QUÁ TRÌNH TRAO Đ ổ i NĂNG LƯỢNG ở TE bào VI SINH VẬT

2.1. Các khái niệm cơ bản

Việc trao đổi không ngừng với thế giới xung quanh là cơ sỏ của sự sống và sự phát triến của vi sinh vật cũng như các sinh vật khác. Đồng thời với quá trình dinh dưõng (hay còn gọi là quá trình trao đổi chất) là quá trình trao đổi năng lượng của tế bào vi sinh vật. Chủng ta đều biết rằng để tiến hành các quá trình sinh tổng hợp cũng như đê đảm bảo nhiều hoạt động sống khác của cô thể, vi sinh vật cũng như các sinh vật khác đều cần được cung cấp năng lượng. Các phản ứng sinh tống hộp xảy ra trong các cơ thê sống ỉà các phảìì ứng thu

nâng lượng hay còn gọi là phản ứng thu nhiệt.

Trong các phản ứng thu nhiệt này bao giờ năng lượng tự do của các chất phản ứng cũng nhỏ hôn năng lượng tự do của sản phấm (AF > 0). Phần lớn các vi sinh vật thu được năng lượng đều bằng cách ôxyhóa-phân hủy các họp chất hóa học nào đấy, mà sự ôxyhóa-phân hủy này là bao gồm nhung phản ứng tỏa năng lượng hay còn gọi là phản ứng tỏa nhiệt, trong các phản ứng tỏa nhiệt này năng lượng tự do của các chất phản ứng bao giờ cũng lổn hơn năng lượng tự do của sản phấm sinh ra (AF < 0). Như vậy ta có thể kết luận rằng: các

quá trình ỏXV hỏa-phân hủy kèm theo sự giải phóng nâng lượng cần thiết cho hoạt dộng sỏìỉ^ của tổ bào dược gọi ỉ à sự trao đôi năng lượng.

Đáng chú ý là ỏ động vật, thực vật bậc cao quá trình ôxy hóa-phân hủy thường xảy ra Vổi có chât là các chât dự trừ của có thế (glucid, protein, lipid...), nhưng ỏ tố bào vi sinh vật do số lượng các chất dự trữ thưòng rất nhỏ nên chúng phải sử dụng chủ yếu các chất đưộc hấp thụ từ môi trưòng xung quanh vào. Chính vì vậy mà người ta nói rằng: ỏ các cô thể da bào (cô thế bậc cao) hai khái niệm "trao đổi năng lượng" và Mdị hóa" là hoàn toàn giống nhau, nhưng ỗ tế bào vi sinh vật thì đó là hai hiện tượng khác nhau.

Đối vổi tế bào vi sinh vật, năng lượng giải phóng ra từ các phản ứng ôxyhóa sẽ được giữ lại trong một sô các hộp chât giàu năng lượng có mặt trong tế bào. Đó ỉà các hợp chất như các nuleozittriphotphat (ATP, ƯTP), acetyl photphat, các dẫn xuất của acid cacbonic (như acetyl-CoA), trong đó hợp chất giàu năng lượng nhất là ATP-photphat, họp chất này có chứa hai liên kêt cao năng, năng lượng của mỗi liên kết này khoảng 1 2.000calo, trong khi đó năng lượng của mỗi liên kết photphat bình thường chỉ vào khoảng 3000calo. ATP của tế bào vi sinh vật được dùng trong tất cả các phản ứng trao đổi cần năng lượng, các phân tử giàu năng lượng này được hình thành trong tế bào của các vi sinh vật (củng như các sinh vật khác). Có thể nói sự hình thành liên kết cao năng giữa photphat và ồxy (còn gọi là quá trình photphoryl hóa) là phương thức chủ yếu để tích lũy năng lượng cần thiết chuẩn bị cho

việc phóng thích khi ôxyhóa. Các phân tử AMP, ADN và ATP có thể chuyến hóa tương hỗ một cách dễ dàng, do đó rát tiện sử dụng trong các quá trình trao đổi năng lượng:

AMP + H3 P 04 -> ADP ADP + H^PO* -> ATP

Trong quá trình trao đổi chất, tế bào vi sinh vật có thể dùng các hợp chất khác nhau để làm nguồn thu nhận năng lượng như:

- Các hợp chất hữu cơ; - Các hợp chất vô cơ; - Các sắc tố quang hợp .

2.2. s ự ô x y hóa các chất hữu cơ để lảm nguồn thu nhận năng ìượtig của vi sỉnh vật 2.2.7, Bản chất của quá trình hô hấp

Quá trình ôxyhóa các chât hữu cơ đê làm nguồn thu nâng lượng được gọi là quá trình hô hấp, nếu quá trình này xảy ra trong điều kiện các chất hữu cơ vừa làm nhiệm vụ chất

cho, vừa làm nhiệm vụ chất nhận điện tử thì được gọi là "quá trình lên men " hay còn gọi là

"hô hấp yếm k h í Ngược lại, trong điều kiện chất nhận điện tử cuối cùng là ôxy phân tử

(O) thì quá trình này được gọi là quá trình "hô hấp hiếu k h í\ còn một quá trình ôxyhóa trung gian nữa gọi là quá trình "hô háp tùy t i ệ n Như vậy, trong quá trình hô hấp (tức là quá trình ôxyhóa các hợp chất hữu cơ) thì nguyên liệu hô hấp phải trải qua nhiều chặng và hiđro từ nguyên liệu hô hấp phải qua nhiều chất trung gian khác nhau đế chuyển tới chất nhận hidro cuối cùng.

Chất trung gian quan trọng nhất trong quá trình chuyển hóa glucid là acid piruvic. Trong các con đường phân giải cacbon (EMP, HMP, ED...), glucoza dưới tác dụng của các phân tử cao năng và các loại enzim khác nhau trong tế bào sẽ được chuyển hóa (qua các phản ứng trung gian) đế tạo thành acid piruvic thì sự lên men và ôxyhóa xảy ra hoàn toàn giống nhau. Sau đó, tùy theo đặc tính của cơ thế sống hô hấp yếm khí hay hiếu khí mà sự chuyển hóa sẽ khác nhau vì vi sinh vật có thê sử đụng các chất nhận hidro cuối cùng khác nhau.

Như vậy Hô hấp là một quá trình sinh lý phức tạp và có sự tham gia của nhiều hệ enzim. Tùy hệ enzim của mỗi loài mà sự hô hấp khác nhau. Trong quá trình đó có loầi sử dụng ôxy của không khí, có loài lại không sử dụng ôxy của không khí, vì thế tùy theo chất nhận hidro cuối cùng tức là quan hệ của vi sinh vật với nguồn ôxy tự do mà ta chia vi sinh vật thành ba loầi có tính chất hô hấp khác nhau.

2.2.2. Các kiểu hổ hấp của vi sinh vật

2.2.2.1. Vỉ sinh vật hô hấp hiếu khỉ

Là những loài vi sinh vật sử dụng ôxy tự do làm chất nhận hidro cuối cùng, trong hầu hết các trường họp, nguyên liệu hô hấp là glucid nhưng chúng cũng có thể sử dụng các hợp chất hừu cơ khác như lipid, protid, niệu, acid hữu cô...

- Trường hộp ôxyhóa hoàn toàn glucid ta có quá trình như sau:

c 6 H |2 O ố + 6 0^ — > 6 C 0 t + 6 H ,0 + 674 kcalo

- Trường họp ôxyhóa không hoàn toàn glucid thì năng lượng thu được ít hôn, chỉ bằng 25% của năng iượng này, phần năng lượng còn lại là ổ những hợp chất hữu cơ trung gian. Ví dụ như một số nấm mốc chỉ có thể ôxyhóa glucid thành acid hữu cơ như acid limonic, acid sucxinic, acid xitric...

- Trong trường hợp ôxyhóa một số họp chất hữu cơ khác cũng có thể tạo thành những hợp chất hừu cô trung gian hoặc đi tổi cùng, như vi khuẩn acetic có thể ôxyhóa rượu etylic hoặc thành acid acetic hoặc đi tới cùng tạo thành C 02 và H20 :

C2H 5OH + 02 -> CH3 COOH + H20 + lókcalo C:H sOH + 3 0 2 -» 2 C 0 , + 3H20 + 326kcalo

Những quá trình ôxyhóa được thực hiện do hô hấp hiếu khí của vi sinh vật như thế này được sử dụng trong ngành công nghiệp lên men để sản xuất các chất như acid acetic, aceton, acid limonic, acid citric... Ngoài ra còn một số vi sinh vật có thê tiến hành hô hấp hiếu khí trong những điều kiện có rất ít 0 2 ta gọi đó là những vi sinh vật vi hiếu khí.

2.2.2.2. Vi sinh vật hô hấp yếm k h ỉ

Là những vi sinh vật hô hấp không cần ôxy, hơn nữa ôxy lại là chất độc đối vói chủng. Quá trình hô hấp yếm khí (hay là quá trình lên men) thực chất là quá trình ôxyhóa khử, có sự tham gia của nhiều hệ thổng enzim. Ví dụ như ỏ quá trình lên men lactic, chất nhận hidro cuối cùng là acid lactic hay ở quá trình lên men rượu, chất nhận hidro cuối cùng là rượu etylic. Những quá trình lên men này được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp hóa học và công nghiệp thực phẩm.

2.2.23. Vi sinh vật hồ hấp tùy tiện

Là những vi sinh vật có thể hô hấp yếm khí hoặc hô hấp hiếu khí tùy thuộc sự có mặt hay không có mặt của ôxy tự do như nấm men Saccharomyces:

- Khi hô hấp hiếu khí sẽ ôxyhóa glucid thành C 02 + H2 O: c6h 12o6 c o2 + h 2 o

- Khi hô hấp yếm khí sẽ lên men gluciđ thành rượu etylic và khí C 02 :

c6 H12 06

->

C2H5OH + C02.

2.2.3. Hiện tượng tỏa nhiệt của vi sinh vật

Từ lâu người ta đã chứ ý đến hiện tượng tỏa nhiệt của vi sinh vật và họ cho rằng năng lượng của vi sinh vật sinh ra trong quá trình hô hấp không được chúng sử dụng hết, mà sẽ tỏa ra môi trường xung quanh dưổi dạng nhiệt năng. Bằng nhiệt lượng kế ngưòi ta thấy rằng vi sinh vật không sử dụng quá 10 25% năng lượng vào các quá trình sinh tổng hợp, còn

75% còn lại được tỏa ra ngoài dưói dạng nhiệt năng là chủ yếu (ngoài ra còn dưói dạng quang năng và hóa năng).

Hiện tượng tỏa nhiệt của vi sinh vật có thể thấy rõ trong quá trình ủ phân, lúc đầu nhóm vi sinh vật ưa ấm sẽ phát triển mạnh mẽ nhất là nấm mốc và các vi khuẩn hiếu khí. Khi nhiệt độ tăng đến 40~50°c thì hoạt động của chúng giảm và thay vào đó là nhóm vi sinh vật ưa nóng hoạt động. Khi nhiệt độ tăng lên 60°c các vi khuẩn có bào tử hoạt động mạnh và khi nhiệt độ tiếp tục tăng 70“80°c thì chủng cũng bị tiêu diệt hay chuyển sang trạng thái tiềm sinh dưới dạng bào tử. Người ta lợi dụng hiện tượng tỏa nhiệt của vi sinh vật đế làm ấm các nhà kính trồng cây ỏ các nước ôn đdi và ủ phân trong trồng trọt...

2.2.4. Hiện tượng phải sảng cửa vỉ sinh vật

Đó là hiện tượng năng lượng dư thừa được phát ra ngoài dưới dạng quang năng của các loài vi sinh vật hô hấp hiếu khí sóng trong nước biển, trên bề mặt của các loài cá như trực khuẩn gram, cầu khuẩn, phấy khuẩn... mà đáng chủ ý nhất là loài Achromobacter fischeri, ngoài ra còn một só nấm, nguyên sinh động vật.

Cưòng độ và màu sắc ánh sáng phát ra thay đổi tùy thuộc vào từng loài vi sinh vật. Ánh sáng sinh ra từ vi sinh vật phát quang có thể đủ mạnh đến mức tác động được đến hưổng mọc của thực vật (như thí nghiệm trồng cây đậu Hà Lan trong một phòng tối có đặt một ống đựng vi khuẩn phát sáng sau một thòi gian đậu sẽ mọc hướng về phía óng này ). Hiện tượng phát sáng được coi là quá trình " lãng phí năng lượng" vi năng lượng phát ra dưới dạng quang năng không có tác dụng đói với hoạt động sống của vi sinh vật. Người ta có thể sử dụng các vi khuẩn này như những vi sinh vật chỉ thị đối vói sự tồn tại của 0 2 vì cảng có nhiều không khí thì sự phát sáng càng mạnh.

2.3. Sự thu nhận năng hitfng từ nguồn các họTp chẩt vô ctf của vi sinh vật

Chủng ta có thể thấy khả năng thu nhận năng lượng thông qua quá trình ôxyhóa một số các hợp chất vô cơ chỉ giới hạn trong một nhóm nhỏ các vi sinh vật tự dưỡng hóa năng. Các vi sinh vật này có khả năng khử CO? của không khí để tông hợp nên các chất hữu cơ của cơ thể nhò vào năng lượng sinh ra trong quá trình ôxyhóa một số chất vô cơ như NH3 , muối nitrit (N0 2 ), muối sắt (Fe2+X H2 s, H2 và một số hợp chất lưu huỳnh.

Các vi sinh vật tự dương hóa năng bao gồm:

- Vi khuẩn Ivtíi huỳnh có khả năng ôxyhóa H2S thành H2S 04 và nhò đổ trung hòa được cacbonat của nước. Các giọt lưu huỳnh quan sát thấy trong tế bào là sản phẩm trung gian của quá trình ôxyhóa này. Năm 1887 Vinogradski đã chứng minh được rằng nguồn năng lượng cần thiết cho hoạt động sống của vi khuấn lưu huỳnh chính là đã được sinh ra trong quá trình ôxy hóa H2S.

- Vi khuẩn sắt có khả năng ôxy hóa Fe2+ thành Fe3+ và dùng nàng lượng sinh ra trong quá trình này để đồng hóa C 02 của không khí.

- Vi khuẩn nitrat hóa có khả năng ôxyhóa N 02 thành NO3 .

Như vậy, voi sự có mặt của nhóm vi sinh vật tự dưỡng hóa năng có thể'thấy rằng: Chất hữu cô trên trái đất không chỉ sinh ra nhò thực vật mà còn sinh ra nhờ các vi sinh vật tự dưồng hóa năng này.

2.4. Sự thu nhận năng lúựng nhờ quá trình quang hợp của vi sinh vật

Tương tự như các loài thực vật, có một số loài vi sinh vật có khả năng quang hợp nhờ trong tế bào có chứa các sắc tố quang hợp là clorophil a, b và bacterioclorophil a, b, c, d như vi khuẩn màu lục, màu tía. Các vi khuẩn này có khả năng chuyên hóa trực tiếp năng lượng của ánh sáng mặt tròi thành năng lượng hóa học tích lũy lại trong các dây nối cao năng của phân tử ATP. Nguồn H2 đối vổi các vi khuẩn này là H2S (còn nguồn H2 của tảo và thực vật là H^O).

v ề cơ chế của quá trình quang hợp ta thấy: Vi khuẩn quang hợp có thể chuyển năng lượng của ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học và dùng năng lượng này để khử C 02

của không khí thành các chất hữu cơ của chủng. Việc photphoril hóa và khử piridin nucleotid là những giai đoạn đầu tiên của quá trình quang hợp. Quá trình quang hợp của vi khuẩn màu tía, màu lục khác với cây xanh ỏ mấy điểm sau:

- Không tạo 0 2 phân tử;

- Sử dụng H20 hay chất hữư cơ làm chất cho H2 (thực vật sử dụng H20 );

- Năng lượng và các chất khử nhận được trong giai đoạn đầu của quá trình quang hợp sẽ được vi khuẩn sử dụng để tổng hợp nên các chất hữu cơ của cơ thể từ nguồn các bon là C 02

hoặc là các hợp chất hữu cơ đơn giản.

Biểu dưỡìig năng ìượtig ở vi khuẩn

■►Đồng hóa Dị hóa Dị hóa Dị hóa 0 xy hỏa các hợp chất hóa học Nhiệt Hình 3,33: Các dạng chuyển hóa chính 88

Bảng 2.7