Sử dụng năng lượng trong sinh tổng hợp ở vi sinh vật

Trao đổi chất trong sinh tổng hợp tuân theo một số nguyên tắc chung, 6 trong số các nguyên tắc này được tóm tắt dưới đây:

1. Mỗi tế bào vi sinh vật chứa một lượng lớn các protein, acid nucleic và polisaccaride. Tất cả đều là các cao phân tử tức là các polime gồm các đơn vị nhỏ hơn liên kết với nhau. Việc kiến trúc các phân tử lớn, phức tạp từ một vài đơn vị cấu trúc đơn giản hoặc monome tiết kiệm được nhiều dự trữ di truyền, nguyên liệu cho sinh tổng hợp và năng lượng. Ta hãy xem xét tổng hợp protein để hiểu rõ vấn đề này. Các protein, bất kể có kích thước, hình dạng hoặc chức năng như thế nào, đều được tạo thành chỉ bởi 20 amino acid thông thường nối với nhau nhờ liên kết peptide. Các protein khác nhau đơn giản chỉ là do có thứ tự amino acid khác nhau nhưng không phải là các amino acid mới và khác. Giả dụ, nếu các protein được tạo thành không phải bằng 20 mà bằng 40 amino acid khác nhau, tế bào sẽ phải cần các enzyme để sản xuất ra các amino acid nhiều gấp đôi (hoặc phải nhận được các acid bổ sung từ thức ăn). Các enzyme bổ sung đòi hỏi phải có các gen và tế bào lại phải đầu tư thêm nguyên liệu và năng lượng cho việc tổng hợp các gen, các enzyme và các amino acid bổ sung này. Rõ ràng, việc sử dụng một vài monome nối với nhau bởi một liên kết cộng hoá trị duy nhất khiến cho việc tổng hợp các cao phân tử trở thành một quá trình rất có hiệu quả. Hầu như tất cả các cấu trúc tế bào đều được kiến trúc chủ yếu bởi khoảng 30 tiền chất nhỏ.
2. Tế bào thường tiết kiệm các nguyên vật liệu và năng lượng bằng cách sử dụng các enzyme dùng cho cả dị hoá và đồng hoá. Chẳng hạn, hầu hết các enzyme đường phân đều tham gia tổng hợp và phân giải glucose se.
3. Mặc dù nhiều enzyme trong các con đường lưỡng hoá hoạt động trong cả phân giải và tổng hợp nhưng một số bước lại được xúc tác bởi hai enzyme khác nhau: một xúc tác phản ứng theo hướng phân giải và một theo hướng tổng hợp (Hình 2). Vì vậy, các con đường dị hoá và đồng hoá không bao giờ chi nhau mặc dù có nhiều enzyme chung. Việc sử dụng các enzyme riêng rẽ theo hai hướng ở một bước đơn độc cho phép điều chỉnh dị hoá và đồng hoá một cách độc lập. Cần nhớ rằng việc điều chỉnh đồng hoá hơi khác với điều chỉnh dị hoá. Cả hai con đường đều có thể điều chỉnh được bởi sản phẩm cuối cùng cũng như bởi nồng độ ATP, ADP, AMP và NAD⁺. Tuy nhiên, trong các con đường đồng hoá việc điều chỉnh bởi sản phẩm cuối cùng, nói chung, có vai trò quan trọng hơn.
4. Để tổng hợp các phân tử một cách hiệu quả các con đường đồng hoá phải hoạt động không thuận nghịch theo hướng sinh tổng hợp. Tế bào có thể thực hiện điều này bằng cách liên kết một số phản ứng sinh tổng hợp với sự phân giải ATP và các nucleoside triphosphate khác. Khi hai quá trình này được liên kết năng lượng tự do thoát ra trong sự phân giải nucleoside triphosphate sẽ hướng dẫn phản ứng sinh tổng hợp hoàn thành.
5. Ở các vi sinh vật nhân thật các con đường sinh tổng hợp thường diễn ra bên trong các khoang tế bào khác với các con đường phân giải tương ứng. Chẳng hạn, sinh tổng hợp acid béo gặp trong tế bào chất trong khi sự oxy hoá acid béo được thực hiện bên trong ti thể. Sự phân khoang tạo điều kiện cho các con đường hoạt động đồng thời không phụ thuộc vào nhau.
6. Cuối cùng, các con đường đồng hoá và dị hoá thường sử dụng các cofactor khác nhau. Các phản ứng oxy hoá trong phân giải, nói chung, sản ra NADH là một cơ chất cho vận chuyển electron. Trái lại, khi một chất cho electron là cần cho sinh tổng hợp thì NADPH chứ không phải NADH thường đảm nhiệm chức năng này. Trao đổi chất của acid béo cung cấp ví dụ thứ hai. Các phân tử acyl-CoA của acid béo bị oxy hoá để sản ra năng lượng trong khi tổng hợp acid béo có sự tham gia của các tioeste của protein mang nhánh acyl.

Một con đường sinh tổng hợp giả thuyết. Các con đường liên kết G với X, Y và Z hoàn toàn là đồng hóa vì chúng chỉ được dùng để tổng hợp các sản phẩm cuối cùng. Con đường từ A đến G là lưỡng hóa, nghĩa là có cả chức năng dị hóa và đồng hóa. Hầu hết các phản ứng được dùng trong cả 2 vai trò; tuy nhiên, sự chuyển hóa qua lại của C và D được xúc tác bởi 2 enzyme riêng biệt, E₁ (dị hóa) và E₂ (đồng hóa). (Nguồn Prescott và cs, 2005)

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 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.

Mặc dù hầu hết vi sinh vật có thể cố định CO₂ ít nhất là trong các phản ứng bổ sung tuy nhiên chỉ các cơ thể tự dưỡng mới có khả năng sử dụng CO₂ làm nguồn carbon duy nhất hoặc chủ yếu. Sự khử và cố định CO₂ 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 CO₂ 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 CO₂ 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 CO₂ 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 khuẩn), một số vi khuẩn kỵ khí bắt buộc và một số vi khuẩn hiếu khí. Những vi khuẩn này thường sử dụng một trong hai con đường khác. Một số archaea (Thermoproteus, Sulfolobus) và các vi khuẩn Chlorobium và Desulfobacter sử dụng con đường acid tricarboxylic khử. Ở các vi khuẩn sinh metan, vi khuẩn khử sulfate và các vi khuẩn sinh acetate (các vi khuẩn tạo thành acetate từ CO₂ 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 khuẩn lam, một số vi khuẩn 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 CO₂ 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 4.

Pha carboxyl hoá (carboxylation phase)

Sự cố định CO₂ được xúc tác bởi enzyme ribulo-1,5-bisphosphate-carboxylase hoặc oxygenase (rubisco) (Hình 3) xúc tác việc gắn CO₂ vào ribulo-1,5-bisphosphate (RuBP) tạo thành 2 phân tử 3-phosphorus-glycerat (PGA).

Phản ứng ribulo-1,5-bisphosphate carboxylase. Enzyme xúc tác bổ sung CO₂vào 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)

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 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 CO₂ 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 CO₂ thành chất hữu cơ cần 3ATP và 2NADPH. Glucose được tạo thành từ CO₂ theo phương trình sau:

6CO₂ + 18ATP + 12NADPH + 12H⁺ + 12H₂O → glucose + 18ADP + 18Pi + 12NADP⁺

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 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 NADPH được cung cấp bởi các phản ứng sáng quang hợp hay bởi sự oxy hoá các phân tử vô cơ ở các vi khuẩn 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.

Nhiều 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 CO₂.

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 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 nghịch 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 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 xếp 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 6).

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 7).

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 khuẩn 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 khuẩn.

Ngoài 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.

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. Nhiều vi sinh vật sử dụng cystein và methionine dẫn xuất từ các nguồn bên ngoài hoặc từ dự trữ amino acid nội bào. Ngoài ra, sulfate có thể cung cấp sulfur cho sinh tổng hợp. Nguyên 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 8) tiếp theo là sự khử sulfate. Đây là một quá trình phức tạp (Hình 9) trong đó sulfate trước hết bị khử thành sulfit ( ***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOT SUPPORTED.*** ) sau đó thành H₂S. Cystein có thể được tổng hợp từ sulfua hydro qua hai con đường.

Phosphorusadenosin 5’-phosphorussulfate (PAPS). Theo: Prescott và cs, 2005)

Con đường khử sulfate (Theo: Prescott và cs, 2005)

Nấm có thể kết hợp H₂S với serine tạo thành cystein nhưng nhiều vi khuẩn lại gắn H₂S với O-Acetylserine (quá trình 1 và 2, lần lượt)

Một khi được tạo thành cystein có thể được dùng để tổng hợp các hợp chất hữu cơ khác có chứa sulfur.

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 khuẩn 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

Nitrogen 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 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 + NH₄⁺ + NADH (NADPH) + H⁺ alanine ↔ + NAD⁺(NADP⁺) + H₂O

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). Nhiều vi khuẩn và nấm sử dụng glutamate-dehydrogenase khi nồng độ ammonia cao:

α -ketoglutarate + NH₄⁺+ NADPH (NADH) + H⁺ ↔ Glutamate + NADP⁺ (NAD⁺) + H₂O

Việc sử dụng NADPH và NADH (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 một 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 10).

Glutamine synthetase và glutamate synthase. Các phản ứng do 2 enzyme này xúc tác tham gia vào việc đồng hóa ammonia. Một số glutamate synthetase sử dụng NADPH là nguồn electron, số khác lại sử dụng ferredoxin khử (Fd). (Nguồn Prescott và cs, 2005)

Con đường thứ hai dùng đồng hoá ammonia bao gồm 2 enzyme tác dụng theo thứ tự, đó là glutamine synthetase và glutamate-synthase (hình 11). Ammonia được dùng để tổng hợp glutamine từ glutamate, sau đó nitrogen amit của glutamine được chuyển đến α-ketoglutarate để tạo thành một phân tử glutamate mới. Vì glutamate tác dụng như một chất cho amine trong các phản ứng của transaminease nên ammonia có thể được dùng để tổng hợp tất cả các amino acid thông thường khi có mặt các transaminease thích hợp (hình 12).

Cả ATP và một nguồn các electron như NADPH hay ferredoxin khử đều cần. Con đường này gặp ở E. coli, B. megaterium và nhiều vi khuẩn khác. Hai enzyme tác dụng theo thứ tự hoạt động rất hiệu quả ở các nồng độ ammonia thấp khác với con đường glutamate dehydrogenase. Như đã nói ở trên glutamine synthetase được điều hoà chặt chẽ nhờ sự cải biến cộng hoá trị thuận nghịch và các effector dị lập thể.

Cố định ammonia nhờ glutamine synthetase và glutamate synthase. Con đường này hoạt động có hiệu quả ở những nồng độ ammonia thấp. (Theo: Prescott và cs, 2005)

Sự khử nitrate đồng hoá

Nitrogen trong nitrate ( ***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOT SUPPORTED.*** ) ở trạng thái oxy hoá hơn nhiều so với nitrogen trong ammonia. Nitrate trước hết phải bị khử thành ammonia trước khi nitrogen có thể được chuyển hoá thành một dạng hữu cơ. Sự khử này của nitrate được gọi là khử nitrate đồng hoá. Quá trình này khác với quá trình diễn ra trong hô hấp kỵ khí và khử nitrate dị hoá. Trong sự khử nitrate đồng hoá nitrate được chuyển thành chất hữu cơ và không tham gia vào việc sản sinh năng lượng. Khử nitrate đồng hoá gặp phổ biến ở vi khuẩn, nấm và tảo.

Quá trình nói trên diễn ra trong tế bào chất ở vi khuẩn.

Bước thứ nhất trong đồng hoá nitrate là khử nitrate thành nitrite xúc tác bởi nitrate reductase là enzyme chứa FAD và molipden (Hình 13), NADPH là nguồn electron:

NO₃⁺ + NADPH +H⁺ → NO₂^-+ NADP⁺ + H₂O

Sau đó, nitrite bị khử thành ammonia thông qua một số lần bổ sung 2 electron được xúc tác bởi nitrite reductase và có thể cả các enzyme khác. Hydroxylamine có thể là một chất trung gian. Tiếp theo ammonia được chuyển hoá thành các amino acid nhờ các con đường đã mô tả.

Khử nitrate đồng hóa. Con đường này gặp ở các vi khuẩn có thể khử và đồng hóa nitrogen của nitrate. (Theo: Prescott và cs, 2005)