Cấu trúc và Chức năng Tế bào

Ý tưởng lớn 4 — Tương tác Hệ thống (SYI): Các hệ thống sinh học tương tác với nhau, và các hệ thống cùng tương tác của chúng thể hiện các thuộc tính phức tạp.

Mục tiêu học tập 2.1.A: Giải thích cách cấu trúc và chức năng của các thành phần tế bào và bào quan đóng góp vào chức năng của tế bào.

• 2.1.A.1 Ribosome được cấu tạo từ ribosomal RNA (rRNA) và protein. Những cấu trúc không màng này nằm trong tế bào của mọi hình thức sự sống và phản ánh nguồn gốc tổ tiên chung trong toàn bộ sự sống đã biết. Ribosome tổng hợp protein theo trình tự messenger RNA (mRNA).
• 2.1.A.2 Hệ nội màng bao gồm một nhóm các bào quan có màng và các thành phần tế bào (lưới chất nội sinh (ER), bộ máy Golgi, lysosome, vacuole và vesicle vận chuyển, envelope nhân, và màng plasma) hoạt động cùng nhau để biến đổi, đóng gói và vận chuyển polysaccharide, lipid và protein giữa các tế bào.
• 2.1.A.3 Lưới chất nội sinh cung cấp hỗ trợ cơ học bằng cách giúp tế bào duy trì hình dạng và tham gia vào quá trình vận chuyển nội bào.
  • i. ER sần gắn liền với ribosome có màng, cho phép phân vùng tế bào và hỗ trợ thực hiện tổng hợp protein.
  • ii. Các chức năng của ER trơn bao gồm giải độc tế bào và tổng hợp lipid.
  • Câu loại trừ: Kiến thức về các chức năng cụ thể của ER trơn trong các tế bào chuyên hóa nằm ngoài phạm vi của Đề thi AP.
• 2.1.A.4 Bộ máy Golgi là một cấu trúc có màng bao gồm một chuỗi các túi màng dẹt. Chức năng của Golgi bao gồm:
  • i. Gấp lại đúng cách và biến đổi hóa học các sản phẩm tế bào mới được tổng hợp
  • ii. Đóng gói protein để vận chuyển
  • Câu loại trừ: Kiến thức về vai trò của Golgi trong việc tổng hợp các phospholipid cụ thể và đóng gói các enzyme cụ thể cho lysosome, peroxisome và vesicle tiết nằm ngoài phạm vi của Đề thi AP.
  • Ví dụ minh họa cho 2.1.A.4:
    • Glycosylation và các biến đổi hóa học khác của protein diễn ra bên trong Golgi và quyết định chức năng hoặc định vị của protein
• 2.1.A.5 Mitochondria có màng kép tạo thành các ngăn chứa các phản ứng trao đổi chất khác nhau liên quan đến hô hấp tế bào hiếu khí. Màng ngoài trơn láng, trong khi màng trong rất gợn sóng, tạo thành các nếp gấp giúp tổng hợp ATP hiệu quả hơn.
• 2.1.A.6 Lysosome là các túi được bao quanh bởi màng chứa các enzyme thủy phân để tiêu hóa vật liệu. Lysosome cũng đóng vai trò trong cái chết tế bào theo chương trình (apoptosis).
• 2.1.A.7 Vacuole là các túi có màng bao quanh đóng nhiều vai trò khác nhau.
  • i. Trong tế bào thực vật, một vacuole lớn chuyên hóa duy trì áp suất trương nước thông qua việc lưu trữ chất dinh dưỡng và nước.
  • ii. Trong tế bào động vật, vacuole nhỏ hơn về kích thước, phổ biến hơn so với tế bào thực vật và lưu trữ các vật liệu tế bào.
• 2.1.A.8 Chloroplast là các bào quan chuyên hóa được tìm thấy ở thực vật và tảo quang hợp. Chloroplast chứa màng kép và đóng vai trò là nơi diễn ra quá trình quang hợp.

Ý tưởng lớn 2 — Năng lượng (ENE): Các hệ thống sinh học sử dụng năng lượng và các khối xây dựng phân tử để phát triển, sinh sản và duy trì cân bằng nội động thái ổn định.

Mục tiêu học tập 2.2.A: Giải thích ảnh hưởng của tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích đối với quá trình trao đổi vật chất giữa tế bào hoặc sinh vật với môi trường.

