Cấu trúc và chức năng của tế bào vi sinh vật docx

Bảng 2.1: Một số phương pháp nhuộm màu và nguyên tắc sử dụng Phươg pháp nhuộm màu Nguyên tắc sử dụng methylene, carbolfuchsin, tinh thể tím, safranin… Dung dịch rượu hoặc nước của cá

Trang 1

Chương 2

Cấu trúc và chức năng của tế bào vi sinh vật

I Sinh vật nhân sơ

1 Các phương pháp và kỹ thuật nghiên cứu

1.1 Phương pháp quan sát tế bào

Nhờ kính hiển vi quang học (kính hiển vi thường) với độ phóng đại

1500 - 2000 lần, đặc biệt nhờ kính hiển vi điện tử thường (TEM) và kính hiển vi điện tử quét (SEM) mà khoa học có thể thấy được tế bào, cấu trúc siêu hiển vi của vi khuẩn với đường kính khoảng 1μm

- Quan sát vi sinh vật trên tiêu bản sống: vi sinh vật ở giữa lam và

lamella, nhuộm mực nho để thấy rõ màng nhầy (capsule), đây là phương

pháp hay dùng cho những vi sinh vật nuôi cấy trên môi trường lỏng với kính hiển vi thường, quan sát được khả năng vận động của chúng

Bảng 2.1: Một số phương pháp nhuộm màu và nguyên tắc sử dụng

Phươg pháp nhuộm màu Nguyên tắc sử dụng

methylene, carbolfuchsin,

tinh thể tím, safranin…)

Dung dịch rượu hoặc nước của các kiềm, dùng để quan sát hình dạng vi sinh vật, cách sắp xếp tế bào Với các phản ứng khác nhau với thuộc nhuộm có thể phân biệt được chúng

Chia các vi khuẩn thành 2 nhóm lớn: Gram dương giữ màu tinh thể tím, Gram âm mất màu khi tẩy do đó sẽ

nhuộm màu phụ hồng safranin

+Nhuộm phân ly

- Gram

- Ziehl - Nielsen Dùng để phân biệt các loài Mycobacterium và một số

loài Nocardia Vi khuẩn acid nhuộm với carbolfuchsin

và xử lý với dung dịch rượu acid, vẫn giữ màu đỏ Vi khuẩn không acid sẽ mất màu do đó sẽ nhuộm màu phụ

là xanh methylene

Dùng để phát hiện sự có mặt của màng nhày, bởi vì

polysaccharide màng nhầy không bắt màu thuốc nhuộm

bao quanh tế bào vi khuẩn nhuộm màu

Sử dụng để phát hiện bào tử vi khuẩn khi dùng thuốc

nhuộm lục malachite với tiêu bản có đun nóng, thuốc

nhuộm sẽ thâm nhập vào nội bào tử và làm chúng

nhuộm màu lục, khi bổ sung bằng đỏ safranin sẽ làm

phần bao quang bào tử nhuộm màu đỏ hồng

+Nhuộm đặc biệt

- Nhuộm âm (negative)

-Nhuộm nội bào tử

(endospore)

-Nhuộm tiên mao

(flagella) Dùng để phát hiện tiên mao ở vi khuẩn, sử dụng thuốc

làm phồng tiên mao rồi sau đó nhuộm bằng

carbolfuchsin

Trang 2

- Quan sát vi sinh vật trên tiêu bản cố định và nhuộm màu: Phương

pháp nhuộm Gram và Ziehl - Nielsen cho phép nhận biết 2 nhóm vi khuẩn

Gram dương va Gram âm, hình dạng của bào tử, các vật thể ẩn nhập như

hạt dự trữ polyphosphate (hạt dị nhiễm sắc, hạt volutin), các giọt mỡ,

glycogen… Những tiêu bản cố định này được quan sát ở bội giác lớn X 90

hoặc X 100 (bội giác dùng dầu, vật kính có vòng đen) Tham gia vào cơ

chế nhuộm màu có cấu trúc của thành tế bào và bản chất các hợp chất của

sinh chất khác nhau ở hai loại vi khuẩn Để quan sát những cấu trúc siêu

hiển vi người ta dùng kính hiển vi điện tử TEM và SEM, có thể thấy được

những cấu tạo rất nhỏ với độ lớn vài nanometre Những vi khuẩn Gram+

có mối liên hệ chủng loại phát sinh gần gũi nhau, ở đây người ta chia

thành hai nhóm phụ: nhóm có hàm lượng (G + X)% cao hơn 50% như các

Actinomycetales, Corynebacterium, Cellulomonas… và nhóm có (G +

X)% thấp hơn 50% như Clostridium, Bacillus, Staphylococcus,… Những

vi khuẩn Gram- có mối quan hệ chủng loại phát sinh cách xa nhau và ở

đây người ta phân ra rất nhiều nhóm phụ

Bảng 2.2: Một số tính chất khác biệt giữa vi khuẩn Gram dương và

mất màu tím khi tẩy rửa, nhuộm màu phụ

đỏ safranin hay Fuchsin

Hàm lượng lipid và

lipoprotein

thấp (vi khuẩn acid có

lớp lipid mỏng liên kết với peptidoglucan)

cao (tạo thành lớp ngoài thành)

