Thành tế bào là gì? Tìm hiểu cấu tạo, chức năng và vai trò

Thành tế bào là một trong những cấu trúc nền tảng của sinh học tế bào, hiện diện ở thực vật, vi khuẩn và nấm với vai trò bảo vệ và duy trì hoạt động sống của tế bào. Dù đã được nghiên cứu từ lâu, đây vẫn là chủ đề thu hút nhiều sự quan tâm trong khoa học hiện đại, đặc biệt trong lĩnh vực y học và công nghệ sinh học.

Hiểu rõ thành tế bào là gì, cấu tạo và chức năng của chúng không chỉ có giá trị học thuật mà còn là nền tảng để phát triển nhiều loại thuốc và ứng dụng thực tiễn quan trọng. Thông qua bài viết dưới đây, Mescells sẽ tổng hợp những kiến thức cần biết về thành tế bào, dựa trên các nghiên cứu khoa học cập nhật nhất hiện nay.

1. Thành tế bào là gì?

Thành tế bào (vách tế bào) là lớp cấu trúc nằm bên ngoài cùng có độ cứng và tính linh hoạt khác nhau tùy nhóm sinh vật. Chúng có chức năng bảo vệ, định hình cấu trúc, hỗ trợ cơ học và ngăn tế bào bị vỡ do áp lực thẩm thấu.

Thành tế bào có thể được cấu tạo từ nhiều loại phân tử khác nhau tùy theo nhóm sinh vật. Điều thú vị là dù cùng mang tên “thành tế bào”, cấu trúc của chúng lại rất khác nhau giữa các nhóm sinh vật, từ cellulose ở thực vật, peptidoglycan ở vi khuẩn, cho đến chitin ở nấm.

Thành tế bào là một cấu trúc vững chắc bảo vệ và duy trì hình dạng tế bào 

2. Cấu tạo của thành tế bào

Tùy thuộc vào nhóm sinh vật, thành tế bào có cấu tạo hóa học và vật lý rất khác nhau. Hãy cùng tìm hiểu 3 loại dưới đây:

2.1. Thành tế bào thực vật

Thành tế bào thực vật là một trong những cấu trúc phức tạp và được nghiên cứu nhiều nhất. Về cơ bản, nó được xây dựng từ ba nhóm polysaccharide chính: cellulose, hemicellulose, và pectin, cùng với một số protein cấu trúc và lignin – thành phần có trong thành tế bào thứ cấp, đặc biệt ở mô gỗ và mô dẫn [1]:

• Cellulose là thành phần chính của thành tế bào sơ cấp. Đây là những sợi nano cứng chắc (nanofibril), được tổng hợp bởi enzyme cellulose synthase trên màng tế bào chất, rồi lắp ráp thành mạng lưới ba chiều. Chính cellulose tạo nên độ cứng và khả năng chịu lực kéo cho tế bào thực vật.
• Hemicellulose là cầu nối liên kết các sợi cellulose lại với nhau. Trong thành sơ cấp, hemicellulose chủ yếu là xyloglucan; trong thành thứ cấp là xylan và glucomannan.
• Pectin là thành phần điều chỉnh độ xốp và tính linh hoạt của thành tế bào. Pectin có thể hình thành cấu hình “egg-box” (hộp trứng) khi có mặt ion calcium, từ đó điều chỉnh độ cứng của thành.

Một điểm đáng chú ý là thành tế bào thực vật còn chứa nhiều loại protein vách tế bào (cell wall proteins – CWPs) với vai trò điều tiết và cấu trúc. Các protein này tạo nên các liên kết cộng hóa trị và phi cộng hóa trị với polysaccharide, tham gia vào quá trình mở rộng tế bào, phòng thủ chống bệnh và truyền tín hiệu.

Cấu tạo của thành tế bào thực vật 

2.2. Thành tế bào vi khuẩn

Vi khuẩn được chia làm hai nhóm dựa trên kết quả nhuộm Gram, một phương pháp phân loại dựa trên cấu trúc thành tế bào. Cả hai nhóm đều có thành phần trung tâm là peptidoglycan (còn gọi là murein), nhưng khác nhau về cấu trúc và độ dày.

• Vi khuẩn Gram dương: Có một lớp peptidoglycan rất dày, chiếm phần lớn cấu trúc thành tế bào. Ngoài ra, acid teichoic là những polymer mang điện tích âm giúp duy trì tính toàn vẹn của thành và tham gia tương tác với môi trường.
• Vi khuẩn Gram âm: Có lớp peptidoglycan mỏng hơn nhiều, nhưng được bao bọc thêm bởi một màng ngoài (outer membrane) chứa lipopolysaccharide (LPS). Chính cấu trúc hai lớp màng này tạo ra một hàng rào vật lý mạnh mẽ, khiến nhiều loại kháng sinh khó xâm nhập vào bên trong tế bào.

Peptidoglycan có cấu trúc dạng mạng lưới, gồm các sợi đường (glycan strand) liên kết với nhau qua các cầu nối peptide ngắn (peptide crosslink). Chính cấu trúc này tạo nên độ bền cơ học, giúp vi khuẩn chịu được áp suất thẩm thấu rất cao mà không bị vỡ. Đây cũng chính là lý do peptidoglycan trở thành mục tiêu của nhiều loại kháng sinh [2].

2.3. Thành tế bào nấm

Thành tế bào nấm có cấu tạo đặc trưng bởi hai thành phần chính là β-glucan và chitin. β-1,3-glucan là lớp polysaccharide tạo khung xương chính cho thành, còn chitin, cùng là loại chất tạo nên vỏ tôm cua, làm tăng độ cứng và độ bền. Ngoài ra còn có mannoprotein (glycoprotein chứa mannose) ở lớp ngoài cùng, đóng vai trò trong nhận diện miễn dịch và giao tiếp giữa tế bào và tế bào.

Điều quan trọng là thành tế bào nấm hoàn toàn không có ở tế bào người, nên nó là mục tiêu lý tưởng cho thuốc kháng nấm mà không gây hại cho người bệnh.

Thành tế bào nấm đặc trưng bởi hai thành phần glucan và chitin

3. Chức năng của thành tế bào

3.1. Bảo vệ cơ học

Chức năng đầu tiên và rõ ràng nhất là bảo vệ cơ học. Thành tế bào tạo ra một lớp áo giáp cứng chắc bao quanh màng sinh chất mềm mỏng bên trong. Nhờ đó, tế bào có thể chịu đựng sự thay đổi áp suất thẩm thấu, va chạm vật lý, và nhiều loại stress môi trường mà không bị vỡ hay biến dạng.

Ví dụ, ở thực vật, sức căng (turgor pressure) bên trong tế bào có thể rất lớn, thành tế bào là thứ duy nhất ngăn tế bào nổ tung, duy trì nguyên vẹn hình dạng. Chính sức căng này, kết hợp với độ cứng của thành, tạo nên sự vững chắc cho cây, giúp cây đứng thẳng mà không cần xương như động vật.

3.2. Kiểm soát sự vận chuyển vật chất

Thành tế bào không ngăn chặn hoàn toàn sự di chuyển của các phân tử, chúng hoạt động như một bộ lọc có chọn lọc. Các phân tử nhỏ như nước, ion và một số chất dinh dưỡng có thể khuếch tán qua thành, trong khi các phân tử lớn hơn bị chặn lại.

Ở thực vật, pectin đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh độ xốp của thành, từ đó kiểm soát lưu lượng ion và nước. Đặc biệt, sự tích tụ ion Na+ trong khoảng không gian ngoài màng (apoplast) khi bị stress mạnh có thể phá vỡ cân bằng pH và làm thành tế bào mất khả năng giãn nở.

Pectin trong cấu trúc thành tế bào đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát sự vận chuyển ion và nước

Các phân tử protein bề mặt thành tế bào (như chất kết dính và thụ thể) cho phép nấm cảm nhận môi trường xung quanh, tương tác với các vi sinh vật khác và bám vào bề mặt hoặc mô vật chủ [3].

3.3. Định hình tế bào và tổ chức mô

Thành tế bào quyết định hình dạng của tế bào. Ở thực vật, hướng sắp xếp của các sợi cellulose trong thành tế bào hướng dẫn chiều mà tế bào có thể giãn nở, tạo ra tế bào dài, ngắn hoặc hình đặc biệt tùy theo chức năng. Điều này cực kỳ quan trọng trong quá trình hình thái phát sinh của cây.

Ở vi khuẩn, thành tế bào xác định hình dạng đặc trưng như cầu khuẩn (tròn), trực khuẩn (que), xoắn khuẩn (xoắn). Hình dạng này ảnh hưởng trực tiếp đến cách vi khuẩn di chuyển, bám dính vào bề mặt và trốn tránh hệ miễn dịch. Tương tự ở nấm, thành tế bào hoạt động như một “bộ xương ngoài” cứng cáp nhưng linh hoạt, tạo cho tế bào nấm hình dạng đặc trưng (ví dụ: sợi nấm hoặc nấm men) và đảm bảo tính toàn vẹn cấu trúc.

Thành tế bào quyết định hình dạng đặc trưng của vi khuẩn

3.4. Truyền tín hiệu và phòng thủ

Một trong những khám phá thú vị nhất trong thập kỷ qua là thành tế bào thực vật có vai trò truyền tín hiệu phức tạp. Khi cây bị tấn công bởi mầm bệnh, thành tế bào không chỉ là rào cản vật lý mà còn phát tín hiệu cảnh báo cho toàn bộ cây thông qua các phân tử DAMP (Damage-Associated Molecular Patterns). Đây là cơ chế “tự vệ chủ động” cực kỳ tinh vi của thực vật [4].

Callose – một loại polysaccharide – được nhanh chóng tích lũy tại vị trí bị tấn công, tạo thành một “bịt vết thương” tạm thời [5]. Đồng thời, lignin có thể được lắng đọng để tăng cường độ bền. Sự tích tụ và phân hủy callose tại vị trí tổn thương được điều tiết chặt chẽ nhờ enzyme β-1,3-glucanase – một cơ chế giúp kiểm soát phản ứng phòng thủ của tế bào.

Ở vi khuẩn, thành tế bào cũng đóng vai trò bảo vệ chủ động, đặc biệt là màng ngoài của vi khuẩn Gram âm hoạt động như một tấm khiên ngăn nhiều loại kháng sinh và chất độc từ môi trường.

Đối với nấm gây bệnh, các protein thành tế bào ngoài (chất kết dính) cho phép nấm bám dính và xâm nhập vào mô vật chủ. Chúng cũng đóng vai trò như một lớp bảo vệ để né tránh hoặc điều chỉnh hệ thống miễn dịch bẩm sinh của vật chủ.

Thành tế bào của vi khuẩn Gram âm đóng vai trò ngăn cản nhiều loại kháng sinh và chất độc từ môi trường bên ngoài tấn công 

3.5. Hỗ trợ trao đổi chất và tăng trưởng

Thành tế bào không cố định mà nó phải liên tục được tái cấu trúc để tế bào có thể lớn lên. Quá trình này được điều tiết bởi nhiều loại enzyme và protein, trong đó nổi bật là expansin – một loại protein điều chỉnh sự lỏng lẻo của thành tế bào theo pH (acid growth), giúp thành tế bào giãn ra để tế bào mở rộng [6].

Tốc độ và chiều hướng giãn nở của thành tế bào được điều phối bởi nhiều tín hiệu nội và ngoại bào. Enzyme H⁺-ATPase trên màng sinh chất bơm proton ra ngoài, hạ pH của thành tế bào, kích hoạt expansin và thúc đẩy giãn nở. Đây là cơ chế “acid growth” kinh điển đang được tiếp tục làm sáng tỏ.

Thành tế bào liên tục tái cấu trúc để tế bào lớn lên nhờ protein expansin

4. Ý nghĩa của thành tế bào trong sinh học và y học

4.1. Trong lĩnh vực y tế và dược phẩm

Mục tiêu tác động của thuốc kháng sinh

Thành tế bào vi khuẩn rất giàu một loại polymer độc đáo gọi là peptidoglycan. Vì tế bào người không có loại polymer này, nên các nhà khoa học đã phát triển kháng sinh nhắm vào thành tế bào vi khuẩn. Từ penicillin (kháng sinh đầu tiên được phát hiện) đến vancomycin và các glycopeptide thế hệ mới, tất cả đều hoạt động bằng cách cản trở quá trình tổng hợp peptidoglycan, tiêu diệt vi khuẩn mà không (hoặc ít) gây hại cho người dùng [2].

Mục tiêu nhắm vào thành tế bào nấm

Tương tự với vi khuẩn, thành tế bào nấm là đích tấn công lý tưởng vì con người không có cấu trúc này. Nhóm thuốc echinocandin (gồm caspofungin, micafungin, và anidulafungin) hoạt động bằng cách ức chế enzyme β-1,3-glucan synthase – enzyme xây dựng β-glucan, thành phần cốt lõi của thành tế bào nấm. Kết quả là thành tế bào nấm bị phá vỡ, khiến tế bào nấm mất ổn định và bị tiêu diệt [7].

Ngăn cản thành tế bào vi khuẩn tổng hợp peptidoglycan là mục tiêu của nhiều loại kháng sinh 

Nhận diện miễn dịch

Các thành phần cấu tạo của vách tế bào vi khuẩn đóng vai trò là các mẫu phân tử liên quan đến mầm bệnh (PAMPs). Hệ thống miễn dịch của con người phát hiện các dấu hiệu đặc trưng của vách tế bào này để nhận biết nhiễm trùng và khởi động các phản ứng phòng vệ.

Vai trò trong chẩn đoán và nhận diện vi sinh vật

Thành tế bào là nền tảng của nhiều phương pháp chẩn đoán vi sinh vật. Phương pháp nhuộm Gram, giúp phân biệt vi khuẩn dựa trên cấu trúc thành tế bào, vẫn là một trong những xét nghiệm đầu tiên và quan trọng nhất trong vi sinh y học, được thực hiện thường quy tại hầu hết các phòng xét nghiệm trên thế giới.

Gần đây, các kỹ thuật khối phổ hiện đại như MALDI-TOF MS (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization-Time of Flight Mass Spectrometry) đã cách mạng hóa tốc độ định danh nhờ phân tích các protein nội bào phân bố rộng (chủ yếu là protein ribosome). Phương pháp tạo ra “dấu vân tay protein” đặc trưng để nhận diện nhanh chóng loài vi khuẩn hoặc nấm, giúp bác sĩ chọn kháng sinh phù hợp sớm hơn, cải thiện kết quả điều trị nhiễm khuẩn nặng [8].

Sử dụng kỹ thuật khối phổ MALDI-ToF giúp nhận dạng và phân loại vi khuẩn gây bệnh nguy hiểm nhanh chóng 

4.2. Ứng dụng trong công nghệ sinh học và nông nghiệp

Giá trị dinh dưỡng

Con người không có enzyme tiêu hóa cellulose, nhưng cấu trúc này từ thành tế bào thực vật lại tạo nên nguồn chất xơ thiết yếu, đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ nhu động và sức khỏe hệ tiêu hóa.

Năng lượng xanh và vật liệu sinh học

Thành tế bào thực vật là nguồn sinh khối (biomass) dồi dào nhất trên Trái đất. Trong đó, cellulose và lignin (thành phần chính trong thành tế bào thứ cấp của cây gỗ) đang được nghiên cứu và xử lý tích cực để sản xuất nhiên liệu sinh học (biofuel) thế hệ mới và các vật liệu sinh học bền vững. Việc điều chỉnh hàm lượng hoặc cấu trúc lignin thông qua công nghệ gen đang mở ra triển vọng sản xuất nhiên liệu hiệu quả hơn [9].

Chống chịu stress và năng suất cây trồng

Hiểu cách thành tế bào thực vật phản ứng với các yếu tố bất lợi của môi trường đang mở ra nhiều hướng cải tiến giống cây trồng. Ví dụ, nghiên cứu về cơ chế biến đổi cấu trúc thành tế bào đối phó với hạn mặn có thể giúp tạo ra các giống cây chịu mặn tốt hơn – điều đặc biệt quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu.

Kỹ thuật mô và y sinh học

Các thành phần từ thành tế bào vi sinh vật được ứng dụng làm giàn đỡ (scaffold) sinh học. Tiêu biểu là Chitosan – một dẫn xuất thu được từ chitin trong thành tế bào nấm – đang được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống phân phối thuốc hướng đích (drug delivery), màng bao gói thực phẩm kháng khuẩn và các vật liệu y tế tự hủy [10].

Chitosan – dẫn xuất của chitin trong thành tế bào nấm – được ứng dụng trong y sinh, thực phẩm và xử lý nước

Thành tế bào được xem là một trong những hệ thống sinh học tinh vi và quan trọng nhất mà khoa học hiện đại đang tìm hiểu. Chúng là mục tiêu của một loạt kháng sinh và thuốc kháng nấm hiện đại. Trong bối cảnh kháng thuốc ngày càng gia tăng, việc tiếp tục nghiên cứu cấu trúc và chức năng của thành tế bào là nhiệm vụ cấp thiết. Cùng với sự phát triển của công nghệ sinh học hiện đại, Mescells tin rằng nhiều công trình nghiên cứu sẽ được mở rộng và ứng dụng vào thực tế, đem lại kết quả thiết thực trong phát triển y tế, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống con người trong tương lai.

HỆ THỐNG Y TẾ CHUYÊN SÂU Y HỌC TÁI TẠO VÀ TRỊ LIỆU TẾ BÀO MESCELLS | MSC

• Hotline: 0866 022 097
• Địa chỉ: TT21, số 204 Nguyễn Tuân, phường Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam.
• Fanpage: Viện Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ Tế Bào Mescells

NGUỒN THAM KHẢO:

• Daniel J Cosgrove, 2023, “Structure and growth of plant cell walls”, PubMed, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38102449/
• Jingxuan Zhou, 2022, “Breaking down the cell wall: Still an attractive antibacterial strategy”, Frontiers, https://www.frontiersin.org/journals/microbiology/articles/10.3389/fmicb.2022.952633/full
• Rocio Garcia-Rubio, 2020, “The Fungal Cell Wall: Candida, Cryptococcus, and Aspergillus Species”, Frontiers, https://www.frontiersin.org/journals/microbiology/articles/10.3389/fmicb.2019.02993/full
• Daniela Pontiggia, 2020, “Dampening the DAMPs: How Plants Maintain the Homeostasis of Cell Wall Molecular Patterns and Avoid Hyper-Immunity”, Frontiers, https://www.frontiersin.org/journals/plant-science/articles/10.3389/fpls.2020.613259/full
• Xiaolin Liu, 2023, “Balanced callose and cellulose biosynthesis in Arabidopsis quorum-sensing signaling and pattern-triggered immunity”, PubMed Central, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10756761/
• Anja Geitmann, 2023, “Focus on cell walls”, PubMed Central, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10756750/
• Mateusz Szymański, 2022, “Echinocandins – structure, mechanism of action and use in antifungal therapy”, PubMed Central, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8933026/
• Patricia Orlandi Barth, 2022, “Rapid bacterial identification by MALDI-TOF MS directly from blood cultures and rapid susceptibility testing: A simple approach to reduce the turnaround time of blood cultures”, PubMed Central, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9727634/
• “Plant Genetic Engineering for Biofuel Production”, Nature Index, https://www.nature.com/nature-index/topics/l4/plant-genetic-engineering-for-biofuel-production
• “Chitosan-Based Scaffolds for Tissue Engineering Applications”, Nature Index, https://www.nature.com/nature-index/topics/l4/chitosan-based-scaffolds-for-tissue-engineering-applications