Trao đổi chất ở vi sinh vật pdf

Về năng lượng, chu trình cung cấp 1ATP ở mức độ phosphoryl hóa cơ chất nhưng sản sinh NADH2 để đi vào chuỗi vận chuyển electron tạo ATP.. Hình 5.6 Sơ đồ chuỗi hô hấp Trong quá trình vận

Chương 5

Trao đổi chất ở vi sinh vật

I Các con đường phân giải hexose

1 Con đường Embden - Meyerhof - Parnas (EMP hay đường phân)

ATP (3) ADP

(5) (4) (AlPG) Glyceraldehyd - 3P Dioxy acetone – P (DAP)

H3PO4 NAD (6)

NADH2

a 1,3 diphosphoglyceric (a 1,3DPG)

ADP (7)

a.3 P - Glyceric (A3PG)

(8) a.2P- Glyceric (A2PG)

(9) Phosphoenolpyruvic (PEP) (10) ADP

A TP

Trong điều kiện có hoặc không có O2, glucose đều được chuyển thành pyruvate qua 10 phản ứng, trong đó 3 phản ứng 1, 3 và 10 là phản ứng một chiều, còn các phản ứng khác là phản ứng thuận nghịch Trừ chất

a Pyruvic

Hình 5.1: Con đường EMP

đầu và chất cuối, tất cả các chất trung gian trong chu trình đều ở dạng phosphoryl hóa Gốc phosphoryl mang 3 chức năng là giúp cho chất trung gian mang điện tích âm cao không thể thoát ra ngoài, là vị trí gắn enzyme

và là vị trí cung cấp liên kết cao năng

Phương trình chung:

Glucose 2 pyruvate + 2ATP + 2 NADH2

ATP được tạo thành từ 2 phản ứng 7 và 10 Sự tạo thành ATP ở 2 phản ứng trên gọi là phosphoryl hóa ở mức độ cơ chất vì phosphate cao năng trước đó là một phần của phân tử chất trao đổi (1,3 di - P - glycerate

và PEP), khi có mặt của ADP thì chất trao đổi sẽ chuyển gốc P cho ADP tạo thành ATP

Có thể chia con đường EMP thành 4 giai đoạn:

1 Hoạt hóa glucose tạo fructose - 1,6 diphosphate (có thể xẩy ra ở nhiều monosaccharide khác)

2 Bẻ đôi phân tử fructose - 1,6 diphosphate tạo AlPG và DAP

3 Ôxy hóa AlPG thành A2PG

4 Chuyển hóa A2PG tạo acid pyruvic (hình 5.1)

1.2 Ý nghĩa của con đường EMP

- Quá trình đường phân cung cấp cho tế bào 6 trong số 12 tiền chất dùng để tổng hợp các đơn vị kiến trúc: glucose - 6-P, fructose - 6-P, 3-P-

glyceraldehyd, 3P - glycerate, PEP, pyruvate

- Cung cấp năng lượng cho hoạt động sống của tế bào tuy hiệu suất không cao (khoảng 10%), nhưng đây là con đường nguyên thủy nhất gặp ở hầu hết sinh vật

2 Con đường pentosophosphate ôxy hoá (PP, HMP)

Do một đột biến nào đó (thiếu enzyme) mà một số vi sinh vật có thể chuyển hóa glucose thành pyruvate theo con đường PP (hình 5.2)

Từ glucose qua quá trình decarboxyl hóa tạo ribuloso - 5P và CO2 Các phản ứng tiếp theo là sự chuyển hóa giữa pentoso- 5P và hexoso - 6P

Ý nghĩa của chu trình: Xét về mặt năng lượng, từ 1 phân tử glucose khi phân giải tạo 35 ATP nhưng qua con đường này tạo riboso - 5P tham gia vào quá trình sinh tổng hợp acid nucleic, tạo các loại đường C4, C7 tham gia vào quá trình sinh tổng hợp acid amin Con đường này tạo NADPH2 cần thiết cho các phản ứng sinh tổng hợp trong tế bào Đây là con đường phân giải đường thường gặp ở vi khuẩn thuộc giống

Pseudomonas

Xilulose Ribose

Ribose

Hình 5.2 Con đường pentosophosphate

3 Con đường KDPG (2keto - 3deoxy - 6Pgluconate)

Phương trình tổng quát như sau:

Glucose 2 Pyruvate + ATP + NADH2 + NADPH2 Con đường KDPG giúp cho nhiều vi khuẩn sử dụng gluconate và chỉ

gặp ở một số vi khuẩn Ở E coli và nhiều loài của Clostridium chuyển hóa

glucose qua con đường EMP nhưng phân giải gluconate qua con đường KDPG Qua các con đường phân giải glucose, pyruvate được tạo thành Nếu trong điều kiện hiếu khí các vi sinh vật sẽ ôxy hoá pyruvate tạo

CO2 và nước Nếu điều kiện kị khí các vi sinh vật sẽ tiến hành quá trình lên men hoặc hô hấp kị khí (hình 5.3)

1,3

3-phosphoglycerat 2-phosphoglycerate

Phosphoenol-pyruvate

Hình 5.3 Con đường KDPG

4 Ôxy hoá pyruvate

Pyruvate chiếm vị trí trung tâm trong trao đổi chất trung gian và là tiền chất của nhiều sản phẩm Nhiều vi sinh vật ôxy hóa pyruvate thành acetyl - CoA chủ yếu qua 3 phản ứng sau (hình 5.4):

Pyruvate +CoA+NAD+ Acetyl - CoA + NADH2 + CO2 (1) Pyruvate + CoA + 2Fd Acetyl - CoA + 2FdH + CO2 (2) Pyruvate + CoA + NAD+ Acetyl - CoA + formate (3)

Hình 5.4 Quá trình ôxy hóa pyruvate

Pyruvate- carboxylase

Acid dihydrolipoic

Enzyme Acid lipoic

Dihydrolipoid

- dehydrogenas

Enzyme Enzyme

Enzyme Pyruvate

Phản ứng (1) do phức hệ pyruvate - dehydrogenase (PDH) xúc tác PDH gặp ở hầu hết vi sinh vật hiếu khí (không gặp ở vi khuẩn kị khí bắt buộc) PDH gồm 3 enzyme, ngoài CoA và NAD+ còn cần TPP (thiamine -pyrophosphate) và acid lipoic Phản ứng (2) xúc tác bởi pyruvate - Fd -

oxidoreductase, enzyme này gặp nhiều ở vi khuẩn kị khí như Clostridium

Phản ứng (3) do pyruvate - formate - liase xúc tác, enzyme này gặp nhiều

ở vi khuẩn kị khí tiết acid formic (thuộc họ Enterobacteriaceae) và vi

khuẩn quang năng

II Chu trình tricarboxylic (Krebs)

Trong quá trình ôxy hóa hoàn toàn, pyruvate sẽ được ôxy hoá triệt

để thông qua chu trình Krebs (chu trình acid tricarboxylic = ATC)

Cơ chế được trình bày ở hình 5.5

Hình 5.5 Chu trình Krebs (theo Lehninger)

Trong chuỗi phản ứng vòng của chu trình ATC, acid pyruvic bị phân huỷ triệt để tạo CO2, coezyme dạng khử và các hợp chất trung gian Các coezyme thông qua chuỗi hô hấp vận chuyển H và electron đến cho O2

phân tử tạo nước đồng thời giải phóng năng lượng ATP

Ý nghĩa của chu trình: Ngoài chức năng ôxy hóa tận cùng, chu trình ATC còn cung cấp cho tế bào 3 tiền chất là oxalacetate (tổng hợp aspactate), α - ketoglutarate và succinyl - CoA (tổng hợp nhân hem) Về năng lượng, chu trình cung cấp 1ATP ở mức độ phosphoryl hóa cơ chất nhưng sản sinh NADH2 để đi vào chuỗi vận chuyển electron tạo ATP Trong điều kiện kị khí chu trình TCA không có chức năng sinh năng lượng nhưng cũng phải cung cấp cho tế bào 3 tiền chất trên Tế bào phải

