Tiểu luận Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
KHOA SINH HỌC

BÀI TIỂU LUẬN
MÔN: SINH HỌC PHÂN TỬ TẾ BÀO

Chủ đề: Cơ chế phân bào, điều khiển chu kì tế bào của
sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực.

HÀ NỘI


NỘI DUNG CHÍNH
PHẦN I. KHÁI QUÁT VỀ TẾ BÀO NHÂN SƠ VÀ TẾ BÀO NHÂN THỰC
1. Lịch sử nghiên cứu tế bào
2. Đặc điểm cấu trúc của tế bào nhân sơ và tế bào nhân thực
PHẦN II. CƠ CHẾ PHÂN BÀO
1. Cơ chế phân bào ở sinh vật nhân sơ
2. Cơ chế phân bào ở sinh vật nhân thực
2.1. Cơ chế nguyên phân
2.2. Cơ chế giảm phân
PHẦN III. ĐIỀU KHIỂN CHU KÌ TẾ BÀO
1. Đặc điểm của chu kì tế bào
2. Các cơ chế điều khiển chu kì tế bào
2.1. Điều khiển chu kì tế bào ở sinh vật nhân sơ
2.2. Điều khiển chu kì tế bào ở sinh vật nhân thực
TÀI LIỆU THAM KHẢO


PHẦN I. KHÁI QUÁT VỀ TẾ BÀO NHÂN SƠ VÀ TẾ BÀO NHÂN THỰC
1. Lịch sử nghiên cứu tế bào

Robert Hooke là người đầu tiên sử dụng kính hiển vi để quan sát về tế bào, đồng
thời mở ra ngành khoa học sinh học tế bào. Năm 1665, tế bào được Hooke mơ tả giống
như các ơ rỗng có thành bao quanh và xếp cạnh nhau như tổ ong. Sau đó vào những năm
1674 – 1683, cùng với sự phát triển của kính hiển vi, nhà khoa học người Hà Lan Antonie
van Leeuwenhoek đã phát hiện được các tế bào như: vi sinh vật trong giọt nước ao, tế bào
máu, tế bào tinh trùng động vật. Từ những quan sát của mình, ơng đã kết luận rằng tế bào
có cấu tạo phức tạp gồm màng sinh chất, tế bào chất chứa các bào quan và nhân chứ
khơng chỉ có dạng xoang rỗng như Hooke thấy. Năm 1838 - 1839, Matthias Schleiden và
Theodor Schwann đã đưa ra học thuyết tế bào với nội dung: Tất cả sinh vật được cấu tạo
từ tế bào và tế bào là đơn vị sống cơ bản của sinh giới. Năm 1858, Virchow phát biểu
thêm rằng: Tế bào sinh ra từ tế bào có trước. Năm 1862, Pasteur tiếp tục chứng minh
rằng: Sự sống không tự hình thành ngẫu nhiên từ các chất vơ sinh. Ngày nay học thuyết tế
bào vẫn giữ nguyên giá trị của nó và tế bào được xem là đơn vị tổ chức cơ bản của thế
giới sống cả về cấu tạo, chức năng sinh lý và di truyền. F. Engels đã từng đánh giá: cùng
với hoạc thuyết tiến hóa của Darwin, và thuyết bảo tồn năng lượng, học thuyết tế bào là
một trong ba phát kiến vĩ đại của thể kỉ XIX.
2.
Đặc điểm cấu trúc của tế bào nhân sơ và tế bào nhân thực
Tùy theo mức độ phức tạp về cấu trúc mà người ta phân biệt hai dạng tế bào nhân sơ
và tế bào nhân thực. Từ hai loại tế bào này sẽ cấu trúc nên hai nhóm sinh vật tương ứng là
sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực. Sinh vật nhân sơ bao gồm vi khuẩn và vi khuẩn
cổ. Sinh vật nhân thực được tạo nên từ các tế bào nhân thực như động vật đơn bào, tảo,
nấm, thực vật và động vật.
Tế bào nhân sơ thường có kích thước nhỏ và cấu tạo đơn giản với ba thành phần cấu
tạo chính: màng sinh chất, tế bào chất, vùng nhân (Hình 1). Màng sinh chất của vi khuẩn
chứa khoảng 45% lipit và 55% protein có cấu trúc và chức năng tương tự màng sinh chất
của tế bào nhân thực. Nhiều chỗ màng sinh chất gấp nếp lồi lõm vào tế bào chất tạo nên
các mezoxom được xem như một loại bào quan có vai trị quan trọng trong sự phân bào.
Bên trong tế bào chất có chứa nhiều loại riboxom tổng hợp protein của vi khuẩn nhưng
khơng có các bào quan có màng bao bọc và khơng có hệ thống nội màng điển hình như tế

bào nhân thực. Hầu hết các chức năng của các bào quan như ty thể, lục lạp, bộ máy Golgi
được tiến hành trên màng sinh chất. Vùng nhân chứa nhiễm sắc thể của vi khuẩn là phân
tử ADN trần (không liên kết với histon), là chuỗi xoắn kép dạng vòng khu trú ở vùng tế
bào chất. Ngoài ADN trong thể nhân, cịn có một số phân tử ADN khác được gọi là
plasmit chứa thông tin di truyền quy định một số đặc tính của vi khuẩn. Ngồi ba thành
phần chính có ở các tế bào nhân sơ điển hình, một số vi khuẩn cịn có thêm các thành
phần cấu tạo khác như lông, roi, thành tế bào, vỏ nhầy. Lông và roi là các protein bám
1


trên bề mặt tế bào giúp vi khuẩn di chuyển chủ động trong mơi trường. Thành tế bào có
bản chất là peptidoglican giúp vi khuẩn giữ nguyên hình dạng và không bị tác động của
áp suất thẩm thấu trong môi trường nhược trương. Vỏ nhày là rào cản phụ giúp bảo vệ tế
bào, chọn lọc các chất ra vào tế bào.

