Hình thể, cấu tạo và sinh lý của vi khuẩn

Hình thể, cấu tạo và sinh lý của vi khuẩn

HÌNH THỂ CỦA VI KHUẨN

Vi khuẩn thông thường có hình thể nhất định do vách tế bào xác định. Một số không vách ( hình thức L) như Mycoplasma không có hình thể nhất định. Đường kính trung bình của vi khuẩn khỏang 1mm . Những đại diện nhỏ nhất như Mycoplasma có đường kính khỏang 0,1mm  và những đại diện lớn hơn có kích thước hàng chục mm như Spirilium volutans 20mm. Các vi khuẩn gây bệnh có kích thước từ 0,2mm đến 10mm

Về hình thể người ta có thể chia vi khuẩn thành cầu khuẩn, trực khuẩn và vi khuẩn hình xoắn.

Cầu khuẩn :

Là những vi khuẩn hình cầu, hình trứng hay hình hạt cà phê

Micrococci (Đơn cầu)

Đây là những cầu khuẩn xếp hàng đều hoặc không đều, đó là những tạp khuẩn tìm thấy trong không khí và nước.

Diplococci (Song cầu)

Là những cầu khuẩn xếp từng đôi phân chia trong một mặt phẳng. Một số gây bệnh cho người như phế cầu, lậu cầu, cầu khuẩn màng não.

Stretococci (Liên cầu):

Là những cầu khuẩn xếp thành chuỗi ngắn hoặc dài. Một số lọai gây bệnh cho người như Streptococcus pyogenes thuộc nhóm A của Lancefield.

Tetracocci (Tứ cầu)

Các cầu khuẩn hợp thành 4, phân chia theo hai mặt phẳng, rất ít khi gây bệnh.

Sarcina (Bát cầu)

Các cầu khuẩn xếp thành 8-16 con, phân chia theo ba mặt phẳng, thường tìm thấy trong không khí.

Staphylococci (Tụ cầu)

Các cầu khuẩn hợp thành đám như chùm nho, phân chia theo mặt phẳng, một số loại gây bệnh cho người và thường phát triển nhanh chóng tính đề kháng với nhiều kháng sinh.

Trực khuẩn

Là những vi khuẩn có hình que thẳng.

Bacteria

Là những trực khuẩn hiếu khí, không tạo nha bào như vi khuẩn đường mật, vi khuẩn bạch cầu, vi khuẩn lao...

Bacilli

Là những trực khuẩn hiếu khí tuyệt đối tạo nha bào ví dụ trực khuẩn bệnh than.

Clostridia

Là những trực khuẩn kỵ khí Gram dương tạo nha bào, ví dụ trực khuẩn uốn ván, trực khuẩn ngộ độc thịt.

Vi khuẩn hình xoắn

Phẩy khuẩn

Chỉ có một phần của hình xoắn nên có hình dấu phẩy, ví dụ phẩy khuẩn tả.

Xoắn khuẩn

Có nhiều vòng xoắn, ví dụ xoắn khuẩn giang mai, Leptospira, Borrelia.

CẤU TẠO CỦA TẾ BÀO VI KHUẨN

Khác với các thành viên của protista lớp trên có nhân thật như tế bào động vật và thực vật, vi khuẩn có tế bào nhân sơ, nhân chỉ có một nhiễm sắc thể, không có màng nhân, không có ti lạp thể, không có bộ máy phân bào nhưng các tế bào lại phức tạp hơn.

Vách tế bào 

Sự hiện diện của vách tế bào ở vi khuẩn được phát hiện bằng hiện tuợng ly tương, bằng cách nhuộm và bằng phân lập trực tiếp.

Tác dụng cơ học như siêu âm phối hợp với ly tâm cho phép thu hoạch vách tế bào ròng, tách rời khỏi nguyên tương.

