Nghiên cứu tế bào

Nghiên cứu tế bào (tiếng Anh: cell biology, cellular biology hay cytology) là ngành sinh học chuyên nghiên cứu cấu trúc, chức năng và hoạt động của tế bào. Tất cả sinh vật sống đều cấu thành từ tế bào, và tế bào là đơn vị cơ bản của sự sống, đảm bảo sự tồn tại và chức năng của sinh vật. Ngành này nghiên cứu cả tế bào nhân sơ và tế bào nhân thực, bao gồm các lĩnh vực như trao đổi tế bào, tín hiệu tế bào, chu kỳ tế bào, hóa sinh và thành phần tế bào. Các nghiên cứu tế bào thường sử dụng kỹ thuật hiển vi, nuôi cấy và phân mảnh tế bào. Những phương pháp này giúp khám phá cơ chế hoạt động của tế bào, từ đó cung cấp cái nhìn sâu sắc về các sinh vật lớn hơn. Hiểu biết về tế bào là nền tảng cho tất cả các lĩnh vực sinh học và rất quan trọng trong nghiên cứu y sinh như ung thư và các bệnh khác. Sinh học tế bào cũng liên quan đến di truyền học, sinh học phân tử, vi sinh y học, miễn dịch học và hóa học tế bào.

Lịch sử

Tế bào lần đầu tiên được phát hiện ở châu Âu vào thế kỷ 17 nhờ vào phát minh kính hiển vi quang học. Vào năm 1665, Robert Hooke gọi các cấu trúc nhỏ trong mọi sinh vật là 'cell' (hay 'tế bào') sau khi quan sát vỏ sồi qua kính hiển vi và thấy chúng có hình dạng giống như tế bào, dù chúng đã chết. Tuy nhiên, ông chưa phát hiện ra các thành phần thực sự của tế bào. Năm 1674, Anton Van Leeuwenhoek đã quan sát tế bào sống trong thí nghiệm tảo của mình, đóng góp quan trọng trước khi học thuyết tế bào ra đời, học thuyết cho rằng mọi sinh vật đều được cấu thành từ tế bào và tế bào là đơn vị cấu trúc và chức năng của sinh vật. Học thuyết này được Matthias Schleiden và Theodor Schwann hoàn thiện vào năm 1838 sau khi quan sát tế bào ở thực vật và động vật. Rudolf Virchow bổ sung học thuyết vào năm 1855 với nhận định rằng mọi tế bào đều xuất phát từ sự phân chia của các tế bào trước đó. Virus không thuộc nghiên cứu sinh học tế bào vì chúng không có các đặc điểm của tế bào sống và được nghiên cứu trong phân ngành virus học.

Kỹ thuật

Nghiên cứu sinh học tế bào tập trung vào các phương pháp khác nhau để nuôi cấy và áp dụng tế bào ngoài cơ thể sống nhằm khám phá sâu về cấu trúc và chức năng của người cũng như phát triển thuốc. Các kỹ thuật nghiên cứu tế bào đã không ngừng tiến bộ. Nhờ vào những bước đột phá trong ngành hiển vi, công nghệ và kỹ thuật đã giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cấu trúc và chức năng của tế bào. Dưới đây là một số kỹ thuật phổ biến trong nghiên cứu sinh học tế bào:

• Nuôi cấy tế bào: Phương pháp nuôi cấy tế bào trong môi trường điều kiện tối ưu cho phép thu được số lượng lớn các tế bào cụ thể, phục vụ nghiên cứu hiệu quả. Đây là công cụ chính trong sinh học tế bào và sinh phân tử, cung cấp mô hình lý tưởng để nghiên cứu các quá trình sinh lý và hóa sinh, tác dụng của thuốc, tác nhân gây ung thư và phát sinh đột biến. Nó cũng được sử dụng trong sàng lọc và phát triển thuốc cũng như sản xuất các hợp chất sinh học quy mô lớn như vắc-xin và protein trị liệu.
• Hiển vi huỳnh quang: Sử dụng các chất đánh dấu huỳnh quang như GFP để gắn vào thành phần tế bào cụ thể. Sau đó, một bước sóng ánh sáng đặc biệt kích thích chất đánh dấu này để hiện rõ.
• Hiển vi tương phản pha: Phương pháp này sử dụng quang học ánh sáng để thể hiện sự thay đổi pha của các chất rắn, lỏng và khí dưới dạng chênh lệch độ sáng.
• Hiển vi đồng tiêu: Kết hợp hiển vi huỳnh quang với kỹ thuật chụp ảnh để tạo ra hình ảnh 3D bằng cách tập trung ánh sáng và các trường hợp chụp nhanh.
• Hiển vi điện tử truyền qua: Sử dụng nhuộm kim loại và truyền electron qua tế bào, khiến chúng lệch hướng do tương tác với kim loại, từ đó tạo ra hình ảnh của các thành phần tế bào.
• Đo đếm tế bào: Sử dụng máy móc với chùm tia để phân tách các tế bào dựa trên các đặc điểm khác nhau, có thể phân tách theo kích thước và hàm lượng, thậm chí gắn thẻ huỳnh quang GFP để phân loại.
• Phân đoạn tế bào: Phá vỡ tế bào bằng nhiệt độ cao hoặc siêu âm, sau đó ly tâm để tách các tiểu phần của tế bào, phục vụ nghiên cứu riêng biệt.

Loại tế bào

Có hai loại tế bào chính: tế bào nhân sơ và tế bào nhân thực. Tế bào nhân sơ khác với tế bào nhân thực vì không có nhân tế bào hay bào quan có màng bao bọc. Tế bào nhân sơ nhỏ hơn rất nhiều so với tế bào nhân thực và là dạng sống nhỏ nhất. Tế bào nhân sơ bao gồm vi khuẩn và cổ khuẩn, không có nhân tế bào bao quanh. Tế bào nhân thực có mặt ở thực vật, động vật, nấm và sinh vật nguyên sinh, có đường kính từ mười đến một trăm μm và DNA được chứa trong nhân có màng bao bọc. Các sinh vật nhân thực bao gồm bốn giới: động vật (animalia), thực vật (plantae), nấm (fungi) và sinh vật nguyên sinh (protista).

Tất cả chúng đều sinh sản bằng cách phân chia thành hai phần. Vi khuẩn, loại phổ biến nhất, có nhiều hình dạng khác nhau, chủ yếu là hình cầu hoặc hình que. Vi khuẩn được phân loại thành gram dương hoặc gram âm dựa trên thành phần của thành tế bào. Vi khuẩn gram dương có lớp peptidoglycan dày hơn so với vi khuẩn gram âm. Các đặc điểm cấu trúc của vi khuẩn bao gồm tiên mao để di chuyển, ribosome để dịch mã RNA thành protein, và một nucleoid chứa toàn bộ vật liệu di truyền dưới dạng vòng tròn. Trong tế bào nhân sơ, tổng hợp mRNA bắt đầu từ trình tự promoter trên mẫu DNA, với hai trình tự tương đồng bổ sung RNA polymerase. Polymerase của sinh vật nhân sơ có một enzym cốt lõi, gồm bốn tiểu đơn vị protein và một protein σ hỗ trợ khởi đầu. Ví dụ, trong quá trình tiếp hợp, yếu tố sinh sản giúp vi khuẩn có cầu tiếp hợp để truyền DNA sang vi khuẩn khác thiếu yếu tố F, từ đó truyền sự phản kháng để sinh tồn trong môi trường nhất định.