Tạo độc tố chủ yếu là ngoại độc

khả năng chống chịu thấp

với enzyme này

ít mẫn cảm (cần phải

xử lý để phá lớp màng ngoài của

peptidoglucan)

Mẫn cảm với Penicillin và

sulfonamide

cao thấp

Trang 3

anionic

cao thấp

1.2 Phương pháp tách ly các thành phần của tế bào

Khi cần nghiên cứu các thành phần riêng biệt của tế bào, người ta

phải tách ly các thành phần này nhờ siêu âm, enzyme làm tan thành, các

kháng sinh tác động vào thành, dùng áp suất thẩm thấu gây co nguyên sinh, dùng sức ép cơ học, dùng siêu li tâm hoặc li tâm trong đường

gradient…

Nhờ các máy đo quang phổ (Spectrophotometer) chúng ta biết rõ

ràng và nhanh chóng số lượng tế bào trong dịch huyền phù

Nhờ phương pháp sắc ký giấy hoặc sắc ký cột chúng ta có thể thu được các hợp chất riêng biệt

2 Hình dạng vi khuẩn và vi khuẩn cổ

Hình dạng vi khuẩn khác nhau giữa loài này và loài khác, đối với

những vi khuẩn đa hình (polymorphysme) thì hình dạng có thể khác nhau

trong các giai đoạn sống khác nhau của chu kỳ sinh trưởng Những hình dạng chính của vi khuẩn:

- Cầu khuẩn (Coccus): Khi phân chia theo một phương và dính nhau

ta có song cầu khuẩn (Diplococcus), hoặc liên cầu khuẩn (Streptococcus), phân chia hai phương và dính với nhau ta có tứ cầu khuẩn (Tetracoccus), phân chia 3 phương và dính nhau ta có bát cầu khuẩn (Sarcina) hoặc phân chia theo nhiều phương ta có tụ cầu khuẩn (Staphylococcus)

- Trực khuẩn: bao gồm trực khuẩn không sinh bào tử (như E.coli…)

và trực khuẩn sinh bào tử như Bacillus, Clostridium với kích thước

khoảng 2-3 x 1μm

- Xoắn khuẩn: Spirillum, Campylobacter, xoắn thể với các vòng khác nhau: Spirochaeta, Leptospira với kích thước 1 x 5-500μm

- Xạ khuẩn: gồm những vi khuẩn thuộc bộ Actinomycetales trong đó

có các giống quan trọng như Streptomyces, Micromonospora…, có kích

thước 1-2 x 100-500μm

Trang 4

Hình 2.1: Các nhóm hình thái chính của vi khuẩn

- Vi sinh vật hình sao như giống Stella và vi sinh vật hình vuông như

giống Haloarcula, một loại "vi khuẩn" ưa mặn thuộc vi sinh vật cổ

Trang 5

3 Sơ đồ cấu tạo tế bào vi khuẩn

Nhờ kính hiển vi điện tử khoa học đã biết rất rõ các tổ chức dưới mức tế bào của vi khuẩn như lớp màng nhầy, thành tế bào, màng sinh chất, chất nguyên sinh và các thành phần quan trọng khác

Hình 2.2: Mô hình và sơ đồ cấu trúc tế bào vi khuẩn

1 Thành tế bào, 2 Màng sinh chất, 3 Thể nhân, 4 Mexosome, 5 Chất dự trữ, 6 Sinh chất, 7 Bào tử, 8 Tiên mao, 9 Khuẩn mao, 10 Khuẩn mao giới tính, 11 Bao nhầy, 12 Tầng dịch nhầy, 13 Ribosome,

lipoprotein Khi làm khô, người ta xác định được 90 - 98% trọng lượng

của màng nhầy là nước

Màng nhầy có tác dụng hạn chế khả năng thực bào, do đó tăng cường độc lực đối với vi khuẩn gây bệnh, do cấu trúc hóa học của màng

nhầy là polysaccharide và ít lipoprotein nên có liên quan đến tính kháng

nguyên của vi khuẩn gây bệnh Mặt khác, khi môi trường nghèo chất dinh dưỡng màng nhầy có thể cung cấp một phần các chất sống cho tế bào, trong trường hợp đó màng nhầy teo đi Một khuẩn lạc gồm các vi khuẩn

có màng nhầy nhìn thấy dạng nhẵn bóng - dạng S (smooth), còn khuẩn lạc

gồm các vi khuẩn ít hay không hình thành màng nhầy sẽ có dạng nhăn

Trang 6

nheo - dạng R (rough), đối với những vi khuẩn trong điều kiện môi trường

quá dư thừa carbon, như ở rảnh các nhà máy đường…, thì màng nhầy rất

dầy và tạo ra khuẩn lạc nhầy nhớt - dạng M (mucoid) Ví dụ ở nhà máy đường thường gặp Leuconostoc mesenteroides có nhiều màng nhầy dày

gấp 20 lần chiều ngang của tế bào vi khuẩn Những màng nhầy như vậy

được gọi là những màng nhầy lớn (macrocapsule) còn những màng nhầy

nhỏ hơn 0,2μm (nghĩa là không nhìn thấy trên kính hiển vi thường, mà chỉ

nhìn thấy trên TEM hay SEM) được gọi là màng nhầy nhỏ (microcapsule)

Có những vi khuẩn chỉ hình thành màng nhầy trong các điều kiện nhất

định, ví dụ Bac anthracis (vi khuẩn gây bệnh nhiệt than) chỉ hình thành màng nhầy trong môi trường có protein động vật, Diplococcus

pneumoniae (gây bệnh viêm màng phổi) chỉ hình thành màng nhầy khi

xâm nhập vào cơ thể người và động vật

Muốn quan sát màng nhầy người ta làm tiêu bản âm với mực nho hoặc nhuộm đơn bằng thuốc nhuộm kiềm

3.2 Thành tế bào

Ngày nay khoa học đã biết khá rõ về thành tế bào các cơ thể nhân

sơ Dựa vào sự nghiên cứu cấu trúc phân tử của thành tế bào, kiểu trao đổi chất… mà ta có thể xếp chúng vào hai giới: vi sinh vật cổ với loại thành tế bào đặc biệt và kiểu trao đổi chất khác thường và vi khuẩn với ba nhánh tiến hóa: nhánh có thành tế bào dày là các vi khuẩn Gram dương, nhánh có thành tế bào mỏng là các vi khuẩn Gram âm và nhóm tiêu giảm, không có hay thành tế bào rất mỏng

Nhờ các phương pháp tách ly tế bào như lắc dịch huyền phù vi khuẩn với các hạt thủy tinh có đường kính 0,1 mm hoắc ép dịch huyền phù qua màng có lỗ nhỏ hơn đường kính tế bào, hoặc đưa tế bào vào môi trường ưu trương để gây co nguyên sinh… rồi sau đó qua siêu ly tâm, người ta có thể thu được lớp thành tế bào khá tinh khiết Thành tế bào của các vi sinh vật cổ rất khác biệt với thành tế bào của vi khuẩn và hoàn toàn khác với cơ thể nhân chuẩn

Đối với vi khuẩn, thành tế bào chiếm khoảng 20 - 30% trọng lượng

khô của tế bào, đặc biệt ở Corynebacterium diphteria thành tế bào chiếm

tới 76 - 78% trọng lượng khô của tế bào Thành tế bào vi khuẩn Gram dương dày 150 - 800A0 Còn ở vi khuẩn Gram âm lớp thành murein mỏng hơn: từ 50 - 180A0

Hợp chất cơ bản của thành tế bào vi khuẩn là hai chất dị cao phân tử

(heteropolyme): glucopeptid và acid teichoid Glucopeptid (hay còn gọi là

peptidoglucan, mucopeptid, murein) là khung rắn chắc giữ vững hình dạng

vi khuẩn, khi thủy phân glucopeptid ta sẽ đựoc 2 hợp chất với số phân tử

Trang 7

Gram như nhau là: N-acetyl glucosamin và acid N- acetyl muramic, chúng liên kết với nhau qua liên kết 1,4 ß glucozid

Enzyme lysozim cắt liên kết glucozid giữa C1 còn lại của acid N- acetyl muramic và C4 còn lại của N-acetyl glucosamin (liên kết ß – 1,4) Các gốc N- acetyl muramic liên kết với nhau qua dây nối peptid, tạo ra mạng lưới chằng chịt như tổ ong, trong thành phần của N- acetyl muramic

có mặt của các acid amin với trọng lượng phân tử Gram: 2 D.L.alanin, 1

D glutamic và 1 acid diamin Acid diamin này ở Sta aureus là lizin, ở

E.coli là acid L – diaminpimelic (ADP), các acid diamin này có thể kết

hợp với mạch peptid của chuỗi bên, do đó mà hình thành một mạng lưới murein chắc chắn

Đối với nhóm vi khuẩn tiêu giảm thành tế bào (Mycoplasmatales, Mollicustes, Tenericutes) người ta không tìm thấy hợp chất murein, những

vi khuẩn này không có thành rắn chắc cho nên chúng có thể thay đổi hình dạng, phần lớn chúng là những cơ thể đa hình như các dạng PPLO, Mycoplasma (vi khuẩn nhỏ nhất có thể nuôi cấy trên môi trường)

Trong thành tế bào vi khuẩn còn có một loại hợp chất đặc biệt đó là acid teichoic, hợp chất thấy nhiều ở vi khuẩn Gram dương (có thể chiểm tới 50% trọng lượng khô của thành), ở vi khuẩn Gram âm hiện chưa tìm thấy hợp chất này Acid teichoic liên kết với acid muramic qua mạch phosphodieste Acid teichoic có hai loại ribiteichoic và glycerin teichoic Thành tế bào vi khuẩn có chức năng quan trọng là giữ hình dạng ổn định của tế bào , tham gia vào việc duy trì áp suất thẩm thấu, sư phân bào, tham gia vào quá trình nhuộm Gram

Hình 2.3: Mô hình cấu trúc thành tế bào vi khuẩn Gram(+) và Gram(-)

Trang 8

3.3 Màng sinh chất

Màng sinh chất của vi khuẩn và các vi sinh vật cổ có thể thấy được nhờ co nguyên sinh, lớp màng này dưới kính hiển vi đối pha là lớp có độ dày khoảng 7,5nm, nằm ngay dưới lớp thành hoặc các lớp màng ngoài, nó bao bọc toàn bộ khối chất nguyên sinh Khoa học gọi nó là màng cơ sở vì

có cấu tạo giống hầu hết các màng trong tế bào như màng nhân, màng ty thể, lục lạp, màng lưới nội chất, màng bào tương…

