XỬ LÝ KLN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC
5.1 Cơ chế thụ động
5.1.2 Qua trình hấp phụ
8.3.2.212 Quá trình hấp phụ là quá trình gắn kết các ion KL trên bề mặt tế bào nhờ vào các thành phần hiện diện ở màng tế bào như polysaccharides, proteins và lipid. Trong các phân tử này tồn tại nhiều nhóm chức có khả năng hấp phụ các ion KL như cacboxyl, amin, hydroxyl, sulfhydryl và phosphoryl. Đây là những nhóm chức khử proton làm cho bề mặt tế bào tích điện âm, chính vì vậy các nhóm chức này có thể hấp phụ một lượng KL và các hợp chất hữu cơ phân cực và ky nước [11]. Các nhổm chức này cố mức độ hoạt động gắn kết KL khác nhau. Mức độ hấp phụ của các nhổm chức phụ thuộc vào vào các yếu tố như: số lượng nhốm chức định vị trên bề mặt, trạng thái hoá học của các nhổm chức, và ái lực giữa nhốm chức và KL [24].
8.3.2.213 Ngoài ra ở thành tế bào nấm mốc còn được cấu tạo bởi chất chitin từ hợp chất chỉtosan - glucans [12]. Chỉtỉn là một trong những thành phần chính trong thành tế
bào của nấm mốc, đổ là một dạng biến đổi của cellulose, trong đổ một gốc cố chứa nitơ được thêm vào mỗi đơn vi glucoz. Nó là một polysaccharide, được cấu trúc bởi N - acetyl - D - glucos -2 - amine (N - acetylglucosamine), có ái lực cao đối với các ion kim loại [36].
8.3.2.214
8.3.2.215 Hình 5.3 Công thức cấu tạo cảa chitin 5,2Cơ chế chủ động
8.3.2.216 Cơ chế chủ động cố 2 giai đoạn. Đầu tiên, các ion KL được gắn kết thụ động lên bề mặt màng tế bào vi sinh vật. Sau đố các ion KL được chuyển vào bên trong tế bào nhờ hệ thống năng lượng của tế bào, vì vậy cơ chế này phụ thuộc vào sự sống của tế bào [24].
5.2.1 Cơ chế vận chuyển vật chất qua màng tế bào [1]
5.2.1.1 Đặc điểm chung
- Các tế bào sống luôn luôn phải trao đổi chất với môi trường bên ngoài vì nhu cầu hấp thu chất dinh dưỡng (glucose, axitamin, chất khóang...) thải những chất cặn bã hoặc các chất tiết ra khỏi tế bào.
- Tế bào cần phải duy trì nồng độ các ion K+, Na+, Cl', Ca++...) đảm bảo cho mọi hoạt động sống trong tế bào và cơ thể.
8.3.2.292
- Tế bào cần phải giữ thể tích và hình dạng không đổi bằng cách giữ mối tương quan thẩm thấu giữa tế bào với môi trường bên ngoài.
- Sự trao đổi chất được thực hiện qua màng sinh chất của tế bào và màng của các bào quan.
- Màng sinh chất là một màng lipid kép, thực chất nó không phải thấm cho tất cả các phân tử và ngăn cản tất cả các phân tử bên trong tế bào thoát ra môi trường ngoài. Nó là một màng sống rất linh hoạt và rất chủ động vận chuyển các chất ra vào tế bào. Màng có tính thấm chọn lọc, chỉ nhận vào những chất cần thiết và thải ra những chất không cần thiết dù các chất này có kích thước lớn hoặc có nồng độ không theo hướng của gradient nồng độ.
