CHƯƠNG 5 DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT

Nguyên tố Chức năngHydro Thành phần của tế bào nước và các phân tử hữu cơ trong tế bào Oxigen Thành phần nước của tế bào và một số phân tử hữu cơ.. Điểm tiếp nhận điện tử của sự hô hấp c

DINH DƯỠNG CỦA VI

SINH VẬT

Chương 5

I Bốn nhu cầu cơ bản của VSV

 1 Nhu cầu về năng lượng

 2 Nhu cầu về nước.

 3 Nhu cầu về nguyên tố.

 4 Nhu cầu về nhân tố tăng trưởng

 Ch t dinh d ng là những chất được tê Ch t dinh d ng là những chất được tê ấ ấ ưỡ ưỡ bào hấp thu và tham gia vào các quá trình biến dưỡng trong tế bào để cuối cùng có thể đáp ứng được các nhu cầu cơ bản trên của tế bào.

I- NHU CẦU VỀ NGUYÊN TỐ CỦA VSV

cần thiết cho VSV ở hàm lượng lớn, bao gồm :

nên glucide, lipide, protéine và acide nucléique

K+, Ca++, Mg++, Fe++/ Fe+++ Đây là 4 nguyên tố ở dạng ion

2.Nguyên tố vi lượng

 Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu Đây là những nguyên tố cần ở liều lượng rất thấp, nhưng lại không thể

thiếu được trong tế bào Thông thường, môi trường nuôi cấy sử dụng nước máy và các chất dinh dưỡng phổ biến trong đó đã có đủ các nguyên tố trên Các nguyên tố vi lượng tham gia vào thành phần các

 Các nguyên tố trên được đưa vào môi trường nuôi cấy vi sinh vật theo các mức liều lượng như sau:

Nguyên tố Chức năng

Hydro Thành phần của tế bào nước và các phân tử hữu cơ trong tế bào

Oxigen Thành phần nước của tế bào và một số phân tử hữu cơ Điểm tiếp

nhận điện tử của sự hô hấp của VSV hiếu khíCarbon Thành phần của các phân tử hữu cơ có trong tế bào

Nito Thành phần của các amino acid nên là thành phần của các

protein Hiện diện trong các đơn vị nucleotide tạo nên acid nucleic, coenzyme và ATP

Lưu

huỳnh Được tìm thấy trong cystein và methionine_ vì vậy, là thành phần quan trọng của nhiều protein Có mặt trong các coenzyme, vi

dụ như co-carboxylPhospho Được tìm thấy trong acid nucleic, DNA và RNA Hiện diện trong

phospholipid là 1 phần của màng tế bào Tìm thấy trong coenzyme

Kali Là 1 loại cation chính của tế bào có vai trò quan trọng trong

việc duy trì áp suất thẩm thấu Có vai trò như cofactor của enzyme

Magie Đòi hỏi duy trì cấy trúc vững chắc của màng tế bào, ribosome,

DNA, RNA Hoạt động là 1 cofactor ở một vài loại enzyme

Canxi Có thể bổ sung vào cấu trúc vách tế bào Là thành phần

chính của vi khuẩn nội bào tử Sắt Thành phần quan trọng của nhiễm sắc thể trong hô hấp nội

bào Là cofactor của một vài loại enzyme

zinc Zn 1) Required for tryptophan, hence auxin (IAA), synthesis. manganese Mn 1) Required for chlorophyll synthesis 2) Activates many enzymes.

molybdenu

1) Component of enzymes in N metabolism (nitrate to organic N) 2) Component of enzymes in nitrogen fixation (N gas to ammonia)

chlorine Cl 1) Oxygen evolution in photosynthesis 2) Stomatal functioning

Zn++ được tìm thấy ở vị trí hoạt động của một vài

enzyme Nó cũng liên quan đến việc cấu thành các tiểu phần điều hòa và xúc tác của enzyme aspartate transcarbamylase ở

E coli

Mn++ có thể giúp nhiều enzyme xúc tác việc chuyển vận nhóm phosphate.

Mo++ cần cho quá trình cố định đạm.

Co++ là một thành phần của vitamine B12

Sinh vật Nhu cầu Amino

Axit Nhu cầu Vitamin Nhu cầu Purine và pyrimidine

Salmonella

Staphylococcus Arginine, cysteine và

phenylalanine Thiamine và niacin Không

Leuconostoc

mesenteroides 19 amino axit 10 vitamin (8 nhóm chính) Purines và pyrimidines

Aspergillus

Defined culture

medium for E.coli Defined culture medium for Leuconostoc mesenteroides

Complex culture medium for either

E coli or L

mesentheroides

K 2 HPO 4 7 g K 2 HPO 4 0.6 g KH 2 PO 4 2 g

KH 2 PO 4 2 g KH 2 PO 4 0.6 g Yeast Extract 5 g Glucose 15 g Glucose 25 g Glucose 15 g

Purines and 10 mg each.

Vitamins (biotin, folate, nicotinic acid, pyridoxal, pyridoxamine, pyridoxine, riboflavin,thiamine,

p-Aminobenzoic acid Precursor of folic acid

Folic acid One-carbon metabolism; methyl group transfer

Biotin Fatty acid biosynthes;  β-decarboxylations; CO 2 fixation Cobalamin (B 12 ) Reduction of and transfer of single carbon fragments;

synthesis of deoxyribose Lipic acid Transfer of acyl groups in decarboxylation of pyruvate

and α-ketoglutarate Nicotinic acid (niacin) Precursor of NAD reduction reactions + ; electron transfer in oxidation-

Pantothenic acid Precursor of coenzyme A; activation of acetyl and other acyl derivatives

Riboflavin Presursor of FMN, FAD in flavoproteins involved in electron transport Thiamine (B 1 ) α-Decarboxylations; transketolase

Vitamins B 6

(pyridoxal-Amino acid and keto acid transformationsVitamins and their functions

 Element Cellular Function

Chromium (Cr) Required by mammals for glucose metabolism; no known microbial requirement

Cobalt (Co) Vitamin B12; transcarboxylase (propionic acid bacteria)

Copper (Cu) Certain proteins, notably those involved in respiration, for example, cytochrome c oxidase; or in photosynthesis, for example, plastocynanin; some 

speroxide dismutases Manganese (Mn) Activator on many enzymes; present in certain superoxide dismutases and in the water-splitting enzyme of photosystem II in oxygenic phototrophs

Molybdenum 

(Mo)

Present in various flavin-containing enzymes; also in mylybdenum nitrogenase,  nitrate reductase, sulfite oxidase; DMSO-TMAO reductases, some formate 

dehydrogenases; oxotransferases Nickel (Ni) Most hydrogenases; coenzyme F430  of methanogens; carbon monoxide dehydrogenase; 

urease Selenium (Se) Formate dehydrogenase; some hydrogenases; the amino acid selenocysteine

Tungsten (W) Some formate dehydrogenases; oxotranserases of hyperthermophiles (for example, aldehyde: ferredoxin oxidoreductase of Pyrococcus furiosus)Vanadium (V) Vanadium nitrogenase; bromoperoxidase

Micronutrients (trace elements) needed by living organisms

Element found in the environment Usual form of nutrient Chemical form supplied in culture media

Glucose, malate, acetate, pyruvate, hundreds of other compounds, or complex

mixtures (yeast extract, peptone, and so on)

Oxygen (O) H2O, O2, organic compounds H2O, O2, organic compounds

Nitrogen (N)

NH3, NO3 - , NO2 - , N2, organic nitrogen

compounds

Inorganic: NH4Cl, (NH4)2, SO4, KNO3, N2 

Organic: Amino acids, nitrogen bases of

nucleotides, many other containing organic

N-compounds

Sulfur (S)

H2S, SO4 2- , S o , organic S compounds, metal sulfides (FeS, CuS, ZnS, NiS, and so on)

