Cơ thể bạn đang chứa khoảng 37 nghìn tỉ tế bào. Mỗi tế bào nhỏ đến mức phải dùng kính hiển vi mới nhìn thấy, vậy mà bên trong nó là cả một "thành phố thu nhỏ" đang hoạt động không ngừng nghỉ: có nhà máy điện sản xuất năng lượng, có xưởng lắp ráp protein, có kho chứa hàng, có hệ thống đường sá vận chuyển, có cả trung tâm chỉ huy điều khiển mọi thứ. Thành phố ấy vận hành trơn tru thì bạn khỏe mạnh, học bài nhớ lâu, chạy nhảy cả ngày không mệt. Nó trục trặc ở đâu, cơ thể bạn sẽ lên tiếng ngay ở đó.
Chuyên đề này sẽ đưa bạn đi một vòng quanh "thành phố" ấy: từ những viên gạch đầu tiên cấu tạo nên tế bào, qua hai kiểu tế bào nhân sơ và nhân thực, tới cách tế bào ăn, thở, làm việc và sinh sôi. Học xong, bạn không chỉ thuộc lòng định nghĩa để làm bài kiểm tra học kì 1, mà còn hiểu vì sao mỗi bữa ăn, mỗi hơi thở của mình đều gắn với những gì đang diễn ra trong từng tế bào.
1. Tế bào nằm ở đâu trong "bản đồ sự sống"?
Trước khi chui vào bên trong một tế bào, bạn cần biết nó đứng ở vị trí nào trong thế giới sống. Các nhà sinh học xếp sự sống thành từng bậc, từ nhỏ đến lớn, như những chiếc hộp lồng vào nhau:
Nguyên tử → phân tử → bào quan → tế bào → mô → cơ quan → hệ cơ quan → cơ thể → quần thể → quần xã → hệ sinh thái → sinh quyển.
Tế bào là bậc đầu tiên có đầy đủ các dấu hiệu của sự sống: nó trao đổi chất với môi trường, sinh trưởng, cảm ứng và sinh sản. Một phân tử dù phức tạp đến đâu cũng chưa được gọi là sống, nhưng chỉ cần gom đủ các phân tử lại thành một tế bào, sự sống bắt đầu. Đó là lí do sách giáo khoa gọi tế bào là đơn vị cấu trúc và chức năng của cơ thể sống.
Học thuyết tế bào — do Schleiden, Schwann và Virchow xây dựng — gói gọn trong ba ý mà bạn nên thuộc lòng:
Mọi sinh vật đều được cấu tạo từ một hay nhiều tế bào.
Tế bào là đơn vị cơ bản của sự sống.
Mọi tế bào đều được sinh ra từ tế bào có trước.
Ý thứ ba nghe đơn giản mà rất quan trọng: nó giải thích vì sao vết thương của bạn lành lại được — các tế bào da phân chia để tạo ra tế bào mới — và vì sao ung thư nguy hiểm — khi tế bào phân chia mất kiểm soát, nó tạo ra khối u.
2. Tế bào được làm từ những gì?
Muốn hiểu một thành phố, phải biết nó xây bằng vật liệu gì. Tế bào cũng vậy. Về mặt hóa học, tế bào gồm hai nhóm chất: chất vô cơ và chất hữu cơ.
Nước — "người vận chuyển" thầm lặng
Nước chiếm khoảng 70–90% khối lượng tế bào, là thành phần nhiều nhất. Nước là dung môi hòa tan hầu hết các chất trong tế bào, là môi trường cho các phản ứng hóa học diễn ra, tham gia trực tiếp vào nhiều phản ứng (như quang hợp và thủy phân), đồng thời giúp tế bào giữ nhiệt độ ổn định. Một tế bào mất nước sẽ co lại, các phản ứng chậm dần và cuối cùng ngừng hoạt động — đó là lí do vì sao cơ thể mất nước nặng có thể nguy hiểm đến tính mạng.
Carbohydrate — kho nhiên liệu nhanh
Carbohydrate gồm đường đơn (glucose, fructose, ribose, deoxyribose), đường đôi (sucrose, lactose, maltose) và đường đa (tinh bột ở thực vật, glycogen dự trữ trong gan và cơ của động vật, cellulose làm nên thành tế bào thực vật, chitin làm nên thành tế bào nấm). Glucose là nhiên liệu chính mà tế bào "đốt" để lấy năng lượng. Ribose và deoxyribose thì đặc biệt hơn: chúng là thành phần của RNA và DNA, tức là của chính vật liệu di truyền.
Protein — "công nhân đa năng" của tế bào
Protein được cấu tạo từ 20 loại amino acid, liên kết với nhau thành chuỗi rồi gấp cuộn thành hình dạng không gian xác định. Mất hình dạng là mất chức năng — giống như một chiếc chìa khóa bị bẻ cong sẽ không mở được ổ khóa nữa. Protein làm đủ việc trong tế bào: làm enzyme xúc tác phản ứng, làm kháng thể chống lại vi khuẩn, làm hemoglobin vận chuyển oxygen trong máu, làm hormone truyền tín hiệu, làm vật liệu xây dựng cho màng và bộ khung tế bào.
Lipid — chất béo không chỉ để "tích mỡ"
Nhắc đến lipid, nhiều bạn chỉ nghĩ đến mỡ thừa. Nhưng phospholipid là vật liệu chính làm nên màng tế bào — không có nó thì không có "bức tường thành" của thành phố. Steroid như cholesterol giúp màng tế bào vững chắc, còn nhiều hormone (như hormone sinh dục) cũng có bản chất là steroid. Ngoài ra lipid còn là nguồn dự trữ năng lượng dài hạn và là thành phần của một số vitamin tan trong dầu.
Nucleic acid — "bản thiết kế" của thành phố
DNA và RNA là hai loại nucleic acid. DNA mang thông tin di truyền, quyết định mọi đặc điểm và hoạt động của tế bào. Một phân tử DNA gồm hai mạch xoắn kép, mỗi mạch là chuỗi nucleotide; các base liên kết theo nguyên tắc bổ sung: A liên kết với T bằng 2 liên kết hidro, G liên kết với C bằng 3 liên kết hidro. RNA thường chỉ có một mạch, dùng base uracil (U) thay cho thymine (T), và làm nhiệm vụ truyền đạt, thực thi thông tin di truyền để tổng hợp protein. Bạn muốn ôn kĩ cách tính số nucleotide, chiều dài gen và số liên kết hidro của một gen thì đọc thêm bài công thức tính số nucleotide của gen và bài công thức tính chiều dài gen — hai bài này viết riêng từng công thức với ví dụ tính cụ thể, rất tiện để tra cứu khi làm bài tập.
| Nhóm chất | Thành phần chính | Vai trò nổi bật nhất |
|---|---|---|
| Nước | H2O | Dung môi, môi trường phản ứng, điều hòa nhiệt độ |
| Carbohydrate | Glucose, tinh bột, cellulose, glycogen | Cung cấp năng lượng, cấu tạo thành tế bào |
| Protein | 20 loại amino acid | Enzyme, kháng thể, vận chuyển, cấu trúc |
| Lipid | Phospholipid, steroid, mỡ | Cấu tạo màng, dự trữ năng lượng, hormone |
| Nucleic acid | DNA, RNA | Lưu giữ và truyền đạt thông tin di truyền |
| ATP | Adenosine triphosphate | "Đồng tiền năng lượng" của tế bào |
3. Hai kiểu tế bào: nhân sơ và nhân thực
Thế giới tế bào chia làm hai kiểu lớn. Vi khuẩn là đại diện điển hình của tế bào nhân sơ. Còn tế bào của động vật, thực vật, nấm — kể cả tế bào của chính bạn — đều là tế bào nhân thực.
Tế bào nhân sơ nhỏ bé, chỉ khoảng 0,5–10 micromet, cấu tạo đơn giản với ba thành phần chính: màng sinh chất, tế bào chất và vùng nhân. Vùng nhân chứa một phân tử DNA dạng vòng, kép, không được bao bọc bởi màng nhân nên người ta nói nhân sơ "chưa có nhân hoàn chỉnh". Bào quan duy nhất của nó là ribosome loại 70S — nhỏ, không có màng bao bọc, chuyên tổng hợp protein. Nhờ kích thước nhỏ mà tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích (S/V) của tế bào nhân sơ rất lớn, nên nó trao đổi chất nhanh và sinh sản nhanh. Ngoài ba thành phần chính, nhiều vi khuẩn còn có thành tế bào bằng peptidoglycan, lông bám và roi để di chuyển.
Tế bào nhân thực lớn hơn nhiều, khoảng 10–100 micromet, cấu tạo phức tạp hơn hẳn: có nhân hoàn chỉnh được bao bọc bởi màng nhân, có hệ thống nội màng và nhiều bào quan có màng bao bọc, mỗi bào quan chuyên một việc. Ribosome của tế bào nhân thực thuộc loại 80S, lớn hơn ribosome của vi khuẩn — riêng ribosome trong ti thể và lục lạp lại thuộc loại 70S, một manh mối cho thấy hai bào quan này có nguồn gốc từ vi khuẩn (bạn sẽ gặp lại chi tiết này trong phần câu hỏi thường gặp).
| Đặc điểm | Tế bào nhân sơ | Tế bào nhân thực |
|---|---|---|
| Kích thước | 0,5–10 micromet | 10–100 micromet |
| Nhân | Chưa hoàn chỉnh, DNA vòng không có màng bao bọc | Hoàn chỉnh, có màng nhân bao bọc |
| Bào quan có màng | Không có | Có: ti thể, lục lạp, lưới nội chất, bộ máy Golgi… |
| Ribosome | 70S (bào quan duy nhất) | 80S (trong ti thể, lục lạp là 70S) |
| Hệ thống nội màng | Không có | Có |
| Đại diện | Vi khuẩn | Động vật, thực vật, nấm |
4. Bên trong một tế bào nhân thực có gì?
Nếu ví tế bào nhân thực là một thành phố, thì nhân là tòa thị chính, màng sinh chất là bức tường thành có cổng kiểm soát, còn các bào quan là những nhà máy, kho bãi và hệ thống đường sá. Mỗi nơi một việc, phối hợp nhịp nhàng.