Cấu trúc và chức năng

Cấu trúc tế bào nhân thực

Tế bào của sinh vật nhân thực bao gồm các bào quan sau đây:

• Nhân tế bào: Nhân tế bào giữ vai trò quan trọng trong việc lưu trữ thông tin di truyền và là nơi tập trung các gen của tế bào. Nó chứa toàn bộ DNA được tổ chức thành nhiễm sắc thể. Xung quanh nhân là màng nhân, có chứa các lỗ nhân giúp vận chuyển protein vào và ra khỏi nhân. Đây là nơi xảy ra các quá trình sao chép DNA và dịch mã DNA thành RNA. Sau đó, RNA được chỉnh sửa và vận chuyển ra bào tương để tiếp tục chuyển đổi thành protein.
• Nhân con: Nằm trong nhân tế bào, nhân con có cấu trúc hình cầu và đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp RNA ribosome (rRNA), chất cần thiết để ribosome hoạt động hiệu quả.
• Mạng lưới nội chất: Chịu trách nhiệm tổng hợp, lưu trữ và vận chuyển protein đến bộ máy Golgi. Mạng lưới nội chất là một hệ thống các màng phân bố rộng khắp trong tế bào và kết nối với nhân. Cấu trúc và kích thước của mạng lưới nội chất phụ thuộc vào loại tế bào và chức năng của nó.
• Ty thể: Đây là bào quan có lớp màng kép bao bọc, được coi là nhà máy sản xuất năng lượng của tế bào. Ty thể thực hiện chu trình Krebs (hay chu trình TCA) để tạo ra NADH và FADH. Những sản phẩm này sau đó tham gia vào chuỗi vận chuyển electron (ETC) để sản xuất ATP.
• Bộ máy Golgi: Đóng vai trò xử lý, gộp nhóm và phân phối protein đến đúng địa điểm cần thiết. Protein mang theo chuỗi tín hiệu giúp bộ máy Golgi nhận diện và gửi chúng đến các vị trí đúng. Bộ máy Golgi cũng tạo ra glycoprotein và glycolipid.
• Lysosome: Chức năng chính của lysosome là phân giải các vật liệu từ bên ngoài hoặc các bào quan cũ. Nó chứa nhiều enzyme như acid hydrolase, protease, nuclease và lipase để phá vỡ cấu trúc phân tử. Tự thực là quá trình lysosome phân giải khi một bọng từ mạng lưới nội chất chứa vật liệu, gắn kết với lysosome để phân giải.
• Ribosome: Là cơ sở của quá trình dịch mã RNA thành protein, ribosome là nơi tổng hợp protein trong tế bào.
• Bộ xương tế bào: Đây là hệ thống cấu trúc giúp duy trì hình dạng và tổ chức của tế bào, giữ các bào quan ổn định và tạo cấu trúc vững chắc. Bộ xương tế bào gồm ba loại sợi protein chính: sợi actin, sợi trung gian và vi ống, liên kết với các bào quan và màng tế bào nhờ nhiều protein phụ.
• Màng tế bào: Màng tế bào được hình thành từ lớp phospholipid kép, kết hợp với lipid và protein. Lớp phospholipid kép có đặc tính kỵ nước, cho phép các phân tử cần thiết di chuyển vào và ra khỏi tế bào thông qua áp suất thẩm thấu, khuếch tán, gradient nồng độ và các kênh màng.
• Trung tử: Đóng vai trò trong việc tạo ra các sợi trúc để phân tách nhiễm sắc thể trong quá trình phân bào.

Tế bào sinh vật nhân thực còn bao gồm các phân tử sau đây:

• Chất nhiễm sắc: Là thành phần cấu tạo nhiễm sắc thể, chất nhiễm sắc bao gồm DNA kết hợp với nhiều loại protein.
• Tiêm mao: Các cấu trúc này hỗ trợ trong việc đẩy các chất ra ngoài và còn có chức năng cảm giác.

Trao đổi tế bào

Trao đổi tế bào là quá trình thiết yếu để sản xuất năng lượng và duy trì sự sống của tế bào, với nhiều con đường trao đổi khác nhau để duy trì các bào quan chính như nhân, ty thể và màng tế bào. Trong hô hấp tế bào, khi có glucose, đường phân diễn ra trong bào tương để tạo ra pyruvate. Pyruvate tiếp tục trải qua quá trình tách carboxyl bằng phức hợp đa enzym để hình thành acetyl coA, chất này tham gia vào chu trình Krebs để tạo NADH và FADH₂. Các sản phẩm này được sử dụng trong chuỗi vận chuyển electron để tạo ra gradient proton xuyên qua màng trong của ty thể, điều phối việc sản xuất ATP trong quá trình phosphoryl hóa oxy hóa. Trao đổi tế bào ở thực vật bao gồm quang hợp, một quá trình ngược lại với hô hấp, tạo ra glucose từ ánh sáng mặt trời.

