Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Tế bào nhân sơ
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em mô tả được cấu trúc của một tế bào nhân sơ, xác định đúng bốn tiêu chí phân biệt tế bào nhân sơ với tế bào nhân thực — không chỉ dựa vào kích thước — và giải thích được vì sao kích thước nhỏ giúp vi khuẩn trao đổi chất và sinh trưởng nhanh.
Kiến thức nền cần nhớ
Ở lớp 6, em đã biết mọi tế bào đều có màng tế bào, tế bào chất và một vùng chứa vật chất di truyền, dù khi đó chưa cần phân biệt vùng này có màng bao hay không (prior-grade review). Sinh học 10 quay lại đúng ranh giới đó và biến nó thành tiêu chí phân loại đầu tiên của toàn bộ thế giới sống: tế bào có một nhân hoàn chỉnh hay chỉ có một vùng nhân.
Khởi động
Một tế bào vi khuẩn Escherichia coli có thể phân chia thành hai tế bào con chỉ sau khoảng 20 phút trong điều kiện dinh dưỡng đầy đủ. Một tế bào bạch cầu của em, dù ở trong cùng môi trường giàu dinh dưỡng, cần nhiều giờ mới hoàn thành một lần phân chia. Chênh lệch tốc độ đó đến từ đâu, nếu cả hai đều là tế bào sống và đều cần tổng hợp đủ vật chất trước khi chia đôi?
Kiến thức trọng tâm
Tế bào nhân sơ (prokaryote) là kiểu tổ chức tế bào của vi khuẩn và vi khuẩn cổ. Bốn đặc điểm phân biệt nó với tế bào nhân thực, không phải một, luôn đi cùng nhau: vật chất di truyền nằm trong một vùng gọi là vùng nhân (nucleoid) thay vì được bao bởi một lớp màng nhân riêng; tế bào chất không chứa bào quan có màng bao như ti thể, lục lạp hay lưới nội chất; ribosome thuộc loại nhỏ hơn, 70S, so với ribosome 80S của tế bào nhân thực; và kích thước tế bào thường chỉ khoảng 1–5 micromet, nhỏ hơn hẳn tế bào nhân thực vốn rộng 10–100 micromet. Khi làm bài xác định một mẫu tế bào, em cần xét đủ cả bốn tiêu chí — kích thước một mình không đủ, vì một số tế bào nhân thực, ví dụ tế bào nấm men, vẫn khá nhỏ.
Bốn tiêu chí phân biệt luôn đi cùng nhau — một mẫu tế bào thật sẽ khớp cả bốn, không chỉ một trong số đó.
Về cấu trúc, một tế bào vi khuẩn điển hình gồm: thành tế bào làm từ peptidoglycan, giữ hình dạng cố định và chống lại áp suất thẩm thấu từ bên trong; màng sinh chất nằm ngay dưới thành tế bào, kiểm soát vật chất ra vào; tế bào chất chứa vô số ribosome tự do tổng hợp protein; và vùng nhân giữ một phân tử DNA dạng vòng, thường không gắn với protein histone như ở tế bào nhân thực. Một số vi khuẩn có thêm vỏ nhầy (capsule) bao ngoài thành tế bào, giúp bám dính vào bề mặt và né tránh hệ miễn dịch vật chủ; roi (flagellum) để bơi về phía nguồn dinh dưỡng; và lông (pili), những sợi ngắn dùng để bám dính hoặc trao đổi vật chất di truyền giữa hai tế bào vi khuẩn.
Kích thước nhỏ của tế bào vi khuẩn không phải một nhược điểm mà là một lợi thế trao đổi chất. Mọi chất dinh dưỡng đi vào và chất thải đi ra đều phải qua màng sinh chất — diện tích màng càng lớn so với thể tích tế bào bên trong, tốc độ trao đổi càng nhanh so với lượng vật chất cần phục vụ. Tỉ lệ đó gọi là tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích (S/V), và với một tế bào gần giống hình cầu, tỉ lệ này giảm dần khi tế bào lớn lên. Nói cách khác, tế bào càng nhỏ thì mỗi đơn vị thể tích của nó càng được phục vụ bởi nhiều diện tích màng hơn — đây chính là lý do vi khuẩn trao đổi chất và sinh trưởng nhanh hơn hẳn phần lớn tế bào nhân thực.
Đây là các khoảng kích thước điển hình mang tính minh hoạ, không phải số đo cố định cho mọi loại tế bào — kích thước thật thay đổi khá nhiều giữa các loài.
Ví dụ
So sánh tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích của hai tế bào
1
Một tế bào vi khuẩn hình cầu có bán kính khoảng 1 micromet, một tế bào động vật hình cầu có bán kính khoảng 10 micromet. So sánh tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích (S/V) của hai tế bào và giải thích ý nghĩa sinh học.
2
Với hình cầu bán kính r, diện tích bề mặt $S = 4\pi r^2$, thể tích $V = \dfrac{4}{3}\pi r^3$, nên tỉ lệ $S/V = 3/r$.
Ta có tỉ lệ S/V của vi khuẩn gấp 10 lần tế bào động vật (3 so với 0,3). Vậy tế bào vi khuẩn có diện tích màng tương đối lớn hơn nhiều so với thể tích cần phục vụ, nên trao đổi chất qua màng diễn ra nhanh hơn — đúng như tốc độ sinh trưởng nhanh của vi khuẩn đã nêu ở phần khởi động.
Ví dụ
Xác định loại tế bào từ nhiều tiêu chí, không chỉ kích thước (dạng đề kiểm tra)
1
Bốn mẫu tế bào X, Y, Z, T được quan sát dưới kính hiển vi điện tử. Mẫu X: đường kính khoảng 30 micromet, nhân có màng nhân bao bọc. Mẫu Y: đường kính khoảng 2 micromet, không có màng nhân, ribosome 70S, có thành tế bào peptidoglycan. Mẫu Z: đường kính khoảng 5 micromet, không có màng nhân, ribosome 70S, không có ti thể. Mẫu T: đường kính khoảng 4 micromet (một tế bào nấm men), nhưng CÓ màng nhân bao bọc và có ti thể. Xác định mẫu nào là tế bào nhân sơ, mẫu nào là tế bào nhân thực.
2
Mẫu X và mẫu T đều có nhân được bao bởi một lớp màng nhân riêng — theo định nghĩa, đây là dấu hiệu chắc chắn của tế bào nhân thực, dù kích thước của chúng khác nhau khá nhiều.
3
Mẫu Y và mẫu Z không có màng nhân, ribosome 70S, không có ti thể hay bào quan có màng khác — khớp đúng đặc điểm tế bào nhân sơ.
4
Mẫu T tuy nhỏ, gần với kích thước điển hình của vi khuẩn, nhưng vẫn có màng nhân và ti thể — nếu chỉ dựa vào kích thước, dễ nhầm mẫu T là tế bào nhân sơ. Đây chính là bẫy kích thước cần tránh, vì màng nhân mới là tiêu chí quyết định.
5
Vậy mẫu X và mẫu T là tế bào nhân thực, căn cứ vào màng nhân và ti thể chứ không phải kích thước; mẫu Y và mẫu Z là tế bào nhân sơ.
Sai lầm thường gặp
Sai lầm phổ biến nhất ở bài này là dùng riêng kích thước để kết luận một tế bào là nhân sơ hay nhân thực. Như tế bào nấm men trong worked example thứ hai, một tế bào nhân thực vẫn có thể khá nhỏ. Tiêu chí đáng tin cậy là màng nhân và bào quan có màng, không phải riêng kích thước.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Tế bào nhân sơ được nhận diện bằng bốn tiêu chí đi cùng nhau: không có màng nhân, không có bào quan mang màng, ribosome 70S, và kích thước nhỏ khoảng 1–5 micromet. Kích thước nhỏ cho tỉ lệ S/V lớn, giúp trao đổi chất và sinh trưởng nhanh.
Bài tiếp theo tìm hiểu lớp màng mà mọi tế bào có chung — cả nhân sơ lẫn nhân thực — bắt đầu từ chính cấu trúc phân tử của màng sinh chất.
