Quá trình lên men

Theo tiếng địa phương, lên men là sự sản sinh ra rượu từ đường, song trong vi sinh vật học, lên men có nghĩa rộng hơn. Lên men là sự oxi hóa từng phần đường (hay các chất trao đổi khác) để giải phóng ra năng lượng bằng cách sử dụng một phân từ hữu cơ làm chất nhận điện tử cuối cùng thay vì một chuỗi vận chuyển điện tử. Nói cách khác, con đường trao đổi chất lên men là những phản ứng trao đổi chất oxi hoá NADH thành NAD* bằng cách song song khử các phân tử hữu cơ là những chất nhận điện tử cuối cùng. Ngược lại, như đã thấy trước dây, hô hấp hiếu khí khừ oxi còn hô hấp kị khí khử các chất vô cơ khác như sunfat và nitrat hoặc (hiếm hơn) một phân tử hữu cơ.

       Chức năng thiết yếu của lên men là tái sinh NAD* dùng cho đường phân, do vậy các phân tử ADP có thể được photphoryl hóa thành ATP. Mặc dù các con đường trao đổi chất lên men đứng về mặt năng lượng không hiệu quả bằng hô hấp vì rằng đa số năng lượng tiềm tàng dự trữ toong glucoza vẫn nằm lại trong các liên kết của các sản phẩm lên men song lợi ích chủ yếu của lên men nằm ở chỗ nó cho phép sự sản sinh ATP được tiếp tục khi vắng mặt hô hấp tế bào. Các vi sinh vật có con đường trao đổi chất lên men có thể định cư à những môi trường kị khí, nơi không thuận lợi đối với các sinh vật hiếu khí nghiêm ngặt.

       Vi sinh vật sản sinh một loạt sản phẩm lên men tuỳ thuộc các enzim và các cơ chất được cung cấp cho mỗi loài. Mặc dù các sản phẩm lên men là các sản phẩm thải đối với tế bào tổng hợp nên chúng, song nhiều sản phẩm lại có ích cho con người, đó là etanol (rượu uống), axit axetic (giấm), và axit lactic (được sử dụng trong sản xuất phomat, dưa muối và dưa chuột muối).

      Các sản phẩm lên men khác có hại cho sức khoẻ con người và công nghiệp. Chẳng hạn, các sản phẩm lên men của Clostridium perfringens tham gia vào việc làm hoại tử (chết) các mô cơ có liên quan tới bệnh hoại thư sinh hơi. Tương tự, như bạn có thê nhớ lại từ chương 1, Pasteur đã phát hiện ra rằng vi khuẩn nhiễm bẩn dịch nho đã lên men đường thành các sản phẩm không mong muốn như axit axetic và axit lactic, các axit này đã làm hỏng rượu vang.

Quá trình quang hợp ở thực vật

       Nhiều sinh vật chỉ sử dụng các phân tử hữu cơ làm nguồn năng lượng và chất trao đổi, song chúng nhận được các phân tử hữu cơ này từ đâu? Cuối cùng thì mọi chuỗi dinh dưỡng đều được bắt đầu bằng các con đường trao đổi chất đồng hoá trong các cơ thể tổng hợp các phân tử hữu cơ cho riêng mình từ CO2vô cơ. Hầu hết các cơ thể này đều bắt giữnăng lượng ánh sáng từ mặt trởi và sở dụng nó để hoạt hoá sự tổng hợp các hiđrat cacbon từ CO, và H2O nhở một quá trình dược gọi là quang hợp. Các vi khuẩn lam, các vi khuẩn lưu huỳnh màu tía, các vi khuẩn lưu huỳnh màu lục, các vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía, một số nguyên sinh động vật, tảo và cây xanh là những sinh vật quang hợp.

       Các chất hoá học và các cấu trúc và cấu trúc

      Sinh vật quang hợp bắt giữ năng lượng ánh sáng nhờ các phân tử sắc tố mà quan trọng nhất trong số đó là clorophyl. Các phân tử clorophyl được cấu tạo từ đuôi hiđratcacbon gắn với một vị trí hoạt động hấp thụ ánh sáng nằm xung quanh một ion magie (Mg²*). về mặt cấu trúc, các vị trí hoạt động giống với phân tử xitocrom gặp trong các chuỗi vận chuyển điện tử, với ngoại lệ là clorophyl chứa Mg²* thay cho Fe²⁺. Clorophyl thường được kí hiệu bằng các kí tư – ví dụ clorophyl a, clorophyl b và bacterioclorophyl a- khác nhau một chút về độ dài và cấu trúc của đuôi hiđrat cacbon và trong các nguyên tử kéo dài ra từ các trung tâm hoạt động. Cây xanh, tảo, nguyên sinh động vật quang hợp về cơ bản sử dụng clorophyl a trong khi các vi khuẩn màu lục về màu tía sử dụng các bacterioclorophyl.

       Sự khác biệt nhờ về mặt cấu trúc giữa các clorophyl làm cho chúng hấp thụ được ánh sáng ở các độ dài sóng khác nhau. Chăng hạn clorophyl từ tảo hấp thụ ánh sáng tốt nhấtở độ dài sóng khoảng 425 nm và 660 nm (tia tím và đỏ) trong khi bacterioclorophyl a từ vi khuẩn tía hấp thụ ánh sáng tốt nhất ở các độ dài sóng khoảng 350 nm và 880 nm (tia tử ngoại và tia hồng ngoại). Vì rằng chúng sử dụng ánh sáng tốt nhất ơ các độ dài sóng khác nhau, cho nên tảo và vi khuẩn tía chiếm lĩnh được những sinh thái khác nhau.

        Tế bào sắp xếp các phân tử clorophyl và các sắc tố khác trong một phần nền protein để tạo nên các vùng bắt giữ ánh sáng được gọi là các quang hệ nằm xen trong các màng tế bào được gọi là các tilacoit. Tilacoit ở các sinh vật nhân sơ quang hợp là những phần lõm vào của màng tế bào chất. Các tilacoit của các sinh vật nhân chuẩn hình như được tạo thành từ các nếp gấp của màng trong lục lạp, mặc dù màng tilacoit và màng trong khổng được thống với nhau ở các lục lạp trưởng thành. Các tilacoit của lục lạp được sắp xếp thành chồng được gọi là hạt. Màng ngoài lục lạp bao quanh hạt và vùng không gian giữa màng ngoài và màng tilacoit được gọi là chết nền.