Diapositiva 1 - Docenti.unina
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PER MANTENERSI, CRESCERE, MOLTIPLICARSI LE CELLULE NECESSITANO DI: MATERIA ENERGIA INFORMAZIONE METABOLISMO è l'insieme delle attività chimiche che vengono svolte da un organismo vivente per conservare il proprio livello di organizzazione. CATABOLISMO molecole complesse vengono degradate in componenti più semplici ANABOLISMO sintesi mediante utilizzo di energia di molecole complesse a partire da componenti più semplici Caratteristiche fondamentali delle cellule sono: - CAPACITA’ DI DIRIGERE LE REAZIONI CHIMICHE - DI ORGANIZZARE LE MOLECOLE IN STRUTTURE SPECIFICHE La cellula batterica deve costruire 4 classi di macromolecole biologiche COSTITUENTI PRINCIPALI DELLA CELLULA: POLISACCARIDI LIPIDI ACIDI NUCLEICI PROTEINE • Gli organismi viventi devono rispettare le leggi della termodinamica (una scienza che studia i cambiamenti di energia in una porzione di materia chiamata “sistema” e.s., una cellula) La seconda legge della termodinamica afferma che tutti i processi naturali tendono a passare da uno stato di ordine ad uno di disordine AUMENTO DELL’ENTROPIA in ogni sistema chiuso (confinato) la quantità di entropia (disordine) tende ad aumentare • Apparentemente la straordinaria complessità degli organismi viventi sembra contraddire questa legge • Perciò i sistemi viventi non sono all’equilibrio (termodinamico) Il “sistema cellula” è un sistema altamente organizzato Per raggiungere uno stato di ordine, con diminuzione dell’entropia, deve essere compiuto un LAVORO fornendo energia al sistema ENERGIA = capacità di compiere un lavoro di effettuare delle trasformazioni …compiere operazioni ordinate (movimento, differenziamento) MECCANICO energia richiesta per modificare la posizione delle cellule oppure di strutture all’interno delle cellule (motilità cellulare e movimento di strutture nella cellula) … mantenere l’organizzazione molecolare e sopramolecolare (omeostasi) DI TRASPORTO energia richiesta per introdurre nutrienti, eliminare prodotti di rifiuto e mantenimento dei bilanciamenti ionici …accrescersi e riprodursi CHIMICO energia richiesta per aumentare la complessità molecolare di una cellula (sintesi di macromolecole) Il “sistema cellula” per compiere un «lavoro» deve trasformare le forme di energia disponibili nell’ambiente (energia luminosa e sostanze chimiche) nelle due forme principali di energia metabolica: ENERGIA CHIMICA (ATP, GTP…) POTERE RIDUCENTE (NADH, NADPH, FADH) Ciò avviene mediante una serie di reazioni chimiche (REAZIONI DI OSSIDO RIDUZIONE) catalizzate dagli ENZIMI Considerando una reazione chimica: A+B C+D Questa procederà dalla condizione iniziale ad una finale in cui sarà raggiunto l’equilibrio tra le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti la quantità di reagenti che si trasforma in prodotti equivale alla quantità di prodotti che si trasforma in reagenti Equilibrio chimico il parametro termodinamico che misura l’energia chimica di un sistema in condizioni standard di concentrazione, pressione, temperatura e pH è l’Energia libera G • Per ogni composto si può calcolare l’ENERGIA LIBERA DI FORMAZIONE G0f (energia richiesta o rilasciata per formare una molecola a partire dagli elementi chimici che la compongono) • Partendo dall’energia di formazione dei reagenti e dei prodottidi una reazione chimica si può calcolare la: VARIAZIONE di ENERGIA LIBERA in condizioni standard DG0 (1M, 25°C, 1 atm) LE REAZIONI CHIMICHE SONO ACCOMPAGNATE DA VARIAZIONI DI ENERGIA REAZIONE ESOERGONICA i reagenti possiedono più energia dei prodotti; avvengono perciò, secondo i principi della termodinamica, spontaneamente e l'energia in eccesso viene liberata durante la reazione, in genere come calore. avviene con liberazione di energia REAZIONE ENDOERGONICA i prodotti possiedono più energia dei reagenti, per cui le reazioni avvengono solo se si fornisce energia dall'esterno. richiede energia Reazioni Esoergoniche Reazioni Endoergoniche A+B A+B C+D DGo´ è negativo (la reazione procede spontaneamente) C+D DGo´ è positivo (la reazione non procede spontaneamente) Il calcolo dell’energia liberata o richiesta in una reazione non ci dice nulla sulla VELOCITA’ della reazione Non è detto, tuttavia, che le reazioni spontanee possano procedere con una velocità apprezzabile CATALIZZATORE = ENZIMI Diminuisce l’energia di attivazione Aumenta la velocità della reazione Gli ENZIMI funzionano in maniera altamente specifica Gli