Giáo trình Vi sinh vật học part 5

Chia sẻ: Afasg Agq | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

251
lượt xem 87
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

. Urea là chất hữu cơ chủ yếu trong nước tiểu của người và động. Trong urea có chứa 47% nitơ nhưng nếu không được vi sinh vật phân giải thành NH3 thì nguồn nitơ lớn lao này cũng trở thành vô ích đối với mọi thực vật. Rất nhiều vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm sợi sống trong đất có khả năng phân giải mạnh mẽ urea. Đáng chú ý là các loài như Planosarcina urea, Micrococcus urea, Bacillus pasteurii, Proteus vulgaris... ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vi sinh vật học part 5

123 NH3..., các chất này có thể tham gia trực tiếp vào quá trình trao đổi chất và trao đổi năng lượng của tế bào. Urea là chất hữu cơ chủ yếu trong nước tiểu của người và động. Trong urea có chứa 47% nitơ nhưng nếu không được vi sinh vật phân giải thành NH3 thì nguồn nitơ lớn lao này cũng trở thành vô ích đối với mọi thực vật. Rất nhiều vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm sợi sống trong đất có khả năng phân giải mạnh mẽ urea. Đáng chú ý là các loài như Planosarcina urea, Micrococcus urea, Bacillus pasteurii, Proteus vulgaris... Quá trình phân giải urea xẩy ra rất đơn giản với sự xúc tác của urease: H2N- CO- NH2 + 2H2O (NH4)2CO3 (NH4)2 CO3 ít bền vững do đó dễ dàng phân giải tiếp: (NH4)2CO3 2NH3 + CO2 + H2O NH3 sinh ra do sự phân giải hợp chất hữu cơ thường được ôxy hóa thành NO2- và tiếp tục ôxy hóa đến NO3-. Phân đạm ((NH4)2SO4 hoặc NH4Cl) sau khi bón ruộng cũng nhanh chóng chuyển thành NO3-. Quá trình chuyển hoá này gọi là quá trình nitrate hóa. Quá trình này bao gồm 2 giai đoạn: - Quá trình nitrite hóa được biểu thị bằng phương trình phản ứng sau: 2NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H2O + Q Năng lượng sinh ra trong phản ứng này cũng được vi khuẩn nitrite sử dụng để đồng hóa CO2 của không khí. Thực ra quá trình này trải qua nhiều phản ứng trung gian và tạo nhiều sản phẩm trung gian, trong đó sản phẩm trung gian quan trọng nhất là hydroxilamin (NH2OH). Enzyme xúc tác cho việc chuyển hydro là các enzyme của quá trình hô hấp hiếu khí. Vi khuẩn nitrite là bọn tự dưỡng bắt buộc với các chi đại diện là Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira và Nitrosocystis. - Quá trình nitrate hóa được biểu thị bằng phương trình sau: NO2- + O2 NO3- + Q Cũng như các vi khuẩn tự dưỡng hóa năng khác, năng lượng sinh trong phản ứng ôxy hoá NO2- được sử dụng để đồng hóa CO2 không khí. Vi khuẩn nitrate hóa điển hình là các loài thuộc giống Nitrobacter. Đây là những tế bào hình bầu dục, kích thước khoảng 0,8-1,0μm, thuộc loại G-, không tạo bào tử, khuẩn lạc nhỏ bé và trong suốt. Ngoài ra còn có một số giống khác như Nitrococcus, Nitrospira...
