CHUYÊN đề CHUYỂN hóa vật CHẤT và NĂNG LƯỢNG TRONG DINH DƯỠNG CACBON của VI SINH vật

LỜI MỞ ĐẦU Chuyên đề sử dụng tham khảo để giảng dạy lớp, dạy cho đội tuyển học sinh giỏi 10 phục vụ số kỳ thi như: Olimpic Hùng Vương, kỳ thi trường chuyên duyên hải đồng Bắc bộ… Chuyên đề chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong đóng góp ý kiến bổ sung bạn đồng nghiệp để chuyên đề thêm hữu ích CHUYÊN ĐỀ CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG DINH DƯỠNG CACBON CỦA VI SINH VẬT A KIẾN THỨC CHUNG Các kiểu dinh dưỡng Cacbon nguyên tố cấu tạo nên khung chất hữu Để tổng hợp chất hữu cơ, vi sinh vật cần hai thành phần nguồn lượng nguồn cacbon, nguồn gốc hai thành phần mà vi sinh vật sử dụng sở phân loại kiểu dinh dưỡng vi sinh vật Có kiểu dinh dưỡng cacbon vi sinh vật là: quang tự dưỡng, quang dị dưỡng, hóa tự dưỡng hóa dị dưỡng (HS dựa vào sơ đồ để phân biệt kiểu dinh dưỡng) Sơ đồ 1: khái quát hoạt động chuyển hóa vật chất lượng vi sinh vật Ngoài dinh dưỡng cacbon, vi sinh vật cần nguyên liệu khác để xây dựng cấu trúc tế bào cung cấp cho hoạt động sống nitơ ngun tố khống Chun đề tơi đề cập đến nội dung chuyển hóa vật chất lượng dinh dưỡng cacbon vi sinh vật Tìm hiểu chung liên kết giàu lượng ATP Trong tế bào chất hữu chứa lượng, phân huỷ lượng giải phóng Năng lượng phân tử cố định liên kết Các liên kết thường có lượng khoảng 0,3 - 3,0 Kcalo/M Ngồi liên kết bình thường, số phân tử cịn chứa liên kết có lượng lớn hơn, liên kết cao Những liên kết có lượng dự trữ ≥ Kcalo/M thuộc dạng liên kết cao năng, ký hiệu dấu ∼ Có dạng liên kết cao phổ biến: - Liên kết O ∼ P: dạng liên kết cao phổ biến có vai trị quan trọng tế bào Liên kết cao dạng có phân tử đường - photphat (A 1,3 PG, APEP ), cacbanyl - P, đặc biệt nucleotid di, tri - photphat (ADP, ATP, GDP, GTP ) Trong quan trọng ATP - Liên kết C ∼ S: dạng liên kết cao có acyl - CoA(acetyl - CoA, sucxinyl - CoA ) - Liên kết N ∼ P: liên kết cao có phân tử creatin - photphat Trong phân tử chứa liên kết cao năng, ATP phân tử có vai trị quan trọng tế bào, xem pin lượng tế bào Phân tử ATP chứa liên kết cao Trong điều kiện chuẩn, lượng liên kết cao 7,3Kcalo/M, liên kết cao thứ 9,6Kcalo/M Năng lượng thay đổi tuỳ điều kiện pH, nhiệt độ, nồng độ ATP, áp suất Biến động lượng liên kết cao ATP khoảng - 12Kcalo/M ATP vừa có lượng lớn đủ thoả mãn cho trình xảy tế bào vừa linh động nên lượng dễ giải phóng cho thể hoạt động lượng sử dụng phổ biến (được coi “đồng tiền” lượng tế bào) Công thức cấu tạo ATP Photphoryl hố Photphoryl hố q trình tổng hợp ATP theo phương trình: ADP + H3PO4 → ATP + H2O ADP Adenozin diphotphat (có nhóm photphat) ATP Adenozin triphotphat (có nhóm photphat) Để phản ứng xảy cần có lượng enzime ATP-aza xúc tác Năng lượng cần thiết cho phản ứng lượng chứa đựng liên kết cao nhóm photphat (≈ 7,3 Kcalo/M) Tùy nguồn lượng cung cấp mà có dạng photphoryl hố: photphoryl hố mức chất photphoryl hố mức coenzime (photphoryl hóa oxi hóa) * Photphoryl hố mức chất Photphoryl hố mức chất trình tổng hợp ATP nhờ lượng thải phản ứng oxy hoá trực tiếp chất Ví dụ: có phản ứng tạo ATP từ chất q trình oxi hố phân tử glucose giai đoạn đường đường phân chu trình Crebs Q trình photphoryl hố mức chất tích luỹ khơng q 10% tồn ATP tạo hô hấp nên ý nghĩa không lớn 90% lượng ATP cịn lại tích luỹ qua q trình photphoryl hố mức coenzime hay qua chuỗi hơ hấp * Photphoryl hố mức coenzime (photphoryl hóa oxi hóa) Thuyết Mitchell đưa năm 1962 gọi thuyết hoá thẩm, giải thích chế photphoryl hố cách hợp lý quan tâm nhiều Thuyết hố thẩm nêu lên mối quan hệ dịng điện tử chuỗi truyền e- hô hấp với photphoryl hoá màng ty thể Sự chênh lệch nồng độ ion tạo trình vận chuyển e- H+ qua màng (thực chất chuỗi phản ứng oxi hóa-khử) làm cho tích luỹ e- H+ phía màng ty thể chênh lệch tạo nên điện hố (năng lượng hóa thẩm) Thế điện hố giải phóng nhờ dịng vận chuyển proton H+ qua ATP-aza cung cấp lượng cho phản ứng tổng hợp ATP Hầu hết lượng glucozo giải phóng dạng ATP giai đoạn Đây sở giải thích hiệu đường phân giải glucozo khác vi sinh vật B CÁC HOẠT ĐỘNG CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG CỦA VI SINH VẬT TRONG DINH DƯỠNG CACBON Quang dưỡng Là hình thức hấp thụ chuyển hóa lượng ánh sáng để tổng hợp chất hữu 1.1 Giai đoạn hấp thụ chuyển hóa lượng ánh sáng (pha sáng) 1.1.1 Bản chất pha sáng Là giai đoạn lượng ánh sáng tác động vào phân tử sắc tố gây tượng kích động electron (e-) làm bật khỏi phân tử sắc tố để vào chuỗi truyền điện tử Đường khác e- chuỗi truyền điện tử định sản phẩm pha sáng, dựa vào sản phẩm pha sáng ta có hai kiểu quang hợp quang hợp tạo O2 (ở vi sinh vật hiếu khí) quang hợp khơng tạo O2 (ở vi sinh vật kị khí) 1.1.2 Vị trí pha sáng Ở vi sinh vật nhân sơ hệ sắc tố chuỗi vận chuyển điện tử pha sáng nằm màng sinh chất, đặc biệt vi khuẩn lam số vi khuẩn khác thường có màng sinh chất gấp nếp ăn sâu vào tế bào chất tạo mezoxom gọi phiến tilacoit giúp tăng diện tích hấp thụ chuyển hóa lượng ánh sáng Ở vi sinh vật nhân thực có bào quan chuyên hóa cho quang hợp lục lạp, hệ sắc tố chuỗi vận chuyển điện tử nằm màng tilacoit lục lạp (A) (B) Hình 1: cấu tạo lục lạp (A) tế bào nhân sơ (B) * Giới thiệu hệ sắc tố: Hình 2: Cấu trúc Chlorophyll vị trí khác sắc tố cholorophyll a, cholorophyll b bacteriocholorophyll a Theo hình 2, nhóm cholorophyll a bị thay đổi để sản cholorophyll b, trái lại để chuyển cholorophyll a thành bacteriocholorophyll a phải cần cải biến hệ thống vịng Chuỗi bên (R) bacteriocholorophyll a phytil (1 chuỗi gồm 20C gặp cholorophyll a b) hay geranilgeranil (1 chuỗi bên gồm 20C tương tự phytil nhièu nối đôi) (Theo: Prescott cs, 2005) Các sinh vật quang hợp có sắc tố dùng hấp phụ ánh sáng sắc tố quan trọng cholorophyll (chất diệp lục) Đây vòng phẳng, lớn gồm nhân pirol thay nguyên tử magiê phối hợp với nguyên tử nitơ trung tâm Một số cholorophyll gặp sinh vật nhân thật mà quan trọng cholorophyll a cholorophyll b Hai phân tử cholorophyll khác cấu trúc đặc tính quang phổ Khi hồ tan axeton cholorophyll a có đỉnh hấp thụ ánh sáng 665 nm; cịn cholorophyll b có đỉnh hấp thụ 645nm Ngồi đặc tính hấp thu ánh sáng đỏ cholorophyll hấp thu mạnh ánh sáng xanh (đỉnh hấp thu thứ hai cholorophyll a 430nm) Vì cholorophyll hấp thu chủ yếu vùng đỏ xanh ánh sáng lục truyền qua Hậu sinh vật quang hợp có màu lục Đi dài kị nước gắn vào vịng cholorophyll giúp cho sắc tố gắn vào màng vị trí phản ứng quang Hình 3: Các sắc tố phụ tiêu biểu Beta-caroten carotenoit gặp tảo thực vật cao cấp Sắc tố chứa chuỗi dài nối đôi nối đơn luân phiên gọi nối đôi tiếp hợp Fucoxantin sắc tố phụ carotenoit gặp số ngành tảo (dấu chấm cấu trúc biểu thị nguyên tử C) Phycoxyanobilin ví dụ tetrapirol đường thẳng liên kết với protein để tạo thành phycobiliprotein (Theo: Prescott cs, 2005) Các sắc tố quang hợp khác thu giữ quang mà phổ biến carotenoit Đây phân tử dài thường có màu vàng nhạt có hệ thống liên kết kép tiếp hợp β-caroten gặp Prochloron hầu hết nhóm tảo; flucoxantin có mặt khuê tảo (diatoms), tảo giáp (Dinoflagellates) tảo nâu (Phaeophyta) Tảo đỏ vi khuẩn lam chứa sắc tố quang hợp gọi phycobiliprotein bao gồm protein liên kết với tetrapyrol Phycoerytrin sắc tố đỏ có đỉnh hấp thu cực đại 550nm phycocyanin sắc tố xanh (hấp thu cực đại 620-640nm) Về vai trò quang hợp carotenoit phycobiliprotein thường coi sắc tố phụ Mặc dù cholorophyll hấp thu quang cách có hiệu vùng xanh - lục đến vàng (khoảng 470-630nm) sắc tố phụ hấp thu ánh sáng vùng truyền lượng thu đến cholorophyll Nhờ chúng giúp cho quang hợp có hiệu qua vùng rộng chiều dài sáng Các sắc tố phụ bảo vệ vi sinh vật khỏi ánh sáng mặt trời gay gắt oxy hố gây hư hại cho máy quang hợp trường hợp thiếu chúng Các cholorophyll sắc tố phụ tập hợp thành dãy có tổ chức cao gọi quang hệ (ăngten) với chức tạo diện tích bề mặt rộng dùng thu giữ photon nhiều tốt Mỗi quang hệ chứa khoảng 300 phân tử cholorophyll Quang thu giữ quang hệ chuyền từ cholorophyll sang sang cholorophyll khác tới cholorophyll đặc biệt trung tâm phản ứng; cholorophyll trực tiếp tham gia vào việc vận chuyển electron quang hợp * Giới thiệu quang hệ PSI PSII: Quang hệ đơn vị chuyển hóa lượng ánh sáng bao gồm sắc tố phức hệ protein màng, lượng bước sóng mà phân tử sắc tố trung tâm phản ứng hấp thụ định đường điện tử (electron) sản phẩm đường Hình 4: Hệ sắc tố chuỗi truyền điện tử màng tilacoit Quang hệ PSI có phân tử sắc tố hấp thụ ánh sáng bước sóng khác nhóm vi sinh vật: vi sinh vật quang hợp tạo O2 700nm (nên gọi P700), vi