.VI SINHNG D NGDinh dư ng c a vi sinh v tYÊU C U DINH DƯ NG C A VI SINH V T 13.1.1. Thành potx

VI SINH ỨNG DỤNG Dinh dưỡng vi sinh vật YÊU CẦU DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT 13.1.1 Thành phần hoá học tế bào vi sinh vật Cơ sở vật chất cấu tạo nên tế bào vi sinh vật nguyên tố hoá học Căn vào mức độ yêu cầu vi sinh vật nguyên tố mà người ta chia thành nguyên tố đa lượng nguyên tố vi lượng Các nguyên tố chủ yếu bao gồm: C, H, O, N, P, S, K, Mg, Ca Fe Trong số có loại chủ yếu (chiếm đến 97% trọng lượng khô tế bào vi sinh vật), C, H, O, N, P S Các nguyên tố vi lượng thường Zn, Mn, Na, Cl, Mo, Se, Co, Cu, W, Br B Tỷ lệ nguyên tố hoá học tham gia cấu tạo tế bào vi sinh vật không giống nhóm vi sinh vật khác Ví dụ nấm men, nấm sợi vi khuẩn có lượng chứa trung bình nguyên tố chủ yếu không giống (bảng 13.1): Bảng 13.1: Lượng chứa trung bình loại nguyên tố chủ yếu tế bào số nhóm vi sinh vật (% trọng lượng khô) Nguyên tố Vi khuẩn Nấm men Nấm sợi C ~50 ~50 ~48 H ~8 ~7 ~7 O ~20 ~31 ~40 N ~15 ~12 ~5 P ~3 - - S ~1 - - Theo tài liệu Tempest (1969), Pirt (1975) Herbert (1976) thành phần trung bình nguyên tố tạo nên tế bào vi sinh vật nói chung sau: Bảng 13.2: Thành phần nguyên tố cấu tạo nên sinh khối tế bào Nguyên tố % trọng lượng khơ* Các nguồn dinh dưỡng điển hình sử dụng cho sinh trưởng VSV Trung bình Biên độ môi trường C 50 45-58 CO2, hợp chất hữu O 21 18-31 H20, 02, hợp chất hữu N 12 5-17 NH3, NO3-, hợp chất hữu chứa H 6-8 N P 1.2-10 Nước, hợp chất hữu S 0.3-1.3 Phosphate hợp chất chứa P K 0.2-5 SO4-2, H2S, hợp chất chứa S Mg 0.5 0.1-1.1 K+ (có thể thay Rb+) Ca 0.02-2.0 Mg2+ Cl 0.5 Fe 0.5 Cl- Na Fe3+, Fe2+ phức chất Fe 0.5 Na+ Những nguyên tố khác,Mo, 0.01-5.0 Ca2+ Lấy từ ion vô khác Ni, Co, Mn, Zn, *Các tế bào bao gồm 70% trọng lượng nước 30% nguyên liệu khô khác Mức trung bình tính theo sinh trưởng vi khuẩn Gr(-) điều kiện dư thừa chất dinh dưỡng nuôi cấy theo mẻ Vi khuẩn lưu huỳnh (sulfur bacteria), vi khuẩn sắt (iron bacteria) vi khuẩn đại dương (marine bacteria) có lượng chứa nguyên tố S, Fe, Na, Cl nhiều so với nhóm vi khuẩn khác Tảo Silic (diatom) có chứa lượng SiO2 cao thành tế bào Thành phần nguyên tố hố học cịn thay đổi phạm vi định tuỳ thuộc vào tuổi nuôi cấy điều kiện nuôi cấy Khi nuôi cấy môi trường có nguồn N phong phú lượng chứa N tế bào cao so với nuôi cấy môi trường nghèo nguồn N Các nguyên tố hoá học chủ yếu tồn tế bào vi sinh vật dạng chất hữu cơ, chất vô nước Chất hữu thường bao gồm protein, carbon hydrat, lipid, acid nucleic, vitamin sản phẩm phân giải chúng chất trao đổi chất Để phân tích thành phần hữu tế bào thường sử dụng hai phương pháp: là, dùng phương pháp hoá học để trực tiếp chiết rút thành phần hữu tế bào, sau tiến hành phân tích định tính định lượng Hai là, phá thành tế bào, thu nhận thành phần kết cấu hiển vi phân tích thành phần hố học kết cấu Chất vơ thường đứng riêng rẽ dạng muối vô kết hợp với chất hữu Khi phân tích thành phần vơ tế bào người ta thường phân tích tro sau nung tế bào nhiệt độ 5500 C, chất vô thu dạng oxit vô gọi thành phần tro Dùng phương pháp phân tích vơ định tính hay định lượng nguyên tố vô Bảng 13.3:Thành phần hóa học tế bào vi khuẩn (theo F.C.Neidhardt et al.,1996) Phân tử khô (1) / tế bào % khối lượng Số phân tử Số loại phân tử - Nước - - Các đại phân tử 96 khoảng 2500 +Protein 55 24 609 802 khoảng 1850 +Polysaccharide 350 000 (2) +Lipid 