Lý thuyết bồi dưỡng HSG Chương Chuyển hóa vật chất và năng lượng ở vi sinh vật Sinh học 10

LÝ THUYẾT BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI CHƯƠNG CHUYỂN HOÁ VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG Ở VI SINH VẬT SINH HỌC 10

I. MÔI TRƯỜNG SÔNG CỦA VI SINH VẬT

1.Trong tự nhiên: Sống ở hầu hết các loại môi trường, kể cả môi trường khắc nghiệt.

2.Trong phòng thí nghiệm: Chia thành 2 loại môi trường:

a. Môi trường lỏng (Môi trường dịch thể):

Trên cơ sở số lượng, thành phần các chất trong môi trường đã biết hay chưa biết, chia thành:

• Môi trường tự nhiên: Gồm các chất tự nhiên không xác định được số lượng, thành phần.
• VD:
  • Cao thịt bò: Chứa các acid amine, peptide, nucleotide, acid hữu cơ, vitamine và một số chất khoáng.
  • Pepton: Là dịch thuỷ phân một phần của thịt bò, cazein, bột đậu tương… dùng làm nguồn carbon, năng lượng và nitrogen.
  • Cao nấm men: Là nguồn phong phú các vitamine nhóm B cũng như nguồn carbon, nitrogen.
• Môi trường tổng hợp: Gồm các chất đã biết thành phần hoá học và số lượng.
• Môi trường bán tổng hợp: Gồm các chất tự nhiên và các chất hoá học.

b. Môi trường đặc:

Khi thêm vào môi trường lỏng 1,5→2% thạch (agar)

II.CÁC KIỂU TỔNG HỢP CÁC CHẤT ⇔ CÁC KIỂU DINH DƯỠNG:

Trên cơ sở nguồn năng lượng, nguồn carbon dùng để tổng hợp các chất, chia thành:

Kiểu dinh dưỡng	Nguồn năng lượng	Nguồn carbon chủ yếu	VD
1.Quang tự dưỡng	Ánh sáng	CO2	Tảo, VK lam, VK lưu huỳnh màu tía, màu lục
2.Quang dị dưỡng	Ánh sáng	Chất hữu cơ	VK tía, VK lục không chứa lưu huỳnh
3.Hoá tự dưỡng	Chất vô cơ (NH4+, NO2-, H2, H2S, Fe2+…)	CO2	VK nitrate hoá, VK oxy hoá lưu huỳnh, VK hydro
4.Hoá dị dưỡng	Chất hữu cơ	Chất hữu cơ	VSV lên men, hoại sinh …

→ Có 4 kiểu dinh dưỡng, trong khi ở thực vật, ở động vật bậc cao chỉ có một kiểu dinh dưỡng.

III. MỘT SỐ KIỂU PHÂN GIẢI CÁC CHẤT ⇔  CHUYỂN HOÁ VẬT CHẤT Ở VSV

Đặc điểm	Hô hấp hiếu khí	Hô hấp kị khí	Lên men
VD		VK nốt sần	Nấm men, VK lactic…
Định nghĩa	Là quá trình OXH các phân tử hữu cơ.	Quá trình phân giải carbohydrate để thu NL cho TB.	Là sự phân giải carbohydrate trong tế bào chất, được xúc tác bởi enzyme trong điều kiện kị khí, không có sự tham gia của một chất nhận electron từ bên ngoài.
Chất nhận điện tử cuối cùng	O2 : -Ở SV nhân thực chuỗi truyền điện tử ở màng trong ti thể. -Ở SV nhân sơ diễn ra ngay trên màng sinh chất.	Chất vô cơ, có thành phần ion là: NO3‑, SO42-.	Các phân tử hữu cơ.
Sản phẩm tạo thành	CO2, H2O, NL	NL	Lactic, rượu, dấm…hữu cơ.

 

1.Hô hấp:

a.Trong môi trường có oxy:

*Hô hấp hiếu khí:

• Chất nhận electron là O₂.
• Sản phẩm: 36-38mol ATP (tức 40% năng lượng của một mol glucose.

*Hô hấp hiếu khí không hoàn toàn:

Môi trường thiếu một số nguyên tố vi lượng → Thiếu một số coenzyme trong chuỗi chuyền electron → không thể dừng ở pha phân giải thứ nhất (Gồm đường phân và chu trình Krebs) → Thải ra môi trường các sản phẩm phân giải dở dang.

*Hô hấp vi hiếu khí:

Xảy ra ở một số VK mà trong tế bào không đủ số lượng, chủng loại enzyme (SOD – SuperOxyDismutase, catalase, peroxydase…) phân giải triệt để các yếu tố độc hại (H⁺, O^—, OH^-) trong điều kiện  môi trường có ít O_{2 ­}.

b.Trong môi trường không có oxy – Hô hấp kị khí

*Hô hấp nitrate (Khử dị hoá nitrate, phản nitrate hoá):

Lấy oxy từ hợp chất nitrate làm chất nhận electron cuối cùng trong chuỗi vận chuyển electron.

1 mol glucose → 25 mol ATP (30%).

*Hô hấp sulfate: (Khử dị hoá sulfate, phản sulfate hoá)

Lấy oxy từ sulfate làm chất nhận electron cuối cùng trong chuỗi vận chuyển electron.

1 mol glucose → 22 mol ATP (25%).

