Post on 02-Jan-2020
Il metabolismo cellulare
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CATABOLISMOProcesso esoergonico
(per produrre energia)
Nutriliti
Prodotti finali
ANABOLISMOProcesso endoergonico
Biopolimeri (x es. proteine)
Intermedi di biosintesi(x es. aminoacidi)
Pool di precursori intracellulari
Nutrienti dall’esterno
NADFAD
NADP
e-+H+
(CO2, H2O, molecoleorganiche più ossidate diquelle di partenza)
Il metabolismo cellulare
CA
LOR
E
energia
ATP
ADP
Intermedi di sintesi riduz
ione
(tra
sfer
imen
to d
i e-co
me
H)
ossi
dazi
one
(sot
traz
ione
di e
-co
me
H)
2
RUOLO DELL’ ATP NEL METABOLISMO
- L’ATP è in grado di cedere gruppi fosforici a numerosi intermedimetabolici, convertendoli nella forma attivata con livelli di energia libera talida consentire a questi intermedi fosforilati di partecipare alle reazionibiosintetiche, che sono termodinamicamente favorevoli (∆G°<0)
- Una analoga reazione con un reagente in forma non fosforilata sarebbetermodinamicamente sfavorevole (∆G°>0)
La generazione di ATP è quindi necessaria per il funzionamento dei processi biosintetici
È un derivato dell’AMP (adenosin monofosfato) al quale sono legati altri 2 gruppi fosforici per mezzo di legami anidride
( ADP + Pi + energia = ATP )fosfato inorganico
I legami anidride sono legami ricchi di energia e quindi sono particolarmente reattivi
3
Come ottengono ATP i microrganismi?
RESPIRAZIONE: sintesi di ATP attraverso ilsistema enzimatico della Fo-F1 ATP sintasi (oFo-F1 ATPasi), al termine della catena ditrasporto degli elettroni
FOTOFOSFORILAZIONE: sintesi di ATP attraverso l’impiegodi energia luminosa per creare una separazione di cariche
FOSFORILAZIONE A LIVELLO DI SUBSTRATO: consiste neldiretto trasferimento di un fosfato ad alto contenuto energeticoda un composto fosforilato ad ADP per formare ATP
Lettera O, non numero “zero”!
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REAZIONI di OSSIDO-RIDUZIONE
- donatore di e- (agente riducente… che si ossida!)
- accettore di e- (agente ossidante… che si riduce!)
il valore del potenziale di RIDUZIONE è un indice di quanto la molecola in oggetto sia un buon donatore o un buon accettore di e-
2H+/H2 - 0.42 V (infatti H2 è un ottimo donatore di elettroni)O2/H2O + 0.82 V (infatti O2 è un ottimo accettore di elettroni)
per OGNI composto che si OSSIDA in una semireazione DEVE esserciun composto che si RIDUCE in un’altra semireazione ad essa accoppiata
H2 2H+ + 2 e- (semireazione 1)½ O2 + 2H+ + 2 e- H2O (semireazione 1)
REAZIONE NETTA
H2 + ½ O2 H2O
5
REAZIONI di OSSIDO-RIDUZIONE
- donatore di e- (agente riducente… che si ossida!)
- accettore di e- (agente ossidante… che si riduce!)
il valore del potenziale di RIDUZIONE è un indice di quanto la molecola in oggetto sia un buon donatore o un buon accettore di e-
2H+/H2 - 0.42 V (infatti H2 è un ottimo donatore di elettroni)O2/H2O + 0.82 V (infatti O2 è un ottimo accettore di elettroni)
per OGNI composto che si OSSIDA in una semireazione DEVE esserciun composto che si RIDUCE in un’altra semireazione ad essa accoppiata
H2 2H+ + 2 e- (semireazione 1)½ O2 + 2H+ + 2 e- H2O (semireazione 1)
REAZIONE NETTA
H2 + ½ O2 H2O
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Nei sistemi biologici le reazioni di ossido-riduzione UTILI ai fini energetici avvengono quando l’e- e il protone (H+) che lo segue sono rimossi da un substrato (per azione di un enzima) peressere trasferiti ad un TRASPORTATORE che agirà come intermedio di trasporto tra undonatore e un accettore
Gli e- non esistono allo stato libero nei sistemi biologici MA SI SPOSTANO DADONATORI AD ACCETTORI ATTRAVERSO LA MEDIAZIONE DI TRASPORTATORI
FISSI
lattato deidrogenasi
Associati alla membrana
LIBERI
cofattori di enzimi responsabilidelle deidrogenazioni
NAD+
NADP+
reazioni CATABOLICHE
reazioni ANABOLICHE
per esempio
NADH + H+NAD+
riduzionedel NAD
ossidazionedel NAD
Piruvato
+
Lattato
+
associati ai protoni!!!