9,1 300 (3) +ADN 3,1 22 000 000 +ARN 20,5 2,1 khoảng 660 3,0 255 500 khoảng 350 - Các đơn phân tử +Aminoacid tiền thể 0,5 khoảng 100 +Đường tiền thể khoảng 50 +Nucleotid tiền thể 0,5 khoảng 200 - Các ion vô khoảng 18 Tổng cộng 100 Chú thích: (1) -Khối lượng khơ tế bào vi khuần Escherichia coli sinh trưởng khoảng 2.8 x 10-13g (2) - Giả thiết Peptidoglycan Glycogen thành phần chủ yếu (3) - Tế bào chứa vài loại phospholipid, tính đa dạng thành phần acid béo chi vi khuẩn khác ảnh hưởng điều kiện sinh trưởng mà có nhiều hình thức tồn loại phospholipid Nước thành phần thiếu để trì hoạt động sống bình thường tế bào Nước thường chiếm đến 70-90% trọng lượng tế bào Độ chênh lệch trọng lượng tươi trọng lượng khơ lượng nước tế bào, thường biểu thị tỷ lệ % tính theo cơng thức sau đây: (Trọng lượng tươi - Trọng lượng khô) / Trọng lượng tươi x 100% Đơn vị trọng lượng tế bào dịch nuôi cấy thường biểu thị đơn vị g/l hay mg/ml Phương pháp nung khô tế bào nhiệt độ 5500C thường làm phân giải số hợp chất tế bào tính trọng lượng khơ tế bào nên dùng phương pháp sấy khô 1050C hay làm khô nhiệt độ không cao chân không, làm khô nhanh nhờ tia hồng ngoại 13.1.2 Các chất dinh dưỡng chức sinh lý Vi sinh vật chủ yếu thu nhận chất dinh dưỡng từ mơi trường bên ngồi Căn vào chức sinh lý khác tế bào mà người ta thường chia chất dinh dưỡng thành nhóm lớn: 1) Nguồn carbon (source of carbon) Là nguồn vật chất cung cấp C trình sinh trưởng vi sinh vật Trong tế bào nguồn C trải qua loạt q trình biến hố hố học phức tạp biến thành vật chất thân tế bào sản phẩm trao đổi chất C chiếm đến khoảng nửa trọng lượng khô tế bào Đồng thời hầu hết nguồn C q trình phản ứng sinh hố cịn sinh tế bào nguồn lượng cần thiết cho hoạt động sống vi sinh vật Một số vi sinh vật dùng CO2 làm nguồn C hay chủ yếu để sinh trưởng, nguồn C khơng phải nguồn sinh lượng Vi sinh vật sử dụng cách chọn lọc nguồn C Đường nói chung nguồn C nguồn lượng tốt cho vi sinh vật Nhưng tuỳ loại đường mà vi sinh vật có khả sử dụng khác Ví dụ mơi trường chứa glucose galactose vi khuẩn Escherichia coli sử dụng trước glucose (gọi nguồn C tốc hiệu) galactose sử dụng sau (gọi nguồn C trì hiệu) Hiện sở lên men công nghiệp người ta sử dụng nguồn C chủ yếu glucose, saccharose, rỉ đường (phụ phẩm nhà máy đường) tinh bột (bột ngô, bột khoai sắn ), cám gạo, nguồn cellulose tự nhiên hay dịch thuỷ phân cellulose Năng lực đồng hoá nguồn C vi sinh vật khác không giống Có lồi có khả sử dụng rộng rãi nhiều nguồn C khác nhau, có lồi khả chọn lọc Chẳng hạn vi khuẩn Pseudomonas đồng hố tới 90 loại hợp chất C, vi khuẩn thuộc nhóm dinh dưỡng methyl (methylotrophs) đồng hố hợp chất 1C methanol, methane Nguồn C chủ yếu vi sinh vật sử dụng gồm có đường, acid hữu cơ, rượu, lipid, hydrocarbon, CO2, carbonat (Bảng 13.4) Bảng 13.4: Nguồn C vi sinh vật sử dụng Nguồn C Các dạng hợp chất Đường glucose, fructose, maltose, saccharose, tinh bột, galactose, lactose, mannite, cellobiose, cellulose, hemicellulose, chitin Acid hữu acid lactic, acid citric, acid fumaric, acid béo bậc cao, acid béo bậc thấp, aminoacid Rượu ethanol Lipid lipid, phospholipid Hydrocarbon khí thiên nhiên, dầu thơ, dầu paraffin Carbonate NaHCO3, CaCO3, đá phấn Các nguồn C Hợp chất nhóm thơm, cyanide, protein, pepton, acid khác nucleic Hình 13.1: Sản lượng sinh trưởng tối ưu vi sinh vật dị dưỡng sử dụng nguồn C khác Nguồn carbon thường sử dụng công