Hệ thống chức năng của tế bào cơ thể người

Sự ăn của tế bào - sự thực bào

Nếu tế bào muốn sống, phát triển và sinh sản, chúng phải kiếm thức ăn và những chất khác từ môi trường xung quanh. Hầu hết các chất đi qua màng tế bào bằng sự khuếch tán và vận chuyển tích cực.

Sự khuếch tán bao gồm sự di chuyển đơn giản qua màng tế bào bởi sự di chuyển tự do của các phân tử chất, các chất đi chuyển qua các lỗ màng hoặc hoặc qua lớp lipid kép với những chất tan trong mỡ.

Vận chuyển tích cực bao gồm sự vận chuyển các chất qua màng bởi các protein cấu trúc xuyên qua màng.

Những hạt rất lớn đi vào trong tế bào bằng một chức năng đặc biệt của màng tế bào gọi là sự nhập bào. Hình thức chính của sự nhập bào là ẩm bào và thực bào. Ẩm bào nghĩa là sự ăn các hạt nhỏ tạo thành các túi dịch ngoại bào và các hạt cấu thành vào trong bào tương. Thực bào nghĩa là ăn các hạt lớn như vi khuẩn, tế bào nguyên vẹn hoặc một phần những mô thoái hóa.

Sự ẩm bào

Ẩm bào xảy ra liên tục trên màng của hầu hết các tế bào, nhưng chúng đặc biệt nhanh ở một số tế bào. Ví dụ, nó xảy ra rất nhanh ở đại thực bào, khoảng 3% màng của đại thực bào chìm vào thành các túi mỗi phút. Mặc dù vậy, các túi ẩm bào rất nhỏ-thường có đường kính 100-200 nm-hầu hết trong số chúng chỉ được nhìn thấy dưới kính hiển vi điện tử.

Ẩm bào là cách duy nhất để các phân tử lớn nhất, như hầu hết protein, có thể đi vào tế bào. Trên thực tế, tốc độ ẩm bào tăng lên khi những đại phân tử gắn vào màng tế bào.

Hình. Cơ chế của pinocytosis

Hình giải thích các bước của sự ẩm bào, cho thấy 3 phân tử protein gắn vào màng. Những phân tử này thường gắn vào những receptor đặc biệt trên bề mặt màng đặc trưng cho từng loại protein được hấp thụ. Những receptor này thường tập trung ở những hố trên màng tế bào, gọi là coated pits. Ở bên trong màng tế bào những hố này là một mạng lưới những protein dạng sợi gọi là clathrin, giống như những protein khác, có thể bao gồm những sợi co như actin và myosin. Một khi phân tử protein gắn với receptor, tính chất bề mặt của màng thay đổi theo cách toàn bộ hố lõm vào trong và những protein dạng sợi xung quanh hố tạo thành hàng rào bao chặt lấy những protein gắn, cũng như bao lấy một lượng nhỏ dịch ngoại bào. Ngay lập tức sau đó, phần lõm vào của màng tách ra từ bề mặt tế bào, tạo thành túi ẩm bào đi vào trong bào tương.

Điều gì là nguyên nhân làm cho màng tế bào lõm vào để tạo thành các túi ẩm bào đến nay còn chưa rõ. Quá trinh này yêu cầu năng lượng bên trong tế bào, được cung cấp bởi ATP, phân tử giàu năng lượng được thảo luận sau này. Quá trình này cũng yêu cầu sự có mặt của ion calci của dịch ngoại bào, thứ phản ứng với những protein co bên dưới các hố để tạo ra lực tách các túi ra khỏi màng tế bào.

Sự thực bào

Sự thực bào xảy ra rất giống với sự ẩm bào, ngoại trừ chúng bao gồm những hạt lớn hơn phân tử. Chỉ một vài tế bào nào đó có khả năng thực bào, đặc biệt nhất là đại thực bào mô và một số tế bào bạch cầu.

Sự thực bào bắt đầu khi các hạt như vi khuẩn, tế bào chết, hoặc các mảnh vụn mô gắn với các receptor của  thực bào. Trong trường hợp đó là vi khuẩn, mỗi vi khuẩn thường đã gắn với một kháng thể riêng biệt, và đó là kháng thể gắn với receptor của thực bào, kéo theo vi khuẩn cùng với nó.

Hình. Tiêu hóa các chất trong pinocytotic hoặc phagocytic mụn nước bởi các enzyme có nguồn gốc từ lysosome.

Sự thực bào xảy ta theo những bước sau:

Receptor màng tế bào gắn với phối tử trên bề mặt các hạt.

Bờ của màng xung quanh điểm gắn lộn ra ngoài trong một phần giây để bao xung quanh toàn bộ hạt, sau đó ngày càng nhiều receptor màng gắn với phối tử của hạt. Tất cả xảy ra đột ngột theo cách như khóa kéo để tạo thành túi thực bào.

Actin và những sợi co khác trong bào tương bao quanh túi thực bào và co lại quanh bờ ngoài của nó, đẩy túi thực bào vào bên trong.

Các protein co sau đó bó chặt lấy các túi để hoàn thành việc tách các túi thực bào ra khỏi màng tế bào, để lajic ác túi bên trong tế bào theo cách mà các túi ẩm bào được thực hiện.

Các chất trong túi ẩm bào và thực bào được tiêu hóa bởi lysosome

Gần như ngay lập tức sau khí túi ẩm bào và thực bào xuất hiện bên trong tế bào, một hoặ nhiều lysosome gắn vào túi và giải phóng các enzyme thủy phân vào trong túi, như hình. Như vậy, túi tiêu hóa được hình thành bên trong bào tương nơi mà các enzyme bắt đầu thủy phân protein, carbohydrate, lipid, và những chất khác trong túi. Sản phẩm tiêu hóa là những phân tử nhỏ như acid amin, glucose, phosphate, và nhiều chất khác có thể khuếch tán qua màng túi bào trong bào tương. Phần còn lại của túi tiêu hóa, gọi là phần dư, chứa những chất khó tiêu hóa. Trong đa số các trường hợp, phần dư cuối cùng được thải ra qua màng tế bào bằng quá trình gọi là sự xuất bào, về bản chất ngược lại với quá trình nhập bào.

Như vậy, túi ẩm bào và thực bào bao gồm lysosome có thể được gọi là cơ quan tiêu hóa của tế bào.

Sự thoái hóa của mô và sự phân hủy của tế bào bị tổn hại

Các mô của cơ thể thường thoái hóa thành kích thước nhỏ hơn. Ví dụ, sự thoái hóa xảy ra ở tử cung sau khi mang thai, ở cơ sau một thời gian dài ít vận động, và ở tuyến vú sau thời kỳ cho con bú. Lysosome chịu trách nhiệm lớn trong sự thoái hóa này.

Một vai trò nữa của lysosome là loại bỏ những tế bào bị tổn hại hoặc những phần mô bị tổn thương. Những yếu tố có hại cho tế bào-nóng, lạnh, chấn thương, chất hóa học, hoặc những yếu tố khác-làm vỡ lysosome. Sự giải phóng enzyme thủy phân ngay lập tức bắt đầu tiêu hóa những chất hữu cơ xung quanh. Nếu tổn thương nhỏ, chỉ một phần tế bào bị loại bỏ và tế bào sau đó được sửa chữa. Nếu tổn thương nghiêm trọng, toàn bộ tế bào bị tiêu hóa, quá trình này gọi là sự tự phân. Theo cách này, tế bào bị loại bỏ hoàn toàn và một tế bào mới cùng loại được sinh ra bên cạnh tế bào cũ thay thế cho nó.

Lysosome cũng bao gồm những tác nhân diệt khuẩn có thể diệt những vi khuẩn đã được thực bào trước khi nó gây tổn thương tế bào. Những tác nhân này bao gồm lysozyme- phân hủy màng vi khuẩn, lysoferrin-gắn sắt và các chất khác trước khi chúng thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn, acid ở pH 5.0-hoạt hóa enzyme thủy phân và ức chế sự chuyển hóa của vi khuẩn.

