Chương 4. Quá trình trao đổi chất và và trao đổi năng lượng ở vi sinh vật

1 Chƣơng 4. QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI CHẤT VÀ VÀ TRAO ĐỔI NĂNG LƢỢNG Ở VSV NỘI DUNG CHƢƠNG 4.1. Các phương thức dinh dưỡng ở vi sinh vật 4.2. Quá trình trao đổi chất và năng lượng ở vi sinh vật dị dưỡng 4.3. Quá trình trao đổi chất và năng lượng ở vi sinh vật tự dưỡng KHÁI NIỆM CHUNG Trao đổi chất là (Metabolism) tổng các phản ứng hóa học do tế bào thực hiện. Phản ứng giải phóng năng lượng (Phản ứng tỏa nhiệt) Phản ứng thu năng lượng (Phản ứng thu nhiệt) Quá trình đồng hóa (chuyển hóa các chất dinh dưỡng và chế biến lại để tổng hợp các chất riêng của tế bào VSV) Quá trình dị hóa (phân hủy các thành phần cơ thể) Trong 1 tế bào sống, các phản ứng loại nào được thực hiện? 2 ? Cấu tạo ATP 4.1. Các phƣơng thức dinh dƣỡng ở VSV 3 Nguồn năng lượng Nguồn C xây dựng tế bào Chất hữu cơ CO2 Quang năng 1-Quang dị dưỡng (Photoheterotroph) 2 - Quang tự dưỡng (Photoautotroph) Hóa năng 3 - Hóa dị dưỡng (Hererotroph) 4 - Hóa tự dưỡng (Lithotroph) 4.1. Các phƣơng thức dinh dƣỡng ở VSV Vòng chuyển hóa năng lƣợng trong tế bào 4 Các kiểu giải phóng năng lƣợng 3. Lên men 4. Quang tổng hợp 1. Hô hấp hiếu khí (Aerobic respiration) 2. Hô hấp kị khí (Anaerobic respiration) 4.2. Quá trình trao đổi chất và năng lượng ở vi sinh vật dị dưỡng 4.2.1. Quá trình phân giải glucide - Hô hấp hiếu khí - Lên men - Các quá trình oxy hóa không hoàn toàn - Hô hấp kị khí 4.2.2. Sự phân giải protein 4.2.3. Sự phân giải lipid và các acid béo 4.2.4. Sự phân giải các hợp chất vòng thơm 4.2.5. Sự phân giải các hợp chất 2 cacbon và 1 cacbon 5 4.2.1. Quá trình phân giải glucide bằng cách hô hấp hiếu khí Phân giải glucose Con đường đường phân Con đường pentose-phosphat Con đường 2-keto-3-deoxy-6- P-gluconat Chu trình Krebs Quá trình oxy hóa pyruvat Chuỗi vận chuyển điện tử Con đƣờng đƣờng phân (Glycosis) (EMP – Embden Meyerhof pathway) Xảy ra trong điều kiện có hay vắng mặt oxy. 10 phản ứng Glucose  2 piruvat + 2ATP + 2NADH Cung cấp cho tế bào 6 tiền chất: - Glucose – 6- P - Fructose – 6-P - 3- P- glixeraldehit - 3-glixerat - PEP (photphoenolpiruvat) - Piruvat - Xảy ra ở điều kiện oxy như thế nào? - Ở vị trí nào trong tế bào? - Các sản phẩm của phản ứng? - Tạo bao nhiêu tiền chất cho quá trình tổng hợp thành phần tế bào? Con đƣờng Pentozo photphat (PP) (HMP – Hexose mono photphat) Glucose  Piruvat + 3CO2 + 6NADPH2 + NADH2 + ATP Cung cấp cho tế bào 2 tiền chất: - Ribose – 5 (dùng tổng hợp axit nucleic) - Erytrose – 4 (cùng với PEP dùng tổng hợp các axit amin thơm)  Mang tính chất đồng hóa là chủ yếu. - Các sản phẩm của phản ứng? 6 Con đƣờng 2-keto-3-deoxi-6-P-gluconat (ED – Entner-Doudoroff pathway) Glucose  2 Piruvat + ATP + NADH2 + NADPH2 Con đƣờng KDPG giúp nhiều vi khuẩn sử dụng gluconat.  Sản phẩm chung của các con đường phân giải đường là gì? Oxidative pathways of glycolysis employed by various bacteria. Bacterium Embden-Meyerhof pathway Phosphoketolase (heterolactic) pathway Entner-Doudoroff pathway Acetobacter aceti - + - Agrobacterium tumefaciens - - + Azotobacter vinelandii - - + Bacillus subtilis major minor - Escherichia coli + - - Lactobacillus acidophilus + - - Leuconostoc mesenteroides - + - Pseudomonas aeruginosa - - + Vibrio cholerae minor - major Zymomonas mobilis - - + Phân giải các loại đƣờng khác Mannose  Monnose-6-P  Fructose-6-P  con đƣờng EMP Fructose  Fructose-6-P  con đƣờng EMP Galactose  Galactose-1-P  Glucose-1-P  Glucose-6-P  con đƣờng EMP 7 Quá trình oxi hóa pyruvat (1) Piruvat + CoA + NAD+  Axetyl – CoA + NADH2 + CO2  gặp ở vi khuẩn hiếu khí, Axetyl – CoA tạo thành chủ yếu đi vào chu trình ATC Piruvat - dehidrogenase (2) Piruvat + CoA + 2Fd  Axetyl – CoA + 2FdH + CO2  gặp ở nhiều vi khuẩn kỵ khí nhƣ Clostridium. Piruvat – Fd - oxidoreductaza Piruvat – Focmat - liaza (3) Piruvat + CoA  Axetyl – CoA + Focmat  gặp ở nhiều vi khuẩn kỵ khí tiết axit focmic, vi khuẩn quang dưỡng Chu trình tricacboxilic (TCA) (Chu trình Krebs) Xảy ra ở ty thể (Eukaryote) Xảy ra ở màng tế bào chất (Prokaryote) 1 pyruvat đi vào chu trình Krebs tạo: 1 ATP, 3 NADH, 1 FADH, 2 CO2. NADH, FADH đi tiếp vào chuỗi hô hấp tạo thêm ATP. -Xảy ra ở vị trí nào trong tế bào VSV? -Các sản phẩm tạo thành? Photphorin hóa ở mức độ cơ chất Sự tạo năng lƣợng ở các con đƣờng phân giải đƣờng và chu trình Kreb 8 Chuỗi vận chuyển điện tử Là 1 chuỗi các chất mang điện tử nằm trên màng tế bào chất hoặc màng ty thể.  Là nơi tạo ATP chủ yếu cho VSV hô hấp hiếu khí từ sự oxy hóa NADH(≈ 3 ATP) và FADH2 (≈ 2 ATP) - Flavoprotein -- > Protein Fe – S -- > Quinon -- > Xitocrom  Các thành phần chuỗi hô hấp sắp xếp theo cơ sở thế oxi hóa khử bắt đầu với NAD+ (thế âm nhất) và kết thúc với xitocrom – oxidaza và O2 Sự tạo năng lƣợng trong chuỗi hô hấp Phosphoryl hóa oxi hóa 9 Trong điều kiện thiếu oxi, nhiều vi khuẩn tiến hành hô hấp kị khí: - CHC là chất cho điện tử - Oxy trong hợp chất là chất nhận điện tử cuối cùng (NO3 -, SO4 2-) Hô hấp nitrat (kị khí không bắt buộc): vi khuẩn khử nitrat 4AH2 + HNO3  4A + NH3 + 3H2O + ATP Hô hấp sulfat (kị khí bắt buộc): vi khuẩn khử sulfat 4AH2 + H2SO4  4A + NH3 + 3H2O + ATP CH3COO - + SO4 2- → 2 HCO3 - + HS- 4.2.1. Quá trình phân giải glucide bằng cách hô hấp kị khí Ví dụ: Ví dụ: Lên men Là quá trình phân giải hydratcacbon trong điều kiện kị khí. Bản chất: là quá trình oxy hóa khử cơ chất, oxi không tham gia quá trình này, nên thực chất đây là quá trình tách hydro ra khỏi cơ chất. Năng lượng sinh ra 1 phần sử dụng trong phản ứng khử, 1 phần tích lũy trong liên kết cao năng  ATP tạo thành không nhiều như hô hấp hiếu khí. NADH2 tạo ra khi đường phân tác dụng với acid pyruvic hoặc hợp chất mới tạo ra từ acid pyruvic để tái tạo NAD+. Sản phẩm cuối: CO2, sản phẩm hữu cơ chưa bị oxy hóa hoàn toàn (rượu, acid lactic, aldehyde…)  có các quá trình lên men khác nhau (tùy thuộc loại VSV và điều kiện lên men. Oxi hóa lại NADH trong lên men 10 Cơ chế của quá trình lên men H2O O2 N2 NO3 - H2S SO4 2- CH4 CO2 Sản phẩm lên men Chất hữu cơ Môi trường kỵ khí Chất cho Hidro Môi trường thoáng khí Hidro Chất cho Hidro Hô hấp hiếu khí Hô hấp kỵ khí Hô hấp nitrate Kỵ khí không bắt buộc Hô hấp sulfate Kỵ khí bắt buộc Hô hấp kỵ khí đặc biệt Lên men vi sinh vật Tóm tắt các hình thức dị hóa ở VSV So sánh năng lượng trong 3 kiểu trao đổi chất và năng lượng ở VSV dị dưỡng? 11 4.2. 2. Sự phân giải protein (Quá trình amôn hóa (Sự thối rữa protein) Qúa trình amôn hóa là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ chứa nitơ, giải phóng NH3 do nhiều VSV hiếu khí, kị khí gây ra (vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc). VSV gây bệnh, VSV gây hư hỏng thực phẩm, VSV đất có thể sử dụng protein làn nguồn cacbon và nguồn năng lượng. Cơ chế phân giải protein Protein Polipeptid Oligopeptid Protease Axit amin Peptidaza Các axit amin nội bào Khử amin và phân giải mạch cacbon Khử amin Chuyển amin và phân giải mạch cacbon Trực tiếp sử dụng trong quá trình sinh tổng hợp protein Các kiểu phân giải acid amin nội bào Đặc tính của phản ứng Sản phẩm phân giải acid amin Không khử cacboxyl Có khử cacboxyl Không khử amin Có khử amin 1)Trực tiếp 2)Thủy phân 3)Oxi hóa hiếu khí 4)Oxi hóa kị khí 5)Khử 12 Sự phân giải protein Trong điều kiện thoáng khí: các quá trình oxi hóa thường tiến hành đến cùng, khi đó hầu hết cacbon được chuyển thành CO2, và các sản phẩm cuối cùng như NH3, muối của acid sulfuric, acid phosphoric. Trong điều kiện kỵ khí: aa không được oxi hóa hoàn toàn có sự tích lũy khá nhiều các sản phẩm trung gian như acid hữu cơ, rượu, amin trong đó có nhiều chất gây mùi khó chịu và rất độc (armatine, putrecine, cadaverine, histamin, mecaptan, indol và skatol). Sự phân giải protein Tùy điều kiện môi trƣờng mà VSV sử dụng aa theo hai hướng (cách sử dụng aa của VSV): - Sử dụng acid amin làm nguồn thức ăn nitơ để xây dựng cơ thể. - Sử dụng acid amin làm nguồn thức ăn cacbon và làm nguồn vật liệu năng lượng. Điều kiện môi trường C/N > 25/1 C/N < 25/1 Ý nghĩa lớn đối với nông nghiệp vòng tuần hoàn vật chất trong tự nhiên, thực phẩm. Ý nghĩa thực tế của sự phân giải protein C/N > 25/1 thì VSV sử dụng acid amin theo hướng thứ nhất. C/N < 25/1 thì môi trường thừa thức ăn nitơ, thiếu thức ăn cacbon, lúc đó nitơ sẽ được thải ra ngoài dưới dạng NH3 do VSV không sử dụng hết. Việc sử dụng acid amin lúc này theo hướng thứ hai. 13 4.2.4. Sự phân giải lipid và acid béo Lipid và sáp Glyceryl Lipase Acid béo Con đƣờng EMP Acetyl – Co A Chu trình Krebs Triglycerides VSV thường sử dụng lipid làm nguồn năng lượng 4.2.4. Sự phân giải lipid và acid béo -oxi hóa acid béo 4.3. Quá trình trao đổi chất và năng lượng ở VSV tự dưỡng 4.3.1. Hóa năng tự dưỡng 4.3.2. Quang năng tự dưỡng 14 4.3.1. Tự dƣỡng hóa năng Mỗi loài đòi hỏi chất cho và chất nhận diện tử đặc trưng. N N N N N N Chất vô cơ ATP [H] CO2 1:Chu trình Calvin 2:Con đường Axetyl-CoA 3:Con đường 4C 4:Con đường ATC dạng khử [CH20] Vật chất tế bào 4.3.1. Tự dƣỡng hóa năng Quá trình oxi hóa sinh học và sinh năng lượng ? Khác với VSV hóa năng hữu cơ ở điểm nào? ATP NAD(P)H CO2 CH2O NH4 + NO2 - H2S S0 H2 Fe2+ Dùng làm nguồn năng lượng đầu tiên Dùng làm nguồn cung cấp H vô cơ Chuyển vận thuận chiều chuỗi hô hấp Tiêu hao [H], sinh ATP Chuyển vận ngược chiều chuỗi hô hấp Tiêu hao ATP, sinh [H] Oxi hóa SH và sinh năng lƣợng ở VSV tự dƣỡng hóa năng  ATP tạo thành chủ yếu từ sự phosphoryl hóa oxi hóa  Hiệu suất sinh năng lượng thấp  Tốc độ sinh trưởng chậm 15 Nhóm VSV tự dưỡng hóa năng - Vi khuẩn nitrat hóa thuộc chi Nitrobacter – hình que (sử dụng NO2 -) - Vi khuẩn lưu huỳnh trong đó nhiều loài thuộc chi Thiobacillus (sử dụng H2S, S, S2O3 -) - Vi khuẩn oxi hóa sắt (Fe2+) trong điều kiện pH thấp - Vi khuẩn oxi hóa hidro. - Vi khuẩn oxi hóa amon còn gọi là vi khuẩn nitrit hóa (Nitrosomonas – hình que, Nitrosococcus – hình cầu, Nitrosovibrio-hình phẩy) (NH4 +) Dòng e trong chuỗi vận chuyển e của Nitrobacter VSV dị dưỡng và tự dưỡng cùng có mặt trong môi trường thì đối tượng nào chiếm ưu thế hơn? Vì sao? 16 Ánh sáng ATP [H] CO2 1:Chu trình Calvin 2:Con đường Axetyl-CoA 3:Con đường 4C 4:Con đường ATC dạng khử [CH20] Vật chất tế bào 4.3.2. Tự dƣỡng quang năng Quá trình photphoryl hóa quang hợp ?  Nhóm quang hợp có sản sinh oxy: + Thuộc nhóm có nhân thật : Tảo, cây xanh + Thuộc nhóm nhân nguyên thuỷ : Vi khuẩn lam  Nhóm quang hợp không sản sinh oxy : + Vi khuẩn sulfur (Chlorobium), vi khuẩn không-sulfur màu lục (Chloroflexus), vi khuẩn sulfur màu tía Chromatium) và vi khuẩn không-sulfur màu tía (Rhodospirillum, Rhodopseudomoanas) Nhóm VSV tự dưỡng quang năng Tất cả vi khuẩn quang hợp đều chứa sắc tố quang hợp, ở vi khuẩn sắc tố quang hợp là bacterio – chlorophyl (chất khuẩn lục) Ngoài chlorophyl vi khuẩn tự dưỡng quang năng còn chứa một số sắc tố thuộc lại carotenoit, không giống carotenoit ở tảo và thực vật. Bchl * Bchl* Bchl* Bchl Protein- Fe-s A.pantotenic Xit.b Xit.f e- e- e- e- e- Ánh sáng ATP ADP +Pi CO2 + Ru-5-P 2H2A 2A Ru-1.5-P CHÚ THÍCH Bchl* :trạng thái kích phát của Bchl (bactericlorophil Ru-5-P :Ribulozo-5- photphat Ru-1,5-P :Ribulozo-1,5- diphotphat H2A :Chất vô cơ cho hydro Phosphoryl hoá quang hợp không tuần hoàn Quang hợp không tạo ôxi 17 ½ O2 2H + + H2O NADPH + H+ NADP+ Flavoprot ein Protein oxi hóa khử Fe - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Hệ thống quang hợp II Hệ thống quang hợp I Xit .b Xit .f Pi+ ADP ATP e - e- e- e- Chl. b+ Chl. b Chl. b+ e- Chl. a+ Chl. a+ Chl. a ADP Pi+ ATP Quang phân li e- Phosphoryl hoá quang hợp tuần hoàn Quang hợp tạo ôxi