Thông tin tế bào

Tín hiệu tế bào đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và xử lý thông tin từ môi trường xung quanh để tế bào có thể phản ứng phù hợp. Tín hiệu có thể được truyền qua tiếp xúc trực tiếp giữa các tế bào hoặc thông qua các cơ chế nội tiết, cận tiết và tự tiết. Khi tế bào tiếp xúc trực tiếp, một thụ thể trên tế bào sẽ kết nối với một phân tử trên màng tế bào khác. Tín hiệu nội tiết được truyền qua các phân tử vào máu. Tín hiệu cận tiết sử dụng các phân tử khuếch tán giữa các tế bào để giao tiếp. Tự tiết là quá trình mà tế bào tự gửi tín hiệu cho chính mình bằng cách tiết ra phân tử liên kết với thụ thể trên bề mặt của nó. Dưới đây là các dạng tín hiệu phổ biến:

• Kênh ion: Có nhiều loại khác nhau, như kênh ion theo điện áp hoặc phối tử. Chúng điều chỉnh sự di chuyển của các phân tử và ion qua màng tế bào.
• Thụ thể kết hợp với G-protein (GPCR): Thường có 7 miền xuyên màng. Khi phối tử liên kết với miền ngoại bào, tín hiệu sẽ kích hoạt yếu tố trao đổi guanine, chuyển GDP thành GTP và kích hoạt tiểu đơn vị G-α. Tiểu đơn vị G-α có thể tác động đến các protein khác như adenyl cyclase hoặc phospholipase C, tạo ra các chất truyền tin thứ cấp như cAMP, IP3, DAG và canxi. Những chất này khuếch đại tín hiệu và tác động lên các kênh ion hoặc enzyme khác. Ví dụ, cAMP kích hoạt PKA bằng cách loại bỏ các tiểu đơn vị điều hòa, giải phóng tiểu đơn vị xúc tác để phosphoryl hóa protein và điều chỉnh hoạt động gen.
• Thụ thể tyrosine kinase: Liên kết với các yếu tố sinh trưởng, kích thích tyrosine trên phần nội bào của protein để thúc đẩy phosphoryl hóa. Tyrosine phosphoryl hóa làm nền tảng cho các protein chứa miền SH2, kích hoạt Ras và tham gia vào con đường kinase MAP.

Quá trình tăng trưởng và phát triển

Chu trình tế bào nhân thực

Tế bào là đơn vị cơ bản của mọi sinh vật và là nền tảng của sự sống. Việc tăng trưởng và phát triển của tế bào là cực kỳ quan trọng để duy trì chức năng của cơ thể và sự tồn tại của sinh vật. Trong quá trình này, tế bào trải qua các giai đoạn của chu kỳ và phát triển tế bào, bao gồm tăng sinh, nhân đôi DNA, phân bào, tái tạo và chết tế bào.

Chu kỳ tế bào gồm bốn pha chính: G1, S, G2, và M. Pha G – pha tăng trưởng tế bào – chiếm khoảng 95% chu kỳ. Sự phát triển tế bào được thúc đẩy bởi các tín hiệu nội tại. Các tế bào mới được sinh ra có khả năng trở thành bất kỳ loại tế bào nào. Tín hiệu tế bào có thể ảnh hưởng đến các tế bào lân cận, xác định loại tế bào mà chúng sẽ trở thành. Tín hiệu cũng giúp các tế bào tương tự kết hợp lại để hình thành mô, cơ quan và hệ thống. Các pha G1, G2 và S (nhân đôi, sửa chữa và hủy DNA) là các giai đoạn trung gian, trong khi pha M (nguyên phân) là giai đoạn phân chia. Nguyên phân bao gồm các giai đoạn như kỳ đầu, kỳ giữa, kỳ sau và kỳ phân bào chất. Kết quả cuối cùng là tạo ra hai tế bào con giống hệt nhau.

