Bài giảng vi sinh vật đại cương

Bài mở đầu (2t)1. Đối tượng và nhiệm vụ của vi sinh vật học2. Đặc điểm chung của vi sinh vật3. Vai trò của vi sinh vật4. Lịch sử phát triển vi sinh vật5. Phân loại vi sinh vậtChƣơng 1. Vi sinh vật nhân sơ (4t)1.1. Vi khuẩn (2t)1.1.1. Hình thái, kích thước của vi khuẩn1.1.2. Cấu tạo tế bào vi khuẩn1.1.3. Sự sinh sản của vi khuẩn1.1.4. Phân loại vi khuẩn1.2. Xạ khuẩn (2t)1.2.1. Đặc điểm chung1.2.2. Khuẩn ty xạ khuẩn1.2.3. Cấu tạo và thành phần hoá học1.2.4. Sinh sản của xạ khuẩn1.2.5. Vai trò của xạ khuẩn1.3. Giới thiệu và bài đọc thêm về Rickessia và MycoplasmaChƣơng 2. Vi sinh vật nhân chuẩn (4t)2.1. Nấm men (2t)2.1.1. Hình thái, kích thước tế bào nấm men2.1.2. Cấu tạo tế bào nấm men2.1.3. Sự sinh sản của tế bào nấm men2.1.4. Vai trò của nấm men2.1.5. Phân loại nấm men2.2. Nấm mốc (2t)2.2.1. Hình thái cấu tạo nấm mốc2.2.2. Các dạng biến thái của hệ sợi nấm2.2.3. Sinh sản của nấm mốc2.2.4. Ứng dụng của nấm mốc trong CNTP2.2.5. Phân loại nấm mốcChƣơng 3. Vi sinh vật phi bào virrus (2t)3.1. Đặc điểm của virus3.2. Hình thái và cấu trúc của virus3.3. Sự xâm nhập của virus vào tế bào vật chủ và sự sinh sản của chúngChƣơng 4. Trao đổi chất của vi sinh vật (4t)4.1. Quá trình dinh dưỡng4.1.1. Các kiểu dinh dưỡng của vi sinh vật4.1.2. Cơ chế vận chuyển các chất dinh dưỡng và các sản phẩm trao đổi chất4.2. Quá trình hô hấp4.2.1. Các dạng hô hấp của vi sinh vật4.2.2. Sự sử dụng năng lượng hô hấp của VSVChƣơng 5. Sinh trƣởng, phát triển của VSV(3t)5.1. Các kn cơ bản về sinh trưởng và phát triển5.2. Sự sinh trưởng và phát triển của VSV trong các điều kiện nuôi cấy khác nhau5.3. Các phương pháp xác định sự sinh trưởng và phát triển của VSVChƣơng 6. Các điều kiện ngoại cảnh ảnh hƣởng tới hoạt động sống của vi sinh vật (3t)6.1. Ảnh hưởng của các yếu tố vật lý (độ ẩm, nhiệt độ, áp suất thẩm thấu, tia năng lượng)6.2. Ảnh hưởng của các yếu tố hoá học (pH, các chất độc vô cơ, hữu cơ, các sản phẩmTĐC…)6.3. Ảnh hưởng của các yếu tố sinh học (cộng sinh, ký sinh, hỗ sinh, đối kháng).

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐH NÔNG NGHIỆP HN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc CHƢƠNG TRÌNH TRÌNH ĐỘ ĐẠI HỌC NGÀNH ĐÀO TẠO: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM/CÔNG NGHỆ SAU THU HOẠCH/ QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG VÀ AN TOÀN THỰC PHẨM ĐỀ CƢƠNG CHI TIẾT HỌC PHẦN Vi sinh vật đại cương (General microbiology) I Thông tin học phần Mã học phần: CP 02008 Số tín chỉ: 02TC(1,5 – 0,5 – 4) Giờ tín hoạt động học tập: Nghe giảng lý thuyết lớp: 22 Làm tập lớp: Thảo luận lớp: Thực hành phòng thí nghiệm:8 Thực tập thực tế trường:0 Tự học: 60 Đơn vị phụ trách học phần: Bộ môn: Thực phẩm Dinh dưỡng Khoa: Công nghệ thực phẩm Là học phần: bắt buộc Học phần học trước: Sinh học đại cương II Thông tin đội ngũ giảng viên: Họ tên: Nguyễn Thị Thanh Thủy Chức danh, học hàm, học vị: Trưởng Khoa, giảng viên chính, tiến sỹ Địa liên hệ: Khoa Công nghệ thực phẩm – Đại học Nông nghiệp Hà Nội Điện thoại: 0462617712- 0912641428 , email: nttthuycntp@hua.edu.vn Thông tin trợ giảng: Giảng viên hỗ trợ thực tập thay đổi theo hàng năm III Mục tiêu học phần: Về kiến thức: Nắm kiến thức học phần; Về kỹ năng: Có khả nhận biết, phân loại loại vi sinh vật Làm thí nghiệm phòng thí nghiệm vi sinh vật; Về mục tiêu khác: Đọc xác tên latin loại vi sinh vật IV Mô tả nội dung vắn tắt học phần: CP02008 Vi sinh vật đại cương (General microbiology) (2TC : 1,5 – 0,5 – 4) Nhóm vi sinh vật nhân sơ; Nhóm vi sinh vật nhân chuẩn; Vi sinh vật phi bào-virus; Trao đổi chất vi sinh vật; Sinh trưởng, phát triển vi sinh vật; Các điều kiện ngoại cảnh ảnh hưởng tới hoạt động sống vi sinh vật Học phần học trước: Sinh học đại cương V Nhiệm vụ sinh viên: Dự lớp theo qui chế dạy học qui định Tham gia đủ đạt kiểm tra Hoàn thành đủ đạt tiêu chuẩn thực hành VI Tài liệu học tập: Giáo trình/bài giảng Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty , Vi sinh vật học, NXB GD, 1997 Nguyễn Thành Đạt , Cơ sở sinh học vi sinh vật, tập 1&2, NXB Giáo dục, 2001 Nguyễn Thị Thanh Thủy, Bài giảng vi sinh vật đại cương, 2012 Các tài liệu khác Kiều Hữu Ảnh ,Giáo trình VSV học, lý thuyết tập giải sẵn tập 1, (Song ngữ ViệtAnh) Nhà xuất Khoa học Kĩ thuật – Hà Nội, 2006 Kiều Hữu Ảnh, Giáo trình VSV học cơng nghiệp, NXB Khoa học Kĩ thuật –HN, 1999 Biền Văn Minh (chủ biên), Kiều Hữu Ảnh, Phạm Ngọc Lan, Phạm Hồng Sơn, Phạm Văn Ty, Nguyễn Thị Thu Thuỷ , Vi sinh vật học NXB ĐH Huế, 2006 Guiraud J.P Microbiologie alimentaire Dunod, Paris, 1998 Prescot Harley Klein, Microbiology, W C Brown publisher, USA, 2002 http://vietsciences.free.fr/khaocuu/nguyenlandung/ VII Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: Theo quy định trường VIII Nội dung chi tiết học phần: (ghi tên chƣơng, mục, tiểu mục) Bài mở đầu (2t) Đối tượng nhiệm vụ vi sinh vật học Đặc điểm chung vi sinh vật Vai trò vi sinh vật Lịch sử phát triển vi sinh vật Phân loại vi sinh vật Chƣơng Vi sinh vật nhân sơ (4t) 1.1 Vi khuẩn (2t) 1.1.1 Hình thái, kích thước vi khuẩn 1.1.2 Cấu tạo tế bào vi khuẩn 1.1.3 Sự sinh sản vi khuẩn 1.1.4 Phân loại vi khuẩn 1.2 Xạ khuẩn (2t) 1.2.1 Đặc điểm chung 1.2.2 Khuẩn ty xạ khuẩn 1.2.3 Cấu tạo thành phần hoá học 1.2.4 Sinh sản xạ khuẩn 1.2.5 Vai trò xạ khuẩn 1.3 Giới thiệu đọc thêm Rickessia