Phân tích hóa sinh cho thấy màng sinh chất gồm 3 loại phân tử: lipid

(chủ yếu ở dạng phospholipid - chiếm khoảng 30 - 40%), protein (gồm rất nhiều hệ enzyme, trong đó có các hệ permease, thành phần protein này có thể chiếm tới 60 - 70%) và một ít hợp chất glucid.Các phospholipid có thể

là phosphatidiglycerol và/hoặc là phosphatidylethanolamin Các

phospholipid dưới kính hiển vi điện tử gồm 2 lớp nằm ở giữa, trong suốt

trong khi các lớp protein bên ngoài có màu đậm tối

Các phân tử phospholipid có đầu ưa nước (hydrophyle) gồm có

choline - phosphate và glycerol còn đuôi kỵ nước (hydrophone) là các

phân tử acid béo

Do cấu trúc các phân tử phospholipid như trên nên chúng phải sắp

xếp các đuôi kỵ nước với nhau và đầu ưa nước quay ra phía ngoài và phía trong sinh chất, chính cách sắp xếp này có lợi nhất cho chức năng vận

chuyển các chất (đưa các dòng proton nhờ các enzyme), chức năng hô

hấp…

Chức năng chủ yếu của màng sinh chất là tấm bình phong ngăn trở dòng các chất ra cũng như cho đi qua các hợp chất từ phía ngoài vào Nó đảm bảo tế bào hấp thụ được các chất dinh dưỡng, các nguyên tố có lợi cho quá trình trao đổi chất Nó lựa chọn cho đi qua cả các phân tử chất hữu cơ loại nhỏ đồng thời ngăn cản các hợp chất phân tử lớn Đối với các phân tử bé kị nước như O2, N2, CH4, N2O, H2 hoặc các phân tử có cực nhưng không tích điện như H2O, urea, CO2,…màng sinh chất thể hiện như một màng vật lý cho đi qua theo quy luật vật lý học

Đối với các phân tử có kích thước lớn quan trọng đối với tế bào và

ưa nước thì màng cho đi qua theo cơ chế khuếch tán theo nồng độ chất hòa tan, có thể là khuếch tán thụ động từ nồng độ cao đến nồng độ thấp hoặc

khuếch tán tích cực chủ động nhờ các enzyme vận chuyển permease, nhờ

đó mà cơ thể tập trung vào trong các hợp chất cần thiết cho tế bào

Trang 9

Có một cách vận chuyển khác là do sự thay đổi vị trí các nhóm chức năng, ví dụ khi phân tử glucose đi vào đã được phosphoryl hóa và giải

phóng vào bên trong màng tế bào là hợp chất glucoso - phosphate

Màng sinh chất chứa các enzyme sinh tổng hợp kiểm soát các khâu

kết thúc tổng hợp lipid của màng và các hợp chất kiến tạo thành tế bào

Cuối cùng, màng sinh chất là nơi định vị của nhiều enzyme tham gia tổng hợp ATP Ở các cơ thể nhân chuẩn, các enzyme này có mặt trong ty thể Các chuỗi hô hấp của màng sinh chất của vi khuẩn và vi sinh vật cổ làm chức năng tương tự như màng trong của ty thể

3.4 Sinh chất và Ribosome

Sinh chất của cơ thể nhân sơ gồm có 80 - 90% là nước, nước có thể

ở trạng thái tự do (chiếm phần lớn) làm nhiệm vụ hòa tan các chất và tạo nên dung dịch keo với các chất cao phân tử Nước ở trạng thái kết hợp

(chiếm phần nhỏ) thường liên kết trong các vi cấu trúc như protein, lipid

và hydratcarbon Phần còn lại của sinh chất là lipoproteid (chiếm 10 -

20%) Hệ keo của sinh chất bao gồm 2 pha: pha thứ nhất là dung dịch muối khoáng và các hợp chất hòa tan có bản chất là lipoproteid, pha thứ 2

là pha huyền phù gồm các hạt nucleoprotein, lipid và nhiều loại hạt có

kích thước rất khác nhau

Khi còn non, đang sinh trưởng, chất nguyên sinh có cấu tạo đồng nhất và bắt màu giống nhau Khi trưởng thành, trong chất nguyên sinh xuất hiện các vật thể ẩn nhập, không bào khí làm cho sinh chất có dạng huyền phù lổn nhổn, bắt màu không đồng đều và có tính chiết quang khác nhau Sinh chất của vi khuẩn có pH bình thường là 7 - 7,2 Để nghiên cứu sinh chất, người ta dùng siêu li tâm cao tốc để tách chất nguyên sinh và các cấu trúc siêu hiển vi riêng ra

* RNA và Ribosome

Một tế bào vi khuẩn chứa trung bình khoảng 18.000 ribosome, hạt

70S (S là chữ đầu của Sverberg - 10-3 cm/giây trong siêu li tâm) với đương kính từ 10 - 30nm, trọng lượng phân tử 3.106 daltons Mỗi ribosome, khi

giảm nồng độ Mg2+ của dung dịch sẽ tách ra thành 2 tiểu phần trong siêu li tâm: tiểu phần lớn (50S) và tiểu phần be (30S) tiểu phần lớn liên kết với

tiểu phần bé bàng mối liên kết trung gian RNA - protein và protein -

protein Các ribosome chứa phần chủ yếu là RNA (63%) và phần kia là protein (37%)