Vách tế bào vi khuẩn gram dương

Kính hiển vi điện tử cho thấy vách tế bào dày từ 15 đến 50 nm. Thành phần chủ yếu là mucopeptit gọi là murein, một chất trùng hợp mà những đơn vị hoá học là những đường amin. N-acetyl glucosamin và axít N-acetyl muramic và những chuỗi peptit ngắn chứa alanin, axít glutamic và axít diaminopimelic hoặc lysin. Ngoài ra vách tế bào của một số vi khuẩn gram dương còn chứa axít teichoic. Ở một vài lọai vi khuẩn, axít teichoic chiếm tới 30% trọng lượng khô của vách tế bào.

Vách tế bào vi khuẩn Gram âm  gồm ba lớp

Lớp mucopeptit mỏng hơn khỏang 10nm và hai lớp lipoprotein và lipopolysaccharide ở bên ngoài, lớp lipoprotein chứa tất cả những axít amin thông thường. Không có axít teichoic, vách tế bào vi khuẩn gram âm chứa một lượng lipit đáng kể, khoảng 20 % trọng lượng khô của vách tế bào.

Chức năng của vách tế bào 

Vách tế bào vi khuẩn có nhiều chức năng:

Duy trì hình thể của vi khuẩn: Vách cứng tạo nên bộ khung, làm cho vi khuẩn có hình thể nhất định .

Quyết định tính bắt màu gram của vi khuẩn: Sự bắt màu gram khác nhau ở vi khuẩn gram dương và gram âm là do tính thẩm thấu khác nhau đối với cồn của hai nhóm vi khuẩn đó. Nếu dùng lysozym biến đổi vi khuẩn gram dương thành protoplast không có vách thì protoplast lại bắt màu gram âm.

Tạo nên kháng nguyên thân O của vi khuẩn đường ruột: Để điều chế  kháng nguyên 0 của vi khuẩn đường ruột xử lý vi khuẩn không di động bằng nhiệt và cồn.

Tạo nên nội độc tố của vi khuẩn đường ruột. Nội độc tố chỉ được giải tỏa lúc vi khuẩn bị li giải. Ở vi khuẩn đường ruột, nội độc tố là những phức hợp lipopoly-saccarit dẫn xuất từ vách tế bào.

Màng nguyên  tương

Là màng bán thấm dày khoảng 10nm nằm sát vách tế bào. Người ta có thể chứng minh sự hiện diện của nó bằng hiện tượng ly tương hoặc nhuộm với xanh Victoria 4R. Nó chứa 60-70% lipit, 20-30% protein và một lượng nhỏ hydrat cacbon. Màng nguyên tương có chức năng rào cản thẩm thấu của tế bào, ngăn cản không cho nhiều phẩm vật vào bên trong tế bào nhưng lại xúc tác việc chuyên chở họat động của nhiều phẩm vật khác vào bên trong tế bào. Hơn nữa màng tế bào chứa nhiều hệ thống enzyme và vì vậy có chức năng giống như ti lạp thể của động vật và thực vật. Màng nguyên tương cho thấy những chỗ lõm vào gọi là mạc thể. Ở vi khuẩn Gram dương mạc thể khá phát triển cho thấy hình ảnh nhiều lá đồng tâm. Ở vi khuẩn Gram âm mạc thể chỉ là vết nhăn đơn giản.

Nguyên tương

Là cấu trúc được bao bọc bên ngoài bởi màng nguyên tương, ở trạng tháí gel, cấu trúc này gồm 80% nước, các protein có tính chất enzyme, cacbohydrat, lipid và các ion vô cơ ở nồng độ cao, và các hợp chát có trọng lượng phân tử thấp. Nguyên tương chứa dày đặc những hạt hình cầu đường kính 18nm gọi là ribôsôm. Ngoài ra còn có thể tìm thấy những hạt dự trữ glycogen, granulosa hoặc polymetaphotphat.

