Hô hấp và đặc điểm các kiểu hô hấp của vi sinh vật

GVHD: Trần Thanh Thủy
SVTH: Lê Thúy Hằng
Phan Thanh Quỳnh Như
Lớp: Sinh_Nông2
VẤN ĐỀ THẢO LUẬN
Quá trình hô hấp ở tế bào vi sinh vật (VSV)

Đặc điểm các nhóm VSV có kiểu hô hấp khác nhau trong thực tiễn.
NỘI DUNG
I. Đặt vấn đề
II. Quá trình hô hấp ở tế bào vi sinh vật (VSV)
1.1. Quá trình đường phân
1.2. Chu trình Kreb
1.3. Chuỗi truyền điện tử
III. Đặc điểm các nhóm VSV có kiểu hô hấp khác nhau trong thực tiễn
Hô hấp hiếu khí
Hô hấp hiếu khí không bắt buộc
Hô hấp vi hiếu khí
Hô hấp kị khí không bắt buộc
Hô hấp kị khí
IV. Kết luận
V. Tài liệu tham khảo
Năng lượng rất cần trong mọi hoạt động sống của VSV, vậy năng lượng là gì? Năng lượng được sinh ra từ đâu?
Năng lượng là đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh công.
Trong sinh học nói chung và hoạt động sống của VSV nói riêng,năng lượng từ lấy ra từ sự bẻ gẫy các liên kết cao năng của các chất hoá học,đặc biệt là trong ATP (Adenosine triphotphate)

Hô hấp tế bào VSV: là quá trình chuyển đổi năng lượng rất quan trọng của tế bào VSV.Trong quá trình đó,các phân tử cacbohiđrat bị phân giải đến CO2 và H2O, đồng thời năng lượng của chúng được giải phóng và chuyển thành dạng năng lượng rất dễ sử dụng chứa trong các phân tử ATP.

Sơ đồ tổng quan các quá trình hô hấp của tế bào VSV
Tại sao tế bào VSV không sử dụng luôn năng lượng của các phân tử cacbohidrat (điển hình là glucose) mà phải đi vòng qua hoạt động sản xuất ATP của ti thể (đối với tế bào VSV nhân thực) và màng tế bào chất (đối với tế bào VSV nhân sơ)???
Chuyển đổi năng lượng
O2
CO2
H2O
II. Quá trình hô hấp ở tế bào VSV
Đường phân
C.T Crep
Truyền e
Bào tương
Chất nền của ti thể
Màng trong của ti thể
1.Các quá trình hô hấp điển hình ở tế bào VSV
Tế bào chất (VSV nhân sơ)
Màng tế bào (VSV nhân sơ)
Tổng quan quá trình hô hấp
1.1.Quá trình đường phân EMP ( Embden – Meyerhof – Parnas pathway) – diễn ra ở gần như hầu hết VSV
Quá trình đường phân EMP
a.Giai đoạn 1: hoạt hoá glucose
Phosphoryl hoá glucose do hexokinase xúc tác (là enzyme điều hoà)
Biến đổi glucose-6-phosphate thành fructose-6-phosphate
Phosphoryl hoá fructose-6-phosphate thành fructose-1,6-bisphosphate do
Quá trình này gồm 4 giai đoạn
Giai đoạn 1:hoạt hoá glucose
b.Giai đoạn 2: Cắt mạch Cacbon
Cắt fructose-1,6-bisphosphate thành 2 phân tử đường 3C (triose) khác nhau: glyceraldehyde-3-phosphat và đihyđroxyacetone phosphate nhờ enzyme fructose-1,6-bisphosphate aldolase (biến đổi tương hỗ lẫn nhau của 2 đường C3)
- Oxy hoá glyceraldehyde-3-phosphat thành 1,3-bisphosphoglycerate nhờ enzyme glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase
Giai đoạn 2:Cắt mạch Cacbon

c.Giai đoạn 3: Tạo 2-phosphoglycerate
. - chuyển nhóm phosphate từ 1,3-bisphosphoglycerate cho ADP tạo ATP và 3-phosphpglycerate tổng hợp ATP từ ADP và phosphate vô cơ Pi
-Biến đổi 3-phosphpglycerate thành 2-phosphpglycerate được enzyme phosphpglycerate mutase xúc tác.
Giai đoạn 3: Tạo 2-phosphoglycerate
d.Giai đoạn 4: hình thành pyruvate

Dehydrate hoá 2-phosphpglycerate được xúc tác bởi enzyme enolase tạo phosphoenolpyruvate chứa nhóm phosphate có mức năng lượng tự do cao
-Phosphoenolpyruvate chuyển nhóm phosphate cho ADP tạo pyruvate và ATP được xúc tác bởi pyruvate kinase.
Giai đoạn 4: hình thành pyruvate
*Kết luận:
+ Phương trình tổng quát:
1 glucose + 2 ATP + 2NAD  2a.pyruvic + 4 ATP + 2NADH2
+ Từ 1 phân tử đường glucose tạo 2 phân tử pyruvate và 2 ATP và 2NADH2
1. Đường phân
ATP
ADP
ATP
ADP
NAD+
NAD+
NADH
NADH
2ADP
2ADP
2ATP
2ATP
Axit piruvic
Axit piruvic
* Một số trường hợp đặc biệt trong điều kiện có Oxy
1.Con đường Pento-phosphat (PP) hay còn gọi là con đường Hexo-mono phosphate (HMP)- diễn ra khi VK bị đột biến ở 1 enzyme ở con đường EMP
- Con đường này giúp cho nhiều vi khuẩn chuyển hoá glucose thành pyruvate không qua con đường EMP,con đường PP còn cung cấp NADH cần cho các phản ứng tổng hợp khử
Ta có phương trình tổng quát như sau:
Glucose6P + 6NADH  Pyruvate + 3CO2 + 6NADPH2 + NADH2 + ATP
Như vậy,con đường PP về mặt năng lượng chỉ bằng nửa con đường EMP

2. Con đường 2-keto-3 deoxi – 6- P- gluconat (KDPG) hay còn gọi là con đường Entner-Doudoroff
- Con đường này được phát hiện đầu tiên ở VK Pseudomonas
- Trước hết glucose-6-phosphat được chuyển thành 6-phosphat-gluconat như con đường EMP
Sau đó 6-phosphat-gluconat bị loại nước nhờ P-gluconat-dehidrase thành KDPG.
KDPG bị phân giải thành pyruvate và 3-P-glyceraldehit nhờ một aldolaza đặc hiệu.
Cuối cùng, 3-P-glyceraldehit lại đi theo con đường EMP để cho pyruvate
Phương trình tổng quát:
Glucose + 1ATP + 1NADP + NAD+  2 pyruvate +ATP + NADH2 + NADPH2
1.2.Chu trình Kreb:gồm 5 giai đoạn
Chu trình Kreb
CO2
Co.A
NAD
NADH
AxêtylCo.A
Tế bào chất
Axit pyruvic
Oxy hoá pyruvat thành Acetyl-CoA
a.Giai đoạn 1:
- Oxy hoá pyruvat (sử
dụng NAD+ và bị khử
thành NADH) để tạo
thành acetyl CoA và
CO2 nhờ enzyme
pyruvat dehydrogenase
Giai đoạn 1


Acetyl gắn vào
oxaloacetate tạo
thành citrate nhờ
enzyme citrate
synthase xúc tác,là
phản ứng 1 chiều
b. Giai đoạn 2
Biến đổi citrate thành isocitrate thông qua cis aconitate được enzyme aconitase xúc tác
Oxi hoá iso-citrate thành α ketoglytarate và giải phóng CO2,phản ứng đảo chiều này được xúc tác bởi enzyme isocitrate dehydrogenase
Giai đoạn 2
c.Giai đoạn 3
- Oxi hoá α-ketoglytarate thành succinyl-CoA và giải phóng CO2 được phức enzyme α-ketoglytarate dehydrogenase xúc tác (phản ứng sử dụng chất nhận e- là NAD+)
- Biến đổi succinyl-CoA thành succinate được xúc tác bởi enzyme succinyl-CoA synthetase giải phóng năng lượng tích luỹ ở ATP và GTP
Giai đoạn 3

d.Giai đoạn 4

Oxi hoá succinate thành fumarate được xúc tác bởi enzyme Succinate dehydrogenase
Hydrat hoá fumarate thành malate đảo chiều được xúc tác bởi enzyme fumarase
Giai đoạn 4
e.Giai đoạn 5

