III. Dinh dưỡng của vi sinh vật
3. Cơ chế của sự dinh dưỡng
. Để duy trì sự sống tế bào, VSV phải trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường bên ngoài.
. VSV không có cơ quan tiêu hoá và bài tiết
.Toàn bộ quá trình trao đổi vật chất được thực hiện nhờ màng NSC của tế bào.
. Các chất dinh dưỡng qua màng NSC để vào cơ thể, sản phẩm cặn bã đều qua màng ra ngoài.
. VSV hấp thu thức ăn một cách chọn lọc và chỉ hấp thu được các chất có cấu trúc phân tử đơn giản, dễ hoà tan.
Người ta thấy rằng:
+ Axit amin, chuỗi peptit ngắn có 3 – 5 a.a
+ Gluxit chỉ ở dạng đường đơn VSV mới hấp thu được
Proteaza
vi sinh vật Peptitaza
vi sinh vật Lipaza
vi sinh vật Amilaza Xellulaza
Monopeptit axit amin
Glucoza Polypeptit
glyxerin + axit béo Dextran
Protit
Lipit Gluxit
Để hấp thu được các chất dinh dưỡng VSV phải nhờ các ngoại enzim tiết ra môi trường
Enzym phân huỷ các hợp chất cao phân tử các chất đơn giản, dễ hoà tan rồi mới hấp thu qua màng NSC.
Sự thẩm thấu của các chất dinh dưỡng qua màng NSC là một quá trình lý hoá phức tạp, phụ thuộc vào điều kiện sau:
- Khả năng thẩm thấu của màng
- Nồng độ chất dinh dưỡng ở trong và ngoài màng
- Độ pH môi trường
- Điểm đẳng điện của tế bào VSV
Cơ chế của sự hấp thu
Màng NSC tế bào có khả năng điều chỉnh tinh vi sự ra vào của các chất
Tế bào nhận và thải các chất một cách chọn lọc.
Sự vận chuyển các chất qua màng NSC tuân theo một trong các cơ chế sau:
+ Cơ chế vận chuyển thụ động :
Cơ chế vận chuyển này không tiêu tốn W
. Theo kiểu này các chất đi qua màng NSC nhờ sự chênh lệch nồng độ chất tan giữa môi trường và tế bào.
.Chiều đi của các chất từ nơi có nồng độ cao nồng độ thấp .Trong quá trình trao đổi chất chỉ có nước, CO2 và một số ít axit béo qua màng theo cơ chế này.
.
*Cơ chế vận chuyển tích cực:
. Theo cơ chế này các chất muốn qua được màng NSC phải liên kết với Protein vận chuyển (Pecmeaza)
. Pecmeaza nằm ở lỗ màng NSC
. Pecmeaza được tổng hợp theo kiểu cảm ứng
. Pecmeaza vận chuyển chon lọc 1 hay vài cơ chất
. Dựa vào việc cần hay không cần W trong quá trình vận chuyển mà cơ chế vận chuyển này có 2 phương thức:
+ Phương thức vận chuyển thụ động:
- Theo phương thức vận chuyển này không cần chi phí năng lượng của tế bào
- Cơ chất liên kết thuận nghịch với pecmeaza nằm ở lỗ màng tạo phức hợp: Pecmeaza + cơ chất
- Hướng đi của cơ chất theo kiểu xuôi dòng: nồng độ cao nồng độ thấp
Ơ VSV có nhân thật thường vận chuyển theo cơ chế này
Bên ngoài tế bào Màng nguyên sinh Bên trong tế bào
S
S
S
S S
P
S
P
P S S
S P
S S
P P
PHƯƠNG THỨC VẬN CHUYỂN THỤ ĐỘNG
Phương thức vận chuyển chủ động:
.Trong quá trình hấp thu chất dinh dưỡng VSV có khả năng tích luỹ một số chất với nồng độ cao hơn nhiều so với bên ngoài
.Sự vận chuyển trong trường hợp này là sự vận chuyển chủ động theo kiểu ngược dòng.
.Quá trình này cần phải tiêu tốn W . W này do ATP của tế bào cung cấp Theo cơ chế này:
+ Pecmeaza ở trạng thái chưa hoạt động( Pi)
+ Nhờ W của tế bào cung cấp: Pi Pecmeaza hoạt đông(P)
+ Pecmeaza liên kết với chất dinh dưỡng được vận chuyển vào bên trong tế bào
. + Trong tế bào nồng độ chất dinh dưỡng cao, pecmeaza không thể tách chất dinh dưỡng này ra được tế bào cung cấp W để
pecmeaza tách khỏi cơ chất Pi được chuyển ra lỗ màng….Pi ở trạng thái không hoạt động.
PHƯƠNG THỨC VẬN CHUYỂN CHỦ ĐỘNG
Bên ngoài tế bào Màng nguyên sinh Bên trong tế bào
S
S
S S
P
S
Pi
Q
P S
S
Pi
S P
P
ATP
ATP ADP ADP P
S
S Q
Cơ chế vận chuyển nhóm:
- 1964, Kundig phát hiện ở vi khuẩn E. coli một hệ thống vận chuyển: hệ thống PTS (Phosphat Transferaza )
- Hệ thống này vận chuyển hầu hết các loại đường vào tế bào VK
- Hệ thống PTS gồm 2 enzym E1, E2 và một protein chứa Histidin (PrH) - Hệ thống PTS được phân tử PEP(Phosphat Enol Pyruvic) cung cấp năng
lượng(- P)
. Enzym E1 xúc tác chuyển dây nối năng lượng P cho PrH PrH- P .Enzym này chung cho nhiều loại đường
. Enzym E2 chuyển C6 của đường đơn đến PrH- P (E2 đặc trưng cho từng loại đường, vai trò của nó giống như Pecmeraza)
. Glucoza khi qua màng glucoza- 6- P
Cơ chế vận chuyển nhóm
Bên ngoài tế bào Màng NSC Bên trong tế bào Glucoza – 6 P
Glucoza E2 PrH
E1
PEP
E2 – Glucoza PrH -- P
4. Sự chuyển hoá các chất bên trong tế bào VSV
MĐ: xây dựng tế bào, cho sinh sản, cung cấp W Toàn bộ quá trình này gồm:
+ Trao đổi W:
còn gọi là quá trình hô hấp.
Hô hấp ở VSV có điểm khác với động, thực vật . Cần Oxy(hiếu khí), không cần Oxy (yếm khí) . Chất oxy hoá có thể là chất hữu cơ hoặc vô cơ
. Một phần W chuyển thành nhiệt năng làm nóng môi trường
- Hô hấp của VSV là quá trình oxy hoá khử các chất hữu cơ, vô cơ trong tế bào để tạo thành những chất đơn giản nghèo năng lượng
- Năng lượng giải phóng ra được cất giữ vào các mạch cao năng của ATP rồi cung cấp dần cho các hoạt động sống của VSV - Nguyên liệu cho quá trình oxy hoá chủ yếu là gluxit:
. C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 2824 Kc
. C2 H5 OH + O2 CH3 COOH + H2O + 486 Kc . C6H12O6 2C2 H5 OH + CO2 + 115 Kc - Nguyên liệu cho quá trình oxy hoá là chất vô cơ
2NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H2O +158 Kc Dựa vào
tính chất có sử dụng O2 hay không trong quá trình hô hấp, người ta chia hô hấp của vi khuẩn thành hai loại:
Cơ chất O- H2O + W ADP ATP
Hô hấp hiếu khí
Đây là một quá trình rất phức tạp, có nhiều enzym tham gia:
xytocrom, xytocrom oxydaza, peroxydaza.
Cơ sở của quá trình hô hấp hiếu khí ở vsv là sự oxy hoá Hydro trong cơ chất, vận chuyển đến vật tiếp nhận là O2 để tạo ra H2O.
Trong quá trình vận chuyển đó W giải phóng ra từ từ, tích luỹ vào các mạch nối cao năng của ATP để cung cấp cho các hoạt động sống của VSV.
H+ H+
Hydro tách ra không trực tiếp kết hợp với O2 được vì quá trình này sẽ giải phóng ra W lớn,ồ ạt có thể giết chết VSV.
Hydro phải được đưa qua nhiều chất trung gian nhờ vào một hệ thống men vận chuyển cuối cùng mới đến kết hợp với Oxy tạo thành H2O và W được tích luỹ từ từ vào ATP.
Hô hấp yếm khí của VSV
- Hô hấp yếm khí ở VSV là quá trình không có Oxy tham gia -Người ta gọi quá trình này là quá trình lên men.
- Sự oxy hoá ở đây là có việc tách H2 ra khỏi cơ chất, chuyển qua nhiều trạm, đưa đến vật nhận nào đó không phải là Oxy - Cơ chất chủ yếu của quá trình hô hấp yếm khí là gluxit.
- Khác với hô hấp hiếu khí, sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men ngoài CO2 còn có các hợp chất cacbon chưa được oxy hoá hoàn toàn như rượu, axit hữu cơ...
Dựa vào sản phẩm cuối cùng của quá trình này mà người ta đặt tên quá trình lên men:
Ví dụ:
. Lên men etylic . Lên men axetic...
Môt số quá trình lên men:
+ Lên men Etylic
- Dưới tác dụng của một số loại VSV, trong điều kiện yếm khí đường gluoza được phân giải thành rượu etylic và CO2 , đồng thời giải phóng W
- Quá trình tóm tắt:
C6H12O6 2C2 H5 OH + 2CO2 + 115 Kc - Nhiệt độ thích hợp cho lên men: 15 – 250 C
- Ưng dụng:
. Sản xuất rượu dùng Sacchromyces cerevisiae .Sản xuất bia dùng Sacchromyces carlsbergensis . Sản xuất rượu vang Sacchromyces vini
. Men nở bột mỳ Sacchromyces cerevisiae .Sản xuất protein nấm men: S. cerevisiae,Candida,
Torula
Lên men Lactic:
- Dưới tác dụng của một số loại VSV, trong điều kiện yếm khí,đường gluoza được phân giải thành a. lactic và CO2 , đồng thời giải phóng W
- Quá trình tóm tắt:
C6H12O6 2CH3- CHOH- COOH + 94 Kc
- Lên men lactic dị hình ngoài sản phẩm axit lactic còn có các sản phẩm phụ: axit axetic, etylic, CO2,, H2
- Nhiêt độ thích hợp tuỳ loại vi khuẩn thường từ 200 C – 45o C - Ưng dụng:
. Sản xuất axit lactic
. Chế biến sữa chua dùng: Streptococcus lactic
Streptococcus bulgaricus . Chế biến pho mát dùng : Lactobacillus casei
. Muối dưa, ủ chua thức ăn: Lactobacillus plantarum
Lên men butylic:
- Dưới tác dụng của một số loại VSV, trong điều kiện yếm khí,đường gluoza được phân giải cho axit butylic và CO2 , đồng thời giải phóng W - Quá trình tóm tắt:
C6H12O6 2CH3 CH2CH2 COOH + H2 + CO2 + W - vi khuẩn lên men butylic: VK yếm khí
. Clostridium butylicum . Clostridium pasteurianum
. Clostridium lactoacetophilum - Ưng dụng:
. Sản xuất axit butylic
. Điều chỉnh điều kiện lên men sản xuất butanol, axeton
. Trong đất lượng axít này tích nhiều dẫn đến bất lợi cho cây trồng
. Quá trình lên men butylic cũng gây ảnh hưởng xấu trong bảo quản hoa quả, thực phẩm, muối dưa, ủ chua thức ăn trong chăn nuôi
Lên men propionic:
- Dưới tác dụng của một số loại VSV, trong điều kiện yếm khí,đường gluoza được phân giải cho axit propionic, axetic và CO2 , đồng thời giải phóng W - Quá trình tóm tắt:
3C6H12O6 4CH3CH2COOH +2CH3COOH +H2 O+2CO2+ W - vi khuẩn lên men propionic: VK yếm khí
.Thuộc giống Propionibacterium Ưng dụng:
- Trong sản xuất phomát
- Trong sản xuất vitamin B12
Ví dụ: Propionibacterium shermanii Vi khuẩn này thường có trong sữa, đất
Lên men metan:
- Dưới tác dụng của một số loại VSV, trong điều kiện yếm khí, một số hợp chất hữu cơ được phân giải, đồng thời giải phóng khí metan
CH4 - Cơ chế:
Quá trình chia làm 2 giai đoạn:
+ Giai đoạn 1:
. Các chất hữu cơ: xơ, pectin,protein rượu, axit hữu cơ, CO2 + Giai đoạn 2:
. Chuyển rượu, axit hữu cơ CH4
4CH3OH 3 CH4 + CO2 + 2H2 O CH3COOH CH4 + CO2
Ưng dụng:
- Điều chế khí metan từ phân rác
- Vi khuẩn lên men metan có khả năng tích luỹ vitamin B12. có thể thu B12 từ bùn ao
• Quá trình lên men cho rất ít W do cơ chất không được khai thác triệt để đồng thời W sinh ra phải chi phí một phần cho phản ứng khử, chỉ một phần được tích lại trong ATP.
• Ví dụ: Phân giải hiếu khí một phân tử glucoza được 38 ATP (nấm men)
• Phân giải yếm khí một phân tử glucoza chỉ được 2ATP
• Quá trình lên men yếm khí có ý nghĩa lớn trong vòng tuần hoàn cacbon trong thiên nhiên.
CO2
Vi sinh vật kỵ khí
Cây xanh
Động vật Chất hữu cơ
cặn bã
Trao đổi xây dựng:
Đây là quá trình tổng hợp các chất cho cơ thể.
Quá trình này phải tiêu tốn W:
- VSV tự dưỡng quang năng lấy W từ ánh sáng mặt trời và W từ phản ứng hoá học
- VSV dị dưỡng hoá năng lấy W từ phản ứng hoá học + Sự tổng hợp các chất hữu cơ không chứa Nitơ:
- Đối với nhóm VSV dị dưỡng để tổng hợp các chất hữu cơ không chứa Nitơ đòi hỏi ta phải cung cấp các chất hữu cơ đơn giản dễ hấp thu như:
- Đường đơn: glucoza, lactoza….
- Axit béo…
+ Đối với nhóm VSV tự dưỡng:
Chúng có khả năng tổng hợp các chất hữu cơ không chứa Nitơ từ nguồn các bon vô cơ:
- CO2
- Muối cacbonat Sơ đồ tóm tắt:
NADPH2 2NADP
CO2 --- 1/6 C6H12O6 3ATP 3ADP + 3Pi
Sự tổng hợp các chất hữu cơ chứa Nitơ:
+ Với nhóm VSV tự dưỡng:
Sử dụng nguồn Nitơ đa dạng:
- Nitơ vô cơ : N2 , NO3 - , NH4
- Nitơ hữu cơ : protein, peptit, axit amin….
.Từ các nguồn Nitơ này, chúng được chuyển thành NH3.
.NH3 liên kết với xetoaxit tạo thành axitamin
Vi dụ: NH3 + Xetoglutarat -- axit glutamic + H2O .Từ Axitamin tạo thành protein của VSV.
. Sự tổng hợp protein diễn ra tại Riboxom.
. AND của tế bào giữ vai trò điều khiển
+ Với nhóm VSV dị dưỡng:
. Chúng hấp thu axitamin từ môi trường
. Từ axitamin tổng hợp nên protein của VSV