Bài giảng sự trao đổi chất của vi sinh vật

SỰ TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI
SINH VẬT


MỤC TIÊU

1. Trình bày được các con đường thu nhận năng
lượng
2. Phân biệt được hô hấp hiếu khí và kỵ khí
3. Hiểu được oxy hóa không hoàn toàn
4. Kết nối được các quá trình lên men chủ yếu


ĐẠI CƯƠNG

vsv

TRAO ĐỔI CHẤT

NĂNG LƯỢNG
(ATP, UTP, acetylcoenzym A)


ĐẠI CƯƠNG
Lieân keát cao naêng

NH2
N
N

N

O

O

N
O

CH2

P O ~ P O ~ P OH

O

OH

OH

OH

Phosphat

HO OH

Phosphat

Ribose

Phosphat

Adenosin
Adenosin-triphosphat

O

Triphosphat
H2O
ATPase

Adenosin-diphosphat + Ion phosphat + 7300 cal/mol

CẤU TRÚC VÀ HOẠT TÍNH CỦA ATP


NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

2.1. Đường phân (glycosis) hay con đường Embden-Meyerhof
(EM), hay con đường fructose -1,6-diphosphat (FDP)
Enterobacteriaceae
Glucose

Glucose + 2ATP +2 NAD

acid pyruvic

2CH3COCOOH + 4ATP + 2NADH+H+


NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

1 pt glucose Cần 2 ATP fructose-1, 6-diphosphat
2 pt triosephotphat
Tạo ra 4 ATP

Acid pyruvic
Như vậy quá trình EM tạo ra được 2 ATP
S. cerevisae, sự lên men tạo sản phẩm cuối cùng là rượu.
Vi khuẩn khác lên men lactic tạo acid lactic.
Động vật là aicd pyruvic và acid lactic


NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE
2.2. Con đường hexosomonophosphat (HMP) hay là con đường oxy hóa
pentophosphat (PP) hoặc Warburg-Dicken, Horecker-Racker

Phương trình chung :
3 hexose-6-phosphat + 6NADP
2 hexose-6-phosphat + trio-3-phosphat
•
+ 3CO2 + 6NADPH+H+
• cedoheptulose-7-phosphate
fructose-6-phosphate
•
Transaldolase
•
chuyển gốc dioxyaceton
• 3-phospho- glyceraldehyd
erythro-4-phosphate
•

xylulose-5-phosphate

xylulose-5-phosphate

Transketolase
chuyển nhóm ceton
ribo-5-phosphate

erythro-4-phosphate


NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

glucose-6-phosphate oxy hóa

các hợp chất 5 carbon

glucose-6-phosphate
HMP có chức năng :
- Bổ sung đường ribo cho tế bào
- Cung cấp NADP. H+H+ cần cho phản ứng sinh tổng hợp
khử.
Hiệu suất của HMP chỉ 1/2 EM, vì khi biến đổi một phân tử
đường glucose thành acid pyruvic thì chỉ tạo một phân tử
ATP.


NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

- Penicillium chrysogenum có khoảng 2/3 số lượng glucose

được chuyển hóa qua con đường HMP
- E. coli thường chỉ có 1/3 glucose được chuyển hóa qua HMP.
- S. cerevisiae lên men kỵ khí glucose được chuyển hóa theo
EM, ở điều kiện thoáng khí 30% glucose được chuyển hóa
theo HMP.
- Propionibacterium arabinosum chuyển hóa theo EM.
- Acetobacter suboxydans chỉ chuyển hóa theo HMP.


NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

2.3. Entner-Doudoroff (ED)
Sản phẩm trung gian đặc trưng là 2-aceto-3-desoxy-6phosphogluconic acid, nên còn gọi là con đường CDPG.

glucose

Cần 1 ATP

glucose-6-phosphate
3-phosphoglyceraldehyd
Tạo 2 ATP

CH3COCOOH
• Phương trình chung :
• Glucose + ATP + NADP + NAD
2ATP + NADPH+H+ + NADH+H+

2CH3COCOOH +

NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

• - ED phổ biến ở vi khuẩn gram âm và ít gặp ở vi khuẩn kỵ khí.
• - Chuyển E. coli từ môi trường glucose sang gluconat (acid
gluconic) thì sẽ tạo enzym gluconokinase phosphoryl hóa acid
gluconic thành acid 6- P -gluconic và chuyển hóa theo ED.
- Pseudomonas phân giải glucose qua gluconat vì có enzym
glucodehydrogenase biến glucose thành gluconat.


NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE

2.4. Vi sinh vật sử dụng các hợp chất glucid khác

Lactobacillus và Neisseria meningitidis có chứa enzym
maltophosphorylase, có khả năng phosphoryl hóa
disaccharid
mà không
ATP. Glucose-1-phosphat + Glucose
Maltose
+ Htiêu
POtốn
3
4


HƠ HẤP

3. Hơ hấp
•

•
•
•
•

Hiếu khí bắt buộc (Obligate Aerobes).
Oxy phân tử là yếu tố cần thiết cho hoạt động sống.
Oxy là chất nhận hydro.
Không có oxy vi khuẩn không tăng trưởng và chết.
Hydro từ cơ chất → O2 → H2O
Vi hiếu khí (Microaerophile).
Cần nồng độ oxy thấp để hoạt động sống.
Oxy làm chất nhận electron cuối cùng nhưng không phát triển
trong điều kiện hiếu khí bình thường và mọc khó khăn trong
điều kiện yếm khí


HÔ HẤP

• Kỵ khí không bắt buộc (Faculative Anaerobes)

• Tăng trưởng trong điều kiện có hay không có oxy.
• Oxy là độc tố của vi khuẩn và oxy sẽ tạo thành H2O2
theo phản ứng :
•
2O2- + 2H+ → O2 + H2O2
• H2O2 độc, ở vi khuẩn hiếu khí tuyệt đối sẽ bị phân hủy
ngay lập tức với sự xúc tác của enzym catalase hoặc
peroxydase theo phương trình :
•

H2O2 → H2O + O2
• VK kỵ khí không bắt buộc sống được khi môi trường
kỵ khí hay môi trường bình thường, thu năng lượng
bằng phản ứng oxy hóa hay sư lên men.


HÔ HẤP

• Vi khuẩn kỵ khí bắt buộc (Obligate Anaerobes).
• Không sử dụng oxy để biến dưỡng, thu năng lượng từ phản
ứng lên men
• Không mọc được trong điều kiện hiếu khí.
• Chất nhận hydro là chất vô cơ hay hữu cơ và oxy là độc tố đối
với vi khuẩn.
• Không có enzym catalase hay peroxydase để phân hủy H2O2 vì
vậy tích lũy trong tế bào.


HÔ HẤP

3.1. Hô hấp hiếu khí và chu trình Acid Tricarboxylic (Krebs)
Acid pyruvic hình thành bằng các con đường phân giải
hydratcarbon sẽ được VSV oxy hóa triệt để thông qua chu
trình Krebs hay còn gọi là chu trình acid tricarboxylic (ATC).
3.2. Hô hấp kỵ khí (yếm khí)
3.2.1. Hô hấp nitrat (amon hóa nitrat và phản nitrat hóa)
Gồm quá trình : amon hóa nitrat và phản nitrat hóa
Amon hóa nitrat
NH2OH → NH3
NO3 → NO2 → NO-

N2O → N2
Phản nitrat hóa

Hô hấp nitrat


HÔ HẤP

• Nhiều vi khuẩn sử dụng nitrat (nitrat hóa) là nguồn thức ăn nitơ.
• Khử nitrat qua nitrit đến NH3, sau đó NH3 sẽ tiếp tục tham gia vào
hoạt động trao đổi chất (khử đồng hóa).
•
NO3 → NO2 → X → NH2OH → NH4 (sử dụng)
• Sản phẩm trong nitrat hóa được dùng
• Sản phẩm trong hô hấp nitrat (khử dị hóa) không được sử dụng trực
tiếp mà thải ra ngoài tế bào vi khuẩn.
• Hệ thống enzym của hô hấp nitrat chỉ được tạo ra trong điều kiện
yếm khí hoặc thiếu oxi.
• VK phản nitrat hóa oxy hóa chất hữu cơ nhờ oxy không khí
• Khi thiếu oxy sẽ oxy hóa các chất hữu cơ này bằng oxy của nitrat và
tiến hành khử nitrat thành nitơ phân tử. Đây là nhóm kỵ khí không
bắt buộc.
• Khi phân giải nitrat, sẽ tích lũy K, Na, Ca tạo ra KOH, NaOH hoặc
carbonat, làm kiềm hóa môi trường.


HÔ HẤP
3.2.2. Hô hấp sulfat

Khả năng đồng hóa sulfat làm nguồn thức ăn S để tổng hợp
aminoacid và các enzym chứa lưu huỳnh, gọi là quá trình khử đồng
hóa sulfat.
Nguồn hydro là acid hữu cơ, rượu và hydro phân tử.
Cơ chất hữu cơ không được oxy hóa triệt để. Sản phẩm cuối cùng của
quá trình oxy hóa thường là acid acetic
• VK tự dưỡng hóa năng khử sulfat bằng hydro phân tử và sử dụng
năng lượng sinh để đồng hóa CO2 của không khí.
• Trao đổi chất ở vi khuẩn khử sulfat có tính chất oxy hóa, nhận năng
lượng từ phosphoryl hóa trong chuỗi hô hấp.
• Đây là quá trình cần năng lượng.


HÔ HẤP

• Dưới tác dụng của ATP-sulfurilase, gốc phosphat của ATP
được thay bằng sulfat và tạo thành Adenosin-5'-phosphosulfat
(APS)
• ATP + SO4

Adenosin-5'-phosphosulfat + pyrophosphat

• Quá trình khử sulfat phải có sự tham gia của cytochrom C3.
• Khử đồng hóa sulfat tiến hành thông qua hợp chất
phosphoadenosin-phosphosulfat (PAPS).


