Bài giảng sự trao đổi chất của vi sinh vật

Đường phân glycosis hay con đường Embden-Meyerhof EM, hay con đường fructose -1,6-diphosphat FDP Enterobacteriaceae Glucose acid pyruvic NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXO

SỰ TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI

SINH VẬT

MỤC TIÊU

1 Trình bày được các con đường thu nhận năng

lượng

2 Phân biệt được hô hấp hiếu khí và kỵ khí

3 Hiểu được oxy hóa không hoàn toàn

4 Kết nối được các quá trình lên men chủ yếu

vsv

ĐẠI CƯƠNG

TRAO ĐỔI CHẤT NĂNG LƯỢNG

(ATP, UTP, acetylcoenzym A)

OH OH

Lieân keát cao naêng

Phosphat Phosphat

Phosphat Ribose

2.1 Đường phân (glycosis) hay con đường Embden-Meyerhof

(EM), hay con đường fructose -1,6-diphosphat (FDP)

Enterobacteriaceae

Glucose acid pyruvic

NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

Glucose + 2ATP +2 NAD 2CH3COCOOH + 4ATP + 2NADH+H +

1 pt glucose fructose-1, 6-diphosphat

2 pt triosephotphat

Acid pyruvic

Như vậy quá trình EM tạo ra được 2 ATP

S cerevisae, sự lên men tạo sản phẩm cuối cùng là rượu

Vi khuẩn khác lên men lactic tạo acid lactic

Động vật là aicd pyruvic và acid lactic

NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

Cần 2 ATP

Tạo ra 4 ATP

2.2 Con đường hexosomonophosphat (HMP) hay là con đường oxy hóa

pentophosphat (PP) hoặc Warburg-Dicken, Horecker-Racker

glucose-6-phosphate các hợp chất 5 carbon

glucose-6-phosphate

HMP có chức năng :

- Bổ sung đường ribo cho tế bào

- Cung cấp NADP H + H + cần cho phản ứng sinh tổng hợp

khử

Hiệu suất của HMP chỉ 1/2 EM , vì khi biến đổi một phân tử

đường glucose thành acid pyruvic thì chỉ tạo một phân tử

ATP

oxy hóa

NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

- Penicillium chrysogenum có khoảng 2/3 số lượng glucose

được chuyển hóa qua con đường HMP

- E coli thường chỉ có 1/3 glucose được chuyển hóa qua HMP.

- S cerevisiae lên men kỵ khí glucose được chuyển hóa theo

EM, ở điều kiện thoáng khí 30% glucose được chuyển hóa

theo HMP

- Propionibacterium arabinosum chuyển hóa theo EM

- Acetobacter suboxydans chỉ chuyển hóa theo HMP

NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

2.3 Entner-Doudoroff (ED)

Sản phẩm trung gian đặc trưng là

2-aceto-3-desoxy-6-phosphogluconic acid, nên còn gọi là con đường CDPG

glucose glucose-6-phosphate

3-phosphoglyceraldehyd

CH3COCOOH

• Phương trình chung :

• Glucose + ATP + NADP + NAD 2CH 3 COCOOH +

2ATP + NADPH+H + + NADH+H +

Cần 1 ATP

Tạo 2 ATP

NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

• - ED phổ biến ở vi khuẩn gram âm và ít gặp ở vi khuẩn kỵ khí

• - Chuyển E coli từ môi trường glucose sang gluconat (acid

gluconic) thì sẽ tạo enzym gluconokinase phosphoryl hóa acid

gluconic thành acid 6- P -gluconic và chuyển hóa theo ED.

