Sử dụng năng lượng trong sinh tổng hợp ở vi sinh vật

Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Bởi: Nguyễn Lân Dũng nguyendinhquyen Như dã nói vi sinh vật thu nhận lượng qua nhiều đường Phần lớn lượng dùng cho sinh tổng hợp đồng hoá Trong trình sinh tổng hợp vi sinh vật bắt đầu với tiền chất đơn giản phân tử vô monome kiến trúc nên phân tử ngày phức tạp xuất bào quan tế bào (Hình 1) Mỗi tế bào vi sinh vật phải sản xuất nhiều loại phân tử khác nhau; nhiên, chương giới thiệu việc tổng hợp thành phần tế bào quan trọng 1/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Kiến trúc tế bào Sinh tổng hợp thành phần tế bào nhân nguyên thủy nhân thật Sinh tổng hợp tổ chức cấp độ ngày phức tạp (Theo Prescott cs, 2005) Vì đồng hoá tạo trật tự tế bào xếp mức độ cao, phức tạp, sinh tổng hợp đòi hỏi nhiều lượng Điều dễ nhận thấy ta xem xét lực sinh tổng hợp tế bào E coli sinh trưởng nhanh (bảng 1) Mặc dù hầu hết ATP dành cho sinh tổng hợp dùng cho tổng hợp protein, ATP dùng cho tổng hợp thành phần khác tế bào Sinh tổng hợp E coli a/ Tính cho tế bào tích 2,25 μm3, trọng lượng 1x10-12g, trọng lượng khô 2,5x10-13g chu trình phân bào 20 phút b/ Chú ý: vi khuẩn chứa nhiều ADN genom (Theo: Prescott cs, 2005) Thành phầntế bào Số phân tử/tế Các phân tử tổng hợp/giây bàoa Các phân tử ATP cần/giây cho tổng hợp DNA 1b 0,00083 60.000 RNA 15.000 12,5 75.000 2/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Polysaccarid 39.000 32,5 65.000 Lipid 15.000.000 12.500 87.000 Protein 1.700.000 1.400 2.120.000 Năng lượng tự cần cho sinh tổng hợp tế bào trưởng thành có kích thước ổn định phân tử tế bào liên tục bị phân giải tổng hợp lại trình gọi vòng quay (turnover) Các tế bào không chi thời điểm khác Mặc dù vòng quay thành phần tế bào liên tục trao đổi chất điều hoà cẩn thận cho tốc độ sinh tổng hợp nói chung, cân với tốc tộ phân giải Ngoài lượng dùng cho quay vòng phân tử nhiều tế bào không sinh trưởng sử dụng lượng để tổng hợp enzyme chất khác giải phóng vào môi trường CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU CHỈNH SINH TỔNG HỢP Trao đổi chất sinh tổng hợp tuân theo số nguyên tắc chung, số nguyên tắc tóm tắt đây: Mỗi tế bào vi sinh vật chứa lượng lớn protein, acid nucleic polisaccaride Tất cao phân tử tức polime gồm đơn vị nhỏ liên kết với Việc kiến trúc phân tử lớn, phức tạp từ vài đơn vị cấu trúc đơn giản monome tiết kiệm nhiều dự trữ di truyền, nguyên liệu cho sinh tổng hợp lượng Ta xem xét tổng hợp protein để hiểu rõ vấn đề Các protein, có kích thước, hình dạng chức nào, tạo thành 20 amino acid thông thường nối với nhờ liên kết peptide Các protein khác đơn giản có thứ tự amino acid khác amino acid khác Giả dụ, protein tạo thành 20 mà 40 amino acid khác nhau, tế bào phải cần enzyme để sản xuất amino acid nhiều gấp đôi (hoặc phải nhận acid bổ sung từ thức ăn) Các enzyme bổ sung đòi hỏi phải có gen tế bào lại phải đầu tư thêm nguyên liệu lượng cho việc tổng hợp gen, enzyme amino acid bổ sung Rõ ràng, việc sử dụng vài monome nối với liên kết cộng hoá trị khiến cho việc tổng hợp cao phân tử trở thành trình có hiệu Hầu tất cấu trúc tế bào kiến trúc chủ yếu khoảng 30 tiền chất nhỏ Tế bào thường tiết kiệm nguyên vật liệu lượng cách sử dụng enzyme dùng cho dị hoá đồng hoá Chẳng hạn, hầu hết enzyme đường phân tham gia tổng hợp phân giải glucose se Mặc dù nhiều enzyme đường lưỡng hoá hoạt động phân giải tổng hợp số bước lại xúc tác hai enzyme khác 3/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật nhau: xúc tác phản ứng theo hướng phân giải theo hướng tổng hợp (Hình 2) Vì vậy, đường dị hoá đồng hoá không chi có nhiều enzyme chung Việc sử dụng enzyme riêng rẽ theo hai hướng bước đơn độc cho phép điều chỉnh dị hoá đồng hoá cách độc lập Cần nhớ việc điều chỉnh đồng hoá khác với điều chỉnh dị hoá Cả hai đường điều chỉnh sản phẩm cuối nồng độ ATP, ADP, AMP NAD+ Tuy nhiên, đường đồng hoá việc điều chỉnh sản phẩm cuối cùng, nói chung, có vai trò quan trọng Để tổng hợp phân tử cách hiệu đường đồng hoá phải hoạt động không thuận nghịch theo hướng sinh tổng hợp Tế bào thực điều cách liên kết số phản ứng sinh tổng hợp với phân giải ATP nucleoside