Chu trình tế bào được điều chỉnh qua các điểm kiểm soát với sự tham gia của nhiều yếu tố tín hiệu và phức hợp như cyclin, kinase phụ thuộc cyclin và p53. Khi tế bào hoàn tất tăng trưởng và phát hiện tổn thương hoặc biến đổi, nó sẽ bước vào giai đoạn chết tế bào theo chương trình hoặc hoại tử để loại bỏ các mối đe dọa có thể gây hại cho sinh vật.

Tỷ lệ chết tế bào và chuỗi tế bào thế hệ bất tử

Tổ tiên của tất cả các tế bào hiện nay có thể đã tồn tại qua một chuỗi liên tục kéo dài hơn ba tỷ năm, kể từ khi sự sống bắt đầu. Thực tế, tế bào không phải là bất tử; điều này chỉ đúng với các chuỗi tế bào qua nhiều thế hệ. Sự bất tử của các chuỗi tế bào này phụ thuộc vào khả năng duy trì phân bào. Khả năng này có thể bị mất ở bất kỳ chuỗi thế hệ nào do tổn thương tế bào, biệt hóa tế bào (như trong tế bào thần kinh), hoặc chết tế bào theo chương trình trong quá trình phát triển. Để duy trì khả năng phân bào qua các thế hệ, việc tránh và sửa chữa tổn thương tế bào, đặc biệt là tổn thương DNA, là rất quan trọng. Đối với sinh vật sinh sản hữu tính, tính liên tục của dòng mầm phụ thuộc vào hiệu quả của các quá trình sửa chữa DNA và bảo vệ DNA khỏi tổn thương. Giao phối ở sinh vật nhân thực, tương tự như ở sinh vật nhân sơ, cung cấp cơ hội sửa chữa tổn thương DNA trong dòng mầm qua quá trình tái tổ hợp tương đồng.

Bệnh học

Bệnh học tế bào là một phân ngành khoa học chuyên nghiên cứu và chẩn đoán các bệnh ở cấp độ tế bào. Phân ngành này thường áp dụng cho các mẫu tế bào hoặc mô tự do, trái ngược với bệnh học mô, nơi nghiên cứu toàn bộ mô. Bệnh học tế bào chủ yếu được sử dụng để chẩn đoán các bệnh liên quan đến nhiều vị trí trên cơ thể, thường là ung thư, bệnh truyền nhiễm và bệnh viêm. Ví dụ điển hình là phết tế bào cổ tử cung, một phương pháp sàng lọc nhằm phát hiện ung thư cổ tử cung và các tổn thương liên quan.

Điểm kiểm soát chu kỳ tế bào và hệ thống sửa chữa DNA

Chu kỳ tế bào bao gồm các pha liên tiếp và có trật tự dẫn đến quá trình phân bào. Một tế bào không bắt đầu pha tiếp theo cho đến khi pha trước đó hoàn tất, điều này rất quan trọng cho việc điều hòa chu kỳ tế bào. Các điểm kiểm soát chu kỳ tế bào đảm bảo sự giám sát và điều chỉnh hiệu quả trong suốt chu kỳ và phân bào. Cdks, cùng với cyclin, protein kinase và phosphatase, điều chỉnh sự tăng trưởng và phân bào từ pha này sang pha khác. Chu kỳ tế bào được kiểm soát bằng cách kích hoạt tạm thời Cdks, cơ chế này được điều khiển bởi tương tác của cyclin, sau đó phosphoryl hóa bởi protein kinase và khử phosphoryl hóa bởi phosphatase họ Cdc25. Để đáp ứng với tổn thương DNA, phản ứng sửa chữa DNA của tế bào là một chuỗi các con đường truyền tín hiệu, điều chỉnh điểm kiểm soát, cơ chế sửa chữa DNA, và thay đổi chu kỳ tế bào cũng như chết tế bào theo chương trình. Các cấu trúc và quá trình hóa sinh như ATM và ATR phát hiện tổn thương DNA và tạo điểm kiểm soát sửa chữa DNA.

Chu kỳ tế bào là chuỗi các bước mà trong đó các bào quan được nhân đôi và phân chia chính xác vào các tế bào con. Chu kỳ tế bào bao gồm nhiều sự kiện quan trọng như phát triển, sao chép và phân chia nhiễm sắc thể. Điểm kiểm soát trong chu kỳ tế bào đảm bảo tính toàn vẹn và chính xác của từng giai đoạn. Các điểm kiểm soát này kiểm tra các tham số của tế bào và chỉ khi các điều kiện được đáp ứng, chu kỳ tế bào mới tiến đến các giai đoạn tiếp theo. Mục tiêu chính của chu kỳ tế bào là sao chép chính xác DNA và phân chia đều các thành phần tế bào vào hai tế bào con. Ở sinh vật nhân thực, chu kỳ tế bào gồm bốn pha chính: G1 (tế bào phát triển và tích lũy các yếu tố cần thiết), S (sao chép DNA), G2 (chuẩn bị phân chia) và M (phân chia nhiễm sắc thể). DNA có thể tham gia vào nhiều phản ứng hóa học, và sự thay đổi trong trình tự DNA có ảnh hưởng lớn hơn so với các thành phần tế bào khác. Các lỗi trong sao chép DNA thường được sửa chữa bằng cách loại bỏ các nucleotide lỗi và tái tổng hợp. Một số tổn thương DNA có thể được sửa chữa bằng cách đảo ngược tổn thương đó, ví dụ như tổn thương do tia UV.

Tự thực bào

Tự thực bào là cơ chế giúp duy trì cân bằng năng lượng trong tế bào và ứng phó với căng thẳng dinh dưỡng. Nó cũng giúp làm sạch các protein thừa, loại bỏ các cấu trúc hư hỏng như ty thể và mạng lưới nội chất, và giảm viêm nhiễm nội bào. Tự thực bào đóng vai trò quan trọng trong phản ứng miễn dịch, giúp tế bào kháng virus và vi khuẩn. Một số virus và protein độc có thể làm giảm khả năng tự thực bào, trong khi các yếu tố tự thực bào khác hỗ trợ phát triển nội bào hoặc phân bào. Có ba loại tự thực bào chính: tự thực bào vĩ mô, tự thực bào vi mô và tự thực bào trung gian chaperon. Trong tự thực bào vĩ mô, màng tế bào hình thành autophagosome, một bào quan màng đôi, sau đó kết hợp với lysosom để tạo autolysosome và phân giải các thành phần bên trong. Tự thực bào vi mô liên quan đến việc lysosom bao bọc các mảng tế bào chất hoặc bào quan nhỏ. Protein tự thực bào trung gian chaperone (CMA) giúp tiêu hóa các protein bị oxy hóa hoặc biến chất và cung cấp amino acid cần thiết.

Chú thích

Tài liệu tham khảo

• Penner-Hahn, James E. (2013). “Chương 2. Công nghệ phát hiện kim loại trong tế bào đơn lẻ. Phần 4. Phát xạ tia X nội tại”. Trong Bani, Lucia (biên tập). Metallomics and the Cell. Kim loại trong Khoa học Cuộc sống. 12. Springer. trang 15–40. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_2. ISBN 978-94-007-5560-4. PMID 23595669. ISBN sách điện tử 978-94-007-5561-1 ISSN 1559-0836 ISSN điện tử 1868-0402
• Sách Cell and Molecular Biology của Karp ấn bản lần thứ 5, ISBN 0-471-46580-1
• Bài viết này sử dụng tài liệu từ Science Primer phát hành bởi NCBI, thuộc phạm vi công cộng vì là tác phẩm của chính phủ liên bang Hoa Kỳ [1].

Liên kết ngoài

• Tài liệu liên quan đến Sinh học tế bào trên Wikimedia Commons
• Sinh học tế bào trên DMOZ
• Aging Cell
• 'Francis Harry Compton Crick (1916-2004)' của A. Andrei trên Embryo Project Encyclopedia
• 'Tài nguyên Sinh học của Giáo sư Lin.'