Ngoài RNA và protein, ribosome có thể còn chứa một lượng nhỏ

lipid và enzyme ribonuclease, lepxinaminopeptidase, galactosidase và một

ít chất khoáng giàu Mg và nghèo Ca

Trang 10

Sự tổ hợp của tiểu phần lớn vào tiểu phần nhỏ bởi liên kết bên trong

ribosome, liên kết RNA - protein, ở đây có 2 site (chốt) đặc biệt có vai trò quan trọng trong quá trình dịch mã (translation) từ chuỗi RNA sang protein Các site này gọi là site "P" (như peptidyl) và "A" (như

aminoacyl)

Ribosome là cơ quan tổng hợp protein của tế bào, nhưng chỉ có một

số nhỏ ribosome (khoảng 5 - 10% tổng số ribosome) ở dạng liên kết với

RNAm đòi hỏi phải có sự tham gia của nhiều yếu tố làm dài chuỗi

polypeptide Một trong các yếu tố đó là EF-2 thường thấy ở các vi sinh vật

cổ và cơ thể nhân chuẩn, nhưng không thấy ở vi khuẩn, các yếu tố này

thay đổi vị trí phiên âm của histidine (cho diphtamide) làm mẫn cảm với độc tố diphteria, đây là một sự khác biệt nữa giữa các vi sinh vật cổ và vi

khuẩn

3.5 Các hạt dự trữ ở vi khuẩn

Ở cuối pha trưởng thành, trong tế bào vi khuẩn xuất hiện những hạt

có độ lớn và thành phần hóa học khác nhau Kích thước và số lượng các hạt này tùy thuộc vào loài vi khuẩn và điều kiện nuôi cấy chúng Trong khi sinh trưởng, vi khuẩn tích lũy dần các chất dự trữ hữu cơ và vô cơ, các chất dự trữ này đạt đến kích thước nhất định thì hình thành nên hạt dự trữ (vật thể ẩn nhập) có thể thấy dưới kính hiển vi Các chất dự trữ carbon o vi

khuẩn thường thấy là glycogen, tinh bột, poly-β- hydroxy butyrate…

Các hạt dự trữ carbon dễ dàng nhìn thấy khi nhuộm bằng dung dịch

có iod, hợp chất này nhuộm các chất đang trung hợp (polymer) không

phân nhánh của glucose (tinh bột) thành màu xanh thẩm và các

hydratcarbon phân nhánh (glucogen) thành đỏ nâu Các hợp chất poly-β hydroxy butyrate được nhuộm màu bởi Soudan đen như màu các giọt mỡ

Các hạt dị nhiễm sắc (metachomatic granulation) hay hạt volutin được tìm thấy lần đầu ở xoắn khuẩn Spirillum volutans Chúng bắt màu với thuốc nhuộm kiềm như xanh methylene, xanh toluidine thành màu đỏ tía trong khi sinh chất của vi khuẩn lại có màu xanh Các hạt volutin có dạng

hình tròn, đường kính có thể đạt tới 0,3μm, có thể tan trong nước nóng 800C, trong dung dịch kiềm hoặc dung dịch NaCl 5%, trong dung dịch HCl

1N…không tan trong rượu, ester, chlorofor Hạt volutin là những hạt dự trữ

polyphosphate vô cơ

- Các vi khuẩn Chromatium, Beggiatoa có thể tích lũy lưu huỳnh

bên trong tế bào do oxy hóa H2S giải phóng ra S

Các vi khuẩn oxy hóa sắt có thể tích lũy sắt trong sinh chất dưới dạng Fe3O4

Trang 11

- Các hạt carboxysome thường thấy ở Cyanobacteria, ở một số vi

khuẩn màu tía, vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn oxy hóa lưu huỳng như

Thiobacillus, đó là những hạt ribulose diphosphat carboxylase (hay carboxydis mutase) được bao bọc bởi sự gấp nếp của màng sinh chất, có

đường kính khoảng 50 - 100nm

- Tinh thể diệt côn trùng thường thấy ở một số loài vi khuẩn sinh bào

tử như Bacillus thuringiensis, Bacillus dechrolimus, tinh thể này xuất hiện

khi hình thành bào tử, chúng có bản chất là protein và ngày nay được dùng

để diệt sâu hại

3.6 Các thể mang màu và sắc tố

Ở vi khuẩn quang hợp cơ quan thực hiện quá trình quang hợp là các

thể mang màu (chromatophores) (ở tảo và thực vật là lục lạp -

chlorophaste) vì cấu trúc siêu hiển vi của các thể mang màu khác với lục

lạp Mặt khác bản chất của các sắc tố quang hợp cũng khác biệt, ở tảo và

thực vật là diệp lục tố (chlorophyll) trong khi ở vi khuẩn quang hợp là các sắc tố gần với chlorophyll mà người ta gọi là khuẩn diệp lục tố (bacteriochlorophyll)

Halobacterium halobium (cơ thể sống trong môi trường mặn) có

chứa bacteriorhodopsine ở màng sinh chất, sắc tố gần giống với sắc tố võng mạc mắt

Ngoài ra, chúng ta có thể gặp các sắc tố sau:

- Vitamine K 2 (hợp chất quinon) ở Bacillus subtilis và Bacillus cereus

- Sắc tố carotenoid chống tia tử ngoại ở Corynebacterium

- Pyocyanine, violaceine ở Chromobacterium violaceum, sắc tố có hoạt

tính kháng sinh

- Một số sắc tố tạo thành màu đặc trưng của khuẩn lạc như

zeaxanthine (carotenoid), sắc tố vàng ở Staphylococcus aureus;

xanthophyll và sarcinaxanthine (carotenoid) là loại sắc tố đỏ ở Sarcina

- Sắc tố pyocyanine xanh pyoverdine xanh lục huỳng quang ở P

aeruginosa

- Dẫn xuất sắc tố pyrolic đỏ ở Serratia marcescens

3.7 Không bào khí

Đây là một loại túi chứa đầy khí thường gặp ở nhiều loài thuộc 3

nhóm vi khuẩn quang hợp: vi khuẩn lam (Cyanobacteria), vi khuẩn tía và

vi khuẩn lục Không bào khí giúp vi khuẩn quang hợp trôi lơ lửng trong nước và nổi lên mặt nước

Trang 12

3.8 Chất nhân của vi khuẩn

DNA của tế bào vi khuẩn chiếm khoảng 1 - 2% trọng lượng khô của chúng, đó là hợp chất chứa thông tin di truyền chủ yếu của tế bào

Chất nhân của vi khuẩn không có màng bọc, hình dạng rất khác nhau và chỉ có 1 sợi gồm 2 mạch DNA Chiều dài của nó trong tế bào

E.coli đo được là 1mm, tức là gấp 500 - 1000 lần chiều dài của vi khuẩn

Vòng thể nhiễm sắc được định vị tại một điểm trên màng sinh chất lúc sắp phân chia Độ lớn DNA vào khoảng 5.106 pb (cặp base nitơ) với trọng lượng phân tử vào khoảng 3.109 dalton (4,5.108 đối với Mycoplasma,

1.109 đối với Acholeplasma) Khong thấy protein histone kiểu tế bào nhân chuẩn mà chỉ có các polyamine như specmidin và specmine làm chức năng

củng cố ổn định DNA Tuy nhiên, những nghiên cứu gần đây cho thấy ở

Thermoplasma (một loại vi sinh vật cổ - Archaea) đã tìm thấy histone

Vòng DNA xoắn kép của vi khuẩn thường được gọi là thể nhiễm sắc

vi khuẩn hay genophore Những nghiên cứu trên kính hiển vi điện tử cho thấy genophore của vi khuẩn có nhiều vòng, mỗi vòng nhỏ có khoảng 400 cặp base nitơ, nhiều vòng tạo thành búi xoắn Ở E.coli có 50 búi xoắn và

có gần 500 vòng trong một búi, điều đó giải thích tại sao chuỗi DNA của

vi khuẩn dài tới 1mm và gồm khoảng 5.106 pb

- Ở E coli đã tìm thấy ít nhất là 4 loại protein liên kết với DNA, đó

là những protein kiềm, bền nhiệt nên rất gần gũi với histone của các sinh vật nhân chuẩn:

+ Hu được hình thành bởi 2 tiểu phần α và β (nhị phân protein

Protein II ) nên rất gần với histone H2B

+ H gần giống với histone H2A

+ H1 và HLP1, những protein liên kết DNA này có chức năng điều

hòa không đặc hiệu trong quá trình sao mã

Sự có mặt của các protein trên làm cho cấu trúc thứ cấp DNA của E

- Ba loại DNA polymerase đã được chiết từ E coli:

+ DNA polymerase I: làm chức năng khôi phục, sửa chữa bổ sung, xúc tác bổ sung desoxyribonucleotide vào đầu của chuỗi DNA Phản ứng

chỉ xảy ra khi DNA đã được đinh vị ở màng sinh chất

Trang 13

+ DNA polymerase II có hoạt tính ngoài nhân, nó cần thiết cho hoạt

động của RNAm

+ DNA polymerase III là loại có hoạt tính nhất trong 3 loại

polymerase

- Các DNA-ligase xúc tác hình thành các đầu nối 2 mạch DNA - cầu

phosphodiester giữa nhóm hydroxyl 3' ở đầu mạch và nhóm phosphate 5'

ở đầu mạch kia DNA-ligase có thể thực hiện các chức năng sau:

+ Sửa chữa, cắt bỏ một đoạn của mạch trong DNA xoắn kép

+ Đóng và tạo thành vòng các phân tử DNA xoắn kép mạch thẳng + Hàn các đoạn DNA trong quá trình tái tổ hợp di truyền

+ Tham gia vào quá trình nhân DNA cùng với DNA polymerase

Các enzyme tháo mạch của chuỗi xoắn kép làm cho các mạch DNA trong chuỗi xoắn kép được tách ra để nhân lên từ hai mạch làm khuôn tổng hợp hai mạch mới bổ sung để tạo thành hai chuỗi DNA xoắn kép hoàn toàn giống nhau Đấy là cơ chế nhân đôi DNA bảo đảm tính di truyền của các thế hệ vi khuẩn Các thông tin di truyền từ DNA được sao

mã (transcription) sang mRNA và sau đó được dịch mã (translation) thành chuỗi polypeptide hay enzyme Bằng phương pháp phóng xạ tự ghi (autoradiogragh) khoa học cỏ thể chụp được quá trình nhân lên của nhiễm sắc thể ở E.coli và nhiều cơ thể nhân sơ khác

DNA của cơ thể có cấu tạo đặc trưng, số lượng adenine bằng số

lượng thymine và số lượng guanine bằng số lượng cytosine Tỷ lệ

(G+X)/(A+T) là một chỉ số sinh hóa quan trọng giúp phân loại đến giống

và loài trong phân loại sinh hóa (Chemotaxonomy), ví dụ chỉ số Chargaff của Micrococcus luteus là 4 và của Clostridium perfringens là 0,34

3.9 Plasmid

Ngoài các gen nằm trong genophore ra, tế bào vi khuẩn (và một số

loài nấm men) có thể chứa các yếu tố di truyền ngoài thể nhiễm sắc, chúng

có thể tự nhân lên Vì vậy mà năm 1952, Lederberg đã gọi chúng là

plasmid để chỉ tính chất độc lập của chúng với các gen nằm trên thể nhiễm

sắc

Khái niệm vật chất di truyền ngoài thể nhiễm sắc bao gồm DNA của

các ty thể, lục lạp (nếu có), các plasmid, các yếu tố giới tính, các yếu tố

"diệt", một số prophage…

Khoa học đã xác định plasmid có ở rất nhiều loài vi khuẩn như E

coli, các trực khuẩn đường ruột và vi khuẩn Gram âm, tụ cầu khuẩn

Trang 14

Staphylococcus aureus, xạ khuẩn Streptomyces coelicolor và ở Rhizobium melitoli…

Plasmid là phân tử DNA vòng kín 2 mạch, hiếm thấy 2 mạch thẳng,

nằm ngoài thể nhiễm sắc, có kích thước nhỏ (bằng khoảng 1/100 thể

nhiễm sắc của vi khuẩn, gần giống một prophage), có khả năng tự nhân

lên độc lập với tế bào và chúng được phân sang các tế bào con khi nhân

lên cùng với sự nhân lên của tế bào Các plasmid có thể tăng lên hoặc

giảm đi khi có yếu tố bất lợi như nhiệt độ, thuốc màu, kháng sinh, các chất

dinh dưỡng… Các plasmid có thể ở trạng thái cài vào thể nhiễm sắc, có

khả năng tiếp hợp hoặc không tiếp hợp, có thể có một hoặc nhiều bản sao cùng loại ngay trong một tế bào vi khuẩn

Các plasmid không phải là yếu tố nhất thiết phải có đối với sự sống

tế bào, nhưng khi có mặt, chúng đem lại cho tế bào nhiều đặc tính chọn lọc quý giá như có thêm khả năng phân giải một số hợp chất, chống chịu với nhiệt độ bất lợi, chống chịu với các kháng sinh… Thường thì các plasmid nhân lên khi tế bào nhân lên hay tế bào tiếp hợp, nhưng không có

nghĩa sự nhân lên của plasmid phụ thuộc vào sự nhân lên của tế bào trong

trương hợp cùng nhân lên, chắc phải có cơ chế kiểm soát đảm bảo đồng thời sự nhân lên, số lượng bản sao và sự phân chia đồng đều các bản sao cho hai tế bào con, cho đến nay cơ chế này còn chưa sáng tỏ Có những

plasmid có thể chuyển từ tế bào cho sang tế bào nhận nhờ tiếp hợp (tiếp

hợp được), ngược lại có plasmid không tiếp hợp được Các plasmid qua tụ

cầu khuẩn Staphylococcus chỉ có thể chuyển sang tế bào nhận nhờ tải nạp

Một số plasmid (ví dụ yếu tố giới tính F) có thể xâm nhập vào thể nhiễm sắc ở vị trí đặc biệt có trật tự nucleotide bổ trợ với đoạn nucleotide trên plasmid, những site như vậy gọi là những yếu tố gia nhập (IS), những

IS này gồm khoảng 1000bp và thấy ở E coli như IS 1 (768bp) và IS 2

(1327bp) Như vậy, các yếu tố gia nhập (yếu tố điền vào - IS) là đoạn

nucleotide nhỏ (700 - 1500bp) thường chỉ mã hóa sự chuyển vị

(transposition) (tạo ra các site - tự cắt đứt trước của DNA)

Các yếu tố di truyền vận động (Transposon - Tn) là những đoạn

nucleotide dài hơn (vài ngàn đến vài vạn bp) mã hóa khả năng thay

đổi tính chất (như chống chịu) thường định vị bên cạnh IS Các gen vận động này có thể di chuyển trong nôi bộ một thể nhiễm sắc hoặc giưa các thể nhiễm sắc Các yếu tố Tn thấy ở E.coli như Tn5 (5700bp)

chống chịu Kanamycine, Tn681 (2100bp) sinh độc tố ruột, Tn2571 (23000bp) chống chịu Chloramphenicol, Tn3 (4597bp) chống chịu

Ampicillin Tần số của sự chuyển vị (Transposition) cũng như tần số

của các đột biến tự phát ngẫu nhiên (10-5 - 10-7)

Trang 15

3.10 Tiên mao (Flagelles), tiêm mao (Cils) và nhung mao (Pili)

Tiên mao thường thấy ở Vibrio, Spirillum và nhiều loài vi khuẩn

Gram âm Số lượng tiên mao có thể từ 1 - 30 sợi tùy thuộc vào loài vi khuẩn Một tiên mao có chiều dài từ 6 - 30μm và đường kính 10 -

30nm (12nm ở Proteus, 20 - 25nm ở Vibrio và Pseudomonas) Khi

tiên mao ngắn thì người ta thường gọi là tiêm mao Tiên mao có cấu

tạo từ một loại protein gần với Keratin mà người ta gọi là flagelline,

protein có trọng lượng phân tử khoảng 40.000 (trong đó có các acid

amin chủ yếu là arginine, lysine, acid aspartic, acid glutamic và

tyrosine), những protein này có tính kháng nguyên (H, kháng nguyên

ứng nhiệt)

Tiên mao giúp cho vi khuẩn chuyển động, khi vi khuẩn di động tiên mao xoáy vào nước hoặc môi trường lỏng (có thể tới 100 vòng trong 1 giây), trong khi tiêm mao chuyển động như que gạt Mặc dù vậy, trong vi sinh học người ta thường dùng tiên mao và tiêm mao với

cùng một nghĩa, chúng khác với nhung mao (pili) là những sợi mảnh

và ngắn hơn nhiều, thường có xung quanh tế bào Gram âm và ít thấy ở

tế bào vi khuẩn Gram dương Người ta chia nhung mao (pili hoặc

fimbria) làm 2 loại: loại nhung mao phổ thông (Type I) và loại nhung mao giới tính (Type II) Loại nhung mao phổ thông phân bố với số

lượng lớn trên bề mặt tế bào vi khuẩn (vài trăm), người ta cho rằng loại nhung mao này có liên quan đến tính chất kết dinh máu của vi khuẩn, loại nhung mao này ngắn hơn nhung mao giới tính (loại II có thể dài tới 10μm), số lượng nhung mao giới tính rất ít, khoảng 1 - 4, ở đầu cùng có chổ phình ra, nhung mao loai II có vai trò quan trọng

trong quá trình tiếp hợp (conjugation) giữa 2 tế bào vi khuẩn

Trong số các sợi (tiêm mao và nhung mao) trên bề mặt tế bào vi khuẩn thì tiên mao được nghiên cứu kỹ hơn và người ta chia chúng

làm 2 nhóm phân bố: phân bố ở cực (polaire) và phân bố xung quanh (peritriche)

Sự chuyển động của tế bào vi khuẩn có thể đạt tới 10μm/s (tức

là trong 1 giây vi khuẩn có thể đi được khoảng cách dài gấp 10 lần nó) nên đòi hỏi một năng lượng rất lớn (khoảng 2% năng lượng trao đổi chất của tế bào) Bộ máy xoay tiên mao ở gốc nằm trong màng sinh

Trang 16

chất và thành tế bào gồm 2 vành khuyên, vành trong gồm 16 đơn phần

protein có thể dịch chuyển rất nhanh nhờ dòng proton (H+) đi vào Cách sắp xếp tiên mao là một tiêu chuẩn trong phân loại hình

thái (Morphology taxonomy) vi khuẩn:

- Đơn mao ở cực (Monotriche polaire hay parapolaire) đặc trưng cho nhiều loài Vibrio hoặc chùm mao ở cực (Lophotriche) đặc trung cho nhiều loài Pseudomonas, Chromatium và Thiospirillum

- Lưỡng cực (Amphitriche hay Cephalotriche) có thể chùm mao ở lưỡng cực như các loài Spirillum

- Chu mao (Peritriche) hay tiên mao sắp xếp xung quanh thân tế bào

vi khuẩn đặc trưng cho nhiều loài Prote

3.11 Nội bào tử vi khuẩn (Endospores)

Một số vi khuẩn ở cuối giai đoạn sinh trưởng, khi chất dinh dưỡng ở môi trường cạn kiệt và chất qua trao đổi độc hại quá nhiều, hoặc do có sự thay đổi đột ngột các điều kiện sinh trưởng có khả năng hình thành bào tử

ở bên trong tế bào, được gọi là nội bào tử (endospores) Mỗi tế bào vi

khuẩn chỉ tạo một nội bào tử nên loại bào tử này không phải là bào tử sinh

sản, khác với các loại đính bào tử (conidiospores), bào tử túi (ascospores) hay bào tử đảm (basidiospores) ở nhiều loài nấm, chúng là những bào tử

sinh sản vô tính hay hữu tính

Những vi khuẩn có khả năng hình thành nội bào tử gồm nhiều loài

thuộc các giống Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporosarcina,

Sporolactobacillus, Thermoactinomyces

Vỏ bào tử đặc trưng bằng sự có mặt của acid dipicolinic (dưới dạng

dipicolinate calcium), hợp chất này có thể chiếm tới 10 - 15% trọng lượng

khô của bào tử Vai trò của hợp chất dipicolinate calcium làm cho bào tử

chống chịu được nhiệt độ cao, khi thí nghiệm người ta đã thay calcium bằng strontium thì khả năng chịu nhiệt của bào tử thu được kém đi

Một hợp chất khác của vỏ bào tử mới tìm thấy là acid