Chuong 5 CÁC QUÁ TRÌNH LÊN MEN Ở VI SINH VẬT Chương "Các quá trình lên men ở vi sinh vật" ưình bày các vấn đề sau: 1) Các kiểu hô hấp ở vi sinh vật: i/ hô hấp hiếu khí là quá trình hô hấp khi chất nhận electron cuối cùng là oxi phân tử; ii/ hô hấp kị khí là quá trình hô hấp khi chất nhận electron cuối cùng là chất vô cơ khác oxi, iii/ Lên men là quá trình phân giải các chất hữu cơ khi chất nhận electron là chất hữu cơ. 2) Con đường phân giải và tổng hợp gluxit: 1/ Con đường phân giải trước piruvat gồm con đường EMP, HMP và ED; 2 / Sự chuyễn hóa sau piruvat: Đối với hô hấp hiếu khí (acid pyruvic tiếp tục phân hủy qua chu trình krebs, còn NADH2 thực hiện chuỗi hô hấp để tạo ra H2 O và giải phóng ATP); Đối với lên men (acid pyruvic sẽ là chất nhận điện tử để tạo thành acid lactic hoặc rượu ethanol); 3 / Sự tổng họp cacbohydrate liên quan đến tổng họp glycogen, tổng họp levan và dextran. 3) Trình bày về sự trao đổi protein: i) Phân giải protein (lên men thối): Quá trình được thực hiện do hệ các enzyme ngoại bào như protease, peptidase đế phân giải protein, chuỗi peptíde ngắn và các acid amin; các acid amin tạo thành một phần được dùng đế tổng họp protein, một phần khác phân giải theo con đường đặc thù đế giải phóng N H 3, CO2 và các sản phẩm trung gian, ii) Quá trinh tổng họp protein được thực hiện trong cơ thể vi sinh vật do gen điều khiển. 4) Giới thiệu khái quát về quá trình lên men rượu và lên men lactic: gồm định nghĩa, tác nhân lên men, cơ chế lên men và ứng dụng của len men rượu và lên men lactic trong cuộc sống.
CÁC KIÊU HÔ HÁP Ở VI SINH VẬT Hô hấp hiếu khí là quá trình hô hấp khi chất nhận electron cuối cùng là oxi phân tử; Vi sinh vật thuộc dạng này gọi là vi sinh vật hiếu khí. Khi chất nhận electron cuối cùng là một cơ chất khác không phải là oxi phân tử, thỉ người ta gọi là quá trinh lên men hoặc có thể là quá trình hô hấp kị khí và vi sinh vật thực hiện các quá trinh này gọi là các cơ thể kị khí. Trong số các cơ thể kị khí, chất nhận electron có thể là chất hữu cơ hoặc chất vò cơ. Nếu chất nhận electron là chất hữu cơ người ta gọi là lên men, nếu chất nhận electron là chất vô cơ người ta gọi là hô hấp kị khí.
Hô hấp của một cơ thể hiếu khí là một quá trình vận chuyển electron và proton qua màng với oxi phân tử làm chất nhận electron cuối cùng, còn hô hấp kị khí dùng để chỉ một quá trình vận chuyển qua màng của các electron và proton đến chất nhận electron cuối cùng là một chất khác oxi phân tử, như nitrate trong trường hợp hô hấp nitrate, fumarate như hô hấp fumarate. Hô hấp được đặc trưng trước hết là nơi khu trú của chuỗi vận chuyển electron ờ màng tế bào chất đối với các cơ thể nhân sơ và ở màng trong của ti thể đối với các cơ thể nhân thực. Hô hấp còn đặc trưng ở bản chất của chất nhận electron cuối cùng là oxi phân tử. Sự oxi hóa cơ chất và đồng thời sự khử của oxi được thực hiện nhờ một chuỗi phản ứng enzyme, trong đó có sự tham gia của enzyme dehydrogenase và các coenzyme liên kết với nó.
Cơ chế thường thấy ở hô hấp là con đường của các xitocrom gián tiếp. Ngày nay, người ta hoàn toàn biết rõ thành phần và cơ chế hoạt động của các xitocrom này trong tế bào nhân thực và trong một số cơ thể nhân sơ. Bên cạnh quá trình phosphoryl oxi hoá cơ chất, còn tồn tại những con đường khác, đặc biệt là con đường oxi hoá trực tiếp nhờ các enzyme vận chuyển các electron từ cơ chất đến oxi phân tử để tạo thành H 2 O2 theo phương trình. fa d h 2 + o 2 F— fa d + h 2o 2 Hợp chất H 2 O 2 rất độc và cần được phân giải nhờ catalase, peroxidase hoặc superoxide dismutase tránh cho tế bào khỏi bị chết, quá trinh phân giải diễn ra theo phương trình sau: h 2o 2.
calalase ► HịO + 1 2 o 2 H;C>2 + 2H* + 2e' 2H ịO Những con đường này tạo rất ít hoặc không tạo năng lượng hữu ích. Một vi khuẩn không có enzyme trẽn, nhưng con đường phân giải trên buộc chúng phải sống kị khí bắt buộc, bời vì oxi phân tử là tác nhân gây độc với chúng. Có một số vi khuẩn chịu được hiếu khí như vi khuẩn Streptococcus, chúng không có catalase, nhưng có các enzyme ílavin (NAD-oxidase và NAD-peroxidase) cho phép chúng thực hiện sự cân bằng trong hô hấp ờ màng tế bào chất. Tùy thuộc vào số lượng và lượng các enzyme có thể phân giải H 2 O2 mà quyết định tính hiếu khí hay kị khí ở các vi khuẩn.
Lên men để chi sự có mặt của chuồi vận chuyển electron nằm trong tế bào chất, không có sự tự động đi qua của dòng electron hoặc proton ờ phần bên này và phần bên kia của màng tế bào (một dòng vận chuyển thứ cấp được thiết lập nếu cần thiết, nhờ năng lượng của ATP). v ề phương diện trao đổi năng lượng, đây cũng là một quá trình oxi hóa khử, nhưng chất nhận electron cuối cùng là các hợp chất hữu cơ, chứ không phải là các phân tử oxi. Quả trinh này cũng giải phóng năng lượng nhưng ít hơn nhiều so với quá trình hò hấp. CÁC CON ĐƯỜNG PHÂN GIẢI GLUXIT Ờ VI SINH VẶT 2.
Con đường phân giải trước pyruvat Ờ vi sinh vật có ba con đường phân giải glucose khác nhau là: Con đường Fructose-l, 6 -bisphotphat (còn gọi là con đường glycosyl, con đường EMP), con đường Pentose-photphate (còn gọi là hexomonophotphate; ký hiệu là HMP, là con đường oxi hóa trực tiếp glucose tạo ra NADH và các pentose) và con đường 2-xeto-6-photpho-gluconate (còn gọi là con đường Entner- Doudoroíĩ). Con đường phân giải EM P Đường phân là quá trinh chuyển hóa vật chất và năng lượng diễn ra trong tế bào để biến đổi từ một phân tử glucose (CeHnOí) thành hai phân tử acid pyruvic (CH3COCOOH) và hai coenzyme NADH + H7. Trong quá trình đuờng phân, phân tử glucose tự do không bị phân huỷ mà phân từ glucose đã được hoạt hóa thông qua việc gắn gốc photpho vào thành dạng đường phosphate đã được hoạt hỏa (Hình 16). Kết quả của đường phân có thể tóm tắt theo phương trình: CéH^Oé + 2NAD' + 2ADP + 2H3PO4 -> 2 CH 3 COCOOH + 2NADH+ÍT + 2ATP Đường phân là một quá trinh chuyển hóa vật chất không phụ thuộc vào nguồn oxi, tức là chúng có thể xảy ra dù môi trường có oxi hay không có oxi.
Quá trình này là con đường phổ biến nhất và chung cho cả hô hấp hiếu khí, hô hấp kị khí hay lên men. Chúng phần lớn xảy ra ở tế bào chất của tế bào. Quá trinh biến đổi này được các nhà khoa học Embden, Meyerhof và Pamas tìm ra nên được gọi là con đường phân giải EMP. Quá trình đường phân có thể chia thành hai giai đoạn chính là: (1) Giai đoạn "đầu tư" năng lượng: hai phân từ ATP sẽ bị phân hủy thành ADP (adenosine diphosphate) và Pi (nhóm phosphate PO 4 3' vô cơ).
(2) Giai đoạn "thu hồi" năng lượng: bốn phân tử ATP được sinh ra từ ADP và p, từ môi trường. Con đường phân giải HMP Con đường phân giải HMP bắt đầu với việc oxi hóa glucose- 6 P thành 6 P gluconat, sau đó 6 P gluconat được oxi hóa thành ribulose-5P, CO 2 và NADPH. Ribulose-5P được chuyển hóa thành các pentose khác như xilulose, ribose. Con đường HMP có một số chức năng sau: (1) NADPH tạo thành đóng vai trò như chất cho electron để khử các phân tử trong quá trinh sinh tổng hợp.
(2) Con đường này tổng hợp các phân tử đường bốn cacbon và đường năm cacbon cho nhiều mục đích khác nhau. Đường bốn cacbon erithrose 4P được sử dụng để tổng hợp các acid amin thơm và vitamin B 6. Ribose-5P là thành phần quan trọng của acid nucleic; ribulose-5P là chất nhận CO 2 chính trong quá trình quang hợp. (3) Các chất trung gian ờ con đường HMP có thể được dùng để tạo ATP.
Con đường Entner-Doudoroff Ở con đường này, thay bằng việc bị oxi hóa, 6 P-gluconat bị thủy phân tạo thành 2-xeto-3-deoxi-6P-gluconat (KDPG) - chất trung gian đóng vai trò then chốt trong con đường này. KDPG bị xúc tác bời KDPG aldolase để chuyển thành acid piruvic và glyceraldehit-3P. Glyceraldehit-3P bị chuyển thành acid piruvic tương tự giai đoạn 3 của đường phân. Bằng con đường này, từ 1 phân tử glucose sẽ thu được 1ATP, 1 NADPH+H" và 1 NADH+H".
Con đường Entner-Doudoroff được tìm thấy ờ vi khuẩn Pseudomonas, Rhìzobium, Aioiobacter, Agrobacterium và một số vi khuẩn gram âm. G lucose Ị Glucose 6P (2 ) ị Fnjcioíe -6P ATP A.6 diP (6 ) Ị n * 'N A D H 2A , S PG 'ADP A. 2 AEP (11) i Ị I X Pynnic I Hình 16. Sơ đồ đườiigphân trong hô hấp hiếu khí (EMP') PDA: dihydroxyl aceton photphate; ALPG: glyceraldehyde 3 photphate; A1.3PG: l,3di P-glyceric; A3PG: 3P-glyceric; A2PG: 2P-glyceric; APEP: P-enol piruvic.
Sự chuyển hóa sau piruvat Trong hô hấp hiếu khí: Acid pyruvic tiếp tục bị oxi hóa hoàn toàn đến CO 2 , H 2 O và giải phóng toàn bộ năng lượng còn lại qua chu trình Krebs. Hai phân tử NADH 2 thực hiện chuỗi hô hấp để tạo ra H 2 0. Phản ứng này kèm theo việc tổng hợp được 6 ATP qua quá trình phosphoryl hóa. 2NAD+H' + 0 2 — 2NATT + 2H20 Kết quà của đường phân trong hô hấp hiếu khí là: C6 H 1206 + 0 2 — 2 CH 3 COCOOH + 2 H A đồng thời tạo 8 ATP.
Kết quả của hô hấp hiếu khí là: C6H ,20 6 + 6O2 — 6CO2 + 6HjO + 36 ATP. Trong hô hấp kị khí: Acid pyruvic được tạo thành sẽ không bị oxi hóa hoàn toàn qua chu trinh Krebs, thay vào đó acid pyruvic sẽ được các nhóm vi sinh vật thực hiện các quá trinh lên men khác nhau. Hai phân tử NADH 2 sẽ được dùng để khử CH 3 COCOOH (trong lẽn men lactic) hay khử CH 3 CHO (trong lên men rượu) nên không thực hiện chuỗi hô hấp. Phương trình lên men lactic như sau: 2 CH 3 COCOOH + 2 NADH 2 — 2 CH 3 CHOHCOOH + 2NAD+.
Kết quả của đường phân trong hô hấp kị khí tạo ra 2 acid piruvic, 2ATP 3. S ự TỎNG HỢP CACBOHYDRAT Vi sinh vật có khả năng tổng hợp các oligo và polysaccharide.