sử dụng phần lớn pyruvate để lên men thu năng lượng, còn phần nhỏ chuyển thành acetyl - CoA nhờ pyruvate - ferredoxin - oxidoreductase Phần lớn các vi sinh vật hiếu khí ôxy hóa chất dinh dưỡng hữu cơ thành CO2 và H2O (vì carbon trong phân tử CO2 đạt mức độ ôxy hóa cao nhất nên người ta gọi là quá trình ôxy hóa hoàn toàn) Một số vi sinh vật

có khả năng ôxy hóa cơ chất trong điều kiện hiếu khí nhưng lại sinh ra các sản phẩm chưa được ôxy hóa hoàn toàn (ketoacid, acid gluconic, acid malic, acid fumaric ) Nhiều quá trình ôxy hóa không hoàn toàn có ý nghĩa quan trọng trong công nghiệp lên men vì chúng sản sinh ra nhiều sản phẩm có giá trị

III Chuỗi hô hấp (respiratory chain) và phosphororyl hóa ôxy hóa (oxidative phosphorylation)

Khác với vi khuẩn kị khí, vi khuẩn hiếu khí có thể tổng hợp ATP mạnh mẽ hơn nhiều nhờ có chuỗi hô hấp và ATP - synthetase Hai hệ thống này nằm ở màng tế bào Prokaryota hoặc màng trong ti thể của tế bào Eukaryota Năng lượng thoát ra được chuyển thành ATP, một phần nhỏ giải phóng ra ở dạng nhiệt Các thành phần của chuỗi nằm trong lớp lipid kép, gồm nhiều enzyme vận chuyển electron và hydro, các coenzyme và nhóm thêm, các dehydrogenase và

hệ thống vận chuyển Các thành phần quan trọng nhất tham gia vào ôxy hóa hydro là :

- Flavoprotein là các enzyme chứa nhóm thêm là FMN hoặc FAD - vận chuyển hydro

- Protein Fe-S vận chuyển electron, chứa nguyên tử Fe, vừa liên kết với S của cysteine vừa liên kết với S của H2S Cysteine là một phần của chuỗi polypeptide, có thể coi trung tâm Fe - S là nhóm thêm của chuỗi polypeptide Các protein Fe - S cũng tham gia vào sự cố định N, khử

sulphite, khử nitrite, quang hợp

- Quinol: nằm ở màng trong của ti thể, ở vi khuẩn G- là ubiquinol (CoQ), vi khuẩn G+ là naphtoquinol và ở lục lạp là plastoquinol Quinol, đặc biệt là CoQ có đặc tính ưa lipid do đó lắp vào lớp lipid kép của màng, vận chuyển hydro hoặc enzyme

- Cytochrome: vận chuyển electron, không vận chuyển hydrogen Cytochrome nhận electron từ quinol, trong quá trình vận chuyển một số lượng H+ tương đương với số lượng electron bị tách vào môi trường (hình 5.6)

Hình 5.6 Sơ đồ chuỗi hô hấp

Trong quá trình vận chuyển 2[H] từ NADH2 đến O2 có 3 bước chuyền electron liên quan đến tạo thành ATP và được biểu thị bằng hệ số P/O (mol ATP/mol nguyên tử O) Hệ số P/O = 3 khi 2[H] được chuyền qua NAD+ và P/O = 2 khi 2[H] từ succinate qua FAD đến O2 Do đó 1mol glucose khi phân giải qua chu trình EMP và TCA với tất cả [H] tách ra được chuyển vào chuỗi hô hấp để tạo thành nước sẽ tạo 38 ATP Sự tính toán trên đúng với ti thể và một số vi khuẩn Tuy nhiên, ở một số vi khuẩn

do chỉ có 2 vị trí phosphoryl hóa nên sự hô hấp hiếu khí glucose chỉ cho

26 ATP (như ở E coli không có NAD, Proteus vulgaris không có

cytochrome C)