Nhân tế bào 

Có thể thấy với kính hiển vi ánh sáng sau khi nhuộm hoặc soi trực tiếp ở kính hiển vi pha tương phản. Nhân có thể hình cầu, hình que, hình quả tạ hoặc hình chữ V. Khảo sát ở kính hiển vi điện tử nhân không có màng nhân và bộ máy phân bào. Nó là một sợi DNA trọng lượng phân tử 3x10⁹ dallon và chứa một nhiễm sắc thể  duy nhất dài khoảng 1mm nếu không xoắn. Nhân nối liền ở một đầu với thể mạc. Sự nối liền này giữ một vai trò chủ yếu trong sự tách rời 2 nhiễm sắc thể con sau khi sợi nhiễm sắc thể mẹ tách đôi. Trong sự phân chia nhân hai mạc thể qua chổ nối liền với màng nguyên tương di chuyển theo những hướng đối nghịch theo hai nhóm con nối liền với chúng. Như thế màng nguyên tương tự động như một bộ máy thô sơ của sự gián phân với mạc thể đảm nhận vai trò thai vô sắc.

Lông của vi khuẩn

Lông chịu trách nhiệm về tính di động của vi khuẩn. Người ta quan sát sự di động của vi khuẩn ở kính hiển vi nhìn ơ giọt treo hoặc đặt một giọt vi khuẩn ở lam kính và phủ một lá kính mỏng. Lông dài 3-12 mm hình sợi gợn sóng, mảnh  10- 20nm ) nên phải nhuộm với axít tannic đê tạo thành một lớp kết tủa làm dày lông dễ phát hiện. Lông phát xuất từ thể đáy ngay bên dưới màng nguyên tương và có chuyển động xoay tròn. Bản chất protein nó tạo nên do sự tập hợp những đơn vị phụ gọi là flagellin tạo thành một cấu trúc hình trụ rỗng. Cách thức mọc lông là một đặc tính di truyền. Ở một số loại nhiều lông mọc quanh thân, ở một số lọai một lông mọc ở cực và ở một số loại khác một chùm lông ở một cực. Nếu lông bị làm mất đi bằng cơ học thì lông mới được tạo thành nhanh chóng. Lông đóng vai trò kháng nguyên như kháng nguyên H ở vi khuẩn đường ruột.

Pili 

Là những phụ bộ hình sợi, mềm mại hơn lông, mảnh hơn nhiều và có xu hướng thẳng đường kính 2-3 nm và dài từ 0,3-1nm, tìm thấy từ một đến hằng trăm ở mặt ngoài vi khuẩn, bản chất protein. Pili phát xuất ở trong màng nguyên tương và xuyên qua vách tế bào. Pili được tìm thấy ở vi khuẩn gram âm nhưng cũng có thể tìm thấy ở một số vi khuẩn gram dương. Pili F có nhiệm vụ trong sự tiếp hợp. Những pili khác giúp cho vi khuẩn bám vào niêm mạc hoặc bề mặt khác của tế bào.

Vỏ của vi khuẩn 

Vỏ là một cấu trúc nhầy bọc quanh vách tế bào của một  số vi khuẩn, thường là polysaccharide, chỉ có vỏ của B.anthracis là một polypeptide acid D-glutamic. Vỏ có thể phát hiện dễ dàng ở huyền dịch mực tàu, ở đó nó hiện ra như một vùng sáng giữa môi trường mờ đục và tế bào vi khuẩn trông rõ hơn. Cũng có thể phát hiện bằng phản ứng phình vỏ hoặc bằng kỹ thuật nhuộm đặc biệt. Sự đột biến tạo thành vỏ rất dể nhận biết vì tế bào có vỏ tạo nên khuẩn lạc bóng láng hoặc nhầy M trong khi tế bào không vỏ tạo nên khuẩn lạc xù xì R. Nhiệm vụ duy nhất được biết của vỏ là bảo vệ vi khuẩn chống thực bào và chống virut muốn gắn vào vách tế bào .

Nha bào

Những thành viên của Bacillus, Clostridium và Sporosarcina tạo thành nội nha bào dưới ảnh hưởng của môi trường bên ngoài không thuận lợi, mỗi tế bào làm phát sinh một nha bào. Nha bào có thể nằm ở giữa, ở đầu nút hoặc gần đầu nút tùy theo loài, vách nha bào chứa những thành phần mucopeptide và axít dipicolinic. Sự dề kháng của nha bào với hóa chất độc là do tính không thẩm thấu của vách nha bào, sự đề kháng với nhiệt liên hệ đến trạng thái mất nước cao. Vì chịu đựng với điều kiện không thụân lợi bên ngoài nha bào góp phần quan trọng trong khả năng lây bệnh của trực khuẩn hiếu khí tạo nha bào như trực khuẩn than hoặc trực khuẩn kỵ khí tạo nha bào như Clostridia, nhất là trực khuẩn uốn ván, hoại thư, sinh hơi, ngộ độc thịt.

SINH LÝ VI KHUẨN

Như các sinh vật khác vi khuẩn cũng dinh dưỡng, chuyển hoa và phát triển.

Sự dinh dưỡng

Để phát triển vi khuẩn đòi hỏi môi trường nuôi cấy chứa đầy đủ những yếu tố dinh dưỡng bao gồm những hợp chất cần thiết để cung cấp năng lượng và những hợp chất được dùng làm nguyên liệu để tổng hợp những vật liệu mới của tế bào. Về nguyên liệu tổng hợp, vi khuẩn đòi hỏi những nhu cầu về muối khoáng như PO₄^3-, K⁺, Mg²⁺ với lượng đáng kể, một số ion ( nguyên tố vi lượng ) chỉ cần ở một nồng độ rất thấp như Fe²⁺, Zn²⁺, Mo²⁺, Ca²⁺, các ion này thường tìm thấy trong nước và trong các muối khoáng không tinh khiết. Nguồn C do thức ăn năng lượng cung cấp. Nguồn N thông thưòng là protein hoặc một muối amoni.

Phần lớn vi khuẩn nếu được cung cấp đầy đủ những yếu tố trên thì có khả năng tổng hợp các chất cấu tạo của tế bào. Nhưng một số vi khuẩn mất khả năng tổng hợp một vài hợp chất và đòi hỏi đưọc cung cấp ở trong môi trường nuôi cấy. Đó là những yếu tố phát triển; chúng được chia thành hai loại, một loại cần được cung cấp từng lượng nhỏ và đảm nhận chức vụ xúc tác như một thành phần của một enzyme ví dụ vitamin B, một loại cần được cung cấp từng lượng lớn và được dùng làm nguyên liệu cấu tạo tế bào như axit amin, purin, pyrimidin.

Ngoài ra những điều kiện vật lý như nhiệt độ pH, áp suất oxy cùng ảnh hưởng đến sự phát triển cân được điều chỉnh thích hợp.

Sự chuyển hóa

Bao gồm tất cả những phản ứng hóa học xảy ra ở những tế bào sống. Nhờ những phản ứng đó năng lượng được chiết từ môi trường và được sử dụng cho sinh tổng hợp và phát triển. Trong chuyển hóa quan trọng nhất là sự oxy hóa sinh học.

Sự oxy hóa sinh học

Sự oxy hóa được định nghĩa như là sự loại bỏ điện tử từ một cơ chất kèm theo sự loại bỏ ion hydrô tức là sự loại bỏ nguyên tử hydrô. Vì vậy sự oxy hóa được xem như là sự vận chuyển nguyên tử hydrô. Cơ chất bị oxy hóa được gọi là chất cho hydrô và phẩm vật bị khử được gọi là chất nhận hydro. Phần lớn hợp chất hữu cơ mất ion hydrô do loại bỏ điện tử. Điện tử không thể ở trạng thái tự do trong dung dịch và không thể loại bỏ khỏi một cơ chất nếu không có một chất thích hợp để nhận nó. Sự vận chuyển điện tử là cốt lõi của sự oxy hóa và sự khử.

