SINH LÝ HỌC VI SINH VẬT

28
BÀI 4. SINH LÝ HỌC VI SINH VẬT

I. Dinh dưỡng của vi sinh vật:
1. Khái niệm chung:
- Chất sinh dưỡng là những chất được vi sinh vật hấp thụ từ môi trường xung
quanh và được chúng dùng làm nguyên liệu để cung cấp cho quá trình sinh tổng
hợp tạo ra các thành phần của tế bào hoặc để cung cấp cho các quá trình trao đổi
năng lượng.
- Quá trình dinh dưỡng là quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng để thoả mãn
mọi nhu cầu sinh trưởng và phát triển.
2. Thành phần hoá học của tế bào vi sinh vật:
Thành phần hoá học của tế bào vi sinh vật quyết định nhu cầu dinh dưỡng
của chúng. Thành phần hoá học cấu tạo bởi các nguyên tố C, H, O, N, các nguyên
tố khoáng đa lượng, vi lượng.
a. Nước:
Nước là thành phần chủ yếu của tế bào vi sinh vật, thường chiếm 70 –
90% khối lượng cơ thể. Ở vi khuẩn hàm lượng nước trong tế bào thường là 70 –
85%, nấm men 73 – 82%, nấm mốc 85 – 90%. Tất cả các quá trình phân giải và
tổng hợp xảy ra trong tế bào vi sinh vật đều cần nước làm môi trường, do đó nếu
mất nước đến một lượng nào đó cơ thể vi sinh vật sẽ bị chết hoặc ngừng hoạt động.
Trong tế bào, nước thường tồn tại ở 2 trạng thái: nước tự do và nước liên kết. Nước
tự do gồm các chất dịch chứa trong tế bào, nó không tham gia vào hợp chất hoá học
của tế bào nên dễ dàng bay hơi khi sấy khô. Nước liên kết tham gia vào cấu tạo các
hợp chất hữu cơ trong tế bào nên rất khó tách ra.
b. Các chất khoáng:
Các chất khoáng chiếm 2 – 5% khối lượng khô của tế bào. Chúng
thường tồn tại dưới dạng muối sunphat, cacbonat, clorua... Trong tế bào chúng
thường ở dạng các ion: dạng cation như Mg
2+
, Ca

2+
, K
+
, Na
+
..., dạng anion như
HPO
4

2-
, SO
4

2-
, HCO
3

-
, Cl
-
... Các ion trong tế bào vi sinh vật luôn luôn tồn tại ở
những tỷ lệ nhất định nhằm duy trì pH và áp lực thẩm thấu thích hợp cho từng loại
vi sinh vật.
Khi sử dụng môi trường thiên nhiên để nuôi cấy vi sinh vật người ta thường
không cần thiết bổ sung nguyên tố khoáng bởi vì trong các nguyên liệu dùng làm
môi trường (khoai tây, nước thịt, sữa, huyết thanh, pepton, giá đậu...) thường chứa
đủ các nguyên tố khoáng cần thiết đối với vi sinh vật. Tuy nhiên khi làm các môi
trường tổng hợp (dùng nguyên liệu là các hoá chất) bắt buộc phải bổ sung đủ các
nguyên tố khoáng cần thiết. Những nguyên tố khoáng mà vi sinh vật đòi hỏi phải
được cung cấp với liều lượng lớn được gọi là nguyên tố đa lượng (nồng độ từng

nguyên tố khoảng 10
-3
– 10
-4
), còn những nguyên tố khoáng mà vi sinh vật đòi hỏi
với những liều lượng rất nhỏ (chỉ vào khoảng 10
-6
– 10
-8
) gọi là các nguyên tố vi
lượng: Các nguyên tố đa lượng như: P, K, Ca, S, Mg...Các nguyên tố vi lượng như:
Mn, Cu, Co, B...
29
Trong các nguyên tố đa lượng thì nguyên tố P chiếm tỷ lệ lớn nhất (thường
chiếm 50% so với tổng số nguyên tố khoáng có trong cơ thể). Nó có mặt trong
nhiều thành phần quan trọng của tế bào (axit nucleic, photphoprotein, photpholipit,
một số vitamin và nhiều enzim). Sự có mặt của muối photphat, nhất là photphat kali
còn có tác dụng tạo ra tính đệm của môi trường. Ví dụ: hỗn hợp của muối KH
2
PO
4

và K
2
HPO
4
với tỷ lệ thích hợp có thể tạo ra mức pH ổn định trong khoảng pH = 4,5
– 8,0.
Nguyên tố S có mặt trong một số axit amin (xistin, xistein, metionin), một số
vitamin (B1, B7) và một số coenzim có vai trò quan trọng trong quá trình oxy hoá

khử.
Nguyên tố K cũng là một nguyên tố chiếm tỷ lệ khá lớn trong số các nguyên
tố khoáng của tế bào. Kali thường tồn tại ở dạng ion K
+
ở mặt ngoài của cấu trúc tế
bào, một phần tồn tại ở trạng thái liên kết lý hoá không bền với protein và các thành
phần khác của nguyên sinh chất. Kali có thể tác dụng như các ion kom loại khác
thông qua việc ảnh hưởng đến tính chất hoá keo và hoạt động xúc tác của các
enzim. Kali tham gia vào việc hoạt hoá một số enzim như amylaza, invertaza, ATP-
aza, ....Kali làm tăng độ ngậm nước của các hệ thống keo do đó ảnh hưởng đến các
quá trình trao đổi chất, nhất là các quá trình tổng hợp. Kali còn có thể tham gia vào
quá trình tổng hợp một số vitamin như tiamin, và có những ảnh hưởng đáng kể đến
quá trình hô hấp của tế bào vi sinh vật.
Nguyên tố Mg tham gia vào nhiều phản ứng enzim có liên quan đến quá
trình photphorin hoá, tham gia hoạt hoá nhiều enzim. Ngoài ra nó còn có vai trò
quan trọng trong việc liên kết hoặc tách rời các tiểu phần riboxom với nhau.
Nguyên tố Fe tham gia vào thành phần nhiều enzim có chứa gốc pocphirin
(xitocrom, xitocrom oxydaza, peroxidaza...), tham gia vào thành phần sắc tố quang
hợp ở vi sinh vật tự dưỡng quang năng.
Nguyên tố Ca có vai trò đáng kể trong việc xây dựng cấu trúc tinh vi của tế
bào. Ca đóng vai trò là cầu nối trung gian giữa nhiều thành phần quan trọng của tế
bào sống như giữa ADN và prrotein trong nhân, giữa protein và ARN trong
riboxom, giữa các nucleotit với nhau.
Nguyên tố Na và Cl cũng là các nguyên tố mà nhiều vi sinh vật đòi hỏi với
số lượng không nhỏ, nhưng cho đến nay vai trò sinh lý của chúng vẫn còn được biết
rất ít.
Nguyên tố Mn có chứa trong một số men hô hấp và có vai trò quan trong
trong hoạt hoá một số enzim khác.
Ngoài ra các nguyên tố khác như Zn, Cu, CO, Mo cũng là những nguyên tố
tham gia vào cấu trúc hoặc hoạt hoá nhiều loại enzim khác trong tế bào.

c. Chất hữu cơ:
Chất hữu cơ trong tế bào vi sinh vật chủ yếu được cấu tạo từ các
nguyên tố C, H, O, N, S, P... Riêng 4 nguyên tố C, H, O, N chiếm 90 – 97% toàn bộ
chất khô của tế bào. Đây là những nguyên tố chính tham gia cấu tạo protein, axit
nucleic, lipit, hydratcacbon.
30
*Protein: cấu tạo chủ yếu bởi các nguyên tố : C (50 – 55%), O (21- 24%), N
(15 – 18%), H (6,5 – 7,3%), S (0 – 0,24%), ngoài ra còn có một lượng rất nhỏ các
nguyên tố P, Fe, Zn, Cu, Mn, Ca,...Protein là thành phần chủ yếu của nguyên sinh
chất, nó chiếm khoảng 50 – 80% chất khô của tế bào. Protein tham gia vào cấu trúc
nhân, nguyên sinh chất, màng nguyên sinh chất và thành tế bào. Protein có cấu trúc
bậc 1, 2, 3, 4, các cấu trúc bậc 2, 3, 4 làm cho protein có cấu trúc không gian, chính
nhờ cấu trúc không gian này mà protein đảm nhận được những chức năng hết sức
phức tạp trong mọi hoạt động sống của sinh vật.
* Lipit: Lipit trong tế bào vi sinh vật thường có 2 nhóm: lipit đơn giản và
lipit phức tạp (lipoit). Lipit tập trung nhiều ở màng tế bào chất. Trong tế bào lượng
lipit ít (chỉ chiếm 3 – 7% khối lượng khô của tế bào) nhưng nó có ý nghĩa lớn đối
với đời sống tế bào, nó là chất dự trữ trong tế bào, đồng thời là nhân tố tích cực
chống đỡ các độc tố và các kháng sinh xâm nhập vào cơ thể.
- Lipit đơn giản (este của glyxerin và axit béo) chủ yếu là
triaxinglixerol.
- Lipit phức tạp bao gồm photpholipit, glicolipit.
* Gluxit: là nguồn dự trữ năng lượng và nguồn cacbon chủ yếu của tế bào vi
sinh vật. Nó có vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của vi sinh vật.
Gluxit tham gia vào cấu tạo axit nucleic, vào cấu trúc thành tế bào, vào vỏ nhầy...
của vi sinh vật. Lượng gluxit trong tế bào vi sinh vật cũng như động, thực vật ít hơn
so với các chất khác, chỉ chiếm 12 – 18% khối lượng khô của tế bào. Trong tế bào
vi sinh vật, gluxit có thể tồn tại ở dạng monosaccarit, oligosaccarit và polisaccarit.
* Axit nucleic: cấu tạo chủ yếu từ N (1 – 16%), P (9 – 10%), phần còn lại là
C, H, O. Axit nucleic có 2 loại: ADN và ARN. Axit nucleic có hai chức năng khá