Nhân — trung tâm chỉ huy
Nhân là bào quan lớn nhất của tế bào, chứa nhiễm sắc thể — tức là DNA cuộn chặt cùng protein histone. Bên trong nhân còn có nhân con, nơi tổng hợp rRNA để làm ribosome. Màng nhân là màng kép có nhiều lỗ nhân, cho phép các chất như RNA và protein đi ra vào có chọn lọc. Nhân điều khiển mọi hoạt động sống của tế bào bằng cách "ra lệnh" tổng hợp loại protein nào, vào lúc nào.
Màng sinh chất — bức tường thành thông minh
Màng sinh chất bao bọc toàn bộ tế bào. Cấu tạo của nó được mô tả bằng mô hình khảm lỏng: một lớp kép phospholipid làm nền — đầu ưa nước quay ra hai phía, đuôi kị nước quay vào nhau — trong đó các phân tử protein "khảm" xen kẽ như những mảnh ghép, có thể chuyển động khiến màng vừa vững chắc vừa mềm dẻo. Nhờ lớp kép phospholipid mà màng chỉ cho một số chất đi qua (tính thấm chọn lọc), còn protein màng làm nhiệm vụ vận chuyển, làm thụ thể nhận tín hiệu và làm "dấu chuẩn" để tế bào nhận biết nhau. Ở tế bào động vật, màng còn có thêm cholesterol giúp tăng độ bền.
Các bào quan — mỗi người một việc
| Bào quan | Cấu tạo nổi bật | Chức năng chính |
|---|---|---|
| Ribosome | Không có màng, gồm rRNA và protein, loại 80S | Tổng hợp protein |
| Lưới nội chất hạt | Có ribosome bám trên bề mặt | Tổng hợp protein để xuất ra ngoài hoặc đưa vào màng |
| Lưới nội chất trơn | Không có ribosome bám | Tổng hợp lipid, chuyển hóa đường, giải độc |
| Bộ máy Golgi | Túi dẹp xếp chồng như chồng đĩa | Chế biến, đóng gói và vận chuyển protein, lipid |
| Lysosome | Túi chứa enzyme thủy phân | Tiêu hóa nội bào, dọn dẹp tế bào già, hỏng |
| Không bào | Ở thực vật rất lớn, chứa dịch tế bào | Dự trữ chất, duy trì áp suất trương của tế bào |
| Ti thể | Màng kép, màng trong gấp nếp thành mào, chất nền chứa DNA vòng và ribosome 70S | Hô hấp tế bào, sản xuất ATP |
| Lục lạp | Màng kép, thylakoid xếp thành grana, chất nền chứa DNA vòng và ribosome 70S | Quang hợp (chỉ có ở tế bào thực vật và tảo) |
| Bộ khung tế bào | Vi ống, vi sợi, sợi trung gian | Nâng đỡ, giữ hình dạng, vận chuyển nội bào |
| Trung thể | Chỉ có ở tế bào động vật | Tổ chức thoi phân bào khi tế bào phân chia |
Ngoài ra, tế bào thực vật còn có thành tế bào bằng cellulose bao ngoài màng sinh chất, giúp tế bào cứng cáp và giữ hình dạng. Tế bào nấm có thành tế bào bằng chitin. Tế bào động vật không có thành tế bào nên hình dạng linh hoạt hơn.
Bạn có để ý một quy luật đẹp không? Lưới nội chất hạt tổng hợp protein, bộ máy Golgi đóng gói protein đó, rồi túi vận chuyển đưa protein đi khắp nơi — giống như một dây chuyền sản xuất khép kín. Còn ti thể và lục lạp đều có DNA riêng và ribosome riêng, có thể tự nhân đôi — đó là dấu vết cho thấy chúng từng là vi khuẩn sống độc lập, rồi "dọn vào ở chung" trong tế bào nhân thực từ hàng tỉ năm trước.
5. Cửa ngõ của tế bào: trao đổi chất qua màng
Thành phố không thể sống nếu đóng kín cổng. Tế bào cũng vậy: nó phải lấy chất dinh dưỡng và oxygen từ bên ngoài vào, đồng thời thải chất cặn bã ra ngoài. Mọi sự ra vào đều đi qua màng sinh chất, theo mấy cách sau:
Khuếch tán: các chất đi từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp, không tốn năng lượng. Oxygen và carbon dioxide chui thẳng qua lớp phospholipid theo cách này.
