóng thích.

Hình 36. Mô hình ổ và chìa khóa Hình 37. Mô hình cảm ứng

+ Mô hình cảm ứng (the induced-fit model) (Hình 37)

Các nghiên cứu cấu trúc của enzim cho rằng hoạt điểm linh động hơn lỗ của ổ khóa. Trong một số trường hợp, trong lúc cơ chất gắn vào, cấu hình thay đổi do hình dạng hoạt điểm của enzim bị cảm ứng làm cho chúng khớp với nhau hơn. Sự cảm ứng này làm thay đổi lực giữa các nối đặc biệt của phân tử phản ứng do đó phản ứng có xúc tác được dễ dàng xảy ra.

* Các yếu tố ảnh hưởng lên hoạt động của enzim

+ pH có thể làm thay đổi cấu hình của enzim, đặc biệt là sự tương tác giữa những acid amin có điện tích âm (acidic) và điện tích dương (basic). Khi pH thay đổi, hình dạng của hoạt điểm có thể thay đổi, do đó cơ chất không thể gắn vào được. Hầu hết enzim hoạt động tốt nhất trong khoảng pH 6 - 8. Tuy nhiên, pepsin giúp tiêu hóa protein trong bao tử hoạt động trong khoảng pH rất thấp (2). Pepsin có một trình tự acid amin duy trì cầu nối hydro và ion hóa ngay cả khi có sự hiện diện của acid mạnh. pH cũng ảnh hưởng trên phản ứng trong đó ion H+ là một thành phần của sự thay đổi hóa học đượcû xúc tác.

+ Nhiệt độ thay đổi dễ làm đứt các cầu nối hydro, các cầu nối này và sự tương tác giữa các cực kỵ nước giúp giữ cấu trúc cấp ba, cấp bốn của protein kể cả enzim. Sinh vật thường có những enzim hoạt động tối ưu ở nhiệt độ mà chúng sống. Ở hữu nhũ, nhiệt độ tối ưu từ 35 - 400C. Dưới nhiệt độ này, các nối để giữ hình dạng của protein không đủ linh động để thay đổi hình dạng cần thiết tham gia phản ứng. Do đó, enzim hoạt động không hữu hiệu ở nhiệt độ dưới 350C. Trên 400C, các cầu nối hydro và các cầu nối yếu khác không thể giữ protein ở hình dạng chính xác của nó. Một enzim bị biến tính một phần bởi nhiệt có cấu trúc bị quéo lại một chút và chuỗi polypeptid thay đổi cấu hình (conformation) có thể trở lại hình dạng cũ nếu được làm nguội, nhưng nếu biến tính hoàn toàn như albumin của trứng luộc chín thì không thể trở lại dạng ban đầu được nữa.

* Cofactor và coenzim

Nhiều enzim cần phải có thêm các thành phần hóa học khác để thực hiện chức năng, phần thêm đó được gọi là cofactor. Cofactor có thể la ìmột phân tử hữu cơ hay các ion kim loại (sắt, mangan, kẻm...). Khi cofactor là một phân tử hữu cơ không phải là protein,û như một vitamin, thì được gọi là coenzim. Tương tự enzim, coenzim cũng được sử dụng lại sau khi xúc tác phản ứng. Dù cần với một lượng rất nhỏ nhưng nếu thiếu coenzim thì rất tai hại đối với đời sống sinh vật, cho nên trong khẩu phần cần phải có vitamin. Coenzim và cofactor được tìm thấy ở các enzim trong các chuỗi dẫn truyền điện tử của các quá trình quang hợp và hô hấp của tế bào.

CHƯƠNG 2

MÀNG TẾ BÀO

--- oOo ---

I. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA MÀNG 1. Lipid 2. Protein trong màng tế bào 3. Carbohydrat

II. MÔ HÌNH CẤU TRÚC DÒNG KHẢM

III. KÊNH TRÊN MÀNG TẾ BÀO

1. Các kiểu kênh

2. Sự đồng vận chuyển và đối vận chuyển

IV. BƠM 1. BåmNa-K

2. Khuynh độ hóa điện qua màng

===============================================================

CHƯƠNG 2

MÀNG TẾ BÀO

Màng tế bào là ranh giới ngăn cách tế bào sống với môi trường chung quanh nó. Màng tế bào kiểm soát sự vào ra của vật chất xuyên qua màng. Giống như các màng sinh học khác chúng là màng thấm chọn lọc (selective permeability) cho phép một số chất đi qua dễ dàng hơn những chất khác. Muốn giải thích được tính thấm chọn lọc của màng tế bào cần hiểu rõ cấu trúc của màng.

I. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA MÀNG

Thành phần cấu tạo chính là lipid và protein. Carbohydrat hiện diện với một tỉ lệ rất ít.

1. Lipid TOP

a. Phospholipid

Màng tế bào được cấu tạo bởi phần lớn là phospholipid. Phosphatidylcholin, là một loại phospholipid hầu như chỉ tìm thấy ở nửa lớp ngoài của màng, gồm có một đầu phân cực (cholin mang điện tích dương, phosphat mang điện tích âm và một glycerol không phân cực) được nối với hai sợi acid béo kỵ nước, nếp gấp trong đuôi bên phải tạo ra do nối đôi (Hình 2.1); như vậy đuôi chưa bảo hòa, phospholipid như vậy sẽ ít gắn chặt với nhau và nhờ thế màng sẽ linh động hơn.

Hình 1. Phosphatidylcholin

b. Cholesterol

Cholesterol có tác dụng ngăn cách hai phân tử phospholipid, nếu không các đuôi phospholipid sẽ dính vào nhau gây tình trạng bất động, hậu quả là sẽ làm cho màng ít linh động và trở nên cứng rắn (Hình 2). Hàm lượng cholesterol thay đổi rất lớn theo loại tế bào, màng của nhiều loại tế bào chứa số phân tử cholesterol gần như bằng số phân tử phospholipid, trong khi một số loại màng khác gần như hoàn toàn Hình 2. Cholesterol trong màng phospholipid không có cholesterol.

2. Protein trong màng tế bào TOP

Trung bình protein chiếm 50% trọng lượng các phân tử cấu tạo màng. Do phân tử lipid nhỏ hơn phân tử protein nên nếu protein chiếm 50% trọng lượng thì số phân tử lipid nhiều gấp 50 lần số phân tử protein. Tuy nhiên, protein ở màng myelin của tế bào thần kinh chỉ chiếm khoảng 25% hay có thể lên đến 75% ở màng trong của ty thể và lục lạp.

Trong màng tế bào có chứa hai loại protein, được phân biệt tùy theo cách sắp xếp của chúng trong màng:

* Protein ngoại vi (peripheral protein)

Protein gắn vào đầu phân cực của phân tử phospholipid, do đó có thể thay đổi vị trí và có thể bị lấy mất đi do một tác nhân nào đó (như các chất có chứa nhiều muối). Chiều dày của màng tùy thuộc sự hiện diện vào các protein này, màng sinh chất dày nhất 9 nm, màng của mạng nội chất mỏng nhất 6 nm. Ngoài ra, sự hiện diện của các protein ngoại vi này làm cho cấu trúc màng có tính bất xứng (asymmetry).

* Protein hội nhập (Integral protein)

Protein hội nhập có thể có vài kiểu sắp xếp: protein có thể chỉ tương tác với vùng kỵ nước của các phospholipid, một số protein hội nhập có thể xuyên qua màng được gọi là protein xuyên màng (transmembrane protein). Trong cách sắp xếp, protein với các acid amin ưa nước được đưa ra ngoài, nơi có thể tiếp xúc với

Hình 3. Protein trong màng nước (đầu phân cực hay acid amin có gốc R có điện tích dương), ngược lại những acid amin kỵ nước (không phân cực) được chôn trong màng đôi lipid (Hình 3). Vị trí của những acid amin ưa nước và kỵ nước của protein sẽ giúp cho protein hội nhập một phần vào màng hay xuyên màng.

Protein hội nhập chỉ được tách ra khi làm vỡ màng và sau đó xử lý bằng các chất tẩy.

3. Carbohydrat TOP

Các carbohydrat thường gắn vào các protein ngoại vi tạo ra glycoprotein hay gắn vào các phân tử phospholipid màng tạo ra glycolipid và thường chỉ chiếm 2 - 10% thành phần cấu tạo. Carbohydrat không

có trên màng ở phía tế bào chất, các phân tử carbohydrat này tạo ra glycocalyx, lớp vỏ bao ngoài tế bào (cell coat). Carbohydrat hiện diện ở bên trong của các bào quan trong tế bào (ở trong lumen). Sự hiện diện của các carbohydrat trên màng sinh chất cũng tạo ra tính bất xứng trong cấu trúc của màng.

II. MÔ HÌNH CẤU TRÚC DÒNG KHẢM (The fluid-mosaic model)

Các nhà nghiên cứu từ nhiều thập kỷ trước đã cố gắng tìm hiểu và đưa ra mô hình về cấu trúc màng tế bào. Vì sự hiểu biết về cấu trúc màng là chìa khóa để hiểu được chức năng của màng tế bào. Khoảng 1930 J. F. Danielli (đại học Princeton) và H. Davson (đại học ở London), đưa ra mô hình cấu trúc màng gồm màng

với hai lớp phospholipid với đầu ưa nước (phân cực) đưa ra hai bề mặt của màng và các đuôi kỵ nước, (không phân cực) chôn bên trong tránh nước. Cấu trúc dựa trên sự tương tác giữa tính kỵ nước và ưa nước làm cho màng rất bền vững và đàn hồi.

Cấu trúc này tương tự như khi trộn các phân tử phospholipid với nước, các phân tử phospholipid sẽ sắp xếp lại tạo ra các khối rổng giống như thể lipo (liposome) gồm hai lớp phospholipid (Hình 4).

Hình 4. Thể lipo

Mặc dù mô hình trên giải thích được tính bênö vững, linh động của màng và đặc biệt là cho các chất lipid đi qua lại màng một cách dễ dàng nhưng mô hình trên không giải thích được tính thấm chọn lọc của màng đối với một số ion và một số hợp chất hữu cơ. Sau đó hai ông đề nghị thêm là cả hai mặt của màng được bao bọc bởi protein, mang điện tích, các phân tử protein viền quanh các lỗ, giúp cho những phân tử nhỏ và một số ion xuyên qua được. Nhiều bằng chứng cho thấy mô hình này hiện nay không còn đúng nữa.

Hình 5. Mô hình cấu trúc dòng khảm của màng tế bào

1972 S. J. Singer ở đại học California (San Diego) và G. L. Nicolson (Salk Institude) đưa ra mô hình dòng khảm, một giả thuyết hiện nay được mọi nơi chấp nhận. Mô hình này là sự hợp nhất của mô hình màng của Danielli-Davson. Tuy nhiên, trong mô hình dòng khảm sự sắp xếp của protein rất khác biệt. Thay vì protein phủ hai bên màng, có những phân tử protein chuyên biệt gắn vào màng (trong mục 2.1.2), đảm nhận các chức năng đặc biệt. Trong hình 5 hai lớp lipid trong đó phần lớn là phospholipid tạo ra phần chính liên tục của màng, ở màng của sinh vật bậc cao có thêm cholesterol. Protein với nhiều kiểu sắp xếp khác nhau: một số được gọi là protein ngoại vi nằm trên bề mặt của màng, nối với các lipid bằng cầu nối cộng hóa trị;

một số khác được gọi là protein hội nhập, gắn một phần hay toàn phần vào màng lipid, một số khác xuyên màng.

Tính linh động của màng là do các phân tử lipid có thể di chuyển qua lại, tính khảm để chỉ sự sắp xếp của các phân tử protein trên màng hay xuyên màng. Trong hình 6 mô tả thí nghiệm trộn lẫn tế bào của người và chuột, dùng các kháng thể đánh dấu với flourescein cho protein màng của chuột và rhodamin cho protein màng của người. Khi dung hợp tế bào, hai loại protein ở hai phía khác nhau, nhưng sau khi ủ 40 phút ở 37oC hai màng thống nhất lại thành một màng liên tục và hai loại protein thì xếp xen kẻ nhau. Các protein được nhận ra với kính hiển vi huỳnh quang. Các phân tử lipid màng ở tế bào vi khuẩn có thể được kéo dài ra đến 2,5 (m từ 1-đến 2 giây. Một số protein có thể di chuyển qua lại từ phía này sang phía khác của màng, một số bất động do gắn chặt tạo thành sợi hay tạo thành ống. Các phân tử lipid và protein cũng có thể xoay tròn hay lật ngược, dẹp xuống (flip-flop) tương đối dễ dàng.

Hình 6. Thí nghiệm chứng minh tính dòng khảm của lipid và protein

III. KÊNH TRÊN MÀNG TẾ BÀO

Như đã biết, màng tế bào do chính phospholipid của tế bào tạo ra. Màng tuy linh động nhưng là màng chắn hiệu quả giữa bên trong và bên ngoài tế bào. Thành phần lipid trong màng rất cao, điều đó giải thích được tại sao những phân tử hòa tan trong lipid có thể khuếch tán vào ra dễ dàng, nhưng đối với một số chất không hòa tan trong lipid phải tùy thuộc vào các protein trên màng đôi lipid. Nhờ vào các protein trên màng một số chất có thể đi qua màng một cách dễ dàng ngược lại với khuynh độ (gradient) nồng độ của nó.

Màng có tính chọn lọc rất cao. Tính chọn lọc này trên từng phần của tế bào là do các tác nhân tải (hay chất vận chuyển) là những protein hoạt động như enzim. Bây giờ người ta biết được những yếu tố vận chuyển, kiểm soát sự qua lại của các phân tử qua màng là những kênh và những bơm chuyên biệt. Mỗi loại kinh hay bơm tùy thuộc vào protein màng cho một số hóa chất đặc biệt xuyên qua nên được gọi chung là permeaz.

1. Các kiểu kênh TOP

a. Kênh khuếch tán (Hình 7)

Là kiểu kênh đơn giản nhất trong sự vận chuyển thụ động nhờ tính thấm đặc biệt cao của màng tế bào: chúng cho một số chất đặc biệt đi qua từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn. Thí dụ kênh protein này cho ion K+, được tích lũy trong hầu hết tế bào và có điện tích nên không thể hòa tan trong màng phospholipid, nhưng kênh đặc biệt dành cho ion K+ cho phép chúng đi qua một cách từ từ với nồng

độ kiểm soát được. Nếu không có sự đi ra

Hình 7. Kênh khuếch tán này nồng độ ion K+ bên trong tế bào sẽ trở nên rất cao làm ảnh

hưởng đến các chức năng của tế bào. Sự chuyên biệt của kênh ion K+ là kết quả của hình dạng bên trong và điện tích, nhưng còn nhiều chi tiết về nó chưa được biết rõ.

b. Kênh ion phối hợp (kênh đồng vận chuyển) (Hình 8)

Hình 8. Kênh ion phối hợp

Là kiểu kênh phức tạp hơn cho hai chất qua cùng chiều. Thí dụ, ion Na+ bên ngoài tế bào cao hơn 11 lần. Tuy vậy Na+ phải có glucoz đi kèm mới xuyên qua kênh thích hợp trên màng để vào được bên trong tế bào. Cả hai phải gắn vào phía ngoài kênh trước khi kênh được mở ra. Khi ion Na+ gắn vào kênh, có thể gây ra một cảm ứng gì đó làm cho glucoz cũng gắn được vào kênh. Sự gắn glucoz có thể gây ra một hậu quả khác, có thể làm đóng kênh ở phía ngoài màng và mở kênh ra ở phía trong màng. Sự thay đổi này, có thể làm cho kênh mất ái lực đối với glucoz và giải phóng glucoz cũng như ion Na+ vào bên trong tế bào. Mất ion Na+ và glucoz làm kênh mở lại ở phía ngoài màng.

c. Kênh có cổng (Hình 9)

Hình 9. Kênh có cổng

Một kiểu kiểm soát sự di chuyển vật chất qua màng là nhờ một cổng ngang qua kênh. Khi một phân tử tín hiệu, một hormon hay một chất truyền tải mang thông tin từ một tế bào thần kinh này sang một tế bào thần kinh khác, gắn vào một thụ thể (receptor) là một protein xuyên màng, lúc đó có sự thay đổi cấu trúc. Sự thay đổi này làm cho cổng mở ra, và tín hiệu thứ hai, thường là một ion như ion Na+ hay Ca++, có thể đi qua mang thông tin vào trong tế bào. Kiểu kênh đóng mở này vận chuyển nhiều thông tin hóa học (chemical messages) cả ở thực vật và động vật, các xung thần kinh nhờ đó động vật cảm nhận thế giới bên ngoài, các cử động và có lẻ ngay cả suy nghĩ.

d. Kênh tải cơ động (Hình 10)

Hình 10. Kênh tải cơ động

Một kiểu permeaz khác hoạt động như một chất tải cơ động (mobile carrier), tải từng phân tử một. Chưa có một thí dụ chắc chắn nào về kiểu permeaz này. Nhưng valinomycin hoạt động y như một chất tải cơ động. Valinomycin là một đa phân dạng vòng với đầu kỵ nước ở ngoài và đầu phân cực ở trong, với 6 nguyên tử oxy xếp thành hàng có thể giữ một ion K+. Phức hợp hoạt động như một quả lắc qua lại mang ion K+ ở cảí hai hướng. Sự vận chuyển ion K+ dựa trên khuynh độ hóa điện: Valinomycin thường lấy ion K + trong tế bào và phóng thích ra ngoài một các đơn giản, vì ion này trong tế bào nhiều hơn ở ngoài. Valinomycin không phải là một protein, vì một đơn vị trong chuỗi peptid của nó không phải là acid amin. Ðây là một chất kháng sinh (antibiotic) do một số vi khuẩn tiết ra để gây độc cho những vi sinh vật xung quanh bằng cách làm thay đổi tính thấm chọn lọc của màng tế bào của các vi khuẩn này. Có một vài bằng chứng chứng tỏ có chất tải cơ động trên một màng bình thường, nhưng hiện nay vấn đề vẫn còn nhiều nghi vấn.

thay đổi tính thấm chọn lọc của màng tế bào của các vi khuẩn này. Có một vài bằng chứng chứng tỏ có chất tải cơ động trên một màng bình thường, nhưng hiện nay vấn đề vẫn còn nhiều nghi vấn.

2. Sự đồng vận chuyển và đối vận chuyển ( symport và antiport) TOP

a. Sự đồng vận chuyển

Là hiện tượng hai chất cùng được tải qua kênh đi về một hướng. Ðây là kiểu vận chuyển quan trọng xuyên qua màng của glucoz, nguồn năng lượng quan trọng cho hầu hết tế bào. Ion Na+ ở bên ngoài có khuynh độ nồng độ cao gấp nhiều lần so với bên trong, nên có xu hướng di chuyển vào bên trong tế bào. Nó phải được đồng vận chuyển với glucoz để đi qua một kênh thích hợp. Kênh này không vận chuyển riêng rẻ, hai chất phải được gắn vào phía bên ngoài của kênh trước khi kênh được mở ra. Vì vậy năng lượng tự do của ion Na+ do khuynh độ nồng độ cao có thể được lợi dụng để tải glucoz ở một nồng độ nhỏ hơn. Về mặt nhiệt động học, hai phản ứng khuếch tán được liên kết với nhau. Ion Na+ xuống dốc (downhill) giải phóng năng lượng tự do nhiều hơn, năng lượng này được sử dụng để vận chuyển glucoz lên dốc (uphill), kết quả là quá trình đồng khuếch tán diễn ra.

b. Sự đối vận chuyển

Là hiện tượng phức tạp hơn, xảy ra ở những kênh trao đổi ion, vận chuyển hai ion mang điện tích giống nhau: trong khi một ion di chuyển vào bên trong tế bào, một ion khác đi ra, cho nên duy trì được sự cân bằng điện tích. Nhiều protein hội nhập trên màng có thể trao đổi Cl- với HCO3- (CO2 hòa tan), đây là vai trò của hồng cầu mang CO2 thải ra từ tế bào đến phổi.

IV. BƠM

Một kiểu permeaz khác được gọi là bơm, không tùy thuộc vào khuynh độ năng lượng tự do. Bơm sử dụng năng lượng dự trử của tế bào để đưa các chất đi ngược khunh độ gradient nồng độ của chúng. Quá trình này được gọi là sự vận chuyển tích cực (active transport), điều này quan trọng giúp tống các chất tích tụ không hòa tan trong màng và những phân tử lớn thoát ra khỏi màng.

1. Bơm Na - K TOP

Trong kiểu vận chuyển này, bơm sử dụng năng lượng từ trong tế bào và giúp vận chuyển các chất ngược chiều khuynh độ của nó. Trong trường hợp này, ba ion Na+ được đổi với hai ion K+, cả hai loại ion này đều có nồng độ cao nơi chúng sẽ được chuyển đến.

Trong mô hình (Hình 11): Hai ion K+ được giải phóng trong chu kỳ trước đó tiếp theo là sự gắn vào của ba ion Na+ và nguồn năng lượng ATP từ trong tế bào. Hậu quả cấu trúc protein kênh thay đổi, mở phía ngoài, giảm ái lực đối với ion Na+và giải phóng ion Na+; đồng thời gia tăng ái lực đối với K+. Sự gắn của ion K+ làm kênh mở ra ở phía trong, gia tăng ái lực đối với ion Na+ và giảm ái lực đối với ion K+ và chu trình bắt đầu trở lại. Kết quả của việc bơm ion này đưa điện tích dương ra phía ngoài màng và bên trong màng trở nên âm với bên ngoài. Ðiện thế và thẩm thấu sinh ra bởi bơm Na- K sau cùng có thể phối hợp để vận chuyển glucoz (Hình 8).

Hình 11. Bơm Na - K

2. Khuynh độ hóa điện qua màng TOP

Gradient nồng độ giải thích được sự di chuyển kết hợp của ion Na+ và glucoz qua cùng một kênh, nhưng mức độ của sự di chuyển quá lớn không thể giải thích đơn thuần bằng sự khác biệt nồng độ xuyên qua màng. Thật vậy, có một khuynh độ quan trọng thứ hai hổ trợ khuếch tán các ion ngược điện tích hấp dẫn nhau bằng lực tỉnh điện; trong khi những ion có cùng dấu đẩy nhau. Do vậy, nếu trong tế bào có nhiều ion mang điện tích âm hơn những ion mang điện tích

Hình 12. Khuynh độ hóa điện dương, những ion dương sẽ bị hấp dẫn bởi môi trường lỏng bao chung quanh nó (hầu hết tế bào có một tổng điện tích âm chừng 70 milivolt so với chất lỏng bao quanh chúng). Sự khác biệt về điện tích xuyên qua màng sinh ra một khuynh độ tỉnh điện (electrostatic gradient) và khi kênh thích hợp được mở ra, ion dương có xu hướng chui vào trong tế bào, trong khi những ion âm có xu hướng đi ra. Thí dụ ion Na+, có nồng độ rất cao ở bên ngoài tế bào, áp suất thẩm thấu và lực tỉnh điện kết hợp lại sinh ra một khuynh độ hóa điện cao (electrochemical gradient) (Hình 12). Ðây là

năng lượng tự do của sự kết hợp rất có hiệu quả của ion Na+ để vận chuyển glucoz vào trong tế bào. Cơ chế do khuynh độ hóa điện cũng hiện diện trong bơm Na - K.

CHƯƠNG 3

SỰ TRAO ÐỔI VẬT CHẤT QUA MÀNG TẾ BÀO

--- oOo ---

I. KHÁI NIỆM VỀ SỰ KHUẾCH TÁN VÀ THẨM THẤU

1. Sự KHUYếCH TÁN 2. Sự THẩM THấU

II. SỰ THẨM THẤU VÀ MÀNG TẾ BÀO

1. Tiềm năng thẩm thấu và áp suất thẩm thấu

2. Dung dịch đẳng trương, nhược trương và ưu trương

III. SỰ VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT QUA MÀNG TẾ BÀO

1. Sự vận chuyển thụ động

2. Sự vận chuyển tích cực

IV. NGOẠI XUẤT BÀO

V. NỘI NHẬP BÀO 1. Ẫm bào

2. Nội nhập bào qua trung gian của thụ thể

3. Thực bào

===============================================================

CHƯƠNG 3

SỰ TRAO ÐỔI VẬT CHẤT QUA MÀNG TẾ BÀO

Có một lúc màng tế bào chỉ được xem như một cái túi chứa các vật chất hữu cơ tạo sự sống. Thật ra màng tế bào rất khác một màng bao thụ động, màng có vai trò quyết định về sự chuyển động của tế bào, và tế bào trao đổi với môi trường chung quanh. Hơn nữa, nó đóng vai trò căn bản điều hòa sự di chuyển của vật chất qua màng theo yêu cầu của tế bào, và môi trường ngoài không thuận lợi và thường xuyên bị phá vở. Tất cả các chất muốn vào ra tế bào đều phải đi qua các kênh hay bơm theo một tỉ lệ và một hướng nhất định. Màng tế bào kiểm soát sự vào ra của các chất bằng hai cách: bằng quá trình khuếch tán tự nhiên và bằng những cách chuyên chở đặc biệt.

I. KHÁI NIỆM VỀ SỰ KHUẾCH TÁN VÀ THẨM THẤU

1. Sự khuếch tán (diffusion) TOP

Nhiệt độ ảnh hưởng lên tốc độ của những phản ứng hóa học do làm gia tăng động năng của các phân tử tham gia. Tưởng tượng có một cái hộp có chứa các viên bi được gom vào một góc (Hình 1A). Khi ta lắc cái hộp, các viên bi sẽ bị phân tán về khắp nơi của đáy hộp (Hình 1B). Có thể hình dung các viên bi là những phân tử, lắc là thêm vào động hay nhiệt năng. Sự lắc làm phân tán các hòn bi tương tự sự di chuyển của các hạt vật chất nào đó đi từ vùng có nồng độ cao đến vùng có nồng độ thấp hơn của vật chất đó, kết quả là những hạt vật chất có xu hướng phân phối cách đều nhau trong một khoảng không gian nhất định. Khi mật độ gần như đồng đều, hệ thống được cân bằng nhưng các hạt vẫn tiếp tục chuyển động, nhưng có sự thay đổi nhỏ trong hệ thống.

A B

Hình 1. Mô hình cơ học của sự khuếch tán

Sự chuyển động của các hạt với kích thước phân tử từ nơi này đến nơi khác theo cách trên được gọi là sự khuếch tán. Chất khí khuếch tán nhanh nhất, rồi đến chất lỏng và cuối cùng là chất rắn. Trong một cơ thể sống, các phân tử thường ở trong dung dịch lỏng, ấm và khoảng cách của phân tử được đo bằng những phân

số của milimet nên sự khuếch tán là một quá trình rất quan trọng; một acid amin hay một nucleotid trong môi trường lỏng sẽ khuếch tán chừng bằng đường kính của một tế bào (10 - 50 (m) ít hơn 0,5 giây.

Trên đây là sự khuếch tán theo khuynh độ nồng độ. Tuy nhiên, trong cơ thể sinh vật, sự khuếch tán không đơn thuần là do nồng độ mà còn tùy thuộc vào các điều kiện ít khi ổn định nơi mà các quá trình sống diễn ra. Ðiều này cần thiết để hiểu được sự khuếch tán theo nghĩa năng lượng tự do của các phân tử tham gia.

Năng lượng tự do (free energy) là năng lượng trong một hệ thống có thể dùng để thực hiện một hoạt động nào đó dưới một điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định. Năng lượng tự do được chứa trong các cầu nối cộng hóa trị của đường như glucoz, hay một điện tử được hoạt hóa bởi năng lượng ánh sáng mặt trời lên một qũy đạo cao hơn, hay trong vành đai bao quanh nhân của nguyên tử trong phản ứng hạt nhân.

Sự khuếch tán xảy ra một cách tự phát vì những phân tử sắp xếp có trật tự và có nồng độ cao có năng lượng tự do cao hơn những phân tử phân tán. Một hổn hợp (hay sản phẩm) có năng lượng tự do thấp hơn các chất riêng rẻ ban đầu (hay chất phản ứng). Tốc độ khuếch tán của hai chất nhanh nhất vào lúc bắt đầu phản ứng và chậm dần khi hổn hợp tới mức cân bằng hoàn toàn. Nếu có thể quan sát sự khuếch tán ở mức độ phân tử thì khi cho các viên đường vào cà phê, lúc đầu các phân tử đường sẽ khuếch tán trong cà phê, sau đó khi các chất được trộn đều hơn, phản ứng ngược lại sẽ bắt đầu tăng cho đến khi cân bằng; nhưng do năng lượng tự do của phản ứng sau thấp hơn nên phản ứng được biểu diễn như

sau:

Thật vậy, sự khuếch tán là một phản ứng hóa học với năng lượng tự do riêng của nó và nó tùy thuộc vào tính chất của vật chất khuếch tán.

Năng lượng tự do là cơ sở có thể ứng dụng rộng rải hơn khuynh dộ nồng độ để hiểu sự khuếch tán. Khuynh độ nồng độ một hướng và khuynh độ nhiệt độ theo chiều ngược lại. Hiệu quả trái ngược của hai khuynh độ tạo ra chuyển động thực của phân tử hoàn toàn tùy thuộc vào năng lượng tự do của hai khuynh độ từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nồng độ cao. Trong hình 3.2, có hai bình cầu thông nhau, bên Y với

Hình 2. Ða khuynh độ và năng lượng tự do nồng độ cao hơn bên Z, nhưng nhiệt độ bên Z cao hơn nhiều so với bên Y. Nếu chỉ có nồng độ là quan trọng, sự khuếch tán sẽ từ Y sang Z. Nhưng nhiệt độ cao làm gia tăng động nhiệt của các phần tử trong hệ thống, và động nhiệt càng tăng, năng lượng tự do càng tăng. Do sự khác biệt về năng lượng tự do kết hợp với khuynh độ nhiệt độ từ Z sang Y lớn hơn sự khác biệt về năng lượng tự do với

khuynh độ nồng độ từ Y sang Z nên sự khuếch tán sẽ từ Z sang Y.

2. Sự thẩm thấu (osmosis) TOP

Trong hình 3 dùng một ống hình chữ U, đáy được ngăn cách bằng một màng thấm chọn lọc (differentially/selectively permeable), màng này chỉ cho các phân tử nước đi qua. Giả sử bên A chỉ chứa nước và bên B chứa dung dịch đường, cả hai ở cùng một điều kiện nhiệt độ và áp suất. Nếu màng chỉ cho nước đi qua mà không cho các phân tử đường đi qua thì các phân tử nước sẽ qua lại được cả hai chiều. Ðầu tiên lượng chất lỏng ở hai bên tương đương nhau (hình bên trái), hình giữa số lượng các phân tử nước va chạm vào màng phía bên A nhiều hơn phía bên B, hình bên phải vì số phân tử dịch chuyển từ A sang B nhiều hơn từ B sang A nên mực chất lỏng bên A tụt xuống trong khi bên B tăng lên.

Hình 3. Thi nghiệm mô tả sự thẩm thấu

Sự di chuyển của một dung môi (thường là nước) xuyên qua một màng thấm chọn lọc được gọi là sự thẩm thấu. Màng sinh học cũng là một màng thấm chọn lọc nên sự di chuyển qua lại của nước cũng theo kiểu thẩm thấu. Một số chất hòa tan, như các phân tử nhỏ tan trong lipid cũng đi xuyên qua màng sinh học.

Ðầu tiên theo sự khuếch tán nước sẽ đi từ bên A qua bên B, vì nước tinh khiết có năng lượng tự do cao hơn nước trong dung dịch đường. Năng lượng tự do của các phân tử nước bị giảm đi khi có sự hiện diện của những chất thẩm thấu tích cực (osmotically active substance) như các hạt hòa tan hay các hạt keo lơ lững. Trong ống hình chữ U sự giảm năng lượng tự do của phân tử nước tỉ lệ với nồng độ thẩm thấu (osmotic concentration). Nguyên nhân của sự giảm này là do các hạt thẩm thấu tích cực làm mất trật tự sắp xếp của các phân tử nước. Do đó nước sẽ đi từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp hơn. Nồng độ thẩm thấu của một dung dịch là số lượng của những hạt thẩm thấu tích cực trên một đơn vị thể tích dung dịch.

Sau một thời gian mực chất lỏng bên B sẽ cao hơn trong A. Trong điều kiện bình thường mực nước này sẽ dâng lên đến một mức nào đó thì dừng lại, lúc này cột chất lỏng có xu hướng bị kéo xuống do trọng lực, do áp suất thủy tỉnh (hydrostatic pressure). Khi áp suất này tăng, năng lượng tự do của nước trong dung dịch đường cũng gia tăng vì áp suất cũng là một dạng của năng lượng tự do, kết quả là nước sẽ di chuyển từ B qua A nhanh hơn từ A qua B.

Khi nước đi qua màng theo hai hướng ngược nhau với cùng một tốc độ, hệ thống ở trạng thái cân bằng động với bên A có năng lượng tự do là tiềm năng thẩm thấu của nước tinh khiết và bên B có tiềm năng thẩm thấu và áp suất thủy tỉnh.

II. SỰ THẨM THẤU VÀ MÀNG TẾ BÀO

Màng tế bào cũng là một màng thấm chọn lọc, các quá trình khuếch tán và thẩm thấu là nền tảng cho sự sống của tế bào. Tính thấm của màng thay đổi rất lớn tùy theo loại tế bào. Thí dụ màng của tế bào hồng cầu có tính thấm đối với nước cao hơn trăm lần so với màng của Amoeba, một sinh vật đơn bào.

1. Tiềm năng thẩm thấu và áp suất thẩm thấu TOP

Mỗi dung dịch đều có một năng lượng tự do nhất định, dưới một điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định, năng lượng này có thể đo được và được gọi là tiềm năng thẩm thấu (osmotic potential). Nước tinh khiết có tiềm năng thẩm thấu bằng không. Vì tiềm năng thẩm thấu giảm khi nồng độ thẩm thấu tăng nên các dung dịch có tiềm năng nhỏ hơn không. Nước sẽ di chuyển từ vùng có tiềm năng thẩm thấu cao sang vùng có tiềm năng thẩm thấu thấp hơn.

Tuy nhiên, để dễ hình dung, khái niệm áp suất thẩm thấu (osmotic pressure) thường được sử dụng nhiều hơn. Aïp suất thẩm thấu của một dung dịch là giá trị để chỉ lượng nước có xu hướng đi vào trong dung dịch bởi sự thẩm thấu. Do đó dưới một điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định, nước sẽ di chuyển từ dung dịch có áp suất thẩm thấu thấp sang dung dịch có áp suất thẩm thấu cao khi hai dung dịch được ngăn cách bởi một màng thấm chọn lọc.

2. Dung dịch ưu trương, nhược trương và đẳng trương TOP

Trong dung dịch đẳng trương Dung dịch ưu trương Dung dịch nhược trương

Hình 4. Tế bào hồng cầu trong các dung dịch khác nhau

Tính thấm chọn lọc của màng tế bào giúp cho tế bào giữ được các đại phân tử tổng hợp được. Mặt khác, nước có thể thẩm thấu qua màng tế bào, do đó khi đặt tế bào vào một dung dịch ưu trương (hypertonic), là dung dịch có nồng độ của các hạt thẩm thấu tích cực cao; tế bào sẽ bị co lại (Hình 4). Nếu để quá lâu tế bào sẽ chết.

Ngược lại, nếu đặt tế bào trong dung dịch nhược trương (hypotonic), là môi trường chứa nhiều nước và có ít các hạt thẩm thấu tích cực, nước sẽ thấm thấu vào làm tế bào phồng lên và có thể vỡ ra trừ khi tế bào có một cơ chế nào đó có thể trục xuất nước ra khỏi tế bào hay có một cấu trúc đặc biệt ngăn cản sự trương phồng (như ở hầu hết tế bào thực vật).

Tế bào ở trong môi trường đẳng trương (isotonic), là môi trường có sự cân bằng về thẩm thấu với tế bào, vì chúng có chứa cùng một nồng độ các hạt thẩm thấu tích cực, khi đó không có sự khác biệt về lượng nước đi vào và đi ra khỏi tế bào.

Thật vậy, sự liên hệ về thẩm thấu giữa tế bào và môi trường chung quanh là một yếu tố quyết định đến đời sống của tế bào. Các tế bào sống trong môi trường đẳng trương thì sự thẩm thấu không là vấn đề nghiêm trọng như các tế bào hồng cầu sống trong môi trường huyết tương (blood plasma). Nhưng ở một số thực vật và động vật sống trong các đại dương cũng có nồng độ thẩm thấu gần như bằng với nước biển. Các sinh vật sống trong môi trường nước ngọt thì thường tích tụ nhiều nước trong tế bào do đó phải có cách để thải bỏ hoặc có các cấu trúc giúp cho nó không bị trương phồng lên.

Thật ra sự di chuyển của nước chỉ là một vấn đề. Màng tế bào còn phải kiểm soát sự trao đổi qua màng rất nhiều vật chất khác nhau, do đó phải cần rất nhiều cơ chế để vận chuyển khác nhau.

III. SỰ VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT QUA MÀNG TẾ BÀO

1. Sự vận chuyển thụ động TOP

a. Khuếch tán đơn giản

Một chất khuếch tán sẽ khuếch tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn. Cách khuếch tán này chỉ tùy thuộc vào khuynh độ nồng độ, cũng như không cần có sự tham gia của một tác nhân nào khác. Khuếch tán là một quá trình tự phát vì nó làm giảm năng lượng tự do và sự khuếch tán của một chất chỉ tùy thuộc vào khuynh độ nồng độ của chính nó và không bị ảnh hưởng bởi khuynh độ nồng độ của những chất khác (Hình 5).

Hình 5. Mô hình của sự khuếch tán đơn giản

Một trong những thí dụ quan trọng là sự hấp thu oxy của những tế bào đang thực hiện chức năng hô hấp. Oxy hòa tan khuếch tán vào trong tế bào qua màng tế bào, vì sự hô hấp tiêu thụ oxy do đó sự khuếch tán oxy vào tế bào sẽ liên tục vì khuynh độ nồng độ cho phép sự di

chuyển theo hướng đi vào trong tế bào.

Sự khuếch tán của một chất qua màng tế bào được gọi là sự vận chuyển thụ động bởi vì tế bào không tiêu tốn năng lượng cho quá trình này. Trong quá trình di chuyển các phân tử hòa tan không bị biến đổi hóa học cũng không kết hợp với một loại phân tử nào khác.

Tuy nhiên, do màng tế bào là màng thấm chọn lọc nên tốc độ khuếch tán biến thiên theo các loại phân tử khác nhau. Vận tốc tùy thuộc vào sự chênh lệch của khuynh độ nồng độ và tùy thuộc vào vận tốc khuếch tán qua vùng kỵ nước của lớp lipid kép. Nước là phân tử khuếch tán một cách tự do xuyên qua màng, đây là một yếu tố rất thuận lợi đối với đời sống của tế bào, ngoài ra có một số chất cũng được khuếch tán qua màng theo như cách trên như những phần tử không phân cực như O2, N2 và những chất hòa tan trong lipid, còn những chất phân cực nhưng có kích thước nhỏ như glycerol có thể đi qua màng phospholipid giữa các phân tử này.

b. Khuếch tán có trợ lực (facilitated diffusion)

Nhiều phân tử phân cực và các ion không thể khuếch tán qua màng phospholipid, khi đó phải có sự trợ lực của những protein vận chuyển trên màng, hiện tượng này được gọi là sự khuếch tán có trợ lực.

Một protein vận chuyển có nhiều đặc điểm của một enzim. Vì có đặc điểm của một enzim nên chuyên biệt đối với cơ chất của nó, một protein màng thì chuyên biệt đối với một chất mà nó vận chuyển và có những điểm gắn đặc biệt tương tự như hoạt điểm của một enzim. Giống enzim, protein vận chuyển có thể bị bảo

hòa khi vận tốc vận chuyển đạt tới

Hình 6. Mô hình sự khuếch tán có trợ lực mức tối đa mà nó có thể thực hiện. Protein vận chuyển cũng có thể bị ức chế bởi những phân tử

giống như cơ chất cạnh tranh và gắn vào protein vận chuyển.

Tuy nhiên, không giống enzim, protein vận chuyển không xúc tác các phản ứng hóa học. Chức năng của nó là xúc tác cho một quá trình vật lý giúp sự vận chuyển được nhanh chóng.

Trong nhiều trường hợp protein kênh có thể thay đổi hình dạng đôi chút, chuyển vị điểm gắn các chất từ phía này sang phía khác của màng (Hình 3.6). Sự thay đổi hình dạng có tác dụng như một lực đẩy để phóng thích chất được vận chuyển. Một kiểu protein vận chuyển khác chỉ là một cái kênh đơn giản, cho phép đúng chất nào đó đi qua mà thôi. Một số protein hoạt động như một kênh đóng mở. Các kích thích hóa học hay điện sẽ làm mở các cổng này. Thí dụ, sự kích thích của tế bào thần kinh, làm mở cổng của kênh để trợ lực cho sự khuếch tán của ion Na+ vào trong tế bào.

Ở một số bệnh di truyền, các hệ thống vận chuyển đặc biệt có thể thiếu hay không có. Thí dụ, như bệnh cystinuria, một bệnh của người là do sự vắng mặt của protein vận chuyển cystein và những acid amin khác xuyên qua màng tế bào thận. Tế bào thận thường tái hấp thu những acid amin này từ urin và đưa trở vào máu, những người mắc bệnh trên bị đau đớn vì những hòn sỏi do từ những acid amin tích tụ và kết tinh trong thận.

Tuy có sự trợ lực của các protein vận chuyển, sự khuếch tán có trợ lực vẫn là sự vận chuyển thụ động vì các chất vẫn đi theo chiều của khuynh độ nồng độ. Tốc độ khuếch tán tùy thuộc vào cơ chế vận chuyển của các protein kênh nhưng không làm thay đổi chiều di chuyển của các chất được vận chuyển.

2. Sự vận chuyển tích cực (active transport) TOP

Hình 7. Mô hình sự vận chuyển tích cực hai chất vào và ra khỏi màng

Một số protein có thể chuyển các chất đi ngược lại khuynh độ nồng độ của chất đó, xuyên qua màng tế bào một chất từ nơi có nồng độ thấp đi đến nơi có nồng độ cao. Sự vận chuyển này tương tự như sự lên dốc. Ðể bơm các chất đi ngược lại chiều của xu hướng khuếch tán theo khuynh độ nồng độ nên tế bào phải sử dụng năng lượng, vì thế sự vận chuyển theo cách này được gọi là sự vận chuyển tích cực (Hình 7).

Sự vận chuyển tích cực là một khả năng quan trọng của tế bào để giữ lại trong tế bào một chất nào đó ở một nồng độ rất khác với nồng độ của chúng trong môi trường chung quanh. Thí dụ, nếu so sánh với môi trường chung quanh, một tế bào động vật có thể chứa một nồng độ rất cao của ion K+ và rất thấp ion Na+. Mức khuynh độ này vẫn giữ được là nhờ các bơm trên màng và ATP cung cấp năng lượng. ATP có thể tham gia vào sự vận chuyển bằng cách chuyển một gốc phosphat cuối cùng vào protein vận chuyển. Sự gắn gốc phosphat này gây ra một cảm ứng làm cho protein vận chuyển thay đổi hình dạng theo kiểu chuyển vị nơi gắn vào của các chất. Bơm ion Na+- ion K+ là một thí dụ về sự trao đổi ion Na+ và ion K+ xuyên qua màng tế bào động vật (Hình 11).

Một bơm sinh ra được một hiệu điện thế xuyên màng được gọi là bơm sinh điện (electrogenic pump). Bơm Na - K là bơm sinh điện chính của tế bào động vật. Ở thực vật, vi khuẩn và nấm bơm sinh điện là bơm proton, chuyển ion H+ ra khỏi tế bào. Bơm proton vận chuyển điện tích dương từ tế bào chất ra môi trường ngoài tế bào (Hình 8).

Hình 8. Bơm sinh điện Hình 9. Mô hình sự đồng vận chuyển

Một loại protein vận chuyển không phải là bơm có thể kết hợp sự khuếch tán của một chất để vận chuyển một chất đi ngược với khuynh độ nồng độ của nó. Thí dụ, tế bào thực vật dùng khuynh độ của ion H+ được sinh ra bởi bơm proton của nó để vận chuyển tích cực acid amin, đường và vài chất dinh dưỡng khác vào trong tế bào (Hình9).

Những protein này có thể chuyển sucroz vào trong tế bào ngược với khuynh độ nồng độ, nếu nó kết hợp được với ion H+ , ion H+ vận chuyển theo kiểu khuếch tán theo khuynh độ nồng độ đã được bơm ra nhờ bơm proton. Thực vật dùng cách này để tải sucroz được tạo ra bởi sự quang tổng hợp đi vào trong những tế bào của gân lá, sau đó đường có thể được đem đến mô libe để vận chuyển đến các mô không quang hợp được như rễ.

IV. NGOẠI XUẤT BÀO (exocytosis)

Ðối với các đại phân tử như protein và polysaccharid, sự di chuyển qua màng theo một cơ chế khác. Sự thải ra các đại phân tử qua màng tế bào được gọi là sự ngoại xuất bào. Các túi chuyên chở được tách ra từ hệ Golgi được mang đến màng tế bào nhờ cytoskeleton. Khi màng của các túi chuyên chở và màng tế bào tiếp

xúc nhau, các phân tử lipid của màng đôi lipid sắp xếp lại. Sau đó hai màng phối hợp lại và trở nên liên tục và nội dung được chuyên chở trong túi được thải ra ngoài (Hình 10).

Nhiều tế bào tiết dùng cách ngoại xuất bào này để thải các sản phẩm của chúng. Thí dụ, một số tế bào trong tụy tạng tiết ra hormone insulin và đưa chúng vào máu bằng sự ngoại xuất bào này. Các tế bào thần kinh dùng cách ngoại xuất bào để kích thích tế bào thần kinh khác hay tế bào cơ (Hình 11). Khi tế bào thực vật tạo vách, các carbohydrate từ các túi chuyên chở từ Golgi được đưa ra ngoài màng tế bào cũng bằng cách

này.

Hình 10. Ngoại xuất bào Hình 11. Sự tiếp nhận tín hiệu ở synaps

V. NỘI NHẬP BÀO (endocytosis)

Nội nhập bào là cách tế bào bắt lấy các đại phân tử hay các vật liệu bằng cách tạo ra các túi từ màng tế bào. Có ba cách nội nhập bào: ẩm bào (pinocytosis), nội nhập bào qua trung gian của thụ thể và thực bào (phagocytosis).

1. Ẫm bào TOP

Trong sự ẩm bào, tế bào hớp từng ngụm nhỏ dịch lỏng bên ngoài tế bào trong từng túi nhỏ (Hình 12). Vì các chất phần lớn được hòa tan trong các giọt được đưa vào trong tế bào nên sự ẩm bào là một kiểu vận chuyển không chuyên biệt.

Hình 12. Ẫm bào

2. Nội nhập bào qua trung gian của thụ thể TOP

Sự nội nhập bào có sự tham gia của các thụ thể rất chuyên biệt (Hình 13). Gắn trên màng là những thụ thể với vị trí tiếp nhận chuyên biệt lộ ra phía ngoài của màng. Chất bên ngoài tế bào gắn vào thụ thể được gọi là ligand (một từ chung để chỉ phân tử đặc biệt gắn vào điểm tiếp nhận của một phân tử khác, từ tiếng Latin ligare có nghĩa là to bind: gắn). Protein tiếp nhận thường tập họp trên một vùng của màng, tạo ra một cái lỏm (pit) có một lớp áo protein bao bọc (coat protein).

Thí dụ, tế bào ở người dùng cách vận chuyển này để nhận cholesterol để tổng hợp màng hay dùng để tổng hợp ra các steroid khác. Cholesterol ở trong máu dưới dạng những hạt nhỏ được gọi là low-density lipoprotein (LDL), một phức hợp của lipid và protein, như vậy ligand ở đây là LDL. Phức hợp LDL gồm khoảng 2.000 phân tử cholesterol kết hợp với một protein, protein này được gọi là apoprotein. Những hạt nhỏ này gắn vào thụ thể trên màng và sau đó đi vào bên trong tế bào bằng sự nội nhập bào. Ở người có một bệnh tên là familial hypercholesterolemia là một bệnh di truyền, với đặc điểm là có nồng độ cholesterol trong máu cao, là do không có thụ thể để tiếp nhận LDL nên cholesterol không vào tế bào được. Cholesterol tích tụ trong máu, tạo ra hiện tượng mỡ trong máu (và khi tích tụ nhiều làm xơ cứng thành động mạch).

3. Thực bào TOP

Trong sự thực bào, tế bào tạo ra giả túc (pseudopodia) để bao lấy vật liệu là những mảnh vật chất to hay những vi sinh vật hình thành một cái túi (Hình 14). Sự thực bào chỉ xảy ra khi protein thụ thể trên màng gắn với vật liệu phù hợp giống như việc gắn cơ chất với enzim. Ở động vật có xương sống sự thực bào thường gặp ở những tế bào bạch cầu (leucocyte) để tiêu hóa các mảnh vụn lớn hay những vi sinh vật.

Hình 13. Nội nhập bào qua trung gian của thụ thể Hình 14. Thực bào

CHƯƠNG 4

SỰ QUANG HỢP

--- oOo ---

I. ÐẠI CƯƠNG 1. Thí nghiệm chứng

minh có sự quang hợp ở thực vật 2. Sự quang hợp là một

chuỗi các phản ứng oxy hóa khử

3. Lá xanh là cơ quan chính của sự quang hợp

4. Lục lạp là bào quan chính của sự quang hợp

II. PHA SÁNG CỦA QUÁ TRÌNH QUANG HỢP

1. Hệ thống quang I và II

2. Chuỗi dẫn truyền điện tử

3. ATP - nguồn năng lượng của tế bào

III. PHA TỐI - CHU TRÌNH CALVIN_ BENSON

1. Cố định CO2 2. Chuyển hoá CO2 3. Tái tạo chất nhân

IV. SỰ QUANG HỢP Ở NHÓM THỰC VẬT C3,C4 VÀ CAM

1. Sự quang hợp ở nhóm C3

2. Sự quang hợp ở nhóm C4

3. Sự quang hợp ở nhóm CAM

===============================================================

CHƯƠNG 4

SỰ QUANG HỢP

Trái đất được thành lập cách nay khoảng 4, 5 tỉ năm. Các sinh vật đầu tiên xuất hiện cách nay khoảng 3,5 - 4 tỉ năm. Có lẻ các sinh vật sơ khai này tổng hợp thức ăn cho chúng từ những vật chất vô cơ bằng sự hóa tổng hợp (chemosynthesis), tức là lấy năng lượng từ các phản ứng hóa học từ các chất vô cơ như H2, NH4, H2S, hiện nay nhóm sinh vật này vẫn còn tồn tại trong những môi trường rất đặc biệt như trong các hố xí, suối nước nóng có sulfur và các miệng núi lửa trên các sàn đại dương.

Sau đó xuất hiện nhóm sinh vật có khả năng hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời để tổng hợp ra các hợp chất hữu cơ phức tạp, sự quang tổng hợp (photosynthesis), thường được gọi tắt là sự quang hợp, đây là một quá trình sinh học, chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học. Các sinh vật quang hợp đầu tiên này không tạo ra oxy. Về sau một số tế bào có khả năng sử dụng nước cho sự quang hợp, tạo ra O2, dần dần tích tụ trong khí quyển, một số sinh vật tiến hóa khác có khả năng sử dụng O2 xúc tác trong các phản ứng để giải phóng năng lượng trong các phân tử thức ăn. Quá trình này được gọi là sự hô hấp hiếu khí (aerobic respiration). Sự quang hợp sử dụng CO2 và H2O tạo ra từ sự hô hấp hiếu khí và sự hô hấp hiếu khí thì sử dụng thức ăn và O2 sinh ra từ sự quang hợp.

Ngày nay hầu hết các sinh vật đều lệ thuộc trực tiếp hay gián tiếp vào sự quang hợp. Sinh vật tự dưỡng (autotroph) là sinh vật tự tổng hợp chất hữu cơ từ vật chất vô cơ qua sự quang hợp; gồm hầu hết là các

thực vật xanh. Sinh vật dị dưỡng (heterotroph) là sinh vật phải lấy thức ăn hữu cơ từ môi trường chung quanh, chúng tiêu thụ các sinh vật tự dưỡng.

I. ÐẠI CƯƠNG

1. Thí nghiệm chứng minh có sự quang hợp TOP

1772, Joseph Priestley (người Anh), làm thí nghiệm (Hình 1) dùng hai chuông thủy tinh, một bên để vào một chậu cây và bên kia để một con chuột, sau một thời gian cả hai đều chết, nhưng nếu để chúng chung lại với nhau thì chúng đều sống, thí nghiệm của ông cho thấy cây tạo ra oxy, mặc dù lúc đó người ta chưa biết được các quá trình cũng như chưa biết được vai trò chính yếu của ánh sáng trong sự quang hợp.

Hình 1. Thí nghiệm của Priestly

Phát hiện của ông là khởi đầu cho những nghiên cứu về sau, đến thế kỷ 19 người ta đã biết các thành phần chính tham gia vào quá trình quang hợp

là:

Trước đây, các nhà khoa học nghỉ rằng oxy được tạo ra trong quá trình quang hợp là từ CO2, nhưng ngày nay người ta biết rằng O2 là từ sự phân ly của những phân tử nước.

và người ta cũng biết rằng năng lượng để tách các phân tử nước là từ ánh sáng mặt trời và được diệp lục tố hấp thu. Ion H+ tự do và điện tử được tạo ra từ sự phân ly của những phân tử nước được dùng để biến đổi CO2 thành carbohydrat và các phân tử nước mới:

Tóm tắt hai phương trình trên:

Một trong những sản phẩm của quang hợp là glucoz, một đường 6C nên có thể tóm tắt như sau:

Phản ứng tuy đơn giản nhưng quá trình trải qua rất nhiều phản ứng, có những phản ứng cần ánh sáng (pha sáng), nhưng có những phản ứng xảy ra không cần ánh sáng (pha tối).

