Kích thước, hình dạng và sự sắp xếp các tế bào

Có một quan niệm phổ biến cho rằng những cơ thể nhỏ và đơn giản như procaryot thì khá đơn điệu về hình dạng và kích thước. Điều đó chỉ là một mặt của vấn đề. Mặt thứ hai là, chúng cũng khá đa dạng về hình thái và kích thước, do sự khác nhau về bản chất di truyền và cả do điều kiện sinh thái nữa (hình 2, 3, 4, 5).

Về hình dạng, có hai nhóm chính là vi khuẩn hình cầu, hay cầu khuẩn (coccus, cocci) và vi khuẩn hình que hay trực khuẩn (rocl, bacillus, bacilli).

Các cầu khuẩn thì khác nhau về sự sắp xếp các tế bào như sau:

- Song cầu khuẩn (diplococcus, diplococci) là những cầu khuẩn mà khi phân chia chúng không rời nhau, do đó tạo thành một cặp tế bào (Neisseria, hình 5).

- Liên cầu khuẩn (streptococcus, streptococci) là những cầu khuẩn mà sau nhiều lần phân chia trên cùng một mặt phẳng các tế bào không tách ròi nhau. Đó là trường hợp của các chi Streptococcus, Enterococcus, và Lactococcus (hình 2b).

- Tụ cầu khuẩn (Staphylococcus, Staphylococci) là những cầu khuẩn phân chia theo những mặt phẳng bất kỳ do đó tạo thành những chùm tế bào giống như chùm nho (Staphylococcus, hình 2a).

- Vi cầu khuẩn (micrococcus, micrococci), thì thường phân bào trong hai mặt phẳng để tạo thành các khối vuông gồm bốn tế bào (micrococus).

- Ở chi Sarcina, các cầu khuẩn phân chia tế bào trong ba mặt phẳng, do đó tạo thành nhóm hình khối gồm tám tế bào.

Các trực khuẩn thì khác nhau về một vài đặc điểm:

- Tỷ lệ giữa chiều dài với chiều rộng: có những trực khuẩn ngắn đến mức trông gần giống cầu khuẩn, nên có thể gọi là cầu - trực khuẩn (côccbacilli).

- Hình dạng của đầu mút tế bào: phẳng, cong, hình đầu điếu xì gà, đầu xẻ đôi.

- Sự sắp xếp tế bào: nhiều trực khuẩn có tế bào đứng riêng rẽ, một số khác thì xếp tế bào thành chuỗi. Bacillus megaterium có tế bào to và xếp chuỗi dài (hình 2c).

- Dạng cong của tế bào: một số ít trực khuẩn có dạng cong như dấu phẩy hoặc như một vòng xoắn không hoàn toàn, đó là trường hợp của chi Vibrio (hình 2e).

Sự đa dạng về hình thái của vi khuẩn còn thể hiện ở các trường hợp sau đây:

- Xạ khuẩn (Actinomycetes) rất thường tạo những sợi dài – filaments, micelia (hình 3a).

- Nhiều vi khuẩn có dạng giống những trực khuẩn dài xoắn lại, được gọi là các xoắn khuẩn (Spirillum) nếu chúng là rắn chắc, và gọi là xoắn thể (Spirochetes) nếu chúng là mềm dẻo (hình 2d, 3c, 4a, 4b).

- Hypomicrobium có dạng oval đến dạng quả lê (hình 3d) thì tạo thành một chồi ở đầu nút của một sợi dài.

- Có những vi khuẩn khác thì tạo thành những cuống không sống, như Gallionella chẳng hạn (hình 3f).

- Một số ít vi khuẩn có dạng dẹt, ví dụ những khuẩn dẹt sống trong các hồ muối, do Anthony E.Walsby phát hiện (hình 3e). Chúng sống như những hộp dẹt hình vuông tới chữ nhật, kích thước 2 x 2-4μm, dầy chỉ có 0,25 μm.

- Cuối cùng, có những vi khuẩn có hình dạng không cố định, hay không có hình dạng đặc trưng (hình 3b). Bọn này được gọi là có tính đa hình (pleomorphic), thậm chí mặc dù chúng có thể, giống như Corynebacterrim, thường có dạng giống trực khuẩn.

Về kích thước, vi khuẩn cũng rất khác nhau theo thứ tự từ nhỏ đến lớn, có thể kể:

- Nhỏ nhất và mới được biết đến gần đây nhất, là các “vi khuẩn cỡ nano” (nanobacteria) hay còn gọi là các vi khuẩn siêu nhỏ, có đường kính từ 0,2 μn đến dưới 0,05μm. Một số chủng đã được nuôi cấy thành công, còn hầu hết chúng chỉ là những vật thể giống như vi khuẩn và có kích thước hiển vi mà thôi. Người ta từng quan niệm rằng tế bào chỉ có thể nhỏ đến mức có đường kính 0,14 μm – 0,20 μm, nhưng gần đây người ta đã phát hiện thấy nhiều vi khuẩn nano còn nhỏ hơn thế. Một số nhà vi sinh vật học cho rằng các vi khuẩn nano là những vật thể nhân tạo. Dĩ nhiên cần có thêm nhiều nghiên cứu nữa để làm sáng tỏ ý nghĩa của những dạng sống này.

- Vi khuẩn có kích thước quen thuộc là Escherichia coli, với kích thước trung bình là 1,1 – 1,5 μm chiều rộng x 2,0 – 6,0 μm chiều dài.

- Một số ít vi khuẩn thì khá to, ví dụ một số xoắn thể đôi khi dài tới 500μm (nửa milimet!) và một vi khuẩn lam – Oscillatorria – có đường kính tới 7 μm (tương đương hồng cầu của máu).

- Một vi khuẩn khổng lồ, Epulopiscium fishelsoni, sống trong ruột của một loài cá, thì có kích thước tới 600 x 80 μm, nghĩa là xấp xỉ một dấu gạch nối! (hình 6a). Gần đây hơn, đã phát hiện một vi khuẩn còn to hơn thế, sóng trong tầng lắng đọng của đại dương, có tên gọi là Thiomargarita namibiensis, với đường kính 100 – 700 μm (hình 6b). Như vậy một số ít vi khuẩn còn lớn hơn cả một tế bào eucaryot trung bình (một tế bào thực vật hay động vật điển hình có đường kính từ 10 đến 50 μm).

Sự tổ chức của tế bào procaryot

Các tế bào procaryot có các cấu trúc rất khác nhau. Những chức năng chủ yếu của chúng được tóm tắt trong bảng 2 và được minh hoạ một phần ở hình 7. Không phải mọi cấu trúc đều có mặt ở mỗi chi vi khuẩn. Ngoài ra, các tế bào gram âm và gram dương cũng khác nhau về thành tế bào. Tuy vậy, các té bào procarryot vẫn có những đặc tính chung về cấu trúc cơ bản và về các hợp phần quan trọng nhất.

Bảng 2. Chức năng của các cấu trúc ở tế bào procaryot

Cấu trúc	Chức năng	Có mặt ở
1. Nucleoit	* Nơi chứa vật liệu di truyền (ADN)	a
2. Màng sinh chất	* Hàng rào thấm chọn lọc* Ranh giới cơ học của tế bào* Vận chuyển chất dinh dưỡng và chất thải* Nơi diễn ra nhiều quá trình trao đổi chất (hô hấp, quang hợp)* Phát hiện các tín hiệu môi trường đối với hoá ứng động (chemotaxis)	a
3. Thành tế bào	* Tạo hình thể tế bào.* Tránh cho tế bào khỏi bị tan trong môi trường loãng.	c
4. Ribosom	* Tổng hợp protein	a
5. Khoang chu chất	* Chứa các enzym thuỷ phân* Liên kết các protein cho sự thu nhận và chế biến chất dinh dưỡng	b
6. Tiên mao	* Cơ quan di động của tế bào	b
7. Tiêm mao (tua)	* Cơ quan bám.* Cơ quan ghép đôi.	b
8. Không bào khí	* Phao làm nổi tế bào trong các môi trường nước	b
9. Vỏ bọc và lớp nhày	* Để kháng sự thực bào.* Bám vào các bề mặt.	b
10. Các thể ẩn nhập	* Dự trữ nguồn cacbon, nguồn photpho và các chất khác	b
11. Nội bào tử	* Dạng đề kháng để sống sót qua các điều kiện khắc nghiệt	b

Các tế bào procarryot là đơn giản hơn nhiều so với các tế báo eucaryot. Điều này sẽ dược thấy rõ hơn sau khi tìm hiểu về tế bào eucaryot trong chuyên đề tiếp theo (chuyên đề “Cấu trúc và chức năng của tế bào eucaryot”).

Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? NHỮNG VI KHUẨN KÌ DỊ

Với những vi sinh vật thường gặp xung quanh, chúng ta thường nghĩ rằng các tế bào procaryot, tức vi khuẩn, là nhỏ hơn các vi sinh vật eucaryot (ví dụ nấm men tảo). Chúng ta cũng đã biết rằng các tế bào procaryot sinh trưởng nhanh hơn nhiều so với hầu hết tế bào eucaryot và ở chúng không có những hệ thống vận chuyển phức tạp có dạng bọng hay túi như ở eucaryot (đọc thêm về tế bào eucaryot). Chúng ta cũng thừa nhận rằng chúng phải nhỏ bé, một phần bởi vì sự khuyếch tán chất dinh dưỡng vào tế bào là chậm, phần khác vì có như thế thì tỉ lệ diện tích bề mặt/ khối lượng mới cao.

Thế rồi, những quan niệm ấy bắt đầu lung lay, khi một vi sinh vật khổng lồ hình điếu xì gà, được phát hiện trong ruột của một loài cá ở Biển Đỏ (Acanthurus nigrofuscus): năm 1985, trong công bố của mình về phát triển nói trên, các tác giả Fishelson, Montgomery và Myrberg cho rằng đó là một sinh vật thuộc giới Protista. Sau đó vào năm 1993, bằng cách so sánh trình tự ARNr để nhận dạng vi sinh vật nói trên, mà ngày nay có tên gọi Epulopiscium fishelssoni, Esther Angert, Kendall Clemens và Norman Pace đã cho biết rằng vi sinh vật này là một procaryot có quan hệ với chi vi khuẩn gram dương Clostridium.

Khi ấy người ta thấy bất ngờ về kích thước của E.fishelsoni (từ chữ Latin epulum - bữa tiệc, và piscium - cá): 80 x 60μm, thông thường dài 200 đến 500μm (hình b). Như vậy vi khuẩn này có khối lượng gấp một triệu lần so với Escherrichia coli! Mặc dầu kích thước khổng lồ như vậy, nó vẫn có cấu trúc tế bào kiểu procaryot. Nó di động với tốc độ khoảng hai lần chiều dài cơ thể/ 1 giây (khoảng 2,4cm/phút) nhờ cá tiên mao kiểu vi khuẩn phủ khắp bề mặt tế bào. Khối sinh chất của nó chứa các nucleoit lớn và nhiều ribosom như ở một tế bào lớn phải có. Epulopiscium dường như đã vượt quá giới hạn về kích thước do sự khuếch tán quy định, nhờ có một lớp ngoài là màng tế bào được cuộn chặt. Điều đó làm tăng bề mặt tế bào và do đó làm tăng cường sự vận chuyển chất dinh dưỡng.

Epulopiscium có lẽ được lan truyền giữa các vật chủ của nó thông qua sự nhiễm phân cá và thức ăn của cá. Vi khuẩn này có thể bị loại trừ bằng cách làm cho con cá vật chủ bị đói trong thời gian vài ngày. Nếu những con cá con chưa bị nhiễm. Đáng chú ý là điều này không xảy ra ở các con cá trưởng thành.

Tuy vậy vi khuẩn nói trên vẫn chưa phải là to nhất, nó mới chỉ bằng 1% so với vi khuẩn Thiomargarita namibiensis được Heidi Schulz tìm thấy trong tầng lắng đọng của biển ở vùng bờ biển Namibia vào năm 1997. Vi khuẩn này có hình cầu, đường kính từ 100μm đến 750μm, thường tạo thành các chuỗi tế bào, trong các bao nhầy. Một không bào chiếm tới khoảng 98% tế bào và chứa chất lỏng giàu nitrat; bao quanh không bào này là một lớp chất nguyên dầy 0,5 μm – 2,0μm chưa đầy các hạt lưu huỳnh. Lớp chất nguyên sinh này có độ dầy đúng như các hầu hết vi khuẩn và đủ mỏng cho các tốc độ khuyếch tán vẫn diễn ra ở vi khuẩn. Nitrat được dùng làm chất nhận điện tử đối với quá trình oxy hoá lưu huỳnh và sản sinh năng lượng.

Như vậy, với sự phát hiện ra hai procaryot khổng lồ nói trên thì quan niệm phân biệt procarryot với eucaryot dựa theo kích thước tế bào đã không còn đứng vững. Những proaryot vừa nhắc đến là lớn hơn nhiều so với một tế bào eucaryot bình thường. Ngoài ra, một số tế bào eucaryot được “phát hiện lại” rằng chúng có kích thước nhỏ hơn so với người ta thường vẫn tưởng. Ví dụ điển hình là Nanochlorum eukaryotum, có đường kính chỉ 1- 2 μm. Hiện nay nó được xác định rằng đó là eucaryot thực sự, với một nucleus, một cloroplasst và một ty thể. Sự hiểu biết của chúng ta về những nhân tố giới hạn kích thước tế bào procarryot cần phải được xem xét lại. Quan niệm rằng các tế bào lớn là tế bào eucaryot và nhỏ là procaryot không thể đứng vững được nữa.

Câu hỏi:

1. Sự khác nhau căn bản giữa tế bào procaryot và tế bào eucaryot là gì?
2. Những sự khác nhau giữa chúng?
3. Sự phát triển ra những vi khuẩn lớn hơn tế bào eucaryot bình thường, và những tế bào eucaryot nhỏ 1 – 2 μm đường kính, nói lên điều gì?
4. Các tế bào Các tế bào procaryot có thể có những hình dạng đặc trưng nào, kích thước của chúng ra sao.
5. Chúng có thể tụ tập với nhau theo những cách nào?
6. Vẽ sơ đồ một tế bào vi khuẩn và ghi chú những cấu trúc quan trọng của nó.

Đại cương

Mọi cơ thể sống đều nhất thiết phải có các màng. Các tế bào phải tương tác theo một cách nào đấy với môi trường của chúng, đó có thể là môi trường bên trong của các cơ thể đa bào, hoặc môi trường bên ngoài thay đổi nhiều hơn và nhiều rủi ro hơn. Các tế bào không những phải có khả năng thu nạp chất dinh dưỡng và loại bỏ chất thải, mà còn phải duy trì mọi thành phần nội bào ở trạng thái ổn định và có tổ chức cao để tôn tại trước những thay đổi ở bên ngoài. Màng sinh chất (plasma membrane) bao bọc chất nguyên sinh, ở cả tế bào procaryot và tế bào eucaryot. Tế bào tiếp xúc với môi trường chủ yếu tại đây và như vậy màng này chịu trách nhiệm về nhiều mối quan hệ với thế giới bên ngoài. Để hiểu chức năng của màng thì cần phải biết cấu trúc của nó, nhất là cấu trúc của màng sinh chất.

Màng sinh chất

Trong các màng bao giờ cũng có nhiều loại protein và nhiều loại lipit, với tỷ lệ rất khác nhau giữa các loài. Nếu so với các màng ở eucaryot thì màng sinh chất của vi khuẩn thường chứa nhiều protein hơn, có lẽ vì chúng thực hiện nhiều chức năng mà màng các cơ quan tử của tế bào eucaryot thực hiện.

Hầu hết các lipit nào liên kết vớimàng thì có cấu trúc bất đối xứng, với một đầu phân cực và một đầu không phân cực (hình 8) và được gọi là lưỡng cực. Các đầu phân cực thì tương tác với nước (ưa nước, hydrophilic); các đầu không phân ực (kỵ nước, hydrophobic) thì không tan trong nước và có xu thế kết hợp với một đầu kỵ nước khác. Đặc tính này của các lipit làm cho chúng có khả năng tạo thành một loép kép ở trong các màng. Các bề mặt ngoài có tính ưa nước, còn các đầu kị nước thì được giấu vào bên trong, cách ly với nước ở xung quanh. Trong số các lipit lưỡng cực như vậy có rất nhiều phospholipit (hình 8).

Thành phần lipit của các màng vi khuẩn thay đổi theo nhiệt độ duy trì được trang thái lỏng của mình trong quá trình sinh trưởng. Ví dụ, những vi khuẩn sinh trưởng ở các nhiệt độ thấp thì phải chứa các axit béo có điểm nóng chảy thấp trong photpholipit ở màng của chúng.

Các màng của vi khuẩn thường khác với các màng của eucaryot ở chỗ chúng không chứa các sterol, như cholesterol chẳng hạn (hình 9a). Tuy nhiên, nhiều loại màng của vi khuẩn chứa các phân tử với các cấu trúc giống sterol nhưng có 5 vòng, được gọi là các hopanoit (hình 9b) và trong các hệ sinh thái thì có một lượng khổng lồ các chất này. Các tính toán cho biết rằng tổng lượng các hopanoit trong các tầng lắng đọng ở mọi thuỷ vực là khoảng 10^11-12 tấn, xấp xỉ tổng lượng cacbon hữu cơ trong tất cả các cơ thể sống (10¹² tấn). Có bằng chứng cho thấy rằng các hopanoit đã góp phần đáng kể vào sự hình thành dầu mỏ. Các hopanoit được tổng hợp từ cùng những tiền chất của các steroit. Giống như các steroit ở eucaryot, các hopaniot có lẽ làm ổn định màng vi khuẩn – các lipit của màng dược sắp xếp thành hai lớp phân tử có các đầu kị nước đối diện nhau (hình 10)

So với các màng của eucaryot thì các màng của procaryot có hai lớp lipit tương đối đồng đều nhau. Ở eucaryot các lipit ở lớp đơn phía ngoài khác với các lớp đơn phía trong. Mặc dù hầu hết các lipit trong các lớp đơn hỗn hợp nhau một cách tự do, nhưng vẫn có những tiểu vùng khác nhau về thành phần lipit và protein. Ví dụ có những mảng lipit nào đó giàu cholesterol và có những lipit chứa nhiều axit béo bão hoà, như một số sphingolipit chẳng hạn. Các mảng lipit trùm ngang lớp lipit kép của màng và các lipit trong các lớp đơn liền kề tương tác với chúng. Những mảng lipit này có lẽ tham gia vào rất nhiều quá trình của tế bào, chẳng hạn sự di động, sự truyền tín hiệu. Các mảng này cũng có thể liên quan đến sự xâm nhập và sự lắp ghép của một số virut.

Đặc biệt, các màng của nhiều vi khuẩn cổ khác với màng vi khuẩn thật ở chỗ có lớp đơn chứa các phân tử lipit chiếm hầu như toàn bộ bề dày của màng, thay vì lớp kép.

Các màng tế bào là những cấu trúc rất mỏng, chỉ dày khoảng 5-10mm và chỉ có thể được nhièn thấy dưới kính hiển vi điện tử. Bằng các kỹ thuật hiện đại, người ta thấy rằng nhiều loại màng, trong đó có màng sinh chất, có cấu tạo bên trong phức tạp. Những hạt hình cầu nhỏ nhìn thấy trong các màng này có lẽ là những protein của màng, chúng nằm ở giữa lớp lipit kép của màng (hình 11).

Mô hình cấu trúc màng được thừa nhận rộng rãi nhất là mô hình khảm lỏng của S.Jonathan Singer và Garth Nicholson (hình 10). Theo mô hình này thì có hai loại protein của màng. Các protein phụ thì gắn lỏng lẻo với màng và có thể dễ dàng bị loại bỏ. Chúng tan trong các dung dịch nước và chiếm 20 – 30% tổng lượng protein của màng. Phần còn lại, 70-80%, là các protein thiết yếu của màng. Chúng không dễ dàng được tách chiết khấu và không tan trong các dung dịch nước.

Các protein thiết yếu, giống như các lipit của màng, có tính lưỡng cực: những vùng kị nước của chúng được vùi vào trong lớp lipit kép, còn những phần ưa nước thì nhô ra khỏi mặt bề mặt của màng (hình 10). Một số protein này thậm chí rất lớn, nằm xuyên qua toàn bộ bề dày của lớp lipit kép. Các protein thiết yếu có thể dịch chuyển một chút so với bề mặt màng nhưng không thể quay lộn đầu đuôi hoặc xoay quanh trục của nó, ở trong lớp lipit.

Ở bề mặt ngoài của các protein trong màng sinh chất cũng thường có những cacbohydrat đính vào và có lẽ chúng có những chức năng quan trọng nào đó.

Hình ảnh trên đây là về màng tế bào biểu thị một hệ thống bất đối xứng và có tổ chức cao, cũng như có tính linh động và năng động. Các màng tế bào có cấu trúc và chức năng rất khác nhau. Những sai khác này là lớn và có tính đặc trưng đến mức các đặc điểm của màng có thể được dùng như những đặc điểm về nhận biết vi khuẩn.

Màng sinh chất của các tế bào procaryot phải hoàn thành hàng loạt chức năng như:

• Duy trì khối sinh chất, nhất là ở những tế bào không có thành, và ngăn cách nó với xung quanh.
• Hoạt động như một hàng rào thấm chọn lọc, nghĩa là chỉ cho phép các ion và phân tử nào đó đi qua (vào và ra khỏi tế bào). Như vậy nó tránh sự thất thoát các hợp phần quan trọng của tế bào do sự rò rỉ.
• Tang cường sự vận chuyển một số chất những chất không thể tự vận chuyển xuyên qua màng. Các hệ thống vận chuyển tích cực này ở trong màng thực hiện sự hấp thụ chất dinh dưỡng, sự loại bỏ các chất thải, sự tiếp các protein.
• Tại màng diễn ra nhiều quá trình trao đổi chất quan trọng như: hô hấp, quang hợp, tổng hợp các lipit và các hợp phần của thành tế bào và có lẽ cả một số quy trình liên quan đến nhiễm sắc thể.
• Chứa những phân tử tiếp nhận đặc biệt, giúp tế bào phát triển và các hoá chất của môi trường xung quanh để có đáp ứng phù hợp.

Rõ ràng, màng sinh chất là một bộ phận thiết yếu của vi sinh vật.

Để hiểu thêm về màng, có thể đọc thêm các chuyên đề thẩm thấu, sự vận chuyển các chất qua màng.

Đại cương

Chất nguyên sinh của tế bào procaryot khá với các tế bào eucaryot ở chỗ không chứa cac cơ quan tử gắn với màng tế bào.

Khối chất nguyên sinh (cytoplasmic matrix) là khối chất nằm giữa màng sinh chất và nucleoit; nó chứa nhiều nước (70% khối lượng).

Qua kính hiển vi điện tử, thường thấy chất nguyên sinh chứa các ribosom (ribosomes) và có tổ chức cao (hình 14). Các protein đặc biệt được sắp xếp ở những vị trí đặc biệt, ví dụ ở cực của tế bào và tại nơi mà tế bào sẽ phân chia. Như vậy, mặc dù vi khuẩn có thể không có bộ khung tế bào thực sự, nhưng chúng có một hệ thống tương tự như thế, có bản chất protein, nằm trong khối chất nguyên sinh và nhờ thế mà tế bào có hình dạng nhất định.

Màng sinh chất và mọi cấu trúc được bao bọc trong nó hợp thành cái gọi là thể nguyên sinh (protoplast); như vậy khối chất nguyên sinh chính là phần chủ yếu của protoplast.

Các thể ẩn nhập (Inclusion Bodies)

Đó là những hạt chất hữu cơ hoặc vô cơ có mặt trong khối chất nguyên sinh, thường được nhìn thấy rõ dưới kính hiển vi quang học.

Những hạt này thường được tế bào dùng như những kho dự trữ chất dinh dưỡng hưu cơ, vô cơ và dự trữ năng lượng, và cũng làm giảm áp suất thẩm thấu trong tế bào bằng cách liên kết các phân tử thành dạng hạt.

Một số loại hạt ẩn nhập không có màng bao bọc mà nằm tự do trong bào chất, đó là:

• Các hạt polyphotphat (polyphosphate).
• Các hạt xyanophyxin (cyanophycin).
• Một số hạt glycogen (glycogen).

Một số loại hạt ẩn nhập khác thì có màng bao quanh, màng này dầy khoảng 2-4mm, là màng đơn và không phải là màng kép đỉnh hình. Các ví dụ là:

• Các hạt poly-β-hydroxybutyrat (hydroxybutyrate).
• Một số hạt glycogen.
• Một số hạt lưu huỳnh
• Những cacboxysom (carboxysomes).
• Các không bào khí.

Màng của các thể ẩn nhập có thành phần hoá học khác nhau: một số có bản chất protein, một số khác chứa lipit.

Như trên đã nói, các thể ẩn nhập được dùng để dự trữ dinh dưỡng và năng lượng, nên số lượng của chúng thay đổi theo trạng thái dinh dưỡng của tế bào. Ví dụ các hạt polyphotphat sẽ cạn kiệt nếu tế bào sống ở các môi trường nước ngọt vốn nghèo photphat.

Dưới đây đề cập tóm tắt một số thể ẩn nhập quan trọng.

• Các hạt glycogen và các hạt poly-β-hydroxybutyrat (PHB) là những nguồn dự trữ cacbon để tế bào sinh ra năng lượng và thực hiện sinh tổng hợp. Nhiều vi khuẩn cũng dự trữ cacbon dưới dạng các giọt mỡ.
• Glycogen là một polyme (polymer) của các đơn vị glucozơ, đó là những chuỗi dài được tạo thành bởi các liên kết α (1->6) glycosit (hình 15).

Poly-β-hydroxybutyrat (PHB) gồm những phân tử hydroxybutyrat nối với nhau bằng các cầu nối este giữa các nhóm cacboxyl của các phân tử liền kề.

Thông thường thì mỗi loài vi khuẩn chỉ chứa một trong hai loại polyme nói trên, nhưng các vi khuẩn quang dưỡng thì chứa cả hai.

Các hạt poly-β-hydroxybutyrat có kính 0,2 – 0,7μm dễ nhận biết, được nhuộm màu bằng thuốc nhuộm Sudan đen để quan sát dưới kính hiển vi quang học, chúng cũng dễ nhìn thấy dưới kính hiển vi điện tử (hình 16).

So với PHB, glycogen được bố tản mát hơn trong khối chất nguyên sinh, dưới dạng các hạt nhỏ các đường kính 20 – 100mm và thường chỉ được nhìn thấy qua kính hiển vi điện tử. Nếu các tế bào chứa nhiều glycogen thì phép nhuộm bằng dung dịch iodin sẽ làm cho chúng bắt màu nâu - đỏ.

- Các hạt xyanophyxin là dự trữ nitơ ở vi khuẩn lam (hình 18a) được cấu tạo từ các polypeptit lớn chứa những lượng gần bằng nhau của arginin và axit aspartic. Các hạt này thường đủ lớn để nhìn thấy qua kính hiển vi quang học.

- Cacboxysom là những hạt dự trữ về enzym ribulozơ 1,5 – biphotphat cacboxylazơ (ribulose –1,5 – biphosphat carboxylase) và có thể là một vị trí của sự cố định CO₂. Chúng có mặt ở nhiều vi khuẩn lam, nhiều vi khuẩn nitrat hoá, và nhiều Thiobacillus. Các hạt này là những khối đa diện có đường kính khoảng 100m.

- Các không bào khí, một loại thể ẩn nhập hữu cơ đáng chú ý nhất, có vai trò của những phao – làm cho tế bào nổi hẳn lên bề mặt hoặc ở gần bề mặt môi trường nước. Các không bào này có mặt ở nhiều vi khuẩn lam, vi khuẩn quang hợp màu tía và màu lục và ở một số vi khuẩn ở nước khác – như Halobacterium và Thiothrix.

Vai trò trên đây của các không bào khí được minh hoạ sinh động qua một thự nghiệm đơn giản mà ẩn tượng sau đây. Các vi khuẩn lam trong một chai nước đầy và nút chặt vẫn có thể nổi, nhưng nếu đập vỡ nút chai bằng búa chẳng hạn thì chúng chìm ngay xuống đáy. Việc kiểm tra các vi khuẩn trước và sau thí nghiệm này cho thấy rằng sự tăng áp suất đột ngột đã làm vỡ các không bào khí, cũng tức là làm vỡ các “phao” của chúng.

Các không bào khí là một cấu trúc gồm nhiều cấu trúc nhỏ, hình trụ rỗng được gọi là các bóng khí (hình 17). Các thành của các bóng khí chứa lipit và chỉ bao gồm một protein nhỏ duy nhất. Các dưới đơn vị của protein này được xếp với nhau để tạo thành một hình trụ kín, cứng, rỗng và không thấm nước, nhưng các khí của không khí đi qua. Những vi khuản có không bào khí có thể tự nổi ở độ sâu cần thiết – phù hợp với cường độ ánh sáng, nồng độ oxy và nồng độ chất dinh dưỡng. Chúng tự chìm xuống bằng cách đơn giản làm vỡ các bóng khí, còn muốn nổi lên thì cần phải tạo thành các bóng khí mới.

Các thể ẩn nhập vô cơ bao gồm:

- Các hạt polyphotphat hoặc các hạt volutin (hình 18a), là những dự trữ photphat hoặc dự trữ năng lượng của nhiều vi khuẩn.

Polyphotphat là một polyme không phân nhánh của các ortophotphat liên kết với nhau bằng các cầu nối este. Như vậy các hạt volutin là những dự trữ photphat - một hợp phần quan trọng của các cấu trúc tế bào như các axit nucleic chẳng hạn. Ở một số vi khuẩn, các hạt volutin còn là dự trữ năng lượng.

Các hạt volutin đôi khi còn có tên là các hạt đổi màu (metachromatic granules): chúng có màu đỏ hay các màu xanh khác nhau tuỳ theo được nhuộm bằng xanh metylen hay bằng xanh toluidin, theo thứ tự.

- Các hạt lưu huỳnh, là kho dự trữ lưu huỳnh tạm thừi là một số vi khuẩn (hình 18b). Ví dụ, vi khuẩn quang hợp màu tía có thể sử sunfua hydro (hydrogen sulfide) làm chất cho điện tử trong quá trình quang hợp và tích luỹ lưu huỳnh sinh ra, trong khoang chu chất hoặc trong những giọt nhỏ đặc biệt của sinh chất.

- Thể từ tính (magetosome), là một loại thể ẩn nhập không có chức năng dự trữ mà là để tự định hướng trong những vùng có từ tính của trái đất. Thể này chỉ có ở một số ít vi khuẩn (Đọc chuyên mục Bạn có biết? Bạn nghĩ gì?, bài Các nam châm sống). Trong các thể này có chứa sắc ở dạng quặng sắt từ.

Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? CÁC NAM CHÂM SỐNG

Các vi khuẩn không những có thể đáp ứng với các nhân tố hoá học của môi trường, như chúng ta đã biết, mà còn đáp ứng với các nhân tố khác nữa. Một ví dụ hấp dẫn các vi khuẩn nước có đáp ứng với từ tính (aquatic magnetotactic bacteria), chúng có khả năng tự định hướng trong vùng có từ trường của trái đất. Hầu hết những vi khuẩn này có chứa những chuỗi nội bào của các hạt có từ tính (Fe₃O₄) hay còn gọi là các thể từ tính (magnetosomes), với đường kính khoảng 40 – 100mm (hình 19a,b); những vi khuẩn này cũng thường được bao bọc bởi một màng ngoài (hình 19a).

Một số loài khác, sống trong môi trường có lưu huỳnh, thì có các thể từ tính có bản chất là greigit (greigite, Fe₃S₄) và pyrit (pyrite, FeS₂).

Vì rằng mỗi hạt quặng sắt nói trên là một nam châm nhỏ xíu nên trên các vi khuẩn ở bắc bán cầu thì dùng chuỗi thể từ tính của mình để xác định hướng bắc và hướng đáy của thuỷ vực, để bơi xuống sâu tới tầng lắng đọng giàu dinh dưỡng hoặc tự định vị ở độ sâu tối ưu trong các môi trường nước ngọt và nước biển. Các vi khuẩn có đáp ứng từ tính ở nam bán cầu nói chung cũng xác định nam và hướng dấy theo cách như vậy.

Điều thú vị là các thể từ tính cũng có mặt ở não của chim, cá ngừ California, cá heo, rùa xanh và động vật khác, có lẽ giúp vào chuyển động bay hơi của chúng. Như vậy, động vật cũng có nhiều tập tính giống với của vi khuẩn và những sự giống nhau này là nhiều hơn những gì chúng tưởng tượng trước đậy.

Các ribosom (Ribosomes)

Đó là những cơ quan tử làm nhiệm vụ tổng hợp protein. Chính tại đây thông tin vốn được mã hoá trong ARN thông tin (mRNA) được dịch mã thành protein.

