CHUYÊN đề CHUYỂN hóa vật CHẤT và NĂNG LƯỢNG TRONG DINH DƯỠNG CACBON của VI SINH vật

Sự chênh lệch nồng độ ion được tạo ra do quá trình vận chuyển e- và H+ qua màng thực chất là một chuỗi các phản ứng oxi hóa-khử làm cho sự tích luỹ e- và H+ ở 2 phía của màng trong ty th

1

LỜI MỞ ĐẦU

Chuyên đề có thể sử dụng tham khảo để giảng dạy trên lớp, dạy nền cho đội tuyển học sinh giỏi 10 phục vụ một số kỳ thi như: Olimpic Hùng Vương, kỳ thi các trường chuyên duyên hải đồng bằng Bắc bộ…

Chuyên đề chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến bổ sung của các bạn đồng nghiệp để chuyên đề thêm hữu ích

2

CHUYÊN ĐỀ

CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG DINH

DƯỠNG CACBON CỦA VI SINH VẬT

A KIẾN THỨC CHUNG

1 Các kiểu dinh dưỡng

Cacbon là nguyên tố cấu tạo nên bộ khung của các chất hữu cơ Để tổng hợp chất hữu cơ, vi sinh vật cần hai thành phần chính là nguồn năng lượng và nguồn cacbon, nguồn gốc hai thành phần này mà vi sinh vật sử dụng là cơ sở phân loại kiểu dinh dưỡng của vi sinh vật Có 4 kiểu dinh dưỡng cacbon ở vi sinh vật là: quang tự dưỡng, quang dị dưỡng, hóa tự dưỡng và hóa dị dưỡng (HS dựa vào sơ đồ để phân biệt các kiểu dinh dưỡng)

Sơ đồ 1: khái quát về hoạt động chuyển hóa vật chất

và năng lượng của vi sinh vật

Ngoài dinh dưỡng cacbon, vi sinh vật còn cần các nguyên liệu khác để xây dựng cấu trúc tế bào và cung cấp cho các hoạt động sống như nitơ và các nguyên tố

3

khoáng Chuyên đề này tôi chỉ đề cập đến nội dung chuyển hóa vật chất và năng lượng trong dinh dưỡng cacbon của vi sinh vật

2 Tìm hiểu chung về liên kết giàu năng lượng và ATP

Trong tế bào các chất hữu cơ đều chứa năng lượng, khi phân huỷ năng lượng đó

sẽ được giải phóng Năng lượng của các phân tử được cố định trên các liên kết Các liên kết thường có năng lượng khoảng 0,3 - 3,0 Kcalo/M Ngoài các liên kết bình thường, một số phân tử còn chứa các liên kết có năng lượng lớn hơn, đó là liên kết cao năng Những liên kết có năng lượng dự trữ ≥ 6 Kcalo/M thuộc dạng liên kết cao năng, được ký hiệu bằng dấu ∼ Có 3 dạng liên kết cao năng phổ biến:

- Liên kết O ∼ P: đây là dạng liên kết cao năng phổ biến và có vai trò quan trọng

nhất trong tế bào Liên kết cao năng dạng này có trong các phân tử đường - photphat (A 1,3 PG, APEP ), cacbanyl - P, đặc biệt là trong các nucleotid di, tri - photphat

(ADP, ATP, GDP, GTP ) Trong đó quan trọng nhất là ATP

- Liên kết C ∼ S: là dạng liên kết cao năng có trong các acyl - CoA(acetyl - CoA,

sucxinyl - CoA )

- Liên kết N ∼ P: là liên kết cao năng có trong phân tử creatin - photphat

Trong các phân tử chứa liên kết cao năng, ATP là phân tử có vai trò rất quan trọng trong tế bào, nó được xem là pin năng lượng của tế bào Phân tử ATP chứa 2 liên kết cao năng Trong điều kiện chuẩn, năng lượng của liên kết cao năng ngoài cùng là 7,3Kcalo/M, còn liên kết cao năng thứ 2 là 9,6Kcalo/M Năng lượng này thay đổi tuỳ điều kiện pH, nhiệt độ, nồng độ ATP, áp suất Biến động của năng lượng trong liên kết cao năng của ATP ở khoảng 8 - 12Kcalo/M

ATP vừa có năng lượng lớn đủ thoả mãn cho mọi quá trình xảy ra trong tế bào vừa rất linh động nên năng lượng dễ được giải phóng cho cơ thể hoạt động vì vậy nó

là năng lượng được sử dụng phổ biến nhất (được coi là “đồng tiền” năng lượng của tế bào)

4

Công thức cấu tạo của ATP

3 Photphoryl hoá

Photphoryl hoá là quá trình tổng hợp ATP theo phương trình:

ADP + H3PO4 → ATP + H2O

ADP là Adenozin diphotphat (có 2 nhóm photphat)

ATP là Adenozin triphotphat (có 3 nhóm photphat)

Để phản ứng này xảy ra cần có năng lượng và enzime ATP-aza xúc tác Năng lượng cần thiết cho phản ứng đúng bằng năng lượng chứa đựng trong liên kết cao năng của nhóm photphat ngoài cùng (≈ 7,3 Kcalo/M) Tùy nguồn năng lượng cung cấp mà có

2 dạng photphoryl hoá: photphoryl hoá mức cơ chất và photphoryl hoá mức coenzime (photphoryl hóa oxi hóa)

* Photphoryl hoá mức cơ chất

Photphoryl hoá mức cơ chất là quá trình tổng hợp ATP nhờ năng lượng thải ra của phản ứng oxy hoá trực tiếp cơ chất

Ví dụ: có 2 phản ứng tạo ATP từ cơ chất trong quá trình oxi hoá phân tử glucose ở giai đoạn đường đường phân và chu trình Crebs Quá trình photphoryl hoá mức cơ chất tích luỹ không quá 10% toàn bộ ATP được tạo ra trong hô hấp nên ý nghĩa không lớn lắm 90% năng lượng ATP còn lại được tích luỹ qua quá trình photphoryl hoá mức coenzime hay qua chuỗi hô hấp

* Photphoryl hoá mức coenzime (photphoryl hóa oxi hóa)

Thuyết do Mitchell đưa ra năm 1962 gọi là thuyết hoá thẩm, đã giải thích cơ chế photphoryl hoá một cách hợp lý và được quan tâm nhiều hơn cả Thuyết hoá thẩm nêu lên mối quan hệ giữa dòng điện tử trong chuỗi truyền e- hô hấp với sự

5

photphoryl hoá ở màng trong của ty thể Sự chênh lệch nồng độ ion được tạo ra do quá trình vận chuyển e- và H+ qua màng (thực chất là một chuỗi các phản ứng oxi hóa-khử) làm cho sự tích luỹ e- và H+ ở 2 phía của màng trong ty thể chênh lệch nhau tạo nên thế năng điện hoá (năng lượng hóa thẩm) Thế năng điện hoá này được giải phóng nhờ dòng vận chuyển proton H+ qua ATP-aza sẽ cung cấp năng lượng cho phản ứng tổng hợp ATP Hầu hết năng lượng của glucozo được giải phóng dưới dạng ATP trong giai đoạn này Đây cũng là cơ sở giải thích hiệu quả của các con đường phân giải glucozo khác nhau ở vi sinh vật

B CÁC HOẠT ĐỘNG CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG CỦA

VI SINH VẬT TRONG DINH DƯỠNG CACBON

1 Quang dưỡng

Là hình thức hấp thụ và chuyển hóa năng lượng ánh sáng để tổng hợp chất hữu cơ

1.1 Giai đoạn hấp thụ và chuyển hóa năng lượng ánh sáng (pha sáng)

1.1.1 Bản chất của pha sáng

Là giai đoạn năng lượng ánh sáng tác động vào các phân tử sắc tố gây ra hiện tượng kích động electron (e

-) làm nó bật ra khỏi phân tử sắc tố để đi vào chuỗi truyền điện tử Đường đi khác nhau của e

trong chuỗi truyền điện tử sẽ quyết định sản phẩm của pha sáng, dựa vào sản phẩm của pha sáng ta có hai kiểu quang hợp là quang hợp tạo O2 (ở vi sinh vật hiếu khí) và quang hợp không tạo O2 (ở vi sinh vật kị khí)

