28
BÀI 4. SINH LÝ HỌC VI SINH VẬT

I. Dinh dưỡng của vi sinh vật:
1. Khái niệm chung:
- Chất sinh dưỡng là những chất được vi sinh vật hấp thụ từ môi trường xung
quanh và được chúng dùng làm nguyên liệu để cung cấp cho quá trình sinh tổng
hợp tạo ra các thành phần của tế bào hoặc để cung cấp cho các quá trình trao đổi
năng lượng.
- Quá trình dinh dưỡng là quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng để thoả mãn
mọi nhu cầu sinh trưởng và phát triển.
2. Thành phần hoá học của tế bào vi sinh vật:
Thành phần hoá học của tế bào vi sinh vật quyết định nhu cầu dinh dưỡng
của chúng. Thành phần hoá học cấu tạo bởi các nguyên tố C, H, O, N, các nguyên
tố khoáng đa lượng, vi lượng.
a. Nước:
Nước là thành phần chủ yếu của tế bào vi sinh vật, thường chiếm 70 –
90% khối lượng cơ thể. Ở vi khuẩn hàm lượng nước trong tế bào thường là 70 –
85%, nấm men 73 – 82%, nấm mốc 85 – 90%. Tất cả các quá trình phân giải và
tổng hợp xảy ra trong tế bào vi sinh vật đều cần nước làm môi trường, do đó nếu
mất nước đến một lượng nào đó cơ thể vi sinh vật sẽ bị chết hoặc ngừng hoạt động.
Trong tế bào, nước thường tồn tại ở 2 trạng thái: nước tự do và nước liên kết. Nước
tự do gồm các chất dịch chứa trong tế bào, nó không tham gia vào hợp chất hoá học
của tế bào nên dễ dàng bay hơi khi sấy khô. Nước liên kết tham gia vào cấu tạo các
hợp chất hữu cơ trong tế bào nên rất khó tách ra.
b. Các chất khoáng:
Các chất khoáng chiếm 2 – 5% khối lượng khô của tế bào. Chúng
thường tồn tại dưới dạng muối sunphat, cacbonat, clorua... Trong tế bào chúng
thường ở dạng các ion: dạng cation như Mg
2+
, Ca

nguyên tố khoảng 10
-3
– 10
-4
), còn những nguyên tố khoáng mà vi sinh vật đòi hỏi
với những liều lượng rất nhỏ (chỉ vào khoảng 10
-6
– 10
-8
) gọi là các nguyên tố vi
lượng: Các nguyên tố đa lượng như: P, K, Ca, S, Mg...Các nguyên tố vi lượng như:
Mn, Cu, Co, B...
29
Trong các nguyên tố đa lượng thì nguyên tố P chiếm tỷ lệ lớn nhất (thường
chiếm 50% so với tổng số nguyên tố khoáng có trong cơ thể). Nó có mặt trong
nhiều thành phần quan trọng của tế bào (axit nucleic, photphoprotein, photpholipit,
một số vitamin và nhiều enzim). Sự có mặt của muối photphat, nhất là photphat kali
còn có tác dụng tạo ra tính đệm của môi trường. Ví dụ: hỗn hợp của muối KH
2
PO
4

và K
2
HPO
4
với tỷ lệ thích hợp có thể tạo ra mức pH ổn định trong khoảng pH = 4,5
– 8,0.
Nguyên tố S có mặt trong một số axit amin (xistin, xistein, metionin), một số
vitamin (B1, B7) và một số coenzim có vai trò quan trọng trong quá trình oxy hoá

c. Chất hữu cơ:
Chất hữu cơ trong tế bào vi sinh vật chủ yếu được cấu tạo từ các
nguyên tố C, H, O, N, S, P... Riêng 4 nguyên tố C, H, O, N chiếm 90 – 97% toàn bộ
chất khô của tế bào. Đây là những nguyên tố chính tham gia cấu tạo protein, axit
nucleic, lipit, hydratcacbon.
30
*Protein: cấu tạo chủ yếu bởi các nguyên tố : C (50 – 55%), O (21- 24%), N
(15 – 18%), H (6,5 – 7,3%), S (0 – 0,24%), ngoài ra còn có một lượng rất nhỏ các
nguyên tố P, Fe, Zn, Cu, Mn, Ca,...Protein là thành phần chủ yếu của nguyên sinh
chất, nó chiếm khoảng 50 – 80% chất khô của tế bào. Protein tham gia vào cấu trúc
nhân, nguyên sinh chất, màng nguyên sinh chất và thành tế bào. Protein có cấu trúc
bậc 1, 2, 3, 4, các cấu trúc bậc 2, 3, 4 làm cho protein có cấu trúc không gian, chính
nhờ cấu trúc không gian này mà protein đảm nhận được những chức năng hết sức
phức tạp trong mọi hoạt động sống của sinh vật.
* Lipit: Lipit trong tế bào vi sinh vật thường có 2 nhóm: lipit đơn giản và
lipit phức tạp (lipoit). Lipit tập trung nhiều ở màng tế bào chất. Trong tế bào lượng
lipit ít (chỉ chiếm 3 – 7% khối lượng khô của tế bào) nhưng nó có ý nghĩa lớn đối
với đời sống tế bào, nó là chất dự trữ trong tế bào, đồng thời là nhân tố tích cực
chống đỡ các độc tố và các kháng sinh xâm nhập vào cơ thể.
- Lipit đơn giản (este của glyxerin và axit béo) chủ yếu là
triaxinglixerol.
- Lipit phức tạp bao gồm photpholipit, glicolipit.
* Gluxit: là nguồn dự trữ năng lượng và nguồn cacbon chủ yếu của tế bào vi
sinh vật. Nó có vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của vi sinh vật.
Gluxit tham gia vào cấu tạo axit nucleic, vào cấu trúc thành tế bào, vào vỏ nhầy...
của vi sinh vật. Lượng gluxit trong tế bào vi sinh vật cũng như động, thực vật ít hơn
so với các chất khác, chỉ chiếm 12 – 18% khối lượng khô của tế bào. Trong tế bào
vi sinh vật, gluxit có thể tồn tại ở dạng monosaccarit, oligosaccarit và polisaccarit.
* Axit nucleic: cấu tạo chủ yếu từ N (1 – 16%), P (9 – 10%), phần còn lại là
C, H, O. Axit nucleic có 2 loại: ADN và ARN. Axit nucleic có hai chức năng khá

- Thức ăn năng lượng: là thức ăn sau khi hấp thụ sẽ cung cấp cho vi sinh vật
một số năng lượng cần thiết cho hoạt động sống, ví dụ: protein, gluxit, lipit...
- Thức ăn kiến tạo: là thức ăn sẽ tham gia xây dựng cấu trúc tế bào vi sinh
vật.
- Thức ăn đặc hiệu (yếu tố sinh trưởng): là những chất hữu cơ cần thiết đối
với hoạt động sống mà một loại vi sinh vật nào đó không tự tổng hợp được.
Căn cứ vào nguồn cacbon, nguồn năng lượng và nguồn chất nhận electron
cuối cùng, người ta chia vi sinh vật thành các kiểu dinh dưỡng sau đây:
* Căn cứ vào nguồn năng lượng:
- Vi sinh vật quang năng (phototroph).
- Vi sinh vật hoá năng (chemotroph).
* Căn cứ vào nguồn cacbon:
- Tự dưỡng cacbon (autotrophic).
- Dị dưỡng cacbon (heterotrophic).
* Căn cứ vào nguồn năng lượng và nguồn cacbon:
- Tự dưỡng cacbon quang năng (photolitotroph).
- Tự dưỡng cacbon hoá năng (chemolitotroph).
- Dị dưỡng cacbon hoá năng (chemoorganotroph).

a. Dinh dưỡng quang năng:
Vi sinh vật dinh dưỡng quang năng nhờ có sắc tố quang hợp mà có khả năng
hấp thu năng lượng ánh sáng mặt trời và chuyển hoá thành năng lượng hoá học
(tích luỹ trong ATP). Quá trình tạo thành ATP gắn liền với việc chuyển NAD từ
dạng oxy hoá sang dạng khử. Hν (năng lượng mặt trời)
ADP + P
vc
ATP

2
có thể là
chất vô cơ hoặc hữu cơ. Vi sinh vật sử dụng 2 hợp chất này thuộc về 2 nhóm khác
nhau: đó là nhóm dinh dưỡng quang năng vô cơ và nhóm dinh dưỡng quang năng
hữu cơ.
- Nhóm dinh dưỡng quang năng vô cơ: sử dụng chất vô cơ ngoại bào làm
nguồn cung cấp điện tử (H), thông thường là H
2
S. Ví dụ: vi khuẩn lưu huỳnh màu
lục (họ Chlorobiaceae), vi khuẩn lưu huỳnh màu tía (họ Chromotiaceae).
- Nhóm dinh dưỡng quang năng hữu cơ: dùng chất hữu cơ ngoại bào để làm
nguồn cung cấp điện tử như các axit hữu cơ, rượu hữu cơ. Nhóm này gồm một số
vi khuẩn thuộc họ Rhodospirillaceae, ví dụ: Rhodospirillum rubrum (xoắn khuẩn
màu hồng hay đỏ tía).

