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:

AnabolismoAnabolismo

Catabolismo

1

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 (∆G>0) e per poter

avvenire devono essere accoppiati con reazioni che avvenire devono essere accoppiati con reazioni che

forniscono energia libera (∆G<0) quali p.es. l’idrolisi dell’

adenosintrifosfato (ATP) ad adenosindifosfato (ADP).

ATP + H2O → ADP + Pi (fosfato)

2

3

+ H2O

ATPADP

∆∆∆∆G°=-7.3 Kcal/mole

Conservazione dell’energia nel legame fosforico dell’ATP

+HPO42- + H+

4

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 (∆G<0) e spesso

accoppiati con reazioni che portano alla formazione di

composti ad elevato contenuto energetico quali la reazione 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

∆∆∆∆G°=+7.3 Kcal/mole5

Le reazioni metaboliche sono catalizzate da enzimi.

6

7

8

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

9

NADH 10

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)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.11

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).

12

FAD

FADH2

flavina adenina dinucleotide

13

14

cal

15

TRASPORTO ATTRAVERSO MEMBRANE CELLULARI

Il trasporto delle specie chimiche attraverso membrane cellulari

può avvenire secondo 3 diversi meccanismi:

1. Diffusione passiva

2. Diffusione facilitata2. Diffusione facilitata

3. Trasporto attivo

16

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.

17

c1

c2

Esterno cellulaInterno cellula

ϕ

<0

18

19

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

2 - Diffusione facilitata

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).

20

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

c

ϕ

Interno cellula

c1

c2

21

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 ∆∆∆∆G>0 il processo necessita di energia libera.

(ATP+H2O -> ADP+Pi )

Esterno cellula

c

ϕ

3 – Trasporto attivo

Interno cellula

c1

c2

22

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 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.23

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.

24

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, Metalli in tracce, necessari per l’attivazione di certi enzimi: Mn, Fe,

Co, Cu, Zn

25

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

26

27

Stechiometria della crescita cellulare senza formazione di prodotti

QR (quoziente respiratorio) = Moli CO2 formate

Moli O2 consumate

=e/c

Noto QR, si hanno 5 equazioni in 5 incognite e si possono

determinare i coeff. Stechiometrici.28

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 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.

29

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):

S

PY

SP ∆

∆=

In tal caso la stechiometria della crescita aerobica di

chemioeterotrofi può essere rappresentata come:

aCHxOy+bHlOmNm+cO2 -> CHαOβNδ+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.30

PRODUZIONE DI CALORE

Le cellule usano l’energia molto efficientemente, tuttavia parte

dell’energia del substrato è rilasciata come calore.

Fattore di resa

�∆ =������ ��� ���� (�)

������ ��������� (����) �∆ =

������ ��� ���� (�)

������ ��������� (����)

Indicando con:

Qs = calore di combustione del substrato (Kcal/g)

Qx = calore di combustione della biomassa (Kcal/g)

31

O2 + 1 g substrato

Combustione substrato

Combustione biomassa

Respirazione

con formazione

di biomassa (metabolismo)

H2O + CO2

Qs (Kcal)

H2O + CO2 + YX/S biomassa (g)Y Qx (Kcal)��/�

�∆

+(Kcal)

Dal 1° principio della TD, applicato al ciclo:

H2O + CO2 + YX/S biomassa (g)YX/SQx (Kcal)��/�

�∆

+(Kcal)

��/�

�∆

+ ��/��� = �� Da cui�∆ =

��/

�� − ��/���

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.32

In presenza di prodotto:

QP = calore di combustione del prodotto (Kcal/g)

O2 + 1 g substrato

Combustione substrato

Combustione biomassa

Respirazione

con formazione

di biomassa (metabolismo)

H2O + CO2

Qs (Kcal)

H2O + CO2 + YX/S biomassa (g)+YP/S prodotto (g)

YX/SQx + YP/SQP (Kcal)

��/�

�∆

+(Kcal)��/�

�∆

+(Kcal)

Da cuiSP

SPX

SX

SX

QQYQYY

Y=++

∆ PS

PXS

XS

SX

QYQYQ

YY

−−=∆

Per mantenere la temperatura al valore prefissato durante la

fermentazione è in genere necessario sottrarre calore mediante

scambio termico con un fluido refrigerante (acqua).33

TRASFERIMENTO DI OSSIGENO AL MEZZO DI COLTURA

34

35

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.36