Dưới kính hiển vi điện tử có độ phóng đại thấp, các ribosom gắn lỏng lẻo với màng sinh chất. Các ribosom nằm trong khối chất nguyên sinh thì tổng hợp các protein được giữ trong tế bào, còn các ribosom gắn với màng chất thì tổng hơp các protein để được đưa ra bên ngoài tế bào.

Chuỗi polypetit mới được tạo thành thì cuốn (= gấp) khúc lại để có hình dạng cuối cùng của nó ngay khi được tổng hợp tại ribosom, hoạc không lâu sau khi được tổng hợp xong. Hình dạng của mỗi protein phụ thuộc vào trìh tự các axit amin của nó. Có những protein đặc biệt được gọi là chất “chăm sóc” (chaperones), làm nhiệm vụ trợ giúp chuỗi polytein đặc biệt được gọi là chất “chăm sóc” (chaperones), làm nhiệm vụ trợ giúp chuỗi polypeptit trong quá trình cuốn khúc để tạo thành các cấu hình riêng của mình. Sự tổng hợp protein, bao gồm rất nhiều hoạt động của các ribosom và các chaperon thì vượt quá khuôn khổ của mục này nên không được đề cập ở đây.

Cần lưu ý rằng các ribosom của tế bào pocaryot thì nhỏ hơn của tế bào eucaryot. Chúng thường được gọi là các ribosom 70S, có kích thước 14-15x20mm, có trọng lượng phân tử khoảng 2,7 triệu và được hợp thành bởi một tiểu phần 50S và một tiểu phần 30S. Chữ S trong các con số nói trên biểu thị đơn vị Svedberg. Đó là đơn vị của hệ số lắng, một đơn vị đo tốc độ lắng trong ly tâm; một hạt càng di chuyển nhanh khi bị ly tâm thì giá trị Svedberg của nó hay hệ số lắng của nó càng lớn. Hệ số lắng là một hàm số của trọng lượng phân tử của hạt, hàm số của khối lượng hạt ấy. Các hạt càng nặng và càng rắn chắc thì thường có trị số Svedberg lớn hơn và lắng nhanh hơn. Các ribosom trong khối chất nguyên sinh của tế bào eucaryot là những ribosom 80S với đường kính khoảng 22nm. Mặc dù khác nhau về kích thước, cả ribosom của tế bào procaryot cũng như eucaryot đều được cấu thành bởi một dưới đơn vị lớn và một dưới đơn vị nhỏ.

Câu hỏi:

1. Mô tả vắn tắt bản chất và chức năng của khối chất nguyên sinh.
2. Hỏi tương tự cho ribosom.
3. Protoplast là gì?
4. Các tế bào procaryot có những loại thể ẩn nhập nào, chức năng của chúng là gì?
5. Không bào khí là gì, liên hệ giữa cấu trúc và chức năng của nó?

Đại cương

Thành tế bào là một lớ vừa tương đối cứng, vừa mềm dẻo, co dãn, nằm ngay bên ngoài màng tế bào, mà bộ khung của nó là peptidoglycan hay còn gọi là murein. Mọi vi khuẩn đều có thành tế bào, trừ Mycoplasma và một số vi khuẩn cổ (archae bacteria).

Nhờ có thành tế bào mà vi khuẩn có hình dạng cố định, có độ cứng, không bị tan do áp suất thẩm thấu, không bị tác động của nhiều chất độc. Nhiều vi khuẩn gây bệnh có được tính gây bệnh là nhờ những hợp phần nào đó trong thành tế bào. Tuy nhiên thành tế bào cũng là đích tấn công của một số chất kháng sinh, như penexilin chẳng hạn.

Như đã đề cập ở một đoạn trên đây, Mycoplasma là một ngoại lệ, chúng không có thành tế bào (vì không tổng hợp được tiền chất peptidoglycan). Chính vì vậy chúng không bị hề hấn gì với penexilin nhưng rất dễ bị tan do sốc thẩm thấu và do tá động của các chất tẩy rửa. Ngoài ra, cũng do không có thành tế bào, những vi khuẩn này có tính đa hình: chúng có thể có hình cầu hoặc hình quả lê với đường kính 0,3 – 0,8μm, nhưng cũng có thể có hình sợi phân nhánh hoặc hình xoắn (hình 23). Một số Mycoplasma, như M.genitalium chẳng hạn, có một cấu trúc tận cùng đặc biệt, nhô ra từ tế bào và khiến cho tế bào có hình chai hình quả lê. Cấu trúc này giúp nó bám vào các tế bào eucaryot.

Về phần các vi khuẩn cổ, thành của chúng khác hẳn thành của các procaryot còn lai về cấu trúc là thành phần hoá học, chủ yếu là do không chứa peptidoglycan mà thay vào đó là các protein, các glycoprotein, hoặc các polysaccarit.

Trở lại với thành tế bào của hầu hết các vi khuẩn. Do sự khác nhau về thành tế bào, các vi khuẩn được chia thành hai nhóm chính dựa theo kết quả của phép nhuộm Gram, do Chiristian Gram đưa ra từ năm 1884: Các vi khuẩn bắt màu tím được gọi là vi khuẩn gra, dương, còn những vi khuẩn bắt màu hòng hoặc do là gram âm. Sự khác nhau thật sự về cấu trúc giữa hai nhóm vi khuẩn này được sáng tỏ nhờ kính hiển vi điện tử truyền qua:

- Thành tế bào vi khuẩn gram dương là một lớp peptidoglycan (tức murein) duy nhất dầy 20 – 80nm, có tính đồng nhất, nằm phía ngoài màng sinh chất (hình 24).

- Trong khi đó, thành tế bào gram âm là rất phức tạp. Nó là một lớp peptidoglycan dầy 2-7nm mà phía ngoài nó còn một màng ngoài dày 7-8nm. Khoảng không gian giữa màng sinh chất và màng ngoài được gọi là khoang chu chất (periplassmic space).

Đôi khi ở vi khuẩn gram dương cũng thấy có một khoảng trống tương tự nhưng nhỏ hơn, nằm giữa màng sinh chất và thành tế bào và cũng được gọi là khoang chứa chất.

Tất cả các cấu trúc bên ngoài màng sinh chất thường được gọi là vỏ hay vỏ tế bào (cell envelope).

Gần đây có những bằng chứng cho thấy khoang chu chất có thể chứa đầy một mạng lưới lỏng lẻo của peptidoglycan. Có thể khoang đó là một khoang chứa đầy gel hơn là chứa chất lỏng. Vật chất của khoang chu chất được gọi là chu chất (periplasm). Các tế bào gram dương, nếu không có một khoang chu chất rõ ràng và riêng biệt thì vẫn có thể chứa chu chất.

Kích thước khoang chu chất của vi khuẩn gram âm là từ 1 đến 71nm. Theo các nghiên cứu mới đây thì khoang này có thể chiếm tới 20 – 40% tổng khối lượng tế bào (30 – 70nm), nhưng cần có thêm nhiều nghiên cứu để đưa ra con số chính xác.

Nếu phá vỡ hoặc loại bỏ cẩn thận thành tế bào mà không làm hư hại màng sinh chất nằm bên dưới nó thì có thể thu được các enzym và các protein khác của chu chất.

Nếu phá vỡ hoặc loại bỏ cẩn thận thành tế bào mà không làm hư hại màng sinh chất nằm bên dưới nó thì có thể thu được cá enzym và các protein khác của chu chất.

Khoang chu chất của vi khuẩn gram âm chứa:

• Các protein thuỷ phân, tấn công các axit nucleic và các phân tử photphoryl hoá.
• Các protein liên kết, tham gia vận chuyển vật chất tế bào.
• Các protein vận chuyển điện tử (ở vi khuẩn phản nitrat hoá và vi khuẩn hoá thu dưỡng vô cơ).
• Các enzym tham gia tổng hợp peptidoglycan.
• Các enzym làm cải biến các chất độc có hại cho tế bào.

Về phần các vi khuẩn gram dương, như đã đề cập, chúng không có khoang chu chất rõ ràng và có lẽ không có nhiều loại protein của chu chất. Bù lại, chúng tiết ra những enzym tương ứng với các enzym của chu chất ở vi khuẩn gram âm. Những enzym được tiết ra bên ngoài tế bào này được gọi là các enzym ngoại bào (exoenzymes). Một số enzym khác được giữ lại trong chu chất và gắn vào màng sinh chất.

Sau đây chúng ta đề cập chi tiết hơn về cấu trúc của peptidoglycan - bộ khung của thành tế bào vi khuẩn, về cấu trúc của thành tế bào gram dương và gram âm.

Cấu trúc của peptigoglycan

Bộ khung của thành tế bào procaryot là peptidogycan. Peptidoglycan (tức murein) là một polyme khổng lồ gồm ba loại đơn vị cấu trúc.

- Hai dẫn xuất từ đường là:

• N-axetylglucassamin (NAG)
• Axit N-axetylmuramic (lactyl ete của N-axetylglucassamin) (NAM)

- Hai dẫn xuất từ đường này xen kẽ nhau thành chuỗi (-NAG-NAM-NAG-NAM-…)

• Tetrapeptit của bốn loại axit amin khác nhau, ba trong số đó không có mặt trong các protein: axit D-glutamic, axit meso – diaminopimelic và D- alanin; axit amin còn lại là L-alanin. Sự có mặt của các D- axit amin có tác dụng chống sự tấn công của các peptidse.

Các đơn vị cấu trúc của peptidoglycan ở hầu hết các vi khuẩn gram âm và nhiều vi khuẩn gram dương được trình bày ở trên hình 25. Phần chính của polyme nàylà những chuỗi trong đó các gốc N- axetylglucosamin và axit N-axetylmurramic xen kẽ nhau. Mỗi chuỗi tetrapeptit (của 4 axit amin thuộc 4 loại kể trên) nối vào nhóm cacboxyl của axit N-axetylmurramic. Ở nhiều vi khuẩn thì tại vị trí thứ ba trong chuỗi ấy không phải là axit meso – diaminopimelic mà là một axit diamin khác, thường là L- lisin (hình 26).

Peptidoglycan như thế này là đặc trưng cho Escherichia coli, cho hầu hết vi khuẩn gram âm và nhiều vi khuẩn gram dương. NAG là N-axetylglucossamin, NAM là Axit N-axetylmurramic (NAG có axit lactic được nối vào bằng liên kết ete). Chuỗi bên tetrapeptit gồm các axit D- alanin và L-amin xen kẽ nhau, axit meso- diaminopimelic được liên kết thông qua L-cacbon của nó.

Các phần của peptiglycan gồm ba loại đơn vị cấu trúc nói trên thì được nối với nhau qua các liên kết ngang giữa các peptit. Thường thì nhóm cacboxyl của D-alamin ở tận cùng của một chuỗi peptit của polysaccarit này dược kết nối trực tiếp với nhóm amin của axit diaminopimelic thuộc chuỗi peptit của polysaccarit khác, nhưng liên kết này cũng có thể được thay bằng một cầu nối peptit (hình 27). Hầu hết peptidoglycan của thành tế bào gram âm không có cầu nối peptit.

