Giáo trình vi sinh vật học phần 2

2 Con đường phân giải và tổng hợp gluxit: 1/ Con đường phân giải trước piruvat gồm con đường EMP, HMP và ED; 2 / Sự chuyễn hóa sau piruvat: Đối với hô hấp hiếu khí acid pyruvic tiếp tục

Chuong 5 CÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN Ở VI SINH VẬT

Chương "Các quá trình lên men ở vi sinh vật" ưình bày các vấn đề sau:

1) Các kiểu hô hấp ở vi sinh vật: i/ hô hấp hiếu khí là quá trình hô hấp khi chất nhận electron cuối cùng là oxi phân tử; ii/ hô hấp kị khí là quá trình hô hấp khi chất nhận electron cuối cùng là chất vô cơ khác oxi, iii/ Lên men là quá trình phân giải các chất hữu cơ khi chất nhận electron là chất hữu cơ

2) Con đường phân giải và tổng hợp gluxit: 1/ Con đường phân giải trước piruvat gồm con đường EMP, HMP và ED; 2 / Sự chuyễn hóa sau piruvat: Đối với hô hấp hiếu khí (acid pyruvic tiếp tục phân hủy qua chu trình krebs, còn NADH2 thực hiện chuỗi hô hấp để tạo ra H2O và giải phóng ATP); Đối với lên men (acid pyruvic sẽ là chất nhận điện tử để tạo thành acid lactic hoặc rượu ethanol); 3 / Sự tổng họp cacbohydrate liên quan đến tổng họp glycogen, tổng họp levan và dextran

3) Trình bày về sự trao đổi protein: i) Phân giải protein (lên men thối): Quá trình được thực hiện do hệ các enzyme ngoại bào như protease, peptidase đế phân giải protein, chuỗi peptíde ngắn và các acid amin; các acid amin tạo thành một phần được dùng đế tổng họp protein, một phần khác phân giải theo con đường đặc thù đế giải phóng N H 3, CO2 và các sản phẩm trung gian, ii) Quá trinh tổng họp protein được thực hiện trong cơ thể vi sinh vật do gen điều khiển.4) Giới thiệu khái quát về quá trình lên men rượu và lên men lactic: gồm định nghĩa, tác nhân lên men, cơ chế lên men và ứng dụng của len men rượu và lên men lactic trong cuộc sống

1 CÁC KIÊU HÔ HÁP Ở VI SINH VẬT

Hô hấp hiếu khí là quá trình hô hấp khi chất nhận electron cuối cùng là oxi phân tử; Vi sinh vật thuộc dạng này gọi là vi sinh vật hiếu khí Khi chất nhận electron cuối cùng là một cơ chất khác không phải là oxi phân tử, thỉ người ta gọi là quá trinh lên men hoặc có thể là quá trình hô hấp kị khí và vi sinh vật thực hiện các quá trinh này gọi là các cơ thể kị khí

Trong số các cơ thể kị khí, chất nhận electron có thể là chất hữu cơ hoặc chất vò cơ Nếu chất nhận electron là chất hữu cơ người ta gọi là lên men, nếu chất nhận electron là chất vô cơ người ta gọi là hô hấp kị khí.

Hô hấp của một cơ thể hiếu khí là một quá trình vận chuyển electron và proton qua màng với oxi phân tử làm chất nhận electron cuối cùng, còn hô hấp

kị khí dùng để chỉ một quá trình vận chuyển qua màng của các electron và proton đến chất nhận electron cuối cùng là một chất khác oxi phân tử, như nitrate trong trường hợp hô hấp nitrate, fumarate như hô hấp fumarate

Hô hấp được đặc trưng trước hết là nơi khu trú của chuỗi vận chuyển electron ờ màng tế bào chất đối với các cơ thể nhân sơ và ở màng trong của ti thể đối với các cơ thể nhân thực Hô hấp còn đặc trưng ở bản chất của chất nhận electron cuối cùng là oxi phân tử Sự oxi hóa cơ chất và đồng thời sự khử của oxi được thực hiện nhờ một chuỗi phản ứng enzyme, trong đó có sự tham gia của enzyme dehydrogenase và các coenzyme liên kết với nó

Cơ chế thường thấy ở hô hấp là con đường của các xitocrom gián tiếp Ngày nay, người ta hoàn toàn biết rõ thành phần và cơ chế hoạt động của các xitocrom này trong tế bào nhân thực và trong một số cơ thể nhân sơ

Bên cạnh quá trình phosphoryl oxi hoá cơ chất, còn tồn tại những con đường khác, đặc biệt là con đường oxi hoá trực tiếp nhờ các enzyme vận chuyển các electron từ cơ chất đến oxi phân tử để tạo thành H2O2 theo phương trình

f a d h2 + o 2 F— fa d + h2o2

Hợp chất H2O2 rất độc và cần được phân giải nhờ catalase, peroxidase hoặc superoxide dismutase tránh cho tế bào khỏi bị chết, quá trinh phân giải diễn ra theo phương trình sau:

h 2o 2 calalase ► HịO + 1 2 o 2

H;C>2 + 2H* + 2e ' 2H ịO

Những con đường này tạo rất ít hoặc không tạo năng lượng hữu ích Một

vi khuẩn không có enzyme trẽn, nhưng con đường phân giải trên buộc chúng phải sống kị khí bắt buộc, bời vì oxi phân tử là tác nhân gây độc với chúng Có

một số vi khuẩn chịu được hiếu khí như vi khuẩn Streptococcus, chúng không

có catalase, nhưng có các enzyme ílavin (NAD-oxidase và NAD-peroxidase) cho phép chúng thực hiện sự cân bằng trong hô hấp ờ màng tế bào chất Tùy thuộc vào số lượng và lượng các enzyme có thể phân giải H2O2 mà quyết định tính hiếu khí hay kị khí ở các vi khuẩn

Lên men để chi sự có mặt của chuồi vận chuyển electron nằm trong tế bào chất, không có sự tự động đi qua của dòng electron hoặc proton ờ phần bên này và phần bên kia của màng tế bào (một dòng vận chuyển thứ cấp được thiết lập nếu cần thiết, nhờ năng lượng của ATP) v ề phương diện trao đổi năng lượng, đây cũng là một quá trình oxi hóa khử, nhưng chất nhận electron cuối cùng là các hợp chất hữu cơ, chứ không phải là các phân tử oxi Quả trinh này cũng giải phóng năng lượng nhưng ít hơn nhiều so với quá trình hò hấp

2 CÁC CON ĐƯỜNG PHÂN GIẢI GLUXIT Ờ VI SINH VẶT

2.1 Con đường phân giải trước pyruvat

Ờ vi sinh vật có ba con đường phân giải glucose khác nhau là: Con đường Fructose-l,6-bisphotphat (còn gọi là con đường glycosyl, con đường EMP), con đường Pentose-photphate (còn gọi là hexomonophotphate; ký hiệu

là HMP, là con đường oxi hóa trực tiếp glucose tạo ra NADH và các pentose)

và con đường 2-xeto-6-photpho-gluconate (còn gọi là con đường Entner- Doudoroíĩ)

2.1.1 Con đường phân giải EM P

Đường phân là quá trinh chuyển hóa vật chất và năng lượng diễn ra trong

tế bào để biến đổi từ một phân tử glucose (CeHnOí) thành hai phân tử acid pyruvic (CH3COCOOH) và hai coenzyme NADH + H7 Trong quá trình đuờng phân, phân tử glucose tự do không bị phân huỷ mà phân từ glucose đã được hoạt hóa thông qua việc gắn gốc photpho vào thành dạng đường phosphate đã được hoạt hỏa (Hình 16)

Kết quả của đường phân có thể tóm tắt theo phương trình:

CéH^Oé + 2NAD' + 2ADP + 2H3PO4 -> 2CH3COCOOH + 2NADH+ÍT + 2ATP

Đường phân là một quá trinh chuyển hóa vật chất không phụ thuộc vào nguồn oxi, tức là chúng có thể xảy ra dù môi trường có oxi hay không có oxi Quá trình này là con đường phổ biến nhất và chung cho cả hô hấp hiếu khí, hô hấp kị khí hay lên men Chúng phần lớn xảy ra ở tế bào chất của tế bào Quá trinh biến đổi này được các nhà khoa học Embden, M eyerhof và Pamas tìm ra nên được gọi là con đường phân giải EMP Quá trình đường phân có thể chia thành hai giai đoạn chính là: (1) Giai đoạn "đầu tư" năng lượng: hai phân từ ATP sẽ bị phân hủy thành ADP (adenosine diphosphate) và Pi (nhóm phosphate PO43' vô cơ) (2) Giai đoạn "thu hồi" năng lượng: bốn phân tử ATP được sinh ra từ ADP và p, từ môi trường.

2.1.2 Con đường phân giải HMP

Con đường phân giải HMP bắt đầu với việc oxi hóa glucose-6P thành 6P gluconat, sau đó 6P gluconat được oxi hóa thành ribulose-5P, CO2 và NADPH Ribulose-5P được chuyển hóa thành các pentose khác như xilulose, ribose.Con đường HMP có một số chức năng sau: (1) NADPH tạo thành đóng vai trò như chất cho electron để khử các phân tử trong quá trinh sinh tổng hợp.(2) Con đường này tổng hợp các phân tử đường bốn cacbon và đường năm cacbon cho nhiều mục đích khác nhau Đường bốn cacbon erithrose 4P được

sử dụng để tổng hợp các acid amin thơm và vitamin B6 Ribose-5P là thành phần quan trọng của acid nucleic; ribulose-5P là chất nhận CO2 chính trong quá trình quang hợp (3) Các chất trung gian ờ con đường HMP có thể được dùng để tạo ATP

2.1.3 Con đường Entner-Doudoroff

Ở con đường này, thay bằng việc bị oxi hóa, 6P-gluconat bị thủy phân tạo thành 2-xeto-3-deoxi-6P-gluconat (KDPG) - chất trung gian đóng vai trò then chốt trong con đường này KDPG bị xúc tác bời KDPG aldolase để chuyển thành acid piruvic và glyceraldehit-3P Glyceraldehit-3P bị chuyển thành acid piruvic tương tự giai đoạn 3 của đường phân Bằng con đường này,

từ 1 phân tử glucose sẽ thu được 1ATP, 1 NADPH+H" và 1 NADH+H"

Con đường Entner-Doudoroff được tìm thấy ờ vi khuẩn Pseudomonas, Rhìzobium, Aioiobacter, Agrobacterium và một số vi khuẩn gram âm.

PDA: dihydroxyl aceton photphate; ALPG: glyceraldehyde 3 photphate; A1.3PG: l,3di P-glyceric; A3PG: 3P-glyceric; A2PG: 2P-glyceric; APEP: P-enol piruvic

2.2 Sự chuyển hóa sau piruvat

Trong hô hấp hiếu khí: Acid pyruvic tiếp tục bị oxi hóa hoàn toàn đến

CO2, H2O và giải phóng toàn bộ năng lượng còn lại qua chu trình Krebs Hai phân tử NADH2 thực hiện chuỗi hô hấp để tạo ra H20 Phản ứng này kèm theo việc tổng hợp được 6ATP qua quá trình phosphoryl hóa

2ÃPEP.

