Bài giảng Vi sinh vật học môi trường - PGS. TS. Ngô Tự Thành

Nội dung text: Bài giảng Vi sinh vật học môi trường - PGS. TS. Ngô Tự Thành

1. Vi sinh vật học môi trường Bởi: PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành
2. Vi sinh vật học môi trường Bởi: PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành Phiên bản trực tuyến: Thu vien Hoc Lieu Mo Viet Nam
3. Tài liệu này và việc biên tập nội dung có bản quyền thuộc về PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành. Tài liệu này tuân thủ theo giấy phép Creative Commons Attribution 3.0 ( Tài liệu được hiệu đính ngày: July 16, 2011 Ngày tạo PDF: May 16, 2012 Để biết thông tin về đóng góp cho các module có trong tài liệu này, xem tr. 183.
4. Nội dung 1 Những khái niệm cơ bản về vi sinh vật 1.1 Vi sinh vật trong tự nhiên, trong đời sống, sản xuất của con người . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Cấu trúc và chức năng của tế bào Procaryot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Dinh dưỡng của vi sinh vật . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.4 Các chu trình sinh địa hóa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2 Giới thiệu một số nhóm vi sinh vật 2.1 Một số nhóm vi khuẩn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3 Vi sinh vật và xử lý môi trường ô nhiễm 3.1 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.2 Khả năng của vi sinh vật phân hủy một số nhóm chất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.3 Sự phân hủy sinh học một số chất đặc biệt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.4 Những nhân tố ảnh hưởng đến sự phân hủy sinh học . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 3.5 Xử lý In situ đối với nước ngầm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.6 Phục hồi sinh học pha bùn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.7 Phục hồi sinh học pha rắn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 3.8 Xử lý sinh học pha khí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 3.9 Xử lý sinh học chất thải rắn hữu cơ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 3.10 Xử lý nước và xử lý nước thải . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 4 Vi sinh vật và bảo vệ môi trường Chỉ mục 182 Tham gia đóng góp 183
5. Chương 1 Những khái niệm cơ bản về vi sinh vật 1.1 Vi sinh vật trong tự nhiên, trong đời sống, sản xuất của con người1 1.1.1 Khái niệm mở đầu về vi sinh vật Vi sinh vật là những cơ thể rất nhỏ bé, mà đa số không được nhìn thấy bằng mắt thường. Chúng bao gồm nhiều loại cơ thể, khác nhau rất cơ bản về mức độ tổ chức tế bào và lịch sử tiến hóa, cũng như về ý nghĩa thực tiễn. Những nhóm vi sinh vật chủ yếu là: vi khuẩn (bacteria), cổ khuẩn (archaea), nấm (fungi), tảo (algae), động vật nguyên sinh (protozoa), và virut (viruses). Riêng virut là những thực thể chưa có cấu tạo tế bào, các vi sinh vật khác đều thuộc một trong hai loại tế bào: tế bào chưa có nhân điển hình – hay tế bào procaryot (procaryotic cells) và tế bào có nhân điển hình – hay tế bào eucaryot (eucaryotic cells). Trong phần này của chương, chúng ta sẽ đề cấp vắn tắt đến một số nhóm lớn hoặc nhóm nhỏ vi sinh vật trên cả hai phương diện khoa học và thực tiễn. 1.1.2 Vi sinh vật trong cây chủng loại phát sinh chung của sinh giới Trái đất của chúng ta đã có 4,6 tỉ năm tuổi. Người ta đã tìm thấy những hóa thạch của procaryot có độ tuổi 3,5 – 3,8 tỉ năm. Sự sống của các cơ thể procaryot đã xuất hiện một thời gian ngắn sau khi trái đất nguội bớt đi. Rất có thể các cơ thể procaryot đầu tiên có lối sống kị khí. Sau đó, tới cách đây khoảng 2,5 – 3 tỉ năm thì xuất hiện một nhóm procaryot khác là vi khuẩn lam (cyanobacteria) với sự quang hợp sản sinh ra oxy. Từ đó, với sự có mặt của oxy, thì vi sinh vật ngày càng đa dạng Dựa trên trình tự nucleotit của ARN ribosom (ARNr), Carl Woese và cộng sự cho rằng các cơ thể procaryot đã tiến hóa thành hai nhóm khác nhau từ rất sớm. Trên hình 19.3–31 trình bày cây chủng loại phát sinh của sinh giới theo ý tưởng của Woese và cách trình bày của Prescott. Theo đó, cây chủng loại phát sinh chung chia thành ba cành chính đại diện cho ba nhóm nguyên thủy: vi khuẩn (bacteria), cổ khuẩn (Archaea), và sinh vật có nhân thật (Eucarya). Vi khuẩn và cổ khuẩn phân hóa tách khỏi nhau trước, rồi sau đó sinh vật có nhân thật xuất hiện. Ba nhóm nguyên thủy này được gọi là ba lãnh giới (domain), mỗi lãnh giới gồm nhiều ngành (phylum), và giới (kingdom). Theo cách sắp xếp trước đây thì các giới nằm trong ba lãnh giới này. Hình 19.3 – 31. Cây chủng loại phát sinh chung của sinh giới. Các mối quan hệ được xác định dựa trên sự so sánh trình tự nucleotit của ARN ribosom. Cây được xây dựng theo ý tưởng của J. Olsen và C.R.Woese, với cách trình bày của Prescott và cộng sự. Nguồn: 31 1Phiên bản trực tuyện của nội dung này có ở . 1
6. 2 CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VI SINH VẬT Một cách vắn tắt nhất, ba lãnh giới khác nhau về các đặc điểm căn bản nhất, đó là về nhân, về ARNr, và về lipit của màng tế bào. Tế bào vi khuẩn và cổ khuẩn đều chưa có nhân thật mà chỉ có một cấu trúc tương đương nhân, được gọi là thể nhân (nucleotit, nuclear body) thể này không có màng bao quanh. Trong khi đó ở các sinh vật có nhân thật sự thì nhân này có màng kép bao bọc. ARNr và lipit màng của chúng cũng khác nhau. Ngoài ra là hang loạt sự khác nhau khác giữa ba lãnh giới. Thuộc về để chỉ vi khuẩn thật. [BDGV, 126-128] 1.1.3 Những đặc tính chung của vi sinh vật 1.1.3.1 Kích thước nhỏ bé Vi sinh vật thường là những cơ thể đơn bào, nên khi nói về kích thước của vi sinh vật cũng là nói về kích thước tế bào của chúng. Thông thường vi sinh vật có kích thước tế bào từ 1 đến 10 micromet (1 µm=10-3mm), tùy theo chúng thuộc nhóm procaryot hay eucaryot, trong khi tế bào thực vật hay tế bào động vật có đường kính khoảng 100 µm (khoảng 1.1 – 40). Tuy nhiên với những phát hiện gần đây thì có những tế bào procaryot rất nhỏ hoặc rất lớn – lớn hơn cả tế bào eucaryot thong thường. Dưới đây là một vài số liệu về kích thước của vi khuẩn. Nhỏ nhất và Điều cần nhận ra là kích thước rất nhỏ bé của vi sinh vật có những ý nghĩa rất quan trọng về hình thái học, về hoạt tính và tính linh động trong trao đổi chất, về sự phân bố sinh thái; và chúng ta phải có những phương pháp làm việc đặc biệt với chúng trong phòng thí nghiệm. Ở một góc độ khác cũng cần thấy rằng mặc dù kích thước rất nhỏ bé, vi sinh vật vẫn thực hiện rất hữu hiệu mọi chức năng mà mỗi cơ thể đa bào thực hiện: hấp thụ và tiêu hóa chất dinh dưỡng, thu nhận năng lượng, sinh tổng hợp, tích lũy chất dự trữ, tiếp nhận và xử lý các tác động của môi trường, chuyển sang giai đoạn nghỉ trong những điều kiện môi trường bất lợi. 1.1.3.2 Vi sinh vật là một hợp phần của môi trường sống Vi sinh vật do có kích thước hiển vi và do có nhiều khả năng sinh học rất đặc biệt mà tồn tại ở hầu khắp mọi nơi trên trái đất: ngay xung quanh chúng ta (đất, nước, không khí, đồ dung, thực phẩm), và ngay trên bề mặt cơ thể, trong cơ thể chúng ta (trên da, trong xoang miệng, xoang ruột ) Trong tự nhiên, ở những môi trường bình thường – nơi có các điều kiện thuận lợi cho hầu hết cơ thể sống (về chất dinh dưỡng, nhiệt độ, pH, oxi ) – thì có một khu hệ vi sinh vật phong phú về chủng loại và đông đúc về số lượng. Ví dụ: trong 1gam đất ở tầng canh tác có thể có tới khoảng hơn 20 tỷ vi khuẩn, vài chục triệu vi nấm, vài chục nghìn vi tảo; trên cơ thể chúng ta, trong 1cm2 da của vùng trán có thể có tới bốn mươi nghìn vi khuẩn Staphylococcus epidermidis, còn ở vùng các ngón chân thì số vi khuẩn này là hơn một triệu; đó là chưa kể các vi sinh vật khác. Đặc biệt, ở những môi trường cực trị (extreme environments), nơi mà mọi động vật và thực vật không thể tồn tại, thì vẫn có một số vi sinh vật sinh trưởng Các môi trường cực trị ấy là những nơi có một hay nhiều điều kiện rất khắc nghiệt như nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp, pH rất axit hoặc rất kiềm, độ mặn cao, áp suất cao, nghèo dinh dưỡng, không có oxi Riêng về nhiệt độ, những giới hạn trên về nhiệt độ đối với cổ khuẩn (Archaea), vi khuẩn (bacteria), và vi sinh vật có nhân thật (eukaryotic microorganisms) là 113, 95, và 62oC, theo thứ tự, trong khi đó hầu hết động vật và thực vật không thể sinh trưởng ở trên 50oC. Một vài ví dụ về các vi sinh vật sống trong các môi trường cực trị được nêu ra dưới đây. • Cổ khuẩn Pyrolobus fumari có khoảng nhiệt độ sinh trưởng từ 90 đến 113oC, trong đó nhiệt độ tối ưu ở 105oC, sống tại các “cột khói đen” ở các vùng biển sâu trên 1000m • Cổ khuẩn Cenarchacum symbiosum thuộc nhóm ưa lạnh (psychrophiles) sinh trưởng nhanh nhất ở nhiệt độ 15oC hoặc thấp hơn – được phân lập ở ngoài khơi bờ biển California • Cổ khuẩn Thermoplasma volcanium sinh trưởng tối ưu ở 55oC và pH 2, được phân lập từ các vùng có núi lửa ở nhiều nơi trên thế giới.
7. 3 • Các loài cổ khuẩn Picrophilus oshimae và P. toridus thuộc nhóm cực kì ưa axit (extreme acidophile) – có pH tối ưu cho sinh trưởng là 3 hoặc thấp hơn nữa – đã được phân lập từ những vùng có núi lửa ở miền bắc Nhật Bản • Những vi sinh vật cực kì ưa kiềm (extreme alkalophiles) sinh trưởng tối ưu ở pH 10 hoặc cao hơn. Trong số này, nhiều chủng Bacillus đã được phân lập từ các môi trường sống pH>10, như các suối kiềm và các hồ giàu cacbonat. Những chủng Bacillus này có thể sinh trưởng ở pH 11. Ngoài ra người ta cũng quan sát thấy các cơ thể giống Bacillus ở trong ruột già của một loài mối ăn đất – nơi có điều kiện rất kiềm, pH tới 12, mặc dù chưa biết rõ những cơ thể này có hoạt tính trao đổi chất hay không. • Những vi sinh vật cực kì ưa mặn (extreme halophiles) sinh trưởng được trong khoảng nồng độ muối 2,0 – 5,2 M, với nồng độ tối ưu là 3M. Trong số này có loài cổ khuẩn Halobacterium lacusprofundi và một số loài tảo lục Dunaliella sinh trưởng ở Hồ Sâu (Deep Lake) thuộc Nam Cực – nơi có nồng độ muối 4,5M và nhiệt độ dưới 0oC trong 8 tháng mỗi năm. Với các cực trị về nhiệt độ, độ muối, lực ion và về năng suất sản xuất bậc một (10og.C/m2/năm) thì Hồ Sâu được coi là một trong những môi trường sống khắc nghiệt nhất trên trái đất. • Tại các vùng biển sâu (sâu hơn 1000m), không những áp suất nước rất lớn (khoảng 1100 atm), mà nhiệt độ thì rất lạnh (<5oC), hầu như không có ánh sáng và rất nghèo dinh dưỡng (oligotrophic). Tuy nhiên, tại các “cột khói đen” (“black smoker”) trong vùng biển sâu thì nhiệt độ lại rất cao (270-380oC) và chất dinh dưỡng rất dồi dào. Vì thế tại vùng biển sâu có hai nhóm vi sinh vật ưa áp suất nước (barophiles) sinh trưởng: một nhóm gồm các vi khuẩn ưa lạnh – ưa áp suất hoặc cực kì ưa áp suất [psychophilic (extreme) barophilic bacteria], và một nhóm gồm các cổ khuẩn cực kì ưa nhiệt – ưa áp suất (hyperthermobarophilic archaea). Nhóm đầu chủ yếu gồm 5 chi của γ-proteobacteria: Photobacterium, Shewanella, Colwenia, Moritella, và một nhóm mới chứa chủng CNPT3, cũng như chủng DSK25 thuộc chi Bacillus. Trong nhóm thứ hai thì có Pyrococcus spp • Các cổ khuẩn sinh metan (methanogenic Archaea, methanogens) là một nhóm ưa cực trị đặc biệt bởi sự đa dạng về các điều kiện cực trị mà các thành viên của nhóm thích ứng với: • Một số sống ở nhiệt độ gần độ không của Nam Cực, như Methanococcoides burtonii và Methanoge- nium frigidum, còn số khác thì sống ở 110oC trong các giếng thủy nhiệt (hydrothermal vents) ở đáy đại dương, như Methanopyrus kandleri, Methanothermus fervidus, Methanoremus sociabilis, Methanococ- cus jannaschii, và Methanococcus igneus. • Phạm vi rộng về độ muối, từ nước ngọt đến nước biển bão hòa muối. Methanohalobium evestigatum được phân lập từ một thảm vi sinh vật ở Hồ Sivash và sinh trưởng ở pH trung tính, độ mặn cao (2,6 – 5,1 M) • Phạm vi pH rộng, từ kiềm đến axit: Methanosalsus zhilinaeae thì ưa kiềm (pH 8,2 – 10,3), còn Methanosarcina sp. thì ưa axit (pH 4 – 5). • Các vi sinh vật dinh dưỡng ít (oligotrophs) được hiểu là những vi sinh vật sinh trưởng trong một môi trường nghèo dinh dưỡng (chứa 0,2 – 16,8 mg cacbon hữu cơ hòa tan/L). Vi khuẩn siêu hiển vi (ultramicrobacterium) dinh dưỡng ít Sphingomonas sp.,chủng RB2256, là một trong số đó, được phân lập từ vịnh Resurrestion, Alaska. • Deinococcus radiodurans là một vi khuẩn đề kháng bức xạ, nó có thể sống sót ở nhiệt độ chiếu xạ đủ giết chết hầu hết các loại bào tử là 3 000 000 rad (trong khi liều gây chết với người là 500 rad). Vi khuẩn này được phân lập lần đầu năm 1956 từ hộp thịt đã chiếu xạ bằng tia γ. Sau đó, các loài Deinococcus đã được tìm thấy trong bụi, trong thịt chế biến, trong dụng cụ y tế, vải, thực phẩm khô, phân động vật. Tuy vậy, chúng ta vẫn chưa biết rõ nơi sống tự nhiên của vi khuẩn này. • Một số vi sinh vật ưa các điều kiện cực trị khác như tính độc của dung môi hữu cơ, của hydrocacbon, của kim loại nặng: Vi khuẩn Rhodococcus sp. có thể sinh trưởng trên benzene như nguồn cacbon duy nhất • Các cổ khuẩn ưa mặn, nấm Xeromyces bisporus, và các vi sinh vật sống trong đá (endolithic microor- ganisms) được coi là nhóm ưa khô hạn (xerophiles) hoặc chịu được khô hạn (xerotolerants).
