Bài giảng Công nghệ sinh học - Chương 3: Các quá trình sinh lý của vi sinh vật

Nội dung text: Bài giảng Công nghệ sinh học - Chương 3: Các quá trình sinh lý của vi sinh vật

1. CHƯƠNG 3 CÁC QUÁ TRÌNH SINH LÝ CỦA VI SINH VẬT
2. C3.1 QUÁ TRÌNH DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT
3. I. QUÁ TRÌNH DINH DƯỠNG CỦA VSV - CHẤT DD CỦA VSV: bất kỳ chất nào được vsv hấp thụ từ mơi 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.
4. - QUÁ TRÌNH DD CỦA VSV Quá trình hấp thụ chất dinh dưỡng từ bên ngồi 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 cĩ thể nghiên cứu, ứng dụng hoặc ức chế vi sinh vật. - Thành phần hĩa học của tế bào vi sinh vật quyết định nhu cầu dinh dưỡng của chúng.
5. 1.1. THÀNH PHẦN HĨA HỌC CỦA TẾ BÀO VSV Thành phần hĩa học cấu tạo bởi các nguyên tố: C, N, O, H, các nguyên tố khống đa lượng và vi lượng. Nguyên tố % chất khơ Nguyên tố % chất khơ C 50 Na 1 O 20 Ca 0.5 N 14 Mg 0.5 H 8 Cl 0.2 P 3 Fe S 1 Các nguyên 0.3 K 1 tố khác Thành phần các nguyên tố chủ yếu của tế bào vk E.coli (S.E. Luria)
6. (1) Nước và muối khống - 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 khống: 2-5% , tồn tại ở các dạng muối: sulphat, phosphat, cacbonat, clorua dưới dạng các 2+ 2+ + + 2- 2- - - ion: Mg , Ca , K , Na và HPO4 , SO4 , HCO3 , Cl (2) Chất hữu cơ Protein, acid nucleic, Lipid, Hydratecarbon, Vitamins, sắc tố
7. 1.2. NGUỒN DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT • Carbon: chất hữu cơ, CO2 • Nitơ: nitơ hữu cơ, nitơ vơ cơ • Các chất khác: chất khĩang, chất sinh trưởng.
8. 1.3 CÁC KIỂU BIẾN DƯỠNG Ở VI SINH VẬT Các kiểu biến dưỡng ở vi sinh vật rất đa dạng phụ thuộc vào: nguồn carbon và nguồn năng lượng – Các lồi sử dụng nguồn năng lượng ánh sáng là quang dưỡng - phototrophs. – Các lồi thu nhận năng lượng từ các chất hĩa học trong mơi trường là hĩa dưỡng - chemotrophs. – Các sinh vật chỉ cần CO2 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.
9. • Tự dưỡng quang năng (Photoautotrophs) Là những sinh vật quang tổng hợp: thu nhận năng lượng ánh sáng để tổng hợp các chất hữu cơ từ CO2 – Cyanobacteria, algae. Photosynthetic cells Heterocyst The cyanobacterium Anabaena
10. • Tự dưỡng hĩa năng (Chemoautotrophs) Chỉ cần CO2 như là một nguồn carbon, nhưng chúng thu nhận năng lượng bằng cách oxy hĩa các cơ chất hữu cơ hoặc vơ cơ. – Những cơ chất này gồm cĩ: hydrogen sulfide 2+ (H2S), ammonia (NH3), and ferrous ions (Fe ) trong các chất khác. – Kiểu dinh dưỡng này chỉ cĩ ở prokaryote. – Vd: Sulfolobus
11. • Quang năng dị dưỡng (Photoheterotrophs) Sử dụng ánh sáng để hình thành ATP nhưng thu nhận carbon từ chất hữu cơ. – Hình thức này chỉ giới hạn ở prokaryotes. • Hĩa năng dị dưỡng (Chemoheterotrophs) Phải tiêu thụ các phân tử hữu cơ cho cả năng lượng (ATP) và carbon. – Hình thức dinh dưỡng này được tìm thấy rộng rãi ở cả prokaryotes và eukaryotes. – Đa số là sống hoại sinh hay kí sinh
12. Loại dinh dưỡng của vi khuẩn cổ Loại Nguồn Nguồn Ví dụ dinh dưỡng năng cacbon lượng Quang dưỡng Ánh sáng Hợp chất Halobacteria mặt trời hữu cơ Hĩa dưỡng Hợp chất Hợp chất Ferroglobus, vơ cơ vơ cơ hữu cơ hoặc Methanobacteria, cố định CO2 Pyrolobus Hĩa dưỡng Hợp chất Hợp chất Pyrococcus, hữu cơ hữu cơ hữu cơ hoặc Sulfolobus, cố định CO2 methanosarcinales
13. Cấu trúc màng tế bào. Trên: phospholipid của vi khuẩn cổ, 1 chuỗi bên isoprene, 2 liên kết ether, 3 L-glycerol, 4 nhĩm phosphate. Giữa: phospholipid của vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn: 5 axít béo, 6 liên kết ester, 7 D-glycerol, 8 nhĩm phosphate. Dưới: 9 lipid kép của vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn, 10 lipid đơn của một số vi khuẩn cổ.
