Lê Xuân Ph••ng
VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG
5
- Vi khuẩn và vi nấm là sinh vật phân giải các chất hữu cơ thành các chất vô
cơ trong chu trình chuyển hoá vật chất của hệ sinh thái.
- Một số vi khuẩn, vi nấm cũng như một số động vật nguyên sinh là những
tác nhân gây nhiều bệnh cho cây trồng, vật nuôi cũng như con người.
- Một số vi khuẩn và vi nấm phá huỷ lương thực thực phẩm, vật liệu xây
dựng, kiến trúc, công nghiệp, mỹ thuật.
- Vi sinh vật mang lại lợi ích cho con người trong nhiều lĩnh vực công nghệ
chế biến thực phẩm, dược phẩm, công nghệ sinh học và môi trường.
1.2. CÁC NHÓM VI SINH VẬT CHÍNH
Vi sinh vật vô cùng phong phú cả về thành phần và số lượng. Chúng bao
gồm các nhóm khác nhau có đặc tính khác nhau về hình dạng, kích thước, cấu tạo
và đặc biệt khác nhau về đặc tính sinh lý, sinh hoá.
Dựa vào đặc điểm cấu tạo tế bào, người ta chia ra làm 3 nhóm lớn:
- Nhóm chưa có cấu tạo tế bào bao gồm các loại virus.
- Nhóm có cấu tạo tế bào nhưng chưa có cấu trúc nhân rõ ràng (cấu trúc nhân
nguyên thuỷ) gọi là nhóm Procaryotes, bao gồm vi khuẩn, xạ khuẩn và tảo lam.
- Nhóm có cấu tạo tế bào, có cấu trúc nhân phức tạp gọi là Eukaryotes bao
gồm nấm men, nấm sợi (gọi chung là vi nấm) một số động vật nguyên sinh và tảo
đơn bào.
1.2.1. Virus
1.2.1.1. Đặc điểm chung
Virus là nhóm vi sinh vật chưa có cấu tạo tế bào, có kích thước vô cùng nhỏ
bé, có thể chui qua màng lọc vi khuẩn. Nhờ có sự phát triển nhanh chóng của kỹ
thuật hiển vi điện tử, siêu ly tâm, nuôi cấy tế bào những thành tựu nghiên cứu về
virus đã được đẩy mạnh, phát triển thành một ngành khoa học gọi là virus học.
Virus không có khả năng sống độc lập mà phải sống ký sinh trong các tế bào
khác từ vi khuẩn cho đến tế bào động vật, thực vật và người, gây các loại bệnh hiểm
nghèo cho các đối tượng mà chúng ký sinh. Ví dụ như bệnh AIDS.
Virus là nhóm vi sinh vật được phát hiện ra sau cùng trong các nhóm vi sinh
vật chính vì kích thước nhỏ bé và cách sống ký sinh của chúng. Người phát hiện ra
virus lần đầu tiên là nhà bác học người Nga - Ivanôpski. Ông là một chuyên gia
nghiên cứu về bệnh khảm cây thuốc lá. Khi nghiên cứu về bệnh này ông đã phát
Lê Xuân Ph••ng
VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG
6
hiện ra rằng: Dịch lọc của lá cây bị bệnh khi cho qua màng lọc vi khuẩn vẫn có khả
năng gây bệnh. Từ đó ông rút ra kết luận: Nguyên nhân gây bệnh đốm thuốc lá phải
là một loại sinh vật nhỏ hơn vi khuẩn. Phát hiện này được công bố năm 1892, 6 năm
sau, năm 1898, nhà khoa học người Hà Lan Beijerinck cũng nghiên cứu về bệnh
khảm thuốc lá và có những kết quả tương tự, ông đặt tên mầm gây bệnh khảm thuốc
lá là virus. Tiếp đó người ta phát hiện ra một số virus khác gây bệnh cho động vật
và người. Đến năm 1915 đã phát hiện ra virus ký sinh trên vi khuẩn, gọi là thực
khuẩn thể (Bacteriophage).
1.2.1.2. Hình thái và cấu trúc của virus
1.2.1.2.1. Hình thái và kích thước
Virus có kích thước rất nhỏ bé, có thể lọt qua màng lọc vi khuẩn, chỉ có thể
quan sát chúng qua kính hiển vi điện tử. Kích thước từ 20 x 30 đến 150 x 300
nanomet (1 nm = 10
-6
mm)
Nhờ kỹ thuật hiển vi điện tử, người ta phát hiện ra 3 loại hình thái chung nhất
của virus. Đó là hình cầu, hình que và hình tinh trùng.
