28 BÀI 4. SINH LÝ HỌC VI SINH VẬT I. Dinh dưỡng của vi sinh vật: 1. Khái niệm chung: - Chất sinh dưỡng là những chất được vi sinh vật hấp thụ từ môi trường xung quanh và được chúng dùng làm nguyên liệu để cung cấp cho quá trình sinh tổng hợp tạo ra các thành phần của tế bào hoặc để cung cấp cho các quá trình trao đổi năng lượng. - Quá trình dinh dưỡng là quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng để thoả mãn mọi nhu cầu sinh trưởng và phát triển. 2. Thành phần hoá học của tế bào vi sinh vật: Thành phần hoá học của tế bào vi sinh vật quyết định nhu cầu dinh dưỡng của chúng. Thành phần hoá học cấu tạo bởi các nguyên tố C, H, O, N, các nguyên tố khoáng đa lượng, vi lượng. a. Nước: Nước là thành phần chủ yếu của tế bào vi sinh vật, thường chiếm 70 – 90% khối lượng cơ thể. Ở vi khuẩn hàm lượng nước trong tế bào thường là 70 – 85%, nấm men 73 – 82%, nấm mốc 85 – 90%. Tất cả các quá trình phân giải và tổng hợp xảy ra trong tế bào vi sinh vật đều cần nước làm môi trường, do đó nếu mất nước đến một lượng nào đó cơ thể vi sinh vật sẽ bị chết hoặc ngừng hoạt động. Trong tế bào, nước thường tồn tại ở 2 trạng thái: nước tự do và nước liên kết. Nước tự do gồm các chất dịch chứa trong tế bào, nó không tham gia vào hợp chất hoá học của tế bào nên dễ dàng bay hơi khi sấy khô. Nước liên kết tham gia vào cấu tạo các hợp chất hữu cơ trong tế bào nên rất khó tách ra. b. Các chất khoáng: Các chất khoáng chiếm 2 – 5% khối lượng khô của tế bào. Chúng thường tồn tại dưới dạng muối sunphat, cacbonat, clorua . Trong tế bào chúng thường ở dạng các ion: dạng cation như Mg 2+ , Ca 2+ , K + , Na + ., dạng anion như HPO 4 2- , SO 4 2- , HCO 3 - , Cl - . Các ion trong tế bào vi sinh vật luôn luôn tồn tại ở những tỷ lệ nhất định nhằm duy trì pH và áp lực thẩm thấu thích hợp cho từng loại vi sinh vật. Khi sử dụng môi trường thiên nhiên để nuôi cấy vi sinh vật người ta thường không cần thiết bổ sung nguyên tố khoáng bởi vì trong các nguyên liệu dùng làm môi trường (khoai tây, nước thịt, sữa, huyết thanh, pepton, giá đậu .) thường chứa đủ các nguyên tố khoáng cần thiết đối với vi sinh vật. Tuy nhiên khi làm các môi trường tổng hợp (dùng nguyên liệu là các hoá chất) bắt buộc phải bổ sung đủ các nguyên tố khoáng cần thiết. Những nguyên tố khoáng mà vi sinh vật đòi hỏi phải được cung cấp với liều lượng lớn được gọi là nguyên tố đa lượng (nồng độ từng nguyên tố khoảng 10 -3 – 10 -4 ), còn những nguyên tố khoáng mà vi sinh vật đòi hỏi với những liều lượng rất nhỏ (chỉ vào khoảng 10 -6 – 10 -8 ) gọi là các nguyên tố vi lượng: Các nguyên tố đa lượng như: P, K, Ca, S, Mg .Các nguyên tố vi lượng như: Mn, Cu, Co, B . 29 Trong các nguyên tố đa lượng thì nguyên tố P chiếm tỷ lệ lớn nhất (thường chiếm 50% so với tổng số nguyên tố khoáng có trong cơ thể). Nó có mặt trong nhiều thành phần quan trọng của tế bào (axit nucleic, photphoprotein, photpholipit, một số vitamin và nhiều enzim). Sự có mặt của muối photphat, nhất là photphat kali còn có tác dụng tạo ra tính đệm của môi trường. Ví dụ: hỗn hợp của muối KH 2 PO 4 và K 2 HPO 4 với tỷ lệ thích hợp có thể tạo ra mức pH ổn định trong khoảng pH = 4,5 – 8,0. Nguyên tố S có mặt trong một số