Bài giảng Vi sinh - Bài 4: Sự trao đổi chất của vi sinh vật - Bùi Hồng Quân

Nội dung text: Bài giảng Vi sinh - Bài 4: Sự trao đổi chất của vi sinh vật - Bùi Hồng Quân

1. Phương thức tạo ATP ở VSV 1. Phosphoryl hóa mức cơ chất: ATP được tạo thành trong phản ứng ôxi hóa khửcơ chất, không co sự tham gia của chuỗi truyền điện tử và nhhì thành điện thế màng 2. Phosphoryl hóa ôxi hóa: ATP được tạo thành từđi ện thế màng hình thành trong chuỗi truyền điện tử Bùi Hồng Quân buihongquan.com
2. Tạo ATP bằng phosphoryl hóa cơ chất trong chu trình đường phân Bùi Hồng Quân buihongquan.com
3. Tạo ATP bằng phosphoryl ôxi hóa trong hô hấp Bùi Hồng Quân buihongquan.com
4. Tạo ATP bằng phosphoryl ôxi hóa trong hô hấp 1. Phân biệt theo cơ chế tạo ATP: - Lên men: ATP được tạo ra theo cơ chế phosphoryl hóa cơ chất - Hô hấp: ATP được tạo thành theo cơ chế phosphoryl hóa ôxi hóa - Quang hợp: ATP theo cơ chế quang phosphoryl hóa ôxi hóa 2. Phân biệt theo nguồn năng lượng: - Hóa năng (chemotroph): nguồn năng lượng (chất cho e-) là hợp chất hóa học + Hóa năng vô cơ (chemolithotroph) + Hóa năng hữu cơ (chemoorganotroph) - Quang năng (phototroph): nguồn năng lượng là ánh sáng Bùi Hồng Quân buihongquan.com
5. Lên men (fermentation) - Lên men: điện tử từ một chất hữu cơ bị ôxi hóa được chuyển đến sản phẩm lên men là chất hữu cơ để cân bằng phản ứng ôxi hóa khử. ATP được tạo ra theo cơ chế phosphoryl hóa cơ chất - Cơ bản là đường phân (con đường Embden – Meyerhoff) - Chất cho điện tử luôn là chất hữu cơ, thường là đường (glucose) - Glucose được hoạt hóa cần ATP, sau đó bị ôxi hóa, điện tử được chuyển cho NAD và xảy ra sự phosphoryl hóa mức cơ chất - Chỉ 2 – 4 phân tử ATP từ một phân tử glucose - Sản phẩm cuối: pyruvate hay một dẫn xuất biến dưỡng từ pyruvate sẽ trở thành chất nhận điện tử từ NADH để tái tạo lại NAD Bùi Hồng Quân buihongquan.com
6. Bùi Hồng Quân buihongquan.com
7. Bùi Hồng Quân buihongquan.com
8. Hô hấp (respiration) - Điện tửt ừch ất cho (vô cơ, hữu cơ) qua chuỗi truyền điện tử được truyền đến chất nhận điện tửcu ối cùng ở ngoài môi + trường như O2, NO3 ATP được tạo thành theo cơ chế phosphoryl hóa ôxi hóa. - Chất cho điện tử: + Hữu cơ: đường, CH4, cồn, axít hữu cơ - 2+ + Vô cơ: H2, H2S, S, NH3, NO2 , Fe - Phân biệt hô hấp theo chất nhận điện tửcu ối cùng: + LàO 2: Hô hấp hiếu khí(aerobic respiration) - - 2- 3+ + Không làO 2 (NO3 , CO3 , SO4 , Fe ): Hô hấp kỵ khí (anaerobic respiration) Bùi Hồng Quân buihongquan.com
9. Hô hấp hữu cơ hiếu khí vàchu ỗi truyền điện tử • - Điện tử từ chất cho hữu cơ được chuyển đến chất truyền điện tử trung gian như NADH, FADH2 • - NADH, FADH2 truyền điện tử vào chuỗi truyền điện tử (electron transport) trên màng, chất nhận điện tử cuối cùng là O2 • - Chuỗi truyền điện tử: tập hợp các chất mang điện tử trung gian (flavoprotein, cytochrome, quinone ) được sắp xếp trong màng tế bào chất sao cho điện tử và proton được truyền từ chất mang này sang chất mang kia Bùi Hồng Quân buihongquan.com
