GIÁO TRÌNH VI SINH VẬT HỌC

GIÁO TRÌNH VI SINH VẬT HỌC Cùng bạn đọc Vi sinh vật (microorganisms) sinh vật nhỏ bé đến mức thấy chúng kính hiển vi quang học hay kính hiển vi điện tử Vi sinh vật gây nhiều bệnh hiểm nghèo cho người, cho gia súc, gia cầm Tuy nhiên số vi sinh vật gây bệnh chiếm phần nhỏ giới vi sinh vật Từ xa xưa người ta biết ứng dụng vi sinh vật có ích (tuy chưa biết tới tồn chúng) để chế biến thực phẩm ( nấu rượu, làm tương, mắm, nước mắm, giấm, sữa chua, chao, muối dưa, muối cà, ), ủ phân, ngâm vỏ lấy sợi, xếp ải đất, trồng luân canh với họ Đậu ; sử dụng biện pháp để ngăn chặn tác hại vi sinh vật (như ướp muối thịt, cá, làm mứt, phơi khô củ cải, tôm, cá ) Sau việc Leeuwenhoek phát vi sinh vật việc Louis Pasteur phát chất vi sinh vật- từ khai sinh ngành Vi sinh vật học (Microbiology)- nhân loại bắt đầu quan tâm nhiều đến lĩnh vực khoa học mẻ Vi sinh vật học trở thành tảng cho phát triển Công nghệ sinh học(CNSH) Người ta chia phát triển CNSH thành giai đoạn: * CNSH truyền thống trình dân dã nhằm chế biến , bảo quản loại thực phẩm, xử lý đất đai, phân bón để phục vụ nông nghiệp * CNSH cận đại trình sử dụng nồi lên men công nghiệp để sản xuất quy mô lớn sản phẩm sinh học mỳ (bột ngọt), lizin axít amin khác, acid hữu cơ, dung môi hữu cơ, chất kháng sinh, số vitamin (như vitamin B2, B12, C ), nhiều loại enzym * CNSH đại chia lĩnh vực CN di truyền (genetic engineering), công nghệ tế bào (cell engineering), công nghệ enzym protein (enzyme/protein engineering), CN vi sinh vật/ CN lên men (microbial engineering / fermentation), CN môi trường (environmental engineering) CNSH đại thường gắn liền với thể mang gen tái tổ hợp ( recombination gene) Vi sinh vật học khoa học nghiên cứu thể nhân tố nhỏ đến mức không thấy mắt thường, tức vi sinh vật Vi sinh vật học giảng dạy rât nhiều trường Đại học, Cao đẳng, Trung học chuyên nghiệp đề cập đến nhiều bậc phổ thông Vi sinh vật học kiến thức liên quan đến cuốc sống người Bên cạnh giáo trình Vi sinh vật học biên soạn từ lâu tái nhiều lần muốn cung cấp thêm cho đông đảo bạn đọc, thầy cô giáo giảng dạy vi sinh vật học tập tài liệu trình bày với nhiều tranh ảnh sơ đồ, biểu đồ Có thể coi phần tham khảo để thiết kế giảng nhằm mục tiêu cập nhật với tiến ngành khoa học luôn đổi Để giúp bạn trẻ tiếp cận với sách báo nước ngoài, cập nhật kiến thức qua Internet cố gắng viết thêm tiếng Anh sau thuật ngữ khoa học để nguyên thích tiếng Anh hình vẽ Thông qua việc giáo viên hướng dẫn sinh viên điền tiếng Việt vào hình vẽ giúp ích nhiều cho trình tự học sinh viên Rất mong nhận ý kiến đóng góp bạn đồng nghiệp đông đảo bạn đọc Vì mục đích phục vụ phi lợi nhuận mong lượng thứ việc sử dụng hình ảnh thu nhận qua Internet Bài Lược sử nghiên cứu Vi sinh vật học 1546- Girolamo Fracastoro (1478, 1553) cho thể nhỏ bé tác nhân gây bệnh tật Ông viết thơ Syphilis sive de morbo gallico (1530) từ tựa đề thơ đó, người ta dùng đề đặt tên bệnh 1590-1608- Zacharias Janssen lần lắp ghép kính hiển vi 1676- Antony van Leeuwenhoek (1632-1723) hoàn thiện kính hiển vi khám phá giới vi sinh vật (mà ông gọi anmalcules) 1688- Nhà vạn vật học người Ý Francisco Redi công bố nghiên cứu phát sinh tự nhiên giòi 1765-1776- Spallanzani (1729-1799) công kích thuyết Phát sinh tự nhiên 1786- Müller đưa phân loại vi khuẩn 1798- Edward Jenner nghĩ phương pháp chủng mủ đậu bò để phong