14. - Nguồn thức ăn Nitơ (NH3, NH4) (a)Tự dưỡng amin Một số vi sinh vật cĩ khả năng cố định nito: biến đổi nitrogen (N2) trong khơng khí thành amoniac (NH3+) vk đất: Azotobacter, Clostridium pasteurianum, vk tự dưỡng hĩa năng (b) Dị dưỡng amin: vk gây bệnh, vi khuẩn gây thối, Vk lactic (c) Ko cần amin - Các chất khống, chất sinh trưởng
15. 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 mơi trường bên ngồi (nhận chất dd cần thiết từ bên ngồi và thải ra ngồi các sp trao đổi chất) - Tồn tại một hàng rào thẩm thấu →màng tb chất - Màng tb chất phải cĩ 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 hịa tan qua màng tế bào chất là một quá trình động học.
16. Structure of the Plasma Membrane
17. Các chất di chuyển ra và vào tế bào như thế nào? • 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.
18. VÂN CHUYỂN CÁC CHẤT QUA MÀNG NGUYÊN SINH CHẤT • Các phân tử di chuyển qua màng nguyên sinh chất qua 2 cơ chế:
19. CÁC PHƯƠNG THỨC VẬN CHUYỂN THỤ ĐỘNG 1) Khuyếch tán (Diffusion) 2) Khuyếch tán dễ (Facilitated Diffusion) 3) Thẩm thấu (Osmosis) Ko sử dụng năng lượng ATP cho việc vận chuyển các phân tử qua màng.
20. 1.CƠ CHẾ KHUẾCH TÁN • Các phân tử cĩ thể di chuyển trực tiếp qua màng phospholipids Được gọi là
21. KHUẾCH TÁN LÀ GÌ? • Khuyếch tán là sự di chuyển thực các phân tử từ nơi cĩ nồng độ cao đến nơi cĩ nồng độ thấp cho đến khi cĩ 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.
22. 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 hịa tan (hydrocarbons, alcohols, một số vitamins) • Các phân tử nhỏ ko mang điện tích ( noncharged) (NH3)
23. Polar molecules (ex. Glucose, water) small, nonpolar molecules ions (ex. O2, CO2) (ex. H+, Na+, K+) LIPID-SOLUBLE WATER-SOLUBLE LIPID-SOLUBLE
24. Tại sao sự khuyếch tán cần thiết cho tế bào? • Quá trình hơ hấp tế bào
25. 2. CƠ CHẾ KHUYẾCH TÁN DỄ • Các phân tử cĩ thể đi qua màng nhờ kết hợp với các protein vận chuyển Được gọi là
26. Cơ chế khuyếch tán dễ? • QT khuyếch tán dễ là các phân tử vận chuyển từ nơi cĩ nồng độ cao đến nơi cĩ nồng độ thấp với sự tham gia của các kênh protein và các protein mang.
27. 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 hịa tan trong nước • Nước (tốc độ nhanh)
28. Các phân tử qua màng bằng cơ chế khuyếch tán dễ như thế nào? • Các kênh protein (channel protein) và protein mang (carrier protein) cĩ tính chuyên biệt. • Channel Proteins cho phép các ion, các chất hịa tan nhỏ và nước đi qua • Carrier Proteins vận chuyển glucose và amino acids • QT khuyếch tán dễ cĩ tốc độ giới hạn bởi số lượng các protein channels/carriers hiện diện trên màng.
29. Tại sao khuyếch tán dễ quan trọng với tế bào? • Tế bào thu nhận chất dinh dưỡng để hơ hấp
30. 3. CƠ CHẾ THẨM THẤU • Các phân tử nước cĩ thể di chuyển trực tiếp qua màng phospholipids được gọi là
31. 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 hịa tan khơng thể đi qua màng vì kích thước lớn. Chỉ cĩ các phân tử nước tự do va chạm, va đập mạnh vào màng và đi qua màng.
