DIVERSITÀ METABOLICA i procarioti, nel loro insieme...
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DIVERSITÀ METABOLICA i procarioti, nel loro insieme, possono utilizzare: quasi tutti i composti naturali Qualche composto xenobiotico Sono quindi importanti per i cicli biogeochimici Per il biorisanamento
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DIVERSITÀ METABOLICAi procarioti, nel loro insieme, possono utilizzare:
quasi tutti i composti naturali
Qualche composto xenobiotico
Sono quindi importanti per i cicli biogeochimici
Per il biorisanamento
mineralizuccheri oligoelementiProteine vitamine
Per acquisire nutrienti e trasformarli in macromolecole organiche, i procarioti possono usare molte e diverse strategie
Il metabolismo energetico è l’insieme delle reazioni biochimiche che si verificano in una cellula vivente
prodotto
∆“G”
substrato
L’energia liberata in una reazione, che diventa disponibile per svolgere un lavoro utile alla cellula batterica è “energia libera”: un fattore determinante nel metabolismo microbico
La variazione di energia libera (Δ G) in una reazione, dipende dalla concentrazione di substrato e prodotto e dal pH
Una reazione, con Δ G negativo (che rilascia energia libera) è spontanea e si definisce ESOERGONICA
se il ΔG di una reazione è positivo, la reazione non è spontanea (tenderà a verificarsi invece la reazione contraria) e si dice ENDOERGONICA
prodotto
ΔG-substrato
prodottoΔG+
substrato
Gli enzimi accoppiano una reazione esoergonica e una reazione endoergonica
prodotto
substrato
prodotto
substrato
abbassano l’energia di attivazione di una reazione e facilitano il metabolismo
L’energia di attivazione è l’energia libera richiesta da una molecola per entrare in una determinata reazione
La velocità della reazione è inversamente proporzionale all’energia di attivazione richiesta
VELOCE
LENTA
H
HH
Si ossida Si riduceidrogeno
+
Libera energia
Esotermica(esoergonica)
assorbe energia
endotermica(endoergonica)
H
OH
L’uso dell’energia chimica coinvolge reazioni redox
ossigeno
-
- +
elettroni
Donatore di elettroni
Si ossida Si riduce
Accettore di elettroni
FONTE DI ENERGIA
- +
L’energia liberata in una reazione è proporzionale alla differenza di E0 tra i composti coinvolti nella reazione
La tendenza a cedere o acquisire e-
è il potenziale redox (E0)
E0 negativo: riducentiTENDONO A OSSIDARSI ERIDURRE ALTRI COMPOSTIV
E0 positivo: ossidantiTENDONO A RIDURSI
OSSIDANDO ALTRI COMPOSTI
Nei processi di produzione di energia intervengono i trasportatori intermedi di elettroni
CoenzimiLIBERI
CHE PERMETTONO IL TRASFERIMENTO DEGLI ELETTRONI DAL DONATORE PRIMARIO ALL’ACCETTORE TERMINALE
FISSATI
NADPNAD
FMN-FADCITOCROMICHINONI
e-
Il metabolismo ha due facce
anabolismo
catabolismo
Anabolismo
(luminosa o chimica)Energia (luminosa o chimica)
Energia per Mobilità, trasporto nutrienti
Prodotti di scartoProdotti di scarto
NutrientiMacromolecole e altriMacromolecole e altricomposti cellulari
Energia perle biosintesi
Catabolismo
Catabolismo
RespirazioneAerobia-Anaerobia
Fermentazione(Anaerobia)
Foto- energia : direttamente dalla lucechemo- energia : da reazioni chimiche, non
direttamente dalla luceorgano- donatore di elettroni: organico
lito- donatore di elettroni: inorganicoauto- Carbonio (fonte di) = CO2
etero- Carbonio (fonte di) composti organici
Nello studiare le strategie metaboliche microbiche si tiene conto della fonte di energia, del composto che cede gli elettroni e della fonte di carbonio
Le categorie si combinano definendo gruppi microbici metabolicamente differenti
Tutte le combinazioni possono esistere, ma le più comuni sono quattro
I MICRORGANISMI
Fonte di carbonio: CO2 inorganicoAUTOTROFISintetizzano il proprio nutrimentoriducendo CO2
Fonte di carbonio: molecole organicheETEROTROFIUsano come nutrientimolecole organiche
CO2
Fonte di energia: luce solareFOTOAUTOTROFI
Fonte di energia: legami chimiciCHEMOAUTOTROFI
AUTOTROFI
CO2CO2
Fonte di energia: luce solareFOTOETEROTROFI
Fonte di energia: legami chimiciCHEMOETEROTROFI
ETEROTROFI
Fotoautotrofi
microrganismi che possono vivere in assenza di composti organici
Cianobatteri
rossi sulfurei
verdi sulfurei
Chemoautotrofi.
batteri che ossidano lo zolfo
archaebatteri metanogeni
Fotoeterotrofi
hanno bisogno di composti organici come fonte di carbonio cellulare ma non per l’energia
Di questo gruppo fanno parte gli archibatteri alofili
I batteri non sulfurei
verdi rossi
l’ossidazione del substrato è incompleta
FERMENTAZIONEreazione redox tra due molecole organiche
con stato di ossidazione simile
Composto organico(donatore)
Composto organico ossidato(accettore)
Composto organico ridotto(prodotto)
NADPNAD
l’energia non si libera completamente
La resa energetica è bassa
~P
L’energia liberata viene immagazzinata come ATP
Composto organico(donatore)
Composto organico ossidato(accettore)
Composto organico ridotto(prodotto)
prodotto durante il catabolismo dei composti organici fermentati
Con un processo di fosforilazione a livello del substrato
ADPenergia ATP
NAD
fermentazione del glucosio:due passi
Gli elettroni vengono accettati dal coenzima NAD, che si riduce
e‐e‐NADH
1) il glucosio viene ossidato e si forma piruvato (glicolisi)
Glucosio Acido piruvico
elettroni
I batteri impiegano vie diverse per svolgere questo processo
Via di Embden-Meyerhoff (EM)(eucarioti e batteri enterici)
Via dei pentoso-fosfati (tipica dei batteri acidolattici)
Via di Entner-Douderoff (ED) (Pseudomonas; Archibatteri)
NADH
NAD
elettroni piruvato
Prodotti finali
fermentazione del glucosio:
GlucosioGLICOLISI
ossidazione del glucosio+ riduzione coenzimi
Acido piruvico(INTERMEDIO)
Acido piruvico(INTERMEDIO)
FERMENTAZIONIriduzione del piruvato+ ossidazione coenzimi
PRODOTTIFINALI
GlucosioG‐6P
3‐GADP
Eterolattica:Acido latticoEtanoloCO2
OmolatticaAcido lattico
Acidi misti:Acido aceticoAcido succinicoEtanoloCO2 , H2
propionica:Acido propionicoAcido aceticoCO2
butanediolica:ButanoloCO2
Butirrico‐butilica:ButanoloIsopropanoloAcetoneCO2
alcolica:Alcol etilico + CO2
PIRUVATO
I°II°
III°
Fermentazione etanolica (Saccharomyces cerevisiae)
Fermentazioni acidolattiche (Lactobacillus, Streptococcus, Lactococcus)
Omolattica (produzione di formaggio, yoghurt..): ottiene acido lattico come unico prodotto
Eterolattica (produzione dei crauti): ottiene acido lattico, etanolo e CO2
fermentazione propionica (substrato acido lattico)tipica di Propionobacterium,importante nella produzione di Emmenthal.
fermentazione ad acidi misti
caratteristica della famiglia delle Enterobacteriaceae, per la quale può avere valore diagnostico
Il piruvato è convertito in molti prodotti, specialmente acido acetico, acido lattico ed etanolo
(la composizione esatta dei vari prodotti è specie-specifica)
Fermentazione butanolica (acido butirrico) alcune specie di Clostridium. I prodotti sono acido butirrico (odore di burro rancido), n-butanolo e acetone
(importanti prodotti industriali)
Fermentazione ad aminoacidi misti: vengono deaminati e decarbossilati (ridotti e ossidati simultaneamente) diversi aminoacidi. Molto importante per conferire aromi particolari ad alcuni vini e formaggi.
ACCETTOREESTERNO
DONATORE
A differenza di quanto accade nella fermentazione, il processo di respirazione può sfruttare un accettore di e- che non fa parte della catena (esterno)
O2(aerobia)
Fe3-/NO3/SO4(anaerobia)
e-
L’ossidazione è completa Corg CO2
la presenza di un accettore di elettroni “esterno” comporta notevoli vantaggi
La netta differenza redox tra donatore iniziale e accettore terminale permette la sintesi di un numero maggiore di molecole di ATP
ACCETTOREESTERNO
IL METABOLISMO RESPIRATORIO SI SVOLGE IN TRE FASI:
GLICOLISI
CICLO DI KREBS
FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
Attraverso le stesse vie usate dalla fermentazione
Ma con una resa energetica superiore
generazione di ATP durante l’ossidazione dei coenzimi ridotti (NADH, FADH) attraverso una catena di trasporto di e-
FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
Il trasporto genera un gradiente di protoni attraverso la membrana
il gradiente di protoni permette la sintesi di ATP
Ciclo di Krebs o dell’acido tricarbossilico (TCA)
Ottiene 3 molecole di CO2 attraverso l’ ossidazione completa dell’ acido piruvico
Trasportatori di elettroni:NAD/FAD
Ciclo di Krebs o dell’acido tricarbossilico (TCA)
Ottiene 3 molecole di CO2 attraverso l’ ossidazione completa dell’ acido piruvico
PIRUVATO
CO2
Ac-CoA
Trasportatori di elettroni:NAD/FAD
- ossalacetato
CO2
CO2
citrato
generazione di ATP durante l’ossidazione dei coenzimi ridotti (NADH, FADH) attraverso una catena di trasporto di e-
FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
Il trasporto genera un gradiente di protoni attraverso la membrana
il gradiente di protoni permette la sintesi di ATP
NDHFP
FeS
QH2CITs
CO
NAD
Gli elettroni sono trasferiti fino all’accettore terminale, che si riduce
i trasportatori sono disposti secondo il potenziale redoxNADH
½O2
H2O
I protoni che non vengono trasferiti sono espulsi e restano all’esterno della cellula
i trasportatori che trasferiscono anche protoni si alternano con quelli che trasferiscono solo elettroni
2H2O
Gli ioni ossidrile negativi restano all’interno
2H+
2OH‐
2H2O
2H+
2OH‐
2H2O
2H+
½ O2
acido
La separazione delle cariche sui due versanti della membrana crea una forza protomotrice che guida la sintesi di ATP
++ + + + + + + +
+
++
+
+
++
++ + + + ++
++
+++
++
++ + +
‐‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
‐
‐‐‐‐
‐‐
‐‐ ‐ ‐ ‐ ‐‐
‐‐
‐‐‐
‐‐
‐‐ ‐ ‐
alcalino
H+
H+H+
Il trasporto di elettroni, con il gradiente di protoni che si forma ENERGIZZA la membrana
I protoni vengono incanalati attraverso una proteinaF1F0 sintasi (ATPasi di membrana) che ne usa l’energia
per la sintesi di ATP
H+
H+
~PADP
energia
ATP
A seconda della [ATP] e dall’entità del gradiente attraverso la membrana
F0 è una proteina idrofoba che attraversa la membrana e porta gli ioni a F1, che aggetta sul versante citoplasmatico
F1 catalizza due tipi di reazioneATP ADP + PiADP + Pi ATP
[ATP] gradiente
Ingresso H+/ ADP ATP
[ATP] gradiente
uscita H+/ ATP ADP
RESPIRAZIONE AEROBIA E ANAEROBIAHANNO IN COMUNE ALCUNI COMPONENTI DEL TRASPORTO
MA ACCETTORI TERMINALI DIVERSI
O2NO3/SO4Fe3-
e‐e‐
La produzione di energia è maggiore nella respirazione
La variazione di energia libera infatti è profondamente diversaGlucosio CO2 - H2O , ΔG = -686 kcal/mole (respirazione)
Glucosio acido lattico, Δ G = -58 kcal/mole (fermentazione)
Nella respirazione vengono prodotte 38 molecole di ATP per molecola di glucosioNella fermentazione solo due
R F
? COME MAI ?
LA FERMENTAZIONE PERO’ GARANTISCE LA VITA DI MOLTISSIMI MICRORGANISMI
La Risposta è nel concetto di efficienza
quanta dell’energia rilasciata viene effettivamente immagazzinata?
La respirazione ha un’efficienza del 40% circa; la fermentazione ha un’efficienza di oltre il 50%
Chemoeterotrofi
Saprofiti(Materia morta)
dipendono completamente dai composti organici.
e patogeni(Materia organica viva)
si trovano in questo gruppo
i microrganismi fotosintetici convertono l’energia luminosa in energia chimica
Molecole complesse Anabolismo
ENERGIAluminosa
Energia chimica
Utilizzata per le sintesi della cellula batterica
batteri rossi sulfurei (Chromatiaceae)
batteri rossi non sulfurei (Rhodobiaceae)
batteri verdi sulfurei (chlorobiaceae)
Cianobatteribatteri verdi non sulfurei
(Chloroflexaceae)
PER UTILIZZARE L’ENERGIA LUMINOSA SONO NECESSARIE LE CLOROFILLE
Possiedono una Clorofilla a
I Cianobatteri
Come quella degli eucarioti
hanno Batterioclorofille
I BATTERI ROSSI E VERDI
R5
R6
R4
R1
R3
R2
R7
con picchi di assorbimento diversi
catturano la luce da 470 a 630 (giallo-verde)
dove le clorofille non arrivano
Trasferiscono l’energia alla clorofilla
ampliano lo spettro utilizzabile e proteggono i batteri da una eccessiva intensita’ luminosa
I PIGMENTI ACCESSORI
carotenoidi, ficobiliproteine;ficoeritrina e ficocianina
CLOROFILLE E PIGMENTI ACCESSORI SONO RIUNITI IN “ ANTENNE”
antenna (circa 300 molecole di clorofilla)
energia luminosa
centro di reazione (trasporto fotosintetico di e-)
I BATTERI VERDI E ROSSI SULFUREI (ANAEROBI) SVOLGONO UNA FOTOFOSFORILAZIONE ANOSSIGENICA E CICLICA
le loro batterioclorofille assorbono luce nell’intervallo 800-1100 nm
Chromatiaceae Chlorobiaceae
Il donatore di elettroni, per la fissazione di CO2 è H2S (o altri composti ridotti dello zolfo)
0
+0,5
‐1
+0,25CIT
CIT
E0
CIT
CIT
Fs
Q
Fd
870*
840*
Emette un elettrone ad alta energia (ECCITONE)
l’eccitone genera una forza protomotrice passando per una catena di trasportatori
E torna alla batterioclorofilla che riprende lo stato originale
870
840
La clorofilla, colpita dalla luce, cambia stato
0
+0,5
‐1
NADH
Q
CIT
CIT
870*
Nelle Chromatiaceae, il potenziale dei chinoni (~0) è maggiore di quello dell’NAD+
(-0,32) che non può essere ridotto direttamente
Parte dell’energia ottenuta è quindi spesa per rigenerare il potere riducente indispensabile per fissare CO2
E0 > NADP+/NADPH
Solfuri,tiosolfatiAcido succinico (rossi non sulfurei)
E0
NADH
CIT
CIT
Fs
Q
+0,25
Fd
840*
Nelle Chlorobiaceae, P840* assume un valore di E0 più fortemente negativo; la ferro-zolfo proteina, attraverso la ferredossina,
può ridurre direttamente NAD+.
L’energia si divide tra il pool di chinoni e la ferredossina ATP + NADH
0
‐1
H2S / S2O32-
Composti ridotti dello zolfo possono anche donare e- direttamente al citocromo C553
Possono trasferire elettroni direttamente a NAD+
H2 ha E0 tanto basso (-0,42 volt) da ridurre direttamente NADP (-0,32)
le specie che possiedono idrogenasi(catalizza l’ossidazione di H2 )
Idrogenasi !
TRASFERIMENTO DIRETTO
Microrganismi fotoetrotrofibatteri rossi e verdi non sulfurei;
archeobatteri alofili (Halobacteraceae)
usano l’energia luminosa ma non fissano CO2 e necessitano di fonti di carbonio organiche
respirazione anaerobia/fermentazione
O2
Respirazione aerobia
Luce buio
Assenza di O2
Luce buio
fotosintesi
T0 T4hLUCE + ANAEROBIOSI
nei batteri rossi non sulfurei (Rhodobiaceae) l’ossigeno inibisce la sintesi delle ICM
In anaerobiosi è presente un sistema di membrane che si diramano dalla IM e supportano i pigmenti fotosintetici neoformati
La transizione da respirazione a fotosintesi è completa nel giro di circa quattro ore
le Halobacteraceae non usano clorofille
Sono archibatteri aerobi e ossidano il carbonio organico usando O2 come accettore
Vivono in ambienti dove la concentrazione salina ostacola la respirazione ma la luce è forte
L’energizzazione della membrana è operata dalla batteriorodopsina, connessa a un retinale che ne separa due emicanali interni
la batteriorodopsinatrasferisce H+ all’esterno
Luce
retinale cambia conformazione
emicanali si uniscono
Fotofosforilazione non ciclica:Cianobatteri, proclorofite
due fotosistemi in tandem: acqua come donatore di elettroni e ossigeno come prodotto di scarto
p680
PS-II con la clorofilla “A” P680
PS-I con la clorofilla “A” (P700)
P700
+1,2
‐1,2
0
p680
P700
+1,2
‐1,2
0
PS-I, riduce NADP+ a NADPH
PS-IIgenera ATP
FNR
2NADP+
2NADPH
PS-I e PS-II producono energia e potere riducente usando acqua come donatore di elettroni formando ossigeno come prodotto di scarto
p680
P7002H2O
O2 + 4H+
+1,2
‐1,2
0
P680 (~1.3) può sottrarre elettroni all’acqua (+0,82)
Quello emesso da P680 reintegra P700
Entrambe le clorofille emettono un eccitone
E0 > NADP+/NADPH
TRASPORTO INVERSO DI ELETTRONI
(Rossi sulfurei e non sulfurei)
e‐
batteriofeofitina
P700
Q
Cytbc1
PQ
P700P870
Cytc2
Solfuri,tiosolfatiAcido succinico (rossi non sulfurei)
NAD+
Termodinamicamente SFAVOREVOLE
Attinge al potenziale di membrana
e‐ATP
2e‐
Fe-S
P700
Q
Cytbc1
PQ
P700P840
Cytc553
P840
MODIFICAZIONE DELLA FOTOFOSFORILAZIONE CICLICA
(verdi sulfurei)
H2S / S2O32‐
NAD+
O2
O2
La fotosintesi ossigenica dei cianobatteri produsse tanto O2 da causarne una presenza stabile nell’atmosfera
O2
L’ossigeno è divenuto parte integrante dell’atmosfera nel paleo-medio proterozoico
La presenza/assenza di OSSIGENO nella produzione di energia è il risultato di una lunga storia
La presenza di vaste stratificazioni di ossidi di ferro nei sedimenti fossili ha permesso di datare questo avvenimento
Archeano: O2 = 1%
Paleoproterozoico: O2 = 15%
4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Presente
Anossico Ricco di O2
O2 inaumento
Formazionedella Terra
microrganismianaerobi
Fotosintesiossigenica
Eucarioti Animali
I microrganismi “aerobi” che hanno bisogno di ossigeno
Hanno dovuto anche evolvere strategie di difesa nei confronti delle sue forme tossiche
la respirazione aerobia si sviluppò in risposta all’aumentata tensione di O2nell’atmosfera rappresentando un vantaggio come meccanismo di detossificazione e
di produzione di energia
3O2 (ossigeno tripletto) è il normale stato di base dell’ossigeno
Durante molte reazioni foto o bio-chimiche, può prodursi ossigeno singoletto (1O2 )
La forma singoletto ha una maggiore energia e una grande reattività
Molto tossica (provoca reazioni incontrollate)
1O2
1O2
1O2
L’ossigeno singoletto è prodotto spesso in ambienti fortemente illuminati
I microrganismi che vivono in ambienti dove sono esposti alla presenza di ossigeno singoletto producono spesso pigmenti carotenoidi
Anione superossido
Perossido di idrogeno (H2O2 )
Radicale idrossile
ALTRE FORME TOSSICHE
O2-
H2O2
OH .
Queste forme tossiche sono prodotte durante la riduzione dell’ossigeno molecolare a H2O (respirazione)
O2
H2O
O2-
H2O2
OH .
e-+
O2- e-+ + 2H+
H2O2 e-+ + H+
OH . e-+ + H+
H2O
La detossicazione è affidata a enzimi che eliminano il perossido di idrogeno
H2O2
catalasi
H2OH2O2
H2O2 H2O
O2
Le perossidasi hanno bisogno di cofattori riducenti
H2O2
perossidasi
H2OH2O2
H2O
NAD+
NADHNADH
H+
O2-
Contro il prodotto più tossico, il radicale ossidrile (OH. ) non ci sono enzimi ma la rimozione di H2O2 ne previene la formazione
superossidodismutasi
O2-
O2-
H+
H+
H2O2
O2