8.3.2.217 Bảng 5.1 So sánh nồng độ một số ion trong và ngoài tế bào.
8.3.2.218
8.3.2.293 Thành
phần 8.3.2.294 Nồng độ trong
tế bào (mM)
8.3.2.295 Nồng độ ngoài tế bào (mM)
8.3.2.296 Cation 8.3.2.297 8.3.2.298
8.3.2.299 Na+ 8.3.2.300 5-15 8.3.2.301 145
8.3.2.302 K+ 8.3.2.303 140 8.3.2.304 5
8.3.2.305 Mg2+ 8.3.2.306 30 8.3.2.307 1-2
8.3.2.308 Ca2+ 8.3.2.309 1-2 8.3.2.310 2.5-5
8.3.2.311
8.3.2.312 H+ 8.3.2.313 4-10 8.3.2.314 4-10
8.3.2.315 Anion 8.3.2.316 8.3.2.317
8.3.2.318 cr 8.3.2.319 4 8.3.2.320 110
8.3.2.321 5.2.1.2 Tính thấm của màng sinh chất 8.3.2.322
a. Tính thấm của lớp lipid kép
- Các phân tử càng nhỏ và hoà tan được trong các mô mỡ thì càng dễ thấm qua lớp lipid kép.
- Các phân tử nhỏ không mang điện tích cũng thấm qua lớp lipid kép dễ dàng (H2O, khí, CO2, N2, etanol).
- Các ion tích điện điện và hydrat hoá cao không qua được lớp lipid kép (H+, Na+, K+, cr, Ca2+...).
8.3.2.220 Tuy nhiên, nhiều ion và các phân tử khác (glucose, acid amin) vẫn thấm qua được màng sinh chất và màng lại bao gồm cả protein và lipid. Điều đó chứng tỏ các phân tử protein của màng sinh chất có vai trò quan trọng trong sự vận chuyển các chất qua màng sinh chất. Các phân tử protein này được gọi là protein vận chuyển.
b. Các phân tử protein vận chuyển
8.3.2.221 Đó là cấc protein xuyên màng, chúng hình thành một con đường liên tục xuyên qua lớp lipid kép.
8.3.2.222 Cố 3 loại khấc nhau về phương thức hoạt động và cấu trúc.
8.3.2.223 b.l Protein kênh : là protein tạo nên một cái Ống xuyên qua màng giống như con kênh, cho phép cấc chất hoà tan có kích thước và điện tích thích hợp đi qua màng theo cơ chế khuếch tấn đơn thuần.
8.3.2.224 b.2 Protein tải thụ động : protein này có vị trí liên kết đặc hiệu với phân tử cần vận chuyển và đưa phân tử đó qua màng theo quy luật khuếch tán, nghĩa là theo gradient nồng độ.
8.3.2.225 b.3 Protein tải tích cực (chủ động) : protein này hoạt động như một cái bơm và cũng có vị trí liên kết đặc hiệu với phân tử cần vận chuyển, đưa chất đó đi ngược gradient nồng độ. Sự vận chuyển này cần năng lượng của tế bào.
8.3.2.226 Trong sự hoạt động của protein tải có các hình thức : - Vận chuyển đơn : mỗi lần chỉ vận chuyển một loại phân tử.
- Vận chuyển kép : cùng một lúc sẽ vận chuyển hai loại phân tử.
8.3.2.227 + Nếu hai loại phân tử được vận chuyển cùng chiều thì được gọi là đồng vận chuyển.
8.3.2.228 + Nếu hai loại phân tử được vận chuyển ngược chiều thì được gọi là đối vận chuyển.
Phân tứ lon đồng
cẳn vản chuyên vận chuyển
8.3.2.229Hình 5.4 Các hình thức hoạt động của protein tải 5.2.1.2 Sự vận chuyển các phân tử nhỏ qua màng sinh chất
8.3.2.230 •••••
8.3.2.231 JL 8.3.2.232
Gradient diện hóa
8.3.2.233 V7
8.3.2.234 Hình 5.5 Sơ đồ các cơ chế vận chuyển phân tử nhỏ qua màng sinh chất Gồm 3 cơ chế:
8.3.2.235 a. Khuếch tán đơn thuần 8.3.2.236 a.l Đặc điểm
- Phân tử chất hoà tan không bị biến đổi hoấ học và không kết hợp với một loại phân tử nào khấc.
- Trong mọi trường hợp, quá trình vận chuyển đều phụ thuộc vào nồng độ cấc chất hoà tan theo quy luật khuếch tấn : cấc chất di chuyển từ nơi cố nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn (theo hướng gradient nồng độ).