32. Sự thẩm thấu
33. Sự thẩm thấu • Điều gì sẽ xảy ra trong ống hình chữ U khi các phân tử nước đi qua màng, cịn các phân tử glucose thì ko? • Nước đi từ nơi cĩ nồng độ cao đến nơi cĩ nồng đọ thấp. Sự di chuyển này ngừng khi áp suất thẩm thấu bằng áp suất thủy tĩnh.
34. Tại sao quá trình thẩm thấu quan trọng với tế bào? • Các tế bào loại bỏ nước được tạo ra trong quá trình hơ hấp
35. Tĩm tắt: Vận chuyển thụ động • Khuyếch tán – O2 đi vào và CO2 đi ra trong quá trình hơ hấp tế bào • Khuyếch tán dễ – glucose và amino acids đi vào tế bào cho quá trình hơ hấp • Thẩm thấu – Tế bào loại bỏ nước hoặc thu nhận nước
36. VẬN CHUYỂN CHỦ ĐỘNG 1) Vận chuyển chủ động 1) Vân chuyển chủ động cấp 1 1) Vận chuyển nhĩm 2) Vận chuyển chủ động cấp 2 (ko ATP) 2) Vận chuyển các đại phân tử 1) Sự xuất bào (exocytosis) 2) Sự nhập bào (endocytosis) 1) Sự thực bào (Phagocytosis) 2) Sự ẩm bào (Pinocytosis) 3) Nhập bào nhờ thụ thể trung gian
37. VẬN CHUYỂN CHỦ ĐỘNG - 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 cĩ tính chọn lọc cao.
38. VẬN CHUYỂN CHỦ ĐỘNG C1 Transport protein Protein Phosphate changes shape detaches Solute Solute binding Phosphorylation Transport Protein reversion 1 2 3 4 • Các phân tử di chuyển từ nơi cĩ nồng độ thấp đến nơi cĩ nồng độ cao với sự tham gia của năng lượng ATP. • Địi hỏi các protein carrier gọi là các Bơm.
39. 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 phĩng cho tế bào những phân tử khơng mong muốn • Duy trì các điều kiện bên trong khác với mơi trường • Điều hịa 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)
40. Bơm proton (H+)
41. Bơm proton (H+)
42. 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 đĩ tách ra nhĩm phosphate.
43. Sodium-Potassium Pump Action
44. 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 hĩa học gắn với 1 receptor, cổng mở để cho phép các ion đi qua kênh.
45. ANTIPORTS
46. ANTIPORTS
47. SYMPORTS
48. VẬN CHUYỂN NHĨM 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 hĩa học của nĩ trong khi nĩ 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.
49. VẬN CHUYỂN NHĨM - Vận chuyển chủ động (cĩ yêu cầu năng lượng) - Cĩ tham gia rất nhiều các enzyme protein, protein carries Màng ngoài Màng trong Enzym-2 S P S HPr S S Enzym-2Enzym-2S Enzym-1 + PEP S S Enzym-2S P- HPr
50. Phosphortransferase Nguồn năng lượng: Phosphoenolpyruvate E.Coli thu nhận glucose YouTube - Active Transport by Group Translocation Animation Video.flv
51. ATP-Binding Cassette (ABC) transporter E.Coli thu nhận maltose
52. VẬN CHUYỂN ĐẠI PHÂN TỬ XUẤT BÀO - EXOCYTOSIS • Các đại phân tử được gĩi trong những túi ra khỏi tế bào nhờ năng lượng ATP. Túi hịa vào màng nguyên sinh và bơm các đại phân tử ra ngồi. • Ví dụ: Proteins, polysaccharides, polynucleotides, hormones, waste
53. VẬN CHUYỂN ĐẠI PHÂN TỬ NHẬP BÀO - ENDOCYTOSIS • Các đại phân tử đi vào tế bào bào bằng cách được đĩng gĩi 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)
54. THỰC BÀO • “Tế bào ăn” – những đại phân tử • VD: Các sinh vật đơn bào lấy các hạt thức ăn.
55. ẤM BÀO • “Tế bào uống” – những chất lỏng và những phân tử nhỏ hịa tan khơng tan trong chất lỏng.
56. 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 đĩng gĩi thành những túi nhỏ được phủ clathrin.
57. 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