quan trọng: trực tiếp tham gia quá trình sinh tổng hợp protein và mang mật mã di
truyền – một đặc điểm cực kỳ quan trọng đối với cơ thể sống.
* Enzim: trong cơ thể vi sinh vật có hàng trăm loại enzim, chúng hoạt động
rất nhịp nhàng, nhờ có hoạt động của enzim mà các quá trình tổng hợp, phân giải
trong cơ thể vi sinh vật diễn ra một cách bình thường.
Dựa vào bản chất hoá học có thể chia enzim làm 2 loại: enzim đơn giản
(tương ứng với protein đơn giản) và enzim phức tạp (ngoài phần protein còn có
phần hữu cơ không protein gọi là nhóm thêm hay coenzim hay cofecmen).
Dựa vào vị trí tác dụng của enzim đối với cơ thể vi sinh vật người ta chia
enzim làm 2 loại, đó là enzim nội bào (endoenzim) và enzim ngoại bào (exoenzim).
* Vitamin: rất nhiều vi sinh vật có khả năng tổng hợp vitamin. Sinh khối vi
sinh vật thường chứa hầu hết các loại vitamin chủ yếu với hàm lượng cao. Nấm men
thường chứa nhiều vitamin hơn các vi sinh vật khác. Phần lớn các loại coenzim là
vitamin hoặc các dẫn xuất của vitamin. Vitamin rất cần thiết cho vi sinh vật.
Vitamin được xem như là những chất xúc tác sinh học và một số lớn vitamin là
nguyên liệu để cấu tạo enzim. Nhiều vitamin có vai trò rất quan trọng trong các quá
trình oxy hoá khử và trong quá trình hoạt hoá axit amin. Nhiều vitamin tham gia
31
vào các coenzim có vai trò rất quan trọng trong các quá trình chuyển hoá vật chất
như trong chu trình Krebs, trong quá trình quang hợp.
* Sắc tố: một số vi sinh vật có khả năng tạo thành sắc tố, chẳng hạn các vi
sinh vật tự dưỡng quang năng có chứa sắc tố quang hợp, ngoài sắc tố quang hợp còn
có các loại sắc tố khác như: carotenoit, antoxianin, araquinon...Các sắc tố quyết
định màu sắc của khuẩn lạc khi nuôi cấy, ngoài ra sắc tố còn làm nhiệm vụ bảo vệ,
giúp cho vi sinh vật tránh khỏi ảnh hưởng có hại của ánh sáng thường và ánh sáng
tử ngoại. Một số loài vi sinh vật có sắc tố còn có khả năng sinh kháng sinh.

3. Các kiểu dinh dưỡng ở Vi sinh vật:
Căn cứ vào nhu cầu của vi sinh vật, người ta có thể chia thức ăn của vi sinh
vật làm 3 loại:

- Thức ăn năng lượng: là thức ăn sau khi hấp thụ sẽ cung cấp cho vi sinh vật
một số năng lượng cần thiết cho hoạt động sống, ví dụ: protein, gluxit, lipit...
- Thức ăn kiến tạo: là thức ăn sẽ tham gia xây dựng cấu trúc tế bào vi sinh
vật.
- Thức ăn đặc hiệu (yếu tố sinh trưởng): là những chất hữu cơ cần thiết đối
với hoạt động sống mà một loại vi sinh vật nào đó không tự tổng hợp được.
Căn cứ vào nguồn cacbon, nguồn năng lượng và nguồn chất nhận electron
cuối cùng, người ta chia vi sinh vật thành các kiểu dinh dưỡng sau đây:
* Căn cứ vào nguồn năng lượng:
- Vi sinh vật quang năng (phototroph).
- Vi sinh vật hoá năng (chemotroph).
* Căn cứ vào nguồn cacbon:
- Tự dưỡng cacbon (autotrophic).
- Dị dưỡng cacbon (heterotrophic).
* Căn cứ vào nguồn năng lượng và nguồn cacbon:
- Tự dưỡng cacbon quang năng (photolitotroph).
- Tự dưỡng cacbon hoá năng (chemolitotroph).
- Dị dưỡng cacbon hoá năng (chemoorganotroph).

a. Dinh dưỡng quang năng:
Vi sinh vật dinh dưỡng quang năng nhờ có sắc tố quang hợp mà có khả năng
hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời và chuyển hoá thành năng lượng hoá học
(tích luỹ trong ATP). Quá trình tạo thành ATP gắn liền với việc chuyển NAD từ
dạng oxy hoá sang dạng khử.


Hν (năng lượng mặt trời)
ADP + P
vc
ATP

Sắc tố quang hợp
NAD
ox
+ RH
2
NAD
kh
+ R
32

Ở cây xanh sắc tố quang hợp là Chlorophil, RH
2
là H
2
O và R là O
2
, trong khí
đó ở vi khuẩn quang hợp RH
2
không bao giờ là H
2
O và R không bao giờ là O
2
. RH
2
là chất cung cấp H
2
để khử CO
2
thành hợp chất hữu cơ của tế bào. RH

2
có thể là
chất vô cơ hoặc hữu cơ. Vi sinh vật sử dụng 2 hợp chất này thuộc về 2 nhóm khác
nhau: đó là nhóm dinh dưỡng quang năng vô cơ và nhóm dinh dưỡng quang năng
hữu cơ.
- Nhóm dinh dưỡng quang năng vô cơ: sử dụng chất vô cơ ngoại bào làm
nguồn cung cấp điện tử (H), thông thường là H
2
S. Ví dụ: vi khuẩn lưu huỳnh màu
lục (họ Chlorobiaceae), vi khuẩn lưu huỳnh màu tía (họ Chromotiaceae).
- Nhóm dinh dưỡng quang năng hữu cơ: dùng chất hữu cơ ngoại bào để làm
nguồn cung cấp điện tử như các axit hữu cơ, rượu hữu cơ. Nhóm này gồm một số
vi khuẩn thuộc họ Rhodospirillaceae, ví dụ: Rhodospirillum rubrum (xoắn khuẩn
màu hồng hay đỏ tía).




