Metabolismo Microbico
Il Metabolismo è l’insieme delle reazioni bio-chimiche
che avvengono in una cellula.
Può essere suddiviso in Catabolismo ed Anabolismo.
Catabolismo: ossidazione del substrato (organico o
minerale) con produzione di energia libera.
Anabolismo: processo di sintesi dei costituenti cellulari
che avviene con impiego di energia.
Vie cataboliche: portano alla formazione di composti di
minor complessità chimica e alla liberazione di energia
(sono differenti dagli organismi superiori)
Vie anaboliche: portano alla formazione di composti
caratterizzati da una maggiore complessità chimica
rispetto al nutriente di partenza e richiede energia
(fondamentalmente simile in tutti gli organismi viventi).
Diversità del
Metabolismo
Microbico
Flusso
dell’energia e
del Carbonio
Energia e metabolismo Metabolismo Chemioorganotrofo
Metabolismo catabolico > Composti chimici ricchi di energia
Utilizzazione dell’energia > Reazioni Ossido-Riduzione
prodotti di scarto
nutrienti
energia
(crescita)
energia
(movimento)
anabolismo
(biosintesi)
componenti
catabolismo
cellulari
molecole organiche
e inorganiche
Ossidazione: rimozione di uno o più elettroni da una sostanza
Riduzione: aggiunta di uno o più elettroni da una sostanza
Reazioni Ossido-Riduzione
Potenziale di Riduzione (Eo) – Coppie di Ossido-Riduzione
Trasferimento di elettroni da Eo negativo a Eo positivo
Donatore di elettroni
Riducente
Composto
donatore di
elettroni
Fonte di
energia
Accettore di elettroni
Ossidante
Reazioni Ossido-Riduzione >
Trasferimento di Elettroni >
Trasportatori di elettrononi e H+
-Diffusibili (coenzimi)
-(NAD+ NADP+, FAD+)
-Associati alla membrana
Ubichinone (Coenzima Q),
Chinoni, Citocromi,
Ferredoxina
Reazioni O-R
NAD+ + AH2 > NADH +
A + H+ - Riossidazione >
3 ATP
FAD+ + 2H > FADH2
Riossidazione > 2 ATP
Composti ad alta energia e conservazione dell’energia
Conservazione a lungo termine: PHB, S, Amido, ecc.
Energia liberata durante l’idrolisi dell’ATP Altri trasportatori di energia
Sintesi dell’ATP
Fosforilazione
a livello di
substrato
Fermentazione
Fosforilazione
ossidativa
Respirazione
F.P.M.
Metabolismo energetico Stadi del catabolismo
Metabolismo energetico.
Fermentazione Fosforilazione a livello di substrato
Microrganismi anaerobi
Via Embden-Meyerhof Fermentazione alcolica, omolattica, formica
(acido mista), propionica, butirrica
Via esosomonofosfato Fermentazione eterolattica (Leuconostoc)
Via Entner-Doudoroff Fosfogluconato (Zymomonas)
Scissione C2-C4
Fermentazione Bifidobacterium
Reazione di Stickland Fermentazione aminoacidi (Clostridium)
Respirazione aerobica
Fosforilazione ossidativa
Microrganismi Aerobi
Respirazione anaerobica
(Denitrificanti, Metanogeni,
Desulfuricanti ecc)
Fotosintesi
Fotofosforilazione ossidativa
Fermentazione - Glicolisi o via di Embden-Meyerhof.
2 ATP
2 NADH
Schema generale delle fermentazioni.
Fermentazione degli zuccheri via Embden-Meyerhof
Fermentazione degli zuccheri via Embden-Meyerhof
Glicolisi o via di Embden-Meyerhof. Fermentazione alcolica
Glicolisi o via di Embden-Meyerhof. Fermentazione alcolica
Fermentazione omolattica
Fermentazione acido mista
E, coli, Salmonella,
Proteus, Enterobatteri
Fermentazione
2,3-Butilenglicolica
Enterobacter,
Erwinia, Serratia
Fermentazione butirrica
Lattato
Clostridium sp
Fermentazione propionica
Glucosio
Propionibacterium
Via dei Pentoso fosfato - Fermentazione eterolattica
Via Entner-Doudoroff
Fosfogluconato
(Zymomonas,
Pseudomonas)
Reazione di Stickland
Fermentazione aminoacidi (Clostridium)
Fermentazione
Metanogenica
Da CO2
Methanothrix
Methanosarciana
Metanogenesi
Da Acetato
Fermentazione
dell’etanolo
Corr- Protein
Metabolismo
energetico aerobico
Piruvato
6
4
5
-RESPIRAZIONE - Ciclo
di Krebs o degli Acidi
Tricarbossilici. Piruvato>
-Fosforilazione a livello del
substrato: GDP+Pi > GTP
+ADP > GDP +1 ATP
-Fosforilazione del trasporto
degli elettroni: 4NADH >
12 ATP. FADH > 2 ATP
Tot = 30 ATP
-GLICOLISI > 2 ATP
Riossidazione NADH > 6 ATP
Glucosio > CO2 + H2O
38 ATP
Fosforilazione ossidativa
Produzione di energia:
Riossidazione del NADH
NADH + H +1/2O2 > NAD+ + H2O
Catena di trasporto
degli elettroni
Catena di trasporto degli elettrononi
Citocromi, Flavoproteine, Chinoni, Proteine Ferro-zolfo
Struttura dell’eme
Fe+++ + e >
Fe++ - e > Fe+++
Trasporto di elettroni -Ossidazioni e Riduzioni reversibili del Fe
Coenzima Q
Proteine Ferro-Zolfo
Catena di trasporto di elettroni e sintesi di ATP
Catena di trasporto degli
elettroni
Generazione
della
forza Motrice dei
Protoni
ATP Sintetasi
Forza protonmotrice e
produzione di ATP
Fosforilazione
Ossidativa
Impiego della forza Motrice dei Protoni
Trasporto jonico – Rotazione flagellare – Produzione ATP (F.O.)
Processi di
Respirazione
Anaerobica
Respirazione
Anaerobica
Accettore finale
di elettroni
diverso dall’O2
Respirazione Anaerobica
Accettore finale di elettroni
diverso dall’O2
Denitrificazione
Pseudomonas, Bacillus
Pseudomonas,
Bacillus
Denitrificazione
Riduzione del nitrato
Pseudomonas
Ossido nitrico
Catena di trasporto degli elettroni
Ossido nitroso
Respirazione Anaerobica
Riduzione del solfato
Catena di trasporto
degli elettroni
APS Adenosina
Fosfosolfato
Desulvibrio
Desulfotomaculum
Respirazione Anaerobica
Respirazione Carbonica
Batteri metanogeni anaerobi
Respirazione Carbonica
Batteri omoacetogeni anaerobi
Archebatteri
Clostridium aceticum,
Acetobacterium
Metanogenesi
Batteri
metanogeni
anaerobi
CO2 >
Metano
Methanobacterium
Acetogenesi Batteri omoacetogeni
Metanogenesi
e trasporto
degli elettroni
Energia e
metanogenesi
MPH (Metanofenazina)
Metabolismo Chemiolitotrofo Ossidazione composti
inorganici Ossidazione dello zolfo - Solfobatteri (Beggiatoa,
Sulfolobus, Thiobacillus thioxidans) 2H2S + O2 > 2S + H2O –
2S + 2H2O > 2H2SO4 - S2O3 + H2O + 2O2 > 2SO4 2- + 2H+
Trasporto degli elettroni
Metabolismo Chemiolitotrofo Ossidazione composti inorganici
Batteri nitrificanti
Nitrosazione (Nitrosomonas)
Nitrificazione (Nitrobacter)
2NH3 + 3O2 > 2HNO2 + 2H2O
2HNO2 + O2 > 2HNO3
Trasporto degli elettroni
Ossidazione composti inorganici Ferrobatteri – (Thiobacillus
ferrooxidans, Sulfolobus)
Ossidazione aerobica del Ferro: 2Fe2+ + 2H+ 1/2O2> 2Fe3+ + H2O
2FeS2 + 7O2+H2O> 2Fe2+ + 4SO4-2 + 4H+
Trasporto
degli
elettroni
Catabolismo di sostanze organiche complesse
-Carboidrati (Disaccaridi, Glicogeno, Amido, Cellulosa, Chitina,
Pectina, Agar)
-Acidi Organici
-Idrocarburi
-Lipidi
-Proteine e aminoacidi
Catabolismo di sostanze organiche complesse
Metabolismo degli Acidi organici
Metabolismo
degli idrocarburi
alifatici
Degradazione
dei composti
aromatici
Degradazione dei composti aromatici
Benzoato
Catabolismo lipidico
Catabolismo
lipidico
b ossidazione
Catabolismo Proteico e Aminoacidico
Proteine > Polipeptidi > Peptidi > Aminoacidi
Aminoacidi: Deaminazione
Decarbossilazione
Transaminazione
Fotosintesi
Batterica
Metabolismo
energetico
Fonte di Carbonio
Solfobatteri verdi, Batteri rossi
Produzione di ATP
Riduzione CO2
Cianobatteri, Alghe, Vegetali
Fotosintesi batterica - Batterioclorofilla
Vegetali, Alghe, Cianobatteri
Solfobatteri verdi, Batteri rossi
Batterioclorofille
Membrane lamellari e
vescicolari fotosintetiche
Fototrofi purpurei
Clorobium
Clorosomi
Tilacoidi
Membrane lamellari fotosintetiche
Cianobatteri
Centri di Reazione
(Clorofille +
Proteine)
Pigmenti antenna
Carotenoidi
Ficobiline
Modello di
Clorosoma
pa
Batterioclorifille
Pigmenti
antenna
Pigmenti accessori
Carotenoidi
Ficobiline e Ficobilisomi
Fotosintesi – Flusso di elettroni e produzione di ATP
Fotofosforilazione ciclica
Pigmenti antenna Batterioclorofilla a
P870 -Centro di reazione
LH -Batterioclorofille
Bph -Batteriofeofitina
Batteriofeofotina
Fotosintesi
Anossigenica
Schema generale
del flusso di
elettroni
Flusso di
elettroni
Forza
proton
motrice
ATP
Feofitina
Ferredossina
Ciclica – Elevato
potere riducente
Fotosintesi
Ossigenica
Plastocianina
Schema
generale
del flusso
di elettroni
ATP
Fotofosforilazione
non ciclica
Clorofilla a
Clorofilla a