Na2SO4, Na2S2O3, Na2S, cysteine, or other organic sulfur compounds

Macronutrients in Nature and in Culture Media

II- NHU CẦU VỀ C, H, O

Thường thì những nhu cầu về C, H, O được thoả mãn cùng một lúc Carbon cần cho sự hình thành bộ khung của tất cả các phân tử chất hữu cơ

VSV thuộc nhóm autotrophes (tự dưỡng) mới sử dụng được CO2 như nguồn C chủ yếu và duy nhất Trong số những vi sinh vật tự dưỡng này, phần lớn là quang tự dưỡng, còn lại là hóa tự dưỡng (oxy hóa chất vô cơ để thu năng lượng)

VSV thuộc nhóm hétérotrophe sử dụng thức ăn hữu cơ để đồng thời cung cấp năng lượng và Carbon Ví dụ : quá trình phân giải chất hữu cơ (glycolyse) sinh ra năng lượng dưới dạng ATP và NADH, cũng tạo ra một sườn carbon mà sau này được sử dụng trong quá trình sinh tổng hợp

Một trong những đặc tính đáng chú ý nhất về nhu cầu dinh dưỡng của VSV là tính chất cực kỳ linh động của nó, điều này có liên quan

đến nguồn carbone Không có bất kỳ một chất hữu cơ thiên nhiên nào mà không được VSV sử dụng Ví du:Xạ khuẩn (actinomycète) có khả năng phân giải alcool amylique, paraffine và ngay cả cao su

Một vài vi khuẩn hầu như sử dụng được bất kỳ chất gì như nguồn

CÁC KIỂU DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VINH VẬT

 * Dựa vào nhu cầu về năng lượng, VSV được chia thành 2 loại

 - VSV quang dưỡng (Phototrophes) sử dụng ánh sáng làm nguồn năng lượng thông qua quá trình quang hợp

 - VSV hóa dưỡng (Chemotrophes)sử dụng năng lượng từ các phản ứng oxyhóa các hợp chất hóa học (hoặc vô cơ, hoặc hữu cơ)

 * Dựa vào nhu cầu Carbon , vi sinh vật được phân 2 nhóm:

 - VSV tư dưỡng ( Autotrophe) sử dụng Carbon dạng khí CO2

 - VSV di dưỡng (Hétérotrophe) sử dụng Carbon dạng hợp chất hữu cơ

 * Dựa vào nhu cầu nguồn cung cấp hydrogen hay điện tử , VSV gồm 2 loại:

 - VSV lithotrophe sử dụng cơ chất vô cơ làm nguồn cho điện tử

Nguồn Chất Nguồn C xây dựng nên vật chất tế bào

năng lượng cho

điện tử

Chất hữu cơ Khí CO 2

Ánh sáng Chất

hữu cơ

1 Quang dị dưỡng hữu cơ

(Photoorganohetorothroph)

2 Quang t dưỡng hữu cơ ự

2 Quang t dưỡng hữu cơ ự

5 Hóa dị dưỡng hữu cơ (Chemoorganoheterothrop

6 Hóa tự dưỡng hữu cơ (Chemoorganoautothroph)

Tám kiểu dinh dưỡng ở VSV

III- NHU CẦU VỀ N, P, S

 Để tăng trưởng, VSV cần phải dung nạp vào cơ thể một lượng lớn N, P,

S Mặc dù những nguyên tố này cũng được cung cấp đồng thời theo

nguồn thức ăn có C.Tuy nhiên, VSV còn có thể sử dụng nguồn thức ăn ở dạng muối vô cơ

 *N cần thiết cho việc tổng hợp acide amine, purine và pyrimidine, một vài glucide và lipide, coenzyme và các cơ chất khác Các dạng Nitơ được VSV sử dụng :

 - Nitơ hữu cơ: a.amine, pepton, gelatin, casein, nước thịt

 - N vô cơ như:

 NH 3 :được dung nạp trực tiếp nhờ hoạt động của một vài enzyme như

glutamate déhydrogénase hay glutamine synthétase, và glutamate

 *P hiện diện trong acide nucléique,

phospholipide, nucléotide dưới dạng ATP,

một vài coenzyme, một vài protéine và các thành phần khác của tế bào.