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RIBOSIO RIBOSIO2 FOSFATI
NICOTINAMIDE
NICOTINAMIDE ADENIN DINUCLEOTIDE
FORMA OSSIDATA (NAD+)
RIBOSIO RIBOSIO2 FOSFATI
NICOTINAMIDE
NICOTINAMIDE ADENIN DINUCLEOTIDE
FORMA RIDOTTA (NADH + H+)
ADENINAADENINA
Quando il NAD in forma ossidata (NAD+) acquista 2 elettroni, cioè siriduce, acquista anche un H+ e un H+ viene rilasciato nel citoplasma… perquesto il NAD in forma ridotta deve essere indicato come NADH + H+
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Che bisogno c’è, da un punto di vista metabolico, di due piridinnucleotidi (NAD e NADP) così simili a livello funzionale?
RISPOSTA: i piridinnucleotidi ossidati entrano come reagenti nei processi catabolici, mentre quelli in forma ridotta partecipano ai processi biosintetici
Ciò significa che:
- i piridinnucleotidi si devono trovare per lo più in forma ossidata perché i processicatabolici possano funzionare
- per le reazioni biosintetiche si devono trovare in gran parte in forma ridotta
Il NAD è mantenuto largamente nello stato ossidato → interviene quindinelle reazioni cataboliche (è importante ricordarlo per quando parleremodella fermentazione)
Il NADP è mantenuto largamente nello stato ridotto → interviene quindi nellereazioni anaboliche
SONO QUINDI NECESSARI DUE TIPI DI PIRIDIN-NUCLEOTIDI
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I meccanismi di produzione di energia
A - RESPIRAZIONE
B - FERMENTAZIONE
C - FOTOSINTESI
Completa demolizione (=ossidazione) del substrato (fonte di energia) in CO2
Permette il massimo recupero di energia dal substrato ridotto
Respirazione AEROBIA: l’accettore finale di elettroni è l’O2
Respirazione ANAEROBIA: l’accettore finale di elettroni è un composto inorganicodiverso dall’O2 come per esempio NO2
-, CO3--, SO4
--
Non comporta la completa demolizione (=ossidazione) del substrato (fonte si energia)Non prevede il coinvolgimento dell’O2
È veloce ma energeticamente meno efficiente: minore ATP prodotto rispetto alla respirazione
L’accettore finale di elettroni è una molecola organica (per es. l’acetaldeide: CH3-COH)
D - LITOTROFIA:
Per es. METANOGENESI: un antico tipo di metabolismo di alcuni archeobatteriche utilizza H2 come fonte di energia e produce METANO
Ora ci occuperemo più nel dettaglio del metabolismo energetico di specificibatteri CHEMIO-ORGANOETEROTROFI che respirano o fermentano
una molecola INORGANICA è la fonte di energia (di elettroni)
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Il destino del glucosio in una cellula batterica
GLUCOSIO
PIRUVATO
glicolisi(via di Embden-Meyerhof-Parnas)
pathway dei pentoso-fosfati
pathway di Entner-Doudoroff
via della fruttosio-6-fosfato fosfochetolasi
(F6PPK)
1
2
3
4
lattica, alcolicaacido mista, eterolattica
metabolismo dei bifidobatteri
Il metabolismo energetico (catabolismo) degli eterotrofi
Le tre vie attraverso cui i batteri ottengono energia dalla degradazione di composti organici
respirazione aerobica
respirazione anaerobica fermentazione
A B
11
1 2 Glicolisi e Via dei pentoso-fosfati
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La prima parte della via, definita fase ossidativa, vede una serie di reazioni che ossidano il glucosio-6-fosfato a ribosio-5-fosfato, uno zucchero basilare per la sintesi dei nucleotidi. Nella seconda fase,definita non ossidativa, avviene l'epimerizzazione e l'isomerizzazione del ribosio-5-fosfato cheproduce, alla fine, fruttosio-6-fosfato e gliceraldeide-3-fosfato. Il fruttosio-6-fosfato è facilmenteinterconvertito in glucosio-6-fosfato attraverso l'enzima fosfofruttosio isomerasi e il ciclo può continuare
