Sự hấp thu chất dinh dưỡng vi sinh vật Sự hấp thu chất dinh dưỡng vi sinh vật Bởi: Nguyễn Lân Dũng buivietha Để tồn tại, sinh trưởng phát triển, tế bào vi sinh vật phải thường xuyên trao đổi vật chất lượng với môi trường bên Một mặt chúng tiếp nhận chất dinh dưỡng từ môi trường, mặt khác chúng thải môi trường số sản phẩm trao đổi chất Tế bào vi sinh vật sử dụng chất dinh dưỡng việc hấp thu chúng Cơ chế hấp thu có tính chuyên hóa, nói cách khác chúng hấp thu chất cần thiết, việc hấp thu chất không sử dụng bất lợi tế bào Vi sinh vật thường sống môi trường nghèo chất dinh dưỡng, chúng phải có lực vận chuyển chất dinh dưỡng từ môi trường có nồng độ thấp vào môi trường có nồng độ cao bên tế bào, tức ngược lại với gradient nồng độ Như tế bào có hàng rào thẩm thấu, màng sinh chất có tính thẩm thấu chọn lọc Chúng cho phép chất dinh dưỡng xâm nhập vào tế bào cản trở chất khác Do tính đa dạng phức tạp chất dinh dưỡng nên vi sinh vật có nhiều phương thức khác để vận chuyển chất dinh dưỡng Quan trọng cách Khuếch tán xúc tiến (Facilitated diffusion), cách Vận chuyển chủ động (Active transport) cách Chuyển vị nhóm (Group translocation) Ở vi sinh vật có nhân thật không thấy có cách Chuyển vị nhóm có cách sử dụng trình Nhập bào (Endocytosis) Cấu tạo màng sinh chất biểu thị qua hình sau đây: 1/11 Sự hấp thu chất dinh dưỡng vi sinh vật Cấu trúc màng sinh chất (Theo sách Prescott, Harley Klein) Sự khuếch tán xúc tiến (Facilitated Diffusion) Một số chất, glycerol, qua màng tế bào chất theo phương thức Khuyếch tán bị động (Passive diffusion) Khuyếch tán bị động gọi tắt Khuyếch tán, việc chất dinh đưỡng chuyển từ chỗ có nồng độ cao đến chỗ có nồng độ thấp Khuyếch tán bị động muốn làm cho tế bào hấp thụ có hiệu số chất dinh dưỡng cần có nồng độ chất bên tế bào cao bên Tốc độ hấp thu tùy theo lúc tế bào tăng lượng hấp thu chất mà giảm xuống Trừ phi loại chất dinh dưỡng sau xâm nhập tế bào sử dụng không làm nâng cao nồng độ chất tế bào Chỉ có nước (H2O), O2 CO2, phân tử nhỏ thường vận chuyển qua màng phương thức khuếch bị động Các phân tử tương đối lớn hơn, ion chất có tính cực (polar substances) khó qua màng sinh chất băng phương thức khuếch tán bị động 2/11 Sự hấp thu chất dinh dưỡng vi sinh vật Khuếch tán bị động (đường thẳng) khuếch tán xúc tiến (đường cong) (Theo sách Prescott, Harley Klein) Protein mang (carrier protein) gọi enzim permease loại protein gắn màng Với hỗ trợ permease nâng cao nhiều tốc độ khuếch tán qua màng có tính thẩm thấu chọn lọc Phương thức vận chuyển qua màng với hỗ trợ permease gọi khuếch tán xúc tiến (facilitated diffusion) Tốc độ trình khuếch tán xúc tiến tăng lên chênh lệch nồng độ chất dinh dưỡng tế bào tăng lên Khi nồng độ chất dinh dưỡng tương đối thấp khuôn khổ tăng lên cao so với phương thức khuếch tán bị động Lúc gradient nồng độ đạt tới trị số định dẫn đến hiệu ứng bão hòa Sự tham gia Permease làm dẫn đến hiệu ứng bão hòa (hình 7) Đáng ý là, lúc permease bị bão hòa, khuếch tán xúc tiến không tăng lên tăng mức chênh lệch chất dinh dưỡng tế bào Quan hệ tốc độ khuếch tán xúc tiến gradient nồng độ chất dinh dưỡng tưong tự mối quan hệ enzyme chất, khác hẳn với đường biểu diễn thẳng phản ánh khuếch tán bị động Ngoài giống permease enzyme chỗ có tính chuyên chất vận chuyển, loại permease vận chuyển cách chọn lọc số chất tương thích