(C, O)
CO
2
Sinh khối


(H)

RH
2
R
2

RH
2
là chất cung cấp H
2
để khử CO
2
thành hợp chất hữu cơ của tế bào, RH
2
có
thể là chất hữu cơ hoặc vô cơ.
b. Dinh dưỡng hoá năng: vi sinh vật dinh dưỡng hoá năng sử dụng năng
lượng chứa trong các hợp chất hoá học. Tuỳ theo hợp chất hoá học người ta
có thể chia vi sinh vật dinh dưỡng hoá năng làm 2 loại:
* Dinh dưỡng hoá năng vô cơ: chất cho điện tử là chất vô cơ, chất nhận điện
tử là oxy hoặc một chất vô cơ khác. (C) (O)
CO
2
Sinh khối
H
2
M: hợp chất cho
năng lượng.
(H)
Q Q: Năng lượng
H
2
M 2M H
2

O

½(O
2
) (O)

33

Ví dụ: -Vi khuẩn Nitrosomonas có thể tiến hành quá trình sau:
2NH
3
+ 2O
2
2HNO
2
+ 4H + Q

CO
2
+ 4H + Q 1/6 (C
6
H
12
O
6
) + H
2
O.
* Dinh dưỡng hoá năng hữu cơ: chất cho điện tử là chất hữu cơ, chất nhận
điện tử là 0xy, chất hữu cơ hoặc chất vô cơ khác. Tuỳ theo chất nhận điện tử mà

chia thành 3 kiểu trao đổi chất khác nhau: hô hấp hiếu khí, lên men (hô hấp kỵ khí)
và hô hấp kỵ khí đặc biệt. Đa số vi sinh vật có kiểu dinh dưỡng này.
Vi sinh vật Chất cho điện tử Chất nhận điện tử
Vi sinh vật hiếu khí Chất hữu cơ O
2

Vi sinh vật lên men Chất hữu cơ Chất hữu cơ
Vi sinh vật kỵ khí đặc biệt:
- Vi khuẩn phản nitrat Chất hữu cơ NO
3
-

- Vi khuẩn phản sunphat Chất hữu cơ SO
4
2-

c. Dinh dưỡng Cacbon: Cacbon chiểm tỷ lệ trên 50% khối lượng khô của vi
sinh vật. Đây là yếu tố đặc biệt quan trọng trong cấu trúc của tế bào vi sinh vật. Hợp
chất cacbon là nguồn năng lượng quan trọng trong hoạt động sống. Tuỳ theo cách
sử dụng nguồn cacbon người ta chia vi sinh vật thành 2 nhóm: tự dưỡng cacbon và
dị dưỡng cacbon.
* Tự dưỡng cacbon: vi sinh vật tự dưỡng cacbon là loại vi sinh vật sử dụng
nguồn cacbon tự nhiên từ hợp chất cacbon vô cơ như CO
2
hoặc muối cacbonat.
Quá trình sinh tổng hợp từ hợp chất cacbon này cần phải có năng lượng. Vi
sinh vật có thể sử dụng 2 nguồn năng lượng khác nhau, đó là năng lượng ánh sáng
mặt trời và năng lượng hoá học nhờ sự oxy hoá hợp chất vô cơ. Tuỳ theo nguồn
năng lượng sử dụng mà người ta phân vi sinh vật thành 2 nhóm: tự dưỡng cacbon
quang năng và tự dưỡng cacbon hoá năng.

Ví dụ: các vi khuẩn có sắc tố như vi khuẩn S màu lục có chứa
Bacteriochlorophil, vi khuẩn S màu tía có chứa sắc tố Bacterioviridin thuộc nhóm tự
dưỡng quang năng, do có khả năng thực hiện phản ứng:
nCO
2
+ nH
2
S (CH
2
O)n + nH
2
O + nS
Vi khuẩn nitrat hoá, vi khuẩn sắt thuộc nhóm tự dưỡng hoá năng:
NH
3
+ 2O
2
HNO
3
+ H
2
O + 66,5 Kcal
2FeCO
3
+ ½ O
2
+ 3H
2
O 2Fe(OH)
3

+ 2CO
2
+ 40Kcal
* Dị dưỡng cacbon: vi sinh vật dị dưỡng cacbon là những vi sinh vật sử dụng
nguồn cacbon từ các hợp chất hữu cơ có sẵn trong tự nhiên. Nguồn năng lượng mà
nó thu được là do sự oxy hoá hoặc lên men các hợp chất hữu cơ này.
d. Dinh dưỡng Nitơ:
Nguồn thức ăn nitơ có ý nghĩa rất quan trọng đối với sự phát triển của vi sinh
vật. Nguồn nitơ dễ hấp thụ nhất là NH
4
+
và NH
3
. Chúng thâm nhập vào tế bào dễ
dàng và trong tế bào chúng được chuyển hoá thành các nhóm imin và amin. Nguồn
nitơ khó hấp thu hơn cả là nitơ trong không khí. Để sử dụng nguồn nitơ này vi sinh
34
vật phải khử thành NH
3
. Cùng với nguồn nitơ vô cơ, một số vi sinh vật có khả năng
sử dụng nitơ trong các hợp chất hữu cơ. Việc sử dụng nguồn nitơ hữu cơ thường
gắn liền với sự tách nhóm NH
3
ra. Do đó có thể coi NH
3
là trung tâm của tất cả các
con đường dinh dưỡng nitơ. Tuỳ theo nguồn nitơ được sử dụng, người ta chia vi
sinh vật thành 2 nhóm:
- Vi sinh vật tự dưỡng amin: là nhóm vi sinh vật tự tổng hợp nitơ từ những
nguồn nitơ vô cơ hay hữu cơ chuyển hoá thành dạng NH

3
để xây dựng cơ thể. Ví
dụ: vi sinh vật cố định nitơ, vi sinh vật amon hoá.
- Vi sinh vật dị dưỡng amin: là nhóm vi sinh vật xây dựng protein, nguyên
sinh chất của mình từ axit amin có sẵn. Axit amin được sử dụng một cách nguyên
vẹn không bị phân giải thành NH
3
.
e. Dinh dưỡng khoáng: (Xem phần các nguyên tố khoáng).
4. Cơ chế xâm nhập thức ăn qua màng tế bào vi sinh vật:
Để sinh trưởng và phát triển, tế bào vi sinh vật phải thường xuyên trao đổi
chất và năng lượng với môi trường xung quanh. Giữa môi trường và tế bào tồn tại
một hàng rào thẩm thấu, hàng rào này chính là màng nguyên sinh chất lipoprotein.
Màng nguyên sinh chất có khả năng điều chỉnh tinh vi sự ra vào của các chất khác
nhau. Sự vận chuyển các chất qua màng tế bào tuân theo một trong hai cơ chế:
a. Cơ chế khuếch tán thụ động (khuếch tán đơn giản): Theo cơ chế này các
chất đi qua màng nguyên sinh chất nhờ sự chênh lệch nồng độ (trong trường hợp
các chất không điện phân) hay chênh lệch điện thế (trong trường hợp các ion) ở hai
phía của màng. Sự vận chuyển này không đòi hỏi năng lượng. Tuy nhiên trong thực
tế, chỉ có nước, một số chất khí (CO
2
, O
2
), axit béo và một số chất tan trong lipit
vận chuyển theo cơ chế này. Đa số các chất hoà tan đi qua màng tuân theo cơ chế
vận chuyển đặc biệt.
b. Cơ chế vận chuyển đặc biệt (vận chuyển tích cực/chuyển hoá không
gian đặc biệt/khuếch tán xúc tiến):
Theo cơ chế này, các chất hoà tan muốn đi qua màng nguyên sinh chất trước
hết nó phải liên kết với một enzim vận chuyển nằm trên màng nguyên sinh chất, gọi

là pecmeaza (protein thấm), sau đó nó được chuyển vào bề mặt bên trong của màng,
từ đây các phân tử chất hoà tan được chuyển vào nguyên sinh chất.
Sự vận chuyển các chất nhờ pecmeaza có thể là thụ động (không cần năng
lượng), hoặc chủ động (cần năng lượng).
- Theo cơ chế vận chuyển tích cực thụ động, chất hoà tan liên kết thuận
nghịch vào một vị trí đặc biệt trên phân tử pecmeaza nằm ở bên trong màng (có thể
ở các lỗ của màng). Phức hợp “chất hoà tan – pecmeaza” được vận chuyển theo cả
hai phía của màng nhờ sự chênh lệch nồng độ của một chất nào đó, sự vận chuyển
này còn gọi là vận chuyển “xuôi dòng”.
- Đối với cơ chế vận chuyển tích cực chủ động: các chất sau khi liên kết với
pecmeaza, mặc dù đã có sự chênh lệch nồng độ, nhưng vẫn không đi qua được
màng tế bào, khi đó bắt buộc tế bào phải tiêu tốn một số năng lượng nhất định để
35
chuyển các chất này vào trong tế bào mặc dù nồng độ của chất này bên trong tế bào
cao hơn nhiều so với bên ngoài (chẳng hạn nồng độ K
+
) .
Sơ đồ vận chuyển các chất qua màng theo cơ chế vận chuyển tích cực:
Phía trong Màng Phía ngoài
S P P
S


PS PS
ATP

ADP + Pvc
Pi P S
S
“hoạt hoá lại”

* Kiểu chuyển dịch nhóm: kiểu này thường gặp ở sự vận chuyển đường của
vi khuẩn.
Ở vi khuẩn, hầu hết sự vận chuyển đường do hệ thống photphotranferaza
đảm nhận. Hệ thống này bao gồm 2 enzim (E
1
và E
2
) và 1 prôtein vận chuyển bền
nhiệt (HPr = Heast- stable carrier protein) có khối lượng phân tử thấp. Theo kiểu
vận chuyển này, trước hết E
1
chuyển photphat từ photphoenolpiruvat (PEP) đến
HPr:
E
1

HPr + PEP HPr-P + Piruvat
Sau đó E
2
chuyển photphat từ HPr-P đến C6 của đường đơn.
Chú ý: E
1
chung cho nhiều loại đường, E
2
đặc trưng cho từng loại đường.