2. Sự quang hợp là một chuỗi các phản ứng oxy hóa khử TOP

CO2 là một hợp chất nghèo năng lượng, trong khi đường thì giàu năng lượng. Do đó, sự quang hợp không những là sự biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học mà còn dự trử chúng bằng sự tổng hợp chất giàu năng lượng. Theo từ ngữ hóa học, năng lượng được dự trử bởi sự khử (reduction), tức là sự thêm vào một hay nhiều điện tử. Quá trình ngược lại là sự oxy hóa (oxidation), là sự giải phóng năng lượng từ một hợp chất bởi sự lấy đi một hay nhiều điện tử. Trước đây, từ này có nghĩa là phản ứng thêm vào hay mất đi oxy. Tuy nhiên, hiện nay từ này dùng cho cả những phản ứng không có oxy tham gia. Thí dụ, trong những phản ứng sinh hóa học, sự dẫn truyền điện tử thường đi kèm theo sự trao đổi của một hay nhiều nguyên tử hydro. Mối liên hệ giữa chúng được được tóm tắt trong bảng 4. Ðiểm cần chú ý là: sự khử là sự nhận điện tử, dự trử năng lượng trong chất bị khử, ngược lại sự oxy hóa là sự mất đi điện tử, giải phóng năng lượng từ chất bị oxy hóa.

Bảng 1. Những phản ứng oxy hóa khử (redox reactions)*

Sự oxy hóa Sự khử mất điện tử nhận điện tử

mất hydrogen nhận hydrogen

giải phóng năng lượng dự trử năng lượng

* McFadden. 1995

Vì một điện tử được một phân tử nhận phải là được lấy đi từ một phân tử khác, có nghĩa là khi có một chất nào đó bị khử thì theo đó là chất khác bị oxy hóa. Vì phản ứng khử phải đi cùng phản ứng oxy hóa với một điện tử được thêm vào chất này là được lấy đi từ chất khác nên phản ứng này được gọi là phản ứng oxy hóa khử (redox reaction: reduction - oxidation).

Trong các phản ứng oxy hóa khử của sự quang hợp, năng lượng của ánh sáng mặt trời làm phân ly phân tử nước và khử CO2 thành dạng đường giàu năng lượng. Nói một cách khác, ion H+ và điện tử do sự phân ly của những phân tử nước được cung cấp cho CO2 để tạo ra hợp chất khử với đơn vị căn bản là (CH2O), và năng lượng từ ánh sáng mặt trời được dự trử trong quá trình này. Trong sự quang hợp, cần chú ý cơ chế hấp thu và sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời và cơ chế chuyển hydro và điện tử từ nước đến CO2.

3. Lá xanh là cơ quan chính của sự quang hợp TOP

Mặc dù sự quang hợp có thể xảy ra ở tất cả những phần xanh, có chứa diệp lục tố, của cây, nhưng cơ quan chính có chứa nhiều diệp lục tố là lá, nên lá xanh là cơ quan chính của sự quang hợp. Thông thường lá cây gồm cuống lá (petiole) và phiến lá (blade) (một số lá không có cuống, phiến lá gắn trực tiếp vào thân). Phiến lá rộng, mỏng với một hệ gân lá phức tạp.

Dưới kính hiển vi, có thể thấy lá được bao bọc bởi một lớp biểu bì (epidermis), thường chỉ có một lớp tế bào, đôi khi 2 hay 3 hay nhiều hơn (Hình 2). Bên ngoài được bao phủ bởi một lớp cutin, bao cả biểu bì trên và dưới; chức năng chính của biểu bì là bảo vệ những mô bên trong của lá, tránh mất nước, chống sự xâm nhập của nấm và các tác nhân gây hại khác. Thường tế bào biểu bì không có chứa lục lạp nên không có chức năng quang hợp.

Giữa hai lớp biểu bì là diệp nhục (mesophyll), các tế bào diệp nhục chứa nhiều lục lạp nên còn được gọi là lục mô, và là mô chính tham gia vào sự quang hợp của cây. Diệp nhục thường chia thành hai phần: lục mô hàng rào ở phía trên (palisade mesophyll), gồm những tế bào hình trụ xếp thẳng đứng, và lục mô xốp (khuyết) (spongy mesophyll) gồm những tế bào có hình dạng không nhất định và sắp xếp bất định. Các tế bào của cả hai phần liên kết với nhau rất lỏng lẻo và có những khoảng trống giữa chúng. Những khoảng trống này thông ra bên ngoài không khí bởi những lỗ được gọi là khí khẩu (stomata), CO2 cần thiết cho quá trình quang hợp từ không khí đi vào lá qua các khí khẩu này. Sự đóng mỡ của khí khẩu được điều tiết do hai tế bào khẩu nằm trên biểu bì.

Hệ gân lá (các bó mạch) phân nhánh từ cuống lá vào phiến lá làm thành bộ khung cho phiến lá và mô dẫn truyền là đường dẫn truyền chính nối liền với các thành phần khác của cây. Mỗi bó mạch gồm hai loại mô chính: mô mộc, và mô libe, vận chuyển các vật chất hữu cơ đi khắp cây. Mỗi bó mạch thường được bao quanh bằng những tế bào làm thành bao (bundle sheath). Mô mộc cung cấp nước cần thiết cho sự quang hợp ở tế bào diệp nhục và sản phẩm cuối cùng là carbohydrat được chuyển đến các tế bào khác trong cây nhờ mô libe.

Hình 2. Cấu tạo của lá C3

4. Lục lạp là bào quan chính của sự quang hợp TOP

Lục lạp được hai màng bao bọc và chứa một hệ thống màng bên trong làm thành các túi dẹp thông thương với nhau được gọi là thylakoid. Một số thylakoid có hình dĩa xếp chồng lên nhau như một chồng đồng xu gọi là grana. Màng thylykoid ngăn cách giữa những phần bên trong của thylakoid và chất cơ bản của lục lạp (stroma) (Hình 9, chương 1).

Những phản ứng trong pha sáng của sự quang hợp xảy ra ở trong hay ở trên màng thylakoid. Những phản ứng trong pha tối của sự quang hợp xảy ra trong phần dịch của chất cơ bản bao quanh các túi thylakoid.

II. PHA SÁNG CỦA QUÁ TRÌNH QUANG HỢP

Pha sáng của quá trình quang hợp là gọi chung các phản ứng trong đó có một số phản ứng cần sự hiện diện của ánh sáng.

1. Hệ thống quang I và II (photosystem) TOP

Diệp lục tố và các sắc tố phụ cần thiết cho quá trình quang hợp tổ chức thành hai hệ thống quang I và II, cả hai đều ở trên màng thylakoid. Mỗi hệ thống quang chứa khoảng 300 phân tử sắc tố, gồm từ 5 đến 10 LHC (Light-harvesting complex), mỗi LHC II gồm ba bán đơn vị, mỗi bán đơn vị gồm một protein, 7 phân tử chlorophyll a, 5 chlorophyll b và 2 carotenoid. Mỗi hệ thống quang có một trung tâm phản ứng (reaction center) gồm có 4 phân tử sắc tố, 4 phân tử enzim tất cả được gắn với nhau nhờ một phân tử protein, những phân tử sắc tố khác hoạt động như những anten, hai hệ thống này hấp thu năng lượng của ánh sáng có độ dài sóng khác nhau và truyền năng lượng về trung tâm phản ứng. Hệ thống quang I chứa phức hợp trung tâm phản ứng P700, vì nó không thể hấp thu ánh sáng có độ dài sóng cao hơn 700 nm; hệ thống quang II chứa phức hợp trung tâm phản ứng P680, vì nó không thể hấp thu ánh sáng có độ dài sóng cao hơn 680 nm (Hình 3).

Hình 3. Hệ thống quang I và II trên màng thylakoid

Khi một quang tử (photon) được một phân tử sắc tố hấp thu, năng lượng được chuyền vào một điện tử của một phân tử sắc tố, hoạt hóa điện tử này lên một mức năng lượng cao hơn (Hình 4). Trạng thái hoạt hóa này có thể đi từ phân tử sắc tố này sang phân tử sắc tố khác đến trung tâm phản ứng (Hình 5). Khi điện tử được thu nhận, phân tử ở trung tâm phản ứng trở thành một chất có xu hướng cho điện tử, và đưa điện tử này đến một phân tử tiếp nhận điện tử chuyên biệt (acceptor molecule). Sau đó, điện tử này được vận chuyển qua một chuỗi dẫn truyền điện tử (electron-transport chain).

Hình 4. AÛnh hưởng của ánh sáng trên diệp lục tố Hình 5. Ðường đi của quang tử

2. Chuỗi dẫn truyền điện tử TOP

Trong hệ thống quang I, phân tử tiếp nhận điện tử đầu tiên là một protein có chứa FeS. P700 bị oxy hóa và chuyển điện tử cho protein FeS nên protein này bị khử. Sau đó điện tử từ FeS được một chất nhận điện tử kế tiếp tiếp nhận (Hình 6). Trong mỗi chuỗi dẫn truyền điện tử chất nhận điện tử trở thành chất khử và chất cho điện tử thành chất oxy hóa. Chất nhận điện tử thứ hai là Fd. Chất nhận điện tử thứ ba trong chuỗi dẫn truyền điện tử là phức hợp FAD, sau đó nó chuyển điện tử cho

Hình 6. Sự dẫn truyền điện tử trong hệ thống quang I NADP+(nicotinamid adenin dinucleotid phosphat), chất này ở trong stroma. Mỗi phân tử NADP+có thể nhận hai điện tử từ FAD và một ion H+ từ stroma của lục lạp và bị khử thành NADPH. NADPH ở trong stroma sẽ là chất cho điện tử trong sự khử CO2 thành carbohydrat.

Trong hệ thống quang II, trung tâm phản ứng sau khi nhận năng lượng từ những phân tử sắc tố đưa tới trở thành một chất có xu hướng cho điện tử mạnh. Chất nhận điện tử đầu tiên là Q. Q chuyển điện tử vào một chuỗi dẫn truyền điện tử; đưa điện tử từ hệ thống quang II đến hệ thống quang I, nơi đã mất điện tử đã nói ở trên.

Ðiện tử được chuyển từ hệ thống quang II sang hệ thống quang I cùng lúc ion H+ được bơm từ stroma vào bên trong túi của thylakoid. Phân tử PQ vừa tải được điện tử vừa mang được ion H+. PQ cơ

động trong màng, nó nhận 2 ion H+ và hai điện tử từ màng phía bên stroma (trở thành PQH2) và đi qua phía bên kia của màng thylakoid. Phân tử dẫn truyền điện tử kế tiếp là trong chuỗi là cytochrom f, nhận điện tử từ PQH2 nhưng không nhận ion H+, do đó ion H+ vẫn ở bên trong thylakoid. Sau đó điện tử được protein tải cơ động PC (plastocyanin) chuyển đến hệ thống quang I. Hậu quả của việc chuyển điện tử này là sự vận chuyển tích cực của ion H+ từ stroma vào phía trong của thylakoid. Nồng độ ion H+ trong thylakoid tăng (pH khoảng 4) và bên ngoài giảm đi tạo ra một sự chênh lệch về nồng độ ion H+giữa hai bên của màng thylakoid. Hơn nữa, một khuynh độ điện thế được sinh ra: stroma mất điện tích dương, trở nên có điện tích âm hơn và trong thylakoid có chứa nhiều ion H+ trở nên có điện tích dương. Sự khác biệt về điện tích và nồng độ ion H+sinh ra khuynh độ hóa điện là nguồn năng lượng cho sự tổng hợp ATP.

Sau khi điện tử từ hệ thống quang II chuyển sang hệ thống quang I, thì hệ thống quang II sẽ nhận điện tử từ nước. Hệ thống quang II là một phức hợp protein gồm: những sắc tố anten, trung tâm phản ứng P680, và phức hợp enzim để phân ly phân tử nước, phức hợp enzim này có chứa một nhóm gồm bốn ion mangan (cofactor) ở hoạt điểm của nó. P680, sau khi chuyển điện tử đi trở thành P680+ và có xu hướng nhận điện tử mạnh. P680+ với sự trợ giúp của enzim phân ly nước và một phức hợp enzim Z lấy điện tử từ nước, giải phóng ion H+ tự do và oxy phân tử (Hình 7).

Hình 7. Sự dẫn truyền điện tử trong hệ thống quang II

Oxy là sản phẩm khí được giải phóng, khuếch tán ra khỏi tế bào, đi ra ngoài khí quyển qua khí khẩu. Ion H+ ở bên trong thylakoid và tạo ra khuynh độ hóa điện xuyên màng. Có thể tóm tắt đường đi của điện tử như sau:

Trình tự này cho thấy rằng điện tử cần thiết để khử CO2 thành carbohydrat là từ nước, nhưng sự vận chuyển điện tử từ nước đến carbohydrat là một quá trình gián tiếp và phức tạp. Ðiện tử đi theo một con đường và không thành một vòng (noncyclic). Kết quả của quá trình: thành lập NADPH, giải phóng oxy phân tử và sinh ra một khuynh độ hóa điện xuyên màng thylakoid.

3. ATP - nguồn năng lượng của tế bào TOP

Phân tử ATP (adenosin triphosphat) (Hình 8) gồm adenosin nối với ba gốc phosphat.: Adenosin _

P ∼ P ∼ P

Hình 8. Phân tử ATP

Các nối giữa P thứ nhất và P thứ hai và nối giữa P thứ hai và P thứ ba thường được gọi là nối phosphat giàu năng lượng (high energy). Khi nối này bị thủy giải thành ADP và P sẽ phóng thích năng lượng hữu dụng. ATP được thành lập và thủy giải trong tế bào. Nếu nối phosphat cuối cùng bị thủy giải thì hợp chất còn lại là ADP (adenosin diphosphat); nếu cả hai nối đều bị thủy giải thì chất còn lại là AMP (adenosin monophosphat).

Một ATP mới có thể được thành lập từ ADP và P vô cơ nếu đủ năng lượng để thành lập cầu nối phosphat vào ADP. Sự thêm gốc phosphat này được gọi là sự phosphoryl hóa (phosphorylation)

Các phản ứng trong pha sáng của sự quang hợp thường được gọi là quang phosphoryl hóa (photophosphorylation), có nghĩa là sự sử dụng năng lượng ánh sáng để gắn một P vô cơ vào một phân tử, thường là ADP, dù người ta biết rằng sự hấp thu năng lượng ánh sáng và sự phosphoryl hóa là những phản ứng riêng biệt.

Trong lục lạp, ATP được tổng hợp như thế nào? Có nhiều giả thuyết, trong đó phổ biến nhất là thuyết hóa thẩm thấu (chemiosmotic hypothesis) do Peter Mitchele (Glynn Research Laboratories ở Anh) đưa ra năm 1961. Giả thuyết này dựa trên cơ sở là kết quả sự dẫn truyền điện tử làm bơm ion H+ xuyên qua màng sinh ra một khuynh độ hóa điện, khuynh độ này cung cấp năng lượng để tổng hợp ATP.

Trên màng thylakoid có rất nhiều enzim ATP synthetaz. Phức hợp này có hai chức năng: vừa là kênh ion H+ vừa là enzim xúc tác tổng hợp ATP. Khi ion H+ đi qua kênh theo chiều khuynh độ nồng độ của nó (từ vùng có nồng độ cao bên trong thylakoid qua vùng có nồng độ thấp trong stroma); ATP được tổng hợp từ ADP và P và được giải phóng vào stroma (Hình 9).

Hình 9. Sơ đồ tổng hợp ATP

Vì năng lượng của ánh sáng cuối cùng là cung cấp cho sự phosphoryl hóa ADP thành ATP và điện tử thì không quay vòng lại, nên cả quá trình được gọi là sự quang phosphoryl hóa không vòng (noncyclic photophosphorylation). Sản phẩm cuối cùng của quá trình là ATP, NADPH và oxy phân tử. NADPH và ATP sẽ được sử dụng để khử CO2 trong pha tối, O2 được khuếch tán ra khỏi lá. Các phản ứng của sự quang

phosphoryl hóa từ lâu được hiểu là pha sáng của quá trình quang hợp, thật ra chỉ có hoạt động của hai hệ thống quang là trực tiếp lệ thuộc vào ánh sáng (Hình 10).

Hình 10. Lộ trình phosphoryl hóa không vòng

Có hai lộ trình (pathway) sử dụng năng lượng ánh sáng để tạo ra ATP. Lộ trình không vòng như đã đề cập ở trên và lộ trình có vòng (cyclic pathway), chỉ có một hệ thống quang tham gia. Trong lộ trình có vòng điện tử mang năng lượng ánh sáng bắt đầu từ hệ thống quang I đi qua một phần của chuỗi dẫn truyền điện tử, đầu tiên là FeS (Hình 4.11), kế tiếp đến Fd và sau đến b6 là một protein tải cơ động và chuyển điện tử trở vào chuỗi dẫn truyền điện tử bắt đầu từ PQ. Ðiện tử đi theo một vòng và không có nguồn điện tử từ bên ngoài tham gia vào. Tương tự lộ trình không vòng đã đề cập ở trên, sự vận chuyển điện tử qua PQ và chuỗi dẫn truyền điện tử có thể dùng để bơm ion H+ xuyên qua màng (Hình 4.10) sinh ra một khuynh độ hóa điện. Sau đó, năng lượng của khuynh độ này được dùng để tổng hợp ATP từ ADP vì ion H+ đi qua phức hợp ATP synthetaz. Cả quá trình từ sự đi một vòng của điện tử và ion H+ được bơm để sau đó tổng hợp ATP được gọi là sự quang phosphoryl hóa vòng (cyclic photophosphorylation). Quá trình này chỉ tạo ra ATP.

Hình 11. Lộ trình phosphoryl hóa vòng

Như vậy, khi nào các phản ứng trong lục lạp xảy ra trong lộ trình vòng hay không vòng? Các nghiên cứu tập trung vào NADP+, khi có đủ NADP+để nhận điện tử, các phản ứng đi theo lộ trình không vòng. Lộ trình vòng chỉ xảy ra khi nào thiếu NADP+, nhưng thật ra NADPH được sử dụng cho rất nhiều phản ứng sinh tổng hợp trong lục lạp nên NADP+ luôn được tạo ra, nên lộ trình vòng không thể xảy ra được.

Sự quang phosphoryl hóa vòng là kiểu quang hợp của những sinh vật đầu tiên, hiện nay chỉ xảy ra ở những vi khuẩn quang hợp như vi khuẩn lục và vi khuẩn tím. Ở thực vật đa bào, sự quang phosphoryl hóa vòng chỉ là phụ cho quá trình quang phosphoryl hóa không vòng, để cung cấp thêm một ít ATP cho tế bào.

III. PHA TỐI - CHU TRÌNH CALVIN-BENSON ATP và NADPH được tạo ra trong pha sáng được sử dụng để tổng hợp carbohydrat từ CO2. Các phản ứng để tổng hợp carbohydrat thường được gọi là những phản ứng tối vì nó có thể xảy ra trong tối, chỉ cần có đủ ATP và NADPH, những phản ứng này đòi hỏi những sản phẩm của pha sáng, nhưng nó không trực tiếp sử dụng ánh sáng. Tuy nhiên, ở hầu hết thực vật, sự tổng hợp carbohydrat chỉ xảy ra ban ngày, ngay sau khi ATP và NADPH được tạo ra.

Sự khử CO2 nghèo năng lượng để tạo ra đường giàu năng lượng diễn ra qua nhiều bước, mỗi bước được một enzim xúc tác. Thật vậy, CO2 được đưa lên một khuynh độ năng lượng cao hơn qua một chuỗi hợp chất trung gian không bền cuối cùng tạo ra sản phẩm cuối cùng giàu năng lượng là carbohydrat. ATP và NADPH cần thiết cho các phản ứng này tạo ra trong stroma (Hình 12) và sự tổng hợp carbohydrat cũng xảy ra trong stroma.

Hình 12. Sơ đồ tóm tắt các phản ứng của hai pha sáng và pha tối

Hình 13. Sơ đồ chu trình Calvin-Benson

1. Cố định CO2 TOP

Chu trình bắt đầu khi CO2 từ không khí kết hợp với đường 5C được gọi là ribuloz bisphosphat (RuBP) tạo ra một đường 6C không bền. Sau đó phân tử đường 6C này được cắt ra làm hai tạo ra hai phân tử acid phosphoglyceric hay PGA (Hình13). Enzim xúc tác cho phản ứng này là ribuloz bisphosphat carboxylaz hay Rubisco, đây là chìa khoá của phản ứng sinh tổng hợp trong quang hợp. Kế đến, mỗi phân tử PGA được gắn thêm vào một gốc phosphat từ phân tử ATP. Sau đó NADPH chuyển điện tử và hydro cho chúng. Ở những phản ứng này có sự tham gia của các sản phẩm từ pha sáng. Kết quả là một hợp chất 3C giàu năng lượng được tạo ra phosphoglyceraldehyd hay PGAL. PGAL là một đường thật sự và là sản phẩm bền của quá trình quang hợp.

2. Chuyển hóa CO2 TOP

Một số PGAL được tổng hợp thành glucoz và sau đó thành tinh bột và được dự trử trong lục lạp, một số glucoz được đưa ra ngoài tế bào chất, ở đây nó được kết hợp và sắp xếp lại trong một chuỗi phản ứng để tạo ra sucroz, để được vận chuyển đi đến những phần khác của cây. Dù glucoz là dạng đường thường được xem là sản phẩm cuối cùng của quá trình quang hợp, nhưng thật ra chúng hiện diện rất ít trong hầu hết tế bào thực vật. Phần lớn PGAL được sinh ra trong tế bào được sử dụng để tổng hợp tinh bột, acid béo, acid amin và nucleotid hay được hô hấp hiếu khí để tạo ra năng lượng cho tế bào. Thông thường glucoz sau khi được tổng hợp sẽ được chuyển ngay thành sucroz, tinh bột, celluloz hay những đường đa khác.

3. Tái tạo chất nhận TOP

Phần lớn các phân tử PGAL được dùng để tạo ra những RuBP mới, sự tái tạo chất nhận CO2 trải qua một chuỗi những phản ứng phức tạp và đòi hỏi cung cấp ATP. Sự tái tạo chất nhận CO2 khép kín chu trình Calvin-Benson.

IV. SỰ QUANG HỢP Ở CÁC NHÓM C3, C4 VÀ CAM

1. Sự quang hợp ở thực vật C3 TOP

Các cây quang hợp theo quá trình mô tả ở trên được gọi là các cây C3 vì sản phẩm trung gian là PGAL là một hợp chất có 3C.

2. Sự quang hợp ở thực vật C4 TOP

Trong chu trình Calvin-Beson, enzim Rubisco xúc tác phản ứng gắn CO2 vào RuBP để bắt đầu chu trình, enzim này cũng gắn được với O2 và khi đó nó oxy hoá RuBP để giải phóng CO2 và không bắt đầu chu trình được. Nói cách khác, CO2 và O2 đều là cơ chất cùng tranh giành hoạt điểm của enzim Rubisco. Khi nồng độ CO2 cao, O2 thấp thì CO2 có lợi thế hơn và sự tổng hợp carbohydrat theo chu trình Calvin-Beson. Nhưng ngược lại thì O2 gắn vào RuBP và oxy hoá chất này, hiện tượng này gọi là sự quang hô hấp (photorespiration). Không giống các kiểu hô hấp khác, quá trình này không tạo ra ATP nên là quá trình lãng phí đi kèm theo chu trình Calvin-Beson.

Một số cây sống ở vùng nóng và khô, để tránh mất nước khí khẩu thường đóng lại nên nồng độ CO2 trong những khoảng trống giữa các tế bào rất thấp, để tránh bớt sự quang hô hấp xảy ra, các cây này có một cơ cấu khác các cây C3 được gọi là cơ cấu "Krans" (từ tiếng Ðức có nghĩa là "wreath" để chỉ sự sắp xếp thành vòng bao quanh gân lá của những tế bào diệp nhục). Ở các cây này, thường là những cây Ðơn tử diệp như Mía, Bắp... tế bào bao quanh bó mạch chứa rất nhiều lục lạp và các tế bào diệp nhục xếp thành vòng bao quanh các tế bào bao này (Hình 14). Vào những năm 1960, M. D. Hatch và C. R. Slack nghiên cứu sự quang hợp ở những cây này nhận thấy rằng khi nhiệt độ cao và cường độ ánh sáng mạnh, ở các cây này CO2 kết hợp với một hợp chất C3 (phosphoenolpyruvate: PEP) trong tế bào diệp nhục tạo ra một hợp chất C4 và đưa chất này vào tế bào bao. Trong tế bào bao, hợp chất C4 được cắt ra thành CO2 và một hợp chất C3 khác. Do vậy, CO2 vẫn ở trong tế bào bao và được đưa vào chu trình Calvin-Beson để tổng hợp carbohydrat. Như vậy, tế bào diệp nhục hoạt động như một cái bơm CO2. Các cây này được gọi là cây C4.

3. Sự quang hợp ở CAM: Crassulaceaen acid metabolism TOP

Là một biến đổi của con đường quang hợp C4 lần đầu tiên được phát hiện ở thực vật có hoa Họ Crassulaceae (Họ cây Thuốc bỏng). Chúng cũng có ở những cây Khóm của Họ Bromeliaceae. Sự quang hợp của các cây CAM bao gồm cả lộ trình Calvin-Beson, những phản ứng này diễn ra trong cùng một tế bào, nhưng xảy ra ở những thời điểm khác nhau.

Thực vật CAM có khả năng mở khí khẩu theo kiểu khác thường và cố định CO2 thành hợp chất C4 vào ban đêm hơn là ban ngày như những thực vật khác. Hợp chất C4 được tạo ra trong tối được trử lại trong không bào của tế bào diệp nhục và được đưa trở lại tế bào chất của cùng tế bào đó để khử CO2 ngay sau khi ban ngày trở lại. CO2 giải phóng từ hợp chất C4 sau đó được cố định trong lục lạp theo cách bình thường thông qua RuBP và chu trình Calvin-Beson.

Quá trình sinh hoá đặc biệt này giúp cho cây có thể sống sót trong điều kiện thật nóng và khô. Khí khẩu đóng suốt ngày tránh mất nước, chỉ mở ra vào ban đêm để lấy CO2 khi mà sự bôc hơi nước ở mức thấp nhất. Sự tập trung và tích tụ của CO2 suốt đêm đủ cho sự quang hợp trong ngày sau.

CHƯƠNG 5

SỰ HÔ HẤP TẾ BÀO

--- oOo ---

I. ÐẠI CƯƠNG

1. Sự tiến dưỡng và thoái dưỡng

2. Ty thể

II. SỰ HÔ HẤP CARBOHYDRAT

1. Ðường phân

2. Sự lên men

3. Sự oxy hóa của acid pyruvic

4. Chu trình Krebs

5. Sự trao đổi năng lượng và điều hòa trong quá trình hô hấp

III. SỰ HÔ HẤP LIPID VÀ PROTEIN

1. Sự hô hấp lipid

2. Sự hô hấp protein

===============================================================

CHƯƠNG 5

SỰ HÔ HẤP TẾ BÀO

Tế bào cần rất nhiều năng lượng để duy trì sự sống: từ việc sao chép, sửa chửa các cấu trúc di truyền trong nhiễm sắc thể; tạo mới các thành phần cấu tạo trong tế bào, lấy thức ăn vào, thải chất bả ra, giử cho độ pH và nồng độ ion được cân bằng... Nếu năng lượng không được cung cấp các phản ứng không thể xảy ra được và sự sống của tế bào sẽ ngừng lại. Thật ra, tất cả năng lượng cung cấp cho sự sống ngày nay là từ mặt trời, được cây hấp thu và qua quá trình quang hợp tạo ra hợp chất hữu cơ giàu năng lượng. Hầu hết các sinh vật không quang hợp lấy năng lượng bằng cách tiêu hóa các sinh vật quang hợp được và những sinh vật khác. Trong tế bào, sự hô hấp tạo ra năng lượng để cung cấp cho tất cả các hoạt động của tế bào.

I. ÐẠI CƯƠNG

1. Sự tiến dưỡng và thoái dưỡng TOP

Trong tế bào, năng lượng được dự trử trong các hợp chất được tổng hợp do quá trình quang hợp. Năng lượng này được giải phóng qua quá trình hô hấp hiếu khí, trong đó glucoz được chuyển hóa qua nhiều sản phẩm trung gian để đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O. Năng lượng tự do được tạo ra trong quá trình này được sử dụng như là nguồn năng lượng cho những phản ứng khác xảy ra trong tế bào.

Tất cả các phản ứng này được gọi là sự biến dưỡng của tế bào (cellular metabolism) và thường được chia thành hai giai đoạn: sự tiến dưỡng (anabolism) là quá trình những chất hữu cơ phức tạp được tổng hợp từ những phân tử đơn giản hơn, và sự thoái dưỡng (catabolism) là quá trình trong đó cơ thể sống lấy năng lượng từ thức ăn bằng cách phân cắt những phân tử hữu cơ phức tạp thành những phân tử đơn giản hơn. Sự hô hấp hiếu khí (aerobic respiration) là một kiểu thoái dưỡng chính xảy ra trong tế bào.

2. Ty thể TOP

Ty thể là bào quan tham gia vào sự hô hấp hiếu khí. Dưới kính hiển vi điện tử, mỗi ty thể được bao bọc bởi hai màng, màng ngoài và màng trong chia ty thể ra làm hai ngăn: ngăn ngoài là khoảng giữa của hai màng, ngăn trong từ màng trong trở vào. Màng trong là những crista, nên bề mặt tiếp xúc tăng rất nhiều (Hình 8, chương 1). Màng ngoài thấm được những phân tử nhỏ, nhưng màng trong thì không thấm. Trên màng trong có các protein kênh, kênh đóng mở, bơm để điều tiết chọn lọc những phân tử đi ra và đi vào ngăn trong. Màng trong cũng chứa những protein của chuỗi dẫn truyền điện tử tương tự như chuỗi dẫn truyền điện tử trên màng thylakoid của lục lạp. Vì thật ra, sự hô hấp giống như sự quang hợp cũng bao gồm những phản ứng oxy hóa khử.

II. SỰ HÔ HẤP CARBOHYDRAT

Những carbohydrat phức tạp như tinh bột ở thực vật và glycogen ở động vật đều được thủy phân thành những phân tử glucoz trước khi đi vào quá trình hô hấp. Sự hô hấp hoàn toàn một hợp chất giàu năng lượng như glucoz trải qua một chuỗi dài những phản ứng, trong đó có những phản ứng xảy ra không cần sự hiện diện của oxy và có những chuỗi phản ứng lệ thuộc vào oxy.

1. Ðường phân (glycolysis) (giai đoạn I) (Hình 1) TOP

Hình 1. Các phản ứng chính của đường phân

Ðường phân là giai đoạn đầu tiên của quá trình hô hấp glucoz xảy ra không cần sự hiện diện của O2. Ðường phân xảy ra trong dịch tế bào chất của tất cả tế bào sống, và là chuỗi phản ứng đã xảy ra ở những sinh vật đầu tiên khi mà trái đất còn chưa có O2.

Glucoz là một hợp chất bền vững, ít có xu hướng phân cắt ra thành những chất đơn giản hơn, do đó tế bào muốn lấy năng lượng từ glucoz trước tiên phải đầu tư cho nó một ít năng lượng để hoạt hóa phân tử. Do đó, giai đoạn đầu của đường phân là cung cấp ATP cho phân tử glucoz (Hình 1). Trong các phản ứng chuẩn bị hai phân tử ATP gắn gốc phosphat cuối cùng của nó vào phân tử glucoz.

Trong phản ứng này hexokinaz xúc tác chuyển một gốc phosphat vào glucoz. Phản ứng kế tiếp là phản ứng chuyển đổi glucoz-6-phosphat thành fructoz-6-phosphat.

Sau khi tạo ra sản phẩm trong bước (2), một phân tử ATP nữa được tiêu thụ để thêm một gốc phosphat nữa vào phân

tử.

Kế tiếp fructoz-1,6-bisphosphat bị cắt đôi ở giữa C thứ ba và C thứ tư tạo ra hai chất 3C tương tự nhau trong bước (4). Một chất là PGAL (phosphoglyceraldehyd) và một chất trung gian thường chuyển đổi ngay thành PGAL trong bước (5). PGAL là một đường trung gian 3C, là chìa khóa trung gian trong cả quá trình đường phân và quang

hợp.

Ðến giai đoạn này quá trình đường phân đã sử dụng 2 phân tử ATP.

Phản ứng kế tiếp, hơi phức tạp hơn, bắt đầu để dẫn đến sự thành lập ATP mới, thật sự là hai phản ứng. Phản ứng đầu là một phản ứng oxy hóa khử: hai điện tử và một ion H+ được lấy từ mỗi phân tử PGAL (như vậy phân tử này bị oxy hóa) bởi phân tử nhận điện tử nicotinamid adenin dinucleotid, hay NAD+, chất này bị khử. NAD+ rất gần với NADP+ tìm thấy trong lục lạp. Trong trường hợp này sản phẩm trung gian là NADH thay vì là NADPH.

Phản ứng thứ hai là sự phosphoryl hóa PGAL. Năng lượng được giải phóng từ sự oxy hóa PGAL được dùng để gắn một gốc phosphat vô cơ P vào PGAL, gốc phosphat được gắn vào bằng một cầu nối giàu năng lượng.

Trong phản ứng kế tiếp, gốc phosphat mới được chuyển vào ADP để tạo ra ATP. Trong quá trình này, một gốc phosphat giàu năng lượng được chuyển vào một cơ chất ADP để tạo thành ATP, phản ứng này được gọi là phosphoryl hóa ở mức cơ chất (substrate-level phosphorylation). Sản phẩm 3C là PGA, một chất trung gian trong chu trình Calvin-Benson, một lần nữa cho thấy sự tương quan giữa hai quá trình:

Ở giai đoạn này, tế bào thu lại được 2 phân tử ATP đã dùng cho sự phosphoryl hóa glucoz trong lúc bắt đầu đường phân. Năng lượng đầu tư ban đầu đã được trả lại. Qua phản ứng kế tiếp, cuối cùng là nước được tách ra từ PGA, và sau đó gốc phosphat được chuyển đổi và được gắn lại bởi cầu nối giàu năng lượng:

Sau phản ứng sắp xếp lại trong bước (9) gốc phosphat được chuyển vào ADP theo sự phosphoryl hóa ở mức cơ chất để thành lập ATP, kết quả tạo ra hai phân tử ATP và hai phân tử acidpyruvic:

Vì hai phân tử ATP sử dụng trong bước (1 và 3) đã được lấy lại trong bước (7), nên hai phân tử ATP này là được tổng hợp thêm cho tế bào.

Các điểm quan trọng cần chú ý trong sự đường phân là:

- Mỗi phân tử glucoz (C6 H12O6) bị phân tách thành hai phân tử acid pyruvic (C3H4O3).

- Hai phân tử ATP sử dụng trong lúc đầu của quá trình, sau đó có bốn phân tử được tạo ra, như vậy tế bào còn được hai phân tử này.

- Hai phân tử NADH được thành lập.

- Vì không sử dụng oxy, quá trình có thể xảy ra dù có sự hiện diện của O2 hay không.

- Các phản ứng của đường phân xảy ra trong dịch tế bào chất của tế bào, bên ngoài ty thể.

2. Sự lên men (fermentation) (Hình 2) TOP

Trong đường phân, hai phân tử NAD+ được khử thành NADH. Chức năng của phân tử NAD+ trong tế bào là vận chuyển điện tử, trao đổi ion H+ và điện tử giữa chất này và chất khác. Do đó, NAD+ chỉ là một chất tạm thời tải ion H+ và điện tử, sau khi chuyển ion H+ và điện tử cho chất khác thì nó trở lại làm chất tải tiếp tục. Nếu NADH được thành lập không nhanh chóng loại bỏ ion H+ và điện tử thì NAD+ trong tế bào sẽ thiếu; khi đó bước (6) trong đường phân không thể xảy ra và quá trình đường phân tạm dừng lại. Như vậy, sự oxy hóa NADH thành NAD+ là cần thiết cho quá trình đường phân tiếp tục.

Trong hầu hết tế bào, nếu có O2, nó sẽ là chất nhận điện tử cuối cùng từ NADH. Nhưng dưới điều kiện yếm khí, không có O2 để nhận hydro và điện tử thì acid pyruvic được tạo ra trong quá trình đường phân sẽ nhận hydro và điện tử từ NADH, quá trình này được gọi là sự lên men.

Hình 2. Các phản ứng chính của sự lên men

Sự biến dưỡng acid pyruvic trong sự lên men thay đổi theo cơ thể sinh vật (Hình 2). Ở tế bào động vật và nhiều vi sinh vật sự khử acid pyruvic tạo ra acid lactic:

Ở hầu hết tế bào thực vật và men (yeast), sản phẩm lên men là rượu ethyl và CO2, quá trình này được áp dụng trong sản xuất:

Vì vậy, trong điều kiện yếm khí, NAD+ như con thoi đi qua đi lại giữa bước (6) và bước (11), lấy hydro và điện tử để tạo ra NADH trong bước (6) và trả lại hydro và điện tử trong bước (11). Sự lên men là sự nối tiếp của quá trình đường phân, bằng cách này glucoz được biến đổi thành rượu hay thành acid lactic dưới điều kiện yếm khí, và tên gọi tùy thuộc vào tên của loại sản phẩm cuối cùng. Dù sản phẩm cuối cùng là chất nào thì sự lên men chỉ lấy được một phần năng lượng rất nhỏ từ glucoz, các sản phẩm của quá trình lên men là các chất còn chứa rất nhiều năng lượng tự do.

Sự lên men của những tế bào men và những vi sinh vật được ứng dụng trong nhiều kỷ nghệ quan trọng như làm bánh mì, pho ma, da ua, sản xuất rượu và các loại thức uống có rượu; một số sản phẩm khác được tạo ra từ các vi sinh vật khác như mùi đặc trưng của pho ma Thụy sỉ là do sản phẩm lên men là acid proprionic.

3. Sự oxy hóa pyruvic acid (giai đoạn II) TOP

Nếu có sự hiện diện của O2, thì O2 là chất nhận điện tử cuối cùng từ NADH, do đó acid pyruvic sẽ được đưa vào ty thể và ở đây sẽ được tiếp tục biến dưỡng và đồng thời tạo ra nhiều ATP mới.

Acid pyruvic trong dịch tế bào chất được chuyển vào ngăn trong của ty thể. Qua một chuỗi phản ứng phức tạp, acid pyruvic bị oxy hóa thành CO2 và một gốc acetyl 2C, chất này gắn với một coenzim được gọi là coenzim A (CoA) tạo ra chất acetyl-CoA. Khi acid pyruvic được oxy hóa, điện tử và ion H+ bị lấy đi, và một lần nữa NAD+ là chất nhận điện tử và ion H+ để tạo ra NADH. Chuỗi phản ứng phức tạp này có thể được tóm tắt trong phương trình sau:

Cuối giai đoạn II, 2 trong 6C trong glucoz ban đầu được giải phóng ra dưới dạng CO2.

4. Chu trình Krebs (giai đoạn III) TOP

Kế tiếp acetyl-CoA đi vào một chuỗi phản ứng của một chu trình gọi là chu trình Krebs (do nhà khoa học người Anh, Hans Krebs, được giải thưởng Nobel nhờ làm sáng tỏ được chu trình này) hay chu trình acid citric. Những điểm chính trong chu trình được trình bày trong hình 3. Mỗi phân tử acetyl-CoA

được tạo ra từ phân tử glucoz ban đầu kết hợp với một hợp chất 4C, acid oxaloacetic, đã hiện diện trong tế bào để tạo ra một hợp chất 6C mới là acid citric. Trong các phản ứng tiếp theo, 2C bị mất đi dưới dạng CO2, như vậy hợp chất chỉ còn 4C và được biến đổi để trở lại chất 4C ban đầu và chu trình lại tiếp tục. Vì mỗi phân tử glucoz tạo ra hai phân tử acetyl CoA, nên có hai vòng acid citric xảy ra và tổng cộng là có 4C được giải phóng dưới dạng CO2; cộng thêm 2C được giải phóng dưới dạng CO2 trong giai đoạn II, như vậy tất cả là 6C của phân tử glucoz ban đầu.

Hình 3. Sơ đồ của chu trình Krebs

Trong một vòng của chu trình (Hình 3), một phân tử ATP được tổng hợp (bởi sự phosphoryl hóa ở mức cơ chất) và 8 điện tử và 8 ion H+ được lấy đi bởi chất nhận điện tử. 6 điện tử và 6 hydro được dùng để khử 3 phân tử NAD+ (tạo ra 3 phân tử NADH và 3 ion H+) và 2 điện tử và 2 hydro được nhận bởi hợp chất

FAD (tạo ra FADH2). Vì sự oxy hóa một phân tử glucoz trải qua hai vòng chu trình Krebs nên tổng cộng có 2 ATP và 8 phân tử chất khử (6 phân tử NADH và 2 FADH2) (Hình 5.4).

5. Sự trao đổi năng lượng và điều hòa trong quá trình hô hấp (giai đoạn IV) TOP

Chỉ có tổng cộng là 4 phân tử ATP mới được lợi ra (2 trong đường phân và 2 trong chu trình Krebs). Năng lượng còn lại được dự trử trong hai chất khử giàu năng lượng là NADH và FADH2, tổng cộng có tất cả 12 phân tử được tổng hợp trong suốt quá trình oxy hóa glucoz: 2 phân tử NADH trong đường phân, 2 phân tử NADH trong quá trình oxy hóa acid pyruvic thành acetyl-CoA, 6 phân tử NADH và 2 phân tử FADH2 trong chu trình Krebs.

ATP được tổng hợp bằng cách nào? Dưới điều kiện hiếu khí, NADH chuyển điện tử đến O2 và sinh ra NAD+. Nói một cách khác, O2 là chất nhận điện tử và hydro cuối cùng để tạo thành nước:

Hình 4. Tóm tắt các sản phẩm trong ba giai đoạn I, II và III

Tuy nhiên, không phải NADH chuyển điện tử đến O2 một cách trực tiếp. Ðiện tử từ NADH được chuyển qua một chuỗi dẫn truyền điện tử, cuối chuỗi là phân tử O2 (Hình 5). Các phân tử tải điện tử thường được gọi là chuỗi hô hấp (respiration chain) gắn trên màng trong của ty thể (tương tự sự dẫn truyền điện tử trong chuỗi quang hợp trong lục lạp) tạo ra một gradient hóa điện, được dùng để tổng hợp ATP từ ADP và phosphat vô cơ. Quá trình này được gọi là sự phosphoryl hóa chuyển điện tử (electron-transport phosphorylation) hay sự phosphoryl oxy hóa (oxydative phosphorylation), bao gồm cả sự hóa thẩm thấu (chemiosmotic) của sự dẫn truyền điện tử và sự tổng hợp ATP. Protein dẫn truyền điện tử trong hô hấp là thành phần chính trong cho quá trình phosphoryl oxy hóa, tạo ra hầu hết ATP sinh ra do sự oxy hóa glucoz. Sự phosphoryl oxy hóa tương tự sự quang phosphoryl hóa, sử dụng dòng điện tử được chuyển trong chuỗi dẫn truyền điện tử để bơm ion H+ qua màng, kết quả là sinh ra một gradient hóa điện được dùng để tổng hợp ATP.

Trong sự hô hấp có hai cách để tạo ra ATP: thứ nhất là sự phosphoryl hóa ở mức cơ chất, trong đó một gốc phosphat được chuyển từ một hợp chất cao năng lượng vào ADP và thứ hai là sự phosphoryl oxy hóa, trong đó năng lượng trong gradient hóa điện H+ được khai thác để tổng hợp ATP.

Hình 5. Chuỗi dẫn truyền điện tử hô hấp

Sự tổng hợp ATP trong ty thể tương tự sự tổng hợp ATP trong lục lạp. Những phân tử dẫn truyền điện tử sắp xếp thành 4 phức hợp protein, gắn trên màng trong của ty thể (Hình 5). Chất tải điện tử cơ động như phân tử protein Q và cytochrom c (Q là một coenzim hòa tan trong lipid và có thể di chuyển xuyên qua màng, cytochrome c (cyt.c) là protein tan trong nước nằm ở mặt ngoài của màng trong của ty thể) chuyển

điện tử từ phức hợp này sang phức hợp khác. NADH được tạo ra trong giai đoạn II và III chuyển 2 điện tử và 1 ion H+ của chúng vào phức hợp I và cùng lúc bị oxy hóa thành NAD+. Các điện tử được tải từ chất tải này sang một chất tải khác theo một trình tự đặc biệt để cuối cùng đến O2 (Hình 5). Ðiều này cho thấy vì sao phải cần có O2 trong sự hô hấp hiếu khí. Không có O2 nhận điện tử, chuỗi điện tử không hoạt động và NAD+ cần thiết cho giai đoạn II và III không được tạo ra từ NADH. Khi O2 nhận điện tử, nó cũng nhận luôn ion H+ từ chất cơ bản để tạo ra nước, một trong những sản phẩm cuối cùng của sự thoái dưỡng glucoz.

Các nghiên cứu cho thấy chỉ có điện tử được tải qua chuỗi dẫn truyền điện tử, ion H+ không đi cùng. Tuy vậy, 3 trong 4 phức hợp bơm ion H+ từ ngăn trong xuyên qua màng trong để ra ngoài. Kết quả là nồng độ ion H+ ở ngăn ngoài gia tăng, ngăn trong giảm xuống, và bên ngoài của màng trong trở nên có điện tích dương hơn so với bên trong và sinh ra gradient hóa điện xuyên màng.

Năng lượng của gradient hóa điện này được dùng để tổng hợp ATP từ ADP và phosphat vô cơ. Những phức hợp protein đặc biệt, được gọi là ATP synthetaz, được gắn vào bên trong của màng trong của ty thể, tương tự như trên màng thylakoid. Những phức hợp này vừa là kênh ion H+ cho ion H+ trở vào ngăn trong vừa là một enzim để xúc tác sự tổng hợp ATP. Vì ion H+đi từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp qua ATP synthetaz nên năng lượng được giải phóng và ATP được tổng hợp. ATP được tổng hợp trong chất cơ bản sẽ được protein tải qua màng ty thể để vào trong dịch tế bào chất.

Hình 6. Cơ chế của quá trình hô hấp

Các nghiên cứu cho thấy ít nhất phải có 2 ion H+ đi qua phức hợp ATP synthetaz mới tạo ra được một phân tử ATP từ ADP. Vì mỗi cặp điện tử từ NADH được dẫn truyền qua chuỗi điện tử bơm được khoảng 6 ion H+ đi ra ngăn ngoài (Hình6). Sự oxy hóa một phân tử NADH cho ra khoảng 3 phân tử ATP. Tất cả 8 NADH được sinh ra trong ty thể (2 từ sự oxy hóa acid pyruvic và 6 từ chu trình Krebs), cho ra tổng cộng 24 phân tử ATP mới. Tuy nhiên, 2 điện tử từ FADH2 có ít năng lượng hơn NADH; những điện tử này đi vào chuỗi điện tử ở phức hợp II (Hình6), nên số ion H+ được bơm ra ít hơn; do đó sự oxy hóa hợp chất này chỉ cho 2 phân tử ATP (tổng cộng được 4 phân tử ATP cho 2 phân tử FADH2).

2 phân tử NADH được tạo ra trong quá trình đường phân ở trong dịch tế bào chất và được chuyển vào bên trong ty thể nhờ một phân tử protein vận chuyển, nhưng năng lượng bị mất đi trong quá trình này. Kết quả là điện tử được đi vào chuỗi hô hấp cùng vị trí với nơi mà điện tử của FADH2 đi vào (Hình 6); do đó cũng chỉ có 2 phân tử ATP được tạo ra cho mỗi phân tử NADH trong tế bào chất (tổng cộng được 4 phân tử ATP cho 2 phân tử NADH).

Tóm lại, sự oxy hóa hoàn toàn một phân tử glucoz sinh ra 12 phân tử chất khử. Khi các đôi điện tử của chúng đi vào chuỗi hô hấp, 8 phân tử sinh ra ATP nhiều hơn, 3ATP cho mỗi phân tử NADH; 4 phân tử còn lại chỉ tạo được 2 phân tử ATP cho mỗi phân tử FADH2 (Hình 5 và 6). Tổng cộng có 32 phân tử ATP được tạo ra từ sự phosphoryl oxy hóa của chuỗi dẫn truyền điện tử. Như vậy, sự oxy hóa hoàn toàn một phân tử glucoz cho ra CO2, nước và 36 phân tử ATP mới.

Hình 7. Tổng ATP được tạo ra do sự hô hấp một phân tử glucoz

Nếu tính theo tỷ lệ %, thì có khoảng 39% năng lượng tự do ban đầu trong phân tử glucoz được giữ lại, 61% được giải phóng chủ yếu dưới dạng nhiệt. Chỉ có 2 trong số 36 phân tử ATP được tạo ra trong sự biến dưỡng yếm khí (ít hơn 6%), 34 phân tử còn lại được tạo ra do sự hô hấp hiếu khí (hơn 94%). Ðiều này cho thấy tại sao oxy thiết yếu cho con người và hầu hết các sinh vật khác. Dù vậy, trong cơ thể con người vẫn có các quá trình hô hấp yếm khí xảy ra nhất là trong lúc hoạt động quá nhiều bằng thể lực; lúc này cơ cần rất nhiều năng lượng trong khi O2 cung cấp không đủ. Kết quả là sự lên men tạo ra acid lactic làm mỏi cơ,

nhưng sau đó oxy được cung cấp bình thường trở lại thì acid lactic sẽ được chuyển về gan và sẽ được biến dưỡng trở lại thành glucoz tại đây.

Trong 34 phân tử ATP được tổng hợp trong điều kiện hiếu khí có 32 phân tử là được tổng hợp từ gradient ion H+ sinh ra bởi sự dẫn truyền điện tử. Cyanid và một số các hợp chất độc khác có thể làm ảnh hưởng trên các protein của chuỗi, do đó có thể làm ngừng sự dẫn truyền điện tử, hậu quả là các phản ứng của sự hô hấp hiếu khí không thể xảy ra được, tế bào sẽ chết do không được cung cấp đủ năng lượng.

Hình 8. So sánh sự tổng hợp ATP trong ty thể và lục lạp

Quá trình hóa thẩm thấu trong ty thể và lục lạp tương tự nhau. Tuy nhiên, có một vài điểm khác biệt:

- Nguồn năng lượng cho dòng tải điện tử: ở lục lạp ánh sáng mặt trời cung cấp năng lượng, ở ty thể năng lượng lấy từ thức ăn (Hình 8).

- Hướng bơm ion H+: trong thylakoid, ion H+ được bơm vào bên trong thylakoid, ở ty thể ion H+được bơm ra khỏi màng trong, do đó nồng độ ion H+ bên trong thylakoid cao hơn bên ngoài, trong khi ở ty thể nồng độ ion H+ ở ngăn ngoài cao hơn ngăn trong (Hình 9).

- Ở lục lạp điện tử từ nước qua chuỗi dẫn truyền điện tử đến chất tải là NADP và O2 được tạo ra; trong khi ở ty thể điện tử từ chất tải NADH và FADH2 qua chuỗi dẫn truyền đến O2 và tạo thành nước.

Hình 9. So sánh sự hóa thẩm thấu ở ty thể và lục lạp

III. SỰ HÔ HẤP LIPID VÀ PROTEIN

1. Sự hô hấp lipid TOP

Sự biến dưỡng của lipid bắt đầu bằng sự thủy giải chúng thành glycerol và những acid béo. Sau đó, glycerol (một hợp chất 3C) được biến đổi thành PGAL và được đưa vào lộ trình đường phân. Acid béo được chuyển vào ngăn trong của ty thể, ở đây chúng được cắt ra thành acetyl-CoA và được đưa vào chu trình Krebs. Vì lipid có thành phần của hydro cao hơn carbohydrat, nên sự oxy hóa hoàn toàn cho năng lượng cao hơn tính trên đơn vị trọng lượng, một gram chất béo thường cho năng lượng cao hơn hai lần so với một gram carbohydrat.

2. Sự hô hấp protein TOP

Trước tiên, protein được thủy giải thành acid amin và sau đó được biến dưỡng theo nhiều cách khác nhau. Sau khi gốc amino được tách ra, một số acid amin được biến đổi thành acid pyruvic, một số khác thành acetyl-CoA và có thể thành dạng này hay dạng khác của các hợp chất trong chu trình Krebs. Sự oxy hóa hoàn toàn một gram protein cho năng lượng tương đương một gram carbohydrat.

Những hợp chất như acid pyruvic, acetyl-CoA và các hợp chất trong chu trình Krebs có thể được thoái dưỡng theo nhiều cách khác nhau. Không những chúng là những chất giàu năng lượng được oxy hóa

thành CO2 và H2O mà chúng còn có vai trò trong tiến dưỡng để tổng hợp thành acid amin, đường và chất béo. Ðể lấy năng lượng cần thiết, các chất có thể thay đổi hướng biến dưỡng trong các lộ trình. Thí dụ, PGAL và acetyl-CoA trong sự oxy hóa carbohydrat có thể được dùng để tổng hợp chất béo; tương tự nhiều acid amin có thể biến đổi thành carbohydrat qua một số phản ứng trung gian trong các quá trình biến dưỡng của chúng (Hình 10). Tuy nhiên, không phải tất cả đều có thể đi theo hai chiều. Ở tế bào động vật đường có thể biến đổi thành chất béo, nhưng acid béo không thể biến đổi thành đường, bởi vì phản ứng từ acid pyruvic thành acetyl-CoA không thể đão ngược được. Ðiều này có liên quan đến chế độ ăn uống của con người. Vì glucoz là nguồn năng lượng duy nhất cho tế bào não, do đó thức ăn phải cung cấp đủ glucoz. Nếu mức glucoz trong máu xuống quá thấp, thì protein như protein của cơ phải được sử dụng để oxy hóa và sau đó một số acid amin có thể được biến đổi thành glucoz để cung cấp cho tế bào não. Do đó, chế độ ăn nhiều chất béo, ít carbohydrat có thể gây nguy hiểm cho cơ thể con người.