Tuy cũng được cấu tạo từ ba thành phần chính là màng sinh chất, tế bào chất và
nhân, nhưng tế bào nhân thực có kích thước lớn hơn và cấu tạo phức tạp hơn nhiều so với
tế bào nhân sơ (Hình 2). Màng tế bào cũng gồm hai thành phần chính là lipit và protein
nhưng được phân hóa phức tạp hơn. Màng có cấu trúc khảm - động: lớp photpholipit kép
tạo nên cái khung liên tục của màng, còn các phân tử protein phân bố rải rác trong khung,
xuyên qua khung hoặc bám ở rìa trong và rìa ngồi của màng, các phân tử lipit và protein
có trong màng có tính động. Tế bào chất được phân vùng và chứa các bào quan phức tạp
như mạng lưới nội chất, riboxom, ti thể, lục lạp, thể Golgi, lizoxom, peroxixom, trung
thể…Trong đó trung thể có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong sự phân bào (tạo thành bộ
máy phân bào), các vi ống và định hướng cho các vi ống. Tế bào nhân thực có nhân hồn
chỉnh với lớp màng kép bao bọc lấy vật chất di truyền. Vật chất di truyền gồm một hoặc
một số phân tử ADN mạch thẳng liên kết với protein histone tạo nên cấu trúc nhiễm sắc
thể. Ngồi nhân, ADN cịn được tìm thấy ở một số bào quan như ti thể, lục lạp.

2

Tế bào thực vật cũng như tế bào động vật đều thuộc dạng tế bào nhân thực điển hình.
Ngồi những đặc điểm chung giống nhau, chúng còn khác nhau ở một số đặc điểm. Một
số loại bào quan chỉ có thể tìm thấy ở tế bào thực vật hoặc tế bào động vật mà không thể
cùng tồn tại trong cả hai loại tế bào này. Các lysosome, trung tử với các trung thể chỉ có ở
tế bào động vật mà khơng có ở tế bào thực vật. Lục lạp, khơng bào trung tâm, thành tế
bào, cầu sinh chất có thể tìm thấy ở tế bào thực vật cịn tế bào động vật thì khơng.
Như vậy, điểm khác biệt quan trọng giữa sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực là
sự xoang hóa ở tế bào nhân thực nhờ các lớp nội màng giúp chúng thực hiện các hoạt
động trao đổi chất riêng biệt. Trong đó, quan trọng nhất là việc hình thành nhân tế bào có
hệ thống màng riêng để bảo vệ các phân tử ADN của tế bào. Chính những khác biệt trong
cấu trúc của hai loại tế bào này sẽ tạo nên sự khác nhau trong cơ chế phân bào cũng như
điều khiển chu kì tế bào ở hai nhóm sinh vật nhân sơ và nhân thực.
PHẦN II. CƠ CHẾ PHÂN BÀO
1.
Cơ chế phân bào ở sinh vật nhân sơ
Tế bào nhân sơ chưa có nhân hồn chỉnh nên phân bào bằng cách phân đôi trực tiếp,
không hình thành thoi phân bào như ở tế bào nhân thực. Nhiễm sắc thể của chúng chỉ là
ADN trần, là chuỗi xoắn kép dạng vòng khu trú ở vùng tế bào chất được gọi là thể nhân nucleoit. Mặc dù ADN của thể nhân liên kết với các protein giúp đóng gói phân tử thành
một kích thước nhỏ gọn, nhưng khơng có protein histone nên khơng có nucleosom ở sinh
vật nhân sơ. Tuy nhiên, các protein đóng gói của vi khuẩn có liên quan đến các protein
cohesin và condensin tham gia vào quá trình nén nhiễm sắc thể của sinh vật nhân chuẩn.
Qúa trình phân đơi của vi khuẩn E. Coli gồm 5 năm bước (Hình 3).
3


Đầu tiên, ADN nhiễm sắc thể của vi khuẩn bắt đầu nhân đơi tại điểm khởi đầu sao chép,
q trình này diễn ra theo hai hướng. Ngay sau đó, một bản sao của điểm khởi đầu sao
chép nhanh chóng di chuyển về đầu đối lập của tế bào bằng một cơ chế chưa rõ. Sự nhân

đôi tiếp tục, mỗi đầu tế bào đã có một bản sao của điểm khởi đầu nhân đôi. Đồng thời tế
bào dài ra, các protein FtsZ di chuyển về giữa của tế bào và định hướng sự phân chia giữa
các nucleoit ở sinh vật nhân sơ. Nhiễm sắc thể sau khi được nhân đôi tiếp tục di chuyển
về hai cực đối diện của tế bào, các protein FtsZ tạo thành vịng phân cắt ở chính giữa tế
bào và ngăn cách hai nulceoit với nhau. Một vách ngăn được hình thành giữa các
nucleoit, màng sinh chất và thành tế bào lõm dần từ ngoại vi về phía trung tâm của tế bào.
Sau khi vách ngăn hồn thiện, tế bào phân chia thành hai tế bào con. Protein FtsZ nằm
phân tán trong tế bào chất của hai tế bào mới.
2.
Cơ chế phân bào của sinh vật nhân thực
Nhiễm sắc thể của sinh vật nhân thực có cấu trúc phức tạp gồm ADN xoắn kép,
liên kết với protein histon tạo thành các sợi nhiễm sắc. Trong kì trung gian, các sợi nhiễm
sắc ở trạng thái giãn xoắn được gọi là chất nhiễm sắc, và khi phân bào chúng ở trạng thái
4


xoắn và co ngắn lại tạo thành các thể có hình dạng nhất định được gọi là nhiễm sắc thể.
Sau khi ADN được tái bản, nhiễm sắc thể được nhân đơi ở pha S của kì trung gian, nhiễm
sắc thể sẽ gồm 2 nhiễm sắc tử đính với nhau ở trung tiết (tâm động). Vì nhiễm sắc thể có
cấu trúc phức tạp, nằm trong nhân có màng nhân, nên phương thức phân bào diễn ra phức
tạp và đòi hỏi phải có bộ máy phân bào (thoi phân bào). Có hai phương thức phân bào là:
phân bào nguyên nhiễm (nguyên phân - mitosis) và phân bào giảm nhiễm (giảm phân meiosis).
2.1. Cơ chế nguyên phân
Nguyên phân là hình thức phân bào nguyên nhiễm, trong đó từ một tế bào ban đầu
phân chia sẽ tạo ra hai tế bào mới giống nhau và giống hệt tế bào ban đầu. Người ta quy
ước chia nguyên phân thành năm kì: kì đầu, kì trước giữa, kì giữa, kì sau và kì cuối. Gối
lên kì cuối của nguyên phân là kì chia tế bào chất và kết thúc pha phân bào (Hình 4). Sau
khi hồn thành kì trung gian, các nhiễm sắc thể đơn đã nhân đôi để tạo thành nhiễm sắc
thể kép. Mỗi nhiễm sắc thể kép gồm hai nhiễm sắc tử chị em dính với nhau ở tâm động và
dọc theo nhiễm sắc thể nhờ các protein cohesin. Mỗi trong nhiễm sắc tử có một thể động,

một cấu trúc protein liên kết với một đoạn đặc hiệu của ADN nhiễm sắc thể ở tâm động.
Hai thể động của nhiễm sắc thể kép quay về hai hướng đối lập nhau.

Bước vào kì đầu của nguyên phân, các nhiễm sắc thể kép bắt đầu co xoắn. Ở tế bào
thực vật, do có khơng bào trung tâm lớn nên trước khi quá trình nguyên phân bắt đầu,
nhân phải di chuyển vào trung tâm của tế bào. Hạch nhân dần tiêu bến, bộ máy phân bào
xuất hiện. Tế bào động vật có trung thể gồm hai trung tử và vùng quanh trung tử, trung tử
nhân đôi ở pha S kì trung gian tạo thành hai đơi trung tử con và phát triển thành trung thể
mới. Do sự hoạt hoá của chất quanh trung tử, các đơn hợp tubulin trong tế bào chất trùng
hợp hoá thành các vi ống tubulin. Các vi ống xếp phóng xạ quanh trung tử mới, tạo thành
sao phân bào. Hai trung thể và hai sao di chuyển vể hai cực tế bào. Giữa hai sao, các vi
ống phát triển sắp xếp thành hệ thống sợi có dạng hình thoi được gọi là thoi phân bào. Tế
bào của thực vật thiếu các trung tử; thay vào đó, các vi ống hình thành một trục trên bề
mặt của nhân và sau đó được tổ chức thành một trục bởi chính các nhiễm sắc thể, sau khi
vỏ nhân bị phá vỡ.
5


Kì trước giữa, các lamins được phosphoryl hóa bởi các yếu tố thúc đẩy nguyên
phân (MPF), màng nhân tan rã đứt ra thành nhiều đoạn và biến thành các bóng không bào
bé phân tán trong tế bào chất, tạo điều kiện cho nhiễm sắc thể di chuyển ra ngoại vi tế
bào. Các vi ống thể động bắt đầu tìm kiếm và gắn vào các thể động của nhiễm sắc
thể. Một số vi ống không gắn vào thể động của nhiễm sắc thể (các vi ống khơng thể động)
sẽ tìm và tương tác với các vi ống không thể động tương ứng từ phía đối diện để hình
thành thoi phân bào. Khi một vi ống kết nối với thể động, một protein động cơ sẽ kích
hoạt, sử dụng năng lượng từ ATP để "trượt" lên ống về phía trung thể khởi đầu. Hoạt
động vận động này, cùng với quá trình polyme hóa và khử phân giải của các vi ống, cung
cấp lực kéo cần thiết để sau này phân tách hai nhiễm sắc tử của nhiễm sắc thể.
Kì giữa là kì dài nhất của nguyên phân, sau khi các vi ống đã định vị và gắn vào các
thể động, hai trung thể bắt đầu kéo các nhiễm sắc thể về các đầu đối diện của tế bào. Sự

kéo căng của thoi phân bào làm cho các nhiễm sắc thể sắp xếp dọc theo mặt phẳng xích
đạo, một đường tưởng tượng nằm ở trung tâm tế bào. Để đảm bảo sự phân bố đồng đều
của các nhiễm sắc thể ở cuối quá trình nguyên phân, điểm kiểm tra chuyển tiếp đảm bảo
rằng các thể động được gắn đúng vào thoi phân bào và các nhiễm sắc thể được xếp thẳng
hàng.
Kì sau bắt đầu khi các protein cohesin tách nhau ra khiến các nhiễm sắc tử chị em của
mỗi cặp đột ngột tách nhau theo, mỗi nhiễm sắc tử trở thành một nhiễm sắc thể đơn, trượt
dọc theo thoi phân bào về hai phía đối diện của tế bào. Các vi ống khơng gắn với nhiễm
sắc thể dài ra và đẩy ra xa nhau, tách các cực và làm cho tế bào dài ra. Tất cả các quá trình
này đều được thúc đẩy bởi các protein vận động , các cỗ máy phân tử có thể “trượt” dọc
theo các đường dẫn vi ống và mang nhiễm sắc thể hoặc các vi ống khác về hai cực của tế
bào. Đây là thời kì diễn ra nhanh nhất của nguyên phân, chỉ mất vài phút. Kết thúc kì sau,
ở hai cực của tế bào có hai bộ nhiễm sắc thể hoàn chỉnh và tương đương nhau.
Khi các nhiễm sắc thể đã di chuyển xong về hai cực của tế bào cũng là lúc kì cuối bắt
đầu. Các vi ống cực tiếp tục dài ra, kéo dài tế bào hơn nữa. Một vỏ nhân mới sẽ hình
thành bằng cách sử dụng các túi màng của vỏ nhân cũ của tế bào mẹ. Vỏ mới hình thành
xung quanh mỗi bộ nhiễm sắc thể con đã tách rời và nhân con xuất hiện trở lại, thoi phân
bào tiêu biến. Cả hai bộ nhiễm sắc thể, bây giờ được bao quanh bởi màng nhân mới, bắt
đầu "giãn" hoặc phân rã. Q trình phân chia nhân hồn tất, mỗi nhân con có một bộ
nhiễm sắc thể giống hệt nhau. Ngay sau đó q trình phân chia tế bào chất diễn ra phân
cắt tế bào mẹ thành hai tế bào con. Tế bào động vật hình thành eo thắt và lõm sâu của eo
tiến tới cắt đôi tế bào chất. Khi vòng sợi actin co rút kéo theo phần màng sinh chất lõm
thắt vào trung tâm, và khi màng nối với nhau sẽ phân tách tế bào chất thành hai nửa, mỗi
nửa chứa một nhân con. Đối với tế bào thực vật do được bao bởi thành xenlulozơ nên sự
phân chia tế bào chất xảy ra khác với tế bào động vật. Một vách ngăn ngang xuất hiện ở
vùng trung tâm xích đạo, và phát triển dần ra ngoại vi cho đến khi liên kết với thành tế
bào, và như vậy phân tách tế bào chất thành hai nửa chứa nhân con.
6

2.2. Cơ chế giảm phân
Giảm phân, phân bào giảm nhiễm, là hình thức phân bào chỉ xảy ra ở các tế bào sinh
dục chín (tế bào sinh tinh và sinh trứng) tạo ra các giao tử (tinh trùng hoặc trứng) mang
một nửa bộ nhiễm sắc thể của tế bào mẹ ban đầu. Giống với nguyên phân, giảm phân
cũng có một lần nhân đơi nhiễm sắc thể ở pha S kì trung gian nhưng có hai lần phân bào
liên tiếp là giảm phân I và giảm phân II, trong mỗi lần phân bào lại chia thành các kì: kì
đầu, kì giữa, kì sau, kì cuối. Diễn biến chi tiết của quá trình giảm phân được mơ tả như
trong hình 5.

Giảm phân I chính là q trình phân ly các nhiễm sắc thể trong cặp nhiễm sắc thể
tương đồng, tạo ra hai tế bào đơn bội. Kì đầu I cho đến nay là giai đoạn dài nhất, nhiễm
sắc thể bắt đầu co xoắn, màng nhân và nhân con dần tan rã, bộ máy phân bào xuất hiện.
Trung thể sau khi nhân đôi tiến dần về hai cực tế bào, các thoi phân bào hình thành. Các
cặp nhiễm sắc thể tương đồng, tiếp hợp và có thể trao đổi chéo thơng tin di truyền cho
nhau. Tiếp hợp kết thúc ở giữa kì đầu và nhiễm sắc thể trong từng cặp dần tách nhau ra.
Mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng có một hoặc nhều hơn các bắt chéo, điểm xảy ra trao
đổi chéo và các nhiễm sắc thể tương đồng vẫn còn liên kết với nhau nhờ lực cố kết giữa
các nhiễm sắc tử chị em. Cuối kì đầu I, vi ống từ các cực gắn vào hai thể động, cấu trúc
protein nằm ở tâm động của các nhiễm sắc thể . Cặp nhiễm sắc thể tương đồng sau đó di
chuyển về măt phẳng xích đạo của tế bào. Ở kì giữa, các cặp nhiễm sắc thể tương đồng
xếp thành hai hàng ở mặt phẳng xích đạo, mỗi nhiễm sắc thể trong một cặp hướng về một
cực của tế bào. Cả hai nhiễm sắc tử của một nhiễm sắc thể tương đồng gắn với các vi ống
thể động từ một cực, còn các nhiễm sắc tử của các nhiễm sắc thể kia gắn với vi ống từ cực
đối lập. Sau đó các protein gắn kết các nhiễm sắc tử chị em bị phân hủy làm cho các
nhiễm sắc thể tương đồng tách nhau ra. Mỗi nhiễm sắc thể trong cặp tương đồng di
chuyển về một cực đối lập nhờ sự định hướng của bộ thoi phân bào. Lực cố kết giữa các
nhiễm sắc tử chị em vẫn duy trì ở tâm động, làm cho các nhiễm sắc tử di chuyển như một
đơn vị hướng về cùng một cực. Sau khi các sự kiện của kì sau I kết thúc, tế bào chuyển
sang kì cuối I và phân chia tế bào chất. Đầu kì cuối I, mỗi nửa tế bào có một bộ nhiễm sắc
thể đơn bội hoàn chỉnh với các nhiễm sắc thể đã được nhân đôi. Mỗi nhiễm sắc thể gồm

hai nhiễm sắc tử chị em, một hoặc cả hai nhiễm sắc tử có vùng ADN của nhiễm sắc tử
khơng chị em. Qúa trình phân chia tế bào chất diễn ra tương tự như phân chia tế bào chất
7


ở nguyên phân: tế bào động vật hình thành eo thắt trung tâm, tế bào thực vật hình thành
vách ngăn ngang phân cắt tế bào. Kết thúc kì cuối, nhiễm sắc thể dãn xoắn và màng nhân,
nhân con tái hình thành.
Sau khi kết thúc giảm phân I, tế bào trải qua một kì chuyển tiếp rất ngắn rồi ngay
lập tức bước vào giảm phân II mà khơng có q trình nhân đôi nhiễm sắc thể. Lần phân
bào II cũng trải qua các kỳ: kỳ đầu II, kỳ giữa II, kỳ sau II, kỳ cuối II và phân tế bào chất
để tạo thành hai tế bào mang nhiễm sắc thể đơn bội. Người ta nói lần phân bào hai là phân
bào cân bằng và nó có cơ chế tương tự với phân bào nguyên phân. Sự phân ly ở kỳ sau hai
giống hệt với nguyên phân, hai nhiễm sắc tử chị em tách khỏi nhau và di chuyển về hai
cực theo mặt phẳng cắt dọc giữa hai nhiễm sắc tử chị em. Do chỉ có một lần nhân đơi
nhiễm sắc thể diễn ra vào kì trung gian trước lần phân bào I nhưng lại có tới hai lần phân
chia nhiễm sắc thể cho các tế bào con ở kì sau I và sau II nên khi kết thúc quá trình giảm
phân, từ một tế bào có bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội ban đầu sẽ tạo ra bốn tế bào con đơn
bội.
PHẦN III. ĐIỀU KHIỂN CHU KÌ TẾ BÀO
1.
Đặc điểm của chu kì tế bào
Chu kì tế bào là một chu trình tuần hồn các sự kiện xảy ra trong một tế bào từ lần
phân bào này cho đến lần phân bào kế tiếp.
Chu kì tế bào ở sinh vật nhân sơ rất đơn giản và được chia thành ba giai đoạn: giai
đoạn giữa phân chia (sơ sinh) và bắt đầu sao chép nhiễm sắc thể (giai đoạn B); thời kỳ cần
thiết để sao chép nhiễm sắc thể (kỳ C); và khoảng thời gian từ khi hồn thành q trình
nhân đơi nhiễm sắc thể đến khi hồn thành q trình phân chia tế bào (kỳ D) (Hình 6).

Chu kì tế bào ở sinh vật nhân thực diễn ra phức tạp hơn với hai thời kì chính là kì

trung gian và phân bào (M). Kì trung gian bao gồm ba pha là G1, S, G2 (Hình 7). Chu kỳ
phân bào có ý nghĩa sống cịn đối với tế bào bởi nhờ đó mà trứng được thụ tinh từ một tế
bào đơn phát triển thành cơ thể trưởng thành, đồng thời tóc, da, tế bào máu và một vài cơ
quan nội tạng luôn được làm mới. Sau giai đoạn phân chia, mỗi tế bào con tạo thành sẽ
bắt đầu kỳ trung gian của một chu kỳ phân bào mới. Pha Gl là pha sinh trưởng của tế bào
vì trong pha này xảy ra sự tổng hợp các ARN và protein, số lượng nhiễm sắc thể chứa
hàm lượng ADN là ổn định. Mỗi một nhiễm sắc thể chứa một phân tử ADN liên kết với
histon ở trạng thái hoạt động. Vào cuối pha G l, có một thời điểm được gọi là điểm kiểm
8


soát R. Nếu tế bào vượt qua điểm
R chúng tiếp tục đi vào pha S.
Đối với các tế bào biệt hố thì tế
bào khơng vượt qua R mà đi vào
q trình biệt hố tế bào để tạo
nên các dịng tế bào sinh dưỡng
(tế bào soma) khác nhau, có chức
năng khác nhau. Cuối pha G1 tế
bào tổng hợp một loại protein đặc
trưng là cyclin A và được tích luỹ
trong nhân tế bào. Pha S: chủ yếu
xảy ra sự tổng hợp ADN (tái bản
ADN) và nhân đôi nhiễm sắc thể.
Protein cyclin A (nhân tố hoạt hoá
tổng hợp ADN) tác động cho tới
cuối pha S thì biến mất. Sau pha S, hàm lượng ADN và số lượng nhiễm sắc thể đã được
nhân đôi. Pha G2: các ARN và protein được tổng hợp chuẩn bị cho phân bào. Cuối pha
G2, một protein được tổng hợp là cyclin B và được tích luỹ trong nhân cho đến tiền kỳ
phân bào. Cyclin B hoạt hoá enzim kinaza và đóng vai trị quan trọng trong việc thực hiện

quá trình phân bào như sự tạo thành các vi ông tubulin để tạo thành thoi phân bào. Tiếp
theo pha G2 là pha phân bào, là thời kỳ tế bào mẹ phân chia thành 2 tế bào con.
2.
Điều khiển chu kì tế bào
2.1. Điều khiển chu kì tế bào ở sinh vật nhân sơ
Chất dinh dưỡng là yếu tố quyết định chính cho việc bắt đầu sao chép nhiễm sắc thể
của sinh vật nhân sơ. Việc sản xuất protein khởi đầu DnaA và các thành phần thiết yếu
khác của cơ chế sao chép tỷ lệ thuận với lượng cacbon sẵn có và tốc độ tăng trưởng. Sự
thiếu hụt các axit amin sẽ ức chế trực tiếp sự khởi đầu sao chép thông qua việc sản xuất
guanosine tetraphosphate và guanosine pentaphosphate (được gọi chung là (p) ppGpp).
Tốc độ tăng trưởng cũng có thể ảnh hưởng gián tiếp đến sự khởi đầu, có khả năng ngăn
chặn sự khởi đầu quá mức. Sự sẵn có của chất dinh dưỡng và sự thiếu axit amin cũng ảnh
hưởng đến sự kéo dài sao chép và sự phân li của nhiễm sắc thể.
Việc đạt được kích thước hoặc khối lượng cụ thể đã được chấp nhận rộng rãi như là
cơ chế chính liên kết sự phát triển của tế bào với việc bắt đầu sao chép nhiễm sắc thể.
Theo hướng này, một yếu tố cần thiết để bắt đầu sao chép, thường được giả định là DnaA,
tích lũy phụ thuộc vào tốc độ tăng trưởng, đạt đến ngưỡng khi tế bào đạt được kích thước
cụ thể (được gọi là 'khối lượng ban đầu') để kích hoạt sao chép (Donachie, 1968). Nếu
khối lượng ban đầu không đổi có nghĩa là các tế bào ngắn phải trì hỗn q trình sao chép
cho đến khi chúng đạt đến kích thước thích hợp, trong khi các tế bào dài hơn sẽ bắt đầu
9