nghiệp lên men rỉ đường (molasses) Sự khác rỉ đường mía rỉ đường củ cải thấy rõ bảng 13.5 Bảng 13.5: Thành phần hóa học rỉ đường củ cải rỉ đường mía Thành phần Tỷ lệ Rỉ đường củ cải Rỉ đường mía Đường tổng số % 48-52 48-56 Chất hữu đường % 2-17 9-12 Protein (N x 6,25) % 6-10 2-4 K % 2-7 1,5-5,0 Ca % 0,1-0,5 0,4-0,8 Mg % khoảng 0,09 khoảng 0,06 P % 0,02-0,07 0,6-2,0 Biotin mg/kg 0,02-0,15 1,0-3,0 Acid pantoteic mg/kg 50-110 15-55 Inositol mg/kg 5000-8000 2500-6000 Tiamin mg/kg khoảng 1,3 khoảng 1,8 Tỷ lệ nguyên tố hợp chất cao phân tử vi sinh vật thấy rõ bảng sau đây: Bảng 13.6: Tỷ lệ nguyên tố cao phân tử tế bào vi sinh vật Thành phần % trọng lượng khô Trung %C %H %O %N %S %P Biên độ dao động bình Protein 55 15c-75 53 23 16 - RNAd 21 5c –30e 36 34 17 - 10 DNAd 1c –5f 36 34 17 - 10 peptidoglycan 0g –20h 47 40 - - Phospholipit 0i-15 67 19 - Lipopolysaccharide 0h-4j 55 10 30 - Lipit trung tính - 0-45k 77 12 11 - - - Acid Teichoic - 0l-5d 28 52 - - 15 Glycogen 0-50k 28 49 - - - PHB - 0-80k 45 37 - - - PHA (C8)m - 0-60k 56 23 - - - Polyphosphatd - 0-20n 68 - 61 - - 39 Cyanophycino - 0-10 - 15 25 27 - - a Theo Herbert (1976) Các thông số thu nhận từ vi sinh vật khác nhau, khơng điển hình cho nhóm b Ở E coli (trong pha sinh trưởng log) Theo Neidhardt et al (1990) c Các tế bào có nguồn dự trữ C d Bao gồm cao phân tử ARN, ADN, polyphosphate số thành phần thành tế bào e Tại mức độ có tỷ lệ sinh trưởng cao f Các tế bào sinh trưởng chậm g Các loài ký sinh khơng có thành tế bào h Vi khuẩn Gram(+) i Các chủng thay nguồn phospholipid chất tương tự chứa P tự do, điều kiện hạn chế nguồn P j Vi khuẩn Gram(-) k Các tế bào điều kiện hạn chế nguồn N l Hạn chế nguồn P m PHA (polyhydroxyaldehyde) chứa 3-hydroxyoctanoic acid n Một số nấm men vi khuẩn o Một số vi khuẩn lam có nguồn dự trữ N cyanophycin [(asp-arg)].n *PHB= Poly- β- hydroxy butyrate 2) Nguồn N (source of nitrogen) Nguồn N nguồn cung cấp N cho vi sinh vật để tổng hợp nên hợp chất chứa N tế bào Thường không nguồn lượng, số vi sinh vật tự dưỡng (thuộc nhóm ammon hố-ammonification, nhóm nitrate hốnitrification) dùng muối ammone, muối nitrate làm nguồn lượng Trong điều Corynebacterium diphtheriae Ngồi loại mơi trường kể cịn có loại mơi trường đặc biệt khác Đó Mơi trường phân tích (assay medium) dùng để định lượng vitamin, chất kháng sinh Đó Mơi trường khử (reduced medium) dùng để ni cấy vi sinh vật kỵ khí Đó Mơi trường ni cấy mơ (Tissue-culture medium) chun phục vụ cho việc nuôi cấy tế bào mô động, thực vật, dùng để nuôi cấy tế bào nhóm vi sinh vật chuyên ký sinh virút, Chlamydia, Rickettsia, Spirochete Một số virút Rickettsia không phát triển môi trường nhân tạo mà phải nuôi cấy phôi gà, tế bào thận khỉ, thể động vật thực nghiệm Dưới vài gợi ý quan trọng chuẩn bị môi trường nuôi cấy Rất nhiều đường dễ bị phân giải trình khử trùng pH kiềm (đặc biệt với có mặt photsphate peptone), làm cho màu môi trường chuyển thành màu nâu sản phẩm tạo thành ức chế sinh trưởng vi sinh vật Để tránh tình trạng đó, người ta khử trùng môi trường pH acid nhẹ khử trùng riêng biệt đường Tất kim loại vi lượng dễ dàng tạo nên muối photphat không tan kết tủa môi trường nuôi cấy Điều tránh cách bổ sung thêm nhân tố có lực với kim loại (metal-chelating agents) EDTA (Ethylene Diamine Tetraacetic Acid) hay NTA (Nitrilotriacetic acid) axit cacboxylic citrate hay tartrate Việc thêm nhân tố có hiệu hai