axit amin (xistin, xistein, metionin), một số vitamin (B1, B7) và một số coenzim có vai trò quan trọng trong quá trình oxy hoá khử. Nguyên tố K cũng là một nguyên tố chiếm tỷ lệ khá lớn trong số các nguyên tố khoáng của tế bào. Kali thường tồn tại ở dạng ion K + ở mặt ngoài của cấu trúc tế bào, một phần tồn tại ở trạng thái liên kết lý hoá không bền với protein và các thành phần khác của nguyên sinh chất. Kali có thể tác dụng như các ion kom loại khác thông qua việc ảnh hưởng đến tính chất hoá keo và hoạt động xúc tác của các enzim. Kali tham gia vào việc hoạt hoá một số enzim như amylaza, invertaza, ATP- aza, Kali làm tăng độ ngậm nước của các hệ thống keo do đó ảnh hưởng đến các quá trình trao đổi chất, nhất là các quá trình tổng hợp. Kali còn có thể tham gia vào quá trình tổng hợp một số vitamin như tiamin, và có những ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hô hấp của tế bào vi sinh vật. Nguyên tố Mg tham gia vào nhiều phản ứng enzim có liên quan đến quá trình photphorin hoá, tham gia hoạt hoá nhiều enzim. Ngoài ra nó còn có vai trò quan trọng trong việc liên kết hoặc tách rời các tiểu phần riboxom với nhau. Nguyên tố Fe tham gia vào thành phần nhiều enzim có chứa gốc pocphirin (xitocrom, xitocrom oxydaza, peroxidaza .), tham gia vào thành phần sắc tố quang hợp ở vi sinh vật tự dưỡng quang năng. Nguyên tố Ca có vai trò đáng kể trong việc xây dựng cấu trúc tinh vi của tế bào. Ca đóng vai trò là cầu nối trung gian giữa nhiều thành phần quan trọng của tế bào sống như giữa ADN và prrotein trong nhân, giữa protein và ARN trong riboxom, giữa các nucleotit với nhau. Nguyên tố Na và Cl cũng là các nguyên tố mà nhiều vi sinh vật đòi hỏi với số lượng không nhỏ, nhưng cho đến nay vai trò sinh lý của chúng vẫn còn được biết rất ít. Nguyên tố Mn có chứa trong một số men hô hấp và có vai trò quan trong trong hoạt hoá một số enzim khác. Ngoài ra các nguyên tố khác như Zn, Cu, CO, Mo cũng là những nguyên tố tham gia vào cấu trúc hoặc hoạt hoá nhiều loại enzim khác trong tế bào. c. Chất hữu cơ: Chất hữu cơ trong tế bào vi sinh vật chủ yếu được cấu tạo từ các nguyên tố C, H, O, N, S, P . Riêng 4 nguyên tố C, H, O, N chiếm 90 – 97% toàn bộ chất khô của tế bào. Đây là những nguyên tố chính tham gia cấu tạo protein, axit nucleic, lipit, hydratcacbon. 30 *Protein: cấu tạo chủ yếu bởi các nguyên tố : C (50 – 55%), O (21- 24%), N (15 – 18%), H (6,5 – 7,3%), S (0 – 0,24%), ngoài ra còn có một lượng rất nhỏ các nguyên tố P, Fe, Zn, Cu, Mn, Ca, .Protein là thành phần chủ yếu của nguyên sinh chất, nó chiếm khoảng 50 – 80% chất khô của tế bào. Protein tham gia vào cấu trúc nhân, nguyên sinh chất, màng nguyên sinh chất và thành tế bào. Protein có cấu trúc bậc 1, 2, 3, 4, các cấu trúc bậc 2, 3, 4 làm cho protein có cấu trúc không gian, chính nhờ cấu trúc không gian này mà protein đảm nhận được những chức năng hết sức phức tạp trong mọi hoạt động sống của sinh vật. * Lipit: Lipit trong tế bào vi sinh vật thường có 2 nhóm: lipit đơn giản và lipit phức tạp (lipoit). Lipit tập trung nhiều ở màng tế bào chất. Trong tế bào lượng lipit ít (chỉ chiếm 3 – 7% khối lượng khô của tế bào) nhưng nó có ý nghĩa lớn đối với đời sống