- Pseudomonas phân giải glucose qua gluconat vì có enzym

glucodehydrogenase biến glucose thành gluconat

NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

2.4 Vi sinh vật sử dụng các hợp chất glucid khác

Lactobacillus và Neisseria meningitidis có chứa enzym

maltophosphorylase, có khả năng phosphoryl hóa

disaccharid

mà không tiêu tốn ATP

Maltose + H3PO4 Glucose-1-phosphat + Glucose

NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

3 Hơ hấp

• Hiếu khí bắt buộc (Obligate Aerobes)

• Oxy phân tử là yếu tố cần thiết cho hoạt động sống

• Oxy là chất nhận hydro

• Không có oxy vi khuẩn không tăng trưởng và chết

• Hydro từ cơ chất → O 2 → H 2 O

Vi hiếu khí (Microaerophile)

Cần nồng độ oxy thấp để hoạt động sống

Oxy làm chất nhận electron cuối cùng nhưng không phát triển trong điều kiện hiếu khí bình thường và mọc khó khăn trong

điều kiện yếm khí

HƠ HẤP

• Kỵ khí không bắt buộc (Faculative Anaerobes)

• Tăng trưởng trong điều kiện có hay không có oxy

• Oxy là độc tố của vi khuẩn và oxy sẽ tạo thành H2O2

• VK kỵ khí không bắt buộc sống được khi môi trường

kỵ khí hay môi trường bình thường, thu năng lượng

bằng phản ứng oxy hóa hay sư lên men

HÔ HẤP

• Vi khuẩn kỵ khí bắt buộc (Obligate Anaerobes)

• Không sử dụng oxy để biến dưỡng, thu năng lượng từ phản

ứng lên men

• Không mọc được trong điều kiện hiếu khí

• Chất nhận hydro là chất vô cơ hay hữu cơ và oxy là độc tố đối

với vi khuẩn

• Không có enzym catalase hay peroxydase để phân hủy H 2 O 2 vì

vậy tích lũy trong tế bào

HÔ HẤP

3.1 Hô hấp hiếu khí và chu trình Acid Tricarboxylic (Krebs)

Acid pyruvic hình thành bằng các con đường phân giải

hydratcarbon sẽ được VSV oxy hóa triệt để thông qua chu

trình Krebs hay còn gọi là chu trình acid tricarboxylic (ATC)

3.2 Hô hấp kỵ khí (yếm khí)

3.2.1 Hô hấp nitrat (amon hóa nitrat và phản nitrat hóa)

Gồm quá trình : amon hóa nitrat và phản nitrat hóa

HÔ HẤP

NO3 → NO2 → NO-

NH2OH → NH3 N2O → N2 Hô hấp nitrat

Amon hóa nitrat

Phản nitrat hóa

• Nhiều vi khuẩn sử dụng nitrat (nitrat hóa) là nguồn thức ăn nitơ

• Khử nitrat qua nitrit đến NH 3 , sau đó NH 3 sẽ tiếp tục tham gia vào

hoạt động trao đổi chất (khử đồng hóa)

• NO 3 → NO 2 → X → NH 2 OH → NH 4 (sử dụng)

• Sản phẩm trong nitrat hóa được dùng

• Sản phẩm trong hô hấp nitrat (khử dị hóa) không được sử dụng trực

tiếp mà thải ra ngoài tế bào vi khuẩn

• Hệ thống enzym của hô hấp nitrat chỉ được tạo ra trong điều kiện

yếm khí hoặc thiếu oxi.

• VK phản nitrat hóa oxy hóa chất hữu cơ nhờ oxy không khí

• Khi thiếu oxy sẽ oxy hóa các chất hữu cơ này bằng oxy của nitrat và

tiến hành khử nitrat thành nitơ phân tử Đây là nhóm kỵ khí không

bắt buộc

• Khi phân giải nitrat, sẽ tích lũy K, Na, Ca tạo ra KOH, NaOH hoặc

carbonat, làm kiềm hóa môi trường

HÔ HẤP

3.2.2 Hô hấp sulfat

Khả năng đồng hóa sulfat làm nguồn thức ăn S để tổng hợp aminoacid và các enzym chứa lưu huỳnh, gọi là quá trình khử đồng hóa sulfat

Nguồn hydro là acid hữu cơ, rượu và hydro phân tử

Cơ chất hữu cơ không được oxy hóa triệt để Sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hóa thường là acid acetic

• VK tự dưỡng hóa năng khử sulfat bằng hydro phân tử và sử dụng

năng lượng sinh để đồng hóa CO 2 của không khí

• Trao đổi chất ở vi khuẩn khử sulfat có tính chất oxy hóa, nhận năng

lượng từ phosphoryl hóa trong chuỗi hô hấp

• Đây là quá trình cần năng lượng

HÔ HẤP

• Dưới tác dụng của ATP-sulfurilase, gốc phosphat của ATP

được thay bằng sulfat và tạo thành Adenosin-5'-phosphosulfat

(APS)

• ATP + SO 4 Adenosin-5'-phosphosulfat + pyrophosphat

• Quá trình khử sulfat phải có sự tham gia của cytochrom C3

• Khử đồng hóa sulfat tiến hành thông qua hợp chất

phosphoadenosin-phosphosulfat (PAPS)

HÔ HẤP

• Oxi hóa một mol acid lactic thu được 2 mol ATP

• Khử sulfat sulfit cần 2 lk cao năng (ATP  AMP + PPi)

• Tổng năng lượng bằng 0 Vì thế vi khuẩn phản sulfat hóa có

thể sử dụng H 2 và tạo sulfit từ sulfat và H 2 mà không cần thông qua APS

• VK phản sulfat hóa gặp ở vùng bùn lầy có khí H 2 S, nơi có quá

trình phân giải kỵ khí các hợp chất hữu cơ, tham gia vào quá

trình hình thành quặng lưu huỳnh, mỏ dầu

HÔ HẤP

Các vi sinh vật tiến hành hô hấp hiếu khí, nhưng sản phẩm sinh ra là những hợp chất hữu cơ được oxy hóa một phần như : cetoacid, acid acetic, acid gluconic,

acid fumaric, acid citric, acid lactic, giống như sản phẩm của một số quá trình lên men nên được gọi là

"lên men oxy hóa"

4.1 Vi khuẩn acetic và sự tạo thành acid acetic

VSV phân giải đường hoặc rượu cho ra các loại acid

VK acetic là VK gram âm, có chu mao như giống

Acetobacter, trên bề mặt thực vật, hiếu khí bắt buộc ;

hoặc có tiêm mao phân bố ở cực như Acetomonas

OXY HĨA KHƠNG HỒN TỒN

Oxy hóa rượu thành dấm là quá trình từ từ bằng cách khử dần rượu : từ rượu acetaldehyd acetaldehyd acid acetic.

• Vi khuẩn acetic có thể được chia thành các nhóm :

• - Nhóm Peroxydans : Acetobacter paradoxum, A peroxydans

• - Nhóm Oxydans gồm A ascendens, A rancens, A

lavanniense

• - Nhóm Mesoxydans gồm A mesoxydans, A xylinum, A aceti

• - Nhóm Suboxydans gồm A oxidans, A melanogenum.

• Loài Acetobacter thường được sử dụng trong công nghiệp là A

aceti, A pasteuriasum, A orleanense, A xylinum, A

schutzonbachii và A suboxydans

• A suboxydans, A xylinum có khả năng oxy hóa rượu sorbid

thành đường sorbose Chúng được sử dụng trong ngành công

nghệ sản xuất vitamin C (acid ascorbic)

OXY HÓA KHÔNG HOÀN TOÀN

4.2 Nấm mốc và sự hình thành acid citric

• Hiếu khí, nhưng có thể tích lũy trong môi trường nhiều

sản phẩm chưa được oxy hóa triệt để, phổ biến nhất là

acid hữu cơ

• A niger trên môi trường chứa đường và có mặt CaCO3 sẽ

tích lũy nhiều acid oxalic

• A niger có khả năng tích lũy nhiều a citric

• A niger được sử dụng trong nhà máy sản xuất a citric với

các chủng 6/5, 90, 82, ở Trung Quốc dùng các chủng AS3,

939, 87, 330

OXY HÓA KHÔNG HOÀN TOÀN

4.3 Tạo acid L-glutamic nhờ vi khuẩn

• Corynebacterium trong môi trường 10% glucose và uré là nguồn nitơ

có thể tích lũy 50g acid L-glutamic/lit, khoảng 0,6 mol acid

glutamic/1mol glucose (hiệu suất 60%)

• EM

• glucose a.citric và a.α-ketoglutaric acid L-glutamic

• C glutamicum và Brevibacterium divaricatum cần biotin để tổng hợp

acid L-glutamic

• C glutamicum để sản xuất L-lysin

• Enterobacteriaceae và Pseudomonadaceae sản xuất L-homoserin,

L-valin, L-isoleucin, L-tryptophan, L-tyrosin

• Việt Nam dùng chủng Corynebacterium 2969 với môi trường là rỉ

đường mía là nguồn biotin và chất sinh trưởng thay cho cao ngô

trong môi trường sinh tổng hợp a glutamic

OXY HÓA KHÔNG HOÀN TOÀN

4.4 Sự phân giải các hợp chất hữu cơ chứa nitơ (thối rữa)

Cơ chất của sự thối rữa là protein.

Do tạo ra sản phẩm là NH 3 , nên người ta vẫn gọi quá trình phân giải protein là quá trình amon hóa (amonification)

Protein polypeptid, các oligopeptid acid amin

enzym phân giải protein ngoại bào

enzym peptidase ngoại bào

• Vi khuẩn : B mycoides, B mesentericus, B subtilis,, Proteus

vulgaris, Ps fluorescens, Ps aeruginosa, Ps putreficans, E coli,

Clostridium sporogenes,

• Xạ khuẩn và nấm mốc : Str griseus, Str rimosus, Actinomyces

fradiae, Asp oryzae, Asp flavus, Asp terricola, Asp niger,

Penicillium camemberti, Cephalothecium, Rhizopus, Mucor,

Gliocladium roseum

• E coli, Proteus có khả năng chuyển hóa tryptophan thành hai chất

có mùi hôi là indol và skatol (mùi thối )

• Thối rữa xảy ra trong điều kiện thoáng khí thì carbon chuyển thành

CO 2

• Khi quá trình thối rữa xảy ra trong điều kiện kỵ khí thì thường có sự

tích lũy các đồng phân trung gian như trên

• Ngoài khả năng phân giải protein, đáng chú ý nhất là khả năng

phân giải các base nitơ, ure, acid uric, cyanamid canxi và kitin

OXY HÓA KHÔNG HOÀN TOÀN

• Lên men là quá trình phân giải hydratcarbon trong điều kiện kỵ

khí Oxy phân tử không tham gia vào quá trình lên men

• Năng lượng sinh ra sẽ chi phí cho phản ứng khử, và tích lũy

trong các liên kết cao năng

• NADH+H + không được chuyển đến oxy phân tử thông qua

chuỗi hô hấp

• Việc tái tạo NAD được thực hiện nhờ acid pyruvic hay các sản

phẩm của nó

• Tế bào vi sinh vật kỵ khí bắt buộc không thấy các loại enzym hô

hấp (cyt b, c, a, cytoxydase, peroxydase, catalase)

• Sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men ngoài CO 2 , còn có

những hợp chất carbon chưa được oxy hóa hoàn toàn (rượu,

acid hữu cơ, ceton, aldehyd).

LÊN MEN

• 5.1 Lên men rượu

• 5.1.1 Tác nhân lên men

• Tác nhân chính là S cerevisiae và những loài thuộc

chi Saccharomyces Khi không có oxy phân tử thì

men glucid để tạo CO2 và ethanol theo con đường

EM

• Ơû Zymomonas mobilis, sự phân giải glucose lại theo

con đường ED có tạo acid lactic

• Mucor thì glucose được phân giải chủ yếu bằng con

đường EM (70% cơ chất) và HMP (30% cơ chất)

• Ơû vi khuẩn thuộc họ Enterobacteriaceae và

Clostridium thì sản phẩm là acetaldehyd

LÊN MEN

• 5.1.2 Cơ chế chung của sự lên men rượu (EM )

để tạo thành ethanol

đó được chuyển đến aldehyd glycerinic để tạo glycerin.

độ rượu tăng nhanh.

acid acetic là chủ yếu.

hoặc nấm men “nổi” S cerevisiae Khi làm bia rượu, cần tránh S

intermedius do làm đục rượu, bia, gây mùi khó chịu ; tránh vi khuẩn

LÊN MEN

5.1.3 Hiệu ứng Pasteur

• Sự kiềm hãm quá trình lên men rượu bằng oxy được gọi là hiệu

ứng Pasteur

• Trong điều kiện kỵ khí từ một mol đường cho ra 2 mol ATP ;

trong điều kiện hiếu khí thì cho ra 38 mol ATP

LÊN MEN

5.2 Lên men formic (lên men acid hỗn hợp)

5.2.1 Tác nhân

Vi khuẩn thuộc họ Enterobacteriaceaae Acid formic sau

khi sinh ra sẽ tích lũy lại trong môi trường hay chuyển hóa

thành H 2 và CO 2 (enzym formiat hydrogenliase)

Lên men acid formic là lên men acid hỗn hợp vì quá trình

này sản xuất nhiều loại acid khác nhau : acid formic, acid

acetic, acid succimic, acid lactic, ethanol, glycerin, acetoin

(acetylmetylcarbinol), 2, 3-butadiol, CO 2 , và H 2

LÊN MEN

5.2.2 Quá trình lên men đặc trưng cho Ecoli, Shigella, Salmonella tạo ra các loại acid là chủ yếu và không tạo ra butandiol (acid hỗn hợp)

• Acid pyruvic sinh ra trong quá trình đường phân EM được khử

thành acid lactic nhờ enzym lactatdehydrogenase còn một phần chuyển thành acetylphosphate (hay acetylCoA) và acid formic

• Các cofactor của phản ứng này là TPP (ThiaminPyroPhosphat)

và CoA

• CO 2 và H 2 được sinh ra trong quá trình phân giải HCOOH

Acetylphosphate một phần tiếp tục được phân giải thành

ethanol, còn một phần được phân giải thành acid acetic Acid

succinic cũng được sinh ra do sự oxy hóa acetylCoA theo chu

trình Krebs

LÊN MEN

5.2.3 Loại đặc trưng cho Aerobacter, Serratia và một số loài Bacillus, sản phẩm chủ yếu là butandiol còn các loại acid chỉ là sản phẩm thứ yếu

acid pyruvic được phân giải theo cơ chế như ở E coli, song phần lớn acid pyruvic lại tập trung để tạo acetylmetylcarbinol (acetoin) và sau khi được khử thì trở thành 2, 3-butandiol hoặc được oxy hóa để trở thành diacetyl

LÊN MEN

5.3 Lên men lactic

5.3.1 Tác nhân

Vi khuẩn họ Lactobactericeae, Không có cytochrom và catalase, nhưng sống được trong điều kiện có oxy không khí vì

có peroxydase phân giải H 2 O 2 thành H 2 O và oxy Vì vậy người

ta gọi chúng là vi khuẩn vi hiếu khí.

Dựa vào sản phẩm sinh ra trong quá trình lên men glucose, người ta chia vi khuẩn lactic thành 2 nhóm : nhóm lên men lactic đồng hình (homofermentative) và nhóm lên men dị hình (heterofermentative)

LÊN MEN

5.3.2 Cơ chế

• Lên men lactic đồng hình

• Streptococcus lactis, L casei, L bulgaricus tích lũy đến 90%

acid trong các sản phẩm lên men, phân giải glucose theo con

đường EM

• Lên men đồng hình gồm hai giai đoạn :

• Giai đoạn 1 : thời kỳ sinh trưởng lũy thừa của vi khuẩn, từ

hexose tạo ra acid phosphoglycerinic nhờ sự oxy hóa

phosphoglyceraldehyd kèm theo việc khử NAD :

Giai đoạn 2 : Do NADH+H+ tăng, nên thế oxy hóa khử

của môi trường giảm xuống, dẫn tới sự nhường hydro

từ NADH+H+ cho acid phosphoglycerinic để khử

Sự lên men lactic dị hình

L brevis, L fermenti, Bif bifidum thực hiện phân giải đường

glucose theo con đường HMP

5.3.3 Ứng dụng

Làm sữa chua, muối dưa, ủ thức ăn gia súc, sản xuất acid lactic (làm mềm và nở da), dùng trong công nghiệp dệt (nhuộm, in), tổng hợp chất dẻo, công nghiệp thực phẩm Sản xuất lactate canxi, dùng để bổ sung canxi dưới dạng dễ hấp thụ

LÊN MEN