Bài giảng vi sinh vật học chương 5 trao đổi chất ở vi sinh vật

Chương 5:

Trao đổi chất ở vi sinh vật
5.1. đại cương về trao đổi chất
5.2. Thành phần hoá học tế bào
5.3. Dinh dưỡng VSV
5.4. Hô hấp VSV


5.1. đại cương về trao đổi chất
+ Là một trong 3 thuộc tính cơ bản của sự sống (trao đổi
chất, sinh trưởng và phát triển, di truyền - biến dị)
+ Bao gồm 3 quá trình cơ bản: dinh dưỡng (hấp thu thức ăn
từ mơi trường), hơ hấp (chuyển hóa nội bào các chất dinh
dưỡng) và đào thải ra môi trường các "sản phẩm quá
trình trao đổi chất"
+ Qua quá trình trao đổi chất, vi sinh vật thu nguồn vật liệu
cần thiết để cấu tạo, đổi mới tế bào và nguồn năng lượng
phục vụ cho mọi hoạt động sống của chúng
+ Cường độ quá trình trao đổi chất ở vi sinh vật lớn hơn
nhiều so với động vật và thực vật


5.2. Thành phần hoá học tế bào vi sinh vật
5.2.1. Nước
+ Là thành phần chính, chiếm tỉ lệ rất lớn: 70-85%
+ Hàm lượng biến đổi, phụ thuộc vào điều kiện mơi trường sống (áp
suất thẩm thấu mơi trường), lồi vi sinh vật, trạng thái tồn tại, lứa
tuổi...
+ Chức năng: là dung mơi hịa tan, là mơi trường cho mọi phản ứng
chuyển hóa nội bào, tham gia vào cấu trúc tế bào và tham gia trực

tiếp vào q trình chuyển hóa (p/ứng thủy phân)
+ Đặc điểm: nước tự do (dung môi) là phần dễ biến đổi; nước liên kết
(tham gia vào cấu trúc TB) là phần ổn định ít biến đổi
+ Sự mất nước tự do sẽ tác động đến hoạt tính sinh lý của VSV (mất
ít: kìm hãm; mất tăng lên: rối loạn chức năng sinh lý, kìm hãm
mạnh mẽ; mất quá nhiều: làm rối loạn hoặc đình chỉ hoạt động
sống). Mất nước tự do không làm chết vi sinh vật. Mất nước liên
kết sẽ phá vỡ cấu trúc tế bào, dẫn tới làm chết vi sinh vật.


5.2. Thành phần hoá học tế bào vi sinh vật

5.2.2. Protit
+ Là thành phần chất khơ chính, chiếm 70-85% chất khơ
+ Hàm lượng biến đổi, phụ thuộc vào lồi vi sinh vật, điều kiện môi
trường sống, trạng thái tồn tại, lứa tuổi...
+ Thành phần: bao gồm cả protit phức tạp (glucoproteit, lipoproteit...
tham gia vào cấu trúc TB) và các dạng protit đơn giản (albumin,
các peptit, các axít amin...)
+ Chức năng: là thành phần cơ bản trong cấu trúc tế bào và giữ vai
trò hết sức quan trọng trong mọi quá trình chuyển hóa
+ Đặc điểm: trong protit VSV có đủ các axít amin, tương tự như
nguồn protein từ động vật hay thực vật, và không phát hiện thấy sự
khác biệt lớn về thành phần giữa nguồn protein vi sinh vật với
protein truyền thống.
* Một số loài VSV trong điều kiện nhất định có thể “siêu tổng hợp
và tích tụ” một hay một vài axít amin nào đó …


5.2. Thành phần hoá học tế bào vi sinh vật

5.2.3. Gluxit
+ Chiếm 10-30% tổng lượng chất khô
+ Hàm lượng biến đổi, phụ thuộc vào loài vi sinh vật, điều kiện môi
trường sống, trạng thái tồn tại, lứa tuổi...
+ Thành phần: bao gồm cả gluxit phức tạp (glucoproteit,
lipopolysaccharit... tham gia vào cấu trúc TB) và các dạng protit
đơn giản (các loại đường...)
+ Chức năng: là nguồn cung cấp năng lượng chính, cung cấp vật liệu
khung cacbon cơ bản cho VSV và tham gia vào cấu trúc tế bào
+ Đặc điểm: tương tự như nguồn gluxit động vật hay thực vật, không
phát hiện thấy sự khác biệt lớn về thành phần giữa nguồn gluxit vi
sinh vật với gluxit ĐV-TV. Một số loài VSV có giáp mạc trong điều
kiện nhất định có thể “siêu tổng hợp và tích tụ” một polysaccarit
nào đó và được ứng dụng trong công nghiệp.


5.2. Thành phần hoá học tế bào vi sinh vật

5.2.4. Lipit
+ Chiếm tỉ lệ nhỏ trong tế bào
+ Hàm lượng biến đổi, phụ thuộc vào loài vi sinh vật, điều kiện môi
trường sống, trạng thái tồn tại, lứa tuổi...
+ Thành phần: bao gồm cả lipit phức tạp (lipoproteit,
lipopolysaccharit, photpholipit... tham gia vào cấu trúc TB) và lipit
đơn giản (glyxerin, các axít béo...)
+ Chức năng: tham gia vào cấu trúc tế bào và có vai trị quan trọng
trong q trình hấp thu thức ăn; ở một số vi sinh vật, lipit có liên
quan đến hoạt tính kháng ngun của chúng...
+ Đặc điểm: có sự khác biệt nhỏ về thành phần giữa nguồn lipit vi

sinh vật với lipit ĐV-TV (trong lipit VSV có cả axit béo khơng no 2
nối đơi, axít béo mạch ngắn và đặc biệt thành phần (n- -hydroxybutyric)n không tìm thấy ở lipitđv-tv)


5.2. Thành phần hoá học tế bào vi sinh vật

5.2.5. Các nguyên tố khoáng
+ Chiếm tỉ lệ nhỏ trong tế bào, 2-3% chất khô
+ Rất đa dạng về thành phần, bao gồm cả các nguyên tố
đa lượng (Ca, P, S, Na...), các nguyên tố vi lượng (Co, I2,
Fe...)
+ Chức năng: tham gia vào cấu trúc tế bào và cấu trúc
nhiều enzym... nên có vai trị quan trọng trong q trình
trao đổi chất của vi sinh vật.
+ Đặc điểm: sự có mặt và nồng độ các ngun tố khống
có ảnh hưởng rất lớn đến đường hướng trao đổi chất (phổ
sản phẩm tạo ra trong quá trình lên men) và đến sự sinh
trưởng, phát triển của VSV


5.2. Thành phần hoá học tế bào vi sinh vật

5.2.6. Các chất hoạt động sinh học
+ Là các chất chiếm tỉ lệ nhỏ song có vai trị hết sức quan trọng, ảnh
hưởng đến quá trình trao đổi chất, sự sinh trưởng và phát triển của
VSV
+ Về bản chất, có thể là một vài axít amin khơng thay thế, vitamin
hay các chất điều hồ sinh trưởng
+ Chức năng: có vai trị quan trọng, ảnh hưởng đến sự sinh trưởngphát triển và năng lực lên men của chủng.
+

Đặc điểm: Một số chủng VSV, trong điều kiện nhất định, có thể
tổng hợp và tích tụ dư thừa lượng đáng kể một (hay một vài) chất
"hoạt động sinh học" nhất định ....


5.3. Dinh dưỡng vi sinh vật
5.3.1. Khái niệm về dinh dưỡng của vi sinh vật
+ Là quá trình hấp thu thức ăn từ mơi trường vào tế
bào.
+ Q trình hấp thu thức ăn xảy ra trên toàn bộ bề mặt
tế bào nên cường độ hấp thu thức ăn của VSV rất lớn
+ Màng tế bào chất có vai trị hết sức quan trọng, quyết
định trong việc điều tiết hấp thu thức ăn (và đào thải ra môi
trường các "sản phẩm trao đổi chất").


5.3. Dinh dưỡng vi sinh vật

5.3.2. Cơ chế sự hấp thu thức ăn của vi sinh vật
+ Quá trình hấp thu thức ăn là quá trình phức tạp và khác
nhau, phụ thuộc vào đặc tính cấu trúc của màng tế bào chất,
bản chất cấu tử thức ăn và điều kiện mơi trường
+ Q trình hấp thu thức ăn qua màng tế bào chất có thể xảy
ra theo một trong hai cơ chế cơ bản là:
a/ hấp thu thức ăn bị động (q trình vận chuyển các cấu tử này
từ mơi trường vào trong tế bào tự xảy ra, không phụ thuộc vào
vi sinh vật)
b/ hấp thu thức ăn chủ động (quá trình vận chuyển các cấu tử
này vào trong tế bào khơng tự xảy ra, mà có sự kiểm sốt hay

điều tiết của vi sinh vật).


5.3.2. Cơ chế sự hấp thu thức ăn của vi sinh vật

a/ Cơ chế hấp thu thức ăn bị động

+ Quá trình vận chuyển các cấu tử này qua màng tự xảy ra,
khơng có sự tham gia điều tiết của màng tế bào chất
+ Động lực của quá trình vận chuyển bị động này là chờnh
lệch của trường nồng độ: Các cấu tử chất tan sẽ khuếch
tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp (ngược
lại, dung mơi sẽ khuếch tán từ nơi có nồng độ chất tan
thấp đến nơi có nồng dộ chất tan cao - áp suất thẩm thấu
cao)
* Cơ chế hấp thu bị động xảy ra với nước, glyxerin và một số muối
khoáng


5.3.2. Cơ chế sự hấp thu thức ăn của vi sinh vật

b/ Cơ chế hấp thu thức ăn chủ động
+ Là quá trình vận chuyển các cấu tử này qua màng xảy ra với sự
tham gia điều tiết của màng tế bào chất
+ Trên màng TBC phân bố các phân tử protein đảm nhiệm chức
năng vận chuyển vật chất qua màng (các permeaza); Các phân
tử permeaza liên kết (đặc hiệu tuyệt đối, hay đặc hiệu tương đối)
với cấu tử thức ăn và vận chuyển chúng qua màng
+ Quá trình vận chuyển chất qua màng TBC có thể kèm theo tiêu
tốn năng lượng (hoặc không tiêu tốn năng lượng bổ sung) và có

thể dẫn tới làm biến đổi cấu trúc cấu tử thức ăn sau khi đó
được vận chuyển vào trong (hoặc khơng làm biến đổi cấu hình cơ
chất).
* Thức ăn, sau khi được vận chuyển vào tế bào chất, sẽ tham gia ngay vào
các phản ứng chuyển hoá nội bào
bị biến đổi cấu trúc, đặc tính mất
khả năng vận chuyển ngược ra mụi trường



5.3.2. Cơ chế sự hấp thu thức ăn của vi sinh vật

b/...hấp thu thức ăn chủ động
Vận chuyển ngược chiều trường nồng độ, nhờ ATP: Na-K pump


5.3.2. Cơ chế sự hấp thu thức ăn của vi sinh vật

b/...hấp thu thức ăn chủ động


5.3. Dinh dưỡng vi sinh vật

5.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thu thức ăn
của vi sinh vật
+ Đặc tính sinh học của màng tế bào chất, do mỗi lồi VSV đều có đặc
trưng riêng về các protein vận chuyển permeaza nên chỉ hấp thu được các
cơ chất tương ứng... đặc tính quy định trong cấu trúc di truyền của chủng

+ Bản chất của cấu tử thức ăn: VSV chỉ hấp thu được các chất dinh

dưỡng dạng hoà tan (trong nước, trong chất béo). Các cấu tử kích thước
nhỏ và ít nhóm chức thường dễ được hấp thu hơn các cấu tử khối lượng lớn
và nhiều nhóm chức. VSV có xu hướng ưu tiên hấp thu các thức ăn dễ
đồng hoá trước, khi nguồn thức ăn này đã cạn, chúng mới điều chỉnh quá
trình trao đổi chất để hấp thu nguồn thức ăn khó đồng hố hơn

+ Nồng độ cấu tử thức ăn: VSV chỉ hấp thu thuận lợi ở dải nồng độ nhất
định của chất dinh dưỡng; nếu nồng độ quá thấp, quá trình vận chuyển chất
từ môi trường lên bề mặt tế bào bị cản trở; Nếu nồng độ quá cao, sẽ cản trở
do làm mất nước tự do của tế bào


5.3. Dinh dưỡng vi sinh vật

5.3.4. Sự hấp thu các nguồn thức ăn khác nhau ở VSV

a/ Nguồn thức ăn cacbon:
+ Khả năng sử dụng nguồn thức ăn cacbon của mỗi loài VSV mang đặc
trưng riêng, song hết sức đa dạng
VSV tham gia vào mọi mắt xích
của q trình tuần hoàn vật chất trong thiên nhiên. Căn cứ nguồn thức ăn,
VSV được phân chia thành:
- VSV tự dưỡng cacbon: là các lồi có khả năng sử dụng nguồn cacbon
đơn giản (CO2, CH4, C2H6...) để tổng hợp mạch khung cacbon cần thiết
cho cơ thể. Phụ thuộc vào nguồn năng lượng sử dụng, người ta còn phân
chia tiếp thành VSV tự dưỡng quang năng (là các VSV hấp thu và sử dụng
nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời) và VSV tự dưỡng hoá năng (là VSV
thu nhận năng lượng cần thiết từ nguồn năng lượng giải phóng ra của các
phản ứng hố học)
- VSV dị dưỡng cacbon: là các lồi chỉ có khả năng sử dụng nguồn

cacbon hữu cơ dạng phức tạp. Với các VSV này, nguồn cacbon thích
hợp thường là các loại đường đơn giản, các dextrin, glucan hay các
polymer của đường: tinh bột, hemixenluloza, xenluloza...


5.3.4. Sự hấp thu các nguồn thức ăn khác nhau ở VSV

b/ Nguồn thức ăn nitơ:

+ Khả năng sử dụng nguồn thức ăn nitơ của mỗi loài VSV mang đặc
trưng riêng, song hết sức đa dạng
VSV tham gia vào mọi mắt xích
của q trình tuần hồn nitơ trong thiên nhiên. Phụ thuộc bản chất nguồn
nitơ, VSV được phân chia thành:
- VSV tự dưỡng amin: là các lồi có khả năng sử dụng nguồn nitơ vơ cơ
để tổng hợp cho mình tất cả các axít amin cần thiết. Hầu hết các VSV
đều có khả năng này; nguồn nitơ vơ cơ thích hợp với đa số các loài là
NH4+, NO3-; một số lồi VSV có thể đồng hố được cả NO2, N2...
- VSV dị dưỡng amin: là các lồi VSV khơng có khả năng tự tổng hợp
cho mình tất cả các axít amin cần thiết. Các VSV này chỉ phát triển
được cung cấp các axít amin này, thí dụ các VSV ký sinh (*tất cả các loài
VSV đều phát triển tốt khi được cung cấp nguồn thức ăn nitơ dưới
dạng các axít amin, nguồn nitơ hữu cơ thích hợp là pepton, polypeptit,
dịch thuỷ phân protit, bột đậu, cá...)
* Trong thực tiễn, người ta đó tạo ra và ứng dụng các chủng khuyết dưỡng
amin (sự phát triển phụ thuộc nghiêm ngặt vào axít amin thiếu)


5.3.4. Sự hấp thu các nguồn thức ăn khác nhau ở VSV

c/ Nhu cầu về các chất khoáng và chất hoạt động sinh học:
+ Nhu cầu của VSV về các nguyên tố khoáng hay về các chất hoạt động
sinh học tuy không lớn, song rất đa dạng. Sự thiếu hụt một chất

khoáng, dù nhỏ về lượng, sẽ tác động mạnh mẽ đến sự sinh trưởng
và phát triển của chủng
+ Một số loài VSV, sự sinh trưởng, phát triển và đường hướng trao đổi
chất của chúng phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ các ion khoáng hay,
đặc biệt với các chất hoạt động sinh học.
* Vấn đề hàm lượng khoáng cần đặc biệt lưu ý trong thực tiễn khi chuẩn
bị môi trường lên men: Sử dụng nguyên liệu tự nhiên có lợi thế về sự đa
dạng các nguyên tố khoáng và giá thành, song hàm lượng của chúng
thường có dao động lớn. Trong khi sử dụng nguyên liệu tổng hợp có thể
gặp trở ngại do không cung cấp đủ các nguyên tố khoáng cần thiết


4.4. Hô hấp ở vi sinh vật
4.4.1. Đại cương về hơ hấp của vi sinh vật
+ Là q trình chuyển hố nội bào các chất dinh dưỡng, qua đó VSV
thu nhận được năng lượng để duy trì hoạt động sống và vật liệu để xây
dựng và đổi mới cấu trúc tế bào.

+ Bản chất là các q trình oxy hố-khử sinh học liên quan đến quá
trình vận chuyển H+ và e- từ chất cho đến chất nhận, xảy ra qua nhiều giai
đoạn và với sự xúc tác của các enzym đặc hiệu...

+ Năng lượng được giải phóng trong q trình hơ hấp thốt ra một cách
từ từ, từng bậc; một phần được VSV sử dụng để tổng hợp các phân tử
mang năng lượng sinh học ATP (ADP, AMP - phần lớn năng lượng cịn lại
thốt ra mơi trường dưới dạng nhiệt làm nhiệt độ mơi trường tăng lên)

+ Có thể xảy ra trong điều kiện có hoặc khơng có ơxy, nếu chất
nhận H+ và e- là: O2 (QT oxy hoá); + h/chất hữu cơ trung gian (QT lên
men); hay + chất vơ cơ (QT oxy hố yếm khí)