Nhờ các liên kết ngang giữa các peptit thuộc các polysaccarit khác nhau mà cái túi peptidoglycan trở nên khổng lồ và có dạng mạng lưới dày đặc (hình 28). Những túi này được tách riêng ra từ các vi khuẩn gram dương và chắc chắn đến mức giữ được hình dạng và tính toàn vẹn của chúng (hình 29), mà vẫn mềm dẻo và co dãn, không giống như xenlulozơ. Chúng cũng phải có các lỗ nhỏ để cho các phân tử khí có thể chui qua.

Thành tế bào vi khuẩn gram dương

Thông thường thì thành tế bào vi khuẩn gram dương là dầy, thống nhất, cấu tạo chủ yếu bằng peptidoglycan chứa các cầu peptit (hình 29 và 30). Tuy nhiên thành tế bào gram dương cũng thường chứa một lượng lơn các axit teichoic, đó là những polyme của glyxerol hoặc ribitol trong đó các monome được liên kết với nhau nhờ các gốc photphat (hình 30 và 31). Các axit amin như D-alamin hoặc ác đường như glucozơ được gắn vào các nhóm glyerol và ribitol. Các axit teichoic được nối vào chính peptidoglycan nhờ liên kết cộng hoà trị với nhóm hydroxyl của axit N-axetylmuramic hoặc nối vào các lipit màng sinh chất; trong trường hợp sau, chúng được gọi là các axit lipoteichoic. Các axit teichoic thường nhỏ lên bề mặt của peptidotglycan và vì chúng mang diện tích âm, nên cũng làm cho thành tế bào gram dương mang điện tích âm.

Chức năng của axit teichoic còn chưa được biết rõ, nhưng có lẽ chsung rất cần thiết cho việc duy trì cấu trúc của thành tế bào. Các axit teichoic không có mặt ở vi khuẩn gram âm.

Các vi khuẩn Staphylococus và hầu hết vi khuẩn gram dương có một lớp gồm các protein ở bề mặt của peptidoglycan của thành tế bào. Những protein này tham gia vào tương tác giữa tế bào và môi trường. Một số protein được liên kết không cộng hoá trị bằng cách gắn với peptidoglycan, với các axit teichoic, hoặc với các thụ thể khác. Ví dụ, các protein của lớp S liên kết không cộng hoá trị với các polyme nằm rải rác khắp trong thành tế bào.

Các enzym tham gia tổng hợp mới và thay thế peptidoglycan có lẽ cũng tương tác không cộng hoá trị với thành tế bào.

Các protein khác thì liên kết cộng hoá trị với peptidoglycan. Nhiều protein liên kết cộng hoá trị của các vi khuẩn gram dương gây bệnh có những vai trò như:

• Tăng cường sự bám vào mô chủ
• Ngăn cản sự opsonin hoá, và
• Phong toả sự thực bào.

Ở các Staphylococcus, những protein ở bề mặt này được liên kết cộng hoá trị với cầu pentaglyxin của peptidoglycan. Một enzym có tên là sortazơ có nhiệm vụ xúc tác sự gắn của các protein bề mặt vào peptidoglycan của vi khuẩn gram dương. Các sortazow được gắn vào màng sinh chất của tế bào vi khuẩn.

Thành tế bào vi khuẩn gram âm

Ở phần trên, qua hình 24 đã thấy ngay rằng các thành tế bào vi khuẩn gram âm là phức tạp hơn nhiều so với của vi khuẩn gram dương. Tầng peptidoglycan mỏng kề ngày phía ngoài màng sinh chất có thể chỉ chiếm không quá 5-10% trọng lượng của thành tế bào. Ở E. coli, tầng peptidoglycan này dày khoảng 2nm và chỉ gồm 1-2 lớp.

Màng ngoài nằm phía tầng peptidoglycan mỏng (hình 32 và 33). Lớp protein có màng có lượng nhiều nhất có tên là Brau’s lipoprotein, đó là một lipoprotein nhỏ liên kết cộng hoá trị với tầng peptidoglycan nằm phía dưới nó và dầu kị nước của nó thì được vùi sâu vào màng ngoài. Màng ngoài và tầng peptidoglycan gắn với nhau nhờ lipoprotein này chặt đến mức chúng có thể cùng được tách khỏi tế bào như một hợp phần vậy.

Một cấu trúc khác có thể góp phần vào độ rắn chắc của thành tế bào vi khuẩn gram âm và giữ cho màng ngoài ở đúng vị trí của nó, là vùng dính nhau (adhesive site). Màng ngoài và màng sinh chất có lẽ trực tiếp dính vào nhau tại nhiều vùng trên thành tế bào gram âm. Ở những tế bào E. coli bị co nguyên sinh (plasmolyzed), có thể nhìn thấy những vùng tiếp xúc giữa hai màng này. Những vùng dính nhau ấy có thể là những vùng tại đó hai màng trực tiếp dính vào nhau hoặc có thể tại đó hai màng thực sự dung hợp với nhau. Người ta cho rằng các chất có thể đi vào tế bào qua những vùng dính nhau này chứ không đi xuyên qua chu chất.

Có lẽ các hợp phần khác thường nhất của màng ngoài là các lipopolysaccarit của nó (LPSs). Những phân tử lớn và phức tạp này chứa cả lipit cũng như cacbohydrat và gồm ba phần:

• Lipit A
• Phần cơ bản là polysaccarit, và
• Chuỗi bên O.

LPS từ Salmonella typhimurium đã được nghiên cứu kỹ, cấu trúc chung của nó được mô tả trên hình 34.

Cơ chế nhuộm Gram

Như chúng ta biết, hầu hết vi khuẩn đều thuộc một tỏng hai nhóm dựa theo kết quả bắt màu của chúng trong phép nhuộm Gram: các vi khuẩn gram dương bắt màu tím và các vi khuẩn gram âm bắt màu đỏ hoặc hồng, mặc dù chúng được nhuộm trong cùng một phép nhuộm. Mặc dầu đã có những giải thích khác nhau về hiện tượng này nhưng rất có thể chúng bắt màu khác nhau như vậy là do thành tế bào của chúng có bản chất vật lý khác nhau. Nếu tế bào gram dương bị lấy mất thành tế bào thì chúng trở thành gram âm. Bản thân peptidoglycan thì không bắt màu, mà nó chỉ có tác dụng ngăn cản không cho thuóc nhộm tím kết tinh thoát ra khỏi tế bào đã bị nhuộm. Theo quy trình nhuộm Gram thì đầu tiên vi khuẩn được nhuộm bằng tím kết tinh rồi được xử lý bằng iodin để tăng cường sự giữ thuốc nhuộm. Sau đó khi các vi khuẩn gram dương được tẩy màu bằng cồn etanol thì có thể cồn làm co thắt các lỗ của tầng peptidoglycan dầy. Như vậy phức hệ thuốc nhuộm – iodin được giữ lại trong giai đoạn tẩy màu ngắn ngủi và do vậy vi khuẩn gram dương giữ được màu tím. Trong khi đó, tầng peptidoglycan của vi khuẩn gram âm thì rất mỏng, không có nhiều liên kết ngang và có những lỗ to hơn. Ngoài ra, việc xử lý bằng cồn còn tách được lipit ra khỏi thành tế bào gram âm do đó làm cho thành này càng rỗng hơn. Vì những nguyên nhân vừa kể, cồn có tác dụng loại bỏ phức hệ tím kết tinh – iodin ra khỏi vi khuẩn gram âm.

Câu hỏi

1. Định nghĩa thành tế bào của các tế bào popcaryot?
2. Hãy nói rõ những trường hợp ngoại lệ về thành tế bào của các cơ thể procaryot.
3. Phân biệt tế bào gram âm và gram dương.
4. Mô tả peptidoglycan bằng lời và bằng sơ đồ.
5. Định nghĩa hoặc mô tả: khoang ngoài, khoang chu chất, chu chất, vỏ, axit teichoic, vùng dính nhau, lipopolysaccarit và protein tạo lỗ.
6. Giải thích vai trò của thành tế bào trong việc bảo vệ tế bào khỏi bị tan và hãy chỉ rõ vai trò ấy bằng thực nghiệm. Các protoplast và spheroplast là gì?

Đại cương

Trong phần 7 chúng ta đã biết rằng thành tế bào procaryot là một phức hợp chắc khoẻ và thường rất dày. Nhiều cấu trúc quan trọng ở mặt bên ngoài thành tế bào, như sẽ được thảo luận trong phần 9. Ngoài ra, các tế bào procaryot thường tiết ra hàng loạt protein, đưa chúng vào môi trường xung quanh. Như vậy, vi khuẩn và vi khuẩn cổ phải có khả năng vận chuyển các protein từ khối chất nguyên sinh xuyên qua cả màng sinh chất và thành tế bào.

Tuỳ theo hệ thống phân loại, có ít nhất năm hoặc sáu cách tiết protein khác nhau ở các tế bào procaryot. Trong phần này chúng ta sẽ mô tả vắn tắtt bốn cách tiết protein quan trọng nhất: kiểu phụ thuộc Sec, kiểu II, kiểu I hoặc kiểu ABC, và kiểu III.

Sự tiết protein theo kiểu phụ thuộc Sec

Kiểu phụ thuộc Sec, đôi khi còn được gọi là kiểu tiết chung (general secretion pathway, GSP), là kiểu phổ biến nhất và nhờ nó mà các protein được vận chuyển xuyên qua màng sinh chất. Protein sắp sửa được tiết, tức tiền protein (preprotein) có một peptit tín hiệu (signal peptide) ở axit amin tận cùng của nó, tức ở đầu tận cùng N. Peptit tín nhiện loại bỏ sự gấp khúc của phân tử protein sau khi nó được tổng hợp ở ribosom và được bộ máy Sec nhận biét một cách đặc hiệu. Khi các tiền protein này được tổng hợp ở ribosom thì các chaperon đính vào chúng. Các chaperon giữ các tiền protein không bị gấp khúc lại và giúp chúng đi tới bộ máy vận chuyển - tức translocon. Ở E.coli các chaperon được dùng nhiều nhất cho sự vận chuyển của SecB và hạt nhận biết tín hiệu (signal recognition particle, SRP). SecB có mặt ở các vi khuẩn gram âm, còn SRP thấy có mặt ở mọi procaryot. SecB gắn với hợp phần SecA của translocon và tiền protein được chuyển sang cho SecA. Trong những trường hợp khác, phức hợp SRP-tiền protein dịch chuyển tới một thể tiếp nhận SRP. Sau đó tiền protein được nhả ra nhờ sự thuỷ phân GTP và tiền protein liên kết với translocon, có lẽ là với SecA như trước. Có bằng chứng cho thấy rằng sự dịch chuyển của các protein có thể bắt đầu trước khi chúng được tổng hợp xong hoàn toàn ở các ribosom. Sau khi tiền protein đã gắn vào translocon thì nó được vận chuyển xuyên qua màng.