Một tế bào vi khuẩn Escherichia coli có thể phân chia thành hai tế bào con chỉ sau khoảng 20 phút trong điều kiện dinh dưỡng đầy đủ. Một tế bào bạch cầu của em, dù ở trong cùng môi trường giàu dinh dưỡng, cần nhiều giờ mới hoàn thành một lần phân chia. Chênh lệch tốc độ đó đến từ đâu, nếu cả hai đều là tế bào sống và đều cần tổng hợp đủ vật chất trước khi chia đôi?
Tế bào nhân sơ (prokaryote) là kiểu tổ chức tế bào của vi khuẩn và vi khuẩn cổ. Bốn đặc điểm phân biệt nó với tế bào nhân thực, không phải một, luôn đi cùng nhau: vật chất di truyền nằm trong một vùng gọi là vùng nhân (nucleoid) thay vì được bao bởi một lớp màng nhân riêng; tế bào chất không chứa bào quan có màng bao như ti thể, lục lạp hay lưới nội chất; ribosome thuộc loại nhỏ hơn, 70S, so với ribosome 80S của tế bào nhân thực; và kích thước tế bào thường chỉ khoảng 1–5 micromet, nhỏ hơn hẳn tế bào nhân thực vốn rộng 10–100 micromet. Khi làm bài xác định một mẫu tế bào, em cần xét đủ cả bốn tiêu chí — kích thước một mình không đủ, vì một số tế bào nhân thực, ví dụ tế bào nấm men, vẫn khá nhỏ.
Về cấu trúc, một tế bào vi khuẩn điển hình gồm: thành tế bào làm từ peptidoglycan, giữ hình dạng cố định và chống lại áp suất thẩm thấu từ bên trong; màng sinh chất nằm ngay dưới thành tế bào, kiểm soát vật chất ra vào; tế bào chất chứa vô số ribosome tự do tổng hợp protein; và vùng nhân giữ một phân tử DNA dạng vòng, thường không gắn với protein histone như ở tế bào nhân thực. Một số vi khuẩn có thêm vỏ nhầy (capsule) bao ngoài thành tế bào, giúp bám dính vào bề mặt và né tránh hệ miễn dịch vật chủ; roi (flagellum) để bơi về phía nguồn dinh dưỡng; và lông (pili), những sợi ngắn dùng để bám dính hoặc trao đổi vật chất di truyền giữa hai tế bào vi khuẩn.
Kích thước nhỏ của tế bào vi khuẩn không phải một nhược điểm mà là một lợi thế trao đổi chất. Mọi chất dinh dưỡng đi vào và chất thải đi ra đều phải qua màng sinh chất — diện tích màng càng lớn so với thể tích tế bào bên trong, tốc độ trao đổi càng nhanh so với lượng vật chất cần phục vụ. Tỉ lệ đó gọi là tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích (S/V), và với một tế bào gần giống hình cầu, tỉ lệ này giảm dần khi tế bào lớn lên. Nói cách khác, tế bào càng nhỏ thì mỗi đơn vị thể tích của nó càng được phục vụ bởi nhiều diện tích màng hơn — đây chính là lý do vi khuẩn trao đổi chất và sinh trưởng nhanh hơn hẳn phần lớn tế bào nhân thực.
Với hình cầu bán kính r, diện tích bề mặt S=4πr2, thể tích V=34πr3, nên tỉ lệ S/V=3/r.
Với r=1 micromet, S/V=3/1=3 (micromet nghịch đảo).
Với r=10 micromet, S/V=3/10=0,3 (micromet nghịch đảo).
Bốn mẫu tế bào X, Y, Z, T được quan sát dưới kính hiển vi điện tử. Mẫu X: đường kính khoảng 30 micromet, nhân có màng nhân bao bọc. Mẫu Y: đường kính khoảng 2 micromet, không có màng nhân, ribosome 70S, có thành tế bào peptidoglycan. Mẫu Z: đường kính khoảng 5 micromet, không có màng nhân, ribosome 70S, không có ti thể. Mẫu T: đường kính khoảng 4 micromet (một tế bào nấm men), nhưng CÓ màng nhân bao bọc và có ti thể. Xác định mẫu nào là tế bào nhân sơ, mẫu nào là tế bào nhân thực.