mặt Một mặt, ngăn chặn kết tủa kim loại vi lượng, mặt khác hoạt động giống bể chứa kim loại đó, cách làm giảm tính độc nhờ giảm nồng độ tự chúng (tới mức mà vi sinh vật sử dụng được) Ở môi trường pH >7, kim loại kiềm thổ Ca Mg (dưới dạng vi lượng) dễ dàng kết tủa với diện photphate (hay có mặt ion carbonate sử dụng mơi trường đệm bicarbonat, hay có sẵn nước cứng) tạo nên hàm lượng muối không tan cao Những kết tủa đơi khó thấy mắt thường, đặc biệt bình ni cấy lắc thể tích nhỏ mơi trường Để tránh điều này, mơi trường khử trùng pH axit (pH điều chỉnh sau), hay muối photphat khử trùng riêng rẽ với môi trường kết hợp sau làm nguội Cần ý đa số môi trường cổ điển sử dụng trước năm 60 kỷ trước thường không bao gồm nguyên tố vi lượng Sự thêm vào thường không cần thiết nguyên tố vi lượng có chứa sẵn muối khơng tinh sử dụng để chuẩn bị cho môi trường Môi trường chuẩn bị với muối tinh cao nên không đáng ngạc nhiên thất bại việc tạo nhiều sinh khối sản phẩm không bổ sung nguyên tố vi lượng vào mơi trường Một ví dụ điển hình mơi trường cổ điển M9 sử dụng rộng rãi cho sinh trưởng E.coli nghiên cứu di truyền Môi trường không cung cấp thuận lợi nguyên tố vi lượng cho phát triển E.coli vài hệ, sau chúng sinh truởng chậm lại cuối ngừng lại SỰ HẤP THU CÁC CHẤT DINH DƯỠNG Ở VI SINH VẬT Để tồn tại, sinh trưởng phát triển, tế bào vi sinh vật phải thường xuyên trao đổi vật chất lượng với môi trường bên Một mặt chúng tiếp nhận chất dinh dưỡng từ môi trường, mặt khác chúng thải môi trường số sản phẩm trao đổi chất Tế bào vi sinh vật sử dụng chất dinh dưỡng việc hấp thu chúng Cơ chế hấp thu có tính chun hóa, nói cách khác chúng hấp thu chất cần thiết, việc hấp thu chất không sử dụng bất lợi tế bào Vi sinh vật thường sống mơi trường nghèo chất dinh dưỡng, chúng phải có lực vận chuyển chất dinh dưỡng từ mơi trường có nồng độ thấp vào mơi trường có nồng độ cao bên tế bào, tức ngược lại với gradient nồng độ Như ngồi tế bào có hàng rào thẩm thấu, màng sinh chất có tính thẩm thấu chọn lọc Chúng cho phép chất dinh dưỡng xâm nhập vào tế bào cản trở chất khác Do tính đa dạng phức tạp chất dinh dưỡng nên vi sinh vật có nhiều phương thức khác để vận chuyển chất dinh dưỡng Quan trọng cách Khuếch tán xúc tiến (Facilitated diffusion), cách Vận chuyển chủ động (Active transport) cách Chuyển vị nhóm (Group translocation) Ở vi sinh vật có nhân thật khơng thấy có cách Chuyển vị nhóm có cách sử dụng trình Nhập bào (Endocytosis).Cấu tạo màng sinh chất biểu thị qua hình 13.6 sau đây: Hình 13.6: Cấu trúc màng sinh chất (Theo sách Prescott, Harley Klein) 13.4.1 Sự khuếch tán xúc tiến (Facilitated Diffusion) Một số chất, glycerol, qua màng tế bào chất theo phương thức Khuyếch tán bị động (Passive diffusion) Khuyếch tán bị động cịn gọi tắt Khuyếch tán, việc chất dinh đưỡng chuyển từ chỗ có nồng độ cao đến chỗ có nồng độ thấp Khuyếch tán bị động muốn làm cho tế bào hấp thụ có hiệu số chất dinh dưỡng cần có nồng độ chất bên tế bào cao bên Tốc độ hấp thu tùy theo lúc tế bào tăng lượng hấp thu chất mà giảm xuống Trừ phi loại chất dinh dưỡng sau xâm nhập tế bào sử dụng không làm nâng cao nồng độ chất tế bào Chỉ có nước (H2O), O2 CO2, phân tử nhỏ thường vận chuyển qua màng phương thức khuếch bị động Các phân tử tương đối lớn hơn, ion chất có tính cực (polar substances) khó qua màng sinh chất băng phương thức khuếch tán bị động Hình 13.7: Khuếch tán bị động (đường