Dù có tham gia permease khuếch tán xúc tiến phương thức vận chuyển khuếch tán Việc vận chuyển phải dựa vào chênh lệch nồng độ chất dinh dưỡng màng Khi chênh lệch nồng độ vận chuyển dừng lại Quá trình không cần tới lượng trao đổi chất (metabolic energy) tế bào Gradient nồng độ trì tế bào chuyển biến chất dinh dưỡng vận chuyển thành hợp chất khác chuyển chất dinh dưỡng tới vị trí khác màng (ở sinh vật có nhân thật) Thật thú vị thấy số permease liên quan đến protein chủ chốt thấu kính mắt động vật có vú, protein thuộc họ MIP Trong vi khuẩn loại kênh MIP phân bố rộng rãi aquaporins vận chuyển nước glycerol facilitators (các nhân tố xúc tiến glycerol) vận chuyển glycerol Mặc dầu có nhiều nghiên cứu chế khuếch tán xúc tiến trình chưa hiểu biết cách đầy đủ Hình phức hợp permease xuyên ngang qua màng tế bào Sau chất dinh dưỡng kết gắn bên màng, cấu hình permease phát sinh biến hóa để phóng thích chất dinh dưỡng vào bên màng Permease sau lại hồi phục lại cấu hình ban đầu sẵn sàng để đón nhận phân tử dinh dưỡng khác bên màng Kết trình phân tử không tan lipid vào tế bào đáp lại gradient nồng độ Nên nhớ rằng, chế đảo ngược gradient nồng độ, nồng độ số vật chất tế bào cao bên thông qua phương thức mà chuyển vận tế bào Vì thông qua hoạt động trao đổi chất mà tế bào tiêu hao nhanh chất dinh dưỡng đưa vào tế bào nên chuyện chất dinh dưỡng bị đưa ngược (hình 8) 3/11 Sự hấp thu chất dinh dưỡng vi sinh vật Ở sinh vật nhân nguyên thủy trình khuếch tán xúc tiến phương thức vận chuyển chủ yếu nồng độ chất dinh dưỡng bên tế bào thường thấp thực trình khuếch tán xúc tiến để hấp thụ chất dinh dưỡng Glycerol vận chuyển trình khuếch tán xúc tiến E.coli, Salmonella typhimurum, Pseudomonas, Bacillus nhiều vi khuẩn khác Sự khuếch tán xúc tiến thường gặp tế bào sinh vật nhân thực, chúng dùng phương thức vận chuyển để chuyển vận loại đường amino acid vào tế bào Một kiểu Khuếch tán xúc tiến (Theo sách Prescott, Harley Klein) Sự vận chuyển chủ động (Active Transport) Mặc dầu khuếch tán xúc tiến giúp chuyển vận có hiệu chất dinh dưỡng vào bên tế bào nồng độ chất hòa tan bên cao bên tế bào, vận chuyển chất dinh dưỡng nồng độ chất hòa tan tế bào cao bên Vi sinh vật thường sống môi trường có nồng độ chất dinh dưỡng thấp, để sinh trưởng phát triển chúng phải vận chuyển hấp thu từ môi trường chất dinh dưỡng có nồng độ thấp Khi khuếch tán xúc tiến không phương thức vận chuyển hữu hiệu mà phải có phương thức vận chuyển khác, quan trọng phương thức vận chuyển chủ động (active transpore) phương thức chuyển vị nhóm (group translocation); hai phương thức cần tới lượng Sự vận chuyển chủ động loại phương thức vận chuyển phân tử chất hòa tan tới nơi có nồng độ cao hơn, tức ngược lại với gradient nồng độ cần phải tiêu hao lượng Vì vận chuyển chủ động cần tới protein mang (permease) nên tương tự với khuếch tán xúc tiến số phương diện Permease có tính chuyên cao phân tử vận chuyển Các phân tử chất hòa tan có tính chất tương tự lên kết với permease hai trường hợp - khuếch tán xúc tiến vận chuyển chủ động Trong trường hợp nồng độ chất dinh dưỡng cao vận chuyển chủ 4/11 Sự hấp thu chất dinh dưỡng vi sinh vật động có hiệu ứng bão hòa (hình 9) Tuy nhiên, khác lớn hai loại vận chuyển chủ động vận chuyển ngược nồng độ cần tiêu hao lượng trao đổi chất Các chất ức chế trao đổi chất làm trở ngại việc sản sinh lượng làm ức chế vận chuyển chủ động, không làm ảnh hưởng đến trình khuếch tán xúc tiến (ngay thời gian ngắn) Vi khuẩn, cổ khuẩn vi sinh vật nhân thật có hệ thống vận chuyển protein kết hợp (Binding protein transport systems) protein vận chuyển hình hộp kết hợp với ATP (ATP-binding cassette transporters) hay gọi protein vận chuyển ABC (ABC transporter) Loại protein vận chuyển thường tạo thành phức thể nhờ kết hợp hai vùng xuyên màng ưa nước (hydrophobic membrane - spanning domain) bề mặt tế bào chất hai vùng gắn với nucleotide (hình 9) Công protein vận chuyển hình hộp có khả kết hợp với ATP (Theo sách Prescott, Harley Klein) (1) Protein mang chất hòa tan gắn với chất vận chuyển hướng đến phức chất protein vận chuyển ABC (2) Protein mang chất hòa tan gắn vào protein vận chuyển phóng thích chất, chuyển qua màng nhờ lượng thủy phân ATP Vùng xuyên màng hình thành lỗ nhỏ màng vùng kết hợp nucleotide gắn với ATP thủy phân ATP để hấp thụ chất hòa tan Protein vận chuyển ABC tận dụng protein liên kết chất chuyên biệt nằm khe chu chất vi khuẩn Gram âm bám màng lipid mặt màng sinh chất vi khuẩn Gram dương Các protein liên kết (cũng tham gia vào trình hóa hướng độngchemotaxis) gắn với phân tử vận chuyển, tương tác với protein vận chuyển màng để chuyển phân tử hòa tan vào tế bào Vi khuẩn E.coli dùng chế để vận chuyển nhiều loại đường (arabinose, maltose, galactose, ribose) aminoacid (glutamate, histidine, leucine ) 5/11 Sự hấp thu chất dinh dưỡng vi sinh vật Các chất đưa vào vi khuẩn Gram (+) phải qua màng trước phát huy tác dụng protein vận chuyển ABC hệ thống vận chuyển chủ động khác Các phân tử ngỏ sử dụng protein lỗ phổ biến OmpF Các phân tử lớn phải dùng tới protein lỗ màng chuyên biệt Trong số trường hợp, ví dụ việc hấp thu sắt vitamin B12 phải dùng tới protein vận chuyển protein tiếp nhận màng có lực cao chuyên biệt Đáng ý protein vận chuyển ABC sinh vật nhân thật nhiều có tầm quan trọng lớn y học Một số tế bào ung thư sử dụng protein vận chuyển để bơm thuốc Việc xơ hóa nang kết đột biến làm bất hoạt protein vận chuyển ABC chuỗi chuyển ion chloride phổi Vi khuẩn dùng gradient proton phát sinh chuyển vận điện tử để thúc đẩy vận chuyển chủ động Các protein vận chuyển màng chịu trách nhiệmđối với trình thiếu hụt protein liên kết chu chất chuyên biệt để kết hợp với chất dinh dưỡng Lactose permease vi khuẩn E.coli ví dụ điển hình Permease protein đơn có phân tử lượng khoảng 30 000 Nó vận chuyển phân tử lactose có proton xâm nhập tế bào (nồng độ proton cao bên tế bào hoạt động chuỗi chuyển vận điện tử) Sự vận chuyển liên kết hai chất theo hướng gọi vận chuyển đồng hướng (symport) Trong trình lượng tích tụ gradient proton huy động để vận chuyển vật chất Mặc dầu chế phương thức vận chuyển chưa hiểu biết đầy đủ nói chung cho proton permease sau kết hợp cải biến hình dạng lực hấp thụ chất dinh dưỡng Vi khuẩn E.coli dùng vận chuyển đồng hướng với proton để vận chuyển aminoacid acid hữu succinate malate Một gradient proton thông qua việc hình thành gradient ion natri để gián tiếp tác động lên vận chuyển chủ động (hình 10) 6/11 Sự hấp thu chất dinh dưỡng vi sinh vật Tác dụng gradient proton natri vận chuyển chủ động (Theo sách Prescott, Harley Klein) 1- Proton bơm màng sinh chất vận chuyển điện tử 2- Gradient proton thông qua chế vận chuyển ngược hướng (antiport mechanism) đẻ đẩy ion natri 3- Ion natri liên kết với phức hợp protein mang (carrier protein complex) 4- Điểm kết hợp với chất hòa tan (dung chất) biến đổi hình dạng gắn với dung chất (đường aminoacid) 5- Cấu hình protein mang (carrier) thay đổi, ion natri chuyển vào tế bào sau dung chất rời khỏi protein mang Các chất vận chuyển chuyển xuyên màng theo phương hướng tương phản gọi vận chuyển ngược hướng (antiport) Gradient natri sinh tế bào hệ thống vận chuyển proton ngược hướng dẫn đến việc hấp thu đường amino acid vào tế bào Một ion natri liên kết với protein mang gây biến đổi hình dạng Protein mang kết hợp mật thiết với đường hay amino acid định hướng chúng chuyển vào bên tế bào Do nồng độ natri tế bào thấp, ion natri tách rời khỏi protein mang chất dinh dưỡng vận chuyển tách theo Cùng với việc ion natri di động vào tế bào vi khuẩn E.coli protein mang chuyển đường melibiose amino acid glutamate vào tế bào 7/11 Sự hấp thu chất dinh dưỡng vi sinh vật Sự vận chuyển đồng hướng (symport) hay vận chuyển hiệp đồng (cotransport) natri trình quan trọng tế bào nhân thật (eucaryotic) hấp thu đường amino acid Nhưng gradient ion natri thường sinh việc thủy phân ATP lực chuyển động proton Vi sinh vật thường thông qua nhiều hệ thống vận chuyển để hấp thu chất dinh dưỡng Ví dụ vi khuẩn E.coli, có tới hệ thống vận chuyển để hấp thu đường galactose, hệ thống vận chuyển để hấp thu glutamate leucine, hệ thống vận chuyển để hấp thu ion kali Khi có nhiều hệ thống vận chuyển chất, hệ thống có khác nguồn lượng tiêu hao, lực chất dinh dưỡng phương thức điều tiết hệ thống vận chuyển Tính đa dạng phương thức vận chuyển giúp cho vi sinh vật có ưu cạnh tranh mạnh mẽ điều kiện môi trường dễ biến đổi Sự chuyển vị nhóm (Group Translocation) Trong việc vận chuyển chủ động, phân tử hòa tan vận chuyển qua màng mà không cần cải biến Nhiều vi sinh vật nhân sơ có thê thông qua việc chuyển vị nhóm để hấp thu chất dinh dưỡng Trong trình vật chất vận chuyển có phát sinh biến hóa hóa học Nhóm xếp vào loại vận chuyển phụ thuộc lượng cần sử dụng lượng trao đổi chất Hệ thống chuyển vị nhóm quen biết Phosphoenolpyruvate: hệ thống phosphotransferase đường (PTS) Nhiều loại đường thông qua phương thức vận chuyển để chuyển vào tế bào vi sinh vật nhân sơ bị phosphoryl hóa sử dụng phosphoenolpyruvate (PEP) làm thể cho phosphate: PEP + Đường (ngoại bào) → Pyruvate + Đường + P (nội bào) 8/11 Sự hấp thu chất dinh dưỡng vi sinh vật Chuyển vị nhóm (Theo sách Microbiology Prescott, Harley Klein) PET phức tạp, vi khuẩn E.coli Salmonella typhimurium PTS tạo thành enzyme (EI EII) protein ổn định nhiệt có phân tử lượng thấp (HPr) HPr Enzyme EI tồn tế bào chất Enzyme EII có nhiều biến hóa cấu trúc, thường hợp thành tiểu đơn vị (subunits) hay vùng kết cấu (domains), EIIA (trước gọi EIII) protein tế bào chất hòa tan, EIIB protein ưa nước (hydrophilic), EIIC protein kỵ nước nằm màng tế bào, hai loại sau thường kết hợp lại với Trong trình vận chuyển, tác dụng EI HPr phosphate cao từ PEP chuyển đến enzyme EII với giúp đỡ Enzyme I HPr Sau EII đưa phân tử đường qua màng vào tế bào phosphoryl hóa EII vận chuyển chuyên hóa loại đường hệ thống PTS khác có EII khác nhau, EI HPr giống hệ thống PTS Hệ thống PTS phân bố rộng rãi vi sinh vật nhân sơ Các chi vi khuẩn Escherichia, Salmonella, Staphylococcus vi khuẩn kỵ khí không bắt buộc (facultatively anaerobic) khác có hệ thống PTS Một số vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, thuộc chi Clostridium, có hệ thống PTS Một số vi khuẩn thuộc chi Bacillus có hai hệ thống Đường phân (Glycolyse) PTS Nhưng vi khuẩn hiếu khí hệ thống PTS Nhiều carbohydrate vận chuyển hệ thống Vi khuẩn E.coli hấp thu glucose, fructose, mannitol, saccharose, N-acetylglucosamine, cellobiose nhiều carbohydrate nằng phương thức chuyển vị nhóm Ngoài vai trò dùng để vận chuyển, protein PTS quan cảm thụ hóa học - cảm thụ khí trình hóa hướng động 9/11 Sự hấp thu chất dinh dưỡng vi sinh vật Sự hấp thụ Sắt (Iron Uptake) Hầu tất vi sinh vật cần sử dụng sắt (Fe) để cấu tạo nên Cytochrome nhiều enzyme Sắt khó hấp thụ ion sắt (Fe3+) dẫn xuất chúng khó hòa tan, môi trường thường có hợp chất sắt dễ hòa tan để vcận chuyển vào tế bào Việc hấp thu sắt vi sinh vật khó khăn Nhiều vi khuẩn nấm phải khắc phục khó khăn cách thông qua thể mang sắt (siderophore) Đó phân tử có phân tử lượng thấp lại liên kết với sắt chuyển vận vào tế bào, thường muối hydroxamate phenolates-catecholate Ferrichrome loại hydroxamate sinh nhiều nấm; enterobactin loại catecholate sinh E.coli Trong hình bên ta thấy loại thể mang sắt dạng khác Siderophore 10/11 Sự hấp thu chất dinh dưỡng vi sinh vật Khi môi trường có chứa với hàm lượng thấp sắt sử dụng vi sinh vật tiết thể mang sắt (siderophones) để kết hợp với sắt chuyển đến màng tế bào Lúc kết hợp tiếp với protein thụ thể (receptor-protein) để chuyển sắt vào tế bào, toàn phức thể Sắt-siderophone chuyển vào nhờ protein vận chuyển ABC (ATP-binding cassette transporter) Ở vi khuẩn E.coli thụ thể siderophone nằm màng (outer membrane), sau Fe3+ chuyển đến khe chu chất (periplasmic space) với hỗ trợ protein vận chuyển sắt chuyển qua màng sinh chất (plasma membrane), sau Fe3+ khử thành Fe2+ Vì sắt cần cho trình sinh trưởng, phát triển vi sinh vật vi sinh vật cần sử dụng nhiều phương thức hấp thu khác để đáp ứng nhu cầu 11/11 [...].. .Sự hấp thu các chất dinh dưỡng ở vi sinh vật Khi môi trường có chứa với hàm lượng thấp các sắt có thể sử dụng vi sinh vật sẽ tiết ra các thể mang sắt (siderophones) để kết hợp với sắt và chuyển đến màng tế bào Lúc đó sẽ kết hợp tiếp với protein thụ thể (receptor-protein)... transporter) Ở vi khuẩn E.coli thụ thể siderophone nằm màng ngoài (outer membrane), sau khi Fe3+ được chuyển đến khe chu chất (periplasmic space) thì với sự hỗ trợ của protein vận chuyển sắt sẽ được chuyển qua màng sinh chất (plasma membrane), sau đó Fe3+ sẽ được khử thành Fe2+ Vì sắt rất cần cho quá trình sinh trưởng, phát triển của vi sinh vật cho nên vi sinh vật cần sử dụng nhiều phương thức hấp thu khác ... hoạt động trao đổi chất mà tế bào tiêu hao nhanh chất dinh dưỡng đưa vào tế bào nên chuyện chất dinh dưỡng bị đưa ngược (hình 8) 3/11 Sự hấp thu chất dinh dưỡng vi sinh vật Ở sinh vật nhân nguyên... nồng độ chất hòa tan tế bào cao bên Vi sinh vật thường sống môi trường có nồng độ chất dinh dưỡng thấp, để sinh trưởng phát triển chúng phải vận chuyển hấp thu từ môi trường chất dinh dưỡng có... hóa hướng động 9/11 Sự hấp thu chất dinh dưỡng vi sinh vật Sự hấp thụ Sắt (Iron Uptake) Hầu tất vi sinh vật cần sử dụng sắt (Fe) để cấu tạo nên Cytochrome nhiều enzyme Sắt khó hấp thụ ion sắt (Fe3+)