Tài liệu 3/17/2010 BÀI GIẢNG VI SINH ĐẠI CƯƠNG TRAO ĐỔI CHẤT & NĂNG LƯỢNG Ở VI SINH pdf

Adenosine triphosphate ATP: hợp chất cao năng quan trọng nhất, là “tiền tệ” của năng lượng trong tế bào Liên kết cao năng giữa P và O: quá trình phosphoryl hóa tích lũy năng lượng cần th

Nguồn năng lượng:

• Là các chất dinh dưỡng được tế bào hấp thu

•Ánh sáng

• VSV sử dụng chủ yếu các chất hấp thu

từ môi trường xung quanh

Đồng hóa và Dị hóa

Adenosine triphosphate (ATP):

hợp chất cao năng quan trọng

nhất, là “tiền tệ” của năng

lượng trong tế bào

Liên kết cao năng giữa P và O:

quá trình phosphoryl hóa tích lũy

năng lượng cần thiết cho tế bào

AMP + H3PO4  ADP

ADP + H3PO4  ATP

Hợp chất giàu năng lượng:

•nucleoside triphosphate (ATP, UTP)

•Các axyl phosphate

•Các dẫn xuất của acid carbonic (acetyl-CoA…)

Adenosine triphosphate

(ATP)

3 cơ chế phosphoryl hóa để tạo ATP từ ADP:

Phosphoryl hóa mức độ cơ chất

Phosphoryl hóa oxi hóa

Phosphoryl hóa quang hóa

Phân giải carbohydrate

Hầu hết vsv sử dụng carbohydrate làm nguồn năng lượng chính

Glucose là nguồn carbohydrate phổ biến nhất cho tế bào

Đường phân

Acid pyruvic Acetyl CoA

Krebs

Electron

Acid pyruvic (hay dẫn xuất)

Các sản phẩm lên men cuối

Phân giải glucose thành

pyruvate qua 3 con

Con đường EMP (Embden-Meyerhof-Parnas)

Glucose → 2 pyruvate + 2ATP + 2NADH 2

Các chất trung gian đều ở dạng phosphoryl hóa Glucose chuyển thành pyruvate qua 10 phản ứng

Sự tạo thành ATP ở 2 phản ứng 7 và

10: phosphoryl hóa ở mức độ cơ chất

X~ P + ADP →X + ATP

Đường phân/EMP

Mỗi bước được phân giải bởi 1 enzyme đặc hiệu

PEP + ADP → pyruvate + ATP

Con đường PP (Pentose phosphate)

hay HMP (hexo-mono phosphate)

Con đường PP-giai đoạn 1

Giúp vi khuẩn chuyển hóa glucose thành pyruvate không qua con đường EMP

xảy ra đồng thời với EMP

Có thể xảy ra trong điều kiện yếm khí và hiếu khí

Con đường PP

Các VK sử dụng con đường PP gồm có:

Bacillus subtilis E.Coli Leuconostoc mesenteroides Enterococcus faecalis

Con đường PP (Pentose phosphate)

hay HMP (hexo-mono phosphate)

Con đường PP-giai đoạn 2

Cung cấp cho tế bào các tiền chất để tổng hợp acid nucleic, amino acid

Cung cấp NADPH cần cho phản ứng tổng hợp khử

Mang tính chất đồng hóa

PP cho 1ATP

Con đường PP

Glucose -> pyruvate + 3CO 2 + 6NADPH 2 +NADH 2 + ATP

Con đường ED (Entner-Doudoroff) hay KPDG(2-keto-3 deoxy-6 phosphategluconate)

Glucose → 2 pyruvate + ATP + NADH 2 +NADPH 2

Chỉ gặp ở một số vi khuẩn: Pseudomonas, Rhizobium, Azotobacter, Agrobacterium và

một số ít VK gram âm

Ngoại lệ: Enterococcus faecalis là VK gram dương ngoại lệ

Đường phân ED

EMP và PPO phổ biến ở mọi sinh vật

PP giúp cho vsv sử dụng gluconat

Các coenzyme nicotinamide adenine dinucleotide NAD +

và nicotinamide adenine dinucleotide phosphate NADP +

NAD+ và NADP+ là dẫn xuất của vitamin B niacin

NAD + VÀ NADP +

Hô hấp tế bào: quá trình tạo ATP mà trong đó các phân tử bị

oxy hóa và chất nhận điện tử cuối thường là phân tử vô cơ

Hoạt động của chuỗi hô hấp/chuỗi vận chuyển điện tử

Hô hấp

hiếu khí

Hô hấp yếm khí

Acid pyruvic Acetyl CoA

Chu trình Krebs hay TCA (tricaboxylic acid) hay citric acid

Pyruvate không thể tham gia trực tiếp vào chu trình Krebs

VSV oxi hóa pyruvate thành acetyl-CoA:

Pyruvate chuyển thành hợp chất 2-C gọi là nhóm acetyl: quá trình decarboxyl

Acetyl đính kết với CoA bằng nối cao năng = acetyl-CoA

Các đặc điểm của chu trình Krebs:

Cung cấp tiền chất cho tế bào:

•oxaloacetate (tổng hợp aspartame),

•-ketoglutarate (tổng hợp glutamate),

•và sucinyl-coA (tổng hợp nhân hem cấu trúc của vitB12, clorophyll…)

Oxi hóa acetate thành CO2 và giải phóng H2

Các coenzyme bị khử như NADH và FADH2 là những sản phẩm quan

trọng của chu trình Krebs

34 ATP

Chuỗi hô hấp và quá trình phosphoryl hóa oxi hóa

Các phân tử vận chuyển điện tử:

Flavoprotein: protein chứa flavin, coenzyme dẫn xuất của riboflavin

FMN (flavin mononucleotide)

Cytochrome: protein có chứa nhân heme

Cyt b, cyt c1, cyt c, cyt a, cyt a3

Ubiquinone: coenzyme Q, các chất vận chuyển nhỏ phi protein

Các chuỗi vận chuyển điện tử ở vi khuẩn khá đa dạng

CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐiỆN TỬ

Các enzyme vận chuyển electron và hydro

Các dehydrogenase và hệ thống vận chuyển

CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐiỆN TỬ

Chuỗi vận chuyển điện tử ở ti thể của tế bào nhân thực

Q chuyển e

cho cytb, cytc1, cyta, cyta3

Cyt a3

chuyển e cho O2

1/2O 2 + 2H + =H 2 0

H + và electron tách ra từ cơ chất tham gia vào chuỗi hô hấp

Năng lượng thoát ra được chuyển thành ATP

Thành phần chuỗi hô hấp sắp xếp theo thế oxi hóa khử bắt đầu với NAD + (thế âm nhất)

CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐiỆN TỬ

Hệ thống hô hấp hiếu khí của E.coli

CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐiỆN TỬ

Sự tạo thành 38 ATP đúng với ti thể và một số vi khuẩn

Vi khuẩn hiếu khí tổng hợp ATP nhờ chuỗi hô hấp (vận

chuyển điện tử) và ATP synthase

Đường phân Màng tế bào chất Tế bào chất

TCA Màng tế bào chất Cơ chất ti thể

Vận chuyển điện tử Màng plasma Nội màng ti thể

Vị trí của các enzyme hô hấp

CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐiỆN TỬ

Rotenone gặp trong hạt củ đậu (Pachishizus erosus) và cây dâu mật

(Derris elliptica) được sử dụng làm chất trừ sâu

Các chất kháng sinh: piercidin cạnh tranh với coenzyme Q; antimycin A

chặn chuỗi vận chuyển electron giữa cyt b và c; cyanide ngưng sự

chuyển electron giữa cyt a và O2

Một số chất độc tác dụng lên chuỗi hô hấp

CHUỖI VẬN CHUYỂN ĐiỆN TỬ

ATP synthase

Peter Michell, 1961

F1F0 ATPase ở bề mặt trong của màng plasma ở vi khuẩn

F0 tham gia chuyển động của proton qua màng: quá trình

phosphoryl hóa oxi hóa

F1 là một phức hợp có 3 tiểu phần

PHOSPHORYL HÓA OXI HÓA

Quang hợp Vận chuyển điện tử

Động lực proton

ADP + Pi  ATP Di động tiên

mao vi khuẩn Vận chuyển chủ động

Vận chuyển proton do hô hấp làm xuất hiện gradient điện hóa giữa 2 phía màng

Thế proton là động lực của sự phosphoryl hóa = sự tạo thành ATP

ATP thu được từ hô hấp hiếu khí ở tế bào

Nguồn sinh ATP ATP thu

Acetyl CoA sản sinh 2 NADH 6ATP

Phosphoryl hóa oxi hóa trong chuỗi vận chuyển điện tử

NADH2 đến O2 có 3 bước chuyển

e liên quan đến tạo thành ATP

Hầu hết vi khuẩn có P/O = 2

Hô hấp glucose hiếu khí ở

E.coli cho 26 ATP (P/O = 1.3)

Chuỗi vận chuyển điện tử ở vi

khuẩn có tỉ lệ P/O thấp hơn hệ

thống nhân thật

HỆ SỐ P/O

HÔ HẤP KỊ KHÍ

Chất nhận điện tử cuối: NO3-, SO42-, CO2, một số kim loại và chất hữu cơ

Nhiều vi khuẩn có chuỗi vận chuyển điện tử có thể hoạt động với các chất

nhận điện tử cuối ngoại sinh ngoài O2

Pseudomonas và Bacillus: sử dụng ion

nitrate làm chất nhận điện tử cuối

Desulfovibrio: sử dụng sulfate SO42- tạo thành S2- hay H2S

Hô hấp kị khí bắt buộc

Hô hấp kị khí tùy ý

Khả năng tạo ATP của hô hấp kị khí so với hô hấp hiếu khí?

Đường phân

Acid pyruvic Acetyl CoA

Krebs

Electron

Acid pyruvic (hay dẫn xuất)

Các sản phẩm lên men cuối

Phân giải glucose thành

pyruvate qua 3 con

LÊN MEN

Đặc điểm của quá trình lên men:

Giải phóng năng lượng từ đường và các phân tử hữu cơ khác

(amino acid, các acid hữu cơ, purine và pyrimidine)

Không cần oxy (có thể xảy ra khi có oxy)

Không sử dụng chu trình Krebs và chuỗi vận chuyển điện tử

Sử dụng phân tử hữu cơ làm chất nhận điện tử cuối

Chỉ sản sinh một ít ATP (1-2 ATP cho mỗi phân tử vật liệu khởi đầu)

Lên men là quá trình sinh năng lượng từ sự oxi hóa-khử chất hữu cơ

trong điều kiện kị khí

Năng lượng sinh ra trong quá trình lên men so với hô hấp hiếu khí?

Phân biệt hô hấp yếm khí và lên men?

Acid propionic, acid acetic, CO2

VÀ H2 Acid butyric, butanol, acetone, isopropyl alcohol, và CO2 Ethanol, acid lactic, acid succinic, acid acetic, CO2 và H2 Ethanol, acid lactic, acid formic, butanediol, acetoin, CO2 và H2

Cơ chế chung của một số quá trình

lên men quan trọng

NAD+ được tái tạo nhờ tác

dụng với acid pyruvic hoặc các

Vật liệu khởi đầu

VSV

malt

Saccharomyces cerevisae

hoa quả

Saccharomyces cerevisae var

Điều kiện sinh trưởng

Chất nhận điện tử cuối

Loại phosphoryl hóa để tạo ATP

ATP sản sinh / mol glucose

Hô hấp hiếu

khí

chất và oxi hóa

36 (eukaryote)

38 (prokaryote)

Hô hấp yếm

khí

chất vô cơ (NO3-, SO42-,

CO32-)

Mức độ cơ chất và oxi hóa

Biến động (nhỏ hơn 38, lớn hơn 2)

yếm khí

Phân tử hữu

cơ

Mức độ cơ chất

2

LÊN MEN

LÊN MEN ETYLIC

Saccharomyces cerevisae

Lên men etylic nhờ nấm men:

chế tạo rượu, bia, cồn và glycerin

LÊN MEN LACTIC

Lên men lactic là quá trình chuyển hóa kị khí đường với sự tích lũy acid lactic trong môi trường

• tế bào hình que, hình cầu

Các kiểu lên men lactic

Lên men lactic đồng hình (homolactic)

Lên men lactic dị hình (heterolactic)

•Sản phẩm cuối chỉ có acid lactic

•Có ý nghĩa về mặt công nghiệp

•Sản phẩm cuối đa dạng: acid lactic, ethanol, acid acetic và CO2

•Phân giải glucose theo con đường EMP

•Phân giải glucose theo con đường

PP (do thiêu enzyme aldolase và triophosphat isomerase)

LÊN MEN LACTIC

Vi khuẩn lactic được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp chế biến

sữa, sản xuất acid lactic, chế biến rau quả và thức ăn gia súc

Ủ chua thức ăn gia súc:

•Giữ lâu trạng thái tươi

•Không hao hụt chất dinh dưỡng

•Giàu vitamin hơn sau ủ

• Nâng cao chất lượng ủ: cấy giống

L plantarum

LÊN MEN PROPIONIC

LÊN MEN FORMIC

Enterobacteriaceae

Vi khuẩn Enterobacteriaceae (trực khuẩn đường ruột)

có khả năng lên men đường tạo thành acid formic

•Trực khuẩn Gram âm

VP Đỏ metyl

Đồng hóa citrat

Phân giải ure

Sinh H2S

Sinh desaminase phenylnalanin

PHÂN GiẢI LIPID Lipid

Glycerol Các acid béo

PHÂN GiẢI PROTEIN

•VSV tiết ra các enzyme phân giải protein ngoại bào

•Chuyển hóa protein thành các HC có phân tử nhỏ hơn

•Các HC này phân hủy thành acid amin nhờ petidase

Các VSV tham gia quá trình amon hóa:

Vi khuẩn: B mycoides, B subtilis, B cereus, Proteus vulgaris, P fluorescens, E coli, C

sporogenes v.v…

Xạ khuẩn và nấm: Asp oryzae, A flavus, A

niger, Penicillium camemberti, Rhizopus spp., Mucor spp

PHÂN GiẢI PROTEIN

Protein Polypeptide Oligopeptide Acid amin

Các acid amin nội bào

Sinh vật có khả năng quang hợp:

Sinh vật dinh dưỡng quang năng

Có sản sinh O2 Không sản sinh O2

Tảo, cây xanh VK lam Vi khuẩn quang hợp

Rhodospirillales Sắc tố quang hợp

VK lưu huỳnh VK lưu huỳnh VK phi lưu huỳnh

Tự dưỡng quang năng Dị dưỡng quang năng

Quang hợp ở vi khuẩn

Sử dụng các hợp chất hữu cơ (đường, rượu, acid hữu cơ, aa)

•Làm chất cho điện tử: đồng hóa CO2

•Làm nguồn carbon: cho năng lượng

Cấu trúc khuẩn lục Bchl :

•Vòng pocphiril do 4 nhân pirol liên kết với nhau

•Lõi khuẩn lục là Mg

•Chất diệp lục a khác với chất khuẩn lục a,b,c,d,e ở 7 gốc R

Vi khuẩn tự dưỡng quang năng: một số các sắc tố thuộc loại carotenoid

Khuẩn lục tố

Carotenoid ở vi khuẩn không giống với carotenoid ở tảo hoặc thực vật

Quang hợp ở vi khuẩn

Cơ chế quang hợp

1 Giai đoạn quang lý:

Năng lượng của ánh sáng được chuyển sang năng lượng của

điện tử trong các phân tử Bacteriochlorophyll

2 Giai đoạn quang hóa:

Chuyển hoá năng lượng của các điện tử đã được làm giàu bởi nãng

lượng ánh sáng thành năng lượng chứa đựng trong các hợp chất

giàu năng lượng là ATP và NADH2

Giai đoạn quang hoá xảy ra tại 2 tâm quang hợp bởi 2 phản ứng quang

hoá mà phần chính là quang phân ly nước và phosphoryl hoá

ATP và NADH2 được vi khuẩn sử dụng để tổng hợp các chất hữu cơ

Quang hợp ở vi khuẩn

Tảo, cây xanh, vi khuẩn tự dưỡng quang năng đồng hóa CO2

theo chu trình Calvin Benson.

Con đường đồng hoá CO2 phổ biến nhất

Chu trình xảy ra qua 3 giai đoạn chính:

+ Tiếp nhận CO2 : Ribulose 1,5-di-P tiếp nhận CO2 sau đó biến đổi thành

2 phân tử glyceraldehyde-3-P

+ AlPG sẽ tái tạo lại Ribulose 1,5dP đồng thời tạo nên sản phẩm của chu

trình là C6H12O6

Quang hợp ở vi khuẩn

Tất cả sinh vật Nguồn năng lượng

HC hữu cơ HC vô cơ

Lên men được:

vd:Streptococcus

Chuỗi vc điện

tử: Clostridium

VK phi lưu huỳnh

Sử dụng H20 để khử CO2?

Có

Quang hợp

có O 2 (cây xanh, tảo, vk lam)

Không

VK quang hợp không oxy

Nguồn hữu cơ

hợp chất hữu cơ CO2