TRAO DOI CHAT o VSV

SỰ TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI SINH VẬT Trình bày được các con đường thu nhận năng lượng Phân biệt được hô hấp hiếu khí và kỵ khí Hiểu được oxy hóa không hoàn toàn Kết nối được các quá trình lên men chủ yếu

SỰ TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI

SINH VẬT

MỤC TIÊU

1 Trình bày được các con đường thu nhận năng lượng

2 Phân biệt được hô hấp hiếu khí và kỵ khí

3 Hiểu được oxy hóa không hoàn toàn

4 Kết nối được các quá trình lên men chủ yếu

vsv

ĐẠI CƯƠNG

(ATP, UTP, acetylcoenzym A)

CH2 O P

O

OH

O ~ P ~ O

OH

O P O

OH OH Lieân keát cao naêng

Phosphat Phosphat

Phosphat Ribose

2.1 Đường phân (glycosis) hay con đường Embden-Meyerhof

(EM), hay con đường fructose -1,6-diphosphat (FDP)

Enterobacteriaceae

Glucose acid pyruvic

NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

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

1 pt glucose fructose-1, 6-diphosphat

2 pt triosephotphat

Acid pyruvic

Như vậy quá trình EM tạo ra được 2 ATP

S cerevisae, sự lên men tạo sản phẩm cuối

cùng là rượu

Vi khuẩn khác lên men lactic tạo acid lactic

Động vật là aicd pyruvic và acid lactic

NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

Cần 2 ATP

Tạo ra 4 ATP

2.2 Con đường hexosomonophosphat (HMP) hay là

con đường oxy hóa pentophosphat (PP) hoặc

• chuyển gốc dioxyaceton

• 3-phospho- glyceraldehyd

glucose-6-phosphate các hợp chất 5

carbon

glucose-6-phosphate

HMP có chức năng :

- Bổ sung đường ribo cho tế bào

- Cung cấp NADP H+H+ cần cho phản ứng sinh

tổng hợp khử

Hiệu suất của HMP chỉ 1/2 EM, vì khi biến

đổi một phân tử đường glucose thành acid

pyruvic thì chỉ tạo một phân tử ATP

oxy hĩa NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

- Penicillium chrysogenum có khoảng 2/3 số lượng

glucose được chuyển hóa qua con đường HMP

- E coli thường chỉ có 1/3 glucose được chuyển

hóa qua HMP.

- S cerevisiae lên men kỵ khí glucose được chuyển

hóa theo EM, ở điều kiện thoáng khí 30% glucose

được chuyển hóa theo HMP

- Propionibacterium arabinosum chuyển hóa theo

EM

- Acetobacter suboxydans chỉ chuyển hóa theo HMP

NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

2.3 Entner-Doudoroff (ED)

Sản phẩm trung gian đặc trưng là

2-aceto-3-desoxy-6-phosphogluconic acid, nên còn gọi là

• Glucose + ATP + NADP + NAD

2CH3COCOOH + 2ATP + NADPH+H+ +

NADH+H+

Cần 1 ATP

Tạo 2 ATP NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

• - ED phổ biến ở vi khuẩn gram âm và ít

gặp ở vi khuẩn kỵ khí

• - Chuyển E coli từ môi trường glucose sang

gluconat (acid gluconic) thì sẽ tạo enzym

gluconokinase phosphoryl hóa acid gluconic

thành acid 6- P -gluconic và chuyển hóa theo

ED

- Pseudomonas phân giải glucose qua gluconat

vì có enzym glucodehydrogenase biến glucose

thành gluconat

NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

2.4 Vi sinh vật sử dụng các hợp chất glucid khác

Lactobacillus và Neisseria meningitidis có chứa enzym

maltophosphorylase, có khả năng phosphoryl hóa

disaccharid

mà không tiêu tốn ATP

Maltose + H3PO4 Glucose-1-phosphat + Glucose

NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

3 Hơ hấp

• Hiếu khí bắt buộc (Obligate Aerobes)

