Sự đồng hóa phosphorus Sự đồng hóa phosphorus Bởi: Nguyễn Lân Dũng nguyendinhquyen SỰ ĐỒNG HÓA PHOSPHORUS, LƯU HUỲNH (SULFUR) VÀ NITƠ (NITROGEN) VÔ CƠ Ngoài carbon oxy vi sinh vật cần lượng phosphorus, sulfur nitrogen cho sinh tổng hợp Mỗi nguyên tố nói đồng hoá cố định thành phân tử hữu qua đường khác Sự đồng hoá phosphorus Phosphorus gặp acid nucleic, protein, phospholipid, ATP coenzyme N ADP N guồn phosphorus phổ biến este phosphate vô phosphate hữu Phosphate vô cố định qua việc tạo thành ATP thông qua ba đường: 1) quang phosphoryl hoá; 2) phosphoryl hoá oxy hoá 3) phosphoryl hoá mức độ chất Đường phân cung cấp ví dụ đường thứ ba Phosphate gắn với glyceraldehyde-3-phosphate tạo thành 1,3-bisphosphorusglycerat, sau chất dùng để tổng hợp ATP Glyceraldehyde-3-phosphate + Pi + N AD+ → 1,3-bisphosphorusglycerat + N ADH + H+ 1,3-bisphosphorusglycerat + ADP → 3-phosphorusglycerat + ATP Vi sinh vật thu nhận phosphate hữu từ môi trường bao quanh dạng hoà tan hay dạng hạt Các este phosphate hữu thường bị thuỷ phân phosphatease tách phosphate vô Vi khuNn gram âm chứa phosphatease khoang chu chất nằm thành tế bào màng sinh chất;vì sau giải phóng phosphate hấp thu trực tiếp qua màng Động vật nguyên sinh, trái lại, sử dụng trực tiếp phosphate hữu sau ăn thuỷ phân chúng lyzosom tiêu thụ phosphate 1/10 Sự đồng hóa phosphorus Sự đồng hoá sulfur Sulfur cần cho việc tổng hợp amino acid (cystein methionine) số coenzyme (coenzyme A, tiamine-pyrophosphate biotin) thu từ hai nguồn N hiều vi sinh vật sử dụng cystein methionine dẫn xuất từ nguồn bên từ dự trữ amino acid nội bào N goài ra, sulfate cung cấp sulfur cho sinh tổng hợp N guyên tử sulfur sulfate oxy hoá nguyên tử sulfur cystein phân tử hữu khác, sulfate phải bị khử trước đồng hoá Quá trình gọi khử sulfate đồng hoá để phân biệt với khử sulfate dị hoá diễn sulfate tác dụng chất nhận electron hô hấp kỵ khí.Sự khử sulfate đồng hoá đòi hỏi phải hoạt hoá sulfate qua việc tạo thành phosphoadenosine-5’-phosphosulfate (Hình 18.8) khử sulfate Đây trình phức tạp (Hình 18.9) sulfate trước hết bị khử thành sulfit ( SO ? ) sau thành H2S Cystein tổng hợp từ sulfua hydro qua hai đường Phosphorusadenosin 5’-phosphorussulfate (PAPS) Theo: Prescott cs, 2005) 2/10 Sự đồng hóa phosphorus Con đường khử sulfate (Theo: Prescott cs, 2005) N ấm kết hợp H2S với serine tạo thành cystein nhiều vi khuNn lại gắn H2S với O-Acetylserine (quá trình 2, lần lượt) (1) H2S + Serine →Cystein + H2O (2) Serine O-Acetylserine Cystein Một tạo thành cystein dùng để tổng hợp hợp chất hữu khác có chứa sulfur Sự đồng hoá nitrogen Do thành phần chủ yếu protein, acid nucleic, coenzyme nhiều thành phần khác nên lực đồng hoá nitrogen tế bào quan trọng Mặc dù khí giàu khí nitrogen số vi khuNn khử khí sử dụng làm nguồn nitrogen Còn hầu hết vi sinh vật có khả đồng hoá ammonia nitrate Sự đồng hoá ammonia N itrogen ammonia chuyển hoá thành chất hữu tương đối dễ dàng trực tiếp nitrogen gặp trạng thái khử dạng khác nitrogen vô