triphosphate khác Khi hai trình liên kết lượng tự thoát phân giải nucleoside triphosphate hướng dẫn phản ứng sinh tổng hợp hoàn thành Ở vi sinh vật nhân thật đường sinh tổng hợp thường diễn bên khoang tế bào khác với đường phân giải tương ứng Chẳng hạn, sinh tổng hợp acid béo gặp tế bào chất oxy hoá acid béo thực bên ti thể Sự phân khoang tạo điều kiện cho đường hoạt động đồng thời không phụ thuộc vào Cuối cùng, đường đồng hoá dị hoá thường sử dụng cofactor khác Các phản ứng oxy hoá phân giải, nói chung, sản NADH chất cho vận chuyển electron Trái lại, chất cho electron cần cho sinh tổng hợp NADPH NADH thường đảm nhiệm chức Trao đổi chất acid béo cung cấp ví dụ thứ hai Các phân tử acylCoA acid béo bị oxy hoá để sản lượng tổng hợp acid béo có tham gia tioeste protein mang nhánh acyl 4/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Một đường sinh tổng hợp giả thuyết Các đường liên kết G với X, Y Z hoàn toàn đồng hóa chúng dùng để tổng hợp sản phẩm cuối Con đường từ A đến G lưỡng hóa, nghĩa có chức dị hóa đồng hóa Hầu hết phản ứng dùng vai trò; nhiên, chuyển hóa qua lại C D xúc tác enzyme riêng biệt, E1 (dị hóa) E2 (đồng hóa) (Nguồn Prescott cs, 2005) Sau cao phân tử kiến trúc từ tiền chất đơn giản chúng tập hợp thành cấu trúc lớn hơn, phức tạp hệ thống siêu phân tử bào quan (Hình 1) Các cao phân tử thường chứa thông tin cần thiết để tạo thành cách ngẫu nhiên trình gọi tự tập hợp Chẳng hạn, riboxom tập hợp lớn gồm nhiều protein phân tử acid ribonucleic chúng tạo thành nhờ tập hợp thành phần không cần có tham gia yếu tố bổ sung CỐ ĐỊNH QUANG HỢP CO2 Mặc dù hầu hết vi sinh vật cố định CO2 phản ứng bổ sung nhiên thể tự dưỡng có khả sử dụng CO2 làm nguồn carbon chủ yếu Sự khử cố định CO2 đòi hỏi nhiều lượng Các thể tự dưỡng thường thu lượng nhờ hấp thu ánh sáng quang hợp số nhận lượng từ phản ứng oxy hoá chất cho electron vô khử Sự cố định CO2 tự dưỡng có ý nghĩa định sống trái đất cung cấp chất hữu cho thể dị dưỡng Vi sinh vật cố định CO2 chuyển phân tử vô thành carbon hữu đồng hoá theo ba đường chủ yếu Hầu tất vi sinh vật tự dưỡng cố định CO2 qua đường trao đổi chất đặc biệt gọi chu trình Calvin (cũng gọi chu trình Calvin-Benson chu trình pentose-phosphate khử) Mặc dù hoạt động thể quang hợp có nhân thật hầu hết thể quang hợp có nhân nguyên thuỷ chu trình Calvin lại vắng mặt Archaea (Cổ khuẩn), số vi khuẩn kỵ khí bắt buộc số vi khuẩn hiếu khí Những vi khuẩn thường sử dụng hai đường khác Một số archaea (Thermoproteus, Sulfolobus) vi khuẩn Chlorobium Desulfobacter sử dụng đường acid tricarboxylic khử Ở vi khuẩn sinh metan, vi khuẩn khử sulfate vi khuẩn sinh acetate (các vi khuẩn tạo thành acetate từ CO2 trình lên men) lại tồn đường Acetyl-CoA Chu trình Calvin gặp chất (stroma) lục lạp vi sinh vật nhân thật tự dưỡng Vi khuẩn lam, số vi khuẩn nitrate hoá thiobacilli chứa thể vùi, đa diện gọi cacboxysom Cacboxysom chứa enzyme ribulo-1,5-bisphosphate carboxylase, vị trí cố định CO2 vị trí dự trữ carboxylase protein khác Có thể chia chu trình Calvin thành pha: carboxyl hoá, khử tái sản Sơ đồ chung chu trình giới thiệu hình 5/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Pha carboxyl hoá (carboxylation phase) Sự cố định CO2 xúc tác enzyme ribulo-1,5-bisphosphate-carboxylase oxygenase (rubisco) (Hình 3) xúc tác việc gắn CO2 vào ribulo-1,5-bisphosphate (RuBP) tạo thành phân tử 3-phosphorus-glycerat (PGA) Phản ứng ribulo-1,5-bisphosphate carboxylase Enzyme xúc tác bổ sung CO2vào ribulo-1,5-bisphosphate tạo thành chất trung gian không bền, sau chất bị phân giải thành phân tử 3-phosphorusglycerat (Theo: Prescott cs, 2005) Pha khử (reduction phase) Tiếp theo, PGA bị khử thành glyceraldehyde-3-phosphate Sự khử xúc tác enzyme, thực chất đảo nghịch phần đường đường phân glyceraldehyde-3-phosphate-dehydrogenase khác với enzyme đường phân việc sử dụng NADP+ thay cho NAD+ (hình 4) Pha tái sinh (regeneration phase) Trong pha RuBP tái sản sản hidrat-carbon glyceraldehyde-3-phosphate, fructose za glucose (Hình 4) Phần chu trình chi với đường pentose-phosphate bao gồm phản ứng trans-ketolase transaldolase Chu trình hoàn thành phosphorusribulokinase tái tạo RuBP.