Hình 10. Mối liên quan giữa sự biến dưỡng chất đường, chất béo và protein

PHẦN I I

DI TRUYỀN HỌC

--- oOo ---

CHƯƠNG 1

NHIỄM SẮC THỂ VÀ SỰ PHÂN CẮT TẾ BÀO

--- oOo ---

I. NHIỄM SẮC THỂ 1. Nhiễm sắc thể ở tế

bào sơ hạch 2. Nhiễm sắc thể ở tế

bào chân hạch II. SỰ NGUYÊN

PHÂN 1. Chu kỳ tế bào

2. Kỳ trung gian

3. Sự phân chia nhân

4. Sự phân chia tế bào

chất III. SỰ GIẢM PHÂN

1. Lần phân chia thứ

nhất 2. Lần phân chia thứ

hai IV. SỰ GIẢM PHÂN

VÀ CHU KỲ SỐNG CỦA SINH VẬT 1. Ở thực vật

2. Ở động vật

===============================================================

CHƯƠNG I

NHIỄM SẮC THỂ VÀ SỰ PHÂN CẮT TẾ BÀO

Trong các chương trước chúng ta đã thấy sự sống phụ thuộc như thế nào vào việc sinh vật sử dụng năng lượng của ánh sáng mặt trời để tạo ra các đại phân tử giàu năng lượng và sau đó làm thế nào tất cả các sinh vật phân giải những đại phân tử nầy để phóng thích năng lượng cần cho chúng duy trì tất cả các hoạt động sống. Trong chương nầy chúng ta sẽ khảo sát thêm một hoạt động đặc biệt khác của tế bào: cách thức các tế bào phân cắt và truyền thông tin di truyền từ thế hệ nầy sang thế hệ khác.

Như chúng ta đã biết, các gen của sinh vật (đơn vị mang thông tin di truyền) được truyền từ tế bào nầy sang tế bào khác qua các thế hệ của tế bào và của cơ thể. Chúng xác định các đặc điểm của mỗi sinh vật mới và định hướng cho các hoạt động của chúng. Vì vậy sự nhân đôi và phân ly của các nhiễm sắc thể trong quá trình phân bào là cơ sở cho sự kế tục và sự đa dạng của sự sống.

I. NHIỄM SẮC THỂ

1. Nhiễm sắc thể ở tế bào sơ hạch TOP

Tính trung bình, các tế bào sơ hạch chỉ có một phần ngàn ADN so với một tế bào chân hạch. Sở dĩ chúng được gọi là tế bào sơ hạch vì chúng chưa có nhân thật được bao bởi màng. Ở phần lớn tế bào sơ hạch, ADN được tập trung trong một vùng nhân (nucleoid region). Vi khuẩn chỉ có một phân tử ADN sợi đôi, hình vòng, rất ít protein liên kết với chúng.

Ở vi khuẩn, ngoài ADN nhiễm sắc thể, còn có một số ADN dạng vòng, nhỏ hơn, gọi là các plasmid (Hình 1). Các plasmid sao chép độc lập với nhiễm sắc thể chính và chúng có thể được chuyển nhận giữa các vi khuẩn khi chúng tiếp hợp.

Hình 1. Một vi khuẩn với nhiễm sắc thể và plasmid

2. Nhiễm sắc thể ở tế bào chân hạch TOP

Ở tế bào chân hạch, nhiễm sắc thể gồm ADN và protein. Trong các tế bào dinh dưỡng, các nhiễm sắc thể thường tồn tại thành từng cặp, gọi là cặp nhiễm sắc thể tương đồng (homologous pair), trong đó một chiếc là của mẹ và một chiếc là của cha, mỗi chiếc mang cùng một số gen phân bố theo cùng thứ tự. Vì vậy, số lượng nhiễm sắc thể trong mỗi tế bào bình thường luôn luôn là bội số của 2 và được gọi là lưỡng bội (2n). Trong tế bào giao tử (tinh trùng hoặc noãn), mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng chỉ còn lại một chiếc, do đó số lượng nhiễm sắc thể trong mỗi giao tử là đơn bội (n).

Mặc dù số lượng nhiễm sắc thể giữa các loài có thể khác biệt rất lớn, chẳng hạn ở ruồi giấm 2n = 8, ở người 2n = 46 nhưng các cá thể bình thường trong cùng một loài luôn luôn có số lượng nhiễm sắc thể bằng nhau.

Trong các tế bào chưa phân chia, khi quan sát dưới kính hiển vi quang học, người ta chưa thấy được nhiễm sắc thể mà chỉ thấy các chất nhiễm sắc (chromatin) nằm trong nhân có dạng hạt bắt màu sậm. Chất nhiễm sắc được cấu tạo từ ADN và 2 loại protein: histon và phi histon. Các protein phi histon có tính acid, được tìm thấy ở những vùng liên kết lõng lẽo với ADN. Các protein histon có tính kiềm, gồm 5 loại: H1, H2A, H2B, H3 và H4. Khi nhiễm sắc thể được thành lập, ADN quấn quanh 8 phân tử histon : H2A, H2B, H3 và H4 (mỗi loại gồm 2 phân tử) tạo nên một cấu trúc gọi là thể nhân (nucleosome) (Hình 2). Với sự tham gia của histon H1, các thể nhân kết chặc với nhau, cuộn xoắn thành sợi có đường kính 30 nm, các sợi nầy lại tiếp tục xoắn tạo thành sợi dầy hơn (đường kính 300 nm). Khi các sợi nầy tiếp tục xoắn, các nhiễm sắc thể được tạo thành.

Hình 2. Cấu trúc của một thể nhân

Quan sát dưới kính hiển vi quang học người ta có thể thấy được các nhiễm sắc thể khi tế bào bắt đầu phân cắt. Lúc nầy mỗi nhiễm sắc thể đã nhân đôi, mỗi nhiễm sắc thể gồm 2 nhiễm sắc tử (chromatid) được nối với nhau ở vùng tâm động (centromere) (Hình 3).

Hình 3. Nhiễm sắc thể đã nhân đôi

II. SỰ NGUYÊN PHÂN

1. Chu kỳ tế bào (cell cycle) TOP

Sự phân chia tế bào là một đặc điểm của sự sống. Nó cho phép một cơ thể đa bào tăng trưởng. Nó cũng giúp thay thế các tế bào bị thương, bị chết, giữ cho tổng số tế bào trong một cá thể trưởng thành tương đối hằng định. Chẳng hạn, trong cơ thể người mỗi giây có hàng triệu tế bào phân chia để duy trì tổng số khoảng 6.1013 tế bào. Ðồng thời sự phân chia tế bào cũng là cơ sở cho sự sinh sản của mỗi sinh vật.

Ở tế bào chân hạch mỗi chu kỳ tế bào là một trình tự của các sự kiện kể từ khi tế bào phân chia thành hai tế bào con đến khi các tế bào con bắt đầu phân chia.

Một chu kỳ tế bào gồm hai kỳ: kỳ trung gian (interphase) và kỳ phân cắt nhân và tế bào chất (mitotic phase). Kỳ trung gian được chia làm 3 giai đoạn: G1, S, G2. Thời gian cần thiết cho mỗi kỳ khác nhau rất nhiều tùy theo loại tế bào. Tuy nhiên, kỳ trung gian thường chiếm phần lớn thời gian của một chu kỳ tế bào (Hình 4).

Hình 4. Chu kỳ tế bào

2. Kỳ trung gian (Interphase) TOP

Trong phần lớn đời sống, tế bào ở vào giai đoạn không phân chia gọi là kỳ trung gian. Trong thời kỳ nầy, tế bào tiến hành các hoạt động sống như hô hấp, tổng hợp protein, tăng trưởng, chuyên hóa và các vật liệu di truyền được sao chép. Lúc nầy trong nhân tế bào chưa xuất hiện các nhiễm sắc thể, chỉ thấy được chất nhiễm sắc, màng nhân và hạch nhân. Ở tế bào động vật, cạnh nhân còn có 2 trung tử hình trụ nằm thẳng góc với nhau.

Kỳ trung gian gồm 3 giai đoạn: G1(gap 1), S (synthesis) và G2 (gap 2). Trong giai đoạn G1 ribô thể và các bào quan bắt đầu nhân đôi. Trong giai đoạn S, sự tổng hợp ADN xảy ra cùng với sự tiếp tục nhân đôi của các bào quan. Khi sự sao chép ADN kết thúc, giai đoạn G2 bắt đầu và tế bào chuẩn bị phân cắt nhân.

3. Sự phân chia nhân (Mitosis) TOP

Sau giai đoạn G2, tế bào bắt đầu kỳ phân chia nhân. Kỳ nầy thường được chia thành 4 giai đoạn riêng biệt là kỳ trước, kỳ giữa, kỳ sau và kỳ cuối (nhưng các giai đoạn nầy thực sự nằm trong một quá trình liên tục, nối tiếp nhau).

a. Kỳ trước (Prophase)

Ở tế bào động vật, khi các trung tử nhân đôi và phân ly về hai cực của tế bào, các nhiễm sắc thể bắt đầu xoắn lại, trở nên ngắn và dầy hơn. Lúc đầu chúng có dạng sợi dài và mãnh, về sau có dạng hình que ngắn.

Một thoi vi ống giúp các nhiễm sắc thể phân ly trong quá trình phân cắt cũng được hình thành ở kỳ trước. Khi các trung tử bắt đầu phân ly, một hệ thống vi ống xuất hiện ở gần mỗi cặp trung tử và tỏa ra theo tất cả các hướng. Các vi ống nầy được gọi là các thể sao (asters). Khi mỗi cặp trung tử về đến cực tế bào, một số vi ống nối với các vi ống ở cực đối diện. Các vi ống nầy cùng với các thể sao tạo thành thoi phân bào.

Cuối kỳ trước, màng nhân và hạch nhân dần dần biến mất, một số vi ống gắn vào các đĩa protein (gọi là kinetochores) ở tâm động của nhiễm sắc tử. Các vi ống này nối tâm động với các cực (Hình 3).

Ở tế bào thực vật, mặc dù không có trung tử và các thể sao nhưng vẫn có sự thành lập thoi vi ống.

b. Kỳ giữa (Metaphase)

Ðầu kỳ giữa, các nhiễm sắc thể (lúc đầu được phân bố ngẫu nhiên trong nhân) bắt đầu di chuyển về mặt phẳng xích đạo của thoi phân bào. Ðến giữa kỳ, các nhiễm sắc thể đã được sắp xếp trên mặt phẳng nầy. Cuối kỳ, tâm động của mỗi cặp nhiễm sắc tử tách ra, mỗi nhiễm sắc tử trở thành một nhiễm sắc thể có tâm động riêng.

Hình 5. Sự nguyên phân ở tế bào thực vật

A. Kỳ trước B. Kỳ giữa C. Kỳ sau D. Kỳ cuối

c. Kỳ sau (Anaphase)

Sau khi tâm động đã tách ra, hai nhiễm sắc thể sẽ phân ly về hai cực đối diện của tế bào. Lúc này các vi ống từ hai cực tế bào kéo dài và đẩy hai cực xa ra. Cuối kỳ này, tế bào có hai nhóm nhiễm sắc thể riêng biệt, mỗi nhóm nằm ở một cực tế bào. Sự phân chia tế bào chất (cytokinesis) cũng thường được bắt đầu vào cuối kỳ nầy.

d. Kỳ cuối (Telophase)

Khi hai bộ nhiễm sắc thể về đến hai cực, chúng được bao bằng một màng nhân mới. Sau đó các nhiễm sắc thể bắt đầu tháo xoắn và trở lại hình dạng như ở kỳ trung gian, hạch nhân cũng từ từ xuất hiện trở lại. Thoi

phân bào biến mất. Sự phân chia tế bào chất thường cũng được hoàn tất trong suốt kỳ nầy. Kỳ cuối kết thúc khi hai nhân mới có đầy đủ các đặc điểm như ở kỳ trung gian (Hình 5).

Kết thúc sự phân chia nhân: từ một nhân có một bộ nhiễm sắc thể (2n) cho ra hai nhân, mỗi nhân cũng có một bộ nhiễm sắc thể (2n).

4. Sự phân chia tế bào chất (cytokinesis) TOP

a. Ở tế bào động vật

Sự phân chia ở một tế bào động vật bình thường bắt đầu bằng sự thành lập của một rãnh phân cắt (cleavage furrow) chạy vòng quanh tế bào. Khi sự phân chia tế bào chất xảy ra, vị trí của rãnh thường được xác định bằng sự định hướng của thoi phân bào, thường là ở vùng mặt phẳng xích đạo của thoi. Rãnh nầy càng ngày càng ăn sâu vào trong cho đến khi nó cắt ngang qua tế bào, tạo ra hai tế bào mới.

b. Ở tế bào thực vật

Vì tế bào thực vật có vách celluloz tương đối cứng nên không thể tạo các rãnh phân cắt, do đó sự phân chia tế bào chất xảy ra theo một cách khác.

Ở nhiều loài nấm và tảo, màng nguyên sinh và vách phát triển vào bên trong tế bào cho đến khi hai mép gặp nhau và tách biệt hoàn toàn thành hai tế bào con.

Ở thực vật bậc cao một màng đặc biệt gọi là đĩa tế bào (cell plate) được thành lập ở mặt phẳng xích đạo của thoi phân bào. Ðĩa tế bào ban đầu được hình thành ở trung tâm của tế bào chất và từ từ lan ra cho đến khi chạm vào mặt ngoài của tế bào và cắt tế bào làm hai phần (Hình 6).

tế bào động vật tế bào tảo tế bào thực vật bậc cao

Hình 6. Ba kiểu phân chia tế bào chất

III. SỰ GIẢM PHÂN

Như chúng ta đã biết, sự nguyên phân giúp duy trì số lượng nhiễm sắc thể không đổi trong các tế bào dinh dưỡng. Trong các tế bào giao tử (trứng và tinh trùng), số lượng nhiễm sắc thể chỉ bằng một nửa so với tế bào dinh dưỡng để khi thụ tinh (một trứng kết hợp với một tinh trùng) tạo thành hợp tử, số lượng nhiễm sắc thể lưỡng bội được khôi phục trở lại. Quá trình phân chia làm số lượng nhiễm sắc thể trong giao tử còn một nửa gọi là sự giảm phân.

Quá trình giảm phân gồm hai lần phân chia, kết quả từ một tế bào lưỡng bội (2n) tạo ra bốn tế bào đơn bội (n). Lần phân chia thứ nhất có sự giảm số lượng nhiễm sắc thể, lần phân chia thứ hai có sự phân ly của các nhiễm sắc tử. Mỗi lần phân chia đều có 4 giai đoạn: kỳ trước, kỳ giữa, kỳ sau và kỳ cuối. Giữa hai lần phân chia không có kỳ trung gian. Trước khi tế bào giảm phân cũng có sự tổng hợp ADN và sự nhân đôi của các bào quan.

1. Lần phân chia thứ nhất TOP

a. Kỳ trước I

Nhiều sự kiện diễn ra trong kỳ trước I của giảm phân giống như trong kỳ trước của nguyên phân. Các nhiễm sắc thể từ từ xoắn lại, trở nên dầy và ngắn hơn, bắt màu đậm. Hạch nhân và màng nhân từ từ biến mất, thoi phân bào được thành lập. Nghiên cứu bằng phương pháp đánh dấu (dùng các chất đồng vị phóng xạ) cho thấy sự nhân đôi của vật liệu di truyền xảy ra trong kỳ trung gian (trước kỳ trước I) nhưng hai nhiễm sắc tử chưa tách biệt nhau.

Tuy nhiên, có những khác biệt quan trọng giữa kỳ trước I của giảm phân với kỳ trước của nguyên phân.

Ðiểm khác biệt chủ yếu nhất là các nhiễm sắc tử của mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng luôn luôn nằm cạnh nhau và cùng di chuyển. Hai nhiễm sắc tử của mỗi nhiễm sắc thể còn được giữ chặc với nhau bởi một cặp trục protein mỏng chạy dọc theo suốt chiều dài nhiễm sắc thể. Các trục protein của hai nhiễm sắc thể tương đồng được nối với nhau bằng cầu protein chéo tạo thành một cấu trúc gọi là phức hệ tiếp hợp (synaptonemal complex), kết nối 4 nhiễm sắc tử với nhau tạo thành tứ tử (tetrad). Quá trình này gọi là sự tiếp hợp (synapsis).

Lúc naöy một quá trình quan trọng là sự trao đổi chéo (crossing over) bắt đầu. Nhiễm sắc tử của nhiễm sắc thể này sẽ trao đổi một số đoạn với nhiễm sắc tử của một nhiễm sắc thể khác trong cặp tương đồng, tạo ra các nhiễm sắc tử lai. Khi phức hệ tiếp hợp bị phá vỡ, hai nhiễm sắc tử lai vẫn còn dính nhau tại các điểm gọi là điểm bắt chéo (chiasma) trong cặp nhiễm sắc thể tương đồng (Hình 7).

Hình 7. Sự trao đổi chéo

Cuối kỳ trước I phần lớn các nhiễm sắc thể có hai nhiễm sắc tử lai (vì vật liệu di truyền đã được trao đổi giữa hai nhiễm sắc tử của hai nhiễm sắc thể tương đồng). Các vi ống xuất hiện, tỏa ra từ hai cực tế bào, một số vi ống đính vào tâm động.

b. Kỳ giữa I

Các cặp nhiễm sắc thể tương đồng hoạt động như một đơn vị thống nhất, di chuyển và tập trung về mặt phẳng xích đạo của thoi phân bào.

c. Kỳ sau I

Tâm động của hai nhiễm sắc thể không phân chia, do đó chỉ có sự tách và phân ly về hai cực tế bào của hai nhiễm sắc thể. Vì mỗi nhiễm sắc thể có một tâm động gắn với các vi ống của một cực nên hai nhiễm sắc thể của mỗi cặp tương đồng sẽ được kéo về hai cực đối diện.

d. Kỳ cuối I

Kỳ cuối I của giảm phân và kỳ cuối của nguyên phân giống nhau, chỉ khác biệt là trong giảm phân mỗi nhân mới được thành lập chỉ còn một nửa số nhiễm sắc thể so với nhân ban đầu và mỗi nhiễm sắc thể đều có hai nhiễm sắc tử.

Tiếp theo lần phân chia thứ I có một kỳ ngắn tương tự kỳ trung gian giữa hai lần nguyên phân nhưng không có sự sao chép vật liệu di truyền và do đó không có sự tạo thành các nhiễm sắc tử mới.

2. Lần phân chia thứ hai TOP

Ðây là lần phân chia nguyên nhiễm (số lượng nhiễm sắc thể không đổi sau khi phân chia). Ở kỳ trước II không có hiện tượng tiếp hợp vì tế bào không có các nhiễm sắc thể tương đồng, thoi phân bào được thành lập từ các vi ống. Sang kỳ giữa II các nhiễm sắc thể tập trung về mặt phẳng xích đạo của thoi phân bào, các sợi thoi đính vào tâm động. Sau đó tâm động phân chia, mỗi nhiễm sắc tử tách thành nhiễm sắc thể . Trong kỳ sau II, mỗi nhiễm sắc thể phân ly về hai cực tế bào. Ðến kỳ cuối II, bốn nhân mới được thành lập, mỗi nhân có số nhiễm sắc thể đơn bội.

IV. SỰ GIẢM PHÂN VÀ CHU KỲ SỐNG CỦA SINH VẬT

1. Ở thực vật TOP

Sự giảm phân ở thực vật thường tạo ra các tế bào sinh sản đơn bội (n) gọi là các bào tử (spores). Các bào tử này thường nguyên phân để phát triển thành cơ thể đa bào đơn bội.

Ở một số thực vật sơ khai như Tảo, các bào tử đơn bội (giai đoạn 1) nguyên phân và phát triển thành cơ thể đa bào đơn bội, tăng trưởng nhanh, ít chuyên hóa. Giai đoạn nầy chiếm phần lớn chu kỳ sống (giai đoạn 2). Các cơ thể đa bào nầy nguyên phân tạo ra các giao tử đơn bội (giai đoạn 3). Qua thụ tinh, các giao tử tạo thành hợp tử lưỡng bội (giai đoạn 4). Ngay sau đó hợp tử giảm phân để tạo ra 4 bào tử đơn bội, bắt đầu một chu kỳ mới. Ở các thực vật này, giai đoạn đơn bội chiếm ưu thế, giai đoạn lưỡng bội ở hợp tử rất tạm thời.

Ở Dương xĩ, giai đoạn lưỡng bội và đơn bội trong chu kỳ sống xấp xĩ nhau. Ởí giai đoạn lưỡng bội của chu kỳ sống, các tế bào trong cơ quan sinh sản giảm phân tạo ra các bào tử đơn bội (giai đoạn 1). Các bào tử này nguyên phân và phát triển thành các cây đa bào đơn bội (giai đoạn 2). Sau cùng, chúng tạo ra các

giao tử đơn bội bằng sự nguyên phân (giai đoạn 3). Sự thụ tinh phối hợp hai giao tử thành hợp tử lưỡng bội (giai đoạn 4). Hợp tử sẽ nguyên phân và phát triển thành một cây đa bào lưỡng bội. (giai đoạn 5). Khi cây nầy giảm phân tạo bào tử, một chu kỳ mới bắt đầu.

Ở các thực vật hột kín, giai đoạn 1 và giai đoạn 2 tiêu giảm, chỉ còn 3 - 8 tế bào không sống tự do và phần lớn đời sống của nó là cây đa bào lưỡng bội. (giai đoạn 5) (Hình 8).

2. Ở động vật TOP

Trừ một ít ngoại lệ, các động vật bậc cao tồn tại ở dạng cơ thể đa bào lưỡng bội trong toàn bộ chu kỳ sống của chúng. Vào thời kỳ sinh sản, sự giảm phân sẽ tạo ra các giao tử đơn bội. Khi nhân của các giao tự hợp nhất lại trong thụ tinh sẽ tạo ra một hợp tử lưỡng bội. Sau đó hợp tử nguyên phân để tạo ra một cá thể đa bào mới. Như vậy, chỉ có các giao tử (tinh trùng và trứng) là ở giai đoạn đơn bội trong chu kỳ sống của động vật.

Hình 8. Bốn kiểu chu kỳ sống của sinh vật

Ở động vật đực, các tinh trùng được tạo ra từ các biểu mô sinh tinh nằm trong ống sinh tinh của các dịch hoàn (testes). Khi một trong các tế bào biểu mô giảm phân, bốn tế bào đơn bội nhỏ, kích thước xấp xĩ nhau được tạo ra. Sau đó cả bốn tế bào nầy đều được chuyên hóa thành tinh trùng (sperm), có đuôi dài, với một ít tế bào chất ở phần đầu. Quá trình sản sinh tinh trùng gọi là sự sinh tinh (spermatogenesis).

Ở động vật cái, các tế bào trứng được tạo ra trong các nang của buồng trứng (ovaries) bởi một quá trình gọi là sự sinh trứng (oogenesis). Khi một tế bào trong buồng trứng giảm phân , các tế bào đơn bội được tạo thành có kích thước rất khác nhau. Lần phân bào thứ I tạo ra một tế bào tương đối lớn và một tế bào rất nhỏ gọi là thể cực (polar body) thứ nhất. Trong lần phân bào thứ II, tế bào lớn lại cho ra một thể cực nhỏ thứ hai và một tế bào lớn. Tế bào lớn sau đó chuyên hóa thành tế bào trứng (ovum). Thể cực thứ nhất có thể tiếp tục phân chia lần thứ II hoặc không phân chia. Các thể cực này không có chức năng. Như vậy khi một tế bào lưỡng bội trong buồng trứng hoàn tất giảm phân , chỉ có một tế bào trứng được tạo ra (Hình 9).

Hình 9. Sơ đồ minh họa sự sinh tinh và sinh trứng ở động vật

CHƯƠNG II

DI TRUYỀN HỌC CỔ ÐIỂN

--- oOo ---

I. DI TRUYỀN HỌC MENDEL

1. Phương pháp thí nghiệm

2. Lai đơn tính

3. Lai lưỡng tính và đa tính

4. Tương tác gen

II. DI TRUYỀN HỌC SAU MENDEL

1. Sự xác định giới tính và di truyền liên kết giới tính

2. Di truyền liên kết

3. Ðột biến nhiễm sắc thể

===============================================================

CHƯƠNG II

DI TRUYỀN HỌC CỔ ÐIỂN

Trong một thời gian dài trước đây, người ta đã biết rằng nhiều đặc điểm của sinh vật, từ hình thái đến tập tính, có thể di truyền được. Những hiểu biết nầy cũng đã được ứng dụng vào chăn nuôi và trồng trọt. Tuy nhiên, vào thời kỳ nầy các cơ chế di truyền vẫn chưa được biết rõ.

Việc phát hiện ra các qui luật di truyền không chỉ làm sáng tỏ cơ chế của các hiện tượng di truyền và biến dị mà còn giúp chúng ta hiểu biết sâu hơn về cách thức mà chọn lọc đã tác động để tạo ra sự tiến hóa, là chủ đề sẽ được đề cập đến ở những chương sau.

I. DI TRUYỀN HỌC MENDEL

1. Phương pháp thí nghiệm TOP

Phương pháp nghiên cứu di truyền của Mendel bao gồm các đặc điểm sau đây:

(1) Ðối tượng nghiên cứu là đậu Hà Lan (Pisum sativum) có những đặc tính cần thiết thỏa mãn các yêu cầu cho nghiên cứu di truyền như: (a) các thứ của chúng hoàn toàn khác biệt nhau, không có các dạng trung gian. (b) hoa của chúng có khả năng tự thụ phấn và tránh được sự giao phấn trong tự nhiên nhưng dễ dàng cho giao phấn nhân tạo. (c) có thể tiếp tục trồng qua nhiều thế hệ sau khi đã cho lai.

(2) Khi cho lai giữa hai dòng đậu khác nhau, mỗi lúc ông chỉ theo dõi sự di truyền của một cặp tính trạng tương phản, bỏ qua tất cả các tính trạng khác.

(3) Ông đã đếm và ghi nhận hàng ngàn cá thể con từ mỗi thí nghiệm và sau đó dùng toán học thống kê để phân tích các kết quả thu được.

2. Lai đơn tính TOP

a. Thí nghiệm và kết quả

Mendel tiến hành thí nghiệm với các dòng đậu, phần lớn được mua từ các nguồn khác nhau. Ông trồng riêng từng dòng trong nhiều năm để chọn ra các dòng thuần chủng (nghĩa là những dòng nầy cho ra con cái giống hệt chúng). Trong số các đặc điểm được nghiên cứu, Mendel quan tâm đến 7 đặc điểm. Ông lưu ý rằng mỗi một trong số bảy đặc điểm nầy chỉ xuất hiện ở hai dạng tương phản: hạt tròn hoặc nhăn, hoa đỏ hoặc trắng... (Bảng 1).

Khi Mendel cho lai giữa hai dòng thuần chủng khác nhau về một cặp tính trạng tương phản thì tất cả các cá thể con (thế hệ F1) đều giống nhau và giống với một trong hai cá thể bố mẹ. Thí dụ: cho lai giữa cây hoa đỏ thuần chủng và cây hoa trắng thuần chủng, tất cả các cây F1 đều có hoa đỏ.

Rõ ràng là ở thế hệ F1 chỉ có một trong hai tính trạng của bố hoặc mẹ được biểu hiện. Mendel gọi tính trạng xuất hiện ở F1 là tính trạng trội và tính trạng không biểu

hiện ở thế hệ nầy là tính trạng lặn.

Tiếp tục cho các cây F1 (tất cả đều có hoa đỏ) tự thụ phấn, ở thế hệ tiếp theo (F2) cả hai thứ hoa đỏ và hoa trắng đều xuất hiện: 705 cây hoa đỏ và 224 cây hoa trắng. Tính trạng lặn đã xuất hiện trở lại ở thế hệ F2 với tỉ lệ xấp xỉ 1/4. Kết quả cũng tương tự đối với sáu tính trạng khác được nghiên cứu (bảng 7.1), các tính trạng lặn biếm mất ở F1, nhưng xuất hiện trở lại với tỉ lệ khoảng 1/4 ở F2. Chúng ta có thể tóm tắt kết quả thí nghiệm về màu hoa như sau:

P Hoa đỏ x Hoa trắng

F1 Tất cả đều có hoa đỏ

F2 3/4 hoa đỏ 1/4 hoa trắng

Bảng 1. Kết quả các phép lai đơn tính của Mendel

P F1 (100%) F2 Tỉ lệ F2 Hạt tròn x Hạt nhăn Tròn 5474 tròn : 1850 nhăn 2.96 : 1 Hạt vàng x Hạt lục Vàng 6022 vàng : 2001 lục 3.01 : 1 Hoa đỏ x Hoa trắng Ðỏ 705 đỏ : 224 trắng 3.15 : 1 Quả thẳng x Quả thắt eo Thẳng 882 thẳng : 299 thắt eo 2.95 :1 Quả xanh x Quả vàng Xanh 428 xanh : 152 vàng 2.82 :1 Hoa ở nách x Hoa ở ngọn Hoa ở nách 651 hoa nách : 207 hoa ngọn 3.14 : 1 Thân cao x Thân thấp Cao 787 cao :277 thấp 2.84 : 1

b. Giải thích và kết luận

Từ những thí nghiệm nầy Mendel đã đưa ra kết luận quan trọng là mỗi cây đậu đều có hai nhân tố di truyền (hereditary factor) cho mỗi tính trạng. Khi giao tử được thành lập, hai nhân tố phân ly và đi về hai giao tử riêng biệt, mỗi giao tử chỉ mang một nhân tố cho mỗi tính trạng. Vì vậy mỗi cây phải nhận một nhân tố từ cây mẹ và một nhân tố từ cây bố. Sự kiện hai tính trạng tương phản của bố mẹ (hoa đỏ và hoa trắng) có thể cùng xuất hiện ở F2 cho thấy các nhân tố di truyền phải tồn tại như các phần tử riêng biệt trong tế bào, chúng không hòa trộn lẫn nhau. Vì vậy, theo Mendel mỗi cây F1 có chứa một nhân tố cho hoa đỏ (là trội) và một nhân tố cho hoa trắng (là lặn). Hai nhân tố nầy cùng nằm trong nhân tế bào, chúng tồn tại riêng biệt và phân ly khi giao tử được thành lập. Nguyên lý nầy được xem như là dịnh luật thứ nhất của Mendel, định luật phân ly (law of segregation):

Mỗi cá thể có hai nhân tố di truyền cho mỗi tính trạng, trong quá trình thành lập giao tử hai nhân tố nầy phân ly về hai giao tử khác nhau nên mỗi giao tử chỉ có một nhân tố. Khi các giao tử phối hợp nhau trong thụ tinh, cặp nhân tố được khôi phục lại trong hợp tử.

Kết luận của Mendel phù hợp với những gì chúng ta đã biết vể nhiễm sắc thể và hoạt động của chúng trong giảm phân. Nhân lưỡng bội có hai nhiễm sắc thể của mỗi cặp tương đồng, chứa hai gen cho mỗi cặp tính trạng. Vì vậy, tế bào lưỡng bội có hai bản sao (giống hoặc khác nhau) của mỗi gen, chúng chính là hai nhân tố di truyền mà Mendel đã mô tả. Vì mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng đều phân ly trong giảm phân, giao tử chỉ có một nhiễm sắc thể mỗi loại và vì vậy chỉ có một bản sao của mỗi gen.

Bây giờ chúng ta hãy khảo sát lại phép lai của Mendel ở các cây đậu có màu hoa khác nhau và giải thích các kết quả nầy bằng thuật ngữ hiện đại. Ở đậu có hai dạng khác nhau của gen qui định màu hoa, một cho ra hoa đỏ và một cho ra hoa trắng. Khi một gen tồn tại nhiểu dạng khác nhau, mỗi dạng được gọi là một alen (allele). Hai alen của một gen nằm ở cùng một vị trí gọi là locus trên hai nhiễm sắc thể của một cặp tương đồng. Ở gen qui định màu hoa đậu, alen qui định màu hoa đỏ là trội trong khi alen qui định màu hoa trắng là lặn. Người ta thường qui định gen bằng chữ cái: chữ hoa cho alen trội và chữ thường cho alen lặn. Do đó ta có thể qui ước C: hoa đỏ, c : hoa trắng. Vì tế bào

lưỡng bội có hai bản sao của mỗi gen, nó có thể có hai bản sao của cùng một alen hoặc của hai alen khác nhau. Như vậy, mỗi tế bào của một cây đậu có thể có hai bản sao của alen hoa đỏ (CC), hoặc hai bản sao của alen hoa trắng (cc), hoặc một bản sao của alen hoa đỏ và một bản sao của alen hoa trắng (Cc). Những tế bào có hai alen giống nhau gọi là đồng hợp tử (homozygous), những tế bào có hai alen khác nhau gọi là dị hợp tử (heterozygous).

Cần lưu ý là người ta không thể quan sát bằng mắt để kết luận một cây là đồng hợp tử về alen trội (CC) hay dị hợp tử (Cc) vì cả hai cây nầy đều cùng có hoa đỏ. Nói cách khác, một alen trội hoàn toàn lấn át alen lặn và một cơ thể dị hợp sẽ có tính trạng được qui định bởi alen trội. Ðiều này có nghĩa là không có quan hệ một đối một giữa các tổ hợp di truyền khác nhau (kiểu gen) với các tính trạng được biểu hiện (kiểu hình) của sinh vật. Trong thí dụ về màu hoa đậu, có ba kiểu gen CC, Cc, cc, hai kiểu hình hoa đỏ và hoa trắng.

Chúng ta có thể viết lại tóm tắt thí nghiệm của Mendel như sau:

P CC x cc

Hoa đỏ Hoa trắng

F1 Cc

100% Hoa đỏ

F1 x F1 Cc x Cc

F2 CC Cc Cc cc

Ðỏ Ðỏ Ðỏ Trắng

c. Hiện tượng trội không hoàn toàn và đồng trội

Ở cả bảy tính trạng trên các cây đậu mà Mendel nghiên cứu, mỗi tính trạng đều có một alen trội hoàn toàn (complete dominance) so với alen còn lại. Trong trường hợp trội không hoàn toàn (incomplete dominance), cá thể dị hợp sẽ có kiểu hình trung gian giữa hai kiểu hình của hai cá thể bố mẹ đồng hợp. Thí dụ: lai giữa hai thứ hoa mõm chó thuần chủng hoa màu đỏ và hoa màu trắng, F1 đồng loạt có hoa màu hồng, F2 phân ly theo tỉ lệ 1 hoa đỏ : 2 hoa hồng : hoa trắng. Kết quả phép lai có thể minh hoạ như sau:

P RR x R’R’

Hoa đỏ Hoa trắng

F1 RR’

100% Hoa hồng

F1 x F1 RR’ x RR’

F2 RR RR’ RR’ R’R’

đỏ hồng hồng trắng

Thuật ngữ đồng trội (codominance) được dùng để mô tả một trường hợp trong đó hai alen được biểu hiện độc lập nhau trong cơ thể dị hợp. Cơ thể dị hợp có kiểu hình khác với cơ thể dồng hợp nhưng không phải là kiểu hình trung gian. Một thí dụ về hiện tượng đồng trội được tìm thấy ở nhóm máu A-B-O của người. Người mang nhóm máu A có alen A và chỉ biểu hiện glycoprotein A trên tế bào hồng cầu, người mang nhóm máu B có alen B và chỉ biểu hiện

glycoprotein B. Tuy nhiên, người mang nhóm máu AB có cả hai alen A và B và biểu hiện cả hai glycoprotein, vì vậy kiểu hình của họ khác biệt so với hai kiểu hình trên. Trong trường hợp nầy, cả hai alen A và B đều có biểu hiện như nhau.

Tóm lại phương thức trội không hoàn toàn và đồng trội khác với trội hoàn toàn ở hai điểm chính: (1) Thế hệ F1 của một phép lai đơn tính giữa hai cá thể bố mẹ thuần chủng sẽ có kiểu hình khác với bố mẹ; (2) Tỉ lệ kiểu hình ở F2 là 1:2:1 (giống với tỉ lệ kiểu gen) thay vì 3:1.

3. Lai lưỡng tính và đa tính TOP

a. Lai lưỡng tính và định luật phân ly độc lập

Các thí nghiệm của Mendel trên đậu Hà Lan không chỉ giới hạn ở một cặp tính trạng mà đôi khi bao gồm hai hoặc nhiều cặp tính trạng (đã được liệt kê ở bảng 7.1). Thí dụ: ông cho lai các cây thuần chủng có hạt vàng, tròn với các cây có hạt lục, nhăn. Tất cả các cây F1 đều có hạt vàng, tròn. Khi các cây F1 tự thụ phấn, F2 có 4 kiểu hình khác nhau:

315 có hạt vàng, tròn

101 có hạt vàng, nhăn

108 có hạt lục,tròn

32 có hạt lục, nhăn

Bốn kiểu hình nầy chiếm tỉ lệ khoảng 9 : 3 : 3 : 1.

Thí nghiệm nầy đã chứng minh rằng một phép lai lưỡng tính có thể cho ra một số cây có kiểu hình mới khác với các cây bố mẹ ban đầu. Hai kiểu hình mới ở đây là hạt vàng, nhăn và hạt lục, tròn. Nói cách khác, nó chứng minh rằng các gen qui định màu hoa và các gen qui định dạng hạt không nhất thiết phải nằm chung trong một tổ hợp như ở thế hệ bố mẹ.

Tỉ lệ 9 : 3 : 3 : 1 là đặc trưng cho thế hệ F2 của một phép lai lưỡng tính (với tính trạng trội hoàn toàn), trong đó các gen qui định hai tính trạng di truyền độc lập nhau. Mỗi cặp tính trạng trong phép lai lưỡng tính đều tác động giống hệt như trong một phép lai đơn tính.

Như vậy, tỉ lệ 9 : 3 : 3 : 1 chính là kết quả của hai tỉ lệ 3 : 1 độc lập.

Nếu qui định R: hạt tròn r: hạt nhăn

G: hạt vàng g: hạt lục

Có thể tóm tắt phép lai trên bằng sơ đồ sau:

P GGRR x ggrr

vàng, tròn lục, nhăn

Gt GR gr

F1 GgRr x GgRr

vàng, tròn vàng, tròn

Gt GR , Gr , gR , gr GR , Gr , gR , gr

F2

GR Gr gR gr GR GGRR

vàng, tròn

GGRr

vàng, tròn

GgRR

vàng, tròn

GgRr

vàng, tròn Gr GGRr

vàng, tròn

Ggrr

vàng, nhăn

GgRr

vàng, tròn

Ggrr

vàng, nhăn gR GgRR

vàng, tròn

GgRr

vàng, tròn

ggRR

lục, tròn

ggRr

lục, tròn gr GgRr

vàng, tròn

Ggrr

vàng, nhăn

ggRr

lục, tròn

ggrr

lục, nhăn

F2 9 G - R - 3 G - rr 3 rr G - 1 rrgg

vàng, tròn vàng, nhăn lục, tròn lục, nhăn

Từ những quan sát trên các kết quả thu được, Mendel đã đưa ra định luật thứ hai gọi là định luật phân ly độc lập (principle of independence assortment):

Khi có hai hoặc nhiều gen trong một phép lai thì trong quá trình thành lập giao tử, các alen của một gen nầy sẽ di truyền độc lập với các alen của những gen khác.

b. Lai đa tính và công thức phân tính chung

Như ta đã thấy ở trên một cách để xác định tỉ lệ kiểu gen và kiểu hình trong một phép lai với hai cặp tính trạng là thiết lập một khung Punnett. Cách nầy mặc dù rất thuận lợi trong các phép lai đơn tính và lưỡng tính nhưng lại rất hạn chế trong phép lai đa tính. Trong trường hợp lai đa tính, có một cách khác dễ dàng hơn, dựa vào cơ sở của một nguyên lý: xác suất để cho các sự kiện độc lập nhau xảy ra đồng thời sẽ bằng tích số các xác suất của từng sự kiện được biểu hiện riêng rẽ.

Chúng ta có thể ứng dụng nguyên lý này để tính số kiểu giao tử, số kiểu tổ hợp, số kiểu gen, số kiểu hình, tỉ lệ kiểu gen, tỉ lệ kiểu hình trong một phép lai đa tính.

Giả sử trong một phép lai với ba cặp tính trạng: màu hoa, màu hạt và dạng hạt, chúng ta muốn tìm xem tỉ lệ của các cây ở F2 (được tạo ra khi cho các cây F1 dị hợp về ba cặp alen lai với nhau) có kiểu hình hoa đỏ, hạt vàng, nhăn là bao nhiêu? Chúng ta đã biết trong từng phép lai đơn tính: tỉ lệ hoa đỏ là 3/4, hạt vàng là 3/4, hạt nhăn là 1/4. Nhân ba tỉ lệ nầy với nhau, ta sẽ được tỉ lệ của kiểu hình hoa đỏ, hạt vàng, nhăn ở F2 là 3/4 x 3/4 x 3/4 = 9/64.

4. Tương tác gen TOP

Trong phần trên chúng ta đã thấy các alen khác nhau của cùng một gen có thể tác động qua lại như trong trường hợp trội không hoàn toàn. Các gen khác nhau cũng có thể tương tác với nhau. Thật vậy, phần lớn các đặc điểm hình thái hoặc các đặc điểm sinh hóa đều được kiểm soát bởi nhiều gen. Chẳng hạn như quá trình đường phân là một quá trình gồm nhiều bước, mỗi bước đòi hỏi một loại enzim và mỗi enzim được sản xuất bợi hoạt động của một gen chuyên biệt. Hầu hết các enzim nầy đều phụ thuộc vào một hoặc một số enzim khác hoạt động trước đó trong chuỗi phản ứng hóa học.

a. Tương tác bổ trợ (complementary interaction)

Ðôi khi hai gen ảnh hưởng đến cùng một loại tính trạng có thể tác động qua lại để tạo ra một kiểu hình mới mà mỗi gen riêng rẽ không thể tạo ra. Kiểu tương tác nầy có thể thấy trong sự kiểm soát tính trạng hình dạng mào gà. Gen R qui định mào hình hoa hồng trong khi alen lặn r cho ra mào đơn. Một gen khác P qui định mào hình hạt đậu, alen lặn p cũng cho ra mào đơn. Khi R và P cùng hiện diện chung trong kiểu gen, chúng sẽ tương tác với nhau tạo ra mào hình quả hồ đào.

Kết quả phép lai giữa gà có mào hình hoa hồng với gà có mào hình hạt đậu có thể tóm tắt như sau:

P RRpp x rrPP

hoa hồng hạt đậu

F1 RrPp x RrPp

hồ đào hồ đào

F2 9 R - P - 3 R - pp 3 rr P - 1 rrpp

hồ đào hoa hồng hạt đậu đơn

Cần lưu ý rằng, một phép lai giữa dạng gà mào hồ đào thuần chủng RRPP với dạng gà mào đơn rrpp cũng cho ra kết quả tương tự. Hơn nữa tỉ lệ 9 : 3 : 3 : 1 trong trường hợp nầy giống như trong một phép lai lưỡng tính của Mendel. Tuy nhiên điểm khác biệt là trong tương tác bổ trợ không thể nào xác định được tác động của từng gen dựa trên cơ sở biểu hiện của kiểu hình.

b. Tương tác át chế (Epistasis)

Như vừa thấy ở trên, trong tương tác bổ trợ, hai gen khác nhau đều góp phần vào việc biểu hiện kiểu hình mới. Ngược lại, trong tương tác át chế, sự biểu hiện của một gen này có thể bị át chế bởi tác động của một gen khác. Thí dụ ở chuột, một gen qui định sự tổng hợp sắc tố da melanin át chế đối với một gen khác qui định sự tích tụ melanin. Gen thứ nhất có hai alen: C qui định sự tổng hợp melanin và c làm cho sắc tố không được tổng hợp, vì vậy một cá thể đồng hợp cc sẽ là một cá thể bạch tạng. Gen thứ hai có alen B gây ra sự tích tụ nhiều melanin làm cho chuột có màu lông đen và alen b gây ra sự tích tụ một lượng trung bình của melanin làm cho chuột có màu lông nâu. Cả B và b đều không tạo ra sự tích tụ melanin nếu không có C. Kết quả phép lai giữa các cá thể có hai gen nầy có thể tóm tắt như sau:

P CCBB x ccbb

đen bạch tạng

F1 CcBb x CcBb

đen đen

F2 9 C - B - 3 C - bb 3 ccB - 1 ccbb

đen nâu trắng trắng

Thay vì tỉ lệ kiểu hình ở F2 9 : 3 : 3 : 1, phép lai nầy đã cho ra tỉ lệ là 9 : 3 : 4.

Cần lưu ý rằng tương tác át chế khác với trường hợp trội hoàn toàn. Trội hoàn toàn là trường hợp tương tác giữa hai alen của cùng một gen (alen trội lấn át sự biểu hiện của alen lặn cùng cặp) còn át chế là trường hợp tương tác giữa hai gen không alen.

c. Tác động đa gen

Vừa qua chúng ta đã thảo luận về các tính trạng chỉ có một số lượng giới hạn các kiểu hình tương đối riêng biệt: hoa đậu màu đỏ hoặc trắng, hạt đậu màu vàng hoặc lục. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp có những tính trạng có rất nhiều biến dị kiểu hình và các kiểu hình nầy không có ranh giới rõ rệt. Chẳng hạn như chiều cao, màu da, chỉ số IQ của người... Chúng ta có thể nói gì về cơ sở di truyền của những tính trạng như thế?

Có thể giải thích là hai hoặc nhiều gen riêng biệt có thể ảnh hưởng lên cùng một tính trạng theo cùng một cách, với tác động cộng gộp. Kiểu di truyền nầy gọi là di truyền đa gen (multiple-gene inheritance). Bằng chứng đầu tiên đến năm 1909 khi nhà di truyền học Thụy Ðiển Hermen Nilsson-Ehle chỉ ra rằng màu sắc của hạt lúa mì (rất khác nhau từ màu trắng đến các dạng hồng, đỏ và đỏ thẩm) là kết quả của sự tương tác giữa ba gen. Mỗi gen có hai alen. Một alen trội không hoàn toàn cho màu đỏ và một alen cho màu trắng. Hạt đỏ thẩm là đồng hợp về các alen đỏ của cả ba gen, trong khi hạt trắng là đồng hợp về các alen trắng của cả ba gen. Tất cả các kiểu hình ở giữa là kết quả của những tổ hợp dị hợp khác nhau của các alen.

P A’A’B’B’C’C’ x AABBCC

trắng đỏ thẩm

F1 A’AB’BC’C x A’AB’BC’C

đỏ nhạt đỏ nhạt

F2 1/64 trắng 6/64 hồng nhạt 15/64 hồng 20/64 đỏ nhạt

15/64 đỏ 6/64 đỏ đậm 1/64 đỏ thẩm

Nếu biểu diễn bằng đồ thị tần số của màu hạt ở F2, chúng ta sẽ nhận được một đường cong có dạng hình chuông, chúng cũng là đường cong phân bố cho các tính trạng khác biệt liên tục trong quần thể như chiều cao, màu da...

Tuy nhiên trong phần lớn các trường hợp tương tác đa gen, không phải tất cả các gen đều có vai trò như nhau đối với kiểu hình, do đó thường không thể xác định số lượng và bản chất các gen bằng cách chỉ đơn giản quan sát sự phân bố của các kiểu hình ở F2.

II. DI TRUYỀN HỌC SAU MENDEL

1. Sự xác định giới tính và di truyền liên kết giới tính TOP

a. Sự xác định giới tính

Ở các động vật phân tính, bộ nhiễm sắc thể của con đực và con cái hơi khác nhau. Nói chung, một trong hai giới có một cặp nhiễm sắc thể trong đó hai chiếc có kích thước và hình dạng khác nhau. Cặp nhiễm sắc thể nầy được gọi là cặp nhiễm sắc thể giới tính (sex chromosome), giữ vai trò cơ bản trong việc xác định giới tính của sinh vật. Tất cả các nhiễm sắc thể khác được gọi là nhiễm sắc thể thường (autosome).

Trước tiên chúng ta hãy xem bộ nhiễm sắc thể của ruồi giấm và của người. Trong mỗi trường hợp, nhiễm sắc thể giới tính gồm hai loại: một loại có mang nhiều gen, được ký hiệu là nhiễm sắc thể X, một loại có hình dạng khác, chỉ mang một ít gen hoặc không mang gen, được ký hiệu là nhiễm sắc thể Y. Ở người và ruồi giấm, thông thường giới cái có hai nhiễm sắc thể X, trong khi giới đực có một X và một Y. Bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội của ruồi giấm là 2n = 8, vì vậy con cái có 3 cặp nhiễm sắc thể thường và 1 cặp nhiễm sắc thể giới tính XX, con đực có 3 cặp nhiễm sắc thể thường và 1 cặp nhiễm sắc thể giới tính XY. Tương tự, bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội của người là 2n = 46 (23 cặp), nữ giới có 22 cặp nhiễm sắc thể thường và 1 cặp nhiễm sắc thể XX, nam giới có 22 cặp nhiễm sắc thể thường và 1 cặp XY.

Khi cá thể cái giảm phân tạo giao tử, tất cả các trứng đều sẽ nhận được một nhiễm sắc thể X. Khi cá thể đực giảm phân tạo tinh trùng, một nửa tinh trùng được hình thành có nhiễm sắc thể X và một nửa có nhiễm sắc thể Y. Nói ngắn gọn, tất cả các trứng đều có nhiễm sắc thể giống nhau còn tinh trùng gồm hai loại với số lượng bằng nhau. Khi sự thụ tinh xảy ra, xác suất để trứng được thụ tinh bởi tinh trùng X bằng với xác suất được thụ tinh bởi tinh trùng Y. Nếu trứng được thụ tinh bởi tinh trùng X, hợp tử sẽ là XX và sẽ phát triển thành con cái. Nếu trứng được thụ tinh bởi tinh trùng Y, hợp tử sẽ là XY và sẽ phát triển thành con đực.

P XX x XY

cái đực

Gt X X , Y

F1 XX : XY

1 cái 1 đực

Như vậy chúng ta thấy rằng giới tính của một cá thể thường được xác định vào thời điểm thụ tinh và tùy thuộc vào loại tinh trùng nào thụ tinh cho trứng.

Hệ thống XY (giới cái là XX và giới đực là XY) là đặc điểm của nhiều loài động vật (bao gồm tất cả các động vật hữu nhũ). Hệ thống nầy cũng thấy ở các thực vật phân tính. Ở chim, bướm, một số loài cá có một hệ thống ngược lại: giới cái là XY và giới đực là XX. Ở châu chấu, dế, gián, chỉ có một loại nhiễm sắc thể giới tính X: giới cái là XX, giới đực là XO. Ong và kiến không có nhiễm sắc thể giới tính: con cái phát triển từ trứng thụ tinh (do đó là cá thể lưỡng bội), con đực phát triển từ trứng không thụ tinh và là cá thể đơn bội.

b. Di truyền liên kết giới tính

· Gen trên nhiễm sắc thể X

Nhiều gen có trên nhiễm sắc thể X nhưng không có trên nhiễm sắc thể Y. Những gen nầy được gọi là liên kết giới tính. Phương thức di truyền của những tính trạng được kiểm soát bởi các gen liên kết giới tính hoàn toàn khác với những tính trạng được kiểm soát bởi các gen trên nhiễm sắc thể thường vì những lý do rõ rệt. Cá thể cái có hai bản sao ( 2 alen) của mỗi gen liên kết giới tính, mỗi bản sao nhận từ một cá thể bố hoặc mẹ. Con đực chỉ có một bản sao của mỗi gen và bản sao nầy luôn luôn nhận từ mẹ vì bố chỉ cung cấp nhiễm sắc thể Y cho con trai. Do đó ở con đực, các gen lặn không bị lấn át sẽ luôn luôn biểu hiện ra kiểu hình vì vậy kiểu hình lặn xuất hiện ở giới đực phổ biến hơn là ở giới cái.

Sự di truyền liên kết giới tính được phát hiện vào năm 1910 bởi nhà di truyền học người Mỹ là Thomas Hunt Morgan. Ông là người đầu tiên sử dụng ruồi giấm vào việc nghiên cứu di truyền. Tính trạng đột biến đầu tiên Morgan quan sát được trên ruồi giấm là màu mắt trắng. Tính trạng nầy được kiểm soát bởi alen lặn w, màu mắt đỏ ở ruồi hoang dại được kiểm soát bởi alen trội W. Nếu một ruồi cái đồng hợp có mắt màu đỏ được lai với một ruồi đực mắt trắng, tất cả các cá thể F1 (không phân biệt giới tính) đều có mắt màu đỏ vì chúng đều nhận một nhiễm sắc thể X mang alen W từ mẹ. (Cá thể cái cũng nhận được alen w từ bố nhưng vì W trội nên lấn át sự biểu hiện của w, còn cá thể đực chỉ nhận từ bố một nhiễm sắc thể Y không mang gen qui định màu mắt). Khi xét phép lai ngược lại, thế hệ bố mẹ là ruồi cái mắt trắng và ruồi đực mắt đỏ, ở F1 tất cả các ruồi cái đều có mắt đỏ còn toàn bộ ruồi đực đều có mắt trắng.

So sánh kết quả của hai phép lai nầy chúng ta thấy rõ trong trường hợp có sự di truyền liên kết giới tính, kết quả của phép lai thuận và nghịch khác nhau tùy thuộc vào kiểu hình của bố và mẹ. Ngược lại trong trường hợp gen nằm trên nhiễm sắc thể thường, kết quả của phép lai thuận và nghịch hoàn toàn giống nhau.

P XWXW x XwY P XwXw x XWY

cái đỏ đực trắng cái trắng đực đỏ

Gt XW Xw , Y Gt Xw XW , Y

F1 XW Xw XW Y F1 XW Xw Xw Y

100% đỏ 1 cái đỏ 1 đực trắng

Hai trường hợp được biết rõ nhất về các tính trạng lặn liên kết giới tính ở người là bệnh mù màu và bệnh máu khó đông. Các tính trạng này biểu hiện ở nam nhiều hơn ở nữ.

· Gen trên nhiễm sắc thể Y

Các gen nằm trên nhiễm sắc thể Y nhưng không có trên nhiễm sắc thể X được gọi là gen holandric. Các tính trạng do chúng kiểm soát dĩ nhiên là chỉ xuất hiện ở giới đực. Ở người nhiễm sắc thể Y có một ít gen.

2. Di truyền liên kết TOP

a. Liên kết gen

Trong mỗi tế bào số lượng gen lớn hơn rất nhiều so với số lượng nhiễm sắc thể. Thật vậy, mỗi nhiễm sắc thể có đến hàng trăm hoặc hàng ngàn gen. Các gen cùng nằm trên một nhiễm sắc thể có khuynh hướng di truyền cùng với nhau trong các phép lai. Các gen nầy được gọi là các gen liên kết và tất cả các gen cùng nằm trên một nhiễm sắc thể tập hợp thành một nhóm gen liên kết.

Chúng ta hãy xem một thí nghiệm khác của Morgan trên ruồi giấm để xem liên kết gen ảnh hưởng như thế nào đến sự di truyền của hai cặp tính trạng màu thân và dạng cánh. Ruồi kiểu dại có thân xám, cánh dài. Kiểu hình đột biến về hai tính trạng nầy là thân đen, cánh ngắn. Các alen kiểm soát các tính trạng nầy được ký hiệu: B = thân xám, b = thân đen, V = cánh dài, v = cánh ngắn.

