Dinh dưỡng của vi sinh vật: Sự hấp thu các chất dinh dưỡng ở vi sinh vật

Mặc dầu sự khuếch tán xúc tiến giúp chuyển vận có hiệu quả chất dinh dưỡng vào bên trong tế bào khi nồng độ chất hòa tan bên ngoài cao hơn bên trong tế bào, nhưng không thể vận chuyển được chất dinh dưỡng khi nồng độ chất hòa tan trong tế bào cao hơn bên ngoài. Vi sinh vật thường sống trong các môi trường có nồng độ chất dinh dưỡng rất thấp, để có thể sinh trưởng và phát triển chúng phải có thể vận chuyển và hấp thu được từ môi trường các chất dinh dưỡng...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Dinh dưỡng của vi sinh vật: Sự hấp thu các chất dinh dưỡng ở vi sinh vật4. SỰ HẤP THU CÁC CHẤT DINH DƯỠNG Ở VI SINH VẬT13.4.2. Sự vận chuyển chủ động(Active Transport) Mặc dầu sự khuếch tán xúc tiếngiúp chuyển vận có hiệu quả chấtdinh dưỡng vào bên trong tế bàokhi nồng độ chất hòa tan bên ngoàicao hơn bên trong tế bào, nhưngkhông thể vận chuyển được chấtdinh dưỡng khi nồng độ chất hòatan trong tế bào cao hơn bên ngoài.Vi sinh vật thường sống trong cácmôi trường có nồng độ chất dinhdưỡng rất thấp, để có thể sinhtrưởng và phát triển chúng phải cóthể vận chuyển và hấp thu được từmôi trường các chất dinh dưỡng cónồng độ thấp. Khi đó khuếch tánxúc tiến không còn là phương thứcvận chuyển hữu hiệu nữa mà phảicó những phương thức vận chuyểnkhác, trong đó quan trọng nhất làphương thức vận chuyển chủ động(active transpore) và phương thứcchuyển vị nhóm (grouptranslocation); cả hai phương thứcnày đều cần tới năng lượng. Sự vận chuyển chủ động là loạiphương thức vận chuyển các phântử chất hòa tan tới nơi có nồng độcao hơn, tức là ngược lại vớigradient nồng độ và cần phải tiêuhao năng lượng. Vì sự vận chuyểnchủ động cần tới các protein mang(permease) nên tương tự với sựkhuếch tán xúc tiến trong một sốphương diện. Permease có tínhchuyên nhất cao đối với các phântử được vận chuyển. Các phân tửchất hòa tan có tính chất tương tựcó thể lên kết với permease trongcả hai trường hợp - khuếch tán xúctiến và vận chuyển chủ động.Trong trường hợp nồng độ các chấtdinh dưỡng khá cao sự vận chuyểnchủ động cũng có hiệu ứng bão hòa(hình 13.9). Tuy nhiên, sự khácnhau lớn nhất giữa hai loại này làvận chuyển chủ động có thể vậnchuyển ngược nồng độ nhưng cầntiêu hao năng lượng trao đổi chất.Các chất ức chế trao đổi chất có thểlàm trở ngại việc sản sinh nănglượng do đó làm ức chế sự vậnchuyển chủ động, nhưng không làmảnh hưởng đến quá trình khuếchtán xúc tiến (ngay cả trong thờigian ngắn). Vi khuẩn, cổ khuẩn và các visinh vật nhân thật có các hệ thốngvận chuyển protein kết hợp(Binding protein transport systems)hoặc protein vận chuyển hình hộpkết hợp với ATP (ATP-bindingcassette transporters) hay còn gọi làprotein vận chuyển ABC (ABCtransporter). Loại protein vậnchuyển này thường được tạo thànhmột phức thể nhờ sự kết hợp giữahai vùng xuyên màng ưa nước(hydrophobic membrane - spanningdomain) trên bề mặt tế bào chất vàhai vùng gắn với nucleotide (hình13.9).Hình 13.9: Công năng của proteinvận chuyển hình hộp có khả năng kết hợp với ATP (Theo sách của Prescott, Harley và Klein)(1)=Protein mang chất hòa tanđược gắn với cơ chất vận chuyểnvà hướng đến phức chất protein vậnchuyển ABC(2)=Protein mang chất hòa tan gắnvào protein vận chuyển và phóngthích cơ chất, chuyển qua màngnhờ năng lượng của sự thủy phânATP Vùng xuyên màng hình thànhmột lỗ nhỏ trong màng và vùng kếthợp nucleotide sẽ gắn với ATP rồithủy phân ATP để hấp thụ chất hòatan. Protein vận chuyển ABC tậndụng protein liên kết cơ chấtchuyên biệt nằm trên khe chu chấtcủa vi khuẩn Gram âm hoặc bámtrên màng lipid tại mặt ngoài củamàng sinh chất ở vi khuẩn Gramdương. Các protein liên kết này(cũng tham gia vào quá trình hóahướng động-chemotaxis) sẽ gắn vớiphân tử được vận chuyển, rồi tươngtác với protein vận chuyển màng đểchuyển phân tử hòa tan vào trong tếbào. Vi khuẩn E.coli đã dùng cơchế này để vận chuyển nhiều loạiđường (arabinose, maltose,galactose, ribose) và aminoacid(glutamate, histidine, leucine). Các chất đưa vào vi khuẩnGram (+) phải đi qua màng ngoàitrước khi phát huy tác dụng củaprotein vận chuyển ABC và các hệthống vận chuyển chủ động khác.Các phân tử ngỏ có thể sử dụngmột protein lỗ phổ biến như OmpF.Các phân tử lớn hơn phải dùng tớicác protein lỗ màng chuyên biệt.Trong một số trường hợp, ví dụviệc hấp thu sắt và vitamin B12 phảidùng tới các protein vận chuyển vàprotein tiếp nhận màng ngoài có áilực cao chuyên biệt. Đáng chú ý là protein vậnchuyển ABC ở sinh vật nhân thậtnhiều khi có tầm quan trọng lớntrong y học. Một số tế bào ung thưsử dụng các protein vận chuyển nàyđể bơm thuốc ra. Việc xơ hóa nanglà kết quả của một đột biến làm bấthoạt một protein vận chuyển ABCđối với chuỗi chuyển ion chloridetrong phổi. Vi khuẩn cũng dùng gradientproton phát sinh ra khi chuyển vậnđiện tử để thúc đẩy sự vận chuyểnchủ động. Các protein vận chuyểnmàng chịu trách nhiệmđối với quátrình này thiếu hụt các protein liênkết chu chất chuyên biệt để kết hợpvới các chất dinh dưỡng. Lactosepermease ở vi khuẩn E.coli là mộtví dụ điển hình. Permease này làmột protein đơn có phân tử lượngkhoảng 30 000. Nó vận chuyểnphân tử lactose khi có một protonxâm nhập tế bào (nồng độ protoncao bên ngoài tế bào là do hoạtđộng của chuỗi chuyển vận điệntử). Sự vận chuyển liên kết của haicơ chất theo cùng một hướng đượcgọi là vận chuyển đồng hướng(symport). Trong quá trình nàynăng lượng tích tụ trong gradientproton ...