SỰ TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI SINH VẬT MỤC TIÊU Trình bày đường thu nhận lượng Phân biệt hơ hấp hiếu khí kỵ khí Hiểu oxy hóa khơng hồn tồn Kết nối q trình lên men chủ yếu ĐẠI CƯƠNG vsv TRAO ĐỔI CHẤT NĂNG LƯỢNG (ATP, UTP, acetylcoenzym A) ĐẠI CƯƠNG Liên kết cao NH2 N N N O O N O CH2 P O ~ P O ~ P OH O OH OH OH Phosphat HO OH Phosphat Ribose Phosphat Adenosin Adenosin-triphosphat O Triphosphat H2O ATPase Adenosin-diphosphat + Ion phosphat + 7300 cal/mol CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH CỦA ATP NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC Q TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE 2.1 Đường phân (glycosis) hay đường Embden-Meyerhof (EM), hay đường fructose -1,6-diphosphat (FDP) Enterobacteriaceae Glucose Glucose + 2ATP +2 NAD acid pyruvic 2CH3COCOOH + 4ATP + 2NADH+H+ NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC Q TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE pt glucose Cần ATP fructose-1, 6-diphosphat pt triosephotphat Tạo ATP Acid pyruvic Như q trình EM tạo ATP S cerevisae, lên men tạo sản phẩm cuối rượu Vi khuẩn khác lên men lactic tạo acid lactic Động vật aicd pyruvic acid lactic NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC Q TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE 2.2 Con đường hexosomonophosphat (HMP) đường oxy hóa pentophosphat (PP) Warburg-Dicken, Horecker-Racker Phương trình chung : hexose-6-phosphat + 6NADP hexose-6-phosphat + trio-3-phosphat • + 3CO2 + 6NADPH+H+ • cedoheptulose-7-phosphate fructose-6-phosphate • Transaldolase • chuyển gốc dioxyaceton • 3-phospho- glyceraldehyd erythro-4-phosphate • xylulose-5-phosphate xylulose-5-phosphate Transketolase chuyển nhóm ceton ribo-5-phosphate erythro-4-phosphate NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC Q TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE glucose-6-phosphate oxy hóa hợp chất carbon glucose-6-phosphate HMP có chức : - Bổ sung đường ribo cho tế bào - Cung cấp NADP H+H+ cần cho phản ứng sinh tổng hợp khử Hiệu suất HMP 1/2 EM, biến đổi phân tử đường glucose thành acid pyruvic tạo phân tử ATP NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC Q TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE - Penicillium chrysogenum có khoảng 2/3 số lượng glucose chuyển hóa qua đường HMP - E coli thường có 1/3 glucose chuyển hóa qua HMP - S cerevisiae lên men kỵ khí glucose chuyển hóa theo EM, điều kiện thống khí 30% glucose chuyển hóa theo HMP - Propionibacterium arabinosum chuyển hóa theo EM - Acetobacter suboxydans chuyển hóa theo HMP NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC Q TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE 2.3 Entner-Doudoroff (ED) Sản phẩm trung gian đặc trưng 2-aceto-3-desoxy-6phosphogluconic acid, nên gọi đường CDPG glucose Cần ATP glucose-6-phosphate 3-phosphoglyceraldehyd Tạo ATP CH3COCOOH • Phương trình chung : • Glucose + ATP + NADP + NAD 2ATP + NADPH+H+ + NADH+H+ 2CH3COCOOH + LÊN MEN 5.2.2 Q trình lên men đặc trưng cho Ecoli, Shigella, Salmonella tạo loại acid chủ yếu khơng tạo butandiol (acid hỗn hợp) • Acid pyruvic sinh q trình đường phân EM khử thành acid lactic nhờ enzym lactatdehydrogenase phần chuyển thành acetylphosphate (hay acetylCoA) acid formic • Các cofactor phản ứng TPP (ThiaminPyroPhosphat) CoA • CO2 H2 sinh q trình phân giải HCOOH Acetylphosphate phần tiếp tục phân giải thành ethanol, phần phân giải thành acid acetic Acid succinic sinh oxy hóa acetylCoA theo chu trình Krebs LÊN MEN 5.2.3 Loại đặc trưng cho Aerobacter, Serratia số lồi Bacillus, sản phẩm chủ yếu butandiol loại acid sản phẩm thứ yếu acid pyruvic phân giải theo chế E coli, song phần lớn acid pyruvic lại tập trung để tạo acetylmetylcarbinol (acetoin) sau khử trở thành 2, 3-butandiol oxy hóa để trở thành diacetyl LÊN MEN 5.3 Lên men lactic 5.3.1 Tác nhân Vi khuẩn họ Lactobactericeae, Khơng có cytochrom catalase, sống điều kiện có oxy khơng khí có peroxydase phân giải H2O2 thành H2O oxy Vì người ta gọi chúng vi khuẩn vi hiếu khí Dựa vào sản phẩm sinh q trình lên men glucose, người ta chia vi khuẩn lactic thành nhóm : nhóm lên men lactic đồng hình (homofermentative) nhóm lên men dị hình (heterofermentative) LÊN MEN 5.3.2 Cơ chế • Lên men lactic đồng hình • Streptococcus lactis, L casei, L bulgaricus tích lũy đến 90% acid sản phẩm lên men, phân giải glucose theo đường EM • Lên men đồng hình gồm hai giai đoạn : • Giai đoạn : thời kỳ sinh trưởng lũy thừa vi khuẩn, từ hexose tạo acid phosphoglycerinic nhờ oxy hóa phosphoglyceraldehyd kèm theo việc khử NAD : CH2 C6H12O6 O CH OH CHO P CH2 + 2H2O + 2NAD+ O CH OH COOH P + 2NADH + H+ LÊN MEN Giai đoạn : Do NADH+H+ tăng, nên oxy hóa khử mơi trường giảm xuống, dẫn tới nhường hydro từ NADH+H+ cho acid phosphoglycerinic để khử thành acid lactic : CH2 O CH OH P + NADH + H+ + CH3CHOHCOOH + H3PO4 + NAD + H2O COOH Một phần acid pyruvic khử carboxyl thành acid acetic, ethanol, CO2 aceton Vi khuẩn sử dụng glucose, galactose, levulose đường kép lactose, saccharose maltose LÊN MEN Sự lên men lactic dị hình L brevis, L fermenti, Bif bifidum thực phân giải đường glucose theo đường HMP C6H12O6 HMP Ribose P Epimerase Xilulose Phosphoglyceraldehyd P Pentophosphatcetolase Acetylphosphat CH3CHO CH3COCOOH NADH + H+ CH3CHOHCOOH Acid lactic +2H CO HOOCCH2COCOOH Acid oxaloacetic +2H HOOCCH2CH2COOH Acid succinic CH3CH2OH Ethanol -2H + H2O CH3COOH Acid acetic LÊN MEN 5.3.3 Ứng dụng Làm sữa chua, muối dưa, ủ thức ăn gia súc, sản xuất acid lactic (làm mềm nở da), dùng cơng nghiệp dệt (nhuộm, in), tổng hợp chất dẻo, cơng nghiệp thực phẩm Sản xuất lactate canxi, dùng để bổ sung canxi dạng dễ hấp thụ LÊN MEN 5.4 Lên men propionic 5.4.1 Tác nhân • Propionibacterium thuộc họ Lactobacteriaceae • Là vi khuẩn kỵ khí khơng bắt buộc, sống dày động vật nhai lại tham gia vào q trình tạo acid béo • Thường gặp : P freudrenreichii, P shermanii, P pentosaceum 5.4.2 Cơ chế • Sản phẩm q trình lên men propionic acid propionic, acid acetic, CO2 H2O : • 3C6H12O6 = 4CH3CH2COOH + 2CH3COOH + 2H2O + 2CO2 + Q • Phân giải đường hexose theo đường EM Một phân tử acid pyruvic oxi hóa đến acid acetic H2O có hai phân tử pyruvat biến thành acid propionic LÊN MEN • 5.4.3 Ứng dụng • Vi khuẩn Propionic tham gia tích cực vào trình sản xuất fomat Giai đoạn lên men propionic giai đoạn với giai đoạn lên men lactic Các acid sinh lên men propionic (acid acetic, acid propionic) tạo vò cay fomat, CO2 sinh tạo độ xốp fomat Một số loài vi khuẩn Propionibacterium (như P shermanii, P freudrenreichii, P zeae) dùng để sản xuất B12 • LÊN MEN 5.5 Lên men butyric 5.5.1 Tác nhân • Acid butyric, butanol, aceton, isopropanol số loại rượu, acid hữu khác sản phẩm q trình lên men hydratcarbon thực nhóm vi khuẩn kỵ khí, sinh bào tử, thuộc chi Clostridium • Chi Clostridium VK kỵ khí bắt buộc, có khả đồng hóa polysaccharid • Vài lồi Clostridium có khả cố định nitơ phân tử C pasteurianum, có mặt mẫu đất có ý nghĩa tích cực việc nâng cao dự trữ đạm đất LÊN MEN 5.5.2 Cơ chế • Phương trình chung q trình lên men butyric : • 12C6H12O6 → CH3CH2CH2CH2OH + 4CH3COCH3 + CH3CH2OH + • Glucose Butanol Aceton ethanol • CH3CH2CH2COOH + 18H2 + 28CO2 + 2H2O + Q A Butyric 5.5.3 Ứng dụng Quan trọng cơng nghiệp Sự lên men làm hư hỏng hoa chúng phá vỡ chất gian bào (pectin) làm cho tế bào rời nhau, tạo điều kiện cho vi khuẩn gây thối xâm nhập Clostridium pectinovorum, C felsineum cơng nghiệp ngâm đay làm giấy LÊN MEN 5.6 Clostridium lên men acetic • Một số lồi Clostridium C aceticum, C thermoaceticum, C acidiurici C cylindrosporum có khả chuyển hydro tách từ chất, đến chất nhận chất hữu mà đến CO2, để tạo acid acetic : • 8[H] + 2CO2 → CH3COOH + 2H2O • Đây q trình lên men kỵ khí, khác với oxy hóa khơng hồn tồn biến rượu thành dấm • Những lồi ưa nóng C thermoaceticum lồi ưa ẩm C aceticum có khả hình thành acid acetic chủ yếu chúng lên men hexose LÊN MEN Sơ đồ tổng qt q trình lên men • Q trình lên men, hydro tách từ khử hydro chất khử hydro triophosphat chuyển đến NAD+ • Hydro khơng thể đào thải ngồi dạng hydro phân tử, mà phần lớn phải chuyển đến chất nhận hợp chất hữu (hoặc đến CO2) • Khi khử chất nhận hydro NAD+ tái sinh, lại tham gia vào q trình khử triophosphat Các sản phẩm khử bị thải mơi trường GLUCOSE [H] ATP Vi khuẩn lactic Acid lactic Nấm men CH3COCOOH [H] Acetaldehyd CO2 Nhóm vi khuẩn đường ruột Ethanol CH3CO~SCoA + HCOOH Vi khuẩn propionic ATP CO2 Acid oxaloacetic [H] Acid acetic Ethanol H2 CO2 Clostridium [H] Acid succinic CO2 Acid propionic CO2 CH3CO~SCoA + H2 + CO2 Acetoin [H] Butandiol CH3COCH2CO~SCoA AcetoAcetylCoA ATP ATP [H] Acid butyric [H] ATP Butanol CO2 Acid acetic Aceton [H] Isopropanol [...]... phân tử Cơ chất hữu cơ khơng được oxy hóa triệt để Sản phẩm cuối cùng của q trình oxy hóa thường là acid acetic • VK tự dưỡng hóa năng khử sulfat bằng hydro phân tử và sử dụng năng lượng sinh để đồng hóa CO2 của khơng khí • Trao đổi chất ở vi khuẩn khử sulfat có tính chất oxy hóa, nhận năng lượng từ phosphoryl hóa trong chuỗi hơ hấp • Đây là q trình cần năng lượng HƠ HẤP • Dưới tác dụng của ATP-sulfurilase,... sản xuất L-homoserin, L-valin, L-isoleucin, L-tryptophan, L-tyrosin • Vi t Nam dùng chủng Corynebacterium 2969 với mơi trường là rỉ đường mía là nguồn biotin và chất sinh trưởng thay cho cao ngơ trong mơi trường sinh tổng hợp a glutamic OXY HĨA KHƠNG HỒN TỒN 4.4 Sự phân giải các hợp chất hữu cơ chứa nitơ (thối rữa) Cơ chất của sự thối rữa là protein Do tạo ra sản phẩm là NH3, nên người ta vẫn gọi... lên men • Năng lượng sinh ra sẽ chi phí cho phản ứng khử, và tích lũy trong các liên kết cao năng • NADH+H+ khơng được chuyển đến oxy phân tử thơng qua chuỗi hơ hấp • Vi c tái tạo NAD được thực hiện nhờ acid pyruvic hay các sản phẩm của nó • Tế bào vi sinh vật kỵ khí bắt buộc khơng thấy các loại enzym hơ hấp (cyt b, c, a, cytoxydase, peroxydase, catalase) • Sản phẩm cuối cùng của q trình lên men ngồi... Mucor thì glucose được phân giải chủ yếu bằng con đường EM (70% cơ chất) và HMP (30% cơ chất) • Ơû vi khuẩn thuộc họ Enterobacteriaceae và Clostridium thì sản phẩm là acetaldehyd LÊN MEN • 5.1.2 Cơ chế chung của sự lên men rượu (EM) • Q trình lên men rượu gồm hai giai đoạn : • - Tác dụng của enzym pyruvatdecarboxylase có sự tham gia của TPP, CH3COCOOH loại bỏ CO2 để tạo acetaldehyd • - Acetaldehyd... lượng bằng 0 Vì thế vi khuẩn phản sulfat hóa có thể sử dụng H2 và tạo sulfit từ sulfat và H2 mà khơng cần thơng qua APS • VK phản sulfat hóa gặp ở vùng bùn lầy có khí H2S, nơi có q trình phân giải kỵ khí các hợp chất hữu cơ, tham gia vào q trình hình thành quặng lưu huỳnh, mỏ dầu OXY HĨA KHƠNG HỒN TỒN Các vi sinh vật tiến hành hô hấp hiếu khí, nhưng sản phẩm sinh ra là những hợp chất hữu cơ được oxy... hình gồm hai giai đoạn : • Giai đoạn 1 : thời kỳ sinh trưởng lũy thừa của vi khuẩn, từ hexose tạo ra acid phosphoglycerinic nhờ sự oxy hóa phosphoglyceraldehyd kèm theo vi c khử NAD : CH2 C6H12O6 O 2 CH OH CHO P CH2 + 2H2O + 2NAD+ O 2 CH OH COOH P + 2NADH + H+ LÊN MEN Giai đoạn 2 : Do NADH+H+ tăng, nên thế oxy hóa khử của mơi trường giảm xuống, dẫn tới sự nhường hydro từ NADH+H+ cho acid phosphoglycerinic... nitrat HƠ HẤP • Nhiều vi khuẩn sử dụng nitrat (nitrat hóa) là nguồn thức ăn nitơ • Khử nitrat qua nitrit đến NH3, sau đó NH3 sẽ tiếp tục tham gia vào hoạt động trao đổi chất (khử đồng hóa) • NO3 → NO2 → X → NH2OH → NH4 (sử dụng) • Sản phẩm trong nitrat hóa được dùng • Sản phẩm trong hơ hấp nitrat (khử dị hóa) khơng được sử dụng trực tiếp mà thải ra ngồi tế bào vi khuẩn • Hệ thống enzym của hơ hấp nitrat... trở thành diacetyl LÊN MEN 5.3 Lên men lactic 5.3.1 Tác nhân Vi khuẩn họ Lactobactericeae, Khơng có cytochrom và catalase, nhưng sống được trong điều kiện có oxy khơng khí vì có peroxydase phân giải H2O2 thành H2O và oxy Vì vậy người ta gọi chúng là vi khuẩn vi hiếu khí Dựa vào sản phẩm sinh ra trong q trình lên men glucose, người ta chia vi khuẩn lactic thành 2 nhóm : nhóm lên men lactic đồng hình... biến ở vi khuẩn gram âm và ít gặp ở vi khuẩn kỵ khí • - Chuyển E coli từ mơi trường glucose sang gluconat (acid gluconic) thì sẽ tạo enzym gluconokinase phosphoryl hóa acid gluconic thành acid 6- P -gluconic và chuyển hóa theo ED - Pseudomonas phân giải glucose qua gluconat vì có enzym glucodehydrogenase biến glucose thành gluconat NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC Q TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE 2.4 Vi sinh vật sử... acetic, acid gluconic, acid fumaric, acid citric, acid lactic, giống như sản phẩm của một số quá trình lên men nên được gọi là "lên men oxy hóa" 4.1 Vi khuẩn acetic và sự tạo thành acid acetic VSV phân giải đường hoặc rượu cho ra các loại acid VK acetic là VK gram âm, có chu mao như giống Acetobacter, trên bề mặt thực vật, hiếu khí bắt buộc ; hoặc có tiêm mao phân bố ở cực như Acetomonas OXY HĨA KHƠNG ... Cơ chất hữu khơng oxy hóa triệt để Sản phẩm cuối q trình oxy hóa thường acid acetic • VK tự dưỡng hóa khử sulfat hydro phân tử sử dụng lượng sinh để đồng hóa CO2 khơng khí • Trao đổi chất vi. .. phân giải kỵ khí hợp chất hữu cơ, tham gia vào q trình hình thành quặng lưu huỳnh, mỏ dầu OXY HĨA KHƠNG HỒN TỒN Các vi sinh vật tiến hành hô hấp hiếu khí, sản phẩm sinh hợp chất hữu oxy hóa phần... lượng sinh chi phí cho phản ứng khử, tích lũy liên kết cao • NADH+H+ khơng chuyển đến oxy phân tử thơng qua chuỗi hơ hấp • Vi c tái tạo NAD thực nhờ acid pyruvic hay sản phẩm • Tế bào vi sinh vật