Vi sinh vat
Khái niệm chung về trao
đổi chất ở Vi sinh vật
Chương 16.
16.1. NĂNG LƯỢNG
16.1.1. Năng lượng và công
Có thể định nghĩa một cách đơn giản nhất năng lượng là khả năng tạo nên
công hoặc gây nên những biến đổi đặc biệt. Do đó, tất cả các quá trình lý, hoá là
kết quả của việc sử dụng hoặc vận động của năng lượng. Tế bào sống thực hiện ba
loại công chủ yếu, tất cả đều cần thiết cho các quá trình sống.
Công hoá học, bao gồm việc tổng hợp các phân tử sinh học phức tạp từ các
tiền chất đơn giản hơn. Năng lượng ở đây được dùng để nâng cao tính phức
tạp phân tử của tế bào.
Công vận chuyển, cần năng lượng để hấp thu các chất dinh dưỡng, loại bỏ
các chất thải và duy trì các cân bằng ion.
Như ta biết, nhiều phân tử chất dinh dưỡng bên ngoài môi trường phải đi vào
tế bào mặc dù nồng độ nội bào của các chất này thường cao hơn ngoại bào nghĩa
là ngược với gradien điện hoá. Với các chất thải và các chất độc hại cần phải được
loại bỏ khỏi tế bào, tình hình cũng diễn ra tương tự.
Vi sinh vat
Công cơ học, có lẽ là loại công quen thuộc nhất trong ba loại công. Năng
lượng ở đây cần cho việc thay đổi vị trí vật lý của các cơ thể, các tế bào và
các cấu trúc bên trong tế bào. Hầu hết năng lượng sinh học bắt nguồn từ
ánh sáng mặt trời khả kiến chiếu lên bề mặt trái đất. Quang năng được hấp
thu bởi các sinh vật quang dưỡng trong quá trình quang hợp nhờ chất diệp
lục và các sắc tố khác sau đó chuyển thành hoá năng. Trái với sinh vật
quang dưỡng, nhiều vi khuẩn hoá tự dưỡng vô cơ (chemolithoautotrophs)
lại thu được năng lượng nhờ oxy hoá các chất vô cơ. Hoá năng từ quang
hợp và hoá dưỡng vô cơ sau đó có thể được các sinh vật quang tự dưỡng vô
cơ và hoá tự dưỡng vô cơ sử dụng để chuyển CO
2
xuất năng lượng tới các hệ thống thực hiện công. Nghĩa là, chúng cần có một đồng
tiền chung về năng lượng để tiêu dùng, đó là Adenosine 5’- triPhosphate tức ATP
(hình 16.2).
Vi sinh vat
Hình 16.2. Adenosine triPhosphate và Adenosine diPhosphate.
(Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)
Hình 16.3: Chu trình năng lượng của tế bào.
Khi ATP phân giải thành Adenosine diPhosphate (ADP) và ortoPhosphate (Pi)
năng lượng giải phóng ra sẽ được dùng để thực hiện công hữu ích. Sau đó, năng
lượng từ quang hợp, hô hấp hiếu khí, hô hấp kỵ khí và lên men lại được dùng để
tái tổng hợp ATP từ ADP và Pi trong chu trình năng lượng của tế bào (Hình 16.3).
ATP được tạo thành từ năng lượng cung cấp bởi hô hấp hiếu khí, hô hấp kị
khí, lên men và quang hợp. Sự phân giải của ATP thành ADP và Phosphate (P
i
)
giúp cho việc sản ra công hóa học, công vận chuyển và công cơ học.
16.1.2. Các định luật về nhiệt động học
Để hiểu được năng lượng tạo thành ra sao và ATP hoạt động như thế nào với
vai trò là đồng tiền năng lượng ta cần nắm được một số nguyên lý cơ bản của nhiệt
Vi sinh vat
động học. Nhiệt động học phân tích những thay đổi về năng lượng trong một tổ
hợp vật thể (ví dụ: một tế bào hay một cây) được gọi là một hệ thống. Mọi vật thể
khác trong tự nhiên được gọi là môi trường xung quanh. Nhiệt động học tập trung
khí.
(Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)
Giả dụ, ta nối một xylanh đầy khí với một xylanh rỗng khí bằng bằng một ống
chứa 1 van (Hình 16.4). Nếu ta mở van khí sẽ từ xylanh đầy tràn sang xylanh rỗng
cho đến khi khí áp cân bằng ở 2 xylanh. Năng lượng không chỉ được phân bố lại,
nhưng cũng được bảo tồn. Sự bành trướng của khí được giải thích bằng định luật
thứ hai của nhiệt động học và một trạng thái vật chất được gọi là entropi. Có thể
xem entropi là đại lượng đo tính hỗn độn hoặc mất trật tự của một hệ thống. Tính
hỗn độn của một hệ thống càng lớn thì entropi của hệ thống cũng càng lớn. Định
luật thứ hai nói rằng các quá trình vật lý và hoá học diễn ra theo cách sao cho tính
hỗn độn hoặc mất trật tự của cả hệ thống và môi trường xung quanh tăng tới cực
đại có thể. Khí bao giờ cũng sẽ bành trướng sang xylanh trống.
16.1.3. Năng lượng tự do và các phản ứng
Các định luật thứ nhất và thứ hai có thể kết hợp trong một phương trình chung
liên kết những thay đổi trong năng lượng có thể diễn ra trong các phản ứng hoá
học và các quá trình khác.
Vi sinh vat
∆G = ∆H - T.∆S
∆G là sự thay đổi trong năng lượng tự do, ∆H là sự thay đổi trong entalpi
(enthalpi).T là nhiệt độ Kelvin (
0
C + 273) và ∆S là sự thay đổi trong entropi
(entropy) diễn ra trong phản ứng. Sự thay đổi trong entalpi là sự thay đổi trong
nhiệt lượng. Các phản ứng trong tế bào diễn ra ở điều kiện áp suất và thể tích
không thay đổi. Do đó sự thay đổi trong entalpi sẽ tương tự như sự thay đổi trong
năng lượng tổng cộng trong phản ứng. Sự thay đổi năng lượng tự do là nhiệt lượng
trong một hệ thống có khả năng sinh công ở nhiệt độ và áp suất không thay đổi. Vì
vậy, sự thay đổi trong entropi là đại lượng đo tỉ lệ của sự thay đổi năng lượng tổng
cộng mà hệ thống không thể sử dụng để thực hiện công. Sự thay đổi của năng
lượng tự do và của entropi không phụ thuộc vào việc hệ thống diễn ra như thế nào
Hằng số cân bằng của một phản ứng liên quan trực tiếp với sự thay đổi trong
năng lượng tự do của phản ứng. Khi được xác định ở các điều kiện tiêu chuẩn quy
định chặt chẽ về nồng độ, áp suất, pH và nhiệt độ thì sự thay đổi năng lượng tự do
cho một quá trình được gọi là sự thay đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn (∆G
o
). Nếu
giữ ở pH 7,0 (gần với pH của tế bào sống) sự thay đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn
sẽ được chỉ bởi ký hiệu ∆G
o’
. Sự thay đồi trong năng lượng tự do tiêu chuẩn có thể
được xem là lượng năng lượng cực đại mà hệ thống có thể thực hiện công hữu ích
ở các điều kiện tiêu chuẩn. Việc sử dụng các giá trị ∆G
o’
cho phép ta so sánh các
phản ứng mà không cần quan tâm tới những thay đổi trong ∆G, do những sai khác
trong các điều kiện môi trường. Quan hệ giữa ∆G
o’
và K
eq
được thể hiện qua quá
trình sau:
Vi sinh vat
∆G
o’
= -2,303RTlgK
eq
.
R là hằng số khí (1,9872 cal/mol hoặc 8,3145 J/mol) và T là nhiệt độ tuyệt đối.
Từ phương trình trên rút ra khi ∆G
o’
cho phân tử có thế thấp hơn.
