Những nguyên tố cơ bản của carbohydrate và lipid là C, H và O.
Ngoài ra còn có các nguyên tố S và P, ví dụ trong phospholipid và sulfolipid, nhưng chúng không phải là các nguyên tố cơ bản. Trong protein và nucleic acid, N là nguyên tố không thể thiếu được. Trước khi đề cập kỷ hơn trao đổi chất của chúng, chúng ta cần tìm hiểu các đại phân tử, các chất trao đổi, các chất hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp được tạo nên từ các chất vô cơ như thế nào. Sơ đồ sau đây đưa ra 4 “con đường phản ứng”: tổng hợp polysaccharid, lipid, protein và nucleic acid.
Polysaccharid, lipid, protein và nucleic acid có khả năng tạo nên những phức hợp lớn là những thành phần của tế bào như thành tế bào, màng tế bào, enzyme và ribosome.
Thực vật và một số sinh vật tiền nhân có khả năng tổng hợp những phân tử hữu cơ từ những chất vô cơ nghèo năng lượng. Cũng như vậy đối với sự cố định nitơ vô cơ.
H2O-
Phospho- glyxerate Oxaloacetate
Mono- saccharide
Poly-
saccharide Thành tế bào CO2
Acetate
Malonate Glycerine
Acid béo Lipid Màng sinh học
N2
NH3 Axit α-oxoacid Aminoacid Protein Enzyme Tế
bào NO3- Ribose
Carbamyl- phosphate
Nucleotide Nucleic acid Ribosome
Các hợp
chất vô cơ Hợp chất trung
gian Đơn phân Hợp chất cao
phân tử Các kết hợp đại phân tử MG: 50 - 250 MG: 100 - 300 MG: 103 - 108 MG: 106 - 109
Nitơ ở dạng NH3, NO3- và một phần ở dạng N2 có thể được đồng hoá. Sự đồng hoá trực tiếp thực chất là sự kết hợp NH3 với một phân tử hữu cơ. Nitrate và N2 trước hết được chuyển sang NH3. Hai quá trình này sẽ được đề cập ở phần sau đây.
Quá trình khử nitrate và nitrite là chuyển NO3- thành NH3 qua NO2-, được xúc tác bởi 2 enzyme khác nhau là nitratreductase và nitritreductase.
Nitratreductase là 1 enzyme phổ biến trong vi khuẩn, nấm, thực vật bậc cao và thực vật bậc thấp. Ở những nhóm sinh vật khác nhau thì enzyme này có những đặc tính khác nhau. Chức năng chủ yếu là khử NO3-
thành NO2-. Nhóm prosthetic của enzyme này ở thực vật bậc cao là FAD, cytochrome b và Mo. Trình tự phản ứng có phần tương tự chuỗi enzyme hô hấp, được biểu diễn ở trong hình 7.14. NADH, ở một số loài sinh vật là NADPH chuyển e- đến FAD, tạo thành FADH2, sau đó điện tử này được chuyển đến cytochrome b, cytochrome b ở trạng thái khử, khử Mo6+ thành Mo4+. Mo4+ có khả năng kéo 1 nguyên tử O của NO3- và khử để tạo thành NO2-. Oxy ở dạng khử phản ứng trực tiếp với proton để tạo thành H2O.
Trong sơ đồ 2H+ được giải phóng ra trong quá trình oxy hoá khử giữa FADH2 và cytochrome b (hình 7.14).
Tổng quát: NAD(P)H + H + NO3- → NO2- + H2O + NAD(P)+ Hình 7.14 Trình tự phản ứng của nitratreductase
Enzyme này định vị trong tế bào chất và dạng khử của nó được tạo nên từ quá trình đường phân (khử aldehydphosphoglyxeric thành phosphoglyxeric acid), ở thực vật C4 bằng sự oxy hoá malate thành oxaloacetate. Hoạt tính của enzyme nitratreductase bị ảnh hưởng mạnh bởi ánh sáng, nguyên nhân là do chất khử của nitratreductase được giải phóng trực tiếp từ lục lạp. Ở đây lục lạp tiếp nhận oxaloacetate hoặc phosphoglyxerate, trong quá trình quang hợp được khử thành malate và aldehydphosphoglyxeric. Hai chất này được đưa ra lại tế bào chất. Ở đây chúng bị oxy hoá có sự tham gia của NAD+ để tạo thành NADH. Cơ chế này đặc biệt có ý nghĩa ở thực vật C4, vì ở chúng một lượng đáng kể chất khử được tạo thành từ malate đi ra từ lục lạp.
Hoạt tính của enzyme nitratreductase bị ảnh hưởng bởi các chất khác nhau. Nitrate hoạt hoá mạnh mẽ, ngược lại NH4+ và các aminoacid kìm hãm enzyme này. Enzyme này có nửa thời gian tồn tại là một số giờ, vì vậy nó phải luôn luôn được tổng hợp mới. Sự tổng hợp này phụ thuộc vào cường độ ánh sáng.
Bên cạnh nitratreductase đồng hoá như đã nêu trên, người ta còn biết một loại nitratreductase hô hấp. Loại này có mặt chủ yếu trong vi sinh vật và được tạo nên đặc biệt trong điều kiện yếm khí. Chức năng của nó là khi không có O2, điện tử bắt nguồn từ chuỗi enzyme hô hấp kết hợp với nguyên tử O của NO3-. Trong trường hợp này NO3- thay thế nguyên tử oxy trong chuỗi hô hấp. Nitratreductase hô hấp này gắn chặt với màng và cùng tồn tại với cytochrome, bị ức chế bởi O2. Ngược với nitratreductase đồng hoá không kết hợp và mẫn cảm với O2, nitratreductase hô hấp là 1 enzyme xúc tác quá trình phản nitrate hoá . Phản nitrate hoá được hiểu là khử NO3-
cho tới N2O và N2. Quá trình này xảy ra chủ yếu trong đất, nước trong điều kiện yếm khí và có vai trò quan trọng trong tự nhiên. Sự khử NO3-
theo kiểu hô hấp tạo thành NO2- xảy ra trong hệ thống tiêu hoá người và động vật.
NO2- được tạo ra nhờ enzyme nitratreductase trong tế bào chất của tế bào thực vật là 1 anion của 1 acid yếu. Vì vậy một phần NO2- tạo nên được proton hoá và thể hiện ở cân bằng phương trình sau: