BÀI GIẢNG SINH HỌC VI SINH - BIỆN THỊ LAN THANH - TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HCM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Bài giảng SINH HỌC VI SINH Mã MH: 211138 Số TC: 02 (30 tiết) ThS. Biện Thị Lan Thanh

HỌC LIỆU VI SINH VẬT HỌC Nguyễn Lân Dũng (Chủ biên), Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty Nhà xuất bản Giáo dục Giá: 110.000 đồng • Quận 1: 2A Đinh Tiên Hoàng, 104 Mai Thị Lựu • Quận 5: 231 Nguyễn Văn Cừ, 240 Trần Bình Trọng • Quận 11: 5 Bình Thới

Nội dung môn học • • • • • • • • • •

Chương 1 Mở đầu Chương 2 Sinh học các VSV nhân sơ (Prokaryote) Chương 3 Sinh học các VSV nhân thật (Eukaryote) Chương 4 Virus Chương 5 Dinh dưỡng của VSV Chương 6 Sự chuyển hóa năng lượng ở VSV Chương 7 Các quá trình sinh tổng hợp ở VSV Chương 8 Sinh trưởng và phát triển ở VSV Chương 9 Di truyền học VSV Chương 10 Sinh thái học VSV

Vi sinh vật (VSV) • Là những cơ thể nhỏ bé, muốn thấy được phải nhìn qua kính hiển vi (KHV) • Các nhóm VSV: o Siêu vi trùng (virus) o Vi khuẩn (bacteria) o Nấm men (yeasts, levures) o Nấm mốc (molds) o Vi tảo (algae) o Nguyên sinh động vật (protozoa)

Đặc điểm chung của VSV • Kích thước nhỏ bé • Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh • Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh • Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị • Phân bố rộng, chủng loại nhiều

Vị trí phân loại của VSV • Các đơn vị phân loại từ thấp lên cao: Loài (Species), Chi (Genus), Họ (Family), Bộ (Order), Lớp (Class), Ngành (Phylum), và Giới (Kingdom). Hiện nay trên giới còn có một mức phân loại nữa gọi là lĩnh giới (Domain).

• Cách viết tên khoa học của các loài gồm 2 chữ viết in nghiêng: chữ đầu tiên (viết hoa) chỉ tên chi (genus), chữ sau (không viết hoa) chỉ tên loài (species).

• Ví dụ: Escherichia coli  E. coli Aspergillus niger  A. niger Bacillus subtilis RIK1285  B. subtilis RIK1285

Vị trí phân loại của VSV • John Ray (1627-1705) và Linnaeus (1707-1778) chia thế giới SV thành 2 giới là Thực vật và Động vật. Năm 1866, Haeckel (1834-1919) bổ sung thêm giới Nguyên sinh (Protista).

• Năm 1969 Whittaker (1921-1981) đề xuất hệ thống phân loại 5 giới: Khởi sinh (Prokaryote hay Monera), Nguyên sinh (Protista), Nấm (Fungi), Thực vật (Plantae) và Động vật (Animalia).

Hệ thống phân loại 5 giới sinh vật

Vị trí phân loại của VSV • Gần đây hơn có hệ thống phân loại 6 giới - như 5 giới trên nhưng thêm giới Cổ vi khuẩn (Archaebacteria), giới Khởi sinh đổi thành giới Vi khuẩn thật (Eubacteria) • Cavalier-Smith (1993) đề xuất hệ thống phân loại 8 giới: Vi khuẩn thật (Eubacteria), Cổ vi khuẩn (Archaebacteria), Cổ trùng (Archezoa), Sắc khuẩn (Chromista), Nấm (Fungi), Thực vật (Plantae) và Động vật (Animalia).

Hệ thống phân loại 6 giới sinh vật

Hệ thống phân loại 8 giới sinh vật

Vị trí phân loại của VSV • Dựa vào cấu trúc của nhân tế bào, Chatton và Lwoff chia sinh vật thành 2 nhóm: o Prokaryote: nhân tế bào chưa phân hóa hoàn chỉnh, nhiễm sắc thể chưa có màng nhân bao bọc, chưa hình thành tiểu hạch. Tiêu biểu cho nhóm này: vi khuẩn, xạ khuẩn, niêm vi khuẩn, xoắn thể, rickettsia, mycoplasma và tảo lam o Eukaryote: nhân tế bào đã phân hóa hoàn chỉnh, đã có màng nhân và tiểu hạch, bao gồm 2 nhóm:

 Eukaryote đơn bào: nấm men, tảo đơn bào (trừ tảo lam), nguyên sinh động vật  Eukaryote đa bào: nấm mốc, nấm bậc cao, tảo đa bào, động vật và thực vật bậc cao

Vị trí phân loại của VSV • Năm 1979, Trần Thế Tương đề nghị hệ thống phân loại 6 giới và 3 nhóm giới: I - Nhóm giới Sinh vật phi bào (chưa có tế bào) 1 - Giới virus II - Nhóm giới Sinh vật nguyên thủy (Prokaryote) 2 - Giới vi khuẩn 3 - Giới vi khuẩn lam (Tảo lam) III- Nhóm giới Sinh vật nhân thật (Eukaryote) 4 - Giới thực vật 5 - Giới nấm 6 - Giới động vật

Vị trí phân loại của VSV • Năm 1980, Woese dựa trên những nghiên cứu sinh học phân tử đưa ra hệ thống phân loại 3 lĩnh giới (Domain): Sinh vật nhân thật (Eukaryote), Vi khuẩn (Bacteria), Cổ khuẩn (Archae)

Vị trí phân loại của VSV • Sự khác nhau cơ bản của 3 nhóm trong sinh giới

Đặc điểm của SV Prokaryote và Eukaryote • Tế bào Prokaryote nhỏ hơn tế bào Eukaryote

III. Đặc điểm của SV Prokaryote và Eukaryote

III. Đặc điểm của SV Prokaryote và Eukaryote

IV. Vai trò của VSV • Trong nông nghiệp: phân giải xác hữu cơ, tạo chất mùn, cố định N, phân giải các hợp chất khó tan chứa P, K, S, thành phần chủ yếu của các chế phẩm sinh học • Trong thực phẩm: các sản phẩm lên men, sản phẩm trao đổi chất • Trong ngành năng lượng: sản xuất năng lượng sinh học (biofuel) • Trong xử lý môi trường: phân giải chất thải trong nông nghiệp, sinh hoạt, công nghiệp • Trong nghiên cứu khoa học: là đối tượng để nghiên cứu về di truyền, sinh lý tế bào • Tuy nhiên, có không ít các loài VSV gây bệnh, sinh độc tố, làm ô nhiễm môi trường

V. Lịch sử phát triển của VSV

KHV do Robert Hook sử dụng mô tả các tế bào nấm mốc mọc trên bề mặt da thuộc

Tiêu bản máu người chụp dưới KHV của Leeuwenhoek

V. Lịch sử phát triển của VSV

Thí nghiệm của Parteur chứng minh VSV không phải tự sinh ra

Louis Parteur là người đặt nền tảng khoa học cho môn vi sinh vật học với các cống hiến: Bác bỏ thuyết tự sinh Chứng minh sự lên men rượu là do nấm men Tìm ra nguyên nhân gây hư hỏng rượu là do một loại vi khuẩn, đề ra biện pháp bảo quản bằng cách thanh trùng hấp cách thủy 62oC/10 phút  thanh trùng Pasteur Tìm ra nguyên nhân gây bệnh than ở gia súc, bệnh ở tằm Tìm ra cơ sở khoa học của việc chủng ngừa bằng vaccine Phát minh vaccine ngừa bệnh dại Đề ra các phương pháp khử trùng có giá trị trong phẫu thuật

V. Lịch sử phát triển của VSV

Ảnh chụp Bacillus anthracis của Robert Koch

4 nguyên tắc chuẩn để chứng minh khả năng gây bệnh đặc trưng của một loài VSV của R. Koch

1. Luôn được tìm thấy trên sinh vật bị nhiễm bệnh nhưng không có ở sinh vật khỏe 2. Được nuôi trong điều kiện thực nghiệm bên ngoài cơ thể sinh vật 3. Có khả năng gây bệnh khi gây nhiễm vào con vật mẫn cảm 4. Được xác định từ kết quả tái phân lập.

• Vi khuẩn thật (Eubacteria): vi khuẩn (Bacteria), xạ khuẩn (Actinomycetes), vi khuẩn lam (Cyanobacteria) và nhóm vi khuẩn nguyên thủy • Vi khuẩn cổ (Archaebacteria)

I. Tổng quan về Prokaryote

1. Hình dạng, kích thước Cầu khuẩn (coccus) Đường kính 0,2 – 2 µm Micrococcus

(a)

(b)

Staphylococcus

(c)

(d)

Sarcina

(a) Liên cầu khuẩn Streptococcus, (b) (b) Song cầu khuẩn, (c) tứ cầu khuẩn, (d) tụ cầu khuẩn Staphylococcus

Diplococcus Streptococcus Tetracoccus

1. Hình dạng, kích thước Trực khuẩn (Baccille) Kích thước 0,5-1 x 1- 4 µm Bacillus: G+, sinh bào tử, hiếu khí hay kị khí tùy ý Clostridium: G+, sinh bào tử, (a) kị khí bắt buộc Enterobacterium: G-, không sinh bào tử, thường có tiêm mao Pseudomonas: G-, không sinh bào tử, (c) có 1 hay 1 chùm tiêm mao (a) Trực khuẩn dưới KHV điện tử, (b) Trực khuẩn dạng chuỗi, ở đỉnh, thường có sinh sắc tố (c) Trực khuẩn Bacillus, (d) trực khuẩn E. coli

(b)

(d)

1. Hình dạng, kích thước Xoắn khuẩn (Spirillium)  G+, di động nhờ có 1 hay nhiều tiêm mao mọc ở đỉnh

(a)

(b)

Phẩy khuẩn (Vibrio)  Gồm các VK hình que (d) uốn cong giống dấu phẩy, (c) (a) Xoắn khuẩn Helicobacter pylori, (b) phẩy có 1 tiêm mao

khuẩn Vibrio cholerae (c) xoắn khuẩn Spirillum, (d) phẩy khuẩn Campylobacter jejuni

2. Cấu tạo tế bào

Thành tế bào (cell wall) Duy trì hình dạng tế bào Hỗ trợ sự chuyển động của tiên mao Giúp tế bào đề kháng với lực tác động bên ngoài Cần thiết cho quá trình phân cắt bình thường của tế bào Cản trở sự xâm nhập của một số chất có hại Có liên quan đến tính kháng nguyên, tính gây bệnh, tính mẫn cảm với thực khuẩn thể

Thành tế bào vi khuẩn Gram dương Vách tế bào đồng nhất và dày của VK G+ được cấu tạo chủ yếu bởi peptidoglycan (PG) và acid teichoic

• Acid teichoic: vừa nối với PG, vừa nối với lipid của màng tế bào chất (lipoteichoic acid)

• Peptidoglycan (murein) là hợp chất cao phân tử khổng lồ, cấu tạo bởi nhiều tiểu đơn vị nối lại với nhau, chứa 2 dẫn xuất của đường glucose (NAcetylmuramic và N-Acetyl glucosamin) và 4 loại amino acid (L-Alanine, D-Glutamate, LLysine, D-Alanine và L-Diaminopimelic) • PG có thể bị phân giải bởi lysozyme, một số chất kháng sinh (penicillin) có thể làm ức chế sự tổng hợp PG

Peptidoglycan ở VK G+ và G-

Thành tế bào vi khuẩn Gram âm So với VK G+, thành tế bào VK G- phức tạp hơn: • Lớp màng ngoại vi: bên ngoài lớp PG: Lipoprotein: nối màng ngoài và lớp PG Lipopolysacharide (LPS): chứa lipid và glucid, gồm 3 phần: Lipid A: là nội độc tố (endotoxin) của vi khuẩn Polysaccharide lõi: nối với lipid A Polysaccharide O (kháng nguyên O): là 1 chuỗi polysaccharide ngắn của polysaccharide lõi, được cấu tạo từ vài loại đường, thành phần thay đổi tùy loại VK; dễ dàng nhận biết bởi kháng thể của kí chủ. Để thoát khỏi sự phòng vệ của kí chủ, VK G- có thể thay đổi nhanh chóng bản chất của kháng nguyên O.