ngừa bệnh đậu mùa 1838-1839- Schwann Schleiden công bố Học thuyết tế bào 1835-1844- Basi công bố bệnh tằm nấm gây nên nhiều bệnh tật khác vi sinh vật gây nên 1847-1850- Semmelweis cho bệnh sốt hậu sản lây truyền qua thầy thuốc kiến nghị dùng phương pháp vô khuẩn để phòng bệnh 1849- Snow nghiên cứu dịch tễ bệnh tả vùng London 1857- Louis Pasteur (1822-1895) chứng minh trình lên men lactic gây nên vi sinh vật 1858- Virchov tuyên bố tế bào sinh từ tế bào 1861- Pasteur chứng minh vi sinh vật không tự phát sinh theo thuyết tự sinh 1867- Lister công bố công trình nghiên cứu phẫu thuật vô khuẩn 1869- Miescher khám phá acid nucleic 1876-1877- Robert Koch (1843-1910) chứng minh bệnh than vi khuẩn Bacillus anthracis gây nên 1880- Alphonse Laveran phát ký sinh trùng Plasmodium gây bệnh sốt rét 1881- Robert Koch nuôi cấy khiết vi khuẩn môi trường đặc chứa gelatin Pasteur tìm vaccin chống bệnh than 1882- Koch phát vi khuẩn lao - Mycobacterium tuberculosis 1884- Lần công bố Nguyên lý Koch Elie Metchnikoff (1845-1916) miêu tả tượng thực bào (phagocytosis) Triển khai nồi khử trùng cao áp (autoclave) Triển khai phương pháp nhuộm Gram 1885- Pasteur tìm vaccin chống bệnh dại Escherich tìm vi khuẩn Escherichia coli gây bệnh tiêu chảy 1886- Fraenkel phát thấy Streptococcus pneumoniae gây bệnh viêm phổi 1887- Richard Petri phái ta cách dùng hộp lồng (đĩa Petri) để nuôi cấy vi sinh vật 1887-1890- Winogradsky nghiên cứu vi khuẩn lưu huỳnh vi khuẩn nitrat hoá 1889- Beijerink phân lập vi khuẩn nốt sần từ rễ đậu 1890- Von Behring làm kháng độc tố chống bệnh uốn ván bệnh bạch hầu 1892- Ivanowsky phát mầm bệnh nhỏ vi khuẩn (virus) gây bệnh khảm thuốc 1894- Kitasato Yersin khám phá vi khuẩn gây bệnh dịch hạch (Yersina pestis) 1895- Bordet khám phá Bổ thể (complement) 1896- Van Ermengem tìm mầm bệnh ngộ độc thịt (vi khuẩn Clostridium botulinum) 1897- Buchner tách men (ferments) từ nấm men (yeast) Ross chứng minh ký sinh trùng sốt rét lây truyền bệnh qua muỗi 1899- Beijerink chứng minh hạt virus gây nên bệnh khảm thuốc 1900- Reed chứng minh bệnh sốt vàng lây truyền muỗi 1902- Landsteiner khám phá nhóm máu 1903- Wright cộng khám phá Kháng thể (antibody) máu động vật miễn dịch 1905- Schaudinn Hoffmann tìm mầm bệnh giang mai (Treponema pallidum) 1906- Wassermann phát xét nghiệm cố định bổ thể để chẩn đoán giang mai 1909- Ricketts chứng minh bệnh Sốt ban núi đá lan truyền qua ve mầm bệnh vi khuẩn (Rickettsia rickettsii) 1910- Rous phát ung thư gia cầm 1915-1917- D’Herelle Twort phát virus vi khuẩn ( thực khuẩn thể) 1921- Fleming khám phá lizôzim (lysozyme) 1923-Xuất lần đầu phân loại Vi khuẩn (Bergey’s Manual) 1928- Griffith khám phá việc biến nạp (transformation) vi khuẩn 1929- Fleming phát penicillin 1931- Van Niel chứng minh vi khuẩn quang hợp sử dụng chất khử nguồn cung cấp electron không sản sinh ôxy 1933- Ruska làm kính hiển vi điện tử 1935- Stanley kết tinh virus khảm thuốc (TMV) Domag tìm thuốc sulfamide 1937- Chatton phân chia sinh vật thành hai nhóm: Nhân sơ (Procaryotes) Nhân thật (Eucaryotes) 1941- Beadle Tatum đưa giả thuyết gen- enzym 1944- Avery chứng minh ADN chuyển thông tin di truyền trình biến nạp Waksman tìm streptomycin 1046- Lederberg Tatum khám phá trình tiếp hợp (conjugation) vi khuẩn 1949- Enders, Weller Robbins nuôi virus Polio (Poliovirus) mô người nuôi cấy 1950- Lwoff xác định thực khuẩn thể tiềm tan (lysogenic bacteriophages) 1952- Hershey Chase chứng minh thực khuẩn thể tiêm ADN vào tế bào vật chủ (host) Zinder Lederberg khám phá trình tải nạp (transduction) vi khuẩn 1953- Frits Zernike Làm kính hiển vi tương phản pha (phase-contrast microscope) Medawar khám phá tượng nhờn miễn dịch (immune tolerance) Watson Crick khám phá chuỗi xoắn kép ADN 1955- Jacob Monod khám phá yếu tố F plasmid Jerne Burnet chứng minh lý thuyết chọn lọc clone (clonal selection) 1959- Yalow triển khai kỹ thuật Miễn dịch phóng xạ 1961- Jacob Monod giới thiệu mô hình điều hoà hoạt động gen nhờ operon 1961-1966- Nirenberg, Khorana cộng giải thích mã di truyền 1962- Porter chứng minh cấu trúc Globulin miễn dịch G Tổng hợp quinolone có tác dụng diệt khuẩn ( acid nalidixic) 1970- Arber Smith khám phá enzym giới hạn (restriction endonuclease) Temin Baltimore khám phá enzym phiên mã ngược (reverse transcriptase) 1973- Ames triển khai phương pháp vi sinh vật học để khám phá yếu tố gây đột biến (mutagens) Cohen, Boyer, Chang Helling sử dụng vectơ plasmid để tách dòng gen vi khuẩn 1975- Kohler Milstein phát triển kỹ thuật sản xuất kháng thể đơn dòng ( monoclonal antibodies) Phát bệnh Lyme 1977- Woese Fox thừa nhận Vi khuẩn cổ (Archaea) nhóm vi sinh vật riêng biệt Gilbert Sanger triển khai kỹ thuật giải trình tự ADN (DNA sequencing) 1979-Tổng hợp Insulin kỹ thuật tái tổ hợp ADN Chính thức ngăn chặn bệnh đậu mùa 1980- Phát triển kính hiển vi điện tử quét 1982- Phát triển vaccin tái tổ hợp chống viêm gan B 1982-1983- Cech Altman phát minh ARN xúc tác 1983-1984- Gallo Montagnier phân lập định loại virus gây suy giảm miễn dịch người Mulli triển khai kỹ thuật PCR (polymerase chain reaction) 1986- Lần ứng dụng người vaccin sản xuất kỹ thuật di truyền (vaccin viêm gan B) 1990- Bắt đầu thử nghiệm lần liệu pháp gen (gene-therapy) người 1992- Thử nghiệm người liệu pháp đối nghĩa (antisense therapy) 1995- Hoa Kỳ chấp thuận sử dụng vaccin đậu gà Giải trình tự hệ gen vi khuẩn Haemophilus influenzae 1996- Giải trình tự hệ gen vi khuẩn Methanococcus jannaschii Giải trình tự hệ gen nấm men 1997- Phát loại vi khuẩn lớn Thiomargarita namibiensis Giải trình tự hệ gen vi khuẩn Escherichia coli 2000- Phát vi khuẩn tả Vibrio cholerae có nhiễm sắc thể riêng biệt Janssen Leeuwenhoek (16321723) Pasteur (1822-1895) Kính hiển vi Leeuwenhoek Bút tích miêu tả vi sinh vật Leeuwenhoek Robert Koch (18431910) Thí nghiệm bình cổ cong để phản đối thuyết tự sinh (Pasteur) Vi khuẩn lao chụp qua kính hiển vi Alexander Fleming (1881-1955) Elie Metchnikoff (1845-1916) Nấm Penicillium sản sinh penicillin Bài Những đặc điểm chung Vi Sinh Vật 1-Vi sinh vật thuộc giới sinh vật nào? Vi sinh vật nhóm phân loại sinh giới mà bao gồm tất sinh vật có kích thước hiển vi, không thấy rõ mắt thường, phải sử dụng kính hiển vi thường kính hiển vi điện tử Ngoài muốn nghiên cứu vi sinh vật người ta phải sử dụng tới phương pháp nuôi cấy vô khuẩn Từ trước đến có nhiều hệ thống phân loại sinh vật Các đơn vị phân loại sinh vật nói chung vi sinh vật nói riêng từ thấp lên cao Loài (Species), Chi (Genus), Họ (Family), Bộ (Order), Lớp (Class), Ngành (Phylum), Giới (Kingdom) Hiện giới có mức phân loại gọi lĩnh giới (Domain) Đấy chưa kể đến mức phân loại trung gian Loài phụ (Subspecies), Chi phụ (Subgenus), Họ phụ (Subfamily), Bộ phụ (Suborder),Lớp