Ngoài màng Trên màng tế bào chất Trong màng
E

2
glucoza
Glucoza PrH E
1
PEP

E
2
– glucoza PrH-P Piruvat

II. Sự trao đổi năng lượng:
1. Khái niệm: Các quá trình Oxyhoá - phân huỷ kèm theo việc giải phóng
năng lượng cần thiết cho hoạt động sống gọi là quá trình trao đổi năng lượng.
Ở động vật và thực vật bậc cao các quá trình này thường xảy ra với cơ
chất là các chất dự trữ của cơ thể (protein, gluxit, lipit) nhưng ở vi sinh vật do số
lượng các chất dự trữ thường rất nhỏ, vì thế chúng phải sử dụng chủ yếu là các hợp
chất lấy từ môi trường xung quanh.
36
2. Các loại hình hô hấp ở vi sinh vật:
Trong tự nhiên, các vi sinh vật lấy năng lượng từ quá trình oxy hoá – phân
huỷ các chất, các nhóm vi sinh vật khác nhau thì quá trình oxy hoá cũng khác nhau.
Hô hấp là quá trình oxy hoá khử sinh học các cơ chất của cơ thể để sinh ra
năng lượng cung cấp cho mọi hoạt động sống của cơ thể. Căn cứ vào điều kiện có
oxy hay không có oxy và nguồn chất nhận điện tử cuối cùng người ta chia vi sinh
vật thành 3 loại hình hô hấp:
- Hô hấp hiếu khí: xảy ra trong điều kiện có oxy không khí, chất nhận điện tử
cuối cùng là oxy.
- Hô hấp kỵ khí (lên men): xảy ra trong điều kiện không có oxy, chất nhận
điện tử là các hợp chất hữu cơ trung gian.
- Hô hấp kỵ khí đặc biệt: xảy ra trong điều kiện không có oxy, chất nhận điện

tử là các chất vô cơ (nitrat/ sunphat).
Cơ chất của hô hấp là các hợp chất hữu cơ, trong đó phổ biến nhất là
glucoza. Trong điều kiện kỵ khí glucoza được phân giải theo 3 con đường:
- Con đường EMP (Embden – Meyerhof – Parnas): trong điều kiện có O
2

hay không có O
2
, glucoza đều được chuyển hoá thành axit piruvic theo sơ đồ sau:



Glucoza
ATP

ADP

Glucozo-6-photphat




Fructozo-6-photphat
ATP

ADP

Fructozo-1,6-di photphat

Aldolaza

37
Dioxyaxetonphotphat Triozophotphatizomeraza 3P-glyxeraldehyt
NAD
+

NAD
+

H
3
PO
4


NADH
2
NADH
2


α – glyxerophotphat Axit-1,3 di-
photphoglyxeric
ADP

ATP

Glyxerin + H

3
PO
4

Axit photphotphoenolpiruvic Axit-2P-glyxeric Axit-3-
photphoglyxeric
ADP
H
2
O
ATP
Axit piruvic

Phương trình chung:
Glucoza - 2 ATP + 2 NAD
+
2 pyruvat + 4 ATP + 2 NADH
2


- Con đường HMP (Hexo-mono photphat)/ con đường pentozophotphat/ Chu
trình Warburg – Pickens: con đường này giúp cho nhiều vi khuẩn chuyển hoá
glucoza thành axit piruvic không qua con đường EMP (do bị đột biến thiếu một vài
en zim của con đường này), đồng thời con đường này cung cấp cho tế bào 2 tiền
chất khác là ribozơ – 5 photphat (dùng để tổng hợp axit nucleic) và eritrozơ - 4
photphat (cùng PEP để tổng hợp axit amin thơm), ngoài ra con đường này còn cung
cấp NADPH cần cho các phản ứng tổng hợp khử.Con đường HMP có sơ đồ sau:
Glucoza
ATP

ADP
Glucozo-6P
NADP
+


NADPH
2


38
Fructozo-6P 6P-
Gluconat
3P-glyxeraldehyt CO
2

CO
2


Fructozo 6P Xilulozo-5P
CO
2


Xilulo
zo-5P
Eritrozo-4-photphat
Ribulozo-5P

Xedoheptulozo-7 photphat

3- photphoglyxeraldehyt

Phương trình chung:
3 Hexozo-6-photphat + 6 NADP
+
2 hexozo-6-photphat + triozo-3-photphat + 3
CO
2
+ 6 NADPH
2


- Con đường ED (Entner Doudoroff)/ Con đường 2 – Keto – 3 deoxy – 6
photpho gluconat (KDPG): con đường này chỉ gặp ở một số vi khuẩn, ví dụ như
Pseudomonas. Con đường ED có sơ đồ sau:






ATP ADP NADP
+
NADPH
2

Glucoza Glucozo-6P Axit-6P-
gluconic



H
2
O

39
Axit-2ceto-
3dezoxy-6Pgluconic

Axit piruvic


3- photphoglyxeraldehyt

EMP

Axit piruvic

Phương trình chung:
Glucoza + ATP + NADP
+
+ NAD
+
2 pyruvat + 2ATP +
NADPH
2

+ NADH
2


Trong 3 con đường trên thì con đường EMP phổ biến hơn cả. Tỷ lệ phân giải
đường của các loài vi sinh vật khác nhau không giống nhau.
TỶ LỆ PHÂN GIẢI ĐƯỜNG THEO CÁC CON ĐƯỜNG Ở MỘT SỐ LOÀI
VI SINH VẬT