2 AEP (11) i

Ị I X P ynnic I Hình 16 Sơ đồ đườiigphân trong hô hấp hiếu khí (EMP')

2NAD+H' + 0 2 — 2NATT + 2H20

Kết quà của đường phân trong hô hấp hiếu khí là:

C6H 1206 + 02 — 2CH3COCOOH + 2 H A đồng thời tạo 8 ATP

Kết quả của hô hấp hiếu khí là:

C6H ,206 + 6O2 — 6CO2 + 6HjO + 36 ATP

T rong hô hấp kị khí: Acid pyruvic được tạo thành sẽ không bị oxi hóa hoàn toàn qua chu trinh Krebs, thay vào đó acid pyruvic sẽ được các nhóm vi sinh vật thực hiện các quá trinh lên men khác nhau Hai phân tử NADH2 sẽ được dùng để khử CH3COCOOH (trong lẽn men lactic) hay khử CH3CHO (trong lên men rượu) nên không thực hiện chuỗi hô hấp Phương trình lên men lactic như sau: 2CH3COCOOH + 2NADH2 — 2CH3CHOHCOOH + 2NAD+.Kết quả của đường phân trong hô hấp kị khí tạo ra 2 acid piruvic, 2ATP

3 S ự TỎNG HỢP CACBOHYDRAT

Vi sinh vật có khả năng tổng hợp các oligo và polysaccharide Lượng oligo và polysaccharide nội bào đạt tới 60% khối lượng khô của tế bào, còn polysaccharide ngoại bào có thể vượt nhiều lần khối lượng của vi sinh vật Thành tế bào cũng chứa một lượng lớn polysaccharide

Tất cả các oligo và polysaccharide được tổng hợp bằng cách kéo dài chuỗi saccharide có trước nhờ việc thêm đơn vị monosaccharide (X) Các

m onosaccharide này tham gia và o phản ứng ờ dạng nucleotit - m onosaccharide

được hoạt hóa, thường là dẫn xuất cùa uridine - diphosphate (UDP.X) nhung đôi khi cùng với các nucleotit purine và pirimidine khác Sự tổng hợp diễn ra theo phản ứng chung như sau:

X X X x x x + UDP - X = X X X x x x x + UDP

(n - nhánh) (n + 1 - nhánh)

Trong trường hợp polysaccharide bao gồm hai loại monosaccharide liên tiếp (X và Y) phản ứng chung xảy ra qua hai bước:

Bước 1: X Y X.Y.X.Y + UDP - X = X Y.X Y.X Y X + UDP

Bước 2: .X.Y.X.Y.X.Y X + UDP - Y = X.Y X Y X Y X Y + UDP

Con đường tổng hợp polysaccharide phân nhánh ít được biết đến Trong dịch chiết tế bào của một số loài nấm sợi có chứa chitin synthase xúc tác phản ứng chuyển các nhánh N-acetyl glucosamine từ UDP-acetyl glucosamine đển phân tử nhận Quá trình tổng hợp mannan của thành tế bào nấm men cũng bao gồm việc chuyển các nhánh mannose từ GDP-mannose đến chất nhận Quá

trình tổng hợp tinh bột ở tảo Chìorella và glycogen ờ vi khuẩn Arthrobacter có

sự tham gia của ADP-glucose

Tổng hợp glycogen: Khi có điều kiện ngoại cảnh hạn chế sự phát triển

của vi khuẩn thi chúng có thể tích lũy glycogen nhờ hệ enzyme trùng hợp các glucose Glycogen tích lũy dưới dạng các hạt trong chất nguyên sinh mà chúng

ta có thể phát hiện bằng cách nhuộm màu với iode (Hình 17)

Hình 17 Sơ đồ tống hợp gìycogen

Tổng họp levan và dextran: Các levan (poly-2,6-fructose) và các

dextran (poly-l,6-glucose) với sự phân nhánh -1,3 hoặc -1,4 được tổng hợp từ saccarose theo phản ứng sau:n saccarose —> n glucose + (fructose)n

n saccarose —» (glucose)n + n ửuctose

Sự hình thành những hợp chất này là nguyên nhân của hiện tượng nhầy nhớt khi nuôi cấy một số loài vi khuẩn trên môi trường giàu saccarose Các hợp chất polysaccharide cùng với hợp chất nitơ sẽ tạo nên glycopeptide của thành

tế bào

4 SỤ TRAO ĐÓI PROTEIN

4.1 Sự phân giải protein (lên men thối)

Khi phân giải protein, vi sinh vật phải tiết ra các protease ngoại bào để thủy phân protein thành các polypeptide và olygopeptide Các sản phẩm này hoặc tiếp tực được thủy phân thành các acid amin dưới tác dụng của peptidase ngoại bào và hấp thụ vào cơ thể, hoặc các sản phẩm này được hấp thụ vào trong tế bào và thủy phần thành các acid amin Một phần acid amin được vi sinh vật sử dụng trong quá trình tổng hợp protein, phần khác được phân giải theo các con đường đặc thù để giải phóng NH3, CƠ2 và sinh ra các sản phẩm trung gian khác

Trong cơ thể vi sinh vật, các acid amin thường được chuyển hóa nhờ quá trình khử amin, quá trình khử cacboxyl hoặc đồng thời vừa khử amin vừa khử cacboxyl

Khi phân giải các acid amin tùy theo từng loại phản ứng sẽ tạo các sản phẩm trung gian, đây là tiền chất cho các phản ứng sinh tổng hợp hoặc cần thiết cho một số quá trinh trao đổi chất, như sự tạo thành acid íìimaric từ acid aspactic theo phương trinh:

HOOC-CH2-CH-(NH2)-COOH — HOOC-CH=CH-COOH + NH3Hay sự tạo a-ketoglutaric từ acid glutamic, acid acetic từ glycine, acid succinic từ aspactic

Quá trình khử amin thủy phân có sự liên kết với các ion H+ và OH' như

sự tạo acid lactic từ alanine:

CH3-CH(NH2)-COOH + h 20 — CH3-CHOH-COOH + n h 3

Nhiều loại amin do vi khuẩn sản sinh ra trong cơ thể người và động vật

có tính độc, như sự tích lũy histamine có thể gây chứng co giật mạch máu, các hợp chất diamine như acmatine, putrecine gặp nhiều trong thịt cá ôi thiu đều có tính độc

Một số vi khuẩn có khả năng chuyển hóa tryptophan thành 2 chất có mùi hôi

là indol và skatol Trong quá trình phân giải các acid amin chứa lưu huỳnh (methionine, cysteine, cystine) sẽ tạo ra H3S làm cho phản hoặc thịt cá có mùi hôi

các sản phẩm trung gian như acid form ic, acid acetic, CO2, N H3 , các chất này

có thề tham gia trực tiếp vào quá trinh trao đổi chất và trao đổi năng lượng của

tế bào

Urê là chất hữu cơ chủ yếu trong nước tiểu của người và động vật Urê được vi sinh vật phân giải thành NH3 cung cấp nguồn nitơ cho thực vật

Nhiều vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm sợi sống trong đất có khả năng phân giải

urê mạnh (như vi khuẩn Planosarcina urea, Micrococcus urea, Bacillus pasteurii, Proteus vulgaris) Quá trình phân giải urê với sự xúc tác của urease

theo phương trình:

H2N-CO-NH2 + H20 — (NH4)2C0 3 — 2NH3 + C 02 + H20

NH3 sinh ra do sự phân giải hợp chất hữu cơ thường được oxi hóa thành

NO2’ và tiếp tục oxi hóa đến NO3’ Phân đạm ((NH4)2SƠ4 hoặc NH4CI) sau khi

bón ruộng cũng nhanh chóng chuyển thành NO3" Quá trình chuyển hoá này gọi

là quá trình nitrate hóa Quá trình nitrate hóa gồm 2 giai đoạn như sau:

Giai đoạn 1: Quá trình nỉtrite hóa

Giai đoạn nitrite hóa được biểu thị bằng phương trinh phản ứng sau:

2NH3 + 3Ơ2 —* 2HNO2 + 2H2O + Q (năng lượng)

Năng lượng sinh ra trong phản ứng nitrite được vi khuẩn nitrite sử dụng

để đồng hóa CO2 của không khí Quá trình này trải qua nhiều phản ứng trung gian và tạo nhiều sản phẩm trung gian, trong đó sản phẩm trung gian quan trọng nhất là hydroxylamine (NH2OH) Enzyme xúc tác cho việc chuyển hydro

là các enzyme của quá trình hô hấp hiếu khí Vi khuẩn nitrite là nhóm tự dưỡng

bắt buộc với các chi đại diện là Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira và Nitrosocystis.

Giai đoạn 2: Quá trình nitrate hóa

Giai đoạn nitrate hóa được biểu thị bằng phương trình sau:

N 0 2' + O2 —* NO3' + Q (năng lượng)

Nãng lượng sinh ra trong phản ứng oxi hoá NO2' được sử dụng để đồng hóa CO2 trong không khí Vi khuẩn nitrate hóa điển hình là các loài thuộc

giống Niữobacter Đây là những tế bào hình bầu dục, kích thước khoảng

0,8-1 , 0 |im, thuộc nhóm gram âm, không tạo bào tử, khuẩn lạc nhỏ bé và trong

suốt Ngoài ra, còn có một số giống vi khuẩn khác thuộc Niữococcus, Nitrospira.

4.2 Sự tổng họp protein

Quá trình tổng hợp protein được thực hiện theo ba buớc: (1) Sự nhân đôi ADN tạo ra hai phân tử ADN giống nhau và giống với ADN “mẹ” (2) Quá trinh sao mã theo đó thông tin di truyền từ ADN được sao sang mARN, sau đó được chuyển đến ribosom (3) Quá trình dịch mã cho phép chuyển dịch thông tin di truyền thành các acid amin cấu trúc nên protein

Hầu hết các vi sinh vật có khả năng tổng hợp 20 loại acid amin Nguyên liệu dùng cho quá trình tổng hợp acid amin là những sản phẩm trung gian như pyruvate, a-ketoglutarate, oxaloacetate, íumarate Trong phần lớn trường hợp, nhóm amin được đưa vào giai đoạn cuối cùng của sinh tổng hợp nhờ sự chuyển amin, một số acid amin được hình thành nhờ hàng loạt biến đổi của các acid amin khác, trong trường hợp đó không cần sự chuyển amin Nhiều loại L-acid amin đã được sinh tổng hợp bằng con đường lèn men nhờ vi sinh vật nhu lysine, glutamic, alanine, glycine

Nhiều acid amin “tự nhiên” là sản phẩm của công nghệ sinh học bằng cách thủy phân protein, tổng hợp hóa học hoặc sinh tổng hợp nhờ vi sinh vật Trong nhiều trường hợp người ta phối hợp giữa tổng hợp hóa học và sinh tổng hợp, phương pháp này có nhiều ưu điểm là cho các dạng L - acid amin là dạng thường gặp trong cơ thể

5 LÊN MEN RƯỢU

5.1 Định nghĩa và tác nhân lên men rirợu

Dưới tác dụng của một số loài vi sinh vật trong điều kiện yếm khí, đường glucose được chuyển hóa thành rượu etylic và CO2, đồng thời giải phóng năng lượng Quá trinh này gọi là quá trinh lên men rượu etylic hay là quá trình lên men rượu

Trong phản ứng lên men, đường glucose được phân cắt thành các hợp chất có mạch cacbon đơn giản Lên men rượu là quá trinh sinh học đã được con người sử dụng từ thời xưa nhưng bản chất hóa học của nó đến nay mới được làm sáng tỏ.

Nấm men Saccharomyces là tác nhân chính trong lên men rượu, cơ thể

nấm men thuộc nhóm hô hấp hiếu khí, khi không có Ơ2 chúng sẽ lên men hidrat cacbon thành ethanol và CO2

Te bào nấm men rượu có hình ôvan, kích thước khoảng 3-10x5-12nm, sinh sản bằng hình thức nảy chồi có khả năng hình thành bào tử trong điều kiện nhất định, thường từ 1-4 bào tử, sống kị khí không bẳt buộc Chúng có khả năng phân giải kị khí các loại đường khác nhau, có thể sử dụng nhiều nguồn nitơ vô cơ và hữu cơ, nhưng không có khả năng đồng hóa nitrate

Để sản xuất rượu ở qui môcông nghiệp, người ta cần tuyển chọn chùng

nấm men Saccharomyces theo nhưng tiêu chuẩn sau:

Đặc điểm tốt Đặc điểm không tốt Đặc điểm lưu ý khác

- Tạo được nhiều rượu

- Chịu được nồng độ rượu

cao

- Hình thành các ester

- Sản xuất glycerol

- Thích nghi vói nhiệt độ

(quá thấp hoặc quá cao)

- ít đòi hòi các yếu tố sinh

dưỡng

- Sản sinh H2S

- Hình thành acid bay hơi

- Chống chịu vớ i SO2

- Các yếu tố hủy diệt

- Phân giải acid m alic

Một số loài nấm men được sử dụng trong lẽn men rượu gồm:

* Nấm men Saccharomyces cerevisiae: Còn gọi là nấm men bánh mỳ,

nấm men bia Chúng có thể lên men tới 95% đường glucose theo con đường đường phân kị khí, khi hiếu khí cũng bằng con đường này chúng sử dụng được 70% glucose Hoạt tính lẽn men cực đại ờ pH 4,5-5,0 Nấm men nổi làm bánh

mì có khả năng lên men nhanh, nấm men chìm lên men chậm hơn nhưng

không tạo bọt khí Nấm men s cerevisiae có khả năng sử dụng nhiều loại

đường glucose, galactose, maltose, saccarose nhưng không đồng hóa trục tiếp được đường lactose và không đồng hóa được nitrate Chúng có thể tích lũy trong môi trường lên men từ 6-1 2% rượu và nấm men s cerevisiae thường

dùng để sản xuất bia đen

* Nấm men Saccharomyces ellippsoides: Nấm này đâm chồi liên tục nên

hình thành hệ sợi giả, nấm men của rượu vang nho được coi là một loài gần với

nấm men s cerevisiae, chúng có khả năng hình thành đến 17-18% rượu.

* Nấm men Saccharomyces uvarum: Loài nấm này thường được dùng để

sản xuất bia vàng Chúng lên men được 81% đường của dịch quả và tạo thành sinh khối ở đáy bình

5.2 Cơ chế lên men ruọn

Trong lên men rượu, đầu tiên acid piruvic được tạo thành theo con đường EMP bị cacboxyl hóa tạo thành acetaldehyde và CƠ2 nhờ xúc tác của piruvat decacboxylase

Pyruvat decarboxylase(1) u 000 H - -CH3CH0 + CO;

0

Sau đó, acetaldehyde bị khử thành rượu ethanol dưới tác dụng xúc tác của alcohol dehydrogenase của nấm men

, A lc o lh o lđ e h y d ro g e n a se (2) C H 3 C H 0 + N A D H + H -— — -► C H 3 C H 2 O H + N A D

ở đây NADH2 tạo thành trong phản ứng oxi hóa glyceraldehyde 3P của quá trình đường phân đóng vai trò chất cho hydro, còn acetaldehyde là chất nhận hydro

Ở điều kiện pH từ 4,0-5,0, quá trình lên men rượu được chia làm hai thời

ki là thời ki cảm ứng và thời ki tĩnh

Thời kì cảm ứng: Trong thời kì này, lượng acetaldehyde tạo thành theo

phản ứng (1) còn ít, khi đó hydro 3P tạo thành được chuyển từ NADH2 tớiacetaỉdehyde glycerin 3P Chất này bị khử gốc p nhờ enzyme phosphatase tạo

thành glycerol Do đó, ở thời ki này glycerol là sản phẩm phụ của quá trinh lẻn men rượu trong môi trường acid

Thòi kì tĩnh: Khi lượng acetaldehyde đã đạt tới mức nào đó thì chất này

tiếp nhận hydro từ NADH2 để chuyển thành rượu ethanol theo phản ứng (2)

Phương trình tổng quát của quá trinh lên men ruợu như sau:

C6Hi206 + 2H3PO4 + 2ADP = 2CH3CH2OH + 2CO2 + 2ATP + 2H20 5.3 ứ n g dụng lên men ethanol

5.3.1 Sản xuất ethanol ở quy mô công nghiệp

Rượu ethanol được sản xuất bằng hai phương pháp chính là lên men vi sinh vật và phương pháp tổng hợp hóa học Trong đó, sản xuất rượu ethanol bằng lên men từ vi sinh vật được sử dụng chủ yếu

Rượu ethanol là kết quả của quá trình lên men rượu từ nấm men và một

số vi sinh vật khác, trong đó nấm men là đối tuợng chính sử dụng để sản xuất rượu ờ qui mô công nghiệp

Trong quá trinh lèn men rượu, dịch lên men sau khi kết thúc quá trình lên men ngoài sinh khối nấm men còn có các thành phần sau: Sản phẩm chính là ethanol, CO2 và các sản phẩm phụ như glyceryl, acid succinic, các aldehyde, một số loại rượu bậc cao như isoamyl, isobutiric, propionic

Qui trình sản xuất ethanol bằng nấm men gồm các bước theo sơ đồ sau:

5.3.2 Sản xuất ruọu vang

Rượu vang là một loại thức uống có cồn được lên men từ nho hoặc nước quả nho Rượu vang còn có thể được làm từ một số loại nước quả khác Rượu vang đã được uống từ thời Hy Lạp cổ điển trong các bữ a ăn sàng và tiệc rượu ban đêm

Trên thế giới có hàng trăm loại rượu vang khác nhau, mỗi loại được đặc trưng bời một phương thức sản xuất riêng tùy vào đặc điểm của rượu và tính chất của công nghệ

Quả hái về được rửa sạch ép lấy nước hoặc nghiền nhỏ rồi cho vào thùng

để chuẩn bị dịch lên men Cũng có trường hợp người ta không ép hoặc nghiền

mà cho quả vào ngâm với đường theo tỷ lệ khối lượng 1 : 1 để trích ly thành dạng siro và bảo quàn để lên men sử dụng dần sau này

Trong thực tế có hai cách chế biến rượu vang phổ biến nhất là cách chế biến rượu vang trắng và cách chế biến 1-ượu vang đỏ

Rirọn vang đỏ: Là loại rượu vang có được khi thực hiện lên men nước quả nho lẫn với xác quả Trong vỏ quả có chứa nhiều chất màu, tanin, chất thơm Những chất này phân hủy trong quá trình lên men làm tăng lượng chất hòa tan

và tạo hương thơm, màu sắc đẹp cho rượu Lên men cả xác quả thường tiến hành

ờ nhiệt độ cao hơn nhằm trích ly triệt để các chất màu, chất thơm và tanin Khi kết thúc lên men cần tách xác quả ra khõi rượu Trong sản xuất lớn, trước hết người ta cho rượu chảy qua một tấm lưới để giữ xác quả lại Rượu thu được lúc này có chất lượng cao nhất gọi là rượu vang giọt, vang chảy Khi rượu ngừng chảy, xác quả trẽn lưới được ép trên máy ép để thu rượu vang ép Rượu vang ép chiếm tỷ lệ khoảng 15% tổng số rượu chế được và có thề đem trộn với rượu vang chảy Rượu vang đỏ có hàm lượng tanin nhiều hơn rượu vang trắng nên có

vị chát Do đó, sau khi lên men rượu cần tiến hành lên men malolactic nhằm chuyển hóa acid malic thành acid lactic tạo cho rượu có vị chua dịu cân đối với

vị chát của tanin Có thể sử dụng vi khuẩn lactic hoặc một lượng nhỏ nấm men

Schizosaccharomyces để có khả năng lên men malolactic triệt để.

Rượu vang trắng: Là loại rượu vang được lên men từ quả đã được tách

bã nên không có màu Hương vị của rượu vang trắng chủ yếu do nước quả Rượu vang trắng thường được lên men ở nhiệt độ thấp hơn rượu vang đỏ (khoảng 15-20°C) để giữ hương vị cho rượu Thời gian lên men từ 6-7 ngày hoặc lâu hơn tùy theo nhiệt độ và yêu cầu công nghệ Kết thúc quá trình lên men khi nhận thấy rượu không còn sủi bọt lên nữa, cặn và xác men lắng xuống đáy thùng Khi đó tiến hành gạn cặn, rượu trẻ được chuyển sang thùng mới, tiếp tục lắng trong rồi đưa đi tàng trữ

5.3.3 Sản xuất bia

Bia là một loại nước giải khát lên men rất bổ dưỡng, không qua chưng cất Bia có độ rượu nhẹ (chiếm từ 2-9%), có gas (hàm lượng CƠ2 khoảng 3-4 g/1), có bọt mịn xốp, có vị thơm ngon rất đặc trưng Ngoài ra, bia còn chứa một

số chất bổ dưỡng như chất đạm (bao gồm protein, peptide và acid amin), gluxit (gồm 70% là dextrin, pentosan-sản phẩm caramen hóa), vitamin (chủ yếu thuộc nhóm B như Bi, B2); ngoài ra bia còn chứa một lượng lớn các enzyme khác nhau Đặc biệt lượng CO2 hòa tan trong bia có tác dụng làm giảm nhanh cơn

khát cho người uống bia, giúp tiêu hóa nhanh thức ăn và ăn uống ngon miệng, giảm mệt mòi, tăng sự tỉnh táo cho người uống bia.

Quá trình sản xuất bia gồm 2 giai đoạn: (1) Giai đoạn nấu malt để biến

tinh bột thành đường; (2) giai đoạn lẻn men, nhào trộn, ủ chín

Sơ đồ qui trìn h sàn x u ất bia n h ư sau: Nguyên liệu gồm malt, hoa houblon, nước (70% malt + 30% gạo) tiến hành đường hóa (nồng độ đường đạt 10%, thanh trùng ờ 115°c, trong 30 phút) sau đó lên men chính (cấy nấm men)

và lên men phụ, ủ chín bia cuối cùng thu được thành phẩm

5.3.4 Nấm men rirợu làm nỏ' bột mì

Nấm men làm nở bột mì gọi là men bánh mì Từ cổ xưa, con người đã biết sàn xuất men bánh mi, nhưng chi dựa vào quá trình lên men tự nhiên Hiện nay nhiều nước trên thế giới đã chủ động sản xuất men ép để làm nờ bột mì Ờ Việt Nam, một số chủng nấm men bánh mì đã được tuyển chọn cho năng suất sinh khối cao, thích hợp để sản xuất trên môi trường ri đường mía

Men bánh mì thực chất là sinh khối tế bào nấm men được nuôi trong môi trường giàu đường có bổ sung photpho và ammonium như DAP (diammonium phosphat), urê Tế bào nấm men có vai trò trong sản xuất men bánh mi làm nở bột mi nhão do lên men ruợu sinh ra khí CO2; bọt khí làm xốp bánh; góp phần tạo hương

Men bánh mì được bán ra ờ dạng đông khô, hay dạng tươi được ép thành

bánh Nấm men sử dụng sản xuất men bánh mỉ thuộc loài s cerevisiae Trong

công nghiệp tuyển chọn chủng nấm men phải đảm bảo các đặc tính sau: Có khả năng làm nờ bột tốt, làm khối bột nhào nhẹ và xốp, dễ hòa với nước và có đặc tính sinh hóa ổn định và độ bền vững tốt (khó bị tự phân) Bền nhiệt, có thề kéo dài hoạt tính enzyme ở nhiệt độ cao Có khả năng lên men các nguồn đường glucose, íructose, maltose và saccarose Khả năng sinh sản nhanh, cho năng suất cao ừong quá trình lên men, dễ tách sinh khối và dễ bẻ gãy sau khi ép

6 LÊN MEN LACTIC

6.1 Định nghĩa và tác nhân lên men lactic

Lên men lactic là quá trình chuyển hóa sinh học kị khí các hợp chất đường thành acid lactic và một số sản phẩm khác

Lên men lactic gồm 2 loại: Lên men đồng hình (là quá trinh lên men cho sàn phẩm chủ yếu là acid lactic) và lên men dị hình (là quá trình lên men ngoài acid lactic, còn có các sản phẩm khác như acid acetic, ethanol, CO2).

