sự trao đổi chất ở VK

Bài giảng chỉ dành cho sv ngành dược và công nghệ sinh học. Mang tính chất tham khảo ................................. Chúc các bạn học tốt................................................................

SỰ TRAO ĐỔI CHẤT Ở VI

KHUẨN

MỤC TIÊU

• Trình bày khái quát được các con đường thu nhận năng lượng của vi khuẩn từ phân giải đường Hexose

• Phân biệt hô hấp hiếu khí và kị khí

• Trình bày được quá trình hóa thẩm thấu ở vi khuẩn

• Hiểu được quá trình thối rữa

• Khái quát được các con đường lên men chủ yếu

VAI TRÒ CỦA TRAO ĐỔI CHẤT

Nhiệm vụ của trao đổi chất

• Cung cấp năng lượng cho các hoạt động của vi khuẩn

• Cung cấp vật liệu để xây dựng tế bào

Chất dinh dưỡng

Trao đổi chất

Năng lượng Vật liệu xây dựng tế bào

VAI TRÒ CỦA TRAO ĐỔI CHẤT

• Sinh vật chuyển đổi các nguồn năng lượng khác nhau thành năng lượng hóa học => Chủ yếu được dự trữ trong các liên kết P-O giàu năng lượng gọi là sự phosphoryl hóa

• Phân tử ATP (Adenosin Triphosphate) là tiền tệ năng lượng trong tế bào

ADENOSIN TRIPHOSPHAT – ATP

• Phân tử Adenosin triphosphat là trung tâm trong chuyển

hóa năng lượng của vi khuẩn

HEXOSE – ĐƯỜNG 6 CARBON

C6H12O6

PENTOSE – ĐƯỜNG 5 CARBON

C5H10O5

ACID PYRUVIC

• Công thức phân tử: C3H4O2

• Công thức cấu tạo: CH3COCOOH

• Vai trò: là sản phẩm trung gian quan trọng trong các chu trình chuyển hóa năng lượng ở sinh vật

ACETYL COENZYM A

CH3CO-SCoA

CÁC CHẤT CHO HYDRO – VẬN CHUYỂN ELECTRON

• NADH: nicotinamid adenin dinucleotid Là một co-enzym quan trọng trong chuỗi vận chuyển điện tử của hô hấp hiếu khí- đóng vai trò là chất

khử - cho hydro, vận chuyển electron

NADH ↔ NAD+ + H+ + 2 e

• NADPH: nicotinamid adenin dinucleotid phosphate Là co-enzyme quan trọng trong các phản ứng khử (tổng hợp acid nucleic, tổng hợp

lipid…) – đóng vai trò là chất cho H

NADPH ↔ NADP+ + H+ + 2 e

• FADH2: vai trò tương tự NADH

FADH2 ↔ FAD + 2H+ + 2 e

CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

• Carbonhydrat là nguồn năng lượng phổ biến trong tự nhiên Hầu hết các vi sinh vật đều sử dụng carbonhydrat ở dạng đơn giản (Pentose, hexose…) – dạng đơn phân tử

• Các hợp chất phức tạp hơn cần được phân giải thành dạng đơn giản

• Các hexose thường được sử dụng

CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

• Các con đường phân giải đường hexose

• Đường phân (glucolysis) – con đường Embden – Meyerhof (EM): là con đường chủ yếu ở nhiều sinh vật (động vật, thực vật, vi

khuẩn…)

• Con đường Hexomonophosphat (HMP): Con đường phụ, bổ sung cho con đường EM, giúp tạo nguồn ribose để tổng hợp ARN

• Con đường Entner – Doudoroff (ED): hạn chế ở một số loại vi khuẩn

ĐƯỜNG PHÂN - GLYCOLYSIS

• Phương trình tổng quát

Glucose + 2 ATP +2 NAD → 2 CH3COCOOH + 4 ATP + 2 NADH

⇒1 phân tử Glucose sẽ tạo 2 phân tử acid pyruvic , 2 phân tử ATP và 2 phân tử NADH

• Là giai đoạn đầu – giai đoạn kỵ khí của quá trình hô hấp

Tương đối giống nhau ở các loài sinh vật – thường khác nhau ở sản phẩm cuối:

• Ở nấm men Sacharomyces cereviase sản phẩm cuối là rượu

• Ở các vi khuẩn lên men lactic thì sản phẩm cuối là acid lactic

• Ở động vật sản phẩm cuối là acid lactic và acid pyruvic

ĐƯỜNG PHÂN - GLYCOLYSIS

x2

Sử dụng ATP

Tạo ATP

CON ĐƯỜNG HEXOMONOPHOSPHAT (HMP)

• Còn gọi là con đường Pentophosphat (PP), hoặc Warburg – Dicken hoặc Horecker-Racker

• Bổ sung cho con đường EM, do sản phẩm của con đường này là các đường ribose (Đường 5 carbon) => nguyên liệu để tổng hợp ARN

• Giúp vi khuẩn sử dụng được các loại đường năm

• Về mặt năng lượng: hiệu suất bằng 1/2 so với con đường EM 1 phân tử Glucose sinh 1 phân tử ATP

Glucose → CH3COCOOH + 3 CO2 + 2 NADPH + ATP

• Tạo ra các phân tử NADPH, là cơ chất cho Hydro quan trọng trong các phản ứng khử như tổng hợp ADN, lipid….

CON ĐƯỜNG HEXOMONOPHOSPHAT (HMP)

• Ở nhiều VSV, EM và HMP là những con đường phổ biến và bổ sung cho nhau

• Tỷ lệ giữa 2 con đường này khác nhau tùy thuộc vào nhóm VSV

CON ĐƯỜNG ENTNER – DOUDOROFF (ED)

• Hiệu suất bằng 50% so với con đường EM

Glucose + ATP + NADP + NAD → 2 CH3COCOOH + 2 ATP + NADPH + NADH

• Thường gặp nhiều ở các vi khuẩn Gram âm, chủ yếu thuộc chi Pseudomonas thực hiện Ít gặp ở nhóm vi khuẩn kỵ khí

Mối liên hệ giữa các con

đường đường phân

So sánh các con đường phân hexose

Vai trò Là con đường phân giải carbohydrate

chính xảy ra ở nhiều loài sinh vật

Bổ sung cho con đường EM, giúp VSV sử dụng và tổng hợp đường ribose

Là con đường phân giải carbohydrate chủ yếu ở một số nhóm VSV

CHUYỂN HÓA CÁC HỢP CHẤT GLUCID KHÁC

• Fructose: phosphoryl hóa thành Fructose-6-phosphate rồi đi vào đường phân

• Mannose: chuyển về Fructose-6-phosphate rồi đi vào đường phân

• Galactose: chuyển về Glucose-6-phosphate rồi đi vào đường phân

• Oligosaccharid: cắt ngắn thành các monosaccharid để sử dụng

• Polysaccharid: cắt ngắn thành các oligosaccharid rồi thành monosaccharide để

sử dụng

HÔ HẤP

• Là quá trình vận chuyển điện tử thông qua một chuỗi vận chuyển điện tử đến chất nhận điện tử để sinh năng lượng

• Dựa vào chất nhận điện tử, có các quá trình sau:

• Hô hấp hiếu khí: chất nhận điện tử là O2

• Hô hấp kỵ khí: chất nhận điện tử không phải là O2

• Hô hấp nitrat: Chất nhận điện tử là Nitrat NO3- => Kỵ khí không bắt buộc

• Hô hấp sulfat: Chất nhận điện tử là Sulfat SO42- => Kỵ khí bắt buộc

• Một số trường hợp: CO2

HÔ HẤP HIẾU KHÍ VÀ CHU TRÌNH KREBS

• Nối tiếp quá trình phân đường phân

• Oxy hóa tiếp tục acid pyruvic đến CO2 và vận chuyển điện tử đến O2 để tạo

ATP

• Vai trò của NADH, FADH2

ACID CITRIC

Gốc carboxyl

Acid citric - C6H8O7

Acid tricarboxylic

CHU TRÌNH KREBS

• Còn gọi là chu trình acid tricarboxylic hay chu trình acid citric

• Nguyên liệu tham gia vào chu trình Krebs là Acetyl Coenzyme A (Acetyl-CoA) là một sản phẩm oxy hóa của acid pyruvic

