Bài giảng vi sinh vật học chương 4 ths nguyễn thành luân

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 thu năng lượng

Phản ứng giải phóng năng lượng

(Phản ứng thu nhiệt)

(Phản ứng tỏa nhiệt)

Trong 1 tế bào sống,
Quá trình đồng hóa
Quá trình dị hóa
các
phản ứng loại nào được
thực hiện?
(chuyển hóa các chất dinh dưỡng
(phân hủy các thành phần cơ

và chế biến lại để tổng hợp các
thể)
chất riêng của tế bào VSV)

1


?

Cấu tạo ATP

4.1. Các phƣơng thức dinh dƣỡng ở VSV

2


4.1. Các phƣơng thức dinh dƣỡng ở VSV
Nguồn
năng
lượng

Quang
năng

Hóa năng

Nguồn C xây dựng tế bào
Chất hữu cơ

CO2

1-Quang dị dưỡng
(Photoheterotroph)

2 - Quang tự dưỡng
(Photoautotroph)

3 - Hóa dị dưỡng
(Hererotroph)

4 - Hóa tự dưỡng
(Lithotroph)

Vòng chuyển hóa năng lƣợng trong tế bào

3


Các kiểu giải phóng năng lƣợng

1. Hô hấp hiếu khí (Aerobic respiration)

3. Lên men

2. Hô hấp kị khí (Anaerobic respiration)

4. Quang tổng hợp

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

4


4.2.1. Quá trình phân giải glucide
bằng cách hô hấp hiếu khí
Phân giải glucose
Quá trình oxy hóa

pyruvat

Con đường đường phân
Con đường pentose-phosphat
Con đường 2-keto-3-deoxy-6-

Chu trình Krebs

P-gluconat

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
-

Xảy raGlucose
ở điều 
kiện
oxy như+ thế
nào?
2 piruvat
2ATP
+ 2NADH

- Ở vị trí nào trong tế bào?
- Các sản phẩm của phản ứng?
Cung cấp cho tế bào 6 tiền chất:
- Tạo -bao
nhiêu– tiền
Glucose
6- P chất cho quá trình tổng hợp
- Fructose – 6-P
thành phần tế bào?
- 3- P- glixeraldehit

- 3-glixerat

- PEP (photphoenolpiruvat)
- Piruvat

Con đƣờng Pentozo photphat (PP)
(HMP – Hexose mono photphat)

Glucose  Piruvat + 3CO2 + 6NADPH2 +
NADH2 + ATP
Cung cấp cho tế bào 2 tiền chất:
- Các- sản
phẩm
của phản
Ribose
– 5 (dùng
tổng ứng?
hợp axit nucleic)
- Erytrose – 4 (cùng với PEP dùng tổng hợp các axit
amin thơm)
 Mang tính chất đồng hóa là chủ yếu.

5


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
Fructose  Fructose-6-P  con đƣờng EMP

Mannose  Monnose-6-P  Fructose-6-P  con
đƣờng EMP
Galactose  Galactose-1-P  Glucose-1-P 
Glucose-6-P  con đƣờng EMP

6


Quá trình oxi hóa pyruvat
Piruvat - dehidrogenase

(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 – Fd - oxidoreductaza

(2) Piruvat + CoA + 2Fd

Axetyl – CoA
+ 2FdH + CO2  gặp ở nhiều vi khuẩn kỵ khí nhƣ
Clostridium.
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
-Xảy
ra(Prokaryote)
ở vị trí nào
1 pyruvat đi vào

trong tế bào VSV?

chu trình Krebs tạo: 1
ATP,
3 NADH,
-Các sản
phẩm 1
FADH, 2 CO2.

tạo NADH,
thành? FADH

đi tiếp vào chuỗi hô
hấp tạo thêm ATP.

Sự tạo năng lƣợng ở các con đƣờng phân giải
đƣờng và chu trình Kreb

Photphorin hóa ở mức độ cơ chất

7


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

8


4.2.1. Quá trình phân giải glucide
bằng cách hô hấp kị khí

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-, SO42-)
Hô hấp nitrat (kị khí không bắt buộc): vi khuẩn khử
nitrat 4AH2 + HNO3  4A + NH3 + 3H2O + ATP
Ví dụ:

Hô hấp sulfat (kị khí bắt buộc): vi khuẩn khử sulfat
4AH2 + H2SO4  4A + NH3 + 3H2O + ATP
Ví dụ:

CH3COO- + SO42- → 2 HCO3- + HS-

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

9


Cơ chế của quá trình lên men

Chất cho
Hidro

Môi trường thoáng khí
O2

Hô hấp hiếu khí

H2O
Môi trường kỵ khí
Tóm
tắt các
hình
thức dị
hóa ở
VSV

NO3-

Hô hấp kỵ khí

Hô hấp nitrate
Kỵ khí không bắt buộc

N2
SO42-

Hô hấp sulfate
Kỵ khí bắt buộc

H2S
Hidro

CO2

Hô hấp kỵ khí đặc biệt

CH4

Chất cho
Hidro

Chất hữu cơ

Lên men vi sinh vật

Sản phẩm lên men

So sánh năng lượng trong 3 kiểu trao đổi chất và năng
lượng ở VSV dị dưỡng?

10


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
Protease

Polipeptid

Oligopeptid

Protein

Peptidaza
Axit amin

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

11


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.

12


4.2.4. Sự phân giải lipid và acid béo
Glyceryl

Con đƣờng EMP

Lipid và

sáp
Lipase
Acid béo

Acetyl – Co A

Chu trình
Krebs

VSV thường sử dụng lipid
làm nguồn năng lượng

Triglycerides

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

13


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

4.3.1. Tự dƣỡng hóa năng
CO2
Chất vô cơ

ATP

1:Chu trình
Calvin

2:Con đường
Axetyl-CoA
3:Con đường 4C

[H]
Khác với
VSV hóa

năng hữu cơ
ở điểm nào?

4:Con đường ATC
dạng khử
[CH20]
Quá trình oxi hóa
sinh học và sinh
năng lượng

?

Vật chất tế bào

Oxi hóa SH và sinh năng lƣợng
ở VSV tự dƣỡng hóa năng
NH4+
NO2H2S
S0
H2
Fe2+

Dùng làm
nguồn năng
lượng đầu tiên

CO2

Chuyển vận thuận
chiều chuỗi hô hấp

Tiêu hao [H], sinh
ATP

ATP

Chuyển vận ngược
Dùng làm nguồn chiều chuỗi hô hấp
NAD(P)H
cung cấp H vô cơ Tiêu hao ATP,
sinh [H]
CH2O

 ATP tạo thành chủ yếu từ sự phosphoryl hóa oxi hóa
 Hiệu suất sinh năng lượng thấp
 Tốc độ sinh trưởng chậm

14


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?

15


4.3.2. Tự dƣỡng quang năng
CO2
Ánh?sáng

ATP

1:Chu trình
Calvin

2:Con đường
Axetyl-CoA
3:Con đường 4C

[H]

4:Con đường ATC
dạng khử
[CH20]

Quá trình photphoryl
hóa quang hợp

Vật chất tế bào

Nhóm VSV tự dưỡng quang năng
 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)
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.

Ánh sáng

Phosphoryl hoá quang
hợp không tuần hoàn
Bchl
CHÚ THÍCH
Bchl* :trạng thái kích phát Bchl*
của Bchl (bactericlorophil
Ru-5-P :Ribulozo-5ephotphat
Ru-1,5-P :Ribulozo-1,5diphotphat
Xit.f
H2A :Chất vô cơ cho hydro
ADP

+Pi

Quang hợp
không tạo ôxi

e-

Bchl*
Bchl

ProteinFe-s

*

e-

A.pantotenic
e-

e-

Xit.b
ATP

CO2 +
Ru-5-P

Ru-1.5-P
2H2A 2A

16


Phosphoryl hoá quang hợp tuần hoàn
½
2H+ + O2

Quang phân li

H2O

Chl.
b eChl.
b+

Pi+ ADP
Chl.
b+

ee-

Xit
.b

ATP
Xit
.f

Hệ thống quang hợp II
e-----------------------------------------------Hệ

thống
quang
hợp
I
--------------------NADP+

NADPH +
H+

e Flavoprot e- Protein oxi hóa
ein
khử Fe
ATP

Quang hợp tạo ôxi

Chl.
a+

Chl.
a

Chl.
ADP a+
Pi+

17