Bài giảng Vi sinh đại cương - Chương 3: Các quá trình sinh lý của vi sinh vật

CHƯƠNG 3 CÁC QUÁ TRÌNH SINH LÝ CỦA VI SINH VẬT C3.1 QUÁ TRÌNH DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT I. QUÁ TRÌNH DINH DƯỠNG CỦA VSV CHẤT DD CỦA VSV: bất kỳ chất nào được vsv hấp thụ từ môi trường xung quanh và được chúng sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình sinh tổng hợp và tạo ra các thành phần của tế bào hoặc để cung cấp cho các quá trình trao đổi năng lượng Chất dinh dưỡng phải là những chất tham gia vào quá trình trao đổi chất nội bào . QUÁ TRÌNH DD CỦA VSV Quá trình hấp thụ chất dinh dưỡng từ bên ngoài vào cơ thể để thỏa mãn mọi nhu cầu về sinh trưởng và phát triển của chúng . Hiểu biết về quá trình dinh dưỡng là cơ sở tất yếu để có thể nghiên cứu , ứng dụng hoặc ức chế vi sinh vật . Thành phần hóa học của tế bào vi sinh vật quyết định nhu cầu dinh dưỡng của chúng . 1.1. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA TẾ BÀO VSV Thành phần hóa học cấu tạo bởi các nguyên tố : C, N, O, H, các nguyên tố khoáng đa lượng và vi lượng . Nguyên tố % chất khô Nguyên tố % chất khô C O N H P S K 50 20 14 8 3 1 1 Na Ca Mg Cl Fe Các nguyên tố khác 1 0.5 0.5 0.2 0.3 Thành phần các nguyên tố chủ yếu của tế bào vk E.coli (S.E. Luria ) (1) Nước và muối khoáng Nước : 70-90%, Gồm : nước tự do ( tham gia vào quá trình trao đổi chất của tế bào ) và nước liên kết ; Yêu cầu về nước khác nhau ở mỗi loại vi sinh vật Muối khoáng : 2-5% , tồn tại ở các dạng muối : sulphat , phosphat , cacbonat , clorua dưới dạng các ion: Mg 2+ , Ca 2+ , K + , Na + và HPO 4 2- , SO 4 2- , HCO 3 - , Cl - (2) Chất hữu cơ Protein, acid nucleic, Lipid, Hydratecarbon , Vitamins, sắc tố Carbon: chất hữu cơ , CO 2 Nitơ : nitơ hữu cơ , nitơ vô cơ Các chất khác : chất khóang , chất sinh trưởng . 1.2. NGUỒN DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT 1.3 CÁC KIỂU BIẾN DƯỠNG Ở VI SINH VẬT Các loài sử dụng nguồn năng lượng ánh sáng là quang dưỡng - phototrophs . Các loài thu nhận năng lượng từ các chất hóa học trong môi trường là hóa dưỡng - chemotrophs . Các sinh vật chỉ cần CO 2 như là nguồn carbon là tự dưỡng - autotrophs . Các sinh vật yêu cầu ít nhất một chất dinh dưỡng hữu cơ như một nguồn carbon là dị dưỡng - heterotrophs . C á c kiểu biến dưỡng ở vi sinh vật rất đa dạng phụ thuộc v à o : nguồn carbon v à nguồn năng lượng Tự dưỡng quang năng ( Photoautotrophs ) L à những sinh vật quang tổng hợp : thu nhận năng lượng á nh s á ng để tổng hợp c á c chất hữu cơ từ CO 2 Cyanobacteria , algae. Photosynthetic cells Heterocyst The cyanobacterium Anabaena Tự dưỡng h ó a năng ( Chemoautotrophs ) Chỉ cần CO 2 như l à một nguồn carbon, nhưng ch ú ng thu nhận năng lượng bằng c á ch oxy h ó a c á c cơ chất hữu cơ hoặc v ô cơ . Những cơ chất n à y gồm c ó : hydrogen sulfide (H 2 S), ammonia (NH 3 ), and ferrous ions (Fe 2+ ) trong c á c chất kh á c . Kiểu dinh dưỡng n à y chỉ c ó ở prokaryote. Vd : Sulfolobus Quang năng dị dưỡng ( Photoheterotrophs ) Sử dụng á nh s á ng để h ì nh th à nh ATP nhưng thu nhận carbon từ chất hữu cơ . H ì nh thức n à y chỉ giới