Chương 5 - CHUYỂN HOÁ VẬT CHẤT Ở VI SINH VẬT pot

5.3 các kiểu hố hấp ở vi sinh vật 5.3.1 hô hấp hiếu khí Hô hấp hiếu khí là quá trình oxyd hoá khử cơ chất hữu cơ hay vô cơ để lấy năng lượng trong điều kiện có oxi phân tử đóng vai trò l

Chương 5

CHUYỂN HOÁ VẬT CHẤT Ở VI SINH VẬT

5.1.enzyme vi sinh vật

5.1.1 Enzyme nội bào và ngoài bào

Các enzyme nội bào và ngoại bào được tiết ra từ môi trường ngoài , bao gồm các enzyme phân cắt các phân tử lớn (amylase, caseinase) và những enzyme là tác nhân gây bệnh (coagulase, DNAase, exotoxin…)

các enzyme nội bào hoà tan khu trú bên trong tế bào chất chúng tham gia vào quá trình chuyển hoá trung gian của tế bào (β – galctosidase,

các enzyme của quá trình đường phân… )

5.1.2 các chất chuyển hoá sơ cấp khác

Các chất

chuyển hoá

sơ cấp

Vi sinh vật Môi trường Sản lượng Sử dụng

_ axit amin

Axit

glutamic

Threonin

_axit hữu cơ

C.glutamicum

B.subtils acetobacter

Rỉ đường

Etanol

370.T/năm

300.000T/nă m

66% bổ sung thực phẩm người

33% thực phẩm động vật

1% trong y dược dấm 60% dung cho thực

phẩm,kẹo,nước giải khát…

Axit xitric

Axit lactic

Axit

gluconic

asp.niger

lactobacillus delbrueclili

ans.niger

Rỉ đường lactoserum

400.000T/nă m

40.000 T/năm

45.000T/năm

10% trong công ngiệp dược bổ sung( vào công nghệp thịt)

5.1.3 một số enzyme được ứng dụng trong công nghệ sinh học

α - amylaza Bac.subtilis

Bac.lichenifomis Bac.amyloliquefaciens Aspergillus oryzae a.niger

Thuỷ phân tinh bột, lên men rượu, sản xuất glucose, đường hoá

amyloglucosidaza A.niger, A.oryazae, Bacilus.sp,

A.awamori, Rhizopus niveus, Rh oryzae, Rh.delemar

Sản xuất xiro glucozo làm bánh, công nghiệp bia rượu

β-glucalaza Bac.subtilis

Bac.circulans Aspergillus niger A.oryzae

Công nghệp bia rượu

β-glactosidza A.niger, Candida,

Pseudotropicalis, A.nidulans,A.foetidus Kluyverommyces marxianus

Loại bỏ lactose ở sữa

Xelulaza A.niger, A.phoenicis, A.wentii

Trichoderma reesii, T.lignorum, T.viride

Thuỷ phân xenlulozo

Inuvertaza Sac.cerevisiae, Kluyveromyces Thuỷ phân

marxianus, Penicillinum expansum

saccarozo

Inulaza Kluyveromyces marxianus,

Rhi phoenicis

Giảm đắng , giảm đau

Glucozo

isomeraza

Actinoplanes missouriensis Arthrobacter globiformis Bac.coagulans ,Streptomyces olivaceus

Sản xuất xiro fructozo từ ngô

Glucozo oxidaza A.niger NRL.3 , P glaueum,

P.vitale, P chrysogenum

Loại trừ oxi hoặc gluczo của bột trứng, của bơ hoặc vang

Lipaza và

esteraza

A niger, A oryzae, Mucor javanicus, M.pusillus, M

pusillus,M miehel, Rhizopus niveus, Rh Lipolitica,

Rh Cylindracea ,Rh.arrhizus, Candida cylindarcea,

Geotrichum candidum

Tạo hương vị trong sữa

Catalaza A niger, Penicilium sp,

Micrococuss lysodeidum

Thanh trùng sữa và bơ

Pectinaza và

pectin esteraza

A niger, A ochraceus,

A oryzae, A alliaceus, Rhizopus oryzae, Trichoderma reesii

P.simplicissinum

Làm trong dịch quả

và vang

Hemixenlulaza Nhiều loại nấm mốc, vi khuân, xa

khuẩn

Thuỷ phân pentosan, xylan, glactan, các mannane, đối với các dịch quả, công ngiệp làm bánh proteaza Bac.lichieniformis,

A.oryzae.Proteaza axit, Endothia

Công nghệp làm bánh, làm mềm thịt

parasitica, Bac.cereus, Mucor michei, M.pusillus, A.oryzae, a.saitol

trong công nghiệp

đồ hộp chế biến thịt

5.2 các chất chuyển hoá thứ cấp

5.2.1 các chất kháng sinh

Chất kháng sinh là những chất hữu cơ do vi sinh vật (vi khuẩn thật, xạ

khuẩn, nấm sợi, nấm men…) tạo thành.Ngay ở nồng độ thấp, các chất kháng sinh cũng có khả năng ức chế hoặc tiêu diệt các vi sinh vật một cách có chọn lọc

Chất kháng sinh là một chất đa dạng về mặt hoá học, trọng lượng phân tử biến động từ 150-5000 Dalton Trong một số chất cấu tạo phân tử của chúng chỉ chưa C và H hoặc chứa C, H, O và N Một số khác cón chứa S, P và halogen

Hơn 80% số chất kháng sinh đã được mô tả được tạo bởi xạ khuản

(Actinomycetes) Đáng kể nhất là chi Streptomyces thuộc họ

Streptomycetaceae Một

Số chi khác coi là “ xạ khuẩn hiếm” cũng cho nhiều loại kháng sinh quý như chi Micromonaspora ( họ Micromonosporaceae), chi Nicardia( họ

Nocardiaceae)

Vi nấm chất kháng sinh chủ yếu thuộc họ Aspergillaceae, bao gồm chi

Aspergillus và Pencillium Gần đây, chi Moniliales cho nhiều chất kháng sinh mới

Vi khuẩn thật (Eubacteria) sinh chất kháng sinh chủ yếu thuộc chi Bacllus và một vài đại diện thuộc chi Pseudomas Đa số các chất kháng sinh vi khuẩn

có cấu trúc hoá học gần giống nhau và là polypeptide

5.2.2 các sắc tố

a) diệp lục tố

tất cả các diệp lục tố quang hợp ở vi khuẩn đều có cấu tạo porphirin với nhân Mg đươc gọi là bacterioclorophil Bacterioclophil Bacterioclophil gồm

a, b, c, d trong đó a được biết rõ nhất Các diệp lục tố khác nhau chủ yếu ở cấu trúc hoá học phần gốc R, khác nhau về sự hấp thụ ánh sang ngăn (xanh)

và phần song dài (đỏ) của quang phổ mặt trời

b)Carotenoid

ngoài các loại clorophil trong bộ máy quang hợp của sinh vật tự dưỡng

quang năng còn chứa những sắc tố thuộc loại carotenoid Thành phấn của carotenoid cũa vi khuẩn quang hợp không giống ở tảo và cây xanh.Vi khuẩn quang hợp màu lục thường chưa khuản tía là licopen, glucocid, -carolin, rodopin, okenon, spiriloxantin, protein Carotenoid có màu vàng da cam c) sắc tố phicobiliproteid

Phicobiliproteid là loại sắc tố có bản chất protein hoà tan trong nước, phát huỳnh quang mạch, màu xanh da trời hoặc đỏ đặc trưng cho Cyanobacteria (vi khuẩn lam)

5.2.3 một số ứng dụng của chất chuyển hoá thứ cấp trong công nghệ sinh học

Sự khám phá ra penicillin và các kháng sinh khác mở ra một lĩnh vưc mới cho vi sinh vật công nghệp Sự khám phá ra kháng sinh và sự phát triển của các hợp chấ bán tổng hợp từ các kháng sinh đã có những lợi ích lớn trong y học

5.3 các kiểu hố hấp ở vi sinh vật

5.3.1 hô hấp hiếu khí

Hô hấp hiếu khí là quá trình oxyd hoá khử cơ chất hữu cơ hay vô cơ để lấy năng lượng trong điều kiện có oxi phân tử đóng vai trò là chất nhận electron cuối cùng Trong quá trình này, đầu tiên chất hữu cơ bị oxyd hoá do

hydroden được tách ra khỏi cơ chất và được chuyển đi trong chuỗi hô hấp nhờ các enzume vận chuyển như NAD, FAD, Quinon, Cytocrom…Cuối cùng hydrogen được chuyển đến oxy phân tử để tạo thành nước, đồng thới phóng thích năng lượng ATP Ở vi sinh vật người ta tìm thấy nhiều kiểu hô hấp hiếu khí:

