Bài giảng vi sinh vật học chương 4 ths nguyễn thành luân

Chƣơng QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI CHẤT VÀ VÀ TRAO ĐỔI NĂNG LƢỢNG Ở VSV NỘI DUNG CHƢƠNG 4.1 Các phương thức dinh dưỡng vi sinh vật 4.2 Quá trình trao đổi chất lượng vi sinh vật dị dưỡng 4.3 Quá trình trao đổi chất lượng vi sinh vật tự dưỡng KHÁI NIỆM CHUNG Trao đổi chất là (Metabolism) tổng các phản ứng hóa học tế bào thực hiện Phản ứng thu lượng Phản ứng giải phóng lượng (Phản ứng thu nhiệt) (Phản ứng tỏa nhiệt) Trong tế bào sống, Quá trình đồng hóa Quá trình dị hóa các phản ứng loại nào được thực hiện? (chuyển hóa các chất dinh dưỡng (phân hủy các thành phần và chế biến lại để tổng hợp các thể) chất riêng của tế bào VSV) ? Cấu tạo ATP 4.1 Các phƣơng thức dinh dƣỡng ở VSV 4.1 Các phƣơng thức dinh dƣỡng ở VSV Nguồn lượng Quang Hóa Nguồn C xây dựng tế bào Chất hữu CO2 1-Quang dị dưỡng (Photoheterotroph) - Quang tự dưỡng (Photoautotroph) - Hóa dị dưỡng (Hererotroph) - Hóa tự dưỡng (Lithotroph) Vòng chuyển hóa lƣợng tế bào Các kiểu giải phóng lƣợng Hô hấp hiếu khí (Aerobic respiration) Lên men Hô hấp kị khí (Anaerobic respiration) Quang tổng hợp 4.2 Quá trình trao đổi chất và lượng vi sinh vật dị dưỡng 4.2.1 Quá trình phân giải glucide - Hô hấp hiếu khí - Lên men - Các trình oxy hóa không hoàn toàn - Hô hấp kị khí 4.2.2 Sự phân giải protein 4.2.3 Sự phân giải lipid acid béo 4.2.4 Sự phân giải hợp chất vòng thơm 4.2.5 Sự phân giải hợp chất cacbon cacbon 4.2.1 Quá trình phân giải glucide bằng cách hô hấp hiếu khí Phân giải glucose Quá trình oxy hóa pyruvat Con đường đường phân Con đường pentose-phosphat Con đường 2-keto-3-deoxy-6- Chu trình Krebs P-gluconat Chuỗi vận chuyển điện tử Con đƣờng đƣờng phân (Glycosis) (EMP – Embden Meyerhof pathway) Xảy điều kiện có hay vắng mặt oxy 10 phản ứng - Xảy raGlucose điều  kiện oxy như+ nào? piruvat 2ATP + 2NADH - Ở vị trí tế bào? - Các sản phẩm của phản ứng? Cung cấp cho tế bào tiền chất: - Tạo -bao nhiêu– tiền Glucose 6- P chất cho trình tổng hợp - Fructose – 6-P thành phần tế bào? - 3- P- glixeraldehit - 3-glixerat - PEP (photphoenolpiruvat) - Piruvat Con đƣờng Pentozo photphat (PP) (HMP – Hexose mono photphat) Glucose  Piruvat + 3CO2 + 6NADPH2 + NADH2 + ATP Cung cấp cho tế bào tiền chất: - Các- sản phẩm của phản Ribose – (dùng tổng ứng? hợp axit nucleic) - Erytrose – (cùng với PEP dùng tổng hợp các axit amin thơm)  Mang tính chất đồng hóa là chủ yếu Con đƣờng 2-keto-3-deoxi-6-P-gluconat (ED – Entner-Doudoroff pathway) Glucose  Piruvat + ATP + NADH2 + NADPH2 Con đƣờng KDPG giúp nhiều vi khuẩn sử dụng gluconat  Sản phẩm chung của các đường phân giải đường là gì? Oxidative pathways of glycolysis employed by various bacteria Bacterium Embden-Meyerhof pathway Phosphoketolase (heterolactic) pathway Entner-Doudoroff pathway Acetobacter aceti - + - Agrobacterium tumefaciens - - + Azotobacter vinelandii - - + Bacillus subtilis major minor - Escherichia coli + - - Lactobacillus acidophilus + - - Leuconostoc mesenteroides - + - Pseudomonas aeruginosa - - + Vibrio cholerae minor - major Zymomonas mobilis - - + Phân giải các loại đƣờng khác Fructose  Fructose-6-P  đƣờng EMP Mannose  Monnose-6-P  Fructose-6-P  đƣờng EMP Galactose  Galactose-1-P  Glucose-1-P  Glucose-6-P  đƣờng EMP Quá trình oxi hóa pyruvat Piruvat - dehidrogenase (1) Piruvat + CoA + NAD+  Axetyl – CoA + NADH2 + CO2  gặp ở vi khuẩn hiếu khí, Axetyl – CoA tạo thành chủ yếu vào chu trình ATC Piruvat – Fd - oxidoreductaza (2) Piruvat + CoA + 2Fd  Axetyl – CoA + 2FdH + CO2  gặp ở nhiều vi khuẩn kỵ khí nhƣ Clostridium Piruvat – Focmat - liaza (3) Piruvat + CoA  Axetyl – CoA + Focmat  gặp ở nhiều vi khuẩn kỵ khí tiết axit focmic, vi khuẩn quang dưỡng Chu trình tricacboxilic (TCA) (Chu trình Krebs) Xảy ở ty thể (Eukaryote) Xảy ở màng tế bào chất -Xảy ra(Prokaryote) vị trí pyruvat vào tế bào VSV? chu trình Krebs tạo: ATP, NADH, -Các sản phẩm FADH, CO2 tạo NADH, thành? FADH tiếp vào chuỗi hô hấp tạo thêm ATP Sự tạo lƣợng ở các đƣờng phân giải đƣờng và chu trình Kreb Photphorin hóa ở mức độ chất Chuỗi vận chuyển điện tử Là chuỗi các chất mang điện tử nằm màng tế bào chất hoặc màng ty thể  Là nơi tạo ATP chủ yếu cho VSV hô hấp hiếu khí từ sự oxy hóa NADH(≈ ATP) và FADH2 (≈ ATP) - Flavoprotein > Protein Fe – S > Quinon > Xitocrom  Các thành phần chuỗi hô hấp sắp xếp theo sở thế oxi hóa khử bắt đầu với NAD+ (thế âm nhất) và kết thúc với xitocrom – oxidaza và O2 Sự tạo lƣợng chuỗi hô hấp Phosphoryl hóa oxi hóa 4.2.1 Quá trình phân giải glucide bằng cách hô hấp kị khí Trong điều kiện thiếu oxi, nhiều vi khuẩn tiến hành hô hấp kị khí: - CHC là chất cho điện tử - Oxy hợp chất là chất nhận điện tử cuối cùng (NO3-, SO42-) Hô hấp nitrat (kị khí không bắt buộc): vi khuẩn khử nitrat 4AH2 + HNO3  4A + NH3 + 3H2O + ATP Ví dụ: Hô hấp sulfat (kị khí bắt buộc): vi khuẩn khử sulfat 4AH2 + H2SO4  4A + NH3 + 3H2O + ATP Ví dụ: CH3COO- + SO42- → HCO3- + HS- Lên men Là quá trình phân giải hydratcacbon điều kiện kị khí Bản chất: là quá trình oxy hóa khử chất, oxi không tham gia quá trình này, nên thực chất là quá trình tách hydro khỏi chất Năng lượng sinh phần sử dụng phản ứng khử, phần tích lũy liên kết cao  ATP tạo thành không nhiều hô hấp hiếu khí NADH2 tạo đường phân tác dụng với acid pyruvic hoặc hợp chất mới tạo từ acid pyruvic để tái tạo NAD+ Sản phẩm cuối: CO2, sản phẩm hữu chưa bị oxy hóa hoàn toàn (rượu, acid lactic, aldehyde…)  có các quá trình lên men khác (tùy thuộc loại VSV và điều kiện lên men Oxi hóa lại NADH lên men Cơ chế của quá trình lên men Chất cho Hidro Môi trường thoáng khí O2 Hô hấp hiếu khí H2O Môi trường kỵ khí Tóm tắt các hình thức dị hóa VSV NO3- Hô hấp kỵ khí Hô hấp nitrate Kỵ khí không bắt buộc N2 SO42- Hô hấp sulfate Kỵ khí bắt buộc H2S Hidro CO2 Hô hấp kỵ khí đặc biệt CH4 Chất cho Hidro Chất hữu Lên men vi sinh vật Sản phẩm lên men So sánh lượng kiểu trao đổi chất và lượng ở VSV dị dưỡng? 10 4.2 Sự phân giải protein (Quá trình amôn hóa (Sự thối rữa protein) Qúa trình amôn hóa trình phân giải hợp chất hữu chứa nitơ, giải phóng NH3 nhiều VSV hiếu khí, kị khí gây (vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc) VSV gây bệnh, VSV gây hư hỏng thực phẩm, VSV đất có thể sử dụng protein làn nguồn cacbon và nguồn lượng Cơ chế phân giải protein Protease Polipeptid Oligopeptid Protein Peptidaza Axit amin Các axit amin nội bào Khử amin và phân giải mạch cacbon Khử amin Chuyển amin và phân giải mạch cacbon Trực tiếp sử dụng quá trình sinh tổng hợp protein Các kiểu phân giải acid amin nội bào Đặc tính của phản ứng Sản phẩm phân giải acid amin Không khử cacboxyl Có khử cacboxyl Không khử amin Có khử amin 1)Trực tiếp 2)Thủy phân 3)Oxi hóa hiếu khí 4)Oxi hóa kị khí 5)Khử 11 Sự phân giải protein Trong điều kiện thoáng khí: các quá trình oxi hóa thường tiến hành đến cùng, đó hầu hết cacbon được chuyển thành CO2, và các sản phẩm cuối cùng NH3, muối của acid sulfuric, acid phosphoric Trong điều kiện kỵ khí: aa không được oxi hóa hoàn toàn có sự tích lũy khá nhiều các sản phẩm trung gian acid hữu cơ, rượu, amin đó có nhiều chất gây mùi khó chịu và rất độc (armatine, putrecine, cadaverine, histamin, mecaptan, indol và skatol) Sự phân giải protein Tùy điều kiện môi trƣờng mà VSV sử dụng aa theo hai hướng (cách sử dụng aa của VSV): - Sử dụng acid amin làm nguồn thức ăn nitơ để xây dựng thể - Sử dụng acid amin làm nguồn thức ăn cacbon và làm nguồn vật liệu lượng Điều kiện môi trường C/N > 25/1 C/N < 25/1 Ý nghĩa lớn đối với nông nghiệp vòng tuần hoàn vật chất tự nhiên, thực phẩm Ý nghĩa thực tế của sự phân giải protein C/N > 25/1 thì VSV sử dụng acid amin theo hướng thứ nhất C/N < 25/1 thì môi trường thừa thức ăn nitơ, thiếu thức ăn cacbon, lúc đó nitơ sẽ được thải ngoài dưới dạng NH3 VSV không sử dụng hết Việc sử dụng acid amin lúc này theo hướng thứ hai 12 4.2.4 Sự phân giải lipid và acid béo Glyceryl Con đƣờng EMP Lipid và sáp Lipase Acid béo Acetyl – Co A Chu trình Krebs VSV thường sử dụng lipid làm nguồn lượng Triglycerides 4.2.4 Sự phân giải lipid và acid béo -oxi hóa acid béo 4.3 Quá trình trao đổi chất và lượng VSV tự dưỡng 4.3.1 Hóa tự dưỡng 4.3.2 Quang tự dưỡng 13 4.3.1 Tự dƣỡng hóa Mỗi loài đòi hỏi chất cho chất nhận diện tử đặc trưng N N N N N N 4.3.1 Tự dƣỡng hóa CO2 Chất vô ATP 1:Chu trình Calvin 2:Con đường Axetyl-CoA 3:Con đường 4C [H] Khác với VSV hóa hữu ở điểm nào? 4:Con đường ATC dạng khử [CH20] Quá trình oxi hóa sinh học và sinh lượng ? Vật chất tế bào Oxi hóa SH và sinh lƣợng ở VSV tự dƣỡng hóa NH4+ NO2H2S S0 H2 Fe2+ Dùng làm nguồn lượng đầu tiên CO2 Chuyển vận thuận chiều chuỗi hô hấp Tiêu hao [H], sinh ATP ATP Chuyển vận ngược Dùng làm nguồn chiều chuỗi hô hấp NAD(P)H cung cấp H vô Tiêu hao ATP, sinh [H] CH2O  ATP tạo thành chủ yếu từ sự phosphoryl hóa oxi hóa  Hiệu suất sinh lượng thấp  Tốc độ sinh trưởng chậm 14 Nhóm VSV tự dưỡng hóa - Vi khuẩn nitrat hóa thuộc chi Nitrobacter – hình que (sử dụng NO2-) - Vi khuẩn lưu huỳnh đó nhiều loài thuộc chi Thiobacillus (sử dụng H2S, S, S2O3-) - Vi khuẩn oxi hóa sắt (Fe2+) điều kiện pH thấp - Vi khuẩn oxi hóa hidro - Vi khuẩn oxi hóa amon còn gọi là vi khuẩn nitrit hóa (Nitrosomonas – hình que, Nitrosococcus – hình cầu, Nitrosovibrio-hình phẩy) (NH4+) Dòng e chuỗi vận chuyển e của Nitrobacter VSV dị dưỡng và tự dưỡng cùng có mặt môi trường thì đối tượng nào chiếm ưu thế hơn? Vì sao? 15 4.3.2 Tự dƣỡng quang CO2 Ánh?sáng ATP 1:Chu trình Calvin 2:Con đường Axetyl-CoA 3:Con đường 4C [H] 4:Con đường ATC dạng khử [CH20] Quá trình photphoryl hóa quang hợp Vật chất tế bào Nhóm VSV tự dưỡng quang  Nhóm quang hợp có sản sinh oxy: + Thuộc nhóm có nhân thật : Tảo, xanh + Thuộc nhóm nhân nguyên thuỷ : Vi khuẩn lam  Nhóm quang hợp không sản sinh oxy : + Vi khuẩn sulfur (Chlorobium), vi khuẩn không-sulfur màu lục (Chloroflexus), vi khuẩn sulfur màu tía Chromatium) vi khuẩn không-sulfur màu tía (Rhodospirillum, Rhodopseudomoanas) Tất cả vi khuẩn quang hợp đều chứa sắc tố quang hợp, ở vi khuẩn sắc tố quang hợp là bacterio – chlorophyl (chất khuẩn lục) Ngoài chlorophyl vi khuẩn tự dưỡng quang còn chứa một số sắc tố thuộc lại carotenoit, không giống carotenoit ở tảo và thực vật Ánh sáng Phosphoryl hoá quang hợp không tuần hoàn Bchl CHÚ THÍCH Bchl* :trạng thái kích phát Bchl* của Bchl (bactericlorophil Ru-5-P :Ribulozo-5ephotphat Ru-1,5-P :Ribulozo-1,5diphotphat Xit.f H2A :Chất vô cho hydro ADP +Pi Quang hợp không tạo ôxi e- Bchl* Bchl ProteinFe-s * e- A.pantotenic e- e- Xit.b ATP CO2 + Ru-5-P Ru-1.5-P 2H2A 2A 16 Phosphoryl hoá quang hợp tuần hoàn ½ 2H+ + O2 Quang phân li H2O Chl b eChl b+ Pi+ ADP Chl b+ ee- Xit b ATP Xit f Hệ thống quang hợp II e -Hệ thống quang hợp I NADP+ NADPH + H+ e Flavoprot e- Protein oxi hóa ein khử Fe ATP Quang hợp tạo ôxi Chl a+ Chl a Chl ADP a+ Pi+ 17 [...]... sinh oxy: + Thuộc nhóm có nhân thật : Tảo, cây xanh + Thuộc nhóm nhân nguyên thuỷ : Vi khuẩn lam  Nhóm quang hợp không sản sinh oxy : + Vi khuẩn sulfur (Chlorobium), vi khuẩn không-sulfur màu lục (Chloroflexus), vi khuẩn sulfur màu tía Chromatium) và vi khuẩn không-sulfur màu tía (Rhodospirillum, Rhodopseudomoanas) Tất cả vi khuẩn quang hợp đều chứa sắc tố quang hợp, ở vi. .. Hóa năng tự dưỡng 4. 3.2 Quang năng tự dưỡng 13 4. 3.1 Tự dƣỡng hóa năng Mỗi loài đòi hỏi chất cho và chất nhận diện tử đặc trưng N N N N N N 4. 3.1 Tự dƣỡng hóa năng CO2 Chất vô cơ ATP 1:Chu trình Calvin 2:Con đường Axetyl-CoA 3:Con đường 4C [H] Khác với VSV hóa năng hữu cơ ở điểm nào? 4: Con đường ATC dạng khử [CH20] Quá trình oxi hóa sinh học và sinh năng lượng ? Vật... thấp  Tốc độ sinh trưởng chậm 14 Nhóm VSV tự dưỡng hóa năng - Vi khuẩn nitrat hóa thuộc chi Nitrobacter – hình que (sử dụng NO2-) - Vi khuẩn lưu huỳnh trong đó nhiều loài thuộc chi Thiobacillus (sử dụng H2S, S, S2O3-) - Vi khuẩn oxi hóa sắt (Fe2+) trong điều kiện pH thấp - Vi khuẩn oxi hóa hidro - Vi khuẩn oxi hóa amon còn gọi là vi khuẩn nitrit hóa (Nitrosomonas... – hình que, Nitrosococcus – hình cầu, Nitrosovibrio-hình phẩy) (NH4+) Dòng e trong chuỗi vận chuyển e của Nitrobacter VSV dị dưỡng và tự dưỡng cùng có mặt trong môi trường thì đối tượng nào chiếm ưu thế hơn? Vi sao? 15 4. 3.2 Tự dƣỡng quang năng CO2 Ánh?sáng ATP 1:Chu trình Calvin 2:Con đường Axetyl-CoA 3:Con đường 4C [H] 4: Con đường ATC dạng khử [CH20] Quá trình... dụng hết Vi ̣c sử dụng acid amin lúc này theo hướng thứ hai 12 4. 2 .4 Sự phân giải lipid và acid béo Glyceryl Con đƣờng EMP Lipid và sáp Lipase Acid béo Acetyl – Co A Chu trình Krebs VSV thường sử dụng lipid làm nguồn năng lượng Triglycerides 4. 2 .4 Sự phân giải lipid và acid béo -oxi hóa acid béo 4. 3 Quá trình trao đổi chất và năng lượng ở VSV tự dưỡng 4. 3.1 Hóa năng... và sinh năng lƣợng ở VSV tự dƣỡng hóa năng NH4+ NO2H2S S0 H2 Fe2+ Dùng làm nguồn năng lượng đầu tiên CO2 Chuyển vận thuận chiều chuỗi hô hấp Tiêu hao [H], sinh ATP ATP Chuyển vận ngược Dùng làm nguồn chiều chuỗi hô hấp NAD(P)H cung cấp H vô cơ Tiêu hao ATP, sinh [H] CH2O  ATP tạo thành chủ yếu từ sự phosphoryl hóa oxi hóa  Hiệu suất sinh năng lượng thấp  Tốc độ sinh. . .4. 2 2 Sự phân giải protein (Quá trình amôn hóa (Sự thối rữa protein) Qúa trình amôn hóa là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ chứa nitơ, giải phóng NH3 do nhiều VSV hiếu khí, kị khí gây ra (vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc) VSV gây bệnh, VSV gây hư hỏng thực phẩm, VSV đất có thể sử... Chuyển amin và phân giải mạch cacbon Trực tiếp sử dụng trong quá trình sinh tổng hợp protein Các kiểu phân giải acid amin nội bào Đặc tính của phản ứng Sản phẩm phân giải acid amin Không khử cacboxyl Có khử cacboxyl Không khử amin Có khử amin 1)Trực tiếp 2)Thủy phân 3)Oxi hóa hiếu khí 4) Oxi hóa kị khí 5)Khử 11 Sự phân giải protein Trong điều kiện thoáng khí:... màu tía (Rhodospirillum, Rhodopseudomoanas) Tất cả vi khuẩn quang hợp đều chứa sắc tố quang hợp, ở vi khuẩn sắc tố quang hợp là bacterio – chlorophyl (chất khuẩn lục) Ngoài chlorophyl vi khuẩn tự dưỡng quang năng còn chứa một số sắc tố thuộc lại carotenoit, không giống carotenoit ở tảo và thực vật Ánh sáng Phosphoryl hoá quang hợp không tuần hoàn Bchl CHÚ THÍCH Bchl* ... SO42-) Hô hấp nitrat (kị khí không bắt buộc): vi khuẩn khử nitrat 4AH2 + HNO3  4A + NH3 + 3H2O + ATP Ví dụ: Hô hấp sulfat (kị khí bắt buộc): vi khuẩn khử sulfat 4AH2 + H2SO4  4A... tổng hợp 4. 2 Quá trình trao đổi chất và lượng vi sinh vật dị dưỡng 4. 2.1 Quá trình phân giải glucide - Hô hấp hiếu khí - Lên men - Các trình oxy hóa không hoàn toàn - Hô hấp kị khí 4. 2.2... Triglycerides 4. 2 .4 Sự phân giải lipid và acid béo -oxi hóa acid béo 4. 3 Quá trình trao đổi chất và lượng VSV tự dưỡng 4. 3.1 Hóa tự dưỡng 4. 3.2 Quang tự dưỡng 13 4. 3.1 Tự dƣỡng