Tổng Quan Về Vi Khuẩn - Cấu Trúc Và Chức Năng Của Tế Bào Vi Khuẩn

Tổng quan về vi khuẩn

Kiến thức cơ bản về vi khuẩn

Vi khuẩn là gì?

Vi sinh vật bao gồm vi khuẩn và virus, nhưng vi khuẩn có đầy đủ đặc điểm của một vi sinh vật như khả năng tự tổng hợp chất dinh dưỡng để phát triển và nhân lên

Hình thái, kích thước và cấu trúc vi khuẩn

Vi khuẩn là những sinh vật đơn bào, chúng có cấu trúc và hoạt động đơn giản hơn nhiều so với các tế bào có màng nhân (eucaryote). Tuy nhiên có một vài cơ quan như vách tế bào hay chức năng di truyền và sự vận chuyển di truyền phức tạp không kém sinh vật phát triển.

* Hình thái và kích thước vi khuẩn

Mỗi loại vi khuẩn có hình dạng và kích thước nhất định, do vách của tế bào vi khuẩn quyết định. Hình thể và kích thước của vi khuẩn có thể quan sát và xác định được bằng phương pháp nhuộm và quan sát bằng kính hiển vi. Để xác định vi khuẩn, hình thể là một tiêu chuẩn rất quan trọng đóng vai trò định hướng, để định loại một vi khuẩn còn phải kết hợp với với các yếu tố khác như tính chất sinh vật hoá học, kháng nguyên của vi khuẩn và khả năng gây bệnh). Tuy nhiên trong một số trường hợp nhất định, dựa vào hình thể vi khuẩn kết hợp với lâm sàng người ta có thể chẩn đoán xác định bệnh.

Đơn vị đo kích thước của vi khuẩn là micromet (1 µm = 1/1000 mm). Kích thước và hình thể của các loại vi khuẩn khác nhau thì không giống nhau và có thể còn phụ thuộc vào điều kiện tồn tại của chúng. Dựa vào hình thể, vi khuẩn được chia ra làm 3 loại lớn.

* Các cầu khuẩn:

Cầu khuẩn là những vi khuẩn có hình cầu, nhưng cũng có thể là hình bầu dục hoặc ngọn nến, có đường kính trung bình khoảng 1 µm. Cầu khuẩn được chia thành một số loại sau:

• Song cầu (Diplococci) là những cầu khuẩn đứng thành từng đôi như phế cầu (Streptococcus pneunoniae), lậu cầu (Neisseria gonorrhoeae) và não mô cầu (Neisseria meningitidis – Meningococcus). Nếu có nhiều đôi nối đuôi nhau chúng sẽ tạo thành chuỗi.
• Liên cầu (Streptococci) là những cầu khuẩn đứng thành chuỗi.
• Tụ cầu (Staphylococci) là những cầu khuẩn đứng thành từng đám như chùm nho như tụ cầu vàng.

* Trực khuẩn

Trực khuẩn là những vi khuẩn hình que, đầu tròn hay đầu vuông, kích thước thường gặp có chiều rộng khoảng 1 µm, chiều dài khoảng 2 – 5 µm (các trực khuẩn không gây bệnh thường có kích thước lớn hơn). Dựa trên đặc điểm có thể tạo nha bào và sống hiếu khí hay kị khí, có thể chia trực khuẩn ra làm 3 loại:

• Bacteria: là những trực khuẩn không sinh nha bào, phần lớn trực khuẩn gây bệnh thuộc loại này như trực khuẩn đường ruột…
• Bactilli: là những trực khuẩn hiếu khí sinh nha bào như trực khuẩn than (Bacillus anthracis).
• Clostridia: là những trực khuẩn kỵ khí sinh nha bào gây bệnh bằng ngoại độc tố như trực khuẩn uốn ván (Clostridium tetani), trực khuẩn gây bệnh ngộ độc thịt (C. Botulinum), trực khuẩn gây bệnh hoại thư (C. perfringens).

