Sau khi các cao phân tử đã được kiến trúc từ các tiền chất đơn giản hơn
chúng sẽ được tập hợp thành các cấu trúc lớn hơn, phức tạp hơn như các hệ thống
siêu phân tử và các bào quan (Hình 18.1). Các cao phân tử thường chứa thông tin
cần thiết để tạo thành một cách ngẫu nhiên trong một quá trình gọi là tự tập hợp.
Chẳng hạn, riboxom là những tập hợp lớn gồm nhiều protein và các phân tử acid
ribonucleic nhưng chúng được tạo thành nhờ sự tập hợp của các thành phần không
cần có sự tham gia của các yếu tố bổ sung.
18.2. CỐ ĐNNH QUANG HỢP CO
2
Mặc dù hầu hết vi sinh vật có thể cố định CO
2
ít nhất là trong các phản ứng
bổ sung tuy nhiên chỉ các cơ thể tự dưỡng mới có khả năng sử dụng CO
2
làm
nguồn carbon duy nhất hoặc chủ yếu. Sự khử và cố định CO
2
đòi hỏi nhiều năng
lượng. Các cơ thể tự dưỡng thường thu năng lượng nhờ sự hấp thu ánh sáng trong
quang hợp nhưng một số nhận được năng lượng từ phản ứng oxy hoá các chất cho
electron vô cơ khử. Sự cố định CO
2
tự dưỡng có ý nghĩa quyết định đối với sự
sống trên trái đất vì nó cung cấp chất hữu cơ cho các cơ thể dị dưỡng.
Vi sinh vật có thể cố định CO
2
hoặc chuyển phân tử vô cơ này thành carbon
hữu cơ và đồng hoá nó theo ba con đường chủ yếu. Hầu như tất cả các vi sinh vật
tự dưỡng đều cố định CO
2
qua con đường trao đổi chất đặc biệt được gọi là chu
trình Calvin (cũng gọi là chu trình Calvin-Benson hoặc chu trình pentose-
phosphate khử). Mặc dù hoạt động trong các cơ thể quang hợp có nhân thật và hầu
hết cơ thể quang hợp có nhân nguyên thuỷ nhưng chu trình Calvin lại vắng mặt ở
Archaea (Cổ khuNn), một số vi khuNn kỵ khí bắt buộc và một số vi khuNn hiếu khí.
N hững vi khuNn này thường sử dụng mộ
t trong hai con đường khác. Một số
archaea (Thermoproteus, Sulfolobus) và các vi khuNn Chlorobium và
Desulfobacter sử dụng con đường acid tricarboxylic khử. Ở các vi khuNn sinh
metan, vi khuNn khử sulfate và các vi khuNn sinh acetate (các vi khuNn tạo thành
acetate từ CO
2
trong quá trình lên men) lại tồn tại con đường Acetyl-CoA.
Chu trình Calvin gặp trong chất nền (stroma) của lục lạp của các vi sinh vật
nhân thật tự dưỡng. Vi khuNn lam, một số vi khuNn nitrate hoá và các thiobacilli
chứa các thể vùi, đa diện gọi là cacboxysom. Cacboxysom chứa enzyme ribulo-
1,5-bisphosphate carboxylase, có thể là vị trí cố định CO
2
hoặc vị trí dự trữ
carboxylase và các protein khác. Có thể chia chu trình Calvin thành 3 pha:
carboxyl hoá, khử và tái sản. Sơ đồ chung của chu trình được giới thiệu ở hình
18.4.
18.2.1. Pha carboxyl hoá (carboxylation phase)
Sự cố định CO
2
được xúc tác bởi enzyme ribulo-1,5-bisphosphate-
carboxylase hoặc oxygenase (rubisco) (Hình 18.3) xúc tác việc gắn CO
2
vào
ribulo-1,5-bisphosphate (RuBP) tạo thành 2 phân tử 3-phosphorus-glycerat (PGA).
Hình 18.3: Phản ứng ribulo-1,5-bisphosphate carboxylase
Enzyme xúc tác bổ sung CO
2
vào ribulo-1,5-bisphosphate tạo thành 1 chất trung gian không
bền, sau đó chất này bị phân giải thành 2 phân tử 3-phosphorusglycerat. (Theo: Prescott và cs,
2005)
18.2.2. Pha khử (reduction phase)
Tiếp theo, PGA bị khử thành glyceraldehyde-3-phosphate. Sự khử được xúc
tác bởi 2 enzyme, thực chất là sự đảo nghịch một phần của con đường đường phân
mặc dù glyceraldehyde-3-phosphate-dehydrogenase khác với enzyme đường phân
trong việc sử dụng N ADP
+
thay cho N AD
+
(hình 18.4).