Translocon của vi khuẩn gồm một phức hợp protein màng được gọi là SecYEG (hình 36a). SecA có thể được tách rời, và các protein khác (SecD, SecF). SecYEG có lẽ giữ vai trò tạo nên một kênh xuyên qua màng để tiền protein đi qua. SecA nhận ra và liên kết với SecYEG, SecB và tiền protein. Nó hoạt động như một môtơ để dịch chuyển tiền protein xuyên qua màng bằng cách thuỷ phân ATP. Lực đẩy proton (prôtn motive force, PMF) thường làm tăng tốc độ dịch chuyển (đọc thêm PMF).

Vi khuẩn cổ thì không khỏi màng sinh chất thì peptit tín hiệu được loại bỏ nhờ một enzym có tiền chung là peptidaza tín hiệu. Sau khi protein gấp khúc để có cấu hình cần thiết, rồi các cầu nối disunfua được tạo thành, nếu cần thiết.

Một số protein được tổng hợp để trở thành những protein của màng sinh chất. Những lipoprotein này có lẽ có một peptidazơ tín hiệu riêng, khác với các protein khác, nhưng vẫn được vận chuyển tới cùng một translocon. Thay vì dịch chuyển ra ngoài tế bào, chúng vùi vào trong màng hoặc “thả neo” ở đó.

Sự tiết protein theo kiểu II

Theo kiểu II này, các protein sau khi đã dịch chuyển tới chu chất (thường là nhờ sự tiết theo kiểu phụ thuộc Sec) thì được tiết ra ngoài xuyên qua màng ngoài. Kiểu II thấy có ở nhiều vi khuẩn gây bệnh và là kiểu quan trọng nhất trong số các kiểu tiếp “tiếp xúc” từ chu chất vốn có ở nhiều vi khuẩn gram âm.

Các vi khuẩn gây bệnh tiết protein theo kiểu II là Erwinia carotovora, Pseudomonas aeruginosa và Vibrio cholerae. Các protein được tiết theo kiểu II ở chúng là các xenlulazơ, các pectinazơ, các proteazơ, các lipazơ, độc tốc cholera và các protein của pili.

Hệ thống tiết kiểu II rất phức tạp và chứa tới 12 – 14 protein, bầu hết chúng có lẽ là những protein thiết yếu của màng.

Sự tiết protein theo kiểu I (kiểu ABC)

Nhiều hệ thống tiết phụ thuộc Sec là những thành viên của một họ và hệ thống vận chuyển có tên gọi là họ casset liên kết ATP (ATP-binding cassette family, họ ABC). Hệ thống kiểu I hay hệ thống tiết ABC dùng để tiết các protein như: các độc tố (ví dụ như α-hemoysin), các proteazơ, các lipazơ và các peptit đặc biệt.

Theo kiểu I (hình 36b), sự tiết protein xảy ra chỉ qua một giai đoạn mà xuyên qua cả hai màng. Các protein được tiết thường chứa tín hiệu tiết ở cacbon tận cùng. Các hệ thống này thuỷphân ATP để điều khiển sự dịch chuyển của cá protein được tiết. Chúng có hai vùng kỵ nước vùi vào trong màng, và hai vùng ưa nước gắn với ATP.Protein dịch đẩy proton đều là cần thiết cho sự tiết theo kiểu I.

Ở các vi khuẩn gram âm như E.Coli chẳng hạn, một protein là nhiệm vụ liên kết màng sinh chất với màng ngoài, trong quá trình vận chuyển. Một protein khác, ví dụ TolC (một trime) thì tạo thành kênh xuyên qua mang ngoài; TolC thực hiện vai trò này ở một số hệ thống tiết kiểu I, ít ra là như vậy.

Sự tiết protein theo kiểu III

Hệ thống tiết kiểu III có ở nhiều vi khuẩn gram âm gây bệnh và được dùng để tiết các yếu tố độc và “tiêm” chúng vào các tế bào thực vật và động vật chủ. Quá trình tiết và tiêm này dược tăng cường nhờ sự tiếp xúc giữa vi khuẩn và tế bào chủ. Ngoài ra, một tín hiệu hoạt hoá, như nồng độ thấp của ion canxi cũng làm cho sự tiếp diễn có hiệu quả.

Hệ thống tiết kiểu III bao gồm khoảng 20 protein khác nhau. Hệ thống kiểu III của Salmonella typhimurium mô tả trên hình 36c là một ví dụ, và gồm các phần như sau:

• Phần mảnh như một kim tiêm, nhô ra khỏi bề mặt tế bào.
• Phần gốc hình trụ, nối liền màng ngoài với màng sinh chất và trông hơi giống thế gốc của tiên mao.

Cả hai phần tạo thành một kênh để qua đó các protein được tiết ra ngoài và được tiêm vào tế bào chủ.

Hệ thống kiểu III thấy có ở các vi khuẩn như Salmonella, Yersinia, Shigella, E.Coli, Bordeteella, Pseudomonas aeruginossa và Erwinia. Nó được dùng để tiết bốn loại protein khác nhau:

• Các protein cần thiết cho quá trình tiết (ví dụ các protein tạo thành bộ phận “kim tiêm”, như đã nhắc tới ở trên.
• Các chất điều chỉnh quá trình tiết.
• Các protein làm nhiệm vụ tăng cường sự “tiêm” protein được tiết vào tế bào đích, và
• Các protein “gây hiệu quả”, chúng làm thay đổi các chức năng của tế bào chủ.

Các protein gây hiệu quả đôi khi là các enzym và chúng có thể có nhiều chức năng, ví dụ:

• Hoạt động như những độc tố đối với tế bào chủ.
• Ức chế sự thực bào
• Kích thích sự tổ chức lại bộ khung của tế bào.
• Gây ra hiện tượng apoptosis.

Thông thường các protein nào sẽ được tiết ra thì được gắn với cá chaperon nhỏmà chức năng của chúng còn chưa được biết tới. Những chaperon này có thể trao các protein cho hệ thống tiết, giữ các protein ở trạng thái thích hợp để có thể tiết ra ngoài, hoặc ngăn ngừa sự kết hợp với các protein khác trước khi chúng được tiết ra ngoài.

Vai trò của các hệ thống tiết kiểu III trong tính độc của vi khuẩn sẽ được thảo luật kỹ hơn trong một chuyên đề khác.

Đại cương

Không phải mọi loại vi khuẩn đều có các bộ phận này. Những cấu trúc ấy có các chức năng khác nhau như: bảo vệ, bám vào giá thể, hoặc có chức năng vận động (di chuyển). Dưới đây chúng ta thảo luận về một số cấu trúc ấy.

Vỏ bọc (capsule), lớp nhầy (slime layer), và lớp S

Vỏ bọc và lớp nhày là một lớp vật chất ở bên ngoài thành tế bào của một số vi khuẩn. Lớp vật chất này có các tên gọi khác nhau tuỳ theo cấu trúc của nó.

• Nêu slớp này có tổ chức tốt và bám chặt bên ngoài thành tế bào thì nó được gọi là vỏ bọc (capsule).
• Nếu nó là một vùng vật chất khuyếch tán từ tế bào ra, không có tổ chức rõ ràng và dễ bị lấy đi khỏi tế bào, thì đó là một lớp nhầy (slime layer).

Đôi khi vỏ bọc và lớp nhầy đều được gọi là glycocalyx (hình 37), tức là một mạng lưới polysaccarit bên ngoài bề mặt vi khuẩn và bề mặt các tế bào khác.

Các vỏ bọc và lớp nhầy thường có bản chất polýyccrit, nhưng cũng có thể là các chất. Ví dụ, Bacillus anthracis có vỏ bọc cấu tạo bằng axit poly-D-glutamic. Các vỏ bọc có thể nhìn thấy rõ qua kính hiển vi quang học nếu đowcj nhuộm âm bản hoặc nhuộm bằng các thuốc nhuộm đặc hiệu hiệu (hình 37a); chúng cũng có thể được nghiên cứu qua kính hiển vi điện tử (hình 37b).

Các vỏ bọc là không cần thiết cho sự sinh trưởng và sinh sản của vi khuẩn được nuôi trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên chúng mang lại nhiều lợi thế cho vi khuẩn đang tồn tại trong tự nhiên, như:

• Đề kháng sự thực nào trong cơ thể chủ. Trường hợp của Streptococus pneumoniae là một ví dụ kinh điển. Khi vi khuẩn này không có vỏ bọc, nó dễ dàng bị phá huỷ và không gây bệnh, còn những biến thể có vỏ bọc thì nhanh chóng làm cho chuột nhiễm chúng bị chết.
• Để kháng sự khô hạn, do trong vỏ bọc có nhiều nước.
• Lợi trừ các vi rut và hầu hết các chất độ kỵ nước như chất tẩy rửa chẳng hạn.
• Giúp vi khuẩn bám vào bề mặt các vật cứng trong các môi trường nước hoặc bám vào các bề mặt của mô động vậ, mô thực vật (hình 38).
• Giúp vào sự di chuyển ở vi khuẩn di động theo kiểu trượt (gliding bacteria) vốn thường hay tiết ra chất nhầy.

Đọc chuyên mục Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? Bài VI KHUẨN CHUYỂN ĐỘNG TRƯỢT NHƯ THẾ NÀO?

Cũng tìm đọc thêm về chủ đề Quan hệ giữa polysaccarit ở bề mặt vi khuẩn với sự thực bào và sự sinh trưởng của chúng ở cơ thể chủ.

Nhiều vi khuẩn gram dương và gram âm có một lớp cấu trúc đều đặn trên bề mặt của chúng, được gọi là lớp S. Ở các vi khuẩn cổ thì lớp S cũng rất phổ biến và có thể là cấu trúc chắc chắn duy nhất bên ngoài màng sinh chất.

Lớp S trông giống lớp gạch lát nền nhà và có bản chất là protein hoặc glycoprotein (hình 39). Nó gắn trực tiếp với màng ngoài của vi khuẩn gram âm và gắn với bề mặt peptidoglycan ở vi khuẩn gram dương.

Lớp S có thể có một hay nhiều vai trò trong số sau đây:

• Bảo vệ tế bào chống lại những thay đổi về ion và pH.
• Chống lại những bất lợi về áp suất thẩm thấu.
• Chống lại các enzym.
• Chống lại vi khuẩn ăn mồi Bdellovibrio.
• Giúp vào việc duy trì hình dạng và độ cứng của vỏ.
• Có thể tăng cường sự bám dính tế bào và các bề mặt.
• Có lẽ bảo vệ một số vi khuẩn gây bệnh chống lại tác dụng của bổ thể và chống lại sự thực bào, do đó góp phần vào tính độc của những vi khuẩn này.

Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? VI KHUẨN CHUYỂN ĐỘNG TRƯỢT NHƯ THẾ NÀO?

Các chuyển động trượt khác nhau nhiều về cách thức và tốc độ (từ khoảng 2 đến trên 600μm/phút). Các vi khuẩn như Myxococcus và Flexibacterr thì trượt theo hướng song song với trục dọc của tế bào. Còn những vi khuẩn khác, ví dụ Saprospira thì di chuyển theo kiểu xoáy đinh vít, còn Simonsiella thì thậm chí chuyển vuông góc với trục dọc của tế bào.