tế bào, nó là chất dự trữ trong tế bào, đồng thời là nhân tố tích cực chống đỡ các độc tố và các kháng sinh xâm nhập vào cơ thể. - Lipit đơn giản (este của glyxerin và axit béo) chủ yếu là triaxinglixerol. - Lipit phức tạp bao gồm photpholipit, glicolipit. * Gluxit: là nguồn dự trữ năng lượng và nguồn cacbon chủ yếu của tế bào vi sinh vật. Nó có vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của vi sinh vật. Gluxit tham gia vào cấu tạo axit nucleic, vào cấu trúc thành tế bào, vào vỏ nhầy . của vi sinh vật. Lượng gluxit trong tế bào vi sinh vật cũng như động, thực vật ít hơn so với các chất khác, chỉ chiếm 12 – 18% khối lượng khô của tế bào. Trong tế bào vi sinh vật, gluxit có thể tồn tại ở dạng monosaccarit, oligosaccarit và polisaccarit. * Axit nucleic: cấu tạo chủ yếu từ N (1 – 16%), P (9 – 10%), phần còn lại là C, H, O. Axit nucleic có 2 loại: ADN và ARN. Axit nucleic có hai chức năng khá quan trọng: trực tiếp tham gia quá trình sinh tổng hợp protein và mang mật mã di truyền – một đặc điểm cực kỳ quan trọng đối với cơ thể sống. * Enzim: trong cơ thể vi sinh vật có hàng trăm loại enzim, chúng hoạt động rất nhịp nhàng, nhờ có hoạt động của enzim mà các quá trình tổng hợp, phân giải trong cơ thể vi sinh vật diễn ra một cách bình thường. Dựa vào bản chất hoá học có thể chia enzim làm 2 loại: enzim đơn giản (tương ứng với protein đơn giản) và enzim phức tạp (ngoài phần protein còn có phần hữu cơ không protein gọi là nhóm thêm hay coenzim hay cofecmen). Dựa vào vị trí tác dụng của enzim đối với cơ thể vi sinh vật người ta chia enzim làm 2 loại, đó là enzim nội bào (endoenzim) và enzim ngoại bào (exoenzim). * Vitamin: rất nhiều vi sinh vật có khả năng tổng hợp vitamin. Sinh khối vi sinh vật thường chứa hầu hết các loại vitamin chủ yếu với hàm lượng cao. Nấm men thường chứa nhiều vitamin hơn các vi sinh vật khác. Phần lớn các loại coenzim là vitamin hoặc các dẫn xuất của vitamin. Vitamin rất cần thiết cho vi sinh vật. Vitamin được xem như là những chất xúc tác sinh học và một số lớn vitamin là nguyên liệu để cấu tạo enzim. Nhiều vitamin có vai trò rất quan trọng trong các quá trình oxy hoá khử và trong quá trình hoạt hoá axit amin. Nhiều vitamin tham gia 31 vào các coenzim có vai trò rất quan trọng trong các quá trình chuyển hoá vật chất như trong chu trình Krebs, trong quá trình quang hợp. * Sắc tố: một số vi sinh vật có khả năng tạo thành sắc tố, chẳng hạn các vi sinh vật tự dưỡng quang năng có chứa sắc tố quang hợp, ngoài sắc tố quang hợp còn có các loại sắc tố khác như: carotenoit, antoxianin, araquinon .Các sắc tố quyết định màu sắc của khuẩn lạc khi nuôi cấy, ngoài ra sắc tố còn làm nhiệm vụ bảo vệ, giúp cho vi sinh vật tránh khỏi ảnh hưởng có hại của ánh sáng thường và ánh sáng tử ngoại. Một số loài vi sinh vật có sắc tố còn có khả năng sinh kháng sinh. 3. Các kiểu dinh dưỡng ở Vi sinh vật: Căn cứ vào nhu cầu của vi sinh vật, người ta có thể chia thức ăn của vi sinh vật làm 3 loại: - Thức ăn năng lượng: là thức ăn sau khi hấp thụ sẽ cung cấp cho vi sinh vật một số năng lượng cần thiết cho hoạt động sống, ví dụ: protein, gluxit, lipit . - Thức ăn kiến tạo: là thức ăn sẽ tham gia xây dựng cấu trúc tế bào vi sinh vật. - Thức ăn đặc hiệu (yếu tố sinh trưởng): là những chất hữu cơ cần thiết đối với hoạt động sống mà một loại vi sinh vật nào đó không tự tổng hợp được. Căn cứ vào nguồn cacbon, nguồn năng lượng và nguồn chất nhận electron cuối cùng, người ta chia vi sinh vật thành các kiểu dinh dưỡng sau đây: * Căn cứ vào nguồn năng lượng: - Vi sinh vật quang năng (phototroph). - Vi sinh vật hoá năng (chemotroph). * Căn cứ vào nguồn cacbon: - Tự dưỡng cacbon (autotrophic). - Dị dưỡng cacbon (heterotrophic). * Căn cứ vào nguồn năng lượng và nguồn cacbon: - Tự dưỡng cacbon quang năng (photolitotroph). - Tự dưỡng cacbon hoá năng (chemolitotroph). - Dị dưỡng cacbon hoá năng (chemoorganotroph). a. Dinh dưỡng quang năng: Vi sinh vật dinh dưỡng quang năng nhờ có sắc tố quang hợp mà có khả năng hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời và chuyển hoá thành năng lượng hoá học (tích luỹ trong ATP). Quá trình tạo thành ATP gắn liền với việc chuyển NAD từ dạng oxy hoá sang dạng khử. Hν (năng lượng mặt trời) ADP + P vc ATP Sắc tố quang hợp NAD ox + RH 2 NAD kh + R 32 Ở cây xanh sắc tố quang hợp là Chlorophil, RH 2 là H 2 O và R là O 2 , trong khí đó ở vi khuẩn quang hợp RH 2 không bao giờ là H 2 O và R không bao giờ là O 2 . RH 2 là chất cung cấp H 2 để khử CO 2 thành hợp chất hữu cơ của tế bào. RH 2 có thể là chất vô cơ hoặc hữu cơ. Vi sinh vật sử dụng 2 hợp chất này thuộc về 2 nhóm khác nhau: đó là nhóm dinh dưỡng quang năng vô cơ và nhóm dinh dưỡng quang năng hữu cơ. - Nhóm dinh dưỡng quang năng vô cơ: sử dụng chất vô cơ ngoại bào làm nguồn cung cấp điện tử (H), thông thường là H 2 S. Ví dụ: vi khuẩn lưu huỳnh màu lục (họ Chlorobiaceae), vi khuẩn lưu huỳnh màu tía (họ Chromotiaceae). - Nhóm dinh dưỡng quang năng hữu cơ: dùng chất hữu cơ ngoại bào để làm nguồn cung cấp điện tử như các axit hữu cơ, rượu hữu cơ. Nhóm này gồm một số vi khuẩn thuộc họ Rhodospirillaceae, ví dụ: Rhodospirillum rubrum (xoắn khuẩn màu hồng hay đỏ tía). (C, O) CO 2 Sinh khối (H) RH 2 R 2 RH 2 là chất cung cấp H 2 để khử CO 2 thành hợp chất hữu cơ của tế bào, RH 2 có thể là chất hữu cơ hoặc vô cơ. b. Dinh dưỡng hoá năng: vi sinh vật dinh dưỡng hoá năng sử dụng năng lượng chứa trong các hợp chất hoá học. Tuỳ theo hợp chất hoá học người ta có thể chia vi sinh vật dinh dưỡng hoá năng làm 2 loại: * Dinh dưỡng hoá năng vô cơ: chất cho điện tử là chất vô cơ, chất nhận điện tử là oxy hoặc một chất vô cơ khác. (C) (O) CO 2 Sinh khối H 2 M: hợp chất cho năng lượng. (H) Q Q: Năng lượng H 2 M 2M H 2 O ½(O 2 ) (O) 33 Ví dụ: -Vi khuẩn Nitrosomonas có thể tiến hành quá trình sau: 2NH 3 + 2O 2 2HNO 2 + 4H + Q CO 2 + 4H + Q 1/6 (C 6 H 12 O 6 ) + H 2 O. * Dinh dưỡng hoá năng hữu cơ: chất cho điện tử là chất hữu cơ, chất nhận điện tử là 0xy, chất hữu cơ hoặc chất vô cơ khác. Tuỳ theo chất nhận điện tử mà chia thành 3 kiểu trao đổi chất khác nhau: hô hấp hiếu khí, lên men (hô hấp kỵ khí) và hô hấp kỵ khí đặc biệt. Đa số vi sinh vật có kiểu dinh dưỡng này. Vi sinh vật Chất cho điện tử Chất nhận điện tử Vi sinh vật hiếu khí Chất hữu cơ O 2 Vi sinh vật lên men Chất hữu cơ Chất hữu cơ Vi sinh vật kỵ khí đặc biệt: - Vi khuẩn phản nitrat Chất