- Sự vận chuyển có thể diễn ra theo hai chiều thuận nghịch tuỳ thuộc vào nồng độ chất hoà tan ở hai bên màng.
Upld Lđp
Phân tử cần vân
JP
Khuếch tán Khuốch
tán đơn thuỀra 0
\_______-_____I
Vận chuyển thụ động Vận chuyển tích cực
- Sự vận chuyển không tiêu tốn năng lượng tế bào. a.2 Các cơ chế
- Khuếch tán đơn thuần không có sự tham gia của protein vận chuyển : Các phân tử đi qua màng nhờ thấm qua được lớp lipid kép mà không cần protein vận chuyển.
- Khuếch tán đơn thuần có sự tham gia của protein vận chuyển : Các protein vận chuyển là loại protein kênh sẽ tạo ra một con đường cho các chất đi qua màng theo gradient nồng độ.
8.3.2.237 Có 2 loại protein kênh : 8.3.2.238 + Protein kênh mở liên tục
8.3.2.239 + Protein kênh mở không liên tục : protein này có cơ chế đóng mở của kênh tạm thời để các phân tử hoà tan khuếch tán qua màng. Thông thường, có các tín hiệu để đóng mở kênh, đó là các chất gắn sẽ kết hợp với protein kênh tại vị trí đặc hiệu làm cho kênh mở ra và phân tử chất hoà tan lọt vào được.
8.3.2.240
8.3.2.241 Hình 5.6 Sơ đồ cơ chế đóng mở cửa kênh cửa các protein kênh xuyên màng b. Khuếch tán trung gian
8.3.2.323 Vj
8.3.2.324 r.
8.3.2.325 1. Phân tử được vận chuyển 8.3.2.3268.3.2.327
2
2. Gradient điện hóa
3. Chất gắn 8.3.2.328
{8.3.2.3298.3.2.330 A.
Kênh đóng 8.3.2.331
< 8.3.2.3328.3.2.333 B.
Kênh mở 8.3.2.334
- Có sự tham gia hoạt động của protein vận chuyển là protein tải. Protein tải có vị trí đặc hiệu để cơ chất bám vào rồi đưa qua màng.
- Có biểu hiện hiệu ứng bảo hoà, nghĩa là hệ thống vận tải không tiếp nhận cơ chất nữa vì nhu cầu tế bào đã đủ. Như vậy, có một sự giới hạn cho mức độ vận chuyển.
- Sự vận chuyển xảy ra theo gradient nồng độ.
- Không tiêu tốn năng lượng của tế bào.
- Một số trường hợp, quá trình vận chuyển có thể xảy ra theo hai chiều thuận nghịch tuỳ thuộc vào nồng độ tương đối của cơ chất hai bên màng.
8.3.2.242 b.2 Cơ chế
8.3.2.243 Protein tải xoay trong màng (xoay 180°) để đưa cơ chất từ bên này màng sang bên kia màng. Protein tải thay đổi cấu hình để tiếp nhận cơ chất rồi đưa qua màng.
8.3.2.244 8.3.2.335
8.3.2.336 : Protein tải mở ra ở mặt ngoài màng để tiếp nhận phân tử được vận chuyển.
8.3.2.337 : Protein tải mở ra ở mặt trong màng đưa phân tử được vận chuyển vào trong tế bào.
b.l Đặc
5
8.3.2.245Hình 5.7 Sơ đồ cơ chế hoạt động của protein tải b.l Đặc
5
c. Vận chuyển tích cực
8.3.2.246 Trong tế bào sống, sự vận chuyển các chất không phải bao giờ cũng theo hướng từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn, trái lại có một số chất đi qua màng ngược với gradient nồng độ. Kết quả trong tế bào giữ được một số chất có nồng độ cao hơn môi trường ngoài và một số chất có nồng độ thấp hơn môi trường ngoài. Nguyên nhân của hiện tượng này là vì màng sinh chất là một màng sống, có tính thấm chọn lọc, màng sẽ chọn lọc những chất phù hợp theo nhu cầu của tế bào để thu vào hay thải ra.
8.3.2.247 Hiện tượng vận chuyển các chất một cách có chọn lọc và đi ngược gradient nồng độ được gọi là vận chuyển tích cực.
8.3.2.248 c.l Đặc điểm
- Giống như cơ chế khuếch tán trung gian, cũng cần có sự hoạt động của protein tải, do đó có biểu hiện hiệu ứng bảo hoà.
- Qúa trình vận chuyển đi ngược gradient nồng độ và cần tiêu thụ năng lượng của tế bào.
- Cơ chất được vận chuyển qua màng theo một hướng nhất định đối với mỗi loại tế bào.
8.3.2.249 C.2 Một số hệ vận chuyển tích cực - Hệ vận chuyển tích cực Na+ - K+ - ATPase
8.3.2.250 ơ hầu hết cấc laọi tế bào, bên trong tế bào có nồng độ K+ cao hơn môi trường ngoài rất nhiều lần, và ngược lại nồng độ Na+ lại thấp hơn môi trường ngoài cũng rất nhiều lần.
8.3.2.251 Cấc tế bào giữ nồng độ K+ tương đối cao là vì K+ rất cần cho qua trình sinh tổng hợp protein và cần cho sự hoạt động của nhiều loại men. Trong khi đó, sự xâm nhập một lượng lổn Na+ sẽ kéo theo sự thẩm thấu nhiều phân tử nước làm tế bào trương phồng lên và vỡ ra.
8.3.2.252 Thực tế không xảy ra hiện tượng trên vì trong màng sinh chất có một hệ vận chuyển tích cực để giữ vững nồng độ K+ và Na+, đó là men Na+K+ATPase.
Men Na+K+ATPase là một protein xuyên màng gồm hai đơn vị dưới. Đơn vị lớn có vị trí bám cho Na+, K+ và ATP (vị trí cho K+ ở mặt ngoài màng, vị trí cho Na+ vàa
ATP ở mặt trong màng). Đơn vị dưới nhỏ là một glycoprotein có chứa acid sialic, glucose, glactose và một số đường 6C khác.
8.3.2.253 Men Na+K+ATPase hoạt động như một cái bơm, nó liên kết tạm thời với Na+ ở mặt trong màng nhờ năng lượng thuỷ phân ATP. Na+K+ATPase sẽ được phosphoryl hoá do nhóm (jjja ATP gắn vào, nó xoay trong màng sinh chất 180° để chuyển vị trí Na+ ra mặt ngoài màng, Na+ sẽ tách khỏi men Na+K+ATPase. Tương tự, ở mặt ngoài màng K+ cũng được gắn vào vị trí đặc hiệu và được Na+K+ATPase chuyển vào bên trong rồi tách khỏi màng để vào bào tương.
8.3.2.254
8.3.2.255 Hình 5.8 Sơ đồ cơ chế hoạt động của Na+K+ATPase : bơm Na+ ra và K+ vào tế bào ngược gradient nồng độ.
5.2.2 Một sô" quá trình khác 5.2.2.1 Qúa trình kết tủa
8.3.2.256 Một số tế bào vi sinh vật cố khả năng tiết ra một số chất cố khả năng làm kết tủa KL. Ví dụ như trong môi trường kị khí, vỉ khuẩn gỉảm thiểu sulfate như Desuựovibrìo và Desuựotomacuỉum sản xuất ra H2S làm kết tủa các ion KL dưới dạng muối sunfit [24].
8.3.2.338
5.2.2.2 Qua trình oxi hoá
8.3.2.257 Có nhiều phản ứng oxi hoá-khử KL được thực hiện một cách gián tiếp bởi một số loài vi khuẩn. Ví dụ như Escherichia coli có thể tiết ra những enzym có khả năng chuyển hoá từ Cr6+ thành Cr3+ không tan [24],
8.3.2.258 Hình 5.9 Cơ chế cửa những phản ứng giữa KL và tế bào
8.3.2.259 Chương 6 : VẬT LIỆU