• 2.2.A.1 Tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích ảnh hưởng đến khả năng của một hệ thống sinh học để thu nhận các chất dinh dưỡng cần thiết, loại bỏ sản phẩm thải, thu nhận hoặc tản nhiệt, và trao đổi hóa chất cũng như năng lượng với môi trường nói chung.
  • Các phương trình liên quan:
    • Thể tích hình cầu: $V = \dfrac{4}{3}\pi r^3$
    • Thể tích hình lập phương: $V = s^3$
    • Thể tích hình hộp chữ nhật: $V = lwh$
    • Thể tích hình trụ: $V = \pi r^2 h$
    • Diện tích bề mặt hình cầu: $SA = 4\pi r^2$
    • Diện tích bề mặt hình lập phương: $SA = 6s^2$
    • Diện tích bề mặt khối hộp chữ nhật: $SA = 2lh + 2lw + 2wh$
    • Diện tích bề mặt hình trụ: $SA = 2\pi rh + 2\pi r^2$
    • $r$ = bán kính
    • $l$ = chiều dài
    • $h$ = chiều cao
    • $w$ = chiều rộng
    • $s$ = độ dài một cạnh của hình lập phương
  • Ví dụ minh họa cho 2.2.A.1:
    • Tỷ lệ SA/V và Trao đổi
      • Sợi rễ
      • Tế bào bảo vệ
      • Tế bào biểu mô ruột
    • Lông chuyển
    • Khí pore
• 2.2.A.2 Diện tích bề mặt của màng plasma phải đủ lớn để trao đổi vật chất một cách đầy đủ.
  • i. Tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích có thể hạn chế kích thước và hình dạng tế bào. Các tế bào nhỏ thường có tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao hơn cũng như trao đổi vật chất với môi trường hiệu quả hơn so với các tế bào lớn.
  • ii. Khi tế bào tăng thể tích, tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích giảm và nhu cầu về tài nguyên nội bộ tăng lên.
  • iii. Các cấu trúc tế bào phức tạp hơn (ví dụ: nếp gấp màng) là cần thiết để trao đổi vật chất với môi trường một cách đầy đủ.
  • iv. Khi sinh vật tăng kích thước, tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích giảm xuống, ảnh hưởng đến các tính chất như tốc độ trao đổi nhiệt với môi trường. Các khối lượng nhỏ hơn tỷ lệ trao đổi nhiều nhiệt hơn với môi trường xung quanh so với các khối lượng lớn hơn. Khi khối lượng tăng, cả tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích và tốc độ trao đổi nhiệt đều giảm.
  • v. Có mối liên hệ giữa tốc độ trao đổi chất trên một đơn vị khối lượng cơ thể và kích thước của các sinh vật đa bào; thông thường, sinh vật càng nhỏ thì tốc độ trao đổi chất trên một đơn vị khối lượng cơ thể càng cao.

Ý tưởng lớn 2 — Năng lượng (ENE): Các hệ thống sinh học sử dụng năng lượng và các khối xây dựng phân tử để phát triển, sinh sản và duy trì cân bằng nội động thái ổn định.

Mục tiêu học tập 2.3.A: Mô tả vai trò của từng thành phần trong màng tế bào trong việc duy trì môi trường bên trong tế bào.

• 2.3.A.1 Phospholipid có cả vùng ưa nước và kỵ nước. Các vùng phosphate ưa nước phân cực của phospholipid được định hướng về phía môi trường nước bên ngoài hoặc bên trong, trong khi các vùng axit béo kỵ nước không phân cực đối diện nhau bên trong màng.
• 2.3.A.2 Protein nhúng có thể là ưa nước (có nhóm bên mang điện tích và phân cực), kỵ nước (có nhóm bên không phân cực), hoặc cả hai.
  • i. Các vùng ưa nước của protein nằm ở bên trong cấu trúc protein hoặc tiếp xúc với dịch bào tương (tế bào chất).
  • ii. Các vùng kỵ nước của protein tạo nên bề mặt protein tương tác với các axit béo bên trong màng.

Mục tiêu học tập 2.3.B: Mô tả mô hình mosaic lỏng của màng tế bào.

• 2.3.B.1 Màng sinh chất bao gồm khung cấu trúc từ các phân tử phospholipid được nhúng protein, steroid (như cholesterol ở động vật có xương sống), glycoprotein và glycolipid. Tất cả những thành phần này có thể di chuyển trên bề mặt tế bào bên trong màng, như minh họa bởi mô hình mosaic lỏng.

Ý tưởng lớn 2 — Năng lượng (ENE): Các hệ thống sinh học sử dụng năng lượng và các khối xây dựng phân tử để phát triển, sinh sản và duy trì cân bằng nội động thái ổn định.

Mục tiêu học tập 2.4.A: Giải thích cách cấu trúc của màng sinh học ảnh hưởng đến tính thấm chọn lọc.