khuẩn khơng lưu huỳnh màu tía 870 nm, vi khuẩn lưu huỳnh màu lục 840nm, v.v Quang hệ PSII (chỉ có vi sinh vật quang hợp tạo O2) có phân tử sắc tố hấp thụ ánh sáng bước sóng 680nm 1.1.3 Diễn biến pha sáng a Quang hợp tạo O2 Quang hợp tạo O2 sử dụng đồng thời hai đường không vịng vịng: + Con đường khơng vịng: Có tham gia hai quang hệ PSI PSII Khi có ánh sáng chiếu vào sắc tố quang hệ bật điện tử (e-), điện tử vào chuỗi vận chuyển theo thứ tự sau: Bước 1: Trung tâm phản ứng PSI có mức lượngcơ cao PSII nên giải phóng electron trước, e- từ PSI qua chuỗi truyền điện tử đến cuối chuỗi truyền phức hệ feredoxin NADP+ nhận để tổng hợp NADPH Bước 2: PSII giải phóng e- vào chuỗi truyền để chuyển đến để bù (trả lại) e- PSI Trên đường đi, e- qua Cyt b6 làm kênh mở, kết tạo dòng vận chuyển H+ qua màng H+ tích lũy nhiều phía ngồi màng sinh chất vi khuẩn xoang tilacoit lục lạp gây áp lực nồng độ lên ATP-aza (máy tổng hợp ATP, protein xuyên màng), H+ chuyển qua ATP-aza kích thích tổng hợp ATP (photphoryl hóa oxi hóa - thuyết hóa thẩm Michell) Bước 3: Cuối cùng, lượng ánh sáng làm phân li phân tử nước (quang phân li nước) xoang tilacoit (hoặc tế bào chất vi khuẩn) theo phương trình: H2O → 1/2O2 + 2H+ + 2eTrong H+ dùng để vận chuyển qua màng, 2e- chuyển đến bù cho PSII, O2 khuếch tán môi trường * Sản phẩm đường khơng vịng: ATP, NADPH, O2 theo tỉ lệ 2:2:1 vì: Cứ photon ánh sáng tác động vào PSI giải phóng 2e- để tạo 1NADPH photon ánh sáng tác động vào PSII giải phóng 2e- để bù cho PSI đồng thời tạo 1ATP photon ánh sáng làm phân li H2O để bù 2e- cho PSII đồng thời tạo 1/2O2 Hình 5: truyền điện tử theo đường khơng vòng 10 + Con đường vòng: Nếu sử dụng đường khơng vịng khơng tạo đủ lượng cho việc tổng hợp chất hữu nên đường vòng đồng thời xảy để cung cấp thêm lượng ATP Hình 6: truyền điện tử theo đường vòng quang hợp tạo O2 Con đường có tham gia PSI Dưới tác động photon ánh sáng, eđược bật từ trung tâm phản ứng PSI vận chuyển theo protein chuỗi truyền điện tử, đến feredoxin không truyền e- cho NADP+ mà e- tiếp tục chuyển qua Cytb6 trở trung tâm phản ứng PSI Khi e- qua Cytb6 làm kênh mở để vận chuyển H+ qua màng gây chênh lệch nồng độ H+ hai phía màng sở tạo ATP Như đường tạo sản phẩm ATP (cứ photon ánh sáng tác động tạo ATP) b Quang hợp không tạo O2 Sử dụng đường vịng, có PSI tham gia Cùng quang hợp không tạo O2 đường e- khơng hồn tồn giống hai nhóm tự dưỡng dị dưỡng 11 (A) (B) Hình 7: truyền điện tử pha sáng vi khuẩn không lưu huỳnh màu lục tía (A), vi khuẩn lưu huỳnh màu lục tía (B) + Với vi khuẩn lưu huỳnh màu lục tía (tự dưỡng) Điện tử (e-) bật từ phân tử sắc tố trung tâm phản ứng vào chuỗi vận chuyển điện tử, phần số e- NADP+ nhận để tạo NADPH, phần số e- qua phức hệ protein tạo lực bơm H+ để tổng hợp ATP cuối lại quay trở trung tâm phản ứng Như số e- NADP+ nhận không