BÀI GIẢNG VI SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG

• Dựa vào cấu trúc của nhân tế bào, Chatton và Lwoff chia sinh vật thành 2 nhóm:o Prokaryote : nhân tế bào chưa phân hóa hoàn chỉnh, nhiễm sắc thể chưa có màng nhân bao bọc, chưa hình th

Bài giảng SINH HỌC VI SINH

Mã MH: 211138

Số TC: 02 (30 tiết)

ThS Biện Thị Lan Thanh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HCM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

• Quận 1: 2A Đinh Tiên Hoàng, 104 Mai Thị Lựu

• Quận 5: 231 Nguyễn Văn Cừ, 240 Trần Bình Trọng

• Quận 11: 5 Bình Thới

Nội dung môn học

• Chương 1 Mở đầu

• Chương 2 Sinh học các VSV nhân sơ (Prokaryote)

• Chương 3 Sinh học các VSV nhân thật (Eukaryote)

• Chương 4 Virus

• Chương 5 Dinh dưỡng của VSV

• Chương 6 Sự chuyển hóa năng lượng ở VSV

• Chương 7 Các quá trình sinh tổng hợp ở VSV

• Chương 8 Sinh trưởng và phát triển ở VSV

• Chương 9 Di truyền học VSV

• Chương 10 Sinh thái học VSV

• Là những cơ thể nhỏ bé, muốn thấy được phải nhìn qua kính hiển vi (KHV)

• Kích thước nhỏ bé

• Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh

• Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh

• Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị

• Phân bố rộng, chủng loại nhiều

Đặc điểm chung của VSV

• Các đơn vị phân loại từ thấp lên cao: Loài (Species), Chi (Genus), Họ (Family), Bộ (Order), Lớp (Class), Ngành (Phylum), và Giới (Kingdom) Hiện nay trên giới còn có một mức phân loại nữa gọi là lĩnh giới (Domain).

• Cách viết tên khoa học của các loài gồm 2 chữ viết in nghiêng: chữ đầu tiên (viết hoa) chỉ tên chi (genus), chữ sau (không viết hoa) chỉ tên loài (species).

• Ví dụ:

Escherichia coli  E coli

Aspergillus niger  A niger

Bacillus subtilis RIK1285  B subtilis RIK1285

Vị trí phân loại của VSV

• John Ray (1627-1705) và Linnaeus (1707-1778)chia thế giới SV thành 2 giới là Thực vật và Độngvật Năm 1866, Haeckel (1834-1919) bổ sungthêm giới Nguyên sinh (Protista).

thống phân loại 5 giới: Khởi sinh (Prokaryote hayMonera), Nguyên sinh (Protista), Nấm (Fungi),Thực vật (Plantae) và Động vật (Animalia)

Vị trí phân loại của VSV

Hệ thống phân loại 5 giới sinh vật

• Gần đây hơn có hệ thống phân loại 6 giới - như 5

(Archaebacteria), giới Khởi sinh đổi thành giới Vikhuẩn thật (Eubacteria)

• Cavalier-Smith (1993) đề xuất hệ thống phân loại

8 giới: Vi khuẩn thật (Eubacteria), Cổ vi khuẩn

(Chromista), Nấm (Fungi), Thực vật (Plantae) vàĐộng vật (Animalia)

Vị trí phân loại của VSV

Hệ thống phân loại 8 giới sinh vật

Hệ thống phân loại 6 giới sinh vật

• Dựa vào cấu trúc của nhân tế bào, Chatton và Lwoff chia sinh vật thành 2 nhóm:

o Prokaryote : nhân tế bào chưa phân hóa hoàn chỉnh, nhiễm sắc thể chưa có màng nhân bao bọc, chưa hình thành tiểu hạch Tiêu biểu cho nhóm này: vi khuẩn, xạ khuẩn, niêm vi khuẩn, xoắn thể, rickettsia, mycoplasma và tảo lam

o Eukaryote : nhân tế bào đã phân hóa hoàn chỉnh,

đã có màng nhân và tiểu hạch, bao gồm 2 nhóm:

 Eukaryote đơn bào: nấm men, tảo đơn bào

(trừ tảo lam), nguyên sinh động vật

 Eukaryote đa bào: nấm mốc, nấm bậc cao,

tảo đa bào, động vật và thực vật bậc cao

Vị trí phân loại của VSV

• Năm 1979, Trần Thế Tương đề nghị hệ thống phân

loại 6 giới và 3 nhóm giới:

I - Nhóm giới Sinh vật phi bào (chưa có tế bào)