Acid pyruvic + Coenzyme A + NAD → Acetyl-CoA + NADH + CO2

• Chu trình Krebs sẽ lần lượt lấy proton (H+) và điện tử (electron) từ phân tử Acetyl-CoA để chuyển vào các phân tử NAD và FAD, cùng sản phẩm cuối là CO2

NAD+ + H+ + e → NADH FAD+ + 2H+ + 2e → FADH2

CHU TRÌNH KREBS

• Như vậy: từ 1 phân tử Glucose qua đường phân và chu trình Krebs sẽ thu được 10 phân tử NADH, 2 phân tử FADH2 và 4

phân tử ATP

Glucose → 2 NADH + 2 ATP + 2 Pyruvic Pyruvic → 1 NADH + Acetyl-CoA + CO2 Acetyl-CoA → 3 NADH + 1 FADH2 + 1 ATP + 2 CO2 Glucose → 10 NADH + 2 FADH2 + 4 ATP + 6 CO2

x2

CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ

• Các phân tử NADH và FADH2 chuyển các proton H+ và electron qua chuỗi vận chuyển electron (chuỗi enzym hô hấp cytochrom) đến phân tử nhận điện tử cuối

cùng là O2 để tạo ra H2O

• Quá trình xảy ra do sự chênh lệch thế oxy khử của các phức hợp

NADH→ FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cyta →O2→H2O

NADH→ NAD+ + H+ + e

… O2 + 4H+ + 4e → 2 H2O

SỰ HÓA THẨM THẤU Ở VI KHUẨN

• Khi proton di chuyển trong chuỗi điện tử sẽ tạo ra năng

lượng đẩy H+ ra bên ngoài màng tế bào

• Có sự chênh lệch nồng độ H+ giữa 2 bên màng => động

lực proton.

• Do không thể di chuyển tự do qua màng nên lượng H+

tích tụ bên ngoài ngày càng nhiều => tăng thế năng

• Khi H+ di chuyển qua một kênh proton đặc biệt là ATP

synthase sẽ sinh năng lượng để tổng hợp ATP

• Quá trình này còn gọi là sự phosphoryl hóa oxy hóa

BÊN NGOÀI

BÊN TRONG

CHỈ HOẠT ĐỘNG KHI MÀNG TẾ BÀO NGUYÊN VẸN

CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ

• Số ATP sinh ra:

• NADH → 3 ATP

• FADH2 → 2 ATP

• Tổng kết, 1 phân tử Glucose bị oxy hóa hoàn toàn sẽ thu được 38 phân tử ATP

C6H12O6 → 10 NADH + 2 FADH2 + 4 ATP + 6 CO2 C6H12O6 + 6O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP

HÔ HẤP NITRAT

• Hô hấp nitrat bao gồm hai loại quá trình:

• Phản nitrat hóa

• Hô hấp nitrat – nitrit

• Các enzyme của chuỗi hô hấp nitrat chỉ tạo ra trong điều kiện thiếu hay không có oxi Trong điều kiện nhiều oxi thì vi khuẩn sẽ ưu tiên hô hấp hiếu khí (sử dụng oxi) => Kỵ khí không bắt buộc

HÔ HẤP NITRAT

Sự phản nitrat hóa

• Xảy ra qua hàng loạt giai đoạn trung gian dưới xúc tác của các enzyme khử reductase

• Gặp ở các nhóm vi khuẩn phản nitrat hóa: Pseudomonas, Micrococcus denitrificans, Bacillus licheniformis,

Achromobacter severnii…

• Quá trình phản nitrat hóa tạo ra các gốc kiềm làm tăng pH môi trường

HÔ HẤP NITRAT

Hô hấp nitrat – nitrit

• Tạo năng lượng bằng cách khử NO3- thành

NO2-• NO2- được thải loại hoặc khử tiếp qua hàng loạt phản ứng tạo NH3 và thải loại mà không tạo ATP

• Còn gọi là khử nitrat dị hóa

=> Phân biệt với khử nitrat đồng hóa

NO3- → NO2- → → → NH4- → Được tế bào sử dụng

HÔ HẤP SULFAT

• Chất nhận điện tử cuối cùng là Sulfat

SO42-• Quá trình xảy ra qua nhiều giai đoạn, sản phẩm cuối cùng là khí H2S

H2SO4 → H2SO3 → H2SO2 → H2SO → H2SThực chất là quá trình chuyển 8 H và 8 e đến sulfat tạo sulfit