Vi sinh vật EMP (%) HMP (%) ED (%)
Saccharomyces cerevisiae 88 12 -
Candida utilis 66 – 81 19 – 34 -
Streptomyces griseus 97 3 -
Penicillium chrysogenum 77 23 -
Bacillus subtilis 74 26 -
Sarcina lutea 70 30 -
Gluconobacter oxydans - 100 -
Pseudomonas aeruginosa - 29 71
Alcaligenes eutrophus - - 100
Pseudomonas saccharophila - - 100
Ngoài glucozara, vi sinh vật còn có thể sử dụng nhiều loại đường khác nhau
để làm nguồn sinh năng lượng.
- Các đường đơn cũng giống như gluco trước hết phải trải qua giai đoạn
photphorin hoá, ví dụ:
+ Fructoza Fructozo 6P chu trình
EMP
+ Mannoza Mannozo 6P Fructozo 6P
EMP
40
- Các trisacarit và oligosacarit trước khi sử dụng cũng được vi sinh vật thuỷ

phân thành monosacarit.
a. Hô hấp hiếu khí (chu trình Krebs/ chu trình ATC):
Axit piruvic được hình thành từ một trong những con đường phân giải đường
nói trên sẽ được rất nhiều vi sinh vật oxy hoá triệt để thông qua chu trình Krebs để
tạo thành CO
2
và nước. Sự oxy hoá trong hô hấp hiếu khí thực chất là sự vận
chuyển hydrro từ cơ chất đến vật tiếp nhận. Ở đây oxy là vật tiếp nhận, hydro từ cơ
chất không trực tiếp kết hợp ngay với oxy mà được vận chuyển qua nhiều chặng
đường nhờ hệ thống vận chuyển xitocrom. H
+
được chuyển đến O
2-
tạo thành nước
và toả từ từ năng lượng cung cấp cho hoạt động sống của vi sinh vật. Quá trình phân
giải hoàn toàn một phân tử glucoza thành CO
2
và H
2
O sản sinh ra 38 phân tử ATP.
b. Hô hấp kỵ khí (lên men):
Đối với vi sinh vật kỵ khí thì quá trình oxy hoá sinh năng lượng không kèm
theo việc liên kết với oxy của không khí. Trong điều kiện không có oxy không khí,
chất hữu cơ vừa làm nhiệm vụ chất cho điện tử, vừa làm nhiệm vụ chất nhận điện
tử. Kết quả là một phần cơ chất bị khử, còn một phần khác bị oxy hoá. Trong quá
trong lên men, quá trình oxy hoá là do sự tách hydro ra khỏi cơ chất, hydro được
tách ra có thể được thải ra dưới dạng khí hoặc liên kết ngay với các sản phẩm phân
giải của chính chất hữu cơ đó. Sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men rất khác
nhau tuỳ theo từng loại vi sinh vật, ngoài CO
2

còn có các chất khác như rượu, axit
hữu cơ, andehyt, xeton. Về năng lượng: các quá trình lên men khác nhau cũng sản
sinh ra năng lượng không như nhau, ví dụ: lên men rượu sinh ra 28,2 kcalo, lên men
lactic sinh ra 18 kcalo, lên men butyric sinh ra 15 kcalo...
c. Hô hấp kỵ khí đặc biệt (hô hấp nitrat, hô hấp sunphat):
Hô hấp kỵ khí đặc biệt giống với quá trình hô hấp hiếu khí ở chỗ chất nhận
hydro là chất vô cơ, nhưng khác ở chỗ chất nhận hydro ở hô hấp hiếu khí là oxy
không khí còn ở hô hấp kỵ khí đặc biệt là nitrat hoặc sunphat.
Trong quá trình hô hấp nitrat và nhất là trong quá trình phản nitrat hoá, cơ
chất hữu cơ sẽ được oxy hoá hoàn toàn đến CO
2
và H
2
O, do đó năng lượng sinh ra
chỉ nhỏ hơn hô hấp hiếu khí khoảng 10%. Trong hô hấp sunphat cơ chất hữu cơ
thường không được oxy hoá triệt để nên năng lượng sinh ra không nhiều.
III. Sự trao đối chất :
1. Khái niệm chung:
Toàn bộ các hoạt động hoá học trong cơ thể nhằm đảm bảo cho cơ thể sinh
trưởng, phát triển thì gọi là quá trình trao đổi chất. Trao đổi chất được chia thành 2
phần lớn: tổng hợp và phân giải. Trong trao đổi chất của vi sinh vật chúng ta chủ
yếu tìm hiểu quá trình chuyển hoá các chất hữu cơ chứa nitơ và không chứa nitơ.
2. Quá trình chuyển hoá các hợp chất không chứa nitơ:
a. Chu trình chuyển hoá các bon trong tự nhiên:

CO
2
không khí và nước
Hô hấp Hô hấp
41

Quang hợp Đốt cháy Quang hợp

Thực vật trên cạn Khu công nghiệp Thực
vật thuỷ sinh

Hô hấp
CO
2
được hình thành do VSV
phân giải xác động, thực vật Cơ thể
động vật


Than đá, dầu hoả, khí đốt


Trong không khí cacbon tồn tại dưới dạng khí CO
2
và chiếm khoảng 0,03%
so với không khí. Tỷ lệ này khá ổn định và vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong
việc duy trì tỷ lệ CO
2
.
Hàng năm, lượng CO
2
trong không khí bị mất đi với một số lượng rất lớn do
sự quang hợp của cây xanh. Người ta ước tính nếu không có sự bù trả lại CO
2
cho

không khí thì số lượng CO
2
trong không khí chỉ đủ để cung cấp cho quang hợp của
cây xanh trong vòng 40 năm. Nhưng trong thực tế, song song với sự mất CO
2
trong
không khí do quá trình quang hợp luôn luôn có một lượng CO
2
gần như vậy được
sinh ra do quá trình hô hấp, quá trình đốt cháy nhiên liệu, đun nấu, quá trình phân
giải các xác hữu cơ nhờ vi sinh vật và quá trình hoạt động của núi lửa.
Riêng đối với vi sinh vật, chúng ta thấy rằng do tốc độ sinh sôi nảy nở rất
nhanh chóng, với tính đa dạng về mặt sinh lý và khả năng trao đổi chất mạnh mẽ, vi
sinh vật có vai trò to lớn trong việc thực hiện vòng tuần hoàn cacbon trong tự nhiên.
Nhiều nghiên cứu đã khẳng định 90% lượng CO
2
bù trả cho không khí là nhờ vi
sinh vật.
Dưới tác dụng của vi sinh vật, tất cả hợp chất hữu cơ chứa cacbon đều bị
phân giải:
- Nếu có O
2
thì sự phân giải tiến hành theo con đường oxy hoá triệt để, tạo
thành sản phẩm là CO
2
và nước.
- Nếu không có O
2
thì sự phân giải tiến hành theo con đường oxy hoá kỵ khí
hay còn gọi là quá trình lên men.

Tốc độ phân giải và chiều hướng phân giải các hợp chất hữu cơ phụ thuộc
vào bản chất của chất hữu cơ, loại hình vi sinh vật và điều kiện ngoại cảnh.
Sau đây chúng ta xét một số quá trình lên men và oxy hoá chủ yếu.

b. Các quá trình lên men:
42
Lên men là quá trình phân giải hydrat cacbon trong điều kiện kỵ khí.
Đây là quá trình oxy hoá khử cơ chất mà kết quả là một phần cơ chất bị khử còn
một phần khác thì lại bị oxy hoá. Oxy phân tử không tham gia vào quá trình oxy
hoá, sở dĩ ở đây có quá trình oxy hoá là do hidro được tách ra khỏi cơ chất. Hidro
được tách ra có thể được tách ra dưới dạng khí hoặc có thể lại được liên kết ngay
với chính sản phẩm phân giải của cơ chất hữu cơ đó. Năng lượng sinh ra trong quá
trình lên men sẽ chi phí một phần cho các phản ứng khử, ngoài ra còn được tích luỹ
lại trong liên kết cao năng.
Sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men ngoài CO
2
còn có cả
những hợp chất cacbon chưa được oxy hoá hoàn toàn như rượu, axit hữu cơ,
aldehyt, xeton. Tất cả các quá trình lên men đều bắt đầu từ sự phân giải đường trong
điều kiện kỵ khí theo con đường EMP để tạo thành axit piruvic. Việc chuyển hoá từ
axit piruvic trở đi ở các nhóm vi sinh vật khác nhau là không giống nhau. Người ta
thường dùng tên của sản phẩm điển hình sinh ra trong quá trình lên men để gọi tên
của quá trình lên men đó.
Ví dụ:
- Lên men rượu, sản phẩm chủ yếu là rượu etylic.
- Lên men lactic sản phẩm chủ yéu là axít lactic.
.......
Cơ chế chung của một số quá trình lên men quan trọng có thể trình bày bằng
sơ đồ sau:

GLUCOZA
Nấm men

ATP H CO
2
H
VK lactic
Axit lactic AXIT PIRUVIC Axetaldehit
Etanol
CO
2
H



VK propionic Nhóm VK đường ruột
Nhóm VK Clostridium


Axit oxaloaxetic Axetyl CoA + HCOOH Axetyl CoA + H
2
+
CO
2

H H ATP
ATP
H2 CO
2
Axetoaxetyl CoA Axit

axetic
Axit sucxinic Axit axetic Etanol
43
CO2

CO
2
CO
2
Axit butiric
Axeton

Axit propionic Axetoin ATP
H


Butanol Izopropanol

Butadion

* Quá trình lên men etylic (lên men rượu): Quá trình lên men rượu là quá
trình chuyển hoá đường glucoza thành rượu etylic và CO
2
, đồng thời làm sản sinh ra
một số năng lượng xác định dưới tác dụng của hệ thống enzim của một số vi sinh
vật. Tác nhân lên men rượu chủ yếu là các nấm men, đặc biệt là các nòi
Saccharomyces cerevisiae. Nhiều loài vi khuẩn kỵ khí và hiếu khí không bắt buộc
cũng có khả năng tạo thành rượu như là một sản phẩm chủ yếu hoặc sản phẩm phụ
của quá trình lên men các hexoza hay pentoza.
- Lên men rượu nhờ nấm men: Trong quá trình này glucoza được chuyển hoá

thành axit piruvic theo con đường EMP, sau đó axit piruvic sẽ bị decacboxyl hoá
thành axetaldehyt và axetaldehyt tiếp tục bị khử thành rượu etylic.
Cơ chế tóm tắt của quá trình lên men rượu:

Glucoza

2CH
3
CH
2
OH EMP
NAD
+

NADH
2
2CH
3
COCOOH

pyruvatdecacboxylaza
2CH
3
CHO
CO
2


Nếu cơ chất là các sản phẩm khác như tinh bột, xenluloza thì quá trình sẽ có
2 giai đoạn. Giai đoạn đầu là sự phân giải các chất này thành glucoza nhờ các nhóm

vi sinh vật phân giải tinh bột và xenluloza, sau đó glucoza được chuyển hoá thành
rượu nhờ nấm men.
Quá trình lên men rượu được ứng dụng để sản xuất rượu, bia và đồ uống có
gaz, làm nở bột mỳ. Tuỳ theo nguyên liệu và quá trình lên men, quy trình tinh chế