hữu cơ NO 3 - - Vi khuẩn phản sunphat Chất hữu cơ SO 4 2- c. Dinh dưỡng Cacbon: Cacbon chiểm tỷ lệ trên 50% khối lượng khô của vi sinh vật. Đây là yếu tố đặc biệt quan trọng trong cấu trúc của tế bào vi sinh vật. Hợp chất cacbon là nguồn năng lượng quan trọng trong hoạt động sống. Tuỳ theo cách sử dụng nguồn cacbon người ta chia vi sinh vật thành 2 nhóm: tự dưỡng cacbon và dị dưỡng cacbon. * Tự dưỡng cacbon: vi sinh vật tự dưỡng cacbon là loại vi sinh vật sử dụng nguồn cacbon tự nhiên từ hợp chất cacbon vô cơ như CO 2 hoặc muối cacbonat. Quá trình sinh tổng hợp từ hợp chất cacbon này cần phải có năng lượng. Vi sinh vật có thể sử dụng 2 nguồn năng lượng khác nhau, đó là năng lượng ánh sáng mặt trời và năng lượng hoá học nhờ sự oxy hoá hợp chất vô cơ. Tuỳ theo nguồn năng lượng sử dụng mà người ta phân vi sinh vật thành 2 nhóm: tự dưỡng cacbon quang năng và tự dưỡng cacbon hoá năng. Ví dụ: các vi khuẩn có sắc tố như vi khuẩn S màu lục có chứa Bacteriochlorophil, vi khuẩn S màu tía có chứa sắc tố Bacterioviridin thuộc nhóm tự dưỡng quang năng, do có khả năng thực hiện phản ứng: nCO 2 + nH 2 S (CH 2 O)n + nH 2 O + nS Vi khuẩn nitrat hoá, vi khuẩn sắt thuộc nhóm tự dưỡng hoá năng: NH 3 + 2O 2 HNO 3 + H 2 O + 66,5 Kcal 2FeCO 3 + ½ O 2 + 3H 2 O 2Fe(OH) 3 + 2CO 2 + 40Kcal * Dị dưỡng cacbon: vi sinh vật dị dưỡng cacbon là những vi sinh vật sử dụng nguồn cacbon từ các hợp chất hữu cơ có sẵn trong tự nhiên. Nguồn năng lượng mà nó thu được là do sự oxy hoá hoặc lên men các hợp chất hữu cơ này. d. Dinh dưỡng Nitơ: Nguồn thức ăn nitơ có ý nghĩa rất quan trọng đối với sự phát triển của vi sinh vật. Nguồn nitơ dễ hấp thụ nhất là NH 4 + và NH 3 . Chúng thâm nhập vào tế bào dễ dàng và trong tế bào chúng được chuyển hoá thành các nhóm imin và amin. Nguồn nitơ khó hấp thu hơn cả là nitơ trong không khí. Để sử dụng nguồn nitơ này vi sinh 34 vật phải khử thành NH 3 . Cùng với nguồn nitơ vô cơ, một số vi sinh vật có khả năng sử dụng nitơ trong các hợp chất hữu cơ. Việc sử dụng nguồn nitơ hữu cơ thường gắn liền với sự tách nhóm NH 3 ra. Do đó có thể coi NH 3 là trung tâm của tất cả các con đường dinh dưỡng nitơ. Tuỳ theo nguồn nitơ được sử dụng, người ta chia vi sinh vật thành 2 nhóm: - Vi sinh vật tự dưỡng amin: là nhóm vi sinh vật tự tổng hợp nitơ từ những nguồn nitơ vô cơ hay hữu cơ chuyển hoá thành dạng NH 3 để xây dựng cơ thể. Ví dụ: vi sinh vật cố định nitơ, vi sinh vật amon hoá. - Vi sinh vật dị dưỡng amin: là nhóm vi sinh vật xây dựng protein, nguyên sinh chất của mình từ axit amin có sẵn. Axit amin được sử dụng một cách nguyên vẹn không bị phân giải thành NH 3 . e. Dinh dưỡng khoáng: (Xem phần các nguyên tố khoáng). 4. Cơ chế xâm nhập thức ăn qua màng tế bào vi sinh vật: Để sinh trưởng và phát triển, tế bào vi sinh vật phải thường xuyên trao đổi chất và năng lượng với môi trường xung quanh. Giữa môi trường và tế bào tồn tại một hàng rào thẩm thấu, hàng rào này chính là màng nguyên sinh chất lipoprotein. Màng nguyên sinh chất có khả năng điều chỉnh tinh vi sự ra vào của các chất khác nhau. Sự vận chuyển các chất qua màng tế bào tuân theo một trong hai cơ chế: a. Cơ chế khuếch tán thụ động (khuếch tán đơn giản): Theo