Cấu trúc tế bào cơ thể người

Tế bào chứa rất nhiều cấu trúc, gọi là các bào quan. Tính chất tự nhiên của các bào quan cũng quan trọng như các cấu trúc hóa học của tế bào cho chức năng tế bào. Ví dụ, không có một trong số các bào quan, như là ti thể, hơn 95% năng lượng tế bào giải phóng từ chất dinh dưỡng sẽ biến mất ngay lập tức. Những bào quan quan trọng nhất và những cấu trúc khác được trình bày ở hình.

Hình. Cấu trức của một tế bào điển hình

Cấu trúc màng của tế bào

Hầu hết bào quan của tế bào được che phủ bởi màng bao gồm lipid và protein. Những màng này gồm màng tế bào, màng nhân, màng lưới nội sinh chất, màng ti thể, lysosome,và bộ máy golgi.

Thành phần lipid của màng tạo nên một hàng rào cản trở sự di chuyển của nước và những chất tan trong nước từ một ngăn của tế bào sang những ngăn khác vì nước không tan trong lipid. Tuy nhiên, những phân tử protein trên màng xuyên qua màng tế bào, tạo nên một con đường cho các chất có thể đi qua. Ngoài ra, nhiều protein màng là enzyme xúc tác cho những phản ứng hóa học khác nhau.

Màng tế bào

Màng tế bào (cũng được gọi là màng plasma) bao phủ tế bào và là một màng mỏng, mềm dẻo, linh hoạt, chỉ dày 7,5-10 nm. Chúng được cấu tạo bởi gần như toàn bộ là lipid và protein. Khoảng 55% protein, 25% phospholipid, 13% cholesterol, 4% lipid khác, 3% carbohydrat.

Hàng rào lipid màng tế bào ngăn cản sự xuyên qua của những chất tan trong nước:

Hình trình bày cấu trúc màng tế bào. Cấu trúc cơ bản của nó là lớp lipid kép, là một màng mỏng, gồm 2 lớp lipid, mỗi lớp chỉ có bề dày một phân tử, trên bề mặt của toàn bộ tế bào. Rải rác trên lớp lipd là những phân tử protein lớn.

Lớp lipid kép tạo nên bởi 3 loại lipid chính: phospholipid, sphingolipid, và cholesterol. Phospholipid là thành phần chiếm số lượng lớn nhất. Một đầu của phân tử phospholipid tan trong nước, đó là đầu ưa nước. Đầu còn lại tan trong mỡ, là đầu kỵ nước. Đầu phosphate là đầu ưa nước và đầu acid béo là đầu kỵ nước.

Vì đầu kỵ nước của phân tử phospholipid bị đầy bởi nước nhưng hút lẫn nhau, chúng có xu hướng tự nhiên là gắn với nhau ở giữa màng, như hình. Đầu phosphate ưa nước, do đó, tạo thành 2 mặt của màng tế bào hoàn chỉnh, với dịch nội bào ở trong màng và dịch ngoại bào ở mặt ngoài.

Lớp lipid ở giữa màng không thấm với những chất tan trong nước như ion, đường, urea. Ngược lại, chất tan trong mỡ như oxy, CO2, rượu có thể xuyên qua phần này của màng một cách dẽ dàng.

Sphingolipid, có nguồn gốc từ sphingosine, cũng có nhóm ưa nước và nhóm kỵ nước, chiếm một lượng nhỏ màng tế bào, đặc biệt là tế bào thần kinh. Những phân tử sphingolipid phức tạp trên màng được cho là có một vài chức năng, bao gồm bảo vệ khỏi những yếu tô môi trường có hại, truyền tín hiệu, và là vị trí bám của protein ngoại bào.

Phân tử cholesterol màng cũng là lipid vì nhân steroid của nó cũng tan trong mỡ.

Những phân tử này, như là tan trong lớp kép của màng. Chúng chủ yếu giúp xác định tính thấm của màng với những thành phần tan trong nước của dịch cơ thể. Cholesterol cũng kiểm soát độ chắc lỏng của màng.