1.1.2 Vị trí pha sáng

Ở vi sinh vật nhân sơ hệ sắc tố và chuỗi vận chuyển điện tử của pha sáng nằm trên màng sinh chất, đặc biệt vi khuẩn lam và một số vi khuẩn khác thường có màng sinh

chất gấp nếp ăn sâu vào tế bào chất tạo mezoxom gọi là các phiến tilacoit giúp tăng

diện tích hấp thụ và chuyển hóa năng lượng ánh sáng

Ở vi sinh vật nhân thực có bào quan chuyên hóa cho quang hợp là lục lạp, hệ sắc

tố và chuỗi vận chuyển điện tử nằm trên màng tilacoit trong lục lạp

6

Hình 1: cấu tạo của lục lạp (A) và tế bào nhân sơ (B)

* Giới thiệu hệ sắc tố:

Hình 2: Cấu trúc của Chlorophyll và vị trí khác nhau giữa các sắc tố

cholorophyll a, cholorophyll b và bacteriocholorophyll a

Theo hình 2, chỉ 1 nhóm trong cholorophyll a bị thay đổi để sản ra cholorophyll b, trái lại để chuyển cholorophyll a thành bacteriocholorophyll a phải cần 2 sự cải biến

7

trong hệ thống vòng Chuỗi bên (R) của bacteriocholorophyll a có thể là phytil (1 chuỗi gồm 20C cũng gặp trong các cholorophyll a và b) hay geranilgeranil (1 chuỗi bên gồm 20C tương tự phytil nhưng nhièu hơn 3 nối đôi) (Theo: Prescott và cs,

2005)

Các sinh vật quang hợp đều có các sắc tố dùng hấp phụ ánh sáng trong đó sắc tố quan trọng nhất là cholorophyll (chất diệp lục) Đây là các vòng phẳng, lớn gồm 4 nhân pirol thay thế bởi 1 nguyên tử magiê phối hợp với 4 nguyên tử nitơ ở trung tâm Một

số cholorophyll gặp ở sinh vật nhân thật mà quan trọng nhất là cholorophyll a và cholorophyll b Hai phân tử cholorophyll này hơi khác nhau về cấu trúc và các đặc tính quang phổ Khi hoà tan trong axeton cholorophyll a có đỉnh hấp thụ ánh sáng ở

665 nm; còn cholorophyll b có đỉnh hấp thụ ở 645nm Ngoài đặc tính hấp thu ánh sáng đỏ các cholorophyll cũng hấp thu mạnh ánh sáng xanh (đỉnh hấp thu thứ hai đối với cholorophyll a là ở 430nm) Vì các cholorophyll hấp thu chủ yếu trong vùng đỏ

và xanh do đó ánh sáng lục được truyền qua Hậu quả là các sinh vật quang hợp có màu lục Đuôi dài kị nước gắn vào vòng cholorophyll giúp cho sắc tố này gắn vào màng là vị trí của các phản ứng quang

Hình 3: Các sắc tố phụ tiêu biểu

8

Beta-caroten là 1 carotenoit gặp ở tảo và các thực vật cao cấp Sắc tố này chứa

1 chuỗi dài của các nối đôi và nối đơn luân phiên gọi là các nối đôi tiếp hợp

Fucoxantin là 1 sắc tố phụ của carotenoit gặp trong một số ngành tảo (dấu chấm trong cấu trúc biểu thị 1 nguyên tử C) Phycoxyanobilin là một ví dụ của tetrapirol đường thẳng liên kết với 1 protein để tạo thành phycobiliprotein (Theo: Prescott và cs,

2005)

Các sắc tố quang hợp khác cũng thu giữ quang năng mà phổ biến nhất là carotenoit Đây là các phân tử dài thường có màu vàng nhạt có một hệ thống liên kết

kép tiếp hợp β-caroten gặp ở Prochloron và hầu hết các nhóm tảo; flucoxantin có mặt ở khuê tảo (diatoms), tảo giáp (Dinoflagellates) và tảo nâu (Phaeophyta) Tảo đỏ

và vi khuẩn lam chứa các sắc tố quang hợp gọi là phycobiliprotein bao gồm một protein liên kết với một tetrapyrol Phycoerytrin là một sắc tố đỏ có đỉnh hấp thu cực đại ở 550nm và phycocyanin là sắc tố xanh (hấp thu cực đại ở 620-640nm)

