1
SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG
Công nghệ hóa dầu
Công nghệ hóa hữu cơ
2
Khái niệm về công nghệ sinh học
Sinh học
phân tử
Hóa sinh Phôi học
Sinh học
tế bào
Di truyền học
CNSH
Nghiên cứu về sự phát triển của phôi
Là ngành khoa học nghiên cứu tính di
truyền và sự biến dị trong các cơ thể sống
Nghiên cứu tế bào về đặc tính hóa
lý, cấu trúc, các cơ quan trong tế bào,
các môi tương quan giữa tế bào với
môi trường, chu trình sống, phân chia
và chết đi
Nghiên cứu về các quá trình hóa
học trong các cơ thể sống, đặc biết
quan tâm đến cấu trúc và chức
năng của các thành phần tế bào
Nghiên cứu về sinh học ở cấp độ
phân tử, mối tương quan giữa các hệ
thống khác nhau của tế bào, bao gồm
các tương tác giữa DNA, RNA và
protein; điều hòa các mối tương tác
Công nghệ sinh học: bất cứ một kỹ thuật nào sử dụng các hệ thống sinh học, các cơ thể sống
hoặc các dẫn xuất của nó để tạo ra hoặc thay đổi các sản phẩm hoặc các quá trình cho mục
đích riêng được xem là công nghệ sinh học.
3
Mối quan hệ giữa công nghệ sinh học và dầu mỏ
Quá trình khai thác và sản xuất dầu mỏ: xác định và mô tả tính chất của các nguồn hydrocacbon một cách đặc hiệu.
Nâng cấp chất lượng dầu: - Tăng giá trị năng lượng của dầu- Tăng khả năng vận chuyển của dầu- Giảm khả năng ô nhiễm khi sử dụng các
sản phẩm từ dầu- Tăng khả năng tách và recovery dầu
Xử lý giếng dầu:- Giảm quá trình đóng cặn - Giảm quá trình hydrate hóa- Giảm quá trình ăn mòn
Xử lý rò rỉ, ô nhiễm và tràn dầu
Các ứng dụng mới của các vi sinh chịu được các môi trường khắc nghiệt
4
Ưu - nhược điểm Ưu điểm:- Thân thiện với môi trường- Tiến hành trong các điều kiện làm việc nhẹ nhàng (áp suất, nhiệt
độ, pH)- Rẻ tiền
Nhược điểm:- Các họat động sinh học trong các nguồn dầu chưa được nghiên
cứu một cách sâu sắc. - Các con đường năng lượng và tốc độ phản ứng.- Tốc độ phản ứng cần thiết đạt được trong các lò phản ứng sinh học
để đủ tiêu chuẩn cho các sản phẩm thương mại.
5
SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG
Chương I: Khái niệm chung về tế bào và vi sinh vật (VSV)
6
Khái niệm về tế bào
Khái niệm: tế bào - là đơn vị cơ bản của tất cả các vật liệu sống - là một hệ thống sống
Chuyển hóa Sinh sản Biệt hóa Trao đổi thông tin
Tiến hóa
Chức năng của tế bào- Nhà máy hóa học- Phương tiện mã hóa
Cấu trúc tế bào- Màng tế bào- Thành tế bào- Tế bào chất: nước, các đại phân tử, ribosome, các phân tử hữu cơ nhỏ (tiền chất
của các đại phân tử) và các ion vô cơ.
7
Các đặc tính phổ biến của tế bào sống
8Tế bào nhân sơ (Prokaryot) Tế bào nhân chuẩn (Eukaryot)
9
Phân loại tế bào
10
a- Lactococcus lactics e- Tế bào tảo xanh
b- Methanosarcina f- Tế bào thần kinh của tiểu não
c- Tế bào máu g- Tế bào biểu mô
d- Trứng h- Tế bào thực vật
11
SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG
Chương II: Các đại phân tử
12
Các liên kết trong các phân tử sinh học
Các liên kết đồng hóa trị + Khái niệm: các điện tử được chia sẻ nhiều hoặc ít cân bằng
giữa các nguyên tử.+ Đặc tính: liên kết manh và ở trạng thái bền vững
Các tương tác không đồng hóa trị Liên kết hydro+ Khái niệm: liên kết được hình thành giữa các nguyên tử
hydro và các nguyên tố mang điện tích âm hơn như oxy hoặc nitơ.
+ Đặc tính: liên kết yếu, song với nhiều liên kết được hình thành giữa các phân tử sẽ làm tăng tính ổn định đáng kể và ảnh hưởng đến cấu trúc
Liên kết Van der Waal+ Khái niệm:liên kết giữa các nguyên tử có khoảng cách giữa
các nguyên tử từ 3-4 A. + Đặc tính: đóng vai trò quan trọng trọng liên kết enzym và cơ
chất và trong tương tác giứa protein và axit nucleic
Tương tác kị nước+ Khái niệm: tồn tại khi các phân tử không phân cực có xu
hướng tụ họp trong môi trường lỏng.+ Đặc tính: đóng vai trò quan trọng trong quá trình cuộn xoắn
của Protein, liên kết enzym với cơ chất, kiểm soát việc liên kết các dưới đơn vị của protein để hình thành phân tử dạng họat động
13
Tổng quan về thành phần tế bào
Nước
Các đại phân tử: 96% trọng lượng khô của tế bào, trong đó protein là đại phân tử phong phú nhất
Các monomer (tiền chất tạo nên đại phân tử)
Các ion vô cơ
Phân tử Phân trăm trọng lượng
khô
Phân tử/tế bào Các loại khác nhau
Các đại phân tử 96 24.610.000 2500
Protein 55 2.350.000 1850
Polysaccarit 5 4300 2
Lipid 9.1 22.000.000 4
Lipopolysaccarit 3.4 1.430.000 1
DNA 3.1 2.1 1
RNA 20.5 255.500 660
Các monomer 3.0 350
Axit amin và
các tiến chất
0.5 100
Đường và các tiền chất 2 50
Nucleotit và các tiền chất
0.5 200
Các ion vô cơ 1 18
Tổng số 100%
14
Tổng quan về thành phần tế bào (cont.)
Protein: polyme từ các monomer axit amin.
Axit nucleic: polyme từ các monomer nucleotit (DNA và RNA). Phong phú sau protein do hàng nghìn ribosome trong mỗi tế bào và các dạng RNA khác (mRNA, tRNA, rRNA)
Lipid: không là polyme đơn giản của monomer mà bao gồm đa dạng các hợp phần kị nước như axit béo. Đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc màng và dự trữ năng lượng
Polysaccarit: polyme của đường. Đóng vai trò dự trữ năng lượng và cacbon, ngoài ra còn tham gia vào cấu trúc thành tế bào.
Nước: các đại phân tử cũng như tất cả các phân tử trong tế bào ngập trong nước. Nước có đầy đủ các đặc tính để trở thành một dung môi sinh học lý tưởng.
15
Đặc tính quan trọng của nước đối với tế bào
Phân cực: giúp hòa tan tốt các phân tử sinh học vốn đã phân cực, đóng vai trò trong việc vận chuyển các phân tử ra và vào tế bào thông qua màng tế bào chất.
Phân cực: thúc đẩy hình thành các liên kết hydro giữa các phân tử và nguyên tử.
Phân cực: có vai trò quan trọng trong việc giúp tế bào đẩy các cơ chất không phân cực tụ họp lại với nhau.
Phân cực: làm nước có tính kết dính cao. Có nghĩa các phân tử nước có xu hướng có ái lực cao với các phân tử khác và hình thành, sắp xếp, bẻ gãy và tái tạo hóa học liên tục.
16
17
18
Protein- Vai trò Vai trò
Giá trị dinh dưỡng: hợp phần chủ yếu và quyết định trong khẩu phần thức ăn
19
Protein (cont.)- Thành phần
Thành phần: C, H, O, N (1 lượng nhỏ S và các nguyên tố vi lượng Fe, Mn, Mg..)
