MUC TIEU |
1. Trình bày được quá trình hóa thẩm thấu ở vỉ khuẩn.
Trình bày được các con đường thu nhận năng lượng của vì khuẩn từ các quá trình phân giải đường hexose: EM, HMP, ED.
Biết được cách sử dụng các hợp chất giucid khác của vi khuẩn.
Phân biệt được hô hấp hiếu khí và ky khí.
Trả lời được thế nào là oxy hóa không hoàn toàn.
i ta & 1
Kết nối được các quá trình lên men chủ yếu.
1. ĐẠI CƯƠNG
Vi sinh vật cũng như mọi cơ thể sống khác, trong lúc sinh trưởng, phát triển, cũng như ở trạng thái nghỉ đều cân phải có nguồn năng lượng liên tục cung cấp cho chúng. Năng lượng này thu nhận từ quá trình trao đổi chất. Các chất dinh dưỡng từ ngoài môi trường vào sẽ cung cấp năng lượng cho vi sinh vật. Trong các tế bào vi sinh vật, các chất dinh dưỡng trải qua sự biến đổi sâu sắc nhờ các phản ứng với sự tham gia của các loại enzym nhằm giải phóng năng lượng.
Những con đường trao đổi chất, xét đến cùng đều nhằm thực hiện hai chức năng:
cung cấp “vật liệu” để xây dựng cơ thể và cung cấp năng lượng ở dạng thích hợp cho quá trình tổng hợp của tế bào và cho các quá trình cần năng lượng.
Năng lượng giải phóng từ các phản ứng oxy hóa sẽ được giữ lại trong một số hợp chất giàu năng lượng. Đó là các nucleotid triphosphat (ATP, UTP), các acylphosphat, các dẫn chất của acid carboxylic, thí dụ acetylcoenzym A. Hop chất giàu năng lượng quan trọng nhất là ATP (adenosin triphosphat) (hình 4. 1). Hợp chất này chứa hai liên kết cao năng (~). Năng lượng được phóng thích nhờ sự xúc tác, phá vỡ liên kết cao năng bởi enzym adenosin triphosphatase (ATPase). Một phân tử gam ATP giải phóng 7.300 calo khi một liên kết cao năng bị gãy (một mol ATP = 507 g).
ATP được coi như "tiền tệ năng lượng của tế bào", chúng được tiêu dùng trong tất cả các phản ứng trao đối năng lượng. Các phân tử giàu năng lượng này được hình thành trong tế bào vi sinh vật. Có thể nói sự hình thành liên kết cao năng giữa P và O (còn gọi là quá trình phosphoryl hóa) là phương thức chủ yếu để tế bào vi sinh vật dự trữ năng lượng.
T7
Liên kết cao năng
NH;
ọ 9 9°
N“NN | S Hạ—O—P—O 1 ~ poo pra lẽ i
Sy N=? , OH ;OH ,OH
i i | Phosphat
HO OH Ị Ỷ
Ribose ; Bhosphat
Phosphat
Adenosin — Triphosphat >
Adenosintriphosphat = H,0 Adenosindiphosphat + lon phosphat + 7300 cal/mol ATPase
Hình 4.1. Cấu trúc và hoạt tính của ATP
2. NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN GIẢI ĐƯỜNG HEXOSE
2.1. Đường phân (glycolysis) hay con đường Embden - Meyerhof (EM), hay con duéng fructose -1,6-diphosphat (FDP)
Từ năm 1871, M. M. Monaxein (Nga) đã chứng minh tính chất lên men được của quá trình chế tạo rượu. Năm 1897, hai anh em người Đức là E. Buchner và H. Buchner đã dùng dịch chiết từ tế bào nấm men để chủ động gây ra quá trình lên men rượu.
Trong khoảng 25 năm đâu của thế kỷ XX, rất nhiều nhà sinh hóa đã góp phần làm sáng tỏ các giai đoạn của quá trình chuyển hóa đường thành rượu. Nổi bật nhất là những nghiên cứu của Gustav Embden và Otto Meyerhof. Quá trình này xảy ra trong tế bào chất của vi khuẩn đặc trưng cho Enterobacteriaceae bao gồm sự biến đổi glucose thanh acid pyruvic.
Phuong trinh chung:
Glucose + 2ATP +2 NAD = 2CH,COCOOH + 4ATP + 2NADH+H*
Phan ứng đặc trưng của EM là phản ứng phân giai fructose ~1,6-diphosphat nhờ enzym alldolase tạo ra 2 triosephosphat. Các triosephosphat này về sau chuyển hóa thành acid pyruvic. Trong quá trình này, mỗi triosephosphat tao ra 2 phan tir ATP. Cac phản ứng này được gọi là các phản ứng phosphoryl hóa ở mức cơ chất. Vì khi phân giải một phân tử glucose thành một phân tử fructose ~1,6-diphosphat cần tiêu tốn 2 phân tử ATP, nên nhìn tổng quát khi chuyển hóa một phân tử glucose thanh 2 phan tir 78
acid pyruvic sẽ tạo được 2 phân tử ATP tương đương 7.300 calo x 2 = 14.600 calo/mol (hình 4.2).
Đường phân có thể coi là giai đoạn đầu, giai đoạn ky khí của hô hấp. Đây là quá trình cổ nhất trong chuỗi phản ứng dị hóa xảy ra ở các tế bào vi sinh vật, thực vật và động vật với các phản ứng cơ bản giống nhau, chỉ khác ở các phản ứng cuối.
Ở nấm men Saccharomyces cerevisae, sự lên men tạo sản phẩm cuối cùng là rượu. Ở một số vi khuẩn lên men lactic tạo acid lactic. Ở động vật sản phẩm cuối cùng la acid pyruvic va acid lactic,
2.2. Con duéng hexosemonophosphat (HMP) hay là con đường oxy hóa pentophosphat (PP) hoặc con đường Warburg - Dicken, Horecker - Racker
Con đường EM là con đường chủ yếu, nhưng không phải là duy nhất, vì như vậy thì vi sinh vật không có đường ribose để tổng hợp ARN và không thể sử dụng được đường pentose hoặc các loại đường khác làm nguồn dinh dưỡng carbon.
Vào những năm 1940-1950, O. Warburg, F. Dickens, B. L. Horecker, E. Racker đã khám phá ra con đường phân giải glucid khác, ở đó không những bao gồm việc tạo thành hexosemonophosphat mà còn tạo ra glyceraldehyd -3-phosphat, và hợp chất này có thể theo con đường EM tạo pyruvat.
Phương trình chung:
3 hexose-6-phosphat + 6 NADP x=* 2 hexose-6-phosphat + triose-3-phosphat + 3 CO, + 6 NADPH + H*
Néu 3-phosphoglyceraldehyd chuyén thanh pyruvat, ta sé có:
Glucose — pyruvat + 3 CO,+ 6 NADPH + H* + NADH + H* + ATP Khác với EM, trong chu trình HMP, glucose-6-phosphat không trải qua giai đoạn bẻ đôi phân tử tạo thành 2 triose mà bị oxy hóa thành các hợp chất 5 carbon. Các hợp chất này trải qua nhiều giai đoạn trung gian cuối cùng lại tạo thành glucose -6- phosphat và làm cho chu trình khép kín lại.
Từ sự phát hiện NADP. H +H* chit khong phai NADH +H* ma người ta cho rằng con đường HMP có những chức năng cơ bản như: bổ sung đường ribose cho tế bào, cung cấp NADP H +H', cần cho việc thực hiện các phản ứng sinh tổng hợp khử.
Hiệu suất năng lượng của con đường HMP chỉ bằng nửa con đường EM, vì khi biến đổi một phân tử đường glucose thành acid pyruvic thì chỉ tạo một phân tử ATP, do quá trình biến đổi | phân tử pentophosphat đến acid pyruvic.
79
Glucose
H- è- OH Ho- 6. H
H- e OH
H-C-OH CH,OH 1
ATP ———>
Hexose kinase ADP + P
is Glucose-6-phosphat ATP P-glucose
_Pglucose isomerase _ = kinase -P ADP +P
P
Fructose-6-phosphat Fructose-1,6-diphosphat -P
Phospho-
glyceraldehyd (PGA) R -P -P_ isomerase (DHAP) ơ —e=ố 26 Và 2 H” cho. Đ P Dihydroxyacetonphosphat
Dehydrogenase
” NAD +—> NAD +H -P -P Diphosphoglyceric acid
-P -P
ADP ——
ADP —~+ ATP (P-glycerokinase)
ATP
-P -P — 3-phosphoglyceric acid
-P . 2-phosphoglyceric acid phosphoenol
ADP pyruvic acid
ADP ATP
ae ATP acid pyruvic acid pyruvic =O
‘OOH
Hinh 4.2. So dé con đường đường phân (Embden - Meyerhof)
80
CH;OH NADP NADPH+H*
° ATP „ G64 64) - Gluconic acid