hạn ở prokaryotes. H ó a năng dị dưỡng ( Chemoheterotrophs ) Phải ti ê u thụ c á c ph â n tử hữu cơ cho cả năng lượng (ATP) v à carbon. H ì nh thức dinh dưỡng n à y được t ì m thấy rộng r ã i ở cả prokaryotes v à eukaryotes. Đa số l à sống hoại sinh hay k í sinh Loại dinh dưỡng Nguồn năng lượng Nguồn cacbon Ví dụ Quang dưỡng Ánh sáng mặt trời Hợp chất hữu cơ Halobacteria Hóa dưỡng vô cơ Hợp chất vô cơ Hợp chất hữu cơ hoặc cố định CO 2 Ferroglobus , Methanobacteria , Pyrolobus Hóa dưỡng hữu cơ Hợp chất hữu cơ Hợp chất hữu cơ hoặc cố định CO 2 Pyrococcus , Sulfolobus , methanosarcinales Loại dinh dưỡng của vi khuẩn cổ Cấu trúc màng tế bào . Trên : phospholipid của vi khuẩn cổ , 1 chuỗi bên isoprene, 2 liên kết ether, 3 L-glycerol, 4 nhóm phosphate. Giữa : phospholipid của vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn : 5 axít béo , 6 liên kết ester, 7 D-glycerol, 8 nhóm phosphate. Dưới : 9 lipid kép của vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn , 10 lipid đơn của một số vi khuẩn cổ . Nguồn thức ăn Nitơ (NH 3 , NH 4 ) Tự dưỡng amin Một số vi sinh vật có khả năng cố định nito : biến đổi nitrogen (N 2 ) trong không khí thành amoniac (NH 3 +) vk đất : Azotobacter , Clostridium pasteurianum , vk tự dưỡng hóa năng (b) Dị dưỡng amin : vk gây bệnh , vi khuẩn gây thối , Vk lactic (c) Ko cần amin - Các chất khoáng , chất sinh trưởng 1.4. CƠ CHẾ VẬN CHUYỂN CÁC CHẤT VÀO TẾ BÀO CỦA VI SINH VẬT Để sinh trưởng và phát triển , tế bào vi sinh vật phải thường xuyên trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường bên ngoài ( nhận chất dd cần thiết từ bên ngoài và thải ra ngoài các sp trao đổi chất ) Tồn tại một hàng rào thẩm thấu → màng tb chất Màng tb chất phải có khả năng điều chỉnh tinh vi sự ra vào của các chất khác nhau . Nhận và thải các chất một cách chọn lọc . Sự xâm nhập của nước và cách chất hòa tan qua màng tế bào chất là một quá trình động học . Structure of the Plasma Membrane Các chất ra và vào tế bào phải đi qua màng tế bào chất . Một số chất đi qua giữa lớp phospholipids. Một số chất thì đi qua nhờ protein màng . Các chất di chuyển ra và vào tế bào  như thế nào ? VÂN CHUYỂN CÁC CHẤT QUA MÀNG NGUYÊN SINH CHẤT Các phân tử di chuyển qua màng nguyên sinh chất qua 2 cơ chế : VẬN CHUYỂN THỤ ĐỘNG VẬN CHUYỂN CHỦ ĐỘNG CÁC PHƯƠNG THỨC VẬN CHUYỂN THỤ ĐỘNG Khuyếch tán (Diffusion) Khuyếch tán dễ (Facilitated Diffusion) Thẩm thấu (Osmosis) Passive Transport Ko sử dụng năng lượng ATP cho việc vận chuyển các phân tử qua màng . 1.CƠ CHẾ KHUẾCH TÁN Các phân tử có thể di chuyển trực tiếp qua màng phospholipids Được gọi là KHUYẾCH TÁN KHUẾCH TÁN LÀ GÌ? Khuyếch tán là sự di chuyển thực các phân tử từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp cho đến khi có sự phân bố cân bằng . Tốc độ khuyếch tán liên quan đến nhiệt độ , áp suất , trạng thái vật chất , gradient nồng độ và diện tích bề mặt của màng nguyên sinh chất . Các phân tử nào qua màng bằng cơ chế khuyếch tán ? Các loại khí (oxygen, carbon dioxide) Các phân tử nước ( tốc độ chậm vì tính phân cực ) Lipids (steroid hormones) Các phân tử lipid hòa tan (hydrocarbons, alcohols, một số vitamins) Các phân tử nhỏ ko mang điện tích ( noncharged ) (NH 3 ) small, nonpolar molecules (ex. O 2 , CO 2 ) Polar molecules (ex. Glucose, water) ions (ex. H+, Na+, K+) LIPID-SOLUBLE WATER-SOLUBLE LIPID-SOLUBLE Tại sao sự khuyếch tán cần thiết cho tế bào ? Quá trình hô hấp tế bào 2. CƠ CHẾ KHUYẾCH TÁN DỄ Các phân tử có thể đi qua màng nhờ kết hợp với các protein vận chuyển Được gọi là KHUYẾCH TÁN DỄ Cơ chế khuyếch tán dễ ? QT khuyếch tán dễ là các phân tử vận chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp với sự tham gia của các kênh protein và các protein mang . Các phân tử nào được vận chuyển qua màng bằng cơ chế khuyếch tán dễ ? Ions (Na + , K + , Cl - ) Sugars (Glucose) Amino Acids Các phân tử nhỏ hòa tan trong nước Nước ( tốc độ nhanh ) Các phân tử qua màng bằng cơ chế khuyếch tán dễ như thế nào ? Các kênh protein (channel protein) và protein mang (carrier protein) có tính chuyên biệt . Channel Proteins cho phép các ion, các chất hòa tan nhỏ và nước đi qua Carrier Proteins vận chuyển glucose và amino acids QT khuyếch tán dễ có tốc độ giới hạn bởi số lượng các protein channels/carriers hiện diện trên màng . Tại sao khuyếch tán dễ quan trọng với tế bào ? Tế bào thu nhận chất dinh dưỡng để hô hấp 3. CƠ CHẾ THẨM THẤU Các phân tử nước có thể di chuyển trực tiếp qua màng phospholipids được gọi là THẨM THẤU Cơ chế thẩm thấu ? Thẩm thấu là sự khuyếch tán của nước qua một màng bán thấm . Các phân tử nước kết hợp với các chất hòa tan không thể đi qua màng vì kích thước lớn . Chỉ có các phân tử nước tự do va chạm , va đập mạnh vào màng và đi qua màng . Sự thẩm thấu Sự thẩm thấu Điều gì sẽ xảy ra trong ống hình chữ U khi các phân tử nước đi qua màng , còn các phân tử glucose thì ko ? Nước đi từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng đọ thấp . Sự di chuyển này ngừng khi áp suất thẩm thấu bằng áp suất thủy tĩnh . Tại sao quá trình thẩm thấu quan trọng với tế bào ? Các tế bào loại bỏ nước được tạo ra trong quá trình hô hấp Tóm tắt : Vận chuyển thụ động Khuyếch tán – O 2 đi vào và CO 2 đi ra trong quá trình hô hấp tế bào Khuyếch tán dễ – glucose và amino acids đi vào tế bào cho quá trình hô hấp Thẩm thấu – Tế bào loại bỏ nước hoặc thu nhận nước 1) Vận chuyển chủ động Vân chuyển chủ động cấp 1 Vận chuyển nhóm Vận chuyển chủ động cấp 2 ( ko ATP) 2) Vận chuyển các đại phân tử Sự xuất bào ( exocytosis ) Sự nhập bào ( endocytosis ) Sự thực bào ( Phagocytosis ) Sự ẩm bào ( Pinocytosis ) Nhập bào nhờ thụ thể trung gian VẬN CHUYỂN CHỦ ĐỘNG VẬN CHUYỂN CHỦ ĐỘNG Active Transport Năng lượng ATP được sử dụng để vận chuyển các chất qua màng . Ngược hướng gradient nồng độ Các kênh protein vận chuyển chủ động có tính chọn lọc cao . Transport protein Solute Solute binding Phosphorylation Transport Protein changes shape Protein reversion Phosphate detaches 1 2 3 4 VẬN CHUYỂN CHỦ ĐỘNG C1 Các phân tử di chuyển từ nơi có nồng độ thấp đến nơi có nồng độ cao với sự tham gia của năng lượng ATP. Đòi hỏi các protein carrier gọi là các Bơm . Sự quan trọng của vận chuyển chủ động Mang vào những phân tử thiết yếu cho tế bào : các ion, các a.amin , glucose, các nucleotide Giải phóng cho tế bào những phân tử không mong muốn Duy trì các điều kiện bên trong khác với môi trường Điều hòa thể tích của tế bào bằng điều chỉnh khả năng thẩm thấu Điều chỉnh pH của tế bào Tái thiết lập các gradient nồng độ để thực hiện khuyếch tán dễ . (Ex. Bơm Sodium-Potassium và bơm Proton) Bơm proton (H + ) Bơm proton (H + ) Bơm Sodium-Potassium 3 ion Na+ đi ra khỏi tế bào và 2 ion K+ đi vào tế bào . Được thực hiện bằng cách phân giải ATP để cung cấp năng lượng và thay đổi cấu hình các protein bằng cách gắn vào và sau đó tách ra nhóm phosphate. Sodium-Potassium Pump Action VẬN CHUYỂN CHỦ ĐỘNG C2 Bằng con đường khuyếch tán dễ Na Counter Transport – Vân chuyển 2 cơ chất cùng một thời điểm theo các hướng đối nhau của màng . Các protein carrier thực hiện được gọi là Antiports . Co-transport – Vân chuyển 2 cơ chất trong cùng một thời điểm theo cùng một hướng của màng . Các protein carrier thực hiện được gọi là Symports . Gated Channels – Các receptors gắn với các channel proteins. Khi một tín hiệu hóa học gắn với 1 receptor, cổng mở để cho phép các ion đi qua kênh . ANTIPORTS ANTIPORTS SYMPORTS VẬN CHUYỂN NHÓM Là một cơ chế được vi khuẩn sử dụng để vận chuyển một hợp chất vào tế bào của chúng bằng cách : Đầu tiên , hợp chất gắn với protein trên bề mặt tế bào Tiếp theo , thay đổi cấu trúc hóa học của nó trong khi nó đi qua màng tế bào . Ví dụ : PEP group translocation hoặc hệ thống phosphotransferase , vi khuẩn thu nhận glucose từ nguồn năng lượng là phosphoenolpyruvate . Maøng ngoaøi Maøng trong S S S S S S Enzym-2 Enzym-2 Enzym-2 Enzym-2 S HPr - HPr P P S Enzym-1 + PEP VẬN CHUYỂN NHÓM Vận chuyển chủ động ( có yêu cầu năng lượng ) Có tham gia rất nhiều các enzyme protein, protein carries Phosphortransferase Nguồn năng lượng : Phosphoenolpyruvate E.Coli thu nhận glucose ATP-Binding Cassette (ABC) transporter E.Coli thu nhận maltose VẬN CHUYỂN ĐẠI PHÂN TỬXUẤT BÀO - EXOCYTOSIS Các đại phân tử được gói trong những túi ra khỏi tế bào nhờ năng lượng ATP. Túi hòa vào màng nguyên sinh và bơm các đại phân tử ra ngoài . Ví dụ : Proteins, polysaccharides, polynucleotides , hormones, waste Các đại phân tử đi vào tế bào bào bằng cách được đóng gói trong các túi nhỏ , sử dụng năng lượng ATP. 3 loại nhập bào : Thực bào ( Phagocytosis ) Ẩm bảo ( Pinocytosis ) Nhập bào qua receptor trung gian (Receptor-mediated endocytosis ) VẬN CHUYỂN ĐẠI PHÂN TỬNHẬP BÀO - ENDOCYTOSIS THỰC BÀO “ Tế bào ăn ” – những đại phân tử VD: Các sinh vật đơn bào lấy các hạt thức ăn . ẤM BÀO “ Tế bào uống ” – những chất lỏng và những phân tử nhỏ hòa tan không tan trong chất lỏng . Receptor-Mediated Endocytosis Vận chuyển các phân tử rất chuyên biệt vào tế bào nhờ sử dụng các túi được phủ bởi protein clathrin . Các hố lõm được phủ clathrin là những vị trí chuyên biệt và các thụ thể . Khi các phân tử ( ligands ) gắn vào thụ thể , điều này kích thích các phân tử được đóng gói thành những túi nhỏ được phủ clathrin . GHI NHỚ KHẢ NĂNG VẬN CHUYỂN CÁC CHẤT QUA MÀNG NSC CÁC BẠN NHÉ!VẤN ĐỀ CỐT LÕI CỦA QUÁ TRÌNH DINH DƯỠNG TẾ BÀO