18.2.3. Pha tái sinh (regeneration phase)
Trong pha này RuBP được tái sản và sản ra các hidrat-carbon như
glyceraldehyde-3-phosphate, fructose za và glucose (Hình 18.4). Phần này của chu
trình chi với con đường pentose-phosphate và bao gồm các phản ứng của trans-
ketolase và transaldolase. Chu trình được hoàn thành khi phosphorusribulokinase
tái tạo RuBP.Để tổng hợp fructose -6-phosphate hoặc glucose -6-phosphate từ CO
2
chu trình phải hoạt động 6 lần để sản ra hexose cần thiết và tái tạo 6 phân tử RuBP.
6RuBP + 6CO2 12PGA 6RuBP + Fructose -6-P
Việc cố định một CO
2
thành chất hữu cơ cần 3ATP và 2N ADPH. Glucose
được tạo thành từ CO
2
theo phương trình sau:
6CO
2
+ 18ATP + 12N ADPH + 12H
+
+ 12H
2
O glucose + 18ADP + 18Pi +
12N ADP
+
Hình 18.4: Chu trình Calvin
Trên đây là sơ đồ vắn tắt của chu trình chỉ với các pha carboxyl hóa và khử được trình
bày chi tiết. 3 ribulo-1,5-bisphosphate được carboxyl hóa tạo thành sáu 3-phosphorusglycerat
trong pha carboxyl hóa. Các chất này được chuyển hóa thành 6 glycerat-3-phosphate rồi có thể
thành dihydroxyacetone phosphate (DHAP) 5 trong số 6 triose (glyceraldehyde phosphate và
PHA KHỬ
PHA TÁI TẠO
PHA
CARBOXYL
HÓA
dihydroxyacetone phosphate) được dùng để tạo lại 3 ribulo-1,5-bisphosphate trong pha tái sản.
Triose còn lại được dùng trong sinh tổng hợp. Những con số trong ngoặc đơn ở bên phải phía
dưới chỉ ra dòng carbon này. (Theo: Prescott và cs, 2005)
ATP và N ADPH được cung cấp bởi các phản ứng sáng quang hợp hay bởi
sự oxy hoá các phân tử vô cơ ở các vi khuNn hoá tự dưỡng. Sau đó các đường tạo
thành trong chu trình Calvin có thể được dùng để tổng hợp các phân tử cần thiết
khác.
18.3. TỔNG HỢP CÁC ĐƯỜNG VÀ POLISACCHARIDE
N hiều vi sinh vật không có khả năng quang hợp và là các cơ thể dị dưỡng
phải tổng hợp đường từ các phân tử hữu cơ khử
thay cho từ CO
2
.
Hình 18.5: Sự tái tạo đường
Con đường tái tạo đường găp ở nhiều vi sinh vật. Tên của 4 enzyme gặp trong đường
phân được đóng khung. Các bước đường phân cũng được biểu thị để so sánh.(Theo: Prescott và
cs, 2005)
Việc tổng hợp glucose từ các tiền chất không phải hidrat carbon được gọi là
sự tái tạo đường (glucose neogenesis). Mặc dù con đường tái tạo đường không chi
con đường đường phân nhưng chúng có 7 enzyme chung (Hình 18.5).
Ba bước đường phân sau đây là không thuận nghịch trong tế bào: 1) Chuyển
hoá phosphorusenolPyruvate thành pyruvate; 2) tạo thành fructose -1,6-
bisphosphate từ fructose -6-phosphate và 3) phosphoryl hoá glucose. Các bước này
phải đi vòng khi con đường hoạt động theo hướng sinh tổng hợp. Chẳng hạn, sự
tạo thành fructose -1,6-bisphosphate bởi phosphorusfructose kinase được đảo
ngh
ịch bởi enzyme fructose -bisphosphatease, enzyme này loại bỏ nhờ thuỷ phân
một phosphate từ fructose -bisphosphate. Thông thường ít nhất hai enzyme tham
gia vào việc chuyển hoá pyruvate thành phosphorusenol pyruvate (đảo nghịch
bước pyruvate kinase).
Từ hình 18.5 có thể thấy con đường tổng hợp fructose za tương tự như con
đường tổng hợp glucose se. Một khi glucose và fructose za đã được tạo thành các
đường phổ biến khác cũng được sản sinh. Chẳng hạn, mannose được hình thành
trực tiếp từ fructose za qua một sự sắp x
ếp lại đơn giản:
Fructose -6-phosphate Mannose-6-phosphate
Một số đường được tổng hợp trong khi liên kết với một nucleoside
diphosphate. Đường nucleoside diphosphate quan trọng nhất là uridine diphosphate
glucose (UDPG). Glucose được hoạt hoá nhờ gắn với pyrophosphate của uridine
diphosphate qua phản ứng với uridine triphosphate (Hình 18.6).
Hình 18.6: Uridine diphosphate glucose (Theo: Prescott và cs, 2005)
Phần UDP của HDPG được các enzyme nhận ra và mang glucose đi khắp tế
bào dùng tham gia vào các phản ứng hệt như ADP mang phosphate ở dạng ATP.
UDP-galactose được tổng hợp từ UDPG qua việc sắp xếp lại của một nhóm
hydroxyl. Một enzyme khác xúc tác việc tổng hợp UDP - acid glucuronic qua việc
oxy hoá UDPG (hình 18.7).
Hình 18.7: Uridine diphosphate galactose và tổng hợp glucuronate
Trên hình là việc tổng hợp UDP-galactose và UDP-acid glucuronic từ UDP-glucose se.
(Theo: Prescott và cs, 2005)
Các đường nucleoside diphosphate cũng đóng vai trò chủ chốt trong việc
tổng hợp các polisaccaride như tinh bột và glycogen. Cũng lại ở đây, sinh tổng hợp
không đơn giản chỉ là sự đảo ngược trực tiếp của phân giải. Sự phân giải glycogen
và tinh bột diễn ra qua sự thuỷ phân để tạo thành các đường tự do hay qua việc gắn
thêm nhánh phosphate vào các polime này để sản ra glucose -1-phosphate. Các
đường nucleoside diphosphate không tham gia vào quá trình trên. Trái lại trong
việc tổng hợp glycogen và tinh bột ở vi khuNn và tảo adenosine diphosphate
glucose được tạo thành từ glucose -1-phosphate và sau đó chuyển glucose vào cuối
chuỗi glycogen và chuỗi tinh bột:
ATP + Glucose -1-phosphate ADP-glucose + PPi
(Glucose se)
n
+ ADP-glucose (Glucose se)
n+1
+ ADP
Các đường nucleoside diphosphate cũng tham gia vào việc tổng hợp các
phân tử phức tạp như thành tế bào vi khuNn.
18.4. SỰ ĐỒNG HÓA PHOSPHORUS, LƯU HUỲNH (SULFUR) VÀ NITƠ
(NITROGEN) VÔ CƠ
N goài carbon và oxy vi sinh vật cũng cần một lượng phosphorus, sulfur và
nitrogen cho sinh tổng hợp. Mỗi nguyên tố nói trên được đồng hoá hoặc được cố
định thành các phân tử hữu cơ qua các con đường khác nhau.
18.4.1. Sự đồng hoá phosphorus
Phosphorus gặp trong các acid nucleic, protein, phospholipid, ATP và các
coenzyme như N ADP. N guồn phosphorus phổ biế
n nhất là các este của phosphate
vô cơ và phosphate hữu cơ. Phosphate vô cơ được cố định qua việc tạo thành ATP
thông qua một trong ba con đường: 1) quang phosphoryl hoá; 2) phosphoryl hoá
oxy hoá và 3) phosphoryl hoá ở mức độ cơ chất.
Đường phân cung cấp một ví dụ của con đường thứ ba. Phosphate được gắn
với glyceraldehyde-3-phosphate tạo thành 1,3-bisphosphorusglycerat, sau đó chất
này được dùng để tổng hợp ATP.
Glyceraldehyde-3-phosphate + Pi + N AD
+
1,3-bisphosphorusglycerat + N ADH
+ H
+
1,3-bisphosphorusglycerat + ADP 3-phosphorusglycerat + ATP
Vi sinh vật có thể thu nhận các phosphate hữu cơ từ môi trường bao quanh ở
dạng hoà tan hay dạng hạt. Các este của phosphate hữu cơ thường bị thuỷ phân bởi
các phosphatease và tách ra phosphate vô cơ. Vi khuNn gram âm chứa các
phosphatease trong khoang chu chất nằm giữa thành tế bào và màng sinh chất;vì
vậy sau khi được giải phóng phosphate được hấp thu trực tiếp qua màng. Động vật
nguyên sinh, trái lại, có thể sử dụng trực tiếp các phosphate hữu cơ sau khi ăn hoặc
thuỷ phân chúng trong lyzosom và tiêu thụ phosphate.
18.4.2. Sự đồng hoá sulfur
Sulfur cần cho việc tổng hợp amino acid (cystein và methionine) và một số
coenzyme (coenzyme A, tiamine-pyrophosphate và biotin) và có thể thu được từ
hai nguồn. N hiều vi sinh vật sử dụng cystein và methionine dẫn xuất từ các ngu
ồn
bên ngoài hoặc từ dự trữ amino acid nội bào. N goài ra, sulfate có thể cung cấp
sulfur cho sinh tổng hợp. N guyên tử sulfur trong sulfate oxy hoá hơn nguyên tử
sulfur trong cystein và các phân tử hữu cơ khác, do đó sulfate phải bị khử trước khi
có thể được đồng hoá. Quá trình này được gọi là sự khử sulfate đồng hoá để phân
biệt với sự khử sulfate dị hoá diễn ra khi sulfate tác dụng như chất nhận electron
trong hô hấp kỵ khí.
Sự khử sulfate đồng hoá
đòi hỏi phải hoạt hoá sulfate qua việc tạo thành
phosphoadenosine-5’-phosphosulfate (Hình 18.8) tiếp theo là sự khử sulfate. Đây
là một quá trình phức tạp (Hình 18.9) trong đó sulfate trước hết bị khử thành sulfit
(
2
3
SO
) sau đó thành H
2
S. Cystein có thể được tổng hợp từ sulfua hydro qua hai
con đường.
Hình 18.8: Phosphorusadenosin 5’-phosphorussulfate (PAPS). Theo: Prescott và
cs, 2005)
Hình 18.9: Con đường khử sulfate (Theo: Prescott và cs, 2005)
N ấm có thể kết hợp H
2
S với serine tạo thành cystein nhưng nhiều vi khuNn
lại gắn H
2
S với O-Acetylserine (quá trình 1 và 2, lần lượt)
(1) H
2
S + Serine
Cystein + H
2
O
(2) Serine O-Acetylserine Cystein
Một khi được tạo thành cystein có thể được dùng để tổng hợp các hợp chất
hữu cơ khác có chứa sulfur.
18.4.3. Sự đồng hoá nitrogen
Do là thành phần chủ yếu của các protein, acid nucleic, coenzyme và nhiều
thành phần khác nên năng lực đồng hoá nitrogen của tế bào là cực kỳ quan trọng.
Mặc dù khí quyển giàu khí nitrogen nhưng chỉ một số ít vi khuNn có thể khử khí
này và sử dụng làm nguồn nitrogen. Còn hầu hết vi sinh vật có khả năng đồng hoá
ammonia hoặc nitrate.
Sự đồng hoá ammonia
N itrogen của ammonia có thể được chuyển hoá thành chất hữu cơ tương đối
dễ dàng và trực tiếp vì nitrogen ở đây gặp trong trạng thái khử hơn các dạng khác
Acetat
CoA
Acetyl-
CA
H
2
S
của nitrogen vô cơ. Một số vi sinh vật tổng hợp amino acid alanine trong một phản
ứng amine hoá khử xúc tác bởi alanine-dehydrogenase:
Pyruvate +
4
N H
+ N ADH (N ADPH) + H
+
alanine
+ N AD
+
(N ADP
+
) + H
2
O
Hình 18.10: Con đường đồng hóa ammonia.
Sự đồng hóa ammonia nhờ
glutamate.dehydrogenase (GDH) và transaminease. Các GDH phụ thuộc NADP hoặc NAD có
thể tham gia vào đây. Con đường này hoạt động mạnh nhất ở những nồng độ ammonia cao (
Theo Prescott và cs, 2005)
Con đường chủ yếu đồng hoá ammonia là tạo thành glutamate từ α-
ketoglutarate (một chất trung gian của chu trình TCA). N hiều vi khuNn và nấm sử
dụng glutamate-dehydrogenase khi nồng độ ammonia cao:
α -ketoglutarate +
4
N H
+ N ADPH (N ADH) + H
+
Glutamate + N ADP
+
(N AD
+
) + H
2
O
Việc sử dụng N ADPH và N ADH (tác nhân khử) trong tổng hợp glutamate
thay đổi tuỳ theo loài.
Một khi alanine hoặc glutamate đã được tổng hợp nhóm α-amine mới được
tạo thành có thể được chuyển sang các bộ khung carbon khác thông qua các phản
ứng chuyển amine, từ đó sẽ xuất hiện các amino acid khác. Các transaminease
chứa coenzyme pyridoxal phosphate có chức năng chuyển nhóm amine. Vi sinh
vật có một số transaminease, mỗi enzyme này xúc tác việc tạo thành một số amino
acid bằng cách sử dụng cùng m
ột amino acid làm chất cho nhóm amine. Khi
glutamate-dehydrogenase hoạt động phối hợp với các transaminease ammonia có
thể được chuyển thành nhiều amino acid (
hình 18.10
).
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét