Vi sinh vật học đại cương - Chương 4: Quá trình trao đổi chất và và trao đổi năng lượng ở vi sinh vật

Nội dung text: Vi sinh vật học đại cương - Chương 4: Quá trình trao đổi chất và và trao đổi năng lượng ở vi sinh vật

1. Chƣơng 4. QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI CHẤT VÀ VÀ TRAO ĐỔI NĂNG LƢỢNG Ở VSV NỘI DUNG CHƢƠNG 4.1. Các phương thức dinh dưỡng ở vi sinh vật 4.2. Quá trình trao đổi chất và năng lượng ở vi sinh vật dị dưỡng 4.3. Quá trình trao đổi chất và năng lượng ở vi sinh vật tự dưỡng KHÁI NIỆM CHUNG Trao đổi chất là (Metabolism) tổng các phản ứng hóa học do tế bào thực hiện. Phản ứng thu năng lượng Phản ứng giải phóng năng lượng (Phản ứng thu nhiệt) (Phản ứng tỏa nhiệt) Trong 1 tế bào sống, cáQuác phảtrình nđồ ứngng hó aloạ i nào đượcQuá thự trìcnh hiệ dịn? hóa (chuyển hóa các chất dinh dưỡng (phân hủy các thành phần cơ và chế biến lại để tổng hợp các thể) chất riêng của tế bào VSV) 1
2. ? Cấu tạo ATP 4.1. Các phƣơng thức dinh dƣỡng ở VSV 2
3. 4.1. Các phƣơng thức dinh dƣỡng ở VSV Nguồn C xây dựng tế bào Nguồn năng lượng Chất hữu cơ CO2 Quang 1-Quang dị dưỡng 2 - Quang tự dưỡng năng (Photoheterotroph) (Photoautotroph) 3 - Hóa dị dưỡng 4 - Hóa tự dưỡng Hóa năng (Hererotroph) (Lithotroph) Vòng chuyển hóa năng lƣợng trong tế bào 3
4. Các kiểu giải phóng năng lƣợng 1. Hô hấp hiếu khí (Aerobic respiration) 3. Lên men 2. Hô hấp kị khí (Anaerobic respiration) 4. Quang tổng hợp 4.2. Quá trình trao đổi chất và năng lượng ở vi sinh vậtdị dưỡng 4.2.1. Quá trình phân giải glucide - Hô hấp hiếu khí - Lên men - Các quá trình oxy hóa không hoàn toàn - Hô hấp kị khí 4.2.2. Sự phân giải protein 4.2.3. Sự phân giải lipid và các acid béo 4.2.4. Sự phân giải các hợp chất vòng thơm 4.2.5. Sự phân giải các hợp chất 2 cacbon và 1 cacbon 4
5. 4.2.1. Quá trình phân giải glucide bằng cách hô hấp hiếu khí Con đường đường phân Phân giải glucose Con đường pentose-phosphat Quá trình oxy hóa pyruvat Con đường 2-keto-3-deoxy-6- Chu trình Krebs P-gluconat Chuỗi vận chuyển điện tử Con đƣờng đƣờng phân (Glycosis) (EMP – Embden Meyerhof pathway) Xảy ra trong điều kiện có hay vắng mặt oxy. 10 phản ứng - Xảy ra Glucose ở điều kiệ 2n piruvatoxy như + thế2ATP nà +o? 2 NADH - Ở vị trí nào trong tế bào? - Các sản phẩm của phản ứng? Cung cấp cho tế bào 6 tiền chất: - Tạo -bao Glucose nhiêu – 6tiề- nP chất cho quá trình tổng hợp - Fructose – 6-P thành phần tế bào? - 3-glixerat - 3- P- glixeraldehit - PEP (photphoenolpiruvat) - Piruvat Con đƣờng Pentozo photphat (PP) (HMP – Hexose mono photphat) Glucose Piruvat + 3CO2 + 6NADPH2 + NADH2 + ATP Cung cấp cho tế bào 2 tiền chất: - Cá c - sảRibosen phẩ –m 5 (củdùang phả tổngn ứhợng?p axit nucleic) - Erytrose – 4 (cùng với PEP dùng tổng hợp các axit amin thơm)  Mang tính chất đồng hóa là chủ yếu. 5
6. Con đƣờng 2-keto-3-deoxi-6-P-gluconat (ED – Entner-Doudoroff pathway) Glucose 2 Piruvat + ATP + NADH2 + NADPH2 Con đƣờng KDPG giúp nhiều vi khuẩn sử dụng gluconat.  Sản phẩm chung của các con đường phân giải đường là gì? Oxidative pathways of glycolysis employed by various bacteria. Embden-Meyerhof Phosphoketolase Entner-Doudoroff Bacterium pathway (heterolactic) pathway pathway Acetobacter aceti - + - Agrobacterium - - + tumefaciens Azotobacter - - + vinelandii Bacillus subtilis major minor - Escherichia coli + - - Lactobacillus + - - acidophilus Leuconostoc - + - mesenteroides Pseudomonas - - + aeruginosa Vibrio cholerae minor - major Zymomonas - - + mobilis Phân giải các loại đƣờng khác Fructose Fructose-6-P con đƣờng EMP Mannose Monnose-6-P Fructose-6-P con đƣờng EMP Galactose Galactose-1-P Glucose-1-P Glucose-6-P con đƣờng EMP 6
7. Quá trình oxi hóa pyruvat Piruvat - dehidrogenase (1) Piruvat + CoA + NAD+ Axetyl – CoA + NADH2 + CO2 gặp ở vi khuẩn hiếu khí, Axetyl – CoA tạo thành chủ yếu đi vào chu trình ATC Piruvat – Fd - oxidoreductaza (2) Piruvat + CoA + 2Fd Axetyl – CoA + 2FdH + CO2 gặp ở nhiều vi khuẩn kỵ khí nhƣ Clostridium. Piruvat – Focmat - liaza (3) Piruvat + CoA Axetyl – CoA + Focmat gặp ở nhiều vi khuẩn kỵ khí tiết axit focmic, vi khuẩn quang dưỡng Chu trình tricacboxilic (TCA) (Chu trình Krebs) Xảy ra ở ty thể (Eukaryote) Xảy ra ở màng tế -bàXảo chấy rat (Prokaryote) ở vị trí nà o 1 pyruvat đi vào trong tế bào VSV? chu trình Krebs tạo: 1 -ATP,Các sả3 nNADH, phẩm 1 FADH, 2 CO2. tạo thành? NADH, FADH đi tiếp vào chuỗi hô hấp tạo thêm ATP. Sự tạo năng lƣợng ở các con đƣờng phân giải đƣờng và chu trình Kreb Photphorin hóa ở mức độ cơ chất 7
8. Chuỗi vận chuyển điện tử Là1 chuỗi các chất mang điện tử nằm trên màng tế bào chất hoặc màng ty thể.  Là nơi tạo ATP chủ yếu cho VSV hô hấp hiếu khí từ sự oxy hóa NADH(≈ 3 ATP) và FADH2 (≈ 2 ATP) - Flavoprotein > Protein Fe – S > Quinon > Xitocrom Các thành phần chuỗi hô hấp sắp xếp theo cơ sở thế oxi hóa khử bắt đầu với NAD+ (thế âm nhất) và kết thúc với xitocrom – oxidaza và O2 Sự tạo năng lƣợng trong chuỗi hô hấp Phosphoryl hóa oxi hóa 8
9. 4.2.1. Quá trình phân giải glucide bằng cách hô hấp kị khí Trong điều kiện thiếu oxi, nhiều vi khuẩn tiến hành hô hấp kị khí: - CHC là chất cho điện tử - Oxy trong hợp chất là chất nhận điện tử cuối cùng - 2- (NO3 , SO4 ) Hô hấp nitrat (kị khí không bắt buộc): vi khuẩn khử nitrat 4AH2 + HNO3 4A + NH3 + 3H2O + ATP Ví dụ: Hô hấp sulfat (kị khí bắt buộc): vi khuẩn khửsulfat 4AH2 + H2SO4 4A + NH3 + 3H2O + ATP Ví dụ: - 2- - - CH3COO + SO4 → 2 HCO3 + HS Lên men Là quá trình phân giải hydratcacbon trong điều kiện kị khí. Bản chất: là quá trình oxy hóa khử cơ chất, oxi không tham gia quá trình này, nên thực chất đây là quá trình tách hydro ra khỏi cơ chất. Năng lượng sinh ra 1 phần sử dụng trong phản ứng khử, 1 phần tích lũy trong liên kết cao năng ATP tạo thành không nhiều như hô hấp hiếu khí. NADH2 tạo ra khi đường phân tác dụng với acid pyruvic hoặc hợp chất mới tạo ra từ acid pyruvic để tái tạo NAD+. Sản phẩm cuối: CO2, sản phẩm hữu cơ chưa bị oxy hóa hoàn toàn (rượu, acid lactic, aldehyde ) có các quá trình lên men khác nhau (tùy thuộc loại VSV và điều kiện lên men. Oxi hóa lại NADH trong lên men 9
10. Cơ chế của quá trình lên men Môi trường thoáng khí Hô hấp hiếu khí Chất cho O2 Hidro H2O Môi trường kỵ khí Hô hấp kỵ khí Tóm - NO3 Hô hấp nitrate tắt các Kỵ khí không bắt buộc hình N2 thức dị 2- Hô hấp sulfate hóa ở SO4 Kỵ khí bắt buộc VSV H2S CO2 Hidro Hô hấp kỵ khí đặc biệt CH4 Chất hữu cơ Chất cho Lên men vi sinh vật Hidro Sản phẩm lên men So sánh năng lượng trong 3 kiểu trao đổi chất và năng lượng ởVSV dị dưỡng? 10
11. 4.2. 2. Sự phân giải protein (Quá trình amôn hóa (Sự thối rữa protein) Qúa trình amôn hóa là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ chứa nitơ, giải phóng NH3 do nhiều VSV hiếu khí, kị khí gây ra (vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc). VSV gây bệnh, VSV gây hư hỏng thực phẩm, VSV đất có thể sử dụng protein làn nguồn cacbon và nguồn năng lượng. Cơ chế phân giải protein Protease Peptidaza Polipeptid Protein Axit amin Oligopeptid Các axit amin nội bào Khử amin và Khử Chuyển amin Trực tiếp sử phân giải amin và phân giải dụng trong mạch cacbon mạch cacbon quá trình sinh tổng hợp protein Các kiểu phân giải acid amin nội bào Đặc tính của phản Sản phẩm phân giải acid amin ứng Không khử cacboxyl Có khử cacboxyl Không khử amin Có khử amin 1)Trực tiếp 2)Thủy phân 3)Oxi hóa hiếu khí 4)Oxi hóa kị khí 5)Khử 11
12. Sự phân giải protein Trong điều kiện thoáng khí: các quá trình oxi hóa thường tiến hành đến cùng, khi đó hầu hết cacbon được chuyển thành CO2, và các sản phẩm cuối cùng như NH3, muối của acid sulfuric, acid phosphoric. Trong điều kiện kỵ khí: aa không được oxi hóa hoàn toàn có sự chtí lũy khá nhiều các sản phẩm trung gian như acid hữu cơ, rượu, amin trong đó có nhiều chất gây mùi khó chịu và rất độc (armatine, putrecine, cadaverine, histamin, mecaptan, indol và skatol). Sự phân giải protein Tùy điều kiện môi trƣờng mà VSV sử dụng aa theo hai hướng (cách sử dụng aa của VSV): - Sử dụng acid amin làm nguồn thức ăn nitơ để xây dựng cơ thể. - Sử dụng acid amin làm nguồn thức ăn cacbon và làm nguồn vật liệu năng lượng. Điều kiện môi trường C/N > 25/1 C/N 25/1 thì VSV sử dụng acid amin theo hướng thứ nhất. C/N < 25/1 thì môi trường thừa thức ăn nitơ, thiếu thức ăn cacbon, lúc đó nitơ sẽ được thải ra ngoài dưới dạng NH3 do VSV không sử dụng hết. Việc sử dụng acid amin lúc này theo hướng thứ hai. 12
13. 4.2.4. Sự phân giải lipid vàacid béo Glyceryl Con đƣờng EMP Lipid và sáp Lipase Chu trình Acid béo Acetyl – Co A Krebs VSV thường sử dụng lipid làm nguồn năng lượng Triglycerides 4.2.4. Sự phân giải lipid vàacid béo -oxi hóa acid béo 4.3. Quá trình trao đổi chất và năng lượng ở VSV tự dưỡng 4.3.1. Hóa năng tự dưỡng 4.3.2. Quang năng tự dưỡng 13