Mycoplasma Chƣơng Vi sinh vật nhân chuẩn (4t) 2.1 Nấm men (2t) 2.1.1 Hình thái, kích thước tế bào nấm men 2.1.2 Cấu tạo tế bào nấm men 2.1.3 Sự sinh sản tế bào nấm men 2.1.4 Vai trò nấm men 2.1.5 Phân loại nấm men 2.2 Nấm mốc (2t) 2.2.1 Hình thái cấu tạo nấm mốc 2.2.2 Các dạng biến thái hệ sợi nấm 2.2.3 Sinh sản nấm mốc 2.2.4 Ứng dụng nấm mốc CNTP 2.2.5 Phân loại nấm mốc Chƣơng Vi sinh vật phi bào -virrus (2t) 3.1 Đặc điểm virus 3.2 Hình thái cấu trúc virus 3.3 Sự xâm nhập virus vào tế bào vật chủ sinh sản chúng Chƣơng Trao đổi chất vi sinh vật (4t) 4.1 Quá trình dinh dưỡng 4.1.1 Các kiểu dinh dưỡng vi sinh vật 4.1.2 Cơ chế vận chuyển chất dinh dưỡng sản phẩm trao đổi chất 4.2 Q trình hơ hấp 4.2.1 Các dạng hơ hấp vi sinh vật 4.2.2 Sự sử dụng lượng hô hấp VSV Chƣơng Sinh trƣởng, phát triển VSV(3t) 5.1 Các k/n sinh trưởng phát triển 5.2 Sự sinh trưởng phát triển VSV điều kiện nuôi cấy khác 5.3 Các phương pháp xác định sinh trưởng phát triển VSV Chƣơng Các điều kiện ngoại cảnh ảnh hƣởng tới hoạt động sống vi sinh vật (3t) 6.1 Ảnh hưởng yếu tố vật lý (độ ẩm, nhiệt độ, áp suất thẩm thấu, tia lượng) 6.2 Ảnh hưởng yếu tố hố học (pH, chất độc vơ cơ, hữu cơ, sản phẩm TĐC…) 6.3 Ảnh hưởng yếu tố sinh học (cộng sinh, ký sinh, hỗ sinh, đối kháng) Phần thực hành: Tiết chuẩn Tiết thực Địa điểm Thực hành Những yêu cầu cơng việc phòng thí nghiệm vi sinh vật – Cách sử dụng máy móc – Cách xử lý bao gói dụng cụ thuỷ tinh (2.5t) 2.5 Phương pháp sử dụng kính hiển vi – Cách làm tiêu quan sát hình thái VSV (2.5t) 2.5 Tổng 16 Thực hành Môi trường nuôi cấy vi sinh vật – Phương pháp nuôi cấy, phân lập VSV (3t) Phòng thực hành Bộ mơn thực phẩm dinh dƣỡng Thực hành IX Hình thức tổ chức dạy học: Lịch trình chung: (ghi tổng số tín cho cột) Hình thức tổ chức dạy học học phần Lên lớp Nội dung Bài mở đầu Chương Chương Chương Chương Chương Chương Thực hành Thực hành Lý thuyết Bài tập 4 3 0 0 0 0 Thảo luận Thực hành, thí nghiệm, điền dã 2,5 Tự học, tự nghiên cứu 8 6 Tổng 12 12 12 9 7.5 Thực hành Tổng 22 0 2,5 60 7,5 90 X Yêu cầu giảng viên học phần: Yêu cầu giảng viên điều kiện để tổ chức giảng dạy học phần như: giảng đường có đủ hệ thống projector micro hoạt động tốt; Yêu cầu giảng viên sinh viên: sinh viên phép thi với tham gia học tập lớp 2/3 tổng thời gian học phần, tham gia đầy đủ thực tập, ôn tập trước đến lớp Trƣởng môn Phụ trách học phần GVC.TS Trần Thị Lan Hƣơng GVC.TS Nguyễn Thị Thanh Thủy Trƣởng khoa (Ký ghi rõ họ tên) Duyệt Trƣờng (Ký ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP KHOA CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM ******* Bài giảng mơn học VI SINH VẬT ĐẠI CƢƠNG Ngƣời thực hiện: Nguyễn Thị Thanh Thuỷ Hà nội, 2010 BÀI MỞ ĐẦU Mục đích: Giới thiệu đối tượng nhiệm vụ môn học, đóng góp nhà khoa học lịch sử phát triển VSVH Làm rõ vấn đề đẩy nghiên cứu tới giai đoạn “hoàng kim vi sinh vật học” Mô tả đặc điểm chung vi sinh vật cách phân loại chúng Đối tƣợng nhiệm vụ vi sinh vật học Vi sinh vật (microorganisms) tên chung để tất sinh vật nhỏ bé mà muốn thấy rõ chúng người ta phải sử dụng kính hiển vi Vi sinh vật học (Microbiology) khoa học nghiên cứu hình thái, cấu tạo, đặc tính sinh lý, sinh hố, di truyền phân loại vi sinh vật Giữa nhóm vi sinh vật khác thấy có giống tính chất nhỏ bé thống phương pháp nghiên cứu Tuy nhiên chúng thuộc nhóm phân loại khác có quan hệ Các nhóm vi sinh vật chủ yếu bao gồm: - Vi khuẩn (Bacteria): theo nghĩa rộng, tên chung để nhiều loại vi sinh vật thuộc khác ngành Bacteria xạ khuẩn (Actinomycetes), niêm vi khuẩn (Myxobacteriales), xoắn thể (Spirochaetales), Rickettsias Mycoplasmas Vi khuẩn (theo nghĩa hẹp) không bao gồm nhóm - Nấm men (Yeast, Levure) - Nấm mốc (Molds) - Một số tảo (Algae) - Một số động vật nguyên sinh (Protozoa) - Virus Lƣợc sử nghiên cứu vi sinh vật học (bài đọc thêm) Có thể chia lịch sử vi sinh vật học làm giai đoạn chính: Giai đoạn phát triển sớm (trước 1857), giai đoạn hoàng kim (1857-1907) giai đoạn đương thời VSVH (1907-nay) 2.1 Giai đoạn phát triển sớm VSVH Giai đoạn tính từ 1857 trở trước, đóng góp Leeuwenhoek (vi khuẩn học, nguyên sinh động vật học, nấm học, ký sinh trùng học tảo học) (bài đọc thêm); Linnaeus (hệ thống phân loại) (bài đọc thêm); Semmelweis (kiểm soát bệnh nhiễm trùng); Snow (dịch tễ học) 2.2 Thời kỳ hoàng kim vi sinh vật học Trong năm 1857-1907, nhà khoa học giải vấn đề đưa giai đoạn trở thành giai đoạn hoàng kim VSVH Bao gồm: - Đấu tranh phủ nhận thuyết tự sinh (thí nghiệm Redy, Needham, Spallanzani, Pasteur) (bài đọc thêm) - Giải thích tượng lên men (thí nghiệm Pasteur, Buchner) (bài đọc thêm) - Nguyên nhân bệnh tật (thí nghiệm Koch) (bài đọc thêm) - Phương pháp để ngăn ngừa nhiễm trùng bệnh tật (bắt đầu từ nghiên cứu cuả tiền bối Semmelweis với biện pháp rửa tay, Lister với kỹ thuật sát trùng, Nightingale với việc chăm sóc sức khoẻ, Jenner với vaccin, Gram với việc nhuộm vi khuẩn, cuối Ehrlich (1854-1915) làm bật giai đoạn viên “thần dược”, phá huỷ tác nhân gây bệnh mà không gây độc với người 2.3 Giai đoạn đƣơng thời vi sinh vật học (bài đọc thêm SV tự tham khảo) - Cơ sở khoa học phản ứng hoá sinh - Hoạt động gen - Sinh học phân tử - Kỹ thuật AND tái tổ hợp - Liệu pháp gen Đặc điểm chung vi sinh vật Vi sinh vật có đặc điểm chung sau đây: Kích thước nhỏ bé Vi sinh vật thường đo kích thước đơn vị micromet (1µm= 1/1000mm hay 1/1000 000m) Virus đo kích thước đơn vị nanomet (1nn=1/1000 000mm hay 1/1000 000 000m) Kích thước bé diện tích bề mặt vi sinh vật đơn vị thể tích lớn Chẳng hạn đường kính cầu khuẩn (coccus) có 1µm, xếp đầy chúng thành khối lích 1cm3 chúng có diện tích bề mặt rộng tới m2 ! Hấp thu nhiều, chuyển hố nhanh Tuy vi sinh vật có kích thước nhỏ bé chúng lại có lực hấp thu chuyển hoá vượt xa sinh vật khác Chẳng hạn vi khuẩn lactic (Lactobacillus) phân giải lượng đường lactose lớn 100-10 000 lần so với khối lượng chúng Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh Chẳng hạn, trực khuẩn đại tràng (Escherichia coli) điều kiện thích hợp sau 12-20 phút lại phân cắt lần Nếu lấy thời gian hệ 20 phút phân cắt lần, sau 24 phân cắt 72 lần tạo 722 366,5 x1018 tế bào, tương đương với khối lượng 4722 Tất nhiên tự nhiên khơng có điều kiện tối ưu (vì thiếu thức ăn, thiếu oxy, dư thừa sản phẩm trao đổi chất có hại ) Có lực thích ứng mạnh dễ dàng phát sinh biến dị Trong q trình tiến hố lâu dài vi sinh vật tạo cho chế điều hồ trao đổi chất để thích ứng với điều kiện sống khác nhau, kể điều kiện bất lợi mà sinh vật khác tồn Có vi sinh vật sống mơi trường nóng đến 1300C, lạnh đến 0-50C, mặn đến nồng độ 32% muối ăn, đến nồng độ mật ong, pH thấp đến 0,5 cao đến 10,7, áp suất cao đến 1103 at hay có độ phóng xạ cao đến 750 000 rad Nhiều vi sinh vật phát triển tốt điều kiện tuyệt đối kỵ khí, có lồi nấm sợi phát triển dày đặc bể ngâm tử thi với nộng độ formol cao Vi sinh vật đa số đơn bào, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với mơi trường sống dễ dàng phát sinh biến dị Chỉ sau thời gian ngắn tạo số lượng lớn cá thể biến dị hế hệ sau Những biến dị có ích đưa lại hiệu lớn sản xuất Nếu phát penicillin hoạt tính đạt 20 đơn vị/ml dịch lên men (1943) đạt 100 000 đơn vị/ml Khi phát acid glutamic đạt 1-2g/l đạt đến 150g/ml dịch lên men (VEDAN-Việt Nam) Phân bố rộng, chủng loại nhiều Vi sinh vật có mặt khắp nơi Trái đất, khơng khí, đất, núi cao, biển sâu, thể, người, động vật, thực vật, thực phẩm, đồ vật Vi sinh vật tham gia tích cực vào việc thực vòng tuần hồn sinh-địa-hố học (biogeochemical cycles) vòng tuần hồn C, vòng tuần hồn N, vòng tuần hồn P, vòng tuần hồn S, vòng tuần hồn Fe Trong nước vi sinh vật có nhiều vùng duyên hải (littoral zone), vùng nước nông (limnetic zone) vùng nước sâu (profundal zone), vùng đáy ao hồ (benthic zone) Trong khơng khí lên cao số lượng vi sinh vật Số lượng vi sinh vật khơng khí khu dân cư đông đúc cao nhiều so với vùng khác (khơng khí mặt biển, khơng khí Bắc cực, Nam cực ) Hầu khơng có hợp chất carbon (trừ kim cương, đá graphít ) mà khơng thức ăn nhóm vi sinh vật (kể dầu mỏ, khí thiên nhiên, formol dioxin ) Vi sinh vật có kiểu dinh dưỡng khác nhau: tự dưỡng quang (photoautotrophy), dị dưỡng quang (photoheterotrophy), tự dưỡng hoá (chemoautotrophy), dị dưỡng hoá (chemoheterotrophy), tự dưỡng chất sinh trưởng (auxoautotroph), dị dưỡng chất sinh trưởng (auxoheterotroph) Phân loại vi sinh vật 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 Đơn vị phân loại Lồi (Species) Trên LỒI có 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) Dưới LỒI gồm có Thứ (Variety), Dạng (Type), Nòi hay Chủng (Strain) (bài đọc thêm) Mỗi loài vi khuẩn sinh vật khác mang tên khoa học riêng Tên đặt theo danh pháp kép Lineaus Trong tên từ thứ để Giống, từ thứ hai tên lồi Ví dụ: Staphylococcus aureus Để tiện theo dõi, đơi sau tên lồi người ta ghi thêm tên tác giả năm xác định, ví dụ Staphylococcus aureus Bergey, 1939 Thứ (đơn vị sát sau lồi), dùng để nhóm định lồi đó, ví dụ Mycobacterium tuberculosis var bovis (vi khuẩn lao bò) Dạng: nhóm nhỏ thứ, ví dụ vào phản ứng huyết mà người ta chia phế cầu khuẩn Diplococcus pneumoniae thành 80 dạng khác nhau, dạng I, II, III dạng có độc tính mạnh Chủng: thuật ngữ riêng để loài vi sinh vật phân lập khiết từ chất Lưu ý cá thể loài phân lập nơi khác khơng hồn tồn giống nhau, chúng coi nòi khác Các nòi thường ký hiệu số, chữ viết tắt theo quy ước riêng người nghiên cứu, ví dụ Bacillus subtilis B.F 7687… Người ta ước tính số 1,5 triệu lồi sinh vật có khoảng 200 000 loài vi sinh vật (100 000 loài động vật nguyên sinh tảo, 90 000 loài nấm, 2500 loài vi khuẩn lam 1500 loài vi khuẩn) Tuy nhiên hàng năm, có thêm hàng nghìn lồi sinh vật phát hiện, có khơng loài vi sinh vật Virus dạng đặc biệt chưa có cấu trúc thể chưa kể đến số 200 000 loài vi sinh vật nói Số virus đặt tên khoảng 4000 loài BÀI ĐỌC THÊM CỦA CHƢƠNG MỞ ĐẦU LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VSVH Từ cổ xưa, chưa nhận thức tồn vi sinh vật, loài người biết nhiều tác dụng vi sinh vật gây nên Trong sản xuất đời sống, người tích lũy nhiều kinh nghiệm biện pháp lợi dụng vi sinh vật có ích phòng tránh vi sinh vật có hại Trên vật giữ lại từ thời cổ Hy Lạp người ta thấy minh họa trình nấu rượu Những tài liệu khảo cổ cho biết cách 6000 năm người dân Ai Cập dọc sơng Nile có tập quán náu rượu Các hình vẽ Kim Tự Tháp cho thấy nghề nấu rượu làm bia Ai Cập phổ biến Trong Kinh thánh có đoạn miêu tả cảnh say rượu Noé sau sống sót qua đại hồng thủy (cách 5000 năm) Ở Trung Quốc rượu sản xuất từ thời đại văn hóa Long Sơn (cách 4000 năm) Trong chữ khắc xương, mai rùa (cốt giáp văn tự) từ thời Ân Thương (thế kỉ 17-11 TCN) người ta thấy chữ “tửu” Việc lên men lactic (muối dưa) thực vào khoảng năm 3500 TCN Muối dưa, làm giấm, làm tương, làm mắm, làm mứt, làm sữa chua, ướp thịt, ướp cá… biện pháp hữu hiệu để sử dụng, khống chế vi sinh vật phục vụ cho việc chế biến bảo quản thực phẩm Theo sách “Lĩnh nam chích qi” nhân dân ta từ thời Hùng Vương dựng nước biết “làm mắm cầm thú, làm rượu cốt gạo” Việc sáng tạo hình thức ủ phân, ngâm phân, ngâm đay, ngâm gai, xếp ải, trồng luân canh họ đậu… biện pháp tài tình mà tổ tiên ta từ lâu biết phát huy tác dụng vi sinh vật nông nghiệp Về phương diện phòng trừ bệnh tật lồi người sớm tích lũy nhiều kinh nghiệm phong phú Ngay từ trước Công nguyên tài liệu Hippocrate (460 – 373 TCN), Veron (116 – 27 TCN) Lucrèce (98 – 55 TCN)… đề cập đến chất sống tác nhân gây bệnh truyền nhiễm Người có công phát giới vi sinh vật người miêu tả hình thái nhiều loại vi sinh vật người Hà Lan vốn người học nghề hiệu bn vải Đó Antonie van Leeuwenhoek (1632 – 1723) Ông tự chế tạo 400 kính hiển vi, có phóng đại đến 270 lần Với kính hiển vi cầm tay, có gương hội tụ ánh sang, có ốc điều chỉnh vật định quan sát rơi vào tiêu điểm cách ghé mắt vào khe nhỏ có gắn thấu kính mài lấy nhỏ xíu, Leerwenhoek quan sát thứ có xung quanh Năm 1674 ơng nhìn thấy vi khuẩn động vật nguyên sinh, ông gọi “động vật vơ nhỏ bé” Ơng thấy “động vật” có nhiều trogn bựa ông viết miệng ông số lượng chúng đơng dân số nước Hà Lan Nhờ giới thiệu regnier de Graaf ông gửi đến Học hội Hoàng gia Anh 200 thư, qua ơng miêu tả hình thái dạng chuyển động nhiều loại vi sinh vật Nhiều báo ông dăng tạp chí Triết học Học hội Hống gia Anh năm 1680 ông bầu làm thành viên Học hội Tất quan sát miêu tả ông in thành sách gồm tập có nhan đề “Những bí mật giới tự nhiên nhìn qua kính hiển vi” Chỉ tới đầu kỉ 19 chiấc hiển vi quang học hoàn chỉnh đời với cống hiến to lớn G Battista Amici (1784 – 1860) Ernes Abbe ( 1840 – 1905), Karl Zeiss (1816 – 1888)… năm 1934 kính hiển vi điện tử đời Đó loại kính hiển vi khơng dùng ánh sang khuếch đại nhờ thấu kính mà dùng chùm điện tử khuếch đại lên nhờ điện từ trường Từ thập kỉ 60 kỉ 19 bắt đầu thời kì nghiên cứu sinh lí học loại vi sinh vật Người có cơng to lớn việc này, người sau coi ông tổ vi sinh vật học nhà khoa học người Pháp Louis Pasteur (1822 – 1895) Khó mà tóm tắt khối lượng phát đồ sộ mà L Pasteur cống hiến cho nhân loại Viết L Pasteur, nhà khao học người Nga K.A.Timiriazev phân tích sau: “Cơng trình ơng đem lại biến đổi quan trọng môn khoa học ứng dụng kinh điển nhân loại Về công nghiệp, ông đề sở hợp lí, vững cho q trình lên men Về nơng nghiệp, lí luận ơng với phát triển T.Schloesing, H Hellriegel, S.N Vinogradskii… vạch cho nhà nông học ánh sáng nhiệm vụ phương pháp Về y học… từ sau loài người nuyên thủy thoát khỏi uy coenzyme Chẳng hạn, NAD+ coenzyme mang electron bên tế bào Nhiều vitamin mà người cần đóng vai trò coenzyme tiền chất (precursor) coenzyme Niacin lắp vào NAD+ riboflavin lắp vào FAD Các ion kim loại liên kết với apoenzyme tác dụng cofactor Mặc dù tế bào chứa số lượng lớn đa dạng enzyme chúng xếp vào nhóm (Bảng 16.2) Tên enzyme thường đặt theo tên chất mà chúng tác dụng lên loại phản ứng xúc tác Ví dụ, Lactate dehydrogenase (LDH) loại bỏ hydrogen khỏi Lactate: Lactate + NAD+ Pyruvate + NADH + H+ Lactate dehydrogenase đặt tên đầy đủ chi tiết L-Lactate: NAD oxydoreductase Tên mô tả chất loại phản ứng xác Bảng 16.2 Phân loại enzyme (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) Loại enzyme Phản ứng Ví dụ phản ứng enzyme xúc tác Oxydoreductase Các phản ứng oxy Lactate dehydrogenase: hóa khử Transferase Hydrolase Lyase Isomerase Ligase Pyruvate + NADH + H Lactate + NAD+ Aspartate Carbamoyltransferase: Các phản ứng chuyển nhóm phân tử Aspartate + CarbamoylPhosphate Thủy phân phân tử Carbamoylaspartate + Phosphate Glucose-6-Phosphatease: Glucose-6-Phosphate + H2O Glucose + Pi Loại bỏ nhóm Fumarate hydratase: để tạo thành nối đôi bổ L-malate Fumarate + H2O sung nhóm vào nối đơi Các phản ứng xúc Alanine racemase: tác đồng phân hóa L-alanine D-alanine Nối phân tử nhờ Glutamine synthetase: 35 luợng ATP (hay Glutamate + NH + ATP nucleoside Pi triphosphate khác) Glutamine + ATP + 16.2.2 Cơ chế phản ứng enzyme Cần nhớ enzyme tăng cường tốc độ phản ứng không làm thay đổi số cân Nếu phản ứng thu nhiệt enzyme không chuyển dịch cân nhiều sản phẩm tạo thành Các enzyme nâng cao tốc độ mà phản ứng diễn theo hướng cân cuối Để hiểu enzyme xúc tác phản ứng ta xem xét diễn biến phản ứng hố học thải nhiệt bình thường sau đây: A+B C+D Khi phân tử A B tiếp cận để phản ứng chúng tạo thành phức hợp trạng thái độ chi chất sản phẩm (Hình 16.13) Hình 16.13: Coenzyme chất mang Chức coenzyme vai trò mang chất khắp tế bào Coenzyme C với enzyme E1 tham gia ch uyển hóa A thành sản phẩm B Trong trình phản ứng coenzyme C nhận X từ chất A chuyển X sang chất P phản ứng Kết coenzyme lại trở dạng ban đẩu để sẵn sàng tiếp nhận 1X khác Coenzyme không tham gia vào phản ứng mà vận chuyển X khắp tế bào (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) Năng lượng hoạt hoá cần nhằm mang phân tử phản ứng tiếp xúc với theo cách xác để đạt trạng thái độ (hay chuyển tiếp) Phức hợp trạng 36 thái độ phân ly để tạo thành sản phẩm C D Sự khác mức độ lượng tự chất phản ứng sản phẩm ∆Go’ Vì vậy, ví dụ nêu cân nằm phía sản phẩm ∆Go’ âm (nghĩa sản phẩm mức lượng thấp chất) Trong hình 16.13 rõ ràng A B khơng thể chuyển hố thành C D chúng khơng cung cấp lượng lượng tương đương với lượng hoạt hoá Enzyme thúc đẩy phản ứng cách hạ thấp lượng hoạt hố Do nhiều phân tử chất có lượng đầy đủ để tiếp cận tạo thành sản phẩm Mặc dù số cân (hoặc ∆Go’) không thay đổi cân đạt nhanh có mặt enzyme lượng hoạt hố giảm Hình 16.14: Enzyme hạ thấp luợng hoạt hóa Trong tiến trình phản ứng hóa học nêu A B chuyển thành C D Phức hợp chuyển tiếp biểu thị AB* luợng hoạt hóa cần để đạt trạng thái E a Đường đỏ biểu thị tiến trình phản ứng có mặt enzyme Cần ý, luợng hoạt hóa phản ứng có enzyme xúc tác thấp nhiều (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) Sở dĩ enzyme có khả hạ thấp lượng hoạt hố phản ứng chúng mang chất lại gần điểm đặc biệt gọi vị trí hoạt động vị trí xúc tác để tạo thành phức hợp enzyme - chất (Hình 16.15 16.16) Sự tương tác chất enzyme diễn theo hai đường: Enzyme có hình dạng cố định, khớp với hình dạng chất giúp cho chất liên kết xác thuận lợi cho phản ứng diễn Enzyme thay đổi hình dạng gắn với chất tạo điều kiện cho vị trí xúc tác bao quanh khớp xác với chất Cơ chế diễn theo đường thứ gọi mơ hình “ổ khố chìa khố” (lock - and - key model) Theo đường thứ hai chế gọi mơ hình “khớp cảm ứng” (induced fit) Mơ hình ứng dụng cho hexokinase nhiều enzyme khác (Hình 16.16) 37 Hình 16.15 Chức enzyme Sự tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất chuyển hóa phức hợp thành sản phẩm (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) Việc tạo thành phức hợp enzyme - chất hạ thấp lượng hoạt hoá theo số cách Chẳng hạn, cách mang chất lại gần vị trí xúc tác, thực tế, enzyme làm tăng nồng độ chúng thúc đẩy phản ứng Tuy nhiên, enzyme không đơn giản làm đậm đặc nồng độ chất chúng mà liên kết chất cho chất hướng xác với để tạo thành phức hợp trạng thái độ Một định hướng hạ thấp lượng lượng mà chất cần để đạt trạng thái độ Các hoạt tính hoạt tính khác vị trí xúc tác tăng cường phản ứng hàng trăm nghìn lần vi sinh vật sinh trưởng 200C khoảng 1130C Những nhiệt độ không đủ cao để giúp cho hầu hết phản ứng hữu vắng mặt enzyme, tế bào khơng thể sống sót nhiệt độ cao dùng nhà hoá học hữu trình tổng hợp hữu thường ngày Enzyme giúp cho sống tồn cách thúc đẩy phản ứng đặc biệt nhiệt độ thấp 38 Hình 16.16 Một ví dụ tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất a) Mơ hình đầy đủ hexokinase nấm men chất Glucose (màu tía) Vị trí hoạt động khe tạo thành thùy nhỏ enzyme (màu lục) thùy lớn (màu xám) (b) Khi Glucose liên kết để tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất hexokinase thay đổi hình dạng bao quanh cỏ chất (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) 16.2.3 Tác động môi trƣờng lên hoạt tính enzyme Hoạt tính enzyme thay đổi rõ rệt với thay đổi yếu tố môi trường mà yếu tố quan trọng nồng độ chất Như ta biết, nồng độ chất bên tế bào thường thấp Ở nồng độ chất thấp enzyme chậm tạo thành sản phẩm tiếp xúc với phân tử chất Nếu có mặt nhiều phân tử chất enzyme liên kết chất thường xuyên tốc độ phản ứng (thường thể tốc độ tạo thành sản phẩm) lớn nồng độ chất thấp Do tốc độ phản ứng enzyme xúc tác tăng lên theo nồng độ chất (Hình 16.17) Tuy nhiên tiếp tục tăng nồng độ chất tốc độ phản ứng khơng tăng phân tử enzyme bão hoà chất chuyển hoá chất thành sản phẩm với tốc độ cực đại (Vmax) Đường cong nồng độ chất đường hyperbole (Hình 16.17) Để biết nồng độ chất mà enzyme cần để hoạt động thích hợp người ta thường dùng số Michaelis (Km) Đây nồng độ chất enzyme cần để thực nửa tốc độ cực đại dùng đại lượng đo lực thực enzyme chất Giá trị Km thấp có ý nghĩa nồng độ chất mà enzyme xúc tác phản ứng thấp.Hoạt tính enzyme thay đổi theo thay đổi pH nhiệt độ (hình 16.18) Hình 16.17 Động học Michaelis-Menten Velocity= tốc độ, Substrate concentration: nồng độ chất 39 Sự phụ thuộc hoạt tính enzyme vào nồng độ chất Đường cong chất khớp với phương trình Michaelis-Menten cho hình; phương trình liên kết tốc độ phản ứng (v) với nồng độ chất (S) sử dụng tốc độ cực đại số Michaelis (Km) Km = nồng độ chất enzyme cần để hoạt động nửa tốc độ cực đại Vmax = tốc độ tạo thành sản phẩm enzyme bão hòa chất hoạt động nhanh tối đa (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) Mỗi enzyme hoạt động mạnh pH thích hợp Khi pH chệch xa khỏi giá trị tối thích hoạt tính enzyme giảm enzyme bị hư hại Với nhiệt độ enzyme có giá trị tối thích cho hoạt tính cực đại Nếu nhiệt độ tăng cao so với giá trị tối thích cấu trúc enzyme bị huỷ hoại enzyme hoạt tính Hiện tượng biến tính (denaturation) enzyme hậu giá trị độ (tột cùng) pH nhiệt độ yếu tố khác Các giá trị tối thích pH nhiệt độ enzyme vi sinh vật thường phản ánh pH nhiệt độ nơi sống chúng Do đó, ta dễ hiểu, vi khuẩn sinh trưởng tốt nhiệt độ cao thường có enzyme với nhiệt độ tối thích cao độ bền nhiệt độ lớn Hình 16.18: pH, nhiệt độ hoạt tính enzyme Sự thay đổi hoạt tính enzyme với thay đổi pH nhiệt độ Phạm vi pH nhiệt độ tượng trưng Các enzyme khác vị trí điểm tối thích hình dạng đường cong pH nhiệt độ (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) 16.2.4 Sự kìm hãm enzyme Nhiều hố chất độc đối vi sinh vật chất độc mạnh chất kìm hãm enzyme Một chất kìm hãm cạnh tranh trực tiếp cạnh tranh với chất vị trí xúc tác enzyme ngăn cản enzyme tạo thành sản phẩm Chẳng hạn, succinate dehydrogenase enzyme xúc tác oxy hoá succinate thành fumarate chu trình Krebs Acid malonic có cấu trúc tương tự succinate chất kìm hãm cạnh tranh enzyme nói Sau liên kết vào enzyme malonat khơng bị oxy hố việc tạo thành fumarate khơng diễn Các chất kìm hãm cạnh tranh thường chi với chất bình thường khơng thể bị chuyển hố thành sản phẩm 40 Hình 16.19: Kìm hãm cạnh tranh succinate-dehydrogenase Acid malonic có cấu trúc tương tự acid succinic chất kìm hãm cạnh tranh enzyme nói (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) Các chất kìm hãm cạnh tranh sử dụng để điều trị nhiều bệnh vi sinh vật Chẳng hạn thuốc sulfa sulfanilamit chi với p-aminobenzoat phân tử dùng việc tạo thành coenzyme acid folic Các thuốc cạnh tranh với p-aminobenzoat vị trí xúc tác enzyme tham gia tổng hợp acid folic ngăn cản tạo thành acid folic kìm hãm sinh trưởng vi khuẩn Cơ thể người không chịu tác dụng thuốc khơng có khả tổng hợp acid folic phải thu nhận acid từ thức ăn 16.3 TÍNH CHẤT VÀ Ý NGHĨA CỦA VIỆC ĐIỀU CHỈNH TRAO ĐỔI CHẤT Bộ máy điều chỉnh có vai trò phức tạp khó khăn Các đường cần phải điều chỉnh phối hợp có hiệu cho tất thành phần tế bào có mặt với số lượng thích hợp, xác Hơn tế bào vi sinh vật phải có khả đáp ứng kịp thời với thay đổi môi trường cách sử dụng chất dinh dưỡng có cách bật mở đường dị hố có mặt chất dinh dưỡng khác Vì tất thành phần hố học tế bào thường không tồn môi trường, vi sinh vật phải tổng hợp chúng phải thay đổi hoạt tính sinh tổng hợp đáp ứng với thay đổi việc sử dụng chất dinh dưỡng Thành phần hố học mơi trường bao quanh tế bào thường xuyên thay đổi, trình điều chỉnh phải động phải liên tục đáp ứng với điều kiện thay đổi Việc điều chỉnh cần thiết cho tế bào vi sinh vật trì lượng, vật chất cân trao đổi chất Nếu nguồn lượng đặc biệt khơng có mặt, enzyme cần cho việc sử dụng nguồn lượng không cần thiết việc tổng hợp chúng tiếp tục tiêu phí C, N lượng Cũng tương tự vậy, vơ ích vi sinh vật chúng tổng hợp enzyme cần cho việc tạo thành sản phẩm cuối sản phẩm có mặt với số lượng đầy đủ Như vậy, dị hoá đồng hoá điều chỉnh theo cách cho hiệu hoạt động đạt tối đa Có thể thấy rõ xu hướng trì cân bảo tồn lượng vật chất đáp ứng điều chỉnh vi khuẩn E coli Khi sinh trưởng môi trường đơn giản chứa glucose nguồn C nguồn lượng vi khuẩn tổng hợp thành phần mà tế bào cần với số lượng cân (chẳng hạn acid amin tryptophan) Việc bổ sung sản phẩm sinh tổng hợp cuối vào mơi trường dẫn đến kìm hãm đường tổng hợp sản phẩm cuối nói Việc tổng hợp enzyme 41 đường bị ngừng chậm lại Nếu chuyển E coli sang môi trường chứa lactose, vi khuẩn tổng hợp enzyme cần cho chuyển hoá đường Trái lại, sinh trưởng môi trường chứa glucose lactose E coli sử dụng glucose loại đường đơn giúp cho sinh trưởng vi khuẩn diễn nhanh sau glucose cạn kiệt, lactose sử dụng Dòng carbon chuyển hố qua đường điều chỉnh theo ba cách chủ yếu: Tập trung chất trao đổi enzyme phần khác tế bào, từ ảnh hưởng đến hoạt tính đường, Các enzyme quan trọng thường kích thích bị kìm hãm trực tiếp nhằm thay đổi nhanh hoạt tính đường, Số lượng phân tử enzyme điều hoà Các phân tử chất xúc tác có mặt nhiều hoạt tính đường lớn Ở vi khuẩn, việc điều chỉnh thường chịu tác dụng mức độ phiên âm Việc điều hoà tổng hợp mRNA chậm việc điều chỉnh trực tiếp hoạt tính enzyme tiết kiệm nhiều lượng ngun liệu enzyme khơng tổng hợp không cần thiết Hai chế trình bày đây, là: khu trú trao đổi chất điều hồ hoạt tính enzyme 16.4 KHU TRÚ TRAO ĐỔI CHẤT (Metabolic Channeling) Một chế khu trú trao đổi chất phổ biến chia khoang (compartmentation) nghĩa phân bố biệt hoá enzyme chất trao đổi cấu trúc tế bào tách biệt bào quan có màng bao bọc Chẳng hạn, oxy hố acid béo gặp bên ti thể tổng hợp acid béo lại diễn tế bào chất Chu chất vi khuẩn xem ví dụ chia khoang Sự chia khoang tạo điều kiện cho việc hoạt động điều chỉnh đồng thời tách biệt đường phối hợp nhờ điều chỉnh việc vận chuyển chất trao đổi coenzyme khoang tế bào Giả dụ, có hai đường tồn khoang tế bào khác cần NAD+ cho hoạt động Sự phân bố NAD+ hai khoang định hoạt tính tương đối đường cạnh tranh đường chiếm dư thừa NAD+ có lợi Sự chia khoang gặp bên khoang tế bào chất Nền (matrix) vật thể đông đặc, có cấu trúc gồm nhiều khoang nhỏ Ở sinh vật nhân thật chia nhỏ lưới nội chất (endoplasmic reticulum) khung tế bào (cytoskeleton) Trong môi trường chất trao đổi coenzyme không khuếch tán nhanh gradien chất trao đổi thiết lập gần enzyme hệ thống enzyme cục Điều diễn enzyme vị trí đặc biệt chuyển hoá chất thành sản phẩm dẫn đến giảm nồng độ nhiều chất trao đổi tăng nồng độ nhiều chất trao đổi khác Chẳng hạn, nồng độ sản phẩm cao gần enzyme thấp dần theo khoảng cách tăng lên tính từ enzyme 42 Sự khu trú tạo thay đổi rõ rệt nồng độ chất trao đổi ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt tính enzyme Nồng độ chất, nói chung, thường vào khoảng 10-3 - 10-6M/l, chí thấp hơn, nghĩa phạm vi nồng độ enzyme nhỏ số Michaelis (Km) nhiều enzyme Dưới điều kiện nồng độ chất enzyme điều hồ hoạt tính chất xúc tác nồng độ chất phần tăng lên đường cong hyperbole bão hoà chất (Hình 16.20) Hình 16.20: Điều hòa hoạt tính enzyme nồng độ chất Trong hình đường cong bão hòa enzyme-cơ chất với số Michaelis (Km) tốc độ tương đương với ½ tốc độ cực đại (Vmax) Tốc độ ban đầu phản ứng (v) dựng đồ thị nồng độ chất Tốc độ cực đại tốc độ lớn đạt với số lượng enzyme cố định điều kiện xác định Khi nồng độ chất nhỏ Km hoạt tính enzyme thay đổi tuyến tính với nồng độ chất Giả dụ, nồng độ chất tăng từ mức độ A tới mức độ B Vì nồng độ phạm vi Km nên hoạt tính enzyme tăng lên rõ rệt Sự giảm nồng độ từ B đến A hạ thấp tốc độ tạo thành sản phẩm (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) Khi nồng độ chất tăng, chất chuyển thành sản phẩm nhanh hơn; nồng độ chất giảm đương nhiên dẫn đến hoạt tính enzyme thấp Nếu enzyme hai đường khác sử dụng chất trao đổi chúng trực tiếp cạnh tranh chất này, đường thắng cạnh tranh này, nghĩa đường với enzyme có giá trị Km thấp chất trao đổi, hoạt động gần hồn tồn thống trị Do khu trú bên khoang tế bào điều chỉnh phối hợp trao đổi chất thông qua biến đổi nồng độ chất trao đổi nồng độ coenzyme 16.5 ĐIỀU HỊA HOẠT TÍNH ENZYME Hoạt động nhiều đường trao đổi chất điều hồ nhờ việc điều chỉnh hoạt tính enzyme điều chỉnh Mục mơ tả enzyme nói đề cập vai trò chúng việc điều chỉnh hoạt tính đường 43 16.5.1 Điều chỉnh dị lập thể Các enzyme điều chỉnh thường enzyme dị lập thể (allosteric enzymes) Hoạt tính enzyme dị lập thể bị thay đổi phân tử nhỏ gọi effector (effector, chất tác động) modulator (modulator, chất điều biến) Effector liên kết thuận nghịch nhờ lực khơng - cộng hố trị vào vị trí điều chỉnh (regulatory site) tách biệt khỏi vị trí xúc tác (catalytic site) gây thay đổi hình dạng hình thể enzyme (Hình 16.21) Hoạt tính vị trí xúc tác bị thay đổi Một effector dương làm tăng hoạt tính enzyme, effector âm, trái lại, làm giảm hoạt tính kìm hãm enzyme Những thay đổi hoạt tính thường bắt nguồn từ biến đổi lực biểu kiến enzyme chất, nhiên thay đổi tốc độ cực đại diễn Hình 16.21: Điều chỉnh dị lập thể Cấu trúc chức enzyme dị lập thể Trong hình bên effector modulator (chất điều biến) trước hết gắn vào vị trí điều hòa tách biệt làm thay đổi hình thể enzyme dẫn đến thay đổi hình dạng vị trí hoạt động Vị trí hoạt động liên kết chất hiệu Ở effector dương tính kích thích liên kết chất hoạt tính xúc tác (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) Các enzyme điều chỉnh thường enzyme dị lập thể (allosteric enzymes) Hoạt tính enzyme dị lập thể bị thay đổi phân tử nhỏ gọi effector (effector, chất tác động) modulator (modulator, chất điều biến) Effector liên kết thuận nghịch 44 nhờ lực khơng - cộng hố trị vào vị trí điều chỉnh (regulatory site) tách biệt khỏi vị trí xúc tác (catalytic site) gây thay đổi hình dạng hình thể enzyme (Hình 16.21) Hoạt tính vị trí xúc tác bị thay đổi Một effector dương làm tăng hoạt tính enzyme, effector âm, trái lại, làm giảm hoạt tính kìm hãm enzyme Những thay đổi hoạt tính thường bắt nguồn từ biến đổi lực biểu kiến enzyme chất, nhiên thay đổi tốc độ cực đại diễn Hình 16.22: Sự điều chỉnh ACTase Phản ứng Aspartate- carbamoyltransferase vai trò enzyme việc điều chỉnh sinh tổng hợp pyrimidine Sản phẩm cuối CTP kìm hãm hoạt tính ACTase (-) ATP lại hoạt hóa enzyme (+) Cacbamoyl Phosphate synthetase bị kìm hãm sản phẩm cuối đường UMP (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) Các đặc tính động học enzyme khơng - điều chỉnh chứng minh số Michaelis (Km) nồng độ chất cần cho enzyme hoạt động tốc độ nửa tốc độ cực đại Hằng số ứng dụng cho đường cong bão hoà chất hyperbole mà khơng cho đường cong xích-ma thường gặp với enzyme dị lập thể (Hình 16.23) Nồng độ chất cần cho nửa tốc độ cực đại với enzyme dị lập thể có đường cong chất xích-ma gọi giá trị [S]0,5 K0,5 Một enzyme điều chỉnh dị lập thể nghiên cứu kỹ Aspartatecarbamoyltransferase (ACTase) E coli Enzyme xúc tác ngưng tụ cacbamoylphosphate với aspartate tạo thành cacbamoylaspartate (Hình 16.22) 45 ACTase xúc tác phản ứng định tốc độ đường sinh tổng hợp pyrimidine E coli Đường cong chất bão hồ xích-ma nồng độ hai chất thay đổi (Hình 16.23) Hình 16.23: Động học Aspartate carbamoyltransferase E coli CTP effector âm làm tăng giá trị K0,5, ATP effector dương, hạ thấp K0,5 Vmax số (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) Enzyme có vị trí hoạt động liên kết phân tử chất vào vị trí hoạt động kích thích liên kết chất vào vị trí khác Hơn nữa, cytidine triphosphate (CTP), sản phẩm cuối sinh tổng hợp pyrimidine, kìm hãm enzyme, trái lại ATP (purine) lại hoạt hoá enzyme Cả hai effector thay đổi giá trị K0,5 enzyme không thay đổi tốc độ cực đại enzyme GTP kìm hãm cách nâng cao K0,5 chuyển dịch đường cong bão hoà chất lên giá trị cao Điều cho phép enzyme hoạt động chậm nồng độ chất đặc biệt CTP có mặt ATP hoạt hố cách chuyển đường cong tới giá trị nồng độ chất thấp khiến cho enzyme hoạt động cực đại qua phạm vi nồng độ chất rộng lớn Do đó, đường hoạt động tới mức nồng độ CTP tăng cao hoạt tính ACTase giảm tốc độ tạo thành sản phẩm cuối bị chậm lại Trái lại, nồng độ sản phẩm cuối ATP tăng lên so với CTP, ATP kích thích tổng hợp CTP thơng qua tác dụng lên ACTase Aspartate carbamoyltransferase E coli cung cấp ví dụ rõ rệt vị trí điều chỉnh vị trí xúc tác riêng rẽ enzyme dị lập thể Enzyme protein lớn gồm đơn vị xúc tác đơn vị điều chỉnh (Hình 16.24a) Các đơn vị xúc tác chứa vị trí xúc tác khơng chịu ảnh hưởng CTP ATP Các đơn vị điều chỉnh khơng xúc tác phản ứng có vị trí điều chỉnh liên kết CTP ATP Khi liên kết vào enzyme hoàn toàn effector gây thay đổi hình thể dưới-đơn vị điều chỉnh, sau đơn vị xúc tác vị trí xúc tác