thẳng) khuếch tán xúc tiến (đường cong) (Theo sách Prescott, Harley Klein) Protein mang (carrier protein) gọi enzim permease loại protein gắn màng Với hỗ trợ permease nâng cao nhiều tốc độ khuếch tán qua màng có tính thẩm thấu chọn lọc Phương thức vận chuyển qua màng với hỗ trợ permease gọi khuếch tán xúc tiến (facilitated diffusion) Tốc độ trình khuếch tán xúc tiến tăng lên chênh lệch nồng độ chất dinh dưỡng tế bào tăng lên Khi nồng độ chất dinh dưỡng tương đối thấp khn khổ tăng lên cao so với phương thức khuếch tán bị động Lúc gradient nồng độ đạt tới trị số định dẫn đến hiệu ứng bão hòa Sự tham gia Permease làm dẫn đến hiệu ứng bão hịa (hình 13.7) Đáng ý là, lúc permease bị bão hòa, khuếch tán xúc tiến không tăng lên tăng mức chênh lệch chất dinh dưỡng tế bào Quan hệ tốc độ khuếch tán xúc tiến gradient nồng độ chất dinh dưỡng tưong tự mối quan hệ enzyme chất, khác hẳn với đường biểu diễn thẳng phản ánh khuếch tán bị động Ngoài giống permease enzyme cịn chỗ có tính chun chất vận chuyển, loại permease vận chuyển cách chọn lọc số chất tương thích Dù có tham gia permease khuếch tán xúc tiến phương thức vận chuyển khuếch tán Việc vận chuyển phải dựa vào chênh lệch nồng độ chất dinh dưỡng màng Khi chênh lệch nồng độ vận chuyển dừng lại Quá trình không cần tới lượng trao đổi chất (metabolic energy) tế bào Gradient nồng độ trì tế bào chuyển biến chất dinh dưỡng vận chuyển thành hợp chất khác chuyển chất dinh dưỡng tới vị trí khác màng (ở sinh vật có nhân thật) Thật thú vị thấy số permease liên quan đến protein chủ chốt thấu kính mắt động vật có vú, protein thuộc họ MIP Trong vi khuẩn loại kênh MIP phân bố rộng rãi aquaporins vận chuyển nước glycerol facilitators (các nhân tố xúc tiến glycerol) vận chuyển glycerol Mặc dầu có nhiều nghiên cứu chế khuếch tán xúc tiến trình chưa hiểu biết cách đầy đủ Hình phức hợp permease xuyên ngang qua màng tế bào Sau chất dinh dưỡng kết gắn bên ngồi màng, cấu hình permease phát sinh biến hóa để phóng thích chất dinh dưỡng vào bên màng Permease sau lại hồi phục lại cấu hình ban đầu sẵn sàng để đón nhận phân tử dinh dưỡng khác bên ngồi màng Kết trình phân tử khơng tan lipid vào tế bào đáp lại gradient nồng độ Nên nhớ rằng, chế đảo ngược gradient nồng độ, nồng độ số vật chất tế bào cao bên ngồi thơng qua phương thức mà chuyển vận tế bào Vì thơng qua hoạt động trao đổi chất mà tế bào tiêu hao nhanh chất dinh dưỡng đưa vào tế bào nên khơng có chuyện chất dinh dưỡng bị đưa ngược ngồi (hình 13.8) Ở sinh vật nhân nguyên thủy trình khuếch tán xúc tiến phương thức vận chuyển chủ yếu nồng độ chất dinh dưỡng bên ngồi tế bào thường thấp thực trình khuếch tán xúc tiến để hấp thụ chất dinh dưỡng Glycerol vận chuyển trình khuếch tán xúc tiến E.coli, Salmonella typhimurum, Pseudomonas, Bacillus nhiều vi khuẩn khác Sự khuếch tán xúc tiến thường gặp tế bào sinh vật nhân thực, chúng dùng phương thức vận chuyển để chuyển vận loại đường amino acid vào tế bào Hình 13.8 Một kiểu Khuếch tán xúc tiến (Theo sách Prescott, Harley Klein) 13.4.2 Sự vận chuyển chủ động (Active Transport) Mặc dầu khuếch tán xúc tiến giúp chuyển vận có hiệu chất dinh dưỡng vào bên tế bào nồng độ chất hịa tan bên ngồi cao bên tế bào, vận chuyển chất dinh dưỡng nồng độ chất hòa tan tế bào cao bên Vi sinh vật thường sống mơi trường có nồng độ chất dinh dưỡng thấp, để sinh trưởng phát triển chúng phải vận chuyển hấp thu từ mơi trường chất dinh dưỡng có nồng độ thấp Khi khuếch tán xúc tiến khơng phương thức vận chuyển hữu hiệu mà phải có phương thức vận chuyển khác, quan trọng phương thức vận chuyển chủ động (active transpore) phương thức chuyển vị nhóm (group translocation); hai phương thức cần tới lượng Sự vận chuyển chủ động loại phương thức vận chuyển phân tử chất hịa tan tới nơi có nồng độ cao hơn, tức ngược lại với gradient nồng độ cần phải tiêu hao lượng Vì vận chuyển chủ động cần tới protein mang (permease) nên tương tự với khuếch tán xúc tiến số phương diện Permease có tính chun cao phân tử vận chuyển Các phân tử chất hịa tan có tính chất tương tự lên kết với permease hai trường hợp - khuếch tán xúc tiến vận chuyển chủ động Trong trường hợp nồng độ chất dinh dưỡng cao vận chuyển chủ động có hiệu ứng bão hịa (hình 13.9) Tuy nhiên, khác lớn hai loại vận chuyển chủ động vận chuyển ngược nồng độ cần tiêu hao lượng trao đổi chất Các chất ức chế trao đổi chất làm trở ngại việc sản sinh lượng làm ức chế vận chuyển chủ động, không làm ảnh hưởng đến trình khuếch tán xúc tiến (ngay thời gian ngắn) Vi khuẩn, cổ khuẩn vi sinh vật nhân thật có hệ thống vận chuyển protein kết hợp (Binding protein transport systems) protein vận chuyển hình hộp kết hợp với ATP (ATP-binding cassette transporters) hay gọi protein vận chuyển ABC (ABC transporter) Loại protein vận chuyển thường tạo thành phức thể nhờ kết hợp hai vùng xuyên màng ưa nước (hydrophobic membrane - spanning domain) bề mặt tế bào chất hai vùng gắn với nucleotide (hình 13.9) Hình 13.9: Cơng protein vận chuyển hình hộp có khả kết hợp với ATP (Theo sách Prescott, Harley vàKlein) (1)=Protein mang chất hòa tan gắn với chất vận chuyển hướng đến phức chất protein vận chuyển ABC (2)=Protein mang chất hòa tan gắn vào protein vận chuyển phóng thích chất, chuyển qua màng nhờ lượng thủy phân ATP Vùng xuyên màng hình thành lỗ nhỏ màng vùng kết hợp nucleotide gắn với ATP thủy phân ATP để hấp thụ chất hòa tan Protein vận chuyển ABC tận dụng protein liên kết chất chuyên biệt nằm khe chu chất vi khuẩn Gram âm bám màng lipid mặt màng sinh chất vi khuẩn Gram dương Các protein liên kết (cũng tham gia vào q trình hóa hướng động-chemotaxis) gắn với phân tử vận chuyển, tương tác với protein vận chuyển màng để chuyển phân tử hòa tan vào tế bào Vi khuẩn E.coli dùng chế để vận chuyển nhiều loại đường (arabinose, maltose, galactose, ribose) aminoacid (glutamate, histidine, leucine) Các chất đưa vào vi khuẩn Gram (+) phải qua màng trước phát huy tác dụng protein vận chuyển ABC hệ thống vận chuyển chủ động khác Các phân tử ngỏ sử dụng protein lỗ phổ biến OmpF Các phân tử lớn phải dùng tới protein lỗ màng chuyên biệt Trong số trường hợp, ví dụ việc hấp thu sắt vitamin B12 phải dùng tới protein vận chuyển protein tiếp nhận màng ngồi có lực cao chun biệt Đáng ý protein vận chuyển ABC sinh vật nhân thật nhiều có tầm quan trọng lớn y học Một số tế bào ung thư sử dụng protein vận chuyển để bơm thuốc Việc xơ hóa nang kết đột biến làm bất hoạt protein vận chuyển ABC chuỗi chuyển ion chloride phổi Vi khuẩn dùng gradient proton phát sinh chuyển vận điện tử để thúc đẩy vận chuyển chủ động Các protein vận chuyển màng chịu trách nhiệmđối với trình thiếu hụt protein liên kết chu chất chuyên biệt để kết hợp với chất dinh dưỡng Lactose permease vi khuẩn E.coli ví dụ điển hình Permease protein đơn có phân tử lượng khoảng 