La via dei pentoso fosfati ha due scopi. Nella parte ossidativa serve a sintetizzare il ribosio-5-fosfato, precursore dei nucleotidi, mentre nella parte non ossidativa avvengono delletrasformazioni che rimettono in ciclo il fruttosio-6-fosfato, convertito facilmente in glucosio-6-fosfato. Questa seconda parte avviene perlopiù quando la cellula ha più necessità di potereriducente sotto forma di NADPH rispetto alla presenza di zuccheri o ribosio-6-fosfato
2 Via dei pentoso-fosfati (o degli esoso-monofosfati)
FASE OSSIDATIVA
FASE NON OSSIDATIVA
xilulosio-5-P
ribosio-5-P
ribulosio-5-Pglucosio-6-P 6-P-gluconato6-P-gluconato-
-δ-lattone
xilulosio-5-Pribosio-5-P sedoeptulosio-7-P
gliceraldeide-3Peritrosio-4-P xilulosio-5-P fruttosio-6-P
gliceraldeide-3P
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3 Via di Entner/Doudoroff
chetodeossi-fosfogluconato
aldolasi
glucosio
glucosio-6-P
esochinasi
glucosio-6-P deidrogenasi
6-fosfogluconato piruvato
piruvato
gliceraldeide-3-fosfato
6-P-gluconato-δ-lattone
lattonasi
deidratasi
2-cheto-3-deossi-6-fosfo gluconato
Via alternativa alla glicolisi tipica dei batteri. Tipica di alcune specieappartenenti al genere Pseudomonas e altri Proteobatteri che sonoprivi dell’enzima FOSFOFRUTTOCHINASI
È una via tipica anche di Zymomonas(yeast like bacterium), che produceETANOLO a partire dall’acido piruvico
acetaldeide
etanolo
NADH+H+
NAD+
batteri Gram-negativi della classe dei gamma-Proteobatteri(divisione Proteobatteri)
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si veda cosa fa!
DISTRIBUZIONE DELLE DIVERSE VIE DI UTILIZZAZIONE DEGLI ZUCCHERI TRA ALCUNI
BATTERI Microrganismo Embden-
Meyerhof Entner-
Doudoroff Arthrobacter spp. + - Azotobacter chroococcum + - Alcaligenes eutrophus - + Bacillus spp. + - Escherichia coli e altri batteri enterici
+ -
Pseudomonas spp. - + Rhizobium spp. - + Thiobacillus spp. - + Xanthomonas spp. - +
- A prescindere dal fatto che metabolizzi il glucosio attraverso la via Embden-Meyerhof o la via
Entner-Doudoroff, un batterio possiede tutti o molti degli enzimi della via dei pentosofosfati (shunt
dell’esoso monofosfato). Questa apparente ridondanza metabolica può trovare una spiegazione
nelle funzioni vitali della via dei pentosofosfati, relative alla generazione di NADPH e di altri due
precursori metabolici, il ribosio-5-fosfato e l’eritrosio-4-fosfato (quindi per anabolismo)
- La via di Entner-Doudoroff è di
grandissima utilità per quei
microrganismi che impiegano il
gluconato o il mannonato come
substrato
- Alcuni microrganismi comeEscherichia coli impiegano laglicolisi per il metabolismo delglucosio, ma quando il gluconatoviene fornito come substrato,allora vengono indotti gli enzimichiave della Entner-Doudoroff
glicolisi
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La respirazione
Ciclo di Krebs
ATP sintasi (FoF1 ATPasi)
glucosio
piruvato
A
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Con la RESPIRAZIONE si genera un gradiente di pH e un potenzialeelettrochimico che causano l’energizzazione della membrana (in modo «simile aduna batteria») e parte di questa energia può essere conservata dalla cellula
Così come lo stato di energia di una batteria è espresso in termini di forzaelettromotrice (in volt), così lo stato energizzato della membrana viene espressoin termini di forza proton-motrice (pure in volt)
Peter Mitchell nel 1961 propose la teoria della chemiosmosi, secondo la quale laforza per indurre la sintesi di ATP risiede nel gradiente protonico
La respirazioneA
La respirazione (aerobica) è un processo di ossido-riduzione
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IN
OUT
FlavoproteinaFerro-proteina
NON EMEe-e-
Coenzima Q
e-
e-Citocromo (EME)e-O2
RESPIRAZIONE:catena di trasporto degli elettroni
Al posto dell’ossigeno si possono
avere altri accettori finali di e- :
SO42-, Fe3+, Mn4+, NO3
-,CO2, S° ...
