Chương I SINH LÝ TẾ BÀO THỰC VẬT I. Khái niệm tế bào. Học thuyết tế bào. Tế bào là đơn vị cơ sở mà tất cả các cơ thể sống đều hình thành nên từ đó.
Năm 1667, Robert Hook đã phát hiện ra đơn vị cấu trúc cơ sở của cơ thể sống là “tế bào”. Ông đã mô tả cấu trúc đó. Đồng thời và độc lập với Robert Hook, nhà bác học Hà Lan Antonie Van Leeuwenhock và người Ý Malpighi đã nghiên cứu ở đối tượng động vật và cũng phát hiện ra tế bào. Đến thế kỷ XIX, với sự đóng góp của nhà thực vật học Mathias Schleiden và nhà động vật học Theodor Schwann học thuyết tế bào chính thức ra đời (1838).
Đặc trưng chung của tế bào.Đặc trưng về cấu tạo. Theo Mathias Schleiden và Theodor Schwann thì mọi cơ thể thực vật và động vật đều do những tế bào cấu tạo nên và chúng được sắp xếp theo những trật tự riêng đặc trưng cho từng cơ thể. Tất cả các bộ phận của nó đều đạt đến mức chuyên hóa về hình thái và chức năng. Đó là kết quả của cả một quá trình tiến hóa hết sức lâu dài của các dạng sống nguyên thủy, thích nghi cao độ với các điều kiện môi trường phức tạp và đa dạng.
Mọi tế bào đều có cấu tạo cơ bản như sau: - Mọi tế bào đều có màng sinh chất bao quanh. Trên màng có nhiều kênh dẫn truyền vật chất và thông tin tạo cầu nối giữa tế bào và môi trường bên ngoài. -Mọi tế bào đều có nhân hoặc nguyên liệu nhân chứa thông tin di truyền tế bào. Có vùng nhân định hướng và điều tiết mọi hoạt động của tế bào.
-Mọi tế bào đều chứa chất nền gọi là tế bào chất. Tế bào chất chứa các bào quan. Đặc trưng về chức năng. Mọi hoạt động sống của cơ thể cũng được thực hiện từ mức độ tế bào.
- Trao đổi chất và năng lượng: Giữa cơ thể sinh vật và môi trường luôn luôn xảy ra quá trình trao đổi chất và năng lượng. Nhờ trao đổi chất và năng lượng mà cơ thể tồn tại, sinh trưởng và phát triển. - Sinh trưởng và phát triển: Sinh trưởng là hệ quả của quá trình trao đổi chất và năng lượng. Sinh trưởng là sự tích lũy về lượng làm cho khối lượng và kích thước tăng lên.
Khi sinh trưởng đạt đến ngưỡng nhất định thì cơ thể chuyển sang trạng thái phát triển. Phát triển là sự biến đổi về chất lượng của cả cấu trúc lẫn chức năng sinh lý của cơ thể theo từng giai đoạn của cơ thể. - Sinh sản: Sinh sản là thuộc tính đặc trưng nhất cho cơ thể sống. Nhờ sinh sản mà cơ thể sống tồn tại, phát triển từ thế hệ này qua thế hệ khác, cơ thể thực hiện được cơ chế truyền đạt thông tin di truyền từ thế hệ này qua thế hệ khác.
Sinh sản là đặc tính quan trọng nhất của cơ thể sống mà vật thể không sống không có được. Sinh sản theo kiểu trực phân hay do các tế bào chuyên hóa đảm nhận. Như vậy mọi hoạt động sống của cơ thể được thực hiện từ mức độ tế bào. Vậy tế bào vừa là đơn vị cấu trúc vừa là đơn vị chức năng của mọi cơ thể sống.Thành phần hóa học của tế bào.
