102 O 2 4 + 4H + H 2 O
4.5.3. Các loại hô hấp
Pyruvate được coi là sản phẩm cuối cùng của quá trình đường phân. Nó có thể lên men rượu để tạo ethanol hoặc lên men lactic để tạo lactic acid hoặc được phân giải qua chu trình Krebs để tạo CO2 và H2O.
Ở sự lên men rượu trước hết pyruvate được khử cacboxyl hoá thành acetaldehyde, sau đó dưới tác dụng của NADH nó được khử thành ethanol.
NADH được ra trong quá trình đường phân được sử dụng để oxy hoá acetaldehyde, như vậy sự tái tạo NADH là do oxy hoá aldehydphosphoglyceric (phản ứng 8 đường phân) cung cấp cho phản ứng này. Ethanol COO H C = O CH3 Pyruvic acid NAD+ NADH + H+ CO2 CHO CH3 CH2 - OH CH3 Acetaldehyd
Quá trình lên men rượu gồm quá trình đường phân từ carbohydrate cho đến pyruvic acid, từ chất này đến acetaldehyde và ethanol là sản phẩm cuối cùng. Đường hexose (glucose, fructose) là nguyên liệu ban đầu của quá trình lên men, tổng quát được biểu diễn như sau:
1 Hexose + 2ATP fructose-1,6-diphosphate Fructose-1,6-diphosphate 2 aldehydphosphoglyceric
2 aldehydphosphoglyceric + 2 NAD+ 2 pyruvic acid + 4ATP +2NADH 2 pyruvic acid + 2 NADH 2 ethanol + 2 NAD ++ 2 CO2
Cuối cùng: 1 hexose 2 ethanol + 2 CO2 + 2 ATP
Nhiều cơ quan như rễ của thực vật bậc cao, có khả năng thực hiện sự lên men rượu trong điều kiện yếm khí. Đối với công nghệ quan trọng là
Saccharomyces cerevisiae, là một loài men kỵ khí không bắt buộc, nghĩa là nó có thể phát triển trong điều kiện có hoặc không có O2. Khi không có O2 sự phân giải glucose xảy ra nhanh hơn. Người ta gọi hiệu ứng này là hiệu ứng Pasteur. Pasteur đã phát hiện ra rằng, sự phân giải đường trong điều kiện yếm khí xảy ra 7 lần nhanh hơn so với điều kiện háo khí. Ngày nay chúng ta biết rằng, hiệu ứng này là do sự điều khiển biến đổi cấu trúc (biến cấu) của enzyme fructosephosphatkinase. Ở sự phân giải háo khí thì ATP được tạo ra tương đối nhiều, và khi nồng độ ATP cao, nó ức chế hoạt tính của fructosephosphatkinase làm cho sự đi vào của glucosephosphat bị giảm xuống. Ngược lại khi phân giải đường trong điều kiện yếm khí, nồng độ AMP cao, nó kích thích hoạt tính của fructosephosphatkinase. ADP được tạo ra ở nhiều phản ứng do kinase xúc tác, được biến đổi thành ATP và AMP như sau:
2 ADP ATP + AMP
Lên men lactic cũng gồm quá trình biến đổi từ carbohydrate đến pyruvate, chất này được khử để tạo thành lactic acid nhờ NADH được tạo ra trong quá trình đường phân.
COO H C = O NAD+ NADH + H+ COO H HCOH
Quá trình này được tổng quát như sau: 1 glucose 2 lactic acid + 2 ATP
Những vi khuẩn lactic quan trọng thuộc những chủng loại sau:
Streptococcus không mẫn cảm với O2
Lactobacillus không mẫn cảm với O2
Clostridium yếm khí nghiêm ngặt
Vi khuẩn streptococus và lactobacillus không mẫn cảm với O2, nghĩa là chúng có enzyme superoxiddismutase, có khả năng làm mất độc tính của gốc O2 . Streptococcus và lactobacillus có khả năng sử dụng O2 nhưng không phải cho sự phân giải háo khí (hô hấp), vì chúng không có khả năng tổng hợp heme. Chúng không có cytochrome, là thành phần quan trọng của hô hấp. Clostridium sống nghiêm ngặt trong điều kiện yếm khí, nên O2 là chất độc đối với chúng. Clostridium botulinum tổng hợp được chất độc tự nhiên mạnh nhất là botulinus-toxin. Một lượng rất nhỏ 0.03 ng/kg trọng lượng cơ thể đã gây chết.
Hầu hết vi khuẩn lactic không mẫn cảm với nhiệt độ và pH thấp. Ở quá trình lên men lactic nhanh thì pH môi trường giảm nhanh và vì nhiều vi sinh vật mẫn cảm với độ pH thấp, ví dụ vi khuẩn gây thối, nên chúng không có cơ hội cạnh tranh với vi khuẩn lactic, nhờ vậy mà nông sản được bảo vệ.
Khi sản xuất thức ăn chua thì sự gây chua nhanh nhờ vi khuẩn lactic là một điều kiện cơ bản cho thành công của lên men lactic và bảo quản. Lên men chủ yếu là nhờ lactobacillus plantarum, loại vi khuẩn sống trên lá cây và bằng cách nào đó mà được đưa vào cùng với nông sản. Để lên men lactic nhanh điều quan trọng là thực vật có đủ carbohydrate, đặc biệt là saccharose. Những bắp cải trắng đã già thoả mãn điều kiện này. Thực phẩm xanh, non thì hàm lượng carbohydrate ít, và cây thức ăn giàu đạm thì sự lên men lactic xảy ra chậm, pH chỉ được giảm rất ít và những vi khuẩn khác, như vi khuẩn butyric có thể phân giải thực phẩm xanh. Việc cho thêm mật vào có thể hạn chế nhược điểm trên, vì mật chứa nhiều saccharose và raffinose, những chất này sau khi thuỷ phân được phân giải nhanh bởi vi khuẩn lactic. Ngô chín sữa là nguyên liệu lên men lý tưởng, vì trong quả của nó chứa nhiều carbohydrate dễ phân giải.
Khi sản xuất phomat sự lên men lactic cũng có ý nghĩa quan trọng. Sữa chua được gây ra phần lớn là do streptococcus lactis và streptococcus cremonis. pH thấp dẫn đến sự kết tủa protein (sữa đặc lại), được gọi là phomat trắng. Phomat này không những chứa protein mà còn cả chất béo
sữa. Phomat này là nguyên liệu để sản xuất các loại phomat khác nhau. Để sản xuất phomat cần có sự tham gia của các vi khuẩn lactic, streptococus,
lactobacillus, chúng không những tạo nên lactic acid mà còn thuỷ phân protein, nghĩa là phân giải thành peptide và aminoacid. Trong phomat lactic acid còn có chức năng bảo quản.
Nguyên lý của sự phophoryl hoá yếm khí được nghiên cứu kỹ. Như ở hình 4.21phân tử cơ chất được biến đổi cho đến nhóm phosphoryl của nó ở dạng liên kết giàu năng lượng. Nhóm phosphoryl này được chuyển đến ADP, tổng hợp ATP. Vì vậy người ta gọi sự phosphoryl hoá này là phosphoryl hoá cơ chất.
So sánh hai giai đoạn của phân giải carbohydrate (hô hấp háo khí) thì năng lượng thu được (ATP) từ quá trình đường phân chỉ chiếm khoảng 20% tổng năng lượng dự trữ ở trong phân tử glucose. Phần năng lượng lớn nhất được tạo ra sẽ ở giai đoạn phân giải tiếp theo.
Quá trình đường phân được điều khiển bởi enzyme fructosephosphatkinase (phản ứng 4 trong sơ đồ). Đó cũng là enzyme quan trọng của quá trình đường phân. Enzyme có 4 tiểu đơn vị bị ức chế theo cơ chế “tác động biến cấu” bởi ATP và citrate, ngược lại được hoạt hoá bởi AMP. Vì vậy tỷ lệ AMP/ATP cao kích thích và tỷ lệ ATP/AMP cao thì ức chế hoạt tính của enzyme. Cơ chế này rất có ý nghĩa, vì khi trong hệ thống có nhiều ATP thì không cần tổng hợp qua quá trình đường phân. Ngược lại khi tỷ lệ AMP/ATP cao biểu hiện sự thiếu ATP, xảy ra sự tổng hợp ATP. Một nồng độ citrate cao là chất trao đổi cung cấp đủ cho chu trình Krebs. Vì quá trình đường phân cung cấp các chất trung gian cho chu trình Krebs, nên sự điều khiển quá trình đường phân qua hiệu quả biến cấu của citrate đến fructosephosphatkinase là một cơ chế rất có ý nghĩa.