8. 4 CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VI SINH VẬT 1.1.4 Vai trò của vi sinh vật trong tự nhiên Vật chất trong tự nhiên luôn tuần hoàn: chuyển từ dạng vô cơ sang dạng hữu cơ và ngược lại. Trong quá trình tuần hoàn ấy, các cơ thể sống được chia thành ba nhóm tùy theo vai trò của chúng: • Toàn bộ cây xanh và các vi sinh vật quang dưỡng tổng hợp các chất hữu cơ từ cacbondioxit nhờ sử dụng năng lượng mặt trời, nên được gọi là sinh vật sản xuất • Toàn bộ động vật thì sử dụng phần lớn sinh khối sơ cấp vào việc tạo ra năng lượng và một phần nhỏ vào việc tổng hợp sinh khối của chúng, nên được gọi là sinh vật tiêu thụ • Nấm và vi khuẩn có vai trò tích cực trong sự phân hủy chất hữu cơ của mọi động vật, thực vật thành chất vô cơ (sự vô cơ hóa hay sự khoáng hóa, mineralization), do đó được gọi là sinh vật phân hủy. Nấm thì đóng vai trò này trong môi trường đất, còn vi khuẩn thì trong cả môi trường đất và môi trường nước. Như vậy, các cơ thể sống tham gia vào sự tuần hoàn vật chất trong tự nhiên bằng cách làm cho vật chất ấy tuần hoàn từ dạng vô cơ sang dạng hữu cơ và ngược lại, thong qua các phản ứng khử và phản ứng oxi hóa. Các phản ứng khử và oxi hóa do các cơ thể sống thực hiện ấy cùng các quá trình không sinh học dẫn đến chu trình sinh địa hóa (biogeochemical cycles) là sự tuần hoàn của toàn bộ các nguyên tố trong nội bộ một phần hoặc giữa các phần của hệ sinh thái khổng lồ của chúng ta (trái đất), gồm khí quyển, thủy quyển, thạch quyển, và sinh quyển. 1.1.5 Vai trò của vi sinh vật trong đời sống và sản xuất của con người Chính nhờ sự vô cơ hóa chất hữu cơ mà các nguyên tố trong chất hữu cơ được trở về dạng vô cơ để trả về cho khí quyển và cho đất hay nước, do đó, sự sống không bị ngừng trệ: nhiều khí vô cơ được trả về khí quyển, trong đó CO2 được dung cho cây xanh thực hiện quang hợp, nhiều chất vô sơ được trả về đất và nước trong đó các muối của N,P,S được cơ thể sống hấp thụ để tổng hợp trở lại các chất hữu cơ. Cũng chính bằng sự vô cơ hóa mà vi sinh vật tham gia vào sự tự làm sạch các tghuyr vực bị ô nhiễm hữu cơ ở mức vừa phải, cũng như tham gia vào sự phân hủy xác sinh vật và chất hữu cơ vẫn xảy ra tự nhiên trong đất, làm cho mặt đất chúng ta đang sống nói chung không bị ngập tràn trong xác động vật thực vật thậm chí không còn chỗ cho chúng ta sống. Mặt khác, sự vô cơ hóa nhờ vi sinh vật là cơ sở của hầu hết các quá trình xử lý sinh học (bioremediations) đối với các môi trường nước và đất. Trong chương 4 chúng ta sẽ xem xét sự tuần hoàn của các nguyên tố quan trọng hàng đầu đối với sự sống: C, N, P, S, Fe, và Mn. 1.2 Cấu trúc và chức năng của tế bào Procaryot2 1.2.1 Mở đầu Như chúng ta biết, tế bào của mọi cơ thể sống đều thuộc một trong hai loại: tế bào chưa có nhân điển hình, hay tế bào procaryot (procaryotic cells), và tế bào có nhân điển hình, hay tế bào eucaryot (eucaryotic cells). Thuộc về các cơ thể procaryot có vi khuẩn (bacteria) tức vi khuẩn thật (eubacteria) và vi khuẩn cổ (archeobacteria hay archaea). Còn thuộc về các cơ thể eucaryot có tảo, nấm, động vật nguyên sinh, tất cả thực vật và mọi động vật. Như vậy khái niệm “vi sinh vât” chỉ hàm ý là những cơ thể có kích thước hiển vi chứ khong hàm ý gì vể mặt phân loại, hoặc về hệ thống học vốn dựa trên cơ sở cấu trúc và chức năng của tế báo. Vi sinh vật bao gồm các cơ thể thuộc cả hai nhóm, procaryot và eucaryot. Sự khác nhau rõ ràng nhất giữa chúng là ở chỗ các tế bào procaryot có hình thái đơn giản hơn nhiều so với eucaryot và không có một nhân thật sự - tức nhân được bao quanh bởi một màng nhân; trái lại, tế bào eucaryot thường lớn hơn, phức tạp hơn về hình thái, và nhất là có nhân được bao quanh bởi màng nhân. Ngoài ra còn hàng loạt sự khác biệt nữa giữa hai loại tế bào, được nêu trong bảng 1. Bảng 1. So sánh các tế bào procaryot và eucaryot 2Phiên bản trực tuyện của nội dung này có ở .
9. 6 CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VI SINH VẬT Đặc tính Tế bào procaryot Tế bào eucaryot - Tổ chức của vật chất di truyền * Nhân thật sự (có màng bao Không có Có quanh) * AND phức tạp, liên kết với his- Không có Có ton * Số lượng nhiễm sắc thể 1a > 1 * Các intron trong các gen Hiếm Phổ biến * Nucleolus(plasmosom) Không có Có * Sự phân bào gián phân Không xảy ra Có xảy ra - Tái tổ hợp di truyền Truyền một phần AND, theo một Thông qua giảm phân và sự kết hướng hợp các giao tử - Các ti thể Không có Có - Các hạt lục lạp Không có Có - Màng sinh chất chứa sterol Thường không có b Có - Tiên mao Kích thước dưới hiển vi, câu tạo Kích thước hiển vi, có màng, bằng một sợi thường gồm 20 vi quản xắp xếp theo kiểu 9 + 2 - L ưới nội chất Không có Có - Bộ máy Golgi Không có Có - Thành tế bào Thường phức tạo về hoá học, Đơn giản hơn về hoá học và chứa peptidoglican e không chứa peptidoglican - Những khác biện trong các c ơ quan tử đơn giản hơn * Các ribosom 70S 80S * Các lysosom và peroxisom Không có Có * Các vi quản Không có hoặc Hiếm Có * Bộ khung tế bào Có thể không có Có xem tiếp ở trang sau
10. 7 - Sự biệt hoá Ở mức chưa cao Ở mức cao, thành mô và các cơ quan -Một trong các chức năng:N2 Có ở một số loài Không có ->N hữu cơ, NO3 -> N2, sinh metan - Khả năng dùng chất vô cơ làm Có ở một số loài Không có nguồn năng lượng duy nhất Bảng 1.1 a. Có thể có thêm thông tin di truyền trên các plasmit. b. Chỉ có các Mycoplasma và các vi khuẩn dinh dưỡng metan (Methanotrophs) có chứa các sterol. Các Mycoplasma không thể tổng hợp các sterol và đòi hỏi được cung cấp. Nhiều procaryot chứa các hopanoit. c. Các Mycoplasma và Archaea không có thành tế bào chứa peptidoglican. Qua bảng 1 và hình 1 có thể khái quát hoá sự khác nhau và giống nhau giữa hai loại tế bào ấy như sau: - Các tế bào procaryot không có nhân điển hình được bao bọc bởi màng nhân, còn các tế bào eucaryot thì có. Đây là sự khác nhau quan trọng nhất. - Hầu hết các tế bào procaryot nhỏ hơn và đơn giản hơn cả về cấu trúc lẫn chức năng so với loại tế bào kia. Chúng nhỏ bằng khoảng các ty thể hoặc các lạp thể của eucaryot. Sự đơn giản về cấu trúc của các procaryot thể hiện ở chỗ chúng không có nhiều cơ quan tử có màng bao quanh, còn sự đơn giản về chức năng thể hiện ở chỗ không có hai cơ chế phân bào gián phân và giảm phân, đơn giản về tổ chức của vật liệu di truyền, thiếu vắng nhiều quá trình phức tạp vẫn diễn ra ở các tế bào eucaryot. Hình 1. Sơ đồ một tế bào procaryot (a) và eucaryot (b) a) Sơ đồ lát cắt dọc của một tế bào vi khuẩn. Cm: màng sinh chất, Cp: sinh chất, Ge: tiên mao, Gly: hạt glycogen, Ka; vỏ bọc, Li: Các giọt lipit, N: nucleus, PHB: axit poly- β-hydroxybutyric, Pi: pili, Pl: plasmit, Po: các hạt polyphotphat, Rd: các ribosom và polysom, S: Các giọt lưu huỳnh, Zw: thành tế bào. b) Sơ đồ lát cắt dọc của một tế bào thực vật. Chl: Các lạp thể, Cm: màng sinh chất, Cp: sinh chất, Di: thể lưới (dictyosom), ER: lưới nội chất, Ex: bóng tiết (exocytose); Li: các giọt lipit, Mi: ti thể, Mt: các vi quản, N: nucleus hoặc nhân, Rb: các ribosom, Tu¨: lỗ nhỏ trên thành tế bào, V: các không bào, Zw: thành tế bào. Tuy nhiên sự giống nhau, sự thống nhất về sinh hoá ở mức độ phân tử giữa hai loại tế bào cũng rất hiển nhiên: - Chúng được tạo thành từ những hợp phàn sinh hoá giống nhau. - Mã di chuyển của chúng là giống nhau, trừ một vài loại lệ. - Sự biểu hiện các thông tin di truyền chứa trong ADN của chúng cũng giống nhau. - Các nguyên lý của trao đổi và các con đường trao đổi chất quan trọng của chúng là giống nhau. - Do vậy, bên dưới sự khác nhau sâu sắc, rõ rệt về cấu trúc và chức năng của hai loại tế bào, chúng ta vẫn nhìn thấy sự thống nhất thậm chí còn sâu sắc, cơ bản hơn, giữa chúng: đó là sự nhất quán ở mức độ phân tử, sự nhất quán này là cơ sở cho mọi quá trình sống trên hành tinh này. Trong thực tiễn, khái niệm procaryot được dùng theo nghĩa chung, bao gồm cả vi khuẩn thật (eubacteria) và vi khuẩn cổ (archeobacteria hay archea); khái niệm vi khuẩn (bacteria) thường để chỉ vi khuẩn thật. 1.2.2 Khái quát về cấu trúc của tế bào procaryot 1.2.2.1 Kích thước, hình dạng và sự sắp xếp các tế bào Có một quan niệm phổ biến cho rằng những cơ thể nhỏ và đơn giản như procaryot thì khá đơn điệu về hình dạng và kích thước. Điều đó chỉ là một mặt của vấn đề. Mặt thứ hai là, chúng cũng khá đa dạng về hình thái và kích thước, do sự khác nhau về bản chất di truyền và cả do điều kiện sinh thái nữa (hình 2, 3, 4, 5). Về hình dạng, có hai nhóm chính là vi khuẩn hình cầu, hay cầu khuẩn (coccus, cocci) và vi khuẩn hình que hay trực khuẩn (rocl, bacillus, bacilli).
11. 8 CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VI SINH VẬT Các cầu khuẩn thì khác nhau về sự sắp xếp các tế bào như sau: - Song cầu khuẩn (diplococcus, diplococci) là những cầu khuẩn mà khi phân chia chúng không rời nhau, do đó tạo thành một cặp tế bào (Neisseria, hình 5). - Liên cầu khuẩn (streptococcus, streptococci) là những cầu khuẩn mà sau nhiều lần phân chia trên cùng một mặt phẳng các tế bào không tách ròi nhau. Đó là trường hợp của các chi Streptococcus, Enterococcus, và Lactococcus (hình 2b). - Tụ cầu khuẩn (Staphylococcus, Staphylococci) là những cầu khuẩn phân chia theo những mặt phẳng bất kỳ do đó tạo thành những chùm tế bào giống như chùm nho (Staphylococcus, hình 2a). - Vi cầu khuẩn (micrococcus, micrococci), thì thường phân bào trong hai mặt phẳng để tạo thành các khối vuông gồm bốn tế bào (micrococus). - Ở chi Sarcina, các cầu khuẩn phân chia tế bào trong ba mặt phẳng, do đó tạo thành nhóm hình khối gồm tám tế bào. Các trực khuẩn thì khác nhau về một vài đặc điểm: - Tỷ lệ giữa chiều dài với chiều rộng: có những trực khuẩn ngắn đến mức trông gần giống cầu khuẩn, nên có thể gọi là cầu - trực khuẩn (côccbacilli). - Hình dạng của đầu mút tế bào: phẳng, cong, hình đầu điếu xì gà, đầu xẻ đôi. - Sự sắp xếp tế bào: nhiều trực khuẩn có tế bào đứng riêng rẽ, một số khác thì xếp tế bào thành chuỗi. Bacillus megaterium có tế bào to và xếp chuỗi dài (hình 2c). - Dạng cong của tế bào: một số ít trực khuẩn có dạng cong như dấu phẩy hoặc như một vòng xoắn không hoàn toàn, đó là trường hợp của chi Vibrio (hình 2e). Sự đa dạng về hình thái của vi khuẩn còn thể hiện ở các trường hợp sau đây: - Xạ khuẩn (Actinomycetes) rất thường tạo những sợi dài – filaments, micelia (hình 3a). - Nhiều vi khuẩn có dạng giống những trực khuẩn dài xoắn lại, được gọi là các xoắn khuẩn (Spirillum) nếu chúng là rắn chắc, và gọi là xoắn thể (Spirochetes) nếu chúng là mềm dẻo (hình 2d, 3c, 4a, 4b). - Hypomicrobium có dạng oval đến dạng quả lê (hình 3d) thì tạo thành một chồi ở đầu nút của một sợi dài. - Có những vi khuẩn khác thì tạo thành những cuống không sống, như Gallionella chẳng hạn (hình 3f). - Một số ít vi khuẩn có dạng dẹt, ví dụ những khuẩn dẹt sống trong các hồ muối, do Anthony E.Walsby phát hiện (hình 3e). Chúng sống như những hộp dẹt hình vuông tới chữ nhật, kích thước 2 x 2-4µm, dầy chỉ có 0,25 µm. - Cuối cùng, có những vi khuẩn có hình dạng không cố định, hay không có hình dạng đặc trưng (hình 3b). Bọn này được gọi là có tính đa hình (pleomorphic), thậm chí mặc dù chúng có thể, giống như Corynebac- terrim, thường có dạng giống trực khuẩn. Về kích thước, vi khuẩn cũng rất khác nhau theo thứ tự từ nhỏ đến lớn, có thể kể: - Nhỏ nhất và mới được biết đến gần đây nhất, là các “vi khuẩn cỡ nano” (nanobacteria) hay còn gọi là các vi khuẩn siêu nhỏ, có đường kính từ 0,2 µn đến dưới 0,05µm. Một số chủng đã được nuôi cấy thành công, còn hầu hết chúng chỉ là những vật thể giống như vi khuẩn và có kích thước hiển vi mà thôi. Người ta từng quan niệm rằng tế bào chỉ có thể nhỏ đến mức có đường kính 0,14 µm – 0,20 µm, nhưng gần đây người ta đã phát hiện thấy nhiều vi khuẩn nano còn nhỏ hơn thế. Một số nhà vi sinh vật học cho rằng các vi khuẩn nano là những vật thể nhân tạo. Dĩ nhiên cần có thêm nhiều nghiên cứu nữa để làm sáng tỏ ý nghĩa của những dạng sống này. - Vi khuẩn có kích thước quen thuộc là Escherichia coli, với kích thước trung bình là 1,1 – 1,5 µm chiều rộng x 2,0 – 6,0 µm chiều dài. - Một số ít vi khuẩn thì khá to, ví dụ một số xoắn thể đôi khi dài tới 500µm (nửa milimet!) và một vi khuẩn lam – Oscillatorria – có đường kính tới 7 µm (tương đương hồng cầu của máu). - Một vi khuẩn khổng lồ, Epulopiscium fishelsoni, sống trong ruột của một loài cá, thì có kích thước tới 600 x 80 µm, nghĩa là xấp xỉ một dấu gạch nối! (hình 6a). Gần đây hơn, đã phát hiện một vi khuẩn còn to hơn thế, sóng trong tầng lắng đọng của đại dương, có tên gọi là Thiomargarita namibiensis, với đường kính 100 – 700 µm (hình 6b). Như vậy một số ít vi khuẩn còn lớn hơn cả một tế bào eucaryot trung bình (một tế bào thực vật hay động vật điển hình có đường kính từ 10 đến 50 µm).