Tái tạo các bào quan - sự tự tiêu

Lysosome đóng vai trò chìa khóa trong quá trình tự tiêu, theo nghĩa đen là “ăn bản thân mình”. Sự tự tiêu là quá trình mà bằng cách đó những bào quan cũ và protein lớn giáng cấp và tái tạo (hình). Những bào quan không còn sử dụng được được chuyển tới lysosome bởi một cấu trúc màng kép gọi là autophagosome được hình thành ở phần bào tan. Sự lõm vào của màng lysosome và sự hình thành các túi tiêu hóa cung cấp một cách nữa để vận chuyển các chất vào trong khoang của lysosome. Một khi ở bên trong lysosome, các bào quan bị tiêu hóa và các chất dinh dưỡng được tái sử dụng bởi tế bào. Sự tự tiêu góp phần vào sự quay vòng của của các thành phần bào tương và đó là cơ chế chìa khóa cho sự phát triển của mô, sự sống của tế bào khi chất dinh dưỡng khan hiếm, và để duy trì hằng định nội môi. Ở tế bào gan, ví dụ, trung bình ty thể chỉ có đời sống kéo dài 10 ngày trước khi nó bị phá hủy.

Sự tổng hợp các cấu trúc tế bào bởi lưới nội chất và bộ máy golgi

Chức năng của lưới nội chất

Sự rộng lớn của lưới nội chất và bộ máy golgi ở các tế bào bài tiết đã được nhấn mạnh. Những cấu trúc này được hình thành chủ yếu bởi màng lipid kép tương tự như màng tế bào, và thành của chúng chứa nhiều enzyme xúc tác cho sự tổng hợp nhiều chất cần thiết cho tế bào.

Đa số sự tổng hợp bắt đầu ở lưới nội chất. Sản phẩm hình thành sau đó được chuyển tới bộ máy golgi, nơi chúng được xử lư them trước khi được giải phóng ra bào tương. Đầu tiên, dù sao, chúng ta hãy ghi nhớ những sản phẩm cụ thể được tổng hợp ở từng phần của lưới nội chất và bộ máy golgi.

Protein được tạo thành bởi lưới nội chất hạt:

Phần hạt của lưới nội chất đặc trưng bởi số lượng lớn ribosome gắn trên mặt ngoài của màng lưới nội chất. Như được thảo luận ở chương 3, phân tử protein được tổng hợp tại ribosome. Ribosome chuyển một số protein được tổng hợp trực tiếp tới phần bào tan, nhưng nó cũng gửi một phần lớn qua thành của lưới nội chất vào bên trong các túi và ống lưới nội chất.

Sự tổng hợp lipid của lưới nội chất trơn:

Lưới nội chất cũng tổng hợp lipid, đặc biệt là phospholipid và cholesterol. Những lipid này nhanh chóng sáp nhập vào lớp lipid kép của lưới nội chất, vì thể làm cho lưới nội chất trở nên lớn hơn. Quá trình này xảy ra chủ yếu ở phần trơn của lưới nội chất.

Những chức năng khác của lưới nội chất:

Những chức năng quan trọng khác của lưới nội chất, đặc biệt là lưới nội chất trơn bào gồm:

Nó cung cấp enzyme điều khiển quá trình phân hủy glycogen khi tế bào sử dụng glycogen để sinh năng lượng.

Nó cung cấp một số lượng lớn enzyme có khả năng khử độc các chất, ví dụ như thuốc, có thể gây hại cho tế bào. Thực hiện quá trình khử độc bằng sự đông vón, oxy hóa, thủy phân, kết hợp với acid glycuronic, và bằng những cách khác.

Chức năng của bộ máy golgi

Chức năng tổng hợp của bộ máy golgi:

Mặc dù chức năng chính của bộ máy golgi là cung cấp một quá trình xử lý các chất đã được tổng hợp bởi lưới nội chất, nó cũng có khả năng tổng hợp những carbohydrat không thể tổng hợp bởi lưới nội chất. Điều này đặc biệt đúng với những dạng polymer saccharide lớn gắn với một lượng nhỏ protein, ví dụ quan trọng là acid hyaluronic và chondroitin sulfate.

Một vài trong số rất nhiều chức năng của hyaluronic acid và chondroitin sulfate trong cơ thể là: (1) chúng là thành phần chính của proteoglycan bài tiết trong chất nhầy và nhiều tuyến ngoại tiết khác, (2) nó là thành phần chính của chất nền, hoặc phần không sợi của lưới ngoại bào, bên ngoài tế bào trong khoảng kẽ, hoạt động như vật lấp chỗ trống giữa sợi collagen và tế bào, (3) nó là thành phần chính của chất hữu cơ trong cả sụn và xương, va (4) chúng đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của tế bào, bao gồm sự di chuyển và sự phát triển.

Sự bài tiết của bộ máy golgi:

Hình. Sự hình thành của protein, lipid và túi tế bào mạng lưới nội chất và bộ máy Golgi

Hình tóm tắt những chức năng chính của lưới nội chất và bộ máy golgi. Những chất được tổng hợp ở lưới nội chất, đặc biệt là protein, được vận chuyển qua các ống tới phần lưới nội chất trơn nằm bên cạnh bộ máy golgi. Tại đây, các túi vận chuyển nhỏ bao gồm một phần nhỏ vỏ của lưới nội chất trơn tách ra và khuếch tán vào lớp sâu nhất của bộ máy golgi. Trong các túi này là protein đã được tổng hợp và các sản phẩm khác của lưới nội chất.

Những túi vận chuyển ngay sau đó hòa vào bộ máy golgi và đổ các chất của nó vào trong các khoang của bộ máy golgi. Tại đây, các gốc carbohydrat được them vào sự bài tiết. Như vậy, một chức năng quan trọng của bộ máy golgi là chứa đựng những sản phẩm của lưới nội chất trong những gói với mật độ cao. Như những chất tiết được vận chuyển tới màng ngoài cùng của bộ máy golgi, các gói này được chuyển đi. Cuối cùng, các gói lớn và nhỏ liên tục tách ra khỏi bộ máy golgi, đem theo chúng là những gói chất tiết, và lần lượt, các túi khuếch tán khắp tế bào.

Ví dụ phía dưới cho thấy một quan điểm về thời gian của các quá trình: khi tế bào tuyến tắm trong amino acid phóng xạ, một dạng protein phóng xạ có thể được tìm thấy ở lưới nội chất hạt sau 3-5 phút. Trong vòng 20 phút, protein mới đã xuất hiện ở bộ máy golgi, và trong 1-2 giờ, protein được tiết ra ở bề mặt tế bào.

Những loại túi được hình thành ở bộ máy golgi-túi tiết và lysosome:

Ở những tế bào bài tiết ở mức độ cao, những túi được tạo thành ở bộ máy golgi chủ yếu là những túi tiết chứa protein và sẽ được bài tiết ra ở màng tế bào. Các túi tiết đầu tiên sẽ được khuếch tán tới màng tế bào, hòa vào màng và tống những chất của nó ra ngoài theo một cơ chế gọi là sự xuất bào. Sự xuất bào, trong đa số các trường hợp, được kích thích bởi ion calci trong tế bào, ion calci ảnh hưởng qua lại với màng của túi tiết theo một vài cách nào nó chưa biết, làm cho chúng hòa lẫn với màng tế bào, tiếp theo là xuất bào- là sự mở ra của màng tế bào ở mặt ngoài, và đẩy các chất ra ngoài. Tuy nhiên, một vài túi được sử dụng riêng ở trong tế bào.

Tác dụng của các túi trong tế bào để bổ sung cho màng tế bào:

Một vài túi trong tế bào được tạo bởi bộ máy golgi hòa vào màng tế bào hoặc màng của các cấu trúc trong tế bào như ty thể và thậm chí là lưới nội chất. Sự hòa màng này làm các màng trở nên lớn hơn và bằng cách ấy bổ sung cho các màng như chúng đã được sử dụng. Ví dụ, màng tế bào mất rất nhiều mỗi khi chúng tạo thành các túi ẩm bào và thực bào, và màng các túi của bộ máy golgi liên tục bổ sung cho màng tế bào.

Tóm lại, hệ thống màng của lưới nội chất và bộ máy golgi đại diện cho một cơ quan chuyển hóa với mức độ cao có khả năng tạo nên các cấu trúc mới, như là các chất tiết được bài tiết bởi tế bào.

Ty thể lấy năng lượng từ chất dinh dưỡng

Các chất chính từ mà từ đó tế bào tạo ra năng lượng là thức ăn phản ứng với oxy- carbohydrat, chất béo, và protein. Trong cơ thể người, về cơ bản tất cả carbohydrat được chuyển thành glucose bởi hệ thống tiêu hóa và gan trước khi đi đến các tế bào khác. Tương tự, protein được chuyển thành amino acid và chất béo được chuyển thành các acid béo. Hình cho thấy oxy và thức ăn-glucose, acid béo, và amino acid-tất cả đi vào trong tế bào. Trong tế bào, thức ăn phản ứng với oxy, dưới sự tác động của enzyme điều khiển phản ứng và năng lượng được giải phóng theo một sự điều khiển riêng.

Hình. Sự hình thành của adenosine triphosphate (ATP) trong tế bào, cho thấy hầu hết ATP được hình thành trong ty thể. ADP, adenosine diphosphate; CoA, coenzyme A.

Tóm lại, hầu như tất cả phản ứng oxy hóa xảy ra trong ty thể, và năng lượng được sử dụng để tjao nên một chất giàu năng lượng là ATP. Sau đó, ATP, không phải là thức ăn, được sử dụng khắp tế bào để tạo ra năng lượng trong hầu hết mọi hoạt động chuyển hóa trong tế bào.

Chức năng đặc trưng của ATP

ATP là một nucleotide bao gồm (1) base nitro adenine, (2) đường 5 ribose, và (3) 3 gốc phosphate. 2 gốc phosphate cuối cùng nối với phần còn lại của phân tử bởi liên kết phosphate giàu năng lượng, được biểu hiện trong liên kết hóa học bởi dấu. Trong điều kiện vật lý và hóa học của cơ thể, mỗi liên kết hóa học chứa năng lượng khoảng 12000 calo trong một mol ATP, lớn hơn rất nhiều lần năng lượng trung bình chứa trong các liên kết hóa học, vì vậy nó được gọi là liên kết giàu năng lượng. Hơn nữa, liên kết phosphate giàu năng lượng rất dễ bị phân hủy do đó nó có thể bị tách ra ngay khi được yêu cầu ở bất cứ nơi nào để đẩy mạnh các phản ứng trong tế bào.

Hình. Adenosine triphosphate

Khi ATP giải phóng năng lượng, gốc acid phosphoric tách ra và adenosine diphosphate(ADP) được tạo thành. Năng lượng giải phóng ra được dùng cho nhiều chức năng khác nhau của tế bào, như tổng hợp chất và co cơ.

Để tổng hợp lại ATP mà tế bào đã sử dụng, năng lượng nhận được từ chất dinh dưỡng kết hợp ADP và acid phosphoric để tạo thành ATP, và toàn bộ quá trình này được lặp đi lặp lại. Vì lý do đó, ATP được gọi là đồng tiền năng lượng của tế bào vì nó có thể liên tục được tiêu đi và kiếm lại, sự luân chuyển diễn ra chỉ trong vòng vài phút.

Quá trình hóa học hình thành ATP-vai trò của ty thể:

Trong lúc đi vào tế bào, glucose được đưa tới enzyme trong bào tương để chuyển thành acid pyruvic( quá trình gọi là glycolysis). Một lượng nhỏ ADP được chuyển thành ATP bởi năng lượng giải phóng từ quá trình này, nhưng lượng năng lượng này chỉ chiếm ít hơn 5% tổng năng lượng chuyể hóa của tế bào.

Khoảng 95% ATP của tế bào được tổng hợp tại ty thể. Acid pyruvic lấy từ carbohydrat, acid béo lấy từ lipid, và amino acid lấy từ protein cuối cùng được chuyển thành acetyl-coenzym A(CoA) trong ma trận ty thể. Chất này, được phân hủy thêm nữa( với mục đích lấy năng lượng của nó) bởi một chuỗi các enzyme trong ty thể , trải qua một chuỗi các phản ứng phân hủy nối tiếp gọi là chu trình acid citric hoặc chu trình kreb.

Trong chu trình acid citric, acetyl-CoA được tách thành nhiều phần, hydro và carbon dioxide. Carbon dioxide khuếch tán ra khỏi ty thể và sau đó ra khỏi tế bào, cuối cùng thải ra khỏi cơ thể qua phổi.

Nguyên tử hydro, ngược lại, tác động trở lại cơ thể, chúng kết hợp với oxy, cũng được khuếch tán vào trong ty thể. Phức hợp này giải phóng rất nhiều năng lượng, được sử dụng bởi ty thể để chuyển một lượng lớn ADP thành ATP. Quá trinhg phản ứng này rất phức tạp, yêu cầu sự tham gia của nhiều enzyme của toàn bộ các ngăn màng ty thể lồi vào trong ty thể. Ban đầu, phải loại bỏ electron ra khỏi nguyên tử hydro, tạo thành ion hydro. Sau đó kết hợp ion hydro với oxy để tạo thành nước và giải phóng một lượng rất lớn năng lượng tới những protein hình cầu lớn mà lồi vào trong ty thể như những cái núm. Quá trình này gọi là ATP synthetase. Cuối cùng, enzyme ATP synthetase sử dụng năng lượng từ ion hydro để chuyển ADP thành ATP. ATP mới hình thành được chuyển ta khỏi ty thể đến tất cả các phần của bào tương và nhân sinh chất, nơi mà năng lượng cần thiết để thực hiện các chức năng của tế bào.

Tất cả quá trình tạo thành ATP được gọi là chemiosmotic mechanism của sự tổng hợp ATP.

Sử dụng ATP cho các chức năng của tế bào:

Năng lượng từ ATP được sử dụng cho 3 chức năng chính của tế bào: (1) vận chuyển chất qua các màng của tế bào, (2) tổng hợp các hợp chất hóa học khắp tế bào, (3) vận động. Những chức năng này của ATP được minh họa trong ví dụ ở hình: (1) để cung cấp năng lượng cho sự vận chuyển natri qua màng tế bào, (2) tổng hợp protein tại ribosome, (3) cung cấp năng lượng cho sự co cơ.

Hình. Sử dụng adenosine triphosphate (ATP; hình thành trong ty thể) để cung cấp năng lượng cho ba chức năng chính của tế bào: vận chuyển màng, tổng hợp protein và co cơ. ADP, adenosine diphosphate.

Ngoài việc màng tế bào vận chuyển natri, năng lượng từ ATP còn được sử dụng để vận chuyển ion kali, calci, magie, phosphate, clo, urate, hydro, và rất nhiều ion và các chất khác. Sự vận chuyên các chất của màng tế bào là rất quan trọng với chức năng của tế bào, một số tế bào, ví dụ như tế bào ống thận, sử dụng đến 80% ATP chỉ cho mục đích này.

Ngoài việc tổng hợp protein, tế bào cũng tổng hợp phospholipid, cholesterol, purin, prymidine, và rất nhiều chất khác. Sự tổng hợp bất kỳ chất nào cũng yêu cầu năng lượng. Ví dụ, một phân tử protein riêng lẻ có thể bao gồm hàng nghìn amino acid gắn với nhau bằng cầu nối peptide. Sự hình thành của mỗi liên kết này đều yêu cầu năng lượng từ sự bẻ gãy 4 liên kết giàu năng lượng, vì vậy, hàng nghìn phân tử ATP phải giải phóng năng lượng để hình thành một phân tử protein. Thực tế là, một vài tế bào sử dụng đến 75% ATP chỉ để tổng hợp những chất hóa học, đặc biệt là phân tử protein, điều này cũng đúng trong thời kỳ phát triển của tế bào.

Tác dụng chính cuối cùng của ATP là cung cấp năng lượng cho một số tế bào đặc biệt để thực hiện chức năng vận động. Chúng ta thấy trong chương 6 là mỗi lần co của sợi cơ yêu cầu một lượng rất lớn năng lượng ATP. Các tế bào khác nhau thực hiện chức năng vận động theo những cách khác nhau, đặc biệt là vận động theo kiểu vi nhung mao và kiểu amip, được mô tả ở phía sau. Nguồn gốc năng lượng cho tất cả các kiểu vận động là ATP.

Tóm lại, ATP luôn sẵn sàng để giải phóng năng lượng ngay lập tức ở gần như bất cứ nơi nào trong tế bào cần năng lượng. Để thay thế ATP sử dụng bởi tế bào, những phản ứng hóa học chậm hơn nhiều bẻ gãy carbohydrat, chất béo, và protein và sử dụng năng lượng từ quá trình đó để tạo nên ATP mới. Hơn 95% ATP được taọ thành bởi ty thể, đó là lý do ty thể được gọi là nhà máy năng lượng của tế bào.