Protein xuyên màng và protein ngoại biên:

Hình cũng cho thấy những khối hình cầu nổi lên trên bề mặt màng lipid. Những protein màng này chủ yếu là glycoprotein. Có 2 loại protein màng: protein xuyên màng xuyên qua toàn bộ màng và protein ngoại biên chỉ gắn vào một mặt của màng và không xuyên qua màng.

Hình. Cấu trúc của màng tế bào, cho thấy nó có thành phần chủ yếu là một lớp lipid kép của các phân tử phospholipid, nhưng số lượng lớn phân tử protein nhô ra qua lớp. Ngoài ra, các gốc carbohydrate được gắn vào các phân tử protein ở bên ngoài của màng và các phân tử protein bổ sung ở bên trong.

Nhiều protein xuyên màng tạo thành những cấu trúc kênh xuyên qua màng, nơi mà phân tử nước và những chất tan trong nước, đặc biệt là ion, có thể khuếch tán giữa dịch ngoại bào và nội bào. Những protein kênh cũng có tính chọn lọc, do đó ưu tiên khuếch tán một số chất hơn những chất khác.

Những protein xuyên màng khác hoạt động như những protein mang để vận chuyển các chất không thể khuếch tán qua lớp lipid kép. Đôi khi những protein mang này có thể vận chuyển các chất ngược chiều gradient nồng độ, được gọi là vận chuyển tích cực. Một số khác hoạt động như những enzyme.

Protein xuyên màng có thể hoạt động như một receptor cho những chất tan trong nước, như những hormone peptide, những chất không thể dễ dàng đi qua màng tế bào.  Tác động qua lại của receptor màng với những gốc kết hợp riêng biệt tạo nên sự thay đổi cấu tạo của receptor. Quá trình này hoạt hóa enzyme ở phần nội bào của protein, hoặc gây ra sự tác động giữa receptor và protein trong bào tương, hoạt động như tín hiệu thứ hai, chuyển tiếp thông tin từ phần ngoại bào của receptor vào phần trong của tế bào. Theo cách này, protein xuyên màng bắc cầu qua màng tế bào tạo nên một phương tiện vận chuyển thông tin về môi trường vào trong tế bào.

Protein ngoại biên thường gắn với protein xuyên màng. Những protein này hầu hết có chức năng như enzyme hoặc như bộ kiểm soát việc vận chuyển các chất qua kênh của màng.

Carbohydrat màng-Glycocalyx:

Carbohydrat màng được tìm thấy gần như không thay đổi trong tổ hợp với protein hoặc lipid dưới dạng glycoprotein hoặc glycolipid. Sự thật là hầu hết protein xuyên màng là glycoprotein, và khoảng một phần mười lipid màng là glycolipid. Phần “glyco” của những phân tử này gần như lồi ra không thay đổi ở phía ngoài tế bào, treo lủng lẳng ra ngoài từ bề mặt tế bào. Nhiều carbohydrat khác gọi là proteoglycan-chủ yếu là carbohydrat gắn vào một nhân protein nhỏ-gắn lỏng lẻo vào mặt ngoài tế bào. Do đó toàn bộ mặt ngoài tế bào có một lớp áo carborhydrat lỏng lẻo gọi là glycocalyx.

Những nửa carbohydrat gắn vào mặt ngoài tế bào có một vài chức năng:

Nhiều trong số chúng tích điện âm, làm cho hầu hết các tế bào có toàn bộ mặt ngoài tích điện âm do đó đẩy những vật tích điện âm khác.

Lớp glycocalyx của một số tế bào gắn với lớp glycocalyx của các tế bào khác do đó gắn một tế bào với tế bào khác

Nhiều phân tử carbohydrat hoạt động như một receptor cho những hormone gắn vào, như insulin, khi gắn vào, phức hợp hoạt hóa protein gắn ở trong màng, sau đó hoạt hóa một chuỗi các enzyme nội bào.

Tế bào chất và bào quan

Tế bào chất chứa đầy những hạt lớn nhỏ và bào quan. Phần đông như thạch của tế bào chất mà ở đó các hạt rải rác được gọi là dịch bào tương và chứa chủ yếu là protein, điện giải và glucose.

Rải rác trong tế bào chất là những giọt mỡ trung tính, hạt glycogen, ribosome, các túi bài tiết và 5 bào quan đặc biệt quan trọng: lưới nội sinh chất, bộ máy golgi, ty thể, lysosome, và peroxisome.

Lưới nội sinh chất

Hình trình bày mạng lưới hệ thống hình ống và phẳng trong bào tương, đó là lưới nội sinh chất. Cơ quan này giúp xử lý các phân tử tạo thành bởi tế bào và chuyển chúng tới những nơi riêng biệt bên trong hoặc bên ngoài tế bào. Những túi và những ống này nối liền với nhau. Ngoài ra, thành của chúng được tạo nên bởi màng lipid kép chứa một lượng lớn protein, giống như màng tế bào. Tổng diện tích của cấu trúc này trong một số tế bào-ví dụ như tế bào gan-có thể gấp 30 đến 40 lần diện tích màng tế bào.

Cấu trúc chi tiết của những phần nhỏ của lưới nội chất được trình bày ở hình. Khoảng không bên trong các ống và túi được lấp đầy bởi endoplasmic matrix, một môi trường loãng khác với dịch ở bào tương phía ngoài lưới nội chất. Kính hiển vi điện tử cho thấy khoảng không phía trong lưới nội chất nối liền với khoảng không giữa 2 màng của màng nhân.

Hình. Cấu trúc của mạng lưới nội chất

Những chất được tạo thành ở một số phần của tế bào đi vào khoảng không trong lưới nội chất và sau đó được gửi tới những nơi khác của tế bào. Như vậy, diện tích rộng lớn của mạng lưới này và nhiều hệ thống enzyme gắn trên màng của nó cung cấp bộ máy chính cho chức năng chuyển hóa của tế bào.

Ribosome và lưới nội chất hạt:

Gắn với mặt ngoài của nhiều lưới nội chất là một số lượng lớn những hạt nhỏ gọi là ribosome. Nơi những hạt này có mặt, lưới nội chất được gọi là lưới nội chất hạt. ribosome bao gồm hỗn hợp RNA và protein, và chức năng của nó là tổng hợp protein mới trong tế bào.

Lưới nội chất trơn:

Là những phần của lưới nội chất không gắn ribosome. Phần này được gọi là lưới nội chất không hạt hoặc trơn. Chức năng của lưới nội chất trơn là tổng hợp lipid và một số chức năng khác được thúc đẩy bởi enzyme.

Bộ máy golgi

Bộ máy golgi, được trình bày ở hình, có mối quan hệ mật thiết với lưới nội chất. Nó có màng giống như của lưới nội chất trơn. Bộ máy golgi thông thường bao gồm 4 hoặc nhiều hơn các lớp mỏng, phẳng, chứa các túi nằm cạnh một phía của nhân tế bào. Bộ máy này phát triển ở những tế bào bài tiết, chúng nằm ở phía của tế bào mà từ đó các chất tiết được đẩy ra ngoài.

Hình. Một bộ máy Golgi điển hình và mối quan hệ của nó với lưới nội chất (ER) và nhân.

Chức năng của bộ máy golgi có mối quan hệ với lưới nội chất. Như hình, những hạt vận chuyển nhỏ (cũng gọi là túi lưới nội chất) tiếp tục tách ra từ lưới nội chất và ngay sau đó hòa vào bộ máy golgi. Theo cách này, những chất trong túi lưới nội chất được vận chuyển từ lưới nội chất đến bộ máy golgi. Những chất được vận chuyển sau đó được xử lý trong bộ máy golgi để tạo thành lysosome, túi tiết, và nhiều thành phần khác của tế bào chất được trình bày trong chương này.

