3/17/2010 BÀI GIẢNG VI SINH ĐẠI CƯƠNG TRAO ĐỔI CHẤT & NĂNG LƯỢNG Ở VI SINH VẬT Trương Thục Tuyền THÁNG 02.2010 3/17/2010 Đồng hóa Dị hóa TRAO ĐỔI CHẤT ĐỒNG HÓA Các cao phân tử (lipid, protein, carbohydrate, DNA, RNA) DỊ HĨA Đồng hóa Dị hóa Nguồn lượng: • Là chất dinh dưỡng tế bào hấp thu •Ánh sáng • VSV sử dụng chủ yếu chất hấp thu từ môi trường xung quanh 3/17/2010 Adenosine triphosphate (ATP) Hợp chất giàu lượng: •nucleoside triphosphate (ATP, UTP) •Các axyl phosphate •Các dẫn xuất acid carbonic (acetyl-CoA…) Adenosine triphosphate (ATP): hợp chất cao quan trọng nhất, “tiền tệ” lượng tế bào Liên kết cao P O: q trình phosphoryl hóa tích lũy lượng cần thiết cho tế bào chế phosphoryl hóa để tạo ATP từ ADP: AMP + H3PO4  ADP Phosphoryl hóa mức độ chất ADP + H3PO4  ATP Phosphoryl hóa oxi hóa Phosphoryl hóa quang hóa Phân giải carbohydrate Hầu hết vsv sử dụng carbohydrate làm nguồn lượng Glucose nguồn carbohydrate phổ biến cho tế bào HÔ HẤP TẾ BÀO Phân giải glucose thành pyruvate qua đường: EMP, PP ED/KPDG LÊN MEN Đường phân NADH ATP Acid pyruvic NADH Acid pyruvic (hay dẫn xuất) Acetyl CoA Krebs NADH C02 NADH ATP Electron Các sản phẩm lên men cuối ATP 02 H20 3/17/2010 Đường phân/EMP Con đường EMP (Embden-Meyerhof-Parnas) Glucose chuyển thành pyruvate qua 10 phản ứng Các chất trung gian dạng phosphoryl hóa Mỗi bước phân giải enzyme đặc hiệu Glucose → pyruvate + 2ATP + 2NADH2 Sự tạo thành ATP phản ứng và 10: phosphoryl hóa mức độ chất X~ P + ADP →X + ATP PEP + ADP → pyruvate + ATP Con đường PP Con đường PP (Pentose phosphate) hay HMP (hexo-mono phosphate) Giúp vi khuẩn chuyển hóa glucose thành pyruvate khơng qua đường EMP xảy đồng thời với EMP Có thể xảy điều kiện yếm khí hiếu khí Con đường PP-giai đoạn Các VK sử dụng đường PP gồm có: Bacillus subtilis E.Coli Leuconostoc mesenteroides Enterococcus faecalis 3/17/2010 Con đường PP Con đường PP (Pentose phosphate) hay HMP (hexo-mono phosphate) Cung cấp cho tế bào tiền chất để tổng hợp acid nucleic, amino acid Cung cấp NADPH cần cho phản ứng tổng hợp khử Mang tính chất đồng hóa PP cho 1ATP Con đường PP-giai đoạn Glucose -> pyruvate + 3CO2 + 6NADPH2 +NADH2 + ATP Đường phân ED Con đường ED (Entner-Doudoroff) hay KPDG(2-keto-3 deoxy-6 phosphategluconate) Chỉ gặp số vi khuẩn: Pseudomonas, Rhizobium, Azotobacter, Agrobacterium và số VK gram âm Ngoại lệ: Enterococcus faecalis VK gram dương ngoại lệ EMP PPO phổ biến sinh vật PP giúp cho vsv sử dụng gluconat Glucose → pyruvate + ATP + NADH2+NADPH2 3/17/2010 NAD+ VÀ NADP+ Các coenzyme nicotinamide adenine dinucleotide