(C, O)
CO
2
Sinh khối (H)

RH
2
R
2

O

½(O
2
) (O)

33

Ví dụ: -Vi khuẩn Nitrosomonas có thể tiến hành quá trình sau:
2NH
3
+ 2O
2
2HNO
2
+ 4H + Q

CO
2
+ 4H + Q 1/6 (C
6
H
12
O
6
) + H
2
O.
* Dinh dưỡng hoá năng hữu cơ: chất cho điện tử là chất hữu cơ, chất nhận
điện tử là 0xy, chất hữu cơ hoặc chất vô cơ khác. Tuỳ theo chất nhận điện tử mà

Ví dụ: các vi khuẩn có sắc tố như vi khuẩn S màu lục có chứa
Bacteriochlorophil, vi khuẩn S màu tía có chứa sắc tố Bacterioviridin thuộc nhóm tự
dưỡng quang năng, do có khả năng thực hiện phản ứng:
nCO
2
+ nH
2
S (CH
2
O)n + nH
2
O + nS
Vi khuẩn nitrat hoá, vi khuẩn sắt thuộc nhóm tự dưỡng hoá năng:
NH
3
+ 2O
2
HNO
3
+ H
2
O + 66,5 Kcal
2FeCO
3
+ ½ O
2
+ 3H
2
O 2Fe(OH)
3

3
để xây dựng cơ thể. Ví
dụ: vi sinh vật cố định nitơ, vi sinh vật amon hoá.
- Vi sinh vật dị dưỡng amin: là nhóm vi sinh vật xây dựng protein, nguyên
sinh chất của mình từ axit amin có sẵn. Axit amin được sử dụng một cách nguyên
vẹn không bị phân giải thành NH
3
.
e. Dinh dưỡng khoáng: (Xem phần các nguyên tố khoáng).
4. Cơ chế xâm nhập thức ăn qua màng tế bào vi sinh vật:
Để sinh trưởng và phát triển, tế bào vi sinh vật phải thường xuyên trao đổi
chất và năng lượng với môi trường xung quanh. Giữa môi trường và tế bào tồn tại
một hàng rào thẩm thấu, hàng rào này chính là màng nguyên sinh chất lipoprotein.
Màng nguyên sinh chất có khả năng điều chỉnh tinh vi sự ra vào của các chất khác
nhau. Sự vận chuyển các chất qua màng tế bào tuân theo một trong hai cơ chế:
a. Cơ chế khuếch tán thụ động (khuếch tán đơn giản): Theo cơ chế này các
chất đi qua màng nguyên sinh chất nhờ sự chênh lệch nồng độ (trong trường hợp
các chất không điện phân) hay chênh lệch điện thế (trong trường hợp các ion) ở hai
phía của màng. Sự vận chuyển này không đòi hỏi năng lượng. Tuy nhiên trong thực
tế, chỉ có nước, một số chất khí (CO
2
, O
2
), axit béo và một số chất tan trong lipit
vận chuyển theo cơ chế này. Đa số các chất hoà tan đi qua màng tuân theo cơ chế
vận chuyển đặc biệt.
b. Cơ chế vận chuyển đặc biệt (vận chuyển tích cực/chuyển hoá không
gian đặc biệt/khuếch tán xúc tiến):
Theo cơ chế này, các chất hoà tan muốn đi qua màng nguyên sinh chất trước
hết nó phải liên kết với một enzim vận chuyển nằm trên màng nguyên sinh chất, gọi
* Kiểu chuyển dịch nhóm: kiểu này thường gặp ở sự vận chuyển đường của
vi khuẩn.
Ở vi khuẩn, hầu hết sự vận chuyển đường do hệ thống photphotranferaza
đảm nhận. Hệ thống này bao gồm 2 enzim (E
1
và E
2
) và 1 prôtein vận chuyển bền
nhiệt (HPr = Heast- stable carrier protein) có khối lượng phân tử thấp. Theo kiểu
vận chuyển này, trước hết E
1
chuyển photphat từ photphoenolpiruvat (PEP) đến
HPr:
E
1

HPr + PEP HPr-P + Piruvat
Sau đó E
2
chuyển photphat từ HPr-P đến C6 của đường đơn.
Chú ý: E
1
chung cho nhiều loại đường, E
2
đặc trưng cho từng loại đường.

Ngoài màng Trên màng tế bào chất Trong màng
E

tử là các chất vô cơ (nitrat/ sunphat).
Cơ chất của hô hấp là các hợp chất hữu cơ, trong đó phổ biến nhất là
glucoza. Trong điều kiện kỵ khí glucoza được phân giải theo 3 con đường:
- Con đường EMP (Embden – Meyerhof – Parnas): trong điều kiện có O
2

hay không có O
2
, glucoza đều được chuyển hoá thành axit piruvic theo sơ đồ sau:
Glucoza
ATP

ADP

Glucozo-6-photphat

Fructozo-6-photphat
ATP

ADP

Fructozo-1,6-di photphat

Aldolaza

3
PO
4

Axit photphotphoenolpiruvic Axit-2P-glyxeric Axit-3-
photphoglyxeric
ADP
H
2
O
ATP
Axit piruvic

Phương trình chung:
Glucoza - 2 ATP + 2 NAD
+
2 pyruvat + 4 ATP + 2 NADH
2- Con đường HMP (Hexo-mono photphat)/ con đường pentozophotphat/ Chu
trình Warburg – Pickens: con đường này giúp cho nhiều vi khuẩn chuyển hoá
glucoza thành axit piruvic không qua con đường EMP (do bị đột biến thiếu một vài
en zim của con đường này), đồng thời con đường này cung cấp cho tế bào 2 tiền
chất khác là ribozơ – 5 photphat (dùng để tổng hợp axit nucleic) và eritrozơ - 4
photphat (cùng PEP để tổng hợp axit amin thơm), ngoài ra con đường này còn cung
cấp NADPH cần cho các phản ứng tổng hợp khử.Con đường HMP có sơ đồ sau:
Glucoza
ATP

Xedoheptulozo-7 photphat

3- photphoglyxeraldehyt

Phương trình chung:
3 Hexozo-6-photphat + 6 NADP
+
2 hexozo-6-photphat + triozo-3-photphat + 3
CO
2
+ 6 NADPH
2- Con đường ED (Entner Doudoroff)/ Con đường 2 – Keto – 3 deoxy – 6
photpho gluconat (KDPG): con đường này chỉ gặp ở một số vi khuẩn, ví dụ như
Pseudomonas. Con đường ED có sơ đồ sau:
ATP ADP NADP
+
NADPH
2


+ NADH
2Trong 3 con đường trên thì con đường EMP phổ biến hơn cả. Tỷ lệ phân giải
đường của các loài vi sinh vật khác nhau không giống nhau.
TỶ LỆ PHÂN GIẢI ĐƯỜNG THEO CÁC CON ĐƯỜNG Ở MỘT SỐ LOÀI
VI SINH VẬT

Vi sinh vật EMP (%) HMP (%) ED (%)
Saccharomyces cerevisiae 88 12 -
Candida utilis 66 – 81 19 – 34 -
Streptomyces griseus 97 3 -
Penicillium chrysogenum 77 23 -
Bacillus subtilis 74 26 -
Sarcina lutea 70 30 -
Gluconobacter oxydans - 100 -
Pseudomonas aeruginosa - 29 71
Alcaligenes eutrophus - - 100
Pseudomonas saccharophila - - 100
Ngoài glucozara, vi sinh vật còn có thể sử dụng nhiều loại đường khác nhau
để làm nguồn sinh năng lượng.
- Các đường đơn cũng giống như gluco trước hết phải trải qua giai đoạn
photphorin hoá, ví dụ:
+ Fructoza Fructozo 6P chu trình
EMP
+ Mannoza Mannozo 6P Fructozo 6P
EMP
40
- Các trisacarit và oligosacarit trước khi sử dụng cũng được vi sinh vật thuỷ

còn có các chất khác như rượu, axit
hữu cơ, andehyt, xeton. Về năng lượng: các quá trình lên men khác nhau cũng sản
sinh ra năng lượng không như nhau, ví dụ: lên men rượu sinh ra 28,2 kcalo, lên men
lactic sinh ra 18 kcalo, lên men butyric sinh ra 15 kcalo...
c. Hô hấp kỵ khí đặc biệt (hô hấp nitrat, hô hấp sunphat):
Hô hấp kỵ khí đặc biệt giống với quá trình hô hấp hiếu khí ở chỗ chất nhận
hydro là chất vô cơ, nhưng khác ở chỗ chất nhận hydro ở hô hấp hiếu khí là oxy
không khí còn ở hô hấp kỵ khí đặc biệt là nitrat hoặc sunphat.
Trong quá trình hô hấp nitrat và nhất là trong quá trình phản nitrat hoá, cơ
chất hữu cơ sẽ được oxy hoá hoàn toàn đến CO
2
và H
2
O, do đó năng lượng sinh ra
chỉ nhỏ hơn hô hấp hiếu khí khoảng 10%. Trong hô hấp sunphat cơ chất hữu cơ
thường không được oxy hoá triệt để nên năng lượng sinh ra không nhiều.
III. Sự trao đối chất :
1. Khái niệm chung:
Toàn bộ các hoạt động hoá học trong cơ thể nhằm đảm bảo cho cơ thể sinh
trưởng, phát triển thì gọi là quá trình trao đổi chất. Trao đổi chất được chia thành 2
phần lớn: tổng hợp và phân giải. Trong trao đổi chất của vi sinh vật chúng ta chủ
yếu tìm hiểu quá trình chuyển hoá các chất hữu cơ chứa nitơ và không chứa nitơ.
2. Quá trình chuyển hoá các hợp chất không chứa nitơ:
a. Chu trình chuyển hoá các bon trong tự nhiên:

CO
2
không khí và nước
Hô hấp Hô hấp
41

không khí thì số lượng CO
2
trong không khí chỉ đủ để cung cấp cho quang hợp của
cây xanh trong vòng 40 năm. Nhưng trong thực tế, song song với sự mất CO
2
trong
không khí do quá trình quang hợp luôn luôn có một lượng CO
2
gần như vậy được
sinh ra do quá trình hô hấp, quá trình đốt cháy nhiên liệu, đun nấu, quá trình phân
giải các xác hữu cơ nhờ vi sinh vật và quá trình hoạt động của núi lửa.
Riêng đối với vi sinh vật, chúng ta thấy rằng do tốc độ sinh sôi nảy nở rất
nhanh chóng, với tính đa dạng về mặt sinh lý và khả năng trao đổi chất mạnh mẽ, vi
sinh vật có vai trò to lớn trong việc thực hiện vòng tuần hoàn cacbon trong tự nhiên.
Nhiều nghiên cứu đã khẳng định 90% lượng CO
2
bù trả cho không khí là nhờ vi
sinh vật.
Dưới tác dụng của vi sinh vật, tất cả hợp chất hữu cơ chứa cacbon đều bị
phân giải:
- Nếu có O
2
thì sự phân giải tiến hành theo con đường oxy hoá triệt để, tạo
thành sản phẩm là CO
2
và nước.
- Nếu không có O
2
thì sự phân giải tiến hành theo con đường oxy hoá kỵ khí
hay còn gọi là quá trình lên men.

GLUCOZA
Nấm men

ATP H CO
2
H
VK lactic
Axit lactic AXIT PIRUVIC Axetaldehit
Etanol
CO
2
H
VK propionic Nhóm VK đường ruột
Nhóm VK Clostridium Axit oxaloaxetic Axetyl CoA + HCOOH Axetyl CoA + H
2
+
CO
2

H H ATP
ATP
H2 CO
2
Axetoaxetyl CoA Axit

thành axit piruvic theo con đường EMP, sau đó axit piruvic sẽ bị decacboxyl hoá
thành axetaldehyt và axetaldehyt tiếp tục bị khử thành rượu etylic.
Cơ chế tóm tắt của quá trình lên men rượu:

Glucoza

2CH
3
CH
2
OH EMP
NAD
+

NADH
2
2CH
3
COCOOH

pyruvatdecacboxylaza
2CH
3
CHO
CO
2 Nếu cơ chất là các sản phẩm khác như tinh bột, xenluloza thì quá trình sẽ có
2 giai đoạn. Giai đoạn đầu là sự phân giải các chất này thành glucoza nhờ các nhóm