Cơ sở Sinh học người phần 1 - Nguyễn Như Hiển, Chu Văn Mân - ĐHQG Hà Nội

Phần 1 của bài viết về sinh học người giới thiệu các khái niệm cơ bản, giải phẫu và sinh lý của cơ thể người. Nền tảng kiến thức khoa học quan trọng.

• Tác giả: Nguyễn Như Hiển
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Mộng Hùng
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Sinh học người
• Đề tài: Sinh học người
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2004
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Sinh học người phần 1

Sinh học người phần 1 nghiên cứu cơ thể từ cấp độ phân tử đến tế bào. Cơ thể người là tổ hợp của nhiều nguyên tố hóa học. Các nguyên tố này kết hợp thành chất vô cơ và chất hữu cơ. Nước và muối khoáng tạo nên thành phần vô cơ. Protein, axit nucleic, lipit và gluxit tạo nên thành phần hữu cơ. Mỗi chất giữ một vai trò riêng. Protein xây dựng cấu trúc và xúc tác phản ứng. Axit nucleic lưu giữ và truyền thông tin di truyền. Sinh học người phần 1 đặt nền móng cho việc hiểu sự sống. Đơn vị cơ bản của sự sống là tế bào. Tế bào gồm màng sinh chất, tế bào chất và nhân. Mỗi bộ phận có chức năng chuyên biệt. Kiến thức này giúp giải thích sức khỏe và bệnh tật. Nó cũng mở đường cho công nghệ gen và y học hiện đại. Phần học này kết nối hóa học với sinh học cơ thể người một cách chặt chẽ.

1.1. Thành phần hóa học của cơ thể

Cơ thể người chứa nhiều nguyên tố khác nhau. Các nguyên tố này nhóm thành chất vô cơ và chất hữu cơ. Nước chiếm tỷ lệ lớn nhất. Muối khoáng cung cấp ion cần thiết cho hoạt động sống. Chất hữu cơ gồm protein, lipit, gluxit và axit nucleic. Protein đảm nhận cấu trúc và xúc tác. Enzym là protein xúc tác sinh học, giúp phản ứng diễn ra nhanh. Axit nucleic lưu trữ mã di truyền. Sự phối hợp giữa các chất tạo nên trật tự sống. Hiểu thành phần hóa học là bước đầu để hiểu chức năng cơ thể.

1.2. Vai trò của Sinh học người phần 1

Sinh học người phần 1 trang bị nền tảng kiến thức cơ bản. Phần học mô tả cấu trúc từ phân tử đến tế bào và mô. Người học nắm được cách tế bào sinh trưởng và phân chia. Phần này cũng giới thiệu tổ chức mô và hệ cơ quan. Nội dung kết nối lý thuyết với thực tiễn y học. Nó giải thích cơ chế của sức khỏe và bệnh tật. Kiến thức nền giúp tiếp cận các phần nâng cao. Đây là cơ sở cho sinh viên y, sinh học và sư phạm.

II. Phân tích cấu tạo tế bào trong Sinh học người

Tế bào là đơn vị cấu trúc và chức năng của cơ thể người. Mỗi tế bào gồm ba phần chính. Đó là màng sinh chất, tế bào chất và nhân. Màng sinh chất dày từ 7 đến 9 nanomet. Màng có khung photpholipit kép và các phân tử protein khảm trong khung. Màng bao bọc và bảo vệ tế bào. Màng cũng kiểm soát trao đổi chất với môi trường. Tế bào chất chứa nhiều bào quan. Mạng lưới nội sinh chất vận tải chất và tổng hợp protein. Riboxom là nơi tổng hợp protein. Ty thể là trạm chuyển hóa năng lượng. Ty thể biến năng lượng thành ATP qua oxy photphorin hóa. Nhân chứa chất nhiễm sắc và mang thông tin di truyền. Vấn đề đặt ra là làm rõ mối liên hệ giữa cấu trúc và chức năng. Sai lệch trong thụ quan màng gây nhiều bệnh lý. Phân tích chi tiết từng bào quan giúp hiểu rõ hoạt động sống của tế bào.

2.1. Chức năng của màng sinh chất

Màng sinh chất là màng lipoproteit mỏng. Màng thực hiện ba chức năng chính. Thứ nhất là bao phủ và bảo vệ tế bào. Thứ hai là trao đổi chất với môi trường. Trao đổi diễn ra qua khuếch tán thụ động hoặc hoạt tải tiêu tốn ATP. Thứ ba là trao đổi thông tin với tế bào khác. Màng chứa nhiều thụ quan protein xuyên màng. Thụ quan liên kết với hormon hoặc tín hiệu hóa học. Quá trình này kích hoạt protein G và các enzim trong tế bào. Sai lệch thụ quan gây ra nhiều bệnh lý nghiêm trọng.

2.2. Các bào quan trong tế bào chất

Tế bào chất là dung dịch keo chứa nhiều bào quan. Mạng lưới nội sinh chất có hạt tổng hợp protein. Mạng lưới không hạt tổng hợp lipit và tiêu độc. Riboxom kích thước nhỏ là nơi tổng hợp protein. Phức hệ Golgi chế biến và đóng gói sản phẩm. Lizoxom và peroxixom chứa enzim thủy phân để tiêu hóa nội bào. Ty thể có màng kép và là trạm năng lượng. Ty thể mang hệ gen riêng. Trung thể tạo thoi phân bào và khung xương tế bào. Các bào quan phối hợp nhịp nhàng để duy trì sự sống.

III. Phương pháp nghiên cứu mô và hệ cơ quan

Nghiên cứu Sinh học người dùng nhiều phương pháp khác nhau. Phương pháp hiển vi quan sát cấu trúc tế bào và mô. Phương pháp sinh hóa phân tích thành phần chất. Phương pháp di truyền nghiên cứu gen và thể nhiễm sắc. Mô hình thành từ sự biệt hóa tế bào. Tế bào cùng loại và chất gian bào tạo nên mô. Cơ thể người có bốn kiểu mô cơ bản. Các mô kết hợp tạo nên cơ quan. Nhiều cơ quan hợp thành hệ thống cơ quan. Phương pháp giải phẫu mô tả vị trí và liên hệ các cơ quan. Phương pháp sinh lý nghiên cứu hoạt động chức năng. Công nghệ gen cho phép can thiệp ở cấp phân tử. Việc kết hợp nhiều phương pháp cho cái nhìn toàn diện. Nghiên cứu chu trình tế bào giúp hiểu sinh trưởng và phân chia. Hiểu cơ chế phân bào làm rõ sự phát triển và hồi phục mô. Phương pháp khoa học giúp giải thích cả sức khỏe lẫn bệnh tật của con người.

3.1. Sự tạo thành mô và biệt hóa tế bào

Mô hình thành qua quá trình biệt hóa tế bào. Tế bào gốc chuyển thành tế bào chuyên biệt. Mỗi loại tế bào đảm nhận một chức năng riêng. Cơ thể người có bốn kiểu mô chính. Đó là mô biểu bì, mô liên kết, mô cơ và mô thần kinh. Mỗi mô có cấu tạo phù hợp với chức năng. Mô biểu bì bao phủ và bảo vệ. Mô cơ tạo ra vận động. Mô thần kinh dẫn truyền xung. Sự biệt hóa đảm bảo phân công lao động trong cơ thể.

3.2. Chu trình và sự phân bào của tế bào

Chu trình tế bào gồm gian kỳ và phân bào. Trong gian kỳ tế bào sinh trưởng và tổng hợp chất. Tế bào nhân đôi vật chất di truyền ở pha S. Sau đó tế bào bước vào phân bào. Phân bào nguyên nhiễm tạo hai tế bào con giống hệt. Quá trình này giúp sinh trưởng và hồi phục mô. Thoi phân bào kéo thể nhiễm sắc về hai cực. Rối loạn chu trình tế bào dẫn đến bệnh ung thư. Hiểu chu trình giúp kiểm soát sự phát triển bất thường.

IV. Ứng dụng kiến thức Sinh học người phần 1

Kiến thức Sinh học người phần 1 có giá trị thực tiễn lớn. Nó là nền tảng cho y học và chăm sóc sức khỏe. Hiểu thành phần hóa học giúp xây dựng chế độ dinh dưỡng hợp lý. Hiểu cấu tạo tế bào giúp giải thích cơ chế bệnh tật. Bệnh tật chia thành nhiều nhóm nguyên nhân. Có bệnh nhiễm trùng, bệnh di truyền và bệnh trao đổi chất. Có bệnh thần kinh và bệnh ung thư. Kiến thức tế bào giúp chẩn đoán và điều trị chính xác. Công nghệ gen mở ra hướng điều trị mới. Nghiên cứu sự già cho thấy vai trò của gen và môi trường. Da và hệ cơ xương là hệ bảo vệ và nâng đỡ cơ thể. Hiểu cấu tạo của chúng giúp phòng ngừa chấn thương. Sinh viên y khoa và sinh học áp dụng kiến thức này hằng ngày. Giáo viên dùng nội dung để giảng dạy. Nhà nghiên cứu phát triển thuốc và liệu pháp mới. Phần học này kết nối lý thuyết cơ bản với ứng dụng đời sống thực tế.

4.1. Ứng dụng trong y học và sức khỏe

Kiến thức tế bào và mô giúp chẩn đoán bệnh chính xác. Bác sĩ hiểu cơ chế bệnh ở cấp phân tử. Hiểu bệnh nhiễm trùng giúp dùng thuốc đúng cách. Hiểu bệnh di truyền hỗ trợ tư vấn cho gia đình. Công nghệ gen cho phép sửa chữa khiếm khuyết di truyền. Nghiên cứu thụ quan màng giúp phát triển thuốc tác động đích. Kiến thức về da giúp xử lý vết thương và bỏng. Hiểu hệ cơ xương giúp điều trị chấn thương. Y học hiện đại dựa chắc trên nền tảng sinh học cơ bản này.

4.2. Ứng dụng trong giáo dục và nghiên cứu

Sinh học người phần 1 là giáo trình quan trọng. Sinh viên các ngành y, sinh và sư phạm đều cần học. Nội dung cung cấp khái niệm nền tảng vững chắc. Giáo viên dùng tài liệu để soạn bài giảng. Nhà nghiên cứu dựa vào kiến thức này để thiết kế thí nghiệm. Hiểu chu trình tế bào hỗ trợ nghiên cứu ung thư. Hiểu axit nucleic mở đường cho công nghệ sinh học. Kiến thức cơ bản tạo bệ phóng cho phát minh mới. Giáo dục khoa học cơ sở góp phần nâng cao chất lượng nhân lực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 Cơ thê người được cấu tạo từ các nguyên tô' vô cơ có trong tự nhiên, trong đó quan trọng nhâ't là c , H, o , N, s, p. Các nguyên tô' liên kết với nhau tạo nên các chất hữu cơ - là những phân tử đặc trưng cho cơ thê sống. Các chất hữu cơ quan trọng là: hyđrat cacbon, lipit được dùng làm chất dự trữ năng lượng và bảo vệ. Protein - được sử dụng như công cụ chức năng và thể hiện tính đăc thù ADN là phân tử tích và truyền thòng tin di truyền qua các th ế hệ.

ARN - là phân tử trung gian truyền đạt thông tin di truyền từ ADN đến protein. Các phân tử hữu cơ liên kết với nhau tạo nên các siêu cấu trúc là cơ sỏ để tạo nên các bào quan của tế bào 11 Chương 2 CẤU TẠO TÊ BÀO CỦA c ơ THE Giống như tấ t cả các cơ thể sông khác, cơ thê người được cấu tạo từ những đơn vị cơ bản được gọi là tế bào. Tê bào được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1665 do R. Hooke quan sát cấu trúc cùa thực vật bằng kính hiển vi có độ phóng đại 30 lần.

Tổng kết thành tựu của nhiều nhà nghiên cứu qua th ế kỷ 17 và 18 trên vi sinh vật, thực vật, động vật và cả con ngưòi, hai nhà khoa học M. Shwann vào năm 1838 - 1839 đã đề ra học thuyết tê bào, chứng minh rằng tấ t cả cơ thể vi sinh vật, thực vật và động vật đểu có cấu tạo tê bào. Điều đó đã chứng minh ràng thế giói sống tuy đa dạng nhưng thống nhất, vì vậy mà F. Engel (1870) đã đánh giá học thuyết tế bào là một trong ba phát kiến vĩ đại của khoa học tự nhiên ỏ th ế kỷ 19 (cùng với học thuyết tiến hóa và học thuyết bảo tồn vật chất và nâng lượng.) Nếu chúng ta quan sát dưói kính hiển vi bất kỳ mô nào, cơ quan nào của cơ thể người thì chúng ta thây chúng đều gồm nhiều tế bào và các sản phẩm của tê bào.

Các tế bào rất đa dạng vể độ lớn, chủng loại, hình thái và chức năng. Theo tài liệu hiện có, cơ thể người chứa đến 6.10u tế bào gồm trên 200 chủng loại khác nhau về cấu trúc và chức năng. Riêng não bộ chứa trên 25 tỷ rơron. Trong lm ilim ét khối máu có đến 4-5 triệu hồng cầu.

Riêng sô' lượng hồng cầu trong máu đạt tới 23 nghìn tỷ, nếu đem xếp chúng thành hàng dọc (đường kính hồng cầu = 7ịim) sẽ tạo thành chiểu dài vòng quanh xích đạo trái đất tới 4 lần. Có thể nói tấ t cả hoạt động sống của cơ thể ngưòi như trao đổi chất, trao đồi năng lượng, dinh dưỡng, di chuyển, tiêu hóa, bài tiết, phản ứng thích nghi vối môi trường, sinh trưởng, sinh sản, di truyền, tự điểu chỉnh v. đều có cơ sở tê bào. Sự già, bệnh tậ t và chết của tê bào ở mức độ nhâ't định dẫn tói sự già, bệnh tậ t và tử vong của cơ thể.

Vì vậy, nghiên cứu cấu trúc và chức năng của tê’ bào có tầm quan trọng quyết định trong sự nghiên cứu sinh học người. Tuy các tế bào cùa người được biệt hóa rấ t khác nhau, nhưng chúng đều có nguồn gốc từ một tê bào gốc là hợp tử, và chúng đều có cùng một nguyên lý chung (mô hình chung) trong cấu tạo và chức năng. Tê bào người thuộc tê'bào nhăn chuẩn (Eucaryota) (xem hình 2. Cớ thể người cũng như cơ thể động vật (Animalia), thực vật (Planta), nấm (Fungi) và đơn bào (Protista) đều được cấu tạo từ các tế bào nhân chuẩn là dạng tế bào có mức độ tiến hóa cao và có cấu tao phức tạp so với dạng tế bào nhân sơ (Procaryota).

Tất cả vi khuẩn (Bacteria) và vi khuẩn lam (Cyanobacreria) đểu thuôc dang tế bào nhân sơ (được xếp vào giới Monera). Các đặc điểm chủ yếu phân biệt giữa hai dang tế bào nhân chuẩn và tế bào nhân sơ thể hiện: tế bào nhân sơ nguyên thủy hơn kích thước bé sinh vật nhân sơ ở dạng đơn bào, chưa có nhân, có vật chất di truyền là phân tử ADN trần 13 dạng vòng tế bào chất chưa có các bào quan phức tạp. Tế bào nhân chuẩn tiên hóa hơn, kích thước lớn, đa sô' ở dạng đa bào, có nhân với màng nhân, có vật chất di truyền là ADN liên kết với protein tạo thành thể nhiễm sắc, tế bào chất có nhiều bào quan phức tạp. Đế nghiên cứu tế bào, người ta đo kích thước, trọng lượng và khối lượng của tế bào cũng như các cấu thành của chúng.

Cấu tạo của tê bào Eucariota (tê bào độ ng vật) 1- Tế bào chất; 2- M ạng lưới nội sinh chất không hạt; 3- Phức hệ Golgi; 4- Trung th ể cắt ngang; 5- Trung thể cắt dọc; 6- Không bào; 7- M àng nhân phía trong; 8- Màng nhân phía ngoài; 9- M ạng lưới nội sinh chát có hạt' 10- Ty thể cắt dọc; 11- Ty th ể cắt ngang; 12- Riboxõm đính trẽn m ạng lưới nội chất; 13- Lỗ m àng nhãn; 14- C hất nhiễm sắc; 15- N hân con; 16- Màng tế bào; 17- Lyzosom. Để đo kích thước tế bào người ta thường dùng đơn vị là micromet (àra). Một micromet bằng một phần nghìn milimet (mm). Tê bào người có kích thước từ 10- 100 àm, vi vậy mắt thường không thể nhìn thấy được.

Để đo kích thước của bào quan người ta sử dụng đơn vị nanom et (nm). Một nanomet bằng một phần nghìn micromet. Các bào quan thường có kích thước từ hàng chục đến hàng trăm nm. Phân tử glucoz hoặc phân tử axit am in có kích thước vài nm, còn phản từ protein thường có kích thước từ 10 nm trỏ lên.

Tê bào là một hệ mỏ luôn luôn trao đổi vật chất vối môi trường xung quanh, vì vậy đế đảm bảo cho sự trao đổi chất có hiệu quả thì phải có sự cân bằng giữa khôi lượng tế bào và diện tích màng sinh chất bao quanh tế bào. Tế bào có kích thước bé là để tăng cường diện tích cần thiết cho sự trao đổi chất với môi trường. Để nghiên cứu tế bào, người ta sử dụng kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tủ và các kỹ th u ậ t hóa lý khác như li tâm siêu tốc, điện di, sắc ký, nguyên tử đánh dấu v. 14 Kính hiến vi quang học sử dụng ánh sáng và hệ thông lăng kính đã được dung cach đây trên 300 năm có độ phóng đại 30 lần.

Ngày nay với kính hiển vi quang học hiện đại có độ phóng đại trên 1000 lân, nghía la có thể phân biệt hai điểm cách xa nhau 300 nm trở lên. Để quan sát được các câu trúc be hơn ngưòi ta phải sử dụng kính hiển vi điện tử. Kính hiển vi điện tử sử dụng chùm tia điện tử làm nguồn chiêu vào các đối tượng nghiên cứu, được phát triển từ năm 1932 nhưng mãi đến năm 1950 mối được sử dụng phổ biến. Với kính hiển vi điện tử, ta có thê quan sat các vật với độ phóng đại > 100.000 lần nghĩa là ta có thể quan sát được hai điểm cách xa nhau 2 nm.

Ngày nay với kính hiển vi điện tử quét người ta có thể quan sát được câu trúc 3 chiểu của tế bào cũng như của bào quan và kết hợp với phương pháp chụp ảnh quay phim và vô tuyến truyền hình, các nhà tế bào học đã cung cấp cho ta nhiều hình ảnh chi tiêt sinh động về cấu trúc và hoạt động sống của tế bào.Tế bào nhân chuẩn được cáu tạo gồm 3 cấu thành: màng sinh chất (plasma membrane), tê bào chất (Cytoplasma) và nhân (nucleus) (xem hình 2. Ta lần lượt xem xét cấu tạo và chức năng của các cấu thành trên. MÀNG SINH CHẤT Tất cả các tế bào đều có một màng bao bọc lấy khôi tế bào châ't ỏ phía trong, được gọi là màng sinh chất (plasma membrane). Màng sinh chất không chỉ giỏi hạn tế bào với môi trường xung quanh mà còn có chức năng thực hiện quá trình trao đổi vật chất, năng lượng và thông tin với môi trường (hệ thống mỏ).1ỀCấu trú c siêu vi và phân tử của m àng sin h ch ất Màng sinh chất có độ dầy từ 7- 9 nm được cấu tạo gồm các phân tử lipit và protein là chủ yếu nên được gọi là màng lipoproteit.

Ngoài ra màng còn chứa các phân tử gluxit. Lipit trong màng thường chiếm từ 25- 75% tùy loại tế bào. Thành phần lipit chủ yếu của màng là photpholipit tạo thành lớp kép và tạo thành cái khung liên tục của màng, trong đó đầu ưa nước (phần phân cực) của photpholipit quay ra phía ngoài và phía trong, còn đuôi kỵ nước (được cấu tạo bởi axit béo là hai mạch hyđrocacbon) thì quay lại với nhau (xem hình 2. Các phân tử colesterol phân bố xen kẽ vào các phân tử photpholipit ở vùng kỵ nước.

Tỷ lệ giữa hàm lượng colesterol vái hàm lượng photpholipit trong màng thay đổi tùy loại tê bào. Hàm lượng colesterol càng cao thì độ vững chắc của m àng càng lớn và ngược lại Đối vói màng sinh chất của đa sô' tế bào, hàm lượng colesterol chiếm tới 20- 25% lượng lipit của màng. Protein có trong màng sinh chất thường phân bố rải rác (khảm) ở rìa ngoài hoặc rìa trong, hoặc xuvên qua màng (xem hình 2. Các protein màng thuộc nhiều dạng và có chức năng khác nhau (tế bào gan, máu, thần kinh v.

Protein màng có thể đóng vai trò chất mang để vận chuyên các chất qua màng. Protein màng tạo nên các "cổng" qua đó các chất có thể đi vào hoặc đi ra. Protein màng có thê là các th ụ quan (receptor) có vai trò nhận biết các chất hóa học đặc thù từ môi trường. Protein màng có vai trò là chất đánh dấu bề m ặt đặc trư ng cho từng dạng tế bào để chúng nhận biết nhau hoặc phân biêt tế bào lạ v.

15 Gluxit trong màng thường ỏ dạng liên kết với lipit hoặc protein màng và thường định khu ở mặt ngoài màng tiếp xúc với môi trường ngoại bào. cấu trúc phãn tử m àng sinh chât 1- Ngoại bào; 2- Nội bào; 3- P h ố tp h o lip it; 4- C olesterol; 5- Protein thụ quan; 6- Protein tạo kênh; 7- Enzim ; 8- G luxit; 9- Đuôi kị nước; 10- Đ ầu ưa nước; 11- Phân tử nước H20 ; 12- Lớp kép photpholipit 1. Chức n ă n g củ a m àn g sin h ch ất Màng sinh chất của bất kỳ dạng tê bào nào đểu có các chức năng sau: Giối hạn tê bào thành một hệ riêng biệt so vớí môi trường xung quanh.