OXI HÓA CÁC PHÂN TỬ HỮU CƠ

Như đã nói ở trên, vi sinh vật có thể oxy hoá các phân tử hữu cơ như hidrat carbon, lipit, protein và tạo thành ATP nhờ năng lượng được giải phóng. Chất nhận electron là: (1) một phân tử hữu cơ khác nội sinh, oxy hoá hơn xuất hiện trong lên men; (2) O2 trong hô hấp hiếu khí hoặc (3) một phân tử oxy hoá khác O2 có nguồn gốc từ bên ngoài dùng trong hô hấp kỵ khí (hình 17.2). Trong cả hô hấp hiếu khí và kỵ khí ATP đều được tạo thành do kết quả hoạt động của chuỗi vận chuyển electron. Các electron đi vào chuỗi có thể bắt nguồn từ các chất vô cơ và năng lượng có thể thu được từ sự oxy hoá các phân tử vô cơ hơn là từ các chất dinh dưỡng hữu cơ. Khả năng chỉ gặp ở một nhóm vi khuNn được gọi là hoá dưỡng vô cơ (chemolithotroph). Mỗi loài đều đòi hỏi các chất cho và chất nhận electron đặc trưng (bảng 17.4). Chất nhận electron thường là O2 nhưng cũng có thể là nitrate hoặc sulfate. Các chất cho electron phổ biến nhất là H2, các hợp chất nitơ khử, các hợp chất sulfur khử và sắt ferrơ (Fe2+). Vi khuNn hoá dưỡng vô cơ thường là tự dưỡng và sử dụng chu trình Calvin để cố định CO2 là nguồn carbon. Tuy nhiên một số chúng có thể sinh trưởng như vi khuNn hoá dị dưỡng khi có mặt các hợp chất hữu cơ khử. Quá trình khử CO2 thành hidrat carbon tiêu tốn nhiều năng lượng. Việc gắn một phân tử CO2 vào chu trình Calvin cần 3ATP và 2N ADPH.

Tuy nhiên phản ứng oxy hoá các phân tử vô cơ (bảng 17.5) cho năng lượng ít hơn nhiều so với oxy hoá hoàn toàn glucose thành CO2; sự oxy hoá hoàn toàn này đi kèm với sự thay đổi năng lượng tự do chuNn là - 686 kcal/mol. Tỉ lệ P/O đối với phosphoryl hoá oxy hoá ở vi khuNn hoá dưỡng vô cơ chỉ vào khoảng 1,0 (tỉ lệ này cao hơn nhiều trong phản ứng oxy hoá H2). Do sản lượng ATP thấp vi khuNn hoá dưỡng vô cơ phải oxy hoá một lượng lớn chất vô cơ để sinh trưởng và sinh sản, điều này tăng cường tác động sinh thái của chúng.

a/ $\Delta$ G o’ đối với sự oxy hóa hoàn toàn của glucose thành CO 2 là -686 kcal/mol.1kcal tương đương với 4,184 kJ.

Một số chi vi khuẩn (bảng 17.4) có thể oxy hoá khí hydro để sản ra năng lượng vì chúng có enzyme hydrogenase xúc tác phản ứng oxy hoá hydro:

H2 → 2H+ +2e

Các electron được chuyển vào chuỗi vận chuyển electron hoặc chuyển đến N AD+ tuỳ thuộc vào hydrogenase. N ếu N ADH được tạo thành nó có thể được dùng để tổng hợp ATP nhờ việc vận chuyển electron và phosphoryl hoá oxy hoá với O2 là chất nhận electron tận cùng. Tuy nhiên khi đầy đủ chất dưỡng các vi khuNn hydro nói trên lại thường sử dụng chất hữu cơ làm nguồn năng lượng. Các vi khuNn hoá dưỡng vô cơ oxy hoá nitơ được nghiên cứu kỹ nhất là vi khuNn nitrate hoá. Đây là những vi khuNn đất và vi khuNn nước có ý nghĩa sinh thái rõ rệt. Sự oxy hoá ammonia thành nitrate phụ thuộc vào hoạt tính của ít nhất hai chi khác nhau.

Chẳng hạn, Nitrosomonas và Nitrosospira oxy hoá ammonia thành nitrite:

4 NH + 3/2 O2 → 2 N O－ + H2O + 2H+

Sau đó nitrite có thể bị oxy hoá tiếp bởi Nitrobacter và Nitrococcus thành nitrate:

2 N O－ + 1/2 O2 → 3 N O－

Nitrobacter oxy hóa nitrite và thực hiện việc vận chuyển electron bình thường để sản ra PMF dùng cho tổng hợp ATP. (Nhánh bên phải của sơ đồ). Một phần PMF cũng được dùng để đẩy các electron di chuyển ngược với thời gradien th ế khử từ nitrite đ ế n NAD + (nhánh bên trái của

sơ đồ). Xit.c và 4 phức hợp tham gia vào đây là: NADH-Ubiquinone oxydoreductase (1), ubiquinol-xit.c oxydoreductase (2), nitrite oxydase (3) và xit.aa 3 oxydase (4). (Theo: Prescott và cs, 2005)

Khi hai chi hoạt động phối hợp ammonia trong đất bị oxy hoá thành nitrate. Quá trình này được gọi là nitrate hoá (nitrification). Năng lượng thoát ra trong quá trình oxy hoá của cả ammonia và nitrite được dùng để tổng hợp ATP nhờ phosphoryl hoá oxy hoá. Tuy nhiên để khử CO2 và các phân tử khác vi sinh vật cần một nguồn electron (lực khử) cũng như một nguồn ATP. Vì amon và nitrite có thể khử dương hơn N AD+ chúng không thể truyền trực tiếp các electron để tạo thành N ADH và N ADPH cần thiết. N guyên nhân là vì các electron chuyển động ngẫu nhiên chỉ từ các chất cho với thế khử âm hơn tới các chất nhận với thế khử dương hơn (Hình 17.7). Vi khuNn oxy hoá sulfur cũng gặp phải khó khăn như trên. Cả hai nhóm vi khuNn hoá dưỡng vô cơ đã khắc phục trở ngại này bằng cách sử dụng PMF để đảo ngược dòng electron trong chuỗi vận chuyển electron và khử N AD+ với các electron từ các chất cho nitơ và sulfur (hình 17.24). Vì năng lượng được dùng để tạo thành N ADH và ATP nên sản lượng thực của ATP là rất thấp. Vi khuNn hoá dưỡng vô cơ chịu được sự kém hiệu quả này vì chúng không có các đối thủ cạnh tranh về các nguồn năng lượng đặctrưng.

(a) Sulfit có thể bị oxy hóa trực ti ế p để cung cấp electron cho vận chuyển electron và phosphoryl hóa oxy hóa. (b) Sulfit cũng có thể bị oxy hóa và chuyển thành APS. Con đường này sản ra các electron dùng cho việc vận chuyển electron và sản ra ATP nhờ phosphoryl hóa ở mức độ cơ chất với APS. (c) Cấu trúc của adenozin - 5’ - phosphorussulfate. (Theo: Prescott và cs, 2005)

Vi khuẩn oxy hoá sulfur là nhóm quan trọng thứ ba trong số các vi khuẩn hoá dưỡng vô cơ. Trao đổi chất của Thiobacillus đã được nghiên cứu chi tiết nhất. Vi khuẩn này oxy hoá sulfur (So), sulfua hydro (H2S), tiosulfate ( 2 2 3 S O － ) và các hợp chất sulfur khử

khác thành acid sulfuric, do đó chúng có ý nghĩa sinh thái rõ rệt. Đáng chú ý Thiobacillus tổng hợp ATP nhờ phosphoryl hoá oxy hoá cũng như phosphoryl hoá ở mức độ cơ chất

bao gồm adenozin-5-phosphorussulfate (APS) là phân tử cao năng tạo thành từ sulfit và adenozin monophosphate (Hình 17.25). Một số vi khuNn oxy hoá sulfur rất linh hoạt trong trao đổi chất. O2 chúng tiến hành hô hấp kỵ khí và oxy hoá chất hữu cơ với sulfur là chất nhận electron. Cũng như các vi khuNn hoá dưỡng vô cơ khác vi khuNn oxy hoá sulfur có thể sử dụng CO2 làm nguồn carbon. N ếu được cung cấp các nguồn carbon hữu cơ khử (glucose hay acid amin) nhiều loài sẽ sinh trưởng dị dưỡng.