ATPSINTASI
A
http://www.youtube.com/watch?v=PjdPTY1wHdQ
http://www.youtube.com/watch?v=3y1dO4nNaKY
http://www.youtube.com/watch?v=oyR-cMu6DfQ
18
LA FERMENTAZIONE COME PROCESSO OSSIDO-RIDUTTIVO BILANCIATO AL SUO INTERNO
sostanza organica prodotto finale
NAD+
NADH
ATP
La fermentazioneÈ un processo metabolico anaerobico in cui il donatore e l’accettore di elettroni (e-)sono molecole organiche. Più precisamente, nel corso della fermentazione, uncomposto organico funge da donatore di e-, ossidandosi e generando nel contempoNADH (cioè NAD in forma ridotta). Il piridindinucleotide ridotto (NADH) non puòscaricare i suoi e- sulla catena di trasporto; perciò, per rigenerare il pool diNAD+ necessario alla cellula per il proseguimento del processo, avviene lariossidazione del NADH a spese di un composto intermedio del p rocesso, chefunge da accettore di e-. La FERMENTAZIONE è quindi un processo ossido-riduttivo bilanciato al suo interno
B
La fermentazione è un processo metabolico anaerobico tipico di microrganismianaerobi obbligati (es. Bifidobacterium spp.). Inoltre, molti anaerobi facoltativi (es.Escherichia coli), per la loro flessibilità metabolica, possono attuare la respirazione inaerobiosi e la fermentazione in assenza di O2 19
La fermentazioneB
Nella fermentazione non si ha la completa demolizione del composto di partenza,che viene solo parzialmente fermentato in uno o più prodotti finali per lo più ancoraorganici, che mantengono ancora parte dell’energia del composto iniziale. Pertantola resa energetica della fermentazione non è paragonabile a quella dei processirespiratori e l’ATP viene generato soltanto per trasferimento di un gruppo fosfatolegato ad un intermedio del processo con un legame ad alto contenuto energeticoall’ADP (fosforilazione a livello di substrato)
Rese teoriche in ATP per molecola di glucosio
RESPIRAZIONE: 36-38 molecole teoriche di ATP (2 da glicolisi, 2 dal ciclo di Krebs(GTP) e 32-34 dalla catena di trasporto degli elettroni)
FERMENTAZIONE ALCOLICA e LATTICA: 2 ATP
FERMENTAZIONE dei BIFIDOBATTERI: 2,5 ATP
Il metabolismo respiratorio è circa 15 volte più efficiente del metabolismo fermentativoIl metabolismo fermentativo, però, è molto rapido!
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La fermentazioneB
La glicolisi è la principale via che precede numerose fermentazioni. Per la maggior parte deiprocessi fermentativi la stessa glicolisi è anche la via che frutta alle cellule l’energia, scopo delprocesso metabolico (2 moli di ATP per mole di glucosio fermentato) attraverso le già citate reazionidi fosforilazione a livello di substrato. Le tappe successive della fermentazione hanno invece loscopo di consentire la riossidazione delle due moli di NADH, prodotte nell’ossidazione della 3-fosfogliceraldeide ad acido 1,3-difosfoglicerico, in quanto nei microrganismi anaerobi la catena ditrasporto degli elettroni è incompleta. Pertanto l’equilibrio ossido-riduttivo si ristabilisce medianteriossidazione del NADH a spese di un intermedio del processo a valle dell’acido piruvico. Inqualche caso, in questo tratto della fermentazione si ha ulteriore produzione di ATP, che porta laresa energetica della fermentazione a valori comunque di ben poco superiori a 2
Quasi sempre le varie vie fermentative sono caratteristiche di ben definiti gruppi microbici,i quali dimostrano un’elevata specificità di processo 21
La fermentazione alcolicaB1
Avviene anche nel già citato batterio Zymomonas
FERMENTAZIONE ALCOOLICA
glucosio
2 gliceraldeide-3- P
2 piruvato
2 etanolo
NADH
NAD
2ATP
4ATP
2 acetaldeide2 CO2
Equazione generale: glucosio 2 etanolo + 2 CO2
Resa energetica = 2 ATP
NAD
NADH
+
+
È caratteristica dei lieviti, che sono eumiceti unicellulari anaerobi facoltativi di cui èben noto il genere Saccharomyces. L’enzima-chiave di questa fermentazione è lapiruvato decarbossilasi
22
La fermentazione omolatticaB2
È operata dai batteri omolatticiod omofermentanti, anaerobi obbligati ossigeno-tolleranti appartenenti ai generi Grampositivi Streptococcus, Pediococcus, Lactobacillus…
In questa fermentazione è lo stesso acido piruvico di origine glicolitica a fungere da accettore di elettroni per la riossidazione del NADH, riducendosi così ad acido lattico
lattato deidrogenasi
23
La fermentazione acido-mistaB3
Gli enterobatteri come Escherichia,Salmonella, Shigella e i generi Proteus, Vibrioe Photobacterium sono microrganismi Gram-negativi anaerobi facoltativi che in anaerobiosifermentano il glucosio secondo questa via. Idiversi prodotti finali caratteristici di questoprovesso sono acidi organici a basso pesomolecolare quali acido formico, acido acetico,acido lattico e acido succinico e piccolequantità di etanolo (in E. coli e Proteus l’acidoformico è scisso in CO2 e H2 dalla formicoidrogenoliasi, un enzima la cui presenzaassume una rilevante importanzatassonomica e diagnostica)
I rapporti percentuali di questi prodotti variano neidiversi microrganismi e a seconda delle condizionicolturali e ambientali, sempre nel rispettodell’equilibrio ossido-riduttivo del processo
FERMENTAZIONE ACIDO-MISTA
glucosio
formiatoacetil-CoAacetaldeide
H2
2NADH
2ATP
CO2
NADH
etanolo
NADH
fosfoenolpiruvatoCO2
ossaloacetatosuccinato
2ATP
piruvato
acetil- P
CoA
ATP
acetato
NADH
lattatoNADH
(PEP)
formico idrogenoliasi
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Tipica di altre Enterobacteriaceae aventi come habitatil suolo o le acque (Enterobacter aerogenes e i generiErwinia, e Serratia, patogeni delle piante). Il prodottoprincipale è il 2,3-butilenglicol che si forma dallacondensazione di due molecole di piruvato con laliberazione di due molecole di CO2. In minorequantità si producono anche gli acidi della precedentefermentazione accanto a notevoli quantità di etanoloper il mantenimento dell’equilibrio ossido-riduttivo. InE. aerogenes è presente la formico idrogenoliasi
FERMENTAZIONE 2.3-BUTILENGLICOL
glucosio
formiatoacetil-CoAacetaldeide
CO2 H2
2 NADH
2 ATPNADH
CO2
NADH
etanolo
NADH
4
piruvatolattato
α-acetolattato
CO2
acetoina
NADH
2,3-butilenglicol
La fermentazione 2,3-butilenglicolicaB4
L’uso di questa via causa il decremento dellaformazione di acidi (il butilenglicole è neutro) e laformazione dell’intermedio ACETOINO. Coloro che sioccupano di analisi microbiologica dell’acqua possonodistinguere i coliformi fecali (ferm. acidomista) dai nonfecali (ferm. butileglicolica tipica dei generi comeKlebsiella) andando a svelare la presenza di acetoinoed un pH più alto
acetoino
2,3 butilenglicoleo butandiolo 25
Il glucosio viene fermentato adacido acetico, CO2 ed acidopropionico dal generePropionibacterium attraverso una viacomplessa detta delmetilmalonilCoA. Veillonella, il cuihabitat è il rumine dei bovini, compiela stessa fermentazione partendodall’acido lattico. Altri microrganismiproducono acido propionico da acidolattico attraverso una via diversa
La resa energetica, tra le piùelevate, include anche una mole diATP prodotto per fosforilazioneossidativa tramite una breve catenadi trasporto degli elettroni nellariduzione del fumarato a succinato(respirazione del fumarato)
FERMENTAZIONE PROPIONICA
3 CH3 - CHOH - C OOH
3NADH
32 HOOC - CH2 - C O - COOH
2 HOOC - CH2 - C HOH - COOH
2 HOOC - CH - CH - COOH-
NADH
H2O
2 HOOC - CH2 - CH2 - COOH
NADH
ATP
2 HOOC - CH2 - C H2 - CO SCoA
Coenzima B12
2 HOOC - CH - CO SCoA
CH3
2 CH3 - CH2 - CO SCoA
2 CH3 - CH2 - COOH
CO2 B iotina Biotina
CoA transferasi
CH3 - C O - COOH
