Chương 8
Các quá trình lên men (Phần 3)
IV. Hiện tượng cộng dưỡng (syntrophy)
Trong vi sinh vật học có nhiều ví dụ về hiện tượng cộng dưỡng, một hiện
tượng mà hai sinh vật khác nhau có thể cùng nhau phân giải một chất nào đó
- và bảo toàn năng lượng của quá trình phân giải đến mức không cơ thể nào
trong hai cơ thể đó một mình có thể làm được.
Trong đa số trường hợp, bản chất của một phản ứng cộng dưỡng có liên
quan tới khí dihydro (H2) sinh ra bởi một trong hai đối tác và được tiêu thụ
bởi đối tác kia.
Do vậy, cho đến nay, cộng dưỡng cũng còn được gọi là sự chuyển H2
liên loài. Kẻ tiêu thụ H2 có thể là bất kỳ một cơ thể nào trong số các vi khuẩn
khử sunfat, lên men homoacetate, và vi khuẩn sinh methane. Hãy xem xét
trường hợp cộng dưỡng liên quan tới quá trình lên men ethanol thành acetate
và sự sản sinh methane sau đó. Như có thể thấy trên hình 2, bọn lên men
ethanol thực hiện một phản ứng không thuận lợi về mặt năng lượng tự do
(ΔGo' dương). Tuy nhiên, H2 được sinh ra bởi đối tác lên men rượu lại là một
chất cho điện tử đầy giá trị đối với quá trình hình thành methane do một vi
khuẩn sinh methane thực hiện. Và khi cộng hai phản ứng lại thì phản ứng
tổng thể sẽ là một phản ứng toả nhiệt và có thể trợ giúp sinh trưởng của cả
hai đối tác trong hỗn hợp cộng dưỡng.
Lên men ethanol
2CH3CH2OH +
2H2O
→
4H2 + 2CH3COO-
+2H+
+19,4 kJ /phản
ứng
Sinh methane
4H2+ CO2 →
CH4 + 2H2O - 130,7 kJ/phản
ứng
Phản ứng cộng dưỡng
2CH3CH2OH +
CO2
→
CH4 + 2CH3COO- - 111,3 kJ/phản
ứng
Một ví dụ khác của hiện tượng cộng dưỡng là sự oxi hóa butirat thành
acetate cộng với H2 bởi vi khuẩn cộng dưỡng oxi hóa acid béo
Syntrophomonas:
Butirat- + 2H2O → 2acetate- + H+ + 2H2 , ΔGo' = +48,2 kJ/phản ứng
Sự biến đổi năng lượng tự do của phản ứng này rất không thuận lợi và trong
ống giống thuần khiết, Syntrophomonas không thể mọc được trên butirat.
Song nếu H2 vừa sinh ra trong phản ứng được tiêu thụ ngay bởi một cơ thể
đối tác (như một vi khuẩn sinh methane) thì Syntrophomonas lại sinh trưởng
rất tốt trong ống giống cấy chung với bọn tiêu thụ H2.
V. Lên men rượu nhờ nấm men và vi khuẩn
Ethanol là một trong số các sản phẩm lên men phổ biến nhất gặp ở vi sinh
vật. Bản thân thực vật và nhiều loài nấm cũng tích lũy ethanol dưới các điều
kiện kị khí. Vi sinh vật sản sinh ethanol chủ yếu là nấm men, đặc biệt là các
chủng thuộc loài Saccharomyces cerevisiae. Giống như đa số nấm, nấm men
là những cơ thể hô hấp hiếu khí, nhưng khi vắng mặt không khí chúng sẽ lên
men hiđrat cacbon thành ethanol và CO2. Nhiều vi khuẩn kị khí và hiếu khí
cũng tạo thành ethanol như các sản phẩm chính hoặc sản phẩm phụ khi lên
men các hexose hoặc pentose.
1. Sự tạo thành ethanol nhờ nấm men
Sự lên men glucose thành ethanol và CO2 nhờ Saccharomyces cerevisiae
diễn ra theo con đường Embden-Meyerhof. Sự chuyển hóa piruvat thành
ethanol gồm hai bước. Trong bước một, piruvat được loại CO2 thành
acetaldehit nhờ piruvat-đecacboxilase với sự tham gia của
tiaminpirophosphate. Trong bước sau, acetaldehit bị khử thành ethanol nhờ
alcohol-đedihydrogenase chứa NADH.
2Et 2CO2 2NAD2NADH 2 Piruvat 2 Acetaldehyt Glucose
Bằng sự chuyền H này, dihydro tách ra do triosephosphate-
dehydrogenase xúc tác sẽ được tiêu thụ, nhờ vậy trạng thái oxi hóa-khử sẽ
được cân bằng.
2. Các dạng phương trình Neuberg
Các phương pháp và phát hiện của Carl Neuberg về lên men rượu không chỉ
có ý nghĩa lịch sử. Ông đã khám phá ra rằng, không chỉ glucose mà cả
piruvat cũng được nấm men lên men và acetaldehit xuất hiện như một sản
phẩm trung gian có thể bị bắt giữ bởi dihydrosulfit. Dihydrosulfit vốn không
độc đối với nấm men. Nếu bổ sung dihydrosulfit vào một môi trường chứa
glucose đang được nấm men lên men thì acetaldehit sẽ bị kết tủa do tạo
thành phức chất :
CH3-CHO + NaHSO3 → CH3- CHOH -SO3Na
Lúc đó glycerin sẽ xuất hiện như một sản phẩm lên men mới, đồng thời hiệu
suất ethanol và CO2 sẽ giảm xuống.
Lên men với sự có mặt của dihydrosulfit đã được sử dụng trong công nghiệp
để sản xuất glycerin. Nguyên lý của nó là, acetaldehit bị bắt giữ, và do vậy
không thể hoạt động như một chất nhận điện tử được nữa. Lúc này, thay cho
acetaldehit, dihydroxiacetonphosphate được sử dụng làm chất nhận điện tử
và bị khử thành glycerin-3-phosphate rồi tiếp tục bị loại phosphate để trở
thành glycerin. Phương trình phản ứng diễn ra như sau :
Glucose + Dihydrosulfit → Glycerin + Acetaldehit-sulfit + CO2
Phương trình lên men cải biến này được gọi là dạng lên men Neuberg 2.
Khi bổ sung các chất kiềm (NaHCO3, Na2HPO4) thì glycerin cũng được tạo
thành vì acetaldehit bị chuyển thành ethanol và acetate qua phản ứng hóa
hai, và do vậy không còn hoàn thành được chức năng của một chất nhận
điện tử. Phương trình lên men có tên là dạng lên men Neuberg 3 và được
viết như sau :
Glucose + 2H2O → Ethanol + Acetate + 2Glycerin + 2CO2
Dạng lên men thông thường được Neuberg gọi là dạng lên men 1.
3. Hiệu ứng Pasteur
Hiệu ứng Pasteur là sự ức chế lên men rượu (hay quá trình đường phân) bởi
oxi (tức là bởi hô hấp hiếu khí). Sự chuyển sang hô hấp không những làm
giảm sự tạo thành ethanol và CO2 mà còn làm giảm sự hấp thụ đường. Có
hai cơ chế chịu trách nhiệm đối với hiện tượng này.