sao chép ADN sớm hơn. Đây là một cơ chế đơn giản để duy trì cân bằng kích thước tế
bào trong một quần thể nhất định.
Sự kiểm soát tạm thời quá trình phân chia tế bào ở sinh vật nhân sơ (Hình 8).
Quá trình lắp ráp FtsZ được phối hợp với việc bắt đầu sao chép DNA và phân ly nucleoid
để đảm bảo rằng các tế bào con nhận được các bản sao hoàn chỉnh của bộ gen vi khuẩn.
Ở Bacillus subtilis , con đường sinh tổng hợp glucolipid đóng vai trò như một bộ cảm
biến trao đổi chất để truyền thông tin về lượng carbon và tốc độ tăng trưởng, thông qua

nồng độ UDP-glucose nội bào, đến bộ máy phân chia. Khi cảm biến này hoạt động (trên
cùng), sự phân chia được kết hợp với việc đạt được kích thước cụ thể (được gọi là 'khối
lượng tới hạn') cũng như thời gian nhân đôi khối lượng. Khi cảm biến này bị lỗi (dưới
cùng), sự phân chia không bị tách rời khỏi việc đạt được khối lượng tới hạn nhưng vẫn
nhạy cảm với thời gian nhân đôi khối lượng, dẫn đến giảm kích thước tế bào.
2.2. Điều khiển chu kì tế bào ở sinh vật nhân thực
Điều hòa chu kỳ tế bào rất
quan trọng đối với tế bào, bao gồm
phát hiện và sửa chữa những tổn
thương trong bộ gen cũng như
ngăn ngừa sự phân chia tế bào một
cách mất kiểm soát. Cơ chế kiểm
soát chu kỳ tế bào được lập trình và
có định hướng, nghĩa là mỗi q
trình xảy ra theo một hướng liên
tục và không thể đảo ngược chu kỳ.
Các cơ chế điều hịa được thể hiện
tóm tắt trong hình 9.
Thứ nhất là một hệ thống các điểm chốt của chu kỳ và cơ chế tác động điều chỉnh
của MPF. Cơ chế kiểm tra ở điểm chốt là cơ chế kiểm tra theo mối liên hệ ngược, nghĩa là
công việc ở giai đoạn sau chỉ được bắt đầu khi cơng việc của giai đoạn trước đó đã hồn
thành, cũng có nghĩa là cơng việc sẽ xảy ở giai đoạn sau đã được chuẩn bị đầy đủ, tiền đề
cần thiết diễn ra ở giai đoạn trước đó. Tác động lên điểm chốt có các tín hiệu nội bào và
các tín hiệu đến từ các tế bào và các mô khác trong cơ thể, cũng như tín hiệu đến từ mơi
trường. Có ba điểm chốt quan trọng: đó là điểm chốt từ Gl sang S (ở nấm men được gọi là
điểm xuất phát S (start), còn ở động vật bậc cao được gọi là điểm hạn định R
(restriction)), khi tế bào vượt qua được điểm chốt G l chúng sẽ đi vào S để tổng hợp
ADN. Điểm chốt thứ hai là điểm chốt G2 để kiểm tra cửa vào M của tế bào, và điểm chốt
thứ 3 là điểm chốt M ở thời kỳ từ kì giữa chuyển sang kì sau phân bào, thường được gọi
là điểm cửa ra của phân bào, nghĩa là khi tế bào vượt qua điểm này sẽ hoàn tất phân bào

và đi vào Gl tiếp tục chu kỳ mới (hình 7). Điểm chốt Gl báo hiệu rằng quá trình tăng
10