• 2.4.A.1 Màng sinh chất tách biệt môi trường bên trong tế bào khỏi môi trường bên ngoài. Tính thấm chọn lọc là kết quả của việc màng sinh chất có phần bên trong kỵ nước.
• 2.4.A.2 Các phân tử không phân cực nhỏ, bao gồm $\mathrm{N_2}$, $\mathrm{O_2}$, và $\mathrm{CO_2}$, tự do đi qua màng. Các chất ưa nước, như các phân tử phân cực lớn và ion, di chuyển qua màng thông qua các kênh nhúng và protein vận chuyển.
• 2.4.A.3 Đuôi hydrocarbon không phân cực của phospholipid ngăn cản sự di chuyển của ion và phân tử phân cực qua màng. Các phân tử phân cực nhỏ không mang điện, như $\mathrm{H_2O}$ hoặc $\mathrm{NH_3}$ (ammonia), đi qua màng với số lượng ít.

Mục tiêu học tập 2.4.B: Mô tả vai trò của thành tế bào trong việc duy trì cấu trúc và chức năng tế bào.

• 2.4.B.1 Thành tế bào của Vi khuẩn, Archaea, Nấm và thực vật cung cấp ranh giới cấu trúc cũng như rào cản thẩm thấu cho một số chất đối với môi trường tế bào bên trong hoặc bên ngoài và bảo vệ chống lại ly giải do áp suất thẩm thấu.

Ý tưởng lớn 2 — Năng lượng (ENE): Các hệ thống sinh học sử dụng năng lượng và các khối xây dựng phân tử để phát triển, sinh sản và duy trì cân bằng nội động thái ổn định.

Mục tiêu học tập 2.5.A: Mô tả các cơ chế mà sinh vật sử dụng để duy trì cân bằng dung dịch và nước.

• 2.5.A.1 Tính thấm chọn lọc của màng cho phép hình thành gradient nồng độ của dung dịch trên khắp màng.
• 2.5.A.2 Vận chuyển thụ động là sự di chuyển ròng của các phân tử từ vùng có nồng độ cao sang vùng có nồng độ thấp mà không cần cung cấp trực tiếp năng lượng trao đổi chất.
• 2.5.A.3 Vận chuyển chủ động yêu cầu cung cấp trực tiếp năng lượng để di chuyển các phân tử. Trong một số trường hợp, vận chuyển chủ động được sử dụng để di chuyển các phân tử từ vùng có nồng độ thấp sang vùng có nồng độ cao.

Mục tiêu học tập 2.5.B: Mô tả các cơ chế mà sinh vật sử dụng để vận chuyển các phân tử lớn qua màng sinh chất.

• 2.5.B.1 Các quá trình thực bào và xuất bào đòi hỏi năng lượng để di chuyển các chất lớn hoặc số lượng lớn chất vào và ra khỏi tế bào.
  • i. Trong thực bào, tế bào thu nhận các phân tử lớn và vật liệu hạt bằng cách gập màng sinh chất vào bên trong và tạo ra các túi mới (nhỏ) bao bọc vật liệu từ môi trường bên ngoài.
  • ii. Trong xuất bào, các túi nội bào giải phóng vật liệu ra khỏi tế bào bằng cách fusion (trộn lẫn) với màng sinh chất và tiết các phân tử lớn ra khỏi tế bào.

Ý tưởng lớn 2 — Năng lượng (ENE): Các hệ thống sinh học sử dụng năng lượng và các khối xây dựng phân tử để phát triển, sinh sản và duy trì cân bằng nội động thái ổn định.

Mục tiêu học tập 2.6.A: Giải thích cách cấu trúc của một phân tử ảnh hưởng đến khả năng đi qua màng sinh chất của nó.

• 2.6.A.1 Khuếch tán có hỗ trợ yêu cầu protein vận chuyển hoặc protein kênh để cho phép sự di chuyển của các ion mang điện qua màng.
  • i. Màng có thể bị phân cực hóa do sự di chuyển của các ion qua màng.
  • ii. Các ion mang điện, bao gồm $\mathrm{Na^+}$ (natri) và $\mathrm{K^+}$ (kali), require protein kênh để di chuyển qua màng.
• 2.6.A.2 Khuếch tán có hỗ trợ cho phép sự di chuyển của các phân tử phân cực lớn qua màng mà không cần cung cấp năng lượng. Trong loại khuếch tán này, các chất di chuyển dọc theo gradient nồng độ.
• 2.6.A.3 Aquaporin vận chuyển số lượng lớn nước qua màng.

Ý tưởng lớn 2 — Năng lượng (ENE): Các hệ thống sinh học sử dụng năng lượng và các khối xây dựng phân tử để phát triển, sinh sản và duy trì cân bằng nội động thái ổn định.