-Hô hấp hiếu khí bắt buộc ( oxyd hoá hoàn toàn );

- Hô hấp hiếu khí không hoàn toàn ( oxy hoá không hoàn toàn);

-Hô hấp vi hiếu khí ( oxyd hoá ở thể oxy hoá thấp, nồng độ oxy phân tử thấp);

-Hô hấp hiếu khí tuỳ nghi ( khi có oxy phân tử thì vi sinh vật hô hấp hiếu khí,còn khi không có oxy phân tử thì chúng tiến hành lên men hoặc hô hấp

kỵ khí –“ Vd:hô hấp nitrate hoặc hô hấp sulfate “

Cơ chế

Hô hấp hiếu khí là một chuỗi phản ứng oxyd hoá khử phức tạp có lien quan đến ba quá trình sau đây:

-Các con đường phân giải chất hữu cơ (Con đường EMP hay Glycolyse) -Chu trình acid tricarbocylic (ATC –chu trình Krebs)

-Chuỗi vận chuyển electron (Chuỗi hô hấp)

Đầu tiên, tất cả các chất hữu cơ sẽ được các tế bào phân giải thành acid pyruvic (hợp chất có 3 C) từ một trong các con đường phân giải chất hữu cơ

đã được đề cập ở trên.Trong điều kiện có sự hiện diện của oxy không

khí,acid pyruvic sẽ đi vào chu trình acid tricacboxylic( chu trình Krebs) Sau khi đường phân phân huỷ glucose tạo ra Axit pyruvic, trong điều kiện hiếu khí Axit pyruvic tiếp tục bị phân huỷ hoàn toàn Sự phân huỷ này

xảy ra theo chu trình được H.Crebs khám phá từ năm 1937 Đó là chu trình Crebs

Quá trình phân huỷ axit pyruvic qua chu trình Crebs xảy ra trong cơ chất ty thể nhờ sự xúc tác nhiều hệ enzime Bản chất của các phản ứng xảy ra trong chu trình Crebs chủ yếu là decacboxyl hoá và dehydro hoá axit pyruvic Chu trình gồm 2 phần:

- Phân huỷ axit pyruvic tạo CO 2 và các coenzime khử.

- Các coenzime khử thực hiện chuỗi hô hấp để tạo H 2 O và tổng hợp ATP.

Cơ chế chu trình được trình bày theo sơ đồ sau:

Chu trình Crebs

Kết quả chu trình là

2CH3COCOOH + 6 H2O => 6CO2 + 10H2 (phần 1)

10H2 + 5 O2 => 10H2O (Phần 2) Kết quả chung là: 2CH3COCOOH + 5O2 => 6CO2 + 4H2O

Nếu kết hợp với giai đoạn đường phân được phương trình tổng quát của hô hấp hiếu khí

C6H12O6 + O2 => 6CO2 + 6H2O

Chu trình Crebs tạo 4NADH2, 1FADH2 và 1 ATP Các coenzime khử NADH2 và FADH2 thực hiện chuỗi hô hấp sẽ tổng hợp ATP:

4 NADH2 x 3 = 12 ATP

1 FADH2 x 2 = 2 ATP

1 ATP = 1ATP

-Tổng : 15ATP

Như vậy cứ 1 Axit pyruvic phân huỷ qua chu trình tạo ra được 15 ATP, nên

từ 2 A.pyruvic sẽ tạo được 30 ATP Trong chặng đường phân tạo ra được 2ATP + 2NADH2 => 8ATP Vậy hô hấp hiếu khí cung cấp cho tế bào 38 ATP khi phân huỷ một phân tử glucose

Chuỗi vận chuyển electron (chuỗi hô hấp)

Chuỗi vận chuyển electron là một phức hợp của một dãy các chất vận

chuyển electron hoạt động đồng thời để chuyên chở các chất cho electron như NADH, FADH2 đến chất nhận electron như oxy phân tử Các electron được chuyên chở từ các chất có thế năng khử yếu hơn các chất có the6`1 năng khử năng khử mạnh hơn để cuối cùng kết hợp với O2 và H+ tạo thành nước Sự khác nhau của thế năng giua O2 và NADH rất quan trọng, khoảng 1,14 volt ,và có thể gây ra sự giải phóng một lượng lớn năng lượng coq1 thể được tạo thành nhờ vào sự di chuyển các electron)

