16]
Lên men là quá trình oxy hĩa – khử cĩ enzim xúc tác. Vì vậy, cơ chế cĩ vai trị quyết định trong việc điều hịa các phản ứng hĩa học, ở đây, phải là cơ chế tác dụng trên mức độ enzim. Về nguyên tắc cĩ hai phương pháp điều hịa các phản ứng enzim. Điều hịa bằng những yếu tố ảnh hưởng đến việc sinh tổng hợp ra enzim và
điều hịa bằng những nhân tố ảnh hưởng đến độ hoạt độ của enzim. Nhưng điều hịa theo nguyên tắc đầu thường là chậm hay gọi là điều chỉnh thơ. Kiểu điều hịa theo nguyên tắc thứ hai nhanh hơn, cĩ hiệu quả hơn và kinh tế hơn do đĩ người ta gọi là điều chỉnh tinh.
*Điều hịa bằng cách tác động đến hoạt độ của enzim:
a. Đối với một phản ứng enzim đơn giản, một giai đoạn
Giả sử cĩ phản ứng:
Xaza
X ←→Y
được xúc tác bởi enzim Xaza. Chúng ta dễ dàng thấy vận tốc phản ứng phụ thuộc vào nồng độ cơ chất, nồng độ enzim Xaza, nhiệt độ pH, các chất hoạt hĩa và các chất kiềm hãm. Thay đổi một trong những nhân tố này sẽ làm thay đổi vận tốc phản ứng hay nĩi cách khác sẽ điều chỉnh được phản ứng.
Trong những nhân tố đĩ việc thay đổi nồng độ cơ chất cĩ ý nghĩa quan trọng hơn cả. Vận tốc của phản ứng enzim được biểu diễn bởi phương trình Michaelis- Menten: [ ] [ ] S [ ] S m V k E K = +
Dĩ nhiên, khi nồng độ cơ chất thấp hơn lượng mà enzim cần để kết hợp thì hoạt độ của một lượng enzim khơng đổi sẽ hồn tồn phụ thuộc vào nồng độ cơ chất. Khi enzim đã bão hịa cơ chất thì vận tốc phản ứng sẽ khơng phụ thuộc vào nồng độ cơ chất mà chỉ phụ thuộc vào nồng độ enzim và hoạt độ xúc tác của nĩ:
max [ ]
V =k E .
Như vậy, tham gia vào hằng số k bây giờ chỉ cịn lại pH, nhiệt độ và các điều kiện khác.
Khi nhiệt độ và pH thay đổi khơng đáng kể và nồng độ cơ chất tối ưu thì hoạt độ của Xaza chỉ phụ thuộc vào chất kìm hãm hay chất hoạt hĩa cĩ trong mơi trường. Trong trường hợp này thậm chí thay đổi một lượng rất nhỏ các chất này cũng cĩ ảnh hưởng lớn đến vận tốc phản ứng.
Đối với một hệ phản ứng enzim thì ngồi những nhân tố trên cịn thêm những nhân tố phụ nữa. Vì mỗi phản ứng trong hệ cịn phụ thuộc vào kết quả của những phản ứng cịn lại. Giả sử cĩ hệ phản ứng:
Vaza Xaza Yaza
V ← ←→ X ←→ Y →Z
Giả sử enzim Vaza rất nhạy cảm đối với sư thay đổi pH, cịn sản phẩm Z cuối cùng là một chất axit.
Ta sẽ thấy cùng với sự tăng hàm lượng Z thì độ axit của dung dịch tăng lên và ảnh hưởng đến hoạt độ của Vaza do đĩ vận tốc tạo thành X từ V bị giảm. Lượng X giảm thì Y và Z cũng giảm theo. Z giảm thì độ axit của dung dịch giảm. Độ axit giảm, lập tức tác dụng của Vaza lại tăng. Lương Z và độ axit tăng thì hoạt độ của Vaza lại giảm. Cuối cùng sẽ đạt đến trạng thái cân bằng bền.
Như vậy, sự tạo thành Z là yếu tố điều chỉnh hoạt động của Vaza và ngược lại vận tốc tác dụng của Vaza lại quyết định lượng Z tạo thành. Kiểu điều chỉnh như thế người ta gọi là cơ chế phản hồi, cơ chế nuơi ngược.
Hệ thống phản ứng cĩ cơ chế nuơi ngược cĩ thể biểu diễn như sau:
V ← ← ←→ X → Y →Z
Cĩ hai kiểu nối ngược. Nếu sản phẩm cuối cùng của phản ứng Z kìm hãm hoạt độ của Vaza, ta sẽ cĩ nối ngược âm. Nhưng nếu sản phẩm cuối cùng Z làm giảm pH, lại hoạt hĩa Vaza thì ta cĩ nối ngược dương. Tuy nhiên nguyênn tắc chung của tất cả các phản ứng cĩ nối ngược: vận tốc của phản ứng được điều chỉnh bằng sản phẩm khơng tham gia trực tiếp vào phản ứng đĩ.
c. Điều chỉnh bằng vận tốc của phản ứng chậm nhất trong hệ:
Chúng ta trở lại với hệ phản ứng enzim ở trên. Để đơn giản, chúng ta coi vận tốc của phản ứng trong điều kiện thuận lợi nhất là cực đại và dĩ nhiên sẽ khác nhau.
Giả sử phản ứng V → X = 100 đơn vị bất kỳ X → Y = 10 đơn vị bất kỳ Y → Z = 1 đơn vị bất kỳ
Như vậy phản ứng xúc tác bởi Vaza 10 lần nhanh hơn phản ứng với sự tham gia của Xaza và 100 lần nhanh hơn phản ứng với sự xúc tác của Yaza. Ta dễ dàng
(+H+) Vaza Xaza Yaza
thấy Vaza sản xuất ra X 10 lần lớn hơn lượng cĩ thể sử dụng bởi Xaza, trong khi đĩ Xaza lại sản xuất ra Y 10 lần nhiều hơn lượng được sử dụng bởi Yaza. Vì trong quá trình phản ứng tạo thành một lượng dư rất lớn X và Y mà các enzim Xaza và Yaza khơng sử dụng hết. Như vậy vận tốc chuyển hĩa V → Z chỉ bị hạn chế bởi vận tốc phản ứng Y←Yaza→Z.
Vậy vận tốc của hệ phản ứng enzim do vận tốc của phản ứng chậm nhất trong hệ quyết định (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
d. Điều chỉnh do sự chuyển hĩa năng lượng:
Hoạt động sống của tế bào vi sinh vật thể hiện đầy đủ khi cĩ năng lượng. Lúc đĩ, tế bào khơng những phải điều chỉnh các phản ứng cần năng lượng mà cả những phản ứng sản xuất ra năng lượng. Dự trữ năng lượng chủ yếu của tế bào được tập trung và kiểm tra ở trong ti thể nhờ cĩ ATP tổng hợp được khi oxy hĩa các chất trong mạch chuyển hydro. Như vậy, lượng ATP tích tụ được do kết quả của sự oxy hĩa quyết định lượng năng lượng thu được bởi tế bào. Sự phân giải hợp chất cao năng đĩ thành ADP và phosphat vơ cơ sẽ giải phĩng ra năng lượng để chi dùng cho các quá trình trao đổi. Ti thể phải cĩ một hệ thống kiểm tra nội tại riêng để đảm bảo cho được nhịp độ đốt cháy các “nhiên liệu”. Sơ đồ của hệ thống kiểm tra đĩ hay là sơ đồ các cơng đoạn trong quá trình oxy hĩa cĩ thể biểu diễn như sau:
~ ~
X I+P←→I P X+
~
I P ADP+ ←→ATP I+
Hình 2.1: Sơ đồ phosphryl hĩa – oxy hĩa
e. Điều chỉnh bằng các yếu tố cấu trúc của tế bào:
Các cấu tử dưới tế bào cũng cĩ vai trị quan trọng trong viêc điều chỉnh các hoạt động của tế bào vi sinh vật như điều hịa tổng hợp các chất trao đổi và tích lũy
Cơ chất(dạng oxy hĩa)
Cơ chất(dạng khử)
NAD – H2
NAD
Xit.a3(dạng khử)
Xit.a3(dạng oxy hĩa)
[O] H2O Mạch chuyển hydro Phản ứng chậm Các phản ứng nhanh Các phản ứng chậm
năng lượng hữu ích. Người ta biết nhiều bào quan độc lập và màng đã tham gia trực tiếp vào nhiệm vụ điều chỉnh đĩ.
Trong tế bào, nếu lượng ti thể gồm khoảng 500 – 1000 thì lượng riboxom cĩ đến vài trăm nghìn và thay đổi phụ thuộc vào trạng thái vật lí của tế bào. Số lượng phân tử enzim trong tế bào cĩ khoảng gần 1 tỉ. Song mỗi một bào quan chỉ chứa những enzim và cơ chất đặc hữu của mình. Cơ chất định vị trong một bào quan nào đĩ sẽ khơng đến được đối với những enzim tương ứng cĩ trong những bào quan khác. Hoặc chẳng hạn các enzim thủy phân thường cư trú ở trong liboxom và chỉ trong trường hợp rất đặc biệt mới cĩ thể thốt ra ngồi. Người ta cũng nhận thấy rằng, màng của tế bào cũng như các bào quan khác cĩ khả năng chọn lọc rất cao. Màng cĩ thể chỉ cho ion này đi vào mà khơng cho đi ra hoặc ngược lại.