Cấu trúc của tế bào sinh vật nhân sơ

 

Tế bào là đơn vị cơ bản của cơ thể sống về cấu trúc và chức năng của mọi các cơ thể sống. Trong quá trình tiến hóa hình thành cấu tạo tế bào hiện đang tồn tại hai dạng cấu tạo là dạng tế bào nhân sơ (Procaryota) và tế bào nhân chuẩn (Eucaryota).

Thuộc sinh vật nhân sơ gồm có vi khuẩn thật (Eubacteria) và vi khuẩn cổ (Archaebacteria). Trong vi khuẩn thật có nhiều nhóm khác nhau. Các nhóm chủ yếu là vi khuẩn (Bacteria), xạ khuẩn (Actinomycetes), vi khuẩn lam (Cyanobacteria) và nhóm vi khuẩn nguyên thủy gồm Mycoplasma, Ricketsia, Chlamydia. Trong đó cấu tạo tế bào vi khuẩn là đặc trưng cho cấu tạo tế bào sinh vật nhân sơ.

Đa số vi khuẩn là đơn bào, cơ thể của chúng chỉ có một tế bào, có kích thước trung bình 1 - 3mm. Các tế bào riêng lẻ có thể liên kết với nhau thành chuỗi hoặc nhóm nhỏ. Tế bào vi khuẩn rất đa dạng nhưng thường gặp nhất là hình cầu, hình que, hình dấu phẩy, hình xoắn, hình có cuống, hình có sợi.

Vi khuẩn hình cầu (cầu khuẩn - Coccus) thì tùy theo phương hướng của mặt phẳng phân cắt và cách liên kết mà có các dạng như Song cầu khuẩn (Diplococcus), liên cầu khuẩn (Streptococcus), Tứ cầu khuẩn (Tetracoccus), Tụ cầu khuẩn (Staphylococcus).

Vi khuẩn hình que (Trực khuẩn - Bacillus hoặc Bacterium), vi khuẩn có dạng hình xoắn như dấu phẩy gọi là phẩy khuẩn (Vibrio) hay có dạng xoắn thưa gọi là xoắn khuẩn (Spirillum). Chi Beggiatoa và Saprospira có các tế bào nối dài thành dạng sợi, chi Caryophanon có tế bào hình đĩa xếp lồng vào nhau như một xâu các đồng xu...

Mỗi tế bào vi khuẩn đều rất nhỏ và rất nhẹ, ví dụ trực khuẩn đại tràng (Escherichia coli) có kích thước 2 x 5mm thì phải tới 1 tỷ vi khuẩn này mới chỉ có 1mg.

Vì tế bào vi khuẩn rất nhỏ bé, trong suốt cho nên nếu muốn quan sát kĩ hơn dưới kính hiển vi quang học thì cần nhuộm màu. Có rất nhiều phương pháp nhuộm màu kể cả nhuộm màu vi khuẩn chết và vi khuẩn sống. Trong đó đặc biệt quan trọng là phương  pháp nhuộm màu Gram.

Phương pháp này do nhà vi khuẩn học Đan Mạch Hans Christan Gram (1853 - 1938) phát minh năm 1884. Nhờ phương pháp này có thể phân biệt vi khuẩn thành 2 nhóm lớn là vi khuẩn Gram dương (Gram - positive) và vi khuẩn Gram âm (Gram - negative).

Phương pháp nhuộm Gram:

            - Đầu tiên cố định tiêu bản vi khuẩn bằng ngọn lửa rồi nhuộm thuốc đầu bằng dung dịch tiến tinh thể (Crystal violet) trong khoảng 1 phút rồi rửa sạch bằng nước cất.

            - Nhuộm tiếp bằng dung dịch iot (dung dịch lugol) trong một phút. Rửa sạch bằng nước cất.

            - Phủ lên vết bôi dung dịch Etanol 95% : Axeton (1:1) trong khoảng 1 phút. Rửa lại bằng nước cất.

            - Sau đó nhuộm tiếp bằng thuốc nhuộm màu đỏ (như Saframin hay Fuchsin Ziehl) trong 30 - 60 giây. Rửa qua nước cất, để khô rồi soi kính.

Nhóm vi khuẩn Gram dương có đặc tính không bị dung môi hữu cơ (Etanol, Axeton) tẩy phức chất màu giữa tím kết tinh và iot, nên kết quả là bắt màu tím.

Nhóm vi khuẩn Gram âm bị dung môi đẩy màu thuốc nhuộm đầu nên nó bắt màu với thuốc nhuộm bổ sung hoặc đỏ vàng với Saframin hay đỏ tía với Fuchsin. Gram dương và Gram âm thường được viết tắt là G⁺ và G^­-.

Hai nhóm vi khuẩn Gram dương và Gram âm có rất nhiều đặc điểm khác nhau. Vi khuẩn Gram dương như Micrococcus, Saccharococcus, Lactococcus, Eubacterium,… Vi khuẩn Gram âm như Spirillum, các chi thuộc các họ Rhizobiaceae, Azotobacteraceae,…

* Cấu tạo tế bào:

Tế bào vi khuẩn gồm các thành phần chính là thành tế bào, màng sinh chất, tế bào chất và thể nhân.