VIA DEL METILMALONIL-CoA
in Propionibacterium e Veillonella
1.5 glucosio
3NADH 3ATP
ac. acetico
NADH
CO2
La fermentazione propionicaB5
Resa energetica = 5 ATP / 1,5 glucosio o 2 ATP / 3 ac. lattico 26
Si ritrova in Clostridium, sporigeno anaerobioobbligato ossigeno-intollerante, in grado difermentare il glucosio. Caratteristica di questavia è la produzione di CO2 e H2 nella reazionedel coenzima A (CoASH) con il piruvato. Ilprincipale prodotto finale è l’acido butirrico, lacui formazione consente il mantenimentodell’equilibrio ossido-riduttivo
In altre condizioni e per la presenza di ferredossina, parte dell’H2 liberato viene trasportato al NAD+, che si riossida scaricandosi sui prodotti acidi con conseguente produzione degli alcoolicorrispondenti
Alcuni Clostridi producono in particolaricondizioni butanolo e acetone, che sono diinteresse industriale
FERMENTAZIONE BUTIRRICA
glucosio
2CH3 - CO - COOH
2CH3 - CO - CoA
CH3 - CO - CH2 - CO - CoA
acetoacetil-CoA
2ATP2NADH
2CO2
2CoA
2FdOX
2FdRED
2H2
CoA
NADH
L (+) -β-idrossibutirril-CoA
CH3 - CH CH - CO - CoA
CH3 - CH - CH2 - CO - CoA
crotonil-CoA
OH
H2O
NADH
CH3 - CH2 - CH2 - CO - CoA
butirril-CoA
CoA
Pi
CH3 - CH2 - CH2 - CO - O - P
butirril fosfato
butirrato
CH3 - CH2 - CH2 - COOH
ATP
Equazione generale:
glucosio butirrato + 2CO2 + 2H2
Resa: 3 ATP
La fermentazione butirricaB6
Ferredossina
N.B.: la ferredossina è una ferro-zolfo proteina che media il trasferimento di elettroni in diverse reazioni metaboliche
2H+
Ferredossinaidrogenasi
27
La fermentazione omoaceticaB7
In alcuni clostridi, il glucosio (1 mole) viene stechiometricamente fermentato a 3 molidi acetato, una delle quali deriva dalla riduzione delle 2 moli di CO2, che provengonodalla scissione del piruvato ad acetil-CoA
Non va confusa con la produzione di acido acetico da parte di Acetobactere Gluconobaceter, i quali, per produrre acido acetico, non operano unafermentazione, ma ossidano l’etanolo ad acido acetico per recuperarepotere riducente (NADH + H+) 28
Aldolasi
Ha scarsa attività nei bifidobatteri
È assente nei bifidobatteri
4 Il metabolismo fermentativo dei bifidobatteri
Il fruttosio 1,6 bisfosfato funge da induttore della lattato deidrogenasi
B8
29
Fruttosio-6-P
Acetil-P
Acetato
Acetate
ATPADP
H2OPi
ATPADP
F6PPK (xfp)
Via fermetativa di Bifidobacteriumo
via della Fruttosio-6-P Fosfochetolasi
F6PPK (xfp)
2 D-gliceraldeide-3-P
H2OPi
2 Acetil-P
Fruttosio-6-P
D-xilulosio-5P
D-ribosio-5-P
D-gliceraldeide-3-P D-sedoeptulosio-7-P
D-ribulosio-5-P
D-xilulosio-5-P
Diidrossiaceton transferasi
D-eritrosio-4-P
2
1
2
ACETATO:LATTATO = 3:2
Formiato
Etanolo
4 B8
30
I BATTERI LATTICISono batteri Gram POSITIVI, immobili, chemioeterotrofi a forma di bastoncino o cocco
Il loro nome deriva dal fatto che formano ACIDO LATTICO come principale (e talvolta unico)prodotto finale del loro metabolismo energetico
Hanno un metabolismo fermentativo; sono tutti anaerobi con variabile capacità ditollerare l’ossigeno (con rare eccezioni, legate alla presenza di EME esogeno)
Sono incapaci di produrre ATP attraverso un metabolismo aerobio, a causa dell’incapacità disintetizzare citocromi o altri enzimi contenenti il gruppo eme. A causa dell’impossibilità diprodurre proteine eminiche, sono CATALASI NEGATIVI e quindi non possono operare ladecomposizione dell’H2O2 in H2O e O2
Una caratteristica propria dei batteri lattici è la loro elevata ACIDO-RESISTENZA, la qualeconsente loro di crescere fino a quando il pH raggiunge valori inferiori a 5. Questacaratteristica fisiologica è di grande importanza ecologica, perché permette loro di vincere lacompetizione di altri batteri in ambienti ricchi di materia organica. Come risultato della lorospecializzazione fisiologica, i batteri lattici sono confinati in pochi e caratteristici ambientinaturali: alcuni vivono in associazione con le piante e crescono a spese delle sostanze nutritiveliberate in seguito alla morte e alla decomposizione dei tessuti vegetali; si trovano quindi inalimenti e bevande preparate con materiale vegetale come sottaceti, crauti, foraggi insilati, vinoe birra. Altri fanno parte del normale microbiota degli animali (bocca, intestino, mucosavaginale). Infine, alcuni sono spesso associati al latte (per es. Streptococcus thermophilus)
31
Alcuni generi di batteri latticiStreptococcus
Enterococcus
LactococcusOenococcus
Lactobacillus
Carnobacterium
Pediococcus
Leuconostoc
32
Immagini al SEM 32
I BATTERI LATTICISulla base dei loro prodotti di fermentazione, sono divisi in tre sottogruppi metabolici
1 – OMOFERMENTANTI: degradano il glucosio via glicolisi e non sono in grado diutilizzare i pentosi. Il piruvato viene poi ridotto ad acido lattico, unico prodotto dellaloro fermentazione
2 – ETEROFERMENTANTI OBBLIGATI: non possono degradare il glucosio viaglicolisi in quanto non possiedono l’enzima FRUTTOSIO 1,6 DIFOSFATOALDOLASI che catalizza la scissione del fruttosio 1,6 difosfato in gliceraldeide-3-fosfato e diidrossi-acetone-fosfato. Per tale ragione essi fermentano il glucosioattraverso la via dei pentoso fosfati, ottenendo tre prodotti finali in rapportoequimolare: ACIDO LATTICO, ETANOLO e CO2. Possono utilizzare anche i pentosi,nel qual caso senza produzione di CO2. Possono produrre anche piccole quantità diacido acetico
3 – ETEROFERMENTANTI FACOLTATIVI: in presenza di ESOSI essi li fermentanoattraverso la glicolisi con produzione di solo ACIDO LATTICO, comportandosi perciòcome omofermentanti. In presenza di PENTOSI, effettuano l’ossidazione di talicomposti attraverso la via dei pentoso fosfati, senza produzione di CO2
L’acido lattico prodotto può essere in configurazione L, D oppure in miscela racemica DL
33
34
Eterofermentanti facoltativi
Omofermentanti
Zuccheri esosi esosi
Zuccheri pentosi
X
Esosi
Pentosi
Eterofermentanti obbligati
( )
in quantità ridotte
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TERRENI COLTURALI PER BATTERI LATTICI
Terreno MRS a pH 6,2-7: non selettivo, adatto per il mantenimento deilattobacilli
Terreno SL: selettivo per l’isolamento dei lattobacilli (tripticase, estrattodi lievito, citrato, glucosio, arabinosio, saccarosio, acetato, pH finale5,4)
Terreno ATB: adatto per l’isolamento di Oenococcus oeni (peptone,estratto di lievito, succo di pomodoro 25 %, pH finale 4,8)
Poiché i batteri lattici sono anaerobi (sebbene ossigeno tolleranti), i migliori
risultati di crescita si ottengono incubando le piastre di isolamento in giare di
anaerobiosi (Gas-Pak)
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I BATTERI ACETICIAppartengono alla famiglia delle Acetobacteraceae
Sono bastoncini Gram NEGATIVI, aerobi chemio-eterotrofi, catalasi positivi,termolabili e psicrotrofiSono marcatamente acidofili (crescono fino a pH 4, a concentrazioni di ac. acetico fino a 0,4 M)
Il pH ottimale è compreso tra 5,4 e 6,3. Acetobacter pasteurianus cresce anche a pH 3 sel’etanolo è inferiore all’8%
Tollerano basse concentrazioni di acido acetico; tollerano bene l’etanolo e molti ceppicrescono in un range compreso tra 8 e 15 %. La concentrazione tollerata dipende dapH, temperatura e concertazione di O2
Acetobacter: A. xylinus, A. aceti, A. pasteurianus, A. cerevisiae, A. pomorum
Gluconoacetobacter: G. xylinus, G. diazotrophicus, G. intermedius, G. liquefaciens
Gluconobacter: G. oxydans, G. frateurii
Altri generi e specie: Acidomonas methanolica, Asaia spp., Kozakia baliensis,Saccharibacter spp., Swaminathania spp., Frateuria spp.
