Để tổn tại, sinh trưởng và phát triển , tế bào vi sinh vật phải thường xuyên trao đổi vật chất và năn g lượng với môi trường bên ngoài. Một m ật chúng n h ận các chất dinh dưỡng cần th iế t từ môi trường, m ặt khác th ải ra ngoài các sản phẩm tra o đổi chất. Như th ế là giữa môi trư ờ ng xung quánh và môi trường bên tro n g tế bào tổn tại m ột hàng rào thẩm thấu, hàng rào này chính là m àng tế bào ch ất lipoprotein. N hững dẫn chứng sau đây ctí th ể chứng m inh cho kết luận ndi trê n : các hợp c h ẵt ưa lipit (lipophil) thường xâm nhập vào tế bào nhanh hơn các hợp chất kị lipit (lipophob). Hơn nữa nếu xử lí vi sinh vật bằng các dung môi của lipit như butanol (gây n ên việc tách các hợp chất phân tử th ấp khỏi tế bào) thỉ hàng rào th ẩm th ấu của vi sin h v ật cđ th ể bị hủy hoại. Rõ ràn g m àng tế bào ch ất phải ctí khả n ăng điêu chỉnh tin h vi sự ra vào của các ch ất khác nhau. T ế bào n hận và th ài các chát m ột cách chọn lọc. Sự xâm nhập của nước và các ch ất hòa ta n qua m àng tế bào ch ẵt là m ột quá trìn h động học ; tế bào vi sinh vật sổng khững bao giờ ở trạ n g thối cân bàng với các c h ất của môi trường xung quanh. Sự vận chuyển của các chất qua m àng tế bào vi sinh vật tu ân theo một tro n g hai cơ chế : khuếch tán đơn giản hay còn gọi là vận chuyển bị động và vận chuyển htía không gian đặc biệt.
Theo cơ chế khuếch tá n thụ động các phân tử đi qua m àng nhờ sự chênh lệch nổng độ (trong trư ờ ng hợp các ch ất không điện phân) hay chênh lệch điện th ế (trong trường hợp các ion) ở 2 phía của m àng. H àng loạt nghiên cứu đà khẳng định trừ nước ra rấ t ít hợp chất cd th ể qua m àng theo cơ chế ndi trên . T rái lại đa số các c h át hòa tan qua m àng do tác dụng của các cơ chế vận chuyển đặc biệt : nhữ ng phân tử vận chuyển sấp xếp tro n g m àng liên kết với các phân tư chát hòa ta n rôi chuyên chung vào bề m ặt bên tro n g của m àng : từ đây các phân tử ch ất hòa ta n được chuyển vào tế bào chất. Kiểu khuếch tá n này được gọi là khuếch tá n xúc tiến. Các phân tử protein vận chuyển (carrier protein) ndi trên gọi là protein thẵm - pecm eaza (Rickenberg, Cohen, B uttin, Monod, 1956). Bản ch ất protẹin của các pecm eaza đã được k h ản g định bởi các dẫn chứng sau đây :
- Việc tổng hợp pecm eaza thường được cảm ứng hoặc bị kiểm chế theo cùng một cách như tổng hợp m ột sổ men.
- Cloramphenicol ức chế tổng hợp protein cũng ức chế quá trìn h tổng hợp pecm eaza.
- H àng loạt protein m àng m ang tín h ch ất của pecm eaza đã được tách ra.
T ế bào vi sinh vật ctí khả năng tổng hợp một lượng lớn các pecm eaza của axit am in và h id rat cacbon. Tuy nhiên, nếu các hệ thống vận chuyển này đều được tổng hợp thường xuyên theo kiểu cấu trú c th ì tế bào sẽ hết sức phí phạm về v ật ch ất và n ang lượng. Do đó ta không lấy làm lạ là nhiéu pecm eaza được tổ n g hợp theo kiểu cảm ứng hoậc kiểm chế. Ngoài protein th ấm còn cd enzim vận chuyển.
166
Sự vận chuyển các chất nhờ pecm eaza co' th ể là thụ động (không cần năng lượng của tế bào) hoặc chủ động (cẩn năn g lượng của tế bào). Theo cơ chế vận chuyển thụ đ ộ n g ch ất hòa tan liên kết thuận nghịch vào một vị trí đậc biệt trên phân tử pecmeaza n ằ m ở bên trong m àng (có thê’ ở các lỗ của màng). Phức hợp "chất hòa ta n - pecmeaza"
được vận chuyển theo cả hai phía của m àng nhờ sự chênh lệch nổng độ của một chất nào đó, nghĩa là sự vận chuyển diễn ra theo kiểu "xuôi dòng". Sự vận chuyển thụ đ ộ n g nhờ pecm eaza đa được chứng m inh ở một số vi sinh vật.
Tuy nhiên vi sinh vật ctí khả nãng tích lũy một số chất với nổng độ cao hơn nhiểu so với nống độ bên ngoài. Chảng hạn nổng độ K+ bên tro n g một số tế bào vi sinh vật có th ể lớn hơn nổng độ bên ngoài hàng ngàn lần. Để đảm bảo độ tru n g hòa điện tế bào cũng đổng thời phải thải ra bên ngoài các ion H+ hoặc N a+. Thêm vào đó, người ta đ ã p h át hiện thấy ở các m àng vi khuẩn có hoạt tính của A T P -aza (adenozin trifo sfataz a) là m en có liên quan đến việc vận chuyển các chất. Rõ ràn g trong tế bào vi sin h vật ngoài cơ chế vận chuyển thụ động còn tổn lại cơ chế vận chuyển chủ động nhờ pecmeaza. Sự vận chuyển này được tiến hành ngược với gradien nổng độ, nghĩa là th eo kiểu "ngược dòng” ; nảng lượng tiêu thụ có lẽ do ATP (hình th àn h trong mezoxom hoặc m àng tế bào chất) cung cấp. Trong sự vận chuyển thụ động p được di đ ộng th u ận nghịch hoặc ở dạng đơn độc (P) hoặc ở dạng phức hợp với s (PS) ; hướng di chuyển của s phụ thuộc vào nồng độ của nđ ở hai phía m àng tế bào. Trong sự vận chuyển chủ động ctí ATP cung cấp năng lượng p bị chuyển th àn h dạng p b ất hoạt ở phía bên trong m àng có ái lực rấ t thấp đối với s. Sau khi s được tách khỏi phức hợp PS và được chuyển vào tế bào chất p lại được chuyển th àn h p hoạt động ở phía ngoài của m àng nhờ m ột phản ứng cung cáp năng lượng nào đó.
Cẩn nói thêm ràn g theo m ẫu ở hình trên thì cùng một pecm eaza có th ể đảm nhận cả chức phận vận chuyển thụ động lẫn chủ động (tùy theo sự có m ặt hay váng m ặt của ATP) và phàn ứng cung cấp n ăng lượng nhờ ATP diễn ra ở phía trong của màng, tuy nhiên đây mới chi giả thuyết.
Cho tới nay người ta đâ phân lập được hàng loạt protein vận chuyển trong các loài vi sinh vật. Giống như enzim, chúng có tính đậc hiệu cơ chát khác nhau. Một số có tín h đặc hiệu h ấu như tuyệt đối. Chẳng hạn pecm eaza của galactozơ ở E. coli chỉ vận chuyển galactozơ. Các pecm eaza của các đường và axit am in khác th ể hiện tính đậc hiệu yếu hơn đối với các ch ất hòa tan . Điều đáng chú ý là trong vi khuấn sự vận chuyển chủ động của hấu hết các đường phụ thuộc vào quá trìn h photphoryl hđa. Năm 1964 K undig phân lập được một hệ thống photphotransferaza từ E. coli. Thí nghiệm cùa nhiểu tác giả cho biết hệ thống này đảm nhận sự vận chuyển của hấu hết đường tro n g vi khuẩn. Hệ thống photphotransferaza bao gổm hai men (Ej và Ejj và một protein vận chuyển bền nhiệt (H Pr) cđ khới lượng phân tử thấp. Các th àn h phẩn protein của hệ th ống này đã được th u ẩn khiết và phản ứng diễn ra theo hai bước.
Trước hết Ej chuyển photphat từ photphoenolpiruvat (PEP) đến H P r : P rH + PE P — H P r - p + P iruvatE'
Sau đó E n chuyển photphat từ H P r-P đến C- 6 của đường đơn.
Ej là chung cho nhiều loại đường nhưng Ejj lại đặc hiệu cho từ n g loại. Nghỉa là một đột biến nào đđ ảnh hưởng đến việc tổng hợp Ej sẽ dẫn đến m ất khả năn g vận chuyển nhiều loại đường. T rái lại với đột biến như th ế đối với E n chỉ ảnh hưởng đến sự vận chuyển của một loại đường.
Việc phát hiện ra hệ thống photphotransferaza lần đấu tiên cung cấp cho ta một ví dụ vé môi liên quan giữa vận chuyển đường và hệ thống sản sinh nàng lượng trong tế bào.
167
cá u trúc bậc I của protein
Cáu trúc bậc II của protein
Cáu trúc bậc III của protein
Cáu trúc bậc IV của protein
Sơ đổ cáu trúc của phân tủ protein xitocrom c
169 m
170
c á u trúc phân tử ẢDN
Thức ăn hữu cơ cao phân tử
Vi khuản sản sinh enzim phân giải các thức ăn hữu cơ cao phân tủ tnlỏc khi háp thụ
171
(1) Khuếch tán đan giản
Ngoài màng
• •
Trốn màng
ô • T rong m àn g
(2) Khu íc h tán xúc tiến
Protein vận chuyển
(3) Chuyển vận nhóm
(4) Chuyển vận chủ động
C h ỉt hòa tan
Hổi phục
^ g ^ Chuyển vận
ADP+Pi • ATP 0 • #
Bốn kiẻu vận chuyển chất dinh dưỏng vào tế bào
Chú thích vé kiẻu chuyển vận nhóm : khác vói kiẻu vận chuyẻn chủ động ỏ chổ chát hòa tan triiỏc và sau quá trình chuyên vận có biến đổi kết cáu. (H Pr - heat - stable carrier protein - protein vận chuyển bén nhiệt,
PEP = photphoenolpiruvat, PA - axit piruvic)
172
Óuá trình khuếch tán xúc tién
Chú thích Nổng độ chất cẩn vận chuyẻn ngoài tế bào ò hình (a) nhỏ hơn nhiéu so vói ở hình (b), nhưng do số luợng protein vận chuyẻn tương đối ổn định do đó hiệu suát vận chuyẻn nhu nhau.
173
Sự vận chuyẻn các chất qua màng tế bào chát ỏ vi khuản E. coli FeS = Protein chứa Fe, s
FAD = Flavin adenin dinucleotit NAD = Nicotinamit adenin dinucleotit
Lactozơ
Tiên mao
NADH
Prolin
174
TRAO ĐỔI CHẤT VÀ TRAO Đổl NĂNG LƯỢNG ỏ VI SINH VẬT