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.