• Oxy phân tử là yếu tố cần thiết cho hoạt

động sống

• Oxy là chất nhận hydro

• Không có oxy vi khuẩn không tăng trưởng

không phát triển trong điều kiện hiếu khí

bình thường và mọc khó khăn trong điều

kiện yếm khí

HƠ HẤP

• Kỵ khí không bắt buộc (Faculative

• H2O2 độc, ở vi khuẩn hiếu khí tuyệt đối sẽ

bị phân hủy với sự xúc tác của catalase

hoặc peroxydase

• H2O2  H2O + O2

• VK kỵ khí không bắt buộc sống được khi

môi trường kỵ khí hay môi trường bình

thường, thu năng lượng bằng phản ứng oxy hóa hay sư lên men

HƠ HẤP

• Vi khuẩn kỵ khí bắt buộc (Obligate

Anaerobes)

• Không sử dụng oxy để biến dưỡng, thu năng lượng từ phản ứng lên men

• Không mọc được trong điều kiện hiếu khí

• Chất nhận hydro là chất vô cơ hay hữu cơ

và oxy là độc tố đối với vi khuẩn

• Không có catalase hay peroxydase để phân

hủy H2O2 vì vậy tích lũy trong tế bào

HƠ HẤP

3.1 Hô hấp hiếu khí và chu trình Acid

Tricarboxylic (Krebs)

Acid pyruvic hình thành bằng các con đường

phân giải hydratcarbon sẽ được VSV oxy hóa triệt để thông qua chu trình Krebs hay còn

gọi là chu trình acid tricarboxylic (ATC)

3.2 Hô hấp kỵ khí (yếm khí)

3.2.1 Hô hấp nitrat (amon hóa nitrat và

phản nitrat hóa)

Gồm quá trình : amon hóa nitrat và phản

nitrat hóa

HƠ HẤP

NO3  NO2  NO

-NH2OH  NH3

N2O  N2 Hô hấp nitrat

Amon hóa nitrat

Phản nitrat hóa

• Nhiều vi khuẩn sử dụng nitrat (nitrat hóa) là nguồn

thức ăn nitơ

• Khử nitrat qua nitrit đến NH 3 , sau đó NH3 sẽ tiếp tục

tham gia vào hoạt động trao đổi chất (khử đồng hóa)

• NO 3  NO 2  X  NH 2 OH  NH 4 (sử dụng)

• Sản phẩm trong nitrat hóa được dùng

• Sản phẩm trong hô hấp nitrat (khử dị hóa) không

được sử dụng trực tiếp mà thải ra ngoài tế bào vi

khuẩn

• Hệ thống enzym của hô hấp nitrat chỉ được tạo ra

trong điều kiện yếm khí hoặc thiếu oxi.

• VK phản nitrat hóa oxy hóa chất hữu cơ nhờ oxy

không khí

• Khi thiếu oxy sẽ oxy hóa các chất hữu cơ này bằng

oxy của nitrat và tiến hành khử nitrat thành nitơ phân tử Đây là nhóm kỵ khí không bắt buộc

• Khi phân giải nitrat, sẽ tích lũy K, Na, Ca tạo ra KOH,

NaOH hoặc carbonat, làm kiềm hóa môi trường

HƠ HẤP

3.2.2 Hô hấp sulfat

Khả năng đồng hóa sulfat làm nguồn thức ăn S để tổng hợp aminoacid và các enzym chứa lưu huỳnh, gọi là quá trình khử đồng hóa sulfat

Nguồn hydro là acid hữu cơ, rượu và hydro phân tử

Cơ chất hữu cơ không được oxy hóa triệt để Sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hóa thường là acid acetic

• VK tự dưỡng hóa năng khử sulfat bằng hydro phân

tử và sử dụng năng lượng sinh để đồng hóa CO2

của không khí

• Trao đổi chất ở vi khuẩn khử sulfat có tính chất oxy

hóa, nhận năng lượng từ phosphoryl hóa trong chuỗi

hô hấp

• Đây là quá trình cần năng lượng

HƠ HẤP

• Dưới tác dụng của ATP-sulfurilase, gốc

phosphat của ATP được thay bằng sulfat và tạo thành Adenosin-5'-phosphosulfat (APS)

• Oxi hóa một mol acid lactic thu được 2 mol ATP

• Khử sulfat sulfit cần 2 lk cao năng (ATP 

AMP + PPi)