enzimi partecipano alle reazioni senza essere consumati o trasformati Come fanno gli enzimi ad abbassare l’Ea ? • • aumentando le concentrazioni dei substrati al sito attivo dell’enzima orientando correttamente i substrati l’uno rispetto all’altro per formare il transition-state complex PERCORSO AMFIBOLICO Processi metabolici che contengono una componente anabolica ed una catabolica La maggior parte delle reazioni sono reversibili e possono essere utilizzate sia per sintetizzare che per degradare molecole A B La presenza di enzimi separati consente la regolazione indipendente della funzione catabolica e anabolica D F CATABOLISMO E1 Le poche reazioni irreversibili nei processi catabolici possono essere superate, nelle biosintesi da enzimi specifici che catalizzano la reazione inversa C ANABOLISMO E2 G J LE REAZIONI CHIMICHE NEGLI ORGANISMI VIVENTI SONO REAZIONI DI OSSIDO-RIDUZIONE (trasferimento di elettroni) OSSIDAZIONE = rimozione di uno o più elettroni da una sostanza RIDUZIONE = aggiunta di uno o più elettroni ad una sostanza L’ossidazione e la riduzione coinvolgono il trasferimento di elettroni sotto forma di atomi di idrogeno (1 elettrone e 1 protone): DEIDROGENAZIONE / IDROGENAZIONE AH2 + B BH2 + A Il componente AH2 DONATORE, trasferisce H2 (si OSSIDA) al componente B ACCETTORE (che si RIDUCE) PER OGNI OSSIDAZIONE OCCORRE CHE AVVENGA UNA CONSEGUENTE RIDUZIONE (COPPIA REDOX) DONATORE DI ELETTRONI - RIDUCENTE => SOSTANZA OSSIDATA ACCETTORE DI ELETTRONI - OSSIDANTE => SOSTANZA RIDOTTA Le sostanze variano nella propria tendenza ad ossidarsi o ridursi, tale tendenza viene detta: POTENZIALE DI RIDUZIONE E0 (misura quantitativa della tendenza di una sostanza a cedere elettroni nei sistemi biologici) PIU’ E’ NEGATIVO > TENDENZA A CEDERE e- E0 più negativo miglior donatore di elettroni E0 più positivo miglior accettore di elettroni La reazione di ossidazione avviene con RILASCIO di energia MAGGIORE E’ LA DIFFERENZA DI POTENZIALE DI RIDUZIONE TRA DONATORE ED ACCETTORE, MAGGIORE E’ L’ENERGIA RILASCIATA In alto i riducenti più forti, in basso gli ossidanti Quando gli e- vengono donati (dalla cima della torre) possono essere “catturati” dagli accettori dei vari livelli La torre degli elettroni MIGLIORI DONATORI DI ELETTRONI MAGGIORE E’ LA DIFFERENZA DI POTENZIALE DI RIDUZIONE TRA DONATORE ED ACCETTORE, MAGGIORE E’ L’ENERGIA RILASCIATA NEL CATABOLISMO IL DONATORE DI ELETTRONI VIENE ANCHE DETTO FONTE DI ENERGIA MIGLIORI ACCETTORI DI ELETTRONI Un composto chimico per essere una buona «fonte di energia» deve avere una notevole capacità di OSSIDARSI, ossia deve avere una elevata capacità di ridurre un altro composto: deve essere cioè un FORTE RIDUCENTE RIDUCENTI INORGANICI RIDUCENTI ORGANICI NH4+ NO3- C6H1206 2CH300H Fe2+ Fe3+ glucosio Acido piruvico CO CO2 S2- S SO22- SO42- Nella cellula, in una reazione di ossido-riduzione, il trasferimento di elettroni (e di protoni) da un donatore primario ad un accettore terminale, NON avviene in un unico passaggio ma mediante reazioni di ossido riduzioni intermedie che coinvolgono delle molecole dette TRASPORTATORI TRASPORTATORI CITOPLASMATICI = (Liberi, diffusibili COENZIMI) NUCLEOTIDI PIRIDINICI - NAD Nicotinamide Adenina Dinucleotide - NADP Nicotinamide Adenina Dinucleotide Fosfato - FAD Flavin Adenina Dinucleotide NADH deidrogenasi FLAVOPROTEINE contengono nucleotidi flavinici - FMN Flavin Mononucleotide I COENZIMI SONO TRASPORTATORI DI PROTONI DI MEMBRANA = PROTEINE FERRO-ZOLFO CHINONI CITOCROMI • • NAD – nicotinamide adenin dinucleotide NADP – nicotinamide adenin dinucleotide fosfato • FAD – flavin adenin dinucleotide • FMN – flavin mononucleotide PROTEINE FERRO-ZOLFO Proteine che contengono 2, 4 oppure 8 atomi di zolfo e ferro 2Fe-2S 4Fe-4S 8Fe-8S CITOCROMI Proteine associate a un gruppo eme (componente non proteica) che contiene ferro che può trovarsi nella forma ridotta (Fe++) o nella forma ossidata (Fe+++) e che può legare ossigeno - Citocromo a - Citocromo b - Citocromo c CHINONI: Coenzimi Q Trasportatori non proteici Molto lipofilico con catena laterale isoprenica di lunghezza variabile nei vari organismi SOSTANZE CHIMICHE FONTI DI ENERGIA CHEMIOTROFI composti chimici come fonte di energia SOSTANZE ORGANICHE FOTOTROFI Utilizzano la luce come fonte di energia SOSTANZE INORGANICHE CHEMIOLITOTROFI (ossidano composti inorganici) FONTI DI CARBONIO CHEMIORGANOTROFI (ossidano composti organici) FOTOAUTOTROFI C=CO2 CHEMIOLITOTROFI AUTOTROFI C=CO2 CHEMIORGANOTROFI ETEROTROFI C=Organico FOTOETEROTROFI C=Organico METABOLISMO CATABOLISMO molecole complesse vengono degradate in componenti più semplici RILASCIO DI ENERGIA CALORE ANABOLISMO sintesi mediante utilizzo di energia di molecole complesse a partire da componenti più semplici ATP La sintesi di ATP è una reazione ENDOERGONICA (richiede energia) pertanto viene accoppiata con altre reazioni che rilasciano energia (ESOERGONICHE) e che avvengono durante il catabolismo dei donatori di elettroni. L’energia rilasciata come risultato delle reazioni di ossido-riduzione deve essere conservata per le funzioni cellulari L’energia chimica liberata viene conservata sotto forma di LEGAMI CHIMICI AD ALTA ENERGIA LA CUI IDROLISI LIBERA UNA NOTEVOLE QUANTITA’ DI ENERGIA ATP (Adenosintrifosfato) coenzima A (acetil-CoA) GRUPPO FUNZIONALE -O-PO2-O-PO2-O- DUE LEGAMI FOSFOANIDRIDICI AD ALTA ENERGIA SINTESI DELL’ATP: aggiunta di un fosfato inorganico (Pi) all’ADP + Pi + ENERGIA ADP IDROLISI DELL’ATP +PPi + Pi ADP AMP SINTESI DELL’ATP: aggiunta di un fosfato inorganico (Pi) all’ADP FOSFORILAZIONE A LIVELLO DEL SUBSTRATO: trasferimento diretto di un gruppo fosfato ad alta energia da un substrato fosforilato all’ADP SINTESI DELL’ATP: aggiunta di un fosfato inorganico (Pi) all’ADP FOSFORILAZIONE A LIVELLO DI MEMBRANA: quando la reazione di aggiunta di un Pi è catalizzata da un enzima di membrana che si chiama ATP sintasi (o ATPasi) ALTRE MOLECOLE CON ALTO POTENZIALE DI TRASFERIMENTO DEL GRUPPO FOSFORICO L’energia viene immagazzinata in questo legame tioestere In aggiunta ai composti fosfati ad alta energia esistono altri composti che possono conservare energia prodotta dalle reazioni esoergoniche: DERIVATI DEL COENZIMA A acetil-CoA contiene un legame sulfo-anidridico (tioestere) invece che fosfo anidridico e nell’idrolisi sviluppa energia sufficiente per condurre la sintesi di un legame fosfato ad alta energia (ATP) chemiotrofia Fonte di energia (Donatore di elettroni) Accettore di elettroni chemiotrofia SOSTANZE CHIMICHE OSSIDAZIONE SOSTANZE ORGANICHE OSSIDAZIONE CHEMIOTROFI composti chimici come fonte di energia SOSTANZE INORGANICHE CHEMIORGANOTROFI (composti organici) CHEMIOLITOTROFI (composti inorganici) FONTE DI C = sostanze organiche CHEMIOETEROTROFI FONTE DI C = CO2 CHEMIOAUTOTROFI Alcuni sono eterotrofi facoltativi FERMENTAZIONE PROCESSI CHEMIOTROFICI suddivisi in: RESPIRAZIONE FERMENTAZIONE PROCESSI CHEMIOTROFICI suddivisi in: RESPIRAZIONE FERMENTAZIONE parziale ossidazione di un substrato ORGANICO gli elettroni ceduti sono ceduti ad un’altra molecola organica interna al processo (che deriva dalla ossidazione parziale dello stesso substrato di partenza) - NON RICHIEDE OSSIGENO (anaerobi obbligati, anaerobi facoltativi) - NON RICHIEDE ACCETTORI DI ELETTRONI ESTERNI AL PROCESSO FERMENTAZIONE PROCESSI CHEMIOTROFICI suddivisi in: RESPIRAZIONE RESPIRAZIONE ossidazione TOTALE di un substrato ORGANICO O INORGANICO gli elettroni ceduti sono giungono ad un ACCETTORE FINALE che è una MOLECOLA INORGANICA OSSIDATA - AEROBIA accettore finale OSSIGENO - ANAEROBIA accettore finale molecola inorganica ossidata diversa chemiotrofia SOSTANZE CHIMICHE OSSIDAZIONE OSSIDAZIONE CHEMIOTROFI composti chimici come fonte di energia SOSTANZE ORGANICHE SOSTANZE INORGANICHE CHEMIORGANOTROFI (composti organici) CHEMIOLITOTROFI (composti inorganici) FONTE DI C = sostanze organiche CHEMIOETEROTROFI FONTE DI C = CO2 CHEMIOAUTOTROFI Alcuni sono eterotrofi facoltativi RESPIRAZIONE FERMENTAZIONE RESPIRAZIONE AEROBICA: Accettore finale O2 ANAEROBICA: Accettore finale DIVERSO dall’ O2: composto inorganico ossidato Non c’è un accettore finale esterno. L‘ossidazione è associata alla riduzione di un composto organico prodotto durante il processo IN ANAEROBIOSI AEROBICA: Accettore finale O2 CHEMIORGANOTROFI (composti organici) IL GLUCOSIO E’ UN SUBSTRATO UNIVERSALE PER TUTTE LE CELLULE ETEROTROFE Qual è il destino del GLUCOSIO in una cellula batterica? GLUCOSIO GLICOLISI (via di Embden-Meyerhof) Pathway dei PENTOSO-FOSFATI Pathway di ENTNER-DOUDOROFF PIRUVATO RESPIRAZIONE AEROBICA RESPIRAZIONE ANAEROBICA FERMENTAZIONE Lattica, eterolattica alcolica, acido mista In condizioni anaerobiche GLICOLISI (via di Embden-Meyerhof) Fase I Reazioni di preparazione: il glucosio viene fosforilato e scisso in due molecole di gliceraldeide-3-fosfato In questo processo vengono utilizzate due molecole di ATP Fase II Reazioni di ossidazione: le due molecole di gliceraldeide-3-fosfato vengono trasformate in due molecole di piruvato con contestuale produzione di quattro molecole di ATP BILANCIO ENERGETICO DELLA GLICOLISI CHEMIORGANOTROFI (composti organici) IL GLUCOSIO E’ UN SUBSTRATO UNIVERSALE PER TUTTE LE CELLULE ETEROTROFE Qual è il destino del GLUCOSIO in una cellula batterica? GLUCOSIO GLICOLISI (via di Embden-Meyerhof) Pathway dei PENTOSO-FOSFATI Pathway di ENTNER-DOUDOROFF PIRUVATO RESPIRAZIONE AEROBICA RESPIRAZIONE ANAEROBICA FERMENTAZIONE Lattica, eterolattica alcolica, acido mista In condizioni anaerobiche Via dei PENTOSO-FOSFATI - può decorrere contemporaneamente alla via glicolitica - può operare sia in modo anaerobio che aerobio - è importante sia per le biosintesi che per il catabolismo Via dei PENTOSO-FOSFATI - il glucosio-6-fosfato viene ossidato a 6-fosfogluconato - seguito dalla ulteriore ossidazione a ribulosio 5-fofato e CO2 Si ha produzione di NADPH Il ribulosio 5-P viene utilizzato come precursore dei nucleotidi Il ribulosio 5-fosfato viene convertito in una miscela costituita da due zuccheri fosforilati: zucchero a 7 atomi di carbonio (sedoeptulosio 7-fosfato) gliceraldeide 3-fosfato I due enzimi chiave di questo processo sono: TRANSCHETOLASI e TRANSALDOLASI che portano alla formazione di 2 molecole di fruttosio 6-fosfato e di gliceraldeide 3-fosfato Il fruttosio 6-fosfato può essere riconvertito a glucosio 6-fosfato e la gliceraldeide 3-fosfato viene convertita ad acido piruvico dagli enzimi glicolitici VIA METABOLICA: - utilizzata per la produzione di ATP - il NADPH viene utilizzato come fonte di elettroni per la riduzione delle molecole durante le biosintesi - produce zuccheri a 4 e 5 atomi di C (sintesi acidi nucleici, fotosintesi) CHEMIORGANOTROFI (composti organici) IL GLUCOSIO E’ UN SUBSTRATO UNIVERSALE PER TUTTE LE CELLULE ETEROTROFE Qual è il destino del GLUCOSIO in una cellula batterica? GLUCOSIO GLICOLISI (via di Embden-Meyerhof) Pathway dei PENTOSO-FOSFATI Pathway di ENTNER-DOUDOROFF PIRUVATO RESPIRAZIONE AEROBICA RESPIRAZIONE ANAEROBICA FERMENTAZIONE Lattica, eterolattica alcolica, acido mista In condizioni anaerobiche In alcuni batteri la via glicolitica è sostituita dalla via di Entner-Doudoroff: Gram Gram + Pseudomonas Enterococcus faecalis Rhizobium Azotobacter Agrobacterium alcuni Archaea Svolge un ruolo simile alla via glicolitica: conversione degli esosi in acido piruvico inizia con le stesse reazioni della via dei pentosofosfati: il 6-fosfogluconato viene DISIDRATATO per formare KPDG (2-cheto-3-deossi-6-fosfogluconato) una ALDOLASI forma ACIDO PIRUVICO e gliceraldeide 3-fosfato quest’ultima viene trasformata in piruvato nella via glicolitica DEGRADAZIONE DEL GLUCOSIO ACIDO PIRUVICO ACIDO PIRUVICO IN CONDIZIONI AEROBICHE RESPIRAZIONE AEROBICA IN ANAEROBIOSI FERMENTAZIONE RESPIRAZIONE ANAEROBICA RESPIRAZIONE AEROBICA DEI BATTERI CHEMIOETERTROFI ACIDO PIRUVICO CICLO DI KREBS (CICLO DEGLI ACIDI TRICARBOSSILICI) • OSSIDAZIONE COMPLETA DEL PIRUVATO • GENERAZIONE DI INTERMEDI UTILI NELLE BIOSINTESI GENERAZIONE DI POTERE RIDUCENTE (NADH/FADH) RIOSSIDAZIONE DEL NADH ATTRAVERSO LA CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI SINTESI DI ATP TRASPORTO DEGLI ELETTRONI FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA BILANCIO GENERALE del CICLO Il substrato organico viene completamente mineralizzato 3 molecole di CO2 3 molecole di NADH 1 molecola di NADPH 1 molecola di FADH 1 molecola GTP per fosforilazione a livello del substrato Decarbossilazione del piruvato e formazione dell’ACETIL-CoA Si forma: 1 molecola di NADH L’acetil-CoA si combina con l’ossalacetato entrando nel ciclo Il NADH prodotto durante la glicolisi e il ciclo di Krebs deve essere riossidato Rilascia quindi il suo potere riducente alla CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI costituita da TRASPORTATORI di natura proteica o non proteica associati alla membrana Diversi microrganismi hanno catene di trasporto degli elettroni differenti FMN accettano atomi di H e cedono elettroni FERRO-ZOLFO PROTEINE trasportano solamente elettroni CITOCROMI CHINONI molecole idrofobiche, non contengono proteine accettori di atomi di H e donatori di elettroni NADH deidrogenasi associata alla superficie interna della membrana cellulare; accettano atomi di H dal NADH e li cedono alle FLAVOPROTEINE I trasportatori sono orientati nella membrana in modo che durante il trasporto avvenga una separazione degli e - e dei protoni. Gli atomi di idrogeno rimossi dal NADH vengono separati in elettroni e protoni: 1) Gli e- vengono trasferiti lungo la catena di trasporto fino ad un ACCETTORE FINALE – O2 che si riduce a H2O 2) I protoni vengono pompati fuori dalle cellule (o nel periplasma se si tratta di Gram-) L’uso di H+ per la sintesi di H2O e l’estrusione dei protoni determina una separazione di cariche ai due lati della membrana con la formazione di un gradiente di pH e di un potenziale elettrochimico Lo stato “energizzato” della membrana costituisce la FORZA PROTON MOTRICE che può essere utilizzata per compiere un lavoro utile (rotazione flagello), per trasportare ioni, per SINTETIZZARE ATP alcuni aspetti sono comuni a tutte le catene di trasporto: 1) presenza dei trasportatori di membrana disposti in modo crescente verso un potenziale di riduzione più positivo 2) un’alternanza fra trasportatori di soli elettroni e di soli atomi di idrogeno 3) la generazione di una forza proton-motrice come risultato della separazione di cariche attraverso la membrana COME FA LA FORZA PROTON-MOTRICE A DETERMINARE LA SINTESI DI ATP? TEORIA CHEMIOSMOTICA Catalizzatore della forza proton-motrice in ATP: ATP sintetasi (ATPasi) H+ Due porzioni principali: -testa F1 dominio catalitico con subunità multiple 5 polipeptidi differenti a3, b 3, g,e, d H+ H+ ESTERNO -canale conduttore di protoni F0 3 polipeptidi differenti a, b2, c12 Il movimento del protone attraverso la subunità a di F0 provoca la rotazione delle proteine c INTERNO La torsione viene trasmessa alla testa attraverso le subunità g,e, determinando un cambiamento della conformazione delle subunità b che diventano capaci di legare ADP e Pi che viene convertito in ATP quando la subunità b ritorna nella sua conformazione originale ADP + Pi 3 – 4 H+ 1 ATP ATP H+ H+ H+ RESA ENERGETICA DELLA OSSIDAZIONE AEROBICA DI GLUCOSIO VIA GLICOLITICA Fosforilazione a livello del substrato (ATP) Fosforilazione ossidativa con 2 NADH (1 NADH 3ATP) 2ATP 6ATP Acido piruvico ad AcetilCoA Fosforilazione ossidativa con 2 NADH (1 NADH 3ATP) 6ATP CICLO DEGLI ACIDI TRICARBOSSILICI Fosforilazione a livello del substrato (GTP) Fosforilazione ossidativa con 6 NADH Fosforilazione ossidativa con 2 FADH2 (1 FADH 2ATP) 1ATP 18ATP 4ATP RESA AEROBICA TOTALE 38ATP chemiotrofia SOSTANZE CHIMICHE OSSIDAZIONE SOSTANZE ORGANICHE OSSIDAZIONE SOSTANZE INORGANICHE CHEMIOTROFI composti chimici come fonte di energia CHEMIORGANOTROFI (composti organici) CHEMIOLITOTROFI (composti inorganici) FONTE DI C = sostanze organiche CHEMIOETEROTROFI FONTE DI C = CO2 CHEMIOAUTOTROFI Alcuni sono eterotrofi facoltativi RESPIRAZIONE FERMENTAZIONE RESPIRAZIONE AEROBICA: Accettore finale O2 ANAEROBICA: Accettore finale DIVERSO dall’ O2: composto inorganico ossidato Non c’è un accettore finale esterno. L‘ossidazione è associata alla riduzione di un composto organico prodotto durante il processo IN ANAEROBIOSI AEROBICA: Accettore finale O2 IL GLUCOSIO E’ UN SUBSTRATO UNIVERSALE PER TUTTE LE CELLULE ETEROTROFE Qual è il destino del GLUCOSIO in una cellula batterica? GLUCOSIO GLICOLISI (via di Embden-Meyerhof) Pathway di Pathway dei ENTNER-DOUDOROFF PENTOSO-FOSFATI PIRUVATO RESPIRAZIONE AEROBICA RESPIRAZIONE ANAEROBICA FERMENTAZIONE Lattica, eterolattica alcolica, acido mista In condizioni anaerobiche CHEMIOTROFI (utilizzano sostanze chimiche come donatori di e-): sono conosciuti due meccanismi destinati alla conservazione dell’energia FERMENTAZIONE RESPIRAZIONE SINTESI DELL’ATP Nella FERMENTAZIONE l’ossidazione è accoppiata alla riduzione di un composto generato dal substrato iniziale; ACCETTORE ORGANICO ENDOGENO DI ELETTRONI Nella RESPIRAZIONE è presente l’ossigeno molecolare o un altro accettore di elettroni come ACCETTORE TERMINALE; FERMENTAZIONE Processo metabolico anaerobico tipico dei microrganismi ANAEROBI OBBLIGATI (Clostridium), oppure ANAEROBI FACOLTATIVI (E. coli) che svolgono la respirazione in presenza di ossigeno e la fermentazione in assenza di ossigeno Resa energetica inferiore a quella dei processi respiratori, per ricavare dal substrato grandi quantità di ATP gli organismi ne usano grandi quantità Il NAD+ e’ sempre ridotto a NADH e svolge il ruolo di trasportatore di elettroni l’eccesso di NADH e’ un fattore limitante del processo fermentativo e il pool di NAD+ viene rigenerato con la riduzione di una molecola organica interna al processo L’ATP è prodotta per fosforilazione a livello del substrato RIOSSIDAZIONE DELL’ NADH CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI FERMENTAZIONE processo catabolico anaerobio in cui un substrato organico ridotto cede elettroni al NAD producendo ATP mediante fosforilazione a livello del substrato Il NADH così ottenuto si riossida riducendo un’altra molecola organica, un intermedio dello stesso processo metabolico Possono essere fermentate numerose sostanze: -Zuccheri (principalmente glucosio) - Acidi organici ( es. acidi degli zuccheri, gluconato, malato, tartrato,ecc.) -Aminoacidi - Purine, pirimidine, ecc. DESTINO DEL PIRUVATO: formazione dei prodotti di fermentazione Riduzione del PIRUVATO Ossidazione del NADH Quasi sempre le varie vie fermentative sono caratteristiche di ben definiti gruppi microbici, che dimostrano un’elevata specificità di processo FERMENTAZIONE ALCOLICA - Lieviti (Saccharomyces cerevisiae) anaerobi facoltativi - Batteri (Zymomonas mobilis) CH3 C=O COOH PIRUVATO CH3 PIRUVICO DECARBOSSILASI NADH + H+ NAD+ CH3 C=O + CO2 H ALCOOL DEIDROGENASI ACETALDEIDE CH2OH ETANOLO -Dal piruvato per decarbossilazione si ottiene acetaldeide - Acetaldeide funge da accettore di elettroni riducendosi ad etanolo tramite il NADH prodotto dalla glicolisi FERMENTAZIONE OMOLATTICA: Batteri lattici omofermentanti (o omolattici) anaerobi obbligati o ossigeno tolleranti appartenenti ai generi Gram+ Lactobacillus, Streptococcus, Pediococcus Fibre muscolari in condizioni di sforzo GLICOLISI acido piruvico, ATP, NADH NADH + H+ NAD+ CH3 CH3 C=O HCOH COOH PIRUVATO LATTICO DEIDROGENASI COOH LATTATO In questa fermentazione è lo stesso acido piruvico di origine glicolitica a fungere da accettore di e- per la riossidazione del NADH, riducendosi così ad acido lattico Non ci sono intermedi FERMENTAZIONE ETEROLATTICA Tipica di alcuni batteri lattici eterofermentanti Viene prodotto oltre all’acido lattico, anche ETANOLO ed ANIDRIDE CARBONICA Non fanno la glicolisi per degradare il glucosio ma usano la via dei pentoso fosfati FERMENTAZIONE ACIDO-MISTA Enterobatteri Escherichia,Salmonella, Shigella e i generi Proteus, Vibrio e Photobacterium sono microrganismi Gram negativi anaerobi facoltativi - in anaerobiosi fermentano il glucosio secondo questa via. Numerosi prodotti finali Acidi organici a basso peso molecolare quali acido formico (in E. coli e Proteus scisso in CO2 e H2 dalla FORMICO IDROGENOLIASI la cui presenza assume una rilevante importanza tassonomica e diagnostica), acido acetico, acido lattico e acido succinico e piccole quantità di etanolo. le proporzioni variano da microrganismo a microrganismo e secondo le condizioni colturali FERMENTAZIONE BUTANDIOLICA (Enterobacter, Serratia, Erwinia, alcune specie di Bacillus) Oltre ai prodotti della acido-mista, l’acido piruvico viene convertito ad acetoino e poi ridotto, con l’utilizzo del NADH a 2,3-butandiolo Coloro che si occupano di analisi microbiologica dell’acqua possono distinguere i coliformi fecali (ferm. acidomista) dai non fecali (ferm. Butandiolica tipica dei generi come Klebsiella) andando a svelare la presenza di acetoino ed un pH più alto I batteri appartenenti ai due diversi gruppi possono essere distinti sulla base di test che rilevano l’acidità del mezzo di coltura e in base alla produzione di gas (CO2 e H2) oppure ricercando la presenza di acetoino Voges-Proskauer terreno utilizzato reagenti procedimento RMVP a-naftolo KOH 40% Prelevare 1 ml di brodocoltura 0,2 ml di soluzione KOH 40% 0,6 ml di sol. a-naftolo Dopo 15-20 minuti compare un anello rosso cardinale Reazione + anello rosso cardinale Reazione - assenza di colore “Phenol Red Fermentation medium” contiene peptone, rosso fenolo (indicatore pH) e il carboidrato da testare. Il rosso fenolo è giallo a pH < 6.8 and rosso a pH of > 7.4 Quindi se un batterio fermenta lo zucchero in un acido si svilupperà un colore giallo. Inoltre I tubi di crescita possono contenere un tubo di Durham capovolto, se si sviluppa gas durante la fermentazione si formerà una bolla nel tubo capovolto Nei batteri che fanno fermentazione butandiolica si forma più CO2 che è più solubile dell’H2 nel mezzo di coltura e non forma bolle. Non rilevabile con la provetta di Durham Provetta di Durham FERMENTAZIONE PROPIONICA Propionibacterium Gram+ microaerofili, catalasi + isolati dall’Emmenthal, fermentano l’acido lattico prodotto dai batteri lattici dando: acido propionico, acido acetico e CO2 FERMENTAZIONE secondaria FERMENTAZIONE BUTIRRICA Si ritrova nei batteri del genere Clostridium, sporigeno anaerobio obbligato ossigeno-intollerante, in grado di fermentare il glucosio. Caratteristica di questa via è la produzione di CO2 e H2 nella reazione del coenzima A (CoASH) con il piruvato. Il principale prodotto finale è l’acido butirrico (acetone, butanolo, isopropanolo) C. acetobutylicum C. butylicum C. butyricum butanolo acido butirrico FERMENTAZIONE DEGLI AMINOACIDI C. perfringens, C. botulinum, C. tetani sono in grado di fermentare gli aminoacidi Responsabili dei processi di putrefazione (decomposizione anaerobia delle proteine) con produzione di H2S, acidi grassi e ammoniaca RESPIRAZIONE ANAEROBICA Accettore finale di elettroni è un composto INORGANICO DIVERSO dall’OSSIGENO Potenzialmente può essere usato qualunque OSSIDANTE INORGANICO (NO3- nitrati, S elementare, SO42- solfati, ossidi ferrici, molecole organiche come il fumarato che vengono trasformati nelle corrispondenti forme ridotte) sistemi di trasporto di elettroni analoghi a quelli degli aerobi, i trasportatori terminali sono specifici in alcuni casi (batteri denitrificanti) il processo di respirazione anaerobica affianca il processo di respirazione aerobica Nel caso di E.coli l’accettore finale di elettroni può essere il nitrato o un composto organico come il fumarato che viene ridotto a succinato (da notare che a differenza del processo fermentativo, la molecola organica che funge da accettori di elettroni è esterna alla via metabolica) altri organismi che utilizzano la respirazione anaerobica sono ANAEROBI OBBLIGATI CATENE DI TRASPORTO DI E. coli IN AEROBIOSI DIVERSI TRASPORTATORI TERMINALI IN ANAEROBIOSI Il passaggio di elettroni dal NADH all’accettore finale attraverso i trasportatori genera gradiente protonico e forza proton-motrice. La quantità di ATP prodotta dipende dalla differenza di potenziale tre donatore e accettore finale. Tali composti hanno un potenziale di riduzione più basso dell’ossigeno Minore tendenza ad accettare elettroni differenza di potenziale rispetto al donatore primario inferiore Tale processo libera meno energia RESPIRAZIONE ANAEROBICA MENO EFFICIENTE Da 1 molecola di glucosio: Resp. Aerobica (38ATP) > Resp. Anaerobica (34 ATP) > Fermentazione (2 ATP) * RIDUZIONE di NO3SO42- NH2 gruppo amminico SH gruppo sulfidrilico CO2 Carbonio organico FONTI DI N, S, C METABOLISMO ASSIMILATIVO Quando un composto inorganico viene ridotto per essere utilizzato come nutriente (ASSIMILAZIONE) COMUNE A MOLTI ORGANISMI ACCETTORI DI ELETTRONI PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA METABOLISMO DISSIMILATIVO viene ridotta una quantità molto maggiore del composto che viene utilizzato come accettore di elettroni e il prodotto di riduzione viene escreto dalla cellula nell'ambiente esterno TIPICO DI UN RISTRETTO GRUPPO DI PROCARIOTI NITRATO come accettore finale di elettroni – DENITRIFICAZIONE Riduzione dissimilativa del NITRATO Uno degli accettori di e- alternativi più comuni è il nitrato NO3- che viene convertito nelle forme più ridotte NO2- NO, N2O ed N2 I prodotti gassosi vengono facilmente allontanati dall’ambiente per tale motivo il processo viene chiamato DENITRIFICAZIONE Principale processo di produzione di N2 per via biologica BATTERI CHE SVOLGONO LA PRIMA PARTE DELLA RIDUZIONE DEL NITRATO Sono in grado di ridurre nitrato NO3- a nitrito NO2- - Escherichia - Aeromonas - Enterobacter - Bacillus - Staphylococcus… BATTERI DENITRIFICANTI Svolgono interamente la reazione di riduzione fino ad N2 - Paracoccus - Pseudomonas - Utilizzano la denitrificazione in alternativa alla respirazione aerobica - Anaerobi facoltativi In presenza di O2 la sintesi della NITRATO REDUTTASI è repressa MECCANISMI DI TRASPORTO DI ELETTRONI IN E. coli in grado di compiere soltanto la prima parte del processo: riduzione da nitrato a nitrito O2 NO3- NO3- + 2e- + 2H+ NO2-+ H2O M PERIPLASMA INTERNO MECCANISMO DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI di Pseudomonas stutzeri La riduzione dissimilativa del nitrato avviene in diverse tappe fino ad azoto molecolare NAR Nitrato reduttasi NIR Nitrito reduttasi NOR Ossido Nitrico Reduttasi NOS Ossido Nitroso Reduttasi MEMBRANA CITOPLASMATICA PERIPLASMA SOLFATO come accettore finale di elettroni (Riduzione dissimilativa del solfato) Diversi composti inorganici dello zolfo possono fungere da accettori di elettroni nella respirazione anaerobica Il SOLFATO (SO42- ) è utilizzato dai batteri solfato riduttori RIDUZIONE ASSIMILATIVA e DISSIMILATIVA Il solfato è un accettore di elettroni meno favorevole dell’ossigeno e del nitrato organismi con resa di crescita inferiore! BATTERI SOLFATO-RIDUTTORI Desulfovibrio Desulfonema Desulfosarcina Desulfuromonas - Batteri anaerobi obbligati diffusi sia in ambienti acquatici che terrestri in cui si creano condizioni anossiche per la presenza di materiale in decomposizione (suoli e sedimenti anossici marini) - Ampiamente diffusi in natura, tuttavia in alcuni ambienti anossici la loro attività è limitata dai bassi livelli di solfato presenti - Si possono trovare anche nell’intestino degli animali e dell’uomo (coinvolgimento nell’Inflammatory Bowel Disease a causa dei solfuri prodotti) -Essi utilizzano come donatore di elettroni soprattutto H2 lattato, piruvato; -Le catene di trasporto non sono ben caratterizzate - Sono note diverse specie sia da un punto di vista morfologico che fisiologico CATENE DI TRASPORTO NON IDENTIFICATE Lo ione solfato è molto stabile ed è un cattivo accettore di eper poter essere ridotto deve essere ATTIVATO REDUTTASI TERMINALI CITOPLASMATICHE RIDUZIONE DISSIMILATIVA DEL SOLFATO: richiede 8 elettroni SO42- + 10H+ + 8e- H2S + 4H2O 1 l’enzima ATP sulfurilasi catalizza l’attacco del solfato ad un fosfato dell’ATP formando l’ APS (ADENOSINA FOSFO SOLFATO) nel metabolismo dissimilativo. 2 Il gruppo solfato dell’APS viene ridotto direttamente a solfito con rilascio di AMP AMP + SO32- 3 Il solfito poi viene ulteriormente ridotto dalla solfito riduttasi RIDUZIONE ASSIMILATIVA DEL SOLFATO Nel metabolismo assimilativo l’enzima APS chinasi fosforila l’APS formando il PAPS (FOSFO-ADENOSINA FOSFOSOLFATO) In entrambi i casi il primo prodotto è il solfito che poi viene ulteriormente ridotto dalla solfito riduttasi I MICRORGANISMI SONO IN GRADO DI METABOLIZZARE DIVERSI COMPOSTI CATABOLISMO DI CARBOIDRATI DIVERSI DAL GLUCOSIO CATABOLISMO DEI LIPIDI CATABOLISMO DI PROTEINE E AMMINOACIDI CATABOLISMO DEI CARBOIDRATI DIVERSI DAL GLUCOSIO INTERCONVERSIONE DEI MONOSACCARIDI Il galattosio deve modificato a glucosio-6-fosfato con un processo a tre tappe Altri zuccheri entrano facilmente nella via glicolitica DEMOLIZIONE DEI DISACCARIDI I DISACCARIDI possono essere scissi negli zuccheri che li costituiscono direttamente o mediante FOSFOROLISI (attacco del fosfato sul legame che lega i due zuccheri) I POLISACCARIDI vengono scissi grazie alla secrezione di enzimi specifici da parte di alcuni batteri (Mixobatteri, Clostridi , Attinomiceti) e funghi DEMOLIZIONE DEI DISACCARIDI DEGRADAZIONE DI POLIMERI COMPLESSI Presenti nella cellula come materiale di riserva o extracellulari GLICOGENO, AMIDO, CELLULOSA, PECTINA, CHERATINA All’interno della cellula… FOSFOROLIASI glucosio n + Pi glucosio n-1 + glucosio-1-P Acido poli-b-idrossibutirrico L’enzima catalizza una reazione di fosforolisi, accorciando la catena di una unità e liberando glucosio-1-P Acetil-CoA CICLO TCA All’esterno della cellula… le macromolecole devono essere progressivamene frammentate per poter essere utilizzate dai microrganismi enzimi diversi AMIDO AMILOSIO a AMILASI a 1,4-glicosidici b AMILASI AMILOPECTINA a 1,6-glicosidici a GLUCOSIDASI PULLULANASI a AMILASI a GLUCOSIDASI idrolizzano corti oligosaccaridi liberando a-glucosio b AMILASI Idrolizzano i legami a 1,4-glicosidici esterni producendo maltosio PULLULANASI Idrolizzano i legami a 1,6-glicosidici interni Idrolizzano i legami a 1,4-glicosidici interni CELLULOSA polimero di unità di glucosio (100-10.000) unite tramite legami b 1,4 glicosidici Batteri CELLULOSOLITICI sono in grado di idrolizzare la cellulosa secondo diverse strategie: - produzione extracellulare di un unico enzima degradativo - produzione di più polipeptidi con domini cellulosolitici - CELLULOSOMA gli enzimi cellulosolitici sono: - 1,4 b glucanasi he rompono i legami interni rilasciando cellobiosio e oligosaccaridi exo 1,4 b glucanasi che agiscono rilasciando cellobiosio dall’estremità non riducente e attaccano i legami tre catene parallele b glucosidasi che idrolizzano il cellobiosio a glucosio CATABOLISMO DEI LIPIDI TRIGLICERIDI LIPASI GLICEROLO ACIGI GRASSI DI-IDROSSIACETON FOSFATO VIA GLICOLITICA ESTERI DEL coA b-OSSIDAZIONE CATABOLISMO DEGLI AMMINOACIDI Alcuni batteri (patogeni, responsabili del deterioramento degli alimenti, batteri del suolo) possono utilizzare le proteine come fonte di carbonio ed energia TRANSAMMINAZIONE Biorisanamento Le proprietà metaboliche dei microrganismi sono sfruttate per ripulire ambienti contaminati da: Idrocarburi Metalli pesanti Sostanze Xenobiotiche Radionuclidi In che modo?