Tùy theo bản chất của chất nhận hydro cuối cùng người ta chia sự oxy hóa  sinh học thành ba hình thức : Hô hấp hiếu khí, hô hấp kỵ khí và lên men. Chất nhận hydrô cuối cùng là oxy phân tử (O₂) trong sự hô hấp hiếu khí, là một hợp chất vô cơ (nitrat, sulfat, cacbonat ) trong sự hô hấp kỵ khí, là một hợp chất hữu cơ trong sự lên men.

Về nhu cầu oxy người ta chia thành :

Vi khuẩn hiếu khí bắt buộc như vi khuẩn lao và một vài trực khuẩn tạo nha bào, những vi khuẩn này đói hỏi oxy vì thiếu khả năng lên men.

Vi khuẩn kỵ khí bắt buộc như Clostridia, Propionibactrium, chúng chỉ phát triển khi không có oxy.

Vi khuẩn tùy ý như nấm men, vi khuẩn đường ruột. Những vi khuẩn này có thể sống không có oxy nhưng đổi thành chuyển hóa hô hấp lúc có oxy.

Sự hô hấp hiếu khí

Chất nhận hydrô cuối cùng là oxy phân tử. Cơ chất thông thường là đường nhưng cũng có thể là axít béo, axít amin. Điện tử được chuyển từ chất cho hydrô đến chất nhận hydrô qua nhiều bước. Điện tử lấy từ chất cho hydro có thể đầu tiên chuyển đến một coenzyme thứ nhất A, A do đó bị khử thành AH₂. Một enzyme khác lại xúc tác sự chuyển điện tử từ AH₂ đến một  coenzyme thứ hai B. AH₂ do đó được oxy hóa trở lại thành A và B trở nên trở thành BH. Quá trình này có thể tiếp diễn qua nhiều bước tạo nên dây chuyền hô hấp điện tử từ chât cho hydrô đến oxy

Hình 1: minh hoạ về dây chuyền điện tử

Kết quả cuối cùng là sự hình thành một sản phẩm oxy hóa, một sản phẩm khử và năng lượng. Năng lượng phát sinh hoặc được dự trữ trong các dây nối sẵn năng lượng hoặc tỏa thành nhiệt.

Sự hô hấp kỵ khí  

Cơ chất có thể là hợp chất hữu cơ nhưng cũng có thể là chất vô cơ. Chất nhận điện tử ở đây không phải oxy không khí mà là nitrat, sulfat, cacbonat....

Sự lên men

Cơ chất là hợp chất hữu cơ nhưng chât nhân điện tử cũng là hợp chất hữu cơ. Ở đây, trong dây chuyền điện tử thông thường chỉ có NAD là chất mang điện tử trung gian. 

Hình 2: Sự chuyển điện tử trong sự lên men

So với sự hô hấp, sự lên men kém hiệu quả hơn nhiều, nó cung cấp ATP 19 lần ít hơn đối với 1 mol glucoza chuyển hóa. Một vi khuẩn phát triển với một lượng giới hạn glucoza cho thấy hiệu suất phát triển (trọng lượng khô vi khuẩn / trọng lượng cơ chất chuyển hóa) lớn hơn trong điều kiện hiếu khí so với điều kiện kỵ khí.

Sự phát triển của vi khuẩn

Tế bào nhân lên trong sự phát triển. Ở vi khuẩn đơn bào, sự phát triển làm gia tăng số lượng vi khuẩn ở một sản phẩm cấy. Vi khuẩn nhân lên bằng phân liệt. Một thế hệ được định nghĩa như là sự tăng đôi tế bào. Thời gian thế hệ là khỏan thời gian cần thiết dể tăng đôi số tế bào. Thời gian thế hệ thay đổi tùy lọai vi khuẩn, 20 phút ở E.coli, 20 - 24 giờ ở vi khuẩn lao.