• Tổng năng lượng bằng 0 Vì thế vi khuẩn

phản sulfat hóa có thể sử dụng H2 và tạo

sulfit từ sulfat và H2 mà không cần thông qua APS

• VK phản sulfat hóa gặp ở vùng bùn lầy có khí H2S, tham gia vào quá trình hình thành

quặng lưu huỳnh, mỏ dầu

HƠ HẤP

Các vi sinh vật tiến hành hô hấp hiếu khí,

nhưng sản phẩm sinh ra là những hợp chất hữu

cơ được oxy hóa một phần như : cetoacid, acid

acetic, acid gluconic, acid fumaric, acid citric, acid lactic, giống như sản phẩm của một số quá trình

lên men nên được gọi là "lên men oxy hóa"

4.1 Vi khuẩn acetic và sự tạo thành acid acetic

VSV phân giải đường hoặc rượu cho ra các loại

acid

VK acetic là VK gram âm, có chu mao như giống

Acetobacter, trên bề mặt thực vật, hiếu khí bắt

buộc ; hoặc có tiêm mao phân bố ở cực như

Acetomonas

OXY HÓA KHÔNG HOÀN TOÀN

Oxy hóa rượu thành dấm là quá trình từ từ bằng

cách khử dần rượu : từ rượu acetaldehyd acetaldehyd acid acetic.

• Vi khuẩn acetic có thể được chia thành các nhóm :

• - Nhóm Peroxydans : Acetobacter paradoxum, A peroxydans

• - Nhóm Oxydans gồm A ascendens, A rancens, A

lavanniense

• - Nhóm Mesoxydans gồm A mesoxydans, A xylinum, A

aceti

• - Nhóm Suboxydans gồm A oxidans, A melanogenum.

• Loài Acetobacter thường được sử dụng trong công

nghiệp là A aceti, A pasteuriasum, A orleanense, A

xylinum, A schutzonbachii và A suboxydans

• A suboxydans, A xylinum có khả năng oxy hóa rượu

sorbid thành đường sorbose Chúng được sử dụng trong

ngành công nghệ sản xuất vitamin C (acid ascorbic)

OXY HÓA KHÔNG HOÀN TOÀN

4.2 Nấm mốc và sự hình thành acid citric

• Hiếu khí, nhưng có thể tích lũy trong môi

trường nhiều sản phẩm chưa được oxy hóa triệt để, phổ biến nhất là acid hữu cơ

• A niger trên môi trường chứa đường và

có mặt CaCO3 sẽ tích lũy nhiều acid oxalic

• A niger có khả năng tích lũy nhiều a citric

• A niger được sử dụng trong nhà máy sản

xuất a citric với các chủng 6/5, 90, 82, ở

Trung Quốc dùng các chủng AS3, 939, 87,

330

OXY HÓA KHÔNG HOÀN TOÀN

4.3 Tạo acid L-glutamic nhờ vi khuẩn

• Corynebacterium trong môi trường 10% glucose và uré

là nguồn nitơ có thể tích lũy 50g acid L-glutamic/lit,

khoảng 0,6 mol acid glutamic/1mol glucose (hiệu suất

60%)

• EM

• glucose a.citric và a.-ketoglutaric acid

L-glutamic

• C glutamicum và Brevibacterium divaricatum cần biotin

để tổng hợp acid L-glutamic

• C glutamicum để sản xuất L-lysin

• Enterobacteriaceae và Pseudomonadaceae sản xuất

L-homoserin, L-valin, L-isoleucin, L-tryptophan, L-tyrosin

• Việt Nam dùng chủng Corynebacterium 2969 với môi

trường là rỉ đường mía là nguồn biotin và chất sinh

trưởng thay cho cao ngô trong môi trường sinh tổng

hợp a glutamic

OXY HÓA KHÔNG HOÀN TOÀN

4.4 Sự phân giải các hợp chất hữu cơ

chứa nitơ (thối rữa)

Cơ chất của sự thối rữa là protein

Do tạo ra sản phẩm là NH3, nên người ta

vẫn gọi quá trình phân giải protein là quá

trình amon hóa (amonification)

Protein polypeptid, các oligopeptid

acid amin

enzym phân giải

protein ngoại bào

enzym peptidase ngoại bào

tổng hợp protein

phân giải thành NH3, CO2và các sản phẩm trung gian khác

OXY HÓA KHÔNG HOÀN TOÀN

• Vi khuẩn : B mycoides, B mesentericus, B subtilis,, Proteus

vulgaris, Ps fluorescens, Ps aeruginosa, Ps putreficans, E coli,

Clostridium sporogenes,

• Xạ khuẩn và nấm mốc : Str griseus, Str rimosus,

Actinomyces fradiae, Asp oryzae, Asp flavus, Asp terricola, Asp

niger, Penicillium camemberti, Cephalothecium, Rhizopus, Mucor, Gliocladium roseum

• E coli, Proteus có khả năng chuyển hóa tryptophan thành

hai chất có mùi hôi là indol và skatol (mùi thối )

• Thối rữa xảy ra trong điều kiện thoáng khí thì carbon

chuyển thành CO 2

• Khi quá trình thối rữa xảy ra trong điều kiện kỵ khí thì

thường có sự tích lũy các đồng phân trung gian như

trên

• Ngoài khả năng phân giải protein, đáng chú ý nhất

là khả năng phân giải các base nitơ, ure, acid uric,

cyanamid canxi và kitin

OXY HÓA KHÔNG HOÀN TOÀN

• Lên men là quá trình phân giải hydratcarbon trong

điều kiện kỵ khí Oxy phân tử không tham gia vào

quá trình lên men

• Năng lượng sinh ra sẽ chi phí cho phản ứng khử, và tích lũy trong các liên kết cao năng

thông qua chuỗi hô hấp

• Việc tái tạo NAD được thực hiện nhờ acid pyruvic

hay các sản phẩm của nó

• Tế bào vi sinh vật kỵ khí bắt buộc không thấy các loại enzym hô hấp (cyt b, c, a, cytoxydase, peroxydase, catalase)

• Sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men ngoài

hóa hoàn toàn (rượu, acid hữu cơ, ceton, aldehyd).

LÊN MEN

• 5.1 Lên men rượu

• 5.1.1 Tác nhân lên men

• Tác nhân chính là S cerevisiae và những

loài thuộc chi Saccharomyces Khi không có

oxy phân tử thì men glucid để tạo CO2 và

ethanol theo con đường EM

• Ơû Zymomonas mobilis, sự phân giải glucose

lại theo con đường ED có tạo acid lactic

• Mucor thì glucose được phân giải chủ yếu

bằng con đường EM (70% cơ chất) và HMP

(30% cơ chất)

• Ơû vi khuẩn thuộc họ Enterobacteriaceae và Clostridium thì sản phẩm là acetaldehyd

LÊN MEN

• 5.1.2 Cơ chế chung của sự lên men rượu (EM)

• Quá trình lên men rượu gồm hai giai đoạn :

• - Tác dụng của enzym pyruvatdecarboxylase có sự tham gia của TPP, CH 3 COCOOH loại bỏ CO 2 để tạo acetaldehyd

• - Acetaldehyd bị khử bởi NADH-alcogol-dehydrogenase (dạng khử) để tạo thành ethanol

• Trong môi trường acid (pH 3-4) , lên men rượu chia làm hai

thời kỳ :

• - Thời kỳ cảm ứng : khi acetaldehyd tạo ra còn ít, chưa đủ nhận H, do đó được chuyển đến aldehyd glycerinic để tạo glycerin.

• - Thời kỳ sinh rượu : acetaldehyd sinh ra nhiều, đủ nhận H

và nồng độ rượu tăng nhanh.

• Glycerin là sản phẩm phụ Ngược lại, môi trường kiềm thì glycerin và acid acetic là chủ yếu.

• Để sản xuất rượu bia và rượu vang, người ta thường

dùng các nấm men “chìm”, gây men chậm chạp ở 5-10 o C

của S carlsberginensis hoặc nấm men “nổi” S cerevisiae

Khi làm bia rượu, cần tránh S intermedius do làm đục

rượu, bia, gây mùi khó chịu ; tránh vi khuẩn acetic biến

rượu thành CO 2 và H 2 O

LÊN MEN

5.1.3 Hiệu ứng Pasteur

• Sự kiềm hãm quá trình lên men rượu bằng

oxy được gọi là hiệu ứng Pasteur

• Trong điều kiện kỵ khí từ một mol đường cho ra

2 mol ATP ; trong điều kiện hiếu khí thì cho ra 38 mol ATP

LÊN MEN

5.2 Lên men formic (lên men acid hỗn hợp)

5.2.1 Tác nhân

Vi khuẩn thuộc họ Enterobacteriaceaae Acid

formic sau khi sinh ra sẽ tích lũy lại trong môi trường hay chuyển hóa thành H2 và CO2

(enzym formiat hydrogenliase).

Lên men acid formic là lên men acid hỗn

hợp vì quá trình này sản xuất nhiều loại

acid khác nhau : acid formic, acid acetic, acid

succimic, acid lactic, ethanol, glycerin, acetoin

(acetylmetylcarbinol), 2, 3-butadiol, CO2, và H2

LÊN MEN

5.2.2 Quá trình lên men đặc trưng cho Ecoli,

Shigella, Salmonella tạo ra các loại acid là

chủ yếu và không tạo ra butandiol (acid hỗn hợp)

• Acid pyruvic sinh ra trong quá trình đường phân EM được khử thành acid lactic nhờ enzym

lactatdehydrogenase còn một phần chuyển thành acetylphosphate (hay acetylCoA) và acid formic

• Các cofactor của phản ứng này là TPP

(ThiaminPyroPhosphat) và CoA

• CO2 và H2 được sinh ra trong quá trình phân giải

HCOOH Acetylphosphate một phần tiếp tục được

phân giải thành ethanol, còn một phần được

phân giải thành acid acetic Acid succinic cũng

được sinh ra do sự oxy hóa acetylCoA theo chu trình

Krebs

LÊN MEN

5.2.3 Loại đặc trưng cho Aerobacter, Serratia và một số loài Bacillus, sản phẩm chủ

yếu là butandiol còn các loại acid chỉ là sản phẩm thứ yếu

acid pyruvic được phân giải theo cơ chế như ở

E coli, song phần lớn acid pyruvic lại tập trung

để tạo acetylmetylcarbinol (acetoin) và sau khi được khử thì trở thành 2, 3-butandiol hoặc được oxy hóa để trở thành diacetyl

LÊN MEN

5.3 Lên men lactic

5.3.1 Tác nhân

Vi khuẩn họ Lactobactericeae, Không có

cytochrom và catalase, nhưng sống được trong điều kiện có oxy không khí vì có peroxydase phân giải H2O2 thành H2O và oxy Vì vậy người ta gọi chúng là vi khuẩn vi hiếu khí

Dựa vào sản phẩm sinh ra trong quá trình lên men glucose, người ta chia vi khuẩn lactic thành 2 nhóm : nhóm lên men lactic đồng hình (homofermentative) và nhóm lên men dị hình (heterofermentative)

LÊN MEN

5.3.2 Cơ chế

• Lên men lactic đồng hình

• Streptococcus lactis, L casei, L bulgaricus tích lũy

đến 90% acid trong các sản phẩm lên men,

phân giải glucose theo con đường EM

• Lên men đồng hình gồm hai giai đoạn :

• Giai đoạn 1 : thời kỳ sinh trưởng lũy thừa

của vi khuẩn, từ hexose tạo ra acid

phosphoglycerinic nhờ sự oxy hóa

phosphoglyceraldehyd kèm theo việc khử NAD :

C6H12O6 CH

CH2CHO

OH

O P

2 + 2H2O + 2NAD+ CH

CH2COOH

OH

O P

2 + 2NADH + H+

LÊN MEN

Giai đoạn 2 : Do NADH+H+ tăng, nên thế oxy

hóa khử của môi trường giảm xuống,

dẫn tới sự nhường hydro từ NADH+H+ cho

acid phosphoglycerinic để khử thành acid

lactic :

Một phần acid pyruvic khử carboxyl thành

acid acetic, ethanol, CO2 và aceton Vi khuẩn

sử dụng glucose, galactose, levulose và đường kép như lactose, saccharose và maltose