Qua sự phân tích của các nhà khoa học, chất sống trung bình có khoảng 75- 85% nước, 10- 12% protide, 2- 3% lipide, 1% glucide và gần 1% muối và các hợp chất khác. Nước là thành phần chủ yếu của chất nguyên sinh, nó có vai trò quan trọng không những trong việc hòa tan các chất dinh dưỡng mà còn là môi trường để tiến hành các loại phản ứng hóa sinh, nó còn điều hòa nhiệt độ cơ thể, tham gia vào quá trình vận chuyển các chất trong cơ thể; vì vậy nó có ý nghĩa lớn. Lượng nước trong tế bào thường là một chỉ tiêu về mức độ hoạt động sống của tế bào. Chẳng hạn, ở mô não, hàm lượng nước lên đến 80%, còn ở mô xương chỉ chiếm 20%, ở hạt ngũ cốc, nước chỉ chiếm xấp xỉ 10%, ở các mô non của cây đạt đến 80- 85% nước.
Từ quan điểm sinh lý mà xét, sở dĩ nước có vai trò quan trọng vì phân tử nước có tính lưỡng cực, nhờ đặc tính này mà các phân tử nước liên kết được lại với nhau, hay có thể liên kết được với nhiều chất khác gây nên hiện tượng thủy hóa. Hiện tượng thủy hóa có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động sống của tế bào. Trong chất nguyên sinh, nước tồn tại ở hai dạng: nước liên kết và nước tự do. Nước tự do chiếm hầu hết lượng nước trong tế bào và có vai trò quan trọng trong trao đổi chất (TĐC).
Nước liên kết chiếm 4- 5% tổng lượng nước. Nước liên kết thường kết hợp với nhóm ưa nước của protein bằng cầu nối hydrogen. Hàm lượng nước liên kết lớn thì khả năng chống chịu của chất nguyên sinh đối với ngoại cảnh bất lợi cao. Các chất khoáng.
Ngoài nước, trong tế bào còn chứa nhiều chất vô cơ khác là các nguyên tố khoáng, lượng chứa của từng nguyên tố khoáng trong chất sống khác biệt nhau rất nhiều; ngoài những nguyên tố đại lượng còn có những nguyên tố vi lượng, siêu vi lượng. Chúng ở dạng các muối vô cơ (KCl, NaCl, CaCl2.), các acid (HCl, H3PO4.), các loại kiềm (NH3, NH2OH. Trong tế bào, các chất khoáng thường tồn tại dưới dạng các ion tự do như HCO3-, CO3-, NO3-, NO2-, H2PO4-, HPO4-, SO4-, Cl-, H+, Ca++, K+, Mg++, Na+, Fe++,. hay chúng được hút bám trên các gốc mang điện của các mixen keo hoặc có mặt trong thành phần các hợp chất hữu cơ khác (liên kết hóa học).
Chất khoáng ở trạng thái tự do quy định áp suất thẩm thấu của tế bào từ đó góp phần vào cơ chế hấp thụ nước, các chất khoáng của tế bào. Sự phân bố không đồng đều của một số ion khoáng ở hai bên màng sinh chất là cơ sở của sự xuất hiện thế hiệu màng và dòng điện sinh học. Các chất khoáng ở dạng hút bám trên bề mặt các hạt keo nó giữ trong trạng thái bền vững, mức độ phân tán, độ ngậm nước, độ nhớt nhất định của hệ thống keo (Ion hóa trị 1, như K thường làm tăng độ ngậm nước, độ phân tán và giảm độ nhớt, còn ion hóa trị 2 như Ca và ion hóa trị 3 như Al có ảnh hưởng ngược lại). Các nguyên tố khoáng có tác dụng điều tiết các hoạt động sống do ảnh hưởng sâu sắc đến các hệ enzyme.
Các nguyên tố vi lượng thường là thành phần cấu trúc bắt buộc của các hệ enzyme. Ngoài ra các chất khoáng còn là thành phần của hàng loạt chất hữu cơ chủ yếu của tế bào sống như protide, nucleic acid, lipoid. Các chất khí O2, CO2 là các yếu tố sống còn của cơ thể, nếu thiếu các chất đó, nhất là O2 thì không thể có sự sống. Oxy là chất khí của sự sống, O2 cần cho hô hấp tế bào, tạo năng lượng cần cho cơ thể hoạt động.
CO2 là nguyên liệu cho quá trình quang hợp, không có CO 2 thì không có sinh vật sản xuất,sinh vật tự dưỡng sẽ không tồn tại, dần dần mọi sinh vật khác cũng sẽ bị diệt vong vì không có CO2, cây xanh không chuyển được năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học. Trong tế bào có rất nhiều loại chất hữu cơ khác nhau, mỗi loại có chức năng chuyên hóa đặc trưng. Trong đó, quan trọng nhất là các chất protein, nucleic acid, glucide, lipide. Từ bốn chất hữu cơ căn bản này, từ đó hình thành nên các chất như enzyme, hormone, vitamin, sắc tố, chất thơm.
Và cũng chỉ từ bốn lọai chất đó mới có sự tham gia vào quá trình chuyển hóa và cung cấp năng lượng cho cơ thể. Các chất này còn được gọi là các phân tử sinh học. Trong số các chất hữu cơ, protein là thành phần quan trọng nhất. Nó chi phối cấu trúc tinh tế và mọi biểu thị đặc trưng của tế bào sống.
Như vậy, trong cơ thể, protein là chất đồng hành với sự sống, nó tham gia vào nhiều chức năng quan trọng trong hoạt động sống của tế bào. Protein rất đa dạng, số lượng các loại protein rất lớn. Trong tế bào thực vật thường có độ 20- 22 amino acid và mỗi phân tử protein có thể chứa từ 50 đến vài nghìn amino acid. Sự khác nhau về thành phần, số lượng và trật tự sắp xếp các amino acid tạo nên sự đa dạng của protein, từ đó tạo nên tính đa dạng của sinh giới.
Cấu trúc của amino acid được đặc trưng bởi hai nhóm chính: Nhóm Carboxyl- COOH và nhóm amin- NH2, phần còn lại là gốc (R) có cấu trúc khác nhau ở các amino acid khác nhau. Cấu tạo tổng quát của amino acid như sau: Các amino acid liên kết với nhau bằng liên kết peptide, tạo nên chuổi polypeptide là cấu trúc bậc I của protein. Tính chất đa dạng của protein còn gia tăng lúc tạo thành các mức độ cấu trúc phức tạp hơn (cấu trúc bậc II, bậc III và bậc IV) nhờ các liên kết ngang khác nhau. Kiểu xếp cuộn của mạch xoắn (cấu hình không gian) cũng có tính đặc thù đối với từng loại protein.
Protein có khả năng dễ dàng tạo nên các hình thức liên kết khác nhau với các chất vô cơ và hữu cơ do mạch bên của chúng có nhiều nhóm định chức khác nhau như nhóm ưa nước (-COOH, -OH, -CHO, -CO, - NH2 , =NH, -CONH2 , -SH); nhóm ghét nước (CH3 , CH2 , C3H7 , nhân thơm.); nhóm có tính chất acid hoặc base, nhóm mang điện tích dương (NH+) hay âm (COO- ). Do khả năng phản ứng cao nên protein thường ở dạng phức hợp với các chất hữu cơ khác (lipoproteid, nucleo-proteid, phosphorproteid, glucoproteid), protein đóng vai trò là cơ sở, là bộ sườn cấu trúc tinh tế của tế bào nhất là cấu trúc các hệ thống màng và cấu trúc nội tại của các bào quan. Protein còn có vai trò điều tiết các quá trình trao đổi chất. Các hệ enzyme đều có bản chất hóa học là protein.
Nhịp độ quá trình sinh trưởng, phát triển, cường độ và chiều hướng các quá trình trao đổi chất của tế bào nói riêng và cơ thể nói chung đều có liên quan trực tiếp với sự tổng hợp và hoạt tính xúc tác của enzyme. Protein có ý nghĩa lớn đối với quá trình hút nước và muối khoáng ( 1gam protide liên kết xấp xỉ 0,3 gam nước). Protein khan nước có thể “cướp nước” với những lực rất lớn. Bởi vậy độ ưa nước của protide, quá trình trương phồng của keo protide có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình trao đổi nước.