trưởng, quá trình chuẩn bị cho sự tái bản ADN ỏ Gl đã được hoàn tất. Đối vổi các tế bào
bị ách lại ở Gl, các nhân tố sinh trưởng GF (Growth Factor) cũng như các chất kích thích
phân bào thường tác động lên điểm chốt Gl. Nhân tố phiên mã E2F có tác động kích thích
sự phiên mã các gen mã hóa cho các protein và enzim cần thiết cho sự tái bản ADN. Khi
tế bào chưa vượt qua điểm chốt G l thì E2F bị ức chế do liên kết với các protein ức chế, ví
dụ, protein Rb. Khi protein Rb bị photphorin hóa nhờ các phức hệ kinaza (tức MPF) như
Cdk4/6-cyclinD và Cdk2- cyclinE thì E2F được giải phóng, chúng sẽ tác động cùng với
Cdk2- cyclinA lên hệ tái bản ADN, và như vậy Gl được chuyển vào S. Người ta đã phát
hiện ra protein p53 (gọi như vậy vì khối lượng 53kDa) có vai trị ức chế tế bào người ở Gl
khi có sự hư hỏng ADN. Khi protein không hoạt động, các tế bào với hư hỏng ADN sẽ
vượt qua Gl vào S để tái bản ADN, hoàn thành chu kỳ và sẽ cho ra các tế bào con có thể
chuyển dạng thành tế bào ung thư. Vì vậy người ta gọi gen mã hóa cho protein p53 là gen
ức chế ung thư (tumor suppressor gene). Trong trường hợp bình thường, protein p53 là
một nhân tố phiên mã, chúng rất khơng bền vững, vì vậy, chúng tồn tại với lượng rất ít
vừa đủ để bám vào yếu tố kiểm tra tương ứng của ADN và hoạt hóa sự phiên mã. Sự hư
hỏng ADN làm bền vững hoá protein p53 và nồng độ của chúng tăng cao, chúng sẽ tích
cực kích thích phiên mã. Một trong các gen được chúng kích thích phiên mã là gen mã
hóa cho protein ức chế CIP p21, là protein ức chế hoạt tính của phức hệ cyclin-kinaza.
CIP p21 liên kết và ức chế tất cả Cdk-cyclin ở động vật có vú và kết quả là các tế bào bị
ách lại ở Gl (hoặc G0) cho tới khi ADN hư hỏng đã được sửa chữa và nồng độ p53 và CIP
p21 giảm xuống. Nếu ADN bị hư hại quá nặng thì protein p53 sẽ hoạt hóa các gen dẫn
đến q trình tự chết của tế bào (apoptosis). Điểm chốt G2 báo hiệu là các quá trình cần
thiết cho sự phân bào phải được hoàn tất như sự tái bản ADN, sự đông đặc và tăng xoắn
của sợi nhiễm sắc, sự tạo thành các vi ống chuẩn bị cho sự tạo thành thoi phân bào, thì tế
bào mới vượt qua chốt để vào kì đầu của phân bào. Nếu các quá trình đó chưa được hồn
tất hoặc có xảy ra sự hư hỏng ADN thì tế bào cũng bị dừng lại ở G2 và không vào được

M, như vậy ngăn chặn không để xảy ra sự hư hỏng trong hệ gen của thế hệ tế bào con
cháu. Điểm chốt của giai đoạn M ở kì giữa chuyển sang kì sau: Nếu các quá trình như tan
rã màng nhân, tạo thoi phân bào và các trung tiết (tức tâm động) bám gắn nhiễm sắc thể
vào sợi của thoi... chưa hồn tất thì tế bào bị dừng lại ở trung kỳ.
Thứ hai là hệ thống điều chỉnh chu kỳ tế bào là gồm hai họ protein chủ yếu. Họ thứ
nhất là các kinaza phụ thuộc cyclin-Cdk có tác dụng phát động các q trình tiền thân
bằng cách gây photphorin hóa nhiều protein đặc trưng tại gốc serin và threonin. Họ
protein thứ hai là các protein đặc biệt được gọi là cyclin, các cyclin đóng vai trị kiểm tra
hoạt tính photphorin hóa của Cdk đối với các protein đích. Khi cyclin liên kết với Cdk
thành một phức hệ thì Cdk ở trạng thái hoạt tính và khi cyclin tách khỏi Cdk thì Cdk
khơng có hoạt tính. Cyclin và kinases phụ thuộc cyclin (CDK) là hai loại phân tử điều hòa
chủ chốt quyết định diễn biến của chu kỳ tế bào. CDK chỉ có hoạt tính xúc tác khi được
gắn với cyclin hay nói cách khác cyclin là một protein điều hịa có vai trị hoạt hóa CDK.
11


CDK thực hiện phản ứng phosphoryl hóa hoạt hóa hay bất hoạt protein mục tiêu để tế bào
đi vào các pha tiếp theo của chu kỳ.Nhờ các tín hiệu ngoại bào tiền nguyên phân, phức
hợp cyclin-CDK G1 trở nên có hoạt tính giúp tế bào tiến vào pha S bằng cách thúc đẩy sự
biểu hiện các nhân tố phiên mã giúp tăng cường sự biểu hiện cyclin của pha S và các
enzyme cần thiết cho sự nhân đôi ADN. Phức hợp cyclin-CDK G 1cũng thúc đẩy sự phân
hủy các phân tử ức chế pha S. Phức hợp cyclin-CDK ở pha S phosphoryl hóa protein làm
phức hợp tiền nhân đơi đã được tập hợp trong suốt pha G 1 gắn vào điểm khởi đầu sao
chép ADN cảm ứng sự nhân lên của ADN. Phức hợp cyclin-CDK nguyên phân bị bất
hoạt trong suốt pha S và G2 sẽ khởi đầu giai đoạn nguyên phân bằng cách kích thích các
protein liên quan đến sự xoắn chặt của nhiễm sắc thể và sự hình thành thoi vơ sắc. APC
được hoạt hóa nhằm thúc đẩy sự phân hủy các protein cấu trúc liên kết với phức hợp
protein gắn vào tâm động nhiễm sắc thể đồng thời phân hủy cyclin trong giai đoạn
nguyên phân để kỳ cuối và giai đoạn phân chia tế bào chất có thể tiếp tục. Cyclin D là
cyclin đầu tiên được tạo ra trong chu kỳ tế bào đáp ứng lại các tín hiệu ngoại bào chẳng

hạn như các nhân tố tăng trưởng. Cyclin D gắn vào CDK4, tạo phức hợp cyclin D-CDK4
hoạt hóa có vai trị phosphoryl hóa protein ức chế khối u (Rb) giúp Rb phân tách khỏi
phức hợp E2F/DP1/Rb (phức hợp này được gắn vào gen và ngăn chặn q trình phiên
mã) dẫn tới hoạt hóa E2F. Sự hoạt hóa này cho phép phiên mã nhiều gen khác nhau như
cyclin E, cyclin A, DNA polymerase, thymidine kinase, …. Cyclin E khi gắn vào CDK2
tạo phức hợp cyclin E-CDK2 có vai trò đẩy tế bào từ G 1 vào pha S. Sự hoạt hóa phức hợp
Cyclin B-CDK2 giúp phá vỡ màng nhân và khởi đầu kỳ đầu của giai đoạn nguyên phân,
đồng thời sự bất hoạt phức hợp này giúp tế bào thoát khỏi nguyên phân. Phức hợp cyclinCDK ở các giai đoạn khác nhau của tế bào nhân thực được mơ tả ở hình
Thứ ba là nhân tố phát động trứng chín - MPF (M aturation Promoting Factor) giúp
điều chỉnh chu kì tế bào của phơi ở giai đoạn phát triển sớm. Nhân tố này giúp cho tế bào
vượt qua điểm chốt G2 tiến vào M. Nhân tố MPF khơng chỉ có tác dụng phát động để
vượt qua điểm chốt G2 mà còn phát động vượt qua điểm chốt ở G l cho phép tế bào đi
vào S. Tồn tại một số cyclin, khi hàm lượng của chúng đạt tới ngưỡng nào đó sẽ tác động
hoạt hố MPF và khi chúng bị phân hủy sẽ làm bất hoạt MPF và ức chế phân bào.
Thứ tư là các nhân tố sinh trưởng giúp điều chỉnh chu kì tế bào. Tác động của nhân
tố sinh trưởng có thể gây cho tế bào có hai đáp ứng: đáp ứng sớm và đáp ứng chậm.
Trong đáp ứng sớm: Nhân tố sinh trưởng có tác động kích thích sự phiên mã của nhiều
gen, chủ yếu là các gen mã hóa cho các nhân tố phiên mã như c-Fos và C-Jun. Trong đáp
ứng chậm: Các protein được tổng hợp trong giai đoạn đáp ứng sớm có tác động hoạt hóa
các gen ở giai đoạn đáp ứng chậm. Một số gen này là các gen mã hóa cho các nhân tố
phiên mã như E2F. Một số gen khác trong đáp ứng chậm là các gen mã hóa cho các loại
cyclin D, A, E, các gen mã hóa cho các loại Cdk2, Cdk4 và Cdk6 cũng được hoạt hóa và
biểu hiện. Cho đến khi nào nồng độ các protein này tích lũy đủ thì tế bào mới vượt qua
điểm R để vào S và tái bản ADN. Một số nhân tố phiên mã E2F là cần thiết cho sự phiên
12


mã các gen trên đây, cũng như các gen mã hóa cho nhiều protein tham gia vào sự tổng
hợp ADN và nhân tố E2F cũng kích thích sự phiên mã các gen mã hóa cho bản thân
chúng. Khả năng kích thích phiên mã của E2F lại bị ức chế bởi protein liên kết với chúng

là Rb và bởi 2 protein thân thuộc khác là pl07 và pl30. Protein Rb đầu tiên được xác định
như là sản phẩm của gen ức chế, do đó dẫn đến sự hoạt hóa các gen cần thiết bởi E2F để
đi vào giai đoạn S.
Một số protein ức chế cũng có vai trị trong điều khiển chu kì tế bào. các protein có
tác dụng ức chế hoạt tính của các cyclin-kinaza, được gọi là CKI (Cyclin Kinase
Inhibitor) và chúng có hai lớp: Một lớp được gọi là CIP (Cdk Inhibitor Protein), chúng
liên kết và ức chế tất cả các phức hệ Cdkl-, Cdk2-, Cdk4- và Cdk6-cyclin. Một lớp khác
được gọi là INK4 (kinase-4-inhibitor) liên kết và ức chế phức hệ Cdk4-cyclin D và Cdk6cyclin D. Người ta đã biết được một loại protein INK4 là pl6 có tác động như một chất ức
chế ung thư (tumor suppressor). Người ta cũng đã biết được ở động vật có vú có ba lớp
protein CIP được gọi là p21, p27 và p57. Các protein ức chế như INK4 và các CIP như
p21, p27 và p57 đóng vai trị ức chế hệ MPF, từ đó ức chế chu kỳ tế bào. Vai trò của CIP
p21 là đáp ứng lại sự hư hỏng của ADN ở tế bào động vật có vú. Chúng cũng có vai trị
ức chế sự tăng sinh tế bào trong phát triển phôi sinh. Protein CIP p57 được biểu hiện
trong các tế bào được biệt hóa của đa số mô của cơ thể trưởng thành.
Như vậy cơ chế phân bào và điều khiển chu kì tế bào ở sinh vật nhân thực diễn ra
phức tạp và chặt chẽ hơn so với sinh vật nhân sơ. Điều này phù hợp với sự phức tạp và
hoàn thiện hơn về cấu trúc của tế bào nhân thực và đồng thời giúp đảm bảo sự sinh
trưởng, phát triển bình thường, ổn định của tế bào và cơ thể.

13


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. N.A. Campbell, J.B Reece, L.A Urry, M.L Cain, S.A Wasseman, P.V Minorsky và R.B
Jackson (2012), Sinh học (dịch theo sách xuất bản lần thứ 8). NXB Giáo dục Việt Nam 6
2. Nguyễn Như Hiền (2007), Giáo trình Sinh học tế bào, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội
3. Jue D. Wang and Petra A. Levin (2009). Metabolism, cell growth and the bacterial cell
cycle, Nature Reviews Microbiology volume 7, pages822–827.
4. Eric V. Wong (2009), Cells: Molecules and Mechanisms, Axolotl Academic
Publishing.

5. />6. />7. />
14