2.Lên men: 1 mol glucose → 2 mol ATP (2%)

Là quá trình phân giải carbohydrate xúc tác bởi enzyme trong điều kiện kị khí, không có sự tham gia của chất nhận electron từ bên ngoài. Trong đó, chất cho và chất nhận e đều là các chất hữu cơ.

             

 

IV.QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP CÁC CHẤT

1.Cơ chế:

a.Tổng hợp acid nucleic:

Diễn ra giống với quá trình tổng hợp acid nucleic của mọi sinh vật khác: Nhờ quá trình tự sao, sao mã theo nguyên tắc bổ sung.

b.Tổng hợp protein:

RNA → Protein thông qua quá trình giải mã.

n (acid amine) → polypeptide

c.Tổng hợp polysacharide: VD: tinh bột, glycogen, chitin, cellulose.

(glucose)_n + [ADP-glucose] → (glucose)_n+1 + ADP

d.Tổng hợp lipid:

Dihydroaceton–P → Glyceron

Các phân tử acetyl-CoA → Các acid béo.

Glycerol + acid béo → Lipid

2.Ứng dụng:

a.Sản xuất sinh khối hoặc protein đơn bào

Lên men chất thải từ các nhà máy chế biến rau, quả, bột, sữa, … để thu nhận sinh khối làm thức ăn cho chăn nuôi.

b.Sản xuất acid amine

Sản xuất acid amine quý (không thay thế) cho người và gia súc.

Acid amine không thay thế là loại acid amine cơ thể không có khả năng tự tổng hợp mà phải lấy vào trực tiếp.

Acid amine thay thế là loại acid amine mà cơ thể có khả năng tự tổng hợp được.

c.Sản xuất các chất xúc tác sinh học

Các enzyme ngoại bào của VSV được sử dụng phổ biến:

-Amylase: Thuỷ phân tinh bột → Dùng làm tương, rượu nếp, sản xuất bánh kẹo, công nghiệp dệt, sản xuất syrup.

-Protease (Thủy phân protein) → Dùng làm nước tương, chế biến thịt, công nghiệp thuộc da, công nghiệp bột dặt…

-Cellulase (Thuỷ phân cellulose) → Dùng trong chế biến khai thác và xử lý các bã thải dùng làm thức ăn cho chăn nuôi và sản xuất bột giặt.

-Lipase (Thuỷ phân lipid) → Dùng trong công nghiệp bột giặt, chất tẩy rửa.

d.Sản xuất gôm sinh hoc

Sản xuất kem phủ bề mặt bánh, chất phụ gia  trong công nghiệp khai thác dầu hoả.

Trong y học, dùng làm chất thay thế huyết tương.

Trong sinh hoá học, dùng làm chất tách chiết enzyme.

V.QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI CÁC CHẤT

1.Phân giải protein:

a.Cơ chế:

        Protease

Protein → Acid amine → CO₂ + NH₃ + NL

• Giai đoạn 1: Phân giải phân giải protein phức tạp thành các acid amine bên ngoài tế bào.
• Giai đoạn 2: VSV hấp thụ acid amine → phân giải → tạo ra NL.

Khi môi trường thiếu C và thừa N VSV khử amine, sử dụng acid hữu cơ làm nguồn carbon.

b.Ứng dụng:

• Thu được các acid amine để tổng hợp protein bảo vệ tế bào khỏi bị hư hại.
• Làm tương, làm nước mắm…

2.Phân giải polysaccharide

a.Cơ chế:

• Lên men ethylic:               

                 Nấm

           (đường hoá)      Nấm men rượu

Tinh bột      →     Glucose  →  ethanol + CO₂

• Lên men lactic (Chuyển hoá kị khí)

     VK Lactic đồng hình

Glucose  →  Lactic

     VK Lactic dị hình

Glucose → Lactic + CO₂ + ethanol + acetic.

• Phân giải cellulose:

          ​cellulase

Cellulose  → Chất mùn, làm giàu chất dinh dưỡng cho đất, tránh ô nhiếm môi trường.

• Quá trình OXH do VK sinh acid acetic (giấm)

C₂H₅OH + O₂ → CH₃COOH + H₂O + Năng lượng

b.Ứng dụng:

• Phân giải tinh bột để sản xuất kẹo, siro, rượu…
• Tận dụng bã thải thực vật làm nấm ăn.
• Cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng.
• Làm thức ăn cho gia súc.

Chú ý: Gây hư hỏng hoặc làm giảm chất lượng thực phẩm, đồ dùng, hàng hoá.

VI.MỐI QUAN HỆ GIỮA PHÂN GIẢI VÀ TỔNG HỢP

Là 2 quá trình diễn ra song song, đồng thời, phụ thuộc chặt chẽ vào nhau. Trong đó:

Tổng hợp	Phân giải
-Các phân tử liên kết để tạo thành các hợp chất phức tạp.   -Năng lượng được tích luỹ trong các mối liên kết của hợp chất phức tạp. -Sinh khối tăng, tế bào phân chia. -Cung cấp nguồn nguyên liệu cho quá trình phân giải.	-Các hợp chất phức tạp được phân cắt thành các phân tử nhỏ bé rồi được hấp thụ và phân giải tiếp ở trong tế bào. -Năng lượng được giải phóng do phá vỡ mối liên kết của các hợp chất phức tạp. -Vật chất dự trữ giảm, tế bào giảm sinh khối và kích thước. -Cung cấp nguồn năng lượng cho quá trình tổng hợp.