Đơn vị đo: Dalton (Da) = 1/12 khối lượng của 1 nguyên tử cacbon 12
Thành phần cơ bản: axit amin
20
Protein (cont.) – Axit amin
Định nghĩa axit amin:là hợp chất mạch thẳng hoặc mạch vòng, có chứa ít nhất 1 nhóm amin (NH2) và 1 nhóm cacboxyl (COOH)
Cấu tạo: R- (CH)NH2-COOH
Dạng tồn tại: L-axit amin
21
Protein (cont.) – Phân loại axit amin
Phân loại axit amin (20 axit amin phổ biến)
Axit amin không phân cực
Axit amin phân cực
Axit amin ion
22
Protein (cont.) – Liên kết peptit
Liên kết peptit: là liên kết được hình thành do phản ứng kết hợp giữa nhóm α-COOH của axit amin này với nhóm α -NH2 của axit amin khác
Cấu hình không gian của chuỗi peptit
23
Protein (cont.) – Cấu trúc protein
Cấu trúc bậc 1: qui định trình tự và thành phần các axit amin trong chuỗi polypeptit
Cấu trúc bậc 2: sự sắp xếp thích hợp của một chuỗi polypeptit trong không gian
- Cấu trúc xoắn α- Cấu trúc tờ giấy gấp nếp β- Cấu trúc cuộn thống kê
Cấu trúc bậc 3: cấu trúc bậc 2 sắp xếp trong không gian 3 chiều
Cấu trúc bậc 4: do các dưới đơn vị bậc 3 tạo thành
24
Cấu trúc bậc 2
Cấu trúc bậc 3
Cấu trúc bậc 4
Cấu trúc bậc 1
25
Protein (cont.) – Tính chất
Hình dáng- Hình cầu: trục dài/trục
ngắn<20- Hình sợi: trục dài/trục
ngắn=100-1000
Kích thước: khối lượng phân tử lớn – đại phân tử
26
Protein (cont.) – Tính chất Tính tan - Khả năng hòa tan của Protein nhờ các nhóm có cực được phân bố trên
bề mặt + Nhóm COOH của axit glutamin
+ Nhóm NH2 thứ 2 của Lyzin+ Nhóm OH của Serin+ Nhóm Imidazol của Histidin
- Các yếu tố phụ thuộc:+ Thành phần và trình tự sắp xếp các axit amin+ Vị trí các nhóm háo nước và kị nước+ Khả năng kết hợp nước của các nhóm có cực+ Bản chất dung môi+ Nồng độ muối trung tính+ Nhiệt độ và pH
27
Protein (cont.) – Tính chất Dung dịch keo và sự kết tủa- Protein khi hòa tan vào trong nước tạo dung dịch keo.
- Kết tủa protein xảy ra khi: Mất lớp vỏ nước Mất lớp vỏ điện tích
- Phân loại dạng kết tủa Thuận nghịch: là kết tủa khi tách tác nhân gây kết tủa thì
protein quay trở về trạng thái ban đầu (tác nhân: muối trung tính) Bất thuận nghịch: là kết tủa khi tách tác nhân gây kết tủa thì
protein không quay trở về trạng thái ban đầu (tác nhân: ion kim loại nặng)
28
Protein (cont.) – Tính chất
Biến tính
- Định nghĩa: Dưới tác dụng của các tác nhân vật lý (như tia cực tím, sóng siêu âm, các chuyển đông cơ học mạch...), các tác nhân hoá học (như axit, bazơ, tanin...), làm cấu trúc bậc 2,3,4 bị phá huỷ nhưng vẫn giữ nguyên cấu trúc bậc 1 kèm theo các tính chất tự nhiên ban đầu của Protein bị mất đi. Hiện tượng đó gọi là sự biến tính
- Tính chất Protein sau biến tính+ Giảm khả năng hòa tan+ Giảm khả năng giữ nước+ Tăng khả năng tấn công của enzym+ Tăng độ nhớt nội tại+ Giảm sức căng bề mặt
- Các tác nhân làm biến tính Protein+ Tác nhân vật lý: nhiệt độ, tia cực tím, + Tác nhân cơ học: nhào, trộn, cán, kéo, dập+ Tác nhân hóa học:pH, ion kim loại, dung môi hữu cơ
29
30
Protein đơn giản: cấu tạo chỉ chứa các axit amin- Albumin: tan trong nước- Globulin: tan trong dung dịch muối loãng- Prolamin: tan trong etanol và izopropanol- Glutelin: tan trong kiềm
Protein phức tạp: axit amin (apoprotein) + nhóm ngoại - Metaloprotein: nhóm ngoại là kim loại- Nucleoprotein: nhóm ngoại là axit nucleic- Cromoprotein: nhóm ngoại là nhóm mang màu- Lipoprotein: nhóm ngoại là lipit- Glucoprotein: nhóm ngoại là gluxit
Protein (cont.) – Phân loại
31
Hydrat cacbon
Định nghĩa: hydrat cacbon = saccarit = đường là các dẫn xuất của aldehyt và
xeton.
Công thức: CnH2nOn
Vai trò- Dự trữ năng lượng: cung cấp 60% tổng năng lượng cấp cho cơ thể- Cấu trúc và tạo hình- Bảo vệ
Phân hạng- Monosacarit: xx-ose- Polysacarit
+ Oligosacarit: 2-10 monosacarit kết hợp với nhau (di, tri,.. saccarit)+ Polysacarit: >10 monosacarit (đồng thể và dị thể)
32
Monosaccarit –Cấu tạo
ALDOSES KETONES (nhóm cacbon nằm (nhóm cacbon nằm tại bất cứ tại cuối
chuỗi là: aldehyt) vị trí nào là: xeton)
33
Một số đường D-Aldose
34
Một số đường D-Ketose
35
Monosaccarit –Cấu tạo (cont.) Dạng đồng phân:- L: OH bên trái- D: OH bên phải - Phần lớn các loại đường trong
các cơ thể sống tồn tại ở dạng D-
36
Monosaccarit –Cấu tạo (cont.)
Cấu trúc dạng vòng: trong dung dịch, các đường từ 4C trở lên có khả năng hình thành cấu trúc dạng vòng
Nguyên tắc: dựa trên phản ứng giữa nhóm aldehyt (hoặc xeton) và rượu để hình thành dạng hemiacetal (hoặc hemiketal)
37
Cấu trúc vòng pyran
38% α-D-Glucopyranose 62% β-D-Glucopyranose
<0.5% α-D-Glucofructose < 0.5% β-D-Glucofructose
~ 0.02% mạch thẳng
38
Cấu trúc vòng furan
39
Monosaccarit – Tính chất
Phản ứng oxy hóa: Đường dưới tác dụng của các tác nhân oxi hóa sẽ chuyển các nhóm rượu, aldehyt trong phân tử thành nhóm axit.
- Oxi hóa nhóm aldehyt tại C1 tạo sản phẩm axit aldonic (tác nhân oxi hóa yếu: HBrO, HClO, HIO)
- Oxi hóa nhóm rượu bậc 1 tại C6 tạo sản phẩm axit uronic
- Oxi hóa đồng thời cả nhóm aldehyt và rượu tại C6 tạo sản phẩm axit 2 chức aldaric (tác nhân oxi hóa mạnh: HNO3)
Phản ứng khử: khử nhóm aldehyt hoặc xeton tạo rượu đa chức đường (alditol)
40
Oligosaccarit
Liên kết glycosit: được hình thành giữa nhóm hemiacetal của saccarit này với nhóm hydroxyl rượu
Oligosaccarit phổ biến: disaccarit
- Sucrose (đường mía)- Maltose (đường mal)- Lactose (đường sữa)
41
Polysaccarit Phân loại- Homopolysaccarit: cấu tạo
từ một loại gốc đơn vị monosaccarit.
- Heteropolysaccarit: cấu tạo từ hai hay nhiều gốc đơn vị monosaccarit khác nhau.
Chức năng- Dự trữ năng lượng- Cấu trúc tế bào- Hỗ trợ ngoại bào
42
Polysaccarit – Tinh bột
Nguồn thu: củ (khoai tây, sắn) hoặc hạt (thóc, lúa mỳ)
Cấu tạo- Kích thước: 2-150μm- Hình dạng: lục giác, đa giác, hình
cầu- Thành phần: hàng nghìn đến hàng
vạn gốc glucose thông qua liên kết glycosit α (1,4) và α (1,6)
- Cấu trúc: Amilose (10-30%) và Amilopectin (79-90%)
43
Polysaccarit – Tinh bột (cont.) Tính chất:- Tính chất vật lý: trương nở nhanh trong nước nóng tạo độ dính mạnh (quá
trình hồ hóa).
- Tính chất hóa học Tác dụng với Iốt: Amilose + I2 = xanh Amilopectin + I2 = tím đỏ
Thủy phân nhờ axit(C6H12O6)(C6H10O5)n + n H2 (n+1) C6H12O6
Thủy phân nhờ enzym: amylaseTinh bột + -amylaza Dextrin phân tử lượng thấp + Maltoza + Glucoza Tinh bột + -amylaza Maltoza + Dextrin có phân tử lượng cao Tinh bột + γ-amylase Glucose
44
Polysaccarit - Cellulose Nguồn thu: phổ biến trong thực vật, đặc biệt phần cuống, thân và phần
gỗ của cây.
Cấu trúc- Thẳng, không phân nhánh- Đơn vị monosaccarit: 10.000 – 15.000 gốc β-D- glucose- Liên kết: β(1,4) glycosit- Cấu trúc sợi dạng xoắn: 2 phân tử cellulose liên kết hydro với nhau. 40
sợi xếp song song tạo bó.
Tính chất- Không tan trong nước- Thủy phân bằng axit: tạo 100% glucose- Thủy phân bằng enzym: cellulase
45
Axit nucleic
Khái niệm: Axit nucleic (deoxyribonucleic axit – DNA và ribonucleic axit-RNA) là các polyme đại phân tử của các monomer nucleotit.
Cấu trúc- Monomer nucleotit gồm 3
đơn vị Đường 5C (ribose – RNA và
deoxyribose-DNA) Bazơ 1 phân tử phosphate –
PO43-
46
Axit nucleic (cont.)- Liên kết Đường liên kết với bazơ theo liên kết
glycosit Nhóm phosphate liên kết với nucleotit
theo liên kết phosphodieste Các nucleotit liên kết với nhau thông
qua liên kết đồng hóa trị phosphodieste giữa nhóm phosphate tại C-3 của phân tử đường trong nucleotit này với C-5 của phân tử đường trong 1 nucleotit khác
- Qui tắc liên kết: bổ sung A-T và G-C bằng liên kết hydro
47
Axit nucleic – Mô hình Watson & Click
Cấu trúc gồm 2 chuỗi đối song: 1 sợi đi tổng hợp theo hướng từ 3’ đến 5’ trong khi sợi kia tổng hợp từ hướng 5’ đến 3’
Số lượng gốc trong 1 vòng xoắn: 10
Chiều dài Đường kính vòng xoắn:
20A
48
Axit nucleic - Chức năng
Chức năng của DNA (deoxyribonucleic acid)- Lưu giữ thông tin di truyền- Kiểm soát quá trình tổng hợp RNA (ribonucleic acid)- Trình tự các bazơ trên DNA xác định sự phát triển của protein trong các tế bào mới- Chức năng của việc hình thành chuỗi xoắn kép DNA là đảm bảo tính trật tự trong cấu trúc.
Chức năng của RNA (ribonucleic acid)- RNA được tổng hợp từ DNA cho quá trình vận chuyển thông tin di truyền tới bộ máy tổng
hợp protein trong tế bào- RNA định hướng sự tổng hợp các protein mới sử dụng thông tin di truyền mà RNA vận
chuyển- mRNA (RNA thông tin) được sử dụng để vận chuyển thông tin di truyền qua màng tế bào
chất
Chức năng của Adenosine Phosphates- Nucleotit ATP (adenosine triphosphate) dự trữ năng lượng cho tất cả các cơ thể sồng- cAMP (adenosine monophosphate vòng) là tác nhân truyền tin trong quá trình điều hòa
hoocmôn- Các dẫn xuất của nucleotit như NAD+ (nictinamide adenine dunucleotit) được sử dụng
như một coenzym trong quá trình tổng hợp quang học
49
Lipid
Chức năng- Dự trữ và cung cấp năng lượng: dầu mỡ
- Nhân tố cấu trúc: màng sinh học
- Họat tính sinh học: cofactor của enzym, hoocmon, chất vận chuyển điện tử, tác nhân truyền thông tin nội bào
50
Lipid dự trữ – axit béo
Định nghĩa: là các axit cacboxylic của các chuỗi hydrocacbon có chiều dài từ 4 đến 36 cacbon.
Cấu tạo- Phân nhánh hoặc không phân
nhánh- Bão hòa hoặc chưa bão hòa- Phổ biến: không phân nhánh
dài từ 12 đến 24 C; liên kết đôi giữa vị trí C9 và C10.
51
Lipid dự trữ – axit béo (cont.) Tính chất- Tính tan: phụ thuộc chiều dài chuỗi
mức độ chưa bão hòa
Chuỗi càng dài, càng ít liên kết đôi thì tính tan càng thấp
- Điểm nóng chảy phụ thuộc chiều dài chuỗi
mức độ chưa bão hòa
Axit béo chưa bão hòa có điểm nóng chảy thấp hơn axit béo bão hòa có cùng chiều dài
VD: Tại nhiệt độ phòng (250C), axit béo 12:0 đến 24:0 Bão hòa: dạng sápChưa bão hòa: dạng dầu lỏng
52
Lipid dự trữ – triacylglycerol
Tên: triglycerit, mỡ, chất béo trung tính
Nguồn thu: dầu thực vật, các sản phẩm từ bơ sữa
Cấu trúc: là este của axit béo và glycerol
Vai trò- Dự trữ và vận chuyển các axit
béo- Cách nhiệt
53
Lipid dự trữ – triacylglycerol (cont.)
Tính chất- Tính chất vật lý Dạng tồn tại:
Dạng lỏng (dầu): chứa axit béo chưa bão hòaDạng rắn (mỡ): chứa axit béo bão hòa
Tính tanKhông phân cực, không tan trong nước, chỉ tan trong các dung môi hữu cơ
Trọng lực: nhỏ hơn nước, phân 2 pha.
- Tính chất hóa học Phản ứng thủy phân bởi axit (hoặc enzym lipase)
CH2OCOR1 H+ (lipaza) CH2OH R1COOHCH2OCOR2 CHOH + R2COOHCH2OCOR3 CH2OH R3COOH Phản ứng thủy phân bởi kiềmCH2OCOR1 NaOH CH2OH R1COONaCH2OCOR2 CHOH + R2COONaCH2OCOR3 CH2OH R3COONa
54
Lipid cấu trúc - Glycerophospholipid
Cấu trúc Vai trò Tính chất
55
Sinh học đại cương
Chương III: Enzym
56
Một số khái niệm chung
1700: tiêu hóa thitj nhờ dịch chiết trong dạ dày 1800: chuyển hóa tinh bột thành đường nhừ nước dịch chiết thực vật 1850 - Louis Pasteur: quá trình lên men đường thành rượu của nấm men
xảy ra nhờ một nhân tố gọi là men. Men không thể tách ra khỏi cấu trúc tế bào sống
1897- Eduard Buchner: dịch chiết nấm men có khả năng lên men đường thành rượu. Men có thể tách ra khỏi tế bào
1956 – Summer: tách và kết tinh urease. Urease mang bản chất Protein 1930 – John Northrop và Moses Kunitz: tách và tinh chế các enzym tiêu
hóa mang bản chất protein
- Enzym mang bản chất protein- Tăng tốc độ phản ứng lên 10 mũ 20 lần nhưng không
bị tiêu thụ hoặc thay đổi khi xúc tác- Mục đích giúp chuyển hóa thức ăn thành năng lượng
và các vật liêụ mới
57
Cấu trúc enzym Định nghĩa: Enzym là các phân tử protein có
chức năng xúc tác sinh học
Enzym đơn cấu tử: thành phần cấu tử chỉ bao gồm các protein đơn giản
Enzym lưỡng cấu tử: bao gồm 2 thành phần
Phần Protein (nhóm nội, apoenzym)- Cấu tạo: từ các axit amin- Tính chất:không bền nhiệt- Chức năng: tăng hiệu lực xúc tác và quyết định
tính đặc thù của enzym Phần nhóm ngoại- Cấu tạo: không mang bản chất protein Ion vô cơ Phức hữu cơ (vitamin): là các chất vận chuyển
tạm thời các nhóm chức năng đặc hiệu, là một phần trong cấu trúc trung tâm hoạt động của enzym
- Tính chất: kích thước nhỏ, bền nhiệt- Chức năng:trực tiếp tham gia vào phản ứng xúc
tác và quyết định kiểu phản ứng.
Vitamin Dạng coenzym Nhóm vận chuyển Enzym tương ứng
Biotin Biocytin CO2 Propionyl-CoA carboxylase
Axit pantothenic và các hợp chất
Coenzym A Các nhóm acyl Acetyl-CoA carboxylase
Vitamin B12 5'-Deoxyadenosylcobalamin (coenzym B12)
Các nguyên tử H và các nhóm acyl
Methylmalonyl-CoA mutase
Riboflavin (vitamin B2)
Flavin adenin dinucleotit (FAD)
Electron, các nguyên tử H Succinate dehydrogenase
Axit nicotinic (niacin)
Nicotinamide adenin dinucleotit (NAD)
Ion H (: H -) Alcohol dehydrogenase
Thiamine (vitamin B1)
Thiamine pyrophosphate
Aldehyt Pyruvate dehydrogenase
58
Danh pháp và phân hạng
Danh pháp- Danh pháp thông thường: cơ chất + ase- Danh pháp quốc tế: cơ chất + kiểu phản ứng + ase- Kí hiệu: EC12341: Chỉ enzym thuộc nhóm lớn nào2: Chỉ enzym thuộc nhóm phụ nào3: Chỉ enzym thuộc phân nhóm phụ nào4: Chỉ số thứ tự
Phân hạng: 6 nhóm phản ứng- Oxidoredutase (xúc tác các phản ứng oxi hóa khử)VD: Alcohol dehydrogenase: chuyển hóa rượu thành aldehyt hoặc keton
- Transferase (xúc tác các phản ứng vận chuyển các nhóm chức năng)VD: Aminnotransferase: phân hủy axit amin bằng cách loại bỏ nhóm amin
- Hydrolase (xúc tác các phản ứng thủy phân)VD: Glucose-6-phosphatase: loại nhóm phosphate khỏi glucose-6-phosphate, tạo glucose và H3PO4
- Lyase (xúc tác các phản ứng tạo liên kết đôi)VD: Pyruvate decarboxylase: loại bỏ CO2 khỏi pyruvate
- Isomerase (xúc tác các phản ứng đồng phân hóa học)VD: Ribulose phosphate epimerase: chuyển hóa giữa ribulose 5-phosphate và xylose-5-phosphate
- Ligase (xúc tác hình thành các liên kết hóa học nhờ phân cắt ATP)VD: Hexokinase: chuyển hóa giữa glucose và ATP với glucose-6-phosphate và ADP
59
Cấu tạo trung tâm hoạt động Khái niệm: trong quá trình xúc tác
chỉ một phần nhỏ phân tử enzym tham gia kết hợp với cơ chất và chuyển hóa thành sản phẩm – trung tâm hoạt động của enzym
Cấu tạo: bao gồm 1 số nhóm chức năng của axit amin không tham gia liên kết trục chính
- COOH: axit glutamic và axit aspatic- NH2 : lysin- OH: Serin- SH: Cystein- Imidazol: Histidin- Phenol: Tyrozin
Tính chất: chỉ được hình thành trong cấu trúc bậc 2,3,4
60
Một số quan niệm về trung tâm hoạt động của enzym
Quan niệm của Fisher (1894)- Trung tâm họat động vốn sẵn có
và cứng nhắc Enzym: ổ khóaCơ chất: chìa khóa
Quan niệm của Kosland (1958)- Trung tâm hoạt động của enzym
được hình thành trong quá trình kết hợp với cơ chất và đây là một cấu trúc mềm dẻo, linh động
- Cơ chất quyết định cuối cùng đến hình dáng của enzym
Enzym: găng tayCơ chất: bàn tay
61
Trung tâm dị lập thể (Allosteric)
Khái niệm:Trung tâm dị lập thể là vị trí thứ 2 trên phân tử enzym mà các cơ chất (chất allosteric) khi kết hợp vào vị trí này không chuyển hoá tạo thành sản phẩm mà chỉ làm thay đổi cấu trúc của phân tử enzym cũng như cấu trúc trung tâm hoạt động của enzym.
Tính chất: thay đổi cấu trúc của enzym theo 2 chiều hướng
- Tăng khả năng hoạt động của enzym: điều hòa dương
- Giảm khả năng hoạt động của enzym: điều hòa âm
62
Mô hình phản ứng sinh học
E: enzym
S: cơ chất
P: sản phẩm
ES: phức hợp enzym-cơ chất
EP: phức hợp enzym-sản phẩm
63
Chất phản ứng
Sản phẩm
Năng lượng
Phản ứng tỏa nhiệt
Năng lượng hoạt hóa, Eaa
Trạng thái chuyển tiếp
Bẻ gãy liên kết
Hình thành liên kết
Tiến trình phản ứng
64
Cơ chế tác dụng của enzym
Cơ chế tác dụng: Enzym làm tăng các phản ứng hóa học trong tế bào nhờ quá trình làm giảm rào cản năng lượng họat hóa
- Năng lượng hoạt hóa là rào cản năng lượng phải vượt qua trước khi 1 phản ứng hóa học bắt đầu
- Các chất phản ứng phảo hấp thụ Ea để trở nên họat động -làm yếu các liên kết đến mức bẻ gãy được chúng và hình thành liên kết mới. Phản ứng bắt đầu xảy ra.
- Enzym làm tăng vận tốc phản ứng mà không làm thay đổi chính bản thân chúng
65
66
Tính chất của enzym
Tính chất chung- Khối lượng phân tử lớn- Hòa tan trong môi trường nước hoặc muối loãng hoặc các dung môi hữu cơ tạo
dung dịch keo- Không bền trong môi trường axit và kiềm mạnh
Cường lực xúc tác:Cường lực xúc tác lớn: tăng vận tốc phản ứng lên hàng vạn cho đến hàng triệu lần so với chất xúc tác hóa học
67
Tính chất của enzym (cont.)
Đặc hiệu phản ứng: Enzym có khả năng chuyển hoá một số cơ chất nhất định, một liên kết hoá học nhất định hoặc một kiểu phản ứng hoá học nhất định
- Đặc hiệu cơ chất Đặc hiệu tương đối Đặc hiệu nhóm Đặc hiệu tuyệt đối Đặc hiệu quang học- Đặc hiệu kiểu phản ứng
Enzym không độc
Enzym ứng dụng trong điều kiện nhẹ nhàng
Enzym được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu rẻ tiền
68
Các yếu tố ảnh hướng đến hoạt tính của enzym
Nồng độ cơ chất
Et: Nồng độ enzym tổng
E: Nồng độ enzym tự do (E=Et-ES)
ES: Nồng độ enzym trong phức hợp với cơ chất
k1: hằng số vận tốc tạo phức trung gian ES
k-1: hằng số vận tốc phân ly trung
gian tạo E và S
k2: hằng số vận tốc phân ly phức ES
tạo sản phẩm và enzym tự do
V0: vận tốc ban đầu
Vmax: vận tốc cực đại
Km: hằng số Michaelis
Công thức Michaelis-Menten
maxmax0
1
][
1.
1
VSV
K
Vm
69
Các yếu tố ảnh hướng đến hoạt tính của enzym (cont.)
Ý nghĩa của giá trị Km: Km rất khác nhau giữa các enzym, thậm chí là giữa cùng 1 enzym với các cơ chất khác nhau cũng sẽ cho các Km khác nhau. Km được xem như là một chỉ thị đặc trưng cho ái lực của enzym với cơ chất của nó. Km càng nhỏ thì ái lực giữa enzym và cơ chất càng lớn và ngược lại.
70
Các yếu tố ảnh hướng đến hoạt tính của enzym (cont.)
Chất kìm hãm- Khái niệm: là chất làm họat động enzym yếu đi hoặc chấm dứt
hoàn toàn.
- Phân loại: Chất kìm hãm thuận nghịch- Chất kìm hãm cạnh tranh- Chất kìm hãm không cạnh tranh
Chất kìm hãm bất thuận nghịch- Chất kìm hãm bất thuận nghịch do sản phẩm của phản ứng- Chất kìm hãm bất thuận nghịch do thừa cơ chất
71
Kìm hãm cạnh tranh
Khái niệm: tham gia cạnh tranh với cơ chất để kết hợp vào trung tâm hoạt động của enzym. Khi mà chất cạnh tranh (I) kết hợp được vào với trung tâm hoạt động, nó sẽ ngăn cản quá trình kết hợp của cơ chất với enzym.
Đặc tính: - Các chất kìm hãm cạnh tranh là các hợp
chất có cấu tạo giống với cơ chất. Nó sẽ kết hợp với enzym tạo phức EI nhưng không dẫn đến quá trình xúc tác để chuyển hoá thành sản phẩm. Thậm chí sự kết hợp rất nhanh chóng của dạng phức này cũng dẫn đến làm giảm khả năng hoạt động của enzym.
- Khi [S] lớn hơn rất nhiều lần so với [I], quá trình kết hợp với enzym của các chất kìm hãm sẽ ở mức tối thiểu.
Công thức Michaelis Menten
][
][max0 SK
SVV
m
maxmax1
1
][
1)(
1
VSV
K
Vm
i
72
Kìm hãm không cạnh tranh
Khái niệm:Cơ chất và chất kìm hãm kết hợp với enzym tại 2 vị trí khác nhau. Chất kìm hãm không cạnh tranh làm thay đổi cấu trúc, hình dạng của enzym cũng như trung tâm hoạt động của enzym, từ đó làm giảm vận tốc của phản ứng.
Đặc tính: cấu tạo của cơ chất và chất kìm hãm không giống nhau.
Công thức Michaelis Menten
max
'
max
'
2 ][
1)(
1
VSV
K
Vm
i
'' ][
1IK
I
][
]][['
EIS
IESK I
][
][''
max0 SK
SVV
m
73
Kìm hãm bất thuận nghịch
Đặc tính: Các chất kìm hãm không thuận nghịch là các chất thường tạo liên kết đồng hoá trị với enzym hoặc phá huỷ các nhóm chức năng cần thiết cho hoạt tính của enzym hoặc tạo ra các quá trình kết hợp không đồng hoá trị bền.
Phân loại:- Sản phẩm phản ứng: nồng độ sản phẩm tạo thành quá lớn, sản
phẩm sẽ có khả năng kết hợp lên vị trí thứ 2 bất kỳ của enzym ngoài trung tâm hoạt động làm biến dạng enzym và làm giảm vận tốc phản ứng. Sản phẩm đóng vai trò là các chất kìm hãm không cạnh tranh.
- Cơ chất phản ứng: nồng độ cơ chất quá lớn có khả năng kết hợp với một vị trí thứ 2 của enzym cũng như vào trung tâm hoạt động của enzym làm thay đổi hình dáng của enzym và từ đó làm giảm vận tốc phản ứng.
74
Các yếu tố ảnh hướng đến hoạt tính của enzym (cont.)
Nhiệt độ- Nhiệt độ tối ưu: là nhiệt độ tại đó vận tốc phản ứng đạt tốc độ lớn nhât.- Nhiệt độ tối ưu của mỗi enzym phụ thuộc môi trường mà nó tồn tại.
pH- pH tối ưu: là pH tại đó vận tốc phản ứng đạt tốc độ lớn nhất- Nguyên tắc: duy trì trạng thái ion hóa của các nhóm chức năng tại trung tâm họat động và
trong toàn cấu trúc protein- Khoảng họat động: axit yếu, bazơ yếu hoặc trung tính
Chất họat hóa- Khái niệm: là các chất làm enzym từ trạng thái hoạt động yếu trở nên mạnh hoặc từ không
họat động trở nên hoạt động- Bản chất hóa học: + Coenzym vận chuyển điện tử, hydro
+ Chất phá vỡ liên kết peptit bảo phủ trung tâm hoạt động của enzym +Chất phục hồi các nhóm chức năng của enzym + Ion kim loại
Nồng độ enzym- Vận tốc phản ứng phụ thuộc trong trường hợp thừa cơ chất
75
Enzym cố định
Định nghĩa: Enzym cố định là enzym được cố định về mặt vật lý học cùng với việc giữ được các hoạt tính xúc tính xúc tác của chúng để sử dụng liên tục và lặp lại nhiều lần.
Nhược điểm của enzym tan- Enzym mang bản chất protein nên tan trong nước, dẫn đến việc khó phân
tách chúng sau phản ứng để thu hồi.- Một số sản phẩm tạo ra có thể trở nên ức chế các enzym tan.
Ưu điểm của enzym cố định- Dễ dàng thu hồi enzym sau phản ứng- Độ bền tăng đáng kể: bền nhiệt, vận tốc phản ứng tăng- Kiểm soát quá trình xúc tác chính xác hơn- Tái sử dụng nên giá thành sản phẩm giảm- Thời gian sử dụng dài- Phân tách sản phẩm nhanh chóng sẽ giảm quá trình ức chế ngược
76
Phương pháp cố định enzym
Phương pháp
cố định
Bao gói Liên kết
Hấp phụLiên kết đồng
hóa trị
Bao gói mạng
lướiVi bao gói
77
Phương pháp cố định enzym
Phương pháp bao gói: enzym được trộn lẫn với tiền chất của gel hoặc các monomer. Gel hình thành hoặc quá trình polyme hóa các monomer sẽ bao gói các gel lại.
Ưu điểm- Enzym không có những thay đổi về mặt hóa
học- Đặc tính enzym không thay đổi
Nhược điểm- Quá trình bất hoạt enzym xảy ra trong quá
trình hình thành gel- Rõ rỉ enzym xảy ra liên tục phụ thuộc vào
kích thước lỗ gel- Quá trình giới hạn khuếch tán làm giảm khả
năng tiếp xúc giữa enzym và cơ chất
VD- Gel: alginate, agar, agarose, collagen - Monomer: acrylamide
78
Phương pháp cố định enzym (cont.)
Phương pháp vi bao gói: enzym được bao gói trong màng bán thấm dưới dạng giọt hình cầu rỗng vi mô.
Ưu điểm- Không ảnh hưởng đến hoạt tính của
enzym- Mỗi enzym liên kết gần nhất với cơ chất
trong môi trường lỏng xung quanh
Nhược điểm- Giới hạn khả năng khuyếch tán sẽ giới
hạn khả năng chuyển động của cơ chất tới trung tâm hoạt động của enzym
- Không thích hợp cho các enzym proteolytic hoặc các phân tử cơ chất lớn.
79
Phương pháp cố định enzym (cont.)
Phương pháp liên kết đồng hóa trị: enzym được hấp phụ lên bề mặt chất mang nhờ quá trình hình thành các liên kết đồng hóa trị thông qua các nhóm chức năng.
Các nhóm chức năng phổ biến nhất của chất mang
- Nhóm amin- Nhóm cacboxyl- Nhóm hydroxyl- Nhóm sulphydryl
Chất mang: polyme từ acrylamide, maleic anhydride, polyme từ styrene, polypeptit
Nhược điểm: các nhóm chức năng không nằm tại trung tâm hoạt động của enzym do đó cần có các hợp chất hóa học để họat hóa các nhóm chức năng này.
80
Phương pháp cố định enzym (cont.)
Phương pháp hấp phụ: là phương pháp đơn giản nhất. Enzym hấp phụ vật lý lên trên bề mặt của chất mang nhờ các liên kết yếu như Van der Waals.
Chất mang: alumina, clay, silica, nhựa trao đổi ion, CaCO3, nhựa trao đổi cation, collagen và thủy tinh.
Ưu điểm- Quá trình cố định đơn giản và dễ dàng thực hiện- Quá trình hấp phụ thuận nghịch- Enzym không bi vô họat trong quá trình hấp phụ
Nhược điểm- Quá trình hấp phụ không đặc hiệu: ngoài enzym có các cơ chất khác
cũng có thể hấp phụ lên chất mang.- Thời gian phủ mẫu dài và lực liên kết yếu
81
Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cố định enzym
Tính chất của enzym tự do
Dạng chất mang được sử dụng
Phương pháp họat hóa chất mang
Phương pháp cố định enzym
82
Tính chất của enyzm cố định
Nguồn thu enzym
Dạng tồn tại vật lý của enzym
Độ tinh sạch của enzym (phương pháp tinh sạch)
Họat tính xúc tác: quyết định độ nhạy của enzym cố định
83
Dạng chất mang
Tính chất Không tan trong nước- Có khả năng liên kết với enzym cao- Trơ về mặt hóa học- Có cơ chế họat động ổn định và bền Điện tích bề mặt và tính kị nước Diện tích bề mặt: diện tích lỗ, kích thước hạt, đường kính ống Đặc điểm chuyển khối Quá trình khuếch tán tại chỗ của hệ thống
Phân loại- Polyme kị nước dựa trên các polysaccarit tự nhiên như agarose,
dextran và cellulose.- Polyme hydrocacbon tổng hợp ưa béo như polyacrylamide,
polystyrene và nylon.- Các vật liệu vô cơ như oxit sắt, hạt thủy tinh
84
Phương pháp họat hóa chất mang
Polysacarit- Derivatization các nhóm hydroxy chức năng- Tác nhân: cyanogen bromide, các dẫn xuất triazin,
ganuric chloride, sodium periodate, expoxide hoặc benzoquinone
Poacrylamide và dẫn xuất: hoạt hóa nhờ phản ứng diamine
Chất mang vô cơ: họat hóa nhờ phản ứng với glutaraldehyt
85
Đặc tính của enzym cố định
Dạng tồn tại: hạt, màng, ống, sợi
Hoạt tính enzym còn lại sau khi cố định
% enzym được cố định lên chất mang
86
Sinh học đại cương
Chương IV: Vi sinh vật và các quá trình sinh học
87
Quá trình lên men
Khái niệm về lên men1. Bất kỳ quá trình nào liên quan đến môi trường sinh khối của vi sinh vật,
bao gồm cả kị khí và hiếu khí.2. Bất kỳ quá trình sinh học nào xảy ra có mặt oxy3. Quá trình làm hư hỏng thực phẩm4. Sử dụng cơ chất vô cơ như chất cho và nhận điện tử5. Sử dụng cơ chất vô cơ như chất khử 6. Sự sinh trưởng phụ thuộc vào quá trình phosphoryl cấp độ cơ chất
Các yêu cầu cần thiết cho qúa trình lên men- Vi sinh vật tiến hành quá trình chuyển hóa sinh học- Cơ chất để chuyển hóa thành sản phẩm- Điều kiên lên men- Quá trình thu hồi và tinh sạch sản phẩm- Xử lý dòng thải- Quá trình đóng gói và thương mại hóa
88
Quá trình lên men
Vi sinh vật Cơ chất Vi dinh dưỡng
Phân lập
Lưu giữ
Xây dụng tập hợp
chủng
Thanh trùng môi
trường
Bổ sung và khuấy
trôn
Điều kiện lên men Thu hồi và tinh sạch Xử lý dòng thải Bao gói, thương mại
Điều kiện thanh
trùng
Thanh trùng khí
Hơi
Kiểm soát nhiệt độ
Kiểm soát pH
Đo lượng oxy hòa
tan
Phun khí
Điều kiện khuấy
Kỹ thuật phá vỡ
tế bàoVật lý
Hóa học
Sinh học
Cấy giống
89
Canh trường gốc
Bình tam giác Nhân giống
Thanh trùng môi trường
Thiết lập môi trường
Vật liệu môi trường thô
Sinh khối
Dịch lên
men
Phân tách
tế bào
Nước nổi
Tách chiết
sản phẩm
Tinh sạch
sản phẩm
Bao gói
sản phẩm
Xử lý
dòng thải
Thiết bị lên men
90
Sản phẩm của quá trình lên men
Sinh khối vi sinh vật: protein đơn bào
Sản phẩm của quá trình trao đổi chất thứ cấp: axit amin, axit hữu cơ, vitamin...
Sản phẩm của quá trình chuyển hóa sinh học: steroid, hoocmon...
Enzym: amylase, lipase...
91
Môi trường lên men - Dinh dưỡng vi sinh vật
Thành phần môi trường lên men- Cacbon- Nitơ- Năng lượng- Khoáng- Các dinh dưỡng khác như vitamin- Oxy/khí đối với quá trình hiếu khí- Nước
Yêu cầu môi trường lên men qui mô công nghiệp- Rẻ tiền, dễ dàng tìm được với giá và chất lượng thích hợp- Năng suất cao: tạo ra lượng sản phẩm lớn nhất trên 1 đơn vị cơ chất
tiêu thụ- Tốc độ hình thành sản phẩm cao- Hạn chế tối đa việc hình thành các sản phẩm không mong muốn
92
Môi trường lên men - Dinh dưỡng vi sinh vật
Khái niệm: các công cụ hóa học cần thiết để tổng hợp nên các monomer được gọi là các chất dinh dưỡng vi sinh vật
Cacbon- Ý nghĩa:mọi thành phần hữu cơ cấu tạo nên tế bào vi sinh vật đều là các hợp chất chứa cacbon. Hàm
lượng trong tế bào: 50% - Nguyên tắc lựa chọn:1. Thành phần hóa học và tính chất sinh lý của nguồn thức ăn2. Đặc điểm sinh lý của từng loại vi sinh vật3. Cấu tạo phân tử, đặc biệt là mức độ oxy hóa của nguyên tử C trong các nguồn thức ăn khác nhau- Nguồn cung cấp: Hydrat cacbon + Rỉ đường: là nguồn carbonhydrate rẻ tiền nhất, ngoài việc cung cấp một lượng lớn đường còn chứa các cơ chất
mang nitơ, vitamin và các nhân tố vi lượng khác. + Dịch chiết malt: là cơ chất thích hợp cho nấm men, nấm mốc và xạ khuẩn + Tinh bột và dextrin: được chuyển hóa trực tiếp nhờ enzym amylase có trong VSV + Cellulose: rẻ tiền, phong phú về số lượng dưới dạng phế thải của nông nghiệp và một số ngành công nghiệp
(rơm, lõi ngô, phế thải gỗ, bã mía và phế thải giấy)
Methanol: rẻ tiền, nhưng ít phổ biến do chỉ một số ít VSV có thể chuyển hóa. Dùng làm cơ chất trong lên men sản xuất axit glutamic, serine và vitamin B12
Ethanol: được sử dụng rất phổ biên trong quá trình lên men
Alkane: chiều dài mạch từ C12 đến C18
93
Dinh dưỡng vi sinh vật (cont.) Nitơ- Ý nghĩa: cung cấp nitơ tạo ra nhóm amin và imin trong phân tử axit amin, nucleotit, vitamin và 1
số hợp chất khác. Nitơ: chiếm khoảng 12% trọng lượng khô của tế bào- Nitơ vô cơ: amoniac, nitrate - Nitơ hữu cơ:+ Cao ngô (hình thành trong quá trình sản xuất tinh bột từ ngô): chứa nhiều axit amin như
alanine, arginine, axit glutamic, isoleucine, valine, phenylalanine, methionine và cystein
+ Cao nấm men: là cơ chất ưu thích của rất nhiều VSV. Chứa các axit amin và peptit, các vitamin tan trong nước, hydrate cacbon.