124 6.2. Sự tổng hợp protein Ba quá trình chủ yếu trong việc biến đổi và truyền đạt thông tin di truyền ở trong cơ thể là: - Sự nhân đôi DNA tạo ra 2 phân DNA giống nhau và giống với phân tử DNA “mẹ”. - Quá trình sao mã theo đó thông tin di truyền từ DNA được sao sang RNA, sau đó được chuyển đến ribosome. - Quá trình dịch mã cho phép chuyển dịch thông tin di truyền thành các axit amin cấu trúc nên protein. Công nghệ di truyền cho phép giải mã trật tự các nucleotide thành trật tự các axit amin đã được xác lập (h. 5.9). Hình 5.9 Sơ đồ sinh tổng hợp axit amin (theo Lehninger)
125 Phần lớn các vi sinh vật có khả năng tổng hợp 20 loại axit amin. Con đường tổng hợp axit amin ở vi sinh vật đã được nghiên cứu khá tỉ mỉ. Nguyên liệu dùng cho quá trình tổng hợp đó là những sản phẩm trung gian như pyruvate, α - ketoglutarate, oxaloacetate, fumarate... Trong phần lớn trường hợp, nhóm amin được đưa vào giai đoạn cuối cùng của sinh tổng hợp nhờ sự chuyển amin, một số acid amin được hình thành nhờ hàng loạt biến đổi của các acid amin khác, trong trường hợp đó không cần sự chuyển amin. Nhiều loại L - acid amin đã được sinh tổng hợp bằng con đường lên men nhờ vi sinh vật như lysine, glutamic, alanine, glycine... Hiện nay nhiều loại acid amin “tự nhiên” là sản phẩm của công nghệ sinh học bằng cách thủy phân protein, tổng hợp hóa học hoặc sinh tổng hợp nhờ vi sinh vật. Trong nhiều trường hợp người ta phối hợp giữa tổng hợp hóa học và sinh tổng hợp, phương pháp này có nhiều ưu điểm là cho các dạng L - acid amin là dạng thường gặp trong cơ thể. 7. Sự trao đổi lipid 7.1. Sự phân giải lipid Lipid (ester phức tạp của glycerine và acid béo) và các chất sáp (ester phức tạp của acid béo và rượu bậc một) được nhiều vi sinh vật dùng làm nguồn thức ăn và năng lượng. So với các cơ chất khác thì đây là loại cơ chất được đồng hóa với tốc độ chậm, quá trình này được thực hiện bởi nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau như vi khuẩn, xạ khuẩn, vi nấm Bước đầu tiên của quá trình đồng hóa lipid là sự phân giải thành glycerine (hoặc rượu đơn nguyên tử) và các acid béo. Quá trình này được xúc tác nhờ lipase nội bào hoặc ngoại bào. Sau khi được phosphoryl hóa, glycerine sẽ được chuyển hóa theo con đường EMP, còn các acid béo đi vào chu trình β - ôxy hóa (hình 5.10). Như vậy, cứ qua một vòng ôxy hóa hòan toàn chuỗi carbon của phân tử acid béo lại mất đi 2C. Cứ tiếp tục như vậy thì toàn bộ chuỗi carbon sẽ được chuyển hóa thành acetyl - CoA, chất này được chuyển hóa nhờ chu trình TCA hoặc chu trình acid glyoxilic. Một số nấm mốc thuộc các chi như Penicillium và Aspergillus có thể ôxy hóa acid béo một cách không triệt để và tích lũy lại trong môi trường metylketone tạo mùi khó chịu (gặp trong dầu mỡ bị nhiễm mốc).
126 Hình 5.10: Chu trình β- ôxy hóa axit béo Câu hỏi ôn tập của chương 5 1. Các hình thức vận chuyển các chất qua màng? 2. Cơ chế của quá trình sinh năng lượng của hô hấp hiếu khí và kị khí? 3. Các kiểu hô hấp ở vi sinh vật? 4. Các con đường phân giải hexose? 5. Các kiểu trao đổi chất ở vi sinh vật? 6. Cơ chế và ý nghĩa của chu trình acid tricarboxylic (ATC)? 7. Sự phân giải các hợp chất protein? 8. Vai trò của vi sinh vật trong vòng tuần hoàn nitơ? 9. Vai trò của vi sinh vật trong tuần hoàn carbon?
127 Chương 6 Hô hấp kị khí I.Khái niệm chung Nhiều vi khuẩn hiếu khí có thể sinh trưởng được trong điều kiện không có oxy, lúc đó chúng dùng nitrate (hoặc sulfate) làm chất nhận điện tử cuối cùng, vì vậy gọi là hô hấp nitrate (hoặc hô hấp sulfate). Khả năng chuyển điện tử cho nitrate và sulfate, giúp cho vi khuẩn thực hiện tương đối đầy đủ quá trình oxy hóa hoàn toàn cơ chất, mà không cần có sự tham gia của oxy phân tử, nhờ đó vi sinh vật thu được nhiều năng lượng hơn so với quá trình lên enzyme (hình 6.1) Ngoài ra, có một số ít vi khuẩn (Clostridium aceticum) lại có thể dùng CO2 làm chất nhận hydro trong hô hấp kị khí. Hình 6.1: Sơ đồ quá trình hô hấp hiếu khí, kị khí và lên enzyme II. Hô hấp nitrate, ammonium hóa nitrate và khử nitrogen Hô hấp nitrate hay là khử dị hoá nitrate khác với quá trình khử đồng hoá nitrate ở chỗ, các sản phẩm khử trong trường hợp này không được tế bào sử dụng tiếp, mà thường được tiết ra ngoài môi trường.