10. Chuoãi truyeàn ñieän töû trong hoâ haáp hieáu khí Bùi Hồng Quân buihongquan.com
11. Động lực proton vàs ự lưu trữnăng lượng từchu ỗi truyền điện tử - Qua chuỗi truyền điện tử, proton được đẩy ra bên ngoài màng tế bào và điện tử được quay vào trở lại tế bào chất - Một gradient proton được hình thành qua màng: trạng thái tích năng lượng của màng được gọi là động lực proton - Sự cho qua có kiểm soát các proton qua màng sẽ tạo công dùng để vận chuyển ion, quay tiêm mao, tổng hợp ATP - ATP được tổng hợp nhờ ATPase Bùi Hồng Quân buihongquan.com
12. Taïo ATP baèng phosphoryl oâxi hoùa trong hoâ haáp Bùi Hồng Quân buihongquan.com
13. Hô hấp vô cơ hiếu khí - Điện tử từ chất cho vô cơ (hydrogen, sulfide, sulfur, ammonium, nitrite, ferrous ion) được truyền quan chuỗi truyền điện tử đến O2 - ATP bằng phosphoryl hóa ôxi hóa - Các VSV hô hấp vô cơ hiếu khí: + Vi khuẩn hydrogen (hydrogen bacteria) hay VK ôxi hóa - - H2 : dùng H2 làm chất cho e , chất nhận e cuối cùng là O2 - Vi khuẩn lưu huỳnh (sulfur bacteria) hay VK ôxi hóa lưu - - huỳnh: dùng H2S, S làm chất cho e , chất nhận e cuối cùng là O2 - Vi khuẩn ôxi hóa sắt (iron-oxidizing bacteria): dùng Fe2+ là - - chất cho e , chất nhận e cuối cùng là O2 - - Vi khuẩn nitrate hóa (nitrifying bacteria): dùng NH3, NO2 - Bùi Hồng Quân -buihongquan.com làm chất cho e , chất nhận e cuối cùng là O2
14. Chuỗi truyền điện tử của vi khuẩn hydrogen Bùi Hồng Quân buihongquan.com
15. Chuỗi truyền điện tử của vi khuẩn lưu hùynh Bùi Hồng Quân buihongquan.com
16. Chuỗi truyền điện tử của vi khuẩn sắt Bùi Hồng Quân buihongquan.com
17. Chuỗi truyền điện tử của vi khuẩn ôxi hóa nitơ Bùi Hồng Quân buihongquan.com
18. Chuỗi truyền điện tử của vi khuẩn nitrate hóa Bùi Hồng Quân buihongquan.com
19. Hô hấp kỵ khí (anaerobic respiration) - Hô hấp kỵ khí: thu năng lượng từ chất cho điện tử là hợp chất hữu cơ (đa số) hay hợp chất vô cơ (H2), chất nhận điện tử sau cùng không phải là ôxi (diễn ra trong điều kiện không có sự hiện diện của O2) - ATP được tạo thành theo cơ chế phosphoryl hóa ôxi hóa - Hiệu quả tạo ATP thấp hơn hô hấp hiếu khí - Đặt tên theo chất nhận điện tử sau cùng: - + NO3 : sự phản nitrate hóa - VK phản nitrate hóa (denitrifying bacteria); sự hô hấp nitrate (nitrate respiration) 2- + SO4 : sự khử sulfate - VK khử sulfate (sulfate-reducing bacteria); sự hô hấp sulfate (sulfate respiration) 2- + CO3 : sự khử carbonate, VK sinh methane (methanogen), VK sinh acetate đồng hình; sự hô hấp carbonate (carbonate respiration) + Fe3+: sự khử sắt tam; sự hô hấp sắt (iron respiration) Bùi Hồng Quân buihongquan.com