Beggiatoa, vi khuẩn lam và một số vi khuẩn khác thì quay xung quanh trục dọc của chúng trong khi trượt, nhưng không phải bao giờ chúng ta cũng nhìn thấy như vậy. Nhiều vi khuẩn thì uốn lượn hoặc cũng xoáy “điêu luyện” như khi chúng trượt đi. Sự đa dạng về chuyển động trượt như vậycó thể cho thấy rằng có nhiều thức di chuyển. điều khẳng định này được củng cố thêmbằng hiện tượng một số cơ thể chuyển động trượt (gliders), ví dụ Cytophaga, Glexibacter và Flavobacterium làm di chuyển hoặc làm chuyển dịch rất chậm các hạt ấy. (Nghĩa là, không phải mọi vi khuẩn chuyển động trượt có thể làm di chuyển nhanh các hợp phần của bề mặt tế bào). Mặc dù chất nhầy là cần thiết cho chuyển động trượt nhưng hình như nó không trực tiếp đẩy vi khuẩn tiến về phía trước. Có lẽ nó gắn vi khuẩn vào giá thể và bôi trơn bề mặt để làm cho dễ chuyển động hơn.

Người ta giải thích chuyển động trượt bằng nhiều cơ chế khác nhau:

• Ở nhiều vi khuẩn trượt, các sơi sinh chất gắn vào vở của chúng. Ở Oscillatorria có lẽ những sợi này có khả năng co dãn để tạo ra những làn sóng của màng ngoài, do đó gây ra chuyển động của tế bào.
• Trong vỏ của nhiều vi khuẩn khác thì có những phức hợp protein giống như những cái vòng, tức là những bộ phận quay giống các thể gốc của tiên mao. Những bộ phận này có thể quay và làm di chuyển vi khuẩn về phía trước.
• Ở một số loài khác nữa thì các tua kiểu IV có thể co lại và làm cho vi khuẩn di chuyển.
• Ở Myxococcus xanthus thì có bằng chứng cho thấy rằng những khác biệt về sức căng bề mặt tế bào là nguyên nhân gây ra chuyển động. Vi khuẩn này có thể tiết ra một chất hoạt dịch ở đỉnh phía sau tế bào (đối diện với hướng chuyển động), chất này làm sức căng bề mặt tại đây. Sức căng bề mặt ở phía trước là lớn hơn, sẽ lôi tế bào về phía trước. Gần đây người ta thấy rằng có chất nhầy phun ra từ những miếng ống hẹp ở xung quanh các đỉnh tế bào Myxococcus. Một số tác giả cho rằng gel chất nhầy nói trên trương phồng lên ở nước xung quanh tế bào và đẩy tế bào đi.
• Myxococcus cũng chuyển động trượt theo một cách khác nữa: các tua của chúng kéo dài ra và co ngắn lại để làm cho tế bào trượt đi.

Tua (Fimbriae) và lông (pili)

Tua (fimbria, fimbriae) và những phần phụ ngắn, mảnh, trông giống như lông, mảnh hơn tiên mao (flagellum) và không có vai trò trong sự di động của tế bào, tồn tại ở nhiều vi khuẩn gram âm.

Mặc dù nhiều ngowif không phân biệt hai thuật ngữ tua (fimbria, fimbriae) và lông (pili), nhưng ở đây chúng ta phân biệt tua và lông giới tính (sex pili). Một tế bào có thể có tới 1000 tua, dày đặc khắp bề mặt; tuy nhiên vì những tua này rất nhỏ nên chỉ có thể nhìn thấy qua kính hiển vi điện tử (hình 40). Có lẽ đó là những ống mảnh, (đường kính 3 – 10nm, dài vài μm), được cấu tạo bằng những đơn vị protein xếp xoắn.

Về chức năng của các tua

- Một vài loại tua làm nhiệm vụ bám dính tế bào vào các bề mặt rắn, như bề mặt đá trong các dòng suối hoặc bề mặt mô cơ thể chủ.

- Các tua typ IV có mặt ở một hoặc cả hai đầu của tế bào. Ngoài tác dụng để vi khuẩn bám vào các bề mặt trên, chúng cũng góp phần vào chuyển động “xoay đinh vít” ở những vi khuẩn như Pseudomonas aeruginosa, N.gonorrhoeae và một số chủng E.coli. Chuyển động này là gián đoạn, nhát gừng, đạt khoảng vài micromet mỗi lần và thường được nhìn thấy trên các bề mặt rất ẩm. Có những bằng chứng cho thấy các tua co lại mạnh để làm di chuyển những vi khuẩn này.

- Các tua typ IV có lẽ cũng tham gia một vài kiểu chuyển động trượt ở vi khuản nhầy (Myxobacteria).

- Đọc thêm chuyên mục Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? Bài “VI KHUẨN CHUYỂN ĐỘNG TRƯỢT NHƯ THẾ NÀO?”

Các lông giới tính (Sex pili)

Mỗi tế bào vi khuẩn nếu có lông giới tính thì có từ 1-10 cái, giống như những phần phụ và khác với các tua ở những điểm sau đây:

• Thường lớn hơn các tua (đường kính khoảng 9 – 10nm).
• Được xác định về mặt di truyền bởi các nhân tố giới tính hay còn gọi là các plasmit tiếp hợp.
• Là cần thiết đối với sựt iếp hợp của vi khuẩn.
• Một số virut của vi khuẩn bám đặc hiệu vào các phụ thể (receptors) trên các lông giới tính vào lúc bắt đầu chu kỳ sinh sản của chúng/

Các tiên mao và khả năng di động của vi khuẩn

Tiên mao (flagellum, flagella) là cơ quan di động của hầu hết những vi khuẩn nào có khả năng di động. Đó là những phần phụ dài và mảnh như những sợi chỉ nhô ra từ màng sinh chất và thành tế bào, và hoạt động như một động cơ. Đó là những cấu trúch mảnh và cứng có kích thước khoảng 20nm chiều rộng và 15 hoặc 20μm chiều dài. Vì các tiên mao mảnh như vậy nên không thể quan sát trực tiếp chúng dưới kính hiển vi quang học; muốn quan sát dưới kính hiển vi quang học thì phải làm nhuộm chúng bằng các kỹ thuật nhuộm đặc biệt nhằm làm cho chúng trương nở to lên. (Đọc thêm chủ đề Soi kính hiển vi và làm tiêu bản hiển vi).

Cấu trúc chi tiết của một tiên mao chỉ có thể được nhìn thấy qua kính hiển vi điển tử (hình 40).

Sự phân bố, sắp xếp các tiên mao trên tế bào là không giống nhau giữa các loài vi khuẩn:

- Các vi khuẩn đơn mao (monotrichous) có một tiên mao và có thể:

• Ở một đỉnh của tế bào, khi ấy vi khuẩn được gọi là vi khuẩn đơn mao đỉnh (polar flagellum bacterium, hình 41a)
• Ở hai đỉnh của tế bào, vi khuẩn được gọi là lưỡng mao đỉnh (amphitrichous bacterium).

- Các vi khuẩn chùm mao (lophotrichous) có một chùm tiên mao ở một hoặc ở hai đỉnh tế bào (hình 41b).

- Các vi khuẩn chu mao (peritrichous) có cá tiên mao phân bố khắp bề mặt tế bào (hình 41c).

Cách phân bố, sắp xếp các tiên mao trên tế bào là một đặc điểm quant rọng để nhận dạng vi khuẩn.

Siêu cấu trúc của tiên mao

Dưới kính hiển vi điện tử truyền qua, chúng ta thấy tiên mao của vi khuản gồm ba phần:

• Phần dài nhất và dễ nhận thấy nhất là sợi (filament), bắt đầu từ bề mặt tế bào, ra phía ngoài tới đỉnh sợi.
• Phần vùi vào tế bào, được gọi là thể gốc (basal body) và
• Đoạn ngắn và cong, nối liên sợi với thể gốc, có tác dụng như một bộ phận nối (hook) có tính mềm dẻo.

Sợi là một ống hình trụ rỗng, cứng, cấu tạo bằng một protein duy nhất có tên là flagelin (flagellin), với hpân tử lượng từ 30.000 đến 60.000.

Một số vi khuẩn có bao xung quanh mỗi tiêm mao. Đó là trường hợp Bdellovibrrio và Virrio cholerae. Bao của Bdellovibrrio có dạng màng, còn của V.cholerae thì có bản chất lipoplyaccrit.

Thế gốc và bộ phận nối thì khác hẳn sợi (hình 42). Thế giới là phần phức tạp nhất của tiên mao (hình 42 và 43) và có sự khác nhau giữa vi khuẩn gram âm và gram dương:

• Ở E.coli và hầu hết vi khuẩn gram âm, thể gốc có bốn vòng cùng bao quanh một phần hình trụ ở trung tâm, tính từ phía ngoài tế bào vào trong và các vòng L,P, S và M. Hai vòng L và P gắn với các tâng flipopolysaccarrit và peptidoglycan, theo thứ tự. Vòng M tiếp xúc với màng sinh chất.
• Ở vi khuẩn gram dương, thể gốc chỉ có hai vòng, vòng ngoài có thể tiếp giáp với peptidoglycan, còn vòng trong - với màng sinh chất.
• Ở vi khuẩn gram dương, thể gốc chỉ có hai vòng, vòng ngoài có lẽ tiếp giáp với peptidoglycan, còng vong trong - với màng sinh chất.

Bộ phận nối thì hơn to hơn sợi và được cấu tạo từ những loại protein khá nhau.

Sự tổng hợp tiên mao

Quá trình này rất phức tạp, liên quan đến ít nhất khoảng 20 – 30 gen, gồm:

• Gen mã hoá cho flagelin,
• Các gen mã hoá cho protein của bộ phận nối.
• Các gen mã hoá cho các protein của thể gốc.

Hai nhóm gen này gồm khoảng 10 gen hoặc nhiều hơn nữa.

• Các gen khác liên quan đến sự kiểm soát cấu trúc hoặc kiểm soát chức năng của tiên mao.

Sự phức tạp còn ở chỗ tế bào điều chỉnh hoặc xác định vị trí chính xác của các tiên mao như thế nào và điều này thì chưa được biết đến.

Cơ chế chuyển động bằng tiên mao

Nguyên tắc chung của chuyển động bằng tiên mao là: sợi tiên ma cứng và xoắn quay làm cho tế bào chuyển động, giống như chuyển động của chân viẹt tàu thuỷ. Những vi khuẩn đột biến với ác tiên mao thẳng hoặc có các bộ phận nối quá dài hoặc quá ngắn (những thể đột biến có nhiều bộ phận nối – polyhook mutants) đều không thể bơi được. Nếu vi khuẩn được gắn vào một phiến kính bằng các kháng thẻ của protein của phần sợi hoặc của phần nối thì thân tế bào quay xung quanh tiên mao đứng yên. Nếu các hạt polystyren – latex được gắn vào các tiên mao thì các hạt này quay rất nhanh: môtơ của E.coli quay 270 vòng một giây, còn của Vibrrio alginolyticus là 1100 vòng một giây.

Chi tiết của sự chuyển động bằng tiên mao được mô tả như sau:

• Hướng quay của tiên mao quy định cách di chuyển của vi khuẩn. Các tiên mao đơn độc ở đỉnh tế bào ngược chiều kim đồng hồ (nếu hình từ phía ngoài tế bào) trong suốt thời gian tế bào tiến về phía trước bằng cách quay chậm theo chiều kim đồng hồ. Sợi tiên mao xoắn quay làm đầy tế bào tiến đi từng đoạn, còn tiên mao thì như được kéo lê ở đằng sau (hình 45). Các vi khuẩn đơn mao đỉnh dừng lại và quay đều lại bằng cách đổi chiều quay của tiên mao. Các vi khuẩn chu mao thì hoạt động theo cách gần giống như trên. Để tiến về phía trước, các tiên mao quay ngược chiều kim đồng hồ. Do sự quay như vậy, các tiên mao trở nên cong ở những phần nối của chúng để tạo thành một bó các sợi quay, làm đẩy tế bào về phía trước. Khi các tiên mao quay theo chiều kim đồng thì bó của chúng tự mở ra và tế bào quay đầu ngược lại.
• Vì các vi khuẩn bởi được là nhờ sự quay các tiên mao cứng của chúng nên phải có một số loại môtơ ở gốc của sợi tiên mao. Một cái cán nhô ra từ phần nối và kết thúc ở vòng M vốn có thể quay tự do trong màng sinh chất (hình 46). Ở các vi khuẩn gram dương, có lẽ vòng S được gắn vào thành tế bào và không quay. Các vòng P và L của vi khuẩn gram âm sẽ hoạt động như một cái đệm đối với cái cán đang quay. Có một vài bằng chứng cho rằng thể gốc là một cấu trúc thụd dộng và quay trong phức hệ protein vùi vào màng, rất giống như cái rôto của một động cơ điện, quay ở trung tâm một vòng của nam châm điện electromagnets (tức là stato).
• Thể gốc quay như thế nào, tức cơ chế chính xác của sự quay này còn chưa được biết rõ. Hình 46 là một bức tranh chi tiết hơn về thể gốc ở vi khuẩn gram âm. Phần rôto của động cơ này có lẽ chủ yếu gồm một ống trụ, một vòng M và một vòng C nối với nó ở phía màng sinh chất của thể gốc. Hai vòng này được cấu tạo bằng một số loại protein:

• Fli G là đặc biệt quan trọng để khôi phục sự quay của tiên mao.
• Mot A và Mot B là hai protein quan trọng nhất ở phần stato của động cơ: chúng tạo thành một kênh proteon xuyên qua màng sinh chất, đồng thời Mot B cũng móc phức hệ Mot với tầng peptidoglycan của thành tế bào.

Có những bằng chứng cho thấy MotA và Fli G tương tác trực tiếp trong quá trình quay của tiên mao. Ở procaryot, sự quay này được điều khiển trực tiếp bởi ATP như đối với tiên mao của eucaryot.

Tiên mao là một “dụng cụ” bởi rất hiệu quả của tế bào. Đối với vi khuẩn thì bơi hoàn toàn là một “nhiệm vụ”, bởi vì nước ở xung quanh chúng thì “bao la” và “đặc quánh” hư rỉ đường (mật mía) vậy. Nghĩa là tế bào phải “khona” nước bằng “mũi khoan” của nó là những tiên mao hình xoắn hay hình cái khoan nút lie. Nếu hoạt động của tiên mao ngừng lại thì tế bào cũng đứng ngay tại chỗ không di chuyển được nữa. Mặc dù môi trường có sức cản lớn như vậy, các vị khuẩn vẫn có thể bơi từ 20 đến gần 90μm/giây, tương đương với từ 2 đến 100 chiều dài của tế bào/giây. Trong khi đó một người chậy rất nhanh chỉ có thể chạy được đoạn đường gấp 5 lần chiều cao cơ thể trong một giây.

Ngoài sự quay của tiên mao, vi khuẩn còn có những cách vận động khác:

• Các khuẩn xoắn (xoắn khuẩn, Spirochetes) là những vi khuẩn hình xoắn di chuyển nhờ những chất nhầy nhớt, bằng những chuyển động uốn khúc và xoay của một sợi đặc biệt quấn theo hướng trục tế bào, gồm những tiên mao đặc biệt.
• Nhiều vi khuẩn khác thì di động theo kiểu trượt (gliding mibility). Đó là trường hợp của vi khuẩn lam (Cyanobacteria), vi khuẩn nhầy (Myxobacteria), các Cytophaga và một số Mycoplasma. Mặc dù không có những cấu trúc bên ngoài tế bào chuyên trách về chuyển động theo kiểu trượt, những vi khuẩn này vẫn có thể di chuyên trên cách bề mặt cứng với tốc độ tới 3 μm/giây.

Đọc thêm chuyên mục Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? Bài VI KHUẨN CHUYỂN ĐỘNG TRƯỢT NHƯ THẾ NÀO?

Câu hỏi

1.a) Nêu những đặc điểm chủ yếu và những chức năng chủ yếu của bốn hệ thống tiết protein.

b) Hệ thống tiết protein phụ thuộc Sec và hệ thống tiết kiểu I hoạt động như thế nào?

2. Mô tả vắn tắt: các vỏ bọc, các lớp nhầy, các glycocalyx và các lớp S. Chức năng của chúng là gì?

3. Phân biệt các tua với pili giới tính và nêu chức năng của chúng.

4. Thảo luận các vấn đề sau đây:

- Các kiểu phân bổ tiên mao ở vi khuẩn.

- Cấu trúc tiên mao và sự tổng hợp chúng.

- Tiên mao hoạt dộng như thế nào để làm cho vi khuẩn di chuyển được?

Tổng quan về cấu trúc của tế bào procaryot

• Vi khuẩn có thể có hình cầu (cocci), hình que (bacilli), hình xoắn, hoặc hình sợi chỉ; chúng có thể tạo các chồi, các thân; thậm chí chúng có thể không có hình dạng đặc trưng (pleomorphic).
• Các tế bào vi khuẩn có thể quần tụ với nhau sau khi phân bào, để tạo thành các cặp, các chuỗi và các đám, với hình dạng và kích thước khác nhau.
• Tất cả vi khuẩn đều không có nhân thực sự, (tức thuộc loại procaryot) và có cấu trúc đơn giản hơn các tế bào eucaryot là những tế bào có nhân thật sự. Bảng 2 tóm tắt các chức năng chủ yếu của các cấu trúc của vi khuẩn.

2. Các màng tế bào procaryot

• Màng sinh chất và hầu hết các màng khác được câu tạo bằng một lớp lipit kép, trong đó các protein xuyên màng được vùi vào. Các protein ngoai vi thì được gắn lỏng lẻo hơn vào các màng.
• Màng sinh chất có thể lõm vào bên trong tế bào để tạo nên một số cấu trúc đơn giản, như bộ máy quang học, bộ máy hô hấp và cõ lễ là cả mesosom nữa.

Khối chất nguyên sinh

Khối chất nguyên sinh chứa các thể ẩn nhập và các ribosom.

Nucleoit

Vật liệu di chuyển của tế bào procaryot nằm trong một vùng được gọi là nucleoit và thường không có màng bao quanh.

Thành tế bào procaryot

• Hầu hết vi khuẩn có thành tế vào ở bên ngoài màng sinh chất, để tạo hình dáng cho chúng và bảo vệ chúng khỏi tác hại của áp suất thẩm thấu.
• Thành tế bào vi khuẩn có thành phần hoá học phức tạp và chứa peptidoglycan hay còn gọi là murein.
• Các vi khuẩn được sắp xếp vào một trong hai nhóm gram dương và gram âm trên cơ sở khác nhau về cấu trúc của thành tế bào và kết quả của phép nhuộm Gram.
• Thành tế bào gram dương có một tầng dầy, đồng nhất của peptidoglycan và các axit teichoic. Thành tế bào gram âm có một tầng peptodoglycan mỏng dược bao quanh bởi một màng ngoài phức tạp chứa các lipôplysaccarit (LPSs) và những hợp phần khác.
• Một số vi khuẩn, ví dụ các Mycoplasma không có thành tế bào.

Sự tiết protein ở các procaryot

Các tế bào procaryot có thể tiết các protein ra ngoài nhờ một số hệ thống tiết khác nhau.

Các hợp phần bên ngoài thành tế bào

• Đó là các cấu trúc như: vỏ (capsule), tua (fimbriae) và lông giới tính (sex pili).
• Nhiều vi khuẩn có thể di chuyển, thường là nhờ các cơ quan tử hình sợi có tác dụng như một động cơ, được gọi là các tiên mao.
• Các loài vi khuẩn khác nhau về số lượng và sự phân bố các tiên mao.
• Sợi tiên mao là một sợi xoắn cứng, nó quay như một chân vịt của tàu thuỷ hoặc cánh quạt của máy bay để đẩy vi khuẩn đi trong nước.

Hoá ứng động (chemotaxis)

Các vi khuẩn di động có thể đáp ứng với những gradien của chất hấp dẫn hay chất có hại. Hiện tượng này được gọi là hoá ứng động.

Nọi bào tử của vi khuẩn

Một số vi khuẩn sống sót trong những điều kiện bất lợi của môi trường, nhờ sự tạo thành nội bào tử, là một cấu trúc dạng nghỉ, đề kháng với sức nóng, với sự khô hạn và nhiều hoá chất.

Câu hỏi suy luận và ôn tập

1. Liệt kê các cấu trúc chủ yểu của tế bào procaryot đã được đè cập trong chuyên đềnày và mô tả vắn tắt các chức năng của từng cấu trúc.
2. Một số nhà vi sinh vật học tin rằng sinh chất có liên quan đến sự tổng hợp ADN trong quá trình sinh sản ủa vi khuẩn. Hãy chứng minh điều này.
3. Hãy thảo luận về một cơ chế có thể có của sự bắt màu khác nhau giữa vi khuẩn gram dương và gram âm, dựa trên sự khác nhau về cấu trúc và về hoá học giữa hai loại thành tương ứng.
4. Sự tự lắp ghép là gì tầm quan trọng của nó đối với tế bào.
5. Vi khuẩn có thể tạo nội bào như thế nào.

Câu hỏi suy luận – phê phán

1. Hãy đưa ra một mô hình về cấu tạo của một tiên mao trong màng của một vi khuẩn gram dương. Mô hình này sẽ cần phải thay đổi như thế nào để diễn tả cấu tạo của một tiên mao ở màng của vi khuẩn gram âm?
2. Nếu anh (chị) không có kính hiển vi, anh (chị) sẽ làm gì để biết được một tế bào là tế bào procaryot hay tế bào eucaryot? Biết rằng cơ thể đó có thể được nuôi dễ dàng trong phòng thí nghiệm.
3. Tầng peptidoglycan của vi khuẩn được ví như tấm áo giáp phép bằng các mảnh kim loại mặc bên trong tấm áo giáp liền của hiệp sĩ thời trung cổ. Nó vừa có tác dụng bảo vệ, vừa linh hoạt (không cứng nhắc). Anh (chị) có thể mô tả những cấu trúc khác trong sinh học mà có chức năng tương tự? Những cấu trúc ấy có thể được thay thế hoặc cải niến như thế nào để không cản trở sinh trưởng của cơ thể mang nó?