128 Rất nhiều vi khuẩn hiếu khí khi sống trong điều kiện kị khí có khả năng dùng nitrate làm chất nhận hydro cuối cùng, ví dụ một số loài thuộc các chi Bacillus, Aerobacter và E. coli khử nitrate thành amoniac (quá trình amon hoá nitrate), trong khi đó một số khác lại khử nitrate để giải phóng nitơ phân tử (N2) hoặc (N2O), người ta cho rằng quá trình amon hoá nitrate và phản nitrate hoá có chung giai đoạn đầu (hình 6.2) Hình 6.2: Sơ đồ quá trình hô hấp nitrate Vi khuẩn nitrate hóa thuộc chi Nitrobacter dùng nitrite làm nguồn năng lượng. Có thể biểu thị chuỗi hô hấp của vi khuẩn nitrate như sau: Hình 6.3: Chuỗi hô hấp của vi khuẩn nitrate hóa Nhiều loại vi sinh vật có khả năng dùng nitrate làm nguồn thức ăn nitơ, khử đồng hoá nitrate qua nitrit thành amoniac, hợp chất này sẽ tham gia tổng hợp trong tế bào của chúng: NO 3 → NO − → x → NH2OH → NH + − 2 4 Khi ammonium hoá nitrate ta có:
129 → NH + + OH- + 2H2O 8[H] + H+ + NO 3 − 4 Còn khi khử nitrate hoá: 10[H] + 2H+ + NO 3 − → N2 + 6H2O Khi hô hấp nitrate, đặc biệt là khi phản nitrate hoá, cơ chất hữu cơ được oxy hoá hoàn toàn đến CO2 và H2O. Năng lượng sinh ra với nitrate là chất nhận hydro chỉ thấp hơn trong trường hợp chất nhận là oxy phân tử khoảng 10%. ATP cũng được tạo ra nhờ kết quả của quá trình phosphoryl hóa trong chuỗi hô hấp, vì vậy quá trình phản nitrate hóa đảm bảo hoạt tính sinh trưởng của vi sinh vật ở mức độ cao. Ở nhiều loại vi sinh vật có khả năng hô hấp nitrate như E.coli thì chuỗi vận chuyển điện tử tương tự như trong trường hợp hiếu khí, chỉ có citocromo-oxydase được thay bằng nitratereductase. Giai đoạn đầu của quá trình khử nitrate được xúc tác nhờ nitratereductase. Nhiều vi khuẩn phản nitrate hóa có khả năng dùng không những nitrate mà cả nitrite làm chất nhận hydrogen, M. denitrificans còn khử được cả N2O. Tùy theo loài vi khuẩn mà sản phẩm của khử nitrate dị hóa và nitrite dị hóa là N2, N2O hay NO. Do vi khuẩn phản nitrate hóa có khả năng dùng nitrate chủ yếu làm + chất nhận điện tử, mà không có khả năng khử nó thành NH 4 , cho nên muốn nuôi cấy chúng phải cần bổ sung thêm nguồn đạm vào môi trường + (pepton hoặc NH 4 ). Vi khuẩn phản nitrate hóa phân bố rất rộng trong tự nhiên, những loài thường gặp như: P. denitrificans, P. aeruginosa, P. fluorescens, Micrococcus denitrificans, Hydrogenomonas agilis... Vi khuẩn phản nitrate hóa là tác nhân sinh học làm nghèo nitrogen của đất (còn phản nitrate hóa học xảy ra mạnh khi đất quá nhiều acid) quá trình này xảy ra mạnh khi đất bị kỵ khí (đất ngập nước, không tơi...)hoặc khi dùng phân đạm (nitrate) cùng với phân chuồng trên những ruộng lúa ngập nước, ở đây phân nitrate dùng bón cho lúa đạt hiệu quả rất ít, vì nitrate có thể mất hết rất nhanh, chỉ khoảng mười giờ sau khi bón. Khi đất thoáng khí quá trình phản nitrate bị ức chế, vì oxy phân tử đã ức chế tế bào vi khuẩn tổng hợp enzyme nitratereductase và nitritereductase. III. Hô hấp sulfate Phần lớn vi sinh vật và thực vật có thể dùng sulfate làm nguồn dinh dưỡng lưu huỳnh để tổng hợp cáchợp chất của cơ thể chứa S (acid amin chứa S, enzyme...). Đó là quá trình khử đồng hóa sulfate. Chỉ có một