 Hầu như tất cả VSV đều sử dụng được

nguồn phosphate vô cơ như nguồn phosphore và được hấp thu trực tiếp vào cơ thể

 *S cần thiết cho sự tổng hợp cơ chất như

cystéine, méthionine, một vài glucide, biotine và thiamine.

 Phần lớn VSV sử dụng được sulphate

(SO4) làm nguồn cung cấp S Sulphate sẽ được đưa vào cơ thể bằng cách đồng hóa Một vài vi khuẩn lại đòi hỏi S ở dạng khử như cystéine.

IV- NHU CẦU VỀ YẾU TỐ TĂNG TRƯỞNG



Yếu tố tăng trưởng là những thành phần hóa học thiết yếu của tế bào, hay tiền chất của chúng, mà tế bào không thể tổng hợp được, do đó phải được cung cấp từ môi trường ngoài

Có 3 loại yếu tố tăng trưởng chính :

Acide amine : cần thiết cho việc tổng hợp các protéine

Purine và pyrimidine : cần cho sự tổng hợp acide

nucléique cho tế bào

Vitamine : là những phần hữu cơ nhỏ cấu thành các

coenzyme hay một phần của coenzyme Vitamine cần ở một lượng rất nhỏ cho sự tăng trưởng Một vài VSV cần nhiều

loại vitamine-ví dụ như Enterococcus faecalis đòi hỏi đến 8 vitamine khác nhau cho sự tăng trưởng của nó

Còn có một loại yếu tố tăng trưởng khác-như hème

1 Khuyếch tán thụ đông (diffusionn passive)

Một số cơ chất như glycérol có thể đi qua màng tế bào bằng khuyếch tán thụ động Trong cơ chế này, các phân tử sẽ di chuyển từ một vùng có nồng độ cao sang vùng có nồng độ thấp do giao động nhiệt (agitation thermique).

 Vận tốc khuyếch tán thụ động tùy thuộc vào gradient nồng độ bên ngoài và bên trong tế bào Nồng độ cơ chất

bên ngoài phải cao hơn bên trong thì mới có sự di chuyển từ ngoài vào trong.Vận tốc khuếch tán sẽ sẽ giảm dần cho đến khi nồng độ chất tan ở hai phía đạt cân bằng

Cơ chế khuyếch tán thụ động là một quá trình ít hiệu quả và ít được sử dụng bởi vi sinh vật, chỉ có nước và một số chất tan trong nước và lipid như glycérol có thể đi vào tế

2 Khuếch tán dễ dàng (Diffusion facilite)ù

Vận tốc khuyếch tán qua màng bán thấm chọn lọc sẽ gia tăng mạnh mẽ nhờ có protéine vận chuyển gọi là

perméase , nằm trong màng tế bào chất Quá trình này được gọi là khuyếch tán dễ dàng

Cơ chế vận chuyển dễ dàng dường như không quan trọng lắm đối với procaryote Ở E coli, Salmonella

typhimurium, Pseudomonas, Bacillus và phần đông các vi khuẩn khác, cơ chế này được sử dụng để vận chuyển

Glycérol Cơ chế này rất được chú ý ở Eucaryote và được dùng để chuyên chở các loại đường và acide amine khác nhau

3.Vận chuyển chủ động (Transport actif)

Là sự chuyên chở các phân tử chất tan đi ngược với gradient nồng độ, nhờ sử dụng năng lượng biến dưỡng (ATP) Do cơ chế vận chuyển chủ động phải nhờ đến protéine vận chuyển

(permease), nên trong chừng mực nào đó nó cũng giống như cơ chế vận chuyển dễ dàng Chất vận chuyển liên kết với một vài chất tan và có tính chuyên biệt rõ rệt đối với những phân tử này

Khác với khuyếch tán dễ dàng, vận chuyển tích cực có sử dụng năng lượng biến dưỡng (ATP) và khả năng tập trung cơ chất Hệ thống vận chuyển này sử dụng permease khu trú ở khoảng

không chu chất (espace périplasmique) nằm giữa màng tế bào

chất và vách tế bào của vi khuẩn Gr-

Vi khuẩn E coli sử dụng cơ chế này để vận chuyển các loại

Khuếch tán Khuếch tán dễ dàng

Cơ chế ẩm bào

4 Chuyển nhóm ( Translocation de groupe)

Đa số procaryote có thể chuyên chở phân tử cơ chất bằng cơ chế chuyển nhóm, trong đó một phân tử được chuyên chở vào trong tế bào bằng cách thay đổi về mặt hóa học (bị phosphoryl hóa) Hệ thống

chuyển nhóm được biết đến nhiều nhất là 2 hệ thống: PTS

(Phosphotransférase des sucres) và PEP (phosphoénolpyruvate)

PTS rất phức tạp Ở E coli và Salmonella typhimurium, PTS gồm có 3 enzyme và một protéine bền nhiệt có trọng lượng phân tử thấp gọi là Hpr

* Hpr và enzyme I nằm trong tế bào chất

* Enzyme II là một protéine của màng tế bào chất

* Enzyme III vừa ở trong tế bào chất vừa nối với màn+g tế bào



Khi tế bào muốn hấp thu phân tử đường hay một phân tử a.amin (chất này có nồng độ cao bên trong tế bào),một P giàu năng lượng sẽ

được chuyển từ PEP đến enzyme III với sự giúp đỡ của enzyme I và Hpr Phân tử đường sẽ được phosphoryle hóa nhờ vào enzyme II trong quá

trình vận chuyển của nó qua màng tế bào

 PEP + Glucose (bên ngoài) → Pyruvate + Glucose-P (bên

trong)

 Enzyme II và III chỉ vận chuyển một loại đường đặc trưng và biến đổi tùy theo hệ thống PTS, trong khi đó enzyme I và Hpr được dùng

chung cho mọi loại PTS

PTS phân bố rộng rãi ở Procaryote Ngoại trừ một vài loài Bacillus có đồng thời con đường EMP và hệ thống phosphotransférase, những vi khuẩn hiếu khí dường như không có PTS

 E coli, Salmonella, Staphylococcus và các vi khuẩn kỵ khí tùy ý khác cũng như một vài vi khuẩn kỵ khí bắt buộc (như Clostridium) cũng có PTS Nhiều loại đường được chuyên chở bằng hệ thống này Ngoài vai trò vận chuyển, protéine của PTS có thể tác động nhờ một chất tiếp nhận hóa học trong cơ chế hóa hướng động

5 Sự thu nạp sắt (Capture de fer )

Hầu như mọi vi sinh vật đều cần có Fe cho hệ thống cytochrome và nhiều enzyme của nó Việc thu nhập Fe không dễ dàng vì Fe3+ và dẫn

xuất của nó khó hòa tan, nên Fe tự do thường không có sẵn cho việc

chuyên chở Nhiều vi khuẩn và nấm khắc phục khó khăn này bằng cách tiết ra các phân tử vận chuyển Fe –Sidérophore

 Sidérophore là những chất có trọng lượng phân tử thấp, nó tập hợp sidérophore (transporteur de fer)-tiếng Hy Lạp có nghĩa là chất vận chuyển những ion Fe lại và cung cấp chúng cho tế bào

 Ferrichrome là một hydroxamate được sản xuất bởi một số loài nấm; Entérobatine là một phénolates-catécholates do E coli tiết ra Ba

nhóm của Sidérophore tương tác với những orbitale của Fe để tạo thành phức hợp octatrique có 6 nối

Khi có một ít Fe trong môi trường nuôi cấy, thì VSV sẽ tiết ra

Sidérophore Khi phức hợp Sidérophore-Fe đến màng tế bào, thì nó sẽ liên kết với protéine tiếp nhận của các sidérophore này Kế đó Fe sẽ được

phóng thích để đi trực tiếp vào trong tế bào hoặc cả phức hợp trên sẽ đi