* Xoắn khuẩn (Spirochaetales)

Xoắn khuẩn là những vi khuẩn có hình sợi lượn sóng và di động, có chiều dài có thể lên tới 30 µm. Có 3 giống vi khuẩn thuộc loại này gây bệnh quan trọng là Treponema (xoắn khuẩn giang mai – Treponema pallidum), Leptospira và Borelia.

Ngoài những dạng điển hình trên còn có những loại vi khuẩn có hình thể trung gian.

• Trung gian giữa cầu khuẩn và trực khuẩn là cầu – trực khuẩn, như vi khuẩn dịch hạch.
• Trung gian giữa trực khuẩn và xoắn khuẩn là phẩy khuẩn tả (Vibrio cholerae).

Cấu trúc và chức năng của tế bào vi khuẩn

* Nhân của vi khuẩn

Vi khuẩn không có nhân điển hình vì không có màng nhân, nhưng có cơ quan chứa thông tin di truyền đó là nhiễm sắc thể (chromosome) tồn tại trong nguyên sinh chất. Bản chất nhiễm sắc thể là ADN có chiều dài khoảng 1 mm, khép kín, trọng lượng 2 tỷ dalton (2 x 109) chứa khoảng 3000 gen, được bao bọc bới protein kiềm. Nhiễm sắc thể có hình cầu, hình que hay hình chữ V, sao chép theo kiểu bán bảo tồn dẫn đến sự phân bào. Tuy nhiên, sự phân bào còn phụ thuộc vào sự phân chia màng sinh chất và vách tế bào.

Ngoài nhiễm sắc thể, một số vi khuẩn còn có yếu tố di truyền ngoài nhiễm sắc thể đó là các loại plasmid và transposon.

* Chất nguyên sinh (cytoplasma)

Chất nguyên sinh của vi khuẩn chứa những thành phần hoà tan như protein, peptid, acid amin, vitamin, ARN, ribosom, các muối khoáng, một số nguyên tố hiếm và sắc tố, ngoài ra nó còn chứa các hạt vùi. Bản chất hạt vùi là những không bào chứa lipid, glycogen và một số chất có tính đặc trưng cao với một số loại vi khuẩn. Vì vậy, nó có ý nghĩa trong chẩn đoán như ở vi khuẩn bạch hầu có hạt vùi chứa polymetaphosphat.

Tuy nhiên nếu so với tế bào của vi sinh vật có nhân điển hình (eucaryote), nguyên sinh chất của vi khuẩn không có ty lạp thể, lưới nội bào và cơ quan phân bào.

* Màng nguyên sinh (cytoplasma membrane)

Màng nguyên sinh là một lớp màng mỏng có tính đàn hồi, bao gồm 60% protein, 40% lipid chủ yếu là các phospholipid. Màng nguyên sinh thực hiện một số chức năng quan trọng quyết định sự tồn tại của tế bào vi khuẩn như:

• Là nơi hấp thụ và đào thải chọn lọc các chất qua 2 chơ chế khuyếch tán bị dộng nhờ áp lực thẩm thấu với những chất có phân tử lượng thấp và vận chuyển chủ động để thực hiện với những chất có phân tử lượng cao.
• Là nơi tổng hợp các enzym ngoại bào để phân hủy các chất có có phân tử lượng quá lớn không thể vận chuyển qua màng thành những chất có phân tử lượng thấp hơn để dễ hấp thu.
• Là nơi tổng hợp các thành phần của vách tế bào.
• Là nơi tồn tại của hệ thống enzym tế bào, thực hiện các quá trình năng lượng chủ yếu của tế bào vì không có ty lạp thể.
• Tham gia vào quá trình phân bào nhờ các mạc thể (mesosome) vì là nơi gắn các nhiễm sắc thể, mạc thể thường gặp ở vi khuẩn gram (+).

* Vách (cell wall)

Vách tế bào có ở mọi vi khuẩn trừ Mycoplasma.

* Cấu trúc của vách vi khuẩn

Vách tế bào là bộ khung vững chắc bao bên ngoài màng sinh chất, được cấu tạo bới đại phân tử glycopeptid, được tổng hợp liên tục bao gồm đường amin và acid amin. Các acid amin khác nhau tùy từng vi khuẩn. Chính vì vậy, vách của các vi khuẩn Gr(+) và Gr(-) có những đặc điểm khác nhau.

* Chức năng của vách vi khuẩn

Chức năng quan trọng nhất của vách vi khuẩn là duy trì hình dạng vi khuẩn. Sự khác nhau về thành phần vách tế bào của các loại vi khuẩn khác nhau có thể là nguyên nhân của tính chất ưa các loại thuốc nhuộm khác nhau. Đối với vi khuẩn Gr (+) do vách của vi khuẩn dầy, nên phức hợp iod-gentian không thể thấm ra ngoài sau khi vi khuẩn đã bị tẩy bằng cồn, nên vi khuẩn Gr (+) vẫn giữ được mầu tím, còn vi khâẩn Gr(-) bị mất mầu này sau khi tẩy cồn.

Vách vi khuẩn quyết định tính chất kháng nguyên thân của vi khuẩn, là cơ sở để xác định và phân loại vi khuẩn.

Vách tế bào là nơi tác động của nhóm kháng sinh beta lactam, đồng thời là nơi tác động của lysozym.

Ngoài ra, vách tế bào còn là nơi tiếp nhận (receptor) đặc hiệu cho thực khuẩn thể (bacteriophage), có ý nghĩa quan trọng trong phân loại vi khuẩn.

* Vỏ (capsule)

Vỏ của vi khuẩn là một lớp nhầy lỏng lẻo, không rõ rệt bao quanh vi khuẩn, được quan sát bằng phương pháp nhuộm mực nho. Chỉ có một số loài vi khuẩn và trong những điều kiện nhất định mới hình thành vỏ. Khuẩn lạc của những vi khuẩn có vỏ thường nhầy, ướt và sáng.

Vỏ của vi khuẩn đóng vai trò bảo vệ cho vi khuẩn trong những điều kiện nhất định. Ngoài ra, vỏ của vi khuẩn còn có gữi được khả năng gây bệnh của vi khuẩn, ví như các chủng phế cầu không tổng hợp được vỏ đều không có khả năng gây bệnh vì chúng nhanh chóng bị thực bào bởi cơ chế bảo vệ của cơ thể.

* Lông (flagella)

Lông là những sợi protein dài và xoán tạo thành từ các acid amin dạng D. Lông là cơ quan di dộng trong môi trường thích hợp, nó chỉ có ở một số loại vi khuẩn nhất định. Vị trí lông của các vi khuẩn cũng có đặc điểm khác nhau, là đặc điểm để phân loại vi khuẩn ví dụ như phẩy khuẩn tả có lông ở một đầu, nhiều loại vi khuẩn khác có lông quanh thân như (Salmonella, E.coli), một vài vi khuẩn khác lại có một chùm lông ở đầu.

* Pilli

Pili là cơ quan phụ của vi khuẩn như lông, nó có thể mất đi nhưng không ảnh hưởng tới sự tồn tại của vi khuẩn.

Chức năng chính của pili là để bám vào các tế bào có màng nhân (eucaryote), khả năng gây bệnh của một số loại vi khuẩn cũng liên quan đến sự tồn tại của pili, nếu vi khuẩn lậu mất pili sẽ không thể gây bệnh được.

* Nha bào

Nhiều loại vi khuẩn có khả năng tạo nha bào khi điều kiện sống của chúng không thuận lợi. Mỗi vi khuẩn chỉ tạo được một nha bào, khi điều kiện sống thuận lợi, nha bào vi khuẩn lại nẩy mần để đưa vi khuẩn trở lại dạng sinh sản.

Nha bào có thể tồn tại lâu tới 150.000 năm, do ở dạng nha bào không có sự chuyển hoá và mất nước.

Sinh lý của vi khuẩn

Vi khuẩn là một sinh vật, nên chúng cũng có khả năng dinh dưỡng, hô hấp, chuyển hoá và sinh sản như các sinh vật khác

* Dinh dưỡng của vi khuẩn

Trong quá trình sinh sản và phát triển, vi khuẩn cần một lượng thức ăn bằng trọng lượng cơ thể chúng, vì vi khuẩn phát triển nhanh. Trong tự nhiên có thể có những vi khuẩn có thể tổng hợp được mọi enzym từ một hợp chất carbon để hình thành chất chuyển hoá tham gia vào quá trình chuyển hoá. Tuy nhiên cũng có những vi khuẩn (biến chủng) chỉ phát triển trong những môi trường có các chất cần thiết gọi là yếu tố phát triển. Ví dụ, Escherichia coli là một vi khuẩn đường ruột không cần yếu tố phát triển; ngược lại, Proteus vulgaris cũng là vi khuẩn đường ruột gần với E. Coli nhưng chỉ phát triển trong môi trường có amid nicotinic vừa đủ.

Vi khuẩn là đơn bào, nên dinh dưỡng nhờ cơ chế thẩm thấu của màng nguyên sinh chất. Mỗi loại vi khuẩn có tính thẩm thấu khác nhau. Vi khuẩn non có tính thảm tháu cáo hơn vi khuẩn già. Những thức ăn không hoà tan thì không thẩm thấu được, vi khuẩn phải dùng enzym của mình để làm tan thức ăn rồi mới hấp thu thẩm thấu được.

* Hô hấp của vi khuẩn

Hô hấp là quá trình trao đổi chất, tạo năng lượng cần thiết để tổng hợp nên các chất mới của tế bào. Các vi khuẩn gây bệnh lấy năng lượng từ một cơ chất carbon bằng cách oxy hoá.

Nhiều loại vi khuẩn dùng oxy của khí trời để oxy hoá lại coenzym khử, chúng là những vi khuẩn hiếu khí. Tuy nhiên một số loại vi khuẩn không thể sử dụng oxy tự do, nên chúng không thể phát triển được hoặc kém phát triển trong môi trường có oxy tự do. Những vi khuẩn này gọi là vi khuẩn kỵ khí tuyệt đối. Tuy nhiên, có một số loại vi khuẩn hiếu khí có thể phát triển được trong điều kiện không có không khí – đó là những vi khuẩn hiếu khí, kị khí tùy ngộ, ví dụ trực khuẩn mủ xanh là vi khuẩn có hai khả năng hô hấp hiếu khí và kỵ khí.

* Chuyển hoá của vi khuẩn

Vi khuẩn sinh sản và phát triển được nhờ có hệ thống enzym. Mỗi loại vi khuẩn khác nhau có hệ thống enzym khác nhau. Bản chất của enzym là protein. Những enzym có khối lượng phân tử lớn dễ bị phá hủy bởi nhiệt độ. Enzym của vi khuẩn được chia thành nhiều loại dựa theo tính chất phản ứng như enzym thủy phân, oxy hoá, khử hydro, khử CO2, thêm CO2… hoặc theo chất bị tác dụng như enzym phân hủy protein, glucid, lipid, acid nucleic… hoặc dựa theo vị trí của enzym ở trong vi khuẩn hay ngoài vi khuẩn để chia ra enzym nội bào hay enzym ngoại bào. Enzym nội bào tham gia vào quá trình chuyển hoá trong cơ thể của vi khuẩn. Enzym ngoại bào dùng để phân hủy các chất có phân tử lượng lớn thành các chất có phân tử nhỏ để dễ hấp thu.

Có một số chất được vi khuẩn hình thành trong quá trình chuyển hoá như nội độc tố, ngoại độc tố và chất kháng kháng sinh. Ngoại độc tố được vi khuẩn tiết ra ngoài tế bào là một protein tan được trong nước, độc tính của ngoại độc tố rất cao, chỉ cần 0,02 mg ngoại độc tố bạch hầu cũng gây chết người hoặc với độc tố uốn ván chỉ cần 0,00006 mg cũng gây chết người. Nội độc tố là chất độc của trực khuẩn gram âm. Tác dụng độc lực của nội độc tố không mạnh bằng ngoại độc tố, như nội độc tố thương hàn phải cần 400 mg mới gây chết người. Nội độc tố nằm trong vách của vi khuẩn, chỉ khi vi khuẩn bị phá vỡ nó mới được giải phóng.

Sự phát triển của vi khuẩn

Vi khuẩn muốn phát triển đòi hỏi phải có môi trường có đủ các yếu tố dinh dưỡng được gọi là môi trường dinh dưỡng hay môi trường cơ bản có pH từ 7,2 – 7,4. Môi trường canh thang là môi trường lỏng và thạch thường là môi trường canh thang cho thêm thạch để làm đặc lại.

Vi khuẩn chỉ phát triển trong những điều kiện thích hợp về nhiệt độ, phần lớn vi khuẩn gây bệnh có nhiệt độ phát triển thích hợp là 37oC, tuy nhiên chúng có thể phát triển ở nhiệt độ 20oC – 42oC, cá biệt có thể ở 4oC. Ngoài ra, các vi khuẩn còn cần khí trường thích hợp để phát triển như với vi khuẩn hiếu khí cần oxy, các vi khuẩn kỵ khí không cần oxy hoặc một số vi khuẩn cần có CO2.

* Sự phát triển của vi khuẩn trong môi trường lỏng

Trong nghiên cứu hoặc chẩn đoán, môi trường lỏng chỉ có giá trị khi nó chứa một chủng vi khuẩn (chỉ có một clon) và như vậy ta có một canh khuẩn thuần khiết. Trong thực tế, đa số bệnh phẩm đều nhiễm nhiều loại vi khuẩn nên không thể cấy vào môi trường lỏng trừ một số ngoại lệ như máu bệnh nhân, dịch não tủy. Tuy nhiên, vẫn có thể có kết quả sai do nhiễm khuẩn từ ngoài vào trong quá trình lấy mẫu.

Để đo sự phát triển của vi khuẩn trên môi trường lỏng thường đo độ đục của canh khuẩn để xác định mật độ quang học D. Đây là phương pháp nhanh và chính xác, áp dụng được từ 107 vi khuẩn trong 1 ml trở lên. D luôn tỷ lệ với khối lượng vi khuẩn, nhưng không tỷ lệ tuyệt đối với số lượng vi khuẩn.

* Sự phát của vi khuẩn trong môi trường đặc

Nhờ độ quánh của môi trường đặc, trong quá trình phát triển, vi khuẩn nhanh chóng tạo thành khuẩn lạc có quan sát bằng mắt thường. Nếu ria cấy vi khuẩn trên môi trường đặc để vi khuẩn nọ đủ cách xa vi khuẩn kia, thì mỗi vi khuẩn sẽ tạo thành một khuẩn lạc riêng rẽ (một clone). Dựa vào tính chất cơ bản này để tạo được canh khuẩn thuần khiết, gồm các vi khuẩn cùng mang gen di truyền giống nhau (trừ biến dị) và tính chất sinh lý giống nhau. Do vậy, môi trường đặc có rất nhiều ứng dụng trong phân lập các vi khuẩn gây bệnh với các loại môi trường như môi trường thạch thường, thạch sâu và môi trường chọn lọc.

* Xác định tính chất sinh vật hoá học của vi khuẩn

Mỗi loại vi khuẩn có một quá trình chuyển hoá riêng, dựa vào tính chất sinh vật hoá học của chúng để xếp loại vi khuẩn.

Thông qua bài viết Tổng quan về vi khuẩn, mong là các bạn sinh viên sẽ có một cái nhìn tổng thể về nhóm vi sinh vật rất quan trọng này.

Nguồn: Nhập môn Công nghệ sinh học – Nguyễn Hoàng Lộc

www.chungvisinh.com

Xem thêm

• Tổng quan về vi sinh vật học
• Tổng quan về các loại vi sinh vật
• Tổng quan về các nhóm vi sinh vật cố định đạm