12. 9 1.2.2.2 Sự tổ chức của tế bào procaryot Các tế bào procaryot có các cấu trúc rất khác nhau. Những chức năng chủ yếu của chúng được tóm tắt trong bảng 2 và được minh hoạ một phần ở hình 7. Không phải mọi cấu trúc đều có mặt ở mỗi chi vi khuẩn. Ngoài ra, các tế bào gram âm và gram dương cũng khác nhau về thành tế bào. Tuy vậy, các té bào procarryot vẫn có những đặc tính chung về cấu trúc cơ bản và về các hợp phần quan trọng nhất. Bảng 2. Chức năng của các cấu trúc ở tế bào procaryot Cấu trúc Chức năng Có mặt ở 1. Nucleoit * Nơi chứa vật liệu di truyền a (ADN) 2. Màng sinh chất * Hàng rào thấm chọn lọc* Ranh a giới cơ học của tế bào* Vận chuyển chất dinh dưỡng và chất thải* Nơi diễn ra nhiều quá trình trao đổi chất (hô hấp, quang hợp)* Phát hiện các tín hiệu môi trường đối với hoá ứng động (chemotaxis) 3. Thành tế bào * Tạo hình thể tế bào.* Tránh c cho tế bào khỏi bị tan trong môi trường loãng. 4. Ribosom * Tổng hợp protein a 5. Khoang chu chất * Chứa các enzym thuỷ phân* b Liên kết các protein cho sự thu nhận và chế biến chất dinh dưỡng 6. Tiên mao * Cơ quan di động của tế bào b 7. Tiêm mao (tua) * Cơ quan bám.* Cơ quan ghép b đôi. 8. Không bào khí * Phao làm nổi tế bào trong các b môi trường nước 9. Vỏ bọc và lớp nhày * Để kháng sự thực bào.* Bám b vào các bề mặt. 10. Các thể ẩn nhập * Dự trữ nguồn cacbon, nguồn b photpho và các chất khác xem tiếp ở trang sau
13. 10 CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VI SINH VẬT 11. Nội bào tử * Dạng đề kháng để sống sót qua b các điều kiện khắc nghiệt Bảng 1.2 Các tế bào procarryot là đơn giản hơn nhiều so với các tế báo eucaryot. Điều này sẽ dược thấy rõ hơn sau khi tìm hiểu về tế bào eucaryot trong chuyên đề tiếp theo (chuyên đề “Cấu trúc và chức năng của tế bào eucaryot”). Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? NHỮNG VI KHUẨN KÌ DỊ Với những vi sinh vật thường gặp xung quanh, chúng ta thường nghĩ rằng các tế bào procaryot, tức vi khuẩn, là nhỏ hơn các vi sinh vật eucaryot (ví dụ nấm men tảo). Chúng ta cũng đã biết rằng các tế bào procaryot sinh trưởng nhanh hơn nhiều so với hầu hết tế bào eucaryot và ở chúng không có những hệ thống vận chuyển phức tạp có dạng bọng hay túi như ở eucaryot (đọc thêm về tế bào eucaryot). Chúng ta cũng thừa nhận rằng chúng phải nhỏ bé, một phần bởi vì sự khuyếch tán chất dinh dưỡng vào tế bào là chậm, phần khác vì có như thế thì tỉ lệ diện tích bề mặt/ khối lượng mới cao. Thế rồi, những quan niệm ấy bắt đầu lung lay, khi một vi sinh vật khổng lồ hình điếu xì gà, được phát hiện trong ruột của một loài cá ở Biển Đỏ (Acanthurus nigrofuscus): năm 1985, trong công bố của mình về phát triển nói trên, các tác giả Fishelson, Montgomery và Myrberg cho rằng đó là một sinh vật thuộc giới Protista. Sau đó vào năm 1993, bằng cách so sánh trình tự ARNr để nhận dạng vi sinh vật nói trên, mà ngày nay có tên gọi Epulopiscium fishelssoni, Esther Angert, Kendall Clemens và Norman Pace đã cho biết rằng vi sinh vật này là một procaryot có quan hệ với chi vi khuẩn gram dương Clostridium. Khi ấy người ta thấy bất ngờ về kích thước của E.fishelsoni (từ chữ Latin epulum - bữa tiệc, và piscium - cá): 80 x 60µm, thông thường dài 200 đến 500µm (hình b). Như vậy vi khuẩn này có khối lượng gấp một triệu lần so với Escherrichia coli! Mặc dầu kích thước khổng lồ như vậy, nó vẫn có cấu trúc tế bào kiểu procaryot. Nó di động với tốc độ khoảng hai lần chiều dài cơ thể/ 1 giây (khoảng 2,4cm/phút) nhờ cá tiên mao kiểu vi khuẩn phủ khắp bề mặt tế bào. Khối sinh chất của nó chứa các nucleoit lớn và nhiều ribosom như ở một tế bào lớn phải có. Epulopiscium dường như đã vượt quá giới hạn về kích thước do sự khuếch tán quy định, nhờ có một lớp ngoài là màng tế bào được cuộn chặt. Điều đó làm tăng bề mặt tế bào và do đó làm tăng cường sự vận chuyển chất dinh dưỡng. Epulopiscium có lẽ được lan truyền giữa các vật chủ của nó thông qua sự nhiễm phân cá và thức ăn của cá. Vi khuẩn này có thể bị loại trừ bằng cách làm cho con cá vật chủ bị đói trong thời gian vài ngày. Nếu những con cá con chưa bị nhiễm. Đáng chú ý là điều này không xảy ra ở các con cá trưởng thành. Tuy vậy vi khuẩn nói trên vẫn chưa phải là to nhất, nó mới chỉ bằng 1% so với vi khuẩn Thiomargarita namibiensis được Heidi Schulz tìm thấy trong tầng lắng đọng của biển ở vùng bờ biển Namibia vào năm 1997. Vi khuẩn này có hình cầu, đường kính từ 100µm đến 750µm, thường tạo thành các chuỗi tế bào, trong các bao nhầy. Một không bào chiếm tới khoảng 98% tế bào và chứa chất lỏng giàu nitrat; bao quanh không bào này là một lớp chất nguyên dầy 0,5 µm – 2,0µm chưa đầy các hạt lưu huỳnh. Lớp chất nguyên sinh này có độ dầy đúng như các hầu hết vi khuẩn và đủ mỏng cho các tốc độ khuyếch tán vẫn diễn ra ở vi khuẩn. Nitrat được dùng làm chất nhận điện tử đối với quá trình oxy hoá lưu huỳnh và sản sinh năng lượng. Như vậy, với sự phát hiện ra hai procaryot khổng lồ nói trên thì quan niệm phân biệt procarryot với eucaryot dựa theo kích thước tế bào đã không còn đứng vững. Những proaryot vừa nhắc đến là lớn hơn nhiều so với một tế bào eucaryot bình thường. Ngoài ra, một số tế bào eucaryot được “phát hiện lại” rằng chúng có kích thước nhỏ hơn so với người ta thường vẫn tưởng. Ví dụ điển hình là Nanochlorum eukaryotum, có đường kính chỉ 1- 2 µm. Hiện nay nó được xác định rằng đó là eucaryot thực sự, với một nucleus, một cloroplasst và một ty thể. Sự hiểu biết của chúng ta về những nhân tố giới hạn kích thước tế bào procarryot cần phải được xem xét lại. Quan niệm rằng các tế bào lớn là tế bào eucaryot và nhỏ là procaryot không thể đứng vững được nữa. Câu hỏi: 1. Sự khác nhau căn bản giữa tế bào procaryot và tế bào eucaryot là gì? 2. Những sự khác nhau giữa chúng?
14. 11 3. Sự phát triển ra những vi khuẩn lớn hơn tế bào eucaryot bình thường, và những tế bào eucaryot nhỏ 1 – 2 µm đường kính, nói lên điều gì? 4. Các tế bào Các tế bào procaryot có thể có những hình dạng đặc trưng nào, kích thước của chúng ra sao. 5. Chúng có thể tụ tập với nhau theo những cách nào? 6. Vẽ sơ đồ một tế bào vi khuẩn và ghi chú những cấu trúc quan trọng của nó. 1.2.3 Các màng của tế bào procaryot 1.2.3.1 Đại cương Mọi cơ thể sống đều nhất thiết phải có các màng. Các tế bào phải tương tác theo một cách nào đấy với môi trường của chúng, đó có thể là môi trường bên trong của các cơ thể đa bào, hoặc môi trường bên ngoài thay đổi nhiều hơn và nhiều rủi ro hơn. Các tế bào không những phải có khả năng thu nạp chất dinh dưỡng và loại bỏ chất thải, mà còn phải duy trì mọi thành phần nội bào ở trạng thái ổn định và có tổ chức cao để tôn tại trước những thay đổi ở bên ngoài. Màng sinh chất (plasma membrane) bao bọc chất nguyên sinh, ở cả tế bào procaryot và tế bào eucaryot. Tế bào tiếp xúc với môi trường chủ yếu tại đây và như vậy màng này chịu trách nhiệm về nhiều mối quan hệ với thế giới bên ngoài. Để hiểu chức năng của màng thì cần phải biết cấu trúc của nó, nhất là cấu trúc của màng sinh chất. 1.2.3.2 Màng sinh chất Trong các màng bao giờ cũng có nhiều loại protein và nhiều loại lipit, với tỷ lệ rất khác nhau giữa các loài. Nếu so với các màng ở eucaryot thì màng sinh chất của vi khuẩn thường chứa nhiều protein hơn, có lẽ vì chúng thực hiện nhiều chức năng mà màng các cơ quan tử của tế bào eucaryot thực hiện. Hầu hết các lipit nào liên kết vớimàng thì có cấu trúc bất đối xứng, với một đầu phân cực và một đầu không phân cực (hình 8) và được gọi là lưỡng cực. Các đầu phân cực thì tương tác với nước (ưa nước, hydrophilic); các đầu không phân ực (kỵ nước, hydrophobic) thì không tan trong nước và có xu thế kết hợp với một đầu kỵ nước khác. Đặc tính này của các lipit làm cho chúng có khả năng tạo thành một loép kép ở trong các màng. Các bề mặt ngoài có tính ưa nước, còn các đầu kị nước thì được giấu vào bên trong, cách ly với nước ở xung quanh. Trong số các lipit lưỡng cực như vậy có rất nhiều phospholipit (hình 8). Thành phần lipit của các màng vi khuẩn thay đổi theo nhiệt độ duy trì được trang thái lỏng của mình trong quá trình sinh trưởng. Ví dụ, những vi khuẩn sinh trưởng ở các nhiệt độ thấp thì phải chứa các axit béo có điểm nóng chảy thấp trong photpholipit ở màng của chúng. Các màng của vi khuẩn thường khác với các màng của eucaryot ở chỗ chúng không chứa các sterol, như cholesterol chẳng hạn (hình 9a). Tuy nhiên, nhiều loại màng của vi khuẩn chứa các phân tử với các cấu trúc giống sterol nhưng có 5 vòng, được gọi là các hopanoit (hình 9b) và trong các hệ sinh thái thì có một lượng khổng lồ các chất này. Các tính toán cho biết rằng tổng lượng các hopanoit trong các tầng lắng đọng ở mọi thuỷ vực là khoảng 1011-12 tấn, xấp xỉ tổng lượng cacbon hữu cơ trong tất cả các cơ thể sống (1012 tấn). Có bằng chứng cho thấy rằng các hopanoit đã góp phần đáng kể vào sự hình thành dầu mỏ. Các hopanoit được tổng hợp từ cùng những tiền chất của các steroit. Giống như các steroit ở eucaryot, các hopaniot có lẽ làm ổn định màng vi khuẩn – các lipit của màng dược sắp xếp thành hai lớp phân tử có các đầu kị nước đối diện nhau (hình 10) So với các màng của eucaryot thì các màng của procaryot có hai lớp lipit tương đối đồng đều nhau. Ở eucaryot các lipit ở lớp đơn phía ngoài khác với các lớp đơn phía trong. Mặc dù hầu hết các lipit trong các lớp đơn hỗn hợp nhau một cách tự do, nhưng vẫn có những tiểu vùng khác nhau về thành phần lipit và protein. Ví dụ có những mảng lipit nào đó giàu cholesterol và có những lipit chứa nhiều axit béo bão hoà, như một số sphingolipit chẳng hạn. Các mảng lipit trùm ngang lớp lipit kép của màng và các lipit trong các lớp đơn liền kề tương tác với chúng. Những mảng lipit này có lẽ tham gia vào rất nhiều quá trình của tế bào, chẳng hạn sự di động, sự truyền tín hiệu. Các mảng này cũng có thể liên quan đến sự xâm nhập và sự lắp ghép của một số virut.
15. 12 CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VI SINH VẬT Đặc biệt, các màng của nhiều vi khuẩn cổ khác với màng vi khuẩn thật ở chỗ có lớp đơn chứa các phân tử lipit chiếm hầu như toàn bộ bề dày của màng, thay vì lớp kép. Các màng tế bào là những cấu trúc rất mỏng, chỉ dày khoảng 5-10mm và chỉ có thể được nhièn thấy dưới kính hiển vi điện tử. Bằng các kỹ thuật hiện đại, người ta thấy rằng nhiều loại màng, trong đó có màng sinh chất, có cấu tạo bên trong phức tạp. Những hạt hình cầu nhỏ nhìn thấy trong các màng này có lẽ là những protein của màng, chúng nằm ở giữa lớp lipit kép của màng (hình 11). Mô hình cấu trúc màng được thừa nhận rộng rãi nhất là mô hình khảm lỏng của S.Jonathan Singer và Garth Nicholson (hình 10). Theo mô hình này thì có hai loại protein của màng. Các protein phụ thì gắn lỏng lẻo với màng và có thể dễ dàng bị loại bỏ. Chúng tan trong các dung dịch nước và chiếm 20 – 30% tổng lượng protein của màng. Phần còn lại, 70-80%, là các protein thiết yếu của màng. Chúng không dễ dàng được tách chiết khấu và không tan trong các dung dịch nước. Các protein thiết yếu, giống như các lipit của màng, có tính lưỡng cực: những vùng kị nước của chúng được vùi vào trong lớp lipit kép, còn những phần ưa nước thì nhô ra khỏi mặt bề mặt của màng (hình 10). Một số protein này thậm chí rất lớn, nằm xuyên qua toàn bộ bề dày của lớp lipit kép. Các protein thiết yếu có thể dịch chuyển một chút so với bề mặt màng nhưng không thể quay lộn đầu đuôi hoặc xoay quanh trục của nó, ở trong lớp lipit. Ở bề mặt ngoài của các protein trong màng sinh chất cũng thường có những cacbohydrat đính vào và có lẽ chúng có những chức năng quan trọng nào đó. Hình ảnh trên đây là về màng tế bào biểu thị một hệ thống bất đối xứng và có tổ chức cao, cũng như có tính linh động và năng động. Các màng tế bào có cấu trúc và chức năng rất khác nhau. Những sai khác này là lớn và có tính đặc trưng đến mức các đặc điểm của màng có thể được dùng như những đặc điểm về nhận biết vi khuẩn. Màng sinh chất của các tế bào procaryot phải hoàn thành hàng loạt chức năng như: • Duy trì khối sinh chất, nhất là ở những tế bào không có thành, và ngăn cách nó với xung quanh. • Hoạt động như một hàng rào thấm chọn lọc, nghĩa là chỉ cho phép các ion và phân tử nào đó đi qua (vào và ra khỏi tế bào). Như vậy nó tránh sự thất thoát các hợp phần quan trọng của tế bào do sự rò rỉ. • Tang cường sự vận chuyển một số chất những chất không thể tự vận chuyển xuyên qua màng. Các hệ thống vận chuyển tích cực này ở trong màng thực hiện sự hấp thụ chất dinh dưỡng, sự loại bỏ các chất thải, sự tiếp các protein. • Tại màng diễn ra nhiều quá trình trao đổi chất quan trọng như: hô hấp, quang hợp, tổng hợp các lipit và các hợp phần của thành tế bào và có lẽ cả một số quy trình liên quan đến nhiễm sắc thể. • Chứa những phân tử tiếp nhận đặc biệt, giúp tế bào phát triển và các hoá chất của môi trường xung quanh để có đáp ứng phù hợp. Rõ ràng, màng sinh chất là một bộ phận thiết yếu của vi sinh vật. Để hiểu thêm về màng, có thể đọc thêm các chuyên đề thẩm thấu, sự vận chuyển các chất qua màng. 1.2.4 Các hệ thống màng ở trong lòng khối sinh chất Sinh chất của các tế bào procaryot không chứa các quan tử có màng phức tạp kiểu như ty thể (mitôchndria) hoặc lục lạp (chloroplasts), nhưng vẫn có thể có một vài kiểu cấu trúc màng. Kiểu cấu trúc màng phổ biến nhất là mesocom (mesosome). Đó là những phần của màng tế bào chìm sâu vào trong khối sinh chất, có dạng túi (bọng), ống, hoặc tấm dẹt (hình 12 và 16). Chúng thường có mặt ở vi khuẩn gram dương cũng như có mặt cả ở nhóm gram âm. Các mesosom thường được nhìn thấy ở gần vách ngang của các vi khuẩn đang phân chia và đôi khi có vẻ như chúng dính vào nhiễm sắc thể. Như vậy chún có thể liên quan đến sự tạo nên thành tế bào trong quá trình phân bào, hoặc chúng có vai trò trong sự sao chép nhiễm sắc thể và phân phối nhiễm sắc thể bản sao và các tế bào con. Tuy nhiên, hiện nay nhiều nhà vi khuẩn học cho rằng các mesosom không phải là những cấu trúc tự nhiên của tế bào, chúng xuất hiện do sự xử lý hoá học tế bào nhằm soi kính hiển vi điện tử. Có lẽ chúng là những phần của màng tế bào có sự khác biệt về hoá học và bị đứt ra bởi hoá chất dùng để xử lý tế bào.
16. 13 Một kiểu màng khác, khác hẳn mesosom, cũng tồn tại ở nhiều vi khuẩn (hình 13). Đó là những màng sinh chất gấp khúc nhiều lân và chiếm một khoảng lớn trong tế bào như ở nhiều vi khuẩn quang hợp (vi khuẩn lam, vi khuẩn tía), hoặc như ở các vi khuẩn có cường độ hô hấp mạnh như vi khuẩn nitrat hoá. Những màng này cũng có thể tụ tập lại thành các bóng hình cầu, bóng dẹt, hoặc các màng hình ống. Có lẽ nhờ sự gấp nếp này mà màng có được bề mặt rộng lớn để có thể hoạt động trao đổi chất mạng hơn. Câu hỏi: 1. Mô tả bằng sơ đồ có ghi chú và bằng lời, mô hình khảm lỏng của màng tế bào. 2. Liệt kê các chức năng của màng sinh chất. 3. Vai trò của lipit của màng đối với đời sống vi khuẩn? 4. So sánh màng tế bào của tế bào procaryot với tế bào eucaryot, của vi khuẩn cổ với vi khuẩn thật. 5. Hãy nói về các hopanoid. 6. Thảo luận về bản chất, cấu trúc của các chức năng có thể có của mesosom 7. Các cấu trúc nội sing chất khắc của vi khuẩn, không kể mesosom? 1.2.5 Khối chất nguyên sinh 1.2.5.1 Đại cương Chất nguyên sinh của tế bào procaryot khá với các tế bào eucaryot ở chỗ không chứa cac cơ quan tử gắn với màng tế bào. Khối chất nguyên sinh (cytoplasmic matrix) là khối chất nằm giữa màng sinh chất và nucleoit; nó chứa nhiều nước (70% khối lượng). Qua kính hiển vi điện tử, thường thấy chất nguyên sinh chứa các ribosom (ribosomes) và có tổ chức cao (hình 14). Các protein đặc biệt được sắp xếp ở những vị trí đặc biệt, ví dụ ở cực của tế bào và tại nơi mà tế bào sẽ phân chia. Như vậy, mặc dù vi khuẩn có thể không có bộ khung tế bào thực sự, nhưng chúng có một hệ thống tương tự như thế, có bản chất protein, nằm trong khối chất nguyên sinh và nhờ thế mà tế bào có hình dạng nhất định. Màng sinh chất và mọi cấu trúc được bao bọc trong nó hợp thành cái gọi là thể nguyên sinh (protoplast); như vậy khối chất nguyên sinh chính là phần chủ yếu của protoplast. 1.2.5.2 Các thể ẩn nhập (Inclusion Bodies) Đó là những hạt chất hữu cơ hoặc vô cơ có mặt trong khối chất nguyên sinh, thường được nhìn thấy rõ dưới kính hiển vi quang học. Những hạt này thường được tế bào dùng như những kho dự trữ chất dinh dưỡng hưu cơ, vô cơ và dự trữ năng lượng, và cũng làm giảm áp suất thẩm thấu trong tế bào bằng cách liên kết các phân tử thành dạng hạt. Một số loại hạt ẩn nhập không có màng bao bọc mà nằm tự do trong bào chất, đó là: • Các hạt polyphotphat (polyphosphate). • Các hạt xyanophyxin (cyanophycin). • Một số hạt glycogen (glycogen). Một số loại hạt ẩn nhập khác thì có màng bao quanh, màng này dầy khoảng 2-4mm, là màng đơn và không phải là màng kép đỉnh hình. Các ví dụ là: • Các hạt poly-β-hydroxybutyrat (hydroxybutyrate). • Một số hạt glycogen. • Một số hạt lưu huỳnh • Những cacboxysom (carboxysomes). • Các không bào khí.
17. 14 CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VI SINH VẬT Màng của các thể ẩn nhập có thành phần hoá học khác nhau: một số có bản chất protein, một số khác chứa lipit. Như trên đã nói, các thể ẩn nhập được dùng để dự trữ dinh dưỡng và năng lượng, nên số lượng của chúng thay đổi theo trạng thái dinh dưỡng của tế bào. Ví dụ các hạt polyphotphat sẽ cạn kiệt nếu tế bào sống ở các môi trường nước ngọt vốn nghèo photphat. Dưới đây đề cập tóm tắt một số thể ẩn nhập quan trọng. • Các hạt glycogen và các hạt poly-β-hydroxybutyrat (PHB) là những nguồn dự trữ cacbon để tế bào sinh ra năng lượng và thực hiện sinh tổng hợp. Nhiều vi khuẩn cũng dự trữ cacbon dưới dạng các giọt mỡ. • Glycogen là một polyme (polymer) của các đơn vị glucozơ, đó là những chuỗi dài được tạo thành bởi các liên kết α (1->6) glycosit (hình 15). Poly-β-hydroxybutyrat (PHB) gồm những phân tử hydroxybutyrat nối với nhau bằng các cầu nối este giữa các nhóm cacboxyl của các phân tử liền kề. Thông thường thì mỗi loài vi khuẩn chỉ chứa một trong hai loại polyme nói trên, nhưng các vi khuẩn quang dưỡng thì chứa cả hai. Các hạt poly-β-hydroxybutyrat có kính 0,2 – 0,7µm dễ nhận biết, được nhuộm màu bằng thuốc nhuộm Sudan đen để quan sát dưới kính hiển vi quang học, chúng cũng dễ nhìn thấy dưới kính hiển vi điện tử (hình 16). So với PHB, glycogen được bố tản mát hơn trong khối chất nguyên sinh, dưới dạng các hạt nhỏ các đường kính 20 – 100mm và thường chỉ được nhìn thấy qua kính hiển vi điện tử. Nếu các tế bào chứa nhiều glycogen thì phép nhuộm bằng dung dịch iodin sẽ làm cho chúng bắt màu nâu - đỏ. - Các hạt xyanophyxin là dự trữ nitơ ở vi khuẩn lam (hình 18a) được cấu tạo từ các polypeptit lớn chứa những lượng gần bằng nhau của arginin và axit aspartic. Các hạt này thường đủ lớn để nhìn thấy qua kính hiển vi quang học. - Cacboxysom là những hạt dự trữ về enzym ribulozơ 1,5 – biphotphat cacboxylazơ (ribulose –1,5 – biphosphat carboxylase) và có thể là một vị trí của sự cố định CO2. Chúng có mặt ở nhiều vi khuẩn lam, nhiều vi khuẩn nitrat hoá, và nhiều Thiobacillus. Các hạt này là những khối đa diện có đường kính khoảng 100m. - Các không bào khí, một loại thể ẩn nhập hữu cơ đáng chú ý nhất, có vai trò của những phao – làm cho tế bào nổi hẳn lên bề mặt hoặc ở gần bề mặt môi trường nước. Các không bào này có mặt ở nhiều vi khuẩn lam, vi khuẩn quang hợp màu tía và màu lục và ở một số vi khuẩn ở nước khác – như Halobacterium và Thiothrix. Vai trò trên đây của các không bào khí được minh hoạ sinh động qua một thự nghiệm đơn giản mà ẩn tượng sau đây. Các vi khuẩn lam trong một chai nước đầy và nút chặt vẫn có thể nổi, nhưng nếu đập vỡ nút chai bằng búa chẳng hạn thì chúng chìm ngay xuống đáy. Việc kiểm tra các vi khuẩn trước và sau thí nghiệm này cho thấy rằng sự tăng áp suất đột ngột đã làm vỡ các không bào khí, cũng tức là làm vỡ các “phao” của chúng. Các không bào khí là một cấu trúc gồm nhiều cấu trúc nhỏ, hình trụ rỗng được gọi là các bóng khí (hình 17). Các thành của các bóng khí chứa lipit và chỉ bao gồm một protein nhỏ duy nhất. Các dưới đơn vị của protein này được xếp với nhau để tạo thành một hình trụ kín, cứng, rỗng và không thấm nước, nhưng các khí của không khí đi qua. Những vi khuản có không bào khí có thể tự nổi ở độ sâu cần thiết – phù hợp với cường độ ánh sáng, nồng độ oxy và nồng độ chất dinh dưỡng. Chúng tự chìm xuống bằng cách đơn giản làm vỡ các bóng khí, còn muốn nổi lên thì cần phải tạo thành các bóng khí mới. Các thể ẩn nhập vô cơ bao gồm: - Các hạt polyphotphat hoặc các hạt volutin (hình 18a), là những dự trữ photphat hoặc dự trữ năng lượng của nhiều vi khuẩn. Polyphotphat là một polyme không phân nhánh của các ortophotphat liên kết với nhau bằng các cầu nối este. Như vậy các hạt volutin là những dự trữ photphat - một hợp phần quan trọng của các cấu trúc tế bào như các axit nucleic chẳng hạn. Ở một số vi khuẩn, các hạt volutin còn là dự trữ năng lượng.
18. 15 Các hạt volutin đôi khi còn có tên là các hạt đổi màu (metachromatic granules): chúng có màu đỏ hay các màu xanh khác nhau tuỳ theo được nhuộm bằng xanh metylen hay bằng xanh toluidin, theo thứ tự. - Các hạt lưu huỳnh, là kho dự trữ lưu huỳnh tạm thừi là một số vi khuẩn (hình 18b). Ví dụ, vi khuẩn quang hợp màu tía có thể sử sunfua hydro (hydrogen sulfide) làm chất cho điện tử trong quá trình quang hợp và tích luỹ lưu huỳnh sinh ra, trong khoang chu chất hoặc trong những giọt nhỏ đặc biệt của sinh chất. - Thể từ tính (magetosome), là một loại thể ẩn nhập không có chức năng dự trữ mà là để tự định hướng trong những vùng có từ tính của trái đất. Thể này chỉ có ở một số ít vi khuẩn (Đọc chuyên mục Bạn có biết? Bạn nghĩ gì?, bài Các nam châm sống). Trong các thể này có chứa sắc ở dạng quặng sắt từ. Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? CÁC NAM CHAˆM SỐNG Các vi khuẩn không những có thể đáp ứng với các nhân tố hoá học của môi trường, như chúng ta đã biết, mà còn đáp ứng với các nhân tố khác nữa. Một ví dụ hấp dẫn các vi khuẩn nước có đáp ứng với từ tính (aquatic magnetotactic bacteria), chúng có khả năng tự định hướng trong vùng có từ trường của trái đất. Hầu hết những vi khuẩn này có chứa những chuỗi nội bào của các hạt có từ tính (Fe3O4) hay còn gọi là các thể từ tính (magnetosomes), với đường kính khoảng 40 – 100mm (hình 19a,b); những vi khuẩn này cũng thường được bao bọc bởi một màng ngoài (hình 19a). Một số loài khác, sống trong môi trường có lưu huỳnh, thì có các thể từ tính có bản chất là greigit (greigite, Fe3S4) và pyrit (pyrite, FeS2). Vì rằng mỗi hạt quặng sắt nói trên là một nam châm nhỏ xíu nên trên các vi khuẩn ở bắc bán cầu thì dùng chuỗi thể từ tính của mình để xác định hướng bắc và hướng đáy của thuỷ vực, để bơi xuống sâu tới tầng lắng đọng giàu dinh dưỡng hoặc tự định vị ở độ sâu tối ưu trong các môi trường nước ngọt và nước biển. Các vi khuẩn có đáp ứng từ tính ở nam bán cầu nói chung cũng xác định nam và hướng dấy theo cách như vậy. Điều thú vị là các thể từ tính cũng có mặt ở não của chim, cá ngừ California, cá heo, rùa xanh và động vật khác, có lẽ giúp vào chuyển động bay hơi của chúng. Như vậy, động vật cũng có nhiều tập tính giống với của vi khuẩn và những sự giống nhau này là nhiều hơn những gì chúng tưởng tượng trước đậy. 1.2.5.3 Các ribosom (Ribosomes) Đó là những cơ quan tử làm nhiệm vụ tổng hợp protein. Chính tại đây thông tin vốn được mã hoá trong ARN thông tin (mRNA) được dịch mã thành protein. Dưới kính hiển vi điện tử có độ phóng đại thấp, các ribosom gắn lỏng lẻo với màng sinh chất. Các ribosom nằm trong khối chất nguyên sinh thì tổng hợp các protein được giữ trong tế bào, còn các ribosom gắn với màng chất thì tổng hơp các protein để được đưa ra bên ngoài tế bào. Chuỗi polypetit mới được tạo thành thì cuốn (= gấp) khúc lại để có hình dạng cuối cùng của nó ngay khi được tổng hợp tại ribosom, hoạc không lâu sau khi được tổng hợp xong. Hình dạng của mỗi protein phụ thuộc vào trìh tự các axit amin của nó. Có những protein đặc biệt được gọi là chất “chăm sóc” (chaperones), làm nhiệm vụ trợ giúp chuỗi polytein đặc biệt được gọi là chất “chăm sóc” (chaperones), làm nhiệm vụ trợ giúp chuỗi polypeptit trong quá trình cuốn khúc để tạo thành các cấu hình riêng của mình. Sự tổng hợp protein, bao gồm rất nhiều hoạt động của các ribosom và các chaperon thì vượt quá khuôn khổ của mục này nên không được đề cập ở đây. Cần lưu ý rằng các ribosom của tế bào pocaryot thì nhỏ hơn của tế bào eucaryot. Chúng thường được gọi là các ribosom 70S, có kích thước 14-15x20mm, có trọng lượng phân tử khoảng 2,7 triệu và được hợp thành bởi một tiểu phần 50S và một tiểu phần 30S. Chữ S trong các con số nói trên biểu thị đơn vị Svedberg. Đó là đơn vị của hệ số lắng, một đơn vị đo tốc độ lắng trong ly tâm; một hạt càng di chuyển nhanh khi bị ly tâm thì giá trị Svedberg của nó hay hệ số lắng của nó càng lớn. Hệ số lắng là một hàm số của trọng lượng phân tử của hạt, hàm số của khối lượng hạt ấy. Các hạt càng nặng và càng rắn chắc thì thường có trị số Svedberg lớn hơn và lắng nhanh hơn. Các ribosom trong khối chất nguyên sinh của tế bào eucaryot là những ribosom 80S với đường kính khoảng 22nm. Mặc dù khác nhau về kích thước, cả ribosom của tế bào procaryot cũng như eucaryot đều được cấu thành bởi một dưới đơn vị lớn và một dưới đơn vị nhỏ. Câu hỏi: 1. Mô tả vắn tắt bản chất và chức năng của khối chất nguyên sinh.
19. 16 CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VI SINH VẬT 2. Hỏi tương tự cho ribosom. 3. Protoplast là gì? 4. Các tế bào procaryot có những loại thể ẩn nhập nào, chức năng của chúng là gì? 5. Không bào khí là gì, liên hệ giữa cấu trúc và chức năng của nó? 1.2.6 Nucleoit (Nucleoid) Thể nhiễm sắc của các tế bào procaryot nằm tại một vùng có hình dạng không cố định được gọi là nucleoit; tên này đồng nghĩa với: thể nhân (nuclear body), thể chất nhiễm sắc thể (chromatin body) và vùng nhân (nuclear region). Có thể coi vùng nhân này tương đương với nhân (thực sự) ở các tế bào eucaryot, nucleus tức một cơ quan tử có màng bao bọc, trong đó có các thể nhiễm sắc (từ 2 thể trở lên). Sự khác biệt về cách đóng gói vật liệu di truyền này được coi là sự khác biệt lớn nhất giữa các tế bào procaryot và eucaryot. Thông thường, mỗi tế bào procaryot chứa một vòng xoắn kép duy nhất của axit deoxyribonucleic (ADN), nhưng một số vi khuẩn thì lại có thể nhiễm sắc ở dạng ADN không đóng vòng kín. Ngoài ra, gần đây người ta còn biết thêm rằng một số vi khuẩn như Virio cholerae có hơn thể nhiễm sắc. Mặc dù vẻ ngoài của các nucleoit ở các vi khuẩn là khác nhau tuỳ theo phương pháp cố định và phương pháp nhuộm, nhưng qua ảnh hiển vi điện tử đều thấy ở chúng có các sợi (hình 16) và có lẽ chúng đều là ADN. Ngoài những hình ảnh thông thường của nucleoit qua kính hiển vi quang học sau khi nhuộm bằng thuốc nhuộm Feulgen đặc hiệu với ADN, còn có thể thấy những hình ảnh đặc biệt sau đây, thấy qua kính hiển vi quang hoặc hoặc điện tử. • Có nhiều hơn 1 nucleoit trong mỗi tế bào vi khuẩn, nếu đó là tế bào đang phân chia sau khi vật liệu di truyền được nhân đôi (hình 20a). • Nucleoit có những phần nhô ra, chĩa tua tủa ra xung quanh hướng vào khối sinh chất (hình 20b,c); đó là trường hợp ở những tế bào đang sinh trưởng mạnh. Có lẽ những phần nhô ra này chứa ADN đang được phiên mã mạnh để tạo thành ARN thông tin (mRNA). Nucleoit tiếp xúc với mesosom hoặc với màng sinh chất. Hình ảnh này có được vào những quan sát tỉ mỉ qua hiển vi điện tử. Người ta cũng quan sát được các màng gắn với các nucleoit tách rời. Những hiện tượng đó chứng tỏ rằng ADN của vi khuẩn được gắn với các màng tế bào và rằng các màng tế bào có liên quan đến sự phân chia ADN và các tế bào con trong quá trình phân bào. Các nucleoit có thể được tách nguyên vẹn ra khỏi các màng để phân tích thành phần hoá học. Chúng gồm 60% ADN, 30% ARN và 10% protein, tính theo trọng lượng. Ở Escherichia coli, một trực khuẩn dài 2 - 6µm mà vẫn nằm gọn trong nucleoit,nghĩa là ADN ấy phải được cuộn lại rất chặt. AND được xoắn chặt (hình 21), có lẽ là mở ARN và các protein của nucleoit (các protein này khác với các protein thuộc loại histon ở nhân của tế bào eucaryot). Hình ảnh về một vùng nhân (nucleoit) ở mọi vi khuẩn như trên, bất kể giai đoạn phát triển hay mức độ phân chia, sẽ khác đi trong hai ngoại lệ sau đây thuộc planctomycetes (nhóm vi khuẩn nảy chồi). • Ở chi Pirellula, nucleoit dạng sợi cùng với các hạt giống như ribosom tạo thành một vùng, pirellulosom (pirellusosome), được bao bởi một màng đơn. • Ở Gemmata obscuriglobus thì thể nhân được bao bọc bởi một màng kép(hình 22). Ngoài ta còn chưa rõ những màng này có chức năng gì và hai ngoại lệ vừa kể là phổ biến đến mức nào. 1.2.7 Các plasmit (Plasmids) Ở một số vi khuẩn có những phân tử ADN xoắn kép, thường đóng vòng, nằm ngoài thể nhiễm sắc và thường không gắn với màng sinh chất, đó là các plasmit.
20. 17 Các plasmit có thể tồn tại và sao chép không phụ thuộc vào thể nhiễm sắc, hoặc có thể được nhập làm một với thể nhiễm sắc. Dù thế nào đi nữa thì chúng vẫn được truyền cho các tế bào con (đôi khi một số tế bào con không nhận được plasmit trong quá trình phân bào). Các plasmit là không cần thiết đối với sinh trưởng và sinh sản của tế bào chứa nó, mặc dù chúng có thể mang những gen làm cho tế bào có một ưu thế chọn lọc như: • Có tính kháng thuốc. • Có những khả năng mới về trao đổi chất. • Có tính gây bệnh. • Có một số đặc tính khác. Vì các plasmit thường di chuyển từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác nên các đặc tính như kháng thuốc chẳng hạn có thể lan truyền trong quần thể. Câu hỏi. 1. Nêu khái niệm về nucleoit. 2. Mô tả bằng lời và bằng hình vẽ, hình ảnh của nucleoit ở hai mức độ: quan sát qua kính hiển vi quang học và hiển vi điện tử. Qua đó nêu nên sự khác nhau về nucleoit giữa tế bào bình thường và tế bào sinh trưởng mạnh. 3. Có mối liên quan gì giữa nucleoit với màng tế bào? 4. Những nucleoit nào là đặc biệt nhất, vì sao? 5. Plasmit là gì, cấu trúc và chức năng của nó? 1.2.8 Thành tế bào procaryot 1.2.8.1 Đại cương Thành tế bào là một lớ vừa tương đối cứng, vừa mềm dẻo, co dãn, nằm ngay bên ngoài màng tế bào, mà bộ khung của nó là peptidoglycan hay còn gọi là murein. Mọi vi khuẩn đều có thành tế bào, trừ Mycoplasma và một số vi khuẩn cổ (archae bacteria). Nhờ có thành tế bào mà vi khuẩn có hình dạng cố định, có độ cứng, không bị tan do áp suất thẩm thấu, không bị tác động của nhiều chất độc. Nhiều vi khuẩn gây bệnh có được tính gây bệnh là nhờ những hợp phần nào đó trong thành tế bào. Tuy nhiên thành tế bào cũng là đích tấn công của một số chất kháng sinh, như penexilin chẳng hạn. Như đã đề cập ở một đoạn trên đây, Mycoplasma là một ngoại lệ, chúng không có thành tế bào (vì không tổng hợp được tiền chất peptidoglycan). Chính vì vậy chúng không bị hề hấn gì với penexilin nhưng rất dễ bị tan do sốc thẩm thấu và do tá động của các chất tẩy rửa. Ngoài ra, cũng do không có thành tế bào, những vi khuẩn này có tính đa hình: chúng có thể có hình cầu hoặc hình quả lê với đường kính 0,3 – 0,8µm, nhưng cũng có thể có hình sợi phân nhánh hoặc hình xoắn (hình 23). Một số Mycoplasma, như M.genitalium chẳng hạn, có một cấu trúc tận cùng đặc biệt, nhô ra từ tế bào và khiến cho tế bào có hình chai hình quả lê. Cấu trúc này giúp nó bám vào các tế bào eucaryot. Về phần các vi khuẩn cổ, thành của chúng khác hẳn thành của các procaryot còn lai về cấu trúc là thành phần hoá học, chủ yếu là do không chứa peptidoglycan mà thay vào đó là các protein, các glycoprotein, hoặc các polysaccarit. Trở lại với thành tế bào của hầu hết các vi khuẩn. Do sự khác nhau về thành tế bào, các vi khuẩn được chia thành hai nhóm chính dựa theo kết quả của phép nhuộm Gram, do Chiristian Gram đưa ra từ năm 1884: Các vi khuẩn bắt màu tím được gọi là vi khuẩn gra, dương, còn những vi khuẩn bắt màu hòng hoặc do là gram âm. Sự khác nhau thật sự về cấu trúc giữa hai nhóm vi khuẩn này được sáng tỏ nhờ kính hiển vi điện tử truyền qua: - Thành tế bào vi khuẩn gram dương là một lớp peptidoglycan (tức murein) duy nhất dầy 20 – 80nm, có tính đồng nhất, nằm phía ngoài màng sinh chất (hình 24).
21. 18 CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VI SINH VẬT - Trong khi đó, thành tế bào gram âm là rất phức tạp. Nó là một lớp peptidoglycan dầy 2-7nm mà phía ngoài nó còn một màng ngoài dày 7-8nm. Khoảng không gian giữa màng sinh chất và màng ngoài được gọi là khoang chu chất (periplassmic space). Đôi khi ở vi khuẩn gram dương cũng thấy có một khoảng trống tương tự nhưng nhỏ hơn, nằm giữa màng sinh chất và thành tế bào và cũng được gọi là khoang chứa chất. Tất cả các cấu trúc bên ngoài màng sinh chất thường được gọi là vỏ hay vỏ tế bào (cell envelope). Gần đây có những bằng chứng cho thấy khoang chu chất có thể chứa đầy một mạng lưới lỏng lẻo của peptidoglycan. Có thể khoang đó là một khoang chứa đầy gel hơn là chứa chất lỏng. Vật chất của khoang chu chất được gọi là chu chất (periplasm). Các tế bào gram dương, nếu không có một khoang chu chất rõ ràng và riêng biệt thì vẫn có thể chứa chu chất. Kích thước khoang chu chất của vi khuẩn gram âm là từ 1 đến 71nm. Theo các nghiên cứu mới đây thì khoang này có thể chiếm tới 20 – 40% tổng khối lượng tế bào (30 – 70nm), nhưng cần có thêm nhiều nghiên cứu để đưa ra con số chính xác. Nếu phá vỡ hoặc loại bỏ cẩn thận thành tế bào mà không làm hư hại màng sinh chất nằm bên dưới nó thì có thể thu được các enzym và các protein khác của chu chất. Nếu phá vỡ hoặc loại bỏ cẩn thận thành tế bào mà không làm hư hại màng sinh chất nằm bên dưới nó thì có thể thu được cá enzym và các protein khác của chu chất. Khoang chu chất của vi khuẩn gram âm chứa: • Các protein thuỷ phân, tấn công các axit nucleic và các phân tử photphoryl hoá. • Các protein liên kết, tham gia vận chuyển vật chất tế bào. • Các protein vận chuyển điện tử (ở vi khuẩn phản nitrat hoá và vi khuẩn hoá thu dưỡng vô cơ). • Các enzym tham gia tổng hợp peptidoglycan. • Các enzym làm cải biến các chất độc có hại cho tế bào. Về phần các vi khuẩn gram dương, như đã đề cập, chúng không có khoang chu chất rõ ràng và có lẽ không có nhiều loại protein của chu chất. Bù lại, chúng tiết ra những enzym tương ứng với các enzym của chu chất ở vi khuẩn gram âm. Những enzym được tiết ra bên ngoài tế bào này được gọi là các enzym ngoại bào (exoenzymes). Một số enzym khác được giữ lại trong chu chất và gắn vào màng sinh chất. Sau đây chúng ta đề cập chi tiết hơn về cấu trúc của peptidoglycan - bộ khung của thành tế bào vi khuẩn, về cấu trúc của thành tế bào gram dương và gram âm. 1.2.8.2 Cấu trúc của peptigoglycan Bộ khung của thành tế bào procaryot là peptidogycan. Peptidoglycan (tức murein) là một polyme khổng lồ gồm ba loại đơn vị cấu trúc. - Hai dẫn xuất từ đường là: • N-axetylglucassamin (NAG) • Axit N-axetylmuramic (lactyl ete của N-axetylglucassamin) (NAM) - Hai dẫn xuất từ đường này xen kẽ nhau thành chuỗi (-NAG-NAM-NAG-NAM- ) • Tetrapeptit của bốn loại axit amin khác nhau, ba trong số đó không có mặt trong các protein: axit D-glutamic, axit meso – diaminopimelic và D- alanin; axit amin còn lại là L-alanin. Sự có mặt của các D- axit amin có tác dụng chống sự tấn công của các peptidse. Các đơn vị cấu trúc của peptidoglycan ở hầu hết các vi khuẩn gram âm và nhiều vi khuẩn gram dương được trình bày ở trên hình 25. Phần chính của polyme nàylà những chuỗi trong đó các gốc N- axetylglucosamin và axit N-axetylmurramic xen kẽ nhau. Mỗi chuỗi tetrapeptit (của 4 axit amin thuộc 4 loại kể trên) nối vào nhóm cacboxyl của axit N-axetylmurramic. Ở nhiều vi khuẩn thì tại vị trí thứ ba trong chuỗi ấy không phải là axit meso – diaminopimelic mà là một axit diamin khác, thường là L- lisin (hình 26).
22. 19 Peptidoglycan như thế này là đặc trưng cho Escherichia coli, cho hầu hết vi khuẩn gram âm và nhiều vi khuẩn gram dương. NAG là N-axetylglucossamin, NAM là Axit N-axetylmurramic (NAG có axit lactic được nối vào bằng liên kết ete). Chuỗi bên tetrapeptit gồm các axit D- alanin và L-amin xen kẽ nhau, axit meso- diaminopimelic được liên kết thông qua L-cacbon của nó. Các phần của peptiglycan gồm ba loại đơn vị cấu trúc nói trên thì được nối với nhau qua các liên kết ngang giữa các peptit. Thường thì nhóm cacboxyl của D-alamin ở tận cùng của một chuỗi peptit của polysaccarit này dược kết nối trực tiếp với nhóm amin của axit diaminopimelic thuộc chuỗi peptit của polysaccarit khác, nhưng liên kết này cũng có thể được thay bằng một cầu nối peptit (hình 27). Hầu hết peptidoglycan của thành tế bào gram âm không có cầu nối peptit. Nhờ các liên kết ngang giữa các peptit thuộc các polysaccarit khác nhau mà cái túi peptidoglycan trở nên khổng lồ và có dạng mạng lưới dày đặc (hình 28). Những túi này được tách riêng ra từ các vi khuẩn gram dương và chắc chắn đến mức giữ được hình dạng và tính toàn vẹn của chúng (hình 29), mà vẫn mềm dẻo và co dãn, không giống như xenlulozơ. Chúng cũng phải có các lỗ nhỏ để cho các phân tử khí có thể chui qua. 1.2.8.3 Thành tế bào vi khuẩn gram dương Thông thường thì thành tế bào vi khuẩn gram dương là dầy, thống nhất, cấu tạo chủ yếu bằng peptidoglycan chứa các cầu peptit (hình 29 và 30). Tuy nhiên thành tế bào gram dương cũng thường chứa một lượng lơn các axit teichoic, đó là những polyme của glyxerol hoặc ribitol trong đó các monome được liên kết với nhau nhờ các gốc photphat (hình 30 và 31). Các axit amin như D-alamin hoặc ác đường như glucozơ được gắn vào các nhóm glyerol và ribitol. Các axit teichoic được nối vào chính peptidoglycan nhờ liên kết cộng hoà trị với nhóm hydroxyl của axit N-axetylmuramic hoặc nối vào các lipit màng sinh chất; trong trường hợp sau, chúng được gọi là các axit lipoteichoic. Các axit teichoic thường nhỏ lên bề mặt của peptidotglycan và vì chúng mang diện tích âm, nên cũng làm cho thành tế bào gram dương mang điện tích âm. Chức năng của axit teichoic còn chưa được biết rõ, nhưng có lẽ chsung rất cần thiết cho việc duy trì cấu trúc của thành tế bào. Các axit teichoic không có mặt ở vi khuẩn gram âm. Các vi khuẩn Staphylococus và hầu hết vi khuẩn gram dương có một lớp gồm các protein ở bề mặt của peptidoglycan của thành tế bào. Những protein này tham gia vào tương tác giữa tế bào và môi trường. Một số protein được liên kết không cộng hoá trị bằng cách gắn với peptidoglycan, với các axit teichoic, hoặc với các thụ thể khác. Ví dụ, các protein của lớp S liên kết không cộng hoá trị với các polyme nằm rải rác khắp trong thành tế bào. Các enzym tham gia tổng hợp mới và thay thế peptidoglycan có lẽ cũng tương tác không cộng hoá trị với thành tế bào. Các protein khác thì liên kết cộng hoá trị với peptidoglycan. Nhiều protein liên kết cộng hoá trị của các vi khuẩn gram dương gây bệnh có những vai trò như: • Tăng cường sự bám vào mô chủ • Ngăn cản sự opsonin hoá, và • Phong toả sự thực bào. Ở các Staphylococcus, những protein ở bề mặt này được liên kết cộng hoá trị với cầu pentaglyxin của peptidoglycan. Một enzym có tên là sortazơ có nhiệm vụ xúc tác sự gắn của các protein bề mặt vào peptidoglycan của vi khuẩn gram dương. Các sortazow được gắn vào màng sinh chất của tế bào vi khuẩn. 1.2.8.4 Thành tế bào vi khuẩn gram âm Ở phần trên, qua hình 24 đã thấy ngay rằng các thành tế bào vi khuẩn gram âm là phức tạp hơn nhiều so với của vi khuẩn gram dương. Tầng peptidoglycan mỏng kề ngày phía ngoài màng sinh chất có thể chỉ chiếm không quá 5-10% trọng lượng của thành tế bào. Ở E. coli, tầng peptidoglycan này dày khoảng 2nm và chỉ gồm 1-2 lớp.
23. 20 CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VI SINH VẬT Màng ngoài nằm phía tầng peptidoglycan mỏng (hình 32 và 33). Lớp protein có màng có lượng nhiều nhất có tên là Brau’s lipoprotein, đó là một lipoprotein nhỏ liên kết cộng hoá trị với tầng peptidoglycan nằm phía dưới nó và dầu kị nước của nó thì được vùi sâu vào màng ngoài. Màng ngoài và tầng peptidoglycan gắn với nhau nhờ lipoprotein này chặt đến mức chúng có thể cùng được tách khỏi tế bào như một hợp phần vậy. Một cấu trúc khác có thể góp phần vào độ rắn chắc của thành tế bào vi khuẩn gram âm và giữ cho màng ngoài ở đúng vị trí của nó, là vùng dính nhau (adhesive site). Màng ngoài và màng sinh chất có lẽ trực tiếp dính vào nhau tại nhiều vùng trên thành tế bào gram âm. Ở những tế bào E. coli bị co nguyên sinh (plasmolyzed), có thể nhìn thấy những vùng tiếp xúc giữa hai màng này. Những vùng dính nhau ấy có thể là những vùng tại đó hai màng trực tiếp dính vào nhau hoặc có thể tại đó hai màng thực sự dung hợp với nhau. Người ta cho rằng các chất có thể đi vào tế bào qua những vùng dính nhau này chứ không đi xuyên qua chu chất. Có lẽ các hợp phần khác thường nhất của màng ngoài là các lipopolysaccarit của nó (LPSs). Những phân tử lớn và phức tạp này chứa cả lipit cũng như cacbohydrat và gồm ba phần: • Lipit A • Phần cơ bản là polysaccarit, và • Chuỗi bên O. LPS từ Salmonella typhimurium đã được nghiên cứu kỹ, cấu trúc chung của nó được mô tả trên hình 34. 1.2.8.5 Cơ chế nhuộm Gram Như chúng ta biết, hầu hết vi khuẩn đều thuộc một tỏng hai nhóm dựa theo kết quả bắt màu của chúng trong phép nhuộm Gram: các vi khuẩn gram dương bắt màu tím và các vi khuẩn gram âm bắt màu đỏ hoặc hồng, mặc dù chúng được nhuộm trong cùng một phép nhuộm. Mặc dầu đã có những giải thích khác nhau về hiện tượng này nhưng rất có thể chúng bắt màu khác nhau như vậy là do thành tế bào của chúng có bản chất vật lý khác nhau. Nếu tế bào gram dương bị lấy mất thành tế bào thì chúng trở thành gram âm. Bản thân peptidoglycan thì không bắt màu, mà nó chỉ có tác dụng ngăn cản không cho thuóc nhộm tím kết tinh thoát ra khỏi tế bào đã bị nhuộm. Theo quy trình nhuộm Gram thì đầu tiên vi khuẩn được nhuộm bằng tím kết tinh rồi được xử lý bằng iodin để tăng cường sự giữ thuốc nhuộm. Sau đó khi các vi khuẩn gram dương được tẩy màu bằng cồn etanol thì có thể cồn làm co thắt các lỗ của tầng peptidoglycan dầy. Như vậy phức hệ thuốc nhuộm – iodin được giữ lại trong giai đoạn tẩy màu ngắn ngủi và do vậy vi khuẩn gram dương giữ được màu tím. Trong khi đó, tầng peptidoglycan của vi khuẩn gram âm thì rất mỏng, không có nhiều liên kết ngang và có những lỗ to hơn. Ngoài ra, việc xử lý bằng cồn còn tách được lipit ra khỏi thành tế bào gram âm do đó làm cho thành này càng rỗng hơn. Vì những nguyên nhân vừa kể, cồn có tác dụng loại bỏ phức hệ tím kết tinh – iodin ra khỏi vi khuẩn gram âm. 1.2.9 Thành tế bào và sự bảo vệ chống áp suất thẩm thấu bất lợi. Thông thường, thành tế bào có vai trò bảo vệ vi khuẩn chống lại sự phá huỷ do áp suất thẩm thấu. Các chất hoà tan được tập trung ở sinh chất của vi khuẩn nhiều hơn so với ở hầu hết các nơi sinh sống của vi khuẩn vốn là nhược trương (hypotonic). Trong quá trình thẩm thấu (osmosis), nước đi xuyên qua các màng có tính thấm chọn lọc như màng sinh chất chẳng hạn, từ các dung dịch loãng (nồng độ nước cao hơn) tới các dung dịch đậm đặc hơn (nồng độ nước thấp hơn). Như vậy thông thường thì nước đi vào các tế bào vi khuẩn và ử đó áp suất thẩm thấu có thể đạt tới 20 atmotphe tức 300 pound/inch vuông. Màng sinh chất không thể chống lại những áp suất thẩm thấu lớn như vậy và tế bào sẽ phòng lên rồi bị phá huỷ nếu không có thành tế bào. Trong những môi trường sống khác, có tính ưu trương (hypertonic) thì các chất tan có nồng độ cao hơn so với ở bên trong tế bào. Khi ấy nước đi ra khỏi tế bào khiến cho tế bào chất co lại và tách ra khỏi tế bào. Hiện tượng này được gọi là sự co nguyên sinh (plasinolysis) và được ứng dụng để bảo quản thực phẩm: nhiều vi sinh vật không thể sinh trưởng trong thực phẩm khô và trong mứt quả vì chúng bị co nguyên sinh.
24. 21 Để chứng minh vai trò của thành tế bào trong việc bảo vệ vi khuẩn chống lại sự tan do áp suất thẩm thấu, chúng ta hãy xử lý tế bào bằng lysozym hoặc penexilin. Enzym lysozym và cacbon số bốn của N- axetylglycosamin Còn penixilin thì ngăn cản sự tổng hợp chuỗi tetrapeptit của peptidoglycan. Do đó chỉ những vi khuẩn đang sinh trưởng thì mới bị giết chết bởi penixilin. Ở trạng thái nghỉ (bào tử), hoặc ở trạng thái nguyên sinh trưởng do điều kiện môi trường, vi khuẩn sẽ thoát chết dưới tác dụng của chất kháng sinh này. Nếu cho vi khuẩn tiếp xúc với penexilin trong một dung dịch đẳng trương (isotonic) thì vi khuẩn gram dương bị biến đổi thành các thể nguyên sinh (prôtplast). Các protoplast này tiếp tục sinh trưởng bình thường trong môi trường đẳng trương mà vẫn hoàn toàn không có thành tế bào. Còn về phần các vi khuẩn gram âm, chúng vẫn giữ được màng ngoài của mình sau khi trải quả xử lý bằng penexilin; khi ấy chúng được gọi là các thể hình cầu (spheroplast) bởi vì một phần thành tế bào của chúng được giữ lại. Các protoplast và spheroplast có tính mẫn cảm thẩm thấu: nếu chúng được đưa vào một dung dịch loãng, chúng sẽ bị tan do dòng nước đi vào tế bào không được kiểm soát (hình 35). Thành tế bào là bộ phận thiết yếu đối với hầu hết vi khuẩn, còn một số vi khuẩn khác thì lại không có nó. Chẳng hạn, các Mycoplasma thì khong có thành và do vậy mẫn cảm với áp suất thẩm thấu, thế mà vẫn thường có thể sinh trưởng trong các môi trường loãng hoặc trong đất, vì màng sinh chất của chúng vững chắc hơn các màng sinh chất khác. Nguyên nhân chính xác của hiện tưởng này còn chưa được biết rõ, tuy rằng người ta cho rằng các sterol có mặt trong các màng của nhiều loài có thể làm cho các màng này vững chắc thêm. Vì không có một thành tế bào cứng, nên các Mycoplasma thường thuộc loại đa hình (pleomorphic) tức là có khả năng thay đổi hình dạng. 1.2.9.1 Câu hỏi 1. Định nghĩa thành tế bào của các tế bào popcaryot? 2. Hãy nói rõ những trường hợp ngoại lệ về thành tế bào của các cơ thể procaryot. 3. Phân biệt tế bào gram âm và gram dương. 4. Mô tả peptidoglycan bằng lời và bằng sơ đồ. 5. Định nghĩa hoặc mô tả: khoang ngoài, khoang chu chất, chu chất, vỏ, axit teichoic, vùng dính nhau, lipopolysaccarit và protein tạo lỗ. 6. Giải thích vai trò của thành tế bào trong việc bảo vệ tế bào khỏi bị tan và hãy chỉ rõ vai trò ấy bằng thực nghiệm. Các protoplast và spheroplast là gì? 1.2.10 Sự tiết protein ở các tế bào procaryot 1.2.10.1 Đại cương Trong phần 7 chúng ta đã biết rằng thành tế bào procaryot là một phức hợp chắc khoẻ và thường rất dày. Nhiều cấu trúc quan trọng ở mặt bên ngoài thành tế bào, như sẽ được thảo luận trong phần 9. Ngoài ra, các tế bào procaryot thường tiết ra hàng loạt protein, đưa chúng vào môi trường xung quanh. Như vậy, vi khuẩn và vi khuẩn cổ phải có khả năng vận chuyển các protein từ khối chất nguyên sinh xuyên qua cả màng sinh chất và thành tế bào. Tuỳ theo hệ thống phân loại, có ít nhất năm hoặc sáu cách tiết protein khác nhau ở các tế bào procaryot. Trong phần này chúng ta sẽ mô tả vắn tắtt bốn cách tiết protein quan trọng nhất: kiểu phụ thuộc Sec, kiểu II, kiểu I hoặc kiểu ABC, và kiểu III. 1.2.10.2 Sự tiết protein theo kiểu phụ thuộc Sec Kiểu phụ thuộc Sec, đôi khi còn được gọi là kiểu tiết chung (general secretion pathway, GSP), là kiểu phổ biến nhất và nhờ nó mà các protein được vận chuyển xuyên qua màng sinh chất. Protein sắp sửa được tiết, tức tiền protein (preprotein) có một peptit tín hiệu (signal peptide) ở axit amin tận cùng của nó, tức ở đầu tận cùng N. Peptit tín nhiện loại bỏ sự gấp khúc của phân tử protein sau khi nó được tổng hợp ở ribosom và được bộ máy Sec nhận biét một cách đặc hiệu. Khi các tiền protein này được tổng hợp ở ribosom thì các chaperon đính vào chúng. Các chaperon giữ các tiền protein không bị gấp khúc lại và giúp chúng đi tới
25. 22 CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VI SINH VẬT bộ máy vận chuyển - tức translocon. Ở E.coli các chaperon được dùng nhiều nhất cho sự vận chuyển của SecB và hạt nhận biết tín hiệu (signal recognition particle, SRP). SecB có mặt ở các vi khuẩn gram âm, còn SRP thấy có mặt ở mọi procaryot. SecB gắn với hợp phần SecA của translocon và tiền protein được chuyển sang cho SecA. Trong những trường hợp khác, phức hợp SRP-tiền protein dịch chuyển tới một thể tiếp nhận SRP. Sau đó tiền protein được nhả ra nhờ sự thuỷ phân GTP và tiền protein liên kết với translocon, có lẽ là với SecA như trước. Có bằng chứng cho thấy rằng sự dịch chuyển của các protein có thể bắt đầu trước khi chúng được tổng hợp xong hoàn toàn ở các ribosom. Sau khi tiền protein đã gắn vào translocon thì nó được vận chuyển xuyên qua màng. Translocon của vi khuẩn gồm một phức hợp protein màng được gọi là SecYEG (hình 36a). SecA có thể được tách rời, và các protein khác (SecD, SecF). SecYEG có lẽ giữ vai trò tạo nên một kênh xuyên qua màng để tiền protein đi qua. SecA nhận ra và liên kết với SecYEG, SecB và tiền protein. Nó hoạt động như một môtơ để dịch chuyển tiền protein xuyên qua màng bằng cách thuỷ phân ATP. Lực đẩy proton (prôtn motive force, PMF) thường làm tăng tốc độ dịch chuyển (đọc thêm PMF). Vi khuẩn cổ thì không khỏi màng sinh chất thì peptit tín hiệu được loại bỏ nhờ một enzym có tiền chung là peptidaza tín hiệu. Sau khi protein gấp khúc để có cấu hình cần thiết, rồi các cầu nối disunfua được tạo thành, nếu cần thiết. Một số protein được tổng hợp để trở thành những protein của màng sinh chất. Những lipoprotein này có lẽ có một peptidazơ tín hiệu riêng, khác với các protein khác, nhưng vẫn được vận chuyển tới cùng một translocon. Thay vì dịch chuyển ra ngoài tế bào, chúng vùi vào trong màng hoặc “thả neo” ở đó. 1.2.10.3 Sự tiết protein theo kiểu II Theo kiểu II này, các protein sau khi đã dịch chuyển tới chu chất (thường là nhờ sự tiết theo kiểu phụ thuộc Sec) thì được tiết ra ngoài xuyên qua màng ngoài. Kiểu II thấy có ở nhiều vi khuẩn gây bệnh và là kiểu quan trọng nhất trong số các kiểu tiếp “tiếp xúc” từ chu chất vốn có ở nhiều vi khuẩn gram âm. Các vi khuẩn gây bệnh tiết protein theo kiểu II là Erwinia carotovora, Pseudomonas aeruginosa và Vibrio cholerae. Các protein được tiết theo kiểu II ở chúng là các xenlulazơ, các pectinazơ, các proteazơ, các lipazơ, độc tốc cholera và các protein của pili. Hệ thống tiết kiểu II rất phức tạp và chứa tới 12 – 14 protein, bầu hết chúng có lẽ là những protein thiết yếu của màng. 1.2.10.4 Sự tiết protein theo kiểu I (kiểu ABC) Nhiều hệ thống tiết phụ thuộc Sec là những thành viên của một họ và hệ thống vận chuyển có tên gọi là họ casset liên kết ATP (ATP-binding cassette family, họ ABC). Hệ thống kiểu I hay hệ thống tiết ABC dùng để tiết các protein như: các độc tố (ví dụ như α-hemoysin), các proteazơ, các lipazơ và các peptit đặc biệt. Theo kiểu I (hình 36b), sự tiết protein xảy ra chỉ qua một giai đoạn mà xuyên qua cả hai màng. Các protein được tiết thường chứa tín hiệu tiết ở cacbon tận cùng. Các hệ thống này thuỷphân ATP để điều khiển sự dịch chuyển của cá protein được tiết. Chúng có hai vùng kỵ nước vùi vào trong màng, và hai vùng ưa nước gắn với ATP.Protein dịch đẩy proton đều là cần thiết cho sự tiết theo kiểu I. Ở các vi khuẩn gram âm như E.Coli chẳng hạn, một protein là nhiệm vụ liên kết màng sinh chất với màng ngoài, trong quá trình vận chuyển. Một protein khác, ví dụ TolC (một trime) thì tạo thành kênh xuyên qua mang ngoài; TolC thực hiện vai trò này ở một số hệ thống tiết kiểu I, ít ra là như vậy. 1.2.10.5 Sự tiết protein theo kiểu III Hệ thống tiết kiểu III có ở nhiều vi khuẩn gram âm gây bệnh và được dùng để tiết các yếu tố độc và “tiêm” chúng vào các tế bào thực vật và động vật chủ. Quá trình tiết và tiêm này dược tăng cường nhờ sự tiếp xúc giữa vi khuẩn và tế bào chủ. Ngoài ra, một tín hiệu hoạt hoá, như nồng độ thấp của ion canxi cũng làm cho sự tiếp diễn có hiệu quả. Hệ thống tiết kiểu III bao gồm khoảng 20 protein khác nhau. Hệ thống kiểu III của Salmonella ty- phimurium mô tả trên hình 36c là một ví dụ, và gồm các phần như sau:
26. 23 • Phần mảnh như một kim tiêm, nhô ra khỏi bề mặt tế bào. • Phần gốc hình trụ, nối liền màng ngoài với màng sinh chất và trông hơi giống thế gốc của tiên mao. Cả hai phần tạo thành một kênh để qua đó các protein được tiết ra ngoài và được tiêm vào tế bào chủ. Hệ thống kiểu III thấy có ở các vi khuẩn như Salmonella, Yersinia, Shigella, E.Coli, Bordeteella, Pseu- domonas aeruginossa và Erwinia. Nó được dùng để tiết bốn loại protein khác nhau: • Các protein cần thiết cho quá trình tiết (ví dụ các protein tạo thành bộ phận “kim tiêm”, như đã nhắc tới ở trên. • Các chất điều chỉnh quá trình tiết. • Các protein làm nhiệm vụ tăng cường sự “tiêm” protein được tiết vào tế bào đích, và • Các protein “gây hiệu quả”, chúng làm thay đổi các chức năng của tế bào chủ. Các protein gây hiệu quả đôi khi là các enzym và chúng có thể có nhiều chức năng, ví dụ: • Hoạt động như những độc tố đối với tế bào chủ. • Ức chế sự thực bào • Kích thích sự tổ chức lại bộ khung của tế bào. • Gây ra hiện tượng apoptosis. Thông thường các protein nào sẽ được tiết ra thì được gắn với cá chaperon nhỏmà chức năng của chúng còn chưa được biết tới. Những chaperon này có thể trao các protein cho hệ thống tiết, giữ các protein ở trạng thái thích hợp để có thể tiết ra ngoài, hoặc ngăn ngừa sự kết hợp với các protein khác trước khi chúng được tiết ra ngoài. Vai trò của các hệ thống tiết kiểu III trong tính độc của vi khuẩn sẽ được thảo luật kỹ hơn trong một chuyên đề khác. 1.2.11 Các bộ phận bên ngoài thành tế bào 1.2.11.1 Đại cương Không phải mọi loại vi khuẩn đều có các bộ phận này. Những cấu trúc ấy có các chức năng khác nhau như: bảo vệ, bám vào giá thể, hoặc có chức năng vận động (di chuyển). Dưới đây chúng ta thảo luận về một số cấu trúc ấy. 1.2.11.2 Vỏ bọc (capsule), lớp nhầy (slime layer), và lớp S Vỏ bọc và lớp nhày là một lớp vật chất ở bên ngoài thành tế bào của một số vi khuẩn. Lớp vật chất này có các tên gọi khác nhau tuỳ theo cấu trúc của nó. • Nêu slớp này có tổ chức tốt và bám chặt bên ngoài thành tế bào thì nó được gọi là vỏ bọc (capsule). • Nếu nó là một vùng vật chất khuyếch tán từ tế bào ra, không có tổ chức rõ ràng và dễ bị lấy đi khỏi tế bào, thì đó là một lớp nhầy (slime layer). Đôi khi vỏ bọc và lớp nhầy đều được gọi là glycocalyx (hình 37), tức là một mạng lưới polysaccarit bên ngoài bề mặt vi khuẩn và bề mặt các tế bào khác. Các vỏ bọc và lớp nhầy thường có bản chất polýyccrit, nhưng cũng có thể là các chất. Ví dụ, Bacillus anthracis có vỏ bọc cấu tạo bằng axit poly-D-glutamic. Các vỏ bọc có thể nhìn thấy rõ qua kính hiển vi quang học nếu đowcj nhuộm âm bản hoặc nhuộm bằng các thuốc nhuộm đặc hiệu hiệu (hình 37a); chúng cũng có thể được nghiên cứu qua kính hiển vi điện tử (hình 37b). Các vỏ bọc là không cần thiết cho sự sinh trưởng và sinh sản của vi khuẩn được nuôi trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên chúng mang lại nhiều lợi thế cho vi khuẩn đang tồn tại trong tự nhiên, như:
27. 24 CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VI SINH VẬT • Đề kháng sự thực nào trong cơ thể chủ. Trường hợp của Streptococus pneumoniae là một ví dụ kinh điển. Khi vi khuẩn này không có vỏ bọc, nó dễ dàng bị phá huỷ và không gây bệnh, còn những biến thể có vỏ bọc thì nhanh chóng làm cho chuột nhiễm chúng bị chết. • Để kháng sự khô hạn, do trong vỏ bọc có nhiều nước. • Lợi trừ các vi rut và hầu hết các chất độ kỵ nước như chất tẩy rửa chẳng hạn. • Giúp vi khuẩn bám vào bề mặt các vật cứng trong các môi trường nước hoặc bám vào các bề mặt của mô động vậ, mô thực vật (hình 38). • Giúp vào sự di chuyển ở vi khuẩn di động theo kiểu trượt (gliding bacteria) vốn thường hay tiết ra chất nhầy. Đọc chuyên mục Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? Bài VI KHUẨN CHUYỂN ĐỘNG TRƯỢT NHƯ THẾ NÀO? Cũng tìm đọc thêm về chủ đề Quan hệ giữa polysaccarit ở bề mặt vi khuẩn với sự thực bào và sự sinh trưởng của chúng ở cơ thể chủ. Nhiều vi khuẩn gram dương và gram âm có một lớp cấu trúc đều đặn trên bề mặt của chúng, được gọi là lớp S. Ở các vi khuẩn cổ thì lớp S cũng rất phổ biến và có thể là cấu trúc chắc chắn duy nhất bên ngoài màng sinh chất. Lớp S trông giống lớp gạch lát nền nhà và có bản chất là protein hoặc glycoprotein (hình 39). Nó gắn trực tiếp với màng ngoài của vi khuẩn gram âm và gắn với bề mặt peptidoglycan ở vi khuẩn gram dương. Lớp S có thể có một hay nhiều vai trò trong số sau đây: • Bảo vệ tế bào chống lại những thay đổi về ion và pH. • Chống lại những bất lợi về áp suất thẩm thấu. • Chống lại các enzym. • Chống lại vi khuẩn ăn mồi Bdellovibrio. • Giúp vào việc duy trì hình dạng và độ cứng của vỏ. • Có thể tăng cường sự bám dính tế bào và các bề mặt. • Có lẽ bảo vệ một số vi khuẩn gây bệnh chống lại tác dụng của bổ thể và chống lại sự thực bào, do đó góp phần vào tính độc của những vi khuẩn này. 1.2.11.3 Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? VI KHUẨN CHUYỂN ĐỘNG TRƯỢT NHƯ THẾ NÀO? Các chuyển động trượt khác nhau nhiều về cách thức và tốc độ (từ khoảng 2 đến trên 600µm/phút). Các vi khuẩn như Myxococcus và Flexibacterr thì trượt theo hướng song song với trục dọc của tế bào. Còn những vi khuẩn khác, ví dụ Saprospira thì di chuyển theo kiểu xoáy đinh vít, còn Simonsiella thì thậm chí chuyển vuông góc với trục dọc của tế bào. Beggiatoa, vi khuẩn lam và một số vi khuẩn khác thì quay xung quanh trục dọc của chúng trong khi trượt, nhưng không phải bao giờ chúng ta cũng nhìn thấy như vậy. Nhiều vi khuẩn thì uốn lượn hoặc cũng xoáy “điêu luyện” như khi chúng trượt đi. Sự đa dạng về chuyển động trượt như vậycó thể cho thấy rằng có nhiều thức di chuyển. điều khẳng định này được củng cố thêmbằng hiện tượng một số cơ thể chuyển động trượt (gliders), ví dụ Cytophaga, Glexibacter và Flavobacterium làm di chuyển hoặc làm chuyển dịch rất chậm các hạt ấy. (Nghĩa là, không phải mọi vi khuẩn chuyển động trượt có thể làm di chuyển nhanh các hợp phần của bề mặt tế bào). Mặc dù chất nhầy là cần thiết cho chuyển động trượt nhưng hình như nó không trực tiếp đẩy vi khuẩn tiến về phía trước. Có lẽ nó gắn vi khuẩn vào giá thể và bôi trơn bề mặt để làm cho dễ chuyển động hơn. Người ta giải thích chuyển động trượt bằng nhiều cơ chế khác nhau: • Ở nhiều vi khuẩn trượt, các sơi sinh chất gắn vào vở của chúng. Ở Oscillatorria có lẽ những sợi này có khả năng co dãn để tạo ra những làn sóng của màng ngoài, do đó gây ra chuyển động của tế bào. • Trong vỏ của nhiều vi khuẩn khác thì có những phức hợp protein giống như những cái vòng, tức là những bộ phận quay giống các thể gốc của tiên mao. Những bộ phận này có thể quay và làm di chuyển vi khuẩn về phía trước.
28. 25 • Ở một số loài khác nữa thì các tua kiểu IV có thể co lại và làm cho vi khuẩn di chuyển. • Ở Myxococcus xanthus thì có bằng chứng cho thấy rằng những khác biệt về sức căng bề mặt tế bào là nguyên nhân gây ra chuyển động. Vi khuẩn này có thể tiết ra một chất hoạt dịch ở đỉnh phía sau tế bào (đối diện với hướng chuyển động), chất này làm sức căng bề mặt tại đây. Sức căng bề mặt ở phía trước là lớn hơn, sẽ lôi tế bào về phía trước. Gần đây người ta thấy rằng có chất nhầy phun ra từ những miếng ống hẹp ở xung quanh các đỉnh tế bào Myxococcus. Một số tác giả cho rằng gel chất nhầy nói trên trương phồng lên ở nước xung quanh tế bào và đẩy tế bào đi. • Myxococcus cũng chuyển động trượt theo một cách khác nữa: các tua của chúng kéo dài ra và co ngắn lại để làm cho tế bào trượt đi. 1.2.11.4 Tua (Fimbriae) và lông (pili) Tua (fimbria, fimbriae) và những phần phụ ngắn, mảnh, trông giống như lông, mảnh hơn tiên mao (flagellum) và không có vai trò trong sự di động của tế bào, tồn tại ở nhiều vi khuẩn gram âm. Mặc dù nhiều ngowif không phân biệt hai thuật ngữ tua (fimbria, fimbriae) và lông (pili), nhưng ở đây chúng ta phân biệt tua và lông giới tính (sex pili). Một tế bào có thể có tới 1000 tua, dày đặc khắp bề mặt; tuy nhiên vì những tua này rất nhỏ nên chỉ có thể nhìn thấy qua kính hiển vi điện tử (hình 40). Có lẽ đó là những ống mảnh, (đường kính 3 – 10nm, dài vài µm), được cấu tạo bằng những đơn vị protein xếp xoắn. Về chức năng của các tua - Một vài loại tua làm nhiệm vụ bám dính tế bào vào các bề mặt rắn, như bề mặt đá trong các dòng suối hoặc bề mặt mô cơ thể chủ. - Các tua typ IV có mặt ở một hoặc cả hai đầu của tế bào. Ngoài tác dụng để vi khuẩn bám vào các bề mặt trên, chúng cũng góp phần vào chuyển động “xoay đinh vít” ở những vi khuẩn như Pseudomonas aeruginosa, N.gonorrhoeae và một số chủng E.coli. Chuyển động này là gián đoạn, nhát gừng, đạt khoảng vài micromet mỗi lần và thường được nhìn thấy trên các bề mặt rất ẩm. Có những bằng chứng cho thấy các tua co lại mạnh để làm di chuyển những vi khuẩn này. - Các tua typ IV có lẽ cũng tham gia một vài kiểu chuyển động trượt ở vi khuản nhầy (Myxobacteria). - Đọc thêm chuyên mục Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? Bài “VI KHUẨN CHUYỂN ĐỘNG TRƯỢT NHƯ THẾ NÀO?” Các lông giới tính (Sex pili) Mỗi tế bào vi khuẩn nếu có lông giới tính thì có từ 1-10 cái, giống như những phần phụ và khác với các tua ở những điểm sau đây: • Thường lớn hơn các tua (đường kính khoảng 9 – 10nm). • Được xác định về mặt di truyền bởi các nhân tố giới tính hay còn gọi là các plasmit tiếp hợp. • Là cần thiết đối với sựt iếp hợp của vi khuẩn. • Một số virut của vi khuẩn bám đặc hiệu vào các phụ thể (receptors) trên các lông giới tính vào lúc bắt đầu chu kỳ sinh sản của chúng/ 1.2.11.5 Các tiên mao và khả năng di động của vi khuẩn Tiên mao (flagellum, flagella) là cơ quan di động của hầu hết những vi khuẩn nào có khả năng di động. Đó là những phần phụ dài và mảnh như những sợi chỉ nhô ra từ màng sinh chất và thành tế bào, và hoạt động như một động cơ. Đó là những cấu trúch mảnh và cứng có kích thước khoảng 20nm chiều rộng và 15 hoặc 20µm chiều dài. Vì các tiên mao mảnh như vậy nên không thể quan sát trực tiếp chúng dưới kính hiển vi quang học; muốn quan sát dưới kính hiển vi quang học thì phải làm nhuộm chúng bằng các kỹ thuật nhuộm đặc biệt nhằm làm cho chúng trương nở to lên. (Đọc thêm chủ đề Soi kính hiển vi và làm tiêu bản hiển vi). Cấu trúc chi tiết của một tiên mao chỉ có thể được nhìn thấy qua kính hiển vi điển tử (hình 40). Sự phân bố, sắp xếp các tiên mao trên tế bào là không giống nhau giữa các loài vi khuẩn: - Các vi khuẩn đơn mao (monotrichous) có một tiên mao và có thể:
29. 26 CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VI SINH VẬT • Ở một đỉnh của tế bào, khi ấy vi khuẩn được gọi là vi khuẩn đơn mao đỉnh (polar flagellum bacterium, hình 41a) • Ở hai đỉnh của tế bào, vi khuẩn được gọi là lưỡng mao đỉnh (amphitrichous bacterium). - Các vi khuẩn chùm mao (lophotrichous) có một chùm tiên mao ở một hoặc ở hai đỉnh tế bào (hình 41b). - Các vi khuẩn chu mao (peritrichous) có cá tiên mao phân bố khắp bề mặt tế bào (hình 41c). Cách phân bố, sắp xếp các tiên mao trên tế bào là một đặc điểm quant rọng để nhận dạng vi khuẩn. 1.2.11.6 Siêu cấu trúc của tiên mao Dưới kính hiển vi điện tử truyền qua, chúng ta thấy tiên mao của vi khuản gồm ba phần: • Phần dài nhất và dễ nhận thấy nhất là sợi (filament), bắt đầu từ bề mặt tế bào, ra phía ngoài tới đỉnh sợi. • Phần vùi vào tế bào, được gọi là thể gốc (basal body) và • Đoạn ngắn và cong, nối liên sợi với thể gốc, có tác dụng như một bộ phận nối (hook) có tính mềm dẻo. Sợi là một ống hình trụ rỗng, cứng, cấu tạo bằng một protein duy nhất có tên là flagelin (flagellin), với hpân tử lượng từ 30.000 đến 60.000. Một số vi khuẩn có bao xung quanh mỗi tiêm mao. Đó là trường hợp Bdellovibrrio và Virrio cholerae. Bao của Bdellovibrrio có dạng màng, còn của V.cholerae thì có bản chất lipoplyaccrit. Thế gốc và bộ phận nối thì khác hẳn sợi (hình 42). Thế giới là phần phức tạp nhất của tiên mao (hình 42 và 43) và có sự khác nhau giữa vi khuẩn gram âm và gram dương: • Ở E.coli và hầu hết vi khuẩn gram âm, thể gốc có bốn vòng cùng bao quanh một phần hình trụ ở trung tâm, tính từ phía ngoài tế bào vào trong và các vòng L,P, S và M. Hai vòng L và P gắn với các tâng flipopolysaccarrit và peptidoglycan, theo thứ tự. Vòng M tiếp xúc với màng sinh chất. • Ở vi khuẩn gram dương, thể gốc chỉ có hai vòng, vòng ngoài có thể tiếp giáp với peptidoglycan, còn vòng trong - với màng sinh chất. • Ở vi khuẩn gram dương, thể gốc chỉ có hai vòng, vòng ngoài có lẽ tiếp giáp với peptidoglycan, còng vong trong - với màng sinh chất. Bộ phận nối thì hơn to hơn sợi và được cấu tạo từ những loại protein khá nhau. 1.2.11.7 Sự tổng hợp tiên mao Quá trình này rất phức tạp, liên quan đến ít nhất khoảng 20 – 30 gen, gồm: • Gen mã hoá cho flagelin, • Các gen mã hoá cho protein của bộ phận nối. • Các gen mã hoá cho các protein của thể gốc. Hai nhóm gen này gồm khoảng 10 gen hoặc nhiều hơn nữa. • Các gen khác liên quan đến sự kiểm soát cấu trúc hoặc kiểm soát chức năng của tiên mao. Sự phức tạp còn ở chỗ tế bào điều chỉnh hoặc xác định vị trí chính xác của các tiên mao như thế nào và điều này thì chưa được biết đến.
30. 27 1.2.11.7.1 Sự tái sinh tiên mao Vi khuẩn có thể bị mất tiên mao và có thể tái sinh phần sợi mất ấy. Sự vận chuyển các hợp phần của tiên mao diễn ra nhờ một bộ máy nằm trong thể gốc; bộ máy vận chuyển này có quan hệ chặt chẽ với hệ thống tiết protein kiểu II vẫn được dùng để tiết các yếu tố độc. Có lẽ các đơn vị của flagelin được vận chuyển thông qua phần thân rỗng bên trong của sợi tiên mao. Khi tới đỉnh thì chúng tụ tập tự phát với nhau theo hướng của một mũ sợi đặc biệt khiến cho sợi dài ra ở đỉnh chứ không phải ở gốc (hình 44). Sự tổng hợp sợi tiêu mao là một ví dụ rất hay về sự tự lắp ghép. Các thông tin cần thiết cho cấu trúc của sợi có mặt ngay trong các đơn vị của flagelin. Ngoài tiên mao còn có những cấu trúc khác được hình thành một cách tự phát thông qua sự liên kết của các hợp phần của chúng mà không cần tác dụng của các enzym hoặc ủa các yếu tố khác. 1.2.11.8 Cơ chế chuyển động bằng tiên mao Nguyên tắc chung của chuyển động bằng tiên mao là: sợi tiên ma cứng và xoắn quay làm cho tế bào chuyển động, giống như chuyển động của chân viẹt tàu thuỷ. Những vi khuẩn đột biến với ác tiên mao thẳng hoặc có các bộ phận nối quá dài hoặc quá ngắn (những thể đột biến có nhiều bộ phận nối – polyhook mutants) đều không thể bơi được. Nếu vi khuẩn được gắn vào một phiến kính bằng các kháng thẻ của protein của phần sợi hoặc của phần nối thì thân tế bào quay xung quanh tiên mao đứng yên. Nếu các hạt polystyren – latex được gắn vào các tiên mao thì các hạt này quay rất nhanh: môtơ của E.coli quay 270 vòng một giây, còn của Vibrrio alginolyticus là 1100 vòng một giây. Chi tiết của sự chuyển động bằng tiên mao được mô tả như sau: • Hướng quay của tiên mao quy định cách di chuyển của vi khuẩn. Các tiên mao đơn độc ở đỉnh tế bào ngược chiều kim đồng hồ (nếu hình từ phía ngoài tế bào) trong suốt thời gian tế bào tiến về phía trước bằng cách quay chậm theo chiều kim đồng hồ. Sợi tiên mao xoắn quay làm đầy tế bào tiến đi từng đoạn, còn tiên mao thì như được kéo lê ở đằng sau (hình 45). Các vi khuẩn đơn mao đỉnh dừng lại và quay đều lại bằng cách đổi chiều quay của tiên mao. Các vi khuẩn chu mao thì hoạt động theo cách gần giống như trên. Để tiến về phía trước, các tiên mao quay ngược chiều kim đồng hồ. Do sự quay như vậy, các tiên mao trở nên cong ở những phần nối của chúng để tạo thành một bó các sợi quay, làm đẩy tế bào về phía trước. Khi các tiên mao quay theo chiều kim đồng thì bó của chúng tự mở ra và tế bào quay đầu ngược lại. • Vì các vi khuẩn bởi được là nhờ sự quay các tiên mao cứng của chúng nên phải có một số loại môtơ ở gốc của sợi tiên mao. Một cái cán nhô ra từ phần nối và kết thúc ở vòng M vốn có thể quay tự do trong màng sinh chất (hình 46). Ở các vi khuẩn gram dương, có lẽ vòng S được gắn vào thành tế bào và không quay. Các vòng P và L của vi khuẩn gram âm sẽ hoạt động như một cái đệm đối với cái cán đang quay. Có một vài bằng chứng cho rằng thể gốc là một cấu trúc thụd dộng và quay trong phức hệ protein vùi vào màng, rất giống như cái rôto của một động cơ điện, quay ở trung tâm một vòng của nam châm điện electromagnets (tức là stato). • Thể gốc quay như thế nào, tức cơ chế chính xác của sự quay này còn chưa được biết rõ. Hình 46 là một bức tranh chi tiết hơn về thể gốc ở vi khuẩn gram âm. Phần rôto của động cơ này có lẽ chủ yếu gồm một ống trụ, một vòng M và một vòng C nối với nó ở phía màng sinh chất của thể gốc. Hai vòng này được cấu tạo bằng một số loại protein: • Fli G là đặc biệt quan trọng để khôi phục sự quay của tiên mao. • Mot A và Mot B là hai protein quan trọng nhất ở phần stato của động cơ: chúng tạo thành một kênh proteon xuyên qua màng sinh chất, đồng thời Mot B cũng móc phức hệ Mot với tầng peptidoglycan của thành tế bào. Có những bằng chứng cho thấy MotA và Fli G tương tác trực tiếp trong quá trình quay của tiên mao. Ở procaryot, sự quay này được điều khiển trực tiếp bởi ATP như đối với tiên mao của eucaryot.
31. 28 CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VI SINH VẬT Tiên mao là một “dụng cụ” bởi rất hiệu quả của tế bào. Đối với vi khuẩn thì bơi hoàn toàn là một “nhiệm vụ”, bởi vì nước ở xung quanh chúng thì “bao la” và “đặc quánh” hư rỉ đường (mật mía) vậy. Nghĩa là tế bào phải “khona” nước bằng “mũi khoan” của nó là những tiên mao hình xoắn hay hình cái khoan nút lie. Nếu hoạt động của tiên mao ngừng lại thì tế bào cũng đứng ngay tại chỗ không di chuyển được nữa. Mặc dù môi trường có sức cản lớn như vậy, các vị khuẩn vẫn có thể bơi từ 20 đến gần 90µm/giây, tương đương với từ 2 đến 100 chiều dài của tế bào/giây. Trong khi đó một người chậy rất nhanh chỉ có thể chạy được đoạn đường gấp 5 lần chiều cao cơ thể trong một giây. Ngoài sự quay của tiên mao, vi khuẩn còn có những cách vận động khác: • Các khuẩn xoắn (xoắn khuẩn, Spirochetes) là những vi khuẩn hình xoắn di chuyển nhờ những chất nhầy nhớt, bằng những chuyển động uốn khúc và xoay của một sợi đặc biệt quấn theo hướng trục tế bào, gồm những tiên mao đặc biệt. • Nhiều vi khuẩn khác thì di động theo kiểu trượt (gliding mibility). Đó là trường hợp của vi khuẩn lam (Cyanobacteria), vi khuẩn nhầy (Myxobacteria), các Cytophaga và một số Mycoplasma. Mặc dù không có những cấu trúc bên ngoài tế bào chuyên trách về chuyển động theo kiểu trượt, những vi khuẩn này vẫn có thể di chuyên trên cách bề mặt cứng với tốc độ tới 3 µm/giây. Đọc thêm chuyên mục Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? Bài VI KHUẨN CHUYỂN ĐỘNG TRƯỢT NHƯ THẾ NÀO? 1.2.11.9 Câu hỏi 1.a) Nêu những đặc điểm chủ yếu và những chức năng chủ yếu của bốn hệ thống tiết protein. b) Hệ thống tiết protein phụ thuộc Sec và hệ thống tiết kiểu I hoạt động như thế nào? 2. Mô tả vắn tắt: các vỏ bọc, các lớp nhầy, các glycocalyx và các lớp S. Chức năng của chúng là gì? 3. Phân biệt các tua với pili giới tính và nêu chức năng của chúng. 4. Thảo luận các vấn đề sau đây: - Các kiểu phân bổ tiên mao ở vi khuẩn. - Cấu trúc tiên mao và sự tổng hợp chúng. - Tiên mao hoạt dộng như thế nào để làm cho vi khuẩn di chuyển được? 1.2.12 Hoá ứng động (chemotaxis) Không phải bao giờ vi khuẩn cũng bơi không có mục đích. Trong nhiều trường hợp cúng bơi hướng tới nơi có chất dinh dưỡng như các đường, axit amin v.v hoặc bơi tách xa các chất có hại và các chất thải của chúng. Ngoài ra, vi khuẩn còn đáp ứng với những yếu tố của môi trường như nhiệt độ, ánh sáng, trọng trường (Xem chuyên mục Bạn có biết? Bạn nghĩ gì?, bài CÁC NAM CHAˆM SỐNG). Chuyển động hướng tới các chất có ích và tránh xa các chất có hại được gọi là hoá ứng đọng (chemotaxis). Tập tính này rõ ràng có lợi cho vi khuẩn. Dưới đây là một thực nghiệm để quan sát hoá ứng động. Một ống nhỏ kiểu mao quản chứa đầy chất có ích cho vi khuẩn được nhúng vào một huyền dịch vi khuẩn. Khi chất này khuếch tán từ đầu mao quản vào huyền dịch, vi khuẩn tụ tập tới đầu ống và bơi được lên phía trên ống. Số lượngvi khuẩn trong ống sau một khoảng thời gian ngắn phản ánh mức độ hấp dẫn của chất trong ống và tốt cộ hoá ứng động. Các hoá ứng động dương tính và âm tính cũng có thể được khảo sát bằng các nuôi cấy trên đĩa petri (hình 47). Nếu vi khuẩn được cấy vào phần giữa của một đĩa thạch chứa một chất hấp dẫn thì chúng sẽ làm cạn kiệt vùng đó, rồi bơi ra phía ngoài ngược chiều của gradiemt hấp dẫn mà chúng đã tạo nên. Trong trường hợp ngược lại, nếu một khoanh giấy thấm một chất có hại được đặt vào một đĩa thạch bán lỏng chứa sẵn vi khuẩn, thì các vi khuẩn này sẽ bơi ra xa vùng chất độc hại ấy, do đó tạo nên một vùng trong suốt xung quanh khoanh giấy (hình 48). Các vi khuẩn có thể đáp ứng với những nồng độ rất thấp của chất hấp dẫn (từ 10-8M đối với một số loại đường), mức độ đáp ứng của chúng tăng theo nồng độ chất hấp dẫn. Còn đối với các chất có hại thì thông thường chúng chỉ cảm nhận được ở những nồng độ cao hơn. Nếu một chất hấp dẫn và một chất cần phải
32. 29 tránh xa cùng có mặt thì vi khuẩn sẽ so sánh hai tín hiệu này để có đáp ứng đối với hoá chất nào có nồng độ gây ra đáp ứng. Các chất hấp dẫn và các chất cần phải tránh xa được vi khuẩn phát hiện nhờ các hoá thụ thể (chemore- ceptors). Đó là những protein đặc biệt có nhiệm vụ liên kết với các chất và chuyển những tính hiệu này tới những hợp phần khác của hệ thống cảm nhận hoá chất (chemosensing). Cho tới nay người ta biết được khoảng 20 hoá thụ thể dùng để nhận ra các chấp hấp dẫn và 10 hoá thụ thể dành cho các chất cần phải tránh xa. Những protein của hoá thụ thể này có thẻ nằm ở khoang chu chất hoặc ở màng sinh chất. Một số thụ thể tha gia vào những giai đoạn đầu của sự vận chuyển đường vào tế bào. Tập tính hoá ứng động của vi khuẩn đã được nghiên cứu bằng kính hiển vi dõi theo sự di động (tracking microscope), là loại kính hiển vi có khả năng tự động giữ một vi khuẩn riêng lẻ trong tầm nhìn dù nó đang di động. Trong một môi trường không có gradien hoá học, E.coli và các vi khuẩn khác di chuyển một cách ngẫu nhiên. Một vi khuẩn di chuyển theo đường thẳng hoặc hơi cong, tức một quãng đường nào đó, trong một vài giây, sau đó nó sẽ dừng lại và di chuyển “dò dẫm” theo hướng khác. Sau khi di chuyển dò dẫm như vậy, nó di chuyển theo một hướng khác (hình 49). Khi vi khuẩn đã tiếp xúc với một gradient của chất hấp dẫn, nó ít di ngược lại hơn, tức là có quãng đường dài hơn, trong lúc đi ngược gradien này, trái lại, nó thường xuyên di ngược trở lại với nhịp độ thông thường, nếu nó đang đi xuôi chiều gradien đó. Kết quả là vi khuẩn đi ngược gradien của chất hấp dẫn. Tập tính được định hình nhờ những thay đổi nhất thời về nồng độ hoá chất: vi khuẩn so sánh môi trường hiện thời của nó trước thì sự dfi “dò dẫm” giảm xuống và quãng đường đi được là dài hơn. Trong trường hợp của chất cần phải tránh xa thì nó đáp ứng theo cách ngược lại: tần xuất đi ngược lại giảm xuống (quãng đường đi được dài ra nếu vi khuẩn đang đi xuôi gradien, nghĩa là đang đi xa dần khỏi chất cần tránh xa. Mặc dù ứng động – tức chuyển động có hướng - của vi khuẩn là có thật, nhưng nên nhớ rằng đó chỉ là trường hợp đặc biệt. Nếu môi trường sống của vi khuẩn là ổn định, thì vi khuẩn có xu thế di chuyển ngẫu nhiên. Nghĩa là, có một trật tự ngẫu nhiên của các quãng đường đi được, sau đó là sự chuyển “dò dẫm”. Nếu vi khuẩn đi được một quãng đường theo hướng của các điều kiện được cải thiện, thì sự “dò dẫm” giảm xuống sao cho tế bào có xu thế di chuyển ưa thích. Có thể nói rằng sự di chuyển ngẫu nhiên theo hướng thiên về hướng của chất hấp dẫn và tránh xa các chất cần tránh. Các tế bào riêng lẻ không chọn một hướng cụ thể nào. Thay vào đó, chúng xác định xem có nên tiếp tục hướng đang di hay không. Cơ chế hoá ứng động ở E. coli Chúng ta đã biết rằng các vi khuẩn nói chung bơi về phía trước do sự quay tiên mao ngược chiều kim đồng hồ, còn sự lộn về phía sau là do sự quay tiên mao thuận chiều kim đồng hồ. Vì khuẩn phải có khả năng đáp ứng với những gradient theo cách sao cho chúng quần tụ trong những vùng giàu dinh downgx và có nồng độ oxy thích hợp, đồng thời tránh những chất có hại. E. coli có bốn hoá thụ thể khác nhau, mỗi loại nhận biết một chất hoặc một nhóm chất sau đây: • Serin • Aspartat và maltoza • Riboza và galactoza • Các dipeptit. Các hoá thụ thể này thường được gọi là các proten hoá ứng động tiếp nhận metyl-accepting chemotaxis. MCPs). Có lẽ chúng nằm trong các mảng thường ở đỉnh của một tế bào hình que như E.coli. Các MCP không gây ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động quay của tiên mao nhưng gây tác động thông qua nhiều protein. Kết quả là toàn bộ quá trình này gây ra một đáp ứng của môtơ trong vòng dưới 200 phần ngàn (1/5) giây. Cơ chế phân tử của hoá ứng động là rất phức tạp. Cơ chế này liên quan đến những thay đổi cấu hình không gian của protein, liên quan đến sự metyl hoá protein, sự photphoryl hoá protein CheA được sự photphoryl hoá nhờ ATP. Protein được photphoryl hoá này có thể nhường photphat của nó cho protein CheY, chất này sau đó tương tác với protein “công tác” FliM tại gốc tiên mao để làm quay tiên mao theo chiều kim đồng hồ, do đó làm cho tế bào lộn ngược lại. Ngược lại, nếu chất dinh được gắn vào một MCP, thì sẽ gây ra sự tách photphat ra khỏi CheA, làm cho tiên mao quay ngược chiều kim đồng hồ và tế bào tiến về phía trước. Nếu không có mặt các chất hấp dẫn và các chất độc hại, thì hệ thống sẽ duy trì những mức độ trung gian của photphat trong CheA và trong CheY. Điều này làm cho tế bào di chuyển một cách ngẫu nhiên bình