Morgan cho lai giữa ruồi đực dị hợp về hai tính trạng (BbVv) với ruồi cái có hai tính trạng lặn (bbvv). Nếu theo định luật phân ly độc lập của Mendel, phép lai nầy sẽ cho ra bốn loại kiểu hình ở đời con với tỉ lệ xấp xỉ 1 xám, dài : 1 xám,ngắn : 1 đen, dài : 1 đen, ngắn. Kết quả thực tế lại hoàn toàn khác hẳn. Ở đời con chỉ xuất hiện hai kiểu hình giống với bố mẹ là xám, dài và đen, ngắn. Morgan kết luận rằng trong trường hợp nầy màu thân và dạng cánh được di truyền chung với nhau trong một tổ hợp đặc biệt vì các gen qui định hai tính trạng nầy nằm trên cùng một nhiễm sắc thể.

b. Hoán vị gen

Trong một thí nghiệm khác, khi Morgan cho lai giữa ruồi cái dị hợp về hai tính trạng (BbVv) với ruồi đực có hai tính trạng lặn (bbvv), ở đời con thu được 4 kiểu hình với số lượng là:

965 con thân xám, cánh dài

944 con thân đen, cánh ngắn

206 con thân xám, cánh ngắn

185 con thân đen, cánh dài

Chúng ta có thể giải thích như thế nào về kết quả của phép lai nầy? Nếu các gen qui định hai tính trạng nằm trên các nhiễm sắc thể khác nhau và phân ly độc lập, tỉ lệ kiểu hình ở đời con phải là 1:1:1:1. Nếu hai gen cùng nằm trên một nhiễm sắc thể và liên kết hoàn toàn, đời con phải có hai kiểu hình giống bố mẹ với tỉ lệ 1:1. Kết quả của phép lai hoàn toàn khác hai trường hợp trên.. Phần lớn các cá thể con có hai kiểu hình giống bố mẹ, cho thấy có sự liên kết giữa hai gen, nhưng khoảng 17% lại có kiểu hình tái tổ hợp. Như vậy, mặc dù có sự liên kết nhưng nó có vẽ không

hoàn toàn. Morgan cho rằng phải có cơ chế làm trao đổi hai đoạn giữa hai nhiễm sắc thể tương đồng, phá vở sự liên kết giữa hai gen. Các thí nghiệm tiếp theo đã chứng minh rằng

chính sự trao đổi đoạn đã dẫn đến sự tổ hợp lại của các gen liên kết (xem chương 6). Khi các nhiễm sắc thể tương đồng bắt cặp trong quá trình tiếp hợp ở kỳ trước của giảm phân I, hai chromatid của hai nhiễm sắc thể có thể trao đổi với nhau hai đoạn tương ứng. Sự trao đổi đoạn giữa hai nhiễm sắc thể tương đồng phá vỡ nhóm gen liên kết trên nhiễm sắc thể của bố mẹ, tạo thành các nhiễm sắc thể tái tổ hợp có mang các alen trong các tổ hợp mới. Các sự kiện tiếp theo của giảm phân sẽ phân bố các nhiễm sắc thể tái tổ hợp về các giao tử.

Có thể tóm tắt kết quả thí nghiệm bằng sơ đồ sau:

c. Bản đồ di truyền

Việc khám phá ra các gen liên kết và sự tái tổ hợp do trao đổi chéo đã giúp cho nhóm nghiên cứu của Morgan tìm ra phương pháp xây dựng bản đồ di truyền. Một bản dồ di truyền liệt kê trình tự của các locus gen dọc theo chiều dài của mỗi nhiễm sắc thể. Trong phần nầy chúng ta sẽ tìm hiểu xem bằng cách nào có thể dùng các dữ liệu trao đổi chéo để xây dựng một loại bản đồ di truyền gọi là bản đồ gen liên kết.

Như đã xét ở phần trên, gen qui định màu thân của ruồi giấm liên kết với gen qui định dạng cánh. Tần số tái tổ hợp giữa hai locus gen khoảng 17%. Cùng nằm trên một nhiễm sắc thể với hai gen nầy có một locus gen thứ ba qui định màu mắt. Tần số tái tổ hợp giữa gen c (mắt màu son) với gen b (thân đen) là 9%. Như vậy, tần số trao đổi chéo giữa b và v (cánh ngắn) gấp khoảng hai lần tần số trao đổi chéo giữa b và c (17% so với 9%). Năm 1917 Alfred H. Sturtevant (một trong những học trò của Morgan) đã suy luận ra rằng tần số tái tổ hợp khác nhau phản ánh khoảng cách khác nhau giữa hai gen trên một nhiễm sắc thể; nghĩa là hai gen xa nhau trên nhiễm sắc thể sẽ có khả năng tái tổ hợp cao hơn hai gen gần nhau. Nếu cho rằng tần số trao đổi chéo giữa hai gen tỉ lệ trực tiếp với khoảng cách giữa chúng thì khoảng cách giữa b và v sẽ xấp xỉ gấp 2 lần khoảng cách giữa b và c.

Từ những suy luận trên, Sturtevant bắt đầu dùng các dữ liệu tái tổ hợp để xây dựng vị trí các gen trên một bản đồ. Ông định nghĩa một đơn vị bản đồ là 1% tần số tái tổ hợp. Như vậy, locus b và c cách nhau 9 đơn vị, còn b và v cách nhau 17 đơn vị. Nhưng trình tự sắp xếp của ba gen nầy trên nhiễm sắc thể như thế nào? Chúng ta có thể loại trừ trình tự b - v - c vì c nằm gần b hơn là v. Hai trình tự còn lại có thể có là c - b - v và b - c - v. Tần số tái tổ hợp giữa c và v sẽ giúp chúng ta xác định đúng trình tự của 3 gen nầy. Ở trình tự thứ nhất ( c - b - v ) khoảng cách giữa c và v phải là (26 đơn vị (17 + 9) trong khi ở trình tự thứ hai ( b - c - v ) khoảng cách giữa c và v là ( 8 đơn vị (17 - 9). Sturtevant đã xác định được tần số tái tổ hợp giữa c và v là 9,5% vì vậy ông cho rằng 3 gen nầy được sắp xếp trên nhiễm sắc thể theo trình tự b -c -v. Chẳng bao lâu, phương pháp nầy đã được mở rộng để xây dựng bản đồ các gen khác trên ruồi giấm

3. Ðột biến nhiễm sắc thể TOP

Các tác nhân vật lý, hóa học của môi trường cũng như các sai sót trong giảm phân có thể làm biến đổi cấu trúc và số lượng nhiễm sắc thể trong một tế bào. Trong phần nầy chúng ta sẽ tìm hiểu những biến đổi đó và ảnh hưởng của chúng đối với một số rối loạn di truyền ở người.

a. Ðột biến cấu trúc nhiễm sắc thể

Sự phá hủy nhiễm sắc thể có thể dẫn đến bốn kiểu thay đổi trong cấu trúc của nhiễm sắc thể. Sự mất đoạn (deletion) xảy ra khi một đoạn nhiễm sắc thể bị đứt ra (đoạn không có tâm động) và bị mất đi trong quá trình phân bào. Ðoạn còn lại sẽ thiếu một số gen nhất định. Trong một số trường hợp khác đoạn bị đứt có thể nối vào một nhiễm sắc thể tương đồng gây ra sự lặp đoạn (duplication). Ðoạn nầy cũng có thể được nối với nhiễm sắc thể ban đầu nhưng theo chiều ngược lại, tạo ra sự đảo đoạn (inversion). Dạng thứ tư là đoạn nầy nối với một nhiễm sắc thể khác không tương đồng, gọi là sự chuyển đoạn (translocation).

Có thể minh họa bốn dạng biến đổi cấu trúc như sau:

Một cơ thể bị mất đoạn thường thiếu một số gen nhất định dẫn tới sự mất cân bằng giữa các gen và thường bị chết. Thí dụ: ở người, một hội chứng gọi là cri du chat (cry of the cat) do nhiễm sắc thể số 5 bị mất một đoạn. Trẻ sơ sinh mắc phải hội chứng nầy thường có đầu nhỏ, si đần và tiếng khóc như tiếng mèo kêu, chết sớm (trước tuổi dậy thì).

Lặp đoạn và chuyển đoạn cũng gây ra những hậu quả có hại. Chẳng hạn ở người, hiện tượng chuyển một đoạn nhỏ của nhiễm sắc thể số 9 gắn vào nhiễm sắc thể số 22 gây ra bệnh ung thư bạch cầu.

Trong trường hợp đảo đoạn mặc dù tất cả các gen đều hiện diện (nhưng trình tự thay đổi) nên chúng cũng làm biến đổi kiểu hình vì sự biểu hiện của một gen thường bị ảnh hưởng bởi vị trí của nó so với các gen kế cận.

b. Ðột biến số lượng nhiễm sắc thể

Trong quá trình giảm phân đôi khi xảy ra hiện tượng không phân ly (nondisjunction), trong đó hai nhiễm sắc thể của một cặp tương đồng không tách ra và phân ly trong giảm phân I hoặc hai chromatid của một nhiễm sắc thể kép không phân ly trong giảm phân II. Trong những trường hợp nầy, một giao tử sẽ nhận được 2 nhiễm sắc thể cùng loại (n + 1) và một giao tử sẽ không nhận được nhiễm sắc thể nào thuộc loại nầy (n - 1). Khi các giao tử đột biến tổ hợp với giao tử bình thường, hợp tử được hình thành sẽ dư (2n + 1) hoặc thiếu (2n - 1) một nhiễm sắc thể, được gọi là thể dị bội (aneuploidy). Nếu sinh vật sống sót, chúng sẽ mắc phải các hội chứng do số lượng gen không bình thường nằm trên nhiễm sắc thể thừa hoặc thiếu. Sự không phân ly cũng có thể xảy ra trong nguyên phân. Nếu một sai sót như thế xuất hiện vào giai đoạn sớm của sự phát triển phôi, một số lượng lớn tế bào trong cơ thể sẽ ở tình trạng dị bội và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sinh vật.

Ở người, một số rối loạn trong di truyền thường có liên quan đến các trường hợp đột biến thể dị bội. Hội chứng Down (Down syndrome) chiếm tỉ lệ khoảng 1/700 trẻ sơ sinh ở Mỹ. Hội chứng nầy thường là do sự gia tăng thêm một nhiễm sắc thể thứ 21 làm cho số lượng nhiễm sắc thể tromg mỗi tế bào của cơ thể là 47. Mặc dù đây là nhiễm sắc thể nhỏ nhất trong tế bào của người, sự tăng thêm một nhiễm sắc thể nầy làm biến đổi nghiêm trọng kiểu hình của cơ thể: lùn, đầu to, cổ ngắn, gáy rộng, mắt lồi, lưỡi dài và dầy, si đần, vô sinh và chết sớm. Tần số mắc hội chứng Down ở con thường có liên quan đến tuổi của người mẹ (Bảng 2)

Bảng 2. Tuổi người mẹ và tần số mắc hội chứng Down ở con

Tuổi người mẹ Tần số mắc hội chứng Down dưới 25

25 - 29

30 - 34

35 - 39

40 - 45

trên 45

1 : 2500

1 : 1000

1 : 700

1 : 200

1 : 100

1 : 25

Ngoài hội chứng Down còn một số rối loạn khác ở người cũng do đột biến thể dị bội trên nhiễm sắc thể thường. Hội chứng Patau (3 nhiễm sắc thể số 13) có tần số khoảng 1/5000. Người mắc hội chứng nầy thường có những khuyết tật nghiêm trọng ở mắt, não, hệ tuần hoàn và thường sứt môi. Hội chứng Edwards (3 nhiễm sắc thể số 18) xảy ra với tần số 1/10000 và có ảnh hưởng đến hầu hết các cơ quan trong cơ thể. Trong cả hai hội chứng nầy, đứa trẻ thường hiếm khi sống hơn một năm.

Ðột biến thể dị bội cũng có thể xảy ra trên nhiễm sắc thể giới tính, gây ra các hội chứng: Hội chứng Klinefelter có tần số 1/2000, người nam có nhiễm sắc thể XXY, cơ quan sinh dục nam nhưng dịch hoàn rất nhỏ và thường vô sinh. Người mắc hội chứng nầy thường rất cao, vú và một số đặc điểm khác trên cơ thể là của nữ.

Hội chứng 3X xảy ra với tần số 1/1000, người nữ có buồng trứng và dạ con không phát triển, thường rối loạn kinh nguyệt và khó có con.

Hội chứng Turner xảy ra với tần số 1/5000, người nữ lùn, cơ quan sinh dục không phát triển, các đặc tính sinh dục thứ cấp phát triển sai lệch, vô sinh.

Trong trường hợp toàn bộ số lượng nhiễm sắc thể trong tế bào đều nhân đôi nhưng không phân ly trong quá trình phân bào, số lượng nhiễm sắc thể của tế bào con sẽ tăng lên gấp đôi. Nếu hiện tượng nầy xảy ra trong giảm phân, giao tử được hình thành sẽ là lưỡng bội (2n) thay vì đơn bội (n). Khi giao tử nầy thụ tinh với một giao tử đơn bội sẽ tạo ra một hợp tử tam bội (3n). Nếu được thụ tinh bởi một giao tử lưỡng bội khác, một hợp tử tứ bội (4n) sẽ được tạo ra. Nói chung, các tế bào có nhiều hơn 2 bộ nhiễm sắc thể (3n, 4n, 5n...) đều được gọi là đa bội (polyploidy).

Hầu hết các trường hợp đa bội thể trong tự nhiên thường xảy ra ở thực vật, hiếm thấy ở động vật. Trong phòng thí nghiệm, người ta có thể tạo ra các thể đa bội bằng cách xử lý các thực vật với những loại hóa chất thích hợp để cản trở sự phân ly của các nhiễm sắc thể trong quá trình phân bào. Hiện tượng đa bội và vai trò của chúng trong tiến hóa sẽ được đề cập thêm trong chương 14.

CHƯƠNG 3

CƠ SỞ PHÂN TỬ CỦA SỰ DI TRUYỀN

--- oOo ---

I. BẢN CHẤT CỦA VẬT LIỆU DI TRUYỀN

1. Thành phần của nhiễm sắc thể

2. ADN là vật liệu di truyền

II. CẤU TRÚC PHÂN TỬ CỦA ADN

1. Cấu trúc hóa học của ADN

2. Cấu trúc không gian của ADN

III. CẤU TRÚC PHÂN TỬ CỦA ARN

1. ARN thông tin 2. ARN vận chuyển 3. ARN ribô thể

IV. SỰ SAO CHÉP CỦA ADN

1. Học thuyết khuôn của Watson và Crick

2. Các thí nghiệm chứng minh cho học thuyết

3. Cơ chế của sự sao chép

4. Sự sao chép trong các bào quan

V. SỰ SỬA CHỮA ADN

1. Sự sửa chữa trong khi sao chép

2. Sự sửa chữa các sai sót do đột biến

==============================================================

CHƯƠNG 3

CƠ SỞ PHÂN TỬ CỦA SỰ DI TRUYỀN

Quá trình sống được điều khiển bằng sự truyền thông tin chi tiết và chính xác. ADN chứa tất cả thông tin cần thiết để xây dựng và điều hành hoạt động cơ thể, làm cho từ một tế bào chưa chuyên hóa trở thành mô và cơ quan, trong đó các tế bào được chuyên hóa tùy theo chức năng.

Sự truyền đạt thông tin di truyền diễn ra theo hai hướng. Một là các thông tin trong ADN được dùng để xây dựng tế bào và điều khiển các phản ứng sinh hóa. Hai là bộ thông tin nầy được nhân đôi và được chuyển vào mỗi tế bào con: hoặc tế bào dinh dưỡng hoặc tế bào sinh dục (tinh trùng và trứng). Như vậy chính thông tin nầy làm cho sự sống nối tiếp nhau trong đời sống của sinh vật và từ thế hệ nầy sang thế hệ khác.

Ngày nay chúng ta biết rằng gen là các trình tự của ADN mã hóa cho protein. Các gen được xếp thành hàng trên một hoặc nhiều nhiễm sắc thể, tập hợp lại gọi là bộ gen (genome). Trong chương nầy, chúng ta sẽ bắt đầu từ cấu trúc của ADN, sau đó khảo sát quá trình nhân đôi của nhiễm sắc thể, gọi là sự sao chép (replication). Quá trình nầy bao gồm cả sự tự sữa chửa những khuyết điểm sao chép, làm cho mỗi tế bào con được tạo thành trong sự phân bào nhận được một bản sao của mỗi nhiễm sắc thể (và cũng là nguyên bộ gen) từ tế bào bố mẹ.

I. BẢN CHẤT CỦA VẬT LIỆU DI TRUYỀN

1. Thành phần của nhiễm sắc thể TOP

Năm 1868 F. Miescher (nhà sinh hóa học Thụy Sĩ) nhận thấy khi dùng pepsin để phân hủy các protein trong tế bào thì nhân tế bào bị co lại nhưng vẫn còn nguyên vẹn. Tiếp tục thí nghiệm với nhân nầy (đã xử lý men tiêu hóa pepsin) bằng cách dùng nhiều loại thuốc thử khác nhau thì thấy nó phản ứng không giống như protein và phát hiện nó có chứa P ngoài các nguyên tố C, H, O, N cấu tạo protein. Như vậy, những kết quả nầy cho thấy nhân chứa một lượng lớn vừa là protein vừa là hợp chất không phải protein. Miescher gọi hợp chất không phải protein nầy là nuclein, về sau được đặt tên là acid nhân (nucleic acid). Các nghiên cứu sau nầy cho thấy, acid nhân không chỉ có trong nhân tế bào mà còn có cả trong tế bào chất. Loại acid nhân do Miescher phát hiện là ADN (Deoxyribonucleic Acid).

Năm 1914 R. Feulgen (nhà hóa học người Ðức) tìm ra phương pháp nhuộm nuclein bằng phẩm crimson sáng (brilliant crimson). Mười năm sau Feulgen áp dụng phương pháp nầy nhuộm cả tế bào thì thấy rằng ADN của nhân có ở nhiễm sắc thể. Từ đó phương pháp Feulgen được dùng để xác định lượng ADN trong nhân của nhiều loại tế bào. Nhờ đó các nghiên cứu đã chứng minh rằng tất cả các tế bào dinh dưỡng của một cá thể có cùng một lượng ADN dù đó là tế bào của những mô khác nhau như gan, thận, tim, cơ... trong khi những chất khác hơn ADN có số lượng thay đổi rất lớn. Sau đó người ta cũng khám phá ra tế bào trứng và tinh trùng chỉ có 1/2 lượng ADN so với tế bào dinh dưỡng. Các khám phá nầy đã đưa đến nhận định rằng ADN là chất liệu chính của gen. Thật ra thì nhiễm sắc thể chứa cả protein và ADN và do cơ cấu hóa học của protein rất phức tạp nên nhiều người nghĩ rằng chỉ có protein mới đủ sức mã hóa cho mọi thông tin di truyền ở sinh vật.

2. ADN là vật liệu di truyền TOP

a. Thí nghiệm của Griffith

Năm 1928 F. Griffith (nhà vi sinh vật y học người Anh) tiến hành các thí nghiệm với vi khuẩn Pneumococci gây bệnh sưng phổi (pneumonia). Ông thí nghiệm trên chuột để tìm hiểu ảnh hưởng của hai chủng gây bệnh và không gây bệnh.

- Chủng gây bệnh: có vỏ bao bằng đường đa, tạo khuẩn lạc láng (smooth) nên được ký hiệu là chủng S.

- Chủng không gây bệnh: không có vỏ bao, tạo khuẩn lạc sần (rough) nên được ký hiệu là chủng R.

Griffith nghiên cứu ảnh hưởng của hai chủng nầy khi tiêm chúng vào chuột.. Kết quả là:

- Chuột được tiêm chủng R sống ( chuột còn sống.

- Chuột được tiêm chủng S sống ( chuột bị chết.

- Chuột được tiêm chủng S chết (do xử lý nhiêtû) ( chuột còn sống.

- Chuột được tiêm chủng S chết + chủng R sống ( chuột bị chết.

Kết quả thật khó hiểu! Làm thế nào một hỗn hợp của một chủng không gây bệnh với một chủng gây bệnh đã chết lại làm chết chuột ? Griffith khảo sát các cơ thể chuột chết và phát hiện thấy chúng chứa đầy chủng S còn sống! Chủng nầy đến từ đâu ? Griffith cẩn thận lặp lại nhiều thí nghiệm và đi đến kết luận là bằng cách nào đó chủng R sống đã biến đổi thành chủng S sống với nguyên liệu của tế bào chủng S chết. Ðem cấy chủng S nầy (đã biến đổi) chúng phát triển thành chủng S mới. Như vậy, có thể giả định rằng vật liệu di truyền từ chủng S chết đã thâm nhập vào chủng R sống (không gây bệnh) và biến đổi chúng thành chủng S gây bệnh. Hiện tượng nầy về sau được gọi là sự biến nạp (transformation).

Năm 1931 một số tác giả khác đã cho thấy rằng sự biến nạp vi khuẩn không chỉ xảy ra trong cơ thể chuột mà còn thực hiện được trong ống nghiệm. Hai năm sau J. L. Alloway (viện Rockefeller) đã chứng minh rằng trong ống nghiệm, tế bào của chủng R sống có thể bị biến nạp thành chủng S bởi một chất trích từ chủng S. Như vậy, rõ ràng các đặc tính di truyền của chủng gây bệnh đã được chuyển sang chủng không gây bệnh bằng một số chất không bị ảnh hưởng bởi xử lý nhiệt và sự ly trích tế bào (hóa học, cơ học...).

Ðến năm 1944 O.T. Avery, C. MacLeod và M. McCarty (viện Rockefeller) bằng kỹ thuật tinh khiết hóa ADN đã chứng minh rằng tác nhân gây ra sự biến nạp là ADN.

Kết quả nầy là một bằng chứng rạch ròi rằng không phải protein hay một phức hệ nucleo-protein mà chính ADN mới là vật liệu di truyền. Tuy nhiên ở thời điểm đó điều nầy vẫn chưa thuyết phục được nhiều nhà sinh học. Họ cho rằng ADN của chủng gây bệnh có lẽ hoạt hóa gen tổng hợp protein của chủng không gây bệnh.

b. Thí nghiệm của Hershey và Chase

Trong suốt 10 năm kế tiếp có ít nhất 30 thí nghiệm khác nhau về sự biến nạp vi khuẩn bằng ADN tinh khiết đã được mô tả. Nhưng bằng chứng vững vàng lại đến từ phòng thí nghiệm di truyền Carnegie với

những nghiên cứu của A.D. Hershey và M. Chase (1952) trên một loại siêu khuẩn tấn công vi khuẩn Escherichia coli (E.coli). Loại siêu khuẩn nầy được gọi là thực khuẩn (bacteriophage), gọi tắt là phage (có nghĩa là ăn).

Thực khuẩn là những ký sinh cực nhỏ nhưng chúng bắt buộc bộ máy tế bào của ký chủ sản sinh ra gen của chúng. Chúng có cấu tạo đơn giản gồm một lớp vỏ protein và một lõi acid nhân. Lớp vỏ protein của chúng được chia thành vùng đầu (chứa vật liệu di truyền) và vùng đuôi dài bao gồm 1 lõi rỗng, 1 bao và 6 sợi tận cùng (Hình 1).

Khi 1 phage tấn công một tế bào vi khuẩn, nó bám vào vách tế bào vi khuẩn bằng đầu mút của các sợi và đế. Sợi đuôi và đế chứa một protein gắn vào một thành phần đặc biệt của vách. Sau 1 giờ các phage mới xuất hiện bên trong vi khuẩn. Ở một thời điểm thích hợp, phage hoạt hóa gen mã hóa enzim tiêu hóa gọi là lysozim và các enzim khác. Kết quả là tế bào vi khuẩn vở ra, giải phóng hàng chục đến hàng trăm phage mới vào môi trường chung quanh. Các phage mới nầy đều có cấu trúc di truyền giống như phage ban đầu. Như vậy vật liệu di truyền

Hình 1. Cơ cấu của một thực khuẩn phải được tiêm vào tế bào vi khuẩn khi

Phage bám vào vách tế bào và chính vật liệu nầy điều khiển bộ máy biến dưỡng của vi khuẩn sản xuất các gen cho phage mới cũng như protein cần thiết cho vỏ phage và các enzim ngăn cản sự tổng hợp protein cho vật chủ và khi đúng lúc tiêu hủy tế bào vi khuẩn. Hershey và Chase bố trí một thí nghiệm để xác định xem phage chỉ tiêm vào vi khuẩn ADN hay protein hoặc cả hai. Chúng ta biết rằng ADN có chứa P mà không có S còn protein thì ngược lại nên có thể phân biệt ADN và protein khi dùng chất đồng vị phóng xạ của P và S.

A. Cho phage không đánh dấu vào môi trường nuôi vi khuẩn có P32 và S35.

B. Phage mới phát triển kết hợp P32 trong ADN và S35 trong protein.

C. Cho phage đã được đánh dấu vào môi trường nuôi vi khuẩn không có đồng vị phóng xạ.

D. Vi khuẩn bị nhiễm phage được làm lạnh trước khi phage mới có thể phát triển.

E. Lắc để tách vỏ phage ra khỏi vi khuẩn.

F-G. Hỗn hợp được ly tâm để tách vỏ phage ra khỏi vi khuẩn.

H. Phần lỏng gồm vỏ phage có S35. Phần cặn gồm vi khuẩn với ADN của phage có P32.

Hình 2. Thí nghiệm của Hershey và Chase

- Cho nhiễm phage có phóng xạ vào vi khuẩn không có phóng xạ. Ðể đủ thời gian cho phage bám vào vách tế bào vi khuẩn và tiêm chất liệu di truyền vào.

- Lắc và sau đó ly tâm để tách rời vỏ của phage và vi khuẩn bị nhiễm.

Kết quả cho thấy phần lỏng sau ly tâm chứa một lượng lớn và một ít . Ðó là vỏ protein của siêu

khuẩn bỏ lại ngoài vách tế bào vi khuẩn, còn phần cặn có chứa một lượng lớn và một ít . Ðiều nầy chứng tỏ chỉ có ADN của phage được đưa vào trong tế bào vi khuẩn. Phage mới được sản xuất trong vi khuẩn nên chỉ ADN của phage đã đủ sức truyền mọi thông tin cần thiết để vi khuẩn tạo ra phage mới (Hình 2).

Tóm lại thí nghiệm nầy là một bằng chứng mạnh mẽ hổ trợ cho các kết luận trước đó về sự biến nạp: chính acid nhân (chứ không phải protein) là vật liệu di truyền.

II. CẤU TRÚC PHÂN TỬ CỦA ADN

1. Cấu trúc hóa học của ADN TOP

Phân tử ADN gồm những đơn vị gọi là nucleotid. Mỗi nucleotid gồm 1 phân tử đường 5C, 1 nhóm phosphat và 1 baz có N. Theo qui ước, 5 carbon của đường được đánh số từ 1 đến 5. (Hình 3).

Hình 3. Sơ đồ cấu trúc của một nucleotid

Có 4 loại nucleotid khác nhau bởi các baz N. Hai baz Adenin và Guanin là các purin, có cấu trúc vòng đôi, còn Timin và Cytosin là các pyrimidin có cấu trúc vòng đơn (Hình 4).

PURIN PYRIMIDIN

Hình 4. Công thức cấu tạo của 4 loại nucleotid

Trong phân tử ADN các nucleotid được sắp xếp theo một trình tự đặc biệt: các phân tử đường nối với nhau bởi các nhóm phosphat liên kết với C3 của đường nầy và với C5 của đường kế tiếp thành chuỗi, các baz N được sắp xếp phía ngoài chuỗi.

Phân tử ADN thường gồm 2 sợi được nối với nhau bằng liên kết hydro giữa các baz (cơ cấu bậc thang). Những liên kết nầy chỉ xảy ra giữa cytosin và guanin hoặc giữa timin và adenin. Do vậy, trình tự của các baz trên sợi nầy xác định trình tự bổ sung trên sợi còn lại (Hình 5). Cần lưu ý rằng sự phân cực của hai sợi là ngược chiều nhau: 1 sợi từ 5 đến 3, 1 sợi từ 3 đến 5. Phân tử sợi đôi xoắn lại làm thành cấu trúc xoắn kép nhờ các liên kết hydro (Hình 6).

Hình 5. Những cầu nối các baz giữa các nucleotid

2. Cấu trúc không gian của ADN: Mô hình của Watson & Crick TOP

Việc xác định cấu trúc của một phân tử phức tạp và quan trọng như ADN đã trở thành một thách thức lớn đối với nhiều nhà khoa học. Trong năm 1950 hầu như người ta chưa biết gì về sự sắp xếp trong không gian của các nguyên tử trong phân tử ADN cũng như là không biết làm thế nào phân tử nầy có thể chứa đựng thông tin cần thiết để tự nhân đôi và điều khiển các chức năng của tế bào. Vào khoảng thời gian nầy nhiều nhà khoa học bắt đầu ứng dụng kỹ thuật phân tích sự nhiễu xạ tia X để nghiên cứu ADN. Nổi bật trong số đó là R. Franklin và M. H. F. Wilkins (Ðại học King, Anh quốc). Họ đã thành công trong việc tạo ra những mẫu nhiễu xạ tia X sắc nét hơn những mẫu đã có từ trước. F. H. C. Crick (Ðại học Cambridge) dùng phương pháp toán học để phân tích các ảnh nhiễu xạ ADN (của Franklin và Wilkins) đã cho thấy tinh thể ADN phải là một xoắn với 3 chu kỳ chính có lặp lại là 0,34 nm ; 2,0 nm và 3,4 nm.

Từ những gì đã biết về thành phần hóa học của ADN, những thông tin về nghiên cứu sự nhiễu xạ tia X của ADN, về khoảng cách chính xác giữa các nguyên tử liên kết nhau trong phân tử, các góc giữa các liên kết và kích thước của các nguyên tử, J. D. Watson và F. H. C. Crick (Ðại học Cambridge) quyết tâm xây dựng một mô hình cấu trúc của phân tử ADN. Họ xây dựng mô hình theo tỉ lệ của các thành phần cấu tạo ADN rồi tìm cách lắp đặt chúng với nhau sao cho phù hợp với các kết quả thu được từ tất cả các nghiên cứu trên.

Họ xác định được chu kỳ 0,34 nm tương ứng với khoảng cách giữa 2 nucleotid kế tiếp nhau trong sợi ADN, chu kỳ 2,0 nm là chiều rộng của xoắn và chu kỳ 3,4 nm là khoảng cách giữa các xoắn trong sợi. Vì 3,4 nm bằng 10 lần khoảng cách giữa 2 nucleotid kế tiếp nhau nên mỗi xoắn có 10 cặp nucleotid.

Trên những dữ liệu về nhiễu xạ tia X, Watson và Crick tính toán thấy rằng một sợi nucleotid quấn xoắn, chiều rộng của xoắn là 2,0 nm và mỗi xoắn dài 3,4 nm thì sợi có tỉ trọng bằng 1/2 tỉ trọng của ADN. Do vậy ADN phải gồm 2 sợi nucleotid hơn là một sợi. Họ sắp xếp lại mô hình tỉ lệ và sau cùng mô hình phù hợp với tất cả những dữ liệu được tìm ra là: phân tử ADN gồm 2 sợi nucleotid quấn theo 2 hướng ngược nhau quanh một trục giả định có đường kính chính xác, các baz purin và pyrimidin hướng về phía trong của trục. Theo cách nầy các liên kết hydro giữa các baz trên hai sợi quấn ngược chiều nhau mới đủ sức giữ 2 sợi ở trạng thái xoắn. Nói cách khác, khi phân tử ADN mở xoắn thì giống như một cái thang, 2 trụ thang tương đương với 2 sợi gồm đường và nhóm phosphat xen kẻ nhau còn các thanh ngang là các cặp baz liên kết nhau bằng cầu nối hydro (Hình 7).

Hình 6. Một phần của phân tử ADN Hình 7. Mô hình cấu trúc của ADN

III. CẤU TRÚC PHÂN TỬ CỦA ARN

Về mặt cấu trúc, ARN cũng được cấu tạo từ các nucleotid, giống như trong sợi đơn của phân tử ADN. Mặc dù ARN và ADN là những hợp chất rất giống nhau, nhưng chúng vẫn khác nhau ở 3 điểm quan trọng :

Hình 8. So sánh Uracil trong ARN với Timin trong ADN

(1) Ðường của ARN là riboz trong khi đường của ADN là deoxyriboz.

(2) ARN có Uracil trong khi ADN có Timin (Hình 8)

(3) ARN thường là sợi đơn trong khi ADN thường là sợi đôi.

Ngày nay chúng ta biết rằng có 3 loại ARN chính : ARN thông tin (mARN) mang thông tin cần thiết mã hóa cho trình tự các acid amin đến ribô thể là nơi protein được tổng hợp; ARN vận chuyển (tARN) mang các acid amin đến ribô thể trong quá trình tổng hợp protein và ARN ribô thể (rARN) là thành phần cấu tạo nên ribô thể.

1. ARN thông tin (mARN) TOP

ARN thông tin được tổng hợp trong nhân tế bào từ khuôn mẫu của ADN, làm nhiệm vụ trung gian truyền thông tin di truyền từ ADN trong nhân sang protein được tổng hợp tại ribô thể trong tế bào chất. Thành phần nucleotid trong mARN rất biến đổi, từ 150 đến hàng ngàn nucleotid, thời gian tồn tại trong tế bào rất ngắn.

2. ARN vận chuyển (tARN) TOP

Năm 1957 M. Hoagland & CSV (ở Harvard) đã chứng minh rằng mỗi acid amin gắn vào một dạng ARN nào đó trước khi đến ribô thể, từ đó gắn thêm các acid amin khác để tạo chuỗi polypeptid. Họ gọi loại ARN có nhiệm vụ chuyển các acid amin đến ribô thể là ARN vận chuyển (tARN). Hoagland & CSV cũng đã kết luận rằng mỗi phân tử tARN chỉ mang một phân tử acid amin, hoạt hóa nó với năng lượng ATP và chuyên chở nó đến ribô thể.

Những nghiên cứu tiếp theo của các nhà khoa học khác đã cho biết thêm về cấu trúc và chức năng của tARN. Cho đến nay người ta biết được rằng có ít nhất một tARN chuyên biệt cho mỗi acid amin. Thí dụ acid amin arginin chỉ kết hợp với tARN chuyên vận chuyển arginin. Nhưng tất cả các tARN đều có chung vài đặc điểm cấu trúc : có từ 73-93 nucleotid, có cấu trúc sợi đơn được gấp lại thành nhiều thùy, bên trong có các baz tự bắt cặp nhau, trình tự tận cùng là CCA. Khi 1 acid amin gắn vào tARN thì nó luôn luôn gắn vào đầu nầy (Hình 9).

Hình 9. Cấu trúc của một ARN vận chuyển

3. ARN ribô thể (rARN) TOP

Như chúng ta đã biết (chương 1), mỗi ribô thể gồm hai bán đơn vị lớn và nhỏ, mỗi bán đơn vị là một phức hợp của rARN, enzim và protein cấu trúc. Ở nhóm sơ hạch và nhóm chân hạch, rARN có cấu trúc đặc sắc: ở một đoạn dài các cặp baz bổ sung xoắn lại nhờ các liên kết hydro, tạo ra một hình dạng có nhánh và có vòng. Mặc dù chức năng của cấu trúc nầy vẫn chưa rõ, nhưng có lẽ nó có vai trò quyết định đối với hoạt động của ribô thể (Hình10).

IV. SỰ SAO CHÉP CỦA ADN (REPLICATION)

1. Học thuyết khuôn của Watson và Crick TOP

Nếu ADN là vật liệu di truyền, nó phải chứa thông tin cần thiết để sao chép và kiểm soát các cấu trúc và các hoạt động của tế bào. Mô hình của Watson và Crick thỏa mãn ngay yêu cầu thứ nhất.

Vì ADN của mọi sinh vật đều là chất trùng phân từ 4 loại nucleotid nên sự khác biệt chính giữa các ADN ngoài tổng số nucleotid là trình tự sắp xếp của các nucleotid. Vấn đề cơ bản được đặt ra là nếu cung cấp đủ 4 loại nucleotid, cái gì làm cho cơ chế sinh hóa hoạt động nghĩa là kết hợp những nucleotid với nhau theo đúng trình tự và số lượng đặc trưng của ADN đã có trong tế bào ?

Watson và Crick cho rằng nếu 2 sợi ADN được tách ra bằng cách làm gãy các liên kết hydro giữa các cặp baz, mỗi sợi sẽ cung cấp tất cảí thông tin cần thiết để tổng hợp một sợi mới giống hệt như sợi được tách ra. Vì adenin luôn luôn nối với timin, guanin luôn luôn nối với cytosin nên trình tự của các nucleotid trên một sợi sẽ qui định trình tự của các nucleotid trên sợi bổ sung. Như vậy tách rời 2 sợi của phân tử ADN và dùng mỗi sợi làm khuôn để tổng hợp ra một sợi mới sẽ dẫn đến kết quả là tạo ra 2 phân tử sợi đôi giống hệt phân tử ban đầu.

2. Các thí nghiệm chứng minh cho học thuyết khuôn TOP

Năm 1957 A. Kornberg và CSV (Ðại học Washington, St Louis) đã tìm ra phương pháp tổng hợp ADN trong ống nghiệm. Họ ly trích từ tế bào E. coli một phức hệ enzim có thể xúc tác sự tổng hợp ADN. Ðó là ADN polymeraz (enzim tạo ra sự trùng phân ADN). Nguyên liệu dùng cho thí nghiệm là 4 loại nucleotid đã được hoạt hóa bằng ATP và được đánh dấu bằng carbon phóng xạ ( ). Sau khi cho vào ống nghiệm các nguyên liệu, ADN polymeraz, thêm ADN vào -vừa làm chất mồi (primer), vừa làm khuôn (template)- và để ở nhiệt độ thích hợp, họ phát hiện các ADN mới có chứa : như vậy các nucleotid đánh dấu đã tham gia tạo ADN mới. Sự tổng hợp ADN sẽ không xảy ra nếu ADN không hiện diện ngay từ đầu phản ứng. Kornberg cũng chứng minh rằng tỉ lệ của A và T cũng như G và C trong ADN mới hoàn toàn giống như trong ADN thêm vào. Các thí nghiệm khác cũng cho thấy ADN mới được tổng hợp hoàn toàn giống với ADN ban đầu chứng tỏ ADN ban đầu đảm nhận chức năng làm khuôn.

Tuy nhiên, thí nghiệm của Kornberg chưa thật sự làm sáng tỏ cơ chế sao chép theo cách của Watson và Crick đề ra. Bằng chứng trực tiếp đến từ thí nghiệm của M.S. Meselson và F.W. Stahl (Viện Công nghệ California) công bố năm 1958.

Meselson và Stahl nuôi nhiều thế hệ vi khuẩn E. coli trên môi trường chỉ có nitơ chứa đồng vị phóng xạ (Nitơ nặng) vì vậy tất cả các baz trong ADN của các vi khuẩn nầy có chứa . Sau đó thay đổi nguồn Nitơ đột ngột từ sang . Mẫu vi khuẩn được thu hoạch trong từng giai đoạn rồi ly trích ADN và đem ly tâm trong khuynh độ tỉ trọng muối cesium chloride (CsCl) (ở tốc độ 40.000-50.000 vòng /1 phút từ 48 đến 72 giờ) để tách các ADN có tỉ trọng khác nhau.

Khi đem ly tâm ADN được ly trích từ các tế bào vi khuẩn phát triển qua nhiều thế hệ trong môi trường , ADN sẽ lắng xuống và tạo thành một vạch ở đáy ống nghiệm. Ngược lại, khi ly tâm các ADN được ly trích từ các tế bào chỉ nuôi cấy trong môi trường , ADN sẽ nổi lên và tạo thành một vạch ở phần trên ống nghiệm. Một hỗn hợp của ADN nặng (chứa ) và ADN nhẹ (chứa ) khi ly tâm sẽ tách thành hai vạch: vạch phía dưới tương ứng với ADN nặng và vạch phía trên tương ứng với ADN nhẹ.

Hình 11. Thí nghiệm của Meselson và Stahl

Thí nghiệm cho thấy khi các tế bào chỉ có ADN nặng (cả hai sợi của ADN chỉ có trong baz purin và pyrimidin) phân cắt 1 lần trong môi trường thì ADN của tế bào mới sẽ có tỉ trọng trung gian giữa ADN nặng (chứa ) và ADN nhẹ (chứa ) nghĩa là ADN của tế bào mới có một nửa và một nửa

Trong thí nghiệm tiếp theo, khi để cho các tế bào chỉ có ADN nặng phân cắt hai lần trong môi trường , các ADN của tế bào mới được đem ly tâm sẽ tạo thành hai vạch: một vạch ứng với ADN có tỉ trọng

trung gian và một vạch ứng với ADN nhẹ. Ðiều nầy rõ ràng chứng minh 2 sợi ADN bố mẹ đã tách ra và mỗi sợi đều làm khuôn để tổng hợp một sợi mới bổ sung (Hình 11).

3. Cơ chế của sự sao chép TOP

Quá trình sao chép của ADN là một quá trình phức tạp: liên kết hydro giữa 2 sợi của ADN phải bị phá vỡ, hai sợi mở xoắn tách rời nhau, các nucleotid bổ sung bắt cặp với các nucleotid trên sợi khuôn, các nucleotid mới phải liên kết hóa trị để thành lập sợi mới. Mỗi bước có sự tham gia của 1 loại enzim chuyên biệt, xảy ra một cách nhanh chóng và chính xác. Sự sao chép ADN ở nhóm sơ hạch và chân hạch có những điểm giống nhau.

Sự sao chép của một phân tử ADN bắt đầu tại một vị trí đặc biệt gọi là điểm khởi đầu sao chép (origines of replication) và đi về hai hướng từ khởi điểm. Trên mỗi sợi sự sao chép chỉ xảy ra theo một chiều

(chiều di chuyển của enzim trên sợi khuôn). Như ta đã biết, hai sợi của ADN phân cực ngược chiều nhau (một đầu tận cùng bằng và một đầu tận cùng bởi nhóm OH vì gắn với của đường. Cấu trúc nầy ảnh hưởng như thế nào đến sự sao chép? Enzim ADN polymeraz chỉ có thể gắn thêm các nucleotid vào đầu tự do của sợi ADN đang phát triển. Như vậy, một sợi ADN mới chỉ có thể được kéo dài ra theo chiều .

Hình 12. Ðiểm khởi đầu sao chép ở vi khuẩn

Ở vi khuẩn diểm khởi đầu là một đoạn ADN có trình tự đặc biệt. Các protein khởi đầu quá trình sao chép của ADN (protein ADN B) nhận ra trình tự nầy và gắn vào ADN. Sau đó enzim topoisomeraz (còn gọi là ADN gyraz) tháo xoắn, enzim rep tách rời hai sợi, tạo ra một chạc sao chép (replication fork) hình chữ Y (Hình 12). Ở các tế bào chân hạch có nhiều điểm khởi đầu sao chép trên phân tử ADN.

Sau khi hai phân tử topoisomeraz tách nhau ra từ điểm khởi đầu, ADN bắt đầu tháo xoắn và tách rời hai sợi dưới tác dụng của enzim helicaz (một enzim hoạt động tại góc của chạc sao chép). Sau đó protein gắn sợi đơn sẽ gắn vào dọc theo sợi ADN chưa bắt cặp, giữ cho sợi khuôn nầy căng ra cho tới khi các sợi bổ sung mới được tổng hợp.

Sự kéo dài của sợi ADN mới tại chạc sao chép được xúc tác bởi một phức hệ enzim gọi là ADN polymeraz III. Từng nucleotid lần lượt được gắn vào sợi ADN mới làm cho sợi nầy dài ra. Ở vi khuẩn tốc độ gắn các nucleotid là khoảng 500 nucleotid/s, ở người khoảng 50 nucleotid/s.

Trên một sợi khuôn, ADN polymeraz III gắn chặc vào chạc sao chép, di chuyển dọc theo sợi khuôn và tổng hợp một sợi bổ sung liên tục bằng cách kéo dài sợi ADN mới theo chiều . Sợi ADN được tổng hợp theo cơ chế nầy được gọi là sợi sớm (leading strand). Ðể kéo dài sợi mới còn lại, enzim polymeraz phải di chuyển dọc theo sợi khuôn từ phía trong chạc ra ngoài ( ). Sợi ADN được tổng hợp theo hướng nầy

được gọi là sợi muộn (lagging strand). Ngược với sợi sớm (được tổng hợp liên tục), sợi muộn lúc đầu chỉ tổng hợp các đoạn ngắn, gọi là các đoạn Okazaki (R. Okazaki, người Nhật tìm ra). Ở nhóm chân hạch, mỗi đoạn có khoảng 1.000 đến 2.000 nucleotid. Sau đó một enzim là ligaz sẽ nối các đoạn Okazaki lại với nhau.

Một điều cần lưu ý là nucleotid phải được gắn vào đầu một đoạn đã có sẵn gọi là đoạn mồi (primer). Ðoạn mồi là một đoạn ngắn ARN. Ở các tế bào chân hạch, khoảng 10 nucleotid được kết hợp với nhau nhờ enzim primaz để tạo thành đoạn mồi. Chỉ cần một đoạn mồi để polymeraz bắt đầu tổng hợp sợi tổng hợp sớm của ADN mới. Ðối với sợi tổng hợp muộn, mỗi đoạn Okazaki được tổng hợp cần có một đoạn mồi. Sau đó enzim ADN polymeraz I sẽ thay thế các nucleotid của đoạn ARN mồi bằng các nucleotid và enzim ligaz nối tất cả các đoạn ADN thành một sợi (Hình 13).

Hình 13. Sơ đồ biểu diễn cơ chế sao chép của ADN

4.Sự sao chép trong các bào quan TOP

Ty thể và lạp thể có nhiều tính chất giống với nhóm sơ hạch, kể cả nhiễm sắc thể vòng. Giả thiết thú vị nhất về sự giống nhau đó là các bào quan nầy từ xa xưa là các sinh vật sơ hạch sống tự do rồi sau đó đến sống cộng sinh với các tế bào chân hạch sơ khai.

Quan sát đầu tiên khám phá ra các bào quan có gen riêng của nó đến từ 1909, khi C. Correns thông báo ở cây bông phấn Mirabilis jalapa, nở hoa về đêm, trên lá xanh xuất hiện các đốm trắng, sự thay đổi màu đó được chuyển vào tế bào chất của giao tử cái. Correns đoán một cách chính xác rằng lạp thể phải chứa gen và tự sao chép, và sự thay đổi màu có thể xảy ra khi một hay nhiều gen tham gia vào sự tổng hợp diệp lục tố bị hư hỏng. Vì cây không thể sống mà không có lục lạp chức năng, sự đột biến đã xảy ra trên một số lục lạp của cây có hôût (hạt phấn không có lục lạp). Trong khi phân bào ở các lá đang phát triển, do ngẫu nhiên một số tế bào nhận lục lạp mang gen đột biến, các tế bào con được tạo ra từ tế bào thiếu lục lạp xuất hiện như một vệt dài trên lá.

Bằng chứng đầu tiên về gen của ty thể có được vào năm 1938 khi T. M. Sonneborn khám phá ra các dòng Paramecium aurelia có một gen trong nguyên sinh chất sản xuất ra một độc chất (lúc đầu gen nầy được gọi là yếu tố Kappa) giết chết các dòng khác. Sau đó người ta biết rõ rằng độc chất đó là do gen của ty thể. Giống như lục lạp, ty thể tự sao chép và được di truyền từ con cái (tạo trứng) trong tất cả các loài.

Bây giờ chúng ta biết rằng sự sao chép ADN và sự phân cắt của ty thể cũng như lục lạp độc lập với sự sao chép của nhiễm sắc thể. ADN của ty thể và lục lạp hầu như luôn luôn hình vòng, ngoại trừ ADN ty thể

của 1 số nấm mốc và nguyên sinh động vật hình sợi. Mỗi bào quan có một số bản sao ADN, và ADN nầy giống với ADN nhóm sơ hạch hơn là ADN nhân của nhóm chân hạch. Tuy nhiên, nó có ít cặp baz hơn ADN vi khuẩn. Chẳng hạn nhiễm sắc thể của E. coli mã hóa khoảng 300 sản phẩm trong khi gen ty thể ở động vật mã hóa độ 40. Với số nầy thì không đủ để tổng hợp bào quan và vận hành (ở vi khuẩn, ít nhất 90 gen cần thiết để sao chép, phiên mã và giải mã). Do đó trong quá trình tiến hóa, những gen cần thiết để bào quan hoạt động được chuyển vào trong nhân tế bào.

V. SỰ SỬA CHỮA ADN

Sự sao chép chính xác ADN là chức năng cơ bản của tế bào. Các đột biến (những thay đổi ngẫu nhiên trong gen) thường làm gián đoạn quá trình này bằng cách phá hủy kiến trúc tinh vi của enzim. Thông tin di truyền để tổng hợp protein cấu trúc, enzim, protein điều hòa... có hàng trăm hoặc hàng ngàn baz, tỉ lệ sai sót dù thấp (1 trên 1.000 baz), dường như không có ý nghĩa nhưng hậu quả lại rất lớn. Do đó ở nhóm sơ hạch và nhóm chân hạch đều có những enzim chuyên biệt để phát hiện và sửa chữa các đột biến. Các enzim nầy giữ cho khuyết điểm sao chép ở mức thấp nhất và những enzim khác định vị và sửa chữa những tổn thương giữa những đầu sao chép. Những enzim sửa chữa nầy gắn vào các nơi bị tổn thương trên ADN bằng những vị trí hoạt động của nó để xúc tác tạo ra những đoạn mới.

1. Sự sửa chữa trong khi sao chép TOP

Tỉ lệ sai sót của 1 enzim sao chép ở nhóm sơ hạch và nhóm chân hạch khoảng 3/1İđến 3/109 cặp. Nếu các sai sót trên không được sửa chữa, sẽ có khoảng 1.000 protein bị thay đổi trong mỗi tế bào của người sau mỗi lần sao chép. May mắn thay, phức hệ ADN polymeraz gồm 1 hay nhiều enzim đọc kiểm chứng mỗi baz và nhặt ra những khuyết điểm. Kế đến, các enzim khác trong phức hệ polymeraz thay thế baz bổ sung trong mã đó, phức hệ tiếp tục di chuyển mà không cần kiểm tra lại lần thứ hai.

2. Sự sửa chữa các sai sót do đột biến TOP

Các thông tin di truyền cũng bị đe dọa do sự thay đổi trình tự baz bởi nhiệt, phóng xạ, các hóa chất. Tỉ lệ đột biến thường cao. Chẳng hạn năng lượng nhiệt làm gãy các cầu nối giữa 5.000 purine (adenin và guanin) và 2 trục deoxiriboz ở mỗi tế bào người mỗi ngày. Cytosin bị biến đổi thành uracil (nucleotid thường chỉ gặp ở ARN, và đọc nhầm bởi enzim sao chép và phiên mã) với tỉ lệ khoảng 100 trong mỗi tế bào trong 1 ngày. Tia tử ngoại trong ánh sáng mặt trời làm cho các timin trong biểu bì da dính lại với nhau ở tỉ lệ cao. Tuy nhiên, nhờ các enzim sửa sai hoạt động liên tục nên mức đột biến trong tế bào vẫn còn thấp hơn những khuyết điểm không được sửa chữa trong sự sao chép. Cách sửa chữa các sai sót do đột biến về cơ bản cũng giống như sự sửa chữa trong sao chép: enzim định vị, gắn vào các trình tự sai và nhặt ra rồi sợi bổ sung nguyên vẹn hướng dẫn sửa chữa. Có khoảng 50 enzim định vị và sửa những khuyết điểm nầy.

Dù hệ thống sửa chữa chặc chẽ, một số đột biến vẫn tồn tại. Rõ ràng, không hệ thống enzim nào hoàn chỉnh: có những khuyết điểm mất đi và những khuyết điểm khác được sửa chữa không đúng. Ngoài ra, có những đột biến xảy ra ngay trước hoặc trong khi sao chép, không còn kịp để phát hiện hoặc sửa chữa. Lại còn có những đột biến gây ra do hệ thống sửa chữa.

Một loại đột biến được biết rất rõ do enzim sửa chữa gây ra gọi là sự xóa không khớp (misalignment deletion) (Hình14). Các nghiên cứu gần đây cho thấy sự mất vài cặp baz không xảy ra ở những vị trí ngẫu nhiên; một số cặp baz dễ bị mất hơn những cặp baz khác. Ðó là do các liên kết tương đối yếu giữa các cặp adenin và timin: chỉ có 2 nối hydro, trong khi giữa guanin và cytosin có 3 nối (Hình 14A). Các cầu nối hydro liên tục gãy và tái tạo, nó thường xuyên xảy ra, nhất là ở những vùng có nhiều cặp adenin-timin (Hình 14B). Do ngẫu nhiên các cầu nối đó trong một đoạn ADN nhỏ bị gãy cùng một lúc. Các cầu nối tái tạo tự nhiên nhưng thỉnh thoảng sự tái tạo cầu nối lại không đúng. Thí dụ khi một đoạn có nhiều cặp adenin- timin

đang tách nhau ra tạm thời, có thể xảy ra sự việc hai sợi không khớp khi chúng bắt cặp lại (Hình 14C). Enzim sửa chữa dời những baz không bắt cặp tạo ra sự không khớp (Hình 14D-E). Sự sửa chữa nầy làm thay đổi ý nghĩa của gen, tạo ra những khuyết điểm trong sự giải mã mARN của gen.

Hình 14. Sự xóa không khớp

Sau cùng, một số đột biến không thể phát hiện được bởi các enzim sửa chữa. Thí dụ: cytosin khi nhận thêm nhóm methyl

tạo ra timin. Nhưng vì timin là một trong bốn loại baz nên không có cách nào để xác định baz không đúng là timin (Hình 15).

Cytosin Cytosin bị Timin

methyl hóa

Hình 15. Sự khử amin của Cytosin bị methyl hóa.

