Adattamento ad ambienti estremi Prof. Giorgio Sartor Copyright © 2001-2009 by Giorgio Sartor. All...
-
Upload
jovanni-stefani -
Category
Documents
-
view
220 -
download
1
Transcript of Adattamento ad ambienti estremi Prof. Giorgio Sartor Copyright © 2001-2009 by Giorgio Sartor. All...
Adattamento ad ambienti estremi
Prof. Giorgio Sartor
Copyright © 2001-2009 by Giorgio Sartor.
All rights reserved.
Versione 1.0.1 – apr 2009
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 2 -
Ambienti estremi
• Sedimenti• Sorgenti idrotermali terrestri e
marine
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 3 -
Lo zolfo
• In natura è presente fondamentalmente come:– N.O. = -2; Solfuro (S2-, HS-, H2S)
– N.O. = 0; Zolfo (S2),
– N.O. = +4; Solfito (SO32-)
– N.O. = +6; Solfato (SO42-)
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 4 -
Origine
• Residui di combustione• Eruzioni vulcaniche• Sorgenti idrotermali• Sedimenti
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 5 -
Composti organosolfurei
• Viene incorporato nei composti organici in forma ridotta:
– Cisteina
– Metionina
– AcetilCoA
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 6 -
Ambienti estremi
• Alcuni organismi si sono adattati a vivere in presenza di composti dello zolfo:– Sedimenti– Sorgenti idrotermali terrestri e marine
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 7 -
Lo zolfo nei sedimenti
Stratoossidato
Acqua
Aria
SedimentoStrato didiscontinuità
Strato anossico
H2S SO3 + H2O
SO4--
FeS
H2S Proteine
H2S
+400 mV
-200 mV
0 mV
Diffusione
Ossidazioni chimicheBatteri solfuro ossidanti
Putrefazione
Batterisolfato
riduttori
Batterifototrofi
S
Batterifototrofi
Batterisolfato
riduttori
O2
Ossidazione
Riduzioneassimilativa
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 8 -
Lo zolfo nelle sorgenti idrotemali
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 9 -
Sorgenti idrotermali
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 10 -
Riduzione dei solfati
Cellule fotosintetiche(batteri fototrofi, alghe...)
Ferridossina (PSI )
Cellule non fotosintetiche(batteri, funghi)
NADPH
SO42- S2-
8e-
no = +6 no = -2
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 11 -
Riduzione assimilativa dei solfati
NNO
N
OH
N
NH2
OH
OPO
O
OS
O
OO
N
ON
N
OHO
N
NH2
P
O
OOO
PO
O
OS
OO
O
*
SH
*
SH
Tioredossina
*
S
*
S
Tioredossina
N
ON
N
OHO
N
NH2
P
O
O O
OP
O O
O
SO42-
S2-
no = +6
no = -2
ATP PP
2Pi
ATP-solforilasiEC 2.7.7.4
ATP ADP
APS chinasiEC 2.7.1.25
Adenosina-5'-fosfosolfato(APS)
3'-fosfoadenosina--5'-fosfosolfato
(PAPS)
3'-fosfoadenosina--5'-fosfato
(PAP)
SO32-
3NADPH3NADP+ PAPS reduttasiEC 1.8.4.8
Solfito reduttasiEC 1.8.7.1
3H+3H2O
Mg2+ Mg2+
no = +4
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 12 -
Riduzione assimilativa dei solfati
NNO
N
OH
N
NH2
OH
OPO
O
OS
O
OO
N
ON
N
OHO
N
NH2
P
O
OOO
PO
O
OS
OO
O
*
SH
*
SH
Tioredossina
*
S
*
S
Tioredossina
N
ON
N
OHO
N
NH2
P
O
O O
OP
O O
O
SO42-
S2-
no = +6
no = -2
ATP PP
2Pi
ATP-solforilasiEC 2.7.7.4
ATP ADP
APS chinasiEC 2.7.1.25
Adenosina-5'-fosfosolfato(APS)
3'-fosfoadenosina--5'-fosfosolfato
(PAPS)
3'-fosfoadenosina--5'-fosfato
(PAP)
SO32-
3NADPH3NADP+ PAPS reduttasiEC 1.8.4.8
Solfito reduttasiEC 1.8.7.1
3H+3H2O
Mg2+ Mg2+
no = +4
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 13 -
Riduzione assimilativa dei solfati
NNO
N
OH
N
NH2
OH
OPO
O
OS
O
OO
N
ON
N
OHO
N
NH2
P
O
OOO
PO
O
OS
OO
O
*
SH
*
SH
Tioredossina
*
S
*
S
Tioredossina
N
ON
N
OHO
N
NH2
P
O
O O
OP
O O
O
SO42-
S2-
no = +6
no = -2
ATP PP
2Pi
ATP-solforilasiEC 2.7.7.4
ATP ADP
APS chinasiEC 2.7.1.25
Adenosina-5'-fosfosolfato(APS)
3'-fosfoadenosina--5'-fosfosolfato
(PAPS)
3'-fosfoadenosina--5'-fosfato
(PAP)
SO32-
3NADPH3NADP+ PAPS reduttasiEC 1.8.4.8
Solfito reduttasiEC 1.8.7.1
3H+3H2O
Mg2+ Mg2+
no = +4
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 14 -
Animali
• Gli animali non sono in grado di utilizzare il solfato come tale
• Formano PAPS a partire da APS nella biosintesi dei mucopolisaccaridi (condroitinsolfato)
O
O
*
OH
OH
O
O
O NH
O
O
CH3
*S
O
O
O
O
OH
n
SO
O
O
O
O
*
OH
OH
O
O
OH NH
O
O
CH3
*
O
O
n
Condroitin 4-solfato Condroitin 6-solfato
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 15 -
Animali
• Gli animali non sono in grado di utilizzare il solfato come tale
• Formano PAPS a partire da APS nella biosintesi dei mucopolisaccaridi (condroitinsolfato)
N
ON
N
OHO
N
NH2
P
O
OOO
PO
O
OS
OO
O N
ON
N
OHO
N
NH2
P
O
O O
OP
O O
OO
NHOH
O O
O
*
CH3O
OH
OH
OH*
OH
O
n
O
O
*
OH
OH
O
O
O NH
O
O
CH3
*S
O
O
O
O
OH
n
Condroitin4-solfotransferasi
EC 2.8.2.5
3'-fosfoadenosina--5'-fosfosolfato
(PAPS)
3'-fosfoadenosina--5'-fosfato
(PAP)
+ +
Condroitina Condroitin 4-solfato
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 16 -
Batteri solforiduttori
• Utilizzano il solfato (e lo Zolfo) come accettore finali di elettroni nella catena respiratoria anaerobica
Composti ridotti del carbonio
(Lattato, etanolo, propionato formiato)
ATP
CO2 + H2O
e-
ATP
ATP
SO4-- + H2O
(S; Cys; polisolfati)
O2
H2O
S2-
FASEAEROBICA
FASEANAEROBICA
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 17 -
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 18 -
Riduzione disassimilativa del solfato
• Viene utilizzato un solo ATP per formare APS
NNO
N
OH
N
NH2
OH
OPO
O
OS
O
OO
N
ON
N
OHOH
N
NH2
OPO
O
OSO4
2-
S2-
ATP PP
2Pi
ATP-solforilasiEC 2.7.7.4
APS reduttasiEC 1.8.99.2
Adenosina-5'-fosfosolfato(APS)
AMP
SO32-
3NADPH
3NADP+
Solfito reduttasiEC 1.8.7.1
3H+
3H2O
Mg2++
NADP+NADPH
SO32-
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 19 -
H2S
• L’acido solfidrico in acqua è presente come gas disciolto e come ione:
• La parte non dissociata (H2S) è anche presente come gas solubile nei lipidi
• La sua tossicità è legata alla sua capacità di legarsi al Fe2+ nelle metalloproteine (citocromi, Hb…)
H2S HS- + H+
HS- S-- + H+
pKa' = 7.02
pKa'' = 11.7
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 20 -
H2S
• Poiché il pKa della reazione di prima dissociazione è 7.02,
• Bastano piccole variazioni di pH verso l’acidità per aumentare la quota di H2S.
H2S HS- + H+
H2S
H2S HS- + H+
H2S HS- + H+
Aria
Acqua
Fluidicircolatori
Citoplasma
pH
Più acido
Più basico
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 21 -
H2S
• Si lega alla citocromo ossidasi (complesso IV) a livello del Cyt a3
(inibizione 50% con 1M H2S)
• Si lega all’emoglobina• È un forte nucleofilo (riduce –S-S-)
– Per gli animali l’assenza di H2S dall’ambiente non è una garanzia, viene prodotto dalla flora intestinale anaerobica.
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 22 -
Adattamento al H2S
• Gli organismi che vivono in ambienti dove è presente H2S lo riescono a tollerare attraverso diversi meccanismi:– Esclusione: viene impedito l’accesso di H2S
nelle cellule;
– Citocromo ossidasi insensibili a H2S;
– Metabolismo anaerobico;– Batteri simbionti;– Detossificazione;– Immobilizzazione.
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 23 -
Adattamento al H2S
• Gli organismi che vivono in ambienti dove è presente H2S lo riescono a tollerare attraverso diversi meccanismi:– Esclusione: viene impedito l’accesso di H2S
nelle cellule;
– Citocromo ossidasi insensibili a H2S;
– Metabolismo anaerobico;– Batteri simbionti;– Detossificazione;– Immobilizzazione.
DIFESA PASSIVA(non consuma ATP)
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 24 -
Adattamento al H2S
• Gli organismi che vivono in ambienti dove è presente H2S lo riescono a tollerare attraverso diversi meccanismi:– Esclusione: viene impedito l’accesso di H2S
nelle cellule;
– Citocromo ossidasi insensibili a H2S;
– Metabolismo anaerobico;– Batteri simbionti;– Detossificazione;– Immobilizzazione.
DIFESA ATTIVA(consuma ATP)
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 25 -
Adattamento al H2S
• Esclusione.– L’esclusione totale non è possibile, si
impedirebbe il passaggio di altri gas (O2, CO2)
– Si è in presenza piuttosto di una ridotta permeabilità ai gas attraverso una variazione della composizione lipidica delle membrane.
– Animali che vivono nei sedimenti e nelle vicinanze di sorgenti idrotermali profonde.
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 26 -
Adattamento al H2S
• Citocromo ossidasi insensibili a H2S– Per quanto riguarda gli animali di sedimento
non è provato che esistano specie che sfruttano tale difesa.
– Alcuni batteri presentano una citocromo ossidasi resistente all’inibizione da ione solfito.
– Animali che vivono nei sedimenti
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 27 -
Adattamento al H2S
• Metabolismo anaerobico– Così come nell’anossia il passaggio
all’anaerobiosi presuppone• Una concentrazione variabile di H2S
• Una scarsa attività metabolica
– Animali che vivono nei sedimenti
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 28 -
Adattamento al H2S
• Batteri simbionti.– La strategia della simbiosi con batteri che
utilizzano H2S è legata alla necessità di trasferirlo ai batteri senza danneggiare l’ospite.
– Si sono evoluti sistemi che trasportano H2S insieme all’ossigeno (emoglobine nel verme tubolare Riftia Pachypila) o da solo (altre proteine di alto peso molecolare nel mollusco Calyptogena Magnifica)
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 29 -
Riftia Pachyptila
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 30 -
Riftia Pachyptila
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 31 -
Calyptogena Magnifica
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 32 -
Adattamento al H2S
• Batteri simbionti.– Il solfuro può venire usato dai batteri per
produrre ATP e NAD(P)H oppure, in alcune specie come nel bivalve Soleyma Reidi, convertito in tiosolfato ad opera di una solfito ossidasi.
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 33 -
Adattamento al H2S
• Detossificazione – Nei granchi che
vivono nelle vicinaze delle sorgenti idrotermali (Bythograea thermydron) si ha conversione diretta H2S S2O3
--
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 34 -
Adattamento al H2S• Immobilizzazione attraverso
l’ossidazione non enzimatica.– Per proteggere l’emoglobina dal
legame con H2S in alcune specie opera l’ematina
– In grado di ossidare H2S
– Anche altri metalli (Ni++, Co++, Mn++, Cu++, Fe++) sono in grado di catalizzare l’ossidazione di H2S in presenza di O2
– Un ruolo analogo potrebbe essere svolto dalla ferritina dei mammiferi per detossificare dal H2S prodotto da batteri anaerobi.
NHN
NH N
Fe+++
COOH COOH
CH3
CH2
CH3
CH2
CH3
CH3
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 35 -
Adattamento al H2S• Immobilizzazione attraverso
l’ossidazione non enzimatica.– Per proteggere l’emoglobina dal
legame con H2S in alcune specie opera l’ematina
– In grado di ossidare H2S
– Anche altri metalli (Ni++, Co++, Mn++, Cu++, Fe++) sono in grado di catalizzare l’ossidazione di H2S in presenza di O2
– Un ruolo analogo potrebbe essere svolto dalla ferritina dei mammiferi per detossificare dal H2S prodotto da batteri anaerobi.
H2S
Me++
S2
insolubileprecipita
Ossidazione
MeS
Metallotioneine
gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 36 -
Referenze sul WEB• Vie metaboliche
– KEGG: http://www.genome.ad.jp/kegg/• Degradazione degli xenobiotici:
http://www.genome.ad.jp/kegg/pathway/map/map01196.html• Struttura delle proteine:
– Protein data bank (Brookhaven): http://www.rcsb.org/pdb/– Hexpasy
• Expert Protein Analysis System: http://us.expasy.org/sprot/• Prosite (protein families and domains): http://www.expasy.org/prosite/• Enzyme (Enzyme nomenclature database):
http://www.expasy.org/enzyme/– Scop (famiglie strutturali): http://scop.berkeley.edu/
• Enzimi: – Nomenclatura - IUBMB: http://www.chem.qmw.ac.uk/iubmb/– Proprietà - Brenda: http://www.brenda.uni-koeln.de/– Expasy (Enzyme nomenclature database): http://www.expasy.org/enzyme/
• Database di biocatalisi e biodegradazione: http://umbbd.ahc.umn.edu/• Citocromo P450: http://www.icgeb.org/~p450srv/• Metallotioneine: http://www.unizh.ch/~mtpage/MT.html• Tossicità degli xenobiotici: Agency for Toxic Substances and Disease Registry
http://www.atsdr.cdc.gov
Crediti e autorizzazioni all’utilizzo
• Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da:http://www.ambra.unibo.it/giorgio.sartor/
• Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l’autore usando questa frase:
Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio SartorUniversità di Bologna a Ravenna
Giorgio Sartor - [email protected]