- Oxi hoá malate thành oxaloacetate được xúc tác bởi enzyme malate dehydrogenase phụ thuộc NAD với chiều phản ứng luôn hướng về phía tạo oxaloacetate.Đến đây chu trình bắt đầu lại từ đầu.
Giai đoạn 5

Kết quả
Mỗi vòng chu trình bắt đầu bằng sự kết hợp nhóm acetyl với oxaloacetate cho đến khi tái sinh hoàn trả oxaloacetate ban đầu tạo ra 3NADH,1 FADH2,1 ATP(hoặc AGP) và giải phóng 2 CO2.
Năng lượng tạo thành trong quá trình đường phân (1 glucose phân rã thành 2 pyruvate là 2ATP ).
Tuy nhiên,khi 2 phân tử pyruvate nói trên bị oxh hoàn toàn thành CO2 sẽ tạo tới 38ATP
Chu trình Kreb
Chu trình Kreb
Co.A

C
C
C
C
C
NAD+
NADH
CO2
C
C
C
C
NAD+
NADH
CO2
C
C
C
C
ADP
FAD+
FADH2
ATP
NAD+
NADH
Oxalôaxetat
Hô hấp trong điều kiện không có Oxy
- Sản phẩm của quá trình đường phân là pyruvate ,trong điều kiện có oxy thì pyruvate bị oxi hoá thành acetate-chất này sau đó tham gia vào chu trình Kreb,biến đổi tiếp tạo ra NADH-là chất chuyển e- tới Oxygen trong chuỗi hôn hấp để giải phóng nhiều NL ATP và trở về dạng NAD+ ban đầu
- Tuy nhiên trong điều kiện kị khí ,NADH nói trên không bị oxy hoá vì không có Oxygen nên sự tái tạo NAD+ -là chất vận chuyển e- nên sẽ bước vào quá trình lên men để tạo ra sản phẩm khử
a .Lên men Lactic :gồm có lên men lactic đồng hình và lên men lactic dị hình
Lên men lactic đồng hình :quá trình này do sự hoạt động chuyển hoá đường theo con đường EMP của 2 giống VK : Lactobacilus và 1 số loài trong giống Streptococcus (ứng dụng trong muối dưa,làm sữa chua…)
Lên men dị hình : do sự lên men đường theo con đường HMP ở các giống VK Leuconostoc,Bactterium,1 số loài trong giống Lactobacilus và Streptococcus
Pyruvate bị khử thành acid lactic nhờ enzyme lactate dehyrogenase.
Như vậy,quá trình khử 2 p.tử Pyruvate thành acid lactic sẽ tạo ra 2 NAD+

b .Lên men rượu ethanol
Nấm men,nấm mốc và một số VSV khác lại giải quyết vấn đề NAD+ bằng cách lên men rượu tạo ethanol và khí CO2 từ Pyruvate thông qua 2 giai đoạn:
+ Pyruvate bị decarboxyl hoá nhờ enzyme pyruvate decarboxylase giải phóng CO2 và tạo acetaldehyde
+ acetaldehyde bị khử thành ethanol nhờ NADH được xúc tác bởi enzyme alcohol dehydrogenase
Phương trình tổng quát
C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2

