Bài học

Ti thể, lục lạp và khung xương tế bào

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được vì sao màng trong ti thể gấp nếp và lục lạp có hệ thống màng thylakoid xếp chồng, nêu đúng vai trò của khung xương tế bào, và dự đoán được loại tế bào giàu ti thể dựa trên nhu cầu năng lượng.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã thấy một bào quan luôn có cấu trúc phục vụ đúng chức năng của nó — lưới nội chất hạt có ribosome bám vì xử lí protein tiết (same-grade bridge). Nguyên tắc cấu trúc phục vụ chức năng đó tiếp tục ở hai bào quan chuyên hoá năng lượng của tế bào.

Khởi động

Một tế bào cơ tim co bóp liên tục suốt đời không nghỉ, còn một tế bào mỡ dự trữ gần như không vận động. Nếu phải đoán tế bào nào chứa nhiều ti thể hơn hẳn, em chọn tế bào nào, và dựa vào lí do gì?

Kiến thức trọng tâm

Ti thể có hai lớp màng: màng ngoài trơn nhẵn và màng trong gấp nếp sâu tạo thành các mào (cristae). Bên trong ti thể diễn ra hô hấp tế bào — chuỗi phản ứng giải phóng năng lượng từ glucose để tổng hợp ATP — và phần lớn các phản ứng cuối cùng của chuỗi này gắn ngay trên bề mặt màng trong. Gấp màng trong thành nhiều mào làm diện tích bề mặt tăng lên đáng kể so với một màng trơn phẳng có cùng kích thước ti thể — diện tích lớn hơn nghĩa là có chỗ gắn cho nhiều enzyme hô hấp hơn, nên ti thể tạo ra được nhiều ATP hơn trong cùng một khoảng thời gian. Đây là một ví dụ điển hình của nguyên tắc cấu trúc phục vụ chức năng: hình dạng gấp nếp tồn tại chính vì nó nhân diện tích cho phản ứng hoá học cần diễn ra.

Lục lạp cũng có hai lớp màng bao ngoài (màng vỏ), nhưng hai lớp màng vỏ này trơn nhẵn, không gấp nếp như màng trong ti thể. Diện tích hấp thụ ánh sáng của lục lạp đến từ một hệ thống màng thứ ba nằm bên trong màng vỏ — màng thylakoid — xếp chồng thành từng chồng đĩa gọi là grana. Các sắc tố diệp lục nằm trên màng thylakoid hấp thụ ánh sáng để khởi động quang hợp; xếp nhiều đĩa thylakoid chồng lên nhau trong một không gian nhỏ làm tăng diện tích màng chứa diệp lục, nên lục lạp hấp thụ được nhiều ánh sáng hơn so với một màng đơn trải phẳng có cùng thể tích. Cùng một nguyên tắc như ở ti thể — gấp hoặc xếp màng để nhân diện tích phản ứng — nhưng thực hiện bằng hai cấu trúc khác nhau: ti thể gấp chính lớp màng trong của nó, còn lục lạp dùng hẳn một hệ thống màng thứ ba riêng biệt.

Khung xương tế bào (cytoskeleton) là mạng lưới sợi protein — vi sợi actin, sợi trung gian, và vi ống — chạy khắp tế bào chất. Vi ống đóng vai trò như đường ray để bào quan và túi vận chuyển di chuyển trong tế bào, đồng thời kéo nhiễm sắc thể về hai cực khi tế bào phân chia. Vi sợi actin giúp tế bào thay đổi hình dạng và di chuyển. Nhờ khung xương, một tế bào giữ được hình dạng ổn định dù không có thành tế bào cứng như thực vật hay vi khuẩn.

Hồng cầu người trưởng thành mất cả nhân lẫn bào quan trong quá trình biệt hoá, nên không còn ti thể — một trường hợp đặc biệt đáng nhớ.

Ví dụ

So sánh khả năng tạo ATP giữa hai ti thể giả định

1
Vì sao một ti thể có nhiều mào (cristae) tạo ra được nhiều ATP hơn một ti thể giả định có màng trong trơn nhẵn, cùng kích thước ngoài?
2
Các enzyme của chuỗi hô hấp cuối cùng gắn trên bề mặt màng trong ti thể, nên số lượng enzyme hoạt động được giới hạn bởi diện tích màng trong sẵn có.
3
Gấp màng trong thành nhiều mào làm diện tích bề mặt tăng lên nhiều lần so với một màng trơn có cùng kích thước ngoài của ti thể — tương tự việc gấp một tờ giấy phẳng thành nhiều lớp để nhét vừa một chiếc hộp nhỏ mà vẫn giữ nguyên tổng diện tích tờ giấy.
4
Diện tích màng trong lớn hơn cho phép gắn nhiều enzyme hô hấp hơn trên cùng một ti thể.
5
Vậy một ti thể nhiều mào tạo ra được nhiều ATP hơn trong cùng thời gian so với một ti thể giả định có màng trơn, vì có nhiều chỗ gắn enzyme hô hấp hơn trên một diện tích lớn hơn.

Ví dụ

Dự đoán mật độ ti thể theo nhu cầu năng lượng (dạng đề kiểm tra)

1
Hai tế bào A và B có cùng kích thước. Tế bào A là một tế bào cơ vân vận động liên tục; tế bào B là một tế bào mỡ dự trữ hầu như không vận động. Dự đoán tế bào nào có mật độ ti thể cao hơn, giải thích bằng nguyên tắc cấu trúc phục vụ chức năng.
2
Tế bào cơ vân co duỗi liên tục cần một lượng ATP lớn và ổn định để cung cấp năng lượng cho hoạt động co cơ; tế bào mỡ dự trữ hầu như không thực hiện công cơ học nên nhu cầu ATP thấp hơn nhiều.
3
Ti thể là bào quan tổng hợp phần lớn ATP của tế bào thông qua hô hấp tế bào.
4
Một tế bào cần nhiều ATP hơn để duy trì hoạt động của nó thường có xu hướng chứa nhiều ti thể hơn để đáp ứng đúng nhu cầu đó — mối liên hệ giữa nhu cầu chức năng và số lượng bào quan tương ứng.
5
Vậy tế bào A (cơ vân) nhiều khả năng có mật độ ti thể cao hơn tế bào B (mỡ dự trữ), vì nhu cầu năng lượng cho hoạt động co cơ liên tục lớn hơn hẳn nhu cầu của một tế bào gần như không vận động.

Sai lầm thường gặp

Nhầm lẫn phổ biến là nghĩ ti thể và lục lạp đều gấp màng theo đúng một kiểu nên chức năng cũng giống nhau. Thực ra chỉ nguyên tắc tăng diện tích bề mặt là chung; chức năng khác hẳn nhau — ti thể giải phóng năng lượng từ chất hữu cơ có sẵn (hô hấp), còn lục lạp thu năng lượng ánh sáng để tổng hợp chất hữu cơ mới (quang hợp). Một nhầm lẫn khác cũng cần tránh: chỉ tế bào thực vật mới có lục lạp, nhưng ti thể có ở hầu hết tế bào nhân thực, kể cả tế bào thực vật — một tế bào lá cây luôn có cả hai bào quan này.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Ti thể gấp màng trong thành mào để tăng diện tích cho enzyme hô hấp; lục lạp xếp màng thylakoid thành grana để tăng diện tích hấp thụ ánh sáng — cùng nguyên tắc tăng diện tích, khác cấu trúc thực hiện. Khung xương giữ hình dạng và vận chuyển nội bào.

Bài tiếp theo dùng tất cả bào quan đã học để so sánh trực tiếp hai kiểu tế bào nhân thực quen thuộc nhất: tế bào thực vật và tế bào động vật.