Enzyme thay đổi thuận nghịch dạng T hoạt động dạng 46 R hoạt động (Hình 16.24 b, c) Do vị trí điều chỉnh ảnh hưởng đến vị trí xúc tác khoảng cách khoảng 6,0 nm Hình 16.24: Cấu trúc điều chỉnh Aspartate carbamoyltransferase E coli (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) 16.5.2 Cải biến cộng hoá trị enzyme Các enzyme kích thích bị kìm hãm thơng qua cải biến cộng hố trị thuận nghịch Thông thường điều diễn việc thêm loại bỏ nhóm đặc biệt, nghĩa dạng enzyme hoạt động dạng khác Chẳng hạn, glycogen phosphorylase mốc bánh mì Neurospora crassa gọi phosphorylase a dạng phosphoryl hoá phosphorylase b dạng bị loại bỏ Phosphate (Hình 16.25) Phosphorylase b bất hoạt chất hoạt hố AMP mà cần thường khơng có mặt mức độ đủ cao Dạng phosphoryl hoá phosphorylase a hoạt động khơng có mặt AMP Glycogen phosphorylase kích thích thơng qua việc phosphoryl hóa phosphorylase b thành phosphorylase a Việc gắn nhánh Phosphate làm thay đổi hình thể enzyme chuyển thành dạng hoạt động Phản ứng phosphoryl hoá loại bỏ Phosphate xúc tác enzyme riêng rẽ enzyme điều chỉnh 47 Hình 16.25: Sự cải biến cộng hóa trị thuận nghịch glycogen phosphorylase Phosphorylase a dạng hoạt động tổng hợp phosphoryl hóa bị bất hoạt Phosphate bị loại bỏ thủy phân để tạo thành phosphorylase b bất hoạt (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) Các enzyme điều chỉnh nhờ liên kết với nhóm khác Phosphate Một enzyme nghiên cứu chi tiết Glutamine synthetase E coli Đây enzyme lớn, phức tạp tồn hai dạng Khi nhánh acid adenylic liên kết với 12 dưới-đơn vị enzyme tạo thành enzyme adenyl hoá, glutamine synthetase hoạt động yếu Việc loại bỏ nhóm AMP tạo glutamine synthetase adenyl hoạt động glutamine tổng hợp Hệ thống glutamine synthetase khác hệ thống phosphorylase hai điểm: 1) AMP dùng tác nhân cải biến; 2) Dạng cải biến Glutamine synthetase hoạt động Glutamine synthetase điều chỉnh dị lập thể Việc sử dụng cải biến cộng hố trị để điều chỉnh hoạt tính enzyme có số ưu điểm Các enzyme chuyển hoá qua lại thường enzyme dị lập thể Vì dạng đáp ứng khác với effector dị lập thể nên hệ thống enzyme cải biến cộng hố trị có khả đáp ứng với nhiều chất kích thích đường thay đổi phức tạp Cũng điều chỉnh enzyme xúc tác cải biến cộng hoá trị, bổ sung vào hệ thống mức độ điều chỉnh thứ hai 16.5.3 Kìm hãm phản hồi kìm hãm sản phẩm cuối (Feedback inhibition) Như nói phần trên, tốc độ nhiều đường trao đổi chất điều chỉnh thông qua điều khiển hoạt tính enzyme điều chỉnh Mỗi đường có enzyme dẫn-tốc độ (pacemaker) xúc tác phản ứng chậm hạn chế tốc độ đường Vì phản ứng khác diễn nhanh phản ứng dẫn-tốc độ thay đổi hoạt tính enzyme trực tiếp ảnh hưởng đến tốc độ đường Thông thường, bước thứ đường phản ứng dẫn tốc độ xúc tác enzyme điều chỉnh Sản phẩm cuối đường thường kìm hãm enzyme điều chỉnh Q trình nói gọi kìm hãm sản phẩm cuối Kiểu kìm hãm bảo đảm cho tạo thành cân sản phẩm cuối đường Nếu tích luỹ với nồng độ cao sản phẩm cuối kìm hãm enzyme điều chỉnh làm giảm tốc độ tổng hợp sản phẩm Khi nồng độ sản phẩm cuối giảm, hoạt tính đường lại tăng nhiều sản phẩm tạo thành Sự kìm hãm sản phẩm cuối cùng, nhờ vậy, tự động phối hợp việc cung cấp theo nhu cầu sản phẩm Aspartate carbamoyltransferase ví dụ điển hình kìm hãm sản phẩm đường sinh tổng hợp thường phân nhánh tạo thành sản phẩm cuối Trong tình việc tổng hợp sản phẩm cuối đường phải phối hợp cách xác Khơng thể để sản phẩm cuối có mặt dư thừa sản phẩm cuối khác lại thiếu Sự phân nhánh đường sinh tổng hợp thường tạo nên cân sản phẩm cuối qua việc sử dụng enzyme điều chỉnh điểm phân nhánh (Hình 16.26) 48 Khi có mặt nồng độ dư thừa sản phẩm cuối thường kìm hãm enzyme điểm phân nhánh chuỗi dẫn đến tạo thành sản phẩm này, nhờ mà điều chỉnh việc tổng hợp sản phẩm không ảnh hưởng đến tổng hợp sản phẩm khác Hình 16.26 cho thấy sản phẩm kìm hãm enzyme mở đầu đường Sự dư thừa sản phẩm làm chậm dòng C vào đường kìm hãm enzyme thích hợp điểm phân nhánh Vì phân nhánh khơng hoạt động cần C kìm hãm sản phẩm cuối enzyme dẫn tốc độ ban đầu giúp cho điều hoà cung cầu đường phân nhánh Việc điều chỉnh đường phân nhánh nhiều thường thực phức tạp có mặt izoenzyme tức enzyme khác xúc tác phản ứng Bước đầu dẫn tốc độ ban đầu số izoenzyme xúc tác, izoenzyme chịu điều hoà riêng rẽ độc lập Trong tình vậy, dư thừa sản phẩm cuối làm giảm hoạt tính đường khơng hồn tồn kìm hãm chức đường số izoenzyme hoạt động Hình 16.26: Kìm hãm phản hồi Trên hình kìm hãm phản hồi đường phân nhánh với sản phẩm cuối Các enzyme điểm phân nhánh xúc tác chuyển hóa chất trung gian E thành F G điều chỉnh kìm hãm phản hồi Các sản phẩm P Q kìm hãm phản ứng mở đầu đường Tín hiệu ① P Q kìm hãm enzyme xúc tác bước tín hiệu (Theo Prescott, Harley Klein, 2005) 49 ... sinh vật Vai trò vi sinh vật Lịch sử phát triển vi sinh vật Phân loại vi sinh vật Chƣơng Vi sinh vật nhân sơ (4t) 1.1 Vi khuẩn (2t) 1.1.1 Hình thái, kích thước vi khuẩn 1.1.2 Cấu tạo tế bào vi. .. lớn coi vi sinh vật Như vi sinh vật khơng có mặt hai giới động vật thực vật Người ta ước tính số 1,5 triệu lồi sinh vật có khoảng 200 000 loài vi sinh vật (100 000 loài động vật nguyên sinh tảo,... công vi c thực nghiệm vi khuẩn học huyết học Bác sĩ Koch ngày 27 tháng năm 1910 Baden-Baden 18 PHÂN LOẠI VI SINH VẬT Vi sinh vật thuộc giới sinh vật nào? Vi sinh vật khơng phải nhóm phân loại sinh