Đại cương về trao đổi chất

Sau khi đã đề cập đến các nguyên tắc cơ bản của nhiệt động học, chu trình năng lượng và vai trò của ATP như đồng tiền năng lượng, bản chất và chức năng của các enzyme cũng như việc điều chỉnh hoạt tính enzyme trong chương này chúng ta sẽ bàn về trao đổi chất. Trao đổi chất là tổng số các phản ứng hóa học diễn ra bên trong tế bào nhờ có dòng năng lượng và sự tham gia của các enzyme. Trao đổi chất có thể được chia thành hai phần chủ yếu: dị hoá (catabolism) và đồng hoá (anabolism). Trong dị hoá các phân tử lớn hơn và phức tạp hơn bị bẻ vỡ thành các phân tử nhỏ hơn và đơn giản hơn đồng thời năng lượng được giải phóng. Một phần năng lượng này được giữ lại và tạo thành công, phần còn lại thoát ra ở dạng nhiệt. Sau đó, năng lượng giữ lại có thể được dùng trong đồng hoá là giai đoạn sau của trao đổi chất. Đồng hoá là việc tổng hợp các phân tử phức tạp từ các phân tử đơn giản hơn và cần năng lượng. Quá trình đồng hoá sử dụng năng lượng để làm tăng trật tự của một hệ thống.

Mặc dù việc phân chia trao đổi chất thành hai phần chủ yếu là tiện lợi và được sử dụng phổ biến, tuy nhiên, cần nhớ rằng, không phải tất cả các quá trình sản sinh năng lượng đều phù hợp với định nghĩa nói trên về sự dị hoá nếu như định nghĩa này không được mở rộng bao gồm cả các quá trình không có sự phân giải các phân tử hữu cơ phức tạp. Theo nghĩa rộng hơn các vi sinh vật thường sử dụng một trong ba nguồn năng lượng. Vi sinh vật quang dưỡng thu nhận năng lượng bức xạ từ mặt trời (Hình 1). Vi sinh vật hoá dưỡng hữu cơ oxy hoá các phân tử hữu cơ để giải phóng năng lượng, trái lại các vi sinh vật hoá dưỡng vô cơ lại sử dụng các chất dinh dưỡng vô cơ làm nguồn năng lượng.

Các nguồn năng luợng được sử dụng bởi vi sinh vật. Hầu hết vi sinh vật sử dụng 1 trong 3 nguồn năng luợng. Các vi sinh vật quang dưỡng thu nhận năng luợng bức xạ từ mặt trời nhờ các sắc tố như bacteriocholorophyll và cholorophyll. Các vi sinh vật hóa dưỡng oxy hóa các chất dinh dưỡng hữu cơ và vô cơ khử để giải phóng và thu nhận năng luợng. Hóa năng dẫn xuất từ 3 nguồn này sẽ được dùng để sản ra công. (Theo: Prescott và cs, 2005)

Vi sinh vật không chỉ khác nhau về nguồn năng lượng mà còn khác nhau về các chất nhận electron được sử dụng ở các cơ thể hoá dưỡng (Hình 2).

Các chất nhận electron gồm ba loại chính. Trong lên men cơ chất mang năng lượng bị oxy hoá và phân giải không có sự tham gia của một chất nhận electron từ bên ngoài hoặc có nguồn gốc từ bên ngoài. Thông thường con đường dị hoá sản ra một chất trung gian như Pyruvate tác dụng như chất nhận electron. Nói chung, lên men diễn ra trong điều kiện kỵ khí nhưng đôi khi cũng được thực hiện ngày khi có mặt oxy. Dĩ nhiên, trao đổi chất sản sinh năng lượng cũng có thể sử dụng các chất nhận electron từ bên ngoài hoặc có nguồn gốc từ bên ngoài. Quá trình trao đổi chất này được gọi là hô hấp (respiration) và được chia làm hai loại khác nhau: 1. Hô hấp hiếu khí: chất nhận electron cuối cùng là oxy; 2. Hô hấp kỵ khí: chất nhận electron có nguồn gốc khác nhau từ bên ngoài. Chất nhận electron trong hô hấp kỵ khí phổ biến nhất là chất vô cơ (chẳng hạn, NO₃^-, SO₄²⁺, CO₂, Fe³⁺, SeO₄^2‑...) nhưng đôi khi cũng là chất hữu cơ (như fumarat). Trong hô hấp thường có sự tham gia của một chuỗi vận chuyển electron. Năng lượng thu được trong lên men và hô hấp rất khác nhau. Chất nhận electron trong lên men có cùng trạng thái oxy hoá như chất dinh dưỡng ban đầu và không có sự oxy hoá hoàn toàn chất dinh dưỡng. Do đó chỉ một lượng nhỏ năng lượng được tạo thành. Chất nhận electron trong các quá trình hô hấp có thế khử dương hơn nhiều so với cơ chất, do đó trong hô hấp năng lượng được giải phóng nhiều hơn đáng kể. Trong hô hấp hiếu khí cũng như kỵ khí ATP được tạo thành nhờ hoạt động của chuỗi vận chuyển electron. Các electron tham gia trong chuỗi có thể thu được từ các chất dinh dưỡng vô cơ và năng lượng có thể bắt nguồn từ sự oxy hoá các phân tử vô cơ hơn là từ các chất dinh dưỡng hữu cơ. Khả năng này gặp ở một số vi sinh vật nhân nguyên thuỷ gọi là vi sinh vật hoá dưỡng vô cơ.

Các kiểu giải phóng năng luợng. Lên men là quá trình giải phóng năng luợng trong đó một chất cho electron hữu cơ chuyền các electron cho một chất nhận nội sinh thường là một chất trung gian bắt nguồn từ sự phân giải chất dinh dưỡng. Trong hô hấp, các electron được chuyền cho một chất nhận từ bên ngoài (ngoại sinh) như O₂ (hô hấp hiếu khí) hay NO₃^-, SO₄^2- (hô hấp kị khí). Các hợp chất khử vô cơ cũng có thể được dùng như các chất cho electron trong việc tạo thành năng luợng (sự hóa dưỡng vô cơ). (Theo: Prescott và cs, 2005)

Cũng cần nhớ rằng những định nghĩa về lên men, hô hấp hiếu khí và hô hấp kỵ khí nói trên hơi khác với những định nghĩa dùng bởi các nhà sinh học và sinh hoá học. Lên men cũng có thể được định nghĩa như là một quá trình sinh năng lượng trong đó các phân tử hữu cơ được đồng thời dùng làm chất cho và chất nhận electron. Hô hấp là một quá trình sinh năng lượng trong đó chất nhận là một phân tử vô cơ như oxy (hô hấp hiếu khí) hay một chất vô cơ (hô hấp kỵ khí). Vì vi sinh vật rất linh hoạt và thay đổi trong trao đổi năng lượng nên những định nghĩa nói trên chừng nào rộng hơn sẽ được dùng ở đây.

Ba giai đoạn của sự dị hóa. Sơ đồ tổng quát của sự dị hóa hiếu khí trong 1 vi sinh vật hóa dị dưỡng hữu cơ chỉ ra 3 giai đoạn trong quá trình này và vị trí trung tâm của chu trình acid tricarboxylic. Mặc dù có nhiều protein, polisaccarid và lipit nhưng chúng bị phân giải chỉ qua hoạt tính của 1 vài con đường trao đổi chất phổ biến. Chú ý, các đường … ở đây chỉ dòng các electron mang bởi NADH và FADH₂ tới chuỗi vận chuyển electron. (Theo: Prescott và cs, 2005)

Trao đổi chất trong điều kiện hiếu khí có thể được chia thành 3 giai đoạn (Hình 3). Trong giai đoạn thứ nhất của sự dị hoá các phân tử chất dinh dưỡng lớn hơn (protein, polisaccarid và lipit) bị thuỷ phân hoặc bị phân giải theo kiểu khác thành các phần nhỏ hơn. Các phản ứng hoá học diễn ra trong giai đoạn này không sản sinh nhiều năng lượng. Các acid amin, monosaccarid, acid béo, glycerol và các sản phẩm khác của giai đoạn này bị phân giải theo kiểu khác thành một số phân tử đơn giản hơn trong giai đoạn hai như Acetyl-coenzyme A, Pyruvate và các chất trung gian của chu trình acid tricarboxylic. Giai đoạn thứ hai có thể hoạt động trong điều kiện hiếu khí cũng như kỵ khí và thường tạo thành một số ATP cũng như NADH và/hoặc FADH₂. Cuối cùng carbon trong chất dinh dưỡng được chuyển vào chu trình acid tricarboxylic trong giai đoạn ba của sự dị hoá và các phân tử được oxy hoá hoàn toàn thành CO₂ đồng thời với sự tạo thành ATP, NADH và FADH₂. Chu trình hoạt động hiếu khí và giải phóng nhiều năng lượng. Phần lớn ATP bắt nguồn từ chu trình acid tricarboxylic (và các phản ứng của giai đoạn 2) là do sự oxy hoá của NADH và FADH₂ nhờ chuỗi vận chuyển electron. Oxy hoặc đôi khi, một phân tử vô cơ khác là chất nhận electron cuối cùng.

Mặc dù sơ đồ trình bày trên đã được đơn giản hoá đi nhiều nhưng vẫn thuận tiện cho việc phân tích mô hình tổng quát của sự dị hoá. Cần chú ý rằng, vi sinh vật bắt đầu với rất nhiều phân tử và ở mỗi giai đoạn số lượng và sự đa dạng của chúng bị giảm đi. Nghĩa là, các phân tử chất dinh dưỡng được chuyển thành các chất trung gian trao đổi chất với số lượng liên tục nhỏ hơn cho tới khi, cuối cùng, chúng đi vào chu trình acid tricarboxylic một con đường chung thường phân giải nhiều phân tử tương tự, chẳng hạn nhiều loại đường khác nhau. Các con đường trao đổi chất này bao gồm các phản ứng do enzyme xúc tác được sắp xếp sao cho sản phẩm của phản ứng này sẽ dùng làm cơ chất cho phản ứng sau. Sự tồn tại của một số con đường dị hoá chung, mỗi con đường phân giải nhiều chất dinh dưỡng, sẽ tăng rõ rệt hiệu quả trao đổi chất nhờ tránh được nhu cầu đối với một số lượng lớn các con đường kém linh hoạt về trao đổi chất. Các vi sinh vật thể hiện tính đa dạng về dinh dưỡng chính là trong pha dị hoá. Hầu hết các con đường sinh tổng hợp ở vi sinh vật và ở các sinh vật bậc cao là khá chi nhau. Tính độc đáo của trao đổi chất ở vi sinh vật là sự đa dạng các nguồn tạo thành ATP và NADH (Hình 1 và 2).

Các hidrat carbon và các chất dinh dưỡng khác đảm nhiệm hai chức năng trong trao đổi chất của các vi sinh vật dị dưỡng:

1. Bị oxy hoá để giải phóng năng lượng.

2. Cung cấp các khối carbon hoặc khối xây dựng dùng cho tổng hợp các thành phần của tế bào mới.

Mặc dù nhiều con đường đồng hoá và dị hoá tách riêng nhau nhưng có một số con đường là lưỡng hoá (amphibolic) hoạt động cả trong đồng hoá và dị hoá. Hai trong số các con đường quan trọng nhất là đường phân và chu trình acid tricarboxylic. Hầu hết các phản ứng trong hai con đường này đều thuận nghịch dễ dàng và có thể được dùng để tổng hợp và phân giải các phân tử. Một số bước dị hoá một chiều được đi vòng trong sinh tổng hợp với các enzyme đặc biệt xúc tác phản ứng ngược lại (Hình 4).

Con đường lưỡng hóa. Đây là sơ đồ của 1 con đường lưỡng hóa, chẳng hạn đường phân. Cần chú ý, sự chuyển hóa qua lại của các chất trung gian F và G được xúc tác bởi 2 enzyme riêng biệt: E₁ hoạt động theo hướng phân giải và E₂ theo hướng tổng hợp. (Theo: Prescott và cs, 2005)

Chẳng hạn, enzyme fructo-bisphosphatease xúc tác ngược chiều với bước phosphorusfructokinase khi glucose được tổng hợp từ Pyruvate. Sự tồn tại của hai enzyme riêng rẽ, enzyme này xúc tác phản ứng ngược chiều với enzyme kia cho phép chức năng dị hoá và đồng hoá của các con đường nói trên được điều chỉnh độc lập.