Cơ chế phosphoryl hoá ôxy hoá (sự tạo thành ATP trong chuỗi hô hấp) được giải thích theo thuyết hoá thẩm thấu của Mitchell (1979) Theo thuyết này, màng tế bào vi khuẩn và màng trong ti thể không thấm các ion

kể cả H+ và OH- và kém dẫn điện Sự sắp xếp các protein của màng (các thành phần vận chuyển electron, permease, ATP - sinthetase ) khiến màng mang tính chất không đối xứng Sự định hướng không gian của các phân tử enzyme dẫn đến trao đổi chất có đặc tính vectơ Chuỗi hô hấp bao gồm một dãy các chất vận chuyển hidro và electron sắp xếp luân phiên trong màng Do sự ôxy hoá cơ chất mà phía trong màng có sự tiêu thụ H+

và phía màng ngoài giải phóng H+ Trong sự ôxy hoá NADH2, 6H+ đã

được vận chuyển ra phía ngoài qua 3 núm Việc vận chuyển proton do hô hấp làm xuất hiện một gradien điện hoá giữa 2 phía của màng Thế proton này sẽ là động lực của sự phosphoryl hoá nghĩa là sự tạo thành ATP Quá trình được xúc tác bởi ATP - sinthetase, enzyme này chuyển năng lượng phát ra từ dòng electron thành liên kết esterphosphate cao năng của ATP ATP - sinthetase gặp ở các màng tham gia vào sự chuyển hoá năng lượng

là màng ti thể, lục lạp và màng tế bào vi khuẩn Có lẽ, dòng H+ từ ngoài đã

đi qua rãnh của ATP - sinthetase trở vào bên trong ti thể hoặc vi khuẩn, năng lượng thoát ra được dùng cho phản ứng phosphoryl hoá tạo ATP

IV Sự vận chuyển chất dinh dưỡng vào tế bào

Để tồn tại, sinh trưởng và phát triển, tế bào vi sinh vật phải thường xuyên trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường bên ngoài Một mặt chúng nhận các chất dinh dưỡng cần thiết từ môi trường, mặt khác chúng thải ra các sản phẩm trao đổi chất Giữa môi trường xung quanh và môi trường bên trong tế bào tồn tại một hàng rào thẩm thấu, hàng rào này chính là màng tế bào chất

Tế bào nhận và thải các chất một cách chọn lọc Sự xâm nhập của nước và các chất hòa tan qua màng tế bào là một quá trình động học; tế bào sống không bao giờ ở trạng thái cần bằng với các chất của môi trường chung quanh Sự vận chuyển các chất qua màng tế bào vi sinh vật tuân theo một trong hai cơ chế: khuếch tán đơn giản (hay còn gọi là vận chuyển thụ động hay vận chuyển xuôi dòng) và vận chuyển chủ động (vận chuyển ngược dòng)

Theo cơ chế khuếch tán thụ động các phân tử đi qua màng nhờ sự chênh lệch nồng độ (trong trường hợp các chất không điện phân) hay chênh lệch điện thế (trong trường hợp các ion) ở hai phía của màng Hàng loạt nghiên cứu đã khẳng định, trừ nước ra rất ít hợp chất có thể được vận chuyển qua màng theo cơ chế nói trên

Trái lại, đa số các chất hòa tan qua màng do cơ chế vận chuyển đặc biệt Những phân tử vận chuyển sắp xếp trong màng liên kết với các phân

tử chất hòa tan và chuyển chúng vào bề mặt bên trong của màng, từ đây các phân tử chất hòa tan được chuyển vào tế bào chất Kiểu khuếch tán này được gọi là khuếch tán xúc tiến Các phân tử protein vận chuyển (carrier protein) nói trên gọi là protein thấm – permease

Sự vận chuyển các chất nhờ permease có thể là thụ động (không cần năng lượng của tế bào) hoặc chủ động (cần năng lượng) Theo cơ chế vận chuyển thụ động, chất hòa tan liên kết thuận nghịch vào một vị trí đặc biệt trên phân tử permease nằm ở bên trong màng (có thể ở các lỗ của màng) Phức hợp “chất hòa tan - permease” được vận chuyển theo hai phía của

màng nhờ sự chênh lệch nồng độ ở một chất nào đó, nghĩa là sự vận chuyển diễn ra theo kiểu “xuôi dòng” Sự vận chuyển thụ động nhờ permease đã được chứng minh ở một số vi sinh vật

Tuy nhiên, vi sinh vật có khả năng tích lũy một số chất với nồng độ cao hơn nhiều so với nồng độ bên ngoài Chẳng hạn, nồng độ K+ bên trong một số tế bào vi sinh vật có thể lớn hơn nồng độ bên ngoài hàng ngàn lần

Để đảm bảo độ trung hòa điện, tế bào cũng đồng thời thải ra bên ngoài các ion H+ hoặc Na+ Thêm vào đó, người ta đã phát hiện thấy ở các màng vi khuẩn có hoạt tính của ATP - ase là enzyme có liên quan đến việc vận chuyển các chất

Rõ ràng, trong tế bào vi sinh vật ngoài cơ chế vận chuyển thụ động còn tồn tại cơ chế vận chuyển chủ động nhờ permease Sự vận chuyển này được tiến hành ngược với gradien nồng độ nghĩa là theo kiểu “ngược dòng”, năng lượng tiêu thụ có thể do ATP cung cấp

Cho tới nay người ta đã phân lập được hàng loạt protein vận chuyển trong các loài vi sinh vật Giống như enzyme, chúng có tính đặc hiệu cơ chất khác nhau Một số có tính đặc hiệu gần như tuyệt đối Chẳng hạn,

permease của galactose ở E.coli chỉ vận chuyển galactose Các permease

của các đường và acid amin khác thể hiện tính đặc hiệu yếu hơn đối với các chất hòa tan

Điều đáng chú ý là trong vi khuẩn sự vận chuyển chủ động của hầu hết các loại đường phụ thuộc vào quá trình phosphoryl hóa và hệ thống enzyme phosphotransferase Hệ thống này bao gồm hai enzyme EI, EII và một protein vận chuyển bền nhiệt (Hpr: heat stable carried protein) có khối lượng phân tử thấp Các thành phần protein của hệ thống này đã được thuần khiết và phản ứng diễn ra theo hai bước

Trước hết EI chuyển phosphate từ phosphoenolpyruvate (PEP) đến Hpr:

Hpr + PEP Hpr - P + Pyruvate

Sau đó EII chuyển phosphate từ Hpr - P đến C6 của đường đơn

EI là chung cho nhiều loại đường nhưng EII lại đặc trưng cho mỗi loại đường Nghĩa là một đột biến nào đó ảnh hưởng đến việc tổng hợp EI

sẽ dẫn đến mất khả năng vận chuyển nhiều loại đường Trái lại với đột biến như thế đối với EII chỉ ảnh hưởng đến sự vận chuyển của một loại đường (hình 5.7)

Glucos e

Hình 5.7 Sơ đồ vận chuyển đường qua màng tế bào vi sinh vật

pyruvic

Trong Màng

V Trao đổi chất và năng lượng

1 Các nguồn năng lượng ở vi sinh vật

Tùy theo bản chất của nguồn năng lượng sơ cấp, có hai con đường

cơ bản để cung cấp cho vi sinh vật: con đường quang dưỡng và hóa dưỡng Trong cả hai trường hợp, sự thu nhận năng lượng của tế bào được liên hệ với sự vận chuyển electron qua màng, do đó tạo ra một gradient electron proton từ phần này đối với phần kia của màng tế bào chất Chính gradien nồng độ ion là nguồn gốc của lực bơm proton (sự khác biệt điện tích) có thể được dùng vào những mục đích khác nhau như vận chuyển tích cực, sản xuất các chất giàu năng lượng, chuyển động v.v

Trong thế giới vi sinh vật có sự khác biệt rất lớn về khả năng sử dụng các nguồn năng lượng Một số vi khuẩn hiếu khí cũng giống như động vật có khả năng tổng hợp ATP cho mình từ đường bị phân giải theo con đường đường phân (glycolyse) và chu trình Krebs nhờ chuỗi hô hấp trên màng tế bào chất (tương tự như chuỗi hô hấp ở màng trong của ty thể)

Còn những vi sinh vật kị khí lại thu năng lượng cho hoạt động sống của mình nhờ quá trình lên men của các loại đường hoặc nhờ một loại chuỗi vận chuyển electron trong đó có sử dụng các hợp chất không phải là ôxy phân tử làm chất nhận electron cuối cùng trong chuỗi vận chuyển Ở đây, chuỗi vận chuyển cũng khu trú trên màng tế bào chất tương tự như chuỗi vận chuyển nằm trong các ty thể Đối với các cơ thể quang dưỡng thì lại khác, chúng có thể thu nhận năng lượng của ánh sáng

Đứng về quan điểm năng lượng sinh học, thì ty thể, lục lạp và tế bào

vi khuẩn có nhiều nét tương đồng Tất cả các vi khuẩn có trên màng tế bào chất một hệ enzyme ATP - synthetase tương tự như ATP - synthetase của các ty thể và lục lạp Phức hợp protein vận chuyển qua màng đảm bảo biến đổi dòng proton thành năng lượng trong mối liên kết phosphate ở dạng ATP

1.1.Các cơ thể quang dưỡng (phototroph) và quang tổng hợp (photosynthesis)

Hình thái của cơ thể quang dưỡng và quang tổng hợp giữa vi khuẩn, tảo, thực vật có sự khác biệt rõ ràng Mặt khác, cấu tạo các cơ quan quang hợp, sắc tố quang tổng hợp, cũng khác biệt (xem chương II) Đối với thực vật, chất cho electron là H2O và quá trình quang hợp giải phóng ôxy phân

tử Đối với vi khuẩn quang hợp không thải ôxy và chất cho electron là những hợp chất vô cơ (như H2S, S) hoặc hợp chất hữu cơ (isopropanol) (xem thêm chương VII)

1.2 Các cơ thể hóa dưỡng và ôxy hóa sinh học

Phần lớn vi khuẩn không có cơ quan và sắc tố quang hợp Chúng lấy năng lượng hữu ích cho các quá trình tổng hợp của tế bào nhờ giải phóng năng lượng trong các phản ứng hóa học

Sự trao đổi chất của các cơ thể hoá dưỡng nói chung bao gồm 3 giai đoạn:

- Phân cắt các đại phân tử ở ngoài tế bào

- Phân giải các phân tử bé để tạo ra các chất trao đổi trung gian (pyruvate, acetyl - CoA) và tạo năng lượng hữu ích (ATP)

- Phân giải triệt để các chất trao đổi trung gian thành CO2 và H2O với việc tạo ra lượng lớn ATP Đó là những phản ứng ôxy hóa cơ chất hữu

cơ và vô cơ

Quá trình ôxy hóa một cơ chất A có thể xem là một chuỗi phản ứng

mà trong đó cơ chất A mất đi các eletron của mình Cơ chất A gọi là chất cho electron sẽ biến thành một sản phẩm được ôxy hóa Tương tự, một hợp chất B khác gọi là chất nhận electron sẽ biến thành sản phẩm khử Trong phần lớn trường hợp, một hợp chất A là một chất hữu cơ có thể xem là chất được hydro hóa, như vậy thì quá trình ôxy hóa về thực chất là một quá trình khử hydro (dehydrogenation), trong khi đó quá trình khử là quá trình hydro hóa (hydrogenation), tổ hợp hai quá trình này là quá trình ôxy hóa khử (oxidoreduction)

Quá trình ôxy hoá: