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

Các phương thức dinh dưỡng ở vi sinh vật 4.2.. Quá trình trao đổi chất và năng lượng ở vi sinh vật dị dưỡng 4.3... Các phương thức dinh dưỡng ở VSV... Nguồn năng lượng Nguồn C xây

Chương 4 QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI CHẤT VÀ

VÀ TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG Ở VSV

NỘI DUNG CHƯƠNG

4.1 Các phương thức dinh dưỡng ở vi sinh

vật

4.2 Quá trình trao đổi chất và năng lượng

ở vi sinh vật dị dưỡng

4.3 Quá trình trao đổi chất và năng lượng

ở vi sinh vật tự dưỡng

KHÁI NIỆM CHUNG

Trao đổi chất là (Metabolism) tổng các phản ứng hóa

học do tế bào thực hiện

Phản ứng giải phóng năng lượng (Phản ứng tỏa nhiệt)

Phản ứng thu năng lượng

(Phản ứng thu nhiệt)

Quá trình đồng hóa

(chuyển hóa các chất dinh dưỡng

và chế biến lại để tổng hợp các

chất riêng của tế bào VSV)

Quá trình dị hóa

(phân hủy các thành phần cơ

thể)

Trong 1 tế bào sống,

các phản ứng loại nào được thực hiện?

?

Cấu tạo ATP

4.1 Các phương thức dinh dưỡng ở VSV

Nguồn

năng

lượng

Nguồn C xây dựng tế bào

Quang

năng 1-Quang dị dưỡng

(Photoheterotroph) 2 - Quang tự dưỡng (Photoautotroph)

Hóa năng 3 - Hóa dị dưỡng

(Hererotroph) 4 - Hóa tự dưỡng (Lithotroph)

4.1 Các phương thức dinh dưỡng ở VSV

Vòng chuyển hóa năng lượng trong tế bào

Các kiểu giải phóng năng lượng

3 Lên men

4 Quang tổng hợp

1 Hô hấp hiếu khí (Aerobic respiration)

2 Hô hấp kị khí (Anaerobic respiration)

4.2 Quá trình trao đổi chất và năng

lượng ở vi sinh vật dị dưỡng

4.2.1 Quá trình phân giải glucide

- Hô hấp hiếu khí

- Lên men

- Các quá trình oxy hóa không hoàn toàn

- Hô hấp kị khí

4.2.2 Sự phân giải protein

4.2.3 Sự phân giải lipid và các acid béo

4.2.4 Sự phân giải các hợp chất vòng thơm

4.2.5 Sự phân giải các hợp chất 2 cacbon và 1

cacbon

4.2.1 Quá trình phân giải glucide

bằng cách hô hấp hiếu khí

Phân giải glucose Con đường đường phân

Con đường pentose-phosphat

Con đường 2-keto-3-deoxy-6-P-gluconat

Chu trình Krebs

Quá trình oxy hóa

pyruvat

Chuỗi vận chuyển

điện tử

Con đường đường phân (Glycosis)

(EMP – Embden Meyerhof pathway)

Xảy ra trong điều kiện có hay vắng mặt oxy

10 phản ứng

Glucose  2 piruvat + 2ATP + 2NADH

Cung cấp cho tế bào 6 tiền chất:

- Glucose – 6- P

- Fructose – 6-P

- 3- P- glixeraldehit

- 3-glixerat

- PEP (photphoenolpiruvat)

- Piruvat

- Xảy ra ở điều kiện oxy như thế nào?

- Ở vị trí nào trong tế bào?

- Các sản phẩm của phản ứng?

- Tạo bao nhiêu tiền chất cho quá trình tổng hợp

thành phần tế bào?

Con đường Pentozo photphat (PP)

(HMP – Hexose mono photphat)

Glucose  Piruvat + 3CO2 + 6NADPH2 +

NADH2 + ATP

Cung cấp cho tế bào 2 tiền chất:

- Ribose – 5 (dùng tổng hợp axit nucleic)

- Erytrose – 4 (cùng với PEP dùng tổng hợp các axit

amin thơm)

 Mang tính chất đồng hóa là chủ yếu

- Các sản phẩm của phản ứng?