Hình que điển hình là virus đốm thuốc lá (virus VTL), chúng có hình que dài
với cấu trúc đối xứng xoắn. Các đơn vị cấu trúc xếp theo hình xoắn quanh 1 trục,
mỗi đơn vị gọi là capxome.
Loại hình cầu điển hình là một số virus động vật. Các đơn vị cấu trúc xếp teo
kiểu đối xứng 4 mặt, 8 mặt hoặc 20 mặt.
Loại có hình dạng tinh trùng phổ biến hơn cả là các virus ký sinh trên vi
khuẩn gọi là thực khiẩn thể hoặc Phage. Loại hình dạng này phần đầu có cấu trúc
đối xứng khối phần đuôi là có cấu trúc đối xứng xoắn.
1.2.1.2.2. Cấu trúc điển hình của virus
Kiểu cấu trúc phức tạp nhất của virus là cấu trúc của thực khuẩn thể (Phage).
Sau đây ta nghiên cứu cấu trúc của thực khuẩn thể T
4
ký sinh trên vi khuẩn E. Coli.
Thực khuẩn thể T
4
có 3 phần: đầu, cổ và đuôi. Đầu có dạng lăng kính 6 cạnh,
đường kính 65 nm dài 95 nm, cấu tạo bởi protein tạo thành vở capsit, vỏ capsit được
cấu tạo bởi 212 đơn vị capsome. Bên trong phần đầu có chứa một phân tử AND 2
sợi có phân tử lượng 1,2.10
8
.
Cổ là một đĩa 6 cạnh đường kính
37,5 nm có 6 sợi tua gọi là tua cổ. Đuôi
Lê Xuân Ph••ng
VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG
7
là một ống rỗng được bao bọc bởi bao
đuôi, bao đuôi có cấu tạo protein tạo
thành vỏ Capxit, kích thước 8 x 95 nm.
Phần rỗng trong đuôi gọi là trụ có đường
kính 2,5 - 3,5 nm.
Hình 1.2. Cấu trúc đơn của thực khuẩn thể (Phage)
Phần cuối cùng của đuôi là một đĩa gốc hình 6 cạnh giống như đĩa cổ từ đó
mọc ra 6 sợi gai gọi là chân bám.
Hình trên là cấu trúc điển hình của thực khuẩn thể T4.
Dựa trên cấu trúc cơ bản đó, thiên nhiên đã tạo ra hàng trăm hàng nghìn loại
virus khác nhau. Ví dụ như phần lõi không phải là tất cả các virus đều chứa AND,
có rất nhiều loại chứa ARN, chủ yếu là các virus thực vật. Chính từ loại này người
ta đã phát hiện ra quá trình sao chép ngược thông tin di truyền : ARN - AND. Sau
đây là đặc điểm kích thước và cấu trúc của một số virus điển hình:
Bảng 1.1
Virus Axit nucleic Kiểu đối xứng Kích thước (nm)
VR đậu mùa AND Khối 230 x 300
VR cúm ARN Xoắn 80 x 200
VR đốm thuốc lá ARN Xoắn 200 x 300
VR khoai tây ARN Xoắn 480 x 500
TKT T
4
AND Khối và xoắn
Đầu : 65 x 95
Đuôi : 8 x 95
Trong thành phần Protein của virus có 2 loại - Protein cấu trúc và Protein
men. Protein cấu trúc cấu tạo nên vỏ capxit từ các đơn vị hình thái capxome và vỏ
trong ở một số loại virus có vỏ trong. Protein men bao gồm men ATP - aza và men
Lizozym.
ATP - aza có chức năng phân huỷ ATP giải phóng năng lượng cho virus co rút
lúc xâm nhập vào tế bào chủ. Lizozym có chức năng phân huỷ màng tế bào vật chủ
Lê Xuân Ph••ng
VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG
8
Hình 1.3 So sánh kích thước của virut với phân tử sống và vi khuẩn hồng cầu
Lê Xuân Ph••ng
VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG
9
Hình 1.4 : Cấu trúc của các loại vi rút khác nhau
Lê Xuân Ph••ng
VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG
10
1.2.4. Một số virus điển hình
Dựa vào hình thái ngoài của virus người ta chia virus làm 3 loại: hình trụ
xoắn, hình khối đa điện và dạng phối hợp. Riêng hình khối đa diện chúng ta xét 2
đại diện virus Ađênô và virus trần là HIV là một dạng virus có vỏ bọc. Còn virus
hình trụ xoắn chúng ta nghiên cứu đại diện là virus khảm thuốc lá và dạng phối hợp
là phagơ T2 là một loại phagơ ở E.Coli.
Hinhg 1.7 c. Virut của E. coli (Phagơ)
Hình 1.5. Virus khảm thuốc lá (TMV)
Hình 1.6. Hình thái và cấu trúc phân tử của HIV
Lê Xuân Ph••ng
VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG
11
1.2.1.3. Quá trình hoạt động của virus trong tế bào chủ
Virus không có khả năng sống độc lập, chúng sống ký sinh trong tế bào sống.
Kết quả của quá trình ký sinh có thể xảy ra 2 khả năng: Khả năng thứ nhất là phá
vỡ tế bào làm tế bào chết và tiếp tục xâm nhập rồi phá vỡ các tế bào lân cận. Khả
năng thứ 2 là tạo thành trạng thái tiềm tan trong tế bào chủ, nghĩa là tạm thời không
phá vỡ tế bào mà chỉ hoạt động sinh sản cùng nhịp điệu với tế bào chủ. Ở những
điều kiện môi trường nhất định, trạng thái tiềm tan có thể biến thành trạng thái tan
phá vỡ tế bào. Những virus có khả năng phá vỡ tế bào gọi virus độc, những virus có
khả năng tạo nên trạng thái tiềm tan gọi là virus không độc.
1.2.1.3.1. Quá trình hoạt động của virus độc
Quá trình của virus độc chia làm 4 giai đoạn:
- Giai đoạn hấp thụ của hạt virus tự do trên tế bào chủ: Các hạt virus tự do
tồn tại ngoài tế bào không có khả năng hoạt động, chúng ở trạng thái tiềm sinh gọi
là hạt Virion. Khi gặp tế bào chủ, phụ thuộc vào tần số va chạm giữa hạt virion và tế
bào, va chạm càng nhiều càng có khả năng tìm ra các điểm thụ cảm trên bề mặt tế
bào gọi là các receptor. Lúc đó điểm thụ cảm của tế bào chủ và gốc đuôi của virus
kết hợp với nhau theo cơ chế kháng nguyên - kháng thể nhờ có thành phần hoá học
phù hợp với nhau. Kết quả là virus bám chặt lên bề mặt tế bào chủ. Mỗi loại virus
có khả năng hấp thụ lên một hoặc vài loại tế bào nhất định. Điều này giải thích được
tại sao mỗi loại virus chỉ gây bệnh cho một vài loại nhất định.
- Giai đoạn xâm hập của virus vào tế bào chủ:
Quá trình xâm nhập của virus vào tế bào chủ xảy ra theo nhiều cơ chế khác
nhau phụ thuộc vào từng loại virus và tế bào chủ.
Ở thực khuẩn thể T
4
sau khi virus bám vào điểm thụ cảm của tế bào chủ, nó
tiết ra men Lizozym thuỷ phân thành tế bào vi khuẩn. Sau đó dưới tác dụng của
ATP - aza bao đuôi của phage co rút làm cho trụ đuôi xuyên qua thành tế bào và
phân tử ADN được bơm vào bên trong tế bào chủ. Vỏ capxit vẫn nằm ở ngoài.
Người ta chứng minh được cơ chế trên nhờ phương pháp nguyên tử đánh dấu.
Ngoài cơ chế trên còn có một số cơ chế khác: ở một số virus động vật, sau
khi tiết ra men phân huỷ thành tế bào chủ, toàn bộ hạt virion lọt vào trong tế bào,
sau đó các men bên trong tế bào mới tiến hành phân huỷ vỏ Capxit giải phóng
ADN. Người ta gọi là quá trình này là quá trình “cởi áo”. Một số tế bào chủ lại có
Lê Xuân Ph••ng
VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG
12
khả năng bao bọc virion rồi “nuốt” theo kiểu thực bào. Sau đó có quá trình “cởi áo”
giải phóng ADN của virus.
- Giai đoạn sinh sản của virus trong tế bào chủ (sao chép và nhân lên).
Quá trình sinh sản của virus còn gọi là sự nhân lên của chúng. Đây là vấn đề
rất hấp dẫn của sinh học phân tử trong thời gian gần đây. Bằng các phương pháp
hiện đại người ta đã làm sáng tỏ quá trình nhân lên của virus. Sau khi phân tử ADN
của virus lọt vào tế bào chủ, quá trình tổng hợp ADN của tế bào chủ lập tức bị đình
chỉ. Sau đó quá trình tổng hợp protein của tế bào cũng ngừng và bắt đầu quá trình
tổng hợp các enzym này còn gọi là protein sớm vì nó là những protein được tổng
hợp đầu tiên sau quá trình xâm nhập. Khi các enzym này được hoàn thành, bắt đầu
xúc tác cho quá trình tổng hợp ADN của virus bằng nguyên liệu ADN của tế bào
chủ bị phân huỷ. Sau khi các phân tử ADN virus được tổng hợp đến một số lượng
nhất định quá trình này ngừng và bắt đầu quá trình tổng hợp Protein muộn bao gồm
vỏ Capxit của virus và các enzym có trong thành phần của virus trưởng thành. Các
quá trình này được tiến hành do sự điều khiển của bộ gen virus. Như vậy, 2 phần vỏ
và lõi virus được tổng hợp riêng biệt.
- Giai đoạn lắp ráp hạt virus và giải phóng chúng ra khỏi tế bào: Giai đoạn
này còn gọi là sự chín của virus. Sau khi các bộ phận của virus được tổng hợp riêng
biệt (axit nucleic, vỏ capxit, bao đuôi, đĩa gốc, lông đuôi) các thành phần lắp ráp lại
với nhau thành hạt virus trưởng thành, kết thúc thời kỳ tiềm ẩn, tức là thời kỳ trong
tế bào chưa xuất hiện virus trưởng thành. Thời kỳ tiềm ẩn kéo dài bao lâu tuỳ thuộc
từng loại virus/ Trong nhiều trường hợp các virus trưởng thành tiết men lizozym
phân huỷ thành tế bào và ra ngoài, tế bào bị phá vỡ. Các virus con tiếp tục xâm
nhập vào các tế bào xung quang và phá vỡ chúng. Ở một số virus, virus trưởng
thành không phá vỡ tế bào mà chui ra qua lỗ liên bào sang tế bào bên cạnh hoặc
được phóng thích nhờ quá trình đào thải của tế bào. Trong tế bào đầu tiên vẫn tiếp
tục quá trình tổng hợp virus mới. Ở cả 2 cơ chế, tế bào chủ sớm muộn cũng bị chết
hàng loạt. Đó là quá trình hoạt động của virus độc. Sau đây ta nghiên cứu quá trình
hoạt động của virus không độc.
1.2.1.3.2. Quá trình hoạt động của virus không độc
Lê Xuân Ph••ng
VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG
13
Virus không độc còn gọi là virus ôn hoà, hoạt động của nó không làm chết tế
bào chủ mà chỉ gây nên trạng thái tiềm tan, gọi là trạng thái Lyzogen. Virus sống
chung với tế bào chủ, sinh sản cùng nhịp điệu với nó.
Hiện tượng Lyzogen được phát hiện trên vi khuẩn, các phage này được gọi là
phage ôn hoà hoặc prophage. Tế bào có chứa prophage có khả năng miễn dịch với
các phage khác. Nguyên nhân của hiện tượng này là do prophage có khả năng tổng
hợp nên các protein có tác dụng kìm hãm sự nhân lên của virus lạ cũng như vản
thân prophage. Một số tác nhân đột biến làm mất hoạt tính hoặc làm ngừng sự tổng
hợp chất kìm hãm trên, dẫn đến sự thay đổi trạng thái Lyzogen, tức là biến trạng
thái tiềm tan thành trạng thái tan. Lúc đó phage ôn hoà biến thành phage độc và tế
bào chủ sẽ bị phá vỡ. Quá trình này ngoài tác nhân đột biến còn phụ thuộc vào hệ
gen của prophage và trạng thái sinh lý của tế bào cũng như đặc điểm nuôi cấy. Bởi
vậy, cùng một loài vi khuẩn, có những chủng cảm ứng với phage, có chủng không.
Khi nuôi chung hai chủng với nhau trên môi trường thạch đĩa có thể thấy rõ những
vệt bị tan trong thảm vi khuẩn không bị tan. Trong điều kiện tự nhiên, tần số biến
trạng thái tiềm tan thành trạng thái tan chỉ là 10
-2
- 10
-5
.
Lê Xuân Ph••ng
VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG
14
SỰ NHÂN LÊN CỦA VIRUS TRONG TẾ BÀO CHỦ
Hình 1.8 Các giai đoạn xâm nhiễm và phát triển của phagơ
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét