METABOLISMO MICROBICO

Parecchi aspetti del metabolismo microbico sono comuni a quelli degli organismi superiori: ad

esempio il trasporto di elettroni associato alle reazioni di ossido-riduzione, o l’uso della molecola di

ATP (adenosina trifosfato) come principale fonte di energia chimica e forma di utilizzazione

dell’energia.

Le varie analogie sono alla base della teoria dell’unitarietà biochimica tra gli esseri viventi (Kluiver,

1925) e i batteri sono stati spesso usati come modello sperimentale per studi di reazioni

biochimiche, essendo essenzialmente identiche, dal punto di vista molecolare, con quelle degli altri

organismi.

Tuttavia nei microrganismi, e nei procarioti in particolare, sono presenti parecchi tipi di processi (ad

esempio, per generare energia) che sono sconosciuti negli organismi superiori.

I microrganismi sono caratterizzati da una grande versatilità metabolica, sia tra le varie specie sia

all’interno della stessa specie o ceppo. Ad esempio, E. coli può produrre energia per respirazione o

fermentazione, può utilizzare l’O2 come accettore finale di elettroni (respirazione aerobia) o al

contrario respirare in condizioni anaerobiche utilizzando un diverso accettore terminale di elettroni,

inoltre può utilizzare il glucosio e il lattosio come fonte di carbonio ottenendo tutte le biomolecole

necessarie (aminoacidi ecc.).

Da un punto di vista nutrizionale e metabolico esistono, per semplificare, tre principali gruppi di

microrganismi:

1. Gli eterotrofi chemiorganotrofi

2. I chemioautotrofi o chemiolitotrofi

3. I fotosintetici

1.Gli eterotrofi chemiorganotrofi

In questo caso l’energia si ottiene per ossidazione dei composti organici. I carboidrati (il glucosio in

particolare) sono i più comuni composti organici utilizzati sia come fonte di energia sia come fonte

di carbonio. L’ossidazione di questi composti ha come risultato la sintesi di ATP come fonte di

energia chimica utilizzabile per tutti i processi vitali. L’ATP può essere generato con un processo di

fosforilazione a livello di substrato, o con un processo di fosforilazione ossidativa. Il primo caso

è tipico della fermentazione: in tale processo si ha un’ossidazione non completa della molecola

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organica e l’accettore finale di elettroni è un’altra molecola organica interna allo stesso processo.

Quando l’ossidazione della molecola organica è completa e l’accettore finale di elettroni è l’O 2 si

parla di respirazione (aerobia in questo caso).

L’ossidazione completa del glucosio coinvolge tre vie biochimiche: a) la glicolisi (via di Embden

Meyerhof Parnas) b) il ciclo degli acidi tricarbossilici (ciclo di Krebs) c) la fosforilazione

ossidativa. La glicolisi è una delle possibili vie, nei procarioti, di utilizzazione del glucosio ed è un

processo comune anche al metabolismo anaerobico e fermentativo.

Glicolisi

Figura 1. La via Embden Meyerhof. Tale via è comune anche al metabolismo anaerobico e fermentativo

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Ritornando alla fermentazione, è bene fissare alcuni concetti che riguardano questo processo. Si

tratta di un’ossidazione parziale di una molecola organica; il NAD+ (nicotinammide adenina

dinucleotide) è sempre ridotto a NADH che funge da trasportatore di elettroni; l’eccesso di NADH

è un fattore limitante del processo fermentativo e il pool di NAD+ è rigenerato con la riduzione di

un composto organico interno al processo; l’acido piruvico è un intermedio fondamentale nel

processo fermentativo; l’energia (ATP) è prodotta con reazioni di fosforilazione a livello di

substrato; le rese energetiche sono basse e vanno da un minimo di 1 ATP a un massimo di 4 ATP.

A partire dall’acido piruvico è possibile ottenere vari prodotti finali che distinguono le varie

fermentazioni batteriche.

Nella fermentazione omolattica l’unico prodotto finale è l’acido lattico che si ottiene per riduzione

diretta dell’acido piruvico e quindi rigenerazione di NAD+. Questa fermentazione è tipica di

Lactobacillus sp ed è usata per ottenere vari prodotti alimentari (yogurth ecc.).

La fermentazione acido-mista è tipica degli Enterobatteri. I prodotti finali sono un miscuglio di

acidi organici (acido lattico, acetato, acido propionico ecc.), alcool (l’etanolo si ottiene per

decarbossilazione dell’acido piruvico e riduzione dell’acetaldeide ad opera del NADH) e gas (CO2,

H2 ). Nella fermentazione butanediolica, oltre al miscuglio di acidi, alcool e gas, prima descritta, si

forma il butanediolo per condensazione di due molecole di acido piruvico. L’uso di questa via

causa il decremento della formazione di acidi (il butanediolo è neutro) e la formazione di un

particolare intermedio, l’acetoino. Coloro che si occupano di analisi microbiologica dell’acqua

possono distinguere i coliformi fecali (fermentazione acido mista) dai coliformi non fecali

(formazione di butanediolo tipica di generi come Klebsiella) andando a svelare la presenza di

acetoino e un pH più alto.

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Figura 2. Fermentazioni batteriche

In base alla presenza di un unico prodotto finale di fermentazione o di più prodotti, possiamo

distinguere i microrganismi rispettivamente in omofermentanti o eterofermentanti.

Gli eterofermentanti non usano in genere la glicolisi, ma utilizzano delle vie alternative di

catabolizzazione del glucosio, come lo shunt degli esoso-monofosfati (o via dei pentoso-fosfati).

In tale via si ha l’ossidazione diretta del glucosio-6 fosfato a acido 6-fosfogluconico e per

decarbossilazione e ulteriore ossidazione si ha la sintesi del pentosofosfato. Il pentosofosfato, ad

opera dell’enzima chiave fosfochetolasi, è scisso in 3-fosfogliceraldeide e acetilfosfato.

A partire dalla 3-fosfogliceraldeide si ha la stessa sequenza di reazioni della glicolisi e quindi la

formazione di acido piruvico che viene ridotto ad acido lattico. L’acetilfosfato per riduzione dà

origine all’acetaldeide che verrà ridotta ad etanolo. Questa via metabolica è impiegata da alcune

specie appartenenti al genere Leuconostoc e da alcune specie di Lactobacillus eterofermentanti.

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Shunt degli esoso-monofosfati (via dei pentoso-fosfati)

Figure 3. Tale via è utilizzata nella fermentazione eterolattica

Un’altra via metabolica tipica dei batteri e alternativa alla glicolisi è la via denominata Entner-

Doudoroff. Questa via è tipica dei batteri aerobi-obbligati (ad esempio alcune specie appartenenti al

genere Pseudomonas) che sono privi di un enzima fondamentale nel processo glicolitico, la

fosfofruttochinasi (formazione del fruttosio 1-6 difosfato). Il glucosio viene ossidato a

chetodeossifosfogluconato, a sua volta questa molecola viene scissa dall’enzima chiave

chetodeossifosfogluconato-aldolasi, in due molecole più piccole: l’acido piruvico e la 3P-

gliceraldeide. A partire dalla 3P-gliceraldeide, con le stesse modalità della glicolisi, si arriva alla

formazione di acido piruvico.

La via Entner-Doudoroff può essere usata come via fermentativa da batteri come lo Zymomonas sp

(yeast like bacterium) che produce etanolo a partire dall’intermedio acido piruvico con le reazioni

già descritte (decarbossilazione con formazione dell’acetaldeide e successiva riduzione).

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Figura 4. La via di fermentazione Entner-Doudoroff

Tabella 1. Prodotti finali di alcune fermentazioni microbiche

Via metabolica Enzima -chiave Etanolo Lattato CO2 ATP

Embden-Meyerhof

Saccharomyces fructose1,6 diP aldolase 2 0 2 2

Embden-Meyerhof

Lactobacillus fructose1,6 diP aldolase 0 2 0 2

Eterolattici

Streptococcus phosphoketolase 1 1 1 1

Entner-Doudoroff

Zymomonas KDPG aldolase 2 0 2 1

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La respirazione è invece un processo in cui si ha una completa ossidazione del substrato organico.

Il ciclo di Krebs è richiesto proprio per tale processo: infatti, l’acido piruvico, dopo la conversione

in Acetil CoA, imbocca la via degli acidi tricarbossilici, ciò conduce a una completa ossidazione

del glucosio a CO2 e alla formazione di intermedi che verranno utilizzati per la biosintesi di

molecole come gli aminoacidi (aspetto anabolico del ciclo di Krebs). L’accettore finale di elettroni

(nella respirazione aerobica) è l’O2 che non riceve subito gli elettroni da parte del NADH, ma dopo

una sequenza di passaggi in cui sono coinvolti sistemi di trasporto con un potenziale di ossido-

riduzione via via sempre più positivo, fino ad arrivare alla coppia con potenziale redox più alto

(O2/H2O).

Tale sistema di trasporto degli elettroni (catena respiratoria) è associato alla membrana

citoplasmatica (nei procarioti) e la sua costituzione varia parecchio tra una specie batterica e l’altra,

oltre che tra procarioti e eucarioti.

Alcuni trasportatori sono comuni, oltre al NADH reduttasi e alla Flavoproteina, il coenzima Q

(unico trasportatore non proteico) e i citocromi. Nei batteri sono presenti citocromo-ossidasi

multiple, mentre nei mitocondri è presente un solo tipo di citocromo-ossidasi. Tuttavia, a parte le

differenze di organizzazione della catena respiratoria, la funzione è comune: al sistema di trasporto

degli elettroni, attraverso trasportatori a diverso potenziale redox, è associata la formazione di un

gradiente di protoni H+ tra la membrana e lo spazio periplasmatico (nei batteri), questo stato ad alta

energia è denominato forza protono-motrice.

L’enzima trans-membranario, ATP-asi, utilizza questo stato ad alta energia per la sintesi di ATP.

Il processo di respirazione aerobica può essere schematizzato in questo modo:

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Respirazione aerobica

PMF: forza protono-motrice

Tratto da.: The Diversity of Metabolism in Procaryotes, Department of Bacteriology University Wisconsin, USA

La reazione generale del processo respiratorio che interessa il glucosio è:

Glucosio + 6 O2 ----------> 6 CO2 + 6 H2O + energia (ATP)

A tale reazione esoergonica corrispondono circa 700.000 calorie per molecola di glucosio; la

produzione massima di energia utilizzabile è di