Sự phát triển lũy thừa :

Vì hai tế bào con có thể phát triển cùng một tốc độ như tế bào mẹ nên số tế bào trong ruột sản phẩm cấy tăng lên với thời gian như một cấp số nhân 2⁰, 2¹, 2², 2³.....Nghĩa là sự phát triển lũy thừa.

Tốc độ phát triển của một sản phẩm cấy ở một thời gian xác định tỷ lệ với số tế bào hiện diện ở thời gian đó. Sự liên hệ này có thể biểu thị dưới dạng phương trình sau

dN

-------=  kN                               (1)

dT

Phân tích phương trình trên ta có :

N  =  N₀  e ^kt                                     (2)

Trong đó N₀ là số tế bào ở thời gian 0 và N là số tế bào ở bất kỳ thời gian t sau đó. Trong phương trình (2), k là hằng số phát triển :

Giải phương trình theo k ta có :

                         Ln N  - Ln N₀

 k    =--------------------------------    (3)

                                    t

Chuyển sang logarit thập phân

          log N - log N₀            

k   =   -----------------2,302

                t₂  -    t₁

Như vậy k biểu thị tốc độ ở đó logarit tự nhiên của số tế bào tăng lên với thời gian và có thể xác định bằng đồ thị.

Hình 3. Tốc độ ở đó logarit tự nhiên của số tế bào tăng lên với thời gian.

Đường biểu diễn phát triển :

Cấy vào một môi trường lỏng những vi khuẩn lấy từ một sản phẩm cấy trước đó đã phát triển đên bão hòa, lần lượt xác định số tế bào trong một 1ml và biểu diển logarit của nồng độ tế bào theo thời gian thì thu được đường biểu diễn phát triển.

Đường biểu diển gồm 4 pha:

Hình 4. Đường biểu diễn phát triển

A :Pha tiềm ẩn  B: pha lũy thừa  C: pha dừng  D: pha chết.

Pha tiềm ẩn: Biểu thị giai đọan ở đó tế bào bắt đầu thích nghi với môi trường mới. Enzyme và chất chuyển hóa trung gian đưọc tạo thành và tích lũy cho đến khi đạt đến một nồng độ mà sự phát triển có thể bắt đầu trở lại.

Pha lũy thừa: Trong pha này tốc độ phát triển không đổi. Tất cả các vi khuẩn điều nhân lên với một tốt độ không đổi và kích thước trung bình của tế bào cũng không đổi.

Hiện tượng này được tiếp tục duy trì cho đến khi một trong hai sự kiện sau này xảy ra. Một hay nhiều thức ăn trong môi trường bị thiếu hụt hoặc sản phẩm chuyển hóa độc tích tụ nhiều. Đối với vi khuẩn hiếu khí thức ăn đầu tiên trở nên giới hạn là oxy. Lúc nồng độ tế bào khoảng 10⁷/ml trong trường hợp vi khuẩn hiếu khí, tốc độ vi khuẩn giảm xuống nếu oxy không được cho vào môi trường bằng cách khuấy hoặc bơm không khí. Lúc nồng độ tế bào đạt đến 4-5 x 10 ⁹/ml tốc độ khuếch tán của oxy không thể thoả mãn nhu cầu ngay cả ở môi trường thoáng khí và sự phát triển dần dần giảm tốc độ.

Pha dừng: ở giai đoạn này sự thiếu hụt thức ăn và sự tích lũy vật phẩm độc làm cho số lượng tế bào dừng lại hoàn toàn. Các vi khuẩn sinh sản ít dần và sự phát triển về khối lượng cũng giảm dần, có một số tế bào chết nhưng được bù lại nhờ sự tạo thành một số tế bào mới.

Pha chết: Bắt đầu sau một thời gian ở pha đừng, thời gian này thay đổi theo từng loài vi khuẩn và điều kiện nuôi cấy. Vi khuẩn chết càng ngày càng nhiều. Thông thường sau khi tế bào chết, một số tế bào tiếp tục sống nhờ thức ăn phóng thích từ những tế bào bị ly giải.