14. 4.3.1. Tự dƣỡng hóa năng Mỗi loài đòi hỏi chất cho và chất nhận diện tử đặc trưng. N N N N N N 4.3.1. Tự dƣỡng hóa năng CO2 Chất vô cơ ATP 1:Chu trình Calvin 2:Con đường Axetyl-CoA [H] 3:Con đường 4C Khác với 4:Con đường ATC VSV hóa dạng khử năng hữu cơ ở điểm nào? [CH20] Quá trình oxi hóa sinh học? và sinh năng lượng Vật chất tế bào Oxi hóa SH vàsinh năng lƣợng ở VSV tự dƣỡng hóa năng + CO2 NH4 Chuyển vận thuận Dùng làm chiều chuỗi hô hấp nguồn năng ATP - Tiêu hao [H], sinh NO2 lượng đầu tiên ATP H S 2 Chuyển vận ngược S0 Dùng làm nguồn chiều chuỗi hô hấp NAD(P)H H2 cung cấp H vô cơ Tiêu hao ATP, sinh [H] Fe2+ CH2O  ATP tạo thành chủ yếu từ sự phosphoryl hóa oxi hóa  Hiệu suất sinh năng lượng thấp  Tốc độsinh trưởng chậm 14
15. Nhóm VSV tự dưỡng hóa năng - Vi khuẩn nitrat hóa thuộc chi Nitrobacter – hình que (sử - dụng NO2 ) - Vi khuẩn lưu huỳnh trong đó nhiều loài thuộc chi - Thiobacillus (sử dụng H2S, S, S2O3 ) - Vi khuẩn oxi hóa sắt (Fe2+) trong điều kiện pH thấp - Vi khuẩn oxi hóa hidro. - Vi khuẩn oxi hóa amon còn gọi là vi khuẩn nitrit hóa (Nitrosomonas – hình que, Nitrosococcus – hình cầu, + Nitrosovibrio-hình phẩy) (NH4 ) Dòng e trong chuỗi vận chuyển e của Nitrobacter VSV dị dưỡng và tự dưỡng cùng có mặt trong môi trường thì đối tượng nào chiếm ưu thế hơn? Vì sao? 15
16. 4.3.2. Tự dƣỡng quang năng CO2 Ánh? sá ng ATP 1:Chu trình Calvin 2:Con đường Axetyl-CoA [H] 3:Con đường 4C 4:Con đường ATC dạng khử [CH20] Quá trình photphoryl hóa quang hợp Vật chất tế bào Nhóm VSV tự dưỡng quang năng  Nhóm quang hợp có sản sinh oxy: + Thuộc nhóm có nhân thật : Tảo, cây xanh + Thuộc nhóm nhân nguyên thuỷ : Vi khuẩn lam  Nhóm quang hợp không sản sinh oxy : + Vi khuẩn sulfur (Chlorobium), vi khuẩn không-sulfur màu lục (Chloroflexus), vi khuẩn sulfur màu tía Chromatium) và vi khuẩn không-sulfur màu tía (Rhodospirillum, Rhodopseudomoanas) Tất cả vi khuẩn quang hợp đều chứa sắc tố quang hợp, ở vi khuẩn sắc tố quang hợp là bacterio – chlorophyl (chất khuẩn lục) Ngoài chlorophyl vi khuẩn tự dưỡng quang năng còn chứa một số sắc tố thuộc lại carotenoit, không giống carotenoit ở tảo và thực vật. Phosphoryl hoá quang Ánh sáng hợp không tuần hoàn Bchl e- Bchl*Bchl Protein- * CHÚ THÍCH Fe-s Bchl* :trạng thái kích phát Bchl* của Bchl (bactericlorophil e- Ru-5-P :Ribulozo-5- e- photphat Ru-1,5-P :Ribulozo-1,5- A.pantotenic diphotphat Xit.f H2A :Chất vô cơ cho hydro - ADP e- e Xit.b +Pi Quang hợp ATP không tạo ôxi CO2 + Ru-1.5-P Ru-5-P 2H2A 2A 16
17. Phosphoryl hoá quang hợp tuần hoàn Pi+ ADP ½ Chl. ATP 2H+ + e- O2 b e- Chl. Quang phân li e- Xit Xit Chl. b+ H O .b .f 2 b+ Hệ thống quang hợp II e- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Hệ- - - thống- - quang hợp I NADP+ Chl. Chl. + - a a NADPH + e Flavoprot e Protein oxi hóa + - H ein khử Fe Chl. ATP ADP a+ Quang hợp tạo ôxi Pi+ 17