30 000 Nó vận chuyển phân tử lactose có proton xâm nhập tế bào (nồng độ proton cao bên tế bào hoạt động chuỗi chuyển vận điện tử) Sự vận chuyển liên kết hai chất theo hướng gọi vận chuyển đồng hướng (symport) Trong trình lượng tích tụ gradient proton huy động để vận chuyển vật chất Mặc dầu chế phương thức vận chuyển chưa hiểu biết đầy đủ nói chung cho proton permease sau kết hợp cải biến hình dạng lực hấp thụ chất dinh dưỡng Vi khuẩn E.coli dùng vận chuyển đồng hướng với proton để vận chuyển aminoacid acid hữu succinate malate Một gradient proton thơng qua việc hình thành gradient ion natri để gián tiếp tác động lên vận chuyển chủ động (hình 13.10) Các chất vận chuyển chuyển xuyên màng theo phương hướng tương phản gọi vận chuyển ngược hướng (antiport) Gradient natri sinh tế bào hệ thống vận chuyển proton ngược hướng dẫn đến việc hấp thu đường acid amin vào tế bào Một ion natri liên kết với protein mang gây biến đổi hình dạng Protein mang kết hợp mật thiết với đường hay acid amin định hướng chúng chuyển vào bên tế bào Do nồng độ natri tế bào thấp, ion natri tách rời khỏi protein mang chất dinh dưỡng vận chuyển tách theo Cùng với việc ion natri di động vào tế bào vi khuẩn E.coli protein mang chuyển đường melibiose acid amin glutamate vào tế bào Hình 13.10: Tác dụng gradient proton natri vận chuyển chủ động (Theo sách Prescott, Harley Klein) 1- Proton bơm màng sinh chất vận chuyển điện tử 2-Gradient proton thông qua chế vận chuyển ngược hướng (antiport mechanism) đẻ đẩy ion natri 3- Ion natri liên kết với phức hợp protein mang (carrier protein complex) 4-Điểm kết hợp với chất hòa tan (dung chất) biến đổi hình dạng gắn với dung chất (đường aminoacid) 5-Cấu hình protein mang (carrier) thay đổi, ion natri chuyển vào tế bào sau dung chất rời khỏi protein mang Sự vận chuyển đồng hướng (symport) hay vận chuyển hiệp đồng (cotransport) natri trình quan trọng tế bào nhân thật (eucaryotic) hấp thu đường acid amin Nhưng gradient ion natri thường sinh việc thủy phân ATP lực chuyển động proton Vi sinh vật thường thông qua nhiều hệ thống vận chuyển để hấp thu chất dinh dưỡng Ví dụ vi khuẩnE.coli, có tới hệ thống vận chuyển để hấp thu đường galactose, hệ thống vận chuyển để hấp thu glutamate leucin, hệ thống vận chuyển để hấp thu ion kali Khi có nhiều hệ thống vận chuyển chất, hệ thống có khác nguồn lượng tiêu hao, lực chất dinh dưỡng phương thức điều tiết hệ thống vận chuyển Tính đa dạng phương thức vận chuyển giúp cho vi sinh vật có ưu cạnh tranh mạnh mẽ điều kiện môi trường dễ biến đổi 13.4.3 Sự chuyển vị nhóm (Group Translocation) Trong việc vận chuyển chủ động, phân tử hòa tan vận chuyển qua màng mà không cần cải biến Nhiều vi sinh vật nhân sơ cịn có thê thơng qua việc chuyển vị nhóm để hấp thu chất dinh dưỡng Trong trình vật chất vận chuyển có phát sinh biến hóa hóa học Nhóm xếp vào loại vận chuyển phụ thuộc lượng cần sử dụng lượng trao đổi chất Hệ thống chuyển vị nhóm quen biết Phosphoenolpyruvate: hệ thống phosphotransferase đường (PTS) Nhiều loại đường thông qua phương thức vận chuyển để chuyển vào tế bào vi sinh vật nhân sơ bị phosphoryl hóa sử dụng phosphoenolpyruvate (PEP) làm thể cho phosphate: PEP + Đường (ngoại bào) → Pyruvate + Đường + P (nội bào) PET phức tạp, vi khuẩn E.coli Salmonella typhimurium PTS tạo thành enzym (EI EII) protein ổn định nhiệt có phân tử lượng thấp (HPr) HPr Enzym EI tồn tế bào chất Enzym EII có nhiều biến hóa cấu trúc, thường hợp thành tiểu đơn vị (subunits) hay vùng kết cấu (domains), EIIA (trước gọi EIII) protein tế bào chất hịa tan, EIIB protein ưa nước (hydrophilic), EIIC protein kỵ nước nằm màng tế bào, hai loại sau thường kết hợp lại với Trong trình vận chuyển, tác dụng EI HPr phosphate cao từ PEP chuyển đến enzym EII với giúp đỡ Enzym I HPr Sau EII đưa phân tử đường qua màng vào tế bào phosphoryl hóa EII vận chuyển chuyên hóa loại đường hệ thống PTS khác có EII khác nhau, EI HPr giống hệ thống PTS Hình 13.11: Chuyển vị nhóm (Theo sách Microbiology Prescott, Harley Klein) Hệ thống PTS phân bố rộng rãi vi sinh vật nhân sơ Các chi vi khuẩn Escherichia, Salmonella, Staphylococcus vi khuẩn kỵ khí khơng bắt buộc (facultatively anaerobic) khác có hệ thống PTS Một số vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, thuộc chi Clostridium, có hệ thống PTS Một số vi khuẩn thuộc chi Bacillus có hai hệ thống Đường phân (Glycolyse) PTS Nhưng vi khuẩn hiếu khí khơng có hệ thống PTS Nhiều carbohydrate vận chuyển hệ thống Vi khuẩn E.coli hấp thu glucose, fructose, mannitol, saccharose, N-acetylglucosamine, cellobiose nhiều carbohydrate nằng phương thức chuyển vị nhóm Ngồi vai trị dùng để vận chuyển, protein PTS cịn quan cảm thụ hóa học - cảm thụ khí q trình hóa hướng động 13.4.4 Sự hấp thụ Sắt (Iron Uptake) Hình 13.12 Siderophore Hầu tất vi sinh vật cần sử dụng sắt (Fe) để cấu tạo nên Cytochrome nhiều enzym Sắt khó hấp thụ ion sắt (Fe3+) dẫn xuất chúng khó hịa tan, mơi trường thường có hợp chất sắt dễ hịa tan để vcận chuyển vào tế bào Việc hấp thu sắt vi sinh vật khó khăn Nhiều vi khuẩn nấm phải khắc phục khó khăn cách thơng qua thể mang sắt (siderophore) Đó phân tử có phân tử lượng thấp lại liên kết với sắt chuyển vận vào tế bào, thường muối hydroxamates phenolates-catecholates Ferrichrome loại hydroxamate sinh nhiều nấm; enterobactin loại catecholate sinh E.coli Trong hình bên ta thấy loại thể mang sắt dạng khác Khi mơi trường có chứa với hàm lượng thấp sắt sử dụng vi sinh vật tiết thể mang sắt (siderophones) để kết hợp với sắt chuyển đến màng tế bào Lúc kết hợp tiếp với protein thụ thể (receptor-protein) để chuyển sắt vào tế bào, toàn phức thể Sắt-siderophone chuyển vào nhờ protein vận chuyển ABC (ATP-binding cassette transporter) Ở vi khuẩn E.coli thụ thể siderophone nằm màng (outer membrane), sau Fe3+ chuyển đến khe chu chất (periplasmic space) với hỗ trợ protein vận chuyển sắt chuyển qua màng sinh chất (plasma membrane), sau Fe3+ khử thành Fe2+ Vì sắt cần cho trình sinh trưởng, phát triển vi sinh vật vi sinh vật cần sử dụng nhiều phương thức hấp thu khác để đáp ứng nhu cầu ... sinh trư? ?ng c? ??n thi? ?t d? ??i v? ??i số loài vi sinh v? ? ?t Vi sinh v? ? ?t Ch? ?t sinh trư? ?ng Acetobacter suboxydans APAB, Acid nicotinic 0-10 ng Clostridium acetobutylicum APAB Nhu c? ? ?u / ml mg Streptococcus... c Đối v? ??i Paracoccus denitrificans v? ??i nguồn carbon glutamate 13.2 C? ?C LOẠI HÌNH DINH D? ?? ?NG C? ? ?A VI SINH V? ? ?T Vi sinh v? ? ?t c? ? t? ?nh ? ?a d? ? ?ng cao loại hình dinh d? ?? ?ng (nutritional types) ph? ?c t? ??p C? ?n... (prototroph) Ng? ?ời ta thư? ?ng sử d? ? ?ng ch? ?ng vi sinh v? ? ?t khuy? ?t d? ?? ?ng nghiên c? ? ?u Di truyền h? ?c vi sinh v? ? ?t Kh? ?ng c? ? ranh giới tuy? ?t đối loại hình dinh d? ?? ?ng vi sinh v? ? ?t Vi sinh v? ? ?t d? ?? d? ?? ?ng tuyệt