Về vai trò trong quang hợp carotenoit và phycobiliprotein thường được coi là sắc tố phụ Mặc dù các cholorophyll không thể hấp thu quang năng một cách có hiệu quả trong vùng xanh - lục đến vàng (khoảng 470-630nm) nhưng các sắc tố phụ hấp thu ánh sáng trong vùng này và truyền năng lượng thu được đến cholorophyll Nhờ vậy chúng giúp cho quang hợp có hiệu quả hơn qua một vùng rộng hơn của chiều dài sáng Các sắc tố phụ cũng bảo vệ vi sinh vật khỏi ánh sáng mặt trời gay gắt có thể oxy hoá và gây hư hại cho bộ máy quang hợp trong trường hợp thiếu chúng

Các cholorophyll và sắc tố phụ được tập hợp thành từng dãy có tổ chức cao gọi

là quang hệ (ăngten) với chức năng tạo ra một diện tích bề mặt rộng dùng thu giữ các

photon càng nhiều càng tốt Mỗi quang hệ chứa khoảng 300 phân tử cholorophyll Quang năng thu giữ trong một quang hệ được chuyền từ cholorophyll này sang sang cholorophyll khác cho đến khi tới được một cholorophyll đặc biệt ở trung tâm phản ứng; cholorophyll này trực tiếp tham gia vào việc vận chuyển electron quang hợp

* Giới thiệu quang hệ PSI và PSII:

Quang hệ là một đơn vị chuyển hóa năng lượng ánh sáng bao gồm sắc tố và phức hệ protein màng, trong đó năng lượng của bước sóng mà phân tử sắc tố ở trung

9

tâm phản ứng hấp thụ được sẽ quyết định đường đi của điện tử (electron) và sản phẩm của con đường đó

Hình 4: Hệ sắc tố và chuỗi truyền điện tử trên màng tilacoit

Quang hệ PSI có phân tử sắc tố hấp thụ ánh sáng bước sóng khác nhau ở các nhóm vi sinh vật: vi sinh vật quang hợp tạo O2 là 700nm (nên còn gọi là P700), vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía là 870 nm, vi khuẩn lưu huỳnh màu lục là 840nm,

v.v

Quang hệ PSII (chỉ có ở vi sinh vật quang hợp tạo O2) có phân tử sắc tố hấp thụ ánh sáng bước sóng 680nm

1.1.3 Diễn biến của pha sáng

a Quang hợp tạo O 2

Quang hợp tạo O2 sử dụng đồng thời cả hai con đường không vòng và vòng:

+ Con đường không vòng:

Có sự tham gia của cả hai quang hệ PSI và PSII Khi có ánh sáng chiếu vào các sắc tố ở các quang hệ sẽ bật ra điện tử (e-), điện tử sẽ đi vào chuỗi vận chuyển theo thứ tự như sau:

10

Bước 1: Trung tâm phản ứng của PSI có mức năng lượngcơ bản cao hơn PSII nên

giải phóng electron trước, e- từ PSI sẽ qua chuỗi truyền điện tử đến cuối chuỗi truyền

là phức hệ feredoxin sẽ được NADP+ nhận để tổng hợp NADPH

Bước 2: PSII giải phóng e- vào chuỗi truyền để chuyển đến để bù (trả lại) e- đã mất của PSI Trên đường đi, e- qua Cyt b6 sẽ làm kênh này mở, kết quả tạo ra dòng vận chuyển H+ qua màng H+ tích lũy nhiều ở phía ngoài màng sinh chất của vi khuẩn hoặc trong xoang tilacoit của lục lạp gây áp lực nồng độ lên ATP-aza (máy tổng hợp ATP, cũng là protein xuyên màng), H+ chuyển qua ATP-aza sẽ kích thích tổng hợp ATP (photphoryl hóa oxi hóa - thuyết hóa thẩm của Michell)

Bước 3: Cuối cùng, năng lượng ánh sáng làm phân li phân tử nước (quang phân li nước) trong xoang tilacoit (hoặc tế bào chất của vi khuẩn) theo phương trình:

H2O → 1/2O2 + 2H+ + 2e-

Trong đó H+ được dùng để vận chuyển qua màng, 2e- được chuyển đến bù cho PSII,

O2 được khuếch tán ra môi trường

* Sản phẩm của con đường không vòng: ATP, NADPH, O 2 theo tỉ lệ 2:2:1 vì:

Cứ 2 photon ánh sáng tác động vào PSI sẽ giải phóng 2e- để tạo 1NADPH

2 photon ánh sáng tác động vào PSII sẽ giải phóng 2e- để bù cho PSI đồng thời tạo được 1ATP

1 photon ánh sáng sẽ làm phân li 1 H2O để bù 2e

cho PSII đồng thời tạo 1/2O2

Hình 5: truyền điện tử theo con đường không vòng

11

+ Con đường vòng:

Nếu chỉ sử dụng con đường không vòng sẽ không tạo đủ năng lượng cho việc tổng hợp chất hữu cơ nên con đường vòng cũng đồng thời xảy ra để cung cấp thêm năng lượng ATP

Hình 6: truyền điện tử theo con đường vòng trong quang hợp tạo O 2

Con đường này chỉ có sự tham gia của PSI Dưới tác động của photon ánh sáng, e- được bật ra từ trung tâm phản ứng của PSI sẽ được vận chuyển theo các protein của chuỗi truyền điện tử, đến feredoxin không truyền e- cho NADP+ mà e- tiếp tục chuyển qua Cytb6 và trở về trung tâm phản ứng PSI Khi e- qua Cytb6 làm kênh này mở để vận chuyển H+ qua màng gây ra sự chênh lệch nồng độ H+ giữa hai phía của màng là cơ

sở tạo ATP Như vậy con đường này chỉ tạo sản phẩm là ATP (cứ 2 photon ánh sáng tác động tạo được 1 ATP)

b Quang hợp không tạo O 2

Sử dụng con đường vòng, chỉ có PSI tham gia Cùng là quang hợp không tạo O2 nhưng đường đi của e- không hoàn toàn giống nhau giữa hai nhóm tự dưỡng và dị dưỡng

12

(A) (B)

Hình 7: truyền điện tử trong pha sáng của vi khuẩn không lưu huỳnh

màu lục hoặc tía (A), vi khuẩn lưu huỳnh màu lục hoặc tía (B)

+ Với vi khuẩn lưu huỳnh màu lục hoặc tía (tự dưỡng)

Điện tử (e

-) được bật ra từ phân tử sắc tố ở trung tâm phản ứng và đi vào chuỗi vận chuyển điện tử, trong đó một phần số e- được NADP+ nhận để tạo NADPH, một phần

số e- đi qua các phức hệ protein và tạo ra lực bơm H+ để tổng hợp ATP cuối cùng lại quay trở về trung tâm phản ứng

Như vậy số e

được NADP+ nhận sẽ không quay trả lại phân tử sắc tố nên sẽ phải nhờ vào sự phân li của H2S tạo e- bù lại cho phân tử sắc tố Vi khuẩn này phải sống ở nơi

có nguồn lưu huỳnh (S) dồi dào như suối lưu huỳnh (không phổ biến)

Sản phẩm: ATP, NADPH

+ Với vi khuẩn không lưu huỳnh màu lục hoặc tía (dị dưỡng)

Điện tử được bật ra từ phân tử sắc tố ở trung tâm phản ứng và đi vào chuỗi vận chuyển điện tử và giải phóng năng lượng bằng cách tạo ra lực bơm H+ từ đó tổng hợp ATP Cuối cùng e- quay trở lại phân tử sắc tố, không có sự nhường e-

Con đường này chỉ tạo ATP, không có lực khử NADPH để tổng hợp các chất hữu cơ theo nhu cầu nên vi khuẩn phải sử dụng nguồn C có sẵn trong chất hữu cơ lấy từ môi