QUÁ TRÌNH HÔ HẤP CỦA VI SINH VẬT

C3.2

QUÁ TRÌNH HÔ H P C A

Ủ

Ấ

VI SINH V TẬ

TRAO Đ I V T CH T VÀ NĂNG L NG Ấ ƯỢ

ổ

ổ ự

gi ư ả thu năng l

• Trao đ i ch t ấ là t ng các ph n ng hóa h c do t ế ả ứ ọ ng (t a ỏ ượ ệ t) ệ

i phóng năng l ng (thu nhi ượ

ệ

bào th c hi n: các p/ t) và các p/ nhi G mồ

= qt trao đ i ch t ki n t o=

ế ạ

ấ

ổ

ủ

(1) Quá trình đ ng hóa ồ quá trình sinh t ng h p ổ ợ (2) Quá trình d hóa : quá trình phân h y các thành ị ph n c a c th ơ ể ủ

ầ

ổ

ượ : quá trình oxi hóa – ng i phóng năng l

• Quá trình trao đ i năng l ơ

ượ

ng phân h y (c ch t) kèm theo gi ủ ả cho ho t đ ng s ng. ạ ộ

ấ ố

VI SINH V T Ổ Ậ Ở Ậ

ấ ở ơ ể

ợ

• Quá trình trao đ i ch t : t ng h p c th VSV ổ ổ bào: các ph n ng hóa h c di n ra trong t ế ễ

ả ứ

ọ

i phóng năng l

ng-

ả

ượ

ả ứ ng

(1) Các ph n ng gi trao đ i năng l ượ ổ

(2) Các ph n ng s d ng năng l

ng-trao

ử ụ

ượ

đ i ki n t o, (t ng h p)

ổ ế ạ

ổ

ả ứ ợ

ổ

ằ

ượ ng cho m i ho t đ ng c a t

ấ

ọ

• Quá trình trao đ i năng l ng nh m cung c p năng l ủ ế ạ ộ ượ bào là m t quá trình sinh lý quan tr ng còn ộ g i là quá trình hô h p.

ọ

ấ

S đ trao đ i ch t c a vi sinh v t ấ ủ ơ ồ ậ ổ

CH T D TR

Ấ Ự Ữ

Ự

S TĂNG SINH KH IỐ

CÁC CH TẤ DINH D

Trao đ iổ Xây d ngự

NGƯỠ

Táii T ngổ H pợ

S dinh ự ngưỡ d

T BÀO Ế VSV

QT d hóa ị

SP D HÓA Ị

QT trao đ iổ ngượ Năng l

CÁC S N PH M C A QUÁ TRÌNH TRAO Đ I NĂNG L

NG

Ổ

Ủ

Ả

Ẩ

ƯỢ

QUÁ TRÌNH HÔ H P C A VI SINH V T Ủ Ấ Ậ

Hô h p t Hô h p t

ấ ế ấ ế

ng ng

bào và bào và ượ ượ

tích lũy năng l tích lũy năng l hóa h cọ hóa h cọ

6H2O + 6CO2 + Energy C6H12O6 + 6O2

- B N CH T C A QUÁ TRÌNH HÔ H P Ấ Ủ Ả Ấ

ự ệ

ằ ự ử

c th c hi n ể ấ ạ ậ

i phóng ra năng l ng; • Là quá trình oxi hoá kh đ ử ượ b ng s kh hydrro c a c ch t và chuy n ơ ủ H này cho ch t nh n, hoàn thành giai đo n ấ oxi hoá kh gi ử ả ượ

ấ ự

ấ ơ ể ấ

• S hô h p khác nhau VSV là ch t nh n ậ ở 2, ch t vô c ho c H cu i cùng, có th là O ặ ố h u c . ơ ữ

ng gi i phóng đ c d tr d ng ượ ượ ự ữ ở ạ

• Năng l ả ATP (Adenozin triphosphate), axyl phosohate, Acetyl – CoA…

- PH N NG OXY HÓA – KH Ả Ứ Ử

ọ

. M t ph n ng hóa h c mà trong đó m t ộ c chuy n t ể ừ ả ứ ề ượ

ộ ặ ấ ấ

ấ

ho c nhi u h n electron đ ơ ch t này đ n ch t Khác. ế - Oxy hóa là m t đi electron - kh là thêm vào m t ho c nhi u ề ặ ộ

ử electron.. ậ • Vì v y, chu i chuy n đi n t ỗ đòi h i m t ỏ ộ

ệ ử ậ ộ

ề ch t cho và m t ch t nh n. Quá trình oxh- ấ kh luôn song hành. ấ ử

OXH

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + H2O

Khử

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + energy

ấ : K t qu c a quá trình hô h p ả ủ ế

Năng l ng đ c gi ượ ượ ả i phóng kh i các liên ỏ

k t hóa h c trong các ch t h u c ph c ế ấ ữ ứ ơ ọ

t p (th c ăn) ứ ạ

CHU TRÌNH ATP C A T BÀO Ủ Ế

• Các h p ch t h u c d tr năng l ơ ự ữ ợ ượ

ấ ữ trong liên k t các nguyên t ế ử ủ

• Các ch t béo, hydratcarbon, protein đ c ng c a chúng; ượ ấ

ệ ượ ệ ứ ử ụ

ệ ể

• Có 2 con đ ng trong ng cung c p năng l ấ ượ

s d ng nh các nguyên li u. Quá trình hô ư ử ụ c nghiên c u vi c s d ng bào đ h p t ấ ế glucose nh ngu n. ồ ư ườ tb vi sinh v tậ – Hô h p tri t đ (có oxy) ấ – Lên men (Không có oxy)

- QUÁ TRÌNH HÔ H P VI SINH V T Ấ Ở Ậ

ấ

(1) Không có b máy hô h p chuyên trách, ộ s hô h p x y ra trên toàn b t bào. ộ ế ự ả ấ

ấ ư ộ ậ

ể ầ ể ư ầ

(2) Hô h p có th c n oxi nh đ ng v t nh ng cũng có th không c n oxi (hô h p ấ y m khí). ế

ơ ấ ữ

(3) C ch t đ oxi hoá có th là ch t h u c ơ ể ấ ể và cũng có th là ch t vô c . ơ ể ấ

ng c a quá trình oxi ầ ượ

t năng làm nóng

ể

ủ c chuy n thành nhi ệ ng (4) M t ph n năng l ộ hoá đ ượ môi tr ườ

- PHÂN LO I HÔ H P VI SINH V T Ạ Ấ Ậ

ế ấ

ệ (1) Hô h p hi u khí ấ ơ ả

ẩ ng gi c, năng l

ượ c tích lũy trong ATP

: Quá trình hô : là quá trình hô h p x y ả ra n i có hi n di n oxy, s n ph m cu i ệ ố i cùng là CO2 và n ả ướ phóng đ ượ (2) Hô h p k khí (y m khí) ị ế

ấ ả ấ ả

ơ ả ẩ ổ

h p x y ra n i ko có oxy, s n ph m cu i ố ẩ cùng là các s n ph m trao đ i ch t ấ (ethanol, acid lactic, …), CO2 và n ướ ATP.

- QUÁ TRÌNH HÔ H P VI SINH V T Ậ Ấ

Ạ Ậ Ể

- PHÂN LO I VI SINH V T THEO KI U HÔ H PẤ

ế

(1) Vsv hi u khí tùy nghi ế (2) VSV k khí tùy nghi ị

(1) VSV hi u khí nghiêm ng t ặ (2) VSV vi hi u khí ế (3) VSV k khí nghiêm ng t ặ ị (4) VSV tùy nghi:

QUÁ TRÌNH HÔ H P HI U KHÍ

Ấ

Ế

- Vsv s d ng oxy c a không khí đ oxy hóa các h p

ử ụ

ủ

ợ

ể i phóng năng l

ch t h u c ho c vô c : gi

ượ

ấ ữ

ặ

ả

ề

ế

ự

ậ

ể

ấ ế

ậ

ố

ự c ch t đ n ch t ti p ệ ố ể

c v n chuy n đ n O - ậ ng ph c vu cho ho t ụ ượ

ướ

ạ

- S oxi hóa trong đi u ki n hi u khí th c ch t là quá ệ ấ trình v n chuy n hydro t ấ ế ừ ơ nh n cu i cùng là oxy thông qua h th ng v n ậ chuy n cytochrome. H + đ ế ượ c và năng l đ t o thành n đ ng s ng c a vsv ủ ố

ể ể ạ ộ

C CH C A QUÁ TRÌNH HÔ H P HI U KHÍ Ơ Ế Ủ Ấ Ế

6H2O + 6CO2 + Energy C6H12O6 + 6O2

Ạ Ấ

(1) Glycosis (Đ ng phân)

ườ

(2) Oxy hóa pyruvate

(3) Chu trình acid tricarboxilic

(4) Chu i hô h p và quá trình phosphoryl hóa

ấ

ỗ

oxy hóa

CÁC GIAI ĐO N C A QUÁ TRÌNH HÔ H P HI U KHÍ Ủ Ế

(1) GLYCOLYSIS (Đ (1) GLYCOLYSIS (Đ NG PHÂN) NG PHÂN) ƯỜ ƯỜ

ế

ử 3 ử

bào ế

-Bi n đ i 1 phân t ổ glucose = 2 phân t Carbon PYRUVATE PYRUVATE. - X y ra trong t ả ch tấ

Các sp: 2 ATP, NADH and pyruvate

ng phân có th x y ra theo

ườ

ể ả

* Glycosis = quá trình đ 3 cách

- Con đ

ng Embden – Meyerhoff – Parnas

ườ

- Con đ

ng Pentose - Phosphate

ườ

- Con đ

ng Entner - Doudoroff

ườ

- Con đ ng Embden – Meyerhoff – Parnas ườ

- Con đ

ng Pentose - Phosphate

ườ

G ia i đ o ạ n 1

- Con đ

ng Pentose - Phosphate

ườ

G ia i đ o ạ n 2

ng Entner – Doudoroff (2-keto- ườ

- Con đ 3deoxy-6-phosphogluconat)

(2) OXY HÓA PYRUVAT (2) OXY HÓA PYRUVAT

Pyruvat → Acetyl CoA

C

CO2

Các sp: CO2, Acetyl CoA and NADH

ượ ạ

ừ

ế

glucosis k t c t o thành khi piruvate t Acetyl CoA đ h p v i Coenzyme A… Quá trình này x y ra bên trong ả ớ ợ ch t n n ty th ấ ề

ể

ứ

→ CO2

ẩ

2 and 1ATP

• Ch c năng: Oxy hóa acid pyruvate • Sàn ph m: 3NADH, 1FADH • V trí: Ch t n n c a ty th ể ấ ề

ủ

ị

(3) KREBS CYCLE (CHU TRÌNH KREBS) (Citric Acid Cycle or Tricarboxylic Acid Cycle)

TY TH (Mitochondria) TY TH (Mitochondria) Ể Ể

H+

NAD

H+

outer membrane

H+

matrix

H+

inner membrane ( ATP synthetase)

ị

ể

ấ ề ứ

ể

ể ỗ ậ ị

ệ

Ch t n n ty th là m t d ng d ch th giàu protein, ộ ạ . ch a các enzyme th c hi n chu i v n chuy n đi n t ệ ử ệ ự ATP SYNTHETASE là enzyme ch u trách nhi m t ng ổ h p ATP ợ

Chu Chu trình Krebs trình Krebs

Các sp: CO2 ATP, NADH, FADH

S N PH M T CHU TRÌNH KREBS Ừ Ẩ Ả

(4) QUÁ TRÌNH OXY HÓA PHOSPHORYL HÓA

• Quá trình thu nh n năng l ng t NADH và ậ ừ

ể ượ FADH2 đ hình thành ATP.

ứ ế ổ • Ch c năng : bi n đ i NADH và FADH

thành ATP. • V trí: mào ti th ị ể

CÁC Y U T C A QT OXH PHOSPHORYL HÓA

Ố Ủ

Ế

ấ

• NADH or FADH2 (các ch t giàu đi n t ) ệ ử • ADP : ti n ch t hình thành ATP;

Pvc t

ề

ấ

doự

cu i cùng

ố

ấ

ậ

ệ ử

• O2: ch t nh n đi n t • Chu i v n chuy n đi n t

ỗ ậ

ậ

ệ ử: g m t p h p các protein

ể màng trong ty th đ

ể ậ

g n chuy n các electron t

ắ ở ể

ừ

ợ ồ c s d ng đ v n ể ượ ử ụ NADH và FADH 2

• Cytochrome c, Ubiquinon: Các protein c a chu i ỗ

ủ

(có m t trong all c th s ng)

ặ

d ng kh dang

ệ

ể

ơ ể ố ử

ừ ạ

ế

v n chuy n đi n t ệ ử ể ậ có nhi m v v n chuy n electron t ụ ậ oxy hóa và chuy n đ n O ể 2

ATP Synthase

-S d ng dòng ử ụ ch y Hả + đ hình ể thành ATP.

- Ho t đ ng ạ ộ gi ng 1 b m ố ng ượ bánh xe n

ơ c chi u or ề c Hướ +

CHU I V N Ỗ Ậ CHUY N Ể ĐI N T Ệ Ử TRÊN MÀO TY THỂ

-S n l

ng ATP

ả ượ

1 NADH → 3 ATP 1 FADH2 → 2 ATP

-Thuy t Hóa th m

ẩ :

ế

(ETC)

ủ

ỗ ậ

ệ ử + qua màng

ể c s d ng đ v n chuy n H ể ậ

ể

Ho t đ ng c a chu i v n chuy n đi n t ạ ộ đ ượ ử ụ mào ti th .ể

ế

ượ i ch t n n ti th nh ATP synthase.

ATP đ tr l ở ạ

+ (proton) khuy ch tán ờ

c sinh ra khi H ấ ề

ể

Chu i v n chuy n e

ỗ ậ

ể

- hô h pấ

• Glycolysis: 2 ATPs, 2 NADHs • Krebs: 2 ATPs, 8 NADHs, 2 FADH2

• 10 NADH x 3 = 30 ATPs • 2 FADH2 x 2 = 4 ATPs • 2 ATPs (Gly) = 2 ATPs • 2 ATPs (Krebs) = 2 ATPs Max = 38 ATPs / 1 phân t

glucose

ử

T NG ATP TRONG HÔ H P HI U KHÍ Ổ Ấ Ế

TUY NHIÊN...

ử ụ

c s d ng trong vi c ệ cytosol vào matrix ti ộ ố ể ượ ừ

• M t s ATP đã đ chuy n pyruvate t th (Prokaryote ko có đi u này) ề ể

• Th c t t ng ATP ~ 36/glucose ự ế ổ

QUÁ TRÌNH LÊN MEN (FERMENTATION) ị

ậ ế

ố ớ

ng không kèm theo

ượ

ủ

ệ

• Đ i v i các vi sinh v t y m khí (= k khí) • Quá trình oxi hóa sinh năng l ế ớ ệ

• Trong đi u ki n k khí, c ch t h u c v a là ch t ơ

ề

ấ

vi c liên k t v i oxi c a không khí. ấ ữ ị ế

ừ

ơ ừ ả ộ

ầ

nh n v a là ch t cho electron. K t qu m t ph n c ơ ch t b kh , m t ph n khác b oxy hóa. ầ

ậ ấ ị

ấ ộ

ử

ị

ng th c s d ng NADH vì Glycolysis v n có th ể

ứ ử ụ

ẫ

th c hi n .

• Ph ươ ự

bào ngay c khi không có O

ế

ả

ệ ấ

• Cung c p ATP cho t

Hi u khí

ế

K khí ị

ấ

ạ

- Có O2 - C 4 giai đo n hô h p ả - 2< ATP/ glucose

- Không O2 - Ch Glycosis ỉ - 2 ATP/ glucose

ế

ể ự

ỉ

ặ ng th c hi u khí (k khí)

- Hi u khí (k khí) nghiêm ng t: ch có th th c ị hi n hô h p theo m t ph ị

ươ

ứ

ệ

ế

ấ

ộ

ự

ệ

ượ

ụ

ề

ệ

ộ

c c 2 ki u ả ụ ấ

ể 2 (ví d : n m

- Tùy nghi (Facultative): Th c hi n đ hô h p ph thu c vào đi u ki n O ấ men)

SO SÁNH HÔ H P HI U KHÍ VÀ K KHÍ Ấ Ế Ị

SUGAR

Lactobacillus

Klebsiella, Bacillus

+ acid pyruvic

+2H

- CO2

Acid acetolactic

Acetoin

Acid pyruvic

D or L acid lactic

- CO 2

ATP

+2H

+ CO 2

H2

2,3-butanediol

ADP

Acid oxaloacetic

CO2

Shigella

+2H

Acid formic

Acetyl-S- CoA

Acid malic

Escherichia

Saccharomyces +4H; - CoA-SH

Ethanol

+ 2H - 2H2O Acid succinic

Acetobacter - CoA-SH

Acid acetic

- CO2

H

CO 2

2 + Acetyl-S- CoA - CoA-SH

Acid propionic

Acetoacetyl-S-CoA

Propionibacter

Clostridium

Butanol

+4H

+ 2H

isopropanol

Acetone

Butyryl-S-CoA

Acid butyric

- CoA-SH - CO2

+4H

- CoA-SH

U ƯỢ

- LÊN MEN R (ETHANOL)

ấ ợ

• N m men và m t s n m s i khác. ộ ố ấ • Quá trình oxy hóa không hoàn toàn, năng

ẩ

ng v n còn trong s n ph m (alcohol) l ả ượ ỉ

ự ệ ệ ẫ • Ch có gđ glycosis • Không có s hi n di n O

VI SINH V T LÊN MEN R U Ậ ƯỢ

• Saccaromyces cerevisiae, Sac. Vinii, Sac.

Uvarum v.v …

Sac. bergensis ệ

• Trong công nghi p bia: • R u rum: Sac. Schizo, … ượ

C CH LÊN MEN R U Ơ Ế ƯỢ

ộ

NG LÊN MEN ƯỜ

ấ ơ

ặ

ộ

ạ

ẽ ả ặ

ấ ượ ộ thành các dung d ch đ

ồ

ị

i ả ng hóa = h hóa) ng bi n thành

lên men r u s x y ra 2 giai đo n: – (1) Tinh b t ho c cellulose b các vsv khác phân gi ị ng (gđ đ ườ – (2) D i tác d ng c a n m men đ ấ

ườ ườ

ướ

ủ

ụ

ế

uượ

• pH= 4-6 (môi tr

ườ

u còn có a.acetic ho c m t s acid h u c ơ ặ

ng chua). N u pH=8 ngoài ế ộ ố

ữ

r ượ khác

• Nhi

t đ 3-45

i 10

0: lên men l nh;

ệ ộ

ướ

ạ

0C. N u d ế trên 100: lên men nóng

ĐI U KI N MÔI TR Ệ R • C ch t: glucose, tinh b t, cellulose • N u c ch t là tinh b t ho c cellulose quá trình Ề UƯỢ ơ ế

NG D NG QUÁ TRÌNH LÊN MEN R U Ứ Ụ ƯỢ

ả

i khát ả

ở ộ

S n xu t: ấ - R uượ - Bia - N c gi ướ - Lên men làm n b t mì - S n xu t glyceryl ấ - ả men th c ăn gia súc … Ủ ứ

Lê n m e n b ia

MACHING

Sugar Cane Gin Barley Saki Grapes Tequila Juniper Cones Vodka Agave Leaves Beer Rice Wine Potatoes Rum

- LÊN MEN ACID LACTIC

ẩ

• Vi khu n lên men lactic • Quá trình oxy hóa không hoàn toàn –

ng v n còn trong s n ph m (acid ượ ẫ ả ẩ

năng l lactic) ỉ

ự ệ ệ • Ch có gđ glycosis • Không có s hi n di n O

C CH QUÁ TRÌNH LÊN MEN LACTIC Ơ Ế

LÊN MEN LACTIC Đ NG HÌNH Ồ

• Glucose đ c chuy n hóa theo con ượ ể

ườ ể ạ

ị

ng Emden-Meyerhof đ t o thành đ a.pyruvic, NADH và H+. A.pyruvic b kh ử đ t o thành a.lactic ể ạ

• Vi sinh v t: ậ Lactobacterium,

Themobacterium, Streptobacterium và Streptococcus.

LÊN MEN LACTIC D HÌNH Ị

2, ethanol, glyceryl.

• Ngoài a.lactic còn t o thành các sp khác ạ nh : acid acetic, CO ư

• Vi sinh v t: ậ streptocpccaceae,

Lactobacillaccae

ĐI U KI N LÊN MEN LACTIC Ệ Ề

0C (th

t đ cao ng nhi ệ ộ ườ

t đ : 20-45 ệ ộ t cho quá trình lên men) ố

• Nhi thì t • pH: 4-8 • Vi khu n lactic th ẩ

ơ ấ ữ ứ ạ ườ ơ ng phát tri n nh ng ể ậ ữ ự

n i có ch t h u c ph c t p, xác th c v t, s a, …ữ

NG D NG QUÁ TRÌNH LÊN MEN

Ụ Ứ LACTIC

ả

• S n xu t acid. lactic ấ • Ch bi n s a chua ế ế • ữ th c ăn cho gia súc Ủ ứ

Lê n m e n s ữa c h ua

Lê n m e n a c e tic