Các vi khuẩn lên men lactic rất đa dạng, gồm nhiều giống khác nhau, tế

bào có hỉnh cầu như vi khuẩn Streptococcus, Lactococcus, Enlerococcus, Leuconostoc hoặc hình que như vi khuẩn LactobaciUus, chúng có đặc íiểm

chung là:

(1) Vi khuẩn lactic thuộc nhóm gram dương, bất động, không sinh bào

tử, catalase âm, oxydase âm, nitrate reductase âm

(2) Vi khuẩn lên men lactic là những cơ thể đa khuyết dưỡng đố: với nhiều acid amin, bazơ nitơ, vitamin; không có khả năng tổng hợp nhân hem của các porphyrine, không có xitocrom

(3) Vi khuẩn lactic thuộc nhóm kị khí tùy nghi, vi hiếu khí, là loại cơ thể độc nhất có khả năng lẽn men hiếu khí cũng như kị khí

6.2 Cơ chế lên men lactic

Ở vi khuẩn lactic người ta đã tìm thấy các enzyme peptidase ngoại bảo và các peptidase của thành tế bào, đó là các exopeptidase Các vi khuẩn lactic có peptidase nội bào làm nhiệm vụ thủy phân các peptide ờ bên trong tế bào

6.2.1 Quá trình lẽn men lactic đồng hình

Trong lên men lactic đồng hình đường được vi khuẩn lactic lên men chủ yếu thành acid lactic Khi lên men lactic đồng hình, đường sẽ đi theo con đường EMP để biến thành acid lactic

Trong lên men lactic đồng hình, một phần tử gam lactose sử dụng cho ra

4 phân tử lactat + 5ATP (2ATP tạo thành theo sự phân giải glucose và 3ATP tạo thành theo sự phân giải galactose) Nồng độ đường lactose trong sũa khá lớn, đối với sữa bò nồng độ này là 40-50 g/1, đó là loại đường tự do chủ yếu có mặt trong sữa Cuối pha sinh trường của vi khuẩn lactic, hàm lượng acid hctic nhiều làm pH mòi trường xuống thấp, dao động tùy loài vi khuẩn

Trong lên men, sự hình thành acid lactic trải qua nhiều giai đoạn tung gian với sự tham gia của các enzyme tương ứng Giai đoạn đầu xảy ra quá trình

hoạt hóa hexose, với sự có mặt của acid photphoric để hình thành hexose diphotphat, sau đó diễn ra sự cắt mạch hexose để hình thành triosophotphat (dihydroxyacetone p và glyceraldehyde-3P) những hợp chất này biến thành pyruvat, và pyruvat là chất nhận hidro từ NADH2 để biến thành acid lactic Phương trình của quá trình lên men lactic đồng hình tư glucose là: C6H1 20 6 -» 2C3H6Ơ3+ 136 kj (32,4 Kcal)

6.2.2 Q uá trìn h lên men lactic dị hình

Trong lên men lactic dị hình, vi khuẩn thiểu các enzyme chủ yếu của con đuờng EMP là aldolase và triosephosphate-isomerase Giai đoạn phân giải đường glucose đẩu tiên chi xảy ra qua con đường pentosephosphate, tức là qua glucose-6- phosphate, 6-phosphogluconat và ribulose-5-phosphate Chất này nhờ một epimerase được chuyển thành xilulose-5-phosphate và nhờ phosphoketolase được phân giải trong một phản ứng phụ thuộc taminpirophosphate làm xuất hiện glyceraldehyde-3-phosphate và acetylphosphate

Các tế bào của vi khuẩn Leuconosloc mesenteroides không sinh trường

và được rửa sạch đã lên men glucose thành lactate, ethanol và CO2 với ti lệ gần tuơng đương theo phương trinh:

c 6h 12o 6 — CH3-CHOH-COOH + CH3-CH2-OH + c o 2

Ờ các cơ thể này acetyl phosphate bị khử qua acetyl-CoA và acetaldehyde thành ethanol Các vi khuẩn lên men dị hình khác chuyển một phần hoặc toàn bộ acetyl phosphate thành acetate, trong đó liên kết phosphate giàu năng lượng được chuyển sang ADP và được sử dụng dưới dạng ATP Dihydro thừa trong trường hợp này được truyền cho đường glucose làm xuất hiện manit Glyceraldehyde-3-

phosphate được chuyển qua piruvat thành lactate Đường ribose được vi khuẩn L mesenteroides lên men thành lactate và acetate.

6.3 ử n g dụng lên men lactic

6.3.1 Sử dụng vi khuẩn lactic để muối chua rau, quả và ủ chua thức ăn gia súc (i) Các giai đoạn khi muối dưa, cà

Muối ăn (NaCl) với nồng độ khi muối dưa từ 2,5-3,0% sẽ làm cho môi truờng ưu trương, đuờng và các chai tu tế bao rau quà một phần sẽ khuếch tán

ra môi trường, do đó vi khuẩn lactic và các loại vi sinh vật khác cũng phát triển

ờ giai đoạn này

Do vi khuẩn lactic phát triển mạnh, nên pH môi trường giảm xuống từ3,0-3,5 làm ức chế các vi khuẩn khác, chì còn vi khuẩn lactic phát triển, chúng chiếm ưu thế tuyệt đối, rau quả trờ nên chua ngon Đây là giai đoạn quyết định đến chất lượng dưa muối, nếu không tạo được ưu thế của vi khuẩn lactic, thì các vi khuẩn khác sẽ phát triền làm rau, dưa bị khú

(ii) Nguyên nhân làm dưa, cà muối bị khú: (1) Rau quả rửa không kĩ,

có nhiều tạp khuẩn; (2) Cho rau không đúng tỉ lệ muối ở nồng độ từ 2,5-3,0%

(nếu muối cho vào quá 5,0-6,0% sẽ ức chế cả vi khuẩn lactic phát triển, nếu nồng độ muối dưới 3,0% thỉ nhiều tạp khuẩn sẽ phát triển lấn át); (3) Không đậy, nén kĩ, không tạo được điều kiện kị khí cho vi khuẩn lactic phát triển; (4)

pH môi trường là yếu tố rất quan trọng, nếu vi khuẩn lactic chiếm ưu thế thi pH

sẽ đạt từ 3,0-3,5; còn nếu không thì các vi sinh vật khác sẽ phát triển (pH từ 4,5-5,0 thích hợp cho vi khuẩn gây thối hoạt động; pH từ 1,2-3,0 thích hợp cho nấm mốc phát triển; pH từ 5,0-5,5 thích hợp cho vi khuẩn đường ruột phát triển, pH từ 2,5-3,0 thích hợp cho nấm men dại hoạt động)

Khi rau quả đã chua, pH giảm xuống đến 3,0 thì vi khuẩn lactic cũng bị

ức chế, nếu cứ để tự nhiên như vậy thì nấm men dại, nấm mốc sẽ bắt đầu phát triền phân giải acid lactic thành CƠ2 và H2O làm cho pH môi trường tăng lên, sản phẩm bắt đầu có váng (như váng dưa, váng cà) Mòi trường giảm chua, có mùi mốc, có nhiều bọt khí

(iii) Khi muối rau, quả lên men lactic có thành phẩm đạt yêu cầu là:

(1) Tạo được lượng vi khuẩn có ích át chế vi khuẩn gây thối (2) Gây chua, tạo hương vị thơm ngon cho sản phẩm (3) Chuyển rau, quả về dạng chín sinh học

do đó hiệu suất tiêu hóa tăng Neu muốn sản phẩm không cho quá lactic thì có thể giữ ở nhiệt độ thấp (từ 2-4°C), đồng thời bổ sung chất diệt nấm như benzoat natri 1,0%; dịch chiết tỏi, gừng, giềng

Vi khuẩn lactic không phá vỡ tế bào thực vật, nên dưa quả muối chua vẫn giữ nguyên hình dạng gần như không đổi Đe kích thích vi khuẩn lactic phát

triển nhanh, ta có thể muối dưa, quả bằng nước ấm, để vại muối ở nơi kín gió, gần bếp, thêm một chút đường, cấy giống bằng ít nước dưa chua của mé trước.(iv) ủ chua thức ăn cho gia xúc: Thực chất của việc ủ chua thức ăn cho gia súc là sử dụng vi khuẩn lactic để giữ cây cỏ dùng trong chăn nuôi được tươi sinh học, tức là không bị giảm chất lượng dinh đường, ngược lại sẽ bổ sung nhiều loại vitamin do vi khuẩn tổng hợp nên Các loại rau, lá, thân được chất ủ thành đống hoặc đưa vào các hố Lúc đầu các vi sinh vật có sẵn trong lá, thân,

rễ hoặc chủ động cấy vào sẽ phát triển trong điều kiện hiếu khí, tạo ra môi trường kị khí cho vi khuẩn lactic phát triển Khi vi sinh vật hiếu khí sinh trường

sẽ phân cắt các loại polysaccharide và protein thành các đoạn ngắn giúp vi khuẩn lactic hấp thụ ủ chua tốt nghĩa là tạo được pH môi trường < 4,5và lượng acid lactic chiếm 40-60%, lượng acid acetic chiếm từ 40-60% và không sinh ra hoặc rất ít acid butyric

6.3.2 Sử dụng lên men lactic để sản xuất sữa chua

Sữa chua là sản phẩm của sự lên men sữa lỏng bằng sự để chua ngẫu nhiên dưới tác động của nhiều vi khuẩn sinh acid lactic khác nhau (như vi khuẩn

Streptococcus lactis hay s cremoris), hoặc của một số lượng ít hơn nhiều các vi khuẩn gây thơm (như vi khuẩn Streptococcus diacetylacis, Betacoccus ciữovorus)

hoặc bằng việc cấy vào sữa đã đun nóng các giống vi khuẩn thuần khiết

Từ nguyên liệu là sữa bò, nhờ các vi khuẩn lên men lactic, quá trình lên men diễn ra theo hướng lactic hóa môi trường đồng thời gây đông tụ protein có trong sữa, kết quả là sữa chuyển từ trạng thái lỏng sang ừạng thái keo sệt Sản phẩm tạo thành ở trạng thái chín sinh học ưở nên có hương vị đặc biệt, hơi chua và rất thơm ngon

Khi ăn sữa chua, nem chua, tôm chua ta đồng thời sử dụng cả sinh khối

vi khuẩn lactic và một lượng nhỏ vi khuẩn lactic có trong sản phẩm do vậy loại thức ăn này vừa cung cấp chất dinh dưỡng, lại vừa có tác dụng kích thích tiêu hóa và giữ cân bằng cho hệ vi khuẩn đường ruột

Sản phẩm sữa chua đạt yêu cầu phải có màu trắng ngà, hơi chua, ngọt nhẹ, có mủi thơm đặc trưng, trạng thái đông sệt và đồng nhất Neu sản phẩm có mùi hôi hoặc bị vữa và đông vón !à bị nhiễm vi khuẩn lạ, không nên dùng

6.3.3 Sử dụng vi khuẩn lactic để sản xuất acid lactic

Nguyên liệu chủ yếu sử dụng trong lên men lactic để sản xuất acid lactic

là ngô, khoai, sắn được thủy phân sơ bộ để thu dịch thủy phân gồm các loại đường khác nhau

Bổ sung giống vi khuẩn lactic để lẽn men tạo acid lactic Khi lên men Iactic, lượng acid trong môi trường ngày càng cao, dẫn đến ức chế sự sống của

vi khuẩn Đe khắc phục hiện tượng này và nâng cao hiệu suất lên men cần phải trung hòa một lượng acid trong môi trường (hiệu suất lên men đạt 90% so với lượng đường tiêu thụ) Lượng C aC 03 thường dùng là 10% so với dịch lên men

để tách acid lactic khỏi lactatcanxi sử dụng H2SO4, sulíatcanxi sẽ kết tủa

CÂU HỞI VÀ BÀI TẬP

I Câu hỏi ngan

1 Trình bày định nghĩa, tác nhân và cơ chế của lên men rượu?

2 Trình bày định nghĩa, tác nhân và cơ chế lên men lactic dị hình đi từ đương glucose?

3 Trình bày định nghĩa, tác nhân và cơ chế lên men lactic đồng hình đi

từ đường glucose?

4 M ột học sinh đã vội viết hai quá trình lên men như sau:

Phương trinh (1): C i2H2 2Oii V CH3CHOHCOOH

Phương trinh (2): CH3CH2OH + 02 V CH3COOH + H2

Theo bạn hai phương trình trên đã viết đúng chưa? Hãy chỉ chỗ nhầm lẫn của bạn nếu chưa đúng Hãy giải thích hai quá trình mà bạn đó viết về cơ chất (nguyên liệu), chất tạo thành, chất nhận electron cuối cùng và loại vi sinh vật thực hiện

5 Người ta tiến hành thí nghiêm như sau: Cho 50ml dung dịch đuờng saccarose 10% vào một chai nhựa dung tích 75ml, cho khoảng lOg bánh men rượu đã giã nhỏ vào chai, đậy nắp kín và để nơi có nhiệt độ từ 30-35°C Sau vài ngàv đem ra quan sát

a Hãy nêu và giải thích các hiện tượng quan sát được?

b Nếu sau khi cho bột bánh men vào chai mà không đậy nắp thì hiện tượrg quan sát được có gì khác so với đậy nắp?

6 Để nghiên cứu kiểu hô hấp của một loài vi khuẩn, người ta cấy sâu vi khuẳn này vào môi trường có chứa các thành phần: thạch agar 5g, thịt bò 30g, glucose 5g, nước tinh khiết lOOOml Sau khi nuôi ở tủ ấm 35°c trong 24 giờ thì

vi khuẩn phát triển ừên mặt thoáng ống nghiệm Thêm vào môi trường lg KNO3 thì thấy chúng phát tnền trên cả mặt thoáng và trong toàn bộ ống nghiệm

a Hãy xác định kiểu hô hấp của trực khuẩn và cho biết chất nhận elec:ron cuối cùng trong chuỗi truyền electron khi chưa có KNO3?

b Vì sao khi có KNO trực khuẩn lại phát triển được cả ờ mặt thoáng và trong toàn bộ ống nghiệm?

c Viết phương trinh hô hấp của các tế bào vi khuẩn sống ở đáy ống nghiêm khi có KNO3 Biết rằng hoạt động hô hấp tạo ra khí N2

7 So sánh sự giống và khác nhau giữa hai quá trình lên men ruợu (gây ra

bởi nấm men s cerevisiae) và lên men lactic đồng hình (gây ra bơi vi khuẩn Streplococcus ỉactic)?

8 Từ sữa tươi người ta phân lập được vi khuẩn Lactobaciỉlus bulgaricus

Vi khuẩn này được nuôi cấy ở nhiệt độ 4 5 °c và pH 5,6 trong môi trường có thành phần trong 1 lit môi trường gồm: lOg glucose; 0,05g M gS 04; 10,5g KH2PO4; 3,5g K2HPO4; 0,5g NH4CI; 0,005g F eS 0 4, 0,05g CaCl2.2H20 ; 0,005g MnCl2.4H2 0 ; bổ sung nước đến llit

a Không thấy bất ki khuẩn lạc nào mọc trên môi trường này Các khuẩn lạc chi xuất hiện khi nguời ta thêm vào môi trường trên hợp chất riboílavin, còn các điều kiện khác vẫn giữ nguyên Hãy nêu đặc điềm sinh trường của vi

khuẩn LactobaciUus bulgaricusl

b Vi sao sữa đang ở trạng thái lỏng chuyển sang trạng thái kết tủa khi

nuôi cấy vi khuẩn Lactobaciìlus bulgaricus trong sữa.

c Viết sơ đồ quá trình phân giải glucose trong lên men lactic đồng hình

9 Từ sữa tươi người ta phân lập được vi khuẩn Lactobacilỉus buỉgaricus

Vi khuẩn này đuợc nuôi cấy ở nhiệt độ 4 5 °c và pH 5,6 trong môi trường có thành phần trong 1 lit gồm: lOg glucose; 0,05g M gS04; 10,5g KH2PO4; 3,5g

K2HPO4; 0,5g NH4CI; 0,005g F eS 04, 0,05g CaCl2.2H20 ; 0,005g MnCl2.4H20 ;

bổ sung nuớc đến llit

a Khuẩn lạc không thấy phát triển khi người ta thêm vào môi trường trẽn hợp chất riboílavin nhưng nuôi ũ ờ nhiệt độ 15°c Hãy cho biết vi khuẩn này thuộc loại gì trong quan hệ với nhiệt độ? Vi khuẩn này có hình thành bào tử không?

b Viết sơ đồ quá trình phân giải glucose trong lên men lactic dị hình

10 Nấm men rượu (Saccharomyces cerevisia) thường sống trong môi

trường có oxi phân từ Khi môi trường kị khí thỉ nấm men này lên men đường glucose Hãy viết sơ đồ các bước chính hoạt động của nấm men rượu phân giải đường glucose trong các trường hợp:

a Khi có oxi phân từ

b Khi không có oxi phân từ

11 Phân tích các ứng dụng của lên men rượu trong sản xuất rượu ở các địa phương? Tại sao làm rượu phải trải qua hai giai đoạn: giai đoạn 1 rắc bánh men rượu vào xôi (hoặc cơm, hoặc ngô hấp) cho chúng phát triển vài ngày trong thúng và giai đoạn 2 đồ thêm nước, ngâm và đậy kín?

n Câu hỏi trắc nghiệm

L ịm chọn đáp án đúng nhất trong các đáp án sau:

1 Ý nào sau đây là định nghĩa đúng nhất về hô hấp kị khí

A Sự oxi hóa đường glucose thành ethanol

B Sự oxi hóa một cacbon hydrat với phân tử hữu cơ được dùng làm chất nhận điện từ cuối cùng

c Sự oxi hóa một cacbon hydrat với phân tử vô cơ được dùng làm chất nhận điện tử cuối cùng

D Sự oxi hóa một cacbon hydrat với phân tử vô cơ (trừ O2) được dùng làm chất nhận e cuối cùng

2 Các vi sinh vật kị khí thì

A Chi có thể sử dụng các con đường trao đổi chất dạng lên men

B Chi có thể sử dụng các con đường trao đổi chất dạng hô hấp

c Chi có thể sử dụng photphoryl hóa ờ múc độ cơ chất

D Có thể sử dụng lên men hoặc có thể sử dụng hô hấp

3 Ý nào sau đây là định nghĩa đúng NHAT về hô hấp

A Sự oxi hóa hoàn toàn glucose thành CO2 và H20

B Sụ oxi hóa 1 cacbon hydrat với phân tử hữu cơ được dùng làm chất nhận điện tử cuối cùng

c Sự oxi hóa một cacbon hydrat với phân tử vô cơ được dùng làm chất nhận điện tử cuối cùng.

D Sự oxi hóa một cacbon hydrat với O2 được dùng làm chất nhận điện từ cuối cùng

4 Ý nào sau đây là định nghĩa đúng nhất về lên men

A Sự khử đường glucose thành acid piruvic

B Sự phân giãi hoàn toàn đường glucose thành CƠ2và H20

c Sự oxi hóa một phân tử cacbon hydrat với các phân tử chất hữu cơ được dùng làm chất nhận điện tử cuối cùng

D Sản sinh ethanol từ đường glucose

5 Sự khử lưu huỳnh thành H2S là một dạng của:

A Hô hấp phi sinh học

7 Số phận của acid pyruvic ở một vi sinh vật sử dụng trong lên men là?

A Nó bị oxi hóa trong chu trình Krebs

B Nó bị khử trong chu trình Krebs

c Nó bị khử thành acid lactic

D Nó bị oxi hóa thành acid lactic

8 Hô hấp hiếu khí và hô hấp kị khi giống nhau ờ chỗ nào?

A Cả hai đều sử dụng oxi làm chất mang điện tử cuối cùng

B Các con đường này là tên gọi khác của đường phân

c Cả hai đều sử dụng các phân tử vô cơ làm chất nhận điện tử cuối cùng

D Không có con đường nào nhận điện tử từ đường phân

9 Trong lên men lactic đồng hình, khi sừ dụng một phân tử gram lactose trong lên men sẽ cho ra:

A 4 phân tử acid lactic + 5 A lP

B 3 phân từ acid lactic + 5 ATP

c 4 phân tử acid lactic + 3 ATP

D 3 phân từ acid lactic + 4 ATP

10 Trong lên men lactic dị hình, khi sử dụng một phân tử gram lactose trong lên men sẽ cho ra:

A 3 phân tử acid lactic + 5 ATP

B 4 phân tử acid lactic + 3 ATP

c 3 phân tử acid lactic + 4 ATP

D 4 phân tử acid lactic + 5 ATP

11 Lên men rượu và lên men lactdc đồng hình có đặc điểm giống nhau, NGOẠI TRỪ:

A Cả hai quá trình lên men đều đi theo con đường EMP

B Cà hai quá trình lên men đều giài phóng ra khí C 0 2

c Cả hai quá trình lên men đều sử dụng tác nhân lên men là vi sinh vật

D Cả hai quá trình lên men đều sử dụng enzyme piruvat decacboxylase

1 2 ứ n g dụng nào sau đây không phải là ứng dụng trong lên men lactic

A Sản xuất sữa chua

B Sản xuất thịt chua, nem chua

c Sản xuất acid lactic

D Sản xuất dấm ăn

13 Kết quả của lên men rượu etylic đi từ glucose là

A 2 phân tử rượu etylic + 2 phân tử CO2 + 2 phân tử ATP

B 2 phản tử rưựu etylic + 1 phàn tủ CO + 1 phân tử ATP

A 2 phân từ rượu etylic + 2 phân tử CƠ2 + 1 phân tử ATP

A 2 phân từ rượu etylic + 1 phân tử CO2 + 2 phân tử ATP

14 Đàu KHÔNG phải là tác nhân sử dụng trong quá trình lên men ruợu?

A 2 phân tử acid lactic + 3 ATP

B 1 phân tử acid lactic + 3 ATP

c 2 phân tử acid lactic + 2 ATP

D 1 phân tử acid lactic + 2 ATP

Chuông 6 ĐẠI CƯƠNG VÈ TRUYỀN NHIÊM VÀ MIÊN DỊCH

Chương "Đại cương vè truyền nhiễm và miễn dịch’' ưình bày các vấn đề:1) Hệ vi sinh vật phân bố trên cơ thế người và động vật gồm: phân bô’ ở da

và niêm mạc, phân bố trong đường tiêu hóa và phân bố trong các đường cơ quan hệ sinh dục Giữa vi sinh vật và động vật - người thể hiện mối quan hệ cộng sinh và quan hệ kí sinh Gồm hai loại: vi khuẩn gây bệnh đặc trưng (BPS]

và vi khuẩn gây bệnh cơ hội (BPO) Loại BPS là loại cần chữa kịp thời như dịch hạch, bệnh tả Loại BPO thường do cơ thế bị giảm miễn dịch, cơ thể yếu, môi trường thay đổi thì những vi sinh vật vốn sống cộng sinh hay hoại sinh trử thành kẻ gây bệnh

2) Bệnh truyền nhiễm do vi sinh vật gây bệnh sinh ra (có thể là vi sinh vật gây bệnh đặc trưng hay vi sinh vật gây bệnh cơ hội), phụ thuộc vào trạng thái cơ thế, vi sinh vật gây bệnh và hoàn cảnh sống Trong đó, vi sinh vật gây bệnh là yếu tố quyết định chính tới khả năng gây bệnh, liên quan tói khả năng bám, khả năng xâm nhập và độc tố do chúng tiết ra (gồm nội độc tố và ngoại độc tố).3) Cơ thể có thể tự đề kháng bằng cơ chế không đặc hiệu (miễn dịch tự nhiên] hoặc cơ chế đặc hiệu (miễn dịch thu được] Miễn dịch tự nhiên liên quan tới các loại hàng rào miễn dịch, gồm hàng rào vật lí, hàng rào hóa học, hàng rào thể dịch, hàng rào tế bào, hàng rào vi sinh v ật Miễn dịch thu được có thể là tự nhiên (chủ động hay bị động) hoặc nhân tạo [chủ động hay bị động).4) Kháng nguyên là chất có khả năng gây trả lời miễn dịch Kháng nguyên phải là chất lạ, có khối lượng phân tử lớn và có cấu trúc phức tạp Kháng nguyên được đặc trưng bởi điểm quyết định kháng nguyên (epitope) tức là nơi gắn với kháng thể hoặc thụ thế của tế bào lyrapho Theo cấu trúc hóa học: gồm kháng nguyên protein, kháng nguyên polysaccharide, kháng nguyên lipit

và kháng nguyên acid nucleic Theo mối tương quan di truyền giữa kháng nguyên và cơ thể nhận kháng nguyên, gồm kháng nguyên khác loài, kháng nguyên cùng loài và tự kháng nguyên

5) Kháng thế là những protein được tổng họp nhờ các tế bào lympho Kháng thế miễn dịch (Ig) ]à các globulin có trong huyết thanh, có khả năng liên kết đặc hiệu với kháng nguyên đã kích thích sinh ra nó (còn gọi là kháng thể đặc hiệu) Cấu tạo của Ig gồm một hay nhiều đơn vị hình thái, mỗi đơn vị

là một phân tử protein gồm 4 chuỗi polypeptide giống nhau từng đôi một, 2 chuỗi nhẹ và 2 chuỗi nặng nối với nhau bằng cầu nối disulíua Kháng thế có chức năng nhận biết và kết họp đặc hiệu với kháng nguyên, chức năng hoạt hóa một số tế bào của hệ miễn dịch

6) Vacxin là chế phẩm sinh học hoặc bán sinh học được con người tạo ra

và đưa vào cơ thế gây miễn dịch, tập dượt cho cơ thế thực hiện quá trình đáp ứng miễn dịch chống lại tác nhân gây bệnh khi chúng xâm nhập vào những làn sau đó Vacxin phải có đủ ba tiêu chuẩn: An toàn, vô trùng và có hiệu lực.7) Kháng sinh là những sản phẩm đặc biệt nhận được từ vi sinh vật hay các nguồn tự nhiên khác có hoạt tính sinh học cao, có tác dụng kìm hãm hoặc tiêu diệt một cách chọn lọc lên một nhóm vi sinh vật xác định (vi khuẩn, nấm,

động vật nguyên sinh] hay tể bào ung thư ờ nồng độ thấp Kháng sinh có khả

năng ức chế hoạt động của cả vi khuẩn gram dương và gram âm, có loại chỉ tiêu diệt được một trong 2 loại trên Tác dụng của chất kháng sinh là phá hủy

sự tạo thành màng tế bào vi sinh vật; phá hủy và ức chế quá trình trao đói năng lượng; phá hủy quá trình trao đói acid nucleic; phá hủy quá trình tổng họp protein của vi khuẩn

1 HỆ VI SINH VẶT PHÂN BÓ TRÊN c ơ THẺ NGƯỜI VÀ ĐỘNG VẬT 1.1 Hệ vi sinh vật trên da và niêm mạc

Hệ vi sinh vật trên da và niêm mạc thường là những loài sống cộng sinh hoặc hoại sinh, thường không gây bệnh, chúng tạo thành hệ vi sinh vật bình thường trên da, niêm mạc đường hô hấp, đương tiêu hóa và âm đạo Theo ước tính, trong Ig đất trồng có từ 1 0 9-1 0'° mầm vi sinh vật, trong lml dịch dạ dày của động vật nhai lại có khoảng lo1 0 mầm vi sinh vật, trong ]g phân người có khoảng 101 2 mầm vi sinh vật Cơ thể con người chứa gần 60000 ti tế bào, nhưng trên người lại mang tới ti vi khuẩn với vai trò rất đa dạng

Trên da sống chủ yếu là các giống vi khuẩn Coryebacterie, Micrococcus, Streptococcus (không làm tan máu), Bacillus và các vi khuẩn dạng coli Hệ vi

sinh vật này đã được thích nghi trên môi trường có nhiều chất nhờn dịch kháng khuẩn của da và niêm mạc Ờ những vùng rất ẩm của da có các dạng nấm men

(Candida sp.) và nấm Pityrosporum, các M ycobacíenum không gây bệnh.

ờ miệng và phía trên đường hò hắp, một hệ vi sinh vật đặc trưng xuất

hiện nhanh chóng sau khi sinh được vài giờ như vi khuẩn Streplococcus hemoliticus, sau đó là vi khuẩn Neisseria, Staphyỉococcus, Corynebacteria, Lactobacillus, Actinomycetes và một số dạng nấm men Những vi sinh vật này

có thể gây bệnh khi sức đề kháng yếu

1.2 Hệ vi sinh vật tro n g đưÒTTg tiêu hóa

ờ dạ dày có độ acid cao đã ngăn cản sự nhân lên của vi sinh vật, trong khi ở ruột già lại là noi vi sinh vật phát triển rất phong phú và tùy theo lứa tuổi Trong hệ tiêu hóa ờ trẻ bú sữa chủ yếu là vi khuẩn lactic, đối với trẻ ăn sữa bò thì lại khác nó phụ thuộc vào điều kiện vệ sinh Ở ngươi lớn chù yếu là trực khuẩn kị khi gram dương, không sinh bào tử

Thực phẩm ảnh hường chậm đến hệ vi sinh vật đường một, nhưng các loại thuốc kháng khuẩn thì làm thay đổi rất nhanh hệ vi sinh vật đường ruột chi trong vài giờ

Vi sinh vật trong đường tiêu hóa có vai trò: Tổng hợp vitamin nhóm B, vitamin K, tác động lên sự tiết dịch như hoocmon, cholesterol, giúp phân giải thức ăn, biến đổi các yếu tố lí hóa và cạnh tranh với vi sinh vật gây bệnh

1.3 Hệ vi sinh vật trong các đường cơ quan sinh dục

Sau khi người được sinh ra vài giờ, vi khuẩn Lacto bacillus đã xuất hiện và

lưu trú ở âm đạo trong nhiều tuần, nó sẽ tái xuất hiện khi đến tuổi dậy thi và trở thành nhóm vi sinh vật chiếm số đông của hệ vi sinh vật đường sinh dục Hệ sinh dục có độ pH thấp (do acid lactic gây ra) nên ức chế sự phát triền của nhiều loài gây bệnh, ờ âm đạo có khoảng 1 0 8- 1 0 1 0 tế bào/lml các vi khuẩn kị khi gram dương và ổn định trong thời kì kinh nguyệt, ừong khi các vi khuẩn kị khí không bắt buộc gram âm (binh thường từ 1 0 7-1 0 9/lm l) sẽ giảm đi từ 1 0 - 1 0 0 lần trong thòi ki ihấy tháng

Ở đàn ông, hệ vi sinh vật thường ổn định hơn và thấy chủ yếu là vi khuẩn

Staphylococcus, M icrococcus, Strepíococci/s và Corynebacterium, chúng có

nhiều trong tinh dịch (khoảng 102-105/ml) Các vi sinh vật gây bệnh đường

sinh dục như Treponema paìỉidum (xoắn thể giang mai), Neisseria gonorrhoeae (lậu cầu khuẩn).

Giữa vi sinh vật và động vật - người có hai mối quan hệ: (1) Quan hệ cộng sinh thấy rõ giữa vi khuẩn cộng sinh trong dạ cò của động vật nhai lại; Thiếu vi khuẩn, động vật nhai lại không đảm bảo được dinh dưỡng vi cellulose không được phân cắt thành các chất đường và năng lượng cần thiết cho động vật (2) Quan hệ kí sinh thấy rõ ờ người và vi sinh vật, vi sinh vật lấy chất dinh dưỡng của người, đôi khi có điều kiện chúng lại gây bệnh Trong trường hợp ki sinh nhiều chủ, thì giai đoạn ở người là giai đoạn nguy hiềm nhất

Những vi sinh vật sống hoại sinh (như vi khuẩn Streptococcus, E coìi,)

trong ống tiêu hóa của người, khi quá nhiều hoặc cơ thể yếu đi thi chúng có thể gây tiêu chảy Gồm hai loại: Vi khuẩn gây bệnh đặc trưng (BPS) và vi khuẩn gây bệnh cơ hội (BPO) Loại vi khuẩn BPS là loại cần chữa kịp thời như dịch hạch, bệnh tả, bệnh lao, bệnh giang mai, bệnh lị, thương hàn Loại vi khuẩn BPO thương là do cơ thể bị giảm miễn dịch, cơ thể yếu, môi trường thay đổi thì những vi sinh vật vốn sống cộng sinh hay hoại sinh trờ thành kẻ gây bệnh

2 C ơ SỞ HÓA SINH CỦA QUÁ TRÌNH NHIẺM BỆNH

2.1 Quá trình nhiễm bệnh, bệnh truyền nhiễm

Bệnh truyền nhiễm là bệnh chi toàn bộ quá trình sinh học diễn ra từ khi

có sự lan truyền, xâm nhập và phát triển của vi sinh vật gây bệnh trong cơ thể chủ, làm thay đổi hoạt động sinh sống binh thường của cơ thể chủ

Bệnh truyền nhiễm được hình thành do 3 yếu tố: Trạng thái cơ thề, vi sinh vật gây bệnh và hoàn cảnh sống

Trạng thái cơ thể: Do hệ thần kinh và sụ trao đổi chất quyết định khả

năng nhiễm bệnh hay không, do đó những bệnh tác động mạnh lên hệ thần kinh

là nguy hiểm nhất (bệnh dại, uốn ván) Lứa tuồi của cơ thể cũng đễ làm mắc bệnh này ít mắc bệnh khác

Vi sinh v ậ t gây bệnh: Vi sinh vật là tác nhân gây bệnh truyền nhiễm, chúng xâm nhập vào cơ thể chủ yếu qua ba con đường (1) Qua đường hô hấp: Như vi trùng gây bệnh lao, bạch cầu, cúm , (2) Qua đường tiêu hóa: Như vi trùng thương hàn, vi trùng tả, lị, (3) Qua da và niêm mạc bị tồn thương: Như xoắn khuẩn giang mai, cầu khuẩn lậu,

Hoàn cảnh sống: Hoàn cảnh sống của mỗi người là yếu tố quan trọng để bệnh truyền nhiễm phát sinh và lây lan Gồm 2 loại hoàn cảnh sống: Hoàn cảnh

tự nhiên như khí hậu, nhiệt độ, độ ẩm và hoàn cảnh xã hội như chế độ dinh dưỡng, làm việc, giải trí và nghỉ ngơi

2.2 Độc lục của vi sinh vật

Độc lực của vi sinh vật phụ thuộc vào độc tố và chất trợ độc tố Đại đa số

vi sinh vật chỉ có thể gây bệnh cho một loài vật cụ thể, tuy nhiên cũng có một

số loài vi sinh vật gây bệnh cho nhiều loài

Độc lực của vi sinh vật gồm các yếu tố: Khả năng bám vào tế bào chủ, khả năng xâm nhập, độc tố và chất trợ lực cho độc tố

a K hả năng bám vào tế bào chủ

Khả năng bám là điều kiện đầu tiên để vi sinh vật có thể xâm nhập vào tế bào chủ và gây ra nhiễm trùng Tính bám đặc hiệu được ghi nhận đầu tiên của các vi khuẩn cư trú ở ruột già Tại ruột già nhu động ruột rất mạnh sẽ dồn ép vi sinh vật ra ngoài, nhờ khả năng bám đặc hiệu mà trong ruột vẫn có sự cân bằng

về chủng loại và số lượng vi khuẩn

b Khả năng xâm nhập cùa vi sinh vật

Khả năng xâm nhập của vi sinh vật là yếu tố quyết định đối với quá trinh nhiễm trùng Các vi khuẩn gây bệnh bằng ngoại độc tố, ngay sau khi phân hủy

bề m ặt các tế bào chủ là ngoại độc tố do chúng tiết ra sẽ thấm sâu ngay vào bên trong cơ thể và gây ra các rối loạn bệnh lí rất nguy hiểm Trong khi, các vi khuẩn có độc lực yếu thỉ chúng phải xâm nhập sâu vào bên trong cơ thể rồi mới gây bệnh bằng nội độc tố hoặc bằng các sản phẩm chuyên hóa do chúng sinh ra

tố uốn ván) được giải phóng ra môi trường một phần trong pha sinh trưởng cấp

số, còn một phần không lớn nằm ở trong tế bào và chỉ được giải phóng ra ngoài khi tế bào vi khuẩn tự tan

các vi khuẩn gram dương + Slnh Slr*h rá chù yêu là

n _ i_Ắi , , , T , vi khuẩn gram âm

+ Bản chât hóa học: Là các dạng °

protein hòa tan + Bản chất hóa hpc: Là tổ hợp các

1 1 * , A .• , loai g lu x it - lipit - polypeptide+ Không bên với nhiệt độ, độc tính ° r r j r r

, TTU' - ' A- ' L IU ■ _ + Bền với nhiêt và CÓ độc tính yếu

nguyên rất cao, có thể ƯỜ thành + Tính khảng nguyên rất thấp và

d C hất trợ lực cho độc tố

Chất Ượ lực cho độc tố là những chất chống lại sự bảo vệ của cơ thể, giúp cho vi sinh vật dễ dàng xâm nhập và phát triển mạnh mẽ trong cơ thể vật chủ 158

Muốn gây bệnh, vi sinh vật phải có số lượng nhất định và phải có đường xâm nhập thích hợp.

3 Cơ che đề kháng cùa cơ thể chủ, các loại miễn dịch

3.1 Cơ chế đề kháng của cơ thể chủ

Cơ thể chu không thụ động trươc sự tấn công của vi sinh vật gây bệnh,

ma có nhiều cách ngăn cản sự chui qua, ức chế sự nhân lên của các vi sinh vặt gây bệnh trong các mô Gồm 2 loại cơ chế đề kháng: Cơ chế đặc trưng và cơ chế không đặc trưng

- Do sự ngăn cản bên ngoài bằng da, niêm - Do các tế bào lympho T thuộc

- Hiện tượng thực bào - Do các kháng thể đặc hiệu

- Các cơ chất chống khuẩn (như interíèron)

Cơ chế đặc trưng của cơ thể là cơ chế miễn dịch tế bào do tế bào lympho

T thực hiện hay miễn dịch thể dịch do lympho B thực hiện Giữa hai loại phản ứng miễn địch có mối liên hệ mật thiết với nhau

* Te bào lympho có ừong tuần hoàn máu và bạch huyết Tế bào lympho

T chịu trách nhiệm trả lời trong miễn dịch tế bào Tế bào lympho T chiếm 70% tổng số lympho bào máu ngoại vi và chiếm đa số ở các mô lympho Từ tế bào nguồn ở tủy xương, tế bào lympho T được biệt hóa và trường thành ở tuyến ức Quá trình biệt hóa tế bào lympho T ở tuyến ức đã tạo ra hai dòng tế bào lympho T, một dòng chứa kháng nguyên bề mặt T4 (CD4) gọi là tế bào T4, một dòng chứa kháng nguyên bề mặt Tg (CDg) gọi là tế bào Tg

Các dòng tế bào lympho T này rời tuyến ức vào tuần hoàn máu để tạo quần thể tế bào lympho T ờ các cơ quan lympho ngoại vi

- Dòng tế bào T4 lại tiếp tục biệt hóa thành các phân lớp: (1) Te bào

lympho T hỗ trọ’ (Th) giúp nhận biết kháng nguyên, thúc đẩy hoạt động của các tế bào lympho T khác và tế bào lympho B (2) Te bào lvmpho T gây quá

mẫn muội (T D) giúp hoạt hóa các đại thực bào và tế bào bạch cầu gây quá mẫn muội (3) Tế bào lympho T điều hòa nguọc (Tr) giúp hoạt hóa tế bào lympho

T ức chế

- Dòng tế bào Tg lại tiếp tục biệt hóa thành các phân lớp: (1) Tế bào lympho T gây độc (Tc) giúp nhận biết kháng nguyên, tấn công trực tiếp các tế bào có kháng nguyên lạ trên bề mặt (tế bào đích) (2) Tế bào lym pho T ức chế (Ts) giúp điều hòa miễn dịch, ức chế hoạt động các tế bào lympho khác

* Tế bào lympho B chịu trách nhiệm đáp ứng miễn dịch dịch thể, chúng được sinh ra ở tủy xương, không cần sự kích thích kháng nguyên Từ tế bào nguồn tạo thành các tiền tế bào lympho B sau đó tạo ra các tế bào lympho B chưa chín và các tế bào lympho B chín

Te bào lympho B chín ở người được đặc trưng bởi sự hiện diện của các thụ thể globulin bề mặt (Slg) Các tế bào lympho B với các Slg đi đến các mô lympho ngoại vi, khi có sự kích thích của kháng nguyên thì biệt hóa, tăng sinh thành các tương bào sản xuất kháng thề

Từ các tế bào lympho B chín sẽ tạo ra các tế bào lympho B biệt hóa, tăng sinh đi đến tương bào và sinh ra khảng thể dịch thể Khi có một kích thích sơ cấp của kháng nguyên, các kháng thể được sinh ra từ các tế bào huyết tuơng, xuất hiện từ 8-10 ngày trong máu Đó là các IgM trong giai đoạn đầu, rồi sau

đó đến IgG Nhờ có sự tổ hợp đặc trưng của các kháng nguyên, các kháng thể

sẽ trung hòa khả năng gây bệnh của vi khuẩn

Cơ chế tác động của các kháng thể rất đa dạng, có thể là các kháng độc

tố, trung hòa các ngoại độc tố có bản chất là protein, một số khác thì định vị bổ sung lên các điểm nhận và cảm ứng làm tan tế bào gây bệnh, một số thục hiện thực bào

Tất cả các cơ thể như virus, vi khuẩn, cùng các tế bào, cơ quan con và các phân tử hữu cơ phân tử lớn đều gây ra các phãn ứng là các kháng nguyên Các protein được tổng hợp ra do đáp lại với các kháng nguyên là những kháng thể Các kháng thể được tạo ra do các tế bào lympho của cá thể bị kích thích

Quá trình hỉnh thành kháng thể thay đổi theo sự kích thích: (1) Sau sự kích thích đẩu tiên, gọi là sự trả lời sơ cấp, các kháng thể được tìm thấy từ ngày

thứ 5 và trờ nên cực đại vào ngày thứ 15 (2) Sau sự kích thích lần thứ hai, đó

là sự trả lời thứ cấp, hàm lượng các kháng thể ngày càng tăng mạnh (3) Sau đó

khi sự kích thích dồn dập thì cơ thể trờ thành tới ngưỡng miễn dịch, sự trả lòi ngày một mạnh nhưng đạt tới ngưởng cực đại

Các phản ứng miễn dịch có thể được tãng cường nhờ các cơ chất khác nhau khi thêm vào gọi là các chất phụ tá dược Các chất này có thể là chất vô

cơ như hydroxit aluminium, photphas alumine; các chất vi khuẩn (BCG), chúng làm chậm quá trình tái hấp thụ của kháng nguyên do đó làm tăng cuờng phản ứng viêm nhiễm Ngược lại, một số dược chất như corticoit, các globulin kháng tế bào lympho làm giảm tính miễn dịch do chúng tác động lên tế bào lympho T

Như vậy, trong phản ứng miễn dịch, các tế bào lympho T và lympho B đều cần thiết bắt buộc đối với cơ thể người và động vật

3.2 Các loại miễn dịch

3.2.1 Miễn dịch tự nhiên

Miễn dịch tự nhiên là khả năng tự bảo vệ sẵn có và mang tính di truyền trong các cá thể cùng một loài Khả năng này có được từ lúc cơ thể mới sinh ra

và không cần có sự tiếp xúc trước của cơ thể với các yếu tố lạ

Miễn dịch tự nhiên đóng vai trò \à phòng tuyến đầu tiên ngăn càn sự xâm nhập và tiêu diệt vi sinh vật trước khi chúng kịp nhân lên trong cơ thể nhờ đó

mà hệ miễn dịch đặc hiệu có đủ thời gian hình thành

Miễn dịch tự nhiên còn gọi là miễn dịch không đặc hiệu do đáp ứng miễn dịch với tất cả các kháng nguyên là như nhau

Các hàng rào của miễn dịch tự nhiên gồm: Hàng rào vật lí, hàng rào hóa học, hàng rào thể dịch, hàng rào tế bào và hàng rào vi sinh vật

(1) H àng rào v ật lí: Da, niêm mạc ngăn cách môi trường trong cơ thể với môi trường bên ngoài Da bao phủ mặt ngoài cơ thể, có cấu tạo gồm lớp biểu bì chứa các tế bào biểu mô sắp xếp xen kẽ chặt tạo ra hàng rào cơ hpc ngãn cản sự xâm nhập của vi sinh vật Trên mặt lớp biểu bì là lớp tế bào sừng hóa chứa keratin khôna thấm nước, các vi sinh vật không phân giải đươc

keratin sẽ không thể theo nước ngấm vào cơ thể Niêm mạc phủ mặt to n g cơ thể như đường tiêu hóa, hò hấp, tiết liệu, sinh dục, Niêm mạc chi có một lớp

tế bào trên được phủ bời lớp chất nhầy, tạo một màng bào vệ ngăn cách không cho các vi sinh vật lạ bám vào lớp tế bào mô hoặc cơ quan Trên bề mặt lớp niêm mạc hô hấp có nhiều lông mao chuyển động liên tục theo một hướng để cản các vi sinh vật từ bụi và đẩy chúng ra ngoài bằng phàn xạ ho, hắt hơi Bề mặt niêm mạc mắt, miệng và đường tiết liệu luôn tiết dịch như nước mắt, nước bọt, nước tiểu tạo ra dòng dịch thể rửa trôi vi sinh vật trên bề mặt

(2) H àng rào hóa học: Các vi sinh vật nếu qua được hàng rào vật lí thì

sẽ vấp phải hàng rào hóa học đó là (i) Độ acid trên bề mặt da nhờ có chắt tiết tạo độ toan như acid lactic, acid béo của mồ hôi, tuyến mỡ dưới da mà các vi sinh vật không tồn tại lâu được, (ii) Dịch vị do dạ dày tiết ra có độ pH từ

1,0-2 , 0 nên đa số vi sinh vật xâm nhập vào bằng đường tiêu hóa đều không song được, (iii) Enzyme lysozyme từ dịch tiết của các tuyến như nước mắt, nước bọt, nước mũi, sữa cũng chứa lysozyme, là một chất có khả nãng ức chế

sự tổng hợp thành tế bào vi khuẩn gram dương, (iv) Các protein gắn sắt là nguyên tố cần thiết cho sự sinh trường của vi sinh vật Một số protein gắn sắt như lactoferin, transferin làm giảm nồng độ sắt tự do trong máu xuống rất nhiều lần so với nhu cầu của vi sinh vật

(3) H àng rào thể dịch Là các yếu tố bảo vệ có trong máu và dịch nội môi như Interíeron (IFN) và bổ thề (i) Interferon là nhóm glycoprotein được cảm ứng sản xuất bởi nhiều loại tế bào như tế bào bạch cầu, đại thực bào, tế bào biểu mô, tế bào sơ non khi được cảm ứng bời virus hoặc acid nucleic IFN

có hoạt tính kháng virus một cách không đặc hiệu như ngăn cản sự nhân lên của virus, hoạt hóa các tế bào diệt tự nhiên EFN có khả năng chống lại các tế bào ung thư do ức chế tế bào trưởng thành, ức chế sự phân bào (ii) Bổ thể là

hệ thống nhiều protein thành phần, được hoạt hóa theo một trình tự nhất định Hoạt động của bổ thể gây tổn thương thành tế bào sau đó gây tan bào, đồng thời giúp tăng cường hiện tượng thực bào

(4) H àng rào tế bào: Trẽn niêm mạc có rất nhiều tế bào có khà năng thực bào Gồm hai loại là tiểu thực bào là những tể bào bạch cầu đa nhân trung

tính của máu và đại thực bào là những tế bào bắt nguồn từ tủy xương phân hóa thành các mono bào rồi di tản đến các mô.

Quá trình thực bào chia làm ba giai đoạn: giai đoạn gắn, giai đoạn nuốt

và giai đoạn tiêu, (i) Giai đoạn gắn: Các vi sinh vật khi gặp các tế bào thực bào

sẽ bị dính vào màng te bào nhờ các receptor be mặt khác nhau (ii) Giai đoạn nuốt: Màng tế bào lõm vao, chất nguyên sinh sẽ tạo ra các chân giả bao lấy vi sinh vật, rồi đóng kin lại tạo “hốc thực bào” - phagosom (iii) Giai đoạn tiêu: Các hạt lysosome tiến đến gần hốc thực bào và xảy ra hiện tượng hòa màng, màng lysosome nhập vào màng phagosom - gọi là phagolysosome Các chất có trong lysosome sẽ đổ vào trong hốc thực bào để tiêu diệt đối tượng cần thực bào Trong phagosome các vi sinh vật sẽ bị tiêu diệt bằng pH acid, enzyme thủy phân

Tế bào diệt tự nhiên (NK): Là tế bào dạng tế bào lympho có hạt lớn trong sinh chất, có ờ máu ngoại vi, có chức năng diệt các tế bào đích (tế bào bị nhiễm virus, tế bào ung thư) bằng chất tiết Hoạt tính này của NK tăng lên khi được kích thích bời interíeron

(5) H àng rào vi sinh vật: Mặc dù cơ thể được bảo vệ chống lại sự xâm nhập của vi sinh vật nhưng một số loài nhất định vẫn có khả nàng sống, đó là

vi khuẩn chí bình thường của cơ thể Đa số chúng là vi khuẩn phân bố trong đường tiêu hóa, một số phân bố trong tự nhiên và tạo thành quần thề trên da, xoang miệng, đường hô hấp, đường sinh dục Thông thường các vi sinh vật này không gây bệnh, chúng chi phát triển trên bề mặt mà không xâm nhập sâu vào bên trong mô, chúng cạnh tranh vị trí bám, thức ăn, làm giảm nồng độ oxi, tiết một số chất diệt khuẩn gây bất lợi cho các vi sinh vật xâm nhập gây bệnh Vi khuẩn chí bình thường là một quần thể phức tạp và cân bằng Nếu trạng thái cân bằng bị mất các vi khuẩn này trờ nên gây bệnh, gọi là các vi khuẩn gây bệnh cơ hội

Tóm lại, khi một vi sinh vật lạ xâm nhập vào trong cơ thể chúng sẽ gặp phải hàng loạt các cơ chế bảo vệ không đặc hiệu trong đáp ứng miễn dịch tự nhiên với mục đích tiêu diệt và loại trừ chúng ra khỏi cơ thể

3.2.2 Miễn dịch thu đuọc (hay miễn dịch đặc hiệu)

Miễn dịch thu được hay miễn dịch đặc hiệu là trạng thái miễn dịch xuất hiện khi cơ thê đã có tiếp xúc với kháng nguyên được đưa vào chủ động hay tiếp xúc ngẫu nhiên Miễn dịch đặc hiệu có thể có khi được tmyền kháng thể hoặc các tế bào miễn dịch

Đáp ứng miễn dịch đặc hiệu có hai hình thức là miễn dịch thể dịch và miễn dịch qua trung gian tế bào

Phân loại miễn dịch đặc hiệu

Miễn dịch chủ động: Là trạng thái miễn dịch của một cơ thể do hệ miễndịch của bản thân cơ thể đó sinh ra khi có kháng nguyên kích thích

Miễn dịch chủ động gồm hai loại là miễn dịch chủ động tự nhiên và mien dịch chủ động thu được, (i) Miễn dịch chủ động tự nhiên: Là trạng thái miễn dịch có được khi cơ thể vô tình tiếp xúc với kháng nguyên, (ii) Miễn dịch chủ động thu được: Là trạng thái miễn dịch có được khi kháng nguyên được chủđộng đưa vào cơ thể như tiêm vacxin

Miễn dịch thụ động: Là trạng thái miễn dịch có được nhờ kháng thể được truyền từ ngoài vào

Miễn dịch thụ động chia làm 2 loại là miễn dịch thụ động tự nhiên và miễn dịch thụ động nhân tạo (i) Miễn dịch thụ động tự nhiên: Là trạng thái miễn dịch có được do kháng thể được truyền từ mẹ sang con qua nhau thai hoặc qua sữa (ii) Miễn dịch thụ động nhân tạo: Là trạng thái miễn dịch có được khi kháng thể được đưa vào cơ thể như dùng liệu pháp huyết thanh

Sự đề kháng của cơ thể dùng hai hình thức là đáp ứng miễn dịch tự nhiên

và đáp ứng miễn dịch đặc hiệu Hai hình thức này luôn bổ sung, hỗ trợ và không thể tách rời nhau Miễn dịch tự nhiên có trước ngăn cản vi sinh vật trước khi chúng kịp nhân lên trong cơ thể và nhờ đó mà hệ thống miễn dịch đặc hiệu

có đủ thời gian hình thành và đóng vai trò chủ chốt

4 KHÁNG NGUYÊN, KHÁNG THẺ

4.1 Kháng nguyên

a Định nghĩa: Kháng nguyên (Antigen) là chất có khả năng kích thích cơ

thể sinh đáp ứng miễn dịch và sinh kháng thể đặc hiệu với các thụ thể của tế bào lympho

- Tính sinh miễn dịch: Tính sinh miễn dịch của kháng nguyên là khả

năng kích thích cơ thể sinh ra đáp ứng miễn dịch dịch thể hoặc đáp ứng miễn dịch qua trung gian te bào đặc hiệu với kháng nguyên Tính sinh miễn dịch của kháng nguyên phụ thuộc vào tính lạ của kháng nguyên, vào trọng lượng phân

tử và cấu trúc phân tử phức tạp

(i) Tính lạ của kháng nguyên: Là sự khác biệt chủng loại giữa túc chủ và kháng nguyên, chất càng lạ thì khả năng kích thích sinh miễn dịch càng mạnh.(ii) Trọng lượng phân tử: Những chất có phân tử lượng lớn hơn 1000 dalton mới có khả năng sinh miễn dịch Hapten (bán kháng nguyên) là những chất có phân tử lượng thấp bị cơ thể chống lại theo cơ chế miễn dịch khi chúng gắn với một protein

(iii) Cấu trúc phân tử phức tạp: Các đại phân từ như protein, lipit, polysaccharide, acid nucleic có đặc điểm cấu tạo khác nhau nên có khả năng sinh miễn dịch khác nhau Các phân từ protein phần lớn đều có khả năng sinh miễn dịch (trừ một số ít như galetin) Các protein rất dễ bị phân hủy bởi enzyme, nên các protein nếu vào cơ thể bằng đường tiêu hóa thì rất dễ mất tác dụng Lipit không có tính kháng nguyên, nhưng khi gắn vói protein thì trở thành kháng nguyên Polysaccharide có tính kháng nguyên yếu, vi có cấu trúc lặp lại, thiếu tính đa dạng nên khi vào cơ thể chúng dễ bị phân giải Aciđ nucleic là kháng nguyên yếu, nhưng khi gắn với protein thì tính kháng nguyên tăng nên

- Tính đặc hiệu của kháng nguyên

(i) Mỗi kháng nguyên có một cấu trúc đặc hiệu riêng gọi là quyết định kháng nguyên (epitop), đây là phần quan trọng của kháng nguyên nơi các tế bào miễn dịch và kháng thể nhận dạng và gắn đặc hiệu

(ii) Phần quyết định với một epitop kháng nguyên trên mỗi phân tử kháng thể gọi là vị trí kết hợp kháng nguyên (paratop), còn trên tế bào lympho

T gọi là thụ thể (receptor)

(iii) Mồi epitop chỉ gắn đặc hiệu với một paratop hoặc một receptor và chi sinh ra một dòng kháng thể đặc hiệu