METABOLISMO
Il metabolismo è il complesso delle reazioni enzimatiche che
avvengono all’interno della cellula. Consente alla cellula di
rifornirsi di energia necessaria per poi crescere e riprodursi.
Il metabolismo si divide in due insiemi di processi:
Anabolismo
Catabolismo
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Anabolismo è l’insieme delle reazioni che portano alla
formazione di materiale cellulare (crescita e riproduzione
delle cellule), ovvero produce molecole complesse a
partire da molecole più semplici.
I processi anabolici sono TD sfavoriti (DG>0) e per poter
avvenire devono essere accoppiati con reazioni che
forniscono energia libera (DG<0) quali p.es. l’idrolisi dell’
adenosintrifosfato (ATP) ad adenosindifosfato (ADP).
ATP + H2O → ADP + Pi (fosfato)
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ADP
ATP
+ H 2O
+HPO42- + H+
DG°=-7.3 Kcal/mole
Conservazione dell’energia nel legame fosforico dell’ATP
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Catabolismo è l’insieme delle reazioni di demolizione
(ossidazione) di nutrienti forniti dall’esterno, comporta cioè
la degradazione di molecole complesse in molecole più
semplici.
I processi catabolici sono TD favoriti (DG<0) e spesso
accoppiati con reazioni che portano alla formazione di
composti ad elevato contenuto energetico quali la reazione
di fosforilazione dell’ADP ad ATP (ovvero i processi catabolici
producono energia che può venir trasferita alle reazioni
anaboliche tramite molecole carrier ad alta energia, tra le
quali la più comune è senza dubbio l'ATP).
ADP + Pi → ATP + H2O
DG°=+7.3 Kcal/mole
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Le reazioni metaboliche sono catalizzate da enzimi.
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CATABOLISMO DEL CARBONIO
I carboidrati costituiscono la classe più importante dei nutrienti
carboniosi.
Esempio di catabolismo: reazione di demolizione del glucosio
(ossidazione) ad acido piruvico con formazione di ATP da ADP:
Acido piruvico
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NADH
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RESPIRAZIONE
La respirazione è un processo di produzione di energia in cui
composti organici o inorganici (riducenti) sono ossidati mediante
composti inorganici (ossidanti).
Esempi:
Riducente
Ossidante
Prodotti
microorganismi
Composti
organici
O2
CO2+H2O
Batteri (anche
piante e
animali)
NH3
O2
NO2-+H2O
b. Nitrificanti
NO2-
O2
NO3-+H2O
b. Nitrificanti
Composti
organici
NO3-
N2+CO2+H2O
b. Denitrificanti
Fe2+
O2
Fe3+
ferrobacillus
Quando l’ossidante è O2 si ha respirazione aerobica, altrimenti la
respirazione anaerobica.
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La respirazione aerobica, a partire dall’acido piruvico, può essere
distinta in due stadi:
1° stadio (ciclo di Krebs o degli acidi tricarbossilici, TCA): l’acido
piruvico è ossidato a CO2 con trasferimento di coppie di atomi di
H al NAD+ (dinucleotide nicotinammide adenina) e al FAD
(dinucleotide).
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FAD
flavina adenina dinucleotide
FADH2
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cal
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TRASPORTO ATTRAVERSO MEMBRANE CELLULARI
Il trasporto delle specie chimiche attraverso membrane cellulari
può avvenire secondo 3 diversi meccanismi:
1. Diffusione passiva
2. Diffusione facilitata
3. Trasporto attivo
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1 - Diffusione passiva
La specie si muove attraverso la membrana dalla zona ad alta
concentrazione a quella a bassa concentrazione. La velocità di
diffusione è proporzionale alla forza motrice, data dalla
differenza di concentrazione attraverso la membrana.
La diffusione passiva è spontanea: la variazione di energia
libera che accompagna il trasporto di una specie da una zona a
concentrazione c2 ad una a concentrazione c1 risulta negativa
essendo c2>c1.
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Esterno cellula
Interno cellula
c2
c1
<0
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2 - Diffusione facilitata
A causa della struttura della membrana plasmatica, che
circonda tutte le cellule e gli organuli degli eucarioti, non tutte
le specie chimiche penetrano nella membrana con eguale
facilità.
La velocità di diffusione della maggior parte delle molecole è
in relazione con la loro solubilità nei lipidi (data la natura
prevalentemente lipidica della membrana).
Molecole cariche e altre sostanze polari hanno una solubilità
molto bassa nei lipidi e quindi difficoltà a passare attraverso
la membrana per diffusione ordinaria (molti intermedi
metabolici sono carichi e di conseguenza stanno dentro la
cellula).
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Tuttavia, vi sono alcune componenti polari che si muovono
attraverso la membrana molto rapidamente, grazie alla
diffusione facilitata: la specie su un lato della membrana si
combina con una molecola di trasporto che diffonde verso
l’altro lato, dove il complesso si scinde, scaricando la molecola
trasportata.
Esterno cellula
c2
Interno cellula
c1
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3 – Trasporto attivo
Il trasporto attivo presenta due aspetti caratteristici:
1. fa muovere la specie contro il suo gradiente chimico (Ce>Ci),
sfruttando una molecola di trasporto;
2. Essendo DG>0 il processo necessita di energia libera.
(ATP+H2O -> ADP+Pi )
Esterno cellula
c2
Interno cellula
c1
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PRODOTTI FINALI DEL METABOLISMO
Le cellule rilasciano diversi composti chimici nel loro ambiente.
In molti casi, questi prodotti sono il risultato del metabolismo
energetico. Talvolta sono intermedi, in alcuni casi prodotti finali
del catabolismo (amminoacidi, vitamine nucleotidi, acidi organici
(acetico, lattico, citrico) e solventi (alcooli)).
Si dicono metaboliti primari, quelli essenziali alla vita stessa della
cellula.
I metaboliti secondari sono prodotti metabolici, come antibiotici,
tossine, alcaloidi e fattori di crescita, costituiti da molecole più
complesse che svolgono speciali funzioni per la cellula (es
antibiotici per funzione di autodifesa).
I metaboliti primari sono i prodotti di partenza per la sintesi dei
metaboliti secondari.
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CRESCITA CELLULARE
La crescita cellulare comporta consumo di substrato (S) che
fornisce energia e materiale di partenza per la sintesi di biomassa
(X).
Fattore di resa in biomassa= rapporto (w/w) fra la quantità
di biomassa formata e la quantità di substrato utilizzato.
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STECHIOMETRIA DELLA CRESCITA CELLULARE (BIOSINTESI)
Elementi predominanti del materiale cellulare: C, H, N, O
Elementi contenuti in quantità relativamente piccole: P, S
Elementi sempre presenti (in forma ionica): Na, K, Ca, Mg, Cl
Metalli in tracce, necessari per l’attivazione di certi enzimi: Mn, Fe,
Co, Cu, Zn
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In base alla composizione elementare, il materiale cellulare può
essere espresso sotto forma di composto chimico.
Ad es. per il batterio escherichia coli la composizione elementare
è data da: C=50, H=8, N=14, O=20, P=3, S=1 (%w sul secco).
N0.24
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Stechiometria della crescita cellulare senza formazione di prodotti
QR (quoziente respiratorio) =
Moli CO2 formate
=e/c
Moli O2 consumate
Noto QR, si hanno 5 equazioni in 5 incognite e si possono
determinare i coeff. Stechiometrici.
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Stechiometria con formazione di prodotti
Diversi prodotti metabolici sono rilasciati nel mezzo di crescita o
accumulati nella cellula.
Possono essere così classificati:
1. Il prodotto principale risulta dal metabolismo energetico
primario (es. produzione di alcool etilico).
2. Il prodotto principale si forma indirettamente dal metabolismo
energetico (es. produzione di acido citrico).
3. Il prodotto è un metabolita secondario, che svolge speciali
funzioni per la cellula (es produzione di penicilline). I metaboliti
secondari sono formati quando le cellule si trovano in
appropriate condizioni (in genere dopo la fase di rapida crescita).
4. Il prodotto proviene dalla biotrasformazione di un substrato
attraverso una o più reazioni enzimatiche.
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Se il prodotto principale risulta dal metabolismo energetico
primario (caso 1), allora esiste una relazione pressoché costante fra
consumo di substrato, aumento di biomassa e formazione di
prodotto (P):
YP
S
DP
DS
In tal caso la stechiometria della crescita aerobica di
chemioeterotrofi può essere rappresentata come:
aCHxOy+bHlOmNm+cO2 -> CHaObNd+dH2O+eCO2+fCHvOw
prodotto
Noti QR (e/c) e le moli di prodotto formato per moli di substrato
consumato (f/a), dal bilancio degli elementi possono essere
determinati i coefficienti stechiometrici della reazione.
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PRODUZIONE DI CALORE
Le cellule usano l’energia molto efficientemente, tuttavia parte
dell’energia del substrato è rilasciata come calore.
Fattore di resa
𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑎 (𝑔)
𝑌∆ =
𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑒 𝑟𝑖𝑙𝑎𝑠𝑐𝑖𝑎𝑡𝑜 (𝐾𝑐𝑎𝑙)
Indicando con:
Qs = calore di combustione del substrato (Kcal/g)
Qx = calore di combustione della biomassa (Kcal/g)
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Dal 1° principio della TD, applicato al ciclo:
Qs (Kcal)
H2O + CO2
O2 + 1 g substrato
Respirazione
con formazione
di biomassa (metabolismo)
Combustione substrato
Combustione biomassa
H2O + CO2 + YX/S biomassa (g)
𝑌𝑋/𝑆
+(Kcal)
𝑌𝑋/𝑆 𝑄𝑋 = 𝑄𝑆
𝑌∆
𝑌𝑋/𝑆
+ 𝑌𝑋/𝑆 𝑄𝑋 = 𝑄𝑆
𝑌∆
Da cui
𝑌∆ =
YX/SQx (Kcal)
𝑌𝑋/𝑠
𝑄𝑆 − 𝑌𝑋/𝑆 𝑄𝑋
In assenza di dati sperimentali, il calore di combustione del
substrato e della biomassa può essere valutato in base alla regola
empirica: calore di combustione = 104-124 Kcal per mole di O2
consumato.
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In presenza di prodotto:
QP = calore di combustione del prodotto (Kcal/g)
Qs (Kcal)
H2O + CO2
O2 + 1 g substrato
Respirazione
con formazione
di biomassa (metabolismo)
Combustione substrato
YX/SQx + YP/SQP (Kcal)
Combustione biomassa
H2O + CO2 + YX/S biomassa (g)+YP/S prodotto (g)
𝑌𝑋/𝑆
+ (Kcal)
𝑌𝑋/𝑆 𝑄𝑋 = 𝑄𝑆
𝑌∆
YX
S
YD
YX QX YP QP QS
S
S
Da cui
YD
YX
S
QS YX QX YP QP
S
S
Per mantenere la temperatura al valore prefissato durante la
fermentazione è in genere necessario sottrarre calore mediante
scambio termico con un fluido refrigerante (acqua).
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TRASFERIMENTO DI OSSIGENO AL MEZZO DI COLTURA
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Il termine aKL può essere aumentato aumentando sia il grado di
agitazione (velocità di rotazione dell’agitatore) sia la portata di
aria introdotta nel reattore.
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