1 - Giới virus

II - Nhóm giới Sinh vật nguyên thủy (Prokaryote)

2 - Giới vi khuẩn

3 - Giới vi khuẩn lam (Tảo lam)

III- Nhóm giới Sinh vật nhân thật (Eukaryote)

• Năm 1980, Woese dựa trên những nghiên cứu sinh học phân tử đưa ra hệ thống phân loại 3 lĩnh giới (Domain): Sinh vật nhân thật (Eukaryote), Vi khuẩn (Bacteria), Cổ khuẩn (Archae)

Vị trí phân loại của VSV

• Sự khác nhau cơ bản của 3 nhóm trong sinh giới

Vị trí phân loại của VSV

• Tế bào Prokaryote nhỏ hơn tế bào Eukaryote

Đặc điểm của SV Prokaryote và Eukaryote

III Đặc điểm của SV Prokaryote và Eukaryote

• Trong nông nghiệp: phân giải xác hữu cơ, tạo chất mùn,

cố định N, phân giải các hợp chất khó tan chứa P, K, S, thành phần chủ yếu của các chế phẩm sinh học

• Trong thực phẩm: các sản phẩm lên men, sản phẩm trao

đổi chất

• Trong ngành năng lượng: sản xuất năng lượng sinh học

(biofuel)

• Trong xử lý môi trường: phân giải chất thải trong nông

nghiệp, sinh hoạt, công nghiệp

• Trong nghiên cứu khoa học: là đối tượng để nghiên cứu

về di truyền, sinh lý tế bào

• Tuy nhiên, có không ít các loài VSV gây bệnh, sinh độc

tố, làm ô nhiễm môi trường

IV Vai trò của VSV

V Lịch sử phát triển của VSV

KHV do Robert Hook sử dụng mô tả các tế bào nấm mốc mọc trên bề mặt da thuộc

Tiêu bản máu người chụp dưới KHV của Leeuwenhoek

V Lịch sử phát triển của VSV

Thí nghiệm của Parteur chứng

minh VSV không phải tự sinh ra

Louis Parteur là người đặt nền tảng khoa học cho môn vi sinh vật học với các cống hiến:

Bác bỏ thuyết tự sinh

Chứng minh sự lên men rượu là do nấm men

Tìm ra nguyên nhân gây hư hỏng rượu là

do một loại vi khuẩn, đề ra biện pháp bảo quản bằng cách thanh trùng hấp cách thủy

Ảnh chụp Bacillus anthracis của Robert Koch

4 nguyên tắc chuẩn để chứng minh khả năng gây bệnh đặc trưng của một loài VSV của R Koch

V Lịch sử phát triển của VSV

1 Luôn được tìm thấy trên sinh vật bị nhiễm bệnh nhưng không có

ở sinh vật khỏe

2 Được nuôi trong điều kiện thực nghiệm bên ngoài cơ thể sinh vật

3 Có khả năng gây bệnh khi gây nhiễm vào con vật mẫn cảm

4 Được xác định từ kết quả tái phân lập.

• Vi khuẩn thật (Eubacteria): vi khuẩn (Bacteria),

xạ khuẩn (Actinomycetes), vi khuẩn lam

(Cyanobacteria) và nhóm vi khuẩn nguyên thủy

• Vi khuẩn cổ (Archaebacteria)

I Tổng quan về Prokaryote

1 Hình dạng, kích thước

(a) Liên cầu khuẩn Streptococcus,

(b) (b) Song cầu khuẩn, (c) tứ cầu khuẩn,

(d) tụ cầu khuẩn Staphylococcus

(a) Trực khuẩn dưới KHV điện tử,

(b) Trực khuẩn dạng chuỗi,

(c) Trực khuẩn Bacillus, (d) trực khuẩn E coli

Bacillus: G+, sinh bào tử,

hiếu khí hay kị khí tùy ý

Clostridium: G+, sinh bào tử,

kị khí bắt buộc

Enterobacterium:

G-, không sinh bào tử,

thường có tiêm mao

Pseudomonas:

G-, không sinh bào tử,

có 1 hay 1 chùm tiêm mao

ở đỉnh, thường có sinh sắc tố

(a) Xoắn khuẩn Helicobacter pylori, (b) phẩy khuẩn Vibrio cholerae (c) xoắn khuẩn Spirillum, (d) phẩy khuẩn Campylobacter jejuni

2 Cấu tạo tế bào

Duy trì hình dạng tế bào

Hỗ trợ sự chuyển động của tiên mao

Giúp tế bào đề kháng với lực tác động bên ngoài

Cần thiết cho quá trình phân cắt bình thường của

tế bào

Cản trở sự xâm nhập của một số chất có hại

Có liên quan đến tính kháng nguyên, tính gây bệnh, tính mẫn cảm với thực khuẩn thể

Thành tế bào (cell wall)

Thành tế bào vi khuẩn Gram dương

Vách tế bào đồng nhất và dày của VK G+ được cấu tạo chủ yếu bởi peptidoglycan (PG) và acid teichoic

• Acid teichoic: vừa nối với PG, vừa nối với lipid

của màng tế bào chất (lipoteichoic acid)

• Peptidoglycan (murein) là hợp chất cao phân tử

khổng lồ, cấu tạo bởi nhiều tiểu đơn vị nối lại vớinhau, chứa 2 dẫn xuất của đường glucose (N-Acetylmuramic và N-Acetyl glucosamin) và 4loại amino acid (L-Alanine, D-Glutamate, L-Lysine, D-Alanine và L-Diaminopimelic)

• PG có thể bị phân giải bởi lysozyme, một số chất

kháng sinh (penicillin) có thể làm ức chế sự tổnghợp PG

Peptidoglycan ở VK G+ và

G-Thành tế bào vi khuẩn Gram âm

So với VK G+, thành tế bào VK G- phức tạp hơn:

• Lớp màng ngoại vi: bên ngoài lớp PG:

Lipoprotein : nối màng ngoài và lớp PG

Lipopolysacharide (LPS) : chứa lipid và glucid, gồm 3 phần:

Lipid A: là nội độc tố (endotoxin) của vi khuẩn

Polysaccharide lõi: nối với lipid A

Polysaccharide O (kháng nguyên O): là 1 chuỗi polysaccharide ngắn của polysaccharide lõi, được cấu tạo từ vài loại đường, thành phần thay đổi tùy loại VK; dễ dàng nhận biết bởi kháng thể của kí chủ.

Để thoát khỏi sự phòng vệ của kí chủ, VK G- có thể thay đổi nhanh chóng bản chất của kháng nguyên O.

• PG mỏng, kế cận màng tế bào chất

• Khoảng không chu chất: nằm giữa lớp màng ngoài và lớp PG

mỏng ở thành tế bào VK G-, và giữa lớp thành tế bào và lớp màng tế bào chất của cả VK G- và G+

Vi khuẩn Gram dương Vi khuẩn Gram âm

Gram dương Gram âm

Các dạng VK không có thành tế bào

• Thể nguyên sinh (protoplast): tế bào VK bị phá hủy bởi

lysozyme hay dùng penicillin để ức chế sự tổng hợp PG 

tế bào chỉ được bao bọc bởi màng tế bào chất Thường gặp

ở VK G+

• Thể cầu (sphaeroplast): VK G- sau khi bị xử lý với

penicillin (chỉ tác động đến PG) sẽ thành thể sphaeroplast (tế bào VK thiếu vách, nhưng vẫn còn sót vài mảnh của lớp ngoại vi)

• Mycoplasma: hoàn toàn không có thành tế bào, phát triển

trong môi trường loãng hay trong đất, hình dạng thay đổi

• Vi khuẩn dạng L (L-formes): thiếu vách hoàn toàn hay 1

phần, nguồn gốc từ VK G+ hoặc G-, sinh ra do đột biến trong phòng thí nghiệm và mang tính di truyền ổn định

2 Cấu tạo tế bào

Màng tế bào chất (cytoplasmic membrane)

Cấu tạo

Bao bọc khối tế bào chất, cấu tạo gồm protein và lipid

• Lipid: gồm 2 lớp phospholipid (PL) chiếm 30-40% khối

lượng màng, đầu ưa nước hướng ra 2 phía của màng, đầ kị nước quay đầu vào nhau

• Protein: chiếm 60-70% khối lượng màng, có 2 loại protein

màng:

Protein ngoại vi : kết hợp yếu với màng lipid và dễ dàng tách ra

dễ dàng, tan trong nước, chiếm khoảng 20-30% tổng số protein màng

Protein nội tại : không dễ dàng tách ra khỏi màng, tan trong dung dịch lipid Có cấu trúc lưỡng cực, phần kị nước nằm sâu trong lớp lipid, phần ưa nước nhô ra bề mặt ngoài của màng.

• Ngoài ra còn có những phân tử glucid gắn vào mặt ngoài các

protein màng

Màng tế bào chất (cytoplasmic membrane)

Chức năng

• Khống chế sự qua lại của các chất dinh dưỡng, các sản phẩm trao đổi chất

• Duy trì áp suất thẩm thấu bình thường trong tế bào

• Là nơi sinh tổng hợp các thành phần của thành tế bào

và các polyme của bao nhầy (capsule).

• Là nơi tiến hành quá trình phosphoryl oxy hóa và quá trình phosphoryl quang hợp (ở VK quang tự dưỡng)

• Là nơi tổng hợp nhiều enzym, các protein của chuỗi

hô hấp.

• Cung cấp năng lượng cho sự hoạt động của tiên mao

Màng tế bào chất (cytoplasmic membrane)

2 Cấu tạo tế bào

Cytoplasm

• Là thành phần chính của tế bào VK, dạng keonằm bên trong màng sinh chất, chứa tới 80-90% lànước, thành phần chính là lipoprotein

• Trong tế bào chất của VK trưởng thành có các cấutử:

hai tiểu phần này kết hợp với

nhau tạo thành ribosom 70S

• Mesosome: là những thể hình cầu nằm gần vách ngăn ngang,

chỉ xuất hiện khi tế bào phân chia, có vai trò trong việc hình thành vách ngăn ngang khi tế bào phân chia Trong mesosome chứa nhiều hệ thống enzyme vận chuyển điện tử

• Không bào: được bao bọc bởi màng lipoprotein bên trong

chứa các chất thải, các chất độc từ hoạt động sống của tế bào

• Không bào khí: thường có ở VK lam, VK quang hợp màu tía

màu lục, vài VK sống trong nước Không bào khí giúp các VK này nổi trên mặt nước.

• Hạt sắc tố: đóng vai trò quang hợp ở VK quang dưỡng

• Các thể hạt: carbonhydrate, PHB (poly-β-hydrybutyrate), dị

nhiễm, cyanophycine và carboxysome, lưu huỳnh, tinh thể diệt côn trùng

Tế bào chất (Cytoplasm)

2 Cấu tạo tế bào

Cytoplasm

• Có hình dạng bất định và là một nhiễm sắc thể duy nhất có cấu tạo bởi một sợi DNA xoắn kép còn gắn với màng tế bào chất, chứa thông tin di truyền của VK

• Đa số vi khuẩn còn có chứa plasmid

 Yếu tố F (F- và F+) : plasmid quy định tính trạng giới tính của VK

 Yếu tố R : plasmid quy định tính trạng đề kháng kháng sinh của VK

Thể nhân (Nuclear body)

2 Cấu tạo tế bào

Cytoplasm

• Bao bên ngoài thành tế bào, thành phần chính làpolysaccharide, ngoài ra còn có polypeptide vàprotein

• 90 - 98% trọng lượng của màng nhầy là nước

Bao nhầy (Capsule)

Vỏ nhầy ở vi khuẩn Acetobacter xylinum và Leuconostoc mesenteroides

2 Cấu tạo tế bào

Cytoplasm

• Không phải có mặt ở mọi vi khuẩn

• Quyết định khả năng và phương thức di động của VK

• Dựa vào số lượng và cách sắp xếp, chia VK có tiên mao thành 4 nhóm:

Tiên mao (Lông roi, Flagella)

Tiên mao ở VK G- (a) và VK G+ (b)

• Tiên mao xuất phát từ lớp ngoại nguyên sinh chất, xuyên qua màng nguyên sinh chất, và vách tế bào rồi

• Sự chuyển động của VK có tiên mao theo 2 cơ chế: sự

co duỗi của nguyên sinh chất qua các lổ của thành tế bào, hoặc do sự xoáy của tiên mao vào nước

Tiên mao (Lông roi, Flagella)

Sự phát triển của tiên mao

Sự chuyển động của tiên mao

Cơ chế của sự chuyển động của tiên mao

MotA, MotB, FliG, FliM, FliN: các protein của tiên mao

2 Cấu tạo tế bào

Cytoplasm

• Là những sợi lông rất mảnh, rất ngắn mọc quanh bề

mặt tế bào nhiều vi khuẩn Gram âm, giúp VK bám vào giá thể

• Khuẩn mao giới tính (Sex pili, Sex pilus-số nhiều): cấu tạo giống khuẩn mao nhưng dài hơn nhiều

Khuẩn mao và khuẩn mao giới tính

Khuẩn mao (Nhung mao, Pillus)

Bào tử (spore, endospore)

• Bào tử hình thành khi gặp điều kiện sống bất lợi,hoặc tích lũy các sản phẩm trao đổi chất có hại

• Bào tử có tính kháng nhiệt, kháng hóa chất, khángbức xạ, kháng áp suất thẩm thấu…

• Bào tử trưởng thành được bao bọc bởi nhiều lớpmàng: lớp áo bào tử, vỏ bào tử, lớp màng trong,bên trong là lõi bào tử gồm: thành bào tử, màngbào tử, bào tử chất và vùng nhân

• Trong bào tử chứa:

Nước ở trạng thái liên kết

DNA và RNA (lượng RNA gấp 2-7 lần DNA)

Nhiều Ca, Mg, ít K, P hơn tế bào sinh dưỡng

Enzyme và các chất hoạt động sinh học kháctồn tại ở trạng thái không hoạt động

Hơn 15% trọng lượng khô của bào tử được cấu

Bào tử (spore, endospore)

Cấu trúc bào tử

Các vị trí bào tử trong tế bào

Sự hình thành bào tử ở Bacillus megaterium

Sự nảy mầm của bào tử

• Ở loài vi khuẩn diệt côn trùng Bacillus thuringiensis

và Bacillus sphaericus còn gặp tinh thể độc có bản

chất protein và chứa những độc tố có thể giết hại trên

100 loài sâu hại

Bào tử (spore) và tinh thể độc (Crystal) ở

B thuringiensis và B sphaericus

Sự sinh sản của vi khuẩn

• VK sinh sản vô tính theo

kiểu trực phân

Nhân đôi NST vòng

Trong quá trình phân chia tế

bào kéo dài ra

Các mesosome lớn dần lên

NST và mesosome tách đôi

và xa dần nhau

Giữa tế bào xuất hiện vách

ngăn, chia tế bào mẹ thành 2

tế bào con

(xem clip 2) (xem clip 3) (xem clip 1) (xem clip 4)

• VK phát triển trên môi trường đặc sẽ tạo thànhcác khuẩn lạc (colony) có hình dạng đặc trưngtừng loài

• Khi mô tả khuẩn lạc cần ghi nhận:

Mép khuẩn lạc: trơn, lượn sóng, răng cưa

Mặt cắt ngang: phẳng, lồi, vun cao, lõm, ăn sâu vào

môi trường

Sự hình thành khuẩn lạc

• Xạ khuẩn là nhóm VSV đơn bào , có nhiều đặc điểm giống VK:

Kích thước nhỏ bé tương đương tế bào VK

Chưa có màng nhân

Thành tế bào không chưa cellulose hay kitin

Phân bào vô ty

• Xạ khuẩn có những đặc điểm tương tự nấm:

Có hai loại khuẩn ti: khuẩn ti khí sinh (aerial mycelium) và khuẩn

ti cơ chất (substrate mycelium)

Sinh nhiều bào tử như nấm trên hệ sợi khí sinh

• Sinh sản: bằng đoạn sợi, bằng sự nảy chồi phân nhánh, phân cắt tế bào, và bằng bào tử (bào tử trần là cơ quan sinh sản chủ yếu)

• Khuẩn lạc bám chặt vào môi trường thạch , có dạng đối xứng tỏa tròn phóng xạ hay đồng tâm.

1 Đặc điểm chung

Khuẩn lạc, bề mặt bào tử dưới kính hiển vi điện tử và

chu trình sống của Streptomyces sp.

• Là nguồn cung cấp chất kháng sinh: amphotericin, chloramphenicol, kanamycin, neomycin, streptomycin

• Sản sinh nhiều enzym.

• Chi Frankia có khả năng cố định nitrogen thường cộng sinh trên rễ cây phi lao, và nhiều loài cây khác.

• Một số ít gây bệnh cho người, cho vật nuôi và cho cây trồng….

2 Lợi ích của xạ khuẩn

• Có cấu tạo gần gũi với cấu tạo tế bào Gram âm

• Có khả năng tự dưỡng quang năng nhờ chứa sắc tố quang hợp là chất diệp lục a, caroten β và các sắc tố phụ

Một số loài vi khuẩn lam

• Một số vi khuẩn lam sống trong ao hồ thường phát triển mạnh vào mùa hè tạo ra hiện tượng “nước nở hoa”

• Thành tế bào của cổ khuẩn không chứa peptidoglycan

• Cổ khuẩn có rất nhiều dạng cấu trúc thành tế bào khác nhau: pseudo-peptidoglycan, protein, polysaccharid, glycoprotein

• Trong khi ở vi khuẩn và sinh vật nhân thật cầu nối acid béo glycerol trong lipid màng tế bào là liên kết este (ester) thì ở cổ khuẩn lại là liên kết ete (ether)

Đặc điểm cấu tạo