• PG mỏng, kế cận màng tế bào chất • Khoảng không chu chất: nằm giữa lớp màng ngoài và lớp PG mỏng ở thành tế bào VK G-, và giữa lớp thành tế bào và lớp màng tế bào chất của cả VK G- và G+

Vi khuẩn Gram dương

Vi khuẩn Gram âm

Gram dương

Gram âm

Peptidoglycan

Dày

Mỏng

Acid techoic

Có

Không

Màng tế bào

1

2

Lớp chu chất

Có

Có

Lysozyme

Dễ bị phá hủy hoàn toàn

Ít bị phá hủy hơn

Các dạng VK không có thành tế bào • Thể nguyên sinh (protoplast): tế bào VK bị phá hủy bởi lysozyme hay dùng penicillin để ức chế sự tổng hợp PG  tế bào chỉ được bao bọc bởi màng tế bào chất. Thường gặp ở VK G+ • Thể cầu (sphaeroplast): VK G- sau khi bị xử lý với penicillin (chỉ tác động đến PG) sẽ thành thể sphaeroplast (tế bào VK thiếu vách, nhưng vẫn còn sót vài mảnh của lớp ngoại vi) • Mycoplasma: hoàn toàn không có thành tế bào, phát triển trong môi trường loãng hay trong đất, hình dạng thay đổi • Vi khuẩn dạng L (L-formes): thiếu vách hoàn toàn hay 1 phần, nguồn gốc từ VK G+ hoặc G-, sinh ra do đột biến trong phòng thí nghiệm và mang tính di truyền ổn định

2. Cấu tạo tế bào

Màng tế bào chất (cytoplasmic membrane)

Màng tế bào chất (cytoplasmic membrane) Cấu tạo Bao bọc khối tế bào chất, cấu tạo gồm protein và lipid • Lipid: gồm 2 lớp phospholipid (PL) chiếm 30-40% khối lượng màng, đầu ưa nước hướng ra 2 phía của màng, đầ kị nước quay đầu vào nhau • Protein: chiếm 60-70% khối lượng màng, có 2 loại protein màng: Protein ngoại vi: kết hợp yếu với màng lipid và dễ dàng tách ra dễ dàng, tan trong nước, chiếm khoảng 20-30% tổng số protein màng Protein nội tại: không dễ dàng tách ra khỏi màng, tan trong dung dịch lipid. Có cấu trúc lưỡng cực, phần kị nước nằm sâu trong lớp lipid, phần ưa nước nhô ra bề mặt ngoài của màng.

• Ngoài ra còn có những phân tử glucid gắn vào mặt ngoài các protein màng

Màng tế bào chất (cytoplasmic membrane) Chức năng • Khống chế sự qua lại của các chất dinh dưỡng, các sản phẩm trao đổi chất • Duy trì áp suất thẩm thấu bình thường trong tế bào • Là nơi sinh tổng hợp các thành phần của thành tế bào và các polyme của bao nhầy (capsule).

• Là nơi tiến hành quá trình phosphoryl oxy hóa và quá trình phosphoryl quang hợp (ở VK quang tự dưỡng) • Là nơi tổng hợp nhiều enzym, các protein của chuỗi hô hấp.

• Cung cấp năng lượng cho sự hoạt động của tiên mao

2. Cấu tạo tế bào

Cytoplasm

Tế bào chất (Cytoplasm) • Là thành phần chính của tế bào VK, dạng keo nằm bên trong màng sinh chất, chứa tới 80-90% là nước, thành phần chính là lipoprotein • Trong tế bào chất của VK trưởng thành có các cấu tử: Ribosome nằm tự do trong TBC, chiếm 70% trọng lượng khô của tế bào VK. Ribosome gồm 2 tiểu phần (50S và 30S), hai tiểu phần này kết hợp với nhau tạo thành ribosom 70S

Tế bào chất (Cytoplasm) • Mesosome: là những thể hình cầu nằm gần vách ngăn ngang, chỉ xuất hiện khi tế bào phân chia, có vai trò trong việc hình thành vách ngăn ngang khi tế bào phân chia. Trong mesosome chứa nhiều hệ thống enzyme vận chuyển điện tử • Không bào: được bao bọc bởi màng lipoprotein bên trong chứa các chất thải, các chất độc từ hoạt động sống của tế bào • Không bào khí: thường có ở VK lam, VK quang hợp màu tía màu lục, vài VK sống trong nước. Không bào khí giúp các VK này nổi trên mặt nước.

• Hạt sắc tố: đóng vai trò quang hợp ở VK quang dưỡng • Các thể hạt: carbonhydrate, PHB (poly-β-hydrybutyrate), dị nhiễm, cyanophycine và carboxysome, lưu huỳnh, tinh thể diệt côn trùng

2. Cấu tạo tế bào

Cytoplasm

Thể nhân (Nuclear body) • Có hình dạng bất định và là một nhiễm sắc thể duy nhất có cấu tạo bởi một sợi DNA xoắn kép còn gắn với màng tế bào chất, chứa thông tin di truyền của VK • Đa số vi khuẩn còn có chứa plasmid  Là những DNA xoắn kép, dạng vòng khép kín  Kích thước nhỏ, có khả năng sao chép độc lập và di truyền qua hiện tượng giao phối của VK  Không cần thiết cho sự sống còn của VK, làm cho VK có thêm đặc tính mà plasmid quy định  Yếu tố F (F- và F+): plasmid quy định tính trạng giới tính của VK  Yếu tố R: plasmid quy định tính trạng đề kháng kháng sinh của VK

2. Cấu tạo tế bào

Cytoplasm

Bao nhầy (Capsule) • Bao bên ngoài thành tế bào, thành phần chính là polysaccharide, ngoài ra còn có polypeptide và protein • 90 - 98% trọng lượng của màng nhầy là nước

Vỏ nhầy ở vi khuẩn Acetobacter xylinum và Leuconostoc mesenteroides

2. Cấu tạo tế bào

Cytoplasm

Tiên mao (Lông roi, Flagella) • Không phải có mặt ở mọi vi khuẩn • Quyết định khả năng và phương thức di động của VK • Dựa vào số lượng và cách sắp xếp, chia VK có tiên mao thành 4 nhóm:

Tiên mao (Lông roi, Flagella)

Tiên mao ở VK G- (a) và VK G+ (b)

Tiên mao (Lông roi, Flagella) • Tiên mao xuất phát từ lớp ngoại nguyên sinh chất, xuyên qua màng nguyên sinh chất, và vách tế bào rồi ra ngoài.

• Ở gốc tiên mao có 1 hạt nhỏ gọi là hạt gốc điều chỉnh hoạt động của tiên mao • Tiên mao cố định vào tế bào nhờ cái móc (hook) có đường kính lớn hơn đường kính sợi tiên mao. Trên móc có 4 vòng (L, P, S, M), xuyên qua 4 vòng là 1 trụ nhỏ  thể gốc • Sự chuyển động của VK có tiên mao theo 2 cơ chế: sự co duỗi của nguyên sinh chất qua các lổ của thành tế bào, hoặc do sự xoáy của tiên mao vào nước

Sự phát triển của tiên mao

Sự chuyển động của tiên mao

Cơ chế của sự chuyển động của tiên mao MotA, MotB, FliG, FliM, FliN: các protein của tiên mao

2. Cấu tạo tế bào

Cytoplasm

Khuẩn mao (Nhung mao, Pillus) • Là những sợi lông rất mảnh, rất ngắn mọc quanh bề mặt tế bào nhiều vi khuẩn Gram âm, giúp VK bám vào giá thể • Khuẩn mao giới tính (Sex pili, Sex pilus-số nhiều): cấu tạo giống khuẩn mao nhưng dài hơn nhiều

Khuẩn mao và khuẩn mao giới tính

Bào tử (spore, endospore) • Bào tử hình thành khi gặp điều kiện sống bất lợi, hoặc tích lũy các sản phẩm trao đổi chất có hại.

• Bào tử có tính kháng nhiệt, kháng hóa chất, kháng bức xạ, kháng áp suất thẩm thấu…

• Bào tử trưởng thành được bao bọc bởi nhiều lớp màng: lớp áo bào tử, vỏ bào tử, lớp màng trong, bên trong là lõi bào tử gồm: thành bào tử, màng bào tử, bào tử chất và vùng nhân

Bào tử (spore, endospore) • Trong bào tử chứa: Nước ở trạng thái liên kết DNA và RNA (lượng RNA gấp 2-7 lần DNA) Nhiều Ca, Mg, ít K, P hơn tế bào sinh dưỡng Enzyme và các chất hoạt động sinh học khác tồn tại ở trạng thái không hoạt động Hơn 15% trọng lượng khô của bào tử được cấu tạo từ phức hợp acid dipicolinic và ion Ca2+

Cấu trúc bào tử

Các vị trí bào tử trong tế bào

Sự hình thành bào tử ở Bacillus megaterium

Sự nảy mầm của bào tử

• Ở loài vi khuẩn diệt côn trùng Bacillus thuringiensis và Bacillus sphaericus còn gặp tinh thể độc có bản chất protein và chứa những độc tố có thể giết hại trên 100 loài sâu hại

Bào tử (spore) và tinh thể độc (Crystal) ở B. thuringiensis và B. sphaericus

Sự sinh sản của vi khuẩn • VK sinh sản vô tính theo kiểu trực phân Nhân đôi NST vòng Trong quá trình phân chia tế bào kéo dài ra Các mesosome lớn dần lên NST và mesosome tách đôi và xa dần nhau Giữa tế bào xuất hiện vách ngăn, chia tế bào mẹ thành 2 tế bào con (xem clip 1) (xem clip 2) (xem clip 3) (xem clip 4)

Sự hình thành khuẩn lạc • VK phát triển trên môi trường đặc sẽ tạo thành các khuẩn lạc (colony) có hình dạng đặc trưng từng loài • Khi mô tả khuẩn lạc cần ghi nhận: Hình dạng: tròn đều, dạng rễ cây, dạng bất định Kích thước: tính bằng mm, nếu nhỏ hơn 1 mm là khuẩn lạc điểm Đặc tính quang học: trong, đục, lấp lánh Bề mặt: nhăn nheo, gồ ghề, gấp nếp Mép khuẩn lạc: trơn, lượn sóng, răng cưa Mặt cắt ngang: phẳng, lồi, vun cao, lõm, ăn sâu vào môi trường

1. Đặc điểm chung • Xạ khuẩn là nhóm VSV đơn bào, có nhiều đặc điểm giống VK: Kích thước nhỏ bé tương đương tế bào VK Chưa có màng nhân Thành tế bào không chưa cellulose hay kitin Phân bào vô ty

• Xạ khuẩn có những đặc điểm tương tự nấm: Có hai loại khuẩn ti: khuẩn ti khí sinh (aerial mycelium) và khuẩn ti cơ chất (substrate mycelium) Sinh nhiều bào tử như nấm trên hệ sợi khí sinh

• Sinh sản: bằng đoạn sợi, bằng sự nảy chồi phân nhánh, phân cắt tế bào, và bằng bào tử (bào tử trần là cơ quan sinh sản chủ yếu) • Khuẩn lạc bám chặt vào môi trường thạch, có dạng đối xứng tỏa tròn phóng xạ hay đồng tâm.

Khuẩn lạc, bề mặt bào tử dưới kính hiển vi điện tử và chu trình sống của Streptomyces sp.

2. Lợi ích của xạ khuẩn • Là nguồn cung cấp chất kháng sinh: amphotericin, chloramphenicol, kanamycin, neomycin, streptomycin • Sản sinh nhiều enzym.

• Chi Frankia có khả năng cố định nitrogen thường cộng sinh trên rễ cây phi lao, và nhiều loài cây khác.

• Một số ít gây bệnh cho người, cho vật nuôi và cho cây trồng….

• Có cấu tạo gần gũi với cấu tạo tế bào Gram âm • Có khả năng tự dưỡng quang năng nhờ chứa sắc tố quang hợp là chất diệp lục a, caroten β và các sắc tố phụ

Một số loài vi khuẩn lam

• Một số vi khuẩn lam sống trong ao hồ thường phát triển mạnh vào mùa hè tạo ra hiện tượng “nước nở hoa”

Đặc điểm cấu tạo • Thành tế bào của cổ khuẩn không chứa peptidoglycan • Cổ khuẩn có rất nhiều dạng cấu trúc thành tế bào khác nhau: pseudo-peptidoglycan, protein, polysaccharid, glycoprotein • Trong khi ở vi khuẩn và sinh vật nhân thật cầu nối acid béo glycerol trong lipid màng tế bào là liên kết este (ester) thì ở cổ khuẩn lại là liên kết ete (ether)

Đặc điểm cấu tạo • Isopren-lipid chỉ có ở cổ khuẩn và không bị biến đổi dưới nhiệt độ cao nên được lấy làm chất chỉ thị của cổ khuẩn hóa thạch • Cổ khuẩn có nhiều loại RNA-polymerase, cấu trúc mỗi loại lại phức tạp hơn nhiều so với RNA-polymerase vi khuẩn.

• RNA-polymerase ở cổ khuẩn ưa nhiệt cao (hyper-thermophilic) lại phức tạp hơn • Tuy có kích thước của ribosom giống với vi khuẩn (70S) nhưng cổ khuẩn lại có nhiều bước trong quá trình sinh tổng hợp protein rất giống với sinh vật nhân thật (80S ribosom).

• Nhiều chất kháng sinh ức chế quá trình sinh tổng hợp protein ở vi khuẩn lại không có hiệu lực đối với cổ khuẩn và sinh vật • Cổ khuẩn có một nhiễm sắc thể dạng vòng, tuy nhiên genom của cổ khuẩn thường nhỏ hơn nhiều so với genom của vi khuẩn nhân thật

Môi trường sống • Cổ khuẩn được biết đến như những vi sinh vật thích nghi với các môi trường có điều kiện cực đoan (extreme) như nhiệt độ cao (thermophilic), nơi lạnh giá (psychrophilic), nồng độ muối cao (halophilic) hay độ acid cao (acidophilic) ... Đó cũng là một lý do giải thích tại sao cổ khuẩn lại khó được phân lập và nuôi cấy trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Các hình thức dinh dưỡng • Cổ khuẩn có nhiều hình thức dinh dưỡng: hóa dưỡng hữu cơ (chemoorganotrophy), hóa dưỡng vô cơ (chemolithotrophy), tự dưỡng (autotrophy), hay quang hợp (phototrophy).  Hóa dưỡng hữu cơ là hình thức dinh dưỡng của nhiều loài cổ khuẩn, tuy nhiên các chu trình phân giải chất hữu cơ thường có một số điểm khác biệt so với vi khuẩn.  Tự dưỡng đặc biệt phổ biến ở cổ khuẩn và diễn ra dưới nhiều hình thức khác nhau  Khả năng quang hợp có ở một số loài cổ khuẩn ưa mặn cực đoan, tuy nhiên khác với vi khuẩn, quá trình này được thực hiện hoàn toàn không có sự tham gia của chlorophyl hay bacteriochlorophyl mà nhờ một loại protein ở màng tế bào là bacteriorhodopsin kết gắn với phân tử tương tự như carotenoid có khả năng hấp phụ ánh sáng, xúc tác cho quá trình chuyển proton qua màng nguyên sinh chất và sử dụng để tổng hợp ATP. Tuy nhiên, bằng hình thức quang hợp này cổ khuẩn ưa mặn cực đoan chỉ có thể sinh trưởng với tốc độ thấp trong điều kiện kỵ khí, khi môi trường thiếu chất dinh dưỡng hữu cơ.

Một số nhóm cổ khuẩn đại diện

• • • •

Xét về các đặc điểm sinh lý, cổ khuẩn có thể phân thành bốn nhóm chính là: Cổ khuẩn sinh methane (methanogens) Cổ khuẩn ưa nhiệt cao (hyper-therrmophiles) Cổ khuẩn ưa mặn (halophiles) Cổ khuẩn ưa acid (acidophiles) thuộc lớp Thermoplasmatales với nhiều đại diện đã được phân lập và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.

• Nấm men • Nấm sợi (nấm mốc)

Đặc điểm chung của vi nấm • Vi nấm gồm những sinh vật nhân thực, hệ sợi, phần lớn có thành tế bào chứa kitin, không có lục lạp, không có lông và roi.

• Sống dị dưỡng hoại sinh, kí sinh, cộng sinh • Sinh sản chủ yếu bằng bào tử • Có cấu tạo thành tế bào, kiểu trao đổi chất và hệ enzym khác biệt với các cơ thể nhân thực khác (thực vật, động vật) và khác xa với cơ thể nhân sơ nên từ lâu đã được xếp thành một giới riêng - đó là giới nấm (Kingdom Fungi).

Cấu tạo 2 đại diện của Eukaryote: nấm men (a), và protozoa (b)

Cấu trúc bên trong tế bào chất của Eukaryote

So sánh tế bào Prokaryote và Eukaryote (a) Bacillus megaterium, (b) Chlamydomonas reinhardtii

Đặc điểm chung • Cấu tạo đơn bào, kích thước lớn, không di động • Sinh sản chủ yếu theo kiểu nảy chồi (budding), đôi khi phân cắt tế bào • Thành tế bào có chứa mannan • Thích nghi với môi trường có chứa đường và acid cao • Có khả năng lên men đường • Nấm men sinh sản nhanh, sinh khối giàu protein và vitamin  làm thức ăn bổ sung cho người và gia súc • Nấm men được sử dụng làm nở bột mì, hương nước chấm, dược phẩm • Một số nấm men có thể gây bệnh cho người và gia súc (Candida), gây hỏng thục phẩm (Mycoderma)

Hình thái tế bào • Hình dạng nấm men không ổn định, phụ thuộc loài, tuổi giống và điều kiện ngoại cảnh • Thường có hình trứng hoặc bầu dục (Saccharomyces cerevisiae), hình cầu (Candida utilis), hình ống (Pychia), hình tam giác, hình quả lê, hình cái liềm….

Ví dụ: Saccharomyces thường có hình bầu dục trong môi trường giàu dinh dưỡng, hình tròn trong điều kiện yếm khí, có hình dài hơn trong điều kiện hiếu khí

Hình thái tế bào • Một số tế bào nấm men có hình dài nối tiếp nhau thành dạng sợi gọi là khuẩn ty (mycelium) hoặc khuẩn ty giả (pseudomycelium).

• Nhiều loài nấm men chỉ sinh khuẩn ty giả khi không được cung cấp đủ oxy

Cấu tạo tế bào • Tế bào nấm men cấu tạo gồm các thành phần:

Thành tế bào • Dày khoảng 25 nm, chiếm khoảng 25-30% trọng lượng khô tế bào • Gồm 3 lớp: Lớp ngoài cùng: cấu tạo chủ yếu là lipoprotein Lớp giữa: cấu tạo chủ yếu là mannan protein Lớp trong: cấu tạo chủ yếu là glucan Glucan và mannan đảm bảo tính cứng rắn thành tế bào

• Protein chiếm khoảng 6-10% trọng lượng khô tế bào • Chitin chiếm 1-3%, thường nằm ở phần nảy chồi, có tác dụng bảo vệ chồi non • Ngoài ra còn có lipid ở dạng phospholipid, các chất khoáng

Màng tế bào chất

• Cấu tạo chủ yếu là protein, chiếm khoảng 50% trọng lượng khô), lipid (40%) và 1 ít polysaccharide • Màng tế bào chất thường ăn sâu vào tế bào chất tạo thành mạng lưới nội chất • Chức năng: điều hòa việc hấp thu dinh dưỡng và thải các sản phẩm trao đổi chất

Nhân tế bào • • • •

Nhân thật, kết cấu hoàn chỉnh, ổn định Có màng nhân, gồm 2 lớp, có nhiều lổ thủng Hình tròn hoặc bầu dục Bên trong nhân có chứa Hạch nhân (nhân con) Nhiễm sắc thể: khác nhau tùy loài nấm men, phân chia theo kiểu gián phân (mitosis) hoặc đôi khi theo kiểu trực phân (amitosis) Protein, acid nucleic, enzyme, ribosome

• Vai trò chủ yếu là mang thông tin di truyền chứa trong DNA

Không bào • Có 1 hoặc nhiều không bào được hình thành từ thể Golgi hay mạng lưới nội chất • Chứa đầy dịc tế bào • Được bao bọc bởi màng lipoprotein gọi là màng không bào • Hình dạng thay đổi tùy theo tuổi và trạng thái sinh lý của tế bào • Vị trí không bào trong tế bào cũng rất thay đổi • Có tính thẩm thấu cao và là nơi tích lũy các sản phẩm trao đổi chất

Ti thể (Mitochondria) • Có hình bầu dục, hình cầu, hình sợi, kích thước 0,2-0,5 x 0,4-1 m luôn luôn di động và tiếp xúc với các cấu trúc khác của tế bào • Hình dạng và số lượng có thể thay phụ thuộc vào điều kiện nuôi cấy và trạng thái sinh lý tế bào

Ti thể (Mitochondria) Cấu tạo

• Cấu tạo chủ yếu từ hợp chất protein và lipid • Gồm 2 lớp màng: Màng trong: có nhiều nếp gấp hoặc ống nhỏ hình răng lược là tăng diện tích bề mặt Màng ngoài: chia thành nhiều lớp, chứa enzyme của chuỗi hô hấp và enzyme phosphoryl hóa

• Trong ti thể có một lượng nhỏ DNA, gọi là DNA của ti thể.

Ti thể (Mitochondria) Chức năng • Là trung tâm năng lượng của tế bào • Thực hiện các phản ứng oxy giải phóng điện tử • Tham gia tổng hợp ATP • Tham gia giải phóng năng lượng từ ATP và chuyển chúng thành dạng năng lượng cung cấp cho tế bào • Tham gia tổng hợp một số chất như protein, lipid, carbonhydrate, các chất này tham gia vào cấu tạo màng tế bào

Ribosome • Ribosome ở nấm men gồm 2 loại: Loại 80S: tồn tại tự do trong tế bào chất Loại 70S: có trong ti thể *Loại 80S có hoạt tính tổng hợp protein mạnh hơn • Chứa 40-60% RNA và 6040 % protein

Plasmid • Có một loại plasmid ở nấm men Saccharomyces cerevisiae gọi là ''plasmid 2 m'' có vai trò quan trọng trong thao tác chuyển gen của kỹ thuật di truyền • Loại plasmid này là một DNA vòng chứa 6300 cặp base

Sự sinh sản của nấm men

Sinh sản bằng cách nảy chồi

Sinh sản bằng cách nảy chồi • Đây là hình thức sinh sản phổ biến nhất ở nấm men • Khi tế bào trưởng thành, nhân dài ra và thắt lại ở giữa. Trên tế bào mẹ bắt đầu phát triển 1 hoặc nhiều chồi con ở nhiều vị trí khác nhau • Mỗi tế bào con nhận 1 phần nhân và chất nguyên sinh từ tế bào mẹ • Khi chồi trưởng thành sẽ hình thành vách ngăn để tách ra khỏi tế bào mẹ và sống độc lập, hoặc dính trên tế bào mẹ và tiếp tục nảy các chồi mới tạo thành tập hợp tế bào nấm men dạng xương rồng hay còn gọi là khuẩn ti giả

Sinh sản bằng cách phân cắt • Hình thức sinh sản này tương tự ở vi khuẩn • Thường gặp ở các nấm men có sợi dài • Tế bào dài ra, ở giữa mọc ra vách ngăn chia tế bào mẹ thành 2 tế bào con, mỗi tế bào con nhận 1 nhân

Sinh sản bằng bào tử • Bào tử bắn: ở chi Sporobolomyces, có hình thận, sinh ra trên 1 cuống nhỏ mọc ở các tế bào dinh dưỡng hình trứng Sau khi chín, bào tử này được bắn mạnh ra phía đối diện • Bào tử màng dày (bào tử áo): thường mọc ở đỉnh của khuẩn ti giả ở Candida albicans • Bào tử đốt: ở chi Geotrichum

Sinh sản hữu tính bằng bào tử túi • Gặp ở các chi Saccharomyces, Zygosaccharomyces, và nhiều chi nấm men khác thuộc bộ Endomycetales • Bào tử túi được sinh ra trong các túi • Hai tế bào khác giới (mang dấu + và -) đứng gần nhau sẽ mọc ra hai mấu lồi • Chúng tiến lại với nhau và tiếp nối với nhau • Chỗ tiếp nối sẽ tạo ra một lỗ thông và qua đó chất nguyên sinh có thể đi qua để phối chất • Nhân cũng đi qua để tiến hành phối nhân, sau đó nhân phân cắt thành 2, 4, 8 • Mỗi nhân được bọc bởi chất nguyên sinh rồi tạo thành màng dày chung quanh và hình thành các bào tử túi • Tế bào dinh dưỡng biến thành túi

Sinh sản hữu tính bằng bào tử túi Túi được hình theo 1 trong 3 cách: • Tiếp hợp đẳng giao: do 2 tế bào nấm men có kích thước và hình dạng giống nhau tiếp hợp với nhau tạo thành • Tiếp hợp dị giao: do 2 tế bào nấm men có kích thước và hình dạng khác nhau tiếp hợp với nhau tạo thành • Sinh sản đơn tính: bào tử hình thành trực tiếp từ 1 tế bào riêng lẽ, không thông qua tiếp hợp

Chu kỳ phát triển của Saccharomyces cerevisiae

(a) 2 tế bào dinh dưỡng kết hợp với nhau. (b) Quá trình chất giao và nhân giao tạo ra tế bào lưỡng bội 2n. (c) Tế bào này nảy chồi sinh ra tế bào lưỡng bội khác. (d) Tế bào lưỡng bội chuyển thành bào tử túi. (e) Nhân bên trong túi bào tử phân chia 2 lần tạo thành 4 bào tử túi 1n. (f) Khi túi vỡ, các bào tử túi đơn bội chuyển thành tế bào dinh dưỡng 1n

Chu kỳ phát triển của Zygosaccharomyces

(a) 2 tế bào dinh dưỡng kết hợp với nhau. (b) Tế bào chất và nhân 2 tế bào hợp nhất lại tạo thành hợp tử 2n. (c) Hợp tử này chuyển thành túi, nhân lưỡng bội bên trong túi phân chia 2 lần tạo 4 nhân con 1n. (d) Bốn nhân con này phát triển thành 4 bào tử túi. (e) Túi vỡ và giải phóng bào tử ra ngoài. (f) Mỗi bào tử túi nảy chồi tạo thành 1 tế bào dinh dưỡng mới

Phân loại nấm men

Đặc điểm chung của nấm sợi • Nấm sợi còn được gọi là nấm mốc chỉ tất cả các loại nấm không phải nấm men và không sinh quả thể. Ở các giai đoạn chưa sinh quả thể, khuẩn ti của nấm lớn vẫn được coi là nấm sợi • Phát triển nhanh trên nhiều nguồn cơ chất hữu cơ khi gặp điều kiện nóng ẩm • Nhiều nấm sợi ký sinh gây bệnh trên người, động vật, thực vật • Một số nấm sợi sinh độc tố (Afflatoxin) • Tham gia vòng tuần hoàn vật chất, phân giải chất hữu cơ hình thành chất mùn • Nhiều loại nấm được sử dụng thực phẩm, dược phẩm, sản xuất sinh khối làm thức ăn cho người và gia súc…

Hình thái • Có kết cấu dạng sợi phân nhánh gọi là khuẩn ty (sợi nấm) • Sợi nấm là một ống hình trụ dài, có loại có vách ngăn ngang như các lớp nấm bậc cao (Ascomycetes, Basidiomycetes, Deuteromycetes) hoặc không vách ngăn thuộc về các nấm bậc thấp như Oomycetes và Zygomycetes • Tế bào cấu tạo hoàn chỉnh , kích thước lớn • Có thể là đơn bào đa nhân hoặc đa bào đơn nhân • Có nhiều màu sắc: đen (A. niger), trắng (Mucor, Rhizopus), xanh (Penicillin), đỏ (Neospora rassa)

Trichoderma

Mucor

Rhizopus

Cấu tạo • Sợi nấm được bao bọc bởi thành tế bào • Thành tế bào khác nhau tùy từng nhóm, đa số có chứa chitin, polysaccharide, lipid, protein, hexosamin, chất màu (melanin) • Màng tế bào chất dày 7µm, chứa lipid (40%), protein (38%) • Tế bào nấm mốc chứa các thành phần tương tự nấm men: nhân, lưới nội chất, bộ máy Golgi, không bào…

• Trong tế bào nấm còn chứa thể màng biên, ti thể Thể màng biên nằm giữa thành tế bào và màng tế bào chất, bao bọc bởi lớp màng đơn, hình dạng thay đổi Ti thể nấm mốc có hình elip, luôn di động

Cấu tạo • Có 2 dạng sợi nấm Dạng sợi nấm có vách ngăn (a): đa số nấm mốc khuẩn ty thường có vách ngăn, ngăn cách 2 tế bào. Vách ngăn không hoàn toàm mà có 1 hay nhiều lổ thủng, tế bào chất và nhân có thể chui qua  có tế bào có nhiều nhân, có tế bào không có nhân nào Dạng sợi nấm không có vách ngăn (b): ở các nấm bậc thấp, toàn bộ khuẩn ty là 1 sợi nấm phân nhánh, trong suốt, có nhiều nhân nằm rãi rác trong tế bào chất  cơ thể đa nhân

Cấu tạo • Khi phát triển trên môi trường đặc, sợi nấm phân biệt 2 loại rõ rệt: Khuẩn ty cơ chất (khuẩn ty dinh dưỡng): phát triển sâu vào môi trường, hấp thu dinh dưỡng Khuẩn ty khí sinh: phát triển trên bề mặt môi trường. Từ khuẩn ty khí sinh, có 1 số sợi phát triển thành cơ quan sinh sản đặc biệt mang bào tử gọi là cuống bào tử

Sinh sản của nấm mốc • Nấm sợi sinh sản bằng cách đứt đoạn sợi nấm, vừa bằng cách tạo bào tử vô tính hay hữu tính • Kết quả của sự sinh sản vô tính hay hữu tính sẽ sinh ra các loại bào tử khác nhau • Mỗi loại nấm mốc có thể cho ra một hay vài loại bào tử

Bào tử vô tính

Bào tử vô tính • Bào tử đốt (Actrospore): Các khuẩn ty sinh sản có sự ngắt đốt, mỗi một đốt được coi như một bào tử, rơi vào môi trường sẽ phát triển thành một khuẩn ty mới • Bào tử màng dầy (Chlamydospore): Trên các đoạn của khuẩn ty sinh sản xuất hiện các phần lồi hình tròn hay hơi tròn có màng dầy bao bọc • Bào tử nang (Sporangiospore): Trên các đoạn của khuẩn ty sinh sản phình to dần hình thành một cái bọc hay gọi là nang, trong bọc chứa nhiều bào tử • Bào tử đính (Conidium): Nhiều loài nấm có hình thức sinh sản này, các bào tử được hình thành tuần tự, liên tiếp từ khuẩn ty sinh sản. Phần lớn bào tử đính là nội sinh - được sinh ra từ bên trong

Bào tử đính Penicillin

Bào tử đính Aspergillus

Bào tử nang Rhizopus

Bào tử màng dày Fusarium solani

(a) Chỗ cắt ngang hình thành tế bào mới (b) Bào tử đốt (c) Bào tử nang (d) Bào tử đính (e) Bào tử chồi

Bào tử hữu tính • Được hình thành do sự sinh sản hữu tính (hiện tượng giao chất, giao nhân và phân bào giảm nhiễm) của nấm • Do cách thức sinh sản khác nhau mà tạo thành các loại bào tử khác nhau:

Bào tử hữu tính • Bào tử noãn:  Đầu tiên có sự xuất hiện noãn khí trên đỉnh các sợi nấm sinh sản  Noãn khí chín trong chứa nhiều noãn cầu  Hùng khí (là cơ quan giao tử đực) được sinh ra gần gần noãn khí sẽ tiến đến gần để tiếp xúc với noãn khí  Sau khi tiếp xúc hùng khí sẽ sinh ra một hoặc vài ống xuyên chứa một nhân và một phần nguyên sinh chất thụ tinh cho một noãn cầu để tạo thành một noãn bào tử  Noãn bào tử có màng bao bọc và sau một thời gian phân chia giảm nhiễm sẽ phát triển thành một khuẩn ty mới

Oomycetes life cycle Saprolegnia parasitica life cycle

Bào tử hữu tính • Bào tử tiếp hợp Khi hai khuẩn ty khác giống gần nhau sẽ xuất hiện hai mấu lồi được gọi là nguyên phôi nang (progametangia) Hai mấu lồi có sự tiếp xúc và xuất hiện vách ngăn tách hai phần đầu của hai mấu lồi thành hai tế bào đa nhân-hai tiểu giao tử tiếp hợp tạo thành một hợp tử có màng dầy bao bọc được gọi là bào tử tiếp hợp  Sau một thời gian sống tiềm tàng, bào tử tiếp hợp sẽ nẩy mầm phát triển thành một nang trong chứa nhiều bào tử

Zygomycota life cycle

Mucorales life cycle

Bào tử hữu tính •

Bào tử túi

 Trên một khuẩn ty đơn bội sinh sinh ra hai cơ quan sinh sản là túi giao tử đực hình ống-hùng khí và túi giao tử cái hình thành ở một đầu của khuẩn ty, phía trên thể sinh túi có một ống dài gọi là sợi thụ tinh  Khi hùng khí tiếp xúc với sợi thụ tinh thì khối nguyên sinh chất chứa nhiều nhân của hùng khí sẽ qua sợi thụ tinh để vào thể sinh túi và nguyên sinh chất sẽ có sự phối hợp với nhau  Các nhân sắp xếp với nhau từng đôi một (đực, cái)  Trên thể sinh túi sẽ mọc ra nhiều sợi sinh túi, các nhân kép được chuyển vào trong các sợi sinh túi, từng phần sẽ phân chia nhiều lần và hình thành vách ngăn làm cho sợi sinh túi sẽ bị phân chia thành nhiều tế bào chứa nhân kép  Tế bào ở cuối sợi uốn cong lại  Nhân kép phân chia một lần tạo ra 4 nhân sau đó tế bào này tách ra thành 3 tế bào tế bào giữa chứa hai nhân, tế bào gốc và ngọn chứa 4 nhân  Tế bào giữa hình thành túi bào tử  Tế bào ngọn và gốc sau này sẽ tiếp hợp thành một tế bào hai nhân, sau đó phát triển thành một túi mới  Bào tử túi sẽ dài ra, hai nhân sẽ hợp thành một nhân lưỡng bội  Sau đó phân chia liên tiếp hai lần để tạo thành 8 nhân đơn bội  Các nhân kết hợp với một phần nguyên sinh chất và có màng bọc tạo thành bào tử túi  Tuy theo loại nấm mà số lượng, hình dạng, kích thước màu sắc bào tử túi sẽ khác nhau, khi bào tử thoát ra ngoài thì nẩy mầm

The life cycle of an Acsomycete

Bào tử hữu tính • Bào tử đảm Khi hai khuẩn ty đơn bội khác tính tiếp cận nhau thì trên một khuẩn ty sẽ xuất hiện một ống nối với khuẩn ty kia Nhân và nguyên sinh chất qua ống nối cũng được chuyển qua khuẩn ty ấy để tạo thành khẩn ty thứ cấp có chứa hai nhân Khi tế bào ở đầu khuẩn ty này chuẩn bị phân cắt thì đoạn giữa hai nhân xuất hiện một ống nhỏ mọc hướng về chồi gốc của tế bào  Một nhân sẽ chui vào trong ống và từng nhân phân chia tạo thành 4 nhân con

Bào tử hữu tính • Bào tử đảm  Sau đó xuất hiện hai vách ngăn tạo ra 3 tế bào:  Một tế bào hai nhân ở đỉnh  Một tế bào một nhân ở gốc  Một tế bào một nhân bên cạnh  Tế bào hai nhân sẽ phát triển thành đảm và hai tế bào kia sẽ kết hợp để tạo thành một tế bào hai nhân khác  Trong đảm hai nhân sẽ kết hợp với nhau, sau đó phân chia liên tiếp hai lần (lần đầu giảm nhiễm) thành 4 nhân con  Đảm phình to, phía trên xuất hiện 4 cuống nhỏ, sau đó mỗi nhân sẽ chui vào trong một thể bình và phát triển thành bào tử đảm  Đảm có thể sinh ra trực tiếp trên đám khuẩn ty hoặc những cơ quan đặc biệt gọi là quả đảm

The life cycle of a Basidiomycete

Đặc điểm chung của virus • Kích thước siêu hiển vi, đơn vị đo bằng nm • Không có cấu tạo tế bào, chỉ chứa 1 loại acid nucleic (DNA hoặc RNA) được bao bọc bởi vỏ protein • Kí sinh nội bào bắt buộc, không trao đổi chất, không sinh sản trong môi trường dinh dưỡng bình thường, chỉ sinh sản nếu được nuôi trong tế bào sống. Vật chủ của virut bao gồm động vật, thực vật và vi khuẩn.

Đặc điểm chung của virus • Tùy theo từng giai đoạn chức năng, virus có các tên gọi khác nhau: Virion (hạt virus): là dạng virus hoàn chỉnh, nhưng ở trạng thái bất hoạt vì sống ngoài tế bào chủ Vegetative virus (virus dinh dưỡng): là dạng acid nucleic của virus khi xâm nhập. Đây là dạng virus đang trong giai đoạn sinh sản trong tế bào Viroid (sợi virus): là virus không hoàn chỉnh chỉ có acid nucleic, không có vỏ protein, có khả năng gây bệnh Virus ôn hòa (provirus): acid nucleic của virus ở trạng thái kết hợp với nhiễm sắc thể của tế bào kí chủ, nhưng không phá hoại tế bào kí chủ Prion: chỉ chứa thành phần protein, không chưa 1 loại acid nucleic nào. Trong cơ thể bình thường có thể có sẵn prion nhưng không gây bệnh. Trong điều kiện nào đó, prion có thể thay đổi cấu trúc và gây bệnh

Cấu trúc chung của virus

Hình dạng của virus • Có 4 hình dạng: hình cầu, hình que, hình khối, hình tinh trùng

Hình dạng một số virus điển hình

Cấu tạo của virus • Thành phần chính gồm vỏ protein, acid nucleic, ở một số virus còn có một số thành phần khác như lớp màng bao bên ngoài

Acid nucleic • Là thành phần quan trọng của mọi virus • Chứa thông tin di truyền của virus • Hầu hết virus thực vật chứa RNA, virus gây bệnh cho động vật và người một số chứa DNA, một số chứa RNA, thực khuẩn thể luôn lươn chứa DNA • DNA virus thường là DNA 2 sợi, một số virus có DNA 1 sợi • RNA virus thường là RNA 1 sợi, một số virus có RNA 2 sợi • Ở virus hình que, acid nucleic xoắn lại giống lò xo (acid nucleic có dạng sợi) • Ở virus hình khối, hình cầu và phần đầu của phage, acid nucleic cuộn tròn ở giữa (acid nucleic có dạng sợi)

Vỏ protein (Capsid) • Bao bọc acid nucleic của virus • Có bản chất protein • Được tạo thành từ nhiều đơn vị capsome.

Capsome được tạo thành từ những mạch peptide cuộn lại • Tập hợp capsid bao quanh acid nucleic được gọi là nucleocapsid

Màng bao (envelop) • Ở 1 số virus, bên ngoài vỏ capsid còn có thêm màng bao • Màng bao thường là màng nhân, màng tế bào chất hoặc là màng của các không bào của vật chủ bị virus cải tạo thành và mang tính kháng nguyên đặc trưng cho virus

Virus có màng bao và virus không có màng bao

Sự hình thành màng bao của virus

Các kiểu cấu trúc của virus • Tùy theo kiểu sắp xếp của capsid, virus có 3 kiểu cấu trúc:

Cấu tạo của thực khuẩn thể (phage)

Sinh nhân lên của virus động vật và thực vật • Có 5 giai đoạn Giai đoạn hấp thụ trên bề mặt của tế bào ký chủ Giai đoạn xâm nhập vào bên trong tế bào chủ Giai đoạn tổng hợp các thành phần của virus Giai đoạn lắp ráp Giai đoạn phóng thích

Giai đoạn hấp thụ trên bề mặt của tế bào ký chủ • Virus bám vào bề mặt kí chủ nhờ có các thụ thể (receptor) tương ứng với thụ thể trên bề mặt tế bào • Việc hấp phụ chịu ảnh hưởng của các nhân tố nội ngoại cảnh

Giai đoạn xâm nhập vào bên trong tế bào chủ

Sự xâm nhập của virus có màng bao (xem clip)

Giai đoạn xâm nhập vào bên trong tế bào chủ

Sự xâm nhập của virus không có màng bao

Giai đoạn tổng hợp các thành phần của virus • Vật liệu dùng để tổng hợp các thành phần của virus do tế bào chủ cung cấp • Gồm 4 bước 1. Sao chép thông tin sớm: tổng hợp mRNA từ mật mã quy định trong acid nucleic của virus.

2. Tổng hợp protein sớm (protein không cấu trúc): các mRNA vừa được sao chép thực hiện sự tổng hợp các enzyme cần thiết cho quá trình sinh sản của virus:  Enzyme ức chế: phong tỏa bộ máy di truyền của tế bào chủ  Enzyme hoạt hóa: xúc tác quá trình tổng hợp DNA hay RNA của virus

3. Tổng hợp acid nucleic của virus 4. Tổng hợp protein muộn (protein không cấu trúc): tổng hợp các thành phần tạo nên lớp vỏ capsid và một số enzyme của virus

• Các protein và glycoprotein (virus có màng bao) sẽ liên kết vào màng tế bào chất của tế bào chủ

Giai đoạn lắp ráp • Các thành phần của virus lắp ráp lại tạo thành nucleocapsid • Ở virus có màng bao: capsid bao lấy acid nucleic rồi tiến gần đến màng tế bào chất của tế bào chủ để các protein và glycoprotein bao lấy chúng hình thành màng bao virus • Ở virus không có màng bao: capsid bao lấy acid nucleic rồi tiến gần đế màng tế bào chất của tế bào chủ

Giai đoạn phóng thích

Tế bào bị phá vỡ và virus thoát ra ngoài

Virus được phóng thích theo kiểu nảy chồi (xem clip)

Virus được phóng thích nhờ sự vận chuyển của màng TBC của tế bào chủ

Giai đoạn phóng thích • Virus sau khi được tái tạo sẽ được phóng thích ra ngoài theo các cơ chế sau • Màng tế bào bị phá vỡ và virus chui ra khỏi tế bào • Virus tạo màng bao từ màng tế bào chất hay màng nhân của tế bào chủ và thoát ra ngoài theo kiểu nẩy chồi • Một số virus có thể truyền từ tế bào này sang tế bào khác mà không cần phóng thích ra ngoài môi trường.

Hiện tượng này xảy ra khi có sự tiếp xúc giữa tế bào nhiễm và tế bào lành tạo các cầu nối nguyên sinh chất • Một số virus thoát ra ngoài nhờ sự vận chuyển của màng tế bào chất của tế bào chủ

Sinh nhân lên của thể thực khuẩn (phage)

Chu trình tan

Hấp thụ

Xâm nhập

Sao chép Lắp ráp Phage tiết enzyme lysozyme làm tan tế bào và thoát ra ngoài (xem clip)

Chu trình tiềm tan

Chu trình tiềm tan 1.

2.

3.

4.

5.

6.

Hấp thụ Xâm nhập Sao chép giai đoạn sớm Sao chép giai đoạn sau Lắp ráp Phóng thích: phage tiết enzyme lysozyme phá vỡ lớp peptidoglycan làm tan tế bào vi khuẩn và thoát ra ngoài

Chu trình tiềm tan 7. Phage gắn DNA vào DNA của vi khuẩn. Phage lúc này gọi là prophage 8. Prophage được sao chép cùng với DNA của VK

9. Do tác động nào đó, DNA của phage tách khỏi DNA vi khuẩn trở lại chu trình tan sinh sản các phage mới và thoát ra ngoài

(xem clip)

Nuôi cấy virus • Virus sống kí sinh nội bào bắt buộc, không phát triển được trong môi trường nhân tạo • Tùy từng loại virus có các phương pháp nuôi cấy khác nhau: Nuôi cấy trên động vật thí nghiệm Nuôi cấy trên phôi gà đang phát triển Nuôi cấy trên môi trường tế bào

Sự xâm nhiễm của virus và ảnh hưởng lên tế bào chủ

Nhu cầu dinh dưỡng của VSV • Trên 95% trọng lượng khô của tế bào được cấu thành từ những nguyên tố chủ yếu sau: C, O, H, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe. Những nguyên tố này cần thiết cho VSV ở hàm lượng lớn – được gọi là các nguyên tố đa lượng: C, H, O, N là thành phần của glucid, lipid, protein, acid nucleic K, Ca, Mg, Fe hiện hữu trong tế bào ở trạng thái cation (K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+/Fe3+) • Nguyên tố vi lượng là những nguyên tố VSV cần rất ít nhưng không thể thiếu (Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu), chúng tham gia vào thành phần các enzyme, coenzyme, xúc tác các phản ứng, duy trì cấu trúc protein • Nhu cầu đặc biệt khác

Nhu cầu về C, H, O và các điện tử • Tất cả sinh vật đều có nhu cầu về nguồn C, H, O và electron cho sự tăng trưởng C, H, O cần thiết cho sự tổng hợp các chất hữu cơ Các điện tử (electrons) cần thiết cho chuyển động thông qua chuỗi vận chuyển điện tử và các phản ứng oxy hóa-khử cung cấp năng lượng cho hoạt động tế bào

• Nhu cầu C, H, O thường được thỏa mãn cùng lúc • VSV rất linh động trong nhu cầu dinh dưỡng, có thể sử dụng tất cả các chất hữu cơ thiên nhiên, thậm chí 1 số chất nhân tạo khó phân hủy (thuốc trừ sâu)

Các kiểu dinh dưỡng của VSV • Dựa vào nhu cầu về năng lượng VSV quang dưỡng (Phototroph) VSV hóa dưỡng (Chemotroph) • Dựa vào nhu cầu về nguồn carbon VSV tự dưỡng (Autotroph) VSV dị dưỡng (Heterotroph) • Dựa vào nhu cầu nguồn cung cấp hydrogen hay điện tử VSV dinh dưỡng vô cơ (Lithotroph) VSV dinh dưỡng hữu cơ (Organotroph)

Các kiểu dinh dưỡng của VSV

Nhu cầu về N, P, S • N cần thiết cho sự tổng hợp các acid amin, purin, pyrimidin, lipid, glucid, coenzyme và các chất khác

Phần lớn VSV sử dụng được N từ acid amin Một số khác dung nạp ammonia nhờ hoạt động của các enzyme như glutamate dehydrogenase, hay glutamine synthetase và glutamate synthase Hầu hết VSV phototroph và VSV không quang hợp có khả năng khử nitrate thành ammonia Một số vi khuẩn (cyanobacteria, Rhizobium) có khả năng khử và đồng hóa N2 thành ammonium  cố định đạm

Nhu cầu về N, P, S • P hiện diện trong acid nucleic, phospholipid, nucleotide như là ATP, các coenzyme, vài protein và các thành phần khác của tế bào Hầu hết VSV sử dụng được nguồn phosphate vô cơ như là nguồn P và hấp thụ trực tiếp vào tế bào Vài VSV (E. coli) đòi hỏi nguồn P hoạt hóa lấy từ môi trường

• S cần thiết cho sự tổng hợp các cơ chất như cystein methionin, vài glucid, biotin và thiamin Hầu hết VSV sử dụng sulfate như nguồn S sau khi khử sulfate Một vài VSV yêu cầu S ở dạng khử như cystein

Nhu cầu về các yếu tố tăng trưởng • Một phần lớn các VSV do thiếu 1 hoặc nhiều enzyme thiết yếu nên không thể tổng hợp được tất cả các thành phần cần thiết cho cơ thể, phải thu nhận từ bên ngoài • Yếu tố tăng trưởng là những thành phần hóa học thiết yếu của tế bào, hay tiền chất của chúng mà tế bào không tổng hợp được • Có 3 loại chủ yếu  Acid amin: cần thiết cho việc tổng hợp protein  Purin và pyrimidin: cần cho sự tổng hợp acid nucleic  Vitamin: là những thành phần hữu cơ nhỏ cấu thành các coenzyme hay 1 phần của coenzyme. Vitamin cần 1 lượng rất nhỏ cho sự tăng trưởng

Sự hấp thu các chất dinh dưỡng • Màng tế bào hấp thu dinh dưỡng có chọn lọc, chỉ những chất dinh dưỡng cần thiết cho tế bào mới được hấp thu qua màng • Các cơ chế vận chuyển chất dinh dưỡng qua màng: Khuếch tán thụ động (passive diffusion) Khuếch tán dễ dàng (facilitated diffusion) Vận chuyển chủ động (active transport) Chuyển nhóm (group translocation) Hấp thu sắt (iron uptake)

Khuếch tán thụ động (khuếch tán đơn giản) • Chất dinh dưỡng di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp • Nồng độ cơ chất bên ngoài phải cao hơn trong tế bào • Vận tốc khuếch tán giảm dần đến khi nồng độ chất tan bên trong và bân ngoài tế bào cân bằng • Chỉ có nước và một số chất tan trong nước và lipid (glycerol) mới đi vào tế bào bằng khuếch tán thụ động

Khuếch tán dễ dàng

Khuếch tán dễ dàng • Vận tốc khuếch tán sẽ tăng mạnh nhờ có các protein vận chuyển (permerases) • Mỗi permerase sẽ chọn lọc và chỉ vận chuyển những chất hòa tan tương ứng • Sự di chuyển cơ chất qua màng nhờ gradient nồng độ, không cần năng lượng • Sau khi liên kết với 1 phân tử chất hòa tan tương ứng, permerase thay đổi hình dạng và mang chất tan vào trong tế bào (hình a), sau đó permerase phục hồi hình dạnh an đầu và tiếp tục vận chuyển 1 phân tử khác (hình b)

Vận chuyển chủ động • Sự vận chuyển các chất tan đi ngược với gradient nồng độ nhờ sử dụng năng lượng biến dưỡng từ ATP • Cơ chế vận chuyển nhờ protein vận chuyển (permerase) • Các chất tan có hình dạng tương tự cạnh tranh nhau liên kết với permerase để đi vào trong tế bào • Ở VK G-, các permerase nằm ở khoảng không chu chất giữa màng tế bào chất và vách tế bào. Ở VK G+, các permerase gắn trên các lipid màng ở bề mặt ngoài của màng tế bào chất. Permerase có liên quan đến hiện tượng hóa hướng động. E. coli sử dụng cơ chế này để vận chuyển các loại đường và acid amin

Vận chuyển chủ động • ATP-binding cassette transporters (ABC transporter) là ví dụ quan trọng của hệ thống vận chuyển chủ động, được tìm thấy ở vi khuẩn, cổ khuẩn và các eukaryote

Vận chuyển chủ động sử dụng gradient ion và proton

Chuyển nhóm • Trong vận chuyển chủ động, chất tan đi qua màng không bị biến đổi. Các hệ thống vận chuyển khác như chuyển nhóm, chất tan bị biến đổi khi qua màng tế bào • Sử dụng năng lượng biến dưỡng trong quá vận chuyển • Đa số prokaryote có thể sử dụng cơ chế này để vận chuyển phân tử cơ chất • Hệ thống chuyển nhóm được biết đến nhiều nhất ở VK là sugar phosphotransferase system (PTS).

Chuyển nhóm • PTS vận chuyển các loại đường bằng cách phosphoryl chúng, sử dụng phosphoenolpyruvate (PEP) như chất cho phosphate PEP + sugar (bên ngoài)  pyruvate + sugar-phosphate (bên trong)

Hấp thu sắt • Hầu hết VSV đều cần sắt cho hệ thống cytochrome và các enzyme.

• Việc hấp thu sắt không dễ dàng vì Fe3+ và các dẫn xuất của nó khó hòa tan • Nhiều VK và nấm tiết siderophores để tập hợp các ion Fe lại và cung cấp cho tế bào

Cấu tạo hóa học các chất thu nạp sắt

Khái niệm chung • Trao đổi chất là tổng hợp các phản ứng hóa học do tế bào thực hiện để cung cấp vật liệu xây dựng tế bào và cung cấp năng lượng cho hoạt động sống của tế bào • Quá trình biến đổi chất dinh dưỡng trong tế bào gồm các giai đoạn: Catabolism (dị hóa): phân cắt chất dinh dưỡng thành các phân tử đơn giản hơn, và giải phóng NL Anabolism (đồng hóa): tế bào tổng hợp các chất cần thiết cho tế bào từ các sản phẩm trung gian và sản phẩm của quá trình dị hóa. Quá trình này cần cung cấp NL

Khái niệm chung • Các quá trình oxy hóa – phân hủy kèm theo giải phóng năng lượng cần cho hoạt động sống của tế bào  quá trình trao đổi năng lượng • Năng lượng được tích lũy trong các hợp chất cao năng: nucleosine triphosphate (ATP, CTP, UTP…), các dẫn xuất của acid carbonic (Acetyl-CoA..)

(xem clip)

Quá trình tạo năng lượng ở VSV • Các con đường phân giải carbonhydrate Con đường Embden-Meyerhof (EMP) – hay glycoside Con đường Pentose phosphate Con đường Entner-Doudoroff (ED) • Hô hấp hiếu khí • Hô hấp kị khí • Các quá trình lên men

Con đường EMP (đường phân)

(xem clip )

Con đường Pentose phosphate

Con đường ED

Hô hấp hiếu khí • Là quá trình oxy hóa – khử các chất hữu cơ hoặc vô cơ để lấy năng lượng trong điều kiện có oxy (O2), trong đó oxy là chất nhận điện tử cuối cùng.

• Sản phẩm cuối cùng là CO2, nước và năng lượng • Có liên quan đến các quá trình sau: Các con đường phân giải chất hữu cơ tạo thành pyruvate Pyruvate đi vào chu trình tricarbocylic acid (TCA – chu trình Krebs) tạo thành NADH, FADH2 NADH và FADH2 sau đó được chuyển thành các electron và đi vào chuỗi vận chuyển điện tử (electron transport chain - ETC)

• Dựa vào quan hệ với oxy của VSV: VSV hô hấp hiếu khí VSV hô hấp kị khí bắt buộc VSV hô hấp kị khí tùy ý

(xem clip 1) (xem clip 2)

Chuỗi vận chuyển điện tử (ETC, chuỗi hô hấp) • ETC có ở màng tế bào chất ở Prokaryote (b) và màng trong ti thể của Eukaryote (a)

Chuỗi vận chuyển điện tử (ETC, chuỗi hô hấp)

(xem clip 1) (xem clip 2)

Chuỗi vận chuyển điện tử (ETC, chuỗi hô hấp) • Là phức hợp 1 dãy các chất vận chuyển điện tử hoạt động đồng thời để chuyên chở điện tử từ các chất cho điện tử (NADH, FADH2) đến chất nhận điện tử (O2), cuối cùng kết hợp O2 và H+ tạo thành H2O • Thành phần chuỗi vận chuyển điện tử:  Flavoprotein: nhận điện tử từ NADH  Iron-sulfur (Fe-S) protein (nonheme protein)  Coenzyme Q  Cytochrom  Cytochrom oxydase

• Một số cytochrom oxydase vận chuyển H2 đến O2 tạo thành H2O2: H2 + O2  H2O2 H2O2 là chất độc đối với tế bào, lập tức bị phân hủy bởi catalase và peroxydase

Hô hấp hiếu khí không hoàn toàn • Là sự oxy hóa các chất không hoàn toàn • Sản phẩm cuối cùng gồm các sản phẩm trung gian của chu trình TCA: acid acetic, acid citric, acid lactic và các chất hữu cơ khác • Năng lượng giải phóng thấp hơn hô hấp hiếu khí hoàn toàn • Được ứng dụng để sản xuất các chất hữu cơ

Hiện tượng phát sáng ở VSV

Hô hấp kị khí • Là quá trình oxy hóa - khử các chất dinh dưỡng tạo năng lượng trong điều kiện thiếu oxy • Chất nhận điện tử cuối cùng là chất vô cơ có oxy (nitrate, sulfate, carbonate…)

• Dựa vào khả năng khử cơ chất hữu cơ: Hô hấp nitrate Hô hấp sulfate

Hô hấp nitrate • Các VK kị khí tùy ý, một số có khả năng khử nitrate thành ammoniac (amon hóa nitrate), một số khác khử nitrate giải phóng nitơ phân tử (phản nitrate) NH2OH



NH3

N2O



N2

NO3-  NO2- NO- 

Hô hấp sulfate (phản sulfate) • Một số VK kị khí bắt buộc sử dụng sulfate là chất nhận điện tử cuối cùng, tạo thành H2S

Quá trình khử CO2 thành methan • Một số VK có khả năng oxy hóa H2 trong điều kiện kị khí bằng cách sử dụng CO2 hoặc carbonate là chất nhận điện tử cuối cùng. Kết quả CO2 sẽ bị khử thành methane: CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O

Quá trình lên men • Là quá trình quá trình phân giải carbonhydrate trong điều kiện kị khí • Chất nhận điện tử là pyruvate hoặc dẫn xuất của pyruvate • Có sự oxy hóa NADH thành NAD+

Sự oxy hóa NADH trong quá trình lên men

Quá trình lên men • Là quá trình quá trình phân giải carbonhydrate trong điều kiện kị khí • Chất nhận điện tử là pyruvate hoặc dẫn xuất của pyruvate • Có sự oxy hóa NADH thành NAD+

Một số kiểu lên men ở VSV

Quá trình tạo năng lượng ở VSV tự dưỡng hóa năng

• Các VSV tự dưỡng hóa năng có khả năng oxy hóa các chất vô cơ trong môi trường như: khí H2, các hợp chất lưu huỳnh dạng khử (S0, H2S, S2O32-), các hợp chất nitơ dạng khử (NH4+, NO2-), các hợp chất sắt dạng khử (Fe2+) • Phương trình tổng quát: Năng lượng do phản ứng hóa học

6H2 + 2O2 + CO2

[CH2O] + 5 H2O Chất hữu cơ

Quá trình oxy hóa H2 • Một số VK và xạ khuẩn có khả năng oxy hóa H2 tạo thành nước và năng lượng cung cấp cho cơ thể  VSV hydro. H2 + ½ O2  H2O + năng lượng • Trong điều kiện kị khí, VK sử dụng các chất nhận điện tử như: NO3-, SO425H2 + 2NO3-  4H2O + N2 + 2OH- + năng lượng 4H2 + SO42-  4H2O + H2S + 2OH- + năng lượng

Quá trình oxy hóa lưu huỳnh và hợp chất lưu huỳnh • VK lưu huỳnh: chứa các giọt lưu huỳnh trong tế bào H2S + ½O2  S + H2O + năng lượng S sinh ra được tích lũy trong tế bào chất, khi môi trường không còn H2S, VK sử dụng S dự trữ 2S + 3O2 + H2O  2H2SO4 + năng lượng • Vi khuẩn sulfate: oxy hóa S và các hợp chất chứa S dạng khử (S0, H2S, S2O32-). VK sulfate chỉ có 1 giống là Thiobacillus

Quá trình oxy hóa sắt • VK sắt (Ferrobacteria) có khả năng oxy hóa các hợp chất sắt dạng khử (Fe2+  Fe3+) tạo năng lượng 2FeCO3 + 1/2O2 + 3H2O  2Fe(OH)3 + 2CO2 + năng lượng

Quá trình oxy hóa nitrate • Một số VK có khả năng oxy hóa các hợp chất nitơ dạng khử (NH4+, NO2-) tạo năng lượng  VK nitrate hóa • Quá trình nitrate hóa gồm 2 giai đoạn, mỗi giai đoạn do 1 nhóm VSV chuyện biệt đảm trách  Nitrite hóa: 2NH4+ + ½ O2  NO2- + 2H+ + năng lượng.

VSV tham gia: Nitrosomonas, Nitrosococus, Nitrospira  Nitrate hóa: NO2- + ½ O2  NO3- + năng lượng.

VSV tham gia: Nitrobacter, Nitrococcus

Quá trình tạo năng lượng ở VK quang hợp • VK quang hợp nhờ có chứa các sắc tố quang hợp như bacteriochloroplyll và các sắc tố carotenoic • Quá trình quang hợp ở VK khác cây xanh: Sản phẩm sau phản ứng không phải oxy mà là lưu huỳnh hoặc hợp chất của lưu huỳnh Không sử dụng H2O làm chất cho điện tử Chất cho điện tử: H2S, S, S2O3- hay các chất hữu cơ

Quá trình tạo năng lượng ở VK quang hợp

(xem clip 1)

(xem clip 1)

Quá trình cấu trúc tế bào

Tất cả phân tử (monomers) cần thiết cho sự tổng hợp các thành phần của tế bào (macromolecules) có nguồn gốc từ các sản phẩm trung gian của quá trình glycolysis và chu trình TCA

Các quá trình cố định CO2

• • • •

Chu trình Calvin (hình a) Chu trình TCA khử (Reductive TCA) (hình b) Con đường Hydroxypropionate (hình c) Con đường Acetyl-CoA (hình d)

(a)

(b)

(c)

(d)

Quá trình đồng hóa nitơ (nitrogen assimilation)

• Các nguồn nitơ: NH4+ NO3Chuyển thành NH4+ N2 Chất hữu cơ Tổng hợp carbamoyl-phosphate Glutamine synthetase Glutamate synthetase

Các chất hữu cơ trung gian

Kháť­ nitrate (nitrate reduction)

Đồng hóa amon (ammonia incorporate) Đồng hóa ammonia

Tổng hợp glutamine và glutamate

Đồng hóa amon nhờ glutamine synthetase và glutamate synthetase

Phản ứng chuyển nhóm amin nhờ enzyme aminotransferase

Sự tổng hợp Carbamoyl-phosphate

Cố định nitơ (nitrogen fixation) Quá trình khử N2 thành NH3 nhờ enzyme nitrogenase

Quá trình đồng hóa lưu huỳnh (sulfur assimilation) • S là thành phần của methionine, cysteine, coenzyme A, biotin, thiamin, protein Fe-S • Quá trình đồng hóa chuyển SO42- thành S2-

Sinh t᝕ng hᝣp acid amin

Sinh tổng hợp acid amin

• Bộ khung carbon của các acid amin (aa) là những sản phẩm trung gian của quá trình trao đổi năng lượng. Nhóm amin được thêm vào nhờ quá trình amin hóa hoặc chuyển amin trực tiếp • Các nitơ vô cơ muốn chuyển thành hợp chất nitơ hữu cơ phải được khử thành NH4+ • Các aa nhận nhóm amin từ NH4+ vô cơ gọi là aa sơ cấp • Các aa nhận nhóm amin từ chất hữu cơ (chuyển amin trực tiếp) gọi là aa thứ cấp

Sự tổng hợp aa sơ cấp

Sự tổng hợp aa thứ cấp

Sinh tổng hợp protein • Sự hoạt hóa aa: xem clip  aa kết hợp với ATP và enzyme aa-RNAm-synthase tạo thành hợp chất cao năng aminoacyl~AMP-enzyme  Hợp chất cao năng được liên kết RNAt và đưa vào ribosome.

Thường aa được đưa vào đầu tiên là Methionin

• Sự tổng hợp protein: xem clip, translation termination

Sinh tổng hợp nucleotide

• Purin và pyrimidin là những thành phần quan trọng tạo nên acid nucleic.

(a) (b)

(a) Sự tổng hợp purin (b) Adenosine monophosphate và Guanine monophosphate

(c) Sự tổng hợp pyrimidin (d) Sự tổng hợp Deoxythymine monophosphate

(c)

(d)

Sinh tổng hợp polysaccharide

1. Sự tổng hợp các monosaccharide

Sinh tổng hợp polysaccharide

2. Sự tổng hợp các polysaccharide • Chuỗi saccharide sẵn có được kéo dài nhờ gắn thêm 1 monosaccharide (kí hiệu X). X tham gia phản ứng ở dạng nucleotide-X được hoạt hóa (thường là Uridine diphosphate, UDP)  UDP-X X-X-X-X + UDP-X  X-X-X-X-X + UDP

• Polysaccharide gồm 2 loại monosaccharide liên tiếp (X và Y): Bước 1: X-Y-X-Y + UDP-X  X-Y-X-Y-X + UDP Bước 2: X-Y-X-Y-X + UDP-Y  X-Y-X-Y-X-Y + UDP

Sinh tổng hợp peptidoglycan

Peptidoglycan ở VK G+ và G-

Sinh tổng hợp peptidoglycan

xem clip

Sinh tổng hợp lipid

1. Tổng hợp acid béo

ACP: Acyl carrier Protein

Sinh tổng hợp lipid 2. Tổng hợp glycerol-P 3. Tổng hợp lipid Glycerol-P + acid béo  phospholipid

Tổng hợp Triacylglycerol và Phospholipid

Sinh trưởng và phát triển ở VSV • Phát triển: tăng về kích thước và khối lượng tế bào • Sinh trưởng: tăng về số lượng tế bào. Ở VSV, khi nói đến sinh trưởng là sinh trưởng của quần thể • Thời gian thế hệ: thời gian cần thiết cho số lượng tế bào nhân đôi

Đường cong tăng trưởng (growth curve)

Các giai đoạn tăng trưởng

• Phase lag (phase mở đầu – lag phase) Tính từ lúc VSV được nuôi cấy tới khi đạt tốc độ sinh trưởng cực đại Tế bào tổng hợp các thành phần mới Không có sự phân chia tế bào Độ dài phase phụ thuộc: tuổi giống, mật độ giống cấy, thành phần môi trường

Các giai đoạn tăng trưởng • Phase log (phase cấp số - exponetial phase) VSV sinh trưởng và phân chia đạt tốc độ cực đại, số lượng tế bào sống tăng theo lũy thừa Tốc độ tăng trưởng không đổi trong suốt phase

• Phase ổn định (stationary phase) Quần thể VSV đạt trạng thái cân bằng động học, số tế bào mới sinh ra bằng số tế bào chết đi Nguyên nhân: giới hạn dinh dượng, tích tụ các sản phẩm trao đổi chất gây độc

• Phase tử vong (death phase) Số tế bào sống giảm theo lũy thừa Nguyên nhân: cạn kiệt dinh dưỡng, tích lũy sản phẩm trao đổi chất

Sinh trưởng kép

- Khi chuyển các tế bào đang tăng trưởng ở phase lag sang môi trường mới khác môi trường trước đó vẫn thấy xuất hiện phase lag - Thường gặp khi nuôi VK trên môi trường có nguồn C là hỗn hợp gồm 2 chất hữu cơ khác nhau

Đo sự sinh trưởng

• Đo sinh khối VSV: cân khối lượng (nấm sợi) hoặc đo mật độ quang (OD) (vi khuẩn) • Đếm trực tiếp số lượng tế bào bằng buồng đếm Petroff-Hausser (đếm cả tế bào sống và chết) • Đếm khuẩn lạc (đếm tế bào sống)

Cân khối lượng sinh khối

1. Thu tế bào trong môi trường lỏng bằng cách ly tâm 2. Rửa sạch 3. Làm khô 4. Cân trọng lượng

Đo OD

Đếm trực tiếp bằng buồng đếm

Đếm tế bào sống

Đếm tế bào sống

Nuôi cấy liên tục (continuous culture)

• 2 kiểu chính: chemotast và turbidostast

Hệ thống nuôi cấy liên tục Chemotast

Hệ thống nuôi cấy liên tục Chemotast (trái) và Tubidostat (phải)

Một số yếu tố ảnh hưởng sự tăng trưởng của VSV

• • • •

pH Nhiệt độ Oxy Nước

Một số yếu tố ảnh hưởng sự tăng trưởng của VSV

pH • Là đại lượng đo độ hoạt động của ion H+ trong 1 dung dịch • Mỗi loài VSV chỉ sống được trong khoảng pH nhất định, và có 1 giá trị tối ưu cho tăng trưởng  Nhóm ưa acid (acidophiles): pH 0 – 5.5  Nhóm ưa trung tính (neutrophiles): pH 5.5 – 8.0  Nhóm ưa kiềm (alkalophiles): pH 8.0 – 11.5.  Nhóm cực ưa kiềm (extreme alkalophiles): pH 10 hoặc lớn hơn

• pH nội bào của đa số VSV gần trung tính

Oxy

Nhiệt độ • Có 3 mức nhiệt sinh trưởng: nhiệt tối thiểu, nhiệt tối đa và nhiệt tối ưu Nhóm ưa lạnh (Psychrophile): 0 – 15oC Nhóm ưa lạnh tùy ý (Psychrotroph hay facultative psychrophile): sống được ở 0 – 7oC dù nhiệt độ tối thích là 20-30oC và tối đa 35oC Nhóm ưa ấm (Mesophile): 20-45oC Nhóm ưa nóng (Thermophile): 55-85oC Nhóm cực ưa nhiệt (Hyperthermophile): 85-113oC

Nước • VSV có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nồng độ thẩm thấu của môi trường xung quanh: Trong môi trường nhược trương: nước từ ngoài đi vào trong tế bào  áp lực tăng. Phần lớn VK, tảo, nấm có vách tế bào cứng để duy trì tế bào Trong môi trường ưu trương: nước trong tế bào đi ra ngoài  co nguyên sinh

• VSV có thể đáp ứng với sự thay đổi nồng độ thẩm thấu của môi trường bằng cách tích lũy các chất hòa tan tương hợp (compatible solutes)

Một số chất diệt khuẩn (sát trùng)

• • • • • • •

Phenol và các dẫn xuất: sát trùng dụng cụ Ethanol: khử trùng bề mặt, sát trùng da Methanol: diệt khuẩn kém hơn ethanol Halogen: clo, iot Kim loại nặng: bạc, thủy ngân, đồng Xà phòng, các chất tẩy rửa tổng hợp Oxy già (H2O2)

Một số chất hóa trị liệu

• Là các chất hóa học có tác dụng độc đối với VK nhưng không gây hại cho cơ thể bậc cao • Cơ chế: dựa vào sự tương tự về cấu trúc của các chất này với các chất VK cần để tạo thành các coenzyme, protein, acid nucleic. Các chất hóa trị liệu cạnh tranh vị trí gắn trên enzyme và kìm hãm nhiều phản ứng quan trọng • Được sử dụng để điều trị các bệnh • Ví dụ: sulfonamide, hydrazide…

Các đặc điểm di truyền của VSV • VSV có cấu tạo tế bào đơn giản, nhân thường ở thể đơn bội • Nhân của VK (cũng như virus) chỉ là 1 sợi NST trần, không có màng nhân bao bọc  dễ dàng trong phân tích cấu trúc DNA • Chu kỳ sinh sản ngắn  thuận lợi trong nghiên cứu các quy luật di truyền • Dễ dàng tạo ra các chủng đột biến có lợi cho sản xuất

Những biến đổi không di truyền của VSV • Là sự thay đổi tạm thời những đặc tính (hình thái hay tính chất sinh lý) • Mang tính thường xuyên và thuận nghịch • Có liên quan đến các giai đoạn tăng trưởng của VSV, hay sự nuôi dưỡng VSV trong các điều kiện lý hóa khác nhau

Những biến đổi có di truyền của VSV • Đột biến • Hiện tượng truyền thông tin di truyền ở vi khuẩn • Tái tổ hợp gene

Đột biến • Là những biến đổi bất thường trong vật chất di truyền dẫn đến sự biến đổi đột ngột của một hoặc một số tính trạng • Nguyên nhân: Do tác nhân của môi trường ngoài cơ thể Do nguyên nhân bên trong cơ thể

• Tính chất: không định hướng, có tính di truyền và không liên tục

Phân loại đột biến • Dựa vào tác nhân gây đột biến: Đột biến ngẫu nhiên Đột biến nhân tạo (cảm ứng)

• Dựa vào kiểu biến đổi cấu trúc gen: Đột biến điểm Đột biến đoạn

(xem clip)

Chọn lọc đột biến • Tách tế bào đột biến ra khỏi quần thể • Dùng môi trường nuôi cấy có tính chọn lọc, chỉ VK đột biến mọc được

Sự thích nghi • Ở VSV thường xảy ra hiện tượng biến đổi hình thái hay kiểu trao đổi chất để thích nghi với môi trường mới.

• Con người có thể ứng dụng hiện tượng này để huấn luyện VSV

Truyền thông tin di truyền ở VSV • Biến nạp (transformation) • Tải nạp (transduction) • Tiếp hợp (conjugation)

Biến nạp • Là sự biến đổi tính trạng của vi khuẩn dưới ảnh hưởng của sự xâm nhập 1 đoạn DNA lạ từ môi trường bên ngoài. Đoạn DNA này được phóng thích từ 1 tế bào VK khác (VK cho DNA) • Cơ chế: (xem clip 1) (xem clip 2)

Tải nạp • Là sự truyền vật liệu di truyền từ tế bào cho sang tế bào nhận qua trung gian của thực khuẩn thể (bacteriophage, phage). Phage đóng vai trò là phage tải nạp • Cơ chế: (xem clip 1)

Tải nạp chung

Tải nạp đặc hiệu

Tiếp hợp • Là sự truyền vật liệu di truyền DNA theo một chiều từ VK cho (VK đực, F+) đến VK nhận (VK cái, F-) bằng sự tiếp xúc trực tiếp giữa 2 VK, để tạo ra 1 nòi lai mang đặc tính của VK nhận và 1 phần đặc tính của VK cho • Cơ chế: (xem clip 1), (xem clip 2), (xem clip 3)

Gene nhảy (transposon) • (xem clip 1) • (xem clip 2)

Tái tổ hợp gene • Tách gene mong muốn ra khỏi tế bào cho • Gắn gene này vào 1 vector • Đưa vector vào tế bào VK nhận (E. coli). Tế bào nhận sẽ tăng sinh tạo nên quần thể tế bào mang gene mong muốn • (xem clip), (xem clip)

Các khái niệm cơ bản • Sinh thái học (ecology): cứu về sự phân bố và sinh sống của những sinh vật sống và các tác động qua lại giữa các sinh vật và môi trường sống của chúng • Sinh thái học VSV: nghiên cứu về VSV ở khía cạnh sinh thái • Mục tiêu của sinh thái học VSV: + Nghiên cứu sự đa dạng sinh học (chủng loại, số lượng) của VSV trong tự nhiên, sự tương tác của các quần dưỡng khác nhau trong quần xã + Nghiên cứu hoạt tính của VSV trong tự nhiên và giám sát tác động của VSV lên hệ sinh thái.

Các khái niệm cơ bản • Ý nghĩa của nghiên cứu sinh thái học VSV: + Hiểu được tương tác của VSV với nhau và với môi trường, + Hiểu vai trò của VSV trong điều kiện tự nhiên của các hệ sinh thái • Vai trò của VSV trong hệ sinh thái: + Thu lấy năng lượng ánh sáng, cố định đạm, cố định CO2, tạo O2,phân hủy chất hữu cơ + Là tác nhân chính thực hiện các phản ứng trong chu trình sinh địa hóa các nguyên tố cần cho sự sống + Là tác nhân giúp phân hủy độc chất, phục hồi môi trường

Môi trường sống của VSV trong tự nhiên • Habitat: môi trường sống nơi các quần thể, quần dưỡng hình thành quần xã • Niche: vi môi trường tối ưu cho sự tăng trưởng của VSV • Vi môi trường (microenvironment) là nơi mà VSV thực tế sống và biến dưỡng: + Các điều kiện hóa lý của vi môi trường biến đổi rất nhanh theo không gian và thời gian + Trong một không gian vật lý hẹp có sự tồn tại nhiều vi môi trường khác nhau + Tính không đồng nhất của vi môi trường quyết định tính đa dạng của VSV

Màng sinh học (biofilm) • Các bề mặt màng được dùng làm nơi sống của VSV, có các chất dinh dưỡng bám vào, ở đó các VSV bám vào và sẽ chuyển hóa các chất tốt hơn nhiều so với trong nước tự do do hiệu quả của sự hấp phụ.

• Chất dinh dưỡng là nhân tố hạn chế tốc độ tăng trưởng trong hầu hết các môi trường tự nhiên và được cung cấp ở dạng ngẫu nhiên.

• VSV thường hiện diện trên bề mặt một giá thể do nồng độ chất dinh dưỡng giới hạn ở đây cao hơn tạo thành màng sinh học (biofilm) hoặc tập hợp các khuẩn lạc của các quần thể khác nhau.

• (xem clip sự hình thành màng sinh học)

Tăng trưởng của VSV trong tự nhiên • Tăng trưởng hàm mũ thường ngắn • Tốc độ tăng trưởng nhỏ hơn rất nhiều so với nuôi cấy thuần chủng trong phòng thí nghiệm • Tốc độ tăng trưởng chậm do: + Nguồn chất dinh dưỡng thấp + Phân bố chất dinh dưỡng không đồng đều + Bị cạnh tranh bởi các quần thể khác

Các mức tổ chức của VSV trong tự nhiên • Tế bào • Quần thể (population): tập hợp các tế bào cùng loài, được hình thành do sự tăng trưởng của các tế bào riêng biệt trong một vi môi trường nhất định • Quần dưỡng (guild): tập hợp các quần thể khác loài có đặc tính chung về nguồn chất dinh dưỡng, các yếu tố hoá lý trong một vi môi trường • Quần xã, hệ VSV (community): tập hợp nhiều quần dưỡng cùng hiện diện trong một điều kiện môi trường, tiến hành những quá trình sinh lý bổ trợ nhau để cùng tăng trưởng • Hệ sinh thái (ecosystem): nhiều quần xã đựợc hình thành có mối quan hệ với nhau về năng lượng và vật chất

Vai trò của VSV trong các chu trình sinh địa hóa Chu trình carbon - Chu trình C có quan hệ chặt chẽ với chu trình O thông qua họat tính bổ trợ của các sinh vật tự dưỡng (cố định CO2 tạo O2) và sinh vật dị dưỡng (phóng thích CO2, tiêu thụ O2) - Các nguồn dự trữ C trong tự nhiên: khí quyển, đất, đại dương, trầm tích, đá và sinh khối - Tốc độ lưu chuyển C qua các dự trữ rất khác nhau, tốc độ cao nhất là giữa khí quyển và sinh khối do các phương thức cố định CO2 của tự dưỡng và hô hấp hữu cơ hiếu khí của dị dưỡng - Sự chuyển hóa C qua thế khử khác nhau CH4, (CH2O)n, CO2 trong điều kiện có và không có oxygen đều có sự tham gia của VSV

Chu trình C trong tự nhiên

Chuyển hóa C trong điều kiện có và không có oxy không khí

Phân hủy hợp chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy không khí

Chu trình nitơ • Nitơ là một nguyên tố thiết yếu trong sinh chất • Trong tự nhiên hiện diện ở các thế khử khác nhau: NH3, NH2-, N, N2O, NO, NO2-, NO3-.

• Dự trữ nitơ quan trọng nhất là N2 trong khí quyển • Sự chuyển hóa qua lại giữa các dạng này cần có vai trò của vi sinh vật

Chu trình nitơ trong tự nhiên

Chu trình lưu huỳnh • Lưu huỳnh tồn tại chủ yếu ở ba dạng thế khử S2-, S0 và S6+ • Dự trữ chủ yếu ở dạng CaSO4 và FeS2 • Các phản ứng chuyển hóa các dạng của S là do VSV và các phản ứng hóa chất • Oxy hóa lưu huỳnh bởi VSV thành SO42- và H+ làm giảm pH

Chu trình lưu huỳnh

Chu trình sắt • Hai dạng thế khử chính của sắt trong tự nhiên là Fe2+ và Fe3+ phụ thuộc vào pH và O2 • Fe3+: chỉ tan trong nước ở pH axít hoặc ở dạng phức hợp với các hợp chất hữu cơ; bị khử thành Fe2+ bằng phản ứng hóa học hoặc bởi VSV • Fe2+ bị oxygen hóa bởi O2 thành Fe3+ + Bền trong điều kiện không có O2 hoặc trong môi trường có O2 ở pH acid + Trong không khí ở pH acid, Fe2+ là chất cho điện tử của VSV (Thiobacillus ferrooxidans) tạo Fe3+

Chu trình sắt

Chuyển hóa thủy ngân (Hg) • Hg được phóng thích nhiều vào môi trường từ công nghiệp nông dược, điện tử, hóa chất...

• Các dạng lực khử khác nhau của Hg: Hg0, Hg2+, CH3Hg+, CH3HgCH3, HgS, trong đó CH3Hg+ có độc tính cao nhất và được tính tụ trong chuỗi thực phẩm

Chuyển hóa Hg

Cơ chế kháng độc tính thủy ngân ở VSV

Phân hủy chất dẻo sinh học

Sự phân bố VSV trong tự nhiên • Vi sinh vật phân bố vô cùng rộng rãi trong tự nhiên.

• Trên mặt hoặc nhiều khi bên trong tất cả các vật thể sống hoặc không sống trong tự nhiên đều có nhiều ít VSV • Trong phần này chỉ giới thiệu về sự phân bố của VSV trong không khí, đất và nước.

VSV trong không khí • Không khí không phải là môi trường thuận lợi cho VSV phát triển. Tuy nhiên, trong không khí vẫn có VSV do cuốn theo bụi đất và sự hô hấp và bài tiết của người và động vật • Đa số VSV trong không khí là loại hoại sinh, nhiều khi cũng có VSV gây bệnh • Số lượng VSV trong không khí thay đổi tùy địa điểm, dân số, mùa trong năm • Số lượng VSV trong không khí không nhiều lắm, không sinh sản và phát triển

VSV trong đất • Đất là môi trường thuận lợi cho VSV sống và phát triển • Thành phần VSV đất rất phức tạp bao gồm: vi khuẩn, xạ khuẩn, vi nấm, vi tảo, động vật nguyên sinh.

• Trong đất canh tác, có nhiều chất hữu cơ, thoáng khí, số lượng VSV lên tới hàng triệu cá thể/ 1gam đất, đất hoang hóa, đất sa mạc có số lượng ít hơn.

• Số lượng VSV thay đổi theo độ sâu của đất • Các nhóm VSV trong đất thường xuyên có liên quan với nhau: tác động tương hỗ lẫn nhau hoặc chống đối nhau • Là nguồn lây nhiễm cho nước, không khí • Có tầm quan trọng đặc biệt trong sự hình thành chất mùn.

VSV trong nước • Nước tự nhiên là một môi trường rất thuận lợi cho VSV tồn tại và phát triển • Nước càng bị bẩn do các bã hữu cơ thì càng chứa nhiều VSV  Nước ngầm (nước mạch) có ít VSV là do nước đã được thấm qua các lớp đất dày, VSV và các thức ăn hữu cơ được giữ lại trong lớp đất này  Nước ao, hồ trường hợp bị nhiễm phân, rác rưỡi có nhiều chất hữu cơ thì số lượng chủng loại VSV tăng nhiều.  Nước ở trong những hồ, biển lớn bụi bị lắng chìm nên số lượng VSV ít hơn  Nước ở những vùng sông, ngòi gần dân cư thì số lượng VSV nhiều hơn vùng xa dân cư.

VSV trong nước • Nước trong tự nhiên có khả năng tự làm sạch do tác dụng của ánh sáng mặt trời và do sự cạnh tranh sinh tồn mà hủy diệt lẫn nhau, hoặc là do chất kháng sinh của các thực vật thủy sinh tiết ra.

• Nước cũng là nguồn truyền bệnh nguy hiểm • Ngoài những VSV sống trong nước, còn có những VSV gây bệnh do người và động vật làm ô nhiễm.

Các VSV gây bệnh này chỉ tồn tại trong nước một thời gian nhất định. Chúng tồn tại trong nước lâu hay mau tùy theo nguồn nước, tính chất, nhiệt độ, pH... của nước.