+ Pepton (các hợp chất thủy phân không triệt để protein): được nhiều vi sinh vật sử dụng nhưng đắt tiền nên chủ yếu được sử dụng trong giai đoạn nhân giống. Nguồn thu của pepton đa dạng từ thịt, casein, gelatin, keratin, hạt lạc, bột đậu, các hạt bông và các hạt hoa hướng dương.Thành phần pepton đa dạng phụ thuộc vào nguồn thu. VD: Pepton thu từ gelatin giàu proline và hydroxyproline nhưng hầu như không có các axit amin chứa lưu huỳnh.
Pepton từ keratin giàu proline và xystine nhưng thiếu lysine.Pepton từ thực vật chứa nhiều hydrate cacbon
+ Bột đậu nành- phần còn lại của đậu sau khi chiết dầu là một cơ chất phức tạp. Thành phần gồm: protein chiếm 50%, hydrate cacbon chiếm 30% (sucrose, stachyose, rafinose, arabinoglucan, arabinan và polysaccarit), chất béo chiếm 1% và lecithin chiếm 1,8%. Thường được sử dụng trong các quá trình lên men khàng sinh
94
Dinh dưỡng vi sinh vật (cont.) Đa lượng- Photpho (50%): tồn tại trong tự nhiên ở dạng phosphate vô cơ và hữu cơ. Cần thiết cho quá trình
tổng hợp axit nucleic và phospholipid. Tạo ra tính đệm cho môi trường.
- Lưu huỳnh: phần lớn lưu huỳnh trong tế bào có nguồn gốc vô cơ như sulfate (SO4) hoặc sunsit (HS). Cần thiết cho quá trình tổng hợp axit amin cystein và methionine cũng như một số loại vitamin như thiamine, biotin.
- Mangan (Mn): thành phần của một số enzym xúc tác cho quá trình hô hấp tế bào
- Kẽm (Zn): cofactor của nhiều enzym
- Magiê: cần cho nhiều hoạt động của enzym (cofactor) cũng như cần thiết để làm ổn định ribosome, màng tế bào và axit nucleic.
- Canxi : cầu nối trung gian giữa các thành phần quan trọng của tế bào
- Sắt:giúp vi sinh vật tổng hợp một số enzym loai porphyrin (catalase, peroxydase...), sắc tố quang hợp
Vi lượng: chủ yếu là kim loại, đóng vai trò quan trọng trong chức năng xúc tác của enzym
Nhân tố phát triển: là các hợp chất hữu cơ như vitamin, axit amin, purine và pyrimidine, được yêu cầu với một lượng nhỏ
95
Dinh dưỡng vi sinh vật (cont.)
Nước- Chất lượng nước phụ thuộc:+ pH+ Thành phần và hàm lượng các muối tan+ Các chất khoáng+ Các loại vi sinh vật nhiễm+ Hàm lượng Clo
- Xử lý trước lên men+ deion hóa+ một số phương pháp làm mềm nước
96
Chủng giống công nghiệp
Tiêu chuẩn giống vi sinh vật công nghiệp- Thuần khiết, sinh trưởng mạnh trên các nguồn nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có.- Tạo ra sản phẩm mong muốn với năng suất cao, chất lượng tốt.- Tạo ra ít sản phẩm phụ- Bảo quản dễ dàng và giữ được các đặc tính tối ưu trong quá trình sử dụng và bảo quản- Có khả năng thay đổi các đặc tính di truyền bằng các phương pháp biến đổi gen- Các sản phẩm trao đổi chất và sinh khối của tế bào dễ dàng tách ra khỏi dịch lên men
Phương pháp tạo giống vi sinh vật- Gây đột biến nhân tạo và lựa chọn các chủng vi sinh vật có hiệu quả cho sản xuất cao- Sử dụng DNA tái tổ hợp tạo ra các cá thể mới mang các đặc tính mong muốn- Lựa chọn các chủng vi sinh vật được sử dụng trong sản xuất
Các nhân tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của các VSV công nghiệp- Nguồn cacbon và nitơ- Kích thước và sinh khối tế bào- Môi trường vật lý và hóa học- Duy trì năng lượng cung cấp cho sự sống sót của các tế bào- Phương pháp lên men: liên tục và theo mẻ- Tốc độ sinh trưởng
97
Sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật
Pha mở đầu- Thời gian: bắt đầu cấy cho đến khi vi sinh vật đạt được tốc độ sinh trưởng cực
đại (3-4h)- Đặc điểm:+ Tế bào chưa phân chia+ Thể tích và trọng lượng tế bào tăng+ Thời gian phụ thuộc vào ống giống và môi trường (tế bào càng già thi thời gian
pha mở đầu càng lớn)+ Chức năng: giúp tế bào thích nghi với môi trường dinh dưỡng và sinh tổng hợp
các chất cần thiết cho cơ thể.
Pha lũy tiến (pha logarit)- Thời gian: 5-12h- Đặc điểm: + Vi sinh vật phát triển và sinh trưởng theo lũy thừa+ Kích thước tế bào, thành phần hóa học, họat tính sinh lý không thay đổi theo thời
gian
Pha ổn định (pha cân bằng)- Thời gian: vài h đến vài ngày- Đặc điểm:+ Quần thể tế bào cân bằng động học+ Tốc độ sinh trưởng phụ thuộc vào nồng độ cơ chất
Pha tử vong- Thời gian: 2-3 ngày đến hàng tháng- Đặc điểm: số lượng tế bào có khả năng sống giảm rất nhanh theo lũy thừa- Nguyên nhân:+ Môi trường cạn thức ăn+ Môi trường bị nhiễm độc
98
Các yếu tố ảnh hưởng đến vi sinh vật
Các yếu tố môi trường- Yếu tố vật lý- Yếu tố hóa học- Yếu tố sinh học
Những biến đổi gây ra đối với vi sinh vật- Phá hủy thành tế bào- Thay đổi tính thấm của màng tế bào chất- Thay đổi đặc tính keo của nguyên sinh chất- Kìm hãm họat tính của enzym- Phá hủy các quá trình sinh tổng hợp
99
Các yếu tố vật lý Độ ẩm môi trường- Chức năng: hòa tan và khuếch tán chất dinh dưỡng vào tế bào- Tác động: loại nước ra khỏi tế bào, trao đổi chất giảm, tế bào chết
Áp lực môi trường- Áp suất thẩm thấu: ưu trương – co nguyên sinh chất;nhược trương- trương nguyên sinh chất tế bào
chết- Áp suất thủy tĩnh: làm VSV chậm hoặc mất khả năng di chuyển, làm ngừng sinh trưởng, làm thay đổi quá trình
trao đổi chất nhưng không làm chết tế bào (vi sinh vật ở các mỏ dầu: 200-300atm)
Âm thanh (sóng siêu âm)- Tác động trực tiếp: làm tăng độ nhớt môi trường, tăng sức căng bề mặt- Tác động gián tiếp: làm ion hóa một phần các chất khí hòa tan và tạo thành H2O2 và NO, độc hại cho vi sinh
vật
Nhiệt độ- Nhiệt độ cao: 60-70oC - làm chết tế bào VSV, nấm men, nấm mốc- Nhiệt độ thấp: không thể hiện hoạt động sống nhưng vẫn giữ được khả năng sống
Sức căng bề mặt: giúp VSV sinh trưởng và khuếch tán đồng đều trong dung dichj- Chất làm giảm sức căng bề mặt: axit béo, alcohol, hydrocacbon- Chất làm tăng sức căng bề mặt: muối vô cơ
Các tia bức xạ- Tia tử ngoại (10-300nm):gây đột biến hoặc chết vi sinh vật tùy loại VSV và cường độ chiếu, thời gian chiếu- Sóng vô tuyển điện (10-50nm; <10nm): nhiệt độ môi trường tăng rất cao và nhanh, làm chết VSV
100
Các yếu tố hóa học
pH
Các chất diệt khuẩn- Phenol và các hợp chất của phenol: phá hủy tính bán thấm của màng tế bào và làm biến tính
protein
- Alcohol: phân tử càng cao diệt khuẩn càng mạnh. Gây kết tủa protein.
- Halogen: khí clo và các hợp chất như cloramin, cloran, I2
- Kim loại nặng Ag, Hg, Cu ,Ar: bất họat nhóm –SH trong cấu trúc của protein và kết tủa protein
- Các chất oxi hóa mạnh H2O2, KMnO4: kìm hãm nhóm –SH
- Thuốc nhuộm: tác dụng liên kết với protein trong tế bào dẫn đến những biến đổi có hại cho tế bào
- Xà phòng: là muôi kali hoặc natri của các axit béo bậc cao. Loại bỏ VSV khỏi bề mặt do làm giảm sức căng bề mặt
- Sản phẩm của quá trình trao đổi chất: quá lớn sẽ ức chế ngược VSV chuyển hóa
101
Sản phẩm của quá trình sinh trưởng VSV
Chuyển hóa bậc 1 - sản phẩm sơ cấp: dạng chuyển hóa hình thành trong pha sinh trưởng lũy tiến
Chuyển hóa bậc 2 - sản phẩm thứ cấp: dạng chuyển hóa hình thành trong cuối pha sinh trưởng cân lũy tiến và cuối pha sinh trường cân bằng
- Các sản phẩm thứ cấp không cần thiết cho sự sinh trưởng và tái tạo
- Sự hình thành sản phẩm thứ cấp phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện nuôi cấy, thành phần môi trường
- Tạo ra với một lượng lớn hơn hẳn sản phẩm sơ cấp- Được tạo ra không chỉ từ cơ chất mà có thể từ sản
phẩm sơ cấp và các sản phẩm trung gian tích lũy trong quá trình nuôi cấy
Mối quan hệ giữa sản phẩm sơ cấp và thứ cấp- Các con đường trao đổi chất của sản phẩm thứ cấp
đều nảy sinh từ quá trình trao đổi sơ cấp
102
Bản chất của quá trình lên men
Khái niệm: lên men là quá trình oxy hóa khử sinh học được thực hiện nhờ các họat động sống của vi sinh vật (enzym) nhằm cung cấp năng lượng và các hợp chất trung gian cần thiết cho chúng.
Quá trình lên men: 2 pha Pha sinh trưởng- Chức năng:Sinh tổng hợp protein và xây dựng tế bào- Tế bào VSV: sinh trưởng nhanh- Thời gian: nhân giống cho đến khi sinh khối ngừng phát triển, tích lũy nhiều sản
phẩm lên men- Môi trường: giàu C, N, P- Sản phẩm trao đổi chất: hàm lượng rất thấp
Pha tích tụ các sản phẩm trao đổi thứ cấp- Chức năng: tích tụ sản phẩm trao đổi chất- Môi trường: cạn dần dinh dưỡng- Tế bào VSV: sinh khối giảm dần
103
Phương pháp lên men
Phân loại theo hình thức lên men- Phương pháp lên men tĩnh (theo mẻ): dịch ngâm các vật liệu thô được chuyển vào tăng lên men. pH và
nhiệt độ được điều chỉnh kèm theo việc bổ sung các chất dinh dưỡng vào dịch ngâm. Dịch ngâm sau đó được thanh trùng hơi và chủng giống vi sinh vật được bổ sung vào. Sau 1 thời gian thích hợp, sản phẩm được lấy ra khỏi tăng lên men.
- Phương pháp lên men liên tục: Cơ chất được bổ sung vào tăng lên men liên tục với tốc độ cố định.Vi sinh vật được giữ phát triển trong pha sinh trường lũy tiến. Sản phẩm được lấy ra liên tục.
Phân loại theo cách thức hô hấp- Phương pháp lên men hiếu khí: là quá trình lên men diễn ra dưới điều kiện phải cung cấp oxi. Oxi là chất
nhận điện tử cuối cùng. Yêu cầu quá trình khuấy trộn và thông khí
- Phương pháp lên men yếm khí: là quá trình lên men diễn ra dưới điều kiện không có oxy. Yêu cầu quá trình thông khí nhẹ cho pha sinh trưởng khởi đầu và khuấy trộn để hòa trộn môi trường và duy trì nhiệt độ nuôi cấy.
Phân loại theo cách thức nuôi cấy- Phương pháp lên men bề mặt: vi sinh vật sinh trưởng trên bề mặt của môi trường lỏng không thông khí. Sau
một thời gian nuôi cấy, dịch lọc được phân tách khỏi sinh khối và thu hồi sản phẩm mong muốn. Phương pháp này đòi hỏi thời gian dài, không gian lên men rộng.
- Phương pháp lên men chìm: vi sinh vật sinh trưởng trong môi trường lỏng được thông khí và khuấy trộn mạnh mẽ môi trường nuôi cấy được lấy ra phụ thuộc vào tốc độ tạo thành sản phẩm và tốc độ dòng môi trường mới bổ sung.
- Phương pháp lên men bán rắn hoặc bán rắn: môi trường nuôi cấy được tẩm lên trên vật liệu mang như bã mía, bã bột mỳ, bột nhào khoai tây ... Và vi sinh vật sẽ sinh trưởng trên giá thể này. Bề mặt sinh trưởng lớn, Thu hồi sản phẩm dễ dàng.
104
Thiết bị lên men
Vật liệu: thép không rỉ
Cấu trúc và qui mô: hình trụ với thể tích phong phú từ 5-10l đến 500.000l
- Binh tam giác- Qui mô lên men phòng thí nghiệm: 1-10l- Qui mô lên men thực nghiệm: 300-3000l- Qui mô lên men thương mại: 10.000-500.000l
Thiết bị làm lạnh- Lớp áo lạnh: luân chuyển hơi hoặc nước- Ống ruột gà
Thiết bị phun khí: các lỗ trên vòng kim loại hoặc vòi phun. Dưới áp suất cao, khí được đẩy vào thiết bị lên men dưới dạng các bong bóng nhỏ và oxy được khuếch tán vào môi trường lên men
Thiết bị khuấy trộn- Hòa trộn các bong bóng khí vào chất lỏng- Hòa trộn các vi sinh vật vào dịch lên men đề
đồng nhất về mặt dinh dưỡng
105
Thu hồi sản phẩm
Phân tách tế bào và các cơ chất không tan ra khỏi dịch lên men- Lọc hoặc lắng- Ly tâm
Phá vỡ tế bào- Phương pháp vật lý- Phương pháp sinh học
Cô đặc sản phẩm
Các yếu tố cho phép lựa chọn phương thức thu hồi- Vị trí tồn tại của sản phẩm: nội bào hay ngoại bào- Hàm lượng sản phẩm trong dịch lên men- Giá thành của sản phẩm- Mục đích sử dụng cuối cùng của sản phẩm- Các tiêu chuẩn tối thiểu của sản phẩm- Các tạp chất có mặt trong sản phẩm lên men và đặc tính tự nhiên của nó có thể
ảnh hưởng đến các giai đoạn trong quá trình thu hồi sản phẩm
106
Quá trình thanh trùng
Thanh trùng môi trường- Điều kiện thanh trùng phụ thuộc+ Thành phần môi trường + Thể tích môi trường - Chế độ thanh trùng phổ biến: thanh trùng bằng hơi nước bão hòa ở
121oC, 20-40 phút- Thành phần nhạy cảm nhiệt: phin lọc (vitamin, nhân tố vi lượng…)
Thanh trùng thiết bị lên men- Sử dụng hơi nước bão hòa - VD thiết bị lên men 3000l cần 2-3h để đạt 121oC, 20-60 phút thành trùng
và làm lạnh mất 1h.
Thanh trùng khí- Phin lọc
107
Quá trình nhân giống và bảo quản giống
Nhân giống- Giống đông khô- Giống thạch nghiêng- Giống nuôi lắc- Nhân giống trong hệ thống nhân giống
Bảo quản giống- Môi trường thạch nghiêng: đơn giản, tiện lợi nhưng thời gian cấy
truyền ngắn. Dễ mất các hoạt tính ban đầu.- Lạnh đông (-25oC): đơn giản, thời gian bảo quản dài- Đông khô: thăng hoa phần nước có trong môi trường vi sinh vật
ở áp suất thấp. Tỷ lệ sống của VSV cao, các đặc tính di truyền không bị thay đổi, thời gian giữ giống dài.