Vi sinh vat
Như vậy ATP thích hợp khá lý tưởng đối với vai trò là đồng tiền năng lượng.
ATP được tạo thành trong các quá trình hấp thu và sản sinh năng lượng như quang
hợp, lên men và hô hấp hiếu khí. Đứng về kinh tế của tế bào sự phân giải ATP thải
nhiệt liên kết với các phản ứng thu nhiệt khác nhau giúp cho các phản ứng này
được hoàn thành (Hình 16.6). Nói cách khác ATP liên kết các phản ứng sinh năng
lượng với các phản ứng sử dụng năng lượng.
16.1.5. Các phản ứng oxy hoá - khử và các chất mang electron
Sự thay đổi năng lượng tự do không chỉ liên quan tới cân bằng của các phản
ứng hoá học thông thường mà còn tới cân bằng của các phản ứng oxy hoá-khử.
Việc giải phóng năng lượng thường bao gồm các phản ứng oxy hoá-khử là các
phản ứng trong đó các electron được chuyển từ chất cho (hoặc chất khử) tới chất
nhận electron (hoặc chất oxy hoá). Theo quy ước một phản ứng như vậy sẽ được
viết với chất cho nằm ở phía bên phải của chất nhận cùng với số (n) electron (e
-
)
được chuyển:
Chất nhận + ne
-
Chất cho
Hình 16.6. ATP như một tác nhân liên kết
Vi sinh vat
Việc sử dụng ATP để tạo thành các phản ứng nội năng là thuận lợi hơn. ATP
được tạo thành bởi các phản ứng ngoại năng, sau đó được dùng để hướng dẫn các
phản ứng nội năng.
(Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)
Cặp chất nhận và chất cho được gọi là cặp redox (Bảng 16.1). Khi một chất
nhận nhận các electron nó sẽ trở thành chất cho của cặp. Hằng số cân bằng đối với
a
2H
+
+ 2e
-
H
2
Ferredoxin(Fe
3+
) + e
-
Ferredoxin (Fe
2+
)
NAD(P)
+
+ H
+
+ 2e
-
NADP(H)
S + 2H
+
+ 2e
-
H
2
S
Fumarate
2-
+ 2H
+
+ 2e
-
Succinate
2-
Cytochrome b (Fe
3+
) + e
-
Cytochrome b (Fe
2-
)
Ubiquinone + 2H
+
+ 2e
-
Ubiquinone H
2
Cytochrome c (Fe
3+
) + e
-
Cytochrome c (Fe
2+
-
Fe
2+
- 0,42
- 0,42
- 0,32
- 0,274
- 0,197
- 0,185
- 0,18
b
- 0,166
0,031
0,075
0,10
0,254
0,421
0,44
0,771
Vi sinh vat
O
2
+ 4H
+
+ 4e
-
2H
2
+
+ 2H
+
+ 2e
-
NADH + H
+
= -0,32V
O
2
+ 2H
+
+ 2e
-
H
2
O = +0,82V
Vì NAD
+
/NADH âm hơn O
2
/H
2
O các electron sẽ di chưyển từ NADH (chất
khử) tới O
2
(chất oxy hoá) như ở hình 16.7.
NADH + H
+
+ O
cân bằng càng lớn thì ∆ cũng càng lớn. Sự khác nhau trong thế khử giữa
NAD
+
/NADH và O
2
/H
2
O là 1,14V, một giá trị ∆lớn. Trong hô hấp hiếu khí khi
các electron di chuyển từ NADH tới O
2
một lượng lớn năng lượng tự do được
dùng để tổng hợp ATP (Hình 16.8)
Vi sinh vat
NADH + H
+
+ 1/2O
2
NAD
+
+ H
2
O ∆= 52,6 kcal.mol
-1
Khi các electron di chuyển từ các thế khử âm đến các thế khử dương năng
lượng sẽ được giải phóng; trái lại, khi các electron di chuyển từ các điện thế dương
hơn đến các điện thế âm hơn năng lượng sẽ cần để đẩy các electron theo hướng
ngược lại như diễn ra trong quang hợp (Hình 16.8), ở đây quang năng được thu
nhận và được dùng để đẩy các electron từ nước tới chất mang electron
nicotinamide dinucleotide Phosphate (NADP
nước. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)
Hình 16.9: Cấu trúc và chức năng của NAD
+
.
(a) Cấu trúc của NAD và NADP. NADP khác với NAD ở chỗ có thêm 1
Phosphate trên một trong các đường ribose; (b) NAD có thể nhận các electron và
1 hydro từ cơ chất khử (SH
2
). Các electron và hydro này được mang trên vòng
nicotinamide. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)
Sự vận chuyển electron có ý nghĩa quan trọng trong hô hấp hiếu khí, hô hấp kỵ
khí, hoá dưỡng vô cơ và quang hợp. Sự vận chuyển electron trong tế bào cần sự
tham gia của các chất mang như NAD
+
và NADP
+
, cả hai chất này đều có thể vận
chuyển electron giữa các vị trí khác nhau. Vòng nicotinamide của NAD
+
và
NADP
+
(Hình 16.9) tiếp nhận hai electron này và một proton từ một chất cho, còn
proton thứ hai được tách ra.
Vi sinh vat
Hình 16.10: Cấu trúc và chức năng của FAD
Vitamin riboflavin bao gồm vòng isoalloxazine và đường ribose gắn vào. FMN là
riboflavin Phosphate. Phần của vòng trực tiếp tham gia vào các phản ứng oxy hóa
gắn với nhóm hem nhưng chúng vẫn thực hiện được các phản ứng oxy hoá. Cần
chú ý rằng trong số các phân tử tham gia vào chuỗi vận chuyển electron nói trên, ở
mỗi thời điểm, một số mang hai electron (như NAD, FAD và CoQ), số khác (như
các cytochrome và các protein sắt không-hem) chỉ mang một electron. Sự khác
Vi sinh vat
nhau trong số lượng electron được vận chuyển có ý nghĩa rất quan trọng trong hoạt
động của các chuỗi vận chuyển electron.
Hình 16.12: Cấu trúc của Hem
Hem bao gồm 1 vòng porphyrin gắn với 1 nguyên tử sắt. Đây là thành phần
không-protein của nhiều Cytochrome . Nguyên tử sắt luân phiên tiếp nhận và giải
phóng 1 electron. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)
16.2. ENZYME
Như đã nói ở trên một phản ứng thoát nhiệt là một phản ứng có ∆G
o’
âm và
hằng số cân bằng lớn hơn 1 và có thể diễn ra triệt để nghĩa là về phía bên phải của
phương trình. Tuy nhiên, người ta thường có thể hỗn hợp các chất phản ứng của
một phản ứng thoát nhiệt mà không thấy kết quả rõ ràng mặc dù các sản phẩm có
thể được tạo thành. Chính enzyme đóng vai trò trong các phản ứng này.
16.2.1. Cấu trúc và phân loại các enzyme
Vi sinh vat
Enzyme là các chất xúc tác có bản chất protein, có tính đặc hiệu cao đối với
phản ứng xúc tác và với các phân tử chịu xúc tác. Chất xúc tác là một chất làm
tăng tốc độ của một phản ứng hoá học mà bản thân không bị thay đổi. Do đó
enzyme thúc đẩy các phản ứng của tế bào. Các phân tử phản ứng được gọi là cơ
chất và các chất tạo thành được gọi là sản phẩm. Nhiều enzyme là các protein
thuần khiết, nhưng cũng không ít enzyme gồm hai thành phần: thành phần protein
(gọi là apoenzyme) và phần không - protein (gọi là cofactor); cả hai cần cho hoạt
Loại enzyme Phản ứng do
enzyme xúc tác
Ví dụ phản ứng
Oxydoreductase
Các phản ứng oxy
hóa khử
Lactate dehydrogenase:
Pyruvate + NADH + H Lactate + NAD
+
Transferase Các phản ứng
chuyển nhóm giữa
các phân tử
Aspartate Carbamoyltransferase:
Aspartate + CarbamoylPhosphate
Carbamoylaspartate + Phosphate
Hydrolase Thủy phân các
phân tử.
Glucose-6-Phosphatease:
Glucose-6-Phosphate + H
2
O Glucose + Pi
Lyase Loại bỏ các nhóm
để tạo thành các
nối đôi hoặc bổ
sung các nhóm vào
nối đôi.
Fumarate hydratase:
L-malate Fumarate + H
Khi các phân tử A và B tiếp cận nhau để phản ứng chúng sẽ tạo thành một
phức hợp ở trạng thái quá độ chi cả cơ chất và sản phẩm (Hình 16.13)
Vi sinh vat
Hình 16.13: Coenzyme như các chất mang
Chức năng của 1 coenzyme trong vai trò mang các chất đi khắp tế bào.
Coenzyme C cùng với enzyme E
1
tham gia ch uyển hóa A thành sản phẩm B.
Trong quá trình phản ứng coenzyme C nhận X từ cơ chất A và có thể chuyển X
sang cơ chất P trong phản ứng 2. Kết quả là coenzyme lại trở về dạng ban đẩu để
sẵn sàng tiếp nhận 1X khác. Coenzyme không chỉ tham gia vào 2 phản ứng mà
còn vận chuyển X đi khắp tế bào. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005)
Năng lượng hoạt hoá là cần nhằm mang các phân tử phản ứng tiếp xúc với
nhau theo một cách chính xác để đạt được trạng thái quá độ (hay chuyển tiếp).
Phức hợp ở trạng thái quá độ có thể phân ly để tạo thành các sản phẩm C và D. Sự
khác nhau trong mức độ năng lượng tự do giữa các chất phản ứng và các sản phẩm
là ∆G
o’
. Vì vậy, trong ví dụ nêu trên cân bằng sẽ nằm về phía các sản phẩm vì
∆G
o’
là âm (nghĩa là các sản phẩm ở mức năng lượng thấp hơn cơ chất). Trong
hình 16.13 rõ ràng A và B không thể
chuyển hoá thành C và D nếu chúng không được cung cấp một lượng năng lượng
tương đương với năng lượng hoạt hoá. Enzyme thúc đẩy các phản ứng bằng cách
hạ thấp năng lượng hoạt hoá. Do đó nhiều phân tử cơ chất hơn sẽ có năng lượng
đầy đủ để tiếp cận nhau và tạo thành sản phẩm. Mặc dù hằng số cân bằng (hoặc
∆G
o’
Việc tạo thành phức hợp enzyme - cơ chất có thể hạ thấp năng lượng hoạt hoá
theo một số cách. Chẳng hạn, bằng cách mang các cơ chất lại gần nhau tại vị trí
xúc tác, trên thực tế, enzyme đã làm tăng nồng độ của chúng và thúc đẩy phản
ứng. Tuy nhiên, một enzyme không chỉ đơn giản làm đậm đặc nồng độ các cơ chất
của chúng mà còn liên kết các cơ chất sao cho các cơ chất này hướng chính xác
với nhau để tạo thành phức hợp ở trạng thái quá độ. Một sự định hướng như vậy sẽ
hạ thấp lượng năng lượng mà các cơ chất cần để đạt được trạng thái quá độ. Các
hoạt tính này và các hoạt tính khác của vị trí xúc tác đã tăng cường phản ứng hàng
trăm nghìn lần bất kể vi sinh vật sinh trưởng giữa 20
0
C và khoảng 113
0
C. Những
nhiệt độ này không đủ cao để giúp cho hầu hết các phản ứng hữu cơ trong sự vắng
mặt của enzyme, hơn nữa các tế bào không thể sống sót ở những nhiệt độ cao
dùng bởi một nhà hoá học hữu cơ trong các quá trình tổng hợp hữu cơ thường
Copyright: Tài liệu đại học ©