phụ (Subclass), Ngành phụ (Subphylum) John Ray Carl Von Linnaeus Xưa John Ray (1627-1705) Carl Von Linnaeus (1707-1778) chia giới Thực vật Động vật Năm 1866 E H Haeckel (1834-1919) bổ sung thêm giới Nguyên sinh (Protista) Năm 1969 R H Whitaker (1921-1981) đề xuất hệ thống phân loại giới : Khởi sinh (Monera), Nguyên sinh (Protista), Nấm (Fungi), Thực vật (Plantae) Động vật (Animalia) Khởi sinh bao gồm Vi khuẩn (Bacteria) Vi khuẩn lam (Cyanobacteria) Nguyên sinh bao gồm Động vật nguyên sinh (Protzoa), Tảo (Algae) Nấm sợi sống nước (Water molds) Gần có hệ thống phân loại giới- giới thêm giới Cổ vi khuẩn (Archaebacteria), giới Khởi sinh đổi thành giới Vi khuẩn thật (Eubacteria) (P H Raven, G B Johnson, 2002) Cổ vi khuẩn Vi khuẩn thật thuộc Còn T Cavalier-Smith (1993) lại đề xuất hệ thống phân loại giới: Vi khuẩn thật (Eubacteria), Cổ vi khuẩn (Archaebacteria), Cổ trùng (Archezoa), Sắc khuẩn (Chromista), Nấm (Fungi), Thực vật (Plantae) Động vật (Animalia) Theo R Cavalier-Smith Cổ trùng (như Giardia) bao gồm thể đơn bào nguyên thuỷ có nhân thật, có ribosom 70S, chưa có máy Golgi, chưa có ty thể (mitochondria) chưa diệp lục (Chloroplast), chưa có peroxisome Sắc khuẩn bao gồm phần lớn thể quang hợp chứa thể diệp lục phiến (lumen) mạng lưới nội chất nhăn (rough endpplasmic reticulum) tế bào chất (cytoplasm), chẳng hạn Tảo silic , Tảo nâu, Cryptomonas, Nấm noãn Năm 1980, Carl R Woese dựa nghiên cứu sinh học phân tử phát thấy Cổ khuẩn có sai khác lớn trật tự nucleotid ARN ribosom 16S 18S Ông đưa hệ thống phân loại ba lĩnh giới (Domain) bao gồm Cổ khuẩn (Archae), Vi khuẩn (Bacteria) Để cho hiệu kinh tế tiền chất dùng cho sinh tổng hợp amino acid cung cấp từ vài đường lưỡng hoá chủ yếu Thứ tự dẫn đến amino acid riêng rẽ phân nhánh từ đường trung tâm Alanine, aspartat glutamate được tổng hợp nhờ chuyển amine lần lượt, trực tiếp từ Pyruvate, Oxaloacetatee α-ketoglutarate Hình 18.18: Con đường phân nhánh tổng hợp amino acid Các đường dẫn tới methionine, threonine, izoleucine lysine Mặc dù số mũi tên biểu thị bước nhiên hầu hết chuyển hóa qua lại đòi hỏi tham gia số enzyme (Theo: Prescott cs, 2005) Hầu hết đường sinh tổng hợp phức tạp chất trung gian quen thuộc thường dùng sinh tổng hợp họ amino acid có liên quan nhằm mục đích tiết kiệm Chẳng hạn, lysine, threonine, izoleucine methionine tổng hợp từ oxaloacetatee từ đường đồng hoá phân nhánh (Hình 18.18) Con đường sinh tổng hợp amino acid thơm phenylalanine, tyrosine tryptophan có chung nhiều chất trung gian (Hình 18.19) Hình 18.19: Tổng hợp amino acid thơm (phenylalanine, tyrosine, tryptophan) Chú ý: hầu hết mũi tên biểu thị phản ứng enzyme (Theo: Prescott cs, 2005) 18.6 CÁC PHẢN ỨNG BỔ SUNG Khi xem xét hình 18.17 ta thấy chất trung gian chu trình TCA dùng sinh tổng hợp pyrimidine nhiều acid amine Trên thực tế, chức sinh tổng hợp chu trình quan trọng đến mức hầu hết chu trình hoạt động kỵ khí để cung cấp tiền chất sinh tổng hợp N ADH không cần thiết cho việc vận chuyển electron phosphoryl hoá vắng mặt O2 Do chu trình TCA có vai trò đáng kể việc cung cấp carbon cho sinh tổng hợp chất trung gian chu trình bị cạn kiệt tế bào biện pháp trì chúng Tuy nhiên vi sinh vật có phản ứng hoàn lại chất trung gian chu trình giúp cho chu trình TCA hoạt động liên tục sinh tổng hợp diễn mạnh mẽ Các phản ứng thay chất trung gian chu trình gọi phản ứng bổ sung (anaplerotic reactions) Hầu hết vi sinh vật thay chất trung gian chu trình TCA cố định CO2, CO2 chuyển hoá thành carbon hữu đồng hoá Cần phân biệt là, phản ứng bổ sung không đảm nhiệm chức đường cố định CO2 cung cấp carbon cần thiết thể tự dưỡng Cố định CO2 thể tự dưỡng cung cấp hầu hết toàn carbon cần cho sinh trưởng Các phản ứng bổ sung cố định CO2 nhằm thay chất trung gian trì cân trao đổi chất Thường thường CO2 gắn vào phân tử chất nhận (Pyruvate phosphorusenolPyruvate) để tạo thành chất trung gian chu trình Oxaloacetatee (Hinh 18.17) Arthrobacter globiformis nấm men sử dụng Pyruvate-carboxylase xúc tác phản ứng Biotin Pyruvate + CO2 + ATP + H2O   Oxaloacetatee + ADP + Pi Enzyme cần cofactor biotin sử dụng lượng ATP để liên kết CO2 vào Pyruvate Biotin thường cofactor enzyme xúc tác phản ứng carboxyl hoá Do có chức quan trọng nên biotin yếu tố sinh trưởng cần thiết nhiều loài vi sinh vật Các vi sinh vật khác E coli, Salmonella typhimurium lại sử dụng enzyme phosphoenolpyruvate-carboxylase xúc tác phản ứng đây: Phosphoenolpyruvate + CO2  Oxaloacetatee + Pi Một số vi khuNn, tảo, nấm động vật nguyên sinh sinh trưởng với nguồn carbon acetate cách sử dụng acetate để tổng hợp chất trung gian chu trình TCA chu trình glioxylat (Hình 18.20) Chu trình thực nhờ hai enzyme đặc biệt - Izocitrate liase malat synthase - xúc tác phản ứng sau: Izocitrate izoxitrat  lyaza   Succinat + Glioxylat malat sin taza Glioxylat + Acetyl-CoA     Malat + CoA Chu trình glioxylat, thực chu trình TCA cải biến Hai phản ứng loại carboxyl chu trình TCA (bước Izocitrate dehydrogenase α-ketoglutarate dehydrogenase) bỏ qua giúp cho việc chuyển hoá Acetyl-CoA để tạo thành Oxaloacetatee mà không để carbon Acetyl-CoA CO2 Theo cách này, acetate phân tử chuyển hoá thành acetate đóng góp carbon vào chu trình giúp cho sinh trưởng vi sinh vật CHU TRÌNH GLIOXYLAT Hình 18.20: Chu trình glioxylat Chú ý: enzyme chu trình TCA phần bỏ qua (Theo: Prescott cs, 2005) 18.7 TỔNG HỢP CÁC PURINE, PYRIMIDIN VÀ NUCLEOTIDE Sinh tổng hợp purine pyrimidine sống cho tế bào phân tử dùng để tổng hợp ATP, số cofactor, acid ribonucleic (ARN ), acid deoxyribonucleic (ADN ) thành phần quan trọng khác tế bào Hầu hết vi sinh vật tổng hợp Purine pyrimidine cho thân chất có vai trò định chức tế bào Purine pyrimidine bazơ nitrogen vòng chứa số nối đôi có đặc tính thơm rõ rệt Purine gồm vòng nối với nhau, pyrimidine có vòng (hình 18.21 18.23) Trong vi sinh vật thường gặp purine adenin guanin pyrimidine uracyl, xitozin thymine Một base purine pyrimidine nối với đường pentose (ribose deoxyribose) nucleoside Một nucleotide nucleoside nối với nhóm phosphate liên kết với đường Nitơ amine aspactate Glycine Nhóm format từ acid folic Nhóm format từ acid folic Nitơ amide glutamine Hình 18.21: Sinh tổng hợp Purine Chú ý dẫn nguồn N C khung Purine (Theo: Prescott cs, 2005) 18.7.1 Sinh tổng hợp Purine Con đường sinh tổng hợp purine thứ tự phức tạp gồm 11 bước phân tử khác góp phần vào khung purine cuối (Hình 18.21) Vì đường mở đầu với ribo-5-phosphate khung purine kiến trúc đường nên sản phNm purine đường nucleotide acid inosinic base purine tự Trong sinh tổng hợp purine cofactor acid folic đóng vai trò quan trọng Các dẫn xuất acid folic đóng góp carbon vào khung purine Trên thực tế, thuốc sulfonamide kìm hãm sinh trưởng vi khuNn ức chế tổng hợp acid folic Điều ảnh hưởng đến sinh tổng hợp purine trình khác cần acid folic Một acid inosinic tạo thành, đường tương đối ngắn tổng hợp adenosine monophosphate guanosine monophosphate (Hình 18.22) sản nucleoside diphosphate triphosphate cách chuyển phosphate từ ATP ADN chứa deoxyribonucleotide (ribose thiếu nhóm hydroxyl C2) thay cho ribonucleotide gặp ARN Các deoxyribonucleotide xuất từ khử nucleoside diphosphate nucleoside triphosphate qua hai đường khác Một số vi sinh vật khử triphosphate nhờ hệ thống cần cofactor vitamine B12 Số khác, E coli, lại khử ribose nucleoside diphosphate Cả hai hệ thống sử dụng protein nhỏ chứa S gọi thioredoxin làm tác nhân khử Hình 18.22 Sinh Monophosphatee tổng hợp adenosine monophosoahte Guanosine 18.7.2 Sinh tổng hợp pyrimidine Sinh tổng hợp pyrimidine mở đầu với acid aspartic cacbamoyl-phosphate (một phân tử cao tổng hợp từ CO2 ammonia) (Hình 18.23) Aspartate-cacbamoyltransferase xúc tác việc ngưng tụ hai chất để tạo thành cacbamoyl-aspartat, sau chất chuyển thành sản phNm pyrimidine acid orotic Sau khung pyrimidine tổng hợp, nucleotide tạo thành cách thêm vào ribo-5-phosphate nhờ tác dụng chất trung gian cao 5-phosphorusribosyl-1-pyrophosphate Do việc kiến trúc vòng pyrimidine hoàn thành trước ribose thêm vào trái với việc tổng hợp vòng Purine bắt đầu với ribo-5-phosphate Việc loại carboxyl hoá orotidine monophosphate sản uridine monophosphate cuối uridine triphosphate cytidine triphosphate Hình 18.23: Tổng hợp pyrimidine PRPP acid 5-phosphorusribose 1- pyrophosphorusric, chất cung cấp chuỗi ribo-5-phosphate Phần dẫn xuất từ cacbamoylphosphate in đậm (Theo: Prescott cs, 2005) Pyrimidine thứ ba phổ biến thymine - thành phần ADN Ribose nucleotide pyrimidine bị khử theo cách nucleotide purine Sau deoxyuridine monophosphate methyl hoá với dẫn xuất acid folic để tạo thành deoxythymidine monophosphate (Hình 18.24) Hình 18.24: Tổng hợp deoxythymidine monophosphate Chú ý: deoxythymidine khác với deoxyuridine chỗ có thêm nhóm methyl (Theo: Prescott cs, 2005) 18.8 TỔNG HỢP LIPID Vi sinh vật chứa nhiều lipid đặc biệt màng tế bào Lipid thường chứa acid béo dẫn xuất acid béo Acid béo acid monocarboxylic với chuỗi alkyl dài thường có số chẵn carbon (chiều dài trung bình 18 carbon) Một số chưa bão hoà nghĩa có nối đôi Hầu hết acid béo vi sinh vật chuỗi thẳng có số phân nhánh Các vi khuNn gram âm thường có acid béo cyclopropan (tức acid béo chứa vòng cyclopropan chuỗi) Việc tổng hợp acid béo xúc tác phức hệ synthetase acid béo với Acetyl-CoA malonyl-CoA chất N ADPH chất cho electron Malonyl-CoA dẫn xuất từ carboxyl hoá Acetyl-CoA với tiêu thụ ATP Việc tổng hợp diễn sau acetate malonat chuyển từ CoA đến nhóm sulfihidril protein mang acyl (ACP, acyl carrier) protein nhỏ mang chuỗi acid béo sinh trưởng tổng hợp Ở thời điểm synthetase lại thêm carbon vào đầu carboxyl chuỗi acid béo sinh trưởng trình gồm hai chặng (Hình 18.25) Trước hết, malonyl-ACP phản ứng với acyl- ACP acid béo để sản CO2 acyl-ACP acid béo có carbon dài Việc CO2 hướng cho phản ứng hoàn thành Ở ATP dùng để bổ sung CO2 vào Acetyl-CoA tạo thành malonyl-CoA Cũng CO2 malonyl-ACP chuyền carbon cho chuỗi Do CO2 cần thiết cho tổng hợp acid béo luôn cố định Trên thực tế, số vi sinh vật cần CO2 để sinh trưởng tốt chúng sinh trưởng thuận lợi CO2 mà có mặt acid béo acid oleic (một acid béo 18 carbon