quay trả lại phân tử sắc tố nên phải nhờ vào phân li H2S tạo e- bù lại cho phân tử sắc tố Vi khuẩn phải sống nơi có nguồn lưu huỳnh (S) dồi suối lưu huỳnh (không phổ biến) Sản phẩm: ATP, NADPH + Với vi khuẩn không lưu huỳnh màu lục tía (dị dưỡng) Điện tử bật từ phân tử sắc tố trung tâm phản ứng vào chuỗi vận chuyển điện tử giải phóng lượng cách tạo lực bơm H+ từ tổng hợp ATP Cuối e- quay trở lại phân tử sắc tố, khơng có nhường e- Con đường tạo ATP, khơng có lực khử NADPH để tổng hợp chất hữu theo nhu cầu nên vi khuẩn phải sử dụng nguồn C có sẵn chất hữu lấy từ môi 12 trường (quang dị dưỡng) ATP thu từ trình chuyển hóa lượng ánh sáng chúng sử dụng cho hoạt động sống không dùng để đồng hóa CO2 (nhóm khơng có pha tối) Bảng 1: Phân biệt pha sáng quang hợp tạo O2 quang hợp không tạo O2 Đại diện Quang Vi khuẩn hợp tạo lam, trùng O2 roi, tảo Quang hợp không tạo O2 Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục, tía Vi khuẩn khơng lưu huỳnh màu lục, tía Sắc tố Chất cho Chất quang hợp electron nhận eDiệp lục a (phycobill H2O NADP+ in hỗ trợ) Khuẩn diệp lục Khuẩn diệp lục + H2S NADP e- từ sắc tố lại trả sắc tố Quang hệ PSI PSII truyền e- theo hai đường vịng khơng vịng Chỉ có PSI truyền e- theo đường vịng Chỉ có PSI truyền e- theo đường vòng Sản phẩm pha sáng ATP, NADPH, O2 ATP, NADPH, S ATP 1.2 Giai đoạn tổng hợp chất hữu (pha tối) Là pha cố định CO2 theo chu trình Canvin chất lục lạp tế bào chất vi sinh vật nhân sơ với tham gia ATP NADPH đến từ pha sáng Pha tối giống vi sinh vật quang tự dưỡng Vi sinh vật quang dị dưỡng khơng có pha tổng hợp chất hữu từ CO2, chất hữu chúng lấy trực tiếp từ mơi trường 13 Hình 8: chu trình Canvin (TCA) Chu trình Canvin gồm giai đoạn: + Giai đoạn cacboxyl hóa (cố định CO2) Chất nhận CO2 chất có cacbon: riboluzo-1,5 diphotphat (Ri1,5DP) Chất 6C tạo bền tạo thành chất 3C Axit photphoglixeric (APG), phương trình: Ri,5DP + CO2 → APG + Giai đoạn khử Giai đoạn APG bị khử tạo thành andehit photphoglixeric (AlPG) nhờ lượng ATP lực khử NADPH đến từ pha sáng + Giai đoạn tái tạo chất nhận Từ AlPG phần phục hồi chất nhận Ri1,5DP, phần dùng để tổng hợp chất hữu C6H12O6 14 Hình 9: số lượng thành phần tham gia tổng hợp phân tử C6H12O6 Để tổng hợp C6H12O6 khép kín chu trình cần 18ATP 12NADPH, pha sáng phải dùng 72 photon ánh sáng để tạo 18ATP 12NADPH cho pha tối Phương trình pha tối: 6CO2 + 12NADPH + 18ATP → C6H12O6 + 12NADP+ + 18ADP + 18Pv 1.3 Phương trình tổng quát hình thức quang dưỡng - Quang hợp tạo O2 (quang tự dưỡng hiếu khí) 12H2O+ 6CO2 → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O - Quang hợp không tạo O2: + Quang tự dưỡng kị khí: Vi khuẩn lưu huỳnh màu tía, màu lục 12H2S+ 6CO2 → C6H12O6 + 12S+ 6H2O + Quang dị dưỡng kị khí: Vi khuẩn khơng lưu huỳnh màu tía, màu lục Chất hữu dạng khử + CO2 → C6H12O6 + chất hữu dạng oxi hóa + H2O Tải FULL (37 trang): https://bit.ly/336sKy8 Hóa dưỡng Dự phịng: fb.com/TaiHo123doc.net 2.1 Hóa dưỡng hữu (hóa dị dưỡng) Đây nhóm vi sinh vật sử dụng chất hữu có sẵn mơi trường cách tiết enzim môi trường để phân giải ngoại bào, sau hấp thụ chất dinh dưỡng 15 dạng đơn phân (đơn vị cấu tạo nên phân tử lớn) vào tế bào Hình 10: Sơ đồ phân giải ngoại bào Tải FULL (37 trang): https://bit.ly/336sKy8 Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net Các đơn phân phần dùng làm nguyên liệu cho trình tổng hợp vi sinh vật, phần tiếp tục phân giải tế bào tạo lượng cho trình tổng hợp hoạt động sống khác Hoạt động phân giải tế bào theo đường: hơ hấp hiếu khí, hơ hấp kị khí, lên men Hình 11: sơ đồ hoạt động hóa dị dưỡng 16 Trong chun đề tơi đề cập chủ yếu đến hoạt động phân giải glucozo nguyên liệu sử dụng nhiều để tạo lượng Quá trình phân giải glucozo gồm giai đoạn chính: + Giai đoạn phân giải trước pyruvate: có nhiều đường khác để phân giải glucozo thành pyruvate: Con đường đường phân phổ biến (sẽ phân tích), đường pentozophotphat đường Entner-Doudoroff có số vi sinh vật (tự đọc tài liệu vi sinh) + Giai đoạn phân giải sau pyruvate: phụ thuộc vào hệ enzim mà VSV có đặc biệt enzim catalaza, peroxidaza,… enzim có chức phân giải sản phẩm độc q trình phân giải hiếu khí (ví dụ H2O2) Vi sinh vật có enzim hơ hấp hiếu khí, tùy thuộc vào hàm lượng định hiếu khí tồn hay hiếu khí phần Vi sinh vật hồn tồn khơng có enzim bắt buộc phải phân giải kị khí để tránh đầu độc tế bào cách hơ hấp kị khí lên men Ta có giai đoạn đường phân giải glucozo: Hơ hấp hiếu khí: đường phân → chu trình Crebs (TCA) → chuỗi truyền electron Hơ hấp kị khí: đường phân → chuỗi truyền electron Lên men: Đường phân → tạo sản phẩm lên men 2.1.1 Hô hấp hiếu khí a Đường phân (glycolysis) - Vị trí: tế bào chất - Nguyên liệu: glucozo, ATP, NAD+ 4960306 - Diễn biến: Bước 1: Hoạt hoá phân tử đường Glucôzơ : Glucôzơ kết hợp với 2ATP thành fructôzơ 1,6điphôtphat Bước 2: Cắt mạch cacbon: Fructôzơ-1,6diphôtphat bị cắt thành phân tử glixêralđêhit-3 phốtphát (3C) Bước 3: Ôxi hóa mạch cacbon bị cắt: phân tử glixêralđêhit-3 phốtphát bị ơxi hóa- khử qua nhiều giai đoạn trung gian để tạo thành axit pyruvic 17 ...CHUYÊN ĐỀ CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG DINH DƯỠNG CACBON CỦA VI SINH VẬT A KIẾN THỨC CHUNG Các kiểu dinh dưỡng Cacbon nguyên tố cấu tạo nên khung chất hữu Để tổng hợp chất hữu... tự dưỡng, quang dị dưỡng, hóa tự dưỡng hóa dị dưỡng (HS dựa vào sơ đồ để phân biệt kiểu dinh dưỡng) Sơ đồ 1: khái quát hoạt động chuyển hóa vật chất lượng vi sinh vật Ngồi dinh dưỡng cacbon, vi. .. hữu cơ, vi sinh vật cần hai thành phần nguồn lượng nguồn cacbon, nguồn gốc hai thành phần mà vi sinh vật sử dụng sở phân loại kiểu dinh dưỡng vi sinh vật Có kiểu dinh dưỡng cacbon vi sinh vật là: