Giáo trình Vi sinh vật học công nghiệp - Dùng cho sinh viên ngành sinh học, Công nghệ sinh học, Công nghệ thực phẩm, Môi trường... các trường đại học và cao đẳng

Có thể nói, khó có thể tìm ra một lĩnh vực nào của công nghệ sinh học lại không liên quan đến hoạt động của Người ta phân biệt công nghệ sinh học hiện đại với ví sinh vật học công nghiệ

CÔNG NGHIỆP -

@ DÙNG CHO SINH VIÊN NGANH SINH HOC, CONG NGHE SINH HOC,

CONG NGHE THUC PHAM,

THU VIEN DAI Hoc THUY SAN ff TRUONG

Kiểu Hữu Ảnh

GIÁO TRÌNH

VI SINH VẬT HỌC

CÔNG NGHIỆP

Dùng cho sinh viên ngành Sinh học, Công nghệ sinh học,

Công nghệ thực phẩm, Môi trường các trường đại học và

cao đẳng

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

HÀ NỘI

\

hố

Vi sinh vật học công nghiệp là một môn học bắt buộc nằm trong chương trình đào tạo cử nhân và thạc sĩ chuyên ngành vì sinh vật học, từ nhiều thập kỷ nay đã được giảng dạy tại Khoa Sinh học, Trường Đại học Tổng hợp Hà Nội (trước đây) và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội ngày nay Do tính chất đào tạo

đột trường khoa học cơ bản, giáo trình thiên về việc truyền đạt các kiến thức về cơ sở

hoá sinh của các quá trình sản xuất công nghiệp do các nhóm vì sinh vật khác nhau thực hiện, và trong những năm vừa qua tài liệu tham khảo chính dành cho môn học này

là các sách giáo khoa của H.J Rehm (1980), W, Fritsche (1978, bản dịch tiếng Việt 1983), J Bu’Lock & B Kristiansen (1987) va H Schlegel (1992)

Do sự ra đời của ngành công nghệ sinh học và yêu câu của khung đào tạo mới,

chúng tôi tập hợp một số tài liệu xuất bản trong những năm gân đây nhất về lĩnh vực vì

sinh vật học công nghiệp để viết lên giáo trình này nhằm đáp ứng kịp thời yêu cầu của sinh viên và học viên cao học Mặc dâu mục tiêu cơ bản của cuốn sách vẫn không vượt

ra khỏi khuôn khổ củu một giáo trùnh khoa học cơ bẩn song các kiến thức về công nghệ

có phần nào được chú trọng hơn Để nội dung cuốn sách có thể tập trung vào một số

thành tựu mới, những kiến thúc cơ bản đã được để cập đến trong tài liệu của W

Eritschè sẽ không được nhắc lại ở đây Tuy nhiên, các kiến thức đó cân được coi là một

bộ phận không thể thiếu được của giáo trình này Phần bài tập cơ sở, cùng với các bài

tập đề ra ở cuối mỗi chương, là những kiến thức tối thiểu sinh viên cần nắn: được để có thể hiểu sân về các quá trình sản xuất công nghiệp

Giáo sư Nguyễn Lân Dũng và Giáo sư Nguyễn Đình Quyến đã cung cấp nhiều

tài liệu có giá trị trong quá trình hoàn thành cuốn sách này Tác giả xin bày tổ lòng cẩm ơn chân thành tới các giáo sự về những sự giúp đỡ quý báu đó

Hà Nội, tháng Tư năm 1999

Tác giả

Eời giới thiệu

gay nay Không còn ai ngíi ngờ rằng công nghé sinh hoc (Biotechnology) da tro thank một

trong những ngành Kloa học mũi nhọn có tác động to lồn đến đời sống con người Lrong thế kỷ thứ

21 Không chi cung cap hang loat san phẩm cẩn cho dinh dudng hodc diéu tri bénh cua ngubs, dong vat, thuc vat, cong nghé sink hoc con cho ta các chế phẩm liữu ñiệu fim giam nhe nan 6 nfaém méi trường toàn cẩu - một thám lipa có thé của nhân loại trong thé ky toi Hon hic ndo hét, ching ta

nhớ đến câu nói của £ Pasteur :"Messieurs, c'est les microbes, qui auront le dernier mot" (Thưa các

ngài, chính vi sinh vat la Ký sẽ có lời nói cuối cùng) Béi vi, chi vi sink tật, với hoạt tính phong phú, đa dạng uả liệu quả mới là Ký đồng uai trò quyết định: cho công nghé sinh học

4i suy ngÑĩ nÑư vậy, tôi rất vui mung vd han hanh được giới thiệu gido trinh Vi sink vat hoc cong nghiép cia PIS Kiểu Hitu Anh La mét cin 6ộ giảng đạy vd một nhà Ktoa hoc cia B6 môn +Ä sinh uật học, Khoa Sinh lọc, Trường ®Đạt học Khoa lọc Tự nhién (Dai hoc Téng hop Ha

Noi trude day), tde gid da cb nhiéu ndm gidng day va nghién citu trong fink vuc vi sinh vat hoc céng nghiép (cng nghé sinh hoc vi sinh vat ngày nay) Giáo trình gốm liêu liết các tấn để liên quan đến

công nghệ sinh hoc vi sink vat tham khảo từ các tải liệu rất mới của một số nhà KÍoa học nước ngodi co uy tin trong fink vuc Kể trên

Cũng xịn nói rằng, năm 1983, chính tác giả là người đã địc: cuốn 'Co sé hoa sinh cla vi

-_ sinÑ: tật học công nghiệp" của 'WU Œritscie (1978) ra tiếng %lệt Cuốn sdch chuia cdc kién thuic co ban

ciia vi sinh vat hoc cong nghiép md méi sinh vién vé chuyén nganh vi sinh vat hoc can biét Nhimg Kiến thức đó tuy Không được tác giả nhắc lại trong cuốn sách này song van được coi là một bộ phận Không thế thiếu được của giáo trình “Vĩ sinh vật học công nghiép

Khong chi cé n6i dung phong phi, hién dai uà xúc tích, giáo trình Vi sink vat hoc céng nghiép cia PTS Kiéu Hitu Ank được viết rất sáng súa, để ñiểu, các thuật ngữ chuyên tôn đùng thống nhất, hợp lý, tên Kặoa học của các tỉ sinh vật viết chuẩn xác

RG ràng, cuốn sách sẽ rất 6ổ ích Kông nhitng cho cdc can bộ giảng day, các nhà nghiên cứu

va sinh oiên chuyên nganh vi sinh vat hoc md con can thiét cho nhitng ai muốn tìm hiéu mét số ấn

dé Gién quan dén cong nghé sinh hoc noi chung

Ha Not, ngay 6 thắng Tư năm 1999

GS PTS Nguyén Dinh Quyén Nguyên Chủ nhiệm Bộ môn Vi sinh vật học - Khoa Sinh học

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

Adenozin triphotphat Chat khang sinh Coenzim A Dihidroaxetonphotphat Trạng thái tích lũy năng lượng Eritrozo-4-photphat

Entner-Doudoroff Fructozo-6-photphat Flavin adenin dinucleotit Glucozo-6-photphat Glixeraldehitphotphat 2-Keto-3-deoxi-6-photphogluconat Nicotinamit ađenin đinucleotit dạng oxi hóa Nicotinamit ađenin đinucleotit đạng khử Nicotinamit ađenin đinucleotit photphat dạng oxi hóa Nicotinamit ađenin đinucleotit photphat dạng khử N-axetylglucozamin

Axit N-axetylmuramic Pentozophotphat

Ribulozo-1,5-biphotphat

Ribozo-5-photphat Ribulozo-5-photphat Sedohetulozo-7-photphat

Transaldolaza -

Transketolaza

Xilulozo-5-photphat

Chương một

SU PHAN LOAI

SAN PHAM

1.1 Các giai đoạn phát triển

Trong những năm gần đây, thuật ngữ "công nghệ sinh hoc” (biotechnology)

được sử dụng rất rộng rãi, vậy thực chất công nghệ sinh học là gì ? Có thể nêu ra đây

định nghĩa khái quát nhất về môn khoa học này như sau : "Công nghệ sinh học, đó là sự

sử dụng các kết quả khoa học mũi nhọn nhất của sinh học phân tử và sinh học tế bào

như là một công cụ kỹ thuật để giải quyết các vấn để rất thường nhật của xã hội loài

người : trồng trọt, chãn nuôi, định dưỡng, sức khỏe, môi trường và năng lượng" Như

vậy xét cho cùng, từ ngữ tuy có vẻ mới song nội dung lại là những vấn để quá quen thuộc Bởi vì, ngay từ khi mới xuất hiện, loài người đã biết sử dụng các quá trình lên men, đã biết chọn giống gia súc và cây trồng

Cũng theo cách định nghĩa trên thì bộ môn ví sinh vật học công nghiệp chiếm

một vai trò hết sức trọng yếu trong ngành công nghệ sinh học Có thể nói, khó có thể

tìm ra một lĩnh vực nào của công nghệ sinh học lại không liên quan đến hoạt động của

Người ta phân biệt công nghệ sinh học hiện đại với ví sinh vật học công nghiệp

truyền thống, tức là với giai đoạn con người sản xuất các sản phẩm lên men nhờ vi sinh

vật khi còn chưa nhận thức được sự tồn tại của chúng trong tự nhiên Sự phát triển của công nghệ sinh học vi sinh vật hiện dai, hay vi sinh vat hoc công nghiệp hiện đại, được

chia thành ba giai đoạn : gi¿/ đoạn Ý, tính đến nửa sau của thế kỷ 19, bao gồm các công trình của Pasteur về lên men và học thuyết về mầm bệnh, sự phát triển của sinh hoá học với các kiến thức về trao đổi chất trung gian, sự làm chủ ngày càng nhiều đối với các enzim ; giai đoạn 2, tính đến giữa thế kỷ 20, bao gồm sự xuất hiện của các chất kháng

sinh, những tiến bộ về di truyền học trong việc chọn lọc các thể đột biến vi khuẩn và sự phát triển của các quá trình lên men liên tục, và gia? đoạn hiện tại được đặc trưng bởi sự phát hiện ra các enzim giới hạn và các plasmit với sự đưa các gen lạ mang lệnh sản xuất

các protein đặc biệt vào một cơ thể đã trở thành một phương pháp thông dụng và sự

kiểm soát ngày càng tốt hơn sự biểu hiện của các gen này.

Aspergillus, Candida

Lactobacillus, Bacillus Xanthomonas Acetobacter

Corynehactertum,

Arthrobacter, Brevibacterium

Corynebacterium

Saecharomyces Clostridium Clostridium Aspergillus,

Gluconobacter

Nam men

Klebsiella, Acetobacter, Leuconostoc Bacillus

thuringiensis

Ri dudng Glucoza, đầu ngô

Axit deoxicolic

Ri đường Dich duong sita, lõi ngô, hạt bông;

maltoza, glucoza, saccaroza

Môi trường chứa glucoza

Nguồn ctilen, etanol

Rỉ đường, nguồn tỉnh bột

Cazein

Cu cai đường, mia,

hòa tháo, gỗ, chất thải

Rỉ đường, tính bột

Rỉ đường, tỉnh bột Cao ngô, nguôn glucoza bất kỳ Sản phẩm phụ của lên men rượu Glucoza, ri duéng, saccaroza

Axit hóa đồ uống nhẹ làm

mứt, kẹo, bảo quản cá

Axit hóa đồ nồng nhẹ, làm

mứt, kẹo, bảo quản cá

Chất làm bên thực phẩm Axit hóa thực phẩm Bột ngọt

Chất bổ sung thực phẩm

Gazohol Dung môi cho sơn, nhựa,

caosu

Bột nở, dược phẩm Thuốc nổ

Chất hấp phụ, chữa bóng, chất làm bền kem kẹo, xiro Đấu tranh sinh học chống côn trùng, đóng vật hại

Ví sinh vật học công nghiệp 9

1.2 Hai phương pháp phán loại sản pham

Theo Brock (1995), các sản phẩm vì sinh vật có ý nghĩa công nghiệp được phan thành năm loại chính :

vị sinh vật như là các sản phẩm còng nghiệp với lý do là hàm lượng protein trong vi sinh vật thường cao và thường được quan tâm nhất về mát thương mại Còn "giống khởi động” (starter culttre) là các sản phẩm công nghiệp trong đó bản thân các tế bào vi sinh vật được sử dụng làm nguyên liệu cấy Chẳng hạn vi khuẩn thuộc các chi Rhizobium va Bradyrhizobium được dùng để cấy lên các hạt đậu nhằm kích thích sự tạo thành các nốt sân cố định nitơ, hoặc các giống ví khuẩn lactic được bán

ra dưới dạng các nguyên liệu cấy (Inoculants) để sản xuất các sản phẩm sữa lên men

và xúc xích

Các enzi đo vị sinh vật tạo nên , Nhiều enzim quan trọng có ý nghĩa thương mại

đã được sản xuất ở quy mô lớn nhờ vị sinh vật, bao gồm các cnzim phân giải tình bột (các amilaza), các enzim phân giải protein (các pro(€a⁄4, rennin), và các enzim phân giải chất béo (các lipaza) Một enzim quan trọng về mặt công nghiệp là gluco- izomeraza được sử dụng với số lượng lớn để sản xuất fructoza có độ ngọt cao hơn glucoza Mot enzim vị sinh vật quan trọng khác là penixiin-axilaza được sử dụng trong công nghiệp sản xuất các penixilin bán tổng hợp

Các dược phẩm thuộc về một trong những sẵn nhẩm công nghiệp quan trọng nhất Các chất kháng sinh và các alcaloit nằm trong nhóm các sản phẩm bậc hai Đó là các hợp chất không được tạo thành trong pha sinh trưởng đầu tiên mà vào lúc sinh

trưởng đã bước vào pha cân bằng Việc hiểu biết bản chất của sự trao đối chất bậc

hai có tầm quan trọng trong việc phát triển các quá trình sản xuất mới Cũng chính trong ngành dược phẩm là nơi một số sự thành tựu quan trọng nhất của công nghệ đi truyền đã được ứng dụng, mặc dầu đa số trong các tiến bộ này không có liên quan gì đến các chất kháng sinh mà chỉ liên quan đến các protein đặc biệt có ý nghĩa y học (xem phần 1.4.)

Các hoá chất đặc biệt và các chất điển vị thực phẩm gồm các axit amin mà một số được sản xuất rất kinh tế bằng con đường vị sinh vật Bột ngọt nhân tạo aspactam 1a một đipeptit giữa axit aspactic và phenylalanin, ca hai axit amin nay đều được sản xuất bằng con đường lên men vi sinh vật Các axit amin khác cũng được sản xuất

bằng con đường này là : axIH glufarnc, zin và triptophan Một số vitamin cũng

được sản xuất bằng con đường vi sinh vat, d6 1A riboflavin, vitamin B,, va axit ascocbic (vitamin C)

Các hoá chất thông dụng là những hoá chất có giá thành thấp và do vày được bán ra với số lượng lớn Các hoá chất này thường được dùng làm nguyên liệu Khởi đầu đẻ tổng hợp hoá học các phân tử phức tạp hơn Các hoá chất thông dung được sản xuất bằng con đường vị sinh vật bao gồm etanol, axit axetic, axit lactic va glixcrol Trong

10 Su phan loai san pham

số này, etanol là sản phẩm quan trọng nhất Etanol được sản xuất nhờ nấm men, bọn

này có thể tạo ra một sản lượng cao etanol và CO, từ đường, nói chung lên tới trên 90% Etanol thu được nhờ lên men đến nay đã được sử dụng cho cả hai mục đích : làm nguyên liệu tổng hợp hoá học và làm nhiên liệu chạy các động cơ (gazohol) Bảng 1.2 Các enzim công nghiệp và ứng dụng

Micrococcus, Aspergillus Aspergillus, Trichoderma Candida

Aspergillus

Nhiéu loui vi khudn

Streptomyces Rhizopus

Aspergillus, Sclerotina Bacillus

Aspergillus, Bacillus, Streptomyces Ý Mucor

Streptococcus Streptococcus

Ung dung chinh

Bổ sung vào bột, công nghiệp dệt,

trợ giúp tiêu hóa

trong phẫu thuật

Loại lông trong công nghiệp da Trợ giúp tiêu hóa, tạo hương thom cho phomat và sản phẩm sữa Lam trong vang, dấm,bia, dịch quả Loại penixilin trong nghiên cứu Làm trong sake, chế biến thịt, loại

gelatin, thu hồi bạc Làm đông sữa trong sản xuất

phomat Tiêu cục máu đông, làm loãng máu

Làm lành các vết thương, vết bỏng

Khác với sự phân chia sản phẩm mang tính thương mại này, sự phân loại sản

phẩm theo sinh lý trao đổi chất của vi sinh vật chia các sản phẩm của vi sinh vật công

nghiệp thành ba loại (Fritsche, 1978):

1 Vat chat té bào (sinh khối) bao gồm các loại protein đơn bào và các loại giống khởi động như men bánh mì, các vi khuẩn lactic v.v

2 Các sản phẩm trao đổi chất bao gồm :

a Các sản phẩm cuối cùng của trao đối năng lượng (các sản phẩm lên men),ví

du etanol, axit lactic, metan, axeton-butanol

b Các chất trao đổi bậc một, ví du axit amin, nucleotit, vitamin, axit xitric

Vi sinh vật học công nghiệp li

c Các chất trao đổi bậc hai, ví dụ chất kháng sinh, alcaloit, giberelin

d Cac enzim , vi du các enzIim ngoại bao nhu proteaza, amilaza ; cdc enzim noi bao nhu asparaginaza, penixilinaza

3 Các sản phẩm chuyển hoá bao gồm các steroit và các sản phẩm của sự ox) hoá không hoàn toàn như sự tạo thành axit axetc và socbo¿a

1.3 Sinh trưởng và sự tạo thành sản phẩm trong các quá trình công nghicp

Quá trình sinh trưởng của vị sinh vật diễn ra theo các giai đoạn khác nhau được gọi là pha tiểm phát, pha logarH, pha cân bằng và pha suy vong Khi nghiên cứu quá trình sinh trưởng của vị sinh vật tồn tại trong một quá trình công nghiệp, người ta chú ý

trước hết đến các quá trình trong đó sản phẩm mong muốn là một sản phẩm trao đổi

chất của vi sinh vật Có hai loại chất trao đổi chủ yếu được gọi là sản phẩm bậc một và sản phẩm bậc hai Một chất trao đổi bậc một là một chất được tạo thành trong pha sinh trưởng đầu tiên của vi sinh vật trong khi một chất trao đối bậc hai là một chất được tạo thành gần vào lúc kết thúc của pha sinh trưởng, thường là vào gần hoặc vào chính pha

cân bằng

Trong khi trao đổi chất bậc một nói chung là giống nhau ở tất cả các tế bào, trao đổi chất bậc hai có sự khác biệt rõ rệt các cơ thể khác nhau Sau đây là những đặc điểm chính của trao đổi chất bậc hai :

1 Méi san pham bac hai chỉ được tạo thành bởi một số tương đối ít cơ thể

2 Các sản phẩm bậc hai hình như không phải là không thể thiếu đối với quá trình sinh trưởng và sinh sản của cơ thể sinh ra nó

3 Sự tạo thành các sản phẩm bậc hai cực kỳ lệ thuộc vào các điều kiện sinh trưởng, đặc biệt là vào thành phần của môi trường Kiểm chế sự tạo thành các sản phẩm

bậc hai là hiện tượng rất thường gặp

4 Cac san phẩm bậc hai thường được tạo thành dưới dạng một nhóm các chất có cấu trúc rất gần gũi Chẳng hạn, một chủng đơn độc của một loài thuộc chỉ Streptomyces da san sinh ra 32 chat khang sinh antraxiclin khac nhau nhưng có cấu trúc gần giống nhau

5 Thường có thể nhận được sự tổng hợp thừa &hác rhường một sản phẩm bậc hai nào đó, trong khi các sản phẩm bậc một, do có liên quan đến trao đổi chất bậc một (tức là đến sinh trưởng), thường không được tổng hợp thừa ở mức độ lớn đến như vậy

Trong trao đổi chất bậc hai có hai pha trao đổi chất khác biệt nhau được gọi là

pha sinh trong (trophophase) và pha san vit (diophase) Nếu chúng ta định sản xuất

các sản phẩm bậc hai thì chúng ta phải đảm bảo rằng các điều kiện thích hợp cần dược

tạo ra trong pha đầu để sinh trưởng diễn ra tối ưu và các điều kiện phải được thay đổi"

đúng lúc để sự tạo thành sản phẩm có thể diễn ra tối ưu

Trong trao đổi chất bậc hai, sản phẩm mong muốn có thể không bắt nguồn từ cơ chất sinh trưởng ban đầu mà từ một sản phẩm được tạo thành từ cơ châ ụ sinh trương bạn đầu Như vậy nói chung sản phẩm bậc hai được sinh ra từ một số sản phẩm trung gian tích luỹ trong môi trường nuôi cấy hoặc trong tế bào trong quá trình trao đội chất bậc một,

Một trong các đặc điểm đặc trưng của các chất trao đội bạc hai là các cn¿im

Sự phân loại sản phẩm

tham gia vào sự tạo thành chúng được điều hòa một cách độc lập với các enzim của trao đổi chất bậc một Chẳng hạn, một chất cảm ứng đặc hiệu đã được tìm thấy đổi với sự sản sinh streptomixin, một hợp chất được gọi là nhân tố A (xem chương 6)

1.4 Kỹ nghệ di truyền vì sinh vật và công nghệ sinh học

Gần đây, các nhà sinh vật rất say sưa với việc tách dòng gen của Abraham Lincoln cũng như của voi mamut Siberi bị đông lạnh đã 40 nghìn năm hoặc của một xác ướp Aicập đã 4000 năm tuổi Họ đang bị lôi cuốn bởi các ý nghĩ như tạo ra các con lợn

chứa gen của bò và tạo ra các thực vật có thể sản xuất các kháng thể của người Hình ảnh về các con chuột khổng lồ và các mẫu van tay từ ADN nhảy nhót trên các trang báo

và các tạp chí khoa học Trong thế giới vị lai này, các kỹ sư sinh học sẽ làm biến đổi các

thiết kế di truyền và tạo ra các sinh vật hoàn toàn mới mẻ một cach dé dang Viễn cảnh

này đã gây xáo động đến mức một nhóm các nhà khoa học nổi tiếng của Mỹ và các vị

đứng đầu tôn giáo đã phải yêu cầu Quốc hội nước này quy định các điều luật chống lại

sự biến đổi di truyền của trứng và tỉnh trùng ở người, và môi số nhà hoạt động môi

trường đang tìm cách phong tỏa việc đưa các vị sinh vat và thực vật tái tổ hợp vào các hệ sinh thái

Không có một lĩnh vực nào của công nghệ sinh học thực nghiệm lại phát triển nhanh chóng như kỹ nghệ di truyền (genetic engineering = bioengineering = recombinant DNA technology), cũng không có một lĩnh vực nào khác có thể đưa ra

nhiều sản phẩm mới và có ích đến như vậy Hiện tại hàng chục công ty đang tiếp thị 15 loại sản phẩm của kỹ nghệ di truyền và đã mang lại doanh thu 1,5 tỷ đô la vào năm

1991 Nguyên lý cơ bản của kỹ nghệ này là thao tác có định hướng và có chủ ý (đưa vào

hoặc loại bỏ) ADN và các loại nguyên liệu di truyền khác nhằm làm thay đổi đặc tính di

truyền của các cơ thể sinh vật

Hầu hết các kỹ thuật đều bắt đầu bằng sự lựa chọn một gen mong muốn, tiếp

theo là phân lập nó và cắt nó bằng các enđonucleaza giới hạn Gen này được gắn vào một vectơ tách dòng (plasmit) và sau đó đưa vào một vật chủ, ở đó nó sẽ được dịch mã

1.4.1 Các vì sinh vật tái tổ hợp

Một trong những ứng dụng đầu tiên của kỹ nghệ di truyền là tạo ra một chủng

Pseudomonas syringae Chúng hoang đại của vi khuẩn này thông thường chứa một gen

tạo băng, gen này kích thích sự tạo băng trên các bề mặt lạnh và ẩm Sự biến đổi gen này tạo ra một thể tái tổ hợp có kha nang ngan ngừa sự tạo thành băng Được tạo ra dưới

tên gọi là Frostban, vị khuẩn này đã mang lại một thành công khiêm tốn trong việc chống lại việc tạo thành băng trên các cây dâu tây và khoai tây ngoài đồng ruộng Trong

một thí nghiệm khác, một chủng virut có khả năng diệt sâu do bap cai da được thả vào một thửa ruộng bắp cải Nó đã được thiết kế để có thể tự phá huỷ sau một thời kỳ nhất

định Pseudomonds fluorescens đã được tái tổ hợp với các gen sản sinh chất diệt côn trùng sinh học cua Bucillus thuringiensis Cac vì khuẩn này được thả vào đất, chúng sẽ

bám vào TÊ Và giúp tiêu diệt các côn trùng đang tấn công Mọi sự giải phóng các thể tái tổ hợp vào môi trường đều phải được EPA (Cơ quan Bảo vệ Môi trường) chuẩn y và

Vi sinh vật học công nghiệp 13 được giám sát chặt chẽ Cho đến nay, các nghiên cứu rộng rãi đã cho tha ay các vị sinh vật này không sống sót hoặc sinh sôi trong môi trường và chắc chán khong gay ra nhiều hiểm họa Các virut được thiết kế di truyền đặc biệt có ích trong các ứng dụng y học, chẳng hạn để sản xuất các vacxin

1.4.2 Các thực vật tái tổ hợp

Tham gia vào hầu hết các thao tác của kỹ nghệ di truyền ở thực vật có một loài

vi khuan hap dan, dé 1a Agrobucterium tumefaciens Vi khuan này là một tác nhân gây bệnh tự nhiên ở thực vật, nó xâm nhập vào rễ và tạo nên một khối u được gọi là bệnh mun tan A tumefaciens chứa một pÏlasmit lớn (TỦ, nó được gan vào øenom của các tế bào rễ bị nhiễm khuẩn và làm biến đổi các tế bào này Ngay cả khi các vi khuẩn đã bị chết ở trong khối u thì khối u vẫn tiếp tục phát triển P[lasmit này là một vectơ hoàn hảo

để đưa các gen lạ vào genom thực vật Trong đa số trường hợp, plasmit Tỉ được lấy ra, ghép vào một gen đã được lựa chọn rồi lại đưa tro lai vao Agrobucterium Khi thực vật

bị nhiễm khuẩn, các vì khuẩn tái tổ hợp sẽ tự động chuyển gen mới vào các tế bào rẻ của cây Việc gắn gen theo cách này lúc đầu được tiến hành ở các cây hai lá mầm như khoai tây, cà chua, thuốc lá và bông Cho đến nay, các thực vật tái tổ hợp, hay chuyển

wen, chủ yếu là các cây bông hoặc thuốc lá để kháng với chất diệt cỏ, các thực vật có

khả năng diệt côn trùng, nhiều loài đề kháng với virut và với nấm và một loại cà chua

không chín quá sớm và không bị vỡ khi vận chuyển

1.4.3 Các động vật tái tổ hợp

Không chỉ virut, vi khuẩn, nấm và thực vật mà cả động vật cũng có thể được

thiết kế về mặt di truyền Trong một số điều kiện động vật cũng có thể biểu hiện các gen được gắn nhân tạo nhờ chuyển nhiễm Các động vật đầu tiên được chuyển gen là

những con ruồi giấm mà những khuyết hụt về mầu mắt của chúng đã được sửa chữa nhờ việc đưa các gen bình thường vào trứng khiếm khuyết Chuột là những động vật đặc biệt

dễ bảo trong việc chấp nhận gen theo cách này Phôi của chuột đã thụ tỉnh được cấy các

gen quy định hocmon sinh trưởng của người đã sinh ra các con chuột khổng lô lớn gấp hai so với chuột bình thường Trong mội thí nghiệm khác, các hợp tử của chuột do mang một khiếm khuyết di truyền thường làm cho chúng bị bệnh run, đã được sửa chữa nhờ

chứa gen bình thường mới được đưa vào

Ngành chăn nuôi đã nhanh chóng tiếp thu một số trong các kỹ thuật này Vào năm 1987, phôi lợn đã được cấy bằng gen hocmon sinh trưởng của bò trong một thí nghiệm nhằm làm tăng tốc độ sinh trưởng của lợn và cắt giảm lượng mỡ tạo thành trong khẩu phần thịt Những con lợn đầu tiên đã có ít mỡ hơn, song thật không may, chúng cũng có những vấn đề về sức khoẻ nghiêm trọng: viêm khớp, bệnh tim và bệnh thân

Khuynh hướng gần đây nhất trong các thí nghiệm chuyển gen là thiết Kẻ trứng

đã thụ tỉnh của các động vật nuôi như lợn, cừu với các gen của người Các động vật tái

tổ hợp này sẽ được dùng làm các hệ thống sống để sản sinh ra một lượng lớn các protein

có giá trị của người như hemoglobin, yếu tố đông máu và hocmion

14 Sự phân loại sản phẩm

1.4.4 Liệu pháp gen

Một kết quả của các nghiên cứu với các động vậi chuyển gen là liệu pháp gen,

một phương tiện để thay thế một gen lỗi bằng gen bình thường ở những đứa trẻ sinh ra với các bênh suy nhược cao độ hoặc có thể dẫn tới tử vong Kỹ thuật này sử dụng các vectơ retrovirut vô hại đã bị biến đổi về mặt đi truyền và đã được lắp một gen bình

thường của người Khi được tiếp xúc với vectơ, một số tế bào sẽ tiếp nhận và gắn gen lắp ghép vào một nhiễm sắc thể Liệu pháp này chỉ ra một sự hứa hẹn lớn nhất trong các

bệnh có thể được điều trị bằng phương pháp ghép tuỷ sống Điều này là có thể nếu các

tế bào nguồn, tế bào tiếp nhận gen thay thế này, không những chỉ biểu hiện nó mà còn tiếp tục sao chép nó suốt cuộc đời của bệnh nhân Vì rằng liệu pháp này có thể là một cách giải quyết sống còn đối với những người bị thiếu một gen đơn độc, gần đây người

ta đã tiến hành các thí nghiệm đối với sự suy giảm ADA (một nguyên nhân của bệnh

suy giảm miễn dịch tổ hợp) và đối với sự loạn dưỡng cơ Duchenne Bằng chứng đầu tiên chỉ ra rằng trẻ em được điều trị bằng cách này đã biểu hiện gen tái tổ hợp, song liệu có

chữa được bệnh này một cách lâu dài hay không thì còn chưa biết rõ Trong tương lai liệu pháp này cũng có thể được thí nghiệm để chữa một số bệnh khác như bệnh thiếu

máu hình liềm, bệnh xơ nang và một số khiếm khuyết về di truyền khác

1.4.5 Các ứng dụng khác

Một điều làm cho kỹ nghệ di truyền trở nên đặc biệt hấp dẫn là các kỹ thuật của

nó có thể kết hợp với các kỹ thuật của công nghệ lên men để sản xuất ra những số lượng lớn các chất giống như các chất kháng sinh hay các steroit Hầu hết các protein tái tổ hợp bán trên thị trường hiện nay đều có ích trong y học Sau đây là một số trong các sản

phẩm này :

1 Insulin, chất thay thế hocmon dùng cho những người bị bệnh đái đường

2 Hocmon sinh trưởng của người, được dùng để điều trị những trẻ em bị bệnh

lùn hoặc bệnh già trước tuổi

3 Intecferon, một chất miễn dịch được sử dụng để điều trị một số loại ung thư, viêm gan

4 Intơlokin-2, một chất hoạt hoá tế bào T và B được dùng trong điều trị ung

thư

5 Eritropoettin (EPO), nột chất kích thích các tế bào tủy sống sinh hồng cầu,

dùng để điều trị một số bệnh thiếu máu

6 Nhân tố hạt hoá plasminogen của mô (TPA) một enzim tham gia vào sự làm

tan các cục máu đông

7 Yếu tố VII, một protein đông máu cần cho những người bị bệnh ưa chảy

máu

§ Các vacxin tái tổ hợp cho bệnh viêm gan và viêm màng não do Hemophilus influenzae B gây ra

9 Octoclon, một chất ức chế miễn dịch dùng cho các bệnh nhân ghép

1.4.6 Phép lai các axit nucleic va tng dung

Con lai là con cái của hai bố mẹ không như nhau tức là một sản phẩm sinh ra từ

Vi sinh vật học công nghiệp 15

một hỗn hợp gồm hai chủng Không chỉ có các cơ thể mà cả ADN và và ARN cũng lai được Khi ADN được làm biến tính để tạo thành sợi đơn, dưới các điều kiện có kiểm

soát, nó sẽ tự động hồi tính và sát nhập thành dạng sợi kép bình thường Sở dĩ như vậy

là vì các vị trí bổ sung sẽ tìm ra nhau và lại gần lại với nhau Song điều còn quan trọng hơn là ADN có thể hồi tính và lại với ADN hoặc ARN từ một nguồn khác miễn là có

các vùng bổ sung có thể gắn được Biết được tính chất này của các axit nucleic người ta

đã suy ra rằng các đoạn ADN hay ARN có cấu trúc đã biết có thể được sử dụng để xác

định một trật tự ADN hoặc ARN chưa biết rõ cấu trúc bang cách trộn lẫn chúng với

nhau rồi xác định mức độ lại xảy ra Các đoạn axit nucleic ngắn được dùng để xác định các gen hoặc ARN đó được gọi là các đoạn dò gen

Cúc đoạn đò có nhiều tiểm năng Chúng có thể được dùng để phát hiện một tác

nhân nhiễm khuẩn trong một mẫu bệnh phẩm, để xác định một giống vi khuẩn hay virut

chưa biết, để tìm các đấu chuẩn trên ADN và để thiết lập một bản đồ genom Khi cần phải xác định các cơ thể từ một mẫu chưa biết rõ thì ADN từ mẫu đó sẽ được tách ra, làm biến tính và đặt lên một màng lọc đặc biệt Một đoạn dò ADN có trật tự đã biết sẽ được ủ với mẫu Bất kỳ ở đâu đoạn dò này gặp một đoạn bổ sung với nó, nó sẽ bám vào

và tạo thành một thể lai Phương thức lai sẽ được phát hiện băng phim ảnh hoặc bảng thuốc nhuộm Một phép lai dương tính sẽ được thể hiện qua một hoặc nhiều dải, điều này chỉ ra rằng đoạn đò là đặc hiệu đối với cơ thể có trong mẫu

Các đoạn đò là những phương tiện siêu nhạy và đặc hiệu để xác định vi sinh vật Ngày nay trên thị trường đã có bán các bộ (ki) chấn đoán dùng để xác định các vi khudn gay bénh duong rudt nhu Escherichia coli, Salmonella, Campylobacter, Shigella, Clostridium difficile, cdc rotavirut va cdc adenovirut Ciing da co ban cac doan dò đành cho cac loai Mycobacterium, Legionella, Mycoplasma, Chlamydia va cdc virut hecpet, papiloma, viém gan A va B, va virut gay bệnh AIDS: ngoài ra các đoạn dò đối với một

số cơ thể khác cũng đang được phát triển Các đoạn dò ADN cũng đã được tạo ra cho các dấu chuẩn di truyền ở người và một số loại ung thư

1.4.7 Lấy dấu ADN

Mặc dầu ADN được cấu tạo từ các nucleotIt, song tổ hợp các nucleotit này là đơn nhất đối với từng cơ thể Ngày nay người ta đã có thể áp dụng kỹ thuật ADN mới theo cách có thể phóng đại những sự khác biệt này và đàn hàng toàn bộ genom theo mà

mô hình để có thể so sánh Phương pháp đọc ADN này, được gọi là lấy đấu ADN, một kỹ thuật mới đây hứa hẹn để giải mã cấu trúc di truyền của các sinh vật phức tạp và xác định những mối tương quan di truyền cũng như các bệnh di truyền và thâm chi dé bắt giữ tội phạm Kỹ thuật lấy dấu ADN giữ vai trò quan trọng trong việc xác định phương thức di truyền ở bệnh Huntington, bệnh Alzheimer và sự hoá xơ nang Nó cũng được sử dụng cho nhiều mục đích khác như việc làm sáng tỏ quan hệ cha con, quan hệ

mẹ con, nòi giống của gia súc và tính da dang về di truyền của các động Vật ' được gây giống trong các vườn thú, kiểm tra sự thành công của sự ghép, dự đoán Kha nàng phát triển của khối u và các bệnh đi truyền cũng như xác định vị trí của các gen đột biến, Có thể rằng trong tương lai việc lấy dấu ADN sẽ dược tiến hành đôi với mỗi dứa trẻ sơ sinh

và lưu giữ dưới dạng hồ sơ giống như từ trước tới nay người tạ văn lây dâu chân và dâu

tay để lưu giữ.

16 Sự phân loại sản phẩm

1.4.8 Lập bản đồ đỉ truyền

Lập bản đồ di truyền là quá trình xác định trật tự tương đối và vị trí của cdc gen

trên nhiễm sắc thể của các sinh vật Biết được locuf của mỗi gen sẽ tạo điều kiện để

dang hon cho việc thao tác di truyền, định vị các đột biến hiểu biết về sự kiểm tra đi truyền, và làm sáng tỏ các bệnh đi truyền Hiện nay chỉ có genom của một số virut là đã

được lập bản đồ một cách đầy đủ do tính đơn giản tương đối của chúng Bán đồ gen của

Escherichia coli citing da duoc làm sáng tỏ một phần với sự định vị của trên 900 gen đã

Một trong những viễn cảnh lý thú nhất là việc lập bản đồ gen ở người Khoảng

6500 gen đã được lập bản đồ trên một locut nào đó và một con số lớn hơn thế đã được

tìm thấy trên một vị trí khác của một trong các nhiễm sắc thể Tuy nhiên, đây chỉ là một giọt nước nhỏ của một cái xô đầy nước chứa trên 100000 gen trong thư viện gen Con số này tương đương với 3 tỷ nucleotit Nếu ví thư viện ADN như một quyển sách thì đó sẽ

là một quyển sách dày tới một triệu trang và giống như một cuốn từ điển bách khoa về

con người gồm 23 tập, mỗi tập tương đương với một cặp nhiễm sác thể Với một bản đồ genom của người (người ta dự tính để lập được-bản đồ này phải tốn tới 3 tỷ USD, phải

thực hiện trong một số phòng thí nghiệm và cần ít nhất khoảng IÖ năm) cơ sở di truyền

của 3000 bệnh di truyền rút cuộc sẽ được làm sáng tỏ khi chẩn đoán các khuyết tật di

truyền ở một bào thai Dựa vào bản đồ di truyền của trẻ em có thể tiên đoán được

khuynh hướng nhiễm bệnh của chúng Ngoài ra, việc nắm vững các vị trí chính xác của các khuyết tật di truyền sẽ giúp cho việc sửa chữa chúng hay làm giảm nhẹ chúng nhờ

liệu pháp gen

Vi sinh vật học công nghiệp 17

Bai tap

1 Sắp xếp những sự mô tả ở bên phải sao cho phù hợp với các thuật ngữ ở bên trái :

Kiêu chuyển gen trong đó một tế bào thể nhận nhận các gen từ các phân tứ AND tự do trong môi trường xung quanh

Chuyển nạp a >

Tai nap b Kiéu chuyén gen phụ thuộc vào sự tiếp xúc tế bào-tế bào

Tiếp hợp ce Các gen tồn tại ở cùng một vị trí tương ứng trên nhiễm sắc thể

tương đồng nhưng khác về trạng thái đột biến

Hfr d Kiểu chuyển gen trong đó một phagơ được dùng làm phương tiện

dé mang AND từ ví khuẩn này sang vị khuẩn khác

Alen e Mội tế bào F' trong đó plasmit F được gắn vào nhiễm sắc thể của

tế bào vật chủ

2 Trong một phép lại F'x F: ä) tế bào E” trở thành một tế bào Hít; b) tế bào Fˆ trở thành mội tế bào Hfr : c) tế bào F' trở thành một tế bào F_ : d) tế bào Fˆ trở thành mội tế bào F*; e) các gen nhiễm sắc thể của tế bào F thường được chuyền sang tế bào F

3 Một plasmit có thể làm cho một ví khuẩn san sinh ra một protein gây chết đối với các

vi khuẩn khác cùng loài hoặc thuộc một loài rất gần gũi Protein đó có tên là : a) bacteriophago ; b) bacterioxin ; c) cacxinogen ; histon ; plasmit F

4 Cac plasmit cé quan hé voi tinh khang khang sinh 14 a) plasmit R ; b) plasmit Hfr ; c) plasmit D ; đ) phasmit E” : e) tất ca cic plasmit

5 Plasmit được phân loại thành các nhóm khác nhau dựa trên khả năng cùng tồn tại của chúng trong cùng một tế bào với các phismñ khác,

6 Một tế bào vi khuẩn được xử lý sao cho nó bị mất đi plasmit được gọi là

7 Trong một phép lai Hfr x E, tiếp hợp càng bị gián đoạn lâu, càng được chuyển nhiều sang các tế bào F- Trong phép lai này, tế bào Fˆ luôn luôn tồn tại dưới dạng „ vì rằng tế bào Hr hiếm khi chuyển toàn bộ sợi ADN sang tế bào thể nhận Do vậy tế bào thể nhận thường không nhận được một

8 Công nghệ sinh học là sự sử dụng các kết quả khoa học mũi nhọn nhất của sinh học

phân tử và sinh học tế bào như một công cụ kỹ thuật ứng dụng để giải quyết các vấn đề rất thường nhật của xã hội con người , đó là

đã phát hiện được CO; do nấm men bánh mì tạo ra có thể làm nở bột mì

10, Giai đoạn phát triển đầu tiên của công nghệ sinh học hiện đại được đánh dấu bằng công trình của Pasteur (1878) chứng minh vì sinh vật là tác nhàn của sự lên men, và sau

đó là các công trình của :

18 Su phan loai san pham

- (1886) dùng các chủng nấm men thuần khiết trong sản xuất bia và

TỦ ve (1898) phát hiện ra dịch chiết nấm men có khả nang gay ra qua trình lên men rượu (chứng minh lên men thực chất là một quá trình enzim)

11 Giai đoạn thứ hai của công nghệ sinh học hiện đại được đánh dấu bằng :

12 Giai đoạn hiện tại của công nghệ sinh học được đánh dấu bằng sự phát triển của

công nghệ di truyền với :

- sự phát hiện ra các enzim (cdc con dao cat)

+ Loại sản phẩm mà sự hình thành chúng gắn liền với sinh trưởng, ví dụ

Sự tổng hợp các sản phẩm này xảy ra trong thời gian

+ Loại sản phẩm mà sự hình thành chúng không cần thiết cho sinh trưởng, ví dụ

Sự tổng hợp chúng xảy ra lúc sắp bắt đầu pha sinh trưởng

Giải đoạn trong đó sinh trưởng xảy ra được gọi là pha

" (trophophase)

Giai đoạn trong đó sản phẩm đặc trưng được tạo thành được gọi là pha

Che (idiophase)

16 Năm đặc điểm đặc trưng đối với các sản phẩm bậc hai là :

- Mỗi sản phẩm bậc hai chỉ được tạo thành bởi c cv

- Các sản phẩm bậc hai dường như không cần thiết cho _

- Sự tạo thành các sản phẩm bậc hai phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiến sinh trưởng, đặc biệt là He eerke

- Các sản phẩm bậc hai thường được tạo thành dưới dạng một nhóm các chất

Chuong hai

CAC QUA TRINH

TRAO ĐỔI CHẤT CƠ SỞ

CÓ LIÊN QUAN

2.1 Con đường Embden-Meyerhof

Sự sản sinh năng lượng trao đổi chất từ hidrat cacbon bắt đầu bằng sự đường phân con đường trao đổi chất 10 bước chuyển hóa một phân tử glucoza thành hai phân

tử piruvat đi đôi với sự tạo thành hai phân tử ATP Mười phản ứng giữa glucoza va piruvat có thể được chia thành hai pha Năm phản ứng đầu tạo nên mot pha dau tu nang lượng, trong đó các dường photphat được tổng hợp nhờ vào sự chuyển hóa ATP thành ADP và cơ chất chứa 6C bị phân cất thành hai đường photphat chứa 3C Năm phản ứng cuối tạo nên pha phát sinh năng lượng, ở đây các trioza photphat được chuyển hóa thành

các hợp chất giàu năng lượng, chúng chuyển photphat tới ADP dẫn đến sự tổng hợp

ATP Thu hoạch thực trên mỗi mol glucoza được chuyển hóa là 2 mol ATP va 2 mol piruvat Đồng thời các đương lượng khử dưới dạng NADH cũng được tạo thành

Đường phân là một con đường trao đối chất cổ xưa, chắc chắn đã được sử dụng

bởi các vị khuẩn xuất hiện đầu tiên trên quá đất, khoảng 3 tí rưỡi năm trước day Vi

rằng những vi khuẩn này xuất hiện trước khi các cơ thể quang hợp bất đầu cung cấp O, cho khí quyển khoảng một tỷ năm, quá trình đường phân đã phải hoạt động trong điều kiện hoàn toàn ky khí - không có một sự thay đổi thật sự nào về trạng thái oxi hóa khi

cơ chất được chuyển hóa thành sản phẩm Tuy nhiên sự chuyển hóa glucoza thành

piruvat lai đi đôi với sự khử 2 mol NAD thành NADH Khi con đường này diễn ra trong

điều kiện ky khí, NADH phải được tái oxi hóa thành NAD” nhờ chuyển điện tử của nó

cho một chất nhận điện tử nhằm duy trì một trạng thái ổn định Các ví sinh vật sinh trưởng trong điều kiện ky khí có thé tạo ra năng lượng bố sung bang cách chuyên các

điện tử sang các cơ chất vô cơ như ion sunfaf hay tọn nhrất, hoặc chúng có thể Khử các

chất hữu cơ Đơn giản nhất là con đường được các ví khuẩn lactic sử dụng, chúng dùng NADH dé khử piruvat thành lactat nhờ enzim lactat đchidrogenaza Điều này làm cho đường phân trở thành một bộ phận của lên men vì không có một sự thay đối nào về

20 Các quá trình trao đối chất cơ sở có liên quan trạng thái oxi hóa Lên men lactc có tầm quan trọng trong sản xuất phomat và nhiều sản phẩm sữa khác Tương tự, piruvat bị phân giải thành axctaldehit va CO), sau do axetalđehH bị khử thành etanol, đó là nguyên lý của các quá trình sản xuất các đồ trồng chứa rượu hoặc quá trình làm nở bột mì Các quá trình lên men khác có tầm quan trọng công nghiệp là lên men axeton-butanol lên men butiric, lên men focmic và lên men propionic

Chừng nào con người còn sử đụng nấm men cho quá trình sản xuất bánh mì và nấu rượu bia thì con đường đường phân còn được khai thác kể cả khi người ta chưa hiệu

biết gì về nó Bằng chứng của Pasteur vào năm 1856 cho biết rằng lên men được thực

hiện bởi các vị sinh vật đã được coi là cái mốc quan trọng trong lịch sử khoa học Tuy nhiên vào thời đó người ta vẫn quan niệm rằng một quá trình như lên men glucoza thành etanol là một quá trình quá phức tạp không thể thực hiện được ở bên ngoài tế bào

Nhưng vào năm 1896, các nhà khoa học Đức Hans và Eduard Buchner đã chỉ ra rằng lên men có thể xảy ra trong điều kiện phi tế bào

Vào năm 1905 Arthur Harden va William Young đã tìm thấy răng, photphat vô

cơ, khi được bổ sung vào cao ném men đã kích thích và kéo dài quá trình lên men glucoza Trong quá trình lên men, photphat vô cơ biến khỏi môi trường phản ứng, điều

này dẫn Harden và Young tới giả thiết rằng lên men đã diễn ra qua sự tạo thành một

hoặc nhiều este của đường photphat

Điều này mở ra cánh cửa cho sự xem xét chị tiết các phản ứng hóa học riêng rễ tham gia vào quá trình lên men, một kỳ công được thực hiện ở Đức vào những năm

1930, chủ yếu bởi G Embden, O Meyerhof và O Warburg Trong thực tế, quá trình đường phân thường được gọi là con đường Embden-Meyerhof Các nghiên cứu này đã

mô tả 10 phản ứng khác nhau, giống nhau như đúc ở rất nhiều cơ thể, dan dat tir glucoza

đến piruvat Ngày nay, tất ca các enzim tham gia đều đã được tách ra dưới dạng kết tinh

từ nhiều nguồn khác nhau

Trong pha “dau tu nang lượng” gồm năm phản ứng đầu tiên, đường được hoạt hóa nhờ photphoryl hóa Phan ứng này tạo ra một mo] đường 6C đã được photphoryl

hóa, fructozo-1,6-biphotphat, đường này sau đó được cát thành hai mol trioza photphat

Trong pha "phát sinh năng lượng” (từ phản ứng 6 đến phản ứng 10) các trioza photphat được hoạt hóa tiếp để tạo thành hai hợp chất chứa các liên kết photphat cao

năng - 1,3 biphotphoglixerat và photphoenolpiruvat Cả hai hợp chất này đều có một AỚ” của phản ứng thủy phân cao hơn ATP ; chúng có thể được coi như các hợp chất siêu cao

năng lượng Cả hai hợp chất này sẽ chuyển photphat cao năng cho ADP để tạo thành

ATTP Quá trình này được gọi là sự photphoryl hóa ở mức độ cơ chất - tức là sự sản sinh một

liên kết photphat cao năng được phát động nhờ sự phân giải một cơ chất giàu năng

lượng hơn Sự photphoryl hóa ở mức độ cơ chất khác với sự photphoryl hóa oxi hóa tức là

sự tổng hợp ATP được phát động nhờ sự vận chuyển điện tử và sự photphoryl hóa quang

hợp tức là sự sử dụng năng lượng quang hợp để phát động sự tong hop ATP

Vì rằng 2 mol trioza photphat đã được tạo thành từ một mọi glucoza, thụ hoạch

từ hai lần photphory] hóa ở mức độ cơ chất sẽ là 4 mol ATP trên mol glucoza Trừ đi 2 mol ATP được đầu tư trong pha đầu, thu hoạch thực sẽ là hai phân tử ATP được tạo

thành trên một phân tử glucoza khi được chuyển hóa thành piruvat (hình 2.1) a

Vi sinh vật học công nghiệp

PHA ĐẦU TƯ NÀNG LƯỢNG

Dihidroxiaxcton CÓ =0 photphat “|

H,C-œŒ#

2NADt

Py ¬ “ Ô hat “sieu c: ano”

Bước 6 C VỀ Tạo ra một hợp chất “siêu cáo nang

22 Các quá trình trao đổi chất cơ sở có liên quan

2.2 Con đường pentozophotphat

Con đường pentozo-photphat (PP) là con đường trao đối chất tạo ra ATP cac coenzym dựng kh và các phản trừ nho cần thiết cho sinh tong hợp Con đường này cũng cấp r¡boza cần thiết cho sự tổng hop cdc nucleotit cua ADN, ARN, ATP, NAD" va NADP' Có thể có một số thay đổi trong con duéng nay tuy thude vao nhu cau doi voi

NADPH, ATP và các phân tử tiền chất nhỏ dùng để tổng hợp các cao phân tử

Con đường PP gồm hai pha : pha oxi hóa và pha không oxi hóa

2.2.1 Pha oxi hóa - Sự phát xinh lực khứ dưới dang NADPH

Hai trong ba phản ứng đầu tiên trong con đường này là oxi hóa, mỗi phản ứng

bao gồm sự khử NADP' thành NADPH Phản ứng đầu, dược xúc tác bởi glucozo-6-

photphat đehiđrogenaza, oxi hóa glucozo-6-photphat (G-6-P) thành lacton tương ứng Lacton bị thuỷ phân bởi một lactonaza đặc hiệu thành 6-photphogluconat (6-PG), chất này bị oxi hóa và loại CO, để tạo nên một NADPH khác và một đường pentoza, đó là

ribulozo-5-photphat (Ru-5-P) Kết quả thực của pha oxi hóa là sản sinh ra 2 mol

NADPH, oxi hóa một cacbon thành CO, và tổng hợp một mol pentozo-photphat từ một mol glucozo-6-photphat (hinh 2.2)

2.2.2 Pha không oxi hóa : S86 phan cua cde pentozo-photphat

Ribulozo-5-photphat sau đó được chuyển hóa thành ribozo-5-photphat (Ri-5-P) nho photpho-pentoza izomeraza

Các nhiệm vụ đầu tiên của con đường đã được hoàn thành, đó là sự sản sinh NADPH và ribozo-5-photphat Phương trình cho đến giai đoạn này có thể viết như sau :

Glucozo-6-photphat + 2NADP'+2H' -> Ribozo-S-photpbhat + CO; + 2NADPH

Nhiều tế bào cần NADPH cho sinh tổng hợp các chất khử song không cần nhiều ribuloza đến như vậy Vì vậy, sau đó ribozo-5-photphat sẽ được chuyển hóa tiếp Quá

trình này bao gồm một loạt các phản ứng chuyển hóa đường photphat phức tạp song lại cho ra mội kết quả đơn giản, trong đó ba phân tử đường photphat chứa 5 cacbon được chuyển thành hai đường photphat chứa 6 cacbon và một đường photphat chứa 3 cacbon Các hexoza photphat-vừa được tạo thành sẽ được chuyển hóa tiếp hoặc nhờ quay trở lại

con đường PP hoặc nhờ đường phân Triozophotphat được tạo thành ở đây là glixeralđehit photphat (GAP), một sản phẩm trung gian của con đường đường phân Ba

enzim tham gia vào pha không oxi hóa là photphopentozo epimeraza, transketolaza va transaldolaza

Vi sinh vật học công nghiệp

H?

COO”

H _d —OH HO-¢ —H u— —OH

| H—C—OH

CHạO -®

6-Photphogluconat

Hình 2.2 Pha oxi hóa trong con đường pentozo-photphat

Photphoepimeraza chuyển hóa ribulozo-5-photphat thành epime của nó là xilulozo-5-

24 Các quá trình trao đổi chất cơ sở có liên quan

Một mọi X-5-P phản ứng với một mol R-5-P trong một phản ứng được xúc tác bởi transketolaza (enzim chuyển nhóm glicolalđehit CH,OH-CO-) Enzim này chuyển một đoạn hai cacbon từ X-5-P sang R-5-P để tạo thành một trioza phophat, GAP, và một đường chứa 7C, sedoheptulozo-7-photphat (S-7-P)

Xilulozo-5-photphat Ribozo-5-photphat Glixeraldehit-3-photphat Sedoheprulozo-7-photphat

Tiếp theo, hai sản phẩm của phản ứng transketolaza sẽ tác dụng với nhau dưới sự

xúc tác của transaldolaza (enzim chuyển nhóm đihiđroxiaxeton CH;OH-CO-CHOH-),

trong đó một đơn vị đihiđroxiaxeton chứa 3C sẽ được chuyển từ cơ chất 7C sang cơ chất

43C Sản phẩm sẽ là một đường photphat chứa 4C và một đường photphat chứa 6C theo thứ tự là eritrozo-4-photphat (E-4-P) và fructozo-6-photphat (F-6-P)

Sedoheptulozo-7-photphat Gixeraldehit-3-photphat Entrozo-4-photphat Fructozo-6-photphat

Kết quả thực của hai phản ứng này là chuyển hóa hai đường photphat chứa 5C thành một đường photphat chứa 4C và một đường photphat chứa 6C Và cuối cùng

transketolaza tác động lên một phân tử X-5-P khác, chuyển một đoạn glicolalđehit sang

E-4-P dé tao ra một sản phẩm chứa 3C và một sản phẩm chứa 6C, đó là GAP và F-6-P.

HO-C—H + Hee ~OH Transkctokvit « =H H-C OH

Nilulozo-S-phoiphat [ztio-Ephoxw Ci xerdehit-3-phoiphat Inuctoz-6-phoiphat

Đến lúc này, còn dường chuyến hóa dời hỏi đầu vào là 3 phản tử pmoZophotphid - hai cho phan ứng transketolaza đầu tiên và một cho phản ứng

transketolaza thứ hài Tong ket lai, ba phần tử G-6-P đã trải qua con đường oxi hóa :

3 Glucozo-6-photphat +6NADP" y 3 Pentozo-5-photphat + GNADPH + 6H'+ 3 CÓ;

Và su sap xếp lại của pha không oxi hóa đã dẫn đến sự chuyển hóa bà pentoZo photphat

thanh hai duong photphat chua 6C va mot đường photphat chứa 3C :

3 Pentozo-photphat › 2 EFrucftozo-6-photphaf + Glixeraldehit-3-photphat Như vậy, có thé viết một phương trình cần bảng nhữ sau:

3 Glucozo-6-photphat + 6NADP’ > 2 Fructozo-6-photphat + 3 CO, +

Glixeraldehit-3-photphat + 6 NADPH + 6H’

Theo một cách khác, cũng có thể viết một phương trình cân bằng chỉ ra sự oxi hóa hoàn

toan mot mol hexoza photphat thanh CO, nhu sau :

6 Hexoza-6-photphat + 12 NADP? > 3 Hexoza-6-photphat + 6 CO, + 12 NADPH +

1a

Số phân thực sự của các đường pholphat phụ thuộc vào nhụ cầu trao đối chất của tế bào

Nếu nhụ cầu đầu tiên là đành cho sự tổng hop nucleotit thy san phẩm chú yếu sẽ là

ribozo-5-photphat và hấu hết những sự tái sắp xếp trong pha không ðxi hóa sẽ không

xảy ra Nếu nhụ cầu đâu tiên là để sản sinh lực khử NADPH thì pha khong oxi hóa sẽ

tạo ra các hợp chất có thể đẻ đàng được chuyến hóa trở lại thành glucozo-6-photphat

đành cho bước chuyển hóa tiếp theo nhờ pha oxi hóa Theo cách này, các vòng lặp lại

của chủ trình cuối cùng sẽ dân đến sự oxi hóa hoàn toàn glucozo-6-photphat thanh CO,

và nước Con đường PP có hai chức năng chủ yếu :

L) cung cấp NADPH cho sự sinh tổng hợp các sản phẩm khử và 2) cùng cap ribozo-5-P cho su tong hop nucleotit va axit nucleic

Ngoài ra, con đường còn hoạt động để phân huy các đường pentoza trong khấu phần

thức an, bat nguồn trước hết từ sự tiều hóa các axit nucleic, Ở thực Vật, ngược lại một

phần của con đường PP hoạt động như một bộ phần của quá trình cố định cacbon trong

26

Các quá trình trao đổi chất cơ sở có liên quan

mà chức năng đầu tiên của nó là oxi hóa cơ chất sẽ sử dụng cặp NAD/NADH trong khi các enzim hoạt động trước hết theo hướng khử sẽ sử dụng NADP' và NADPH Vì NADPH duoc sti dụng cho sinh tổng hợp axit béo và steroit, các tổ chức như tuyến thượng thận, gan, mô mỡ và tuyến vú rất giàu các enzim của con đường PP NADPH cũng là nguồn điện tử cuối cùng cho sự khử các ribonucleotit thành các dezoxiribonucleotit dé tổng hợp ADN, cho nên các tế bào sinh trưởng mạnh thường có hoạt tính của các enzim của con đường PP cao,

2.3 Con đường Entner-Doudoroff

Con đường Entiner-Doudoroff trong sự phân giải glucoza là một con đường chọn lựa (alternative) được nhiều vi khuẩn thật (eubacteria) hiếu khí, như các loài Pseudomonas st dung Phương trình tỉnh giản của con đường Entner-Doudoroff là:

Glucoza + 2 NADP' + ADP —> 2 Piruyat + 2 NADPH + ATP Các vị khuẩn thật thực hiện con đường Entner-Doudoroff thiếu enzim chìa khóa của con đường Embden-Meyerhof là enzim 0-photnholructokiidza Trong con đường Entner-Doudoroff, glucozo-6-photphat bị oxi hóa thành 6-photphogluconat rồi sau đó được chuyển hóa thành 2-keto-3-đeoxi-6-phophogluconat (KDPG) KDPG sau dé duoc phan cat truc tiép thanh glixeraldehit-3-phophat va piruvat Do piruvat được tạo thành một cách trực tiếp, một số bước phat sinh ATP bi bo qua Sự phân giải glucoza theo con

đường Entner-DoudoroffF chỉ tạo nên một phân tử ATP từ mội phan te glucoza vi

glucozo-6-photphat bị oxi hóa thành piruvat trước khi bị aldolaza phân giải

Một sự khác biệt nữa giữa hai con đường Entner-Doudoroff va Embden- Meyerhof nam ở chỗ lực khử là NADPH được tạo ra từ NADP chứ không phải là NADH từ NAD NADPH là đạng photphorin hóa của NADH Như đã nói ở trên, NAD'

và đạng khử NADH của nó thường được sử dụng trong các phản ứng trao đổi chất phát

sinh ATP, còn NADP' và NADPH được sử dụng trong các phản ứng sinh tổng hợp tạo

nên các phân tử cần thiết cho tế bào từ các cơ chất đơn giản hơn

Con đường Entner-Doudoroff cung cấp một cơ chế quan trọng để tạo ra

NADPH và các "viên gạch cấu trúc” chứa 5 cacbon dùng cho các phản ứng tổng hợp khi

mà nhu cầu về chúng lớn hơn nhu cầu vé ATP NADP* có thể được tạo thành từ NAD"

nhờ phản ứng :

NAD* + ATP -» NADP + ADP Hai coenzim dang khứ, cũng có thể chuyển hóa từ dạng này sang dạng kia theo phản

ứng:

NADPH + NAD* ==" NADP 4+ NADH

2.4 Enzim di lap thé , trạng thái năng lượng (E.C.) và hiệu ứng Pasteur

2.4.1 Enzim di lap thể

Nhiéu trat tur phan ting dién ra trong tế bào có thể được điều chỉnh nhờ một cơ

chế trong đó sản phẩm cuối cùng của một chuỗi phản ứng có thể làm thay đổi hoạt tính

của enzim xúc tác cho bước phản ứng đầu tiên, được gọi là enz điền chu, Ö đây các sản phẩm trung gian không có tác dụng Mọi enzim khác của chuối, đứng dang sau enzim điều chỉnh, thông thường không bị ức chế bởi các sản phẩm trung gian và sản

Vị sinh vật học công nghiệp 27 phẩm cuối cùng Một ví dụ điển hình vẻ loại cnzim điều chỉnh này là enzim aspactatcacbamyl-transferaza , enzim dau tién trong chuỗi phản ứng sinh tổng hợp các

dẫn xuất pirimidin Ở nồng độ xitidin-5'-photphat đủ cao, hoạt tính của

aspactatcacbamyl-transferuza sẽ bị ức chế và nhờ đó không có sự tổng hợp thừa hợp

chất này Vì rằng sự điều chỉnh enzim chìa khóa của một chuỗi phản ứng trao đổi chất

là đo sản phẩm cuối cùng của chuỗi này gây ra, người ta gọi đó là sự ức chế bởi sản

phẩm cuối cùng hoặc sự điều chỉnh nhờ mối liên hệ ngược (hình 2.3.)

theo kiểu liên hệ ngược

Một enzim có chức năng nói trên mang nhiều tính chất khác với các enzim không điều chỉnh khác Thông thường các enzim điểu chính đứng ở vị trí đầu nhánh bèn

hoặc ngã ba trong các quá trình trao đổi chất trung gian Chang han tit axit asparaginic

có các con đường khác nhau để dẫn tới các axit amin và cacbamyl photphat tham gia

vào cả sự tổng hợp acginin lẫn su téng hop ure :

( relaxed = chùng, ở đây có nghĩa là hoạt động) ở trạng thái cân bằng với nhau

Các enzim đị lập thể đã biết cho tới nay bao gồm nhiều dưới đơn vị và chứa ít

nhất hai vị trí liên kết dành cho các phối tử (1ga»ø) tách biệt nhau về mặt không gian nhiệm đối với chức năng xúc tác cho phản Ứng (rwng tâm vúc tác), còn vị trí kia (Trung

tâm điều chỉnh, vị trí liên kết dị lập thổ) dùng để liên kết các chất hiệu ứng dị lập thể

nhất định

,

ứng cực kỳ nhanh với các tác động từ bên ngoài

Có hai mô hình được đề ra nhằm giải thích sự biến đổi cấu hình này Đó là mô

hình đối xứng và mô hình nối tiếp.

Vi sinh vật học công nghiệp 29

Trung tâm kìm hãm Phan tr chat kim ham

co chat

co chat

Hình 2.4 Sơ đồ minh họa sự kìm ham di lap thể

Theo mộ hình nối tiếp của Kohsland và ctv, mỗi dưới đơn vị trong cấu trúc của enzim bị biến đổi tuỳ thuộc vào các đơn vị thành viên khác và do vậy sẽ xuất hiện các con lat (các phân tử chứa các dưới đơn vị có cấu hình khác nhau) Các dạng T của các con lai hoàn toàn không hoạt động, các dạng R (được nạp cơ chất) thì hoạt động Sự liên kết ngày càng nhiều phối tử sẽ dẫn đến việc chuyển dần dần các phân tử tetrame từ trạng thái hoàn toàn không hoạt động sang trạng thái hoàn toàn hoạt động Mặt khác, phối tử một khi đã được liên kết sẽ làm tăng ái lực của dưới đơn vị nằm cạnh đối với một phối tử khác

Hình 2,5 Mô hình tác dụng của một enzim đị lập thể chứa dưới bốn đơn vị

C3 Chất hoạt hoá Chat kim ham Lũ Co chat

30 Các quá trình trao đổi chất cơ sở có liên quan

2.4.2 Trụng thái tích luỹ năng lượng (Energy Charge = E.C)

Khả năng của một tế bào đối với việc tiến hành các phản ứng do ATP phát động

đương nhiên phải phụ thuộc vào nồng độ tương đối của ATP và các sản phẩm thuỷ phân khác nhau của nó Thông thường để mô tả khả năng này người sử dụng tỷ lệ giữa nồng

độ ATP và nồng độ của ADP và P, Tuy nhiên dùng một công thức như vay sé bo qua một sự that là thuỷ phân ADP cũng là một phản ứng cho năng lượng cao và năng lượng này có thể được sử dụng trong một số quá trình trao đổi chất xảy ra trong tế bào Do vậy

trạng thái năng lượng của tế bào có thể được biểu diễn tốt hơn bằng một đại lượng được

gọi là độ nạp năng lượng (E.C) :

[ATP] + 1/2[ADP]

E.C =

{ATP] + [ADP] + [AMP]

Giá trị của E.C có thể dao động giữa 0 (toàn bộ nucleotit có mặt trong tế bào đều nằm dưới dạng AMP) và I (toàn bộ nằm dưới dạng ATP) Đa số các tế bào khoẻ mạnh hoạt

động ở giá trị E.C bằng khoảng 0,9,

2.4.3 Hiéu tng Pasteur

Hiệu ứng Pasteur là sự ức chế qud trinh lén men ruou (ma thực chất là con

đường đường phân) bi oxi Sự chuyển sang hô hấp không những làm giảm việc tạo

thành etanol và CO, mà còn làm giảm sự hấp thụ đường Đóng vai trò quyết định trong hiệu ứng Pasteur là trạng thái tích luỹ năng lượng (E.C.) của tế bào

Trong điều kiện ky khí, sự lên men rượu chỉ tạo thành một vài ATP tính trên mỗi

phân tử glucoza Trong trường hợp này, E.C của tế bào nằm Ở giá trị rất thấp Để duy trì

sự cung cấp năng lượng, tế bào phải sử dụng nhiều glucoza

Khi oxi xâm nhập vào tế bào, ATP được tạo thành rất nhiều nhờ photphoryl hóa

chuỗi hô hấp, E.C tăng lên, sự hấp thụ đường giảm xuống

Enzm chìa khóa đj áp thể đối với SỰ sứ dụng giucoza chính là phophofructokinuza, enzim đặc hiệu không thuận nghịch thứ hai của con đường Embden-Meyerhof Nó xúc tác cho sự photphoryl hóa [ructozo-6-photphat thành

fructozo- | ,6-điphotphat nhờ ATP ATP ức chế enzim này như một chất kìm hãm dị lập

thể Sự kìm hãm theo kiểu liên hệ ngược này làm tăng nồng độ glucozo-6-photphat

trong tế bào do tính thuận nghịch của phản ứng enzim trước đó (được xúc tác bởi

Photphoglucoizomeraza) Glucozo-6-photphat lại kìm hãm dị lap thé hexokinaza déng

thời kìm hãm cả sự hấp thụ glucoza và dẫn đến việc giảm tiêu thụ đường Trong khi đó,

AMP tác dụng như một chất hoạt hóa di lập thể đối với enzim photphofructokinaza Vì

vậy, rõ ràng là một trạng thái tích luỹ năng lượng (E.C.) thấp của tế bào, như trong lên men, sẽ kích thích sự hấp thụ và chuyển hóa glucoza

Ngày nay người ta biết rằng cả xitrat, một thành viên của chu trình Krebs, cũng

là chất kìm hãm dị lập thể đối với photphofructokinaza Điều đó càng giải thích rõ ràng

hơn tại sao khi có mặt oxi, lên men lại bị ức chế

Vi sinh vật học công nghiệp 31 2.5 Hiéu ting glucoza hay hiện tượng kiềm chế di hoa

A AMP vòng A CAP © : XY không hoạt động cha ARN-polimeraza

Hình 2.6 Mô hình điều khiến lac-operon ở E coli nhờ cá hai cơ chế cảm ứng và kiểm

chế đị hóa (CAP = protein nhan AMP vong)

Hình 2.6 trình bay so dé diéu chinh lac-operon 6 E coli bằng cả hai cơ chế cảm

ứng và kiểm chế dị hóa Các vùng của ADN mà protein điều chỉnh gắn vào không phải

là bản thân các gen cấu trúc mà là các vùng liên kể, chúng được gọi là promotor và operator Promotor là một dãy bazơ được nhận ra bởi ARN-polimeraza phụ thuộc ADN,

đó là vị trí liên kết của ARN-polimeraza và là điểm mở đầu của sự phiên mã các gen

cau tric Con operator là một dãy bazơ nằm giữa promotor và các gen câu trúc và là nơi

diễn ra phản ứng với một protein điều chỉnh - chất kiểm chế Chất kiểm chế quyết định

việc kìm hãm hay cho phép phiên mã Promotor, operator và các gen cấu trúc tạo thành một oneron Operon là một nhóm gen có liên quan về mặt chức năng

Trong cơ chế điều hòa âm, protein điều chính (chất kiêm chế) được gắn với

operator và ngăn cán sự phiên mã Khi có mặt chất cảm ứng, chất này sẽ kết hợp với chất kiểm chế, làm thay đổi cấu hình của nó qua đó làm giảm ái lực liên kết với operator Nhờ vậy phiên mã có thể xảy ra

S22 Oo Các quá trình trao đổi chất cơ sở có liên quan Ngoài cơ chế điều hoà âm, lac-operon còn chịu sự Kiểm soát của một cơ chế điều chỉnh thứ hai, cơ chế điều hoà dương Trong cơ chế này, sự phiên mã chị Xay ra khi một protein điều hòa có tên là CAP hay CRP (protein nhan AMP vòng) được găn vào vị trí promotor Đây là tiền để để ARN-polimeraza có thế gần vào ADN

CÁP chỉ thu được ái lực cần thiết cho su! gan vao promotor cua ADN khi AMP vòng tồn tại trong tế bào ở nồng độ đủ cao Người ta cũng gọi sự kiểm che gay ra boi glucoza (hoặc fructoza hay ølucozo-6-photphat này là Kiểm chè đị hóa bởi vì nó Kiểm soát cả các con đường trao đổi chất dị hóa Khác Nó cũng được gọi là hiệu ứng ølucoza bởi vì khi khi có mặt glucoza nồng độ AMP vòng nội bào sẽ thấp Sự giảm hàm lượng AMP vòng bởi sự có mặt của glucoza là đo sự định khu của enzim tổng hop AMP vòng gây ra Trong tế bào, AMP vòng được tong hop tit ATP nbd adenilar-vieluza theo phan ling sau day :

adenilat-xiclaza ATP = —— _—sA Mp vòng + PP, Enzim này liên kết với màng tế bào Hoạt tính của nó sẽ rất cao khi hệ thống HPr chịu trách nhiệm đối với sự vận chuyển đường nằm dưới dang được photphoryl hóa Hoại tính sẽ giảm, khi đường cần phải được vận chuyển nằm dưới dạng photphoryl hóa và hệ thống HPr tiêu thụ quá nhiều năng lượng

Trong chương ba, khi để cập tới ảnh hưởng của nồng độ đường lên hiệu suất tạo thành sinh khối ở nấm men bánh mì, hiệu ứng glucoza (hay hiện tượng kiểm chế dị hóa)

sẽ được nhấn mạnh Trong trường hợp đó có thể hiểu rằng giống như đối với lac-operon

0 E coli, su tong hop caéc enzim ho hap 6 Saccharoniyces cerevisiae cũng bị kiếm soát bởi một cơ chế điều hòa dương, tức là bởi cơ chế kiểm chế dị hóa

2.6 Sự cố định CO, tự dưỡng

Mặc dầu đa số sinh vật chỉ đòi hỏi một lượng nhỏ cacbon cho sự sinh tong hop

các thành phần tế bào của chúng bắt nguồn từ CÓ:, các cơ thể tự dưỡng lại có thể nhận

được /øở/ bó cacbon của mình từ CO Quá trình tổng thể được gọi là sự có dink CO,,

và tất cá các phản ứng của sự cố định CO, có thể xảy ra trong bóng tối hoàn toàn bằng cách sử dụng ATP và lực khử (NADPH) được tạo ra trong phú sáng của quang hợp hay trong quá trình oxi hóa các hợp chất vô cơ Đa số các cơ thế tự dưỡng được nghiên cứu

cho tới nay đều có một con đường khử CO, đặc thù, chu trình Calyin, hay cũng còn được gọi là chu trình pentoza khử

2.0.1 Các enzim chìa khóa của chu trình Calvin

Bước đầu tiên của sự khử CO, là phản ứng giữa CO, và ribulozobiphotphat được

xuc tac boi enzim ribuloza biphotphat cachoxtluca (RubisCO) dan dén su tao thanh hai

phan ter axit 3-photphoglixeric (PGA) ma mot trong hai phan tir nay chứa nguyên tử

cacbon từ CO PGA là sản phẩm trung gian đầu tiên có thể xác đính được trong quá

trình khử CO Nguyên tử cacbon trong PGA vẫn có cùng mức độ oxi hóa như khi nó

năm trong CO, ; hai bước tiếp theo sẽ là sự khử PGA tới mức đô oxi hóa cua hidrat cacbon Trong các bước nay, ca ATP lin lực khử NADPH đều được yêu cầu : ATP tham gia vào phản ứng photphoryl hóa hoạt hóa nhémcachox yl, NADPH tham gia vao chinh

sự khử Nguyên tử cacbon từ CO, bay giờ nằm ở mức độ khử của hiđrat cacbon (CH.O) song chỉ có một trong số các nguyên tử cacbon cha GAP IA bat nguén tir CO,, hai

sa)

nguyên tử kia bắt nguồn từ ribuloza biphotphat Hầu hết các phản ứng còn lại của chủ

trình Calvin déu bao gồm những sự sắp xếp lại dể thu được các phán tử ribuloZa

biphotphat mới, cùng với một số cacbon đi vào sự tổng hợp tế bào mới

tử axit 3-photphoglixeric (tổng số 36 nguyên tử cacbon) Mười bai phân từ này được dùng làm các bộ khung cacbon để tạo thành sáu phân tử ribuloza biphotphat mới (long s6 30 nguyén tir cacbon), va mdr phan tr hexoza cho sinh tổng hợp tế bào Một loạt phức tạp những sự sắp xếp lại bao gồm các hợp chất trung gian CCS C' và Cˆ cuối cùng cho ra sáu phân tử ribulozo-5-photphat, từ đó sáu phân tử ribuloza biphotphat sẽ được tạo thành Bước cuối cùng trong sự tái sinh ribuloza biphotphat là sự photphory! hóa ribuloza-5-photphat với ATP nhờ enzim photphoribulokinaca, Tom lat sáu phần tử

CO, và sáu phân tứ ribuloza biphotphal (CÔ) đã phản ứng để tạo thành mười hai hop chat

C Hai don vi C’ di vào sinh tổng hợp dưới dạng một đường 6-cacbon, trong khi đó mười phân tử còn lại tái quay vòng để tạo thành thêm sáu chất nhận € (hình 2.7 và

2.8)

26.3 Nhu câu về năng lượng và lực khí của chủ trình Calvin

Bây giờ hãy xem xét tý lượng tổng thể đối với sự chuyển hóa sáu phân tử CO, thành một phân tử fructozo-6-photphat Cần có mười hai phân tử ATP và mười hai phân

tử NADPH để khử mười hai phân tử PGA thành glixeraldehit photphat, và cần có sáu phân tử ATP để chuyển hóa ribuloza photphat thanh ribuloza biphotphat Nhu vay can

có mudi hai NADPH va mudi tam ATP dé san xuat mor phan tử hexoza ttr CO, Cac phân tử hexoza có thể được chuyển hóa thành các polime dự trữ như ølicosen, tỉnh bội hay các poli-B-hiđroxialkanoat vào những lúc có nhiều ATP và NADPH và sau đó có thể được sử dụng vào những lúc khác, chẳng hạn trong bóng tối, làm nguồn cacbon và nãng lượng

2.644 Phân bố của chủ trình Calvin

Các enzim chìa khóa của chủ trình Calvin, /Ðidozu biphotphat cacboxtlacd Và phóoftphoribulokinaza là những enzim chỉ gặp ở các sinh vật tự dưỡng có kha nang co dinh CO, bang chu trinh Calvin Cac enzim này đã được tìm thấy ở hầu hết các cơ thể quang dưỡng đã nghiên cứu - thực vật, tảo, và vi khuẩn Chúng cũng được tìm thấy ở nhiều vi khuẩn thật hóa đưỡng vô cơ như các vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn sắt và vì khuẩn nitrat hóa Enzim ribuloza biphotphat cacboxilaza doi khi được tích luỹ bên trong

tế bào tại các tập hợp được gọi la cuchoxivon

Tuy nhiên, một vài nhóm sinh vật tự dưỡng như các vì khuẩn quang dưỡng mầu lục, các vi khuẩn cổ sinh metan và các vị khuẩn sinh axeuc Không sử dụng chủ trình Calvin để cố định CO Các nhóm vi khuẩn này không chứa các cnzim của chủ trình Calvin

34 Các quá trình trao đổi chất cơ sở có liên quan

Ribulozo-5-photphat Ribulozo biphotphat

Hinh 2.7 Cac phan ứng của chu trinh Calvin

Vi sinh vật học công nghiệp

ATP qtừ các phản ứng sáng) NADPH ttừ các phản ánh sáng hay

Sự sắp xếp lại đường (300)

Tỷ lượng toàn phân:

6€ + 12 NADPH + I§ ATP=—>

CoH jo! dot 12 NADP* + 18 ADP

Fructozo- „

6-nhotphat —————*= Sinh tổng hợp (6C)

Hình 2.8 Chu trình Calvin 2.7 Hóa tự dưỡng vô cơ

Các sinh vật nhận được năng lượng từ sự oxi hóa các hợp chất vô cơ được gọi là các sinh vật hóa tự dưỡng Đa số các vi khuẩn hóa tự dưỡng cũng có khả năng nhận được toàn bộ cacbon của mình từ CO., do vậy chúng cũng là các vi khuẩn tự dưỡng

Như đã biết, hai thành phần cân thiết khi một cơ thể sinh trưởng trên CO, là nguồn

cacbon duy nhất là năng lượng dưới dạng ATP và lực khử Ở các cơ thể hóa tự dưỡng vô

cơ, sự sản sinh ATPO về nguyên tắc giống như ở các cơ thể hóa tự dưỡng hữu cơ trừ

một điều là chất cho điện tử là một chất vô cơ chứ không phải là một chất hữu cơ Như vậy sự tổng hợp ATP được ghép đôi với một sự oxi hóa chất cho điện tử Các cơ thể hóa

tự dưỡng vô cơ có thể nhận được lực khử trực tiếp từ hợp chất vô cơ nếu nó có thẻ khử

đủ thấp, hoặc nhờ các phản ứng vận chuyển ngược điện tứ, giếng như ở các vì Khuẩn quang hợp

36 Các quá trình trao đổi chất cơ sở có liên quan

2.7.1 Năng lượng học

Bảng 2.1 trình bày thế oxi hóa khử của một loạt các hợp chất vô cơ có thể cùng cấp đủ năng lượng cho sự tổng hợp ATP khi oxi được sử dụng làm chất nhận điện tử Như đã biết, hai bán phản ứng càng nằm xa nhau thì năng lượng được giải phóng càng lớn Chẳng hạn, hiệu số thế khử giữa cap H/H" va cap 1/20./H,O 1a - 1,23 V tuong đương với một sự giải phóng năng lượng tw do 1a — 237 kJ/mol Trong khi đó hiệu số

của cặp H/H” và cặp NO;/NO, lại thấp, chỉ bằng - 0,84 V tương đương với -Í63

kJ/mol, song vẫn đủ để tạo thành ATP (liên kết phophat cao nang của ATP có năng lượng tự do nằm vào khoảng -31,8 kJ/mol) Tuy nhién sự tính toán đã cho thấy rằng sẽ không có đủ năng lượng nhận được từ sự oxi hóa H;S khi sứ dụng CO: làm chất nhận điện từ

Bảng 2.1 Nẵng lượng đạt được từ sự 0x1 hóa các chất cho điện tử vô cơ khác nhau (theo

2.7.2 Su ont héu hidro

Một số ví khuẩn thật thuộc tip hóa tự dưỡng như là A/c//uenex eutroplits san sinh mot enzim co tén 1a hidrogencza Day 1a mot enzim chita niken có khá nàng oxi hóa hiđro phân tử để tạo thành nước và coenzim dạng khứ NADH Khi nói về các sinh vật

chứa một hidrogenaza tức là nói về các vi khuẩn oxi hóa hiđro, Một hidrogenaza liên kết với màng vận chuyển các proton (H”) va electron qua một chuỗi các chất vận

chuyển liên kết với màng, gồm các quinon và các xIocrom, tới oxi Chuỗi vân chuyển điện tử liên kết với màng tạo nên một gradien proton giữa hai phía của màng và được sử

dụng để sinh ra ba phân tử ATP trên một phân tử H: Một hidrogenaza tế bào chất khác

chuyền các proton từ hiđro sang NAD", nhờ đó tạo thành NADH can thiét cho kha nang

khử trong sự tổng hợp các sản phẩm trung gian chứa khung cacbon Một số vi khuẩn oxi

hóa hiđro chỉ chứa hiđrogenaza liên kết với màng, và ở chúng, khả năng khử do những

cơ chế khác tạo nên Một số vi khuẩn thuộc nhóm này có thể sử dụng NADH thay cho NADPH trong sinh tổng hợp, một số khác có thể chuyển hóa NADH thành NADPH

Cac vi khuẩn sinh axit axetic đồng hình như Clostridium aceticum và

Acetobacterium woodii c6 thé lién kết sự oxi hóa hidro với sự khử đioxit cacbon để tạo

thành axctat Sự khử CO, thành axetat ở các vi khuẩn này diễn ra theo con đường trao doi chất axetyl-CoA là con đường có sự tham gia của các coenzm đặc biệt là tetrahidrofoliat và vitamin B, Hai phân tử CO, được liên kết trong con đường nay dé

Vi sinh vat hoc công nghiệp 37 tạo thành axetat Bước cuối cùng của con đường, tức là sự chuyển hóa axetyÌ-CoA thành axetat sẽ giải phóng đủ năng lượng tự do cho sự tạo thành ATP Quá trình hóa thẩm hoạt động nhờ lực đẩy proton sinh ra từ sự oxi hóa hidro sẽ tạo thêm A'TP bổ sung

Nhiều vi khuẩn cổ cực ưa nhiệt cũng có thể oxi hóa hiđro Pyrodictiin, bon song trên các vùng miệng núi lửa ở đáy biển, có thể sinh trưởng ở IIỤC Giống vi khuẩn cổ này kết hợp su oxi héa hidro với sự khử lưu huỳnh nguyên tố Nó sinh ra ATP theo cơ chế hóa thẩm khi sử dụng hiđro làm chất cho điện tử và lưu huỳnh nguyên tố làm chất nhận điện tử cuối cùng

Một số loài vi khuẩn oxi hóa hiđro được sử dụng để sản xuất protein đơn bào

(SCP)

2.7.3 Các tí khuẩn lưu huỳnh

Nhiều hợp chất khử của lưu huỳnh có thể được sử dụng làm các chất cho điện tử bởi hàng loạt các vi khuẩn lưu huỳnh không màu (gọi là không màu là để phân biệt chúng với các vi khuẩn lưu huỳnh màu lục và màu tía có chứa bacterioclorofil) Các hợp chất lưu huỳnh thường gặp nhất được sử dụng làm nguồn năng lượng là H, + lưu huỳnh nguyên tố (S”) và tiosunfat G; O,”) Sản phẩm cuối cùng của sự oxi hóa là trong đại đa

số trường hợp là sunfat (SƠ,”), và tổng số điện tử tham gia giữa H,S (trạng thái oxi hóa,

~2) và sunfat (trạng thái oxi hóa , +6) là 8 Năng lượng thu được sẽ ít hơn khi một trong những trạng thái oxi hóa trung gian của lưu huỳnh được sử dụng :

HS + 20, > SO,” + 2H* (sunfua — 798,2 kJ/ phan ứng)

"+ H,O +t O, > SO, +2H* (lưu huỳnh — 587,1 kJ/ phản ứng)

S,0,° + H,0 +20, > 280; + 2H" (tiosunfat — 822.6 kJ/phản ứng ‡[1 KJ/nguyên tử

S được oxi hóa) Cần nhớ rằng trong các phản ứng oxi hóa lưu huỳnh kế trên, một trong những sản phẩm được tạo thành là H” Sự sản sinh proton sẽ hạ thấp pH, và một trong những

hậu quả của sự oxi hóa các hợp chất lưu huỳnh dạng khử là làm axit hóa môi trường

Axit được tạo thành ở đây là axit sunfuric Một số ví khuẩn lưu huỳnh có khá năng làm giảm pH môi trường tới các giá trị dưới I

Khi sinh trưởng tự dưỡng, các vi khuẩn lưu huỳnh sử dụng chu trình Calvin để

cố định CÔ Tuy nhiên, một số vi khuẩn lưu huỳnh cũng có khả năng xinh trướng bằng cách sử dụng các hợp chất hữu cơ Một số vi khuẩn có thể sinh trưởng kị khí trên các hợp chất khử của lưu huỳnh bằng cách sử dụng nitrat (NÓ, ) làm chất nhận điện tứ Trong các điều kiện như vậy sẽ xảy ra một kiểu hô hấp ki khí Một số vị khuẩn oxi hóa lưu huỳnh khác lại dường như chỉ sinh trưởng theo kiểu hồn dưỡng (mixotrophy) t bang cach su dung H.S làm nguồn năng lượng và một hợp chất hữu cơ làm nguồn cacbon, Thuộc về nhóm này có các vi khuẩn thuộc chỉ Öcggktou hay gap trong phan lang can của nước biển và nước ngọt

Các vi khuẩn lưu huỳnh quang hợp thường sống trong những vùng vẻm Khí của nhiều thuy vực nước đọng hoặc nước chảy chậm Ô đó các ví khuăn lưu huỳnh màu tía

38 Các quá trình trao đổi chất cơ sở có liên quan

thường tạo nên các đám màu đỏ tối ở những nơi xác thực vật đang được phân huy, H,S

được sinh ra nhờ quá trình phản sunfat hóa hoặc phân giải protein, có thể dày tới hàng đeximet phía trên lớp bùn Ngoài ra, vi khuẩn quang hợp cũng có thể phát triển mạnh ở

những vùng nước sâu khi mà trên mặt nước có phủ một lớp bèo Chúng hấp phụ mất

phần phổ ánh sáng cần thiết cho tảo lục và vi khuẩn lam, phần ánh sáng còn lại chỉ

được hấp phụ bởi bacteriociorofil va các carotinoit màu đỏ tối của các vi khuẩn lưu

huỳnh Vì vậy ở phía dưới chỉ có vi khuẩn quang hợp mới phát triển được Có những loài tồn tại gần như dưới dạng giống thuần khiết Các vi khuẩn không lưu huỳnh mau tia

(Rhodospirillaceae) cũng có mặt song không phát triển 6 at

2.7.4 Các vì khuẩn oxi hóa sat

Sự oxi hóa hiếu khí sắt từ dang sat 2 téi dạng sắt 3 là một phản ứng thu năng

lượng ở một số vi khuẩn Chí có một lượng nhỏ năng lượng được tạo thành từ sự oxi hóa

này (xem bang 2.1), do vậy các vi khuẩn sắt phải oxi hóa những lượng lớn sắt mới có

thể sinh trưởng Sắt ba tao nên hiđroxit sắt [Fe(OH),| không tan sẽ kết tủa ở trong nước Nhiều vị khuẩn oxi hóa sắt cũng oxi hóa lưu huỳnh và vì vậy là bọn ưa axit bắt buộc

Vị khuẩn oxi hóa sắt biét r6 nhat 1a Thiobucillus ferrooxidans, mot vi khuan cé

kha nang sinh truong tu duGng bang cach stt dung sat hai hoặc các hợp chất khử của lưu huỳnh làm chất cho điện tử Vi khuẩn này rất hay gặp trong các môi trường bị ô nhiễm axít như trong các đống than đang khai thác Một ví khuẩn tiền nhân oxi hóa sắt khác là

vi khuan c6 Sulfobolus thường gặp trong các suối axit nóng ở các nhiệt độ cao tới điểm

SÔI Của nước.

Vi sinh vật học công nghiệp 30

- Khi có mặt lactoza, chất kiểm chế /¿c (có thể, không thể) .liên kết với vùng operator của operon /¿c và do vậy (có thể, không thể) ngăn cần

sự phiên mã của /œ operon nhờ ARN polimeraza

4 Sự kiểm chế bởi sản phẩm cuối cùng (end-produet repression) khác sự ức chế bởi mối liên hệ ngược (feedback inhibition) ở chỗ nó điều chỉnh

a) hoạt tính enzim;

b) sự tổng hợp enzim;

©) độ bền của enzim;

đd) cấu trúc của một enzim:

€) năng lực xúc tác của một enzim

5 Trong trường hợp của /› operon, khi có mại triptophan, protein kiểm chế / (có thể, không thé) ooo ceeesseeeeees liên kết với vùng và do vậy, (có thể, không thể) .s Suy, ngăn cản sự phiên ma nho ARN polimeraza

6 Rhodospirillum rubrum là một vì khuẩn cố dinh ni-to gặp trong các nguồn nước

tự nhiên

- Có thể sinh sản được trong điều kiện hiếu khí, trong bóng tối bằng cách sử dụng các chất hữu cơ có bản chất khác nhau (rượu, axit amin, axit béo )

- Có thể sinh sản được trong điều kiện ky khí, với điều kiện đưới ánh sáng mặt

trời, có mặt các chất hữu cơ nói trên và CO, của không khí

- Can biotin (vitamin H) cho sinh trưởng

a Xác dinh tip hé hap của Ñ rubrnni,

b Trong điều kiện ky khí, những clLất nà có the được sử dụng nhữ vác chất nhận điện tử và proton cuối cùng ?

c Trong điều kiện hiếu khí, xác dinh tip dinh dưỡng của loài ví khuẩn

này

d Trong điều kiện hiếu khí, vai trò của các chất hữu cơ là gi?

40 Các quá trình trao đối chất cơ sở có liên quan

e Xác định tip dinh dưỡng trong điều kiện ky khí

£ Vai trò của các chất hữu cơ trong điều kiện ky khí là gì?

ø Xác định vai trò của biotin đối voi vi khuẩn này

7 Trong con đường Embden-Mayerhof, photphorin hóa ở mức độ cơ chất tạo nén

"¬— phân tử ATP ( phân tử cơ chất, mỗi phân tử chuyển trực tiếp một gốc photphat tới ADP) Proton và điện tử tách ra từ các chất trung gian được

nhận lấy để tạo thành . r Khi coenzim này chuyển các điện tử đến

một phân tử chất nhận nào đó -: được tái sinh

8 Trong hô hấp hiếu khí , oxi là se ee etree Năng lượng thực nhận được từ bước đầu (đường phân) đến bước cuối, ở các cơ thể có ti thể là ATP.ở các vi khuẩn thật nói chung là „ở Escherichia coli là ATP

9 Tip ho hap, trong do chat nhận điện tử cuối cùng là oxi phân tử được gọi là

10 Tip hô hấp, trong đó chất nhận điện tử cuối cùng là oxi liên kết, có tên là

11 Trong lên men, chất nhận điện tử cuối cùng là eeeerrrrrrrrrrtrrre

12 Phân tử nào mở đầu con đường đường phân ? Khi đường phân hoàn thành, phân tử nào còn lại Bao nhiêu ATP được tạo thành ở mức độ photphorin hóa cơ chất ? Con SỐ ATP thực được tạo thành là bao nhiêu, và vì sao con số này lại khác với tổng số ATP được tạo thành ? Bao nhiêu ATTP sẽ được tạo thành bổ sung nếu oxi có mặt ?

13 Khi nguồn glucoza là không hạn chế thì cái gì sẽ là nhân tố giới hạn trong phản ứng

đường phân 2

14 Hai cơ chế tái tạo NAD” là những cơ chế nào ? Chúng khác nhau ở chỗ nào ? Đâu

là một quá trình hiếu khí và đâu là một quá trình kị khí 2

15 Sự trao đối điện tử để tạo nên ATP khác nhau như thế nào trong các trường hợp

NADH được tạo thành trong đường phân, NADH được tạo thành trong chu trình axit xitric , và FADH, được tạo thành trong chu trình axit xitric ?

16 Nếu chọc thủng một lỗ ở t¡ thể, sự hô hấp oxi hóa có thể xảy ra được không ? Từng

mảnh ti thể có thể thực hiện hô hấp oxi hóa được không ? Giải thích tại sao

17 Trong những sự khẳng định sau đây, đâu là sự khẳng định đúng :

a) Năng lượng giải phóng trong dị hóa được sử dụng trực tiếp cho sự tổng hợp

b) Di hóa cung cấp các viên gạch xây dựng để tổng hợp các thành phần tế bào c) Sự tổng hợp các thành phần tế bào là một quá trình giải phóng năng lượng đ) Dị hóa là một quá trình đòi hỏi năng lượng

Vi sinh vat hoc cong nghiệp 4]

18 Khi một phân tử axetyl-CoA được oxi hóa hoan toan trong chu trinh Krebs và các cap điện tử tách ra từ đó được vận chuyển qua chuỗi hồ hấp đến oxi phân tử, thì ngoài 2 phân tử CO được giải phóng ra còn có tổng cộng phần tử ATP được tạo thành

19 Riboza có thể được photphorin hóa và chuyển thành ribulozo-5-photphat (Ru-5-P)

e Kế những sản phẩm của sự lên men lactic dị hình đường ribozn,

® Trong quá trình lên men này, có bao nhiều phân tir ATP duoc tao thành từ một phân tử riboza

20 Viet phương trình phan ứng

« OXi hóa hoàn toàn G-6-P ở các vị khuẩn alđolaza dương tính

«lên men ctylic từ glucoza ở ví khuẩn 210010046 mObÑN,

e Oxi hóa hoàn toan G-6-P theo chu trình PP Tính cân bằng năng lượng và so sinh với con đường FDP-Krebs Trình bày mối tương quan giữa EMP và PP

e Qué trinh lén men lactic di hinh 6 Leuconostoc mesenteroides tt glucoza

¢ Qué tinh lén men lactic di hinh o Lactobacillus brevis tit glucoza

e Su tao thanh 2.3 butandiol ttr piruvat

e Phuong trinh Neuberg IT

e Phuong trinh Neuberg II

21 Biểu diễn các bước chính :

e Oxi hóa hoàn toàn glucoza ở các ví sinh vật alđolaza dương tính

e Oxi héa hoàn toàn glucoza 6 cac vi sinh vat aldolaza (-) photpho-

trioizomeraza (-) va glucozo-6-phosphat dehidrogenaza (+)

e Lénmenetanol 6 Saccharomyces cerevisiae

e Lénmen etanol 6 Zynononas mobilis

e Su tao thanh etanol 6 Escherichia coli

22 Cacboxixom 1a mot loat thé dn nhdp gặp ở MOtSO VI KAUAN occ ccc cece

(tức là bọn có khả năng chuyển héa CO, thành các chất hữu cơ) Trong cacboxixom có chứa €n21H xúc tác cho phản Ứng của chủ 000 ; Chất nhận CO; trong chủ trình này là mội

hợp chất chứa cácbon có tên là ch HH HH He

23 Giải thích tại sao tốc độ sinh trường của các ví khuẩn không lưu huỳnh màu tia

Rhodobacter) nhanh gấp khoảng hai lần khí sinh trưởng quang dưỡng trên môi trường chứa malaL là nguồn các bon so với khi nó sinh trưởng với CO, là nguồn cacbon (với

H, la chat cho hidro)

24 Dé chuyén hóa 6 phân tử CO, thành một phan tr fructoza, can 18 phan tr ATP

Trong các phản ứng của chu trình Calvin, ATP được tiêu thụ ở đâu 2

25 Sự khác biệt trong việc tạo thành lực Khử ở một ví khuẩn không lưu huỳnh màu tía sinh trưởng tự dưỡng và một ví khuẩn lam là ở chỗ nào ?