130 số ít vi sinh vật thuộc 2 chi Desulfovibrio và Desulfotomaculum lại dùng sulfate làm chất nhận hydro cuối cùng trong hô hấp kị khí. Quá trình hô hấp sulfate cũng tương tự như quá trình hô hấp nitrate, nhưng các vi sinh vật thực hiện quá trình này đều thuộc loại kị khí bắt buộc, chúng chỉ có thể dùng sulfate làm chất nhận hydro cuối cùng trong quá trình oxy hóa cơ chất. H2S là sản phẩm của quá trình được sinh ra theo khử ứng: 8[H] + SO 4− → H2S + 2H2O + 2OH- 2 Vi khuẩn thực hiện quá trình hô hấp sulfate trước khi bị khử thành H2S phải trải qua nhiều giai đoạn trung gian mà có những giai đoạn cho đến nay người ta chưa biết được một cách chắc chắn: SO 4− → APS → SO 2− → → → S2- 2 3 (Adenosin-5-phosphosulfate) Năng lượng sinh ra trong quá trình hô hấp sulfate được vi sinh vật sử dụng để đồng hóa các hợp chất hữu cơ (acid hữu cơ, amino acid) một số vi khuẩn khử sulfate hóa có khả năng tự dưỡng cacbon, chúng dùng hydro phân tử để khử sulfate và sử dụng năng lượng sinh ra trong quá trình hô hấp sulfate để đồng hóa CO2 trong không khí. 4H2 + H2SO4 → H2S + 2H2O + Q Vi khuẩn khử sulfate hóa có thể phân giải pyruvate để hình thành H2S: 4CH3COCOOH + H2SO4 → CH3COOH +4CO2 +H2S Vi khuẩn khử sulfate hóa thường gặp ở những vùng bùn lầy có khí H2S, tức là những nơi có quá trình phân giải kỵ khí các hợp chất hữu cơ. Trong 1ml nước bẩn chứa 104 – 106 vi khuẩn khử sulfate, còn trong bùn có H2S số lượng của chúng lên tới 107 tế bào. Hàng triệu năm nay, chúng tham gia tích cực vào quá trình hình thành quặng lưu huỳnh, mỏ dầu hỏa. Desulfotomaculum ruminis tham gia tích cực vào quá trình khử sulfate và tạo thành H2S trong những dạ dày cỏ của động vạt nhai lại (trâu, bò...). Bằng cách khử sulfate những vi sinh vật của nhóm này đã tham gia tích cực vào chu trình chuyển hóa chuyển hóa lưu huỳnh trong tự nhiên. Mặt khác, do sinh ra H2S có thể làm cá chết hàng loạt, H2S làm ăn mòn các bộ phận kim loại của các công trình chôn sâu dưới đất hoặc dưới nước.
131 Thiobacillus denitrificans T hiobacillus thiooxidans Hình 6.4: Một số loài vi khuẩn lưu huỳnh IV. Hô hấp carbonate tạo thành methane Những vi sinh vật này có khả năng hình thành methane từ carbonate e. Chúng lấy năng lượng cho hoạt động sống của mình từ quá trình oxy hóa kỵ khí các hợp chất khoáng hay các hợp chất hữu cơ đơn giản như acid formic hay một số acid béo bậc cao. Những vi sinh vật sinh methane bao gồm 4 nhóm phụ khác nhau về hình thái: -Các vi sinh vật sinh methane không sinh bào tử (Methanobacterium) -Các vi sinh vật sinh methane sinh bào tử (Methaneobacillus) -Các vi sinh vật hình cầu sinh methane (Methanococcus) -Các 8 cầu khuẩn sinh methane (Methanosarcina) Hình 6.5: Khuẩn lạc Methanosarcina acetivorans.
132 Methanobacterium formocicum Methanospirillum sp.strain TM20-1 Hình 6.6: Hình dạng một số loài vi khuẩn methane Người ta thường gặp những vi sinh vật sinh methane ở đáy những ao hồ, đầm và đáy biển, nơi mà điều kiện kỵ khí rất thuận lợi cho chúng phát triển. Methaneobacterium barkeri. Có khả năng chuyển hoá CO thành CH4. Sản phẩm trung gian của quá trình chuyển hoá là CO2 và H2. 4CO + 4H2O → 4 CO2 + 4H CO2 + 4H2 → CH4 + H2O 4CO + 2H2O → CH4 + 3CO2 Vi khuẩn sinh methane được chứng minh là loại vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp mạnh vitamin B12. Sơ đồ giả thuyết về sự hình thành CH4 từ CO2 hoặc acetate ở vi khuẩn sinh methane có thể được trình bày như sau:
133 Hình 6.7: Sơ đồ giả thiết sinh tổng hợp VTM B12 ở vi khuẩn sinh methane V. Hô hấp carbonate tạo thành acetate Quá trình hô hấp carbonate tạo thành acetate mới được phát hiện gần đây ở vi khuẩn methane, khử sulfate. Hình 6.8: Hình dạng Vi khuẩn Methanobacterium thermoautotrophicum Kết quả nghiên cứu ở vi khuẩn Methanobacterium thermoautotrophicum cho thấy như sau: Theo con đường này, 1phân tử CO2 bị [H] có năng lực khử thành CH3-X, 1phân tử CO2 khác bị CO dehydrogenase khử thành CO. Qua quá trình cacbocyl hóa CH3X sẽ sinh ra Acetyl-X, sau đó thành Acetyl-CoA. Dưới sự xúc tác của piruvate siterase, Acetyl-CoA sẽ tiếp thu 3 phân tử CO2 để cacbocyl hóa thành acid pyruvic. Acid pyruvic thông qua các con đường trao đổi chất quen thuộc để tổng hợp ra các chất hữu cơ cần thết cho tế bào.
134 Câu hỏi ôn tập chương 6 1. So sánh những điểm khác nhau giữa hô hấp hiếu khí và hô hấp kỵ khí ? 2. Những điểm giống nhau và khác nhau giữa hô hấp nitrate và hô hấp sulfate. 3. Vị trí vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc, nấm men trong các hệ thống phân loại hiện nay ? 4. Vai trò của vi khuẩn methane trong thiên nhiên và trong đời sống con người ?
144 Chương 8 Các quá trình lên men I. Con đường Embden-Meyerhof (EM) : Bước chuyển hóa chung cho các quá trình lên men Lên men là một quá trình oxi hóa-khử cân bằng nội sinh, trong đó một số nguyên tử của nguồn năng lượng (chất cho điện tử) trở nên có tính khử hơn, trong khi một số nguyên tử khác trở nên oxi hóa hơn, còn năng lượng thì được sinh ra nhờ sự phosphorin hóa cơ chất. Con đường trao đồi chất chung đối với sự lên men glucose là con đường đường phân, cũng còn được gọi là con đường Embden-Meyerhof. Đường phân được chia thành ba bước chính, mỗi bước gồm một số phản ứng riêng biệt do enzyme xúc tác. Bước một gồm các phản ứng chuẩn bị, không có các phản ứng oxi hóa và cũng không giải phóng năng lượng, song lại dẫn đến việc tạo ra hai phân tử trung gian quan trọng, glixeraldehit-3-phosphate (GAP). Trong bước hai, sự oxi hóa-khử xảy ra, năng lượng được dự trữ dưới dạng ATP và hai phân tử piruvat được tạo thành. Trong bước ba, một phản ứng oxi hóa-khử thứ hai xảy ra và các sản phẩm lên men (chẳng hạn ethanol và CO2, hoặc acid lactic), sẽ được tạo thành. Trong sự tạo thành hai phân tử acid 1,3 điphosphoglixeric có hai phân tử NAD+ bị khử thành NADH. Tuy nhiên, một tế bào chỉ chứa một lượng nhỏ NAD+, và nếu như toàn bộ NAD+ bị chuyển thành NADH thì phản ứng oxi hóa glucose sẽ bị đình chỉ; sự oxi hóa tiếp tục chỉ có thể xảy ra khi một phân tử NAD+ có mặt để tiếp nhận các điện tử vừa được giải phóng ra. Sự "tắc đường" này có thể được khắc phục trong lên men bằng cách oxi hóa NADH trở lại thành NAD+ nhờ các phản ứng khử piruvat thành một trong hàng loạt các sản phẳm lên men khác nhau. Trong trường hợp của nấm men, piruvat bị khử thành ethanol với sự giải phóng CO2. ở các vi khuẩn lactic, piruvat bị khử thành acid lactic. Nhiều con đường khử piruvat cũng gặp ở các vi sinh vật nhân sơ khác, song kết quả thật sự đều giống nhau, tức là NADH phải được hồi phục lại thành dạng oxi hóa, NAD+, để cho các phản ứng thu nhận năng lượng của lên men có thể tiếp tục. Là một coenzyme dễ khuếch tán, NADH có thể tách khỏi GAP-dedihydrogenase, gắn vào một enzyme khác, (chẳng hạn lactat-dedihydrogenase, enzyme khử piruvat thành acid lactic), rồi lại lập tức khuếch tán trở lại sau khi NADH đã được oxi hóa thành NAD+ để lặp lại chu trình một lần nữa.
145 Trong bất kỳ một phản ứng thu năng lượng nào, sự oxi hóa bao giờ cũng phải được cân bằng với sự khử và phải có một chất nhận nào đó đứng chờ sẵn để nhận một điện tử vừa được tách ra. Trong trường hợp này, sự khử NAD+ tại một bước trong con đường đường phân sẽ được cân bằng bởi sự oxi hóa nó tại một bước khác. (Các) sản phẫm cuối cùng cũng phải nằm trong trạng thái cân bằng oxi hóa-khử với cơ chất ban đầu, tức là glucose. Bảng 6.1: Các quá trình lên men phổ biến ở vi sinh vật Kiểu lên men Phản ứng tổng thể Vi sinh vật thực hiện Hexose → 2 Ethanol + 2 CO2 Lên men rượu Nấm men Zymomonas Hexose → 2 Lactat + 2 H+ Lên men lactic Streptococcus đồng hình Một số Lactobacillus Hexose → Lactat + Ethanol + Lên men lactic dị Leuconostoc CO2 + H+ hình Một số Lactobacillus Lactat → Propionat + Acetate Acid propionic Propionibacterium Clostridium propionicum + CO2 Hexose → Ethanol + 2,3- Acid hỗn hợp Các vi khuẩn đường ruột Escherichia, Salmonella, Butandiol + Xucxinat + Lactat Shigella, Klebsiella, + Acetate + Focmat + H2 + Enterobacter CO2 Hexose → Butirat + Acetate + Acid butiric Clostridium butyricum H2 + CO2 Hexose → Butanol + Acetate Butanol Clostridium acetobutylicum + Aceton + Ethanol + H2 + CO2 Ethanol + Acetate + CO2 → Caproat Clostridium kluyveri Caproat + Butirat + H2 Fructose → 3 Acetate + 3 H+ Homoacetic Clostridium aceticum Acetobacterium 4 H2+ 2 CO2 + H+ → Acetate + 2 H2O Acetate + H2O → CH4 + Sinh methane Methanothrix Methanosarcina − HCO 3 II. Tính đa dạng của lên men Bảng 6.1 trình bày một số kiểu lên men chính được phân loại dựa trên các sản phẩm được tạo thành. Đó là các quá trình lên men rượu, acid lactic, acid propionic, acid hỗn hợp, acid butiric và acid homoacetic. Có
146 nhiều quá trình lên men được phân loại dựa trên cơ chất được lên men thay vì các sản phẩm. Chẳng hạn, nhiều vi khuẩn kị khí tạo thành bào tử (chi Clostridium) lên men các amino acidvới sự sản sinh acetate, amoniac và H2. Các loài Clostridium khác, như C. acidiurici và C. purinolyticum lên men các purin như xantin hoặc ađenin với sự tạo thành acetate, focmat, CO2, và amoniac. Còn những bọn kị khí khác thì lên men các hợp chất thơm. Chẳng hạn, vi khuẩn Pelobacter acidigallici lên men hợp chất thơm phloroglucinol (1,3,5-benzenetriol, C6H6O3) theo con đường sau : Phloroglucinol (C6H6O3) +3 H2O → 3 acetate- + 3H+, ΔGo' = -142,5 kJ/phản ứng Nhiều quá trình lên men không thông thường chỉ được thực hiện bởi một nhóm rất hạn chế các vi khuẩn kị khí, và trong một sồ trường hợp chỉ bởi một vi khuẩn duy nhất. Một số ví dụ được nêu trên bảng 6.2. Nhiều trong số các vi khuẩn này có thể được xem như các chuyên gia về trao đổi chất vì chúng có khả năng phân giải một hoặc nhiều cơ chất mà các vi khuẩn khác không phân giải được. Bảng 6. 2: Một số quá trình lên men không thông thường Kiểu lên men Phản ứng cân bằng Vi sinh vật thực hiện tổng thể 2 C2H2 + 3 H2O → Ethanol + Pelobacter acetylenicus Acetylen Acetate + H+ Glycerin Acetobacterium spp. − 4 Glycerin + 2 HCO → 3 7 Acetate + 5 H+ + 4 H2O 2 C6H4(OH)2 + 6 H2O → 4 Resocxinol Clostridium spp. (một hợp chất Acetate + Butirat + 5 H+ thơm) Xinamat (một 2C9H7O2 + 2 H2O → C9H9O2 + Acetovibrio multivorans hợp chất thơm) Benseat + Acetate + H+ C6H6O3 + 3 H2O → Phlorogluxinol Pelobacter masiliensis (một hợp chất 3 Acetate + 3 H+ Pelobacter acidigallici thơm) 10 C4H12N2 + 26 H2O → 6 Putresxin Các vi khuẩn kị khí gram Acetate + 7 Butirat + 20 NH4+ + dương không sinh bào tử, 16 H2 + 13 H+ chưa phân loại Xitrat + 2 H2O → Focmat + 2 Xitrat Bacteroides sp. − Acetate + HCO 3 + H+ Aconitat + H++ 2 H2O → 2 CO2 Acidaminococcus Aconitat fermentans + 2 Acetate + H2
147 4 Glioxilat +3 H+ + 3 H2O → 6 Glioxilat Vi khuẩn gram âm chưa phân loại CO2 + 5 H2 + Glicolat Xucxinat + H2O → Propionat + Xucxinat Propionigenium modestum − HCO 3 Oxalat + H2O → Focmat + Oxalobacter formigenes Oxalat − HCO 3 Malonat + H2O → Acetate + Malonomonas rubra Malonat Sporomusa malonica − HCO 3 III. Lên men không có sự phosphorin hóa cơ chất Với một số cơ chất, năng lượng sinh ra không đủ để ghép đôi với sự tổng hợp ATP trực tiếp nhờ phosphorin hóa cơ chất, tuy nhiên các hợp chất này vẫn trợ giúp sinh trưởng lên men của một cơ thể nào đó. Trong những trường hợp này sự phân giải cơ chất được gắn liền với những bơm ion được dùng để tạo nên một građien proton hoặc natri qua màng. Ví dụ về kiểu này có các quá trình lên men của Propionigenium modestum hoặc Oxalobacter formigenes, cả hai đều gắn sự lên men các acid đicacboxilic với các bơm ion sinh năng lượng liên kết với màng. Propionigenium modestum thực hiện phản ứng sau đây : Xucxinat2- + H2O → Propionat- + HCO3- , ΔGo' = -20,5 kJ/phản ứng Phương trình tổng thể này thu không đủ năng lượng tự do để ghép đôi với sự tổng hợp ATP trực tiếp nhờ phosphorin hóa cơ chất, tuy nhiên nó lại được dùng làm phản ứng thu năng lượng duy nhất cho sinh trưởng của vi khuẩn. Sở dĩ như vậy là vì sự loại CO2 khỏi xucxinat
148 Hình 6.1: Lên men liên kết với bơm ion ở vi khuẩn (năng lượng thu được không qua phosphorin hóa cơ chất) (qua metilmalonil-CoA và đecacboxilase liên kết với màng bởi Propionigenium modestum đã được ghép đôi với sự xuất Na+ qua màng tế bào chất. Một ATPse chuyển vị Na+ nằm trên màng của P. modestum sử dụng građien này để hoạt hóa sự tổng hợp ATP. Oxalobacter formigenes thực hiện sự lên men oxalat : Oxalat2- + H2O → Focmat- + HCO3- , ΔGo' = -26,7 kJ/phản ứng ở pH trung tính, oxalat tồn tại dưới dạng ion hóa oxalat-, và sự loại cacboxil thành focmat- tiêu thụ một proton. Sau đó sự xuất focmat- khỏi tế bào sẽ tạo nên một động lực nhờ proton (proton motive force = PMF) có khả năng ghép đôi với sự tổng hợp ATP nhờ một ATPase chuyển vị proton nằm trên màng.
149 Điều thú vị và độc đáo trong trao đỗi chất của cả Propionigenium modestum lẫn Oxalobacter formigenes nằm ở chỗ sự tổng hợp ATP xảy ra không cần cả phosphoril hóa cơ chất lẫn chuỗi vận chuyển điện tử; tuy nhiên, sự tạo thành ATP theo cơ chế hóa thẩm vẫn xảy ra dựa vào một bơm Na+/H+ kết hợp với sự loại CO2 khỏi các acid hữu cơ. Điều cần rút ra từ những sự lên men này là : các phản ứng, dù chỉ thu được dưới 31,8 kJ, con số cần thiết để tạo thành một ATP, hoặc không có khả năng ghép đôi với sự phosphorin hóa cơ chất, cũng không thể lập tức bị coi là không có khả năng trợ giúp sinh trưởng cho một vi khuẩn. Nếu như phản ứng có thể ghép đôi được với một građien ion thì sự sản sinh ATP vẫn có khả năng xảy ra và do vậy vẫn có sinh trưởng (Hình 6.1). IV. Hiện tượng cộng dưỡng (syntrophy) Trong vi sinh vật học có nhiều ví dụ về hiện tượng cộng dưỡng, một hiện tượng mà hai sinh vật khác nhau có thể cùng nhau phân giải một chất nào đó - và bảo toàn năng lượng của quá trình phân giải đến mức không cơ thể nào trong hai cơ thể đó một mình có thể làm được. Trong đa số trường hợp, bản chất của một phản ứng cộng dưỡng có liên quan tới khí dihydro (H2) sinh ra bởi một trong hai đối tác và được tiêu thụ bởi đối tác kia. Do vậy, cho đến nay, cộng dưỡng cũng còn được gọi là sự chuyển H2 liên loài. Kẻ tiêu thụ H2 có thể là bất kỳ một cơ thể nào trong số các vi khuẩn khử sunfat, lên men homoacetate, và vi khuẩn sinh methane. Hãy xem xét trường hợp cộng dưỡng liên quan tới quá trình lên men ethanol thành acetate và sự sản sinh methane sau đó. Như có thể thấy trên hình 2, bọn lên men ethanol thực hiện một phản ứng không thuận lợi về mặt năng lượng tự do (ΔGo' dương). Tuy nhiên, H2 được sinh ra bởi đối tác lên men rượu lại là một chất cho điện tử đầy giá trị đối với quá trình hình thành methane do một vi khuẩn sinh methane thực hiện. Và khi cộng hai phản ứng lại thì phản ứng tổng thể sẽ là một phản ứng toả nhiệt và có thể trợ giúp sinh trưởng của cả hai đối tác trong hỗn hợp cộng dưỡng. Lên men ethanol 2CH3CH2OH + 2H2O → 4H2 + 2CH3COO- +2H+ +19,4 kJ /phản ứng Sinh methane → CH4 + 2H2O 4H2+ CO2 - 130,7 kJ/phản ứng Phản ứng cộng dưỡng - → CH4 + 2CH3COO 2CH3CH2OH + CO2 - 111,3 kJ/phản ứng
150 Một ví dụ khác của hiện tượng cộng dưỡng là sự oxi hóa butirat thành acetate cộng với H2 bởi vi khuẩn cộng dưỡng oxi hóa acid béo Syntrophomonas: Butirat- + 2H2O → 2acetate- + H+ + 2H2 , ΔGo' = +48,2 kJ/phản ứng Sự biến đổi năng lượng tự do của phản ứng này rất không thuận lợi và trong ống giống thuần khiết, Syntrophomonas không thể mọc được trên butirat. Song nếu H2 vừa sinh ra trong phản ứng được tiêu thụ ngay bởi một cơ thể đối tác (như một vi khuẩn sinh methane) thì Syntrophomonas lại sinh trưởng rất tốt trong ống giống cấy chung với bọn tiêu thụ H2. V. Lên men rượu nhờ nấm men và vi khuẩn Ethanol là một trong số các sản phẩm lên men phổ biến nhất gặp ở vi sinh vật. Bản thân thực vật và nhiều loài nấm cũng tích lũy ethanol dưới các điều kiện kị khí. Vi sinh vật sản sinh ethanol chủ yếu là nấm men, đặc biệt là các chủng thuộc loài Saccharomyces cerevisiae. Giống như đa số nấm, nấm men là những cơ thể hô hấp hiếu khí, nhưng khi vắng mặt không khí chúng sẽ lên men hiđrat cacbon thành ethanol và CO2. Nhiều vi khuẩn kị khí và hiếu khí cũng tạo thành ethanol như các sản phẩm chính hoặc sản phẩm phụ khi lên men các hexose hoặc pentose. 1. Sự tạo thành ethanol nhờ nấm men Sự lên men glucose thành ethanol và CO2 nhờ Saccharomyces cerevisiae diễn ra theo con đường Embden-Meyerhof. Sự chuyển hóa piruvat thành ethanol gồm hai bước. Trong bước một, piruvat được loại CO2 thành acetaldehit nhờ piruvat-đecacboxilase với sự tham gia của tiaminpirophosphate. Trong bước sau, acetaldehit bị khử thành ethanol nhờ alcohol-đedihydrogenase chứa NADH. Glucose 2 Piruvat 2CO2 2NADH 2NAD 2 Acetaldehyt 2Ethanol
151 Bằng sự chuyền H này, dihydro tách ra do triosephosphate- dehydrogenase xúc tác sẽ được tiêu thụ, nhờ vậy trạng thái oxi hóa-khử sẽ được cân bằng. 2. Các dạng phương trình Neuberg Các phương pháp và phát hiện của Carl Neuberg về lên men rượu không chỉ có ý nghĩa lịch sử. Ông đã khám phá ra rằng, không chỉ glucose mà cả piruvat cũng được nấm men lên men và acetaldehit xuất hiện như một sản phẩm trung gian có thể bị bắt giữ bởi dihydrosulfit. Dihydrosulfit vốn không độc đối với nấm men. Nếu bổ sung dihydrosulfit vào một môi trường chứa glucose đang được nấm men lên men thì acetaldehit sẽ bị kết tủa do tạo thành phức chất : + NaHSO3 → CH3- CHOH -SO3Na CH3-CHO Lúc đó glycerin sẽ xuất hiện như một sản phẩm lên men mới, đồng thời hiệu suất ethanol và CO2 sẽ giảm xuống. Lên men với sự có mặt của dihydrosulfit đã được sử dụng trong công nghiệp để sản xuất glycerin. Nguyên lý của nó là, acetaldehit bị bắt giữ, và do vậy không thể hoạt động như một chất nhận điện tử được nữa. Lúc này, thay cho acetaldehit, dihydroxiacetonphosphate được sử dụng làm chất nhận điện tử và bị khử thành glycerin-3-phosphate rồi tiếp tục bị loại phosphate để trở thành glycerin. Phương trình phản ứng diễn ra như sau : Glucose + Dihydrosulfit → Glycerin + Acetaldehit-sulfit + CO2 Phương trình lên men cải biến này được gọi là dạng lên men Neuberg 2. Khi bổ sung các chất kiềm (NaHCO3, Na2HPO4) thì glycerin cũng được tạo thành vì acetaldehit bị chuyển thành ethanol và acetate qua phản ứng hóa hai, và do vậy không còn hoàn thành được chức năng của một chất nhận điện tử. Phương trình lên men có tên là dạng lên men Neuberg 3 và được viết như sau : Glucose + 2H2O → Ethanol + Acetate + 2Glycerin + 2CO2 Dạng lên men thông thường được Neuberg gọi là dạng lên men 1.