Thành tế bào: Thành tế bào là lớp cấu trúc ngoài cùng (Cell Wall) có độ rắn chắc nhất định để duy trì hình dạng tế bào, có khả năng bảo vệ tế bào đối với một số điều kiện bất lợi. Thành tế bào vi khuẩn có độ dày từ 10 - 20 nm và được cấu tạo bởi hợp chất Peptidoglycan (bao gồm Polysaccarit liên kết với peptit). Peptidoglycan là loại polime xốp, không tan, khá cứng và bền vững, bao quanh tế bào như một mạng lưới. Tùy theo cấu tạo của lớp Peptidoglycan mà thành tế bào có tính chất nhuộm màu phân biệt với chất nhuộm Gram, người ta phân biệt hai loại vi khuẩn G+ và vi khuẩn G-. Sự phân biệt này có tầm quan trọng trong việc sử dụng các loại kháng sinh đặc hiệu để chống từng nhóm gây bệnh.

Thành tế bào có các chức năng chủ yếu sau đây:

-          Duy trì ngoại hình (hình dạng) của tế bào.

-          Hỗ trợ chuyển động của tiêm mao.

-          Giúp tế bào đề kháng với các lực từ bên ngoài.

-          Cần thiết cho quá trình phân cắt bình thường của tế bào.

-          Cản trở sự xâm nhập mô tế bào của một số chất có hại.

-          Thành tế bào liên quan mật thiết đến tính kháng nguyên, tính gây bệnh, chẳng hạn khả năng sinh nội độc tố, tính mẫn cảm với thể thực khuẩn…

Thành tế bào cho phép các chất dinh dưỡng đi qua nhưng lại có thể ngăn cản sự xâm nhập của một số chất có hại đối với tế bào (thuốc nhuộm, một số chất kháng sinh, muối kim loại nặng, một số enzim phân giải…)

* Bao nhầy (Capsule):

Ở một số loại vi khuẩn bên ngoài thành tế bào còn có một lớp bao nhầy. Đó là một lớp vật chất dạng keo, có độ dày bất định. Theo mức độ kích thước người ta phân biệt thành bao nhầy mỏng, bao nhầy và khối nhầy. Khối nhầy thực chất là các bao nhầy liên kết lại với nhau tạo thành.

Thành phần chủ yếu của bao nhầy là Polisaccarit, ngoài ra còn có Polipeptit và Protein. Bao nhầy Polisaccarit chiếm tỷ lệ lớn (Streptococcus mutaus, S.sulivarius, Xanthononas…). Bao nhầy của một số loài Bacillus cấu tạo bởi Polypeptit, chủ yếu là Axit Poliglutamic…

Bao nhầy có thể có những chức năng sau:

            - Bảo vệ vi khuẩn tránh bị thương tổn khi khô hạn, tránh khỏi sự thực bào của bạch cầu.

            - Dự trữ thức ăn, vỏ nhầy như là nguồn dinh dưỡng dự trữ.

            - Tích lũy một số sản phẩm trao đổi chất.

            - Nhờ bao nhầy  có thể giúp cho vi khuẩn bám được lên bề mặt của một số giá thể.

* Màng sinh chất (Cytoplasmic membrane):

Tiếp ngay dưới thành tế bào là màng sinh chất hay màng tế bào chất. Màng được cấu tạo bởi hai thành phần chủ yếu là Photpholipit chiếm khoảng 30 - 40% khối lượng và Protein chiếm 60 - 70% khối lượng nên được gọi là màng Lipoproteit. Màng sinh chất của tế bào vi khuẩn cũng có cấu trúc và chức năng tương tự màng sinh chất của tế bào nhân chuẩn.

* Tế bào chất (Cytoplast):

Phía trong màng sinh chất là khối tế bào chất chứa tới 65 - 90% nước. Trong tế bào chất có Protein, Axit nucleic, hydratcacbon, các ion vô cơ và nhiều chất có khối lượng phân tử thấp. Tế bào chất của vi khuẩn không di động bên trong tế bào cũng không chứa bộ khung tế bào, tức là mạng lưới các sợi giúp duy trì hình dạng của tế bào, đây là những đặc điểm khác hẳn tế bào chất của các tế bào nhân thật.

Trong tế bào chất có nhiều riboxom (có thể có tới 10.000 - 100.000), chiếm tới 70% trọng lượng khô của tế bào vi khuẩn. Riboxom gồm hai tiểu phần là 50S và 30S, hai tiểu phần này liên kết với nhau tạo thành monoxom 70S (S là đơn vị Svedberg -  đại lượng đo tốc độ lắng của các hạt trong một huyền dịch khi li tâm cao tốc). Riboxom là nơi tổng hợp protein của vi khuẩn. Trong tế bào chất diễn ra các quá trình trao đổi chất và năng lượng như quá trình tổng hợp protein, quá trình đường phân để tích lũy ATP… Riboxom của vi khuẩn chịu tác động của nhiều chất kháng sinh như Streptomixin, neomixin, tetraxilin…

Ở nhiều vi khuẩn, nhất là vi khuẩn G⁺  trên màng sinh chất có nhiều chỗ  gấp nếp lồi lõm vào trong tế bào chất tạo thành các hệ thống ống được gọi là Mezoxom, có chức năng như một loại bào quan và thực hiện chức năng tham gia vào quá trình sao chép ADN và phân bào hoặc thực hiện vai trò hô hấp hiếu khí (trong Mezoxom chứa các enzim cần cho hô hấp hiếu khí) hoặc quang hợp (khi Mezoxom biến thành Tilacoit chứa Chlorophin như ở vi khuẩn lam…)

* Thể nhân (Nucleoit):

Thể nhân nguyên thủy hay là nhân sơ, chưa có màng nhân. Thể nhân còn gọi là vùng nhân. Thể nhân của vi khuẩn là một nhiễm sắc thể duy nhất cấu tạo bởi một phân tử ADN trần (không liên kết với histon). Đó là một chuỗi xoắn kép dạng vòng khu trú tại một vùng trong tế bào chất . Do đó phần lớn các tế bào của sinh vật nhân sơ là tế bào đơn bội. NST của vi khuẩn có chiều dài thay đổi trong khoảng 0,25 - 3,0 mm.

Trong tế bào chất, còn có ADN ngoài nhiễm sắc thể. Đó là những phân tử ADN kép, dạng vòng kín, có khả năng sao chép độc lập gọi là Plasmit. AND Plasmit chứa thông tin di truyền quy định một số đặc tính của vi khuẩn, ví dụ như tính kháng thuốc, hình thành lông giới tính… Plasmit của một vi khuẩn có khả năng nhân đôi độc lập với nhân do đó được sử dụng làm thể truyền (vectơ) trong kỹ thuật di truyền. Gen của vi khuẩn không có tính chất phân mảnh (đều chứa thông tin di truyền - Exon)

* Tiêm mao (Flagella) và khuẩn mao (Fimbria):

- Tiêm mao (lông roi) cấu tạo bởi các phân tử của một loại protein đặc biệt gọi là Flagellin, được mọc ở mặt ngoài một số vi khuẩn, có tác dụng giúp vi khuẩn có thể chuyển động trong môi trường lỏng. Nhờ sự chuyển động của tiêm mao giúp vi khuẩn di động trong dịch lỏng (với tốc độ khoảng 100 mm/s). Không phải mọi vi khuẩn đều có tiêm mao. Số lượng và vị trí xuất phát của tiêm mao trên tế bào có ý nghĩa phân loại và định tên vi khuẩn. Một số chi vi khuẩn có tiêm mao Escherichia, Salmnella, Spiridlum…

- Khuẩn mao: còn gọi là nhung mao. Khuẩn mao rất ngắn, nhỏ (đường kính 7 - 9 nm), rỗng ở giữa, số lượng nhiều (250 - 300 sợi/ tế bào), có bản chất protein. Vi khuẩn G^- thường có khuẩn mao. Kết cấu của chúng giản đơn hơn so với tiêm mao. Chức năng của khuẩn mao là giúp vi khuẩn bám giữ vào giá thể (màng nhầy của đường hô hấp, đường tiêu hóa,…). Nhiều loài vi khuẩn G^- có khuẩn mao  có khả năng gây bệnh (vi khuẩn gây bệnh lậu Nessinia gonorrhoeae). Có một loại vi khuẩn mao đặc biệt gọi là khuẩn mao giới tính, nó dài hơn khuẩn mao thường, mỗi vi khuẩn có thể có từ 1 - 4 khuẩn mao giới tính. Công dụng của nó là làm cầu nối giữa hai tế bào khác giới tính và qua cầu nối này những đoạn AND từ tế bào này được chuyển sang tế bào khác.

Bảng1.1. So sánh đặc điểm của tế bào nhân sơ và tế bào nhân chuẩn

Tế bào Procaryota

Tế bào Eucaryota

- Vi khuẩn, vi khuẩn lam - Kích thước bé (1 - 10mm) - Có cấu tạo đơn giản - Vất chất di truyền là phân tử AND trần dạng vòng nằm phân tán trong tế bào chất - Chưa có nhân, tức là chưa có màng nhân mà chỉ có thể nhân là vùng tế bào chất chứa AND. - Tế bào chất chỉ mới có một vài bào quan đơn giản như riboxom, mezoxom. - Phương thức phân bào đơn giản bằng cách phân đôi - Có lông roi (Tiêm mao, khuẩn mao) cấu tạo đơn giản từ Protein, Flagellin

- Nguyên sinh vật, nấm, thực vật, động vật - Kích thước lớn (10 - 100mm) - Có cấu tạo phức tạp - Vật chất di truyền là AND histon tạo nên NST dạng thẳng nằm trong nhân tế bào - Có nhân với màng nhân. Trong nhân chứa chất nhiễm sắc và nhân con. - Tế bào chất được phân vùng và chứa các bào quan phức tạp - Phương thức phân bào phức tạp (mistosis và meiosis) với bộ máy phân bào là thoi phân bào. - Có lông roi và có cấu tạo vi ống phức tạp theo kiểu 9 + 2.