I tre generi più noti:
Si localizzano soprattutto sulla superficie di piante, in particolare fiori e frutti
Sono microrganismi mesofili che crescono con temperatura ottimale intorno a 30 °C; alcuniceppi si riescono a sviluppare anche a 5 °C, altri sono blandamente termotolleranti (37-40 °C)
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Le specie più importanti nella produzione industriale dell’aceto sono:
- Acetobacter aceti subsp. orleanensis
- Acetobacter aceti subsp. xylinum (madre dell’aceto)
- Acetobacter pasteurianus subsp. lovaniensis
- Acetobacter pasteurianus subsp. ascendens
- Acetobacter pasteurianus subsp. paradoxus
In particolare, i membri del genere Acetobacter sono particolarmente importati da un punto di vista industriale (sia positivamente che negativamente) per diversi motivi, tra i quali:1. sono usati per la produzione dell’aceto (usati per convertire intenzionalmente l’etanolo del
vino o di altri prodotti alcolici in acido acetico)2. possono deteriorare il vino producendo quantità eccessive di acido acetico o etil-acetato
(entrambi rendono sgradevole il vino). La crescita di Acetobacter nel vino può essere inibitaattraverso la completa eliminazione dell’ossigeno durante la conservazione del vino oppurecon l’aggiunta di moderate quantità di SO2
3. sono usati per acidificare intenzionalmente alcune birre aventi periodi di maturazione lunghi (per esempio per la produzione della birra tradizionale Flemish Sour Ale)
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Peculiarità metaboliche
Gli zuccheri sono ossidati esclusivamente attraverso la via del pentosio fosfatoL’acetato deriva dalla ossidazione parziale della materia organica e non da un veroprocesso di fermentazione
Il PIRUVATO è trasformato attraverso una decarbossilazione non ossidativa ad
acetaldeide (la decarbossilazione ossidativa del piruvato ad Acetil-CoA e CO2,
tipicamente presente nel processo di respirazione, non avviene in quanto il
COMPLESSO DELLA PIRUVATO DEIDROGENASI nei batteri acetici è inattivo)
In particolare, i batteri acetici sono caratterizzati da metabolismo aerobio conossidazione incompleta dei substrati organici
I batteri acetici sono aerobi obbligati aventi metabolismo aerobio (respirazioneaerobica)
Utilizzano diverse fonti di carbonio, dagli zuccheri agli aminoacidi. Preferisconoetanolo, glicerolo, lattato, mannitolo, sorbitolo, fruttosio, glucosio
Come fonte di azoto molti ceppi utilizzano NH4+
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I BATTERI ACETICI
via del pentosio fosfato
Glucosio
pentosi-P
interconversione non ossidativa
triosi-P
ACIDO LATTICO
CO2
Ac. piruvico
ultime tappe della glicolisi
decarbossilazione non ossidativa
Gluconobacternon ha un ciclo di Krebs funzionale e non può dunque ossidare l’acetato
In Acetobacteril ciclo di Krebs è inibito solo a concentrazioni elevate di etanolo
Acetil-CoA
Ciclo deiTCA
CO2
CO2
Ac. acetico
per opera dell’enzima aldeide deidrogenasi
acetil-CoA ligasi
NAD+ NADH+H+
AcetaldeideETANOLO
NAD+ NADH+H+
alcol deidrogenasi
lattato deidrogenasi
NAD+
NADH+H+
tutto il NADH generato in queste reazionidi ossidazione è destinato alla catena ditrasporto degli elettroni, per creare ilgradiente di H+ che permette la sintesidell’ATP
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