Lysosome

Lysosome, trình bày ở hình, là bào quan dạng túi, được tạo thành bởi bộ máy golgi và phân tán vào khắp tế bào chất. lysosome cung cấp hệ thống tiêu hóa nội bào cho phép tế bào tiêu hóa những cấu trúc có hại cho tế bào, thức ăn đã được ăn bởi tế bào và những chất không mong muốn như vi khuẩn. Lysosome khác nhau ở những loại tế bào khác nhau, nhưng chúng thường có đường kính 250-750 nm. Chúng được bao quanh bởi một màng lipid kép đặc trưng và được lấp đầy bởi một lượng lớn những hạt nhỏ có đường kính 5-8 nm, là những protein tập hợp của 40 loại enzyme tiêu hóa khác nhau. Enzyme thủy phân có khả năng tách các hợp chất thành 2 hoặc nhiều phần bằng cách kết hợp hydro từ phân tử nước với một phần của hợp chất và gắn phần  hydroxyl của phân tử nước với phần còn lại của hợp chất. Ví dụ, protein bị thủy phân thành các amino acid, glycogen bị thủy phân để tạo thành glucose, lipid bị thủy phân để tạo thành acid béo và glycerol.

Các enzyme thủy phân tập trung nhiều ở lysosome. Thông thường, màng lysosome ngăn cản những enzyme thủy phân kết hợp với những chất khác trong tế bào và do đó ngăn cản hoạt động tiêu hóa của chúng. Tuy nhiên, một vài tình trạng của tế bào làm phá hủy màng của lysosome, cho phép giải phóng các enzyme tiêu hóa. Những enzyme này sau đó tách những chất hữu cơ thành những chất nhỏ hơn, có khả năng khuếch tán cao như amino acid và glucose.

Peroxisome

Peroxixome giống với lysosome, nhưng chúng khác biệt trong 2 điểm quan trọng. Thứ nhất, chúng được cho là được hình thành bằng cách tự tái tạo lại (hoặc có thể nảy chồi ra từ lưới nội chất trơn) hơn là từ bộ máy golgi. Hai là, nó chứa nhiều enzyme oxidase hơn là hydrolase. Một vài enzyme oxidase có khả năng kết hợn oxy với hydro lấy từ các chất hóa học khác nhau trong tế bào để tạo thành hydro peroxide( H2O2). Hydro peroxide là một chất oxy hóa mạnh và được dùng kết hợp với catalase, một enzyme oxy hóa khác có mặt với số lượng lớn ở peroxisome, để oxy hóa những chất có thể gây độc cho tế bào. Ví dụ, khoảng một nửa số rượu một người uống vào được giải độc thành acetaldehyde bởi peroxisome của tế bào gan theo cách này. Chức năng chính của peroxisome là chuyển hóa những acid béo chuỗi dài.

Túi tiết

Một trong những chức năng quan trọng của tế bào là tiết ra những chất hóa học đặc biệt. Gần như tất cả các chất tiết được hình thành bởi lưới nội chất và bộ máy golgi và sau đó được giải phóng từ bộ máy golgi vào bào tương dưới dạng các túi được gọi là túi tiết hoặc hạt tiết. Hình trình bày túi tiết điển hình bên trong tế bào tụy, những túi này chứa tiền enzyme( những enzyme chưa được hoạt hóa). Những tiền enzyme sau đó được tiết ra ngoài màng tế bào vào ống tụy từ đó vào trong tá tràng, nơi chúng được hoạt hóa và thực hiện chức năng tiêu hóa thức ăn trong hệ tiêu hóa.

Hình. Các hạt bài tiết (túi tiết) trong các tế bào acinar của tuyến tụy

Ty thể

Ty thể, trình bày ở hình, được gọi là nhà máy năng lượng của tế bào. Không có chúng, tế bào không có khả năng  lấy năng lượng từ chất dinh dưỡng, và về cơ bản tất cả chức năng của tế bào sẽ dừng lại.

Hình. Cấu trúc của một ty thể

Ty thể xuất hiện ở mọi nơi trong bào tương, nhưng số lượng ty thể trong tế bào thay đổi từ dưới 100 tới vài nghìn, phụ thuộc vào nhu cầu năng lượng của tế bào. Tế bào cơ tim,ví dụ, sử dụng một lượng lớn năng lượng nên có một lượng ty thể lớn hơn nhiều so với tế bào mỡ, tế bào thực hiện ít hoạt động và sử dụng ít năng lượng. Hơn nữa, ty thể tập trung ở phần của tế bào mà phần đố chịu trách nhiệm chính trong chuyển hóa năng lượng. Chúng cũng biến đổi nhiều về kích thước và hình dạng. Một số ty thể có đường kính chỉ vài nanomet và có hình cầu, trong khi một số kéo dài và có đường kính 1micromet, dài 7micromet, một số khác thì phân nhánh hoặc mảnh như sợi chỉ.

Cấu trúc cơ bản của ty thể, như hình, bao gồm 2 màng lipid kép, màng ngoài và màng trong. Màng trong có nhiều phần lộn vào trong tạo nên những ngăn hoặc ống nhỏ gọi là mào mà trên đó enzyme oxy hóa gắn vào. Mào ty thể tạo nên một diện tích lớn cho các phản ứng hóa học xảy ra. Thêm vào đó, khoang trong ty thể được lấp đầy bởi ma trận chứa một lượng lớn enzyme phân hủy cần thiết để lấy năng lượng từ chất dinh dưỡng. Những enyme này hoạt động kết hợp với enzyme oxy hóa trên mào ty thể để oxy hóa chất dinh dưỡng, do đó tạo nên CO2 và nước cùng lúc đó giải phóng năng lượng. Năng lượng được phóng thích được sử dụng để tổng hợp một chất giàu năng lượng gọi là adenosine triphosphate(ATP). ATP sau đó ATP được vận chuyển ra ngoài ty thể và khuếch tán khắp tế bào để giải phóng năng lượng của nó bất cứ nơi nào cần để thực hiện chức năng tế bào. Cấu trúc hóa học chi tiết của ATP được tạo  bởi ty thể được cung cấp ở chương 68, nhưng một vài chức năng cơ bản của ATP trong tế bào được giới thiệu dưới đây trong chương này.

Ty thể là có khả năng tự sao chép, có nghĩa là một ty thể có thể tạo ra ty thể thứ hai, thứ ba, và hơn nữa, ở bất cứ nơi nào có yêu cầu của tế bào về một lượng lớn ATP. Thật vậy,  ty thể chứa DNA tương tự như DNA trong nhân tế bào. Chúng ta sẽ thấy DNA là thành phần hóa học cơ bản của nhân kiểm soat sự tái tạo của tế bào. DNA của ty thể đóng vai trò tương tự, kiểm soát sự tái tạo của ty thể. Tế bào phải đối mặt với nhu cầu năng lượng tăng cao- khi điều đó xay ra, ví dụ ở hệ cơ xương khi thực hiện những bài tập lặp đi lặp lại-có thể tăng mật độ ty thể để đáp ứng nhu cầu nằng lượng.

Bộ khung xương tế bào-cấu trúc dạng ống và dạng sợi

Bộ khung xương tế bào là một mạng lưới những protein dạng sợi sắp xếp lại thành sợi hoặc ống. cấu trúc này khởi đầu từ những phân tử protein tổng hợp bởi ribosome trong bào tương. Những phân tử này sau đó trùng hợp lại để tạo thành các sợi. Ví dụ, một lượng lớn sợi actin thường xuyên được tìm thấy ở vùng ngoài của bào tương, được gọi là ngoại bào tương, để hình thành độ mềm dẻo cho màng tế bào. Ngoài ra, trong tế bào cơ, sợi actin và myosin tạo thành bộ máy co rút đặc biệt là cơ sở cho sự co cơ.

Một loại sợi cứng đặc biệt gồm những  phân tử dạng ống trùng hợp lại được sử dụng ở tất cả các tế bào để tạo nên những cấu trúc dạng ống vững chắc, gọi là ống vi tiểu quản.  Hình trình bày ống vi tiểu quản điển hình ở phần đuôi tinh trùng.

Hình. Các vi ống

Một ví dụ nữa về ống vi tiểu quản là cấu trúc xương ống ở trung tâm của vi nhung mao tỏa ra ngoài từ tế bào chất đến đỉnh của các vi nhung mao. Cấu trúc này được thảo luận sau ở chương này và được minh họa ở hình. Ngoài ra, cả trung thể và thoi phân bào của các tế bào đang phân chia cũng gồm những vi tiểu quản.

Như vậy, chức năng cơ bản của các vi tiểu quản là hoạt động như một khung xương tế bào, cung cấp những cấu trúc vững chắc cho tế bào. Bộ khung xương tế bào không những xác định hình dạng tế bào mà còn tham gia vào sự phân chia tế bào, cho phép tế bào di chuyển, và cung cấp một hệ thống như đường ray để điều khiển sự di chuyển của các bào quan trong tế bào.

Nhân tế bào

Nhân tế bào, là trung tâm điều khiển của tế bào, gửi tín hiệu đến tế bào để phát triển và trưởng thành, để tái tạo, hoặc chết. Nhân tế bào chứa một lượng lớn DNA, bao gồm những gene. Gene quyết định tính đặc trưng của protein tế bào, bao gồm protein cấu trúc, cũng như enzyme nội bào kiểm soát hoạt động của bào tương và nhân.

Gene cũng kiểm soát và đẩy mạnh sự sinh sản của tế bào. Gene đầu tiên sao chép để tạo thành 2 bộ gene, sau đó tế bào chia ra bằng một quá trình đặc biệt gọi là sự phân bào để tạo thành 2 tế bào con, mỗi một trong số chúng nhận một trong 2 bộ gene.

Không may, sự xuất hiện của nhân tế bào dưới kính hiển vi không cung cấp bất cứ manh mối nào về cơ chế nhân tế bào thực hiện hoạt động điều khiển của nó. Hình cho thấy nhân tế bào trong kỳ trung gian dưới kính hiển vi quang học (khoảng thời gian giữa 2 lần phân bào), cho thấy chất nhiễm sắc nhuộm màu tối khắp nhân sinh chất. Trong khi phân bào, chất nhiễm sắc tạo nên một cấu trúc nhiễm sắc thể, có thể dễ dàng nhận thấy dưới kính hiển vi quang học.

Màng nhân

Màng nhan, cũng được gọi là vỏ nhân, là 2 màng kép, một màng ở bên trong cái còn lại. Màng bên ngoài liên tiếp với lưới nội chất của bào tương, và khoảng không ở giữa 2 màng cũng tiếp nối với khoảng không trong lưới nội chất, như hình.

Hình. Cấu trúc của nhân

Màng nhân bị xuyên thủng bởi hàng nghìn lỗ nhân. Những phân tử protein phức tạp gắn vào cạnh của lỗ do đó vùng trung tâm của lỗ chỉ có đường kính 9 nm. Dù vậy lỗ đủ lớn để những phân tử có trọng lượng 44000 có thể đi qua dễ dàng.

Hạch nhân và sự hình thành ribosome

Nhân của hầu hết tế bào chứa một hoặc nhiều cấu trúc bắt màu gọi là hạch nhân. Hạch nhân, không như hầu hết các bào quan khác được nhắc đến ở đây, không có một màng giới hạn nào. Thay vào đó, đó đơn giản là sự tập trung của một số lượng lớn RNA và những loại protein như tìm thấy ở ribosome. Hạch nhân trở nên lớn hơn khi tế bào tích cực tổng hợp protein.

Sự hình thành hạch nhân (và ribosome ở bào tương ngoài nhân) bắt đầu ở trong nhân tế bào. Đầu tiên, những gene DNA riêng biệt của nhiễm sắc thể tổng hợp nên RNA. Một số RNA được tổng hợp được chứa ở hạch nhân, nhưng hầu hết chúng được vận chuyển ra ngoài qua các lỗ nhân tới bào tương. Tại đây, chúng được kết hợp với những protein đặc biệt để tạo thành ribosome trưởng thành đóng vai trò chủ yếu tổng hợp protein bào tương.