cơ chế này các chất đi qua màng nguyên sinh chất nhờ sự chênh lệch nồng độ (trong trường hợp các chất không điện phân) hay chênh lệch điện thế (trong trường hợp các ion) ở hai phía của màng. Sự vận chuyển này không đòi hỏi năng lượng. Tuy nhiên trong thực tế, chỉ có nước, một số chất khí (CO 2 , O 2 ), axit béo và một số chất tan trong lipit vận chuyển theo cơ chế này. Đa số các chất hoà tan đi qua màng tuân theo cơ chế vận chuyển đặc biệt. b. Cơ chế vận chuyển đặc biệt (vận chuyển tích cực/chuyển hoá không gian đặc biệt/khuếch tán xúc tiến): Theo cơ chế này, các chất hoà tan muốn đi qua màng nguyên sinh chất trước hết nó phải liên kết với một enzim vận chuyển nằm trên màng nguyên sinh chất, gọi là pecmeaza (protein thấm), sau đó nó được chuyển vào bề mặt bên trong của màng, từ đây các phân tử chất hoà tan được chuyển vào nguyên sinh chất. Sự vận chuyển các chất nhờ pecmeaza có thể là thụ động (không cần năng lượng), hoặc chủ động (cần năng lượng). - Theo cơ chế vận chuyển tích cực thụ động, chất hoà tan liên kết thuận nghịch vào một vị trí đặc biệt trên phân tử pecmeaza nằm ở bên trong màng (có thể ở các lỗ của màng). Phức hợp “chất hoà tan – pecmeaza” được vận chuyển theo cả hai phía của màng nhờ sự chênh lệch nồng độ của một chất nào đó, sự vận chuyển này còn gọi là vận chuyển “xuôi dòng”. - Đối với cơ chế vận chuyển tích cực chủ động: các chất sau khi liên kết với pecmeaza, mặc dù đã có sự chênh lệch nồng độ, nhưng vẫn không đi qua được màng tế bào, khi đó bắt buộc tế bào phải tiêu tốn một số năng lượng nhất định để 35 chuyển các chất này vào trong tế bào mặc dù nồng độ của chất này bên trong tế bào cao hơn nhiều so với bên ngoài (chẳng hạn nồng độ K + ) . Sơ đồ vận chuyển các chất qua màng theo cơ chế vận chuyển tích cực: Phía trong Màng Phía ngoài S P P S PS PS ATP ADP + Pvc Pi P S S “hoạt hoá lại” * Kiểu chuyển dịch nhóm: kiểu này thường gặp ở sự vận chuyển đường của vi khuẩn. Ở vi khuẩn, hầu hết sự vận chuyển đường do hệ thống photphotranferaza đảm nhận. Hệ thống này bao gồm 2 enzim (E 1 và E 2 ) và 1 prôtein vận chuyển bền nhiệt (HPr = Heast- stable carrier protein) có khối lượng phân tử thấp. Theo kiểu vận chuyển này, trước hết E 1 chuyển photphat từ photphoenolpiruvat (PEP) đến HPr: E 1 HPr + PEP HPr-P + Piruvat Sau đó E 2 chuyển photphat từ HPr-P đến C6 của đường đơn. Chú ý: E 1 chung cho nhiều loại đường, E 2 đặc trưng cho từng loại đường. Ngoài màng Trên màng tế bào chất Trong màng E 2 glucoza Glucoza PrH E 1 PEP E 2 – glucoza PrH-P Piruvat II. Sự trao đổi năng lượng: 1. Khái niệm: Các quá trình Oxyhoá - phân huỷ kèm theo việc giải phóng năng lượng cần thiết cho hoạt động sống gọi là quá trình trao đổi năng lượng. Ở động vật và thực vật bậc cao các quá trình này thường xảy ra với cơ chất là các chất dự trữ của cơ thể (protein, gluxit, lipit) nhưng ở vi sinh vật do số lượng các chất dự trữ thường rất nhỏ, vì thế chúng phải sử dụng chủ yếu là các hợp chất lấy từ môi trường xung quanh. 