Mục tiêu học tập 2.7.A: Giải thích cách gradient nồng độ ảnh hưởng đến sự di chuyển của các phân tử qua màng.

• 2.7.A.1 Môi trường bên ngoài có thể là đẳng trương, siêu đẳng trương hoặc siêu đẳng trương so với môi trường bên trong tế bào. Sự di chuyển của nước cũng có thể được mô tả là di chuyển từ vùng đẳng trương sang vùng siêu đẳng trương. Nước di chuyển bằng thẩm thấu từ vùng có thế năng lượng nước cao sang vùng có thế năng lượng nước thấp.
  • Phương trình (Thế năng lượng nước): $\psi = \psi_p + \psi_s$
    • trong đó:
    • $\psi_p$ = thế áp suất
    • $\psi_s$ = thế chất tan
  • Ví dụ minh họa cho 2.7.A.1:
    • Vacuole co rút ở sinh vật nguyên sinh
    • Vacuole trung tâm ở tế bào thực vật

Mục tiêu học tập 2.7.B: Giải thích cách các cơ chế điều hòa thẩm thấu đóng góp vào sức khỏe và sự tồn tại của sinh vật.

• 2.7.B.1 Sự tăng trưởng và duy trì cân bằng nội môi được đảm bảo bởi sự di chuyển liên tục của các phân tử qua màng.
• 2.7.B.2 Điều hòa thẩm thấu duy trì cân bằng nước và cho phép sinh vật kiểm soát thành phần chất tan và thế nước bên trong. Nước di chuyển từ vùng có độ thẩm thấu hoặc nồng độ chất tan thấp sang vùng có độ thẩm thấu hoặc nồng độ chất tan cao.
  • Phương trình (Thế chất tan của dung dịch): $\psi_s = -iCRT$
    • trong đó:
    • $i$ = hằng số ion hóa
    • $C$ = nồng độ mol
    • $R$ = hằng số áp suất $\left(R = 0.0831 \dfrac{L \cdot bars}{mol \cdot K}\right)$
    • $T$ = nhiệt độ tuyệt đối (°C + 273)

Ý tưởng lớn 2 — Năng lượng (ENE): Các hệ thống sinh học sử dụng năng lượng và các khối xây dựng phân tử để phát triển, sinh sản và duy trì cân bằng nội động thái ổn định.

Mục tiêu học tập 2.8.A: Mô tả các quá trình cho phép ion và các phân tử khác di chuyển qua màng.

• 2.8.A.1 Năng lượng trao đổi chất (như năng lượng từ ATP) là cần thiết cho vận chuyển chủ động của các phân tử qua màng và để thiết lập, duy trì gradient điện hóa.
  • i. Protein màng là cần thiết cho vận chuyển chủ động.
  • ii. Bơm $\mathrm{Na^+}/\mathrm{K^+}$ và ATPase đóng góp vào việc duy trì thế màng.

Ý tưởng lớn 2 — Năng lượng (ENE): Các hệ thống sinh học sử dụng năng lượng và các khối xây dựng phân tử để phát triển, sinh sản và duy trì cân bằng nội động thái ổn định.

Mục tiêu học tập 2.9.A: Mô tả các cấu trúc có màng của tế bào nhân thực.

• 2.9.A.1 Màng và các bào quan có màng trong tế bào nhân thực phân chia các quá trình trao đổi chất nội bào và các phản ứng enzyme cụ thể.

Mục tiêu học tập 2.9.B: Giải thích cách các màng nội bào và các bào quan có màng đóng góp vào sự phân compartmentalization chức năng của tế bào nhân thực.

• 2.9.B.1 Màng nội bào hỗ trợ các quá trình tế bào bằng cách giảm thiểu tương tác cạnh tranh và tăng diện tích bề mặt nơi các phản ứng có thể diễn ra.

Ý tưởng lớn 1 — Tiến hóa (EVO): Quá trình tiến hóa thúc đẩy sự đa dạng và tính thống nhất của sự sống.

Mục tiêu học tập 2.10.A: Mô tả những điểm tương tự và/hoặc khác biệt về sự phân vùng giữa tế bào nhân sơ và tế bào nhân thực.

• 2.10.A.1 Các bào quan có màng như mitochondria và chloroplast tiến hóa từ các tế bào nhân sơ từng sống độc lập thông qua nội cộng sinh.
• 2.10.A.2 Nhân sơ thường thiếu các bào quan có màng bên trong nhưng có các khu vực nội bộ với các cấu trúc và chức năng chuyên hóa.
• 2.10.A.3 Tế bào nhân thực duy trì các màng nội bộ phân chia tế bào thành các khu vực chuyên hóa.