Để tổng hợp fructose -6-phosphate glucose -6-phosphate từ CO2 chu trình phải hoạt động lần để sản hexose cần thiết tái tạo phân tử RuBP 6RuBP + 6CO2 → 12PGA → 6RuBP + Fructose -6-P Việc cố định CO2 thành chất hữu cần 3ATP 2NADPH Glucose tạo thành từ CO2 theo phương trình sau: 6CO2 + 18ATP + 12NADPH + 12H+ + 12H2O → glucose + 18ADP + 18Pi + 12NADP+ 6/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Chu trình Calvin Trên sơ đồ vắn tắt chu trình với pha carboxyl hóa khử trình bày chi tiết ribulo-1,5-bisphosphate carboxyl hóa tạo thành sáu 3-phosphorusglycerat pha carboxyl hóa Các chất chuyển hóa thành glycerat-3-phosphate thành dihydroxyacetone phosphate (DHAP) số triose (glyceraldehyde phosphate dihydroxyacetone phosphate) dùng để tạo lại ribulo-1,5-bisphosphate pha tái sản Triose lại dùng sinh tổng hợp Những số ngoặc đơn bên phải phía dòng carbon (Theo: Prescott cs, 2005) ATP NADPH cung cấp phản ứng sáng quang hợp hay oxy hoá phân tử vô vi khuẩn hoá tự dưỡng Sau đường tạo thành chu trình Calvin dùng để tổng hợp phân tử cần thiết khác 7/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật TỔNG HỢP CÁC ĐƯỜNG VÀ POLISACCHARIDE Nhiều vi sinh vật khả quang hợp thể dị dưỡng phải tổng hợp đường từ phân tử hữu khử thay cho từ CO2 Sự tái tạo đường Con đường tái tạo đường găp nhiều vi sinh vật Tên enzyme gặp đường phân đóng khung Các bước đường phân biểu thị để so sánh (Theo: Prescott cs, 2005) Việc tổng hợp glucose từ tiền chất hidrat carbon gọi tái tạo đường (glucose neogenesis) Mặc dù đường tái tạo đường không chi đường đường phân chúng có enzyme chung (Hình 5) Ba bước đường phân sau không thuận nghịch tế bào: 1) Chuyển hoá phosphorusenolPyruvate thành pyruvate; 2) tạo thành fructose -1,6-bisphosphate từ fructose -6-phosphate 3) phosphoryl hoá glucose Các bước phải vòng đường hoạt động theo hướng sinh tổng hợp Chẳng hạn, tạo thành fructose -1,6-bisphosphate phosphorusfructose kinase đảo nghịch enzyme fructose 8/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật -bisphosphatease, enzyme loại bỏ nhờ thuỷ phân phosphate từ fructose bisphosphate Thông thường hai enzyme tham gia vào việc chuyển hoá pyruvate thành phosphorusenol pyruvate (đảo nghịch bước pyruvate kinase) Từ hình thấy đường tổng hợp fructose za tương tự đường tổng hợp glucose se Một glucose fructose za tạo thành đường phổ biến khác sản sinh Chẳng hạn, mannose hình thành trực tiếp từ fructose za qua xếp lại đơn giản: Fructose -6-phosphate ↔ Mannose-6-phosphate Một số đường tổng hợp liên kết với nucleoside diphosphate Đường nucleoside diphosphate quan trọng uridine diphosphate glucose (UDPG) Glucose hoạt hoá nhờ gắn với pyrophosphate uridine diphosphate qua phản ứng với uridine triphosphate (Hình 6) Uridine diphosphate glucose (Theo: Prescott cs, 2005) Phần UDP HDPG enzyme nhận mang glucose khắp tế bào dùng tham gia vào phản ứng hệt ADP mang phosphate dạng ATP UDP-galactose tổng hợp từ UDPG qua việc xếp lại nhóm hydroxyl Một enzyme khác xúc tác việc tổng hợp UDP - acid glucuronic qua việc oxy hoá UDPG (hình 7) 9/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Uridine diphosphate galactose tổng hợp glucuronate Trên hình việc tổng hợp UDPgalactose UDP-acid glucuronic từ UDP-glucose se (Theo: Prescott cs, 2005) Các đường nucleoside diphosphate đóng vai trò chủ chốt việc tổng hợp polisaccaride tinh bột glycogen Cũng lại đây, sinh tổng hợp không đơn giản đảo ngược trực tiếp phân giải Sự phân giải glycogen tinh bột diễn qua thuỷ phân để tạo thành đường tự hay qua việc gắn thêm nhánh phosphate vào polime để sản glucose -1-phosphate Các đường nucleoside diphosphate không tham gia vào trình Trái lại việc tổng hợp glycogen tinh bột vi khuẩn tảo adenosine diphosphate glucose tạo thành từ glucose -1-phosphate sau chuyển glucose vào cuối chuỗi glycogen chuỗi tinh bột: ATP + Glucose -1-phosphate → ADP-glucose + PPi (Glucose se)n + ADP-glucose → (Glucose se)n+1 + ADP Các đường nucleoside diphosphate tham gia vào việc tổng hợp phân tử phức tạp thành tế bào vi khuẩn SỰ ĐỒNG HÓA PHOSPHORUS, LƯU HUỲNH (SULFUR) VÀ NITƠ (NITROGEN) VÔ CƠ Ngoài carbon oxy vi sinh vật cần lượng phosphorus, sulfur nitrogen cho sinh tổng hợp Mỗi nguyên tố nói đồng hoá cố định thành phân tử hữu qua đường khác 10/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Tổ chức đồng hóa Các sản phẩm sinh tổng hợp dẫn xuất từ chất trung gian đường lưỡng hóa Chú ý phản ứng cố định CO2 bổ sung chủ yếu (Theo: Prescott cs, 2005) Hình 17 mô tả quan hệ đường sinh tổng hợp amino acid với đường lưỡng hoá Bộ khung amino acid bắt nguồn từ Acetyl-CoA chất trung gian chu trình TCA, đường phân đường pentose-phosphate Để cho hiệu kinh tế tiền chất dùng cho sinh tổng hợp amino acid cung cấp từ vài đường lưỡng hoá chủ yếu Thứ tự dẫn đến amino acid riêng rẽ phân nhánh từ đường trung tâm Alanine, aspartat glutamate được tổng hợp nhờ chuyển amine lần lượt, trực tiếp từ Pyruvate, Oxaloacetatee α-ketoglutarate 21/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Con đường phân nhánh tổng hợp amino acid Các đường dẫn tới methionine, threonine, izoleucine lysine Mặc dù số mũi tên biểu thị bước nhiên hầu hết chuyển hóa qua lại đòi hỏi tham gia số enzyme (Theo: Prescott cs, 2005) Hầu hết đường sinh tổng hợp phức tạp chất trung gian quen thuộc thường dùng sinh tổng hợp họ amino acid có liên quan nhằm mục đích tiết kiệm Chẳng hạn, lysine, threonine, izoleucine methionine tổng hợp từ oxaloacetatee từ đường đồng hoá phân nhánh (Hình 18) Con đường sinh tổng hợp amino acid thơm phenylalanine, tyrosine tryptophan có chung nhiều chất trung gian (Hình 19) 22/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Tổng hợp amino acid thơm (phenylalanine, tyrosine, tryptophan) Chú ý: hầu hết mũi tên biểu thị phản ứng enzyme (Theo: Prescott cs, 2005) CÁC PHẢN ỨNG BỔ SUNG Khi xem xét hình 17 ta thấy chất trung gian chu trình TCA dùng sinh tổng hợp pyrimidine nhiều acid amine Trên thực tế, chức sinh tổng hợp chu trình quan trọng đến mức hầu hết chu trình hoạt động kỵ khí để cung cấp tiền chất sinh tổng hợp NADH không cần thiết cho việc vận chuyển electron phosphoryl hoá vắng mặt O2 Do chu trình TCA có vai trò đáng kể việc cung cấp carbon cho sinh tổng hợp chất trung gian chu trình bị cạn kiệt tế bào biện pháp trì chúng Tuy nhiên vi sinh vật có phản ứng hoàn lại chất trung gian chu trình giúp cho chu trình TCA hoạt động liên tục sinh tổng hợp diễn mạnh mẽ Các phản ứng thay chất trung gian chu trình gọi phản ứng bổ sung (anaplerotic reactions) Hầu hết vi sinh vật thay chất trung gian chu trình TCA cố định CO2, CO2 chuyển hoá thành carbon hữu đồng hoá Cần phân biệt là, phản ứng bổ sung không đảm nhiệm chức đường cố định CO2 cung cấp carbon cần thiết thể tự dưỡng Cố định CO2 thể tự dưỡng cung cấp hầu hết toàn carbon cần cho sinh trưởng Các phản ứng bổ sung cố định CO2 nhằm thay chất trung gian trì cân trao đổi chất Thường thường CO2 gắn vào phân tử chất nhận (Pyruvate phosphorusenolPyruvate) để tạo thành chất trung gian chu trình Oxaloacetatee 23/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật (Hinh 17) Arthrobacter globiformis nấm men sử dụng Pyruvate-carboxylase xúc tác phản ứng → Oxaloacetatee+ADP + Pi Pyruvate+CO2 + ATP + H2OBiotin Enzyme cần cofactor biotin sử dụng lượng ATP để liên kết CO2 vào Pyruvate Biotin thường cofactor enzyme xúc tác phản ứng carboxyl hoá Do có chức quan trọng nên biotin yếu tố sinh trưởng cần thiết nhiều loài vi sinh vật Các vi sinh vật khác E coli, Salmonella typhimurium lại sử dụng enzyme phosphoenolpyruvate-carboxylase xúc tác phản ứng đây: Phosphoenolpyruvate + CO2 → Oxaloacetatee + Pi Một số vi khuẩn, tảo, nấm động vật nguyên sinh sinh trưởng với nguồn carbon acetate cách sử dụng acetate để tổng hợp chất trung gian chu trình TCA chu trình glioxylat (Hình 20) Chu trình thực nhờ hai enzyme đặc biệt - Izocitrate liase malat synthase - xúc tác phản ứng sau: → Izocitrateizoxitratlyaza Succinat+Glioxylat → Malat+CoA Glioxylat+Acetyl − CoAmalatsintaza Chu trình glioxylat, thực chu trình TCA cải biến Hai phản ứng loại carboxyl chu trình TCA (bước Izocitrate dehydrogenase α-ketoglutarate dehydrogenase) bỏ qua giúp cho việc chuyển hoá Acetyl-CoA để tạo thành Oxaloacetatee mà không để carbon Acetyl-CoA CO2 Theo cách này, acetate phân tử chuyển hoá thành acetate đóng góp carbon vào chu trình giúp cho sinh trưởng vi sinh vật 24/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Chu trình glioxylat Chú ý: enzyme chu trình TCA phần bỏ qua (Theo: Prescott cs, 2005) TỔNG HỢP CÁC PURINE, PYRIMIDIN VÀ NUCLEOTIDE Sinh tổng hợp purine pyrimidine sống cho tế bào phân tử dùng để tổng hợp ATP, số cofactor, acid ribonucleic (ARN), acid deoxyribonucleic (ADN) thành phần quan trọng khác tế bào Hầu hết vi sinh vật tổng hợp Purine pyrimidine cho thân chất có vai trò định chức tế bào 25/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Purine pyrimidine bazơ nitrogen vòng chứa số nối đôi có đặc tính thơm rõ rệt Purine gồm vòng nối với nhau, pyrimidine có vòng (hình 21 23) Trong vi sinh vật thường gặp purine adenin guanin pyrimidine uracyl, xitozin thymine Một base purine pyrimidine nối với đường pentose (ribose deoxyribose) nucleoside Một nucleotide nucleoside nối với nhóm phosphate liên kết với đường Sinh tổng hợp Purine Chú ý dẫn nguồn N C khung Purine (Theo: Prescott cs, 2005) Sinh tổng hợp Purine Con đường sinh tổng hợp purine thứ tự phức tạp gồm 11 bước phân tử khác góp phần vào khung purine cuối (Hình 21) Vì đường mở đầu với ribo-5-phosphate khung purine kiến trúc đường nên sản phẩm purine đường nucleotide acid inosinic base purine tự Trong sinh tổng hợp purine cofactor acid folic đóng vai trò quan trọng Các dẫn xuất acid folic đóng góp carbon vào khung purine Trên thực tế, thuốc sulfonamide kìm hãm sinh trưởng vi khuẩn ức chế tổng hợp acid folic Điều ảnh hưởng đến sinh tổng hợp purine trình khác cần acid folic Một acid inosinic tạo thành, đường tương đối ngắn tổng hợp adenosine monophosphate guanosine monophosphate (Hình 22) sản nucleoside diphosphate triphosphate cách chuyển phosphate từ ATP ADN chứa deoxyribonucleotide (ribose thiếu nhóm hydroxyl C2) thay cho ribonucleotide gặp ARN Các deoxyribonucleotide xuất từ khử nucleoside diphosphate nucleoside triphosphate qua hai đường khác Một số vi sinh vật khử triphosphate nhờ hệ thống cần cofactor vitamine B12 Số khác, E coli, lại 26/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật khử ribose nucleoside diphosphate Cả hai hệ thống sử dụng protein nhỏ chứa S gọi thioredoxin làm tác nhân khử Sinh tổng hợp adenosine monophosoahte Guanosine Monophosphatee Sinh tổng hợp pyrimidine Sinh tổng hợp pyrimidine mở đầu với acid aspartic cacbamoyl-phosphate (một phân tử cao tổng hợp từ CO2 ammonia) (Hình 23) Aspartate-cacbamoyltransferase xúc tác việc ngưng tụ hai chất để tạo thành cacbamoyl-aspartat, sau chất chuyển thành sản phẩm pyrimidine acid orotic Sau khung pyrimidine tổng hợp, nucleotide tạo thành cách thêm vào ribo-5-phosphate nhờ tác dụng chất trung gian cao 5-phosphorusribosyl-1-pyrophosphate Do việc kiến trúc vòng pyrimidine hoàn thành trước ribose thêm vào trái với việc tổng hợp vòng Purine bắt đầu với ribo-5-phosphate Việc loại carboxyl hoá orotidine monophosphate sản uridine monophosphate cuối uridine triphosphate cytidine triphosphate 27/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Tổng hợp pyrimidine PRPP acid 5-phosphorusribose 1- pyrophosphorusric, chất cung cấp chuỗi ribo-5-phosphate Phần dẫn xuất từ cacbamoylphosphate in đậm (Theo: Prescott cs, 2005) Pyrimidine thứ ba phổ biến thymine - thành phần ADN Ribose nucleotide pyrimidine bị khử theo cách nucleotide purine Sau deoxyuridine monophosphate methyl hoá với dẫn xuất acid folic để tạo thành deoxythymidine monophosphate (Hình 24) 28/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Tổng hợp deoxythymidine monophosphate Chú ý: deoxythymidine khác với deoxyuridine chỗ có thêm nhóm methyl (Theo: Prescott cs, 2005) TỔNG HỢP LIPID Vi sinh vật chứa nhiều lipid đặc biệt màng tế bào Lipid thường chứa acid béo dẫn xuất acid béo Acid béo acid monocarboxylic với chuỗi alkyl dài thường có số chẵn carbon (chiều dài trung bình 18 carbon) Một số chưa bão hoà nghĩa có nối đôi Hầu hết acid béo vi sinh vật chuỗi thẳng có số phân nhánh Các vi khuẩn gram âm thường có acid béo cyclopropan (tức acid béo chứa vòng cyclopropan chuỗi) Việc tổng hợp acid béo xúc tác phức hệ synthetase acid béo với AcetylCoA malonyl-CoA chất NADPH chất cho electron Malonyl-CoA dẫn xuất từ carboxyl hoá Acetyl-CoA với tiêu thụ ATP Việc tổng hợp diễn sau acetate malonat chuyển từ CoA đến nhóm sulfihidril protein mang acyl (ACP, acyl carrier) protein nhỏ mang chuỗi acid béo sinh trưởng tổng hợp Ở thời điểm synthetase lại thêm carbon vào đầu carboxyl chuỗi acid béo sinh trưởng trình gồm hai chặng (Hình 25) Trước hết, malonylACP phản ứng với acyl-ACP acid béo để sản CO2 acyl-ACP acid béo có carbon dài Việc CO2 hướng cho phản ứng hoàn thành Ở ATP dùng để bổ sung CO2 vào Acetyl-CoA tạo thành malonyl-CoA Cũng CO2 malonyl-ACP chuyền carbon cho chuỗi Do CO2 cần thiết cho tổng hợp acid béo luôn cố định Trên thực tế, số vi sinh vật cần CO2 để sinh trưởng tốt chúng sinh trưởng thuận lợi CO2 mà có mặt acid béo acid oleic (một acid béo 18 carbon không bão hoà) Trong chặng thứ hai tổng hợp nhóm α-keto xuất từ phản ứng ngưng tụ ban đầu bị loại trình ba bước bao gồm hai khử loại nước Sau acid béo sẵn sàng cho việc bổ sung thêm nguyên tử carbon 29/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Tổng hợp acid béo Chu trình lặp lại chiều dài chuỗi thực đạt ACP = acyl carrier protein (protein mang acyl) (Theo: Prescott cs, 2005) Các acid béo không bão hoà tổng hợp theo hai đường Các tế bào nhân thật vi khuẩn hiếu khí Bacillus megaterium sử dụng đường hiếu khí với tham gia NADPH O2 Một nối đôi tạo thành carbon 10 O2 bị khử thành nước nhờ electron acid béo NADPH cung cấp Các vi khuẩn kỵ khí số vi khuẩn hiếu khí tạo nối đôi trình tổng hợp acid béo cách loại nước acid béo hydroxy Oxy không cần cho việc tổng hợp nối đôi theo cách Con đường kỵ khí hoạt động số vi khuẩn gram âm quen thuộc (ví dụ: E coli Salmonella typhimurium), vi khuẩn gram dương (ví dụ: Lactobacillus plantarum Clostridium pasteurianum) vi khuẩn lam 30/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Tổng hợp triacylglycerol phospholipid (Theo: Prescott cs, 2005) Các vi sinh vật nhân thật thường dự trữ carbon lượng dạng triacylglycerol, glycerol este hoá với acid béo Glycerol xuất từ khử dihydroxyacetone phosphate (là chất trung gian đường phân) thành glycerol-3-phosphate, sau glycerol-3-phosphate este hoá với acid béo acid phosphateidic (Hình 26) Phosphate bị thuỷ phân khỏi acid phosphateidic tạo thành diacylglycerol acid béo thứ ba gắn vào để sản triacylglycerol Phospholipid thành phần chủ yếu màng tế bào nhân thật hầu hết tế bào nhân nguyên thuỷ Tổng hợp phospholipid thường diễn theo đường acid phosphateidic Một chất mang đặc biệt-cytidine diphosphate (XDP)-đóng vai trò tương tự vai trò chất mang uridine adenosine diphosphate sinh tổng hợp hidrat carbon Chẳng hạn, vi khuẩn tổng hợp phosphateidinetanolamine (một thành phần chủ yếu màng tế bào) qua việc tạo thành XDP - diacylglycerol (Hình 26) Sau dẫn xuất XDP phản ứng với serine để tạo thành phospholipid phosphateidilserine qua việc loại carboxyl xuất phosphateidinetanolamine Theo cách này, lipid màng, phức tạp tạo nên từ sản phẩm đường phân, sinh tổng hợp acid béo sinh tổng hợp acid amine 31/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật TỔNG HỢP PEPTIDOGLYCAN Hầu hết thành tế bào vi khuẩn chứa phân tử lớn, phức tạp bao gồm chuỗi polisaccaride dài tạo thành nhánh luân phiên acid N-Acetylmuramic (NAM) N-Acetylglucose semin (NAG) Gắn vào nhánh NAM chuỗi pentapeptide Các chuỗi polisaccaride liên kết với pentapeptide hay cầu nối gian - peptide phức tạp peptidoglycan, dĩ nhiên, đòi hỏi trình sinh tổng hợp phức tạp, đặc biệt phản ứng tổng hợp diễn bên bên màng tế bào Tổng hợp peptidoglycan trình nhiều bước nghiên cứu chi tiết vi khuẩn gram dương Staphylococcus aureus Ở có tham gia hai chất mang uridine diphosphate (UDP) bactoprenol (Hình 27) Bactoprenol alcohol 55 carbon gắn vào NAM nhóm pyrophosphate vận chuyển thành phần peptidoglycan qua màng kỵ nước Bactoprenol pyrophosphate Chú ý: Chất gắn vào NAM (Theo: Prescott cs, 2005) Tổng hợp peptidoglycan (Hình 28 29) diễn qua bước: Các dẫn xuất UDP acid N.Acetylmuramic N-Acetylglucosamine tổng hợp tế bào chất Các amino acid thêm vào UDP-NAM tạo thành chuỗi pentapeptide (2 D-alanine tận thêm vào dạng dipeptide) Năng lượng ATP dùng để sản liên kết peptide tham gia tRNA riboxom Xem hình 28 NAM-pentapeptide chuyển từ UDP sang phosphate bactoprenol bề mặt màng UDP-NAG bổ sung NAG vào NAM-pentapeptide tạo thành đơn vị lặp lại peptidoglycan Nếu cầu nối pentaglycine cần thiết glycine thêm vào cách sử dụng phân tử glycyl-tRNA đặc biệt không cần riboxom Sau hoàn thành đơn vị lặp lại peptidoglycan NAM-NAG chuyển qua màng đến bề mặt bên nhờ chất mang bactoprenol pyrophosphate Đơn vị peptidoglycan gắn vào đầu sinh trưởng chuỗi peptidoglycan kéo dài chuỗi đơn vị lặp lại Chất mang bactoprenol trở lại bên màng Trong trình phosphate tách bactoprenol phosphate lại nhận NAM-pentapeptide khác Cuối cùng, liên kết peptide chéo chuỗi peptidoglycan tạo thành nhờ phản ứng chuyển peptide (Hình 29) Ở E coli nhóm amineo tự 32/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật acid diamineopimelic liên kết với D-alanine gần tận tách nhánh Dalanine tận ATP dùng để tạo thành liên kết peptide tận bên màng Khi chuyển peptide diễn bên lượng ATP không cần Quá trình thực có tham gia cầu nối; nhóm phản ứng với D-alanine gần tận khác Tổng hợp peptidoglycan Chú ý: pentapeptide chứa L-lysine peptidoglycan S aureus acid diamineopimelic (DAP) peptidoglycan E coli Tác dụng kìm hãm bacidraxin, xicloserine vancomixin rõ Các số tương ứng với bước nói Bước mô tả hình 29 (Theo: Prescott cs, 2005) 33/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Chuyển peptide Các phản ứng chuyển peptide việc tạo thành peptidoglycan E coli S aureus (Theo: Prescott cs, 2005) Tổng hợp peptidoglycan mẫn cảm với tác nhân kháng khuẩn Sự kìm hãm bước tổng hợp làm cho thành tế bào bị yếu dẫn đến phá vỡ tế bào thẩm thấu Nhiều chất kháng sinh ảnh hưởng đến tổng hợp peptidoglycan Chẳng hạn, penixilin kìm hãm phản ứng chuyển peptide (Hình 29) bacitraxin ức chế việc loại phosphate khỏi bactoprenol pyrophosphate CÁC KIỂU TỔNG HỢP THÀNH TẾ BÀO Để sinh trưởng phân chia thuận lợi tế bào vi khuẩn phải bổ sung peptidoglycan vào thành tế bào cách xác có điều hoà cẩn thận trì hình dạng tính nguyên vẹn thành phải tồn điều kiện áp suất thẩm thấu cao Vì peptidoglycan thành mạng lưới khổng lồ nên vi khuẩn sinh trưởng phải có khả phân giải lưới cho đủ để cung cấp đầu nhận dùng lắp vào đơn vị peptidoglycan Sự phân giải peptidoglycan hạn chế xúc tác enzyme gọi autolyzin, số autolyzin tác dụng lên chuỗi polisaccaride, số khác thuỷ phân liên kết chéo peptide Các chất kìm hãm autolyzin điều hoà chặt chẽ hoạt tính enzyme Mặc dù vị trí phân bố hoạt tính tổng hợp thành tế bào thay đổi tuỳ theo loài có lẽ tồn hai kiểu phổ biến (Hình 30) sau 34/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Các kiểu tổng hợp thành Trong hình kiểu tổng hợp thành tế bào vi khuẩn sinh trưởng phân chia (a) Các streptococci số cocci khác gram dương (b) Tổng hợp vi khuẩn hình que (E coli, Salmonella, Bacillus) (Theo: Prescott cs, 2005) Nhiều cầu khuẩn Gram dương (Enterococcus faecalis Streptococcus) có tới vài vùng sinh trưởng Vùng sinh trưởng thường vị trí tạo thành vách ngang nửa tế bào tổng hợp giáp lưng Kiểu tổng hợp thứ hai gặp trực khuẩn E coli, Salmonella Bacillus Tổng hợp peptidoglycan mạnh mẽ diễn vị trí tạo thành vách ngăn ngang vị trí sinh trưởng nằm rải rác dọc theo phần hình trụ trực khuẩn Do sinh trưởng phân bố trực khuẩn tràn lan cầu khuẩn Việc tổng hợp phải kéo dài tế bào hình que phân cắt chúng Có lẽ điều giải thích cho khác kiểu sinh trưởng thành 35/35 [...]... số vi sinh vật khử triphosphate nhờ hệ thống cần cofactor vitamine B12 Số khác, như E coli, lại 26/35 Sử dụng năng lượng trong sinh tổng hợp ở vi sinh vật khử ribose trong nucleoside diphosphate Cả hai hệ thống đều sử dụng một protein nhỏ chứa S gọi là thioredoxin làm tác nhân khử Sinh tổng hợp adenosine monophosoahte và Guanosine Monophosphatee Sinh tổng hợp pyrimidine Sinh tổng hợp pyrimidine mở đầu... và sự phân bố của hoạt tính tổng hợp thành tế bào thay đổi tuỳ theo loài nhưng có lẽ tồn tại hai kiểu phổ biến (Hình 30) sau đây 34/35 Sử dụng năng lượng trong sinh tổng hợp ở vi sinh vật Các kiểu tổng hợp thành Trong hình là các kiểu tổng hợp thành tế bào ở các vi khuẩn đang sinh trưởng và phân chia (a) Các streptococci và một số cocci khác gram dương (b) Tổng hợp ở các vi khuẩn hình que (E coli, Salmonella,... phosphateidilserine và qua vi c loại carboxyl sẽ xuất hiện phosphateidinetanolamine Theo cách này, một lipid màng, phức tạp được tạo nên từ các sản phẩm của đường phân, sinh tổng hợp acid béo và sinh tổng hợp acid amine 31/35 Sử dụng năng lượng trong sinh tổng hợp ở vi sinh vật TỔNG HỢP PEPTIDOGLYCAN Hầu hết thành tế bào vi khuẩn chứa một phân tử lớn, phức tạp bao gồm các chuỗi polisaccaride dài tạo thành bởi các nhánh... được một amino acid nào và phải thu nhận chúng nhờ phân giải protein trong môi trường .Trong mục này không thể trình bày chi tiết con đường sinh tổng hợp của từng amino acid mà chỉ giới thiệu khái quát về sinh tổng hợp amino acid 20/35 Sử dụng năng lượng trong sinh tổng hợp ở vi sinh vật Tổ chức của sự đồng hóa Các sản phẩm sinh tổng hợp dẫn xuất từ các chất trung gian của con đường lưỡng hóa Chú ý 2... 18/35 Sử dụng năng lượng trong sinh tổng hợp ở vi sinh vật Cơ chế tác dụng của nitrogenase Quá trình di chuyển của 2 electron từ ferredoxin tới nitrogen được lặp lại 3 lần để khử N2 thành 2 phân tử ammonia Cân bằng ở phía dưới bao gồm cả vi c khử proton thành H2 (Theo: Prescott và cs, 2005) Đáng chú ý, ở đây có sự cộng sinh di truyền giữa hai cơ thể: cây tổng hợp phần protein còn vi khuẩn tổng hợp nhóm... 22/35 Sử dụng năng lượng trong sinh tổng hợp ở vi sinh vật Tổng hợp các amino acid thơm (phenylalanine, tyrosine, tryptophan) Chú ý: hầu hết các mũi tên đều biểu thị trên 1 phản ứng enzyme (Theo: Prescott và cs, 2005) CÁC PHẢN ỨNG BỔ SUNG Khi xem xét hình 17 ta thấy các chất trung gian của chu trình TCA được dùng trong sinh tổng hợp các pyrimidine và nhiều acid amine Trên thực tế, các chức năng sinh tổng. .. 16Pi 16/35 Sử dụng năng lượng trong sinh tổng hợp ở vi sinh vật Khử nitrogen Giả thuyết khử nitrogen nhờ nitrogenase (Theo: Prescott và cs, 2005) Các electron bắt nguồn từ ferredoxin đã bị khử bởi một số con đường, chẳng hạn qua quang hợp ở vi khuẩn lam, qua các quá trình hô hấp ở các vi khuẩn cố định nitrogen hiếu khí hoặc qua lên men ở các vi khuẩn kỵ khí Ví dụ, Clostridium pasteurianum (một vi khuẩn... typhimurium), vi khuẩn gram dương (ví dụ: Lactobacillus plantarum và Clostridium pasteurianum) và vi khuẩn lam 30/35 Sử dụng năng lượng trong sinh tổng hợp ở vi sinh vật Tổng hợp triacylglycerol và phospholipid (Theo: Prescott và cs, 2005) Các vi sinh vật nhân thật thường dự trữ carbon và năng lượng ở dạng triacylglycerol, glycerol được este hoá với 3 acid béo Glycerol xuất hiện từ sự khử dihydroxyacetone phosphate... acid khác Các transaminease chứa coenzyme pyridoxal 13/35 Sử dụng năng lượng trong sinh tổng hợp ở vi sinh vật phosphate có chức năng chuyển nhóm amine Vi sinh vật có một số transaminease, mỗi enzyme này xúc tác vi c tạo thành một số amino acid bằng cách sử dụng cùng một amino acid làm chất cho nhóm amine Khi glutamate-dehydrogenase hoạt động phối hợp với các transaminease ammonia có thể được chuyển thành... cùng là khác Tổng hợp peptidoglycan Chú ý: pentapeptide chứa L-lysine ở peptidoglycan của S aureus và acid diamineopimelic (DAP) ở peptidoglycan của E coli Tác dụng kìm hãm của bacidraxin, xicloserine và vancomixin được chỉ rõ Các con số tương ứng với 6 trong 8 bước nói trong bài Bước 8 được mô tả ở hình 29 (Theo: Prescott và cs, 2005) 33/35 Sử dụng năng lượng trong sinh tổng hợp ở vi sinh vật Chuyển ... trình Calvin dùng để tổng hợp phân tử cần thiết khác 7/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật TỔNG HỢP CÁC ĐƯỜNG VÀ POLISACCHARIDE Nhiều vi sinh vật khả quang hợp thể dị dưỡng phải tổng hợp đường... 34/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Các kiểu tổng hợp thành Trong hình kiểu tổng hợp thành tế bào vi khuẩn sinh trưởng phân chia (a) Các streptococci số cocci khác gram dương (b) Tổng hợp. .. UDP-galactose tổng hợp từ UDPG qua vi c xếp lại nhóm hydroxyl Một enzyme khác xúc tác vi c tổng hợp UDP - acid glucuronic qua vi c oxy hoá UDPG (hình 7) 9/35 Sử dụng lượng sinh tổng hợp vi sinh vật Uridine