CẤU TRÚC CỦA TẾ BÀO VI KHUẨN

1.    Thành tế bào :

Thành tế bào (cell wall) giúp duy trì hình thấi của tế bào, hỗ trợ sự chuyển động của tiên mao (flagellum) , giúp tế bào đề kháng với áp suất thẩm thấu, hỗ trợ quá trình phân cắt tế bào , cản trở sự xâm nhập của một số chất có phân tử lớn, liên quan đến tính kháng nguyên , tính gây bệnh, tính mẫn cảm với Thực khuẩn thể (bacteriophage).

         Năm 1884 H.Christian Gram đã nghĩ ra phương pháp nhuộm phân biệt để phân chia vi khuẩn thành 2 nhóm khác nhau : vi khuẩn Gram dương (G+) và vi khuẩn Gram âm (G-). Phương pháp nhuộm Gram về sau được sử dụng rộng rãi khi định loại vi sinh vật. Thành phần hoá học của 2 nhóm này khác nhau chủ yếu như sau :

A-   Vi khuẩn Gram dương

B-    Vi khuẩn Gram âm

Peptidoglycan là loại polyme xốp, khá bền vững, cấu tạo bởi 3 thành phần:

         -N-Axetylglucozamin ( N-Acetylglucosamine, NAG)

         -Axít N-Axetylmuramic (N-Acetylmuramic acid, NAM)

         -Tetrapeptid chứa cả D- và L- axit amin

Thành tế bào vi khuẩn Gram dương

Thành tế bào vi khuẩn Gram âm

         2- Màng sinh chất:

         Màng sinh chất hay Màng tế bào chất (Cytoplasmic membrane, CM) ở vi khuẩn cũng tương tự như ở các sinh vật khác. Chúng cấu tạo bởi 2 lớp phospholipid (PL), chiếm 30-40% khối lượng của màng, và các protein (nằm trong, ngoài hay xen giữa màng), chiếm 60-70% khối lượng của màng. Đầu phosphat của PL tích điện, phân cực, ưa nước ; đuôi hydrocarbon không tích điện, không phân cực, kỵ nước.

CM có các chức năng chủ yếu sau đây:

-                           Khống chế sự qua lại của các chất dinh dưỡng, các sản phẩm trao đổi chất

-                           Duy trì áp suất thẩm thấu bình thường trong tế bào.

-                           Là nơi sinh tổng hợp các thành phần của thành tế bào và các polyme của bao nhày (capsule).

-                           Là nơi tiến hành quá trình phosphoryl oxy hoá và quá trình phosphoryl quang hợp (ở vi khuẩn quang tự dưỡng)

-                           Là nơi tổng hợp nhiều enzym, các protein của chuỗi hô hấp.

-                           Cung cấp năng lượng cho sự hoạt động của tiên mao

Sinh viên điền chú thích theo hướng dẫn của giáo viên

Cấu trúc của đầu và đuôi của phospholipid

2.    Tế bào chất :

Tế bào chất (TBC-Cytoplasm) là phần vật chất dạng keo nằm bên trong màng sinh chất, chứa tới 80% là nước. Trong tế bào chất có protein, axit nucleic, hydrat carbon, lipid, các ion vô cơ và nhiều nhiều chất khác có khối lượng phân tử thấp. Bào quan đáng lưu ý trong TBC là ribosom (ribosome). Ribosom nằm tự do trong tế bào chất và chiếm tới 70% trọng lượng khô của TBC. Ribosom gồm 2 tiểu phần (50S và 30S), hai tiểu phần này kết hợp với nhau tạo thành ribosom 70S. S là đơn vị Svedberg- đại lượng đo tốc độ lắng khi ly tâm cao tốc. Cấu trúc của ribosom vi khuẩn so với ribosom 80S ở các sinh vật nhân thật (nấm, thực vật, động vật) được trình bày trong bảng sau đây (Giáo viên giảng để sinh viên chú thích vào hình bằng tiếng Việt)

Ribosom ở vi khuẩn

So sánh Ribosom ở Vi khuẩn và ở các Sinh vật nhân thật (Eukaryotic ribosome)

Trong tế bào chất của vi khuẩn còn có thể gặp các chất dự trữ như các hạt glycogen, hạt PHB (Poly-ß-hydroxybutyrat), Cyanophycin, Phycocyanin, các hạt dị nhiễm sắc (metachromatic body), các giọt lưu huỳnh...

Ở loài vi khuẩn diệt côn trùng Bacillus thuringiensis và Bacillus sphaericus  còn gặp tinh thể độc  (parasoral body) hình quả trám, có bản chất protein và chứa những độc tố có thể giết hại trên 100 loài sâu hại (tinh thể độc chỉ giải phóng độc tố trong môi trường kiềm do đó các vi khuẩn này hoàn toàn vô hại với người, gia súc, gia cầm, thuỷ hải sản- có hại đối với tằm). Bacillus sphaericus có thể diệt cung quăng của các loài muỗi.

         Bào tử (spore) và Tinh thể độc (Crystal) ở Bacillus thuringiensis (trái) và Bacillus sphaericus (phải).

3.    Thể nhân:

Thể nhân ( Nuclear body) ở vi khuẩn là dạng nhân nguyên thuỷ, chưa có màng nhân nên không có hình dạng cố định, và vì vậy còn được gọi là vùng nhân. Khi nhuộm màu tế bào bằng thuốc nhuộm Feulgen có thể thấy thể nhân hiện màu tím. Đó là 1 nhiễm sắc thể (NST, chromosome) duy nhất dạng vòng chứa 1 sợi ADN xoắn kép (ở Xạ khuẩn Streptomyces có thể gặp nhiễm sắc thể dạng thẳng). NST ở vi khuẩn Escherichia coli  dài tới 1mm (!), có  khối lượng phân tử là 3.10⁹, chứa 4,6.10⁶ cặp base nitơ. Thể nhân là bộ phận chứa đựng thông tin di truyền của vi khuẩn.

Thể nhân trong tế bào vi khuẩn Escherichia coli.

Ngoài NST, trong tế bào nhiều vi khuẩn còn gặp những ADN ngoài NST. Đó là những ADN xoắn kép có dạng vòng khép kín, có khả năng sao chép độc lập, chúng có tên là Plasmid.

4.    Bao nhầy:

Bao nhầy hay Giáp mạc (Capsule) gặp ở một số loài vi khuẩn với các mức độ khác nhau:

-Bao nhầy mỏng ( Vi giáp mạc, Microcapssule)

-Bao nhầy (Giáp mạc, Capsule)

-Khối nhầy ( Zooglea)

Muốn quan sát bao nhầy thường lên tiêu bản với mực tàu, bao nhày có màu trắng hiện lên trên nền tối.

Thành phần chủ yếu của bao nhầy là polysaccarid, ngoài ra cũng có polypeptid và protein. Trong thành phần polysaccarid ngoài glucose còn có glucozamin, ramnose, axit 2-keto-3-deoxygalacturonic, axit uronic, axit pyruvic, axit axetic...

Ý nghĩa sinh học của bao nhầy là:

-Bảo vệ vi khuẩn trong điều kiện khô hạn, bảo vệ vi khuẩn tránh bị thực bào (trường hợp Phế cầu khuẩn-Diplococcus pneumoniae)

-Cung cấp chất dinh dưỡng cho vi khuẩn khi thiếu thức ăn

-Là nơi tích luỹ một số sản phẩm trao đổi chất (dextran, xantan...)

-Giúp vi khuẩn bám vào giá thể ( trường hợp các vi khuẩn gây sâu răng như Streptococcus salivarrius, Streptococcus mutans...)

         Bao nhầy (Capsule) ở vi khuẩn

Vi khuẩn Acetobacter xylinum có bao nhầy cấu tạo bởi cellulose. Người ta dùng vi khuẩn này nuôi cấy trên nước dừa để chế tạo ra Thạch dừa (Nata de coco).

     Thạch dừa (Nata de coco)

         Vi khuẩn Leuconostoc mesenteroides có bao nhầy dày chứa hợp chất polyme là Dextran có tác dụng thay huyết tương khi cấp cứu mà thiếu huyết tương. Sản phẩm này rất quan trọng khi có chiến tranh. Vi khuẩn này thường gặp ở các nhà máy đường và gây tổn thất đường trong các bể chứa nước ép mía. Nhờ enzym dextransuccrase mà đường saccarose bị chuyển thành dextran và fructose.

Vi khuẩn Leuconostoc mesenteroides

Một số bao nhầy của vi khuẩn còn được dùng để sản xuất Xantan (Xanthane) dùng làm chất phụ gia trong công nghiệp dầu mỏ.

5.    Tiên mao và khuẩn mao :

Tiên mao (Lông roi, flagella) không phải có mặt ở mọi vi khuẩn, chúng quyết định khả năng và phương thức di động của vi khuẩn. Tiên mao là những sợi lông dài, dưới kính hiển vi quang học chỉ có thể thấy rõ khi nhuộm theo phương pháp riêng. Dưới kính hiển vi điện tử có thể thấy rất rõ cấu trúc của từng sợi tiên mao. Để xác định xem vi khuẩn có tiên mao hay không còn có cách thử gián tiếp nhằm biết khả năng di động của chúng. Cấy bằng que cấy nhọn đầu vào môi trường thạch đứng  chứa 0.4% thạch (agar-agar), còn gọi là môi trường thạch mềm. Nếu thấy vết cấy lan nhanh ra xung quanh thì chứng tỏ là vi khuẩn có tiên mao, có khả năng di động.

Tiên mao có thể gốc (basal body), gồm 1 trụ nhỏ được gắn với 4 đĩa tròn (vi khuẩn G ^- ) có dạng vòng nhẫn (ring), ký hiệu là các vòng L,P,S và M. Vòng L nằm ngoài cùng, tương ứng với lớp liposaccarid của màng ngoài ; vòng P tương ứng với lớp peptidoglycan, vòng S tương ứng với lớp không gian chu chất ; vòng M nằm ở trong cùng. Vi khuẩn G⁺ chỉ có 2 vòng : 1 vòng nằm ngoài tương ứng với thành tế bào và 1 vòng trong tương ứng với màng sinh chất. Xuyên giữa các vòng là 1 trụ nhỏ (rod) có đường kính 7nm. Bao bọc tiên mao ở phần phía ngoài là một bao ngắn có  hình móc (hook). Sợi tiên mao (filament) dài khoảng 10-20mm và có đường kính khoảng 13-20nm. Đường kính của bao hình móc là 17nm. Khoảng cách giữa vòng S và vòng M là 3mm, giữa vòng P và vòng L là 9nm, giữa vòng P và vòng S là 12nm. Đường kính của các vòng là 22nm, đường kính các lỗ ở các vòng là 10nm. Khoảng cách từ mặt ngoài của vòng L đến mặt trong của vòng M là 27nm. Sợi tiên mao cấu tạo bởi loại protein có tên là flagellin, có trọng lượng phân tử là 30 000-60 000. Một số vi khuẩn có bao lông (sheath) bao bọc suốt chiều dài sợi, như ở trường hợp chi Bdellovibrio hay vi khuẩn tả Vibrio cholera.

 Tiên mao và khuẩn mao ở vi khuẩn

Tiên mao ở VK Gram dương             Tiên mao ở VK Gram âm

     Tiên mao ở vi khuẩn G ⁺

Tiên mao ở vi khuẩn G ^-

 Các tiểu phần (subunit) của flagellin được tổng hợp từ các hạt ribosom nằm gần màng sinh chấy tổng hợp nên và đi qua lõi mà tạo dần thành sợi tiên mao

Tiên mao của vi khuẩn có các loại khác nhau tuỳ từng loài :

-Không có tiên mao (vô mao, atrichia)

-Có 1 tiên mao mọc ở cực ( đơn mao, monotricha)

-Có 1 chùm tiên mao mọc ở cực ( chùm mao, lophotricha)

-Có 2 chùm tiên mao mọc ở 2 cực ( song chùm mao, amphitricha)

-Có nhiều tiên mao mọc khắp quanh tế bào (chu mao, peritricha)

Có loại tiên mao mọc ở giữa tế bào như trường hợp vi khuẩn Selenomonas ruminantium.

Các loại tiên mao ở vi khuẩn

Kiểu sắp xếp tiên mao liên quan đến hình thức di động của vi khuẩn. Tiên mao mọc ở cực giúp  vi khuẩn di động theo kiẻu tiến- lùi. Chúng đảo ngược hướng bằng cách đảo ngược hướng quay của tiên mao. Vi khuẩn chu mao di động theo hướng nào thì các tiên mao chuyển động theo hướng ngược lại. Khi tiên mao không tụ lại về một hướng thì vi khuẩn chuyển động theo kiểu nhào lộn. Tốc độ di chuyển của vi khuẩn có tiên mao thường vào khoảng 20-80µm/giây, nghĩa là trong 1 giây chuyển động được một khoảng cách lớn hơn gấp 20-80 lần so với chiều dài của cơ thể chúng.

Các chi vi khuẩn thường có tiên mao là Vibrio, Spirillum, Pseudomonas, Escherichia, Shigella, Salmonella, Proteus... Ở các chi Clostridium, Bacterium,Bacillus, ...có loài có tiên mao có loài không. Ở cầu khuẩn chỉ có 1 chi (Planococcus) là có tiên mao.

Xoắn thể có một dạng tiên mao đặc biệt gọi là tiên mao chu chất (periplasmic flagella), hay còn gọi là sợi trục ( axial fibrils), xuất phát từ cực tế bào và quấn quang cơ thể. Chúng giúp xoắn thể chuyển động được nhờ sự uốn vặn tế  bào theo kiểu vặn nút chai.

Xoắn thể (Spirochete) quan sát dưới kính hiển vi nền đen.

AF: Sợi trục

PC:  Ống nguyên sinh chất

          OS: Vỏ ngoài

         IP: Lỗ nối

Cơ chế chuyển động uốn vặn tế bào ở Xoắn thể  ( OS,AF,PC- xem chú thích ở hình trên).

6.    Khuẩn mao và Khuẩn mao giới:

Khuẩn mao (hay Tiêm mao, Nhung mao ,Fimbriae) là những sợi lông rất mảnh, rất ngắn mọc quanh bề mặt tế bào nhiều vi khuẩn Gram âm. Chúng có đường kính khoảng 7-9nm, rỗng ruột (đường kính trong là 2-2,5nm), số lượng khoảng 250-300 sợi/ vi khuẩn. Kết cấu của khuẩn mao giản đơn hơn nhiều so với tiên mao. Chúng có tác dụng giúp vi khuẩn bám vào giá thể ( nhiều vi khuẩn gây bệnh dùng khuẩn mao để bám chặt vào màng nhầy của đường hô hấp, đường tiêu hoá, đường tiết niệu của người và động vật).

Khuẩn mao ở vi khuẩn E.coli

Có một loại khuẩn mao đặ biệt gọi là Khuẩn mao giới (Sex pili, Sex pilus-số nhiều) có thể gặp ở một số vi khuẩn với số lượng chỉ có 1-10/ vi khuẩn. Nó có cấu tạo giống khuẩn mao , đường kính khoảng 9-10nm nhưng có thể rất dài. Chúng có thể nối liền giữa hai vi khuẩn và làm cầu nối để chuyển vật chất di truyền (ADN) từ thể cho (donor) sang thể nhận (recipient). Quá trình này được gọi là quá trình giao phối (mating) hay tiếp hợp (conjugation). Một số thực khuẩn thể (bacteriophage) bám vào các thụ thể (receptors) ở khuẩn mao giới và bắt đầu chu trình phát triển của chúng.

7.    Bào tử:

Bào tử (Spore) hay Nội bào tử (Endospore) có thể gặp ở một số vi khuẩn thuộc các chi Bacillus, Clostridium, Sporosarcina, Desulfomaculum...Vì mỗi tế bào vi khuẩn chỉ mang 1 nội bào tử (khác với ngoại bào tử ở Xạ khuẩn) cho nên không thể coi chúng có chức năng sinh sản như ở xạ khuẩn , nấm sợi, nấm men. Bào tử là hình thức giúp vi khuẩn đề kháng với các điều kiện sống bất lợi ( nhiệt độ cao, khô hạn, bức xạ, áp suất cao, hoá chất độc hại...) . Bào tử của vi khuẩn ngộ độc thịt (Clostridium botulinum) ở 100⁰C sau 5-9 giờ mới bị chết. Bào tử vi khuẩn Clostridium thermosaccharolytium ngay ở nhiệt độ 132⁰C phải sau 4,4 phút mới làm chết được khoảng 90% bào tử. Năng lực đề kháng với tia phóng xạ của bào tử vi khuẩn Bacillú megaterium cao hơn 36 lần so với tế bào  vi khuẩn Escherichia coli. Bào tử có thể duy trì sức sống từ vài năm đến vài chục năm (!) Thậm chí đã có những nghiên cứu chứng minh khả năng duy trì sức sống tới 200-300 năm của bào tử vi khuẩn Bacillus subtilis.Thậm chí đã có nghiên cứu xác nhận trong các mẫu vật khảo cổ có niên đại cách đây 3000 năm vẫn có các bào tử vi khuẩn vẫn duy trì được sức sống (!)

         Bào tử vi khuẩn có nhiều lớp màng dày bao bọc. Ngoài cùng là lớp Thành ngoài (EX- exosporium), chiếm khoảng 2-10% khối lượng khô của bào tử. Thành này có tính thẩm thấu kém, thường gồm 2 lớp, lớp ngoài dầy 6nm, lớp trong dầy 19nm. Thành phần chủ yếu của EX là lipoprotein, cũng  có thể có một lượng nhỏ axit amin . Dưới EX là lớp Vỏ bào tử (SC-Spore cortex). SC dầy khoảng 3-5nm, cấu tạo bởi 3-15 lớp mỏng, thành phần chủ yếu là protein, có thêm một ít phospholipoprotein. SC có tính đề kháng cao với enzym, các chất hoạt động bề mặt và có tính thẩm thấu kém đối với các cation. Dưới SC là lớp Vỏ (CX-Cortex) có thể tích lớn (36-60% bào tử). CX có chứa loại peptidoglycan đặc biệt và 7-10% hợp chất Dipicolinat calxi (DPA-Ca), không chứa axit teichoic. Áp suất thẩm thấu của CX cao tới 20at. (2,03. 10⁶ Pa), lượng chứa nước là 70% ( trong khi lượng chứa nước chung của bào tử chỉ là 40%). Dưới CX là lớp Thành lõi (CW- Core wall). CW chứa peptidoglycan, có thể sau này phát triển thành Thành tế bào (CW) của tế bào mới . Dưới CW là lớp Lõi (CR-Core) hay còn gọi là Nguyên sinh chất của bào tử. CR chứa rất ít nước (khoảng 10-20%), có chứa ribbosom và nucleotid như tế bào dinh dưỡng nhưng không có hoạt động trao đổi chất.

Cấu tạo của bào tử vi khuẩn

(Sinh viện tự chú thích hình theo hướng dẫn của giáo viên)

Sự khác biệt giữa bào tử (BT) và tế bào dinh dưỡng (TBDD) của vi khuẩn là ở các điểm sau đây : BT có hình cầu hay hình bầu dục,thành nhiều lớp,chứa ít nước, tính bắt màu thấp, chứa nhiều Ca, có chứa DPA, không chứa hay chứa rất ít mARN, lõi có pH5,5-6,0 (TBDD thường có pH=7), hoạt tính enzym rất thấp, không có hoạt động trao đổi chất, không có quá trình sinh tổng hợp các polyme, tính kháng nhiệt cao, tính kháng axit và nhiều loại hoá chất cao, tính kháng bức xạ cao, đề kháng lyzozym, tồn tại lâu dài trong môi trường.

Sự nảy mầm bào tử (germination) bao gồm 3 giai đoạn : Hoạt hoá (activation), Nẩy mầm (germination) và Sinh trưởng (outgrowth). Để thúc đẩy sự hoạt hoá có thể dùng các xử lý nhiệt (ví dụ xử lý ở 70⁰C trong 5 phút, có khi phải dùng tới nhiệt độ 100⁰C trong 10 phút), dùng điều kiện pH thấp, dùng chất oxy hoá mạnh, dùng một số hoá chất kích thích nảy mầm (germinants) như  L-alanin, Mn²⁺, glucose, n-dodecylamin...Ngược lại cũng có những chất có tác dụng ức chế quá trình nảy mầm bào tử, chẳng hạn như D-alanin, natri bicarbonat, ...Tốc độ nảy mầm rất nhanh, thường chỉ vào khoảng vài phút. Khi đó protein chưa cystin  sẽ nở to ra, làm tăng tính thẩm thấu của bào tử, xúc tiến hoạt tính  của protease liên quan đến nảy mầm, protein của lớp SC bị phân huỷ dần, các cation xâm nhập dần vào lớp CX và làm lớp này trương to lên và tan dần. Nước bên ngoài môi trường xâm nhập vào phần CR và làm cho lõi trương lên. các enzym được hoạt hoá, bắt đầu quá trình tổng hợp thành tế bào (CW), tổng hợpARN,ADN, protein và nhanh chóng hình thành tế bào dinh dưỡng mới.

Sự hình thành và sự nẩy mầm bào tử

Bào tử nẩy mầm