Một số vi sinh vật tổng hợp amino acid alanine phản ứng amine hoá khử xúc tác alanine-dehydrogenase: 3/10 Sự đồng hóa phosphorus Pyruvate + N H + N ADH (N ADPH) + H+ alanine + N AD+(N ADP+) + H2O Con đường đồng hóa ammonia Sự đồng hóa ammonia nhờ glutamate.dehydrogenase (GDH) transaminease Các GDH phụ thuộc NADP NAD tham gia vào Con đường hoạt động mạnh nồng độ ammonia cao ( Theo Prescott cs, 2005) Con đường chủ yếu đồng hoá ammonia tạo thành glutamate từ α- ketoglutarate (một chất trung gian chu trình TCA) N hiều vi khuNn nấm sử dụng glutamatedehydrogenase nồng độ ammonia cao: α -ketoglutarate + N H + N ADPH (N ADH) + H+ Glutamate + N ADP+ (N AD+) + H2O Việc sử dụng N ADPH N ADH (tác nhân khử) tổng hợp glutamate thay đổi tuỳ theo loài Một alanine glutamate tổng hợp nhóm α-amine tạo thành chuyển sang khung carbon khác thông qua phản ứng chuyển amine, từ xuất amino acid khác Các transaminease chứa coenzyme pyridoxal phosphate có chức chuyển nhóm amine Vi sinh vật có số transaminease, enzyme xúc tác việc tạo thành số amino acid cách sử dụng amino acid làm chất cho nhóm amine Khi glutamate-dehydrogenase hoạt động phối hợp với transaminease ammonia chuyển thành nhiều amino acid (hình 18.10) 4/10 Sự đồng hóa phosphorus Glutamine synthetase glutamate synthase Các phản ứng enzyme xúc tác tham gia vào việc đồng hóa ammonia Một số glutamate synthetase sử dụng NADPH nguồn electron, số khác lại sử dụng ferredoxin khử (Fd) (Nguồn Prescott cs, 2005) Con đường thứ hai dùng đồng hoá ammonia bao gồm enzyme tác dụng theo thứ tự, glutamine synthetase glutamate-synthase (hình 18.11) Ammonia dùng để tổng hợp glutamine từ glutamate, sau nitrogen amit glutamine chuyển đến α-ketoglutarate để tạo thành phân tử glutamate Vì glutamate tác dụng chất cho amine phản ứng transaminease 5/10 Sự đồng hóa phosphorus nên ammonia dùng để tổng hợp tất amino acid thông thường có mặt transaminease thích hợp (hình 18.12) Cả ATP nguồn electron N ADPH hay ferredoxin khử cần Con đường gặp E coli, B megaterium nhiều vi khuNn khác Hai enzyme tác dụng theo thứ tự hoạt động hiệu nồng độ ammonia thấp khác với đường glutamate dehydrogenase N hư nói glutamine synthetase điều hoà chặt chẽ nhờ cải biến cộng hoá trị thuận nghịch effector dị lập thể Cố định ammonia nhờ glutamine synthetase glutamate synthase Con đường hoạt động có hiệu nồng độ ammonia thấp (Theo: Prescott cs, 2005) Sự khử nitrate đồng hoá N itrogen nitrate ( N O? ) trạng thái oxy hoá nhiều so với nitrogen ammonia N itrate trước hết phải bị khử thành ammonia trước nitrogen chuyển hoá thành dạng hữu Sự khử nitrate gọi khử nitrate đồng hoá Quá trình khác với trình diễn hô hấp kỵ khí khử nitrate dị hoá Trong khử nitrate đồng hoá nitrate chuyển thành chất hữu không tham gia vào việc sản sinh lượng Khử nitrate đồng hoá gặp phổ biến vi khuNn, nấm tảo Quá trình nói diễn tế bào chất vi khuNn Bước thứ đồng hoá nitrate khử nitrate thành nitrite xúc tác nitrate reductase enzyme chứa FAD molipden (Hình 18.13), N ADPH nguồn electron: N O? + N ADPH +H+ → N O? + N ADP+ + H2O Sau đó, nitrite bị khử thành ammonia thông qua số lần bổ sung electron xúc tác nitrite reductase enzyme khác Hydroxylamine 6/10 Sự đồng hóa phosphorus chất trung gian Tiếp theo ammonia chuyển hoá thành amino acid nhờ đường mô tả Khử nitrate đồng hóa Con đường gặp vi khuẩn khử đồng hóa nitrogen nitrate Theo: Prescott cs, 2005) Sự cố định Nitrogen (Nitrogen fixation) Sự khử khí nitrogen khí gọi cố định nitrogen Vì nồng độ ammonia nitrate thường thấp, số vi khuNn có khả (các tế bào nhân thật hoàn toàn thực cố định N 2) nên tốc độ trình nhiều hoàn cảnh, hạn chế sinh trưởng thực vật Cố định nitrogen gặp ở: 1) vi khuNn sống tự (ví dụ: Azotobacter, Klebsiella, Clostridium Methanococcus); 2) vi khuNn cộng sinh với thực vật họ Đậu (Rhizobium), phi lao (xạ khuNn Frankia) bèo dâu (vi khuNn lam Anabaena azollae) 3) vi khuNn lam (Nostoc Anabaena) Sự khử nitrogen thành ammonia xúc tác enzyme nitrogenase Mặc dù chất trung gian gắn vào enzyme ta chưa rõ có lẽ nitrogen bị khử qua số lần bổ sung electron Hình 18.14 mô tả Sự khử nitrogen phân tử thành ammonia phát nhiệt mạnh phản ứng có lượng hoạt hoá cao nitrogen phân tử khí trơ với liên kết ba hai nguyên tử nitrogen Vì vậy, khử nitrogen tốn tiêu thụ nhiều ATP Ít electron 16ATP, 4ATP cần cho cặp electron 7/10 Sự đồng hóa phosphorus N + 8H+ + 8e + 16ATP → 2N H3 + H2 + 16ADP + 16Pi Khử nitrogen Giả thuy ế t khử nitrogen nhờ nitrogenase (Theo: Prescott cs, 2005) Các electron bắt nguồn từ ferredoxin bị khử số đường, chẳng hạn qua quang hợp vi khuNn lam, qua trình hô hấp vi khuNn cố định nitrogen hiếu khí qua lên men vi khuNn kỵ khí Ví dụ, Clostridiumpasteurianum (một vi khuNn kỵ khí) khử ferredoxin trình oxy hoá Pyruvate, Azotobacter (một vi khuNn hiếu khí) lại sử dụng electron từ N ADPH để khử ferredoxin N itrogenase phức hệ gồm protein chủ yếu: protein MoFe (hay nitrogenase, MW 220.000) liên kết với 1-2 protein Fe (haynitrogenase reductase, MW 64.000) Protein MoFe chứa nguyên tử molipden 28-32 nguyên tử sắt; protein Fe chứa nguyên tử sắt hình 18.15) Fe Mo protein MoFe chứa bên cofactor gọi FeMo-co khử N diễn cofactor Trước hết protein Fe bị khử ferredoxin sau liên kết ATP (hình18.16) Sự liên kết ATP làm thay đổi hình thể protein Fe hạ thấp khử protein (từ 100mV đến ∼ 400 mV) tạo điều kiện cho protein Fe khử protein MoFe ATP bị thuỷ phân diễn chuyền electron Cuối cùng, protein MoFe chuyền electron tới nitrogen nguyên tử Một số vi khuNn chứa enzyme hidrogenase oxi hóa H2 thành H2O liên kết phản ứng với việc tạo thành ATP hay với việc khử ferredoxin (Fd) flavodoxin (Fld) chất lại chuyển electron cho protein Fe N itrogenase mẫn cảm với O2 phải bảo vệ cho khỏi bị bất hoạt O2 bên tế bào Ở nhiều vi khuẩn lam bảo vệ thực nhờ cấu trúc đặc biệt gọi dị bào nang 8/10 Sự đồng hóa phosphorus (heterocyst), có vách dày, chứa hệ quang I (dùng tổng hợp ATP không tạo thành O2) N itrogenase cố định N bên dị bào nang nhận saccarose từ tế bào lân cận sau truyền nitrogen cố định cho tế bào Ở vi khuNn hiếu khí, cố định N Azotobacter nitrogenase bảo vệ nhờ: (1) Lớp vỏ nhày bao quanh tế bào cản trở khuếch tán O2 vào tế bào; (2) Vận tốc hô hấp cao nhờ O2 bị loại bỏ nhanh; (3) N itrogenase kết hợp với protein đặc biệt nhờ không bị bất hoạt O2 N ốt rễ đậu thuộc họ Leguminosae tạo thành protein màu đỏ gọi leghemoglobin có khả liên kết O2 tự đủ cho trình hô hấp tạo thành ATP không kìm hãm hoạt tính nitrogenase vi khuNn Rhizobium Cơ ch ế tác dụng nitrogenase Quá trình di chuyển electron từ ferredoxin tới nitrogen lặp lại lần để khử N thành phân tử ammonia Cân phía bao gồm việc khử proton thành H (Theo: Prescott cs, 2005) Đáng ý, có cộng sinh di truyền hai thể: tổng hợp phần protein vi khuNn tổng hợp nhóm hem Tổng hợp nitrogenase bị kìm hãm O2 hợp chất nitrogen vô hữu Khi thiếu nguồn luợng ADP tích lũy lại ức chế hoạt tính enzyme Điều làm tăng giá 9/10 Sự đồng hóa phosphorus khử N Theo tính toán để cố định mg N Clostridium pasteurianum phải tiêu thụ 1g C hữu glucose vi khuNn hiếu khí Azotobacter chroococcum chí cần tới 30g Trong điều kiện đất thiếu Mo số vi khuNn tổng hợp loại nitrogenase khác: chứa Va (vanadi) Fe hay chứa Fe Các cofactor tương tự FeMo-co gặp nitrogenase nói nghĩa FeVa-co (trong nitrogenase vanadi) nhóm Fe-S (tương tự FeMo-co FeVa-co) thiếu Mo Va (trong nitrogenase sắt) Sự khử nitrogen thành N H3 diễn qua ba bước, bước cần electron (hình 18.14 18.16) N hư electron chuyển cần tổng cộng 12ATP phân tử nitrogen bị khử Tuy nhiên thực tế trình thường tiêu thụ electron 16ATP nitrogenase khử proton thành H2 Hydro phản ứng với diamine (HN = N H) tạo thành nitrogen hydro Chu trình vô ích sản phần N điều kiện thuận lợi khiến cho việc cố định nitrogen trở nên tốn Các vi khuNn cố định nitrogen cộng sinh tiêu thụ tới 20% ATP chủ sản N itrogenase khử số phân tử chứa liên kết ba (như Acetylen, xianit azit) HC → CH + 2H+ + 2e → H2C = CH2 Tốc độ khử Acetylen thành etilen dùng để đánh giá hoạt tính nitrogenase Một nitrogen phân tử bị khử thành ammonia, ammonia chuyển thành chất hữu Ở Rhizobium (vi khuNn cố định nitrogen cộng sinh), có lẽ ammonia khuếch tán khỏi tế bào vi khuNn đồng hoá tế bào đậu bao quanh Việc đồng hoá ammonia có lẽ chủ yếu tổng hợp glutamine hệ thống glutamine synthetase - glutamate synthase (Hình 18.11) Tuy nhiên, allantoin acid allantoic (các dẫn xuất Purine) tổng hợp ùng cho việc vận chuyển nitrogen tới phân tử khác 10/10 ... tác alanine-dehydrogenase: 3/10 Sự đồng hóa phosphorus Pyruvate + N H + N ADH (N ADPH) + H+ alanine + N AD+(N ADP+) + H2O Con đường đồng hóa ammonia Sự đồng hóa ammonia nhờ glutamate.dehydrogenase... Hydroxylamine 6/10 Sự đồng hóa phosphorus chất trung gian Tiếp theo ammonia chuyển hoá thành amino acid nhờ đường mô tả Khử nitrate đồng hóa Con đường gặp vi khuẩn khử đồng hóa nitrogen nitrate.. .Sự đồng hóa phosphorus Sự đồng hoá sulfur Sulfur cần cho việc tổng hợp amino acid (cystein methionine) số coenzyme