Con đường 2-keto-3-deoxi-6-P-gluconat

(ED – Entner-Doudoroff pathway)

Glucose  2 Piruvat + ATP + NADH2 +

NADPH 2

Con đường KDPG giúp nhiều vi khuẩn sử

dụng gluconat

 Sản phẩm chung của các con 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

Azotobacter

Bacillus subtilis major minor -

Escherichia coli + - -

Lactobacillus

Leuconostoc

mesenteroides - + -

Pseudomonas

Vibrio cholerae minor - major

Zymomonas

Phân giải các loại đường khác

Mannose  Monnose-6-P  Fructose-6-P  con

đường EMP

Fructose  Fructose-6-P  con đường EMP

Galactose  Galactose-1-P  Glucose-1-P 

Glucose-6-P  con đường EMP

Quá trình oxi hóa pyruvat

(1) Piruvat + CoA + NAD +  Axetyl – CoA

+ NADH 2 + CO 2

 gặp ở vi khuẩn hiếu khí, Axetyl – CoA tạo thành

chủ yếu đi vào chu trình ATC

Piruvat - dehidrogenase

(2) Piruvat + CoA + 2Fd  Axetyl – CoA

+ 2FdH + CO 2  gặp ở nhiều vi khuẩn kỵ khí như

Clostridium

Piruvat – Fd - oxidoreductaza

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 ra ở ty thể

(Eukaryote)

Xảy ra ở màng tế

bào chất (Prokaryote)

1 pyruvat đi vào

chu trình Krebs tạo: 1

ATP, 3 NADH, 1

FADH, 2 CO2

NADH, FADH

đi tiếp vào chuỗi hô

hấp tạo thêm ATP

-Xảy ra ở vị trí nào

trong tế bào VSV?

-Các sản phẩm

tạo thành?

Photphorin hóa ở mức độ cơ chất

Sự tạo năng lượng ở các con đường phân giải

đường và chu trình Kreb

Chuỗi vận chuyển điện tử

Là 1 chuỗi các chất mang điện tử nằm trên 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(≈ 3 ATP) và FADH2 (≈ 2 ATP)

- Flavoprotein > Protein Fe – S > Quinon >

Xitocrom

 Các thành phần chuỗi hô hấp sắp xếp theo cơ sở thế

oxi hóa khử bắt đầu với NAD+ (thế âm nhất) và kết

thúc với xitocrom – oxidaza và O 2

Sự tạo năng lượng trong chuỗi hô hấp

Phosphoryl hóa oxi hóa

Trong điều kiện thiếu oxi, nhiều vi khuẩn tiến hành hô

hấp kị khí:

- CHC là chất cho điện tử

- Oxy trong 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

Hô hấp sulfat (kị khí bắt buộc): vi khuẩn khử sulfat

4AH2 + H2SO4  4A + NH3 + 3H2O + ATP

CH3COO - + SO4 2- → 2 HCO3 - + HS -

4.2.1 Quá trình phân giải glucide

bằng cách hô hấp kị khí

Ví dụ:

Ví dụ:

Lên men

Là quá trình phân giải hydratcacbon trong điều kiện kị khí

Bản chất: là quá trình oxy hóa khử cơ chất, oxi không tham

gia quá trình này, nên thực chất đây là quá trình tách hydro ra

khỏi cơ chất

Năng lượng sinh ra 1 phần sử dụng trong phản ứng khử, 1

phần tích lũy trong liên kết cao năng  ATP tạo thành không

nhiều như hô hấp hiếu khí

NADH2 tạo ra khi đường phân tác dụng với acid pyruvic

hoặc hợp chất mới tạo ra từ acid pyruvic để tái tạo NAD+

Sản phẩm cuối: CO 2 , sản phẩm hữu cơ chưa bị oxy hóa

hoàn toàn (rượu, acid lactic, aldehyde…)  có các quá trình

lên men khác nhau (tùy thuộc loại VSV và điều kiện lên men

Oxi hóa lại NADH trong lên men

Cơ chế của quá trình lên men

H 2 O

O 2

N 2

NO 3

-H 2 S

SO 4

2-CH 4

CO 2

Sản phẩm lên men Chất hữu cơ

Môi trường kỵ khí

Chất cho

Hidro

Môi trường thoáng khí

Hidro

Chất cho

Hidro

Hô hấp hiếu khí

Hô hấp kỵ khí

Hô hấp nitrate Kỵ khí không bắt buộc

Hô hấp sulfate Kỵ khí bắt buộc

Hô hấp kỵ khí đặc biệt

Lên men vi sinh vật

Tóm

tắt các

hình

thức dị

hóa ở

VSV

So sánh năng lượng trong 3 kiểu trao đổi chất và năng

lượng ở VSV dị dưỡng?

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 dụng protein làn

nguồn cacbon và nguồn năng lượng

Cơ chế phân giải protein

Oligopeptid

Protease

Axit amin

Peptidaza

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 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

Sự phân giải protein

Trong điều kiện thoáng khí: các quá trình oxi hóa

chuyển thành CO2, và các sản phẩm cuối cùng như 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 như

acid hữu cơ, rượu, amin trong 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 trường 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 cơ thể

- Sử dụng acid amin làm nguồn thức ăn cacbon và

Điều kiện môi trường

C/N > 25/1

C/N < 25/1

Ý nghĩa lớn đối với nông nghiệp vòng tuần hoàn vật

chất trong 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 ra ngoài dưới

dạng NH3 do VSV không sử dụng hết Việc sử dụng acid

amin lúc này theo hướng thứ hai

4.2.4 Sự phân giải lipid và acid béo

Lipid và

sáp

Glyceryl

Lipase

Acid béo

Con đường EMP

Acetyl – Co A Chu trình Krebs

Triglycerides

VSV thường sử dụng lipid làm nguồn năng lượng

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 tự dưỡng

4.3.2 Quang năng tự dưỡng

4.3.1 Tự dưỡng hóa năng

Mỗi loài đòi hỏi chất cho và chất nhận diện tử đặc trưng

N

N

N

N

N

N

N

Chất vô cơ ATP

[H]

CO 2

1:Chu trình Calvin 2:Con đường Axetyl-CoA

3:Con đường 4C

4:Con đường ATC dạng khử

[CH 2 0]

Vật chất tế bào

4.3.1 Tự dưỡng hóa năng

Quá trình oxi hóa

sinh học và sinh

năng lượng ?

Khác với

VSV hóa

năng hữu cơ

ở điểm nào?

ATP

NAD(P)H CO2

CH2O

NH4+

NO2

H2S

S 0

H2

Fe 2+

Dùng làm

nguồn năng

lượng đầu tiên

Dùng làm nguồn

cung cấp H vô cơ

Chuyển vận thuận chiều chuỗi hô hấp Tiêu hao [H], sinh ATP

Chuyển vận ngược chiều chuỗi hô hấp

Tiêu hao ATP, sinh [H]

Oxi hóa SH và sinh năng lượng

ở VSV tự dưỡng hóa năng

 ATP tạo thành chủ yếu từ sự phosphoryl hóa oxi hóa

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? Vì sao?

Ánh sáng

ATP

[H]

CO 2

1:Chu trình Calvin 2:Con đường Axetyl-CoA

3:Con đường 4C

4:Con đường ATC dạng khử

[CH 2 0]

Vật chất tế bào

4.3.2 Tự dưỡng quang năng

Quá trình photphoryl

hóa quang hợp

?

 Nhóm quang hợp có sản 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)

Nhóm VSV tự dưỡng quang năng

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

Bchl

* Bchl*

Bchl*

Bchl

Protein-Fe-s

A.pantotenic

Xit.b Xit.f

e

-e

-e

-e

-e

-Ánh sáng

ATP

ADP +Pi

CHÚ THÍCH

Bchl * :trạng thái kích phát

của Bchl (bactericlorophil

Ru-5-P

:Ribulozo-5-photphat

Ru-1,5-P

:Ribulozo-1,5-diphotphat

H2A :Chất vô cơ cho hydro

Phosphoryl hoá quang

hợp không tuần hoàn

Quang hợp

½

O2

2H + +

H2O

NADPH +

H +

NADP +

Flavoprot

ein

Protein oxi hóa khử Fe

- - -

- - -

Hệ thống quang hợp II Hệ thống quang hợp I

Xit b Xit f

Pi + ADP ATP

e

e -

e -

Chl.

b +

Chl.

b +

e -

Chl.

a +

Chl.

a + Chl.

a ADP

Pi + ATP

Quang phân li e -

Phosphoryl hoá quang hợp tuần hoàn

Quang hợp tạo ôxi