Trong chuỗi hô hấp, những nguyên tử hydrogen được chuyển lọc theo các phân tử vận chuyển, chỉ có phản ứng cuối cùng của chuổi hô hấp mới được xúc túc bởi xytocrom- oxydase (cyt a3 ) làm cho các ion hydro lien kết được với chất nhận electron cuối cùng là O2 để tạo thành nước

Một số cytocromxydase chỉ vận chuyển được có một đối ion hydro đến phân

tử oxy ,dẫn tới sự tạo thành peroxydhydro

H2 + O2 H2O2

H2O2 độc với tế bào ,khi được hình thành nó lập tức bị phân giải nhờ

enzyme catalase và peroxydase

H2O2 H2O + 1/2O2

Catalase gặp ở phần lớn các vi sinh vật hiếu khí, các vi sinh vật kỵ khí bắt buộc thường không có chứa enzyme này.Ở vi khuẩn lactic có enzyme

peroxydase, chính nhờ có enzyme này mà vi khuẩn vốn là vi khuẩn kỵ khí nhưng vẫn sống được trong trong môi trường có nồng độ oxy thấp

Có ba nơi trong chuỗi vận chuyển electron có đủ năng lượng để tổng hợp ATP, đó là:

-Giữa NADH và coenzyme Q

-Giữa cytocrom b và cytocrom c1

-Giữa cytocrom a và O2

Trong chuỗi vận chuyển electron sự giải phóng năng lượng được chia làm ba giai đoạn nhỏ:

Succinar

Complex II

NADH complex I CoQ complex II cytc complex III O 2

ADP +P1 ATP ADP +P1 ATP

Chuỗi vận chuyển điện tử

Như vậy 3 phân tử ATP có thể tổng hợp từ ADP và Pi khi một đôi electron

đi qua từ NADH đến O2.Điều này có nghĩa là tỷ lệ P/O =3 Khi đôi electron

đi qua từ FADH2 đến O2 sẽ có 2 phân tử ATP được tổng hợp với tỷ lệ P/O

=2

Hiệu suất ATP tạo thành trong quá trình hô hấp hiếu khí

Lượng ATP sinh ra từ sự oxyd hoá một phân tử glucose trong quá trình hô hấp hiếu khí có thể được tính như sau:

-Từ con đường glucolyse (chu trình EMP):

Photphoryl hoá ở mức cơ chất (ATP)……….2ATP

Photphoryl hoá oxyd hoá với 2 NADH…… 6ATP

-Từ sự chuyển 2 pyruvat thành 2 Acetyl CoA:

Photphoryl hoá oxyd hoá với 2 NADH………6ATP

-Từ chu trình Kreb:

Photphoryl hoá ở mức cơ chất (ATP)……….2ATP

Photphoryl hoá oxyd hoá với 6 NADH…… 18ATP

Photphoryl hoá oxyd với 2 FADH2………… 4ATP

-Hiệu suất cuối cùng 38ATP

Lưu ý: Hiệu suất ATP được tính toán dựa trên tỷ lệ P/O=3 đối với NADH

và P/O=2 đối với FADH2

Tóm lại: Trong hô hấp hiếu khí, một phân tử glucose bị oxyd hoá hoàn toàn

để cho ra khí CO2, H2O và giải phóng năng lượng theo phương trình tổng quát như sau:

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O +38ATP

5.3.2 Hô hấp kỵ khí và kỵ khí tuỳ nghi

Hô hấp kỵ khí (Respiration anaerobic) là quá trình oxyd hoá- khử cơ chất dinh dưỡng để tạo điều kiện vắng mặt oxyd không khí Thực ra quá trình này cũng giống như hô hấp hiếu khí, nghĩa là cơ chất cũng bị oxyd hoá bằng sự tách hydrogen bởi các enzyme vận chuyển electron của chuổi hô hấp, nhưng thay vì hydrogen được vận chuyển đến chất nhận cuối cùng là oxy không khí thì nó được vận chuyển đến chất nhận electron cuối cùng là các chất vô cơ

có oxy: nitrat (NO3-), Sulfate (SO4+), carbonic (CO2) KhẢ năng chuyển electron cho nitrate (hô hấp nitrate) hoặc sulfate (hô hấp sulfate) fiup1 cho vi khuẩn thực hiện tương đối đầy đủ quá trình oxyd hoá hoàn toàn cơ chất, tổng hợp ATP nhờ vào quá trình vận chuyển electron và quá trình

phosphoryl hoá oxyd hoá mà không cần sự tham gia của oxy không khí Quá trình này cũng tạo năng lượng tương đối lớn hơn so với quá trình lên men nhưng thấp hơn so với hô hấp hiếu khí (khoảng 10%)

Kỵ khí tuỳ nghi là khi không có oxy phân tử các vi sinh vật hiếu khí có thể tiến hành lên men hoặc hô hấp kỵ khí (tức có khả năng dùng nitrate làm chất nhận hydrogen cuối cùng), còn khi có mặt oxy phân tử thì chúng hô hấp hiếu khí

5.3.3 Hô hấp nitrate, sulfate

a) Hô hấp nitrate (Qúa trình amon hoá nitrate và phản nitrate)

Hô hấp nitrate hay là khử dị hoá nitrat khác với quá trình khử đống hoá nitrate ở chỗ, các sản phẩm khử trong trường hợp này không được tế bào sử dụng tiếp ,mà thường đươc ra ngoài môi trường

Rất nhiều vi khuẩn hiếu khí khi sống tron điều kiện kỵ khí có khả năng dùng nghi, ví dụ một số loài thuộc các chi Bacillus, Aerobacter và E.coli

Các vi khuẩn này,một số có khả năng khử nitrate thành ammoniac (quá trình amon hoá nitate), trong khi đó một số khử nitrate để giải phóng nitơ phân tử ( hoặc N2O) (quá trình phản nitrate) Như vậy, hô hấp nitrate gồm 2 quá trình khác nhau: amon hoá nitrate và phản nitrate hoá mà người ta cho rằng hai quá trình này có chung giai đoạn đầu

Quá trình amon hoá nitrate

(Hydroxylamin) NH2OH NH3

NO3- NO2 NO

N2O N2

Nitrate Nitrite Oxyd nito Dinitơoxy Nitơ phân tử

Quá trình phản nitrate

Cơ chế quá trình hô hấp nitrate ở vi sinh vật

Khi hô hấp nitrate, đặc biệt là khi phản nitrate hoá, cơ chất hữu cơ được oxyd hoá hoàn toàn đến CO2 và H2O Năng lượng sinh ra với nitrate là chất nhận hydrogen chỉ thấp hơn trong trường hợp chất nhận là oxy phân tử

khoảng 10%

b) Hô hấp sulfate ( Quá trình phản sulfate)

Phần lớn vi sinh vật và thực vật có thể dùng sulfat làm nguồn dinh dưỡng lưu huỳnh để hợp các hợp chất của cơ thể chứa S (amino acid chứa

S,enzyme,…) Đó là quá trình khử đồng hoá sulfate.Chỉ có một số ít vi sinh vật (kỵ khí bắt buộc) thuộc hai chi Desulfovibrio và Desulfotomaculum lại dùng sunfate làm chất nhận cuối cùng trong hô hấp kỵ khí Ngoài ra, có một

số các vi khuẩn tự dưỡng hoá năng cũng có khả năng này

Quá trình hô hấp sulfate cũng giống như quá trình hô hấp nitrate, nhưng các

vi sinh vật thực hiện quá trình này đều thuộc loại kỵ khí bắt buộc, chúng chỉ

có thể dùng sulfate làm chất nhận hydrogen cuối cùng trong quá trình oxyd hoá cơ chất

Cơ chế của quá trình

SO42- + 8e- + 8H S2- + 4H2O

Cơ chất bị oxyd hoá – khử bởi sulfate như sau:

Cơ chất vô cơ: 4H2 + H2SO4 H2S + 4H2O + Q

Cơ chất hữu co:vi khuẩn sulfate hoá có thể phân giải pyruvate để hình thành

H2S

4CH3COCOOH + H2SO4 4CH3COOH + 4CO2 + H2S +Q

Vi khuẩn thực hiện quá trình hô hấp sulfate trước khi bị khử thành H2S phải trải qua nhiều giai đoạn trung gian mà có những giai đoạn cho đến nay người ta vẫn chưa biết được một cách chắc chắn

Vi khuẩn khử sulfate hoá thường gặp ở những vùng bùn lầy có khí H2S, tức

là những nơi có quá trình phân giải kỵ khí các hợp chất hữu cơ Trong 1ml nước bẩn chứa 104 – 106 vi khuẩn khử sulfate, còn trong bùn có H2S số lượng của chúng lên tới 107 tế bào

Mặt khác, do sinh ra H2S có thể làm cá chết hàng loạt, H2S làm ăn mòn các

bộ phận kim loại của các công trình chon sâu dưới đất hoặc trong nước

Thiobacillus denitrificans