H2SO4 + 8H + 8 e → H2S + 4H2OTrong đó nguồn H được thu nhận từ các chất hữu cơ, rượu hoặc khí hydro phân tử H2

HÔ HẤP SULFAT

• Quá trình khởi đầu bằng sự hoạt hóa gốc sulfat tạo APS, đây là quá trình tiêu hao năng lượng ATP

• Sau đó APS tham gia quá trình khử tạo năng lượng ATP

=> Tổng năng lượng bằng 0

• Do đó các vi khuẩn phản sulfat hóa sử dụng trực tiếp H2 để khử sulfat mà không cần thông qua APS

HÔ HẤP SULFAT

• Hô hấp sulfat có ở các vi khuẩn phản sulfat hóa gặp ở các vùng bùn lầy có khí H2S, thường thuộc 2 chi Desulfovibrio hoặc

Desulfotomaculum.

• Đây là chuỗi hô hấp duy nhất của các vi khuẩn này => hô hấp kị khí tuyệt đối

• Đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành các quặng lưu huỳnh và các mỏ dầu

SO SÁNH CÁC QUÁ TRÌNH HÔ HẤP

2-Vai trò Con đường tạo năng lượng ở các

sinh vật hô hấp hiếu khí

Tạo năng lượng thay thế trong trường hợp thiếu hoặc không có Oxy

Con đường tạo năng lượng ở các

vi khuẩn kị khí tuyệt đối

Loại vi sinh vật Tất cả các vi sinh vật chịu được

oxy

Một số vi sinh vật phản nitrat hóa Vi khuẩn kị khí tuyệt đối

LÊN MEN

• Là quá trình phân giải carbohydrat trong điều kiện hoàn toàn không có oxy

• Sản phẩm của quá trình lên men là các hợp chất oxy hóa không hoàn toàn

• Ở các vi sinh vật lên men, đường hexose được phân giải thành acid pyruvic Sau đó, từ acid pyruvic chuyển thành các sản phẩm lên men khác nhau tùy loài VSV

C6H12O6 EM Acid Pyruvic

• Sản phẩm điển hình của quá trình lên men là gì thì gọi là con đường lên men ấyCác sản phẩm lên men

+-LÊN MEN RƯỢU ETHYLIC

• Gặp nấm men Saccharomyces cerevisiae và một số nấm men khác

Cơ chế: gồm 2 giai đoạn

Giai đoạn 1: dưới xúc tác của pyruvatdecarboxylase

Giai đoạn 2: dưới xúc tác của NAD-alcohol-dehydrogenase

LÊN MEN RƯỢU ETHYLIC

• Ở vi khuẩn lactic, Enterobater và Clostridium, Acetaldehyd được tạo thành từ Acetyl-CoA

Pyruvic → Acetyl-CoA → Acetaldehyd

• Sau đó, trong môi trường pH 4 – 4,5, acetaldehyde chuyển hóa thành ethanol qua 2 thời kỳ

• Thời kỳ cảm ứng: lượng acetaldehyde còn thấp, sản phẩm chính là glycerin (sản phẩm phụ)

• Thời kỳ sinh rượu: lượng acetaldehyde đủ nhiều, sản phẩm chính là ethanol

LÊN MEN FORMIC

• Lên men formic được gọi là lên men hỗn hợp do quá trình này tạo ra rất nhiều loại acid khác nhau: acid formic, acid acetic, acid lactic, acid succinic, ethanol, glycerin, acetoin, CO2 và H2

• Ở các vi khuẩn thuộc họ Enterobacteraceae quá trình lên men formic có thể tạo ra các sản phẩm khác nhau tùy vào loài

vi khuẩn => được sử dụng để định danh loài

• Có 2 loại

• Lên men tạo hỗn hợp acid

• Lên men tạo hỗn hợp acetoin

HAI CON ĐƯỜNG LÊN MEN FORMIC

• Tạo hỗn hợp acid hữu cơ làm pH giảm dưới 4,5

• Phát hiện bằng chỉ thị methyl red

MR TEST Phát hiện lên men hỗn hợp acid

VP TEST Phát hiện lên men tạo acetoin

LÊN MEN LACTIC

• VK thuộc chi Lactobacteriaceae, phân bố nhiều trong:

• Sữa và các sản phẩm từ sữa

• Bề mặt xác thực vật đang bị phân giải

• Trong ruột và lớp màng nhầy của người và động vật

• Dựa vào đặc điểm của con đường phân giải glucose, có 2 nhóm

• Lên men lactic đồng hình: phân giải glucose theo con đường EM

• Lên men lactic dị hình: phân giải glucose theo con đường HMP

• Ứng dụng

• Chế tạo các sản phẩm lên men tốt cho sức khỏe: sữa chua, muối dưa…

• Ứng dụng các vi khuẩn lactic làm probiotic

• Công nghiệp thực phẩm và dược phẩm

• …

Lên men thực chất là quá trình vận chuyển [H] và electron từ một cơ chất này đến chất hữu cơ khác để tạo các sản

phẩm có mức độ oxy hóa khác nhau và sinh năng lượng ATP

OXY HÓA KHÔNG HOÀN TOÀN

• Oxy hóa hoàn toàn: trong điều kiện đủ oxy sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O

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

• Oxy hóa không hoàn toàn: trong điều kiện đủ oxy sản phẩm cuối là các chất hữu cơ được oxy hóa một phần: cetoacid, acid acetic, acid gluconic, acid citric, acid lactic… giống như sản phẩm của quá trình lên men

=> Lên men oxy hóa

OXY HÓA KHÔNG HOÀN TOÀN

• Ở một số loài VSV, sản phẩm oxy hóa không hoàn toàn có giá trị kinh tế:

• Acid acetic ở vi khuẩn acetic: lên men dấm

• Acid citric ở nấm mốc

• Acid L-glutamic ở Corynerbacterium glutamicum

…

SỰ THỐI RỮA

• Là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ: protein, peptid

Protein Peptid acid amin NH3 + CO2 …

• Do sản phẩm cuối cùng là amoni NH3 nên quá trình này còn được gọi là sự amon hóa (amonification)

• Trong điều kiện hiếu khí, quá trình thối rữa xảy ra đến cùng tạo CO2

• Trong điều kiện yếm khí thì sẽ tạo ra các chất trung gian

Nguyên liệu tổng hợp protein

• Ở E coli và một số Proteus có khả năng chuyển Tryptophan thành các chất có mùi hôi là indol và skatol

TÓM TẮT

• Quá trình trao đổi chất ở vi khuẩn thực hiện 2 nhiệm vụ chính: tạo năng lượng và tạo vật liệu để xây dựng tế bào

• Carbohydrate là nguồn năng lượng chính của tế bào Năng lượng của quá trình chuyển hóa được dự trữ trong ATP

• Có 3 cơ chế phân giải đường hexose: EM, HMP và ED, bổ sung cho nhau hoặc thay thế nhau

• 3 cơ chế tạo năng lượng chính ở vi sinh vật dị dưỡng – phụ thuộc vào sự tham gia của oxy

• Hô hấp hiếu khí

• Hô hấp kị khí

• Lên men

• Cơ chế hóa thẩm thấu – sự phosphoryl hóa oxy hóa là cơ chế tạo năng lượng triệt để nhất, xảy ra ở hầu hết các sinh vật có hô hấp hiếu khí

• Các sản phẩm của quá trình lên men được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dược phẩm

Câu hỏi 1

Sinh vật dự trữ năng lượng bên trong các liên kết P-O giàu năng lượng gọi là sự _, chủ yếu nằm trong phân tử

Câu hỏi 2

Vi sinh vật chuyển hóa đường hexose thành các đường ribose, heptose làm vật liệu xây dựng tế bao thông qua con đường

Câu hỏi 4

Trong điều kiện đầy đủ oxy, vi sinh vật chuyển hóa chất dinh dưỡng tạo thành các hợp chất tương tự quá trình lên men gọi là sự

Câu hỏi 5

Các vi khuẩn thuộc chi Lactobacteriaceae có khả năng lên men đường hexose tạo ra acid _