HÔ HẤP

• Oxi hóa một mol acid lactic thu được 2 mol ATP

• Khử sulfat

sulfit cần 2 lk cao năng (ATP  AMP + PPi)

• Tổng năng lượng bằng 0. Vì thế vi khuẩn phản sulfat hóa có
thể sử dụng H2 và tạo sulfit từ sulfat và H2 mà không cần thông
qua APS.
• VK phản sulfat hóa gặp ở vùng bùn lầy có khí H2S, nơi có quá
trình phân giải kỵ khí các hợp chất hữu cơ, tham gia vào quá
trình hình thành quặng lưu huỳnh, mỏ dầu.


OXY HĨA KHƠNG HỒN TỒN

Các vi sinh vật tiến hành hô hấp hiếu khí, nhưng sản
phẩm sinh ra là những hợp chất hữu cơ được oxy hóa
một phần như : cetoacid, acid acetic, acid gluconic,
acid fumaric, acid citric, acid lactic, ... . giống như sản
phẩm của một số quá trình lên men nên được gọi là
"lên men oxy hóa".
4.1. Vi khuẩn acetic và sự tạo thành acid acetic
VSV phân giải đường hoặc rượu cho ra các loại acid.
VK acetic là VK gram âm, có chu mao như giống
Acetobacter, trên bề mặt thực vật, hiếu khí bắt buộc ;
hoặc có tiêm mao phân bố ở cực như Acetomonas


OXY HÓA KHÔNG HOÀN TOÀN

•

•
•
•
•
•

•

Oxy hóa rượu thành dấm là quá trình từ từ bằng cách khử dần
rượu : từ rượu acetaldehyd
acetaldehyd acid acetic.
Vi khuẩn acetic có thể được chia thành các nhóm :
- Nhóm Peroxydans : Acetobacter paradoxum, A. peroxydans.
- Nhóm Oxydans gồm A. ascendens, A. rancens, A.
lavanniense.
- Nhóm Mesoxydans gồm A. mesoxydans, A. xylinum, A. aceti.
- Nhóm Suboxydans gồm A. oxidans, A. melanogenum.
Loài Acetobacter thường được sử dụng trong công nghiệp là A.
aceti, A. pasteuriasum, A. orleanense, A. xylinum, A.
schutzonbachii và A. suboxydans
A. suboxydans, A. xylinum có khả năng oxy hóa rượu sorbid
thành đường sorbose. Chúng được sử dụng trong ngành công
nghệ sản xuất vitamin C (acid ascorbic).


OXY HÓA KHÔNG HOÀN TOÀN

4.2. Nấm mốc và sự hình thành acid citric

• Hiếu khí, nhưng có thể tích lũy trong môi trường nhiều

sản phẩm chưa được oxy hóa triệt để, phổ biến nhất là
acid hữu cơ.
• A. niger trên môi trường chứa đường và có mặt CaCO3 sẽ
tích lũy nhiều acid oxalic.
• A. niger có khả năng tích lũy nhiều a. citric.
• A. niger được sử dụng trong nhà máy sản xuất a. citric với
các chủng 6/5, 90, 82, ở Trung Quốc dùng các chủng AS3,
939, 87, 330


OXY HÓA KHÔNG HOÀN TOÀN

4.3. Tạo acid L-glutamic nhờ vi khuẩn
• Corynebacterium trong môi trường 10% glucose và uré là nguồn nitơ
có thể tích lũy 50g acid L-glutamic/lit, khoảng 0,6 mol acid
glutamic/1mol glucose (hiệu suất 60%).
•
EM
• glucose
a.citric và a.α -ketoglutaric
acid L-glutamic.
• C. glutamicum và Brevibacterium divaricatum cần biotin để tổng hợp
acid L-glutamic.
• C. glutamicum để sản xuất L-lysin
• Enterobacteriaceae và Pseudomonadaceae sản xuất L-homoserin,
L-valin, L-isoleucin, L-tryptophan, L-tyrosin ... .
• Việt Nam dùng chủng Corynebacterium 2969 với môi trường là rỉ
đường mía là nguồn biotin và chất sinh trưởng thay cho cao ngô
trong môi trường sinh tổng hợp a. glutamic.

OXY HÓA KHÔNG HOÀN TOÀN

4.4. Sự phân giải các hợp chất hữu cơ chứa nitơ (thối rữa)
Cơ chất của sự thối rữa là protein.
Do tạo ra sản phẩm là NH3, nên người ta vẫn gọi quá trình
phân giải protein là quá trình amon hóa (amonification).
enzym phân giải

enzym peptidase

protein ngoại bào

ngoại bào

Protein

polypeptid, các oligopeptid

acid amin

tổng hợp protein
phân giải thành NH3, CO2
và các sản phẩm trung gian khác