20. Chuỗi truyền điện tửtrong phản nitrate hóa Bùi Hồng Quân buihongquan.com
21. Chuỗi truyền điện tử trong sự khử sulfate Bùi Hồng Quân buihongquan.com
22. Sự khử carbonate sinh methane vàsinh acetate Bùi Hồng Quân buihongquan.com
23. Quang hợp (photosynthesis) - Là sự chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học và đồng hóa CO2 (khử CO2 thành chất hữu cơ cho tế bào) - Gồm 2 phản ứng tương đối độc lập nhau: + Phản ứng sáng: chuyển năng lượng bức xạ thành năng lượng hóa học + Phản ứng tối: khử CO2 thành vật liệu tế bào. - Phản ứng sáng của quang hợp là cơ chế thu năng lượng của VSV biến dưỡng quang năng - Năng lượng của ánh sáng được chuyển đến điện tử của sắc tố. Điện tử này được truyền qua chuyển truyền điện tử trong hệ quang để tạo ATP hoặc tạo lực khử NADH, NADPH - ATP được tạo thành theo cơ chế phosphoryl ôxi hóa (quang phosphoryl ôxi hóa) Bùi Hồng Quân buihongquan.com
24. Chuỗi truyền điện tửtrong hệ quang Bùi Hồng Quân buihongquan.com
25. Biến dưỡng năng lượng và vật chất Bùi Hồng Quân buihongquan.com
26. Biến dưỡng năng lượng và vật chất - Biến dưỡng năng lượng là cơ chế tế bào thu năng lượng cần cho hoạt động sống - Biến dưỡng vật chất là cơ chế tế bào thu lấy nguồn carbon cần cho sự tổng hợp các thành phần của tế bào: + Tự dưỡng (autotroph): nguồn C từ CO2 + Dị dưỡng (heterotroph): nguồn C từ chất hữu cơ - Các dạng biến dưỡng năng lượng và vật chất chủ yếu: + Quang năng tự dưỡng (photoautotroph) + Quang năng dị dưỡng (photoheterotroph) + Hóa năng vô cơ tự dưỡng (chemolithoautotroph) + Hóa năng vô cơ dị dưỡng (chemolithoheterotroph) + Hóa năng hữu cơ dị dưỡng (chemorganotroph) Bùi Hồng Quân buihongquan.com
27. So sánh các phương thức biến dưỡng năng lượng vàv ật chất - Hiệu quả tạo ATP giữa các phương thức biến dưỡng năng lượng: + Cùng một chất cho điện tử: hô hấp hiếu khí > lên men; Hô hấp hiếu khí > hô hấp kỵ khí + Khác chất cho điện tử, chất nhận điện tử: phụ thuộc vào độ lệch giữa thế khử của chất cho điện tử và chấn nhận điện tử - Tự dưỡng cần nhiều năng lượng hơn dị dưỡng. Với cùng một phương thức biến dưỡng năng lượng, VSV dị dưỡng tăng trưởng nhanh hơn VSV tự dưỡng - Một VSV có thể có khả năng biến dưỡng năng lượng và vất chất khác nhau Bùi Hồng Quân buihongquan.com
28. Biến dưỡng vật chất hữu cơ bởi vi sinh vật - Biến dưỡng carbon: + Biến dưỡng polysaccharide + Biến dưỡng các acid hữu cơ + Biến dưỡng lipid + Biến dưỡng hydrocarbon - Biến dưỡng nitrogen Bùi Hồng Quân buihongquan.com
29. Biến dưỡng nitrogen - Nitrogen được cung cấp từ nguồn hữu cơ (như amino acid) hoặc vô cơ - - Vi sinh vật sử dụng đạm vô cơ ở dạng NH3 và NO3 , N2 - Khi nhiều NH3, glutamate dehydrogenase xúc tác sự gắn NH3 vào các hợp chất hữu cơ - Khi nồng độ NH3 thấp, glutamine synthetase– glutamate synthase chuyển NH3 và -ketoglutarate thành glutamate - Cố định đạm N2 thành NH3 được xúc tác bởi một phức hợp enzyme là nitrogenase bị bất hoạt bởi O2 Bùi Hồng Quân buihongquan.com
30. Dị hóa vàđ ồng hóa - Dị hóa (catabolism): các quá trình biến dưỡng năng lượng nhằm tạo năng lượng cho tế bào - Đồng hóa (anabolism): các quá trình biến dưỡng vật chất thu năng lượng nhằm tạo ra các đơn phân dùng để tạo các hợp chất đại phân tử sinh học cho tế bào Bùi Hồng Quân buihongquan.com
31. Đồng hóa vàsinh tổng hợp các đường đơn - Khung carbon cũng được cung cấp bởi các con đường dị hóa, đặc biệt là đường phân và chu trình TCA. - Đường được cung cấp từ môi trường bên ngoài hoặc được tổng hợp bên trong tế bào, dùng để sinh tổng hợp vách tế bào, polysaccharide, nucleic acid - Sự tổng hợp glucose từ nguyên liệu không phải là carbohydrate được gọi là gluconeogenesis: phosphoenol pyruvate từ chu trình TCA và hai chất trung gian là glucose 6-phosphate và UDP-glucose Bùi Hồng Quân buihongquan.com
32. Bùi Hồng Quân buihongquan.com
33. Bùi Hồng Quân buihongquan.com
34. Đồng hóa vàsinh tổng hợp các amino acid • 20 amino acid có thể được chia thành 5 nhóm dựa vào tiền chất của chúng. • Mỗi nhóm có con đường sinh tổng chung để tạo thành tiền chất tương ứng Bùi Hồng Quân buihongquan.com
35. Đồng hóa vàsinh tổng hợp các amino acid • Nitrogen được đưa vào hầu hết các amino acid bởi các phản ứng chuyển amin dùng nhóm amine của glutamate; glutamate được tái tạo bằng NH3 và glutamate dehydrogenase Bùi Hồng Quân buihongquan.com
36. Đồng hóa vàsinh tổng hợp các nucleotide Nucleotide là purine được tổng hợp bằng cách thêm từng nguyên tử N vào khung đường-phosphate Pyrimidine được tổng hợp trước khi gắn đường vào để tạo nucleoside Bùi Hồng Quân buihongquan.com
37. Đồng hóa vàsinh tổng hợp axít béo • Acid béo được tổng hợp bằng cách thêm dần các phân tử acetyl- CoA để tạo thành mạch dài với sự hỗ trợ của acyl carrier protein (ACP) Bùi Hồng Quân buihongquan.com
38. Tăng trưởng ở vi sinh vật Bùi Hồng Quân buihongquan.com
39. Tăng trưởng của quần thểvi sinh vật - Tế bào phân đôi - Số lượng tế bào sẽ tăng theo thời gian và sinh khối sẽ được tổng hợp với vận tốc tăng dần khi quần thể tăng trưởng - Tế bào tăng trưởng với vận tốc không đổi nhưng số lượng tế n bào tăng lên theo hàm mũ (tăng trưởng hàm mũ) N = No 2 - Thời gian giữa hai lần phân đôi được gọi là thời gian thế hệ (generation time) - Biến thiên của số lượng tế bào theo thời gian được biểu diễn bằng đồ thị tương quan giữa hàm logarithm của số tế bào theo thời gian nuôi. Bùi Hồng Quân buihongquan.com
40. Các hình thức sinh sản vô tính ở VSV Bùi Hồng Quân buihongquan.com
41. Bùi Hồng Quân buihongquan.com
42. Bùi Hồng Quân buihongquan.com
43. Bốn pha tăng trưởng của quần thể vi sinh vật trong nuôi cấy mẻ • Pha tiềm tàng (lag phase) Pha hàm mũ (exponential phase) • Pha ổn định (stationary phase) Pha chết (death phase) Bùi Hồng Quân buihongquan.com
44. Đo sự tăng trưởng của quần thể vi sinh vật - Đếm trực tiếp bằng kính hiển vi - Đếm số tế bào sống (đếm khuẩn lạc) - Cân sinh khối - Đo độ đục - MPN (Most Probable Number) Bùi Hồng Quân buihongquan.com
45. Bùi Hồng Quân buihongquan.com
46. Bùi Hồng Quân buihongquan.com
47. Bùi Hồng Quân buihongquan.com
48. Bùi Hồng Quân buihongquan.com
49. Bùi Hồng Quân buihongquan.com
50. Ảnh hưởng của chất dinh dưỡng lên tăng trưởng của quần thể VSV trong nuôi cấy mẻ • Chất dinh dưỡng ảnh hưởng đồng thời đến tốc tộ tăng trưởng và hiệu suất tăng trưởng (mật độ tế bào, sinh khối) ở nồng độ thấp; chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất tăng trưởng ở nồng độ đủ cao Bùi Hồng Quân buihongquan.com
51. Đặc tính tăng trưởng của quần thể VSV trong nuôi cấy liên tục - Hệ ổn hóa (chemostat) - Tốc độ pha loãng: thời gian cần để bổ sung thay mới 100% môi trường - Đặc điểm: pha hàm mũ kéo dài; ở trạng thái ổn định nồng độ của chất dinh dưỡng giới hạn và số lượng tế bào không thay đổi theo thời gian Bùi Hồng Quân buihongquan.com
52. Ảnh hưởng của chất dinh dưỡng lên sự tăng trưởng của quần thểVSV trong nuôi cấy liên tục - Ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng (growth rate): + Tốc độ tăng trưởng thay đổi theo tốc độ pha loãng + Khi lượng chất dinh dưỡng được thu nhận vào tế bào không đáp ứng được nhu cầu tăng trưởng của tế bào - Ảnh hưởng đến năng suất tăng trưởng (growth yield): + Năng suất tăng trưởng thay đổi theo nồng độ chất dinh dưỡng giới hạn + Nồng độ chất dinh dưỡng thấp làm giảm tổng sinh khối của quần thể - 1 mole ATP từ dị hóa tạo ra 9 – 10g sinh khối khô của tế bào Bùi Hồng Quân buihongquan.com
53. Bùi Hồng Quân buihongquan.com
54. Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường lên sự tăng trưởng của quần thể VSV - Nhiệt độ tăng giúp tế bào có thể tăng trưởng nhanh hơn nhưng cógi ới hạn nhiệt độ: + Vi sinh vật ôn hòa + Vi sinh vật ưa hàn + Vi sinh vật ưa nhiệt + Vi sinh vật ưa nhiệt cao - pH - Áp suất thẩm thấu và nước hoạt tính - Ôxi phân tử + Hiếu khí + Kỵ khí + Kỵ khí tùy ý Bùi Hồng Quân buihongquan.com
55. Bùi Hồng Quân buihongquan.com
56. Bùi Hồng Quân buihongquan.com
57. Kiểm soát sự tăng trưởng của vi sinh vật Bùi Hồng Quân buihongquan.com
58. Các phương pháp kiểm soát tăng trưởng - Kiểm soát tăng trưởng: ức chế tăng trưởng, diệt tế bào hoặc loại bỏ vi sinh vật - Chất kháng khuẩn: các chất diệt khuẩn (bactericidal), chất ức chế tăng trưởng (bacteriostatic) - Sự khử trùng (sterilization) là quá trình diệt hoặc loại tất cả sinh vật sống, virút ra khỏi môi trường: nhiệt, lọc và chiếu xạ Bùi Hồng Quân buihongquan.com
59. Khử trùng bằng nhiệt - Nhiệt độcao diệt tế bào vi sinh vật: biến tính protein, DNA, chức năng màng - Tốc độ chết phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian xử lý theo một hàm mũ - Thời gian giảm thập phân: khoảng thời gian làm giảm số lượng tế bào trong quần thể theo hệ số 10-1 - Khử trùng nhiệt ẩm - Khử trùng Pasteur - Khử trùng nhiệt khô Bùi Hồng Quân buihongquan.com
60. Khử trùng bằng chiếu xạ - Vi sóng, chiếu xạ tia tử ngoại, tia X, tia gamma và chùm điện tử. - Tia tử ngoại: không xuyên thấu, sát trùng bề mặt, không khí hoặc chất lỏng không hấp thụ các bước sóng UV - Các tia gamma, tia X: tính xuyên thấu cao hơn, bảo quản thực phẩm, dụng cụ y tế Bùi Hồng Quân buihongquan.com
61. Bùi Hồng Quân buihongquan.com
62. Khử trùng bằng phương pháp lọc - Màng lọc phân tử - Dùng cho môi trường chứa các phân tử có hoạt tính sinh học nhạy cảm với nhiệt Bùi Hồng Quân buihongquan.com
63. Bùi Hồng Quân buihongquan.com
64. Kiểm soát tăng trưởng của vi sinh vật bằng hóa chất - Chất diệt vi sinh vật (-cidal agent): chất diệt vi khuẩn (bactericidal), chất diệt nấm (fungicidal), chất diệt virút (viricidal) - Chất ức chế vi sinh vật (-static agent): chất ức chế vi khuẩn (bacteriostatic), chất ức chế nấm (fungistatic), chất ức chế virút (viristatic) - Chất làm tan vi khuẩn (bacteriolytic agent) - Chất sát khuẩn (disinfectant) dùng cho vật liệu không sống - Chất kháng khuẩn (antiseptic) dùng trên mô sống Bùi Hồng Quân buihongquan.com
65. Xác định hoạt lực của kháng sinh - Phương pháp đĩa kháng sinh va vòng vô khuẩn Bùi Hồng Quân buihongquan.com
66. Nồng độ ức chết ối thiểu (minimum inhibitory concentration, MIC) Bùi Hồng Quân buihongquan.com
67. Kháng sinh - Kháng sinh (antibiotic): nguồn gốc vi sinh vật hoặc tổng hợp hóa học có tác dụng ức chế tăng trưởng của các vi sinh vật khác - Mục tiêu tác dụng: vách tế bào, màng và sinh tổng hợp protein - Tính kháng kháng sinh của vi khuẩn gây bệnh: (1) không có mục tiêu tác dụng; (2) tính không thấm của thuốc; (3) enzyme làm mất hoạt tính của kháng sinh - Khaùng sinh (antibiotic): nguoàn goác vi sinh vaät hoaëc toång hôïp hoùa hoïc coù taùc duïng öùc cheá taêng tröôûng cuûa caùc vi sinh vaät khaùc - Muïc tieâu taùc duïng: vaùch teá baøo, maøng vaø sinh toång hôïp protein - Tính khaùng khaùng sinh cuûa vi khuaån gaây beänh: (1) khoâng coù muïc tieâu taùc duïng; (2) tính khoâng thaám cuûa thuoác; (3) enzyme laøm maát hoaït tính cuûa khaùng sinh Bùi Hồng Quân buihongquan.com
68. Bùi Hồng Quân buihongquan.com
69. Các chất đồng dạng nhân tốtăng trưởng (Gowth analog) Bùi Hồng Quân buihongquan.com