Thẩm thấu: nước di chuyển từ nơi có nồng độ chất tan thấp sang nơi có nồng độ chất tan cao, qua các kênh protein đặc biệt gọi là aquaporin. Nhờ thẩm thấu mà rễ cây hút được nước, và cũng vì thẩm thấu mà bạn không nên uống nước muối quá mặn khi khát — nước trong tế bào sẽ bị "rút" ra ngoài.
Vận chuyển qua kênh protein: các chất tan trong nước như ion hay glucose đi qua các kênh protein trên màng, vẫn theo chiều nồng độ nên không tốn năng lượng.
Vận chuyển chủ động: khi tế bào cần đưa chất đi ngược chiều nồng độ (từ nơi ít sang nơi nhiều), nó phải trả "tiền" bằng ATP. Bơm natri-kali là ví dụ kinh điển: bơm 3 ion Na+ ra ngoài và đưa 2 ion K+ vào trong, giữ cho tế bào thần kinh luôn sẵn sàng truyền tín hiệu.
Nhập bào và xuất bào: những "gói hàng" lớn như vi khuẩn hay giọt thức ăn được màng bao lấy đưa vào trong (thực bào, ẩm bào); ngược lại, tế bào đẩy chất ra ngoài bằng cách hợp nhất túi chứa với màng (xuất bào). Bạch cầu trong máu bạn bắt vi khuẩn chính bằng cách thực bào đấy.
6. Enzyme và ATP — bộ đôi "thợ giỏi" và "tiền mặt"
Trong tế bào diễn ra hàng nghìn phản ứng hóa học mỗi giây. Nếu không có ai xúc tác, các phản ứng này chậm đến mức sự sống không thể tồn tại. Enzyme chính là "thợ giỏi" đó: hầu hết enzyme là protein, mỗi enzyme chỉ xúc tác cho một hoặc một nhóm phản ứng nhất định (tính đặc hiệu), làm giảm năng lượng cần thiết để phản ứng bắt đầu nên phản ứng chạy nhanh hơn rất nhiều. Enzyme làm việc tốt nhất ở một nhiệt độ và pH nhất định — sốt cao quá lâu có thể làm enzyme biến tính, đó là một trong những lí do sốt cao kéo dài rất nguy hiểm.
Còn ATP — adenosine triphosphate — là "đồng tiền năng lượng" của tế bào. Khi tế bào cần năng lượng để vận chuyển chất, tổng hợp phân tử hay co cơ, nó "tiêu" ATP: ATP phân giải thành ADP và phosphate vô cơ, giải phóng năng lượng. Khi tế bào thu được năng lượng từ thức ăn (qua hô hấp), nó lại "nạp tiền" bằng cách gắn phosphate trở lại ADP để tạo ATP. Vòng nạp — tiêu này quay liên tục, và một tế bào có thể "tiêu" tới hàng triệu phân tử ATP mỗi giây khi hoạt động mạnh. Vì ATP không dự trữ được lâu nên tế bào phải sản xuất ATP liên tục — nhiệm vụ này chủ yếu thuộc về ti thể, qua quá trình hô hấp tế bào mà bạn sẽ đọc ngay sau đây.
7. Quang hợp — nhà máy nấu ăn bằng ánh sáng
Cây xanh làm một việc mà không sinh vật nào khác làm được: dùng ánh sáng mặt trời để "nấu" thức ăn từ hai thứ rẻ tiền là khí carbon dioxide và nước. Quá trình này diễn ra trong lục lạp của tế bào lá, gọi là quang hợp, với phương trình tổng quát:
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 (cần ánh sáng và diệp lục)
Quang hợp gồm hai pha nối tiếp nhau. Pha sáng diễn ra trên màng thylakoid, cần ánh sáng trực tiếp: diệp lục hấp thụ năng lượng ánh sáng, tách nước theo phản ứng 2H2O → 4H+ + 4e− + O2, đồng thời tạo ra ATP và NADPH. Chú ý: khí O2 mà cây thải ra có nguồn gốc từ nước, không phải từ CO2 — đây là một trong những câu hỏi "bẫy" hay gặp nhất trong đề thi. Pha tối diễn ra trong chất nền của lục lạp, không cần ánh sáng trực tiếp nhưng cần ATP và NADPH do pha sáng cung cấp để cố định CO2 thành đường qua chu trình Calvin: 6CO2 + 18 ATP + 12 NADPH → C6H12O6 + 18 ADP + 18 Pi + 12 NADP+. Vì pha tối "ăn theo" sản phẩm của pha sáng nên nó vẫn chạy vào ban ngày, chứ không phải đợi đến ban đêm như nhiều bạn lầm tưởng.
Ví dụ 1. Một cây quang hợp tạo ra 180 g glucose trong một ngày nắng. Hỏi cây đã hấp thụ bao nhiêu gam CO2 và thải ra bao nhiêu gam O2?
Bước 1: Tính số mol glucose tạo thành. Khối lượng mol của glucose C6H12O6 là 180 g/mol, nên số mol glucose = 180 ÷ 180 = 1 mol.
Bước 2: Theo phương trình quang hợp, cứ 1 mol glucose tạo thành thì cần 6 mol CO2 và thải ra 6 mol O2.
Bước 3: Khối lượng CO2 cần dùng = 6 × 44 = 264 g; khối lượng O2 thải ra = 6 × 32 = 192 g.
Đáp số: cây hấp thụ 264 g CO2 và thải ra 192 g O2. Bạn thấy không — chỉ từ một phương trình, ta tính được cả "khẩu phần" lẫn "sản phẩm" của cây trong một ngày.
8. Hô hấp tế bào — đốt nhiên liệu để lấy năng lượng
Nếu quang hợp là "nấu ăn", thì hô hấp tế bào là "đốt nhiên liệu" để lấy năng lượng từ thức ăn đã nấu. Phương trình tổng quát của hô hấp hiếu khí (có oxygen) là:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + năng lượng (30–32 ATP)
Quá trình này gồm ba giai đoạn nối tiếp nhau. Giai đoạn 1 là đường phân, diễn ra trong tế bào chất, không cần oxygen: mỗi phân tử glucose bị tách thành 2 phân tử pyruvate, tạo ra 2 ATP và 2 NADH. Giai đoạn 2 là chu trình Krebs, diễn ra trong chất nền ti thể: mỗi phân tử pyruvate chuyển thành acetyl-CoA rồi đi vào chu trình, giải phóng 2 CO2, 3 NADH, 1 FADH2 và 1 ATP. Giai đoạn 3 là chuỗi truyền electron, diễn ra trên màng trong của ti thể: các electron từ NADH và FADH2 được truyền qua một dãy protein, giải phóng năng lượng để tổng hợp phần lớn ATP — khoảng 28 ATP, chiếm phần lớn tổng số ATP của cả quá trình.
| Giai đoạn | Nơi diễn ra | Sản phẩm chính (tính cho 1 glucose) |
|---|---|---|
| Đường phân | Tế bào chất | 2 pyruvate, 2 ATP, 2 NADH |
| Chu trình Krebs | Chất nền ti thể | 4 CO2, 6 NADH, 2 FADH2, 2 ATP |
| Chuỗi truyền electron | Màng trong ti thể | Khoảng 28 ATP, nước |
| Tổng cộng | — | 30–32 ATP (tối ưu có thể đạt 36–38 ATP) |
Khi không có oxygen, tế bào chuyển sang lên men — chỉ thu được 2 ATP từ một phân tử glucose, ít hơn rất nhiều. Lên men lactic tạo ra lactic acid (đây là thủ phạm gây mỏi cơ khi bạn chạy nhanh mà cơ thể không kịp cung cấp oxygen), còn lên men rượu tạo ra ethanol và CO2 (nhờ đó mà bột bánh mì nở và có rượu vang). So sánh hai con số 2 và 30–32, bạn sẽ hiểu vì sao mọi sinh vật hiếu khí đều "cần" oxygen đến vậy.
Ví dụ 2. Một tế bào cơ phân giải 2 mol glucose. Hỏi nếu hô hấp hiếu khí hoàn toàn thì tạo ra bao nhiêu mol ATP, và nếu chỉ lên men thì được bao nhiêu?
Bước 1: Hô hấp hiếu khí: 1 mol glucose cho 30–32 mol ATP, nên 2 mol glucose cho 2 × 30 = 60 đến 2 × 32 = 64 mol ATP.
Bước 2: Lên men: 1 mol glucose chỉ cho 2 mol ATP, nên 2 mol glucose cho 2 × 2 = 4 mol ATP.
Đáp số: hô hấp hiếu khí tạo 60–64 mol ATP, gấp 15–16 lần so với lên men (4 mol ATP). Đây chính là lí do các vận động viên cần hít thở sâu khi thi đấu: cơ thể họ đang "đốt" glucose theo cách hiệu quả nhất.
9. Chu kì tế bào và nguyên phân — cách tế bào sinh sôi
Một tế bào không sống mãi. Nó lớn lên, nhân đôi toàn bộ "tài sản" của mình, rồi phân chia thành hai tế bào con giống hệt mình. Vòng đời đó gọi là chu kì tế bào, gồm kì trung gian và pha phân bào (pha M).
Kì trung gian chiếm khoảng 90% thời gian của chu kì, gồm ba pha nhỏ: pha G1 (tế bào sinh trưởng, tổng hợp protein và các chất cần thiết), pha S (DNA nhân đôi — sự kiện quan trọng nhất của cả chu kì, mỗi nhiễm sắc thể từ trạng thái đơn trở thành nhiễm sắc thể kép gồm hai chromatid dính nhau ở tâm động), và pha G2 (tế bào tiếp tục sinh trưởng và chuẩn bị cho phân chia). Sau kì trung gian, tế bào bước vào pha M: nguyên phân chia nhân thành hai nhân con, rồi tế bào chất phân chia để tạo ra hai tế bào con.
Nguyên phân gồm bốn kì nối tiếp nhau, bạn có thể nhớ bằng "mẹo" nhìn vào nhiễm sắc thể: kì đầu — nhiễm sắc thể co xoắn, màng nhân tiêu biến, thoi phân bào xuất hiện; kì giữa — các nhiễm sắc thể kép xếp thành một hàng ngay ngắn trên mặt phẳng xích đạo của thoi phân bào; kì sau — các chromatid tách nhau ở tâm động thành nhiễm sắc thể đơn và di chuyển về hai cực; kì cuối — nhiễm sắc thể dãn xoắn, màng nhân xuất hiện trở lại, tế bào chất phân chia. Kết quả: một tế bào mẹ cho hai tế bào con có bộ nhiễm sắc thể giống hệt mẹ.
| Kì của nguyên phân | Số NST (người, 2n = 46) | Số chromatid | Số tâm động |
|---|---|---|---|
| Kì trung gian (sau pha S) | 46 NST kép | 92 | 46 |
| Kì đầu | 46 NST kép | 92 | 46 |
| Kì giữa | 46 NST kép | 92 | 46 |
| Kì sau | 92 NST đơn | 0 | 92 |
| Kì cuối (mỗi tế bào con) | 46 NST đơn | 0 | 46 |
Ba công thức sau đây là "chìa khóa" cho mọi bài tập nguyên phân: số tế bào con tạo thành sau k lần nguyên phân từ a tế bào ban đầu là a × 2k; số nhiễm sắc thể môi trường cung cấp là a × 2n × (2k − 1); tổng số nhiễm sắc thể trong các tế bào con là a × 2n × 2k. Mỗi công thức đã có bài viết riêng với ví dụ tính từng bước — bạn tra cứu tại bài công thức tính số tế bào con sau nguyên phân khi cần ôn nhanh trước giờ kiểm tra.
Ví dụ 3. Một tế bào sinh dưỡng của người (2n = 46) nguyên phân liên tiếp 3 lần. Hỏi tạo ra bao nhiêu tế bào con, môi trường đã cung cấp bao nhiêu nhiễm sắc thể, và tổng số nhiễm sắc thể trong các tế bào con là bao nhiêu?
Bước 1: Số tế bào con = 1 × 23 = 8 tế bào.
Bước 2: Số nhiễm sắc thể môi trường cung cấp = 1 × 46 × (23 − 1) = 46 × 7 = 322 nhiễm sắc thể.
Bước 3: Tổng số nhiễm sắc thể trong các tế bào con = 8 × 46 = 368 nhiễm sắc thể.
Đáp số: 8 tế bào con; 322 nhiễm sắc thể do môi trường cung cấp; 368 nhiễm sắc thể trong các tế bào con. Mẹo nhỏ: 368 − 322 = 46, đúng bằng số nhiễm sắc thể của tế bào ban đầu — bạn có thể dùng phép trừ này để kiểm tra lại đáp số của mình. Khi làm bài tập, bạn có thể bấm nhanh các phép tính lũy thừa bằng máy tính online để tránh nhầm lẫn.
Ví dụ 4. Một tế bào của người tiến hành nguyên phân. Khi đang ở kì giữa của lần nguyên phân thứ hai, hỏi trong tất cả các tế bào lúc đó có bao nhiêu nhiễm sắc thể kép, bao nhiêu chromatid và bao nhiêu tâm động?
Bước 1: Sau lần nguyên phân thứ nhất, số tế bào là 21 = 2 tế bào đang ở kì giữa của lần thứ hai.
Bước 2: Ở kì giữa, mỗi tế bào người có 46 nhiễm sắc thể kép, nên tổng số nhiễm sắc thể kép = 46 × 2 = 92.
Bước 3: Mỗi nhiễm sắc thể kép có 2 chromatid, nên tổng số chromatid = 92 × 2 = 184. Số tâm động luôn bằng số nhiễm sắc thể, nên tổng số tâm động = 92.
Đáp số: 92 nhiễm sắc thể kép, 184 chromatid, 92 tâm động.
Ví dụ 5. Ruồi giấm có bộ nhiễm sắc thể 2n = 8. Có 2 tế bào sinh dưỡng của ruồi giấm nguyên phân liên tiếp 4 lần. Hỏi tạo ra bao nhiêu tế bào con và tổng số nhiễm sắc thể đơn trong các tế bào con là bao nhiêu?
Bước 1: Số tế bào con = 2 × 24 = 2 × 16 = 32 tế bào.
Bước 2: Mỗi tế bào con có 8 nhiễm sắc thể đơn, nên tổng số nhiễm sắc thể = 32 × 8 = 256.
Đáp số: 32 tế bào con với tổng cộng 256 nhiễm sắc thể đơn.
10. Những lỗi sai hay gặp nhất khi học chuyên đề này
Lỗi 1: Nhầm ti thể với lục lạp. Ti thể là nơi hô hấp tế bào, có ở hầu hết tế bào nhân thực; lục lạp là nơi quang hợp, chỉ có ở tế bào thực vật và tảo. Cách nhớ: "ti thể đốt thức ăn, lục lạp nấu thức ăn".
Lỗi 2: Nói 1 glucose luôn tạo ra 36 ATP. Theo sách giáo khoa mới, hô hấp hiếu khí tạo ra 30–32 ATP từ một phân tử glucose; con số 36–38 ATP chỉ đạt được trong điều kiện thực nghiệm tối ưu. Trong đề thi, đáp án 30–32 ATP mới là đáp án theo sách.
Lỗi 3: Cho rằng oxygen quang hợp đến từ CO2. Oxygen thải ra trong quang hợp có nguồn gốc từ nước bị tách ra ở pha sáng (2H2O → 4H+ + 4e− + O2), không phải từ CO2.
Lỗi 4: Nhầm số nhiễm sắc thể ở kì giữa nguyên phân. Ở người (2n = 46), kì giữa có 46 nhiễm sắc thể kép. Con số 92 là số nhiễm sắc thể đơn ở kì sau, sau khi các chromatid đã tách nhau ra.
Lỗi 5: Nhầm ribosome của tế bào nhân sơ là 80S. Ribosome nhân sơ thuộc loại 70S; loại 80S là của tế bào nhân thực. Chỉ có ribosome trong ti thể và lục lạp của tế bào nhân thực mới thuộc loại 70S.
Lỗi 6: Cho rằng pha tối của quang hợp diễn ra vào ban đêm. Pha tối không cần ánh sáng trực tiếp, nhưng nó cần ATP và NADPH do pha sáng tạo ra nên vẫn diễn ra vào ban ngày, ngay sau pha sáng.
11. Bài tập tự luyện
Câu 1. Bào quan nào sau đây được ví là "nhà máy điện" của tế bào?
A. Lục lạp
B. Ti thể
C. Ribosome
D. Lysosome
→ Đáp án: B. Giải thích: Ti thể là nơi diễn ra hô hấp tế bào, sản xuất phần lớn ATP cho tế bào nên được ví là "nhà máy điện". Lục lạp (A) là nơi quang hợp, chỉ có ở tế bào thực vật và tảo. Ribosome (C) tổng hợp protein, không sản xuất năng lượng. Lysosome (D) chứa enzyme tiêu hóa nội bào.
Câu 2. Theo sách giáo khoa Sinh học 10 (Kết nối tri thức), một phân tử glucose trải qua hô hấp hiếu khí tạo ra bao nhiêu ATP?
A. 2 ATP
B. 28 ATP
C. 30–32 ATP
D. 36–38 ATP
→ Đáp án: C. Giải thích: Sách giáo khoa mới ghi hô hấp hiếu khí tạo ra khoảng 30–32 ATP từ một phân tử glucose. Đáp án A (2 ATP) là hiệu quả của quá trình lên men. Đáp án B (28 ATP) chỉ là số ATP tạo ra ở giai đoạn chuỗi truyền electron. Đáp án D (36–38 ATP) là con số chỉ đạt được trong điều kiện thực nghiệm tối ưu, không phải giá trị chuẩn theo sách.
Câu 3. Ở người (2n = 46), một tế bào đang ở kì giữa của nguyên phân có bao nhiêu nhiễm sắc thể?
A. 46 nhiễm sắc thể kép
B. 23 nhiễm sắc thể kép
C. 92 nhiễm sắc thể đơn
D. 46 nhiễm sắc thể đơn
→ Đáp án: A. Giải thích: Ở kì giữa, các nhiễm sắc thể đã nhân đôi ở pha S nhưng chưa tách nhau, tồn tại ở trạng thái kép với số lượng 2n = 46 nhiễm sắc thể kép. Đáp án B sai vì 23 là bộ nhiễm sắc thể đơn bội (n). Đáp án C (92 nhiễm sắc thể đơn) là số lượng ở kì sau, sau khi các chromatid tách nhau. Đáp án D là số lượng trong mỗi tế bào con ở kì cuối.
Câu 4. Khí oxygen thải ra trong quang hợp có nguồn gốc từ chất nào sau đây?
A. Khí carbon dioxide
B. Glucose
C. Diệp lục
D. Nước
→ Đáp án: D. Giải thích: Ở pha sáng, nước bị tách ra theo phản ứng 2H2O → 4H+ + 4e− + O2, nên oxygen thải ra có nguồn gốc từ nước. Khí CO2 (A) được cố định thành đường ở pha tối, không phải nguồn gốc của O2. Glucose (B) là sản phẩm của quang hợp. Diệp lục (C) chỉ là sắc tố hấp thụ ánh sáng.
Câu 5. Ribosome của tế bào nhân sơ thuộc loại nào sau đây?
A. 70S
B. 80S
C. 60S
D. 90S
→ Đáp án: A. Giải thích: Tế bào nhân sơ chỉ có một bào quan duy nhất là ribosome loại 70S, không có màng bao bọc. Loại 80S (B) là ribosome trong tế bào chất của tế bào nhân thực. Các đáp án 60S (C) và 90S (D) không tồn tại trong chương trình phổ thông.
| Câu | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Đáp án | B | C | A | D | A |
12. Câu hỏi thường gặp
Vì sao tế bào được gọi là đơn vị cấu trúc và chức năng của sự sống? Vì mọi cơ thể sống đều được cấu tạo từ tế bào, và mọi hoạt động sống — trao đổi chất, sinh trưởng, cảm ứng, sinh sản — đều diễn ra bên trong tế bào. Không có cấp tổ chức nào nhỏ hơn tế bào mà còn đầy đủ các dấu hiệu của sự sống.
Quang hợp và hô hấp tế bào liên quan với nhau như thế nào? Hai quá trình này gần như ngược nhau và bổ sung cho nhau: quang hợp dùng CO2 và nước để tạo ra glucose và O2, còn hô hấp dùng chính glucose và O2 đó để tạo ra CO2, nước và năng lượng ATP. Nhờ vòng tuần hoàn này mà sự sống trên Trái Đất duy trì được cân bằng khí quyển.
Vì sao người ta nói ti thể và lục lạp từng là vi khuẩn? Đó là nội dung của thuyết nội cộng sinh: ti thể và lục lạp đều có màng kép, có DNA dạng vòng giống DNA vi khuẩn, có ribosome loại 70S và có thể tự nhân đôi độc lập trong tế bào. Các bằng chứng này cho thấy tổ tiên của chúng từng là vi khuẩn sống tự do, rồi "dọn vào ở chung" trong tế bào nhân thực từ hàng tỉ năm trước và trở thành một phần không thể thiếu.
Tế bào ung thư liên quan gì đến chu kì tế bào? Tế bào bình thường chỉ phân chia khi nhận được tín hiệu và khi DNA đã nhân đôi đúng cách; các "điểm kiểm soát" trong chu kì tế bào sẽ dừng quá trình phân chia nếu phát hiện sai hỏng. Ở tế bào ung thư, các điểm kiểm soát này bị phá vỡ, tế bào phân chia liên tục không ngừng và tạo thành khối u. Hiểu chu kì tế bào là bước đầu để hiểu vì sao ung thư hình thành.
Ôn chuyên đề này thế nào để nhớ lâu? Đừng học thuộc lòng từng dòng. Hãy vẽ một sơ đồ tế bào nhân thực và tự kể lại chức năng của từng bào quan; lập một bảng so sánh nhân sơ — nhân thực và một bảng so sánh quang hợp — hô hấp; tự làm lại các ví dụ tính số ATP, số tế bào con và số nhiễm sắc thể mà không nhìn đáp án; cuối cùng, tự đặt cho mình câu hỏi "vì sao" sau mỗi kiến thức — vì sao cần oxygen, vì sao cây thải O2, vì sao tế bào phải phân chia — vì hiểu được "vì sao" thì bạn sẽ nhớ rất lâu.
Kết luận
Tế bào nhỏ bé nhưng chứa đựng toàn bộ bí mật của sự sống: từ những phân tử nước, protein, DNA vô tri, các phản ứng hóa học đã lắp ráp nên một "thành phố" biết ăn, biết thở, biết làm việc và biết sinh sôi. Bạn đã đi qua từng khu phố của thành phố ấy — thành phần hóa học, cấu trúc nhân sơ và nhân thực, màng sinh chất, enzyme và ATP, quang hợp, hô hấp, chu kì tế bào và nguyên phân — và đã tự tay tính được lượng CO2 cây hấp thụ, lượng ATP tế bào tạo ra, số tế bào con sau mỗi lần phân chia.
Để ôn lại toàn bộ chuyên đề trước giờ kiểm tra, bạn chỉ cần đi theo dàn ý dưới đây:
- Các cấp tổ chức sống và học thuyết tế bào
- Thành phần hóa học của tế bào: nước, carbohydrate, protein, lipid, nucleic acid, ATP
- So sánh tế bào nhân sơ và tế bào nhân thực
- Cấu trúc và chức năng các bào quan của tế bào nhân thực
- Trao đổi chất qua màng sinh chất
- Quang hợp: phương trình, hai pha, nguồn gốc của O2
- Hô hấp tế bào: ba giai đoạn, 30–32 ATP, so sánh với lên men
- Chu kì tế bào, các kì nguyên phân và bảng số nhiễm sắc thể
- Ba công thức nguyên phân và các ví dụ tính
Học tốt chuyên đề tế bào hôm nay, bạn đã nắm trong tay nền tảng để học tiếp mọi chuyên đề Sinh học sau này — vì dù là di truyền, tiến hóa hay sinh thái, mọi câu chuyện của sự sống đều bắt đầu từ một tế bào. Chúc bạn ôn tập hiệu quả và làm bài kiểm tra học kì 1 thật tốt!