không bão hoà) Trong chặng thứ hai tổng hợp nhóm α-keto xuất từ phản ứng ngưng tụ ban đầu bị loại trình ba bước bao gồm hai khử loại nước Sau acid béo sẵn sàng cho việc bổ sung thêm nguyên tử carbon Hình 18.25: Tổng hợp acid béo Chu trình lặp lại chiều dài chuỗi thực đạt ACP = acyl carrier protein (protein mang acyl) (Theo: Prescott cs, 2005) Các acid béo không bão hoà tổng hợp theo hai đường Các tế bào nhân thật vi khuNn hiếu khí Bacillus megaterium sử dụng đường hiếu khí với tham gia N ADPH O2 O O R (CH2)9 C SCoA + NADPH + H + O2 R CH CH (CH2)7 C SCoA + NADPH + + 2H 2O Một nối đôi tạo thành carbon 10 O2 bị khử thành nước nhờ electron acid béo N ADPH cung cấp Các vi khuNn kỵ khí số vi khuNn hiếu khí tạo nối đôi trình tổng hợp acid béo cách loại nước acid béo hydroxy Oxy không cần cho việc tổng hợp nối đôi theo cách Con đường kỵ khí hoạt động số vi khuNn gram âm quen thuộc (ví dụ: E coli Salmonella typhimurium), vi khuNn gram dương (ví dụ: Lactobacillus plantarum Clostridium pasteurianum) vi khuNn lam Hình 18.26: Tổng hợp triacylglycerol phospholipid (Theo: Prescott cs, 2005) Các vi sinh vật nhân thật thường dự trữ carbon lượng dạng triacylglycerol, glycerol este hoá với acid béo Glycerol xuất từ khử dihydroxyacetone phosphate (là chất trung gian đường phân) thành glycerol-3phosphate, sau glycerol-3-phosphate este hoá với acid béo acid phosphateidic (Hình 18.26) Phosphate bị thuỷ phân khỏi acid phosphateidic tạo thành diacylglycerol acid béo thứ ba gắn vào để sản triacylglycerol Phospholipid thành phần chủ yếu màng tế bào nhân thật hầu hết tế bào nhân nguyên thuỷ Tổng hợp phospholipid thường diễn theo đường acid phosphateidic Một chất mang đặc biệt-cytidine diphosphate (XDP)-đóng vai trò tương tự vai trò chất mang uridine adenosine diphosphate sinh tổng hợp hidrat carbon Chẳng hạn, vi khuNn tổng hợp phosphateidinetanolamine (một thành phần chủ yếu màng tế bào) qua việc tạo thành XDP - diacylglycerol (Hình 18.26) Sau dẫn xuất XDP phản ứng với serine để tạo thành phospholipid phosphateidilserine qua việc loại carboxyl xuất phosphateidinetanolamine Theo cách này, lipid màng, phức tạp tạo nên từ sản phNm đường phân, sinh tổng hợp acid béo sinh tổng hợp acid amine 18.9 TỔNG HỢP PEPTIDOGLYCAN Hầu hết thành tế bào vi khuNn chứa phân tử lớn, phức tạp bao gồm chuỗi polisaccaride dài tạo thành nhánh luân phiên acid N -Acetylmuramic (N AM) N -Acetylglucose semin (N AG) Gắn vào nhánh N AM chuỗi pentapeptide Các chuỗi polisaccaride liên kết với pentapeptide hay cầu nối gian - peptide phức tạp peptidoglycan, dĩ nhiên, đòi hỏi trình sinh tổng hợp phức tạp, đặc biệt phản ứng tổng hợp diễn bên bên màng tế bào Tổng hợp peptidoglycan trình nhiều bước nghiên cứu chi tiết vi khuNn gram dương Staphylococcus aureus Ở có tham gia hai chất mang uridine diphosphate (UDP) bactoprenol (Hình 18.27) Bactoprenol alcohol 55 carbon gắn vào N AM nhóm pyrophosphate vận chuyển thành phần peptidoglycan qua màng kỵ nước CH3 C CH3 CH3 CH3 CH CH2 (CH2 C CH CH2 ) CH2 C O O CH CH2 O P O P NAM OO- Hình 18.27: Bactoprenol pyrophosphate Chú ý: Chất gắn vào NAM (Theo: Prescott cs, 2005) Tổng hợp peptidoglycan (Hình 18.28 18.29) diễn qua bước: 1.Các dẫn xuất UDP acid N Acetylmuramic N -Acetylglucosamine tổng hợp tế bào chất Các amino acid thêm vào UDP-N AM tạo thành chuỗi pentapeptide (2 D-alanine tận thêm vào dạng dipeptide) N ăng lượng ATP dùng để sản liên kết peptide tham gia tRN A riboxom HHình 18.28: Tổng hợp peptidoglycan Chú ý: pentapeptide chứa L-lysine peptidoglycan S aureus acid diamineopimelic (DAP) peptidoglycan E coli Tác dụng kìm hãm bacidraxin, xicloserine vancomixin rõ Các số tương ứng với bước nói Bước mô tả hình 18 29 (Theo: Prescott cs, 2005) 4.N AM-pentapeptide chuyển từ UDP sang phosphate bactoprenol bề mặt màng UDP-N AG bổ sung N AG vào N AM-pentapeptide tạo thành đơn vị lặp lại peptidoglycan N ếu cầu nối pentaglycine cần thiết glycine thêm vào cách sử dụng phân tử glycyl-tRN A đặc biệt không cần riboxom 6.Sau hoàn thành đơn vị lặp lại peptidoglycan N AM-N AG chuyển qua màng đến bề mặt bên nhờ chất mang bactoprenol pyrophosphate Đơn vị peptidoglycan gắn vào đầu sinh trưởng chuỗi peptidoglycan kéo dài chuỗi đơn vị lặp lại 7.Chất mang bactoprenol trở lại bên màng Trong trình phosphate tách bactoprenol phosphate lại nhận N AM-pentapeptide khác Cuối cùng, liên kết peptide chéo chuỗi peptidoglycan tạo thành nhờ phản ứng chuyển peptide (Hình 18.29) Ở E coli nhóm amineo tự acid diamineopimelic liên kết với D-alanine gần tận tách nhánh Dalanine tận ATP dùng để tạo thành liên kết peptide tận bên màng Khi chuyển peptide diễn bên lượng ATP không cần Quá trình thực có tham gia cầu nối; nhóm phản ứng với D-alanine gần tận khác Hình 18.29: Chuyển peptide Các phản ứng chuyển peptide việc tạo thành peptidoglycan E coli S aureus (Theo: Prescott cs, 2005) Tổng hợp peptidoglycan mẫn cảm với tác nhân kháng khuNn Sự kìm hãm bước tổng hợp làm cho thành tế bào bị yếu dẫn đến phá vỡ tế bào thNm thấu N hiều chất kháng sinh ảnh hưởng đến tổng hợp peptidoglycan Chẳng hạn, penixilin kìm hãm phản ứng chuyển peptide (Hình 18.29) bacitraxin ức chế việc loại phosphate khỏi bactoprenol pyrophosphate 18.10 CÁC KIỂU TỔNG HỢP THÀNH TẾ BÀO Để sinh trưởng phân chia thuận lợi tế bào vi khuNn phải bổ sung peptidoglycan vào thành tế bào cách xác có điều hoà cNn thận trì hình dạng tính nguyên vẹn thành phải tồn điều kiện áp suất thNm thấu cao Vì peptidoglycan thành mạng lưới khổng lồ nên vi khuNn sinh trưởng phải có khả phân giải lưới cho đủ để cung cấp đầu nhận dùng lắp vào đơn vị peptidoglycan Sự phân giải peptidoglycan hạn chế xúc tác enzyme gọi autolyzin, số autolyzin tác dụng lên chuỗi polisaccaride, số khác thuỷ phân liên kết chéo peptide Các chất kìm hãm autolyzin điều hoà chặt chẽ hoạt tính enzyme Mặc dù vị trí phân bố hoạt tính tổng hợp thành tế bào thay đổi tuỳ theo loài có lẽ tồn hai kiểu phổ biến (Hình 18.30) sau Vùng vách ngăn Hình 18.30: Các kiểu tổng hợp thành Trong hình kiểu tổng hợp thành tế bào vi khuẩn sinh trưởng phân chia (a) Các streptococci số cocci khác gram dương (b) Tổng hợp vi khuẩn hình que (E coli, Salmonella, Bacillus) (Theo: Prescott cs, 2005) N hiều cầu khuNn Gram dương (Enterococcus faecalis Streptococcus) có tới vài vùng sinh trưởng Vùng sinh trưởng thường vị trí tạo thành vách ngang nửa tế bào tổng hợp giáp lưng Kiểu tổng hợp thứ hai gặp trực khuNn E coli, Salmonella Bacillus Tổng hợp peptidoglycan mạnh mẽ diễn vị trí tạo thành vách ngăn ngang vị trí sinh trưởng nằm rải rác dọc theo phần hình trụ trực khuNn Do sinh trưởng phân bố trực khuNn tràn lan cầu khuNn Việc tổng hợp phải kéo dài tế bào hình que phân cắt chúng Có lẽ điều giải thích cho khác kiểu sinh trưởng thành