- Chuyển hố vật chất là tồn bộ các phản ứng xảy ra trong hoạt động sống của tế bào. Thường chia ra thành chuyển hố vật chất phân giải (quá trình phân hố) và di
Ngọc Hải
chuyển hố vật chất tổng hợp (quá trình đồng hố)ênTrong quá trình dị hố, các hợp chất hữu cơ phức tạp được phân giải thnàh các chất đơn giản. Trong quá trình đồng hố hàng loạt các chất trong tế bào sinh dưỡng để tạo thành. Dị hố là quá trình sản sinh năng lượng, cịn đồng hố là quá trình tiêu thụ năng lượng. Trong cơ thể sống, hai quá trình này tương tác với nhau và diễn ra đồng thời, liên quan mật thiết với nhau khơng chỉ về chuyển hố vật chát mà cả về sinh sản và sử dụng năng lượng. Các hợp chất sinh ra trong quá trình dị hố cĩ thể được tham gia vào quá trình đồng hố, tạo nên tế bào.
* Các quá trình chuyển hố ở sinh vật:
Các quá trình ơxi hố – phân huỷ đi kèm với việc giải phĩng ra năng lượng cần thiết cho hoạt động sống được gọi là quá trình trao đổi năng lượng. Ở tế bào vi sinh vật, số lượng các chất dự trữ khơng nhiều so với tế bào ở động vật, thực vật. Vì thế, chúng phải sử dụng các chất chủ yếu từ mơi trường xung quanh. Đa số vi sinh vật cĩ kiểu dinh dưỡng hố năng (vơ cơ hoặc hữu cơ). Chúng sử dụng các hợp chất hố học để làm nguồn sinh năng lượng. Năng lượng này khơng biến thành nhiệt năng mà truyền từ hợp chất này sang hợp chất khác cùng với e hoặc các nguyên tử. Các vi sinh vật hố dị dưỡng sử dụng các hợp chất hữu cơ cĩ sẵn, cịn các vi sinh vật hố tự dưỡng quang năng sử dụng trực tiếp năng lượng của ánh sáng.
Ở các sinh vật kị khí, quá trình ơxi hố năng lượng khơng kèm theo việc liên kết với ơxi trong khơng khí. Ơxi hố khơng chỉ cĩ nghĩa là liên kết với ơxi mà cịn bao gồm các quá trình mất hiđrơ (RH2 + A → R + AH2), quá trình tách hiđrơ ra sau khi kết hợp với nước (A + H2O → B →C) hoặc quá trình mất e và làm tăng thêm hố trị dương (Fe2+ → Fe3+ +e).
Năng lượng giải phĩng ra từ các phản ứng hố học sẽ được lưu giữ trong các hợp chất giàu năng lượng cĩ mặt trong tế bào vi sinh vật: chủ yếu là ATP, ngồi ra cịn cĩ UTP, axyl phơtphat, axêtyl-CoA …
Sự ơxi hố sinh học là khái niệm chung để chỉ một loạt các phản ứng ơxi hố sinh năng lượng xảy ra trong tế bào sống. Sự mất hiđrơ của cơ chất cĩ thể xảy ra ở vi sinh vật theo những kiểu khác nhau:
* Hơ hấp cĩ ơxi: Hiđrơ và điện tử sinh ra khi ơxi hố cơ chất sẽ chuyển theo chuỗi hơ hấp để trao cho ơxi và tạo thành nước. Đây là quá trình hơ hấp hiếu khí. Khi
Ngọc Hải
đĩ, chất hữu cơ được ơxi hố triệt để và giải phĩng ra năng lượng. Một phần năng lượng được chuyển hố vào ATP , một phần khác được chuyển thành nhiệt năng. Một phân tử glucơzơ trong điều kiện hơ hấp hiếu khí cĩ thể bị ơxi hố và sản sinh ra 668kcal năng lượng tự do, trong đĩ trên 300kcal được tích chữ trong ATP, sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O. Các vi sinh vật cĩ quá trình hơ hấp này đều là các vi sinh vật hiếu khí hoặc kị khí khơng bắt buộc.
* Lên men: Hiđrơ và điện tử sinh ra khi ơxi hố hợp chất hữu cơ sẽ thơng qua các cơenzim hay cơfactow (như NAD, NADP, FAD …) chuyển giao cho một chát hữu cơ khác để sinh ra một chất hữu cơ dạng khử. Đây là quá trình ơxi hoa khơng triệt để và chỉ sinh ra một phần năng lượng tự do, cịn năng lượng được chuyển phần lớn vào ATP. Quá trình ơxi hố này khơng cĩ sự tham gia của ơxi phân tử. Ví dụ, một phân tử glucơzơ lên men rượu sẽ sinh ra 2 phân tử êtanol (C2H5OH) và 54kcal. Lên men là phương thức thu năng lượng chủ yếu ở vi sinh vật kị khí. Một số vi sinh vật kị khí khơng bắt buộc cũng cĩ thể lên men. Tuy nhiên, ở các vi sinh vật cĩ quá trình lên men, đĩ gọi là hiệu ứng Paxtow (Pasteur). Ví dụ lên men rượu nếu cĩ ơxi xâm nhập vào thì ức chế việc sản sinh êtanol mà chuyển sang hơ hấp, tốc độ sử dụng glucơzơ sẽ hạ thấp xuống. Vì vậy, khi lên men rượu cần đảm bảo điều kiện kị khí.
* Hơ hấp kị khí: Hiđrơ và e sinh ra khi ơxi hố sẽ thơng qua chuỗi chuỳen e để chuyền tới một chất vơ cơ. Chất nhận hiđrơ và e cĩ thể thể là −
3NO , − NO , − 2 NO , 2− 4 SO , 2− 3 2O S
và CO2. Sản phẩm cuối cùng của hơ hấp kị khí cũng là CO2 vag H2O. Ngồi ra cịn tạo thành ATP và chất vơ cơ dạng khử. Ví dụ, 1 phân tử glucơzơ tiến hành hơ hấp kị khí lấy KNO3 làm chất nhận e cĩ thể giải phĩng 29 kcal năng lượng tự do, một phần năng lượng khác được di chuyển đến −
2
NO mới sinh ra. Vi sinh vật hơ hấp kị khí chủ yếu là vi khuẩn kị khí hoặc kị khí khơng bắt buộc (vi khuẩn phản nitrat hố, phản sunfat hố, lên men mêtan …)
- Quá trình phân giải glucơzơ thành axit piruvic (CH3COCOOH) trong cơ thể sống được gọi là quá trình đường phân. Ở vi sinh vật, quá trình đường phân chủ yếu theo 4 con đường khác nhau:
