Con đường trao đổi chất là con đường mà tất cả các quá trình lên men đều được diễn ra với sự sinh tổng hợp adenosine triphotphat - ATP, là chất cung cấp năng lượng cho tế bào hoạt động. Dưới những điều kiện sinh lý thích hợp thì tế bào vi khuẩn Z. mobilis cần có một năng lượng khoảng 42 và 50 kJ/mol để sinh tổng hợp ATP , tuy nhiên thực tế thường nó cần khoảng 63 kJ/mol.
Theo con đường Embden-Meyerhof ở nấm menSaccharomyces cerevisiae
thì có 2 mol ATP và 2 mol NADH tạo thành ứng với mỗi mol glucose hấp thu. Theo con đường Entner – Doudoroff ở vi khuẩnZymomonas mobilis thì chỉ
có 1 mol ATP và 2 mol NADH ứng với mỗi mol glucose hấp thu và acid pyruvic là sản phẩm trung gian của con đường này.
Ở cả 2 con đường trên đều có sự giảm năng lượng tự do khoảng –235 kJ/mol glucose được lên men .
Đối với các phản ứng hóa học, động học của một quá trình phản ánh tốc độ phản ứng ở mức phân tử, còn trong cơ thể vi sinh vật động học lại phản ánh tương tác giữa tế bào sống và môi trường nuôi cấy.
Z. mobilis rất nhạy cảm với acid acetic (đặc biệt với pH ngoại bào thấp). Acid acetic là một thành phần điển hình có trong các sản phẩm thủy phân của cellulose. Tuy nhiên cơ chế kìm hãm của acid acetic lên quá trình lên men vẫn chưa được giải thích rõ ràng.
Hình 13 : Cơ chế vận chuyển Hac, Ac- và H+ qua màng tế bào
Zymomonas mobilis
Nếu nồng độ acid acetic cao thì sẽ có sự tiêu hao ATP để duy trì pH nội bào (pHin). Hiện tượng này xảy ra là do sự gia tăng dòng proton vào tế bào nhờ cơ chế khuếch tán của dạng proton acid acetic (HAc).
Khi pH ngoại bào thấp (pHext), HAc khuếch tán qua màng tế bào , bị phân ly một phần do pHin cao hơn. Vì pHin > pHext , đối vớiZ. mobilis (cũng như với các chủng vi sinh vật lên men ethanol khác), pH có xu hướng cân bằng trở lại nhờ dạng phân ly của acid acetic (Ac-). Vì thế chúng ta cần quan tâm đến dòng vào của HAc và dòng ra của Ac- . Các nhà nghiên cứu cho rằng sự vận chuyển của 2 yếu tố này được xúc tiến bởi gradient nồng độ.
Các kết quả thí nghiệm cho thấy nếu không có acid acetic, tốc độ lên men ethanol cực đại tính theo thể tích khi lên men liên tục ở pH 5.0 là 3.54 g/L. h. Trong suốt quá trình lên men liên tục kéo dài, hiệu quả chuyển hóa đường thành ethanol (dựa trên tổng lượng đường hấp thu) luôn được duy trì > 85%. Nếu có acid acetic với nồng độ 0.25% (w/v), tốc độ lên men giảm còn 1.17 g/L.h ở pH 5.5.
Ion H+ dễ dàng thẩm thấu và khuếch tán qua màng tế bào (dòng vào H+
được xúc tiến bởi gradient nồng độ). Cơ chế vận chuyển tự động của ion H+ nhằm duy trì mức sinh lý thích hợp cho tế bào. Cần lưu ý rằng pHin luôn cao hơn pHext
trong suốt quá trình lên men củaZ. mobilis.
pH nội bào của củaZ. mobilis khoảng 6.4 và gradient pH bắt đầu giảm dần trước khi mức ATP giảm mạnh. Trong khi đó, gradient pH vẫn tiếp tục tăng mãi đến khi mức ATP cạn kiệt. Gradient pH được tạo một phần là do quá trình
thủy phân ATP bởi ATPases liên kết với màng tế bào và do sự bài tiết ra môi trường các sản phẩm trao đổi chất như : acid acetic, acid lactic…
Một điều quan trọng là chỉ có 1 mol ATP được tạo ra từ 1 mol glucose hấp thu bằng con đường Entner – Doudoroff. Một phần đáng kể lượng ATP này được chuyển hóa thành ADP và tham gia phosphoryl hóa đồng thời UDP. Vì vậy, nồng độ ATP nội bào có sẵn cho quá trình thủy phân xúc tác bởi ATPases sẽ ít hơn.
Một số nghiên cứu gần đây về đặc tính của các enzyme trong Z. mobilis
cho rằng glucokinase có thể sử dụng UTP, GTP, và CTP tốt như ATP trong các phản ứng phosphoryl hóa glucose ban đầu. UTP là một nucleoside triphotphat chính trong tế bào khi lên men. Ngoài ra, glucokinase bị kìm hãm khoảng 35% bởi 0.05 mM glucose 6-photphat và 71% bởi 0.2 mM glucose 6-photphat.