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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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DG°=-7.3 Kcal/mole

Conservazione dell’energia nel legame fosforico dell’ATP

+ H2O

ATPADP

+HPO42- + H+

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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

10NADH

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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

FADH2

flavina adenina dinucleotide

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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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c1

c2

Esterno cellulaInterno cellula

<0

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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).

2 - Diffusione facilitata

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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

Interno cellula

c1

c2

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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

Interno cellula

c1

c2

3 – Trasporto attivo

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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 CELLULARELa 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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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.

Stechiometria della crescita cellulare senza formazione di prodotti

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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):

In tal caso la stechiometria della crescita aerobica di chemioeterotrofi può essere rappresentata come:

aCHxOy+bHlOmNm+cO2 -> CHaObNd+dH2O+eCO2+fCHvOwprodotto

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.

S

PY

SP

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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

𝑌∆ = 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑎 (𝑔)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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O2 + 1 g substrato

Combustione substrato

Combustione biomassa

Respirazionecon formazionedi biomassa (metabolismo)

H2O + CO2

Qs (Kcal)

H2O + CO2 + YX/S biomassa (g)YX/SQx (Kcal)𝑌𝑋/𝑆𝑌∆ + 𝑌𝑋/𝑆𝑄𝑋= 𝑄𝑆 (Kcal)

𝑌𝑋/𝑆𝑌∆ + 𝑌𝑋/𝑆𝑄𝑋= 𝑄𝑆 Da cui 𝑌∆ = 𝑌𝑋/𝑠𝑄𝑆− 𝑌𝑋/𝑆𝑄𝑋

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.

Dal 1° principio della TD, applicato al ciclo:

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

O2 + 1 g substrato

Combustione substrato

Combustione biomassa

Respirazionecon formazionedi biomassa (metabolismo)

H2O + CO2

Qs (Kcal)

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

YX/SQx + YP/SQP (Kcal)

𝑌𝑋/𝑆𝑌∆ + 𝑌𝑋/𝑆𝑄𝑋= 𝑄𝑆 (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).

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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.