NAD+ và nicotinamide adenine dinucleotide phosphate NADP+ NAD+ và NADP+ dẫn xuất vitamin B niacin HƠ HẤP TẾ BÀO Hơ hấp tế bào: q trình tạo ATP mà phân tử bị oxy hóa chất nhận điện tử cuối thường phân tử vô Hoạt động chuỗi hơ hấp/chuỗi vận chuyển điện tử HƠ HẤP TẾ BÀO Đường phân Hơ hấp hiếu khí Oxy NADH Hơ hấp yếm khí Phân tử vơ ATP Acid pyruvic Acetyl CoA NADH Chất nhận điện tử cuối Krebs C02 NADH ATP Electron ATP 02 H20 3/17/2010 Chu trình Krebs Chu trình Krebs hay TCA (tricaboxylic acid) hay citric acid Là chuỗi phản ứng hóa học mà hóa Acetyl CoA giải phóng bước ? ATP ? CO2 ? NADH ? FADH2 ? CO2 Chu trình Krebs Chu trình Krebs hay TCA (tricaboxylic acid) hay citric acid 3/17/2010 Chu trình Krebs Pyruvate tham gia trực tiếp vào chu trình Krebs VSV oxi hóa pyruvate thành acetyl-CoA: Pyruvate chuyển thành hợp chất 2-C gọi nhóm acetyl: q trình decarboxyl Acetyl đính kết với CoA nối cao = acetyl-CoA Các đặc điểm chu trình Krebs: Oxi hóa acetate thành CO2 giải phóng H2 Cung cấp tiền chất cho tế bào: •oxaloacetate (tổng hợp aspartame), •-ketoglutarate (tổng hợp glutamate), •và sucinyl-coA (tổng hợp nhân hem cấu trúc vitB12, clorophyll…) Các coenzyme bị khử NADH FADH2 sản phẩm quan trọng chu trình Krebs e mang NADH Đường phân Glucose→→ 2Pyruvate ATP AcetylCoA e mang NADP FADH2 TCA Phosphoryl hóa oxi hóa ATP 34 ATP 3/17/2010 CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐiỆN TỬ Chuỗi hô hấp và q trình phosphoryl hóa oxi hóa Các phân tử vận chuyển điện tử: Flavoprotein: protein chứa flavin, coenzyme dẫn xuất riboflavin FMN (flavin mononucleotide) Cytochrome: protein có chứa nhân heme Cyt b, cyt c1, cyt c, cyt a, cyt a3 Ubiquinone: coenzyme Q, chất vận chuyển nhỏ phi protein Các enzyme vận chuyển electron hydro Các dehydrogenase hệ thống vận chuyển Các chuỗi vận chuyển điện tử vi khuẩn đa dạng CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐiỆN TỬ Chuỗi vận chuyển điện tử ti thể tế bào nhân thực Thành phần chuỗi hô hấp xếp theo oxi hóa khử bắt đầu với NAD+ (thế âm nhất) H+ electron tách từ chất tham gia vào chuỗi hô hấp Electron cao từ NADH chuyển đến FMN FMNH2 chuyển 2H+ sang bên màng 2e cho Q Q chuyển e cho cytb, cytc1, cyta, cyta3 Cyt a3 chuyển e cho O2 1/2O2 + 2H+=H20 Năng lượng thoát chuyển thành ATP 3/17/2010 CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐiỆN TỬ Hệ thống hơ hấp hiếu khí E.coli Chỉ có vị trí phosphoryl hóa P/O= 0.67 sử dụng đường cyt bd nồng độ oxy thấp P/O= 1.3 sử dụng đường cyt bo nồng độ oxy cao CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐiỆN TỬ Sự tạo thành 38 ATP với ti thể số vi khuẩn 10 3/17/2010 HÔ HẤP TẾ BÀO ATP thu từ hô hấp hiếu khí tế bào Nguồn sinh ATP ATP thu Đường phân: Oxi hóa glucose thành acid pyruvic Phương pháp ATP Phosphoryl hóa mức độ chất Sản sinh NADH ATP Phosphoryl hóa oxi hóa chuỗi vận chuyển điện tử Bước chuẩn bị: hình thành Acetyl CoA sản sinh NADH Phosphoryl hóa oxi hóa chuỗi 6ATP vận chuyển điện tử Chu trình Krebs: Oxi hóa succinyl CoA thành acid succinic Tương đương ATP, Phosphoryl hóa 2GTP mức độ chất Sản sinh NADH 18 ATP Phosphoryl hóa oxi hóa chuỗi vận chuyển điện tử Sản sinh FADH ATP Phosphoryl hóa oxi hóa chuỗi vận chuyển điện tử Tổng cộng 38 ATP HỆ SỐ P/O Hệ số P/O (mol ATP/mol nguyên tử oxy) Quá trình vận chuyển 2[H] từ NADH2 đến O2 có bước chuyển e liên quan đến tạo thành ATP Chuỗi vận chuyển điện tử vi khuẩn có tỉ lệ P/O thấp hệ thống nhân thật Hầu hết vi khuẩn có P/O = Hơ hấp glucose hiếu khí E.coli cho 26 ATP (P/O = 1.3) 100 Hz Năng lượng giúp vi sinh vật di động nhờ tiên mao 13 3/17/2010 HƠ HẤP KỊ KHÍ Nhiều vi khuẩn có chuỗi vận chuyển điện tử hoạt động với chất nhận điện tử cuối ngoại sinh O2 Chất nhận điện tử cuối: NO3-, SO42-, CO2, số kim loại chất hữu Pseudomonas Bacillus: sử dụng ion nitrate làm chất nhận điện tử cuối Desulfovibrio: sử dụng sulfate SO42- tạo thành S2- hay H2S Hô hấp kị khí bắt buộc Hơ hấp kị khí tùy ý Khả tạo ATP hơ hấp kị khí so với hơ hấp hiếu khí? LÊN MEN HƠ HẤP TẾ BÀO Phân giải glucose thành pyruvate qua đường: EMP, PP ED/KPDG LÊN MEN Đường phân NADH ATP Acid pyruvic NADH Acid pyruvic (hay dẫn xuất) Acetyl CoA Krebs NADH C02 NADH ATP Electron Các sản phẩm lên men cuối ATP 02 H20 14 3/17/2010 LÊN MEN Lên men trình sinh lượng từ oxi hóa-khử chất hữu điều kiện kị khí Đặc điểm q trình lên men: Giải phóng lượng từ đường phân tử hữu khác (amino acid, acid hữu cơ, purine pyrimidine) Khơng cần oxy (có thể xảy có oxy) Khơng sử dụng chu trình Krebs chuỗi vận chuyển điện tử Sử dụng phân tử hữu làm chất nhận điện tử cuối Chỉ sản sinh ATP (1-2 ATP cho phân tử vật liệu khởi đầu) Năng lượng sinh trình lên men so với hơ hấp hiếu khí? Phân biệt hơ hấp yếm khí lên men? LÊN MEN Vi sinh vật SP lên men cuối Acid lactic Saccharomyces (nấm men) ACID PYRUVIC Streptococcus, Lactobacillus, Bacillus Ethanol CO2 Propionibacterium Acid propionic, acid acetic, CO2 VÀ H2 Clostridium Acid butyric, butanol, acetone, isopropyl alcohol, CO2 Escherichia, Salmonella Ethanol, acid lactic, acid succinic, acid acetic, CO2 H2 Enterobacter Ethanol, acid lactic, acid formic, butanediol, acetoin, CO2 H2 15 