c. Một số loại lên men khác
3.1 Lên men Propionic
- Chủ yếu do giống VK Propionibacterium,chúng thuộc loại kí sinh không bắt buộc.Chúng đóng vai trò quan trọng trong chế biến phomat
3.2 Lên men Butyric
- Chủ yếu là do VK Clostridium,là VK kị khí không bắt buộc
1.3. Chuỗi truyền điện tử
- NADH nhường cho FMN làm bật ra 2 H+ : các e- trở lại bề mặt của màng trong tới một protein chứa Fe.S.
- Hai e- lại nhường cho 2 phân tử ubiquynon (CoQ) và với một H+ của môi trường trong sẽ được khử thành semiquynon (QH)
- QH khuếch tán ra một phần phía ngoài của màng trong nhờ nhận 2e- bổ sung khi đi qua cytochtome b và 2 H+ phía trong của ty thể ,để tạo ra (hydroquynon) QH2
a. Ở màng trong của ty thể:
Chuỗi truyền điện tử ở màng trong ty thể
QH2 nhường các e- cho cytocrome C1 và giải phóng các H+ ra phía ngoài
Như vậy sẽ tạo ra một dòng liên tục của CoQ giữa 2 bề mặt của màng ty thể
Các e- sẽ được vận chuyển vào bên trong ty thể nhờ cytochrome c,a và a3 và được chuyển đến oxi phân tử để tạo thành nước.
Có 3 vị trí,nơi mà 2 H+ được bật ra từ phân tử NADH
Chuỗi truyền điện tử ở màng trong ty thể
b Ở màng của VSV nhân sơ (E.coli).
Màng tế bào chất của E.coli chứa một chuỗi hô hấp tương tự như ở ty thể
Các e- và H+ từ cơ chất nhờ các phản ứng trung gian của NADH được nhường cho FADH2 làm bật ra 2H+
Các e- trở lại mặt trong đến một protein chứa Fe.S,các e- và 2H+ của môi trường khử một phân tử CoQ thành QH2
Chuỗi truyền điện tử ở màng tế bào ở VK E.Coli
QH2 khuếch tán ra một phần phía ngoài của màng và ở đây nó giải phóng 2 H+
Cuối cùng thì các e- được mang vào bên trong của tế bào nhờ cytocrome b và O,rồi vận chuyển đến oxigen để tạo nước
Như vậy cũng có 2 vị trí có 2 H+ được bắn ra từ phân tử NADH

Chuỗi truyền điện tử ở màng tế bào ở VK E.Coli
MÀNG TRONG CỦA TI THỂ
Chuỗi chuyền electron hô hấp.
NADH
e-
e-
e-
e-
H+
H+
H+
NADH
H+
NAD+
O
H+
H+
H
H
O
H
H
O
H
H
FADH2
e-
e-
e-
e-
H+
H+
H+
FADH2
H+
FAD+
O
H+
H+
H
H
O
H
H
ADP
ATP
H+
H+
Pi
ADP
ATP
H+
H+
Pi
 (6NADH x 3ATP) + (2FADH2 x 2ATP) =22ATP
Các giai đoạn chính trong quá trình hô hấp
Các giai đoạn chính trong quá trình hô hấp
III. Đặc điểm các nhóm VSV có kiểu hô hấp khác nhau trong thực tiễn
Hiếu khí bắt buộc
Thuộc nhóm này là các vi sinh vật chỉ có thể sinh trưởng được khi có mặt oxi phân tử (o2). Chúng có chuỗi hô hấp hòan chỉnh, dùng o2 làm thể nhận hidro cuối cùng. Trong tế bào có chứa enzym SOD ( superoxid dismutaza) và peroxidaza. Tuyệt đại đa số vi nấm và số đông vi khuẩn thuộc nhóm này.
Anabaena
(htt://vietsciences.free.fr)
Oscillatoria
(htt://vietsciences.free.fr)
Scytonema
(htt://vietsciences.free.fr)
Spirulina
Nostoc
Malassezia_globosa
(htt://www.reviberoammicol.com)
Malassezia (Pityrosporum ovale)
( htt://pathmicro.med.sc.edu)
2. Hiếu khí không bắt buộc
Thuộc nhóm này là các vi sinh vật có thể sinh trưởng được cả trong điều kiện có oxi lẫn trong điều kiện không có oxi. Trong tế bào có chứa SOD và peroxidaza. Có oxi chúng sinh trưởng tốt hơn. Phần lớn nấm men và vi khuẩn thuộc nhóm này. Có thể kể đến các loài như Saccharomyces cerevisiae, E.coli, Enterobacter aerogenes, Proteus vulgaris.
SaccharomycesCerevisiae
(htt://www.diwinetaste.com)
Escherichia coli ( E.coli) www.washingtoninjuryattorneyblog.com
(htt://vietsciences.free.fr)
Enterobacter aerogenes
(htt://2.truman.edu)
(htt://content.ll-0.com)
Proteus vulgaris
(htt://www.microbelibrary.org)
Proteus vulgaris_flagella
(htt://www.biology.clc.uc.edu)
3. Vi hiếu khí
Thuộc nhóm này là các nhóm vi sinh vật chỉ có thể sinh trưởng được ở điều kiện áp suất oxi rất thấp ( khoảng 0.01 – 0.03 Pa). Chúng cũng thông qua chuỗi hô hấp và dùng oxi làm thể nhận hidro cuối cùng. Có thể kể đến các loài như Vibrio cholerae, Hydrogenomonas spp. Zymononas spp. Bacterioides spp,….
Bacteroides
(htt://vietsciences.free.fr)
Vibrio cholerae
(htt://vietsciences.free.fr)
(htt://www.innovations-report.com)
(htt://microbewiki.kenyon.edu
4. Kị khí không bắt buộc
Đó là những vi khuẩn kị khí nhưng lại tồn tại được khi có mặt oxi.Trong tế bào có SOD, có peroxidaza nhưng thiếu catalaza, hidrogenperoxidaza. Thuộc nhóm này có thể kể đến Streptococcus lactis, S.faecalis, Lactobacillus lactis, Leuconostoc mesenteroides, Butyribacterium rettgeri,….
Streptococcus_lactis
(htt://vietsciences.free.fr)
Lactobacillus
(htt://vietsciences.free.fr)
Leuconostoc
(htt://vietsciences.free.fr)
5. Kị khí
Các vi sinh vật thuộc nhóm này sự có mặt của oxi phân tử là có hại. Chúng chỉ sinh trưởng được ở lớp dịch thể sâu , ở nơi không có oxi, quá trình lên men, quá trình phosphoryl hóa quang hợp quá trình metan. Trong tế bào của các vi sinh vật này không có SOD, xitocromoxidaza, catalaza,phần lớn không có hidrogen peroxidaza.
Fusobacterium
(htt://vietsciences.free.fr)
Có thể kể đến rất nhiều loài trong các chi Clostridium, Fusobacterium, Bifidobacterium, Eubacterium, Peptococcus, Butyrivibrio, Desulfovibrio, Veillonella,….
clostridium_difficile_spores
(htt://www.scribemedia.org)
Bifidobacterium
(htt://vietsciences.free.fr)
Veillonella
(htt://vietsciences.free.fr)
Desulfovibrio
(htt:/www.biltek.tubitak.gov.tr)
Giardia
(htt://www.bioweb.uncc.edu)
Một số ít động vật nguyên sinh như Micrissporidia và Giardia, chúng là những đơn bào nhân chuẩn kị khí còn lại cho đến nay, không có ti thể nhưng cơ thể này đại diện cho một nhánh tiến hóa tiêu giảm ti thể của các cơ thể nhân chuẩn , kị khí khác với nhánh tiến hóa phát triển của các cơ thể nhân chuẩn hiếu khí
Micrissporidia
(htt://www. microvet.arizona.edu)
IV.Kết luận
Như vậy,hô hấp tế bào là quá trình chuyển năng lượng của các nguyên liệu hữu cơ thành năng lượng của ATP.
Năng lượng của nguyên liệu hô hấp được giải phóng dần từng phần.Tốc độ của quá trình hô hấp tế bào VSV phụ thuộc vào nhu cầu năng lượng của tế bào VSV.

V. Tài liệu tham khảo
Nguyễn Thành Đạt, Cơ sở sinh học vi sinh vật, Nhà xuất bản Đại học Sư Phạm,2005
Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty, Vi Sinh Vật Học, Nhà xuất bản Giáo Dục,2008
Nguyễn Đại Hương, Lê Thị Thuỳ Trang, Sổ tay tra cứu Danh pháp khoa học, Nhà xuất bản trẻ, 2002
Nguyễn Tiến Thắng, Giáo trình hoá sinh đại cương, Nhà xuất bản Giáo Dục, 2008
http//:www.vietsciences.free.fr