CHƯƠNG IV

SINH TỔNG HỢP PROTEIN

--- oOo ---

I. SỰ PHIÊN MÃ (TRANSCRIPTION)

1. Sự phiên mã ở nhóm sơ hạch

2. Sự phiên mã ở nhóm chân hạch

II. SỰ GIẢI MÃ (TRANSLATION)

1. Mã di truyền 2. Vai trò của ribô thể 3. Vai trò của ARN

vận chuyển (tARN) 4. Chu kỳ giải mã

===============================================================

CHƯƠNG IV

SINH TỔNG HỢP PROTEIN

Như chúng ta đã xem ở chương trước, một phức hệ enzim tạo ra các bản sao mới ADN trong các nhiễm sắc thể và sửa chữa hầu hết các sai sót. Nhưng tất cả trình tự baz quan trọng trong ADN không chỉ được sao chép và sửa chữa mà còn phải được dùng để tạo ra các protein cấu trúc của tế bào và các enzim cho sự biến dưỡng của tế bào. Trong chương này chúng ta sẽ xem xét làm thế nào thông tin thật sự được mã hóa ở ADN, và làm thế nào thông tin được phiên mã thành ARN trong đó một số được sử dụng trực tiếp và số còn lại được giải mã thành protein.

I. SỰ PHIÊN MÃ (TRANSCRIPTION)

Vào đầu những năm 40, các nhà sinh học phân tử đã cho thấy tế bào tụy tạng của động vật có xương sống, nơi sự tổng hợp protein xảy ra hết sức tích cực, có chứa một lượng lớn ARN. Vì acid nucleic này chỉ có với một lượng giới hạn trong những tế bào không sản xuất protein, như trong các tế bào cơ và thận nên dường như có một mối liên hệ chặc chẽ giữa sự tổng hợp protein và ARN. Hơn nữa, không giống như ADN, ARN có cả trong tế bào chất cũng như trong nhân. Những thí nghiệm đánh dấu bằng đồng vị phóng xạ đã chứng minh rằng ARN được tổng hợp trong nhân và được chuyển từ nhân vào tế bào chất. Tất cả những bằng chứng nầy cho thấy rằng ARN là chất liên lạc giữa ADN của nhân và ribô thể ở tế bào chất trong sự tổng hợp protein.

ARN được phiên mã từ ADN nhờ phức hệ enzim ARN polymeraz. Phức hệ nầy vừa liên kết với ADN, vừa mở xoắn. Giống như ADN polymeraz, phức hệ phiên mã di chuyển từ đầu 3 đến đầu 5 của ADN và tổng hợp một sợi có chiều ngược lại (5 - 3) trong trường hợp nầy là một sợi gồm các ribonucleotid. Ở nhóm sơ hạch, một loại ARN polymeraz chịu trách nhiệm cho sự tổng hợp tất cả các ARN. Ở nhóm chân hạch, ARN polymeraz II chịu trách nhiệm đối với sự tổng hợp mARN. Hai loại ARN polymeraz khác tổng hợp t ARN và rARN và các ARN khác sử dụng trong cấu trúc tế bào hoặc enzim.

Tuy có những điểm khác biệt, ADN vẫn có thể dễ dàng làm khuôn cho sự tổng hợp ARN. Ngày nay chúng ta biết rằng sự tổng hợp ARN xảy ra theo cách thức tương tự như sự tạo thành ADN mới : hai sợi của phân tử ADN tách rời nhau ra, ARN được tổng hợp dọc theo một trong hai sợi nhờ enzim ARN polymeraz. Ứng với adenin trên sợi khuôn của ADN là uracil trên sợi ARN, với timin là adenin, với guanin là cytosin và với cytosin là guanin.

1. Sự phiên mã ở nhóm sơ hạch TOP

Những điểm vừa mô tả trên làm nảy sinh ra một câu hỏi quan trọng : làm thế nào ARN polymeraz nhận biết nơi bắt đầu và kết thúc thông tin? Câu trả lời là những trình tự kiểm tra chuyên biệt chỉ nơi bắt đầu và kết thúc trên sợi ADN.

Hình 1. Tín hiệu phiên mã ở ADN của E. coli

Trước tiên là vùng khởi động (promotor). Các vị trí hoạt động của ARN polymeraz gắn vào vùng mang trình tự baz của vùng này. Vùng khởi động của E.coli, đọc từ trên sợi khuôn, thường bắt đầu với AACTGT hoặc một trình tự tương tự. Theo sau đó là một trình tự của khoảng 17 baz với chức năng khác, rồi đến ATATAA hoặc một trình tự tương tự (Hình 1A). Enzim polymeraz nhận ra cả hai trình tự nầy trên ADN và liên kết với cả hai cùng một lúc. Các trình tự baz nầy được gọi là trình tự phổ biến (consensus sequence) ở nhóm sơ hạch, còn ở nhóm chân hạch vùng này chưa được biết nhiều. Cần lưu ý rằng trình tự vùng khởi động của phần lớn các gen ít nhiều khác với trình tự phổ biến nầy. Thí dụ có hơn 100 vùng khởi động khác nhau ở E.coli. Những sự khác nhau rất nhỏ trong trình tự vùng khởi động làm cho polymeraz gắn thiếu chặt chẽ hoặc không thường xuyên vào vùng này. Vì thế một số gen được sao chép ít hơn các gen khác. Một khi đã liên kết, polymeraz không bắt đầu tổng hợp ARN ngay. Nó phải tìm tín hiệu mở đầu, thường là GTA, cách điểm liên kết khoảng 7 baz về phía đầu của sợi khuôn.

Ở phần lớn nhóm sơ hạch, sự tổng hợp mARN tiếp tục đến khi polymeraz gặp tín hiệu kết thúc (Hình 1B). Tín hiệu nầy gồm hai thành phần. Ðầu tiên có một vùng với một trình tự baz cho phép các baz tương ứng ở đuôi của mARN bắt cặp và liên kết với nhau để tạo thành một vòng hình kẹp tóc (hairpin

loop). Tiếp theo là sự phiên mã trên mạch khuôn 4 đến 8 adenin. Khi ARN polymeraz di chuyển vào vùng adenin thì do vòng vừa được tạo ra ở mARN và do sự sốc vật lý, vùng nầy gắn vào phức hệ enzim, làm chậm hoặc dừng hẳn sự phiên mã. Lúc nầy có 2 việc xảy ra làm ngừng sự tổng hợp ARN: một là trình tự của vòng kéo ra khỏi ADN, hai là do sự liên kết yếu giữa các adenin của ADN và các uracil của mARN (mỗi cặp baz chỉ có hai liên kết hydro) không đủ sức để giữ ARN trên ADN khuôn. Sự dừng và sự kéo làm cho bản phiên mã (ARN) và enzim polymeraz tách rời khỏi nhiễm sắc thể (Hình 1C).

2. Sự phiên mã ở nhóm chân hạch TOP

Cơ chế của sự tổng hợp mARN vừa mô tả được tìm ra ở nhóm sơ hạch, ở ty thể và lục lạp trong tế bào của nhóm chân hạch. Sự phiên mã trong nhân của nhóm chân hạch thì phức tạp hơn. Sự phức tạp đó là mARN ở nhóm chân hạch được làm dấu ở cả hai đầu : một đầu gồm mũ 7 methylguanosin được thêm vào ở đầu 5 trong khi cái đuôi có khoảng 100-200 adenin ở đầu 3. Sản phẩm tạo thành là bản phiên mã sơ cấp, còn là một bản thông tin chưa sử dụng được, nói cách khác chỉ là bản nháp.

(A)

(B)

Hình 2. Sự di dời intron và nối exon ở nhóm chân hạch

Năm 1977 A. Sharp (Viện kỹ thuật Massachustte) trong khi nghiên cứu gen của nhóm chân hạch bị nhiễm siêu khuẩn đã khám phá ra là mặc dù bản nháp có khoảng 6.000 baz nhưng mARN thực sự được giải mã chỉ bằng khoảng 1/3 chiều dài nầy. Những công trình tiếp theo đã cho thấy sự phiên mã gen của nhóm chân hạch bình thường cũng tương tự: những vùng chuyên biệt lớn trong bản nháp của nhóm chân hạch bị di dời đi trong nhân để tạo ra một phân tử mARN chức năng (Hình 2A). Những vùng của bản nháp còn tồn tại và hoạt động trong suốt quá trình tổng hợp protein được gọi là exon (vì chúng được biểu hiện) còn vùng của bản nháp đã bị di dời đi trong nhân được gọi là intron.

Nhiều thí nghiệm cho thấy mặc dù bị dời đi rất sớm, nhiều intron rất cần thiết cho hoạt động của ARN: các mARN được phiên mã từ các gen tổng hợp nhân tạo thiếu intron không vào được tế bào chất trong khi các gen có vài intron nguyên vẹn thì sự phiên mã thường chính xác và bản phiên mã len lõi qua lỗ nhân vào tế bào chất.

Sự di dời các intron là một công việc độc đáo. Một số gen có đến 50 intron và chỉ sai sót một baz trong quá trình cắt intron cũng làm cho mARN trở nên vô dụng. Nơi bắt đầu và kết thúc của intron trên bản nháp được đánh dấu bằng những tín hiệu để có thể nhận biết và tách ra. Tín hiệu ngoại vi của intron được nhận diện bởi một đoạn ngắn của ARN trong phức hệ ARN-Protein, những hạt nhỏ riboprotein nhân được ký hiệu là snRNP (small nuclear ribonucleoprotein particles). Có ít nhất 4 loại snRNP tham gia trong việc cắt ráp. ARN trong hạt nầy giống như ARN ribô thể, vì nó được sử dụng trực tiếp và có cả hai chức năng enzim và cấu trúc. Phức hệ snRNP được biết nhiều nhất có một trình tự baz bổ sung cho vùng ranh giới giữa phần cuối của exon và nơi bắt đầu intron. Phức hệ snRNP phá vỡ các cầu nối giữa các nucleotid trên bản nháp tại mỗi ranh giới exon-intron. Intron được tách ra và bị tiêu hủy bởi những enzim khác. Kế đó những thành phần khác của snRNP ráp 2 exon lại. Một khi tất cả các intron đã được loại bỏ thì mARN hoàn chỉnh được đưa vào tế bào chất (Hình2B).

II. SỰ GIẢI MÃ (TRANSLATION)

Như chúng ta đã thấy, sự phiên mã được bắt đầu khi một ARN polymeraz gắn vào vùng khởi động, phức hệ polymeraz bắt đầu tạo ra một bản sao ARN tại trình tự mở đầu và ngừng lại tại tín hiệu kết thúc. Trong nhóm chân hạch, bản nháp nầy được biên tập để tách các intron, trong khi đó ở nhóm sơ hạch công việc nầy không cần thiết. ARN thông tin được tạo ra có chứa trình tự các baz qui định thành phần và thứ tự các acid amin trong phân tử protein do gen mã hóa. Trước trình tự nầy là phần mở đầu và cuối nó là phần kết thúc ngắn. Trình tự này được giải mã trên ribô thể bởi một quá trình gọi là quá trình giải mã. Thông tin được phiên dịch từ một ngôn ngữ phân tử nầy sang một ngôn ngữ phân tử khác. Chúng ta sẽ xem hai ngôn ngữ và quá trình giải mã.

1.Mã di truyền TOP

a. Ðơn vị mã (Codon)

Khi Watson và Crick khám phá ra rằng ADN gồm 4 loại baz có N : adenin, cytosin, guanin và timin xếp theo đường thẳng thì rõ ràng là trình tự của các acid amin trong một phân tử protein phải được mã hóa bởi những nhóm baz.

Nếu như mỗi baz của ADN qui định một acid amin thì phải có 20 loại baz thay vì chỉ có 4 loại. Nếu cùng một lúc 2 baz qui định 1 acid amin thì chỉ có thể có 16 tổ hợp : AA, AC, AG, AT... Vì có 20 loại acid amin thường hiện diện trong protein nên thông tin phải được mã hóa dưới dạng bộ 3 hoặc nhiều hơn. Những đơn vị mã nầy gọi là codon.

Crick & CSV (Ðại học Cambridge) đã xác lập số nucleotid của một codon vào năm 1961. Vi khuẩn bị nhiễm siêu khuẩn được xử lý với những hợp chất gọi là Acridin, chất nầy có thể làm mất hoặc thêm nucleotid trên ADN. Crick lý luận rằng sự thêm hoặc bớt 1 nucleotid sẽ làm cho thông tin trở nên vô nghĩa vì nó có thể làm ngừng quá trình giải mã do có sự thay đổi điểm khởi đầu đối với các đơn vị mã kế tiếp. Giả sử thông tin là

TỐI NAY TÔI DẠO PHỐ VỚI BẠN ...

Bỏ ký tự I ở chữ TỐI (mã mở đầu) sẽ làm thông tin trở thành :

TỐN AYT ÔID ẠOP HỐV ỚIB ẠN...

Chỉ xóa một nucleotid làm xáo trộn trình tự các codon theo sau và nếu nó xảy ra gần nơi bắt đầu của thông tin, trình tự của các acid amin trong phân tử protein hoàn toàn bị đảo lộn. Mất hai nucleotid cũng sẽ dẫn tới kết quả tương tự nhưng nếu số lượng nucleotid bị mất bằng với chiều dài của codon và nếu chúng xảy ra gần nơi bắt đầu, sự giải mã sẽ tạo protein gần đúng, có lẽ có một enzim duy trì hoạt động nầy

TxÍxAx TÔI DẠO PHỐ VỚI BẠN ...

Crick & CSV đã dùng acridin với nhiều nồng độ khác nhau làm mất số nucleotid để xác định những nồng độ nào tạo ra enzim hoạt động. Từ những kết quả được phân tích thống kê, họ đã kết luận rằng codon có độ dài bằng 3 baz.

b. Sự chuyển đổi đơn vị mã

Vấn đề tiếp theo trong sự giải mã là phải xác định mối tương quan chính xác giữa các codon và các acid amin.

M. W. Nirenberg và H. Matthaei (Viện Y Tế Quốc Gia Hoa Kỳ) đã sử dụng phương pháp enzim của Ochoa (Ðại học New York) để liên kết các nucleotid tổng hợp ra ARN. Thí dụ khi chỉ dùng một loại nucleotid là uracil thì một chuỗi polyuracil sẽ được tạo thành. Tương tự như vậy đối với adenin.

Khi dùng polyuracil được tạo ra bằng phương pháp nầy (thay vì mARN bình thường) để tổng hợp protein trong một môi trường nhân tạo có đủ tất cả các loại acid amin, chỉ có chuỗi polypeptid với 1 loại acid amin là phenylalanin được tạo ra, điều này cho thấy codon UUU mã hóa cho phenylalanin. Nirenberg và Matthaei cũng cho thấy AAA mã hóa cho lysin, GGG cho glycin và CCC cho prolin.

Tuy nhiên, vẫn còn nhiều khó khăn để giải thích codon cấu tạo từ hai hoặc ba loại nucleotid khác nhau. Thí dụ nếu dùng nucleotid uracil và guanin với tỉ lệ 2 : 1 thì mARN nhân tạo được tổng hợp sẽ chứa chủ yếu các codon GUU, UGU và UUG. Khi mARN nầy được dùng làm khuôn để tổng hợp polypeptid thì chuỗi polypeptid sẽ có chủ yếu là các acid amin cystein, valin và leucin, nhưng bằng cách nầy không thể xác định được bộ ba nào đã mã hóa cho acid amin nào.

Năm 1964 Nirenberg và P. Leder đã đưa ra một kỹ thuật cho ribô thể gắn vào bộ 3 nucleotid ARN có thành phần đã được xác định (3 nucleotid liên kết nhau theo trình tự). Từng ba nucleotid hoạt động như là một đoạn ngắn của mARN sẽ làm cho ribô thể gắn với một loại acid amin chuyên biệt - giai đoạn đầu của sự giải mã. Thí dụ, nếu dùng một ribô thể gắn với 3 nucleotid gồm UUU thì phenylalanin sẽ liên kết với ribô thể đó. Việc tổng hợp 3 nucleotid theo một trình tự baz riêng tương đối dễ nên từng bộ 3 trong số 64 tổ hợp bộ ba có thể được tổng hợp và liên kết với các ribô thể, từ đó sự tổ hợp các acid amin có thể được xác định. Tuy nhiên, có một số bộ ba nucleotid không hoàn toàn chuyên biệt trong sự liên kết, vì vậy còn một vài tồn tại trong sự giải thích các đơn vị mã.

Sau kỹ thuật gắn các bộ ba nucleotid, H. G. Khorona (Ðại học Wiscosin) đưa ra phương pháp trùng hợp mARN với những trình tự lặp lại đã biết trước (chẳng hạn AAGAAGAAG) và nhờ đó đã giải quyết được những vấn đề còn tồn tại về mã di truyền. Bảng 9.1 tổng kết các codon đã được xác định.

Bảng 1. Mã di truyền (trong mARN)

Baz thứ I

Baz thứ II Baz thứ III

U C A G Phenylalanin Serin Tyrosin Cystein U Phenylalanin Serin Tyrosin Cystein C U Leucin Serin Kết thúc Kết thúc A Leucin Serin Kết thúc Tryptophan G Leucin Prolin Histidin Arginin U Leucin Prolin Histidin Arginin C C Leucin Prolin Glutamin Arginin A Leucin Prolin Glutamin Arginin G Isoleucin Threonin Asparagin Serin U Isoleucin Threonin Asparagin Serin C A Isoleucin Threonin Lysin Arginin A Methionin Threonin Lysin Arginin G Valin Alanin A. Aspartic Glycin U Valin Alanin A. Aspartic Glycin C G Valin Alanin A. Glutamic Glycin A Valin Alanin A. Glutamic Glycin G

Bảng mã di truyền cho thấy, trừ hai acid amin là methionin và tryptophan, tất cả các acid amin còn lại đều được mã hóa bởi nhiều hơn một bộ ba. Những mã đồng nghĩa (mã hóa cho cùng một acid amin) thường có hai baz đầu tiên giống nhau nhưng khác nhau ở baz thứ ba. Thí dụ: CCU, CCC, CCA, CCG cùng mã hóa cho prolin. Cần lưu ý thêm là bốn codon AUG, UAA, UAG, UGA dùng để chỉ nơi bắt đầu và kết thúc thông tin trên mARN.

2. Vai trò của ribô thể TOP

Sự giải mã xảy ra ở ribô thể. Mỗi ribô thể gồm hai bán đơn vị lớn và nhỏ. Khi không có sự tổng hợp protein, mỗi bán đơn vị tồn tại riêng rẽ trong tế bào chất (Hình3A, B). Ribô thể ở nhóm sơ hạch gồm hai bán đơn vị 50S và 30S hợp thành ribô thể 70S (S = Svedberg, là đơn vị đo độ lắng của ribô thể khi đem ly tâm). Ở nhóm chân hạch hai bán đơn vị 60S và 40S hợp thành ribô thể 80S. Mỗi bán đơn vị có các phân tử rARN riêng. Các rARN này kết hợp với các protein để tạo thành các bán đơn vị. Ribô thể của nhóm sơ hạch có các rARN 23S, 16S và 5S trong khi ribô thể của nhóm chân hạch có các rARN 28S,18S, 5.8S và 5S (Bảng 2).

Bảng 2. Các thành phần của ribô thể ở nhóm sơ hạch và chân hạch

NHÓM SƠ HẠCH NHÓM CHÂN HẠCH

Thành phần

Bán đơn vị

RARN 23S

(2.900 nu.)

+

rARN 5S

(120 nu.)

+

31 protein

↓

50S

rARN 16S

( 1540 nu.)

+

21 protein

↓

30S

rARN 28S

(4.800 nu.)

+

rARN 5.8S

(160 nu.)

+

rARN 5S

(120 nu.)

+

50 protein

↓

60S

rARN 18S

(1.900 nu.)

+

33 protein

↓

40S Ribô thể 70S 80S

Hình 3. Tổng hợp sợi polypeptid ở ribô thể

Ở nhóm sơ hạch, đầu 5 của mARN bám vào bán đơn vị nhỏ (Hình 3 B, C), sau đó sẽ liên kết phần nầy với bán đơn vị lớn. ARN thông tin bám vào bằng sự bắt cặp baz của rARN và một tín hiệu của mARN (thường là AGGAGGU) gần đầu của mARN. Tín hiệu nầy gắn trong khe của bán đơn vị nhỏ, rồi đến mã mở đầu AUG nằm cách đó vài baz trên mARN. Các protein chuyên biệt gọi là yếu tố mở đầu tham gia vào quá trình nầy. Khi việc liên kết với bán đơn vị lớn hoàn tất thì sự giải mã có thể bắt đầu (Hình 3D). AUG mã hóa cho methionin vì methionin luôn luôn là acid amin đầu tiên trong suốt quá trình giải mã. Về sau, một enzim khác tách methionin ra khỏi đầu của chuỗi polypeptid.

Vì nhóm sơ hạch không có màng nhân, quá trình phiên mã không bị tách biệt với ribô thể và các yếu tố giải mã khác trong tế bào chất nên ribô thể có thể bám vào một đầu của phân tử mARN và bắt đầu giải mã tạo ra protein trong khi ARN polymeraz vẫn phiên mã phần thông tin còn lại từ NST (trường hợp tương tự cũng xảy ra trong sự giải mã ở lục lạp và ty thể của nhóm chân hạch).

Ở nhóm sơ hạch và các bào quan của nhóm chân hạch, trong khi ribô thể đầu tiên bám vào và đang giải mã phần sau của thông tin, các ribô thể khác có thể bám vào và bắt đầu giải mã (Hình 4). Trường hợp nầy khác với mARN được tổng hợp trong nhân của nhóm chân hạch. Dù rằng phần lớn ribô thể của nhóm chân hạch được tổng hợp trong nhân, sự giải mã không thể xảy ra ở đây vì bước cuối cùng tập hợp ribô thể xảy ra trong tế bào chất.

Hình 4. Phiên mã và giải mã cùng lúc

Ở nhóm chân hạch có 4 bước đan xen vào nhau trong sự phiên mã và giải mã. Chúng ta đã đề cập 3 bước đầu: thay đổi của bản phiên mã ở đầu 5, thay đổi ở đầu 3, và sự nối các đoạn ARN sau khi tách bỏ intron (Hình 2). Bước thứ tư là sự di chuyển của mARN qua các lỗ của màng nhân để đi vào tế bào chất, nơi đây các ribô thể tự do sẵn sàng giải mã. Phần lớn ARN được giải mã bởi ribô thể trong tế bào chất nhưng mARN mã hóa cho một số protein đặc biệt luôn luôn được giải mã ở mạng nội chất sần. Các mARN loại nầy bắt đầu quá trình giải mã theo phương thức thông thường bằng cách gắn với các bán đơn vị nhỏ của ribô thể trong tế bào chất, từ đó liên kết với bán đơn vị lớn và bắt đầu giải mã, nhưng sự giải mã hầu như đình chỉ ngay: đầu đoạn protein vừa được tổng hợp chứa một trình tự gắn vào một phức hệ nhận diện làm cho quá trình giải mã bị ngừng lại. Sau đó, tổ hợp phức hệ nhận diện mARN-ribô thể nầy bám vào mạng nội chất sần. Phần protein vừa được tổng hợp chui vào mạng nội chất, sự giải mã lại bắt đầu và chuỗi acid amin dài ra được đưa vào các khoang của mạng nội chất. Khi chấm dứt sự giải mã, các bán đơn vị nhỏ tách khỏi mARN và rời mạng nội chất. Các protein được tổng hợp ở mạng nội chất sần không có nhiệm vụ trong tế bào chất mà chúng có thể hòa tan, hoặc trôi nổi trong khoang của mạng nội chất hoặc được tích tụ lại trong

mạng nội chất láng và bị bao lại thành các túi chuyên chở. Mặt khác, chúng có thể bám vào màng của mạng nội chất, nơi đây chúng có chức năng, hoặc bị bao lại bởi màng của mạng nội chất hay chính màng tế bào. Ngược lại, phần lớn protein được tổng hợp tại ribô thể trong tế bào chất đều ở lại trong đó.

3. Vai trò của ARN vận chuyển TOP

Như đã biết, trong nhóm chân hạch, mARN được tổng hợp từ ADN trong nhân, di chuyển đến ribô thể và làm khuôn cho sự tổng hợp protein. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng mỗi acid amin được gắn vào một tARN tương ứng trước khi đến ribô thể. Họ cũng đã kết luận rằng mỗi phân tử tARN chỉ mang một phân tử acid amin, hoạt hóa nó với năng lượng ATP và chuyên chở nó đến ribô thể. Tại ribô thể acid amin này gắn thêm các acid amin khác để tạo chuỗi polypeptid.

Hình 5. Sự gắn acid amin vào tARN tương ứng

Các enzim (aminoacyl tARN synthetaz) xúc tác phản ứng ghép mỗi acid amin với tARN tương ứng. Mỗi enzim chuyên biệt với một loại acid amin và tARN tương ứng, và xúc tác phản ứng kết hợp cả hai lại với nhau. Ðầu tiên enzim phản ứng với một acid amin và một phân tử ATP, tạo ra một phức hợp giàu năng lượng AMP- acid amin vẫn còn gắn với enzim. Sau đó enzim xúc tác sự chuyển acid amin từ AMP sang gắn vào đầu 3 của tARN. Cuối cùng enzim sẽ phóng thích tARN đã gắn acid amin (Hình 5). ARN vận chuyển mang acid amin đến ribô thể đã bám vào sợi mARN. Tại đây tARN sẽ gắn vào mARN bằng sự bắt cặp giữa các baz bổ sung. Chúng ta đã thấy rằng mỗi codon mã hóa cho một acid amin là một trình tự của ba baz trên sợi đơn mARN. Mỗi tARN có bộ 3 baz gọi là đối mã (anticodon-một bộ 3 chưa bắt cặp) bổ sung codon trên mARN cho acid amin riêng biệt. Thí dụ mã trên mARN là CCG mã hóa cho prolin thì tARN chuyên chở prolin có đối mã là GGC để bổ sung cho CCG. Khi phân tử tARN vận chuyển prolin đi đến gần mARN thì đối mã GGC của tARN chỉ có thể liên kết với mARN tại bộ 3 CCG... Mỗi acid amin có một hay nhiều hơn một ARN chuyên chở mang nó (vì mã di truyền có 64 mã) vì hầu hết acid amin có nhiều hơn một đơn vị mã. Hai ARN chuyên chở mang một loại acid amin được gọi là isoacceptor.

4. Chu kỳ giải mã TOP

Sự gắn phân tử tARN vào mARN và nối các acid amin mà chúng mang đến lại với nhau được thực hiện từng bước ở bán đơn vị lớn của ribô thể sau khi các bước cơ bản sau được hoàn tất: trước hết tARN có đối mã cho methionin gắn vào bán đơn vị nhỏ. Ở nhóm sơ hạch và nhóm chân hạch thì trình tự nầy bổ sung cho mã mở đầu trên mARN, đồng thời làm cho bán đơn vị nầy gắn vào mARN. Sau đó bán đơn vị lớn được gắn vào bán đơn vị nhỏ. Khi sự giải mã tiến hành, ribô thể di chuyển dọc theo sợi mARN với phần thông tin đang được giải mã nằm trong khe giữa hai bán đơn vị. Hai vị trí gắn tARN (trên bán đơn vị lớn của ribô thể) - vị trí P và vị trí A - kế cận nhau ráp các trình tự nucleotid (mã) lại với nhau. Khi chu trình bắt đầu, đối mã của tARN thứ nhất bắt cặp với mã mở đầu của mARN tại vị trí P. Vị trí A kế sau mang một tARN có đối mã thích hợp với mã kế tiếp trên mARN. Khi tARN nầy gắn vào vị trí A, enzim peptidyl transferaz chuyển acid amin từ tARN ở vị trí P và gắn nó vào acid amin ở vị trí A, tARN ở vị trí P phóng thích acid amin và được giải phóng. Trong khi ribô thể chuyển dịch dọc mARN được một mã, mang mã ở vị trí A (và tARN với chuỗi polypeptid đang được tổng hợp) đến vị trí P. Kết quả là mã được phiên dịch tiếp vào ở vị trí A. Cứ 1 giây, sợi polypeptid được gắn thêm khoảng 15 acid amin. Sự giải mã sẽ kết thúc khi ribô thể gặp mã kết thúc với sự tham gia của một protein gọi là yếu tố giải phóng (release factor) làm cho sợi polypeptid vừa hình thành được phóng thích (Hình 6).

Các chi tiết về ribô thể hoạt động như thế nào, chúng chọn lựa các tARN thích hợp trong số rất nhiều phân tử chuyên chở ra sao, hoặc nó di chuyển trên mARN theo từng mã như thế nào thì chưa biết hết, mặc dù ảnh hưởng của các kháng sinh trên các bước khác nhau trong sự giải mã đã cung cấp thêm một số thông tin trong quá trình nầy. Thí dụ : tetracyclin gắn vào vị trí A trên ribô thể vi khuẩn mà không tách ra khỏi

vị trí nầy được, streptomycin khóa mã mở đầu lại còn erythromycin thì ngăn cản sự di chuyển từ vị trí A & P trên ribô thể vi khuẩn và ribô thể bào quan. Mặc dù việc làm giảm tỉ lệ giải mã ở các vi khuẩn gây bệnh có giá trị lớn trong điều trị nhưng nếu nồng độ kháng sinh quá cao thì sẽ giết chết các ty thể).

Khả năng sản xuất protein của ribô thể rất to lớn. Trung bình một ribô thể có thể tổng hợp một sợi protein có 300-500 acid amin chỉ trong khoảng 25-35 giây. Trong tế bào số ribô thể nhiều hơn mARN gấp 10 lần và một mARN có thể được giải mã bởi nhiều ribô thể cùng một lúc, do đó một chuỗi polypeptid được tạo ra từ một mARN chỉ trong khoảng 3 giây. Một tế bào chân hạch ở trạng thái hoạt động tích cực có khoảng 300.000 phân tử mARN tham gia vào sự tổng hợp protein cần thiết, do đó nếu đủ nguyên liệu, 100.000 protein có thể được tổng hợp mỗi giây. Ở những tế bào tiết thì hoạt động còn tích cực hơn nữa.

Hình 6. Chu kỳ giải mã trên ribô thể

Tóm tắt sự phiên mã và giải mã ở nhóm chân hạch

Trước hết, khi sợi đôi ADN của một gen được hoạt hóa, ARN polymeraz có thể nhận biết và gắn vào vùng khởi đầu phiên mã. ADN dùng làm khuôn tổng hợp phân tử mARN sợi đơn. Sự phiên mã của ADN bắt đầu ở dấu hiệu khởi đầu và chấm dứt ở trình tự kết thúc. Phiên bản nháp ở đầu có mũ 7-methylguanosin và đuôi polyadenin, intron được dời khỏi phiên bản và các đoạn được ráp lại, những bước nầy không cần thiết ở nhóm sơ hạch. mARN hoàn chỉnh rời khỏi nhân và di chuyển vào tế bào chất để phối hợp với ribô thể.

mARN mang thông tin dưới dạng mã bộ ba, dùng làm khuôn để tổng hợp protein. Khi ribô thể di chuyển dọc mARN, chúng đọc các mã từ đầu của sơi ARN. Các acid amin tạo ra chuỗi polypeptid được chuyên chở bởi tARN chuyên biệt cho mỗi acid amin.

Mỗi phân tử tARN có đối mã bổ sung cho mã trên mARN đã mã hóa cho một acid amin chuyên biệt. Sau khi nhặt một acid amin trong tế bào chất nhờ một enzim gắn dính vào nó, tARN di chuyển đến ribô thể và bám vào mARN ở vị trí mang mã thích hợp. Thứ tự của các tARN dọc mARN cũng là thứ tự của các acid amin mà nó mang theo. Các liên kết peptid gắn các acid amin với nhau. Sau khi bỏ lại acid amin, tARN rời khỏi mARN để nhặt và chuyên chở tiếp tục. Khi ribô thể đến mã kết thúc, nó sẽ phóng thích sợi polypeptid.

Tóm lại, ADN của gen xác định trình tự mARN, trình tự nầy xác định cơ cấu của protein là chất kiểm soát các phản ứng hóa học cũng như qui định các đặc tính của sinh vật.

CHƯƠNG V

KIỂM SOÁT SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN

--- oOo ---

I. KIỂM SOÁT SỰ BIỂU HIỆN GEN Ở VI KHUẨN

1. Kiểm soát âm tính 2. Sự kiểm soát dương

tính II. KIỂM SOÁT SỰ

BIỂU HIỆN CỦA GEN Ở TẾ BÀO CHÂN HẠCH 1. Tổ chức của nhiễm

sắc thể ở nhóm chân hạch 2. Bằng chứng về việc

kiểm soát sự phiên mã của gen 3. Sự ghi dấu: cách duy

trì hoạt động của gen 4. Cơ chế của sự kiểm

soát phiên mã 5. Sự kiểm soát sau

phiên mã III. UNG THƯ

1. Ðặc điểm của tế bào ung thư

2. Giả thuyết nhiều bước

3. Gen gây ung thư (Oncogen)

4. Nguyên nhân môi trường của ung thư

===============================================================

CHƯƠNG V

KIỂM SOÁT SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN

Mỗi tế bào trong cơ thể của một sinh vật đa bào đều nhận trọn vẹn một bộ nhiễm sắc thể, một bản sao của ADN trong tế bào ban đầu mà từ đó sinh vật phát triển. Các trình tự nucleotid của ADN nầy chứa đựng

toàn bộ thông tin di truyền, đó chính là cơ sở của tiến hóa tế bào. Dù cho mỗi tế bào trong cơ thể nhận được một bộ thông tin giống nhau nhưng tế bào nầy khác với các tế bào kia và mỗi tế bào hoạt động theo những phương thức hoàn toàn khác nhau. Thật vậy, chỉ có một số gen trong bộ gen của tế bào là sản xuất protein và ở từng thời điểm chỉ có vài phần trăm ADN nầy hoạt động. Chúng ta đã thấy nhiều sự điều chỉnh nhỏ hóa học của tế bào bằng sự thay đổi trong hoạt động của các enzim, nhưng những điều chỉnh lớn đòi hỏi sự thay đổi biểu hiện của gen trong tế bào.

Trong chương này chúng ta sẽ khảo sát tính logic và cơ chế của sự kiểm soát gen, một quá trình mà ngày nay chúng ta đã biết có những chất hóa học liên kết trực tiếp hoặc gián tiếp với ADN hoặc mARN.

I. KIỂM SOÁT SỰ BIỂU HIỆN GEN Ở VI KHUẨN

Trước đây các nhà nghiên cứu về sự biểu hiện của gen ở vi khuẩn đã đưa ra nhiều giả định về quá trình mà họ tìm hiểu. Thứ nhất, chỉ những gen mà sản phẩm của chúng cần thiết ở thời điểm đó mới được biểu hiện. Thứ hai, vì hầu hết các gen mã hóa cho một enzim mà enzim kiểm soát chỉ một bước trong quá trình sinh hóa, nên các gen mã hóa cho nhiều enzim trong cùng quá trình phải được kiểm soát thành một nhóm.

Những giả định này đã được chứng minh là đúng trong nhiều trường hợp phiên mã ở vi khuẩn. Mô hình đầu tiên về sự kiểm soát gen được hình thành từ các nghiên cứu trên vi khuẩn đường ruột E. coli.

1.Sự kiểm soát âm tính TOPa. Sự cảm ứng gen: mô hình của Jacob và Monod

Trong một công trình nghiên cứu kéo dài về sự tổng hợp protein ở E. coli, từ cuối những năm 1940, hai nhà sinh hóa người Pháp là Fran(ois Jacob và Jacques Monod đã xây dựng một mô hình gen điều hòa trong tế bào vi khuẩn. Họ tập trung vào (-galactosidaz là loại enzim xúc tác sự phân giải lactoz thành glucoz và galactoz.

Lactoz không phải lúc nào cũng có sẵn cho E. coli. Vì vậy gen qui định (-galactosidaz thường được phiên mã với một tỉ lệ rất thấp. Jacob và Monod nhận thấy rằng sự sản xuất thêm loại enzim tiêu hóa này thường được mở đầu bởi sự có mặt của một chất gọi là chất cảm ứng (inducer), trong trường hợp này là allolactoz, một dẫn xuất của lactoz, được sản xuất tự động trong tế bào khi có lactoz. Như vậy (-galactosidaz là một enzim cảm ứng (inducible enzim).

Jacob và Monod đã chứng minh được sự tham gia của 4 gen trong việc sản xuất (- galactosidaz và 2 enzim khác tham gia vào sự phân giải lactoz: có 3 gen gọi là gen cấu trúc (structure gen), mỗi gen chuyên biệt cho trình tự acid amin của một loại enzim, và một gen điều hòa (regulator gen) kiểm soát hoạt động của các gen cấu trúc. Họ giả định rằng gen điều hòa nằm ngoài các gen cấu trúc, điều khiển tổng hợp chất ức chế (repressor) là một loại protein ngăn cản sự phiên mã của các gen cấu trúc.

Jacob và Monod cũng khám phá ra rằng có một vùng đặc biệt của ADN, nằm giữa vùng khởi động (promotor) và các gen cấu trúc của (- galactosidaz xác định khi nào sự phiên mã của gen được tiến hành. Họ gọi vùng đặc biệt này là vùng chỉ huy (operator) và tập hợp của vùng chỉ huy và ba gen cấu trúc được gọi là operon. Khi chất ức chế gắn vào vùng chỉ huy, ARN polymeraz không bám được vào vùng khởi động của ADN và sự phiên mã bị ngừng lại (Hình 1 A).

Hình 1. Một thí dụ về operon cảm ứng: Lac operon

Nếu có mặt chất cảm ứng, nó sẽ liên kết với chất ức chế gây ra một sự thay đổi hình thể của chất ức chế làm chúng không thể gắn vào vùng chỉ huy. Nói cách khác, chất cảm ứng làm bất hoạt chất ức chế (Hình 1 B). Lúc này khi được tự do liên kết với vùng khởi động, ARN polymeraz có thể mở đầu sự phiên mã của các gen cấu trúc để tổng hợp mARN (Hình 1C). Phân tử mARN có mang thông tin của cả ba gen cấu trúc, chúng bám vào các ribô thể trong tế bào chất, tại đây thông tin của chúng được giải mã và ba enzim cần thiết cho sự biến dưỡng lactoz được tổng hợp.

b. Sự ức chế gen

Hình 2. Operon ức chế

Không phải tất cả các operon đều được điều hòa theo cách thức giống như lac operon (một loại operon cảm ứng), nghĩa là nó bất hoạt cho đến khi được bật lên bởi một chất cảm ứng. Nhiều operon hoạt động liên tục trừ phi bị đóng lại bởi một chất đồng ức chế (corepressor). Một thí dụ là operon mà 5 gen cấu trúc của nó mã hóa cho các enzim cần thiết để tổng hợp acid amin tryptophan. Bình thường operon này hoạt động nhưng khi E. coli được nuôi cấy trong môi trường có tryptophan thì operon đóng lại. Các enzim được mã hóa bởi các gen mà bình thường thì hoạt động nhưng có thể bị ức chế được gọi là enzim ức chế (repressible enzim). Trong trường hợp này, protein ức chế được mã hóa bởi gen điều hòa sẽ không hoạt động lúc mới được tổng hợp. Chỉ khi có một chất đồng ức chế gắn vào và hoạt hóa nó làm nó có thể gắn vào operon, do đó cản trở sự bám của ARN polymeraz (Hình 2). Không giống các enzim cảm ứng chỉ được tổng hợp nếu operon của chúng được kích hoạt bởi một chất cảm ứng, các enzim ức chế được tổng hợp tự động trừ phi operon của chúng bị đóng bởi một chất đồng ức chế. Trong sự tổng hợp tryptophan, chính tryptophan hoạt hóa protein ức chế, làm cho nó có thể gắn vào vùng chỉ huy.

Một chất cảm ứng thường hoặc là cơ chất đầu tiên trong quá trình sinh hóa hoặc là một số chất có quan hệ mật thiết với cơ chất đó. Ngược lại một chất đồng ức chế thường là sản phẩm cuối cùng của quá trình sinh hóa hoặc là một chất có quan hệ mật thiết với quá trình đó.

2. Sự kiểm soát dương tính TOP

Cả hai trường hợp chúng ta vừa thảo luận là những thí dụ của sự kiểm soát âm tính: một chất ức chế gắn vào vùng chỉ huy làm đóng sự phiên mã. Trong một trường hợp thì sự kiểm soát do sự khử hoạt tính của chất ức chế bởi một chất cảm ứng và trong một trường hợp khác là do sự hoạt hóa nó bởi một chất đồng ức chế. Sự kiểm soát âm tính dù loại này hoặc một loại kia là cách phổ biến nhất về sự điều hòa biểu hiện của gen ở nhóm sơ hạch. Tuy nhiên, một vài hệ thống được điều hòa bởi sự kiểm soát dương tính: một protein kiểm soát gắn trực tiếp vào ADN để hoạt hóa operon.

Bây giờ chúng ta hãy xem hệ thống kiểm soát dương tính làm việc như thế nào?

Chúng ta đã thấy rằng ARN polymeraz nhận biết và gắn vào trình tự của vùng khởi động kế cận vùng chỉ huy. Vùng khởi động của nhiều gen thường có các trình tự nucleotid giống hệt nhau (trình tự phổ biến). Các gen mà vùng khởi động có trình tự khác với trình tự phổ biến thường ít được phiên mã vì ARN polymeraz sẽ gắn vào chúng một cách lỏng lẽo. Trong sự kiểm soát dương tính của những gen như vậy, một protein kiểm soát được gọi là yếu tố phiên mã (transcription factor-TF) gắn vào vùng hoạt hóa (activator) ở phía trước vùng khởi động củng cố trình tự của vùng nầy, giúp cho polymeraz gắn vào và làm cho sự phiên mã thuận lợi hơn.

Có 2 kiểu kiểm soát dương tính đã được biết:

Trong kiểu thứ nhất, một chất hóa học gắn vào TF, gây biến dạng và hoạt hóa TF, giúp nó có thể gắn vào ADN và làm thuận lợi cho sự phiên mã. Thí dụ một TF thường gặp là CAP (catabolic gene activator protein: protein kích động gen biến dưỡng) của E. coli. Khi glucoz, một thức ăn được (ưa thích( của vi khuẩn (nghĩa là được biến dưỡng nhanh chóng và hiệu quả nhất), trở nên khan hiếm, một chất liên lạc là AMP vòng được sản xuất. AMP vòng gắn vào và hoạt hóa CAP, sự phiên mã của các operon biến dưỡng các chất dinh dưỡng tăng lên nhanh chóng (Hình 3).

Trong kiểu thứ hai, một protein kiểm soát bình thường thì hoạt động nhưng bị bất hoạt khi có một phân tử nhỏ gắn vào. Khi bị bất hoạt, protein này không thể giúp ARN polymeraz gắn vào trình tự của vùng khởi động và vì vậy sự phiên mã bị giảm đến tối thiểu . Thí dụ tín hiệu AMP vòng, thông qua CAP, hoạt hóa các operon của những gen tiêu hóa các chất dinh dưỡng, đồng thời làm bất hoạt protein TF. Lúc này hệ thống biến dưỡng các nguồn thực phẩm được hoạt hóa và hệ thống biến dưỡng glucoz tạm thời bị ngưng hoạt động.

Hình 3. Sự cảm ứng phiên mã bởi CAP

II. KIỂM SOÁT SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN Ở TẾ BÀO CHÂN HẠCH

1. Tổ chức của nhiễm sắc thể ở nhóm chân hạch TOP

a. Vai trò của các protein nhiễm sắc thể

Như ta đã biết ở chương 6, nhiễm sắc thể bao gồm ADN và protein. Protein của nhiễm sắc thể gồm hai loại: histon và phi histon.

Một số bằng chứng cho thấy histon thành phần chủ yếu của thể nhân có thể tham gia vào sự biểu hiện gen nhưng vai trò của chúng có vẻ thụ động : với lõi là thể nhân, sự phiên mã không thể tiến hành vì sự duỗi xoắn là cần thiết để ARN polymeraz gắn vào ADN.

Những bằng chứng gần đây nhất cho thấy rằng các protein phi histon giữ vai trò quan trọng hơn nhiều, như là các tác nhân chọn lọc trong sự điều hòa gen. Một số protein này được gắn trực tiếp vào ADN trong khi một số khác được liên kết với lõi của thể nhân. Chúng biểu hiện rất đa dạng vì vậy chúng có tính chuyên biệt cần thiết của các yếu tố kiểm soát. Hơn nữa, các protein phi histon dường như tham gia rất ít trong cấu trúc của chất nhiễm sắc, nên có lẽ vai trò của chúng là điều hòa. Ít nhất một vài protein phi histon liên kết với những vùng kiểm soát chuyên biệt trong ADN làm nới lỏng các vòng (loop) của nhiễm sắc thể.

b. ADN có trình tự lặp lại cao

Tổ chức của nhiễm sắc thể ở tế bào chân hạch đã được phát hiện phần lớn nhờ vào kỹ thuật lai ADN (ADN hybridization). Các kỹ thuật lai ADN đã cho thấy rằng lịch sử tiến hóa của nhiễm sắc thể nhóm sơ hạch và ở nhóm chân hạch rất khác nhau. Có lẽ sự tương phản rõ nhất là bộ gen (genome) của nhóm chân hạch có các trình tự không bao giờ phiên mã, các trình tự này có nhiều bản sao. Chẳng hạn khoảng 10% của phần lớn ADN trong tế bào chân hạch chứa các trình tự baz được tìm thấy không phải chỉ một mà là hàng ngàn lần trong bộ gen, nên được gọi là ADN có trình tự lặp lại cao.

Có ít nhất 4 loại ADN kiểu nầy. Loại thứ nhất bao gồm các bản sao của loại trình tự ngắn nằm ở tâm động (centromere) và ở nhánh nhiễm sắc thể (chromosome arm), đặc biệt là ở đầu tận cùng (telomere) (Hình 4A). Các ADN nầy không bao giờ phiên mã, chức năng của chúng là làm thuận lợi hơn các bước đặc biệt trong quá trình phân chia tế bào và duy trì sự bền vững của nhiễm sắc thể.

Loại thứ hai có các đơn vị lặp lại dài, nối tiếp nhau. Những vùng này có mang gen mã hóa cho rARN nhỏ nhất là 5S ARN (Hình 4B). Trong một công trình nghiên cứu ở các loài ếch, mỗi gen 5S được kết hợp với một vùng phi chức năng gọi là gen giả (pseudogene) và một đoạn đệm (spacer) rất dài. Gen giả và đoạn đệm cũng không bao giờ được phiên mã (phần lớn các vùng này trên nhiễm sắc thể dường như không giữ nhiệm vụ gì). Phần lớn tế bào chân hạch có khoảng 25.000 bản sao của trình tự này.

Loại thứ ba có các trình tự của vài ngàn baz và được tìm thấy hàng chục ngàn lần trong các nhiễm sắc thể của tế bào chân hạch. Chức năng của chúng đến nay vẫn chưa rõ (Hình 4C).

Hình 4. Tổ chức nhiễm sắc thể ở nhóm chân hạch

Loại thứ tư tương đối ngắn (300 cặp baz) rãi rác suốt bộ gen. Loài người có khoảng 500.000 bản sao của trình tự này, đó là một gen nhảy (transposon) được sinh sản và lan rộng, hầu như không thể kiểm soát ở một số giai đoạn trong quá trình tiến hóa, dường như không có chức năng.

c. ADN có trình tự lặp lại trung bình

Khoảng 20% bộ gen của nhóm chân hạch có chứa ADN có trình tự lặp lại trung bình. Mỗi trình tự này được tìm thấy hàng trăm lần và gồm 2 loại. Loại thứ nhất là một trình tự lặp lại nối tiếp của một số gen; đặc biệt là các gen qui định 3 loại rARN được lặp lại nối tiếp theo thứ tự rARN 18S, rARN 6S, rARN 28S, một đoạn đệm dài, 18S, 6S, 28S, đoạn đệm dài ... (Hình 4D ). Vì mỗi ribô thể phải có một trong bốn loại rARN nên khi các ribô thể được cần đến, đoạn nhiễm sắc thể có trình tự nầy được sao chép lặp lại (không phụ thuộc vào các phần còn lại của nhiễm sắc thể) tạo ra một vùng polyten gồm 25-250 bản sao của vùng lặp lại. Quá trình này dẫn đến kết quả là làm tăng tổng số 25.000 bản sao của mỗi gen trong các tế bào hoạt động. Ðoạn nhiễm sắc thể được sao chép lặp lại tạo thành một cấu trúc là hạch nhân.

Loại thứ hai lạ hơn, khác biệt rất lớn về kích thước và tần số giữa các loài. Những trình tự này (khoảng 5.000 loại khác nhau) chỉ dài từ 300-3.000 baz, bằng 1/10 chiều dài của gen chức năng. Mỗi loại nằm rãi rác trên nhiễm sắc thể giữa các gen chức năng ở 30-500 vị trí khác nhau ( Hình 4E ).

d. ADN sao chép đơn

Mặc dù 70% của một bộ gen nhóm chân hạch chứa các trình tự sao chép đơn (Hình 4F ), phần lớn ADN nầy không bao giờ được phiên mã; hầu hết là các gen giả. Khi các nhà nghiên cứu tính toán số lượng các intron được cắt bỏ sau khi phiên mã, họ đặc biệt thấy rằng chỉ khoảng 1% của ADN ở nhóm chân hạch mã hóa cho mARN chức năng.

2. Bằng chứng về việc kiểm soát sự phiên mã của gen TOP

a. Các kiểu hoạt động của nhiễm sắc thể ở nhóm chân hạch

Những nghiên cứu tế bào học cho thấy cấu trúc bên trong của một nhiễm sắc thể không đồng nhất và sự khác biệt nầy phản ánh hoạt động của gen. Thí dụ một số vùng của nhiễm sắc thể bắt màu rất nhạt với phẩm nhuộm kiềm, trong khi những vùng khác bắt màu đậm. Những vùng không bắt màu được gọi là vùng đồng nhiễm sắc chất (euchromatin) và các vùng bắt màu là vùng dị nhiễm sắc chất (heterochromatin). Trong vài năm qua, bản đồ nhiễm sắc thể đã cho thấy vùng đồng nhiễm sắc chất mang các gen hoạt động trong khi vùng dị nhiễm sắc chất không hoạt động.

Lúc đầu một số nhà nghiên cứu nghĩ rằng các vùng dị nhiễm sắc chất không mang gen, chỉ giữ vai trò đơn giản là thành phần cấu trúc của nhiễm sắc thể. Ðiều nầy có lẽ đúng đối với vùng dị nhiễm sắc chất có trình tự các baz lặp lại cao nằm chung quanh tâm động. Nhưng phần lớn các vùng dị nhiễm sắc chất không thiếu gen, mà đơn giản là các gen (thường là một dãy nhiều gen) không hoạt động. Thí dụ: nhiều vùng dị nhiễm sắc chất ở sinh vật trưởng thành là vùng đồng nhiễm sắc chất ở những giai đoạn đầu trong quá trình phát triển.

Ngay cả trong vùng đồng nhiễm sắc chất, chỉ vài gen cách xa nhau có thể hoạt động; còn sự tập hợp các gen gần nhau thành operon như ở vi khuẩn thì hiếm có ở nhóm chân hạch. Thật vậy, trong nhiều trường hợp các enzim có chức năng tương tự được mã hóa bởi các gen cách xa nhau. Các gen qui định hai chuỗi polypetid của một protein (chẳng hạn như chuỗi ( và ( của hemoglobin) thường nằm trên các nhiễm sắc thể khác nhau.

b. Nhiễm sắc thể chổi đèn và các chỗ phình trên nhiễm sắc thể

Ở nhiều động vật có xương sống các tế bào trứng đang phát triển tổng hợp một lượng lớn mARN để sử dụng về sau và hoạt động nầy có thể quan sát được với một kính hiển vi tương phản pha. Ðoạn nhiễm sắc thể có mang các gen được phiên mã lặp lại (các vùng đồng nhiễm sắc) tạo thành các vòng (loop) ở hai bên trục chính của nhiễm sắc thể trong khi những vùng khác thắt chặc. nhiễm sắc thể với nhiều vòng được gọi là nhiễm sắc thể chổi đèn (lampbrush chromosome).

Các nhiễm sắc thể đa sợi (nhiễm sắc thể không lồ) ở tế bào tuyến nước bọt của ấu trùng ruồi (Diptera) được xem như là sự sắp xếp của các nhiễm sắc thể được sao chép và dính vào nhau. Ðể tạo ra một nhiễm sắc thể đa sợi cần có khoảng 10 chu kỳ

sao chép, tạo ra 1.024 bản sao của mỗi gen. Kết quả là khả năng tổng hợp nhanh một lượng lớn ARN. Khi các vùng trên nhiễm sắc thể nầy hoạt động, tất cả các phân tử ADN tương tự thành lập các vòng ở những vùng nầy, làm nhiễm sắc thể phình lên, có thể quan sát rõ dưới kính hiển vi. Vị trí của các chỗ phình trên nhiễm sắc thể khác nhau tùy loại mô, tùy giai đoạn phát triển. Tuy vậy ở mỗi thời điểm, các tế bào của cùng một mô có cùng một kiểu phình của nhiễm sắc thể.

Chỗ phình là vị trí của các gen hoạt động và là nơi tổng hợp ARN tích cực. Như vậy, các chỗ phình cho thấy tác động của môi trường ngoài nhân tác động đến cách thức hoạt động của gen. Thí dụ, nếu ecdyson (loại hormon gây ra sự lột xác ở côn trùng) được tiêm vào ấu trùng của ruồi, các nhiễm sắc thể sẽ nhanh chóng biến đổi kiểu phình của chúng, giống như kiểu tiêu biểu ở thời điểm lột xác của những cá thể bình thường không xử lý hormon. Nếu việc xử lý bị ngừng, đặc điểm của các chỗ phình nầy biến mất. Nếu được xử lý lại chúng sẽ tái xuất hiện. Sự phình có thể bị ngăn cản hoàn toàn bằng cách xử lý với actinomycin (chất ức chế sự tổng hợp acid nhân).

3. Sự in dấu: cách duy trì hoạt động của gen TOP

Tế bào phân chia nhanh trong một cơ thể đang phát triển phải có cách để duy trì kiểu nới lỏng các vòng và hoạt động của gen tạo cho chúng hóa tính thích hợp với loại mô của chúng. Có những bằng chứng chắc chắn rằng kiểu mẫu của đồng nhiễm sắc chất và dị nhiễm sắc chất có thể được truyền trực tiếp từ một tế bào mẹ đến hai tế bào con bằng một quá trình gọi là sự in dấu (imprinting). Một thành phần của hệ thống in dấu nầy ở động vật có xương sống là sự methyl hóa cytosin trong trình tự C-G ở những gen không hoạt động. Sự methyl hóa có thể chuyển các kiểu hoạt động đến các tế bào con : vì chỉ có trình tự C-G có thể bị methyl hóa bởi enzim và vì C-G luôn luôn bắt cặp với G-C trên một sợi khác nên kiểu methyl hóa tồn tại trên cả hai sợi của ADN: m

│

: : : A : T : C : G : T : C : A : : :

: : : T : A : G : C : A : G : T : : :

│

m

(Chữ m để chỉ cytosin đã bị methyl hóa bằng cách thêm vào một nhóm (CH3).

Sự sao chép tạo ra một cấu trúc lai ở những nơi ADN bố mẹ bị methyl hóa

m

│

: : : A : T : C : G : T : C : A : : : sợi bố mẹ

: : : T : A : G : C : A : G : T : : : sợi mới

│

m

Một loại enzim đặc biệt là methylaz tác dụng vào ADN có cytosin bị methyl hóa trong trình tự C-G và methyl hóa cytosin tương ứng trên sợi mới. Như vậy, cách thức của sự methyl hóa (sự bất hoạt của gen) được truyền lại nguyên vẹn. Tuy nhiên, nếu cả hai nhóm methyl tại một vị trí tình cờ bị mất, hoạt động của gen bị biến đổi ở tế bào con. Có bằng chứng chắc chắn rằng một số vấn đề có liên quan đến sự lão hóa là do sự methyl hóa mất dần theo thời gian và từ đó dẫn tới sự hoạt hóa của những gen không thích hợp trong tế bào. Sự khử methyl hóa trong các giao tử có thể truyền kiểu hoạt hóa gen sai đến thế hệ con và ngày nay nhiều bệnh được xem là do các sai sót trong sự in dấu nầy.

4. Cơ chế của sự kiểm soát phiên mã TOP

Sự nới lỏng các vòng của nhiễm sắc thể (yếu tố đầu tiên cần thiết cho sự phiên mã) được hiểu biết rất ít. Vài chất hóa học như ecdyson có thể tạo ra những thay đổi chính trong sự tạo vòng nhưng chúng hoạt

động như thế nào vẫn còn là một bí mật. Tuy nhiên những kiến thức về cơ sở của sự điều hòa gen trong sự nới lỏng các vòng đang phát triển nhanh chóng.

Như chúng ta đã nói, nhóm chân hạch phụ thuộc chủ yếu vào sự kiểm soát dương tính: sự phiên mã chỉ xảy ra khi có sự giúp đỡ tích cực của yếu tố phiên mã để giúp polymeraz gắn vào vùng khởi động. Ngoài ra, nhóm chân hạch kiểm soát sự gắn TF bằng sự chuyên biệt gen từ hai vùng khác nhau trên nhiễm sắc thể.

Vùng kiểm soát thứ nhất là một vùng cảm ứng (inducer region) nằm ngay phía trên trình tự của TF (Hình 5A). Nó bao gồm một hoặc nhiều điểm cá biệt mà protein kiểm soát chuyên biệt có thể gắn vào. Một vài phân tử kiểm soát nầy giúp cho protein TF gắn vào (Hình 5B), trong khi một số khác ngăn cản lại.

Một vùng khác cách xa vài ngàn nucleotid nằm trên cùng vòng. Nó là tập hợp của các điểm gọi là vùng tăng cường (enhancer region). Những điểm nầy biểu hiện ảnh hưởng của chúng khi vòng cuộn lại làm cho cả vùng nầy tiếp xúc với vùng khởi động và các điểm cảm ứng. Một số gen tăng cường giúp gắn các protein TF, do đó giúp cho sự gắn polymeraz, một số trực tiếp giúp polymeraz gắn vào. Còn một số khác thêm 1 protein gọi là yếu tố mở đầu (initiation factor) vào phức hệ polymeraz. (Hình 5C). Yếu tố mở đầu tăng cường mạnh mẽ hiệu quả của polymeraz trong sự phiên mã (Hình 5D, E). Các chất điều hòa khác có thể gắn vào vùng tăng cường làm kìm hãm 1 trong các bước nầy.

5. Sự kiểm soát sau phiên mã TOP

Hình 6. Cách nối của một mARN ở ruồi giấm

Những thảo luận của chúng ta về các cơ chế kiểm soát ở mức tế bào đã tập trung phần lớn vào sự điều hòa số lượng mARN được tổng hợp. Nhưng còn nhiều điểm khác trong dòng thông tin của tế bào, nơi sự kiểm soát có thể được thực hiện. Thí dụ: một số phiên bản sơ cấp có thể được xử lý theo nhiều cách, tạo ra các sản phẩm hơi khác nhau, tùy theo nhu cầu của tế bào. Chẳng hạn ở ruồi giấm Drosophila, cách thức nối của một mARN kiểm soát sự biểu hiện của một nhóm gen giúp cho sự phát triển thành ruồi đực hoặc ruồi cái. Hiện tượng nầy xảy ra khi phức hệ chuẩn bị để nối đầu tận cùng của exon 3 với chỗ bắt đầu của exon kế tiếp. Nếu một gen đặc biệt (transformer hay là tra) được biểu hiện đầy đủ, nó làm cho exon 4 được thêm vào nhưng lại đình chỉ sự kết hợp sau đó. Nếu sản phẩm của gen Tra không sẵn sàng, exon 4 bị bỏ qua và tất cả các exon còn lại nối lại bình thường. Chính sản phẩm tra được tạo

ra để đáp ứng các tín hiệu trong nhân, phản ánh sự phát triển của sinh vật là con đực hay con cái (Hình 6).

Ngay cả sau khi nối lại, hầu như phân nửa số mARN trưởng thành được sản xuất trong nhân của phần lớn các tế bào không bao giờ đến tế bào chất để giải mã. Phải có một hệ thống có thể ngăn chận một cách chọn lọc sự chuyển các phân tử mARN chuyên biệt từ nhân vào tế bào chất, có thể để đáp ứng với

những dấu hiệu hóa học phản ánh các nhu cầu của tế bào. Ngay cả khi mARN đến tế bào chất, nó có thể không được giải mã. Những chất kìm hãm gắn vào mARN trong tế bào chất và ngăn cản chúng gắn vào ribô thể hoặc ngăn cản sự giải mã hoàn toàn. Cách nầy có thể làm giảm đáp ứng của tế bào khi điều kiện thay đổi bằng cách duy trì một số mARN sẵn sàng để bắt đầu hoặc hoàn tất sự giải mã khi có một tín hiệu hóa học thích hợp gắn vào chất ức chế và làm cho nó tách rời mARN. Trong đa số trường hợp, chất ức chế giải mã là một protein, nhưng trong một ít trường hợp, nó là một đoạn của ARN có trình tự bổ sung cho mARN.

Cuối cùng, sự biểu hiện của mARN có thể được điều hòa bởi tốc độ làm chất truyền tin bị phá vỡ: một số loại mARN có thời gian tồn tại lâu trong khi một số khác bị phá hủy chỉ trong vài phút. Ðộ đề kháng của mARN đối với tác dụng của ARN polymeraz được mã hóa ở phần cuối của mARN: một trình tự với phần lớn là adenin và uracil của mARN bị phá hủy trước, trong khi đó trình tự thiếu những nucleotid nầy không bị tiêu hóa. Sự kiểm soát cũng có thể được tiến hành sau khi giải mã: sự tồn tại của protein (nghĩa là kháng được proteaz), được ghi trong trình tự của bán đơn vị và thay đổi từ vài phút đến vài ngày, hay vài năm đối với một số protein cấu trúc. Như chúng ta đã thấy nhiều lần, hoạt động của các enzim được tạo ra bởi sự giải mã thường được điều hòa bởi các chất hoạt hóa hoặc các chất ức chế. Ngay cả tập hợp của một số protein cấu trúc (như collagen chẳng hạn) được điều hòa bởi các tín hiệu hóa học. Vì vậy, sự biểu hiện của một gen trong một số trường hợp có thể được kiểm soát từng bước từ trước khi phiên mã đến sau khi giải mã. Sự thất bại của hệ thống điều khiển nầy có thể dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng, gây ra nhiều thứ bệnh mà quan trọng nhất là ung thư (cancer).

III. UNG THƯ

Các nhà sinh học hy vọng học được nhiều về cách hoạt động của hệ thống kiểm soát ở tế bào bình thường bằng việc nghiên cứu xem làm thế nào các hệ thống kiểm soát trong tế bào bình thường trở nên xáo trộn dến mức cho phép các tế bào ung thư phát triển. Ðặc điểm nổi bật nhất của các tế bào ung thư là sự tăng sinh không kìm hãm, kết quả là sự hình thành các khối u ác tính và sự lan rộng của các tế bào nầy từ vùng ban đầu đến các phần khác nhau của cơ thể, một quá trình được gọi là sự di căn (metastasis). Những nghiên cứu các tế bào nầy dẫn đến cách thức ngăn ngừa hoặc xử lý ung thư tốt hơn.

Một trong những cách thích hợp nhất trong việc nghiên cứu tính chất của các loại tế bào đặc biệt là nuôi cấy chúng trong phòng thí nghiệm. Phần lớn các dòng tế bào động vật được nuôi cấy ngừng phân chia khi chúng trở nên đông đúc, hoặc sau một số thế hệ sự đông đúc bị chặn lại (số thế hệ thiì chuyên biệt cho loài và mô). Sự phát triển của các tế bào nuôi cấy cho thấy có hai cơ chế ngăn cản sự phát triển không giới hạn của tế bào trong cơ thể.

Một là phản ứng của tế bào đối với ảnh hưởng của sự đông đúc, được gọi là sự ức chế tiếp xúc (contact inhibition). Khi các thụ thể trong màng tế bào nhận ra các dấu hiệu trong các lớp vỏ tế bào của các tế bào kế cận cùng loại, các thụ thể truyền tín hiệu cho nhân và sự phân bào bị đình chỉ. Tuy nhiên, sự ức chế nầy không tuyệt đối: chẳng hạn khi thêm vào các yếu tố tăng trưởng với nồng độ cao có thể kích thích tiếp sự phân bào ngay cả trong mẻ cấy quá đông.

Cơ chế thứ hai: sự tự ngừngû phân bào sau một số lần phân chia, là một hệ thống độc lập giới hạn sự tăng sinh của tế bào; trong phần lớn các mô hệ thống này hoạt động khi sự ức chế tiếp xúc không hoạt động bình thường. Các tế bào được nuôi cấy tiếp tục phân chia mãi, rơi vào một trong hai trường hợp: hoặc bị mất hệ thống kiểm soát số lần phân chia và tiếp tục phát triển khi số lượng chúng còn ít, hoặc bị mất cả hai hệ thống kiểm soát. Các loại tế bào nầy trở nên bất tử trong môi trường nuôi cấy, trở thành các khối u lành tính (benign tumor) hoặc trở thành ung thư: chúng sẽ phân cắt không ngừng để tạo ra khối mô.

1. Ðặc điểm của tế bào ung thư TOP

Một đặc tính của tế bào ung thư được nuôi cấy là hầu như luôn luôn có một bộ nhiễm sắc thể không bình thường. Thí dụ các tế bào của một dòng ung thư ở người gọi là HeLa có 70-80 nhiễm sắc thể thay vì bình thường là 46. Ðiều thú vị là các dòng tế bào không ung thư trải qua giai đoạn khủng hoảng trong môi trường và trở nên bất tử cũng có số nhiễm sắc thể phụ trội, và dường như số nhiễm sắc thể này giải phóng các tế bào nuôi cấy vượt qua sự kìm hãm phát triển. Tuy nhiên, trong các mô ung thư của cơ thể, sự gia tăng số lượng nhiễm sắc thể như thế là không điển hình. Thay vào đó, thường có sự sắp xếp lại của các nhiễm sắc thể bình thường. Thí dụ khoảng 90% bệnh nhân Burkitt(s lymphoma (ung thư của tế bào trong hệ thống miễn dịch) đầu của nhiễm sắc thể 8 đã được chuyển đến phần cuối của nhiễm sắc thể 14. Ðiểm gắn trên nhiễm sắc thể 14 gần một gen mã hóa cho một polypeptid của hệ thống miễn dịch, trong khi vùng chuyển vị chứa một gen thường có trong các tế bào ung thư. 10% bệnh nhân của bệnh nầy có các vùng chuyển vị khác trên nhiễm sắc thể 8. Ðiều nầy có nghĩa là vị trí này ở nhiễm sắc thể 8 có một vùng kiểm soát có thể gây ung thư bằng cách kích thích sự phiên mã của các gen đặc biệt nầy.

Bên cạnh những sự khác biệt trong nhân, các tế bào ung thư và các tế bào bình thường còn khác biệt có ý nghĩa về hình dạng tế bào và bản chất của bề mặt tế bào. Thí dụ: các tế bào ung thư nuôi cấy thường có dạng hình cầu, hình dạng này chỉ gặp ở các tế bào bình thường trong một giai đoạn ngắn ngay khi tế bào phân cắt. Ðặc điểm hình dạng nầy có thể là do số vi sợi (microfilament) quá ít, do đó làm cho các tế bào linh động hơn các tế bào bình thường. Thật vậy, phần lớn các tế bào bình thường phải bám vào một bề mặt để phát triển vì chúng cần giá đỡ để thực hiện những chức năng thích hợp. Các tế bào ung thư không bị hạn chế bởi điều kiện nầy và vì vậy chúng có thể phát triển trong các chất dịch hoặc trên bề mặt mềm.

Các tế bào ung thư, với bề mặt khác thường của chúng, không có khả năng phản ứng thích hợp với những thay đổi của môi trường. Ðặc biệt các tế bào ung thư có glycolipid và glycoprotein khác nhau và ít hơn trong lớp vỏ tế bào. Những khác biệt nầy có lẽ có quan hệ với việc thiếu ức chế tiếp xúc bình thường trong sự phân bào và sự mất khả năng nhận biết những tế bào trong cùng loại mô. Sự vắng mặt ái lực tế bào bình thường có thể là một trong những lý do vì sao các tế bào ác tính của nhiều loại ung thư có thể lan rộng (Hình 7).

Ðể di căn trong một cơ thể và cũng để thoát khỏi mô hay cơ quan ban đầu của nó, tế bào ung thư thường phải có khả năng sản xuất và chuyển đến màng của nó một thụ thể gọi là laminin, làm cho tế bào ung thư gắn vào một lớp màng nền cứng nằm dưới hoặc bao quanh mô, cơ quan và mạch máu trong hệ tuần hoàn. Sau đó nó phải tiết ra collagenaz để tiêu hóa lớp màng nầy và làm cho tế bào xuyên qua ranh giới để tạo khối u. Ðặc biệt, khả năng phá vỡ lớp màng bao quanh các mao mạch cho phép các tế bào ung thư lan khắp cơ thể. Vì phần lớn các tế bào bình thường không thể tạo ra laminin cũng như không tiết collagenaz nên các khối u nằm ở vị trí ban đầu và vì vậy chúng lành tính.

2. Giả thuyết nhiều bước TOP

Những hiểu biết về ung thư hiện nay cho rằng sự biến đổi một tế bào bình thường thành một tế bào ung thư bao gồm nhiều sự thay đổi: mất đi hệ thống kiểm soát số lần phân bào, mất hoặc giảm sự ức chế tiếp xúc, mất khả năng bám và đôi khi, thay đổi bề mặt tế bào. Nhưng trong nhiều mô, những thay đổi nầy cũng chỉ tạo ra các u lành tính phát triển chậm và rồi ngừng hẳn vì các tế bào không sản xuất tín hiệu hóa học hoặc các tín hiệu tạo mao mạch. Ngay cả khi có mao mạch, khối u cũng không thể di căn nếu không có khả năng gắn và phá hủy lớp màng nền. Tất cả các thay đổi nầy xảy ra là kết quả của một sự kiện di truyền hay mỗi thay đổi là kết quả của một hoặc nhiều sự kiện riêng rẽ?

A. Knudson (Viện nghiên cứu ung thư ở Philadelphia) đã chỉ rõ, nếu sự phát triển của 1 khối u ác tính chỉ do một sự kiện di truyền đơn độc, xác suất một cá thể bị ung thư phải tăng tỉ lệ với tuổi. Thí dụ nếu xác suất bị ung thư da là 1% mỗi năm thì cơ hội mắc bệnh phải là 2% cho người 2 tuổi, 3% cho người 3 tuổi ....

Tuy nhiên, trong thực tế tỉ lệ bị ung thư trong quần thể không tăng theo kiểu tuyến tính nầy. Thay vào đó, ung thư thường là một bệnh của tuổi già. Knudson đã kết luận rằng bệnh ung thư do nhiều sự kiện di truyền độc lập. Ðường cong sẽ là sản phẩm của các xác suất của các sự kiện riêng rẽ. Chắc chắn rằng một số trường hợp ung thư (như ung thư máu, ung thư hệ thống miễn nhiễm) chỉ đòi hỏi 2 hoặc 3 sự kiện di truyền, trong khi một số khác cần từ 4 đến 7. Có sự nhất trí cao là cần 2 đến 7 mức độ kiểm soát tham gia: số lần phân bào nhất định, ức chế tiếp xúc, sự bám, ái lực loại mô, nhu cầu cho các protein gắn màng, enzim tiêu hóa collagen, và sự tạo mao mạch.

Tuy nhiên, chỉ những nghiên cứu thống kê không thể cho chúng ta biết về thành phần của sự kiện di truyền dẫn đến bệnh ung thư, cũng không có nghiên cứu nào cho ta biết hiệu quả chính xác của các sự kiện. Những nghiên cứu gần đây cho thấy phần lớn các bước có dính líu trực tiếp đến sự mất hoặc thiếu mức độ sự kiểm soát. Những dữ liệu tốt nhất của việc nầy đến từ các nghiên cứu trên các gen gây ung thư.

3. Gen gây ung thư (Oncogen) TOP

Sự khám phá ra gen gây ung thư có một lịch sử phức tạp. Năm 1910 Peyton Rous (Viện Rockefeller, New York) đã tìm ra siêu khuẩn Rous sarcoma, có thể gây ung thư ở gà. Kết luận của Rous không được công nhận rộng rãi trong nhiều thập kỷ. Ngày nay chúng ta biết rằng tác nhân gây bệnh trong trường hợp nầy là một siêu khuẩn phiên mã ngược (siêu khuẩn phiên mã ngược), chúng sản sinh ra một bản sao cADN từ ARN của nó, rồi tổ hợp vào nhiễm sắc thể của vật chủ. Một vài chủng siêu khuẩn Rous gây ra ung thư nhanh chóng, với tỉ lệ cao vì cADN có mang oncogen (gọi là v-src - v là gen của siêu khuẩn). Sự biểu hiện của gen nầy trong nhiễm sắc thể chủ tạo ra tế bào ung thư. Các siêu khuẩn phiên mã ngược thông thường (những loại không có oncogen) cũng có thể gây ung thư, nhưng chỉ với một tỉ lệ độ thấp và sau một giai đoạn tiềm ẩn dài. Sự phối hợp của cADN vào bộ gen chủ rất ngẫu nhiên và ung thư từ siêu khuẩn phiên mã ngược bình thường chỉ xuất hiện khi sự phối hợp xảy ra gần một trong một số gen đặc biệt ở nhiễm sắc thể chủ, gọi là gen tiền ung thư (proto-oncogene). Có lẽ vùng kiểm soát tích cực trên cADN biến đổi sự biểu hiện của một hoặc nhiều gen nầy. Oncogen là những gen chắc chắn gây ra ung thư; ngược lại, protooncogen có khả năng gây ung thư nhưng cần một vài thay đổi để biến chúng thành oncogen.

Hình 7. Sự phát triển của một khối u ác tính

Có lẽ khám phá đáng ngạc nhiên nhất về gen gây ung thư v-src là nó đặc biệt giống với một gen bình thường ở gà. Thật vậy, gen bình thường nầy (ký hiệu là c-src để chỉ rằng nó là của tế bào ban đầu) là một gen tiền ung thư, phối hợp của cADN bình thường ở gần c-src có thể

gây ung thư. Từ năm 1970 người ta đã khám phá hơn 20 loại siêu khuẩn phiên mã ngược gây ung thư, lây nhiễm ở chim và hữu nhủ, mỗi loại mang một gen gây ung thư gần giống hệt với gen tiền ung thư ở vật chủ bình thường.

Những nghiên cứu các khối u của người được nuôi cấy và các khối u ở động vật không do siêu khuẩn gây nên đã cho thấy những điểm rất giống với các tập tính được quan sát của siêu khuẩn phiên mã ngược: một số thay đổi di truyền làm các tế bào nuôi cấy thành các tế bào ung thư mang các gen gây ung thư như đã tìm thấy trong siêu khuẩn phiên mã ngược gây ung thư. Một số gen gây ung thư không do siêu khuẩn dường như do đột biến ở gen tiền ung thư làm biến đổi, làm mất hoặc thêm vào trình tự của một baz. Một số khác có lẽ là gen tiền ung thư đã được di chuyển khỏi vị trí bình thường và do đó không còn các kiểm soát bình thường của chúng và trở thành các gen gây ung thư. Ngược lại, đột biến lẫn sự chuyển vị xảy ra ở một vùng kiểm soát gần một gen tiền ung thư có thể biến đổi một gen tiền ung thư thành một gen gây ung thư. Sự chuyển vị dường như bao gồm sự di chuyển một gen cấu trúc và vùng kiểm soát của nó đến một bên gen tiền ung thư hoặc sự di chuyển gen tiền ung thư đến bên gen cấu trúc và vùng kiểm soát của nó. Cuối cùng, có các gen kháng ung thư (anti-oncogen) là các gen mã hóa cho các protein khử hoạt tính các sản phẩm của gen gây ung thư. Sự bất hoạt của một gen ưcï chế thì tương đương với sự hoạt hóa một gen tiền ung thư.

Các cơ chế khác nhau có thể dẫn đến sự xuất hiện của một gen gây ung thư trong bộ gen được tóm tắt như sau:

I. Gen bị biến đổi dẫn đến sự biến đổi của sản phẩm

1. Sự phốiø hợp của gen gây ung thư ở siêu khuẩn phiên mã ngược

2. Sự đột biến của gen tiền ung thư bình thường tạo ra gen gây ung thư

II. Sự biểu hiện của gen bị biến đổi, trong đó một gen được phiên mã ở một thời điểm sai hoặc với một tỉ lệ quá cao

1. cADN của siêu khuẩn phiên mã ngược có một vùng kiểm soát tích cực được

gắn vào gần bên một gen tiền ung thư

2. Sự chuyển vị gen tiền ung thư đến một vị trí gần bên vùng kiểm soát tích cực.

3. Sự chuyển vị của một vùng kiểm soát tích cực đến một vùng gần một gen

tiền ung thư

4. Sự đột biến của một vùng kiểm soát gần bên gen tiền ung thư

III. Sự mất hoạt động của gen kháng ung thư

Nghiên cứu hiện nay cho thấy phần lớn các gen gây ung thư mã hóa cho các sản phẩm thuộc một trong bốn loại : (1) các yếu tố phát triển (các phân tử tín hiệu ngoại bào để kích thích sự tăng sinh của tế bào), (2) các thụ thể (cho các yếu tố phát triển, ức chế tiếp xúc, hoặc bám trên bề mặt), (3) các hệ thống tín hiệu trong tế bào (truyền thông tin từ thụ thể đến các enzim nội bào hoặc các protein gắn), (4) các phân tử ADN gắn (điều hòa sự phiên mã của các gen đặc biệt hoặc sự sao chép trọn bộ gen).

Bằng chứng đầu tiên liên quan đến hoạt động của gen gây ung thư là công trình của Raymon Erikson và Marc Collett (Ðại học Colorado) trên gen gây ung thư src. Họ đã phát hiện rằng enzim được mã hóa bởi src là một loại phân tử tín hiệu nội bào gọi là một protein kinaz. Enzim này phosphoryl hóa tyrosin. Tyrosin

được phosphoryl hóa cũng được tìm thấy trong các tế bào bình thường. Tuy nhiên trong các tế bào có gen src, sự phosphoryl hóa tyrosin tăng ít nhất 10 lần hơn mức bình thường. Ngày nay người ta đã biết một số gen gây ung thư khác mã hóa cho các tyrosin- kinaz, trong khi một vài loại khác mã hóa cho các serin kinaz.

Một số gen gây ung thư dường như mã hóa cho các sản phẩm làm cầu nối hai bước từ các tín hiệu ngoại bào đến gắn ADN. Thí dụ thụ thể EGF (Epidrmal Growth Factor-yếu tố tăng sinh biểu bì) có một thành phần ngoại bào gắn vào EGF, và một phần nội bào hoạt động như một kinaz. Ít nhất có một gen gây ung thư để mã hóa cho một enzim rất giống với phần kinaz của thụ thể EGF được hoạt hóa nhưng thiếu phần ngoại bào gắn vào EGF. Sản phẩm của gen gây ung thư nầy có thể hoạt động bằng cách tạo tín hiệu cho tế bào phân chia liên tục, dù EGF có hiện diện hay không.

4. Nguyên nhân môi trường của ung thư TOP

Như chúng ta đã thấy, đột biến, chuyển vị và siêu khuẩn phiên mã ngược đều có vai trò trong việc khởi phát ung thư. Chúng ta cũng biết rằng nhiều đột biến và chuyển vị được tạo ra do các tác nhân bên ngoài - bức xạ và hóa chất gây đột biến. Nhưng liên kết các hóa chất hoặc nguồn bức xạ với ung thư ở người và đánh giá sự nguy hiểm tương đối của mỗi yếu tố rất khó khăn. Không phải mỗi đột biến đều xảy ra ở vị trí gây ung thư, và một đột biến ở một vị trí như thế sẽ chỉ khởi phát một trong những bước cần thiết để phát triển ung thư. Chúng ta đã thấy rằng cần có từ 2 đến 7 sự kiện di truyền độc lập; bước cuối cùng có thể xảy ra nhiều năm sau khi có sự tiếp xúc đầu tiên với một bức xạ hoặc một hóa chất gây đột biến.

Sự thiếu của các mối liên hệ nhân quả chặc chẽ giữa tác nhân gây đột biến và ung thư đã làm cho sự nhận diện và sự đánh giá của các tác nhân có khó khăn, ngay cả trong những trường hợp rõ nhất.

Một cách để đánh giá khả năng gây ung thư của các hóa chất và bức xạ là dùng các động vật (thường là chuột) để đo liều lượng của các tác nhân nầy. Cách nầy đắc tiền và tốn thời gian, thêm vào đó ta phải giả định rằng những gì gây ung thư trên chuột cũng tác động tương tự trên người. Một phương pháp khác nữa là xét nghiệm Ames: dùng vi khuẩn và những chất có khả năng gây ung thư để xem có sự đột biến hay không, với giả định là một chất gây đột biến trên E. coli là chất gây ung thư trên người. Xét nghiệm Ames đã phát hiện ra nhiều chất có khả năng gây ung thư. Các thành phần của nhựa than trong các thuốc nhuộm tóc và các mỹ phẩm, xà phòng hexachlorophen, các hóa chất chống cháy trong quần áo ngủ của trẻ em, protein trong thịt nướng, khói cháy rừng, và vài hóa chất trong một số rau cải và gia vị là một số trong các chất được xác định có thể gây ung thư bằng xét nghiệm Ames.

PHẦN III

HỌC THUYẾT TIẾN HÓA

--- oOo ---

CHƯƠNG I

CÁC THUYẾT TIẾN HÓA

--- oOo ---

I. CÁC QUAN NIỆM TIẾN HÓA TRƯỚC DARWIN

II. HỌC THUYẾT DARWIN

III. CÁC BẰNG CHỨNG TIẾN HÓA

1. Các đặc điểm tương đồng

2. Phôi sinh học so sánh

3. Giải phẩu học so sánh

4. Sự tiến hóa đồng qui 5. Sự phân bố địa lý

của loài IV. VAI TRÒ CỦA

PHÂN LOẠI HỌC

===============================================================

CHƯƠNG II

CÁC THUYẾT TIẾN HÓA

Trong các chương trước chúng ta đã đề cập đến việc tất cả các sinh vật đều được cấu tạo từ các đơn vị cơ bản là tế bào. Chúng đều có chứa vật liệu di truyền là ADN, đều có các quá trình biến dưỡng, sinh sản.... Nói chung là chúng giống nhau về một số mặt nhất định. Bên cạnh đó các sinh vật lại có nhiều điểm khác nhau. Sự đa dạng của sinh vật cho thấy có một quá trình tiến hóa đã và đang xảy ra. Nói đơn giản, sự tiến hóa là sự thay đổi theo thời gian. Học thuyết tiến hóa giải thích về mối quan hệ giữa các dạng sinh vật khác nhau trên trái đất.

I. CÁC QUAN NIỆM TIẾN HÓA TRƯỚC DARWIN

Các nhà triết học cổ Hy lạp đã cố gắng giải thích tính đa dạng của sinh vật trên trái đất. Ðáng lưu ý nhất là Aristote (384-322 trước công nguyên). Ông cho rằng tất cả các sinh vật giống như một chuỗi hình dạng, mỗi hình dạng tượng trưng cho một mắt xích đi từ ít hoàn chỉnh đến hoàn chỉnh nhất. Ông gọi chuỗi đó là nấc của tạo hóa (scale of nature). Theo quan điểm này, các loài là cố định và không có sự tiến hóa.

Những thành kiến chống lại sự tiến hóa đã được củng cố trong nền văn hóa Cơ đốc giáo bởi Kinh Cựu ước về đấng sáng tạo. Những giáo điều về việc các loài được Chúa tạo ra và bất biến đã ăn sâu vào các quan niệm phương Tây thời bấy giờ. Ngay cả khi học thuyết Darwin xuất hiện, ở Châu Âu và Châu Mỹ vẫn nổi lên thuyết tự nhiên thần luận (natural theology), một thuyết tìm cách khám phá chương trình của đấng sáng tạo bằng cách nghiên cứu tự nhiên. Các nhà tự nhiên thần luận thấy rằng sự thích nghi của sinh vật là bằng chứng cho thấy đấng sáng tạo đã tạo ra mỗi loài theo một mục đích riêng. Mục tiêu chính của tự nhiên thần luận là sắp xếp các loài để phát hiện ra các bước trong bậc thang của sự sống mà Chúa đã sáng tạo ra.

Ðến thế kỷ XVIII, Carolus Linnaeus (1707-1778) là người đã sáng lập ra cách phân loại hiện đại cùng cách mô tả mỗi loài và là người đề xuất ra cách đặt tên đôi cho mỗi sinh vật. Dùng tên loài là đơn vị phân loại Linnaeus đã tìm kiếm mối quan hệ tự nhiên và sắp xếp các dạng sinh vật theo các mức phân loại khác nhau: loài, giống, họ, bô, lớpü. Sự đóng góp của ông về phân loại cho thấy các loài có quan hệ với nhau nhưng ông vẫn giữ quan niệm như một nhà tự nhiên thần luận cho rằng chúa đã sáng tạo ra tất cả các dạng sinh vật và chúng không thay đổi.

Buffon (1707-1788) một nhà tự nhiên học người Pháp đã lưu ý rằng các hóa thạch cổ ít giống với các dạng hiện nay hơn các hóa thạch mới. Ông đề xuất hai nguyên lý. Một là những thay đổi của môi trường đã tạo ra những thay đổi của sinh vật. Hai là những nhóm loài giống nhau phải có cùng một tổ tiên. Buffon cũng cho rằng mỗi loài không bất biến mà có thể thay đổi.

Vào cuối thế kỷ XVIII, nhiều nhà tự nhiên học cho rằng lịch sử tiến hóa của sinh vật gắn liền với lịch sử tiến hóa của trái đất. Tuy nhiên chỉ có Jean Baptiste Lamarck (1744-1829) là người đã phát triển một học thuyết tương đối hoàn chỉnh về sự tiến hóa của sinh vật. Ông thu thập và phân loại các động vật không xương sống tại Viện Bảo tàng Lịch sử tự nhiên ở Paris. Bằng cách so sánh những loài còn sống với các dạng hóa thạch, Lamarck thấy rằng có sự biến đổi theo trình tự thời gian từ các hóa thạch cổ đến các hóa thạch trẻ hơn dẫn đến các loài hiện tại (các dạng phức tạp hơn xuất phát từ các dạng đơn giản). Lamarck công bố học thuyết tiến hóa của ông vào năm 1809: không còn nghi ngờ gì nữa, tạo hóa tạo ra mọi vật từng tí một và nối tiếp nhau trong thời gian vô hạn định.

Giống như Aristote, Lamarck cũng sắp xếp các sinh vật thành các bậc thang, mỗi bậc gồm các dạng giống nhau. Ở dưới cùng là những sinh vật hiển vi mà ông tin rằng chúng được tạo ra liên tục bằng cách tự sinh từ các vật liệu vô cơ. Ở trên cùng của bậc thang tiến hóa là các động vật và thực vật phức tạp nhất. Sự tiến hóa phát sinh do xu hướng nội tại vươn tới sự hoàn thiện. Khi một sinh vật hoàn thiện, chúng thích nghi ngày càng tốt hơn với môi trường sống.

Lamarck cũng đã đưa ra cơ chế để giải thích làm thế nào sự thích nghi xảy ra. Chúng hợp thành từ hai quan niệm phổ biến vào thời Lamarck. Thứ nhất là việc sử dụng và không sử dụng, là quan niệm cho rằng những phần nào của cơ thể được sử dụng thường xuyên sẽ trở nên lớn hơn và mạnh hơn, trong khi những phần không được sử dụng sẽ bị thoái hoá. Thứ hai là quan niệm về sự di truyền các tính trạng tập nhiễm (inheritance of acquired characteristics). Theo quan niệm nầy, những biến đổi mà sinh vật thu nhận được trong suốt đời sống của chúng có thể di truyền được cho thế hệ sau. Thí dụ kinh điển là sự tiến hóa chiều dài cổ của hưu cao cổ. Theo quan điểm của Lamarck, tổ tiên của loài hươu nầy có cổ ngắn, có xu hướng vươn dài cổ ra để có thể chạm đến những tán lá cây là nguồn thức ăn chính của chúng. Sự thường xuyên vươn dài cổ nầy làm cho con cháu của chúng có cổ dài hơn. Vì các cá thể nầy có cổ vươn dài nên thế hệ kế tiếp sẽ có cổ dài hơn. Cứ tiếp tục như thế, mỗi thế hệ có cổ hơi dài hơn thế hệ trước đó.

Những quan niệm của Lamarck về nguyên nhân tiến hóa có thể tóm tắt như sau:

1. Một tính trạng có thể thu nhận được thông qua việc sử dụng thường xuyên, và có thể mất đi khi không được sử dụng.

2. Một tính trạng tập nhiễm (tính trạng thu được do thường xuyên sử dụng) có thể di truyền từ thế hệ nầy sang thế hệ khác. Sự mất đi một tính trạng cũng vậy.

3. Trong quá trình tiến hóa, các dạng sinh vật phát triển theo hướng ngày càng phức tạp.

4. Một lực siêu hình trong tự nhiên luôn luôn thúc đẩy quá trình tiến hóa hướng tới sự hoàn thiện.

Về cơ bản, quan niệm tiến hóa của Lamarck là đúng nhưng ông thường không được nhớ đến vì những sự kiện tiến hóa không được chứng minh đầy đủ. Nhiều thí nghiệm cho thấy các tính trạng tập nhiễm không thể di truyền được. Chỉ những thay đổi trong cấu trúc di truyền của các tế bào sinh dục mới có thể truyền từ bố mẹ đến con cái.

II. HỌC THUYẾT DARWIN

Năm 1859, Charles Darwin (1809-1882) một nhà tự nhiên học người Anh đã đưa ra một học thuyết toàn diện về nguồn gốc của loài do chọn lọc tự nhiên. Theo học thuyết nầy tất cả các sinh vật đa dạng ngày nay là kết quả của một lịch sử tiến hóa lâu dài. Tất cả các sinh vật thường xuyên thay đổi và những thay đổi nầy của mỗi loài giúp cho chúng thích nghi với môi trường sống. Một hệ quả quan trọng của học thuyết nầy là không cần phải giả định về một lực siêu tự nhiên đã sáng tạo ra các sinh vật đa dạng trên trái đất. Một trong các đặc tính chung của sinh vật là khả năng biến dị di truyền. Những biến dị nầy cung cấp nguyên liệu cho sự tiến hóa.

Học thuyết tiến hóa bằng chọn lọc tự nhiên của Darwin bao gồm ba sự kiện và hai kết luận. Sự kiện thứ nhất là khả năng sinh sản to lớn trong tự nhiên. Thí dụ: một con cá hồi đẻ từ 3 đến 5 triệu trứng, một con sò đẻ 60 triệu trứng. Thậm chí voi là một động vật sinh đẻ chậm cũng có khả năng sinh sản khổng lồ. Darwin đã nêu rõ:

Voi là một động vật sinh sản chậm nhất trong tất cả các động vật đã biết, và tôi đã gặp khó khăn để ước lượng tỉ lệ gia tăng tự nhiên thấp nhất của nó; an toàn nhất là giả định rằng nó bắt đầu sinh sản khi 30 tuổi và tiếp tục sinh sản đến 90 tuổi; nếu như thế, sau một thời kỳ từ 740 đến 750 năm, sẽ có khoảng 19 triệu voi con cháu của cặp ban đầu nầy. Sau khoảng 1200 năm, quần thể voi giả thiết nầy có thể vai kề vai, nối đuôi nhau bao phủ toàn bộ bề mặt trái đất.

Nguyên sinh vật Paramecium sinh sản với tốc độ ba lần phân chia mỗi ngày, nếu có đủ thức ăn và các cá thể con sinh ra đều sống sót thì chỉ trong vòng 5 năm sẽ tạo ra một khối lượng gấp 10 lần khối lượng của trái đất. Từ nhiều quan sát, Darwin đã kết luận rằng mỗi sinh vật có khuynh hướng sinh ra nhiều cá thể con hơn là nhu cầu để thay thế cho số cá thể bố mẹ.

Sự kiện thứ hai là mặc dù số lượng cá thể của mỗi loài có xu hướng gia tăng theo cấp số nhân, số lượng cá thể của loài được duy trì tương đối ổn định. Ở nhiều loài, có sự tăng và giảm số lượng cá thể có chu kỳ liên quan đến các mùa trong năm, thức ăn, mật độ của quần thể thú ăn thịt và con mồi... nhưng nói chung số lượng của mỗi loài vẫn duy trì ổn định.

Từ hai sự kiện trên đã đưa đến một kết luận mà Darwin gọi là đấu tranh sinh tồn (struggle for existence) bao gồm không chỉ sự sống sót của cá thể mà cả của loài. Như vậy, có một sự đấu tranh để sinh tồn giữa hàng triệu cá thể con được sinh ra từ một loài cá (giữa cá lớn và cá bé cùng loài) và giữa các loài cá khác nhau sống trong cùng một vùng cư trú.

Sự kiện thứ ba liên quan đến những biến dị cá thể xảy ra trong loài. Thật vậy, có vô số biến dị giữa các cá thể trong cùng một loài. Mặc dù thoạt nhìn thì tất cả các con bò trong một đàn đều giống nhau, nhưng nếu quan sát kỹ sẽ có thể nhận thấy những biến dị cá thể về hình dạng, kích thước, màu lông, nết na...

Từ sự kiện nầy, Darwin đã đưa ra một kết luận thứ hai quan trọng hơn: sự sống sót của các dạng thích nghi nhất dưới tác dụng của chọn lọc tự nhiên. Trong các cá thể biến dị của một quần thể, những cá thể nào có các tính trạng thích nghi nhất với môi trường sẽ có nhiều cơ hội sống sót và sinh sản, con cái cũng mang những đặc điểm biến dị đó.

Ngoài ra Darwin còn cho rằng: tất cả các động vật tương tự nhau phải tiến hóa từ một tổ tiên chung và tất cả các sinh vật phải tiến hóa từ một vài hoặc một tổ tiên chung đã sống cách đây nhiều triệu năm.

Tóm lại học thuyết tiến hóa của Darwin về chọn lọc tự nhiên dựa trên các giả định sau đây:

1. Số lượng cá thể sinh ra trong mỗi thế hệ nhiều hơn số cá thể được sống sót và sinh sản.

2. Có sự biến dị trong các cá thể làm cho chúng không hoàn toàn giống nhau về tất cả các đặc tính.

3. Trong đấu tranh sinh tồn, những cá thể mang các tính trạng có lợi sẽ có nhiều cơ hội sống sót và sinh sản hơn là các cá thể mang các tính trạng không có lợi.

4. Một số đặc điểm kết quả của sự sống sót và sinh sản có thể di truyền.

5. Tất cả các loài sinh vật đều tiến hoá từ một vài tổ tiên chung.

6. Cần có một thời gian rất lớn để cho sự tiến hóa xảy ra.

III. CÁC BẰNG CHỨNG TIẾN HÓA

1. Các đặc điểm tương đồng TOP

Một trong những căn cứ của học thuyết tiến hóa là tất cả các dạng động vật và thực vật ngày nay đều tiến hóa từ một số tổ tiên chung. Sự sống được cho rằng xuất hiện một cách ngẫu nhiên trên hành tinh nầy dưới những điều kiện lý hóa đặc biệt trong giai đoạn đầu của sự thành lập trái đất. Từ những nguyên sinh vật đầu tiên, tất cả các dạng sinh vật từ từ tiến hóa dưới tác động của chọn lọc tự nhiên. Như vậy, các quá trình sống cơ bản như sự phóng thích năng lượng, sự tổng hợp ATP, sự vận chuyển thông tin di truyền... sẽ phải giống nhau trong tất cả các sinh vật. Thí dụ trong sự hô hấp tế bào, các cytochrom tham gia vào sự dẫn truyền điện tử. Từ các nguyên sinh động vật cho đến cá voi, từ các tảo đơn bào cho đến cây Sequoia (xồi) khổng lồ chúng ta đều tìm thấy các cytochrom tham gia trong sự dẫn truyền điện tử. Trình tự các acid amin của phân tử cytochrom c từ nấm men cho đến con người dặc biệt giống nhau.

Một thí dụ khác hổ trợ cho quan điểm về tổ tiên chung của tất cả các sinh vật là cơ sở hóa học của sự truyền thông tin. Như chúng ta đã biết trong chương 8, ADN được xem là chất mang thông tin di truyền trong tất cả các sinh vật trên trái đất. Hơn nữa, thông tin di truyền trong ADN được phiên mã thành ARN và sau đó được giải mã thành trình tự của các acid amin trong phân tử protein. Mã di truyền mã hóa cho các acid amin trong dây peptid giống nhau trong tất cả các sinh vật. Các enzim tham gia vào chuyển các thông tin này cũng tương tự nhau ở tất cá sinh vật. Sự tương đồng trong quá trình truyền thông tin di truyền ở tất cả các sinh vật chứng tỏ chúng có cùng một tổ tiên chung.

Ở nhóm chân hạch, ADN luôn luôn kết hợp với các protein histon thành lập một cấu trúc gọi là thể nhân. Trình tự acid amin của các histon ở tất cả các động vật và thực vật cũng giống nhau hoặc gần giống nhau. Sự giống nhau này cũng chỉ được giải thích tốt nhất bằng cách giả định rằng tất cả các động vật và thực vật có cùng một tổ tiên chung.

2. Phôi sinh học so sánh TOP

Giai đoạn sớm

Giai đoạn giữa

Giai đoạn cuối

Cá Lưỡng thê Bò sát Chim Thú Người

Hình 1. Các giai đoạn phát triển phôi của các lớp động vật có xương sống

Các giai đoạn phát triển đầu tiên của một sinh vật thường phản ảnh quá khứ tiến hóa của nó. Thí dụ động vật có xương sống theo mức độ tiến hóa, từ cá không hàm đến cá xương, lưỡng thê, bò sát, chim và thú. Các nhóm nguyên thủy được xem là tổ tiên của các nhóm tiến bộ hơn. Quan điểm này được duy trì mặc dù cá là những động vật sống ở nước, có vây bơi và mang, trong khi bò sát trưởng thành, chim và hữ nhũ không có mang, hô hấp bằng phổi và thích nghi cao độ với đời sống ở cạn. Khi chúng ta so sánh các giai đoạn phát triển phôi của cá và của những động vật có xương sống bậc cao hơn, mối quan hệ giữa chúng trở nên rất rõ ràng (Hình 1).

Phôi của tất cả các nhóm động vật có xương sống từ cá đến hữu nhũ đều có khe mang nhưng chỉ ở cá các khe mang mới phát triển thành mang. Như vậy tại sao phôi của bò sát, chim và thú cũng có khe mang nhưng không phát triển thành mang? Ernst Heackel (1834-1919) đã cho rằng các giai đoạn phát triển phôi của những sinh vật tiến hóa hơn rút ngắn một số đặc điểm hình thái của tổ tiên chúng. Do đó phôi chim có khe mang vì tổ tiên của chim là một nhóm cá cổ. Tuy nhiên điều này không ám chỉ rằng tất cả các đặc điểm phát triển phôi đều có thể được xem là một sự rút ngắn các đặc điểm của tổ tiên. Chẳng hạn phôi của bò sát, chim và thú đều phát triển các màng ối, túi niệu và màng đệm là những cấu trúc tiến hóa mới quan trọng cho sự sống của phôi trên cạn.

3. Giải phẩu học so sánh TOP

Chúng ta hãy khảo sát cánh chim, chi trước của ếch, tay người, cánh dơi và vây ức của cá voi (Hình 2).

Chim Dơi

Cá voi Ếch Cá Người Ngựa

Hình 2. Bộ xương chi trước của một số động vật có xương sống

Chúng khác biệt rất lớn về hình thái và mỗi cơ quan này thích nghi cao độ với một phương thức sống. Tuy nhiên, những nghiên cứu về cấu trúc và sự phát triển của những cơ quan nầy cho thấy rằng chúng đều phát triển từ cùng một cơ quan sơ khai ban đầu, có cùng mối liên hệ với cơ thể và có sự tương tự về cấu tạo xương và cơ mặc dù chúng có chức năng khác biệt nhau. Các cơ quan nầy được choi là tương đồng (homologous) với nhau. Chi trước của tất cả các động vật bốn chân đều có xương cánh tay, xương tay trụ và tay quay, xương cổ tay, xương bàn tay và xương ngón tay. Xương cổ, xương bàn và xương ngón tay ở những động vật này cũng tương tự nhau mặc dù mức độ phát triển của xương có thay đổi theo loài.

Có rất nhiều thí dụ về các cấu trúc tương đồng thực hiện những chức năng khác nhau. Chẳng hạn qua phân tích sự phát triển của xương đe (incus) và xương búa (malleus) là hai trong số ba xương tai ở thú cho thấy chúng là các cấu trúc tương đồng với xương vuông (quadrate) và xương khớp (articular) của bò sát. Ở một nhóm bò sát cổ đã tuyệt chủng, những xương này nhỏ và giúp hàm dưới khớp với xương sọ, nhưng ở các bò sát khác, ở lưỡng thê và cá xương thì chúng lại dài hơn. Ở cá xương, những xương này khớp với xương hàm dưới với sọ và được xem là tương đồng với các thành phần xương hàm ở cá mập. Rõ ràng là các thành phần xương của hàm cá mập là dạng tiến hóa từ các thành phần xương của cung mang ở cá không hàm.

4. Sự tiến hóa đồng qui TOP

Khi những sinh vật không có quan hệ thích nghi với cùng nơi cư trú và cùng cách sống, chúng thường có những đặc điểm về hình thái giống nhau mặc dù cấu trúc bên trong của chúng có thể khác nhau. Trường hợp này được gọi là sự đồng qui tiến hóa (ecolutionary convergence). Thí dụ vây ức của cá xương và cá voi trông giống nhau nhưng chúng có cấu trúc rất khác nhau. Ở cá xương, vây được nâng đở bởi các tia vây, trong khi ở cá voi vây được nâng đở bởi các xương ngón. Về mặt phát triển tia vây hoàn toàn khác với xương ngón, do đó vây của hai nhóm chỉ giống nhau ở bề ngoài. Tương tự, cánh của dơi và cánh của chim có hình thái và chức năng giống nhau nhưng lại khác biệt về cấu trúc bên trong. Rắn và thằn lằn không chi (limbless lizard) thích nghi với đời sống trong hang nên các chi bị thoái hóa. Cá xương và cá voi đều có hình dạng cơ thể giúp chúng thích nghi tốt bơi lội. Những thí dụ về sự tiến hóa đồng qui cho thấy hình thái của sinh vật có thể thay đổi qua các thế hệ.

5. Sự phân bố địa lý của loài TOP

Hình 3. Các vùng phân bố địa lý trên thế giới

và một số loài thú tiêu biểu của mỗi vùng

Sự phân bố địa lý của sinh vật hiện tại cũng là những bằng chứng về sự tiến hóa. Chẳng hạn ở những hải đảo khác nhau trên thế giới người ta phát hiện ra những loài thực vật và động vật đặc hữu (những loài chỉ có ở một vùng nhất định, không tìm thấy ở bất kỳ nơi nào khác). Ngay cả ởÍ những nơi đất đai và khí hậu rất giống nhau có các loài khác nhau. Tại sao chỉ ở châu Uïc có các loài thú túi và thú đơn huyệt (hữu nhũ đẻ trứng)? Tại sao 13 loài chim sẽ do Darwin phát hiện chỉ có ở quần đảo Galapagos?

Cách giải thích hợp lý duy nhất cho sự phân bố địa lý của những sinh vật nầy là một vài cá thể là tổ tiên của quần thể hiện nay của những vùng đó. Theo thời gian chúng tiến hóa như chúng ta thấy hiện nay.

Sự phân bố địa lý của thú tuí là một trường hợp điển hình. Trong quá khứ, thú túi được phân bố khắp nơi trên thế giới (các di tích hóa thạch cho thấy điều đó). Tuy nhiên hiện nay chúng chỉ có ở châu Uïc và một số đảo lân cận. Cách giải thích cho sự sống sót và đa dạng của thú túi ở lục địa châu Uïc là do tách Châu Uïc

khỏi phần còn lại của Nam bán cầu trước khi có sự xuất hiện của các loài thú hiện nay. Do không có sự cạnh tranh của các loài thú đẻ con khác ở châu Uïc, nên thú túi ở đó đã tiến hóa thành một số lượng lớn ở nơi cư trú. Ở những nơi khác trên thế giới thú túi bị tuyệt chủng do các loài thú hiện nay cạnh tranh có hiệu quả hơn.

Sự phân bố địa lý của các động vật cho thấy rằng thế giới có thể được chia thành 5 vùng chính: vùng bắc bán cầu (holarctic) (gần cổ bắc và tân bắc), vùng đông phương (oriental), vùng tân nhiệt đới (neotropical), vùng (Ethiopian) và vùng châu Uïc (Australian). Mỗi vùng có một khu hệ động vật (fauna) riêng (Hình 3).

Bên cạnh sự xuất hiện và biến mất ngẫu nhiên của các vùng đất nối liền các lục địa, bản thân các lục địa cũng đã trãi qua những thay đổi chính trong vị trí tương đối của chúng qua hàng triệu năm. Nhiều bằng chứng cho thấy có một lúc chỉ tồn tại một dãi đất rộng lớn, về sau chúng bị vỡ ra thành các lục địa ngày nay và chúng dần dần trôi xa nhau. Học thuyết về sự trôi dạt lục địa (continetal drift) này giải thích được những điểm tương tự của một số chim không bay chỉ có ở châu Uïc, Nam Mỹ và châu Phi cũng như một số động vật không xương sống, cá nước ngọt và thực vật chỉ có ở lục địa này.

IV. VAI TRÒ CỦA PHÂN LOẠI HỌC

Quan sát, mô tả các sự kiện, hiện tượng là khởi điểm của mọi quá trình nghiên cứu tự nhiên. Trong lãnh vực nghiên cứu sự sống, người ta cũng bắt đầu bằng việc dùng các giác quan để quan sát trực tiếp, sau đó quan sát gián tiếp thông qua các công cụ khoa học, từ mô tả theo kinh nghiệm bằng những từ ngữ thông thường tiến lên mô tả có mục đích bằng các thuật ngữ khoa học. Sự phát triển của các phương pháp quan sát dẫn đến hệ quả tất nhiên là nhu cầu sắp xếp, phân loại các hiện tượng, sự kiện đã thu được. Vì vậy sinh vật học đã bắt đầu bằng phân loại học.

Thông qua việc mô tả các dạng động vật, thực vật thu thập từ nhiều nơi, vào nhiều lúc khác nhau, các nhà phân loại đã dần dần nhận thức rằng sinh giới vô cùng đa dạng ngày nay phải là kết quả của sự biến đổi về chi tiết từ một số ít dạng ban đầu. Dựa vào các đặc điểm giống nhau để sắp xếp các dạng sinh vật vào những nhóm phân loại nhỏ, lớn, các nhà phân loại đã tự phát đi tới quan nhiệm rằng các loài trong từng nhóm phân loại phải có quan hệ với nhau về nguồn gốc tự nhiên nghĩa là chúng phát xuất từ một dạng tổ tiên chung. Như vậy, thông qua chức năng sưu tầm,mô tả, sắp xếp, phân loại học đã tấn công vào quan điểm sinh vật bất biến.

Như đã đề cập ở phần trên, Carolus Linnaeus (1707-1778) là người đề xuất ra cách đặt tên đôi cho mỗi sinh vật. Mỗi loài có một tên đôi gồm hai từ (tên đôi): từ đầu chỉ giống (luôn luôn viết hoa chữ cái đầu), từ thứ hai chỉ loài (không viết hoa). Tên loài luôn luôn là tên La Tinh và được in nghiêng.

Thí dụ: Người Homo sapiens Sư từ Felis leo

Cách đặt tên này gọn gàng tiện lợi, chấm dứt tình trạng không thống nhất, tạo điều kiện cho các nhà sinh học khắp thế giới dễ dàng trao đổi với nhau, vì vậy kiểu đặt tên này vẫn được dùng cho tới ngày nay.

Linnaeus đã chia hệ thống phân loại thành 5 đơn vị, theo thứ tự từ lớn đến nhỏ là : lớp, bộ, giống, loài, thứ. Trong hệ thống phân loại của ông, lớp và bộ chỉ tương đương với họ mà ta quan niệm ngày nay. Về sau, hai khái niệm họ và ngành đã được thêm vào.

Hệ thống phân loại hiện hành gồm 7 đơn vị, từ nhỏ đến lớn là: loài (species), giống (genus), họ (family), bộ (order), lớp (class), ngành (phylum) và giới (kingdom).

Thí dụ: Giới Animalia (Ðộng vật)

Ngành Chordata (Dây sống)

Lớp Mammalia (Thú)

Bộ Primata (Linh trưởng)

Họ Homonidae (Người)

Giống Homo

Loài Homo sapiens

CHƯƠNG II

BIẾN DỊ DI TRUYỀN VÀ CHỌN LỌC TỰ NHIÊN

--- oOo ---

I. DI TRUYỀN HỌC QUẦN THỂ

1. Vốn gen (gene pool) 2. Tần số alen và tần số

kiểu gen 3. Ðịnh luật Hardy-

Weinberg II. BIẾN DỊ

1. Biến dị từ sự tái tổ hợp giới tính

2. Biến dị kiểu hình III. CHỌN LỌC TỰ

NHIÊN VÀ SỰ THÍCH NGHI 1. Sự thay đổi trong tần

số alen của cá thể 2. Các kiểu chọn lọc tự

nhiên 3. Sự thích nghi

IV. CÁC YẾU TỐ NGẪU NHIÊN TRONG TIẾN HÓA

1. Hiệu ứng cổ chai (Bottleneck Effect)

2. Hiệu ứng sáng lập (Founder Effect)

===============================================================

CHƯƠNG II

BIẾN DỊ DI TRUYỀN VÀ CHỌN LỌC TỰ NHIÊN

Sự nghiên cứu tính di truyền có liên quan đến sự truyền lại các alen của bố mẹ đến con cái. Chúng ta đều biết rằng trong hầu hết các loài, mỗi sinh vật có 2 alen trong một kiểu gen, và mỗi kiểu hình thường được xác định bởi 1 trong 2 alen đó. Dĩ nhiên, một cá thể thì không thể tiến hóa vì các đặc tính di truyền được ổn định khi sinh ra. Nhưng trong một quần thể các cá thể có khả năng giao phối với nhau, có thể tiến hóa qua thời gian. Mặc dù mỗi cá thể chỉ mang 2 alen cho mỗi đặc tính, mỗi alen nằm trên một nhiễm sắc thể của cặp tương đồng, nhưng quần thể có thể có nhiều alen khác nhau cho mỗi đặc tính.

Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu những thay đổi của các tần số alen trong quần thể, định nghĩa chính xác sự tiến hóa. Ðơn giản nhất là sự tiến hóa có thể xảy ra thông qua sự di cư hoặc sự nhập cư của các cá thể trong một quần thể. Tuy nhiên, ở đây chúng ta sẽ tập trung vào vai trò của sự biến dị và của chọn lọc tự nhiên trong tiến hóa.

I. DI TRUYỀN HỌC QUẦN THỂ

1. Vốn gen (Gene pool) TOP

Ðể hiểu sự tiến hóa như là sự biến đổi trong thành phần gen của quần thể qua các thế hệ kế tiếp, cần phải biết đôi điều về di truyền học quần thể. Những nghiên cứu của chúng ta về di truyền học cá thể đặt cơ sở trên nguyên lý về kiểu gen, là cấu trúc di truyền của một cá thể. Những nghiên cứu về di truyền của các quần thể có cơ sở theo kiểu tương tự trên nguyên lý về vốn gen, là cấu trúc di truyền của một quần thể.

Vốn gen là tổng các gen có trong tất cả các cá thể của quần thể. Nó bao gồm tổng của các alen trong tất cả các locus gen của toàn bộ các cá thể trong quần thể.

2. Tần số alen và tần số kiểu gen TOP

Như chúng ta đã biết, thông thường bộ gen của một cơ thể lưỡng bội chỉ chứa tối đa 2 alen của mỗi gen. Nhưng không có sự hạn chế như vậy trong vốn gen của một quần thể. Nó có thể chứa một số dạng alen khác nhau của một gen. Vốn gen của bất kỳ một gen nào được xác định bằng tần số các alen của gen đó trong quần thể.

Giả sử rằng một quần thể hoa dại có hai tính trạng tương phản về màu hoa. Alen A qui định hoa màu hồng trội hoàn toàn so với alen a qui định hoa màu trắng. Quần thể nầy có 500 cây gồm 5 cây hoa trắng (aa) và 495 cây hoa hồng (trong đó có 405 cây AA và 90 cây Aa). Vì đây là các cơ thể lưỡng bội nên:

-Tổng số các alen nầy trong quần thể là 500 x 2 = 1000

- Số alen A là ( 405 x 2 ) + ( 90 x 1) = 900

- Số alen a là ( 5 x 2 ) + ( 90 x 1) = 100

Như vậy tần số alen A và a trong vốn gen của quần thể nầy là 0,9 và 0,1. Liên quan đến tần số của các alen là tần số của các kiểu gen. Trong quần thể giả định trên, tần số của các kiểu gen là: AA = 0,81 (405/500), Aa = 0,18 (90/500) và aa = 0,01 (5/500).

Nếu tần số của các alen nầy thay đổi theo thời gian thì sự thay đổi nầy sẽ là sự tiến hóa. Vì vậy, có thể xác định các nhân tố nào gây ra sự tiến hóa bằng cách xác định những nhân tố nào có thể tạo ra một sự thay đổi trong tần số alen.

Chúng ta hãy khảo sát cẩn thận quần thể trên. Làm thế nào có thể tính toán tần số của các kiểu gen sẽ hiện diện trong quần thể nầy ở thế hệ tiếp theo? Nếu chúng ta giả định rằng quần thể là lớn và tất cả các kiểu gen đó có cơ hội sống sót như nhau thì sự tính toán nầy không khó thực hiện. Vì tần số của A trong toàn bộ quần thể là 0,9 và tần số của a là 0,1, các alen có trong trứng và tinh trùng cũng sẽ xuất hiện với những tần số nầy. Sử dụng thông tin nầy, chúng ta có thể thiết lập một khung Punnett:

Tinh trùng

0,9 A 0,1 a Trứng 0,9 A 0,81 AA 0,09 Aa

0,1 a 0,09 Aa 0,01 aa

Cần lưu ý rằng trong thực tế tinh trùng và trứng không phải chỉ được tạo thành từ một cá thể đực và một cá thể cái mà chúng được tạo ra bởi tất cả các cá thể đực và cái trong quần thể. Kết quả cho thấy tần số của kiểu gen đồng hợp trội (AA) trong thế hệ kế tiếp của quần thể sẽ là 0,81, tần số của kiểu gen dị hợp (Aa) là 0,18 và tần số của kiểu gen đồng hợp lặn (aa) là 0,01. Bây giờ chúng ta muốn biết trong trường hợp nào tần số mà chúng ta đã tìm sẽ thay đổi trong các thế hệ kế tiếp.Nói ngắn gọn là khi nào thì quần thể sẽ tiến hóa.

3. Ðịnh luật Hardy-Weinberg TOP

Từ trường hợp đặc biệt của quần thể hoa dại nêu trên, ta có thể rút ra một công thức tổng quát để tính toán tần số của các alen và các kiểu gen trong quần thể ở trạng thái cân bằng:

p2 + 2pq + q2 = 1

Trong đó p là tần số của alen A và q là tần số của alen a (p + q luôn luôn bằng 1)

Chẳng hạn tần số kiểu gen trong vốn gen ở thế hệ thứ hai trong quần thể giả định của chúng ta sẽ là p2 = 0,81, 2pq = 0,18, và q2 = 0,01. Chúng ta có thể dùng công thức trên để tính tần số của alen A và a trong thế hệ nầy.

Vì q2 = 0,01 nên q = 0,1 và p = 1 - q = 0,9

Chúng ta thấy rằng tần số của alen A và a trong thế hệ này là 0,9 và 0,1, bằng với tần số thế hệ trước.

Vì tần số của các alen không đổi, tần số kiểu gen trong thế hệ kế tiếp cũng sẽ là 0,81, 0,18, 0,01; và tần số alen sẽ là 0,9 và 0,1. Chúng ta có thể tiến hành tính toán tương tự cho các thế hệ tiếp theo, luôn luôn cho ra cùng kết quả: tần số kiểu gen và tần số alen sẽ không đổi. Vì vậy, trong các quần thể đủ lớn, các biến dị được duy trì. Hơn nữa, sự tiến hóa chỉ có thể xảy ra khi có những tác động làm xáo trộn cân bằng di truyền. Ðiều nầy được ghi nhận lần đầu tiên vào năm 1908 bởi G. H. Hardy và W. Weinberg.

Theo định luật Hardy-Weinberg, trong các quần thể sinh sản hữu tính cả tần số kiểu hình và tần số alen duy trì không đổi từ thế hệ nầy sang thê úhệ khác dưới những điều kiện ổn định.

Chúng ta hãy khảo sát những điều kiện mà định luật Hardy-Weinberg phải có nếu vốn gen của một quần thể ở trạng thái cân bằng di truyền. Chúng bao gồm:

(1) Quần thể phải đủ lớn để một tác động ngẫu nhiên không thể làm biến đổi tần số alen có ý nghĩa.

(2) Không xảy ra đột biến hoặc có sự cân bằng đột biến.

(3) Không có sự di cư hoặc nhập cư làm thay đổi tần số alen trong quần thể.

(4) Sự giao phối phải hoàn toàn ngẫu nhiên theo kiểu hình.

(5) Sinh sản phải hoàn toàn ngẩu nhiên

Ðịnh luật Hardy-Weinberg chứng minh rằng tính biến dị và tính di truyền, hai cơ sở của chọn lọc tự nhiên, không thể một mình gây ra sự tiến hóa. Mặc dù có biến dị và di truyền, nếu cả 5 điều kiện của định luật được thỏa, tần số của alen sẽ không thay đổi và sự tiến hóa không thể xảy ra. Nhưng trong thực tế, những điều kiện nầy không bao

giờ hoàn toàn thỏa và vì vậy sự tiến hóa xảy ra. Giá trị hiện nay của định luật Hardy-Weinberg là nó cung cấp cơ sở để xem xét các dữ liệu từ các quần thể thật sự. Bằng cách xác định các tiêu chuẩn cho cân bằng di truyền, nó cũng chỉ rõ khi nào quần thể không cân bằng và giúp để tách riêng các tác nhân của tiến hóa. Khi chúng ta xem lại mỗi nhân tố, chúng ta sẽ thấy nhân tố nào là quan trọng hơn.

Với điều kiện thứ nhất, một quần thể sẽ phải lớn vô hạn để sự ngẫu nhiên không thể là một yếu tố gây ra sự biến đổi tần số alen. Dĩ nhiên, trong thực tế không có quần thể nào lớn vô hạn, nhưng có nhiều quần thể tự nhiên đủ lớn để một tác động ngẫu nhiên không thể gây ra sự biến đổi các tần số alen trong vốn gen của chúng. Một quần thể với hơn 10.000 cá thể ở độ tuổi sinh sản có lẽ không bị ảnh hưởng có ý nghĩa bởi sự thay đổi ngẫu nhiên. Nhưng tần số alen trong các quần thể nhỏ, có ít hơn 100 cá thể ở độ tuổi sinh sản thì có thể chịu ảnh hưởng nhiều bởi các dao động ngẫu nhiên, dễ dàng dẫn đến sự mất một alen trong vốn gen ngay cả khi nó là một alen thích nghi cao. Khi không có sự di nhập gen hoặc sự đột biến, một alen như thế sẽ bị mất vĩnh viễn.

Ðiều kiện thứ hai (không có đột biến cũng như không có cân bằng đột biến) hiếm thấy trong các quần thể. Ðột biến luôn luôn xảy ra. Hầu hết các gen đột biến một lần trong 1 triệu đến 100 triệu lần sao chép. Tần số đột biến ở các gen khác nhau thay đổi rất lớn. Sự cân bằng đột biến rất hiếm: số lượng đột biến thuận trong một đơn vị thời gian ít khi bằng số lượng đột biến nghịch. Kết quả của sự khác biệt nầy là một áp lực đột biến (mutation pressure) có khuynh hướng gây ra một sự thay đổi chậm các tần số alen trong quần thể. Các alen bền vững sẽ có khuynh hướng tăng tần số, và các alen dễ bị đột biến có khuynh hướng giảm tần số trừ phi một vài nhân tố khác cân bằng áp lực đột biến. Mặc dù áp lực đột biến luôn luôn hiện diện, nó hiếm khi là một nhân tố chính tạo ra những thay đổi trong tần số alen của quần thể trong một giai đoạn ngắn.

Theo điều kiện thứ ba cho sự cân bằng di truyền, một vốn gen không thể nhận các loài nhập cư từ các quần thể khác để đưa vào các alen mới hoặc làm tăng tần số các alen đã có, và cũng không có sự di cư làm thay đổi tần số alen. Tuy nhiên, ở một số lớn các quần thể tự nhiên, có lẽ ít nhất có một lượng nhỏ các gen di cư, gọi chung là dòng gen (gene flow), và nhân tố nầy có khuynh hướng làm tăng biến dị, phá vỡ cân bằng Hardy-Weinberg và dẫn đến sự tiến hóa. Sự tiến hóa như thế - nghĩa là một thay đổi trong tần số alen, ít nhất trong một giai đoạn ngắn, không cần có chọn lọc tự nhiên. Nhưng có những quần thể xác định (chẳng hạn những quần thể trên những đảo xa hoặc trong những vùng cách ly dân cư) không có dòng gen hoặc có dòng gen nhưng xác suất không đáng kể là một nhân tố làm thay đổi tần số alen. Vì vậy chúng ta có thể kết luận rằng điều kiện thứ ba cho sự cân bằng di truyền thỉnh thoảng gặp trong tự nhiên.

Hai điều kiện cuối cùng cho sự cân bằng gen trong một quần thể là sự giao phối và sự sinh sản hoàn toàn ngẫu nhiên. Trong một số rất lớn các nhân tố tác động đến sự giao phối và sự sinh sản là sự lựa chọn cá thể giao phối, hiệu quả vật chất và tần số của quá trình giao phối, sự thành thục, tổng số hợp tử được tạo ra trong mỗi lần giao phối, % các hợp tử phát triển thành phôi và được sinh ra, sự sống sót đến độ tuổi sinh sản, sự thành thục của các cá thể con, và ngay cả sự sống sót của các cá thể trưởng thành sau sinh sản khi sự sống sót của chúng ảnh hưởng đến cơ hội sống sót cũng như hiệu quả sinh sản của các cá thể con. Ðể cho sự giao phối và sự sinh sản thích hợp là hoàn toàn ngẫu nhiên, phải có sự độc lập của kiểu gen để chọn lọc tự nhiên không thể tiến hành. Ðiều kiện nầy có lẽ không bao giờ gặp trong các quần thể thật sự. Như vậy, chọn lọc tự nhiên luôn luôn tác động trên quần thể, luôn luôn có áp lực chọn lọc (selection pressure) tác động làm phá vỡ sự cân bằng Hardy-Weinberg và gây ra sự tiến hóa ngay cả khi chọn lọc giữ vai trò đơn giản là giới hạn tần số của các đột biến có hại.

Tóm lại, năm điều kiện cần thiết để đạt sự cân bằng di truyền được mô tả bởi định luật Hardy-Weinberg liên quan đến năm nhân tố có thể tác động trong sự tiến hóa. Thứ nhất, sự biến động di truyền, thường quan trọng trong các quần thể nhỏ và không cần có sự chọn lọc tự nhiên. Thứ hai, sự đột biến, luôn luôn tác động, nhưng trong một thời gian ngắn thường ít có ý nghĩa. Giống như biến động di truyền, sự đột biến là độc lập với chọn lọc tự nhiên, ít nhất là ở giai đoạn đầu. Thứ ba, sự di và nhập cư, phụ thuộc không chỉ vào lịch sử của quần thể mà còn vào môi trường vật chất, tạo thuận lợi cho việc di chuyển giữa các quần thể. Vì vậy, sự di và nhập cư cũng có thể ảnh hưởng đến sự tiến hóa không nhất thiết phải có chọn lọc tự nhiên. Thứ tư và thứ năm, áp lực của chọnlọc tự nhiên do giao phối không ngẫu nhiên và do biến dị trong sinh sản, luôn luôn quan trọng trong lịch sử tiến hoá của một loài, mặc dù kiểu hình nào là đối tượng của áp lực chọn lọc tự nhiên phải được xác định riêng rẽ cho mỗi quần thể.

II. BIẾN DỊ

1. Biến dị từ sự tái tổ hợp giới tính TOP

Một quần thể bao gồm nhiều cá thể. Rất hiếm có hai cá thể trong quần thể giống hệt nhau. Tuy những biến dị nầy ít được nhìn thấy bằng mắt thường, nó vẫn tồn tại trong tất cả các loài.

Như vậy, các cá thể của một quần thể dù có cùng một số đặc điểm quan trọng nhưng chúng vẫn khác nhau theo nhiều cách, một số rõ nét, một số tinh vi hơn. Nếu có sự chọn lọc đào thải một số dạng biến dị nào đó trong quần thể và giữ lại những biến dị khác, tất cả thành phần của quần thể đó sẽ biến đổi theo thời gian.

Biến dị phát sinh từ 3 nguồn chính: trao đổi chéo (crossing over) trong giảm phân, sự tổ hợp giữa hai giao tử đơn bội (sinh sản hữu tính) và sự đột biến. Hai quá trình đầu không dẫn đến sự tạo thành alen mới mà là sự tái tổ hợp các alen đã có. Sự đột biến, bao gồm các đột biến điểm cũng như tái tổ hợp exon tỉ lệ lớn, là nguồn tạo các alen hoàn toàn mới.Tóm lại, các quá trình này tạo ra những alen mới, những tổ hợp mới của các alen và cung cấp biến dị di truyền, dựa vào đó chọn lọc tự nhiên có thể tác động để tạo ra sự biến đổi trong các quần thể.

2. Biến dị kiểu hình TOP

Mặc dù chúng ta đã nhấn mạnh tầm quan trọng của biến dị trong tiến hóa, vẫn có một vài loại biến dị không liên quan với sự chọn lọc. Chọn lọc tự nhiên chỉ có thể tác động lên biến dị di truyền khi nó được biểu hiện ra kiểu hình. Một alen lặn hoàn toàn không ở trong điều kiện đồng hợp sẽ hoàn toàn tránh khỏi tác động của chọn lọc tự nhiên, chỉ có biến dị ảnh hưởng đến cách thức hoạt động của cơ thể là chịu tác động của chọn lọc.

Một trường hợp khác là bất cứ biến dị kiểu hình nào trong một quần thể đều có thể làm phát sinh sự phân hóa sinh sản giữa các cá thể, dù biến dị đó có hay không có phản ánh những sự khác biệt di truyền tương ứng. Như vậy các biến dị phát sinh do tác động của những điều kiện môi trường khác nhau trong sự phát triển, do bệnh hoặc các tai nạn, là đối tượng của chọn lọc tự nhiên. Nói chung, sự chọn lọc như vậy không có ảnh hưởng trên toàn bộ yếu tố di truyền của quần thể: không có mối tương quan nào giữa các alen của một cá thể và các hiện tượng ngẫu nhiên làm nó giảm độ sống sót và khả năng sinh sản. Tuy nhiên, có những trường hợp trong đó sự ngẫu nhiên có thể gây ra sự tiến hóa. Thí dụ, nếu có một quần thể nhỏ và trong quần thể một alen hiếm bị mất đi do một tai nạn thì tần số gen sẽ thay đổi. Chúng ta sẽ đề cập trở lại vai trò của sự ngẫu nhiên trong quần thể nhỏ trong phần sau của chương nầy.

Các kiến thức di truyền học hiện nay chỉ rõ rằng sự phát triển thể lực do rèn luyện thường xuyên, sự phát triển năng lực trí tuệ do giáo dục hoặc sự duy trì sức khỏe do khẩu phần đúng và sự trị liệu cấp thời bịnh tật bằng thuốc men không thể làm biến đổi các gen trong các tế bào sinh dục. Các giao tử sẽ mang cùng thông tin di truyền cho tới sau khi sinh. Tóm lại, sự chọn lọc tác động trên những sự biến dị chỉ do rèn luyện, giáo dục, dinh dưỡng, thuốc men không thể mang lại sự tiến hóa sinh học.

Tương tự, biến dị phát sinh do các đột biến soma cũng không phải là nguyên liệu cho sự tiến hóa cơ thể. Ðột biến trong tế bào dinh dưỡng không thể làm biến đổi các gen trong tế bào sinh dục (là những tế bào sản sinh giao tử). Vì vậy sự chọn lọc tác động trên những biến dị phát sinh do đột biến dinh dưỡng không thể dẫn đến tiến hóa ở những sinh vật sinh sản hữu tính.

III. CHỌN LỌC TỰ NHIÊN VÀ SỰ THÍCH NGHI

1. Sự thay đổi trong tần số alen của cá thể TOP

Trở lại quần thể giả định, trong đó tần số ban đầu của các alen A và a là 0,9 và 0,1 và các tần số kiểu gen là 0,81 , 0,18 và 0,01. Theo định luật Hardy-Weinberg, nếu thiếu 1 trong 5 yếu tố của tiến hóa, các tần số nầy sẽ không thay đổi theo thời gian. Bây giờ chúng ta hãy khảo sát nhân tố quan trọng nhất trong sự tiến hóa là áp lực chọn lọc.

Giả sử rằng chọn lọc tác động chống lại kiểu hình trội và áp lực chọn lọc nầy làm giảm tần số alen A trong thế hệ hiện tại từ 0,9 còn 0,8 trước khi sự sinh sản xảy ra (dĩ nhiên sẽ có một sự gia tăng tương ứng trong tần số của alen a

từ 0,1 lên 0,2 trong số các cá thể còn sống sót, vì tổng của hai tần số phải bằng 1). Chúng ta hãy lập khung Punnett và tính tần số kiểu gen sẽ được tạo ra trong các hợp tử của thế hệ thứ hai:

Tinh trùng

0,8A 0,2a Trứng 0,8 A 0,64 AA 0,16 Aa

0,2 a 0,16 Aa 0,04 aa

Chúng ta thấy rằng tần số kiểu gen của các hợp tử trong thế hệ thứ hai khác biệt so với tần số trong thế hệ bố mẹ; thay vì là 0,81 , 0,18 và 0,01 thì tần số bây giờ là 0,64 , 0,32 và 0,04. Nếu chọn lọc đối kháng với kiểu hình trội trong thế hệ nầy, và do đó làm giảm tần số của A, thì tần số của kiểu gen trong thế hệ thứ ba sẽ khác các tần số kiểu gen của hai thế hệ trước; tần số của AA sẽ thấp hơn và tần số của aa sẽ cao hơn. Nếu áp lực chọn lọc nầy tiếp tục trong nhiều thế hệ thì tần số AA sẽ xuống rất thấp và aa lên rất cao. Như vậy chọn lọc tự nhiên đã tạo ra một sự thay đổi từ một quần thể có 99% cá thể mang kiểu hình trội và chỉ 1% mang kiểu hình lặn thành một quần thể có rất ít kiểu hình trội và hầu hết là kiểu hình lặn. Sự tiến hóa đó từ ưu thế của một kiểu hình nầy sang ưu thế của một kiểu hình khác là kết quả của chọn lọc tự nhiên, không cần có một đột biến mới nào.

Thay cho giả định, chúng ta hãy xem một hiện tượng trong đó chọn lọc đã tạo ra một sự thay đổi tận gốc trong tần số alen. Chẳng bao lâu sau khi phát hiện ra hoạt tính kháng sinh của penicillin, vi khuẩn Staphylococcus aureus nhanh chóng kháng lại thuốc nầy. Ðể giết chết vi khuẩn, liều lượng penicillin cần sử dụng ngày càng cao. Rõ ràng là theo liều lượng càng cao của penicillin, quần thể vi khuẩn đã tiến hóa. Nhưng nhiều nghiên cứu cho thấy rằng thuốc không gây ra đột biến đề kháng mà chỉ là tác nhân chọn lọc bằng cách giết chết các vi khuẩn nhạy cảm thuốc. Rõ ràng một vài gen kháng penicillin đã hiện diện với một tần số thấp trong hầu hết các quần thể , xuất hiện từ sớm do đột biến. Do đó những cá thể có các gen kháng penicillin sẽ sống sót khi xử lý kháng sinh, chúng sinh sản và truyền lại các gen nầy trong quần thể (những cá thể nhạy cảm đã bị giết chết), thế hệ kế tiếp có tính kháng rõ rệt với penicillin. Nếu các gen nầy không có trong quần thể bị xử lý penicillin, sẽ không có cá thể nào sống sót và quần thể sẽ bị tiêu diệt.

Sự tác động của áp lực chọn lọc không có nghĩa là các đột biến mới không thể làm tăng sức đề kháng. Thực vậy, nếu tiếp tục chọn lọc với penicillin sức đề kháng tăng đều đặn mà chắc chắn là do sự sống sót của các cá thể có các đột biến mới làm tăng sức đề kháng. Nhưng ở đây hoàn toàn là sự ngẫu nhiên : trong môi trường chứa penicillin đột biến có lợi nầy xuất hiện và được chọn lọc giữ lại; các đột biến tương tự cũng xuất hiện với cùng tỉ lệ khi không có penicillin, nhưng không được chọn lọc để đối phó với kháng sinh nầy.

Sự tiến hóa của tính kháng thuốc ở vi khuẩn hoàn toàn không thể so sánh với sự tiến hóa ở sinh vật sinh sản hữu tính, bởi vì chọn lọc có thể làm thay đổi tần số gen rất nhanh ở sinh vật vô tính đơn bội hơn ở sinh vật hữu tính. Sự tái tổ hợp trong mỗi thế hệ của loài hữu tính thường tái lập các kiểu gen đã bị loại bỏ trong thế hệ trước (điều nầy không xảy ra ở những sinh vật vô tính). Tuy nhiên, dù áp lực chọn lọc rất nhỏ cũng có thể tạo ra sự thay đổi lớn trong tần số gen của quần thể sinh sản hữu tính có thời gian sinh trưởng ngắn (Thí dụ: ruồi dấm có 30 thế hệ /năm).

2. Các kiểu chọn lọc tự nhiên TOP

a.Chọn lọc định hướng của những tính trạng đa gen

Chúng ta đã thảo luận những trường hợp lý tưởng bao gồm chỉ hai kiểu hình riêng biệt được xác định bởi 2 alen của 1 gen. Nhưng trong thực tế, một số lớn các đặc tính chịu tác động của chọn lọc tự nhiên bị chi phối bởi nhiều gen khác nhau, mà phần lớn các gen nầy có nhiều alen trong quần thể; hơn nữa, sự biểu hiện của nhiều đặc tính chịu ảnh hưởng rõ rệt của điều kiện môi trường. Bởi vậy, những đặc tính như chiều cao- thường thay đởi liên tục trên một giới hạn rộng. Khi biểu diễn bằng đồ thị, sự phân bố tần số thường có dạng đường cong hình chuông (Hình 1).

Nếu điều kiện môi trường thay đổi, tạo ra một sự biến đổi của áp lực chọn lọc, đường cong của biến dị kiểu hình cũng thay đổi do sự thay đổi tần số alen. Ðể minh họa điều nầy, ta hãy giả sử rằng những điều kiện làm một cây tăng trưởng tốt nhất được xác định về mặt di truyền. Trường hợp nầy được minh họa ở hình 2. Ðường cong thứ nhất

(Hình 2A) chỉ ra lượng mưa hàng năm mà một số cây trong một quần thể tăng trưởng tốt nhất. Lượng mưa trung bình ở vùng của quần thể nầy là 40cm, được chỉ bởi mũi tên 1, dù nó sẽ biến đổi quanh giá trị trung bình từ năm nầy sang năm khác.

Quần thể có rất ít cây (S) tăng trưởng tốt nếu lượng mưa hàng năm khoảng 32cm và tương tự (W) nếu lượng mưa hàng năm là khoảng 48cm. Những cây tăng trưởng tốt khi lượng mưa hàng năm khoảng 36cm (T) hoặc 44cm (V) là khá phổ biến trong quần thể. Sự đa dạng kiểu hình nầy được duy trì do sự thay đổi quanh trị số trung bình, đến nổi ở những năm khô hạn bất thường, chẳng hạn, nhóm cây S sẽ có lợi. Vì vậy mỗi năm sẽ có sự chọn lọc cho một kiểu hình cực thuận, nhưng sự cực thuận cũng thay đổi. Vì lượng mưa trung bình là 40cm nên các cây U thích nghi nhất trong thời kỳ dài và vì vậy chúng là dạng phổ biến nhất.

Hình 2. Sự thay đổi của một quần thể thực vật giả định đáp ứng với chọn lọc định hướng do sự thay đổi lượng mưa

Giả sử rằng lượng mưa trung bình hàng năm trong vùng nầy tăng chậm qua nhiều năm đến khi đạt 44 cm (mũi tên 2). Trong điều kiện môi trường mới nầy, các cây V (tăng trưởng tốt nhất khi lượng mưa hàng năm khoảng 44 cm) sẽ mọc tốt hơn trước đó; chúng có thể sống sót nhiều hơn và sinh sản, tần số của chúng sẽ tăng. Tương tự, các cây W (tăng trưởng tốt nhất khi lượng mưa hàng năm khoảng 48 cm) bây giờ tăng trưởng tốt hơn trước kia và tần số của chúng cũng tăng hơn trước. Ngược lại các cây T và U sẽ không tăng trưởng tốt như trước, tần số của chúng sẽ giảm. Còn các cây S, chỉ có một ít sống sót khi lượng mưa hàng năm khoảng 40 cm, bây giờ thích nghi kém đến nỗi không cá thể nào có thể sống sót. Những sự thay đổi tần số nầy, được tạo ra do chọn lọc, sẽ tạo ra một đường cong mới như ở hình 2B.

Nếu lượng mưa hàng năm tiếp tục tăng qua nhiều năm đến khi đạt 48 cm (mũi tên 3), các cây W và X sẽ tăng tần số, các cây U và V giảm tần số và các cây T biến mất. Những thay đổi nầy tạo ra đường cong ở hình 2C. Nếu lượng mưa hàng năm từ từ tăng đến 52 cm (mũi tên 4), nó sẽ tạo ra sự thay đổi nữa trong tần số, tạo ra đường cong ở hình 2D.

Như vậy, sự thay đổi của điều kiện môi trường đã dẫn đến sự chọn lọc định hướng (directional selection) làm cho quần thể tiến hóa theo một hướng chức năng riêng. Nếu quần thể không có đủ các biến dị di truyền để có khả năng thay đổi khi môi trường biến đổi thì nó sẽ bị suy giảm, thậm chí bị tuyệt diệt. Trước khi lượng mưa trung bình

bắt đầu tăng, đã có sự chọn lọc hàng năm theo một hướng này hoặc hướng khác, tuỳ thuộc vào lượng mưa năm đó nhỏ hay lớn hơn mức bình thường. Ðiều nầy dẫn đến sự phân bố của các cây quanh lượng mưa trung bình 40cm mỗi năm.

* Sự tạo thành kiểu hình mới thông qua chọn lọc tự nhiên

Cần lưu ý rằng trong quần thể thực vật giả sử trên, sự chọn lọc định hướng không làm chuyển dịch đỉnh của đường cong về bên phải, như có thể xảy ra khi sự biến dị của vốn gen rất nhỏ. Thay vào đó, chúng làm toàn bộ đường cong - cả hai biên cũng như đỉnh - chuyển dịch về bên phải. Sự chuyển dịch nầy thật sự lớn đến nổi mà một lớp thực vật (X) không có trong quần thể ban đầu trở thành lớp lớn nhất. Nhưng vấn đề là nếu các cây X, Y, Z không có từ trước, làm thế nào chúng xuất hiện trong các quần thể con cháu ? Một khả năng là, hoàn toàn do ngẫu nhiên, một số gen mới hoặc alen xuất hiện làm cho các cá thể có mang chúng tăng trưởng tốt hơn trong những vùng ẩm ; những gen mới hoặc alen nầy sẽ chịu tác động mạnh mẽ của chọn lọc và sẽ lan ra nhanh chóng trong quần thể. Nhưng nếu độ ẩm ảnh hưởng đến nhiều gen khác nhau, các kiểu hình mới như X,Y,Z có thể xuất hiện mà không cần đến các biến dị di truyền mới, đơn giản là do gia tăng phân ly tần số của những alen đã có sẵn, sau đó chúng sẽ xuất hiện chung với nhau nhiều hơn và tạo ra một kiểu hình mới. Như vậy, sự tái tổ hợp và sự chọn lọc, ngay cả khi vắng các alen mới, có thể tạo ra kiểu hình mới bằng sự tổ hợp các gen cũ theo cách mới, tạo ra các tổ hợp mới.

b. Chọn lọc đứt đoạn (disruptive selection)

Ðôi khi một đặc điểm đa gen của một quần thể là đối tượng để hai (hay nhiều) áp lực chọn lọc định hướng tác động đến hai cực của đường cong phân bố. Giả sử một quần thể chim có nhiều biến dị về chiều dài mỏ. Giả sử thêm là khi điều kiện thay đổi, sự cung cấp thức ăn tốt cho những con chim có mỏ ngắn nhất và dài nhất tăng lên, nhưng lại giảm đối với chim có chiều dài mỏ trung bình. Ðiều này có thể xảy ra nếu quần thể thực vật sinh ra trái cây thích hợp cho chim có mỏ trung bình bắt đầu suy giảm hoặc nếu có một loài đã di cư đến cạnh tranh có hiệu quả những trái cây nầy vào mùa thu hoạch. Kết quả của sự chọn lọc nầy, trước mắt sẽ phân chia quần thể thành hai kiểu riêng biệt, một có mỏ ngắn và một có mỏ dài. Hoạt động phối hợp của hai áp lực ngược hướng sẽ làm đứt đoạn đường cong của kiểu hình trong quần thể; vì vậy loại chọn lọc nầy được gọi là chọn lọc đứt đoạn (hay chọn lọc phân ly).

Thí dụ quan trọng nhất của sự chọn lọc đứt đoạn là hiện tượng lưỡng hình giao tử : noãn lớn và tinh trùng (hoặc hạt phấn) nhỏ. Nếu chúng ta giả sử rằng tất cả các giao tử lúc đầu đều có cùng kích thước, như vẫn còn thấy ở nhiểu loài nguyên thủy, giao tử nào hơi lớn hơn sẽ tăng khả năng sống của hợp tử do cung cấp nhiều thức ăn hơn làm nguyên liệu phát triển ban đầu. Ðồng thời những sinh vật sản sinh các giao tử nhỏ cũng có lợi về mặt sinh sản vì chúng tạo ra nhiều giao tử với cùng một lượng thức ăn, do đó chúng gia tăng số lượng trong sự cạnh tranh với những sinh vật khác. Hơn nữa, các giao tử nhỏ hơn có thể bơi nhanh hơn, ít bị cản trở. Dĩ nhiên chọn lọc phải ngăn ngừa sự phối hợp giữa giao tử nhỏ và nhỏ vì hợp tử được tạo thành sẽ có quá ít thức ăn để cạnh tranh có hiệu quả. Nếu tình huống được chấp nhận rộng rãi nầy là đúng thì tất cả những sự đa dạng của giới tính-hình thái, sinh lý, và tập tính có thể là kết quả của chọn lọc đứt đoạn.

c. Chọn lọc kiên định (stabilizing selection)

Hình 3. Các hình thức chọn lọc tự nhiên

Thông thường, khi một tính trạng đa gen trong một quần thể là đối tượng cho hai hoặc nhiều áp lực chọn lọc ngược hướng tác động đồng thời, áp lực chọn lọc chống lại hai cực của đường cong phân bố, chẳng hạn cây quá cao bị tác động của gió mạnh hoặc các cây cùng loài quá thấp bị che sáng bởi các cây khác nên thiếu ánh sáng mặt trời cần thiết. Tương tự, những cơn bão bất thường mùa đông thường giết chết một số chim quá lớn hoặc quá nhỏ trong quần thể. Khi chọn lọc tác động chống lại các cá thể ở hai đầu tận cùng của đường cong phân bố cho một tính trạng đa gen , quá trình nầy được gọi là sự chọn lọc kiên định (Hình 3).

Chọn lọc kiên định diễn ra liên tục, tác động trên một qui mô lớn hơn qui mô của một đặc tính, kết quả là nó đóng vai trò cực kỳ quan trọng. Mỗi loài, trong quá trình tiến hóa của nó, có một nhóm gen tương tác rất chính xác trong việc điều khiển các quá trình phát triển, sinh lý, sinh hóa giúp cho loài tồn tại liên tục. Phá vỡ sự tương tác nầy thường dẫn đến sự tuyệt diệt của loài. Nhưng trong một quần thể sinh sản hữu tính, các nhóm alen có khuynh hướng bị phân tán và các nhóm mới được thành lập do sự tái tổ hợp xảy ra khi mỗi thế hệ sinh sản. Phần lớn các nhóm mới nầy ít thích nghi hơn những nhóm ban đầu (mặc dù một ít trường hợp có thể là thích nghi hơn). Một số lớn các biến dị di truyền mới có khuynh hướng làm gián đoạn hơn là tăng cường sự thành lập mối liên hệ hài hòa giữa các gen. Vì vậy, nếu không được kiểm tra, các tác động như sự tái tổ hợp và đột biến ngẫu nhiên sẽ có xu hướng phá hủy các nhóm di truyền trong các thành viên của quần thể. Sự chọn lọc loại trừ tất cả ngoại trừ các tổ hợp di truyền thích hợp, chống lại sự gián đoạn, làm tan rã xu hướng tái tổ hợp, đột biến, là nhân tố chính để duy trì sự ổn định ở những nơi có xáo trộn.

3. Sự thích nghi TOP

Trong sinh học tính thích nghi là một đặc tính di truyền được kiểm soát để làm tăng độ thích ứng của một sinh vật. Ðộ thích ứng (Fitness) là một thành phần di truyền của một cá thể (hoặc của một alen hay một kiểu gen) có thể truyền lại cho thế hệ tiếp theo. Vì vậy, tính thích nghi là một đặc tính làm tăng cơ hội để một sinh vật truyền lại các gen của nó, bằng sự sinh con cháu. Tính thích nghi thường làm tăng sự sống sót trước khi sinh sản và không cần thiết làm tăng sự sống sót sau khi sinh.

Tính thích nghi có thểø thuộc về cấu trúc, sinh lý, hoặc tập tính. Chúng có thể đơn giản hoặc phức tạp về mặt di truyền. Chúng có thể bao gồm các tế bào hoặc các thành phần dưới tế bào hoặc toàn bộ cơ quan hay một hệ cơ quan. Chúng có thể chuyên biệt cao, chỉ có lợi trong những hoàn cảnh rất giới hạn, hoặc chúng có thể là thông thường, có giá trị trong nhiều hoàn cảnh sống khác nhau.

Một quần thể có thể trở thành thích nghi cực nhanh với điều kiện môi trường đã thay đổi. W. B. Kemp (1937) ở trại thí nghiệm Nông nghiệp Maryland đã gieo trên đồng một hỗn hợp của cỏ và các cây họ đậu. Sau đó ông đã chia cánh đồng thành hai phần, một phần cho bò ăn, phần còn lại được bảo vệ để sản xuất cỏ khô. Ba năm sau đó, Kemp thu mẫu trên mỗi phần gồm cỏ xanh, cỏ vườn, đinh hương trắng và trồng chúng trong một khu vườn thí nghiệm nơi mà tất cả các cây được đặt trong cùng một điều kiện môi trường. Ông nhận thấy rằng các cây của cả 3 loài ở nửa

cánh đồng được chăn thả thì phát triển kém và còi cọc, trong khi 3 loài nầy thu từ nửa cánh đồng không chăn thả thì phát triển mạnh. Chỉ trong 3 năm hai quần thể của mỗi loài (giống nhau từ đầu vì một mẻ hạt được dùng cho toàn bộ cánh đồng) đã trở thành khác biệt đáng kể về mặt di truyền. Sự chăn thả bò trong nửa cánh đồng đã ăn hầu hết các cây thẳng đứng và chỉ những cây thấp sống sót và cho hột. Tóm lại, đã có sự chọn lọc chống lại những cây phát triển tốt trong nửa cánh đồng cỏ nầy và sự chọn lọc tương ứng những cây phát triển kém nhưng thích nghi cao. Ngược lại, ở nửa cánh đồng không chăn thả, các cây thẳng đứng lại thích nghi cao và các cây còi cọc không thể cạnh tranh có hiệu quả.

Những thí nghiệm để khám phá áp lực chọn lọc dẫn đến những tính trạng đặc biệt đòi hỏi sự khéo léo và bền bỉ. Nhà sinh học Hà Lan Niko Tinbergen là một trong những nhà khoa học đầu tiên đã đưa học thuyết tiến hóa vào thực nghiệm. Chẳng hạn khi Tinbergen ngạc nhiên vì sao các con chim mòng biển làm tổ dưới đất tỉ mỉ di dời các trứng bị vở ra khỏiì tổ của chúng, ông đã đề ra một loạt giải thích: có trứng bị hư phải là một nguồn bịnh, sẽ nhiễm vào các chim mới nở; các mép nhọn của vỏ trứng vở phải gây nguy hiểm cho chim non; màu trắng mặt trong của vỏ vở sẽ hấp hẫn thú ăn mồi.

Tinbergen đã giải quyết vấn đề nầy (và những vấn đề tương tự) theo hai bước: trước tiên là so sánh giữa các loài, sau đó làm thí nghiệm kiểm chứng. Bước so sánh các loài cho phép ông tách ra giả thuyết thích hợp nhất cho việc thí nghiệm. Trong trường hợp của các trứng bị hư hại, ông đã quan sát thấy rằng những con chim mòng biển kittiwake - sống trên những vách đá vì vậy gần như không bị thú ăn - không di dời các vỏ trứng bể. Vì bệnh và sự cắt của mãnh vỏ bể phải nguy hiểm cho cả hai loài chim, Tinbergen quyết định trước tiên phải kiểm chứng giả thuyết thú ăn mồi. Ông xếp một hàng tổ chim chứa trứng bình thường, và các trứng vở được đặt cách tổ chim ở những khoảng cách khác nhau. Kết quả thật rõ ràng: vỏ trứng vở gần bên gây sự chú ý của các thú ăn mồi đến tổ (Bảng 1).

Bảng 1. Giá trị sống sót của sự di dời vỏ trứng

Khoảng cách từ trứngtới vỏ trứng (cm) % trứng bị lấy đi bởi thú ăn mồi 5

15

100

200

Không có vỏ trứng

65

42

32

21

22

Với những thí nghiệm trên Tinbergen đã đưa ra những hiểu biết mới trong sự tiến hóa của tập tính thích nghi. Tuy nhiên, khi thiếu thí nghiệm kiểm chứng hoặc sự so sánh các loài, sự giải thích về tính thích nghi vẫn là những dự đoán và là các giả thuyết cho nghiên cứu.

IV. CÁC YẾU TỐ NGẪU NHIÊN TRONG TIẾN HÓA

Khi thẩy một đồng xu 1.000 lần và kết quả thu được là 700 lần xấp và 300 lần ngữa chắc chắn sẽ làm chúng ta nghi ngờ về đồng xu đó. Nhưng nếu thẩy đồng xu 10 lần thì kết quả 7 lần xấp và 3 lần ngữa là chuyện bình thường. Khi mẫu càng nhỏ thì sự sai lệch ngẫu nhiên khỏi một kết quả lý tưởng (trong trường hợp đồng xu là số lần xấp và ngữa bằng nhau) càng lớn. Sự sai lệch nầy gọi là sai số lấy mẫu (sampling error) và nó là yếu tố quan trọng trong sự di truyền của một quần thể nhỏ. Nếu một số alen được tách ngẫu nhiên khỏi một quần thể trong trường hợp quần thể có kích thước lớn thì vốn gen của quần thể trong thế hệ tiếp theo sẽ không khác biệt mấy so với quần thể ban đầu. Ngược lại nếu một quần thể có kích thước nhỏ, vốn gen của nó trong thế hệ tiếp theo có thể khác hẵn do sai số lấy mẫu. Thật vậy, các quần thể nhỏ thường có độ đồng hợp cao, trong khi các quần thể lớn thường có nhiều kiểu hình. Như vậy, các yếu tố ngẫu nhiên có thể gây ra những sự thay đổi trong các quần thể nhỏ. Sự thay đổi ngẫu nhiên tần số các alen và các kiểu gen trong một quần thể nhỏ được gọi là biến động di truyền (genetic drift). Vì biến động di truyền có thể

làm thay đổi tần số alen không phụ thuộc vào chọn lọc tự nhiên (nghĩa là không bị ảnh hưởng bởi độ thích nghi của các alen khác nhau) nên chúng thường được gọi là chọn lọc trung tính (neutral selection). Hai tình huống có thể làm cho các quần thể đủ nhỏ để biến động di truyền xảy ra là hiệu ứng cổ chai và hiệu ứng sáng lập.

1. Hiệu ứng cổ chai (Bottleneck Effect) TOP

Các thảm họa như động đất, bão lụt, hỏa hoạn... có thể giết chết hàng loạt cá thể của quần thể một cách không chọn lọc, làm giảm kích thước của quần thể một cách mạnh mẽ. Kết quả là quần thể nhỏ còn sống sót có cấu trúc di truyền khác hẳn với quần thể ban đầu. Trường hợp nầy được gọi là hiệu ứng cổ chai. Do ngẫu nhiên, một số alen sẽ gia tăng tần số, một số khác bị giảm tần số và một số alen có thể bị loại trừ hoàn toàn. Biến động di truyền có thể tiếp tục ảnh hưởng đến quần thể qua nhiều thế hệ cho đến khi quần thể khôi phục kích thước đủ lớn làm cho sai số mẫu không còn ý nghĩa (Hình 4).

Hình 4. Mô hình hiệu ứng cổ chai

2. Hiệu ứng sáng lập (Founder Effect) TOP

Các biến động ngẫu nhiên cũng tác động tương tự khi một ít cá thể tách ra khỏi quần thể đi xâm chiếm một hòn đảo, một hồ hoặc một vùng cư trú mới bị cách ly và sáng lập ra một quần thể mới. Kích thước của quần thể mới càng nhỏ thì cấu trúc di truyền của chúng càng khác biệt so với vốn gen của quần thể ban đầu. Biến động di truyền trong quần thể mới nầy được gọi là hiệu ứng sáng lập. Trường hợp rõ nhất là sự sáng lập một quần thể mới từ một con thú có thai hoặc từ một cây có hột. Nếu quần thể mới tồn tại và phát triển, các biến động ngẫu nhiên sẽ tiếp tục ảnh hưởng đến tần số các alen trong vốn gen cho đến khi quần thể đủ lớn để các sai số mẫu bị giảm tối đa.

CHƯƠNG III

NGUỒN GỐC SỰ SỐNG VÀ SỰ HÌNH THÀNH LOÀI

--- oOo ---

I. NGUỒN GỐC SỰ SỐNG

1. Sự thành lập quả đất và bầu khí quyển

2. Sự thành lập các phân tử hữu cơ nhỏ

3. Sự thành lập các polime

4. Sự thành lập các tập hợp phân tử và các tế bào sơ khai

II. NHỮNG ÐƠN VỊ CỦA QUẦN THỂ

1. Demes 2. Loài 3. Những biến đổi trong

loài III. SỰ HÌNH THÀNH

LOÀI 1. Sự hình thành loài

khác khu phân bố 2. Sự cách ly sinh sản

bên trong loài 3. Sự hình thành loài

cùng khu phân bố 4. Sự thích ứng phóng xạ

===============================================================

CHƯƠNG III

NGUỒN GỐC SỰ SỐNG VÀ SỰ HÌNH THÀNH LOÀI

Câu hỏi về nguồn gốc sự sống và sự hình thành loài có nhiều cách trả lời tùy quan điểm tôn giáo, triết học, thần thoại. Các quan điểm nầy cho rằng nguồn gốc sự sống do một nhân tố bên ngoài thiên nhiên, đấng sáng tạo. Sự đa dạng của loài là kết quả của sự phân ly, giải phóng của đấngû sáng tạo. Mãi tới hậu thế kỷ 19 mới có những giải thích có cơ sở khoa học (có thể thử nghiệm được). Ðó là thuyết tiến hóa do sự chọn lọc tự nhiên- về nguồn gốc cuả loài. Khoa học của thế kỷ XX giải thích về nguồn gốc của sự sống và sự hình thành loài như thế nào? Ðó là nội dung chính mà chúng ta sẽ tập trung thảo luận trong chương nầy.

I. NGUỒN GỐC CỦA SỰ SỐNG

Theo thuyết phát sinh của sự sống (biogenesis) thì sự sống chỉ có thể đến từ sự sống. Thí nghiệm cổ điển của Pasteur đã hổ trợ cho thuyết nầy. Công trình nầy dập tắt được tư tuởng lâu đời của các nhà khoa học lúc bấy giờ về sự tự sinh. Họ không còn cho rằng giòi trong thịt ôi từ thịt sinh ra, hay trùng đất do đất sinh ra khi trời mưa. Có một điều lạ là trong một phần tư cuối của thế kỷ 20 sự tự sinh lại là một vấn đề hấp dẫn chính trong sinh học, nhưng có sự khác biệt cơ bản giữa quan điểm hiện đại về sự tự sinh với quan điểm vào thời Pasteur. Thuyết hiện đại nầy cho rằng sự sống không thể phát sinh một cách ngẫu nhiên trong những điều kiện hiện nay trên trái đất mà sự sống đã xuất hiện một cách ngẫu nhiên từ chất vô sinh trong những điều kiện ưu tiên lúc trái đất mới được tạo ra, và từ những khởi đầu đó sự sống trên trái đất đã được tiếp nối.

1. Sự thành lập quả đất và bầu khí quyển TOP

Chúng ta không biết chắc chắn thái dương hệ được thành lập như thế nào mà chỉ có các giả thuyết. Theo một thuyết được công nhận rộng rãi hiện nay thì tuổi vũ trụ khoảng 20 tỉ năm, mặt trời và các hành tinh của nó dược thành lập cách nay 4,5 - 5 tỉ năm từ một đám mây bụi vũ trụ và khí. Những chất nầy ngưng kết lại thành một khối dầy đặc, tạo ra sức nóng và áp suất khổng lồ làm khởi đầu những phản ứng nhiệt hạch và chuyển đổi khối ngưng tụ thành mặt trời. Giữa lớp mây bụi và khí còn lại một đĩa được tạo ra trong trọng trường của mặt trời, các đám mây nhỏ hơn do sự ngưng tụ bắt đầu hình thành. Chúng trở thành các hành tinh trong đó có trái đất.

Khi trái đất sánh đặc lại, các thành phần cấu tạo của nó xếp thành lớp; những chất nặng như sắt và kền di chuyển vào giữa và những chất nhẹ hơn tập trung ở phía ngoài. Trong số những chất nhẹ đó có hydro, helium và những khí trơ tạo ra bầu khí quyển thứ nhất. Vì trái đất là một hành tinh rất nhỏ và trọng trường của nó rất yếu nên không thể duy trì bầu khí quyển nầy, do đó mà khí thoát ra vào khoảng không bỏ lại quả cầu đá trơ trọi không có nước cũng không có khí.

Rồi thời gian trôi qua, quả đất tiếp tục được nén lại và sự phân hủy các chất phóng xạ tạo ra một sức nóng khổng lồ làm cho bên trong trái đất nóng chảy. Kết quả là các lớp được thành lập với cái lõi bằng sắt và kền, ngoài là lớp áo (mantle) cấu tạo bởi silicat sắt và magnê sền sệt có chiều dầy khoảng 4.700km và ngoài cùng là vỏ (crust) dầy độ 8-65km gồm chủ yếu là các silicat nhẹ hơn (Hình 1). Sức nóng bên trong trái đất lôi cuốn các chất khí thoát ra ngoài tạo ra hoạt động núi lửa. Các khí nầy làm thành bầu khí quyển thứ hai cho quả đất.

Hình 1. Các thành phần của quả đất

Phải tìm hiểu thành phần đầu tiên của bầu khí quyển thứ hai nầy để hiểu những diều kiện xuất hiện của sự sống. Bầu khí quyển hiện nay chứa khoảng 78% nitơ (N2), 21% oxy (O2), và 0,033% thán khí (CO2), và các vết khí hiếm như helium và neon. Nhưng cho tới nay không có bằng chứng nào cho thấy bầu khí quyển đầu tiên có oxy tự do và do đó không có sự oxy hóa như bầu khí quyển hiện tại. Gần đây có hai mô hình đề nghị thành phần bầu khí quyển đầu tiên và cả hai phù hợp với giả thiết về nguồn gốc sự sống.

Theo mô hình của Oparin, bầu khí quyển đầu tiên có tính khử, có nhiều hidro (H2). Nitơ lúc bấy giờ ở dạng amôniac (NH3), oxy ở dạng hơi nước (H2O) và carbon ở dạng metan (CH4). Tia tử ngoại của ánh sáng mặt trời làm cho NH3 của khí quyển trở thành khí hidro và nitơ. Cho nên theo Oparin, trái đất có các phân tử hữu cơ (CH4) trước khi có sinh vật.

Mô hình thứ hai, dược ủng hộ nhiều hơn, cho rằng bầu khí quyển đầu tiên của trái đất gồm các khí như các khí phun ra từ các núi lửa hiện nay. Các khí đó là hơi nước, CO, CO2, N2, H2S, và H2; trong một hổn hợp như vậy hydro cyanid (HCN) và formoz (H2CO) rất dễ được tạo ra và do đó cũng có mặt trong bầu khí quyển lúc bấy giờ. Cũng giống như mô hình đầu, mô hình nầy cũng cho rằng bầu khí quyển đầu tiên không có oxy tự do, nhưng có ít hydro tự do nên nó có tính khử.

Lúc đầu phần lớn nước của trái đất có lẽ ở dạng hơi nước trong khí quyển, một điều kiện dẫn đến những trận mưa như thác đổ. Những trận mưa nầy trút xuống những chỗ thấp trên lớp vỏ của quả đất tạo ra biển đầu tiên. Sông đổ xuống theo các dốc làm hòa tan và mang theo các muối và các khoáng (đặc biệt quan trọng là sắt và uranium), tích tụ dần dần ở biển. Khí của khí quyển có lẽ cũng được hòa tan trong nước biển. Khi có oxy tự do trong khí quyển thì nó sẽ nhanh chóng bị di chuyển đi bởi các ion hòa tan trong biển.

2. Sự thành lập các phân tử hữu cơ nhỏ TOP

Nếu trái đất có bầu khí quyển nghèo oxy, và biển nguyên thủy có chứa một hổn hợp của muối, CO2, H2S, HCN, H2CO và N2 thì bằng cách nào các phân tử hữu cơ phức tạp được tạo ra? Hổn hợp hiện diện trong các biển đầu tiên có tính bền nên chúng không phản ứng với nhau để cho ra những hợp chất khác. Sự sống muốn xuất hiện thì những nguyên liệu đầu như các acid amin, các baz purin và pyrimidin là tối cần thiết. Những hỗn hợp nầy làm thế nào được tạo ra trên quả đất nguyên thủy vô sinh nầy?

Có 2 giả thiết căn bản về sự tích tụ hợp chất hữu cơ phức tạp trên quả đất thời bấy giờ.

Giả thiết thứ nhất (1990) cho rằng các thiên thể, nhiều hành tinh và các phún thạch (meteor) rất giàu các chất hữu cơ phức tạp được tạo ra trong qúa trình thành lập thái dương hệ cách nay hằng tỉ năm. Lúc ấy bầu khí quyển của quả đất nguyên thủy dầy đặc (nên làm chậm vật thể trước khi chúng chạm mặt đất) và rất nhiều thiên thể và phún xuất mà quỉ đạo của chúng xuyên qua quỉ đạo của trái đất, do đó có khoảng 106 -107 kg phân tử hữu cơ phức tạp chạm mặt đất hằng năm. Khi bầu khí quyển các thiên thể và các phún xuất trở nên thưa thớt hơn, sự tích tụ các chất hữu cơ ngoài trái đất giảm đến mức không đáng kể trong vòng 1 tỉ năm. Tổng khối lượng tích tụ trong thời kỳ nầy khoảng 2x1014 kg và 20x1012 kg; ước lượng tổng khối hữu cơ của mọi sinh vật hiện tại không hơn 6x1014 kg. Do đó có thể là quả đất nguyên thủy có sự cung ứng to lớn các phân tử phức tạp cần thiết cho sự sống mà không cần phải tổng hợp chúng từ những chất đơn giản.

Giả thiết thứ hai về nguồn gốc sự sống cho rằng không có nguồn cung cấp từ ngoài trái đất mà các chất hữu cơ phức tạp được sinh ra từ những hợp chất nhỏ có sẵn. Nếu các hợp chất hữu cơ phức tạp được tạo ra do phản ứng giữa các phân tử nhỏ, một số nguồn năng lượng bên ngoài phải tác động lên hổn hợp. Thời kỳ đầu tiên thành lập quả đất không thiếu năng lượng như thế. Một là bức xạ mặt trời bao gồm ánh sáng thấy được, tia tử ngoại, và tia X; trong đó tia tử ngoại là quan trọng nhất. Một nguồn năng lượng quan trọng thứ hai từ sấm sét. Thứ ba là sức nóng từ lõi trái đất và từ mặt trời. Còn có những nguồn năng lượng khác như tia vũ trụ, sự phân rả các chất đồng vị phóng xạ bên trong trái đất và hoạt động núi lửa, tuy nhiên vai trò của chúng trong sự tổng hợp chất hữu cơ rất ít.

Làm sao biết được tia tử ngoại, sự phóng điện, sức nóng hay sự phối hợp của các nguồn nầy có thể gây ra các phản ứng tạo nên các hợp chất hữu cơ phức tạp? Stanley L. Miller, một sinh viên sau đại học, dưới sự hướng dẫn của Harold C. Urey ở đại học Chicago

đã trả lời câu hỏi nầy năm 1953. Miller lắp đặt một dụng cụ kín khí , trong đó có một hỗn hợp của NH3, H2O, CH4 và H2 luân chuyển qua điện cực tungsten phóng điện (Hình 2).

Ông ta giữ cho các khí luân lưu liên tục trong 1 tuần lễ và kế đó phân tích chúng. Kết quả là ông đã tìm thấy rất nhiều hợp chất hữu cơ được tổng hợp trong đó có những hợp chất sinh học rất quan trọng như urê, HCN, acid acetic, acid lactic. Ðể loại bỏ khả năng các vi khuẩn nhiểm hỗn hợp và tổng hợp các hợp chất ông lặp lại thí nghiệm nhưng không cho phóng điện, năng suất lại không có ý nghĩa. Trong một thí nghiệm khác, Miller chuẩn bị thiết bị với hỗn hợp khí bên trong rồi đem khử trùng ở 130o C trong 18 giờ trước khi phóng điện, năng suất các hợp chất tạo ra lần nầy giống như thí nghiệm ban đầu; nhiều hợp chất phức tạp được tạo ra. Thí nghiệm của Miller là bằng chứng kết luận đầu tiên rằng các bước mà Oparin đặt giả thiết thật sự có thể xảy ra.

Hình 2. Hình vẽ giản lược trình bày thí nghiệm của Miller

Từ 1953 nhiều nhà nghiên cứu đã dùng hỗn hợp của những chất khí thoát ra từ núi lửa thêm hydro cyanid (HCN). Còn những người thí nghiệm với

những nguồn năng lượng khác như tia tử ngoại hay sức nóng hoặc cả hai, cũng đạt năng suất cao. Những kết quả nầy rất quan trọng, vì trên trái đất sơ khai tia tử ngoại có lẽ là nguồn năng lượng có sẵn hơn là sấm sét.

Hydro cyanid Adenin

Hình 3. Sản xuất baz nitơ vô sinh

Ðặc biệt, các acid amin được tổng hợp dễ nhất trong tất cả các thí nghiêm trong các điều kiện vô sinh lại chính là các acid amin phong phú nhất trong protein ngày nay, và baz nitơ quan trọng nhất (adenin) cũng là baz đã được tổng hợp hoàn chỉnh nhất trong điều kiện nầy (Hình 3).

Sự tổng hợp vô sinh các hợp chất hữu cơ chính của sự sống được thực hiện dưới nhiều điều kiện rất phong phú (cho dù các điều kiện trên trái đất nguyên thủy chỉ tương tự với những điều kiện của một trong hai mô hình và cho dù những phân tử ngoài trái đất không tồn tại khi chạm đất) đủ an toàn để đi đến kết luận rằng những hợp chất nầy chắc chắn đã xuất hiện và trở nên hòa tan trong nước ở biển.

Tại sao những hợp chất hữu cơ khi xuất hiện trên mặt đất xưa kia không bị tiêu hủy nhanh chóng do sự oxy hóa? Tại sao chúng không bị các vi sinh vật làm thối rửa? Vì bầu khí quyển tiền sinh không có oxy tự do và không có loại sinh vật nào nên không có sự oxyt hóa và sự thối rửa để làm thóai hóa các phân tử hữu cơ, do đó chúng có thể tích tụ trong biển hàng trăm triệu năm. Hiện nay sự tích tụ như vậy không thể có.

3. Sự thành lập các polime TOP

Hãy giả sử rằng một số hydrocarbon, các acid béo, acid amin, các baz purin và pirimidin, các đường đơn và các hợp chất hữu cơ tương đối nhỏ tích tụ từ từ trong các biển xưa. Ðiều nầy vẫn chưa đủ cơ sở để bắt đầu sự sống. Cần phải có các đại phân tử, đặc biệt là các polipeptid và các acid nhân. Làm thế nào các polime nầy được tạo ra từ hổn hợp các chất ở biển xưa? Có nhiều giả thiết đưa ra để trả lời câu hỏi nầy.

Một số tác giả nghĩ rằng nồng dộ chất hữu cơ trong biển đủ cao để có các cầu nối ngẫu nhiên giữa các phân tử nhỏ rồi qua hằng trăm triệu năm tạo ra một khối lượng các đại phân tử. Họ cũng cho rằng mặc dù mỗi phản ứng polime hóa cần có một men protein, song vào thời diểm nầy có lẽ có những hiện tượng đặc biệt và hiếm hoi xảy ra để tạo ra một sự thay đổi quan trọng.

Một số khác không đồng ý rằng chất hữu cơ trong biển xưa đầy đủ để tạo ra sự polime hóa ngẫu nhiên. Họ dề nghị cơ chế nồng độ làm tăng tốc độ phản ứng. Một trong các cơ chế đó là sự hấp phụ các hợp chất khối cấu trúc (building block) trên bề mặt như sự hấp phụ của khoáng sét. Một cơ chế khác là sự tích tụ một lượng nhỏ dung dịch hòa tan của các hợp chất nầy trong các hồ ao. Sức nóng mặt trời làm nước bốc hơi, cô đặc các chất hữu cơ và cung cấp năng lượng cho các phản ứng polime hóa. Rồi các polime nầy lại được rửa trôi ra ao hồ. Quá trình nầy tạo nguồn cung cấp các đại phân tử trong các ao. Sidney W. Fox cho thấy rằng đun nóng hổn hợp acid amin gần khô thì chắc chắn tổng hợp được polypeptid (đặc biệt nếu có phosphat hiện diện). Mặt khác sau khi cô đặc, năng lượng cần cho phản ứng polime hóa trong các ao hồ có thể do tia tử ngoại hơn do nhiệt.

Mặc dù cơ chế nồng độ có thể giữ một vai trò nhất định trong các phản ứng polime hóa tiền sinh, rất khó kết hợp các khối kiến trúc thành các polime ít ra trong trường hợp của các acid amin. Trong cả hai loại thí nghiệm của Miller và Fox, nhiều nhà nghiên cứu đã khám phá rằng polime được tạo ra đầu tiên chứ không phải các chất đơn phân.

4. Sự thành lập các tập hợp phân tử và các tế bào sơ khai TOP

Trong mô hình nguồn gốc sự sống chúng ta cho rằng trong biển xưa hay ít ra ở cửa sông hay ao hồ có một hỗn hợp của muối và các phân tử hữu cơ kể cả các polime như polipeptid và acid nucleic. Trật tự nào tiêu biểu cho sự sống phát xuất từ hổn hợp nầy?

Oparin cho rằng dưới những điều kiện thích hợp về nhiệt độ, thành phần ion và pH, chất keo của các đại phân tử có khuynh hướng tạo ra các đơn vị phức tạp gọi là các giọt coacerva. Mỗi giọt như vậy là tập hợp của các đại phân tử kị nước được ổn định bởi một lớp nước. Do đó có khoảng trống giữa các giọt với chất lỏng chứa nó. Lớp phân tử nước được định hướng làm thành màng bao quanh giọt nầy.

Bây giờ các giọt coacerva có khuynh hướng hấp phụ và kết hợp với các chất ít hay hoàn toàn ưa nước từ dung dịch xung quanh; khuynh huớng nầy đặc biệt đến nổi đôi khi giọt có thể thu hết chất nào đó trong môi trường làm cho chúng to lên. Do sự tương tác ion và ưa nước, giọt có khuynh hướng hình thành cơ cấu bên trong nghĩa là các phân tử có khuynh hướng sắp xếp lại thay vì nằm rải rác. Khi có nhiều chất kết hợp trong giọt, một màng gồm các chất hoạt động bề mặt (tương tự như phospholipid) hình thành ngay bên trong lớp phân tử nước định hướng làm cho tính thấm mặt ngoài của giọt trở nên chọn lọc hơn trước kia. Do đó dù giọt coacerva không sống theo nghĩa thông thường của từ nầy, chúng có những đặc tính của sinh vật, bảo vệ các chất hóa học bên trong đối với môi trường ngoài.

Fox, giống như Oparin, tiên đoán hệ thống tiền sinh (prebiont) dẫn đến sự thành lập tế bào đầu tiên là những giọt đa phân tử cực nhỏ, nhưng ông gọi chúng là các vi cầu dạng protein (proteinoid microsphere). Các vi cầu nầy là những giọt hình thành một cách ngẫu nhiên khi dung dịch polipeptid nóng được làm nguội lại. Vi cầu có nhiều tính chất tiêu biểu của tế bào, như trương lên trong môi trường nhược trương và co lại trong ưu trương, thành lập màng đôi

ở mặt ngoài, có chuyển động bên trong, tăng kích thước và tăng sự phức tạp, nẩy chồi trông giống như sinh sản của nấm men và có khuynh hướng kết thành chùm giống như nhiều vi khuẩn.

Cả coacerva và vi cầu đều có cơ cấu tổ chức và phân biệt với môi trường, các phản ứng hóa học xảy ra bên trong giọt không chỉ tùy thuộc vào điều kiện môi trường, mà còn tùy thuộc vào chính tổ chức của giọt. Vì có thể có những chất đậm đặc hơn trong giọt, xác xuất tham gia phản ứng tăng lên; và do tổ chức bên trong giọt, mỗi phản ứng sẽ ảnh hưởng đến các phản ứng khác với phương thức không giống như khi các chất nầy tự do trong môi trường ngoài. Tóm lại, các điều kiện đặc biệt trong giọt sẽ có tác động chọn lọc và điều hòa các phản ứng hóa học xảy ra ở đó.

Có nhiều hệ thống tiền sinh loại nầy có thể xuất hiện ở biển trên quả đất sơ khai. Có lẽ phần lớn không bền nên không tồn tại lâu, một số giọt đầu tiên chứa những hỗn hợp đặc biệt nhất là có tính xúc tác nhờ đó tạo ra sự tương tác đồng bộ giữa các phản ứng. Những giọt nầy tăng kích thước, rồi vở ra thành những giọt nhỏ hơn có thành phần và tính chất giống như những giọt ban đầu. Sau đó các giọt lại tăng trưởng và vở ra. Sự sinh sản nguyên thủy có lẽ không có sự kiểm soát của acid nhân, mặc dù chúng có thể được tổng hợp trong điều kiện vô sinh và kết hợp thành chất tiền sinh.

Giai đoạn kế tiếp là sự tiến hóa của một hệ thống kiểm soát di truyền. Sự khám phá ra men ribozim có gốc ARN xúc tác sự di dời intron dưa đến giả thiết nguyên thủy ARN có thể có 2 nhiệm vụ vừa là men vừa là chất liệu di truyền. Thật vậy, men ARNribozim tổng hợp được có thể tự sao chép một cách chậm chạp, và phức hệ 3ARN intron xuất hiện trong thiên nhiên cũng có thể tạo ra bản sao của chính nó.

Sau đó là giai đoạn tiến hóa của sự giải mã. Tuy nhiên mối tương quan giữa trình tự nucleotid trong acid nhân và trình tự các acid amin trong protein đã diễn ra như thế nào vẫn còn là một bí mật. Một số hệ thống ARN nguyên thủy có lẽ đã có khả năng xúc tác sự tổng hợp các protein sơ khai. Chìa khóa có thể nằm trong cấu trúc của

ARN. Vì ARN là một sợi đơn, các phần khác nhau của sợi có thể nối với nhau nhờ các baz bổ sung bắt cặp để tạo ra một phân tử có hình dạng xác định trong không gian ba chiều. Có lẽ nhóm R của các acid amin khác nhau thành lập các liên kết yếu gắn vào các vị trí chuyên biệt trên phân tử ARN nầy. Khi đã định vị, các acid amin có thể dễ dàng nối với nhau để thành lập một polypeptid.

Mã di truyền phải được tiến hóa rất sớm vì như đã biết hầu hết các mã di truyền giải mã các acid amin cùng loại trong tất cả sinh vật, từ vi sinh vật đến con người. Ðiều nầy có nghĩa là mã di truyền đã tiến hóa chỉ một lần. Mặt khác, biến dị cực nhỏ phải xảy ra trong suốt quá trình sống của tế bào. Tóm lại, có một hệ thống hóa học làm cơ sở cho sự bắt cặp của mã và acid amin. Mặc dù sự giải thích về hệ thống đó vẫn chưa được biết, có thể giả định rằng khi có mặt, dần dần nó làm cho sự sao chép chính xác hơn trong quá trình sinh sản và sự kiểm soát chính xác hơn qua các phản ứng hóa học xảy ra trong các giọt. Cuối cùng, có lẽ nhờ sự phiên mã ngược, DNA xuất hiện và trở thành chất mang thông tin di truyền.

Một khi hệ thống kiểm soát di truyền đã tiến hóa giúp các chất tiền sinh có thể tự sao chép, một số chất tiền sinh có những đặc tính thuận lợi đặc biệt có thể từ từ phát triển thành các tế bào đầu tiên. Nên nhớ là chắc chắn không có sự chuyển đổi đột ngột từ vô sinh đến có sự sống. Những đặc điểm gắn với sự sống đến từ từ.

Theo quan điểm được chấp nhận rộng rải nhất hiện nay, sinh vật đầu tiên xuất hiện là sinh vật sơ hạch, đơn bào và dị dưỡng. Chúng sử dụng các chất dinh dưỡng như carbohydrat, acid amin, và những hợp chất hữu cơ khác tự do trong môi trường sống. Khi các sinh vật trở nên đông đúc hơn và lấy thức ăn hiệu quả hơn, chúng bắt đầu thiếu thức ăn. Tốc độ tạo chất hữu cơ bên ngoài tế bào từ các nguyên liệu vô cơ hầu như không bao giờ đạt hiệu quả cao và cần hàng triệu năm để có tích luỹ. Do đó sự cạn kiệt càng ngày càng tăng làm cho sự cạnh tranh giữa các sinh vật cũng tăng theo. Các dạng lấy thức ăn không hiệu quả chắc chắn bị thoái hóa còn những dạng hiệu quả hơn gia tăng số lượng. Sự chọn lọc tự nhiên phát huy biến dị mới tăng cường khả năng nhận, xử lý hoặc tổng hợp thức ăn.

Ðầu tiên ở những sinh vật nguyên thủy có lẽ có tương đối ít những quá trình sinh hóa phức tạp. Chúng có thể lấy những chất cần thiết đã được xử lý. Nhưng chính những chất nầy(được xử dụng trực tiếp với rất ít thay đổi) giảm xuống nhanh chóng nhất. Do đó có sự chọn lọc các sinh vật nào có thể dùng các thức ăn khác.

Giả sử hợp chất A cần thiết cho tế bào đầu tiên có sẵn trong môi trường nhưng trở nên khan hiếm nhanh chóng. Nếu có một số tế bào có gen mã hóa cho enzim a xúc tác tổng hợp A từ một hợp chất B (có rất nhiều trong môi trường) thìì những tế bào này sẽ thích nghi hơn so với những tế bào không có gen nầy. Chúng có thể tồn tại ngay cả khi A

không còn trong môi trường bằng phản ứng sau:

Nhưng rồi nhu cầu B tự do tăng lên, và tỉ lệ xử dụng nhiều hơn tỉ lệ tổng hợp vô sinh. Vì vậy sự cung cấp B bị giảm xuống và có sự chọn lọc các tế bào nào có gen thứ hai mã hóa men b xúc tác tổng hợp chất B từ C. Những tế bào nầy không lệ thuộc vào A hay B tự do vì chúng có thể tự làm ra A và B khi có C:

Quá trình của sự tiến hóa về khả năng tổng hợp do N.H. Horowitz (Viện Kỷ thuật California) đề xuất có thể tiếp tục cho đến khi phần lớn các tế bào làm ra tất cả hợp chất phức tạp mà chúng cần bằng một chuỗi các phản ứng:

Theo cách nầy các tế bào nguyên thủy dần dần tiến hóa khả năng chuyển đổi quá trình sinh hóa phức tạp hơn.

Dường như khả năng tổng hợp xảy ra khi tế bào có cơ chế xử dụng năng lượng hóa học phóng thích do các phản ứng biến dưỡng như phân giải hidro hoặc thủy phân các hợp chất hữu cơ. Tất cả sinh vật từ vi khuẩn đến con người đều xử dụng ATP là năng lượng tiêu dùng chính do đó có ý kiến đề nghị việc xử dụng ATP là bước tiến hóa đầu tiên. Nhưng lấy gì làm bằng chứng rằng ATP có sẵn cho các sinh vật đầu tiên nầy? Hai tiền tố của ATP là adenin và đường riboz. Cả hai đều hiện diện trong acid nhân và thí nghiệm đã chứng minh rằng cả hai có thể dược tổng hợp dưới những điều kiện tiền sinh. Thật vậy trong 5 baz có nitơ của DNA và ARN, adenin là chất dễ tạo ra nhất trong những điều kiện tiền sinh trong phòng thí nghiệm. Có lẽ không phải do ngẫu nhiên, adenin là baz tìm thấy trong phần lớn các hợp chất sinh học thiết yếu (ATP, cAMP, NAD, NADP và FAD). Có lẽ ATP còn phải phối hợp phản ứng phát nhiệt và thu nhiệt một khi các tế bào nguyên thủy thực hiện các phản ứng (Hình 4).

Hình thức biến dưỡng đầu tiên dùng ATP xảy ra cách nay 3,5 tỉ năm, chắc chắn là sự lên men kị khí phổ biến ở sinh vật hiện nay. Trong 3 hệ thống cung cấp năng lượng (lên men, hô hấp và quang hợp) chỉ có sự lên men là tìm thấy ở mọi vi khuẩn và tất cả các sinh vật chân hạch.

Hình 4. Adenin và những dẫn xuất của nó

II. NHỮNG ÐƠN VỊ CỦA QUẦN THỂ

1. Deme TOP

Một deme là một quần thể địa phương nhỏ, như tất cả các chuột nhắt hay tất cả các cây thông trong một khu rừng, hoặc tất cả các con cá chép trong một ao. Mặc dù không có hai cá thể nào trong cùng một deme là giống nhau hoàn toàn, nhưng các cá thể của cùng một deme thì thường giống nhau hơn các cá thể của hai deme khác nhau. Có ít nhất hai lý do : (1) các cá thể trong một deme thường có quan hệ gần nhau về mặt di truyền vì sự giao phối thường xảy ra giữa các cá thể của cùng một deme hơn là giữa các cá thể thuộc các deme khác nhau; (2) các cá thể trong một deme thường chịu ảnh hưởng của môi trường giống nhau vì vậy chịu cùng áp lực chọn lọc.

Chúng ta có thể thấy rằng deme không phải là đơn vị vĩnh viễn của quần thể. Mặc dù chuột nhắt trong một lâm trường thường giao phối với nhau hơn là với chuột ở vùng bên cạnh, nhưng vẫn có sự giao phối ngẫu nhiên giữa chuột từ hai vùng. Ðiều nầy cũng tương tự đối với sồi. Bản thân rừng cũng không là một đặc điểm sinh thái cố định. Chúng chỉ tồn tại tạm thời như một đơn vị sinh thái riêng biệt. Những khu rừng lân cận có thể sát nhập vào nhau trong vài năm, hoặc một khu rừng có thể phân chia thành hai hay nhiều phần nhỏ hơn. Những sự thay đổi trong đặc điểm sinh thái sẽ tạo ra những thay đổi tương ứng trong các deme của chuột và sồi. Như vậy deme thường là đơn vị tạm thời của quần thể.

2. Loài TOP

Cần lưu ý mức độ giữa các deme tương đồng. Chúng ta có thể thấy sự giao phối giữa chuột của các deme kế cận nhưng chúng ta khó thấy sự giao phối giữa chuột đồng với chuột nhà. Chúng ta cũng khó thấy được sự giao phối giữa sồi đỏ và sồi nâu, ngay cả khi chúng cùng sống trong một khu rừng. Tóm lại, chúng ta biết có những đơn vị quần thể lớn hơn deme và cả hai có nhiều điểm phân biệt nhau. Một đơn vị quần thể như vậy có chứa tất cả các deme của chuột. Một đơn vị quần thể khác có chứa tất cả các deme của sồi. Những đơn vị lớn hơn nầy chính là loài.

Trong nhiều thế kỷ, người ta đã xác nhận rằng các thực vật và động vật dường như được phân chia một cách tự nhiên thành các loài riêng biệt . Ðiều nầy không có nghĩa là tất cả các cá thể của bất cứ loài nào hoàn toàn giống nhau. Hai cá thể có thể phân biệt nhau bởi nhiều cách. Nhưng nó có nghĩa là tất cả các cá thể cùng loài có những thuộc tính sinh học quan trọng, chúng phân biệt về mặt di truyền với những loài khác.

Mặc dù sự tồn tại của loài đã được thừa nhận nhưng các quan niệm về loài đã thay đổi nhiều lần trong quá trình phát triển lịch sử. Một quan niệm được phổ biến trong các nhà sinh học là mỗi loài là bất biến, có hình dạng tiêu biểu, do đó tất cả các cá thể của loài giống như nhau. Sự biến dị là kết quả của sự không hoàn chỉnh về đặc điểm của loài. Ðiều nầy mâu thuẩn với tất cả những gì chúng ta đã biết về tiến hóa. Theo quan điểm hiện đại, mỗi loài là một nhóm các quần thể tự nhiên có cùng vốn gen và cách ly sinh sản với các nhóm khác. Nói cách khác, mỗi loài là đơn vị lớn nhất của quần thể trong đó dòng gen (gene flow) có hiệu quả xảy ra hoặc có thể xảy ra.

Cần lưu ý rằng quan niệm hiện đại về loài không nói gì về sự khác biệt giữa hai quần thể để phân biệt chúng là những loài khác nhau. Phải thừa nhận rằng phần lớn các loài có thể được phân biệt dựa trên các đặc tính về giải phẩu, sinh lý và tập tính và các nhà sinh học thường dựa vào đó để xác định các loài. Nhưng tiêu chuẩn sau cùng luôn luôn là sự sinh sản - dù có hay không có sự di nhập gen. Nếu có sự cách ly sinh sản bên trong hoàn toàn giữa hai quần thể bề ngoài hầu như giống hệt nhau - nghĩa là nếu không thể có sự di nhập gen giữa chúng - thì các quần thể nầy sẽ trở thành hai loài khác nhau mặc dù chúng rất giống nhau. Ngược lại, nếu hai quần thể có bề ngoài khác nhau nhưng có sự di nhập gen giữa chúng thì hai quần thể nầy thuộc cùng một loài. Các đặc tính về giải phẩu, sinh lý, tập tính chỉ là những cầu nối dùng để định danh các quần thể đã cách ly sinh sản; û chúng không thể xác định khi nào một quần thể trở thành một loài.

3. Những biến đổi trong loài TOP

Thường có quá nhiều dòng gen giữa các deme kế cận của cùng một loài đến nỗi mà sự sai khác giữa chúng rất ít. Vì vậy, tần số của alen A và a có thể là 0,90 và 0,10 trong một deme và 0,89 và 0,11 trong deme kế cận. Nhưng hai

deme có phân bố địa lý càng xa nhau thì cơ hội trao đổi gen trực tiếp giữa chúng càng thấp và vì vậy khác biệt giữa chúng sẽ càng lớn. Một số khác biệt di truyền giữa các deme nầy có thể phản ảnh những sự kiện ngẫu nhiên như biến động di truyền hay đột biến trong một deme và có thể lan đến tất cả các deme khác nhưng chưa xảy ra. Nhưng nhiều biến dị di truyền có lẽ phản ảnh sự khác biệt trong áp lực chọn lọc tác động trên quần thể liên quan đến sự khác biệt giữa các điều kiện môi trường trong vùng phân bố tương ứng của chúng. Các biến dị địa lý như thế được tìm thấy trong rất nhiều loài động vật và thực vật (Hình 5).

Hình 5. Sự thay đổi chiều cao của cỏ Achillea lanulosa theo cao độ

Các điều kiện môi trường thường khác nhau về mặt địa lý. Có những thay đổi về nhiệt độ theo vĩ độ hoặc cao độ trên sườn núi, hoặc thay đổi lượng mưa theo kinh độ như ở nhiều vùng của miền Tây Hoa kỳ, hoặc thay đổi địa hình theo vĩ độ hay kinh độ. Những khuynh độ môi trường như thế thường được đi kèm bởi khuynh độ di truyền - khuynh độ của tần số alen- trong các loài động vật và thực vật cư trú ở những vùng nầy. Phần lớn các loài cho thấy khuynh độ bắc nam trong nhiều đặc tính, khuynh độ đông tây là không phổ biến. Khuynh độ cao độ trong nhiều đặc tính cũng được phát hiện.

Khi một đặc tính của một loài cho thấy một sự biến đổi từ từ có liên quan đến địa lý, chúng ta nói rằng biến dị tạo ra một dốc (clin). Thí dụ nhiều loài thú và chim có dốc bắc-nam về kích thước trung bình cơ thể, lớn hơn ở vùng khí hậu lạnh về phía cực và nhỏ hơn ở vùng khí hậu ấm về phía xích đạo. Tương tự nhiều loài thú cho thấy dốc bắc-nam về kích thước của đuôi và tai: ở các deme vùng cực những phần nầy thường nhỏ hơn.

Ðôi khi biến dị di truyền có liên quan đến địa lý thì không liên tục trong các dốc đã thảo luận ở trên. Một vài đặc tính có thể có một sự biến đổi bất ngờ trong một phần đặc biệt của vùng phân bố của loài. Khi sự biến động về một đặc tính di truyền xảy ra trong một loài khác nhau về địa lý, một số nhà sinh học gọi các quần thể đó là loài phụ (subspecies). Thuật ngữ nầy đôi khi cũng dùng để chỉ các quần thể cách ly nhiều - như các quần thể trên các đảo hoặc trong các dãy núi biệt lập nhau, hay như cá ở các sông khác nhau - khi các quần thể đã khác biệt rõ về di truyền nhưng vẫn còn khả năng giao phối tự do với nhau. Có thể định nghĩa các loài phụ là các nhóm quần thể tự nhiên trong loài, khác biệt nhau về mặt di truyền và cách ly một phần với các quần thể khác do chúng có vùng phân bố khác nhau.

Cần lưu ý rằng, theo định nghĩa, hai loài phụ của cùng loài không xuất hiện chung lâu dài trong một khu vực địa lý vì sự hạn chế giao phối do khoảng cách làm chúng khác biệt về mặt di truyền. Nếu chúng xuất hiện chung, chúng sẽ giao phối với nhau và các khác biệt giữa chúng sẽ nhanh chóng biến mất. Nhiều nhà sinh học không đồng ý về loài phụ. Một lý do là sự khác biệt giữa chúng thường chỉ dựa trên cơ sở của một đặc tính hình thái trong khi những đặc tính khác ít thấy, có thể tạo biến dị thì lại bị bỏ qua. Một lý do khác là hầu hết các nhóm nầy dễ nhận diện, có thể chỉ tồn tại tạm thời như một quần thể riêng biệt và chúng không trở thành loài.

III. SỰ HÌNH THÀNH LOÀI (SPECIATION)

Câu hỏi cơ bản về sự hình thành loài là: Làm thế nào hai quần thể ban đầu có chung một vốn gen trở thành có vốn gen hoàn toàn riêng biệt? Nghĩa là làm thế nào sự cách ly sinh sản giữa hai quần thể xảy ra? Chướng ngại trong sự trao đổi gen xuất hiện như thế nào?

1. Sự hình thành loài khác khu phân bố TOP

Trong phần lớn các trường hợp nhân tố ban đầu trong sự hình thành loài là sự cách ly địa lý. Các quần thể tách biệt về mặt địa lý và xuất hiện những khác biệt được gọi là các quần thể khác khu phân bố và phương thức hình thành loài này được gọi là sự hình thành loài khác khu phân bố (allopatric speciation).Khi tất cả các quần thể của một loài tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp, dòng gen sẽ tiếp tục bình thường khắp hệ thống và sự hình thành loài sẽ không xảy ra, mặc dù các quần thể khác nhau trong hệ thống có thể phân ly tính trạng và làm xuất hiện nhiều biến dị trong loài. Nhưng nếu các quần thể ban đầu bị phân chia bởi các chướng ngại địa lý thì hệ thống quần thể bị ngăn cách sẽ không thể trao đổi gen nữa, do đó sự tiến hóa sau nầy của chúng sẽ độc lập nhau. Lúc đầu sự cách ly sinh sản giữa chúng là do yếu tố địa lý và chúng vẫn còn khả năng giao phối với nhau, vì vậy chúng vẫn được xem như cùng loài. Tuy nhiên, chúng có thể trở nên khác biệt về mặt di truyền đến nỗi sẽ không thể giao phối với nhau ngay cả khi chúng tiếp xúc. Khi sự phân hóa đã đạt, hai hệ thống quần thể trở thành hai loài riêng biệt.

Có ít nhất ba yếu tố làm cho hệ thống quần thể ngăn cách địa lý phân ly:

1. Do ngẫu nhiên mà hai quần thể có tần số gen ban đầu khác nhau. Vì phần lớn các loài đều có biến dị địa lý, các chướng ngại địa lý không phân chia loài thành những nhóm giống nhau về mặt di truyền mà chúng ngăn cách các quần thể đã khác biệt di truyền, như là phần cuối cùng của một dốc. Nếu một số ít cá thể vượt qua được một chướng ngại và thành lập một nhóm mới cách ly địa lý, những nhóm nhỏ nầy sẽ mang theo chúng các kiểu gen riêng, dĩ nhiên kiểu gen của chúng chỉ chiếm một tỉ lệ tương đối nhỏ so với tổng số các biến dị có trong vốn gen của quần thể bố mẹ, vì vậy các cá thể trong nhóm mới sẽ có tần số alen rất khác so với các cá thể trong quần thể bố mẹ. Ðây là một dạng đặc biệt của biến động di truyền gọi là hiệu ứng sáng lập (founder effect).

2. Các hệ thống quần thể riêng biệt có thể tích lũy các đột biến khác nhau. Ðột biến là ngẫu nhiên và có thể xảy ra trong một quần thể nầy mà không có trong quần thể khác hoặc ngược lại. Vì không có dòng gen giữa các quần thể, một gen đột biến mới xuất hiện trong một quần thể không thể lan truyền trong quần thể khác.

3. Các quần thể cách ly sẽ chịu một áp lực chọn lọc của môi trường khác nhau, vì chúng có vùng phân bố khác nhau. Không có hai vùng phân bố giống hệt nhau với mỗi yếu tố môi trường đặc biệt quan trọng (Hình 6).

Hình 6. Mô hình của sự hình thành loài địa lý

Một chướng ngại địa lý có thể là chướng ngại vật lý hoặc sinh thái cản trở sự di chuyển qua lại giữa các loài. Chướng ngại đối với loài nầy có thể không là chướng ngại đối với loài khác. Chẳng hạn một đồng cỏ là chướng ngại cho các loài ở rừng nhưng không là chướng ngại cho những loài ở đồng cỏ. Núi là chướng ngại cho những loài ở đồng bằng, sa mạc là chướng ngại cho những loài cần môi trường ẩm,và thung lũng là một chướng ngại cho những loài ở núi.

2. Sự cách ly sinh sản bên trong loài TOP

Theo mô hình của sự hình thành loài khác khu đã nêu, nhân tố ban đầu cản trở dòng gen giữa hai quần thể quan hệ mật thiết thường là một nhân tố bên ngoài. Vì vậy khi hai quần thể phân ly, chúng tích lũy những khác biệt dẫn đến sự phát triển của các cơ chế cách ly bên trong (các đặc tính sinh học bao gồm hình thái, sinh lý, sự không tương hợp của nhiễm sắc thể) làm cản trở hai quần thể xuất hiện chung với nhau hoặc cản trở sự giao phối khi chúng tiếp xúc trở lại. Nói cách khác, sự hình thành loài khác khu được bắt đầu khi chướng ngại bên ngoài làm cho hai nhóm quần thể trở thành hai nòi khác khu phân bố, cho đến khi các quần thể có cơ chế bên trong giúp chúng trở thành hai loài khác khu hoặc làm cho vốn gen của chúng cách biệt ngay cả khi chúng cùng khu. Bây giờ chúng ta hãy khảo sát một số cơ chế cách ly có thể có.

· Các cơ chế cách ly trước giao phối

* Sự cách ly địa lý sinh thái

Trước tiên hai quần thể bị chia cắt bởi các chướng ngại bên ngoài, theo thời gian chúng trở nên chuyên hóa với điều kiện môi trường khác nhau đến nỗi nếu chướng ngại ban đầu bị mất đi chúng cũng không bao giờ trở nên cùng khu phân bố vì chúng không thể tồn tại dưới những điều kiện khác.

* Sự cách ly nơi cư trú

Khi hai quần thể cùng khu có nơi ở khác nhau trong vùng phân bố chung, các cá thể của mỗi quần thể gặp gỡ và giao phối với nhau nhiều hơn là với các cá thể của quần thể khác. Sự chọn nơi ở khác nhau giúp chúng cho hai vốn gen tách biệt nhau.

* Sự cách ly theo mùa

Nếu hai quần thể quan hệ mật thiết sống cùng khu phân bố, nhưng sinh sản theo những mùa khác nhau trong năm, sự giao phối giữa chúng sẽ bị cản trở hoàn toàn. Năm loài ếch Rana có cùng khu phân bố ở đông bắc Hoa kỳ, nhưng thời kỳ hoạt động giao phối hoàn toàn khác nhau ở mỗi loài.

* Sự cách ly tập tính

Tập tính rất quan trong trong việc quyến rũ và giao phối, đặc biệt trong nhận dạng loài. Trong nhiều trường hợp, mỗi loài có những kiểu quyến rũ riêng, và dù hai loài có cùng khu phân bố, sự giao phối hiếm khi xảy ra vì sự quyến rũ của các cá thể giữa các loài khác nhau không được đáp ứng để tiến đến sự giao phối.

* Sự cách ly cơ tính

Nếu sự khác biệt về cấu trúc giữa 2 loài gần nhau làm cho sự giao phối giữa chúng không thể xảy ra, hai quần thể sẽ không có sự trao đổi gen. Thí dụ nếu một loài động vật lớn hơn nhiều so với một loài khác, sự giao phối giữa chúng rất khó khăn hay không xảy ra. Hoặc nếu cơ quan sinh dục đực của loài nầy và cơ quan sinh dục cái của loài khác không phù hợp, sự giao phối sẽ bị cản trở. Sự cách ly cơ tính ở thực vật quan trọng hơn ở động vật, nhất là ở những cây thụ phấn nhờ côn trùng.

· Các cơ chế cách ly sau giao phối

* Sự cách ly giao tử

Nếu các cá thể của hai loài động vật giao phối hoặc hạt phấn từ một loài cây nầy rơi lên nuốm của một loài khác, sự thụ tinh vẫn có thể không xảy ra. Ở cây thuốc lá có 68 tổ hợp giữa các loài mà sự thụ phấn chéo không xảy ra dù hạt phấn được đặt trên nuốm vì tinh trùng không tới trứng trong bầu noãn. Ở ruồi giấm, nếu có sự giao phối giữa

Drosophila virilis và Drosophila americana, tinh trùng bị làm bất động nhanh chóng do môi trường không thích hợp trong ống sinh dục của con cái và chúng không bao giờ đến trứng được.

* Sự cách ly phát triển

Ngay cả khi sự thụ tinh xảy ra, sự phát triển phôi cũng bất thường và dừng lại trước khi nở. Trứng của loài cá có thể được thụ tinh bởi tinh trùng của rất nhiều loài cá khác, nhưng sự phát triển thường dừng lại ở giai đoạn sớm. Sự giao phối giữa cừu và dê tạo ra phôi nhưng phôi chết rất sớm trước khi sinh.

* Con lai bị chết

Con lai thường yếu, khuyết tật và thường chết trước khi chúng sinh sản; vì vậy không có dòng gen từ vốn gen của một loài bố mẹ nầy sang vốn gen của một loài bố mẹ khác. Một thí dụ trong trường hợp nầy là cây thuốc lá lai, chúng phát triển các khối u trong cơ quan dinh dưỡng và chết trước khi có hoa.

* Con lai vô sinh

Một số trường hợp giao phối giữa các loài cho ra con lai mạnh khỏe nhưng vô sinh. Thí dụ được biết nhiều nhất là sự giao phối giữa ngựa cái (2n = 64) và lừa đực (2n = 62) tạo ra con la (2n = 63). Các con la có nhiều đặc tính ưu việt hơn cả hai loài bố mẹ, nhưng chúng vô sinh.

* Sự loại bỏ con lai do chọn lọc

Các cá thể của hai quần thể quan hệ gần có thể giao phối và sinh ra con cái hữu thụ. Nếu con cháu chúng mạnh khỏa và thích nghi tốt như dạng bố mẹ thì hai quần thể ban đầu sẽ không khác biệt lâu dài nếu chúng cùng khu phân bố và không còn được xem là hai loài khác nhau. Nhưng nếu con cháu chúng kém thích nghi hơn dạng bố mẹ thì chẳng bao lâu chúng sẽ bị loại bỏ. Sẽ có sự di nhập gen giữa hai vốn gen của bố mẹ thông qua con lai, nhưng không nhiều. Do đó quần thể bố mẹ được xem như hai loài riêng biệt.

Những tình huống trong đó chỉ có một trong 10 cơ chế cách ly hoạt động là cực hiếm. Thông thường có nhiều cơ chế cùng tác động.

3. Sự hình thành loài cùng khu TOP

Kiểu hình thành loài khác khu vừa thảo luận ở trên bao gồm sự phân ly của các quần thể đã cách biệt về mặt địa lý. Có nhửng con đường hình thành loài mới khác. Sự hình thành loài không có cách ly địa lý được gọi là sự hình thành loài cùng khu phân bố (sympatric speciation). Một thí dụ quan trọng là sự hình thành loài do hiện tượng đa bội, là trường hợp một tế bào có nhiều hơn hai bộ nhiễm sắc thể. Trường hợp nầy có thể xảy ra nhanh đến nỗi bố mẹ thuộc một loài còn con cái thuộc một loài khác. Sự hình thành loài do hiện tượng đa bội phổ biến ở thực vật nhưng hiếm thấy ở động vật.

Một kiểu hình thành loài do đa bội, gọi là tự đa bội (autopolyploidy), là sự gia tăng đột ngột số lượng nhiễm sắc thể, thường là kết quả sự không phân ly của nhiễm sắc thể trong giảm phân. Một thí dụ của loại đa bội nầy được khám phá bởi Hugo De Vries, một trong những nhà di truyền học đầu tiên, khi ông đang nghiên cứu cây Oenothera lamarckiana. Loài lưỡng bội nầy có 14 nhiễm sắc thể. Trong các nghiên cứu của De Vries, một dạng mới đột ngột xuất hiện. Dạng mới nầy, được ông đặt tên là Oenothera gigas, có 28 nhiễm sắc thể. Dạng tứ bội nầy cách ly sinh sản với loài bố mẹ vì cây lai giữa O. lamarckiana và O. gigas là cây tam bội và các cá thể tam bội vô sinh do sự phân bố không bình thường của các nhiễm sắc thể trong giảm phân. Ðặc tính của tự đa bội là các thể đa bội hữu thụ và có thể giao phối với nhau, nhưng không thể giao phối với loài lưỡng bội đã tạo thành chúng. Vì vậy quần thể đa bội đáp ứng tất cả các yêu cầu của định nghĩa hiện nay về loài, chúng tách biệt về di truyền và cách ly sinh sản với loài lưỡng bội ban đầu đã tạo ra chúng.

Loại thứ hai của sự hình thành loài do đa bội gọi là đa bội khác nguồn (allopolyploidy), là sự nhân đôi số nhiễm sắc thể trong một cơ thể lai giữa hai loài. Con lai nhận một bộ nhiễm sắc thể từ mỗi loài. Trừ trường hợp hai

loài có quan hệ gần đến nổi chúng có các nhiễm sắc thể tương đồng có thể bắt cặp (tiếp hợp) trong giảm phân, hầu hết cơ thể lai đều bất thụ do không có khả năng sinh giao tử. Nhưng nếu cơ thể lai có sự nhân đôi nhiễm sắc thể trước khi giảm phân, nó sẽ có một bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội từ mỗi loài và có thể tạo giao tử sống sót. Trong sự hình thành loài, kiểu đa bội nầy có lẽ quan trọng hơn sự tự đa bội. Cá thể đa bội khác nguồn có thể giao phối tự do với nhau, nhưng chúng không thể giao phối với các cá thể của loài bố mẹ. Do đó quần thể đa bội khác nguồn phải được xem là một loài riêng biệt.

4. Sự thích ứng phóng xạ TOP

Các nhà sinh học đều nhất trí rằng số lượng khổng lồ các loài sinh vật hiện nay đều tiến hóa từ một số sinh vật đơn giản tồn tại cách đây trên ba tỉ năm. Rõ ràng là sự tiến hóa phân ly (sự tách một loài thành nhiều loài con cháu riêng biệt) đã xảy ra thường xuyên. Làm thế nào sự cách ly địa lý đủ để dẫn đến tất cả các trường hợp hình thành loài không gây ra bởi sự hình thành loài cùng khu ? Ðể trả lời các câu hỏi nầy, chúng ta hãy trở lại thí dụ kinh điển quan trọng - các loài chim sẽ trên quần đảo Galápagos đã có vai trò chính để Darwin xây dựng nên học thuyết về chọn lọc tự nhiên.

Quần đảo Galápagos nằm trên đường xích đạo trong vùng Thái bình dương khoảng 950 km phía tây bờ biển của Ecuador. Các đảo nầy không nối liền với nhau. Chúng nổi lên từ đáy biển là miệng núi lửa cách đây 5 triệu năm. Dĩ nhiên lúc đầu chúng hoàn toàn không có sự sống và vì vậy mở ra cơ hội cho bất kỳ loài nào từ lục địa. Rất ít loài đến đảo và định cư. Chỉ có các động vật có xương sống hiện diện trên đảo trước khi con người đến đó : ít nhất có 7 loài bò sát (một hoặc nhiều rắn, một loài rùa khổng lồ, ít nhất 5 loài thằn lằn, bao gồm hai loài kỳ đà rất lớn), 7 loài thú ( 5 loài chuột và hai loài dơi) và một số ít chim (gồm 2 loài cú, 1 loài diều hâu, 1 loài bồ câu, 1 loài chim cu, 1 loài chim chích, 2 loài chim bắt ruồi, 1 loài chim nhạn, 4 loài chim nháy và các loài chim sẽ nổi tiếng của Darwin).

Mười bốn loài chim sẽ của Darwin tạo thành một họ phụ riêng biệt không tìm thấy ở nơi nào khác trên thế giới. Trong số nầy, 13 loài được cho là đã tiến hóa trên quần đảo Galápagos và một loài trên đảo Cocos, tổ tiên vô danh từí lục địa Nam Mỹ hoặc Trung Mỹ đến chiếm cứ các đảo. Có thể hiểu là con cháu của các loài đến chiếm cứ đã cách ly địa lý, theo thời gian đã thay đổi rất nhiều và trở nên khác xa với tổ tiên của chúng ở lục địa. Một quan điểm khác là con cháu của các loài di cư ban đầu đã tách ra thành các quần thể riêng biệt và cho ra 14 loài ngày nay.

Ðiểm cần ghi nhớ là chúng ta không đề cập đến một đảo mà là một quần đảo với hơn 25 đảo riêng biệt. Các chim sẽ không bay ngang qua vùng nước rộng và chúng có xu hướng sống gần nơi cư trú. Vì vậy một quần thể trên đảo nấy cách ly có hiệu quả với một quần thể trên các đảo khác. Chúng ta giả sử rằng đàn chim ban đầu đến một trong các đảo nầy, do gió mạnh từ đất liền. Sau đó một số bay đến đảo khác và lập đàn mới. Tần số alen trong đàn mới khác biệt với tần số alen của đàn ban đầu do hiệu ứng sáng lập (founder effect). Ðồng thời, các đàn trên các đảo phân ly nhiều hơn như trong kiểu hình thành loài địa lý (đột biến khác nhau, áp lực chọn lọc khác nhau vả biến động di truyền trong một quần thể nhỏ). Vì vậy những gì chúng ta mong đợi là một loài hoặc ít nhất là một loài phụ khác biệt nhau trên mổi đảo. Nhưng thực tế lại khác hẵn; hầu hết mỗi đảo đều có nhiều hơn một loài, những đảo lớn có đến 10 loài. Giải thích như thế nào đây ?

Chúng ta hãy giả sử rằng dạng A ban đầu có trên đảo Santa Cruz và dạng B có trên đảo Santa Maria. Sau đó nếu dạng A lan đến Santa Maria trước khi hai dạng đủ cách ly để có những khác biệt nhỏ, hai dạng có thể giao phối tự do và hoà nhập với nhau. Nhưng nếu A và B được phân cách đủ lâu để có những khác biệt lớn trước khi A xâm chiếm Santa Maria thì A và B sẽ cách ly bên trong với nhau, phát triển thành hai loài riêng biệt và chúng có thể sống chung trên cùng một đảo nhưng không giao phối với nhau. Nếu chúng tạo ra con lai ngẫu nhiên thì những con lai nầy ít sống sót hơn dạng bố mẹ. Theo đó chọn lọc tự nhiên sẽ tác động đến các cá thể chỉ giao phối với các cá thể của loài và áp lực chọn lọc nầy sẽ nhanh chóng dẫn đến cơ chế cách ly bên trong hiệu quả hơn, cản trở sự hao phí giao tử trong giao phối khác loài. Thật vậy, các con chim sẽ của Darwin đã nhận diện các cá thể trong loài của chúng và rất ít chú ý đến các cá thể của các loài khác.

Bây giờ chúng ta đi đến một điểm trong thí dụ giả định của chúng ta, nơi đảo Santa Cruz được chiếm cứ bởi loài A và đảo Santa Maria được chiếm cứ bởi hai loài A và B. A và B không thể cùng tồn tại vĩnh viễn nếu chúng dùng chung thức ăn; sự canh tranh sẽ khốc liệt và loài kém thích nghi sẽ bị loại bỏ trừ khi chúng có những khác biệt

làm giảm thiểu sự cạnh tranh. Tóm lại, bất cứ nơi nào hai hoặc nhiều loài quan hệ rất gần xuất hiện chung với nhau, sự cạnh tranh sẽ loại bỏ một hoặc là đổi mới đặc tính - trong trường hợp nầy là sự chuyên hóa dinh dưỡng khác nhau.

Sự đổi mới đặc tính đã xác nhận những gì chúng ta tìm thấy ở các loài chim sẽ của Darwin. 14 loài tạo thành 4 nhóm. Một nhóm có sáu loài sống trên mặt đất, một số ăn hạt và số khác hầu hết ăn hoa xương rồng. Trong số các loài ăn hạt, một số ăn hạt lớn, một số ăn hạt trung bình và một số ăn hạt nhỏ. Sự ưa thích những thức ăn nầy là kết quả của sự chuyên hóa hình thái của mỏ: mỏ nhỏ có hiệu quả nhất trong việc mổ hạt nhỏ, trong khi mỏ lớn hơn có thể mổ vỡ hạt lớn. (Sự chuyên hóa không đối xứng: mỏ lớn có thể mổ được hạt nhỏ dù không hiệu quả nhưng mỏ nhỏ không thể mổ vỡ hạt lớn. Từ một loạt đo đạt mỏ cẩn thận, D. Lack (Ðại học Oxford) đã tìm được những bằng chứng rõ ràng về sự đổi mới đặc tính. Thí dụ khi chim sẻ đất nhỏ và trung bình sống chung trên một đảo lớn, kích thước mỏ của chúng khác nhau xa, rộng trung bình khoảng 8.4 và 13.2 mm theo thứ tự. Nhưng trên đảo nhỏ nơi chỉ có 2 loài, các con chim của loài đó có khuynh hướng có mỏ trung bình, khoảng 9.7mm.

Nhóm thứ hai của chim sẽ có 6 loài sống trên cây. Trong số nầy có một loài ăn thực vật và các loài khác ăn sâu bọ, nhưng các loài ăn sâu bọ khác biệt nhau về kích thước mồi và nơi bắt mồi. Nhóm thứ ba chỉ có một loài, rất khác chim sẽ và rất giống với chim nháy trên lục địa. Nhóm thứ tư chỉ có một loài, hạn chế trên đảo Cocos, khoảng 700km phía đong bắc của quần đảo Galápagos và khoảng 500km từ Panama. Liên quan đến sự khác biệt trong dinh dưỡng giữa các loài là sự khác biệt về kích thước và hình dạng mỏ. (Những biến dị đáng chú ý về kích thước và hình dạng mỏ giữa các loài chim có tổ tiên chung có thể tìm thấy trong những vùng đảo cư trú khác. Những đặc điểm của mỏ là một phương tiện quan trọng để các con chim nhận ra các cá thể khác trong loài; giọng hót là một phương tiện khác) (Hình 7).

Hình 7. 14 loài chim sẽ của Darwin

Nhóm 1: 6 loài (1, 3, 4, 5, 6, 10) sống trên cây

Nhóm 2: 6 loài (7, 8, 11, 12, 13, 14) sống trên mặt đất

Nhóm 3: 1 loài (9) sống ở đảo Cocos

Nhóm 4: 1 loài (2) khác với chim sẽ và giống chim nháy

Bây giờ, trên đảo Santa Maria nếu chọn lọc tác động đến sự đổi mới đặc tính giữa loài A và B, quần thể của loài A trên đảo Santa Maria càng ngày càng ít giống quần thể của loài A trên đảo Santa Cruz. Cuối cùng những khác biệt nầy trở nên lớn đến nỗi hai quần thể sẽ cách ly bên trong với nhau và như thế sẽ trở thành hai loài riêng biệt. Lúc nầy chúng ta gọi quần thể tách ra từ loài A trên đảo Santa Maria là loài C. Sự chia cắt địa lý của hai đảo sẻ dẫn đến sự tiến hóa của ba loài A, B, C từ một loài ban đầu. Quá trình phân ly có thể tiếp tục vô tận và tạo thêm nhiều loài. Rõ ràng một quá trình như thế đã dẫn đến sự thành lập 14 loài chim sẽ của Darwin (Hình 8).

Hình 8. Mô hình sự hình thành loài ở quần đảo Galápagos

Như Darwin đã đề xuất, rõ ràng là tốc độ của sự phân ly tiến hóa không ổn định. Khi các con chim sẽ đầu tiên xâm chiếm quần đảo Galápagos, chúng sẽ tiếp xúc với những điều kiện môi trường hoàn toàn khác với những điểu kiện chúng đã trãi qua ở Trung hoặc Nam Mỹ. Aïp lực chọn lọc tác động lên chúng có lẽ hoàn toàn khác với nơi ở trước đây của chúng; sự khác biệt thức ăn chẳng hạn, có thể dẫn đến sự chọn lọc cho hình thái, sinh lý cả tập tính khác nhau. Ngược lại, nếu ít có hoặc không có sự cạnh tranh ban đầu giữa các loài, kết quả sẽ là sự ngừng tạm thời của áp lực chọn lọc. Chỉ khi nào vùng cư trú mới trở nên bão hòa chim sẽ, sự canh tranh về thức ăn trong loài trở nên quan trọng. Và như vậy, chẳng bao lâu áp lực chọn lọc sẽ dẫn đến sự phân ly nhanh chóng từ quần thể tổ tiên. Sau đó, khi chim sẽ trở nên thích nghi tốt hơn với những điều kiện ở Galápagos, tốc độ của sự thay đổi có lẽ chậm lại.