3/17/2010 Cơ chế chung số trình lên men quan trọng LÊN MEN NAD+ tái tạo nhờ tác dụng với acid pyruvic hợp chất sinh từ acid pyruvic LÊN MEN SP lên men cuối Sản phẩm thương mại Vật liệu khởi đầu VSV Ethanol Bia Chiết xuất malt Saccharomyces cerevisae Rượu Nho, nước hoa Saccharomyces cerevisae var ellipsoideus Xăng Chất thải NN Saccharomyces cerevisae Acid lactic Lactobacillus, Streptococcus Cải chua Methane Pho mát, yoghurt Sữa Bắp cải Lactobacillus plantarum Xăng Acid acetic Methanosarcina Acid lactic Propionibacterium freudenreichii Acid propionic Pho mát Thụy Sỹ CO2 16 3/17/2010 LÊN MEN Điều kiện Chất nhận Loại sinh trưởng điện tử cuối phosphoryl hóa để tạo ATP ATP sản sinh / mol glucose Hơ hấp hiếu khí Hiếu khí O2 Mức độ chất oxi hóa 36 (eukaryote) 38 (prokaryote) Hơ hấp yếm khí Yếm khí Thường Mức độ chất vô chất oxi (NO3-, SO4 2-, hóa CO3 2-) Biến động (nhỏ 38, lớn 2) Lên men Hiếu khí hay yếm khí Phân tử hữu Mức độ chất LÊN MEN ETYLIC Lên men etylic nhờ nấm men: chế tạo rượu, bia, cồn glycerin Saccharomyces cerevisae 17 3/17/2010 LÊN MEN LACTIC Lên men lactic trình chuyển hóa kị khí đường với tích lũy acid lactic môi trường Các kiểu lên men lactic Lên men lactic đồng hình (homolactic) •Sản phẩm cuối có acid lactic Lactobacillus bulgaricus Vi khuẩn lactic xếp chung vào họ Lactobacteriacae •Gram dương •khơng tạo thành bào tử •khơng di động • tế bào hình que, hình cầu •Phân giải glucose theo đường EMP •Có ý nghĩa mặt cơng nghiệp Lên men lactic dị hình (heterolactic) •Sản phẩm cuối đa dạng: acid lactic, ethanol, acid acetic CO2 •Phân giải glucose theo đường PP (do thiêu enzyme aldolase triophosphat isomerase) LÊN MEN LACTIC Vi khuẩn lactic ứng dụng rộng rãi công nghiệp chế biến sữa, sản xuất acid lactic, chế biến rau thức ăn gia súc Sữa chua: S lactis, S.cremoris, S.diacetilactis Pho mát chedar: S.lactis, S cremoris, L casei Pho mát Gruyere S.lactis, S thermophilus, L heveticus, P Shermanii) Ủ chua thức ăn gia súc: •Giữ lâu trạng thái tươi •Khơng hao hụt chất dinh dưỡng •Giàu vitamin sau ủ • Nâng cao chất lượng ủ: cấy giống L plantarum Pho mát Roquefort: S lactis, S cremoris, Penicillium roqueforti Dưa chua 18 3/17/2010 LÊN MEN PROPIONIC Kị khí khơng bắt buộc •Gram dương •Khơng di động •Khơng sinh bào tử •Kị khí: tế bào hình cầu •Thống khí: hình que, hình phân nhánh Propionibacterium Phân bố nhiều cỏ đường ruột động vật nhai lại P freudenchii P shermanii Sử dụng vi khuẩn Propionibacterium công nghiệp: Sản xuất mát chế tạo vitamin B12 sản phẩm thô chăn nuôi LÊN MEN FORMIC Vi khuẩn Enterobacteriaceae (trực khuẩn đường ruột) có khả lên men đường tạo thành acid formic •Trực khuẩn Gram âm •Di động mạnh •Khơng sinh bào tử •Kị khí khơng bắt buộc Enterobacteriaceae Đặc điểm sinh hóa số chi vi khuẩn đường ruột có khả lên men formic VK Đỏ metyl Đồng hóa citrat Phân giải ure Sinh H2S Sinh - + - - - - + - + - - - +/- - - - - - - +/+ + + + - - - LM Glu LM Lac VP Escherichia +/+ +/+ Enterobacter +/+ +/+ Shigella +/- Klebsiella +/+ desaminase phenylnalanin 19 3/17/2010 PHÂN GiẢI LIPID Lipid Lipase Các acid béo Oxi hóa  Glycerol Dihydroxyacetone phosphate Acetyl CoA Đường phân Glyceraldehyde 3-P Oxi hóa  Acid pyruvic Acetyl CoA Krebs PHÂN GiẢI PROTEIN •VSV tiết enzyme phân giải protein ngoại bào •Chuyển hóa protein thành HC có phân tử nhỏ •Các HC phân hủy thành acid amin nhờ petidase Các VSV tham gia q trình amon hóa: Vi khuẩn: B mycoides, B subtilis, B cereus, Proteus vulgaris, P fluorescens, E coli, C sporogenes v.v… Xạ khuẩn nấm: Asp oryzae, A flavus, A niger, Penicillium camemberti, Rhizopus spp., Mucor spp 20 3/17/2010 PHÂN GiẢI PROTEIN Protein Enzyme phân giải protein ngoại bào Polypeptide peptidase Oligopeptide Acid amin Các acid amin nội bào Khử amin phân giải mạch carbon Khử amin Chuyển amin & phân giải carbon Trực tiếp sử dụng trình sinh tổng hợp protein Phản ứng chuyển amin CÁC PHẢN ỨNG SINH HÓA VÀ ĐỊNH DANH VSV Phản ứng lên men carbohydrate Phản ứng Voges Proskauer (V.P) Lên men acid formic dùng để định danh vi khuẩn đường ruột 21 3/17/2010 CÁC PHẢN ỨNG SINH HÓA VÀ ĐỊNH DANH VSV Phản ứng Simmon Citrate Phản ứng môi trường KIA QUANG HỢP 22 3/17/2010 Quang hợp vi khuẩn Sinh vật có khả quang hợp: Sinh vật dinh dưỡng quang Có sản sinh O2 Tảo, xanh Không sản sinh O2 VK lam Vi khuẩn quang hợp Rhodospirillales Sắc tố quang hợp chlorophyll (Chl) Sắc tố quang hợp bateriochlorophyll (Bchl) Chất cho điện tử: H2O Chất cho điện tử: H2S, S, S2O3, chất hữu Quang hợp vi khuẩn Vi khuẩn quang hợp Chlorobiaceae Cloromatiaceae Rhodospirillaceae VK lưu huỳnh VK lưu huỳnh VK phi lưu huỳnh Màu lục Màu tía Màu tía Tự dưỡng quang Dị dưỡng quang Cyanobacter: vi khuẩn quang hợp có khả cố định đạm 23 3/17/2010 Quang hợp vi khuẩn Quá trình quang hợp: CO2 + H2A  (CH2O) + H2O + 2A Vi khuẩn Oxy hóa H2S: CO2 +2 H2S  (CH2O) + H2O + 2S Cây xanh CO2 + H2O  (CH2O) + H2O + O2 Dùng S làm nguồn e-: 3CO2 + 2S + 5H2O  3(CH2O) + 2H2SO4 Oxy hóa sulfit/thiosulfat: CO2 + 2H2SO3 + 2H2O  (CH2O) +2H2SO4 + H2O CO2 + Na2S2O3 + H2O  (CH2O) +Na2S4O6 +4 NaOH Oxy hóa tetrathionat: CO2 + Na2S4O6 + 13 H2O  7(CH2O) +2Na2SO4 + 6H2SO4 Quang hợp vi khuẩn Vi khuẩn họ Rhodospirillaceae: Sử dụng hợp chất hữu (đường, rượu, acid hữu cơ, aa) •Làm chất cho điện tử: đồng hóa CO2 •Làm nguồn carbon: cho lượng Khuẩn lục tố Cấu trúc khuẩn lục Bchl: •Vịng pocphiril nhân pirol liên kết với •Lõi khuẩn lục Mg •Chất diệp lục a khác với chất khuẩn lục a,b,c,d,e gốc R Vi khuẩn tự dưỡng quang năng: số sắc tố thuộc loại carotenoid Carotenoid vi khuẩn không giống với carotenoid tảo thực vật 24 3/17/2010 Quang hợp vi khuẩn Cơ chế quang hợp Giai đoạn quang lý: Năng lượng ánh sáng chuyển sang lượng điện tử phân tử Bacteriochlorophyll Giai đoạn quang hóa: Chuyển hoá lượng điện tử làm giàu nãng lượng ánh sáng thành lượng chứa đựng hợp chất giàu lượng ATP NADH2 Giai đoạn quang hoá xảy tâm quang hợp phản ứng quang hoá mà phần quang phân ly nước phosphoryl hoá ATP NADH2 vi khuẩn sử dụng để tổng hợp chất hữu Quang hợp vi khuẩn Tảo, xanh, vi khuẩn tự dưỡng quang đồng hóa CO2 theo chu trình Calvin Benson Con đường đồng hố CO2 phổ biến Chu trình xảy qua giai đoạn chính: + Tiếp nhận CO2 : Ribulose 1,5-di-P tiếp nhận CO2 sau biến đổi thành phân tử glyceraldehyde-3-P + APG bị khử thành AlPG nhờ ATP NADPH2 + AlPG tái tạo lại Ribulose 1,5dP đồng thời tạo nên sản phẩm chu trình C6H12O6 25 3/17/2010 Chu trình Calvin TỔNG KẾT Các nguồn lượng (chất cho electron) Glucose, sulfur, ammonia, khí hydro Ánh sáng ATP Chất vận chuyển điện tử NADP+ ATP NAD+ FAD Chất nhận điện tử cuối O2 (hơ hấp hiếu khí) NO3-, SO42- (hơ hấp yếm khí) Hợp chất hữu (lên men) 26 3/17/2010 Tất sinh vật Nguồn lượng DD hóa DD quang Nguồn hữu Nguồn hữu hợp chất hữu Hóa dị dưỡng Chất nhận điện tử cuối O2 Tất động vật, hầu hết nấm, protozoa, vk hợp chất hữu CO2 CO2 Hóa tự dưỡng Quang dị dưỡng Vk oxi hóa H2, S2, N2, CO2 Quang tự dưỡng VK phi lưu huỳnh Sử dụng H20 để khử CO2? Có Khơng Quang hợp có O2 (cây xanh, tảo, vk lam) VK quang hợp không oxy Không phải O2 HC hữu Lên men được: vd:Streptococcus HC vô Chuỗi vc điện tử: Clostridium 27 ... làm chất nhận điện tử cuối Chỉ sản sinh ATP (1-2 ATP cho phân tử vật liệu khởi đầu) Năng lượng sinh q trình lên men so với hơ hấp hiếu khí? Phân biệt hơ hấp yếm khí lên men? LÊN MEN Vi sinh. .. tử vi khuẩn có tỉ lệ P/O thấp hệ thống nhân thật Hầu hết vi khuẩn có P/O = Hơ hấp glucose hiếu khí E.coli cho 26 ATP (P/O = 1.3) 100 Hz Năng lượng giúp vi sinh vật di động nhờ tiên mao 13 3/17/2010. .. 15 3/17/2010 Cơ chế chung số trình lên men quan trọng LÊN MEN NAD+ tái tạo nhờ tác dụng với acid pyruvic hợp chất sinh từ acid pyruvic LÊN MEN SP lên men cuối Sản phẩm thương mại Vật liệu khởi