36 2. Các loại hình hô hấp ở vi sinh vật: Trong tự nhiên, các vi sinh vật lấy năng lượng từ quá trình oxy hoá – phân huỷ các chất, các nhóm vi sinh vật khác nhau thì quá trình oxy hoá cũng khác nhau. Hô hấp là quá trình oxy hoá khử sinh học các cơ chất của cơ thể để sinh ra năng lượng cung cấp cho mọi hoạt động sống của cơ thể. Căn cứ vào điều kiện có oxy hay không có oxy và nguồn chất nhận điện tử cuối cùng người ta chia vi sinh vật thành 3 loại hình hô hấp: - Hô hấp hiếu khí: xảy ra trong điều kiện có oxy không khí, chất nhận điện tử cuối cùng là oxy. - Hô hấp kỵ khí (lên men): xảy ra trong điều kiện không có oxy, chất nhận điện tử là các hợp chất hữu cơ trung gian. - Hô hấp kỵ khí đặc biệt: xảy ra trong điều kiện không có oxy, chất nhận điện tử là các chất vô cơ (nitrat/ sunphat). Cơ chất của hô hấp là các hợp chất hữu cơ, trong đó phổ biến nhất là glucoza. Trong điều kiện kỵ khí glucoza được phân giải theo 3 con đường: - Con đường EMP (Embden – Meyerhof – Parnas): trong điều kiện có O 2 hay không có O 2 , glucoza đều được chuyển hoá thành axit piruvic theo sơ đồ sau: Glucoza ATP ADP Glucozo-6-photphat Fructozo-6-photphat ATP ADP Fructozo-1,6-di photphat Aldolaza 37 Dioxyaxetonphotphat Triozophotphatizomeraza 3P-glyxeraldehyt NAD + NAD + H 3 PO 4 NADH 2 NADH 2 α – glyxerophotphat Axit-1,3 di- photphoglyxeric ADP ATP Glyxerin + H 3 PO 4 Axit photphotphoenolpiruvic Axit-2P-glyxeric Axit-3- photphoglyxeric ADP H 2 O ATP Axit piruvic Phương trình chung: Glucoza - 2 ATP + 2 NAD + 2 pyruvat + 4 ATP + 2 NADH 2 - Con đường HMP (Hexo-mono photphat)/ con đường pentozophotphat/ Chu trình Warburg – Pickens: con đường này giúp cho nhiều vi khuẩn chuyển hoá glucoza thành axit piruvic không qua con đường EMP (do bị đột biến thiếu một vài en zim của con đường này), đồng thời con đường này cung cấp cho tế bào 2 tiền chất khác là ribozơ – 5 photphat (dùng để tổng hợp axit nucleic) và eritrozơ - 4 photphat (cùng PEP để tổng hợp axit amin thơm), ngoài ra con đường này còn cung cấp NADPH cần cho các phản ứng tổng hợp khử.Con đường HMP có sơ đồ sau: Glucoza ATP ADP Glucozo-6P NADP + NADPH 2 [...]... A: nấm Tricoderma viride B: vi khuẩn Cellvibrio fulvus C: nhiều vi sinh vật khác Ý nghĩa của nhóm vi sinh vật phân giải xenluloza: có ý nghĩa rất lớn đối với vi c thực hiện vòng tuần hoàn cacbon trong tự nhiên, góp phần quan trọng trong vi c nâng cao độ phì của đất cũng như vào vi c tiêu hoá thức ăn ở động vật nhai lại Ngoài ra các vi sinh vật phân giải xenluloza còn có vai trò trong vi c cung cấp nguồn... nhiên có nhiều loài vi sinh vật có khả năng sinh ra các enzim làm xúc tác cho quá trình phân giải xenluloza: - Vi sinh vật hiếu khí: Niêm vi khuẩn (Cytophaga, Sporocytophaga ), vi khuẩn (Bacillus, Pseudomonas, Cellulomonas, Vibrio, Cellvibrio ), Vi nấm (Rhizopus, Penicilium, Fusarium, Aspergillus, Tricoderma ), xạ khuẩn (Streptomyces, Actinomyces, Streptosporangium ) các vi sinh vật này sinh ra 2 loại enzim... lượng CO2 gần như vậy được sinh ra do quá trình hô hấp, quá trình đốt cháy nhiên liệu, đun nấu, quá trình phân giải các xác hữu cơ nhờ vi sinh vật và quá trình hoạt động của núi lửa Riêng đối với vi sinh vật, chúng ta thấy rằng do tốc độ sinh sôi nảy nở rất nhanh chóng, với tính đa dạng về mặt sinh lý và khả năng trao đổi chất mạnh mẽ, vi sinh vật có vai trò to lớn trong vi c thực hiện vòng tuần hoàn... là glucoza Một số vi sinh vật có hoạt tính amylaza cao: Loại amylaza α - amylaza β - amylaza Glucoamylaza (γ - amylaza) Vi sinh vật Aspergillus candidus Aspergillus niger Aspergillus oryzae Bacillus subtilis Clostridium acetobutylicum Aspergillus awamori Aspergillus oryzae Aspergillus awamori Aspergillus niger Aspergillus oryzae Ý nghĩa của vi sinh vật chuyển hoá tinh bột: vi sinh vật phân giải tinh... trình như sau: NO2- + ½ O2 NO3- + Q Vi khuẩn nitrat hoá thuộc loại tự dưỡng hoá năng Cũng như các vi sinh tự dưỡng hoá năng khác, vi khuẩn nitrat hoá dùng năng lượng sinh ra trong quá trình này để đồng hoá CO2 của không khí Ngoài quá trình nitrat hoá do nhóm vi khuẩn tự dưỡng hoá năng thực hiện còn có quá trình nitrat hoá do vi sinh vật dị dưỡng thực hiện Các vi sinh vật này không có khả năng đồng hoá... suất bình thường * Các vi sinh vật cố định Nitơ phân tử: - Các vi sinh vật cố định nitơ sống tự do: + Azotobacter: là vi khuẩn hiếu khí, Gram âm, không sinh bào tử, có hình que khi còn non, nhưng khi già kích thước thu ngắn lại trông giống như hình cầu Azotobacter có thể sống được ở phạm vi pH rộng từ 4,5 – 9,0, nhưng thích hợp nhất là pH = 7,2 – 8,2 Azotobacter là nhóm vi sinh vật ưa ấm, có thể phát... Bradyrhizobium: là những chủng vi sinh vật mọc chậm, trong hoạt động sống của chúng đã làm kiếm hoá môi trường 3 Agrobacterium: là những chủng vi sinh vật có khả năng cố định nitơ nhưng không thuộc cây họ Đậu 4 Phylobacterium: là những chủng vi sinh vật công sinh trên cây rừng có khả năng cố định nitơ và tạo nốt sần Vi khuẩn nốt sần thuộc loại hiếu khí, Gram âm, không sinh bào tử Có hình dạng thay đổi... nitơ dưới tác dụng của vi sinh vật thành các chất đơn giản hơn là NH4+ hoặc NH3 Vi sinh vật tham gia vào quá trình này gọi là vi sinh vật amôn hoá * Amôn hoá protein (Quá trình thối rữa): 53 Protein là thành phần cơ bản của nguyên sinh chất tế bào, chứa khoảng 15 – 17,6% nitơ (tính theo chất khô) Protein thường xuyên được đưa vào đất với một số lượng lớn cùng với xác động, thực vật, phân chuồng, rác... axit béo và rượu cao phân tử) được nhiều loài vi sinh vật sử dụng làm nguồn thức ăn cacbon và nguồn năng lượng Đây là cơ chất được đồng hoá với tốc độ chậm Lipit, sáp và các axit béo chứa trong xác động, thực vật bị vùi lấp vào đất, sau một thời gian sẽ bị phân giải và đồng hoá hết nhờ nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau Các vi sinh vật này có khả năng sản sinh ra enzim lipaza nội hoặc ngoại bào để thuỷ... các vi sinh vật này có khả năng sản sinh ra enzim proteaza (proteinaza và peptidaza) ngoại bào Các enzim này xúc tác cho quá trình thuỷ phân protein thành các hợp chất có phân tử nhỏ hơn (các polipeptit và oligopeptit) Các chất này tiếp tục được phân giải thành các axit amin hoặc được hấp thụ ngay vào tế bào vi sinh vật sau đó mới chuyển hoá thành axit amin Một phần các axit amin này được vi sinh vật . 28 BÀI 4. SINH LÝ HỌC VI SINH VẬT I. Dinh dưỡng của vi sinh vật: 1. Khái niệm chung: - Chất sinh dưỡng là những chất được vi sinh vật hấp thụ từ môi. cơ thể. Ví dụ: vi sinh vật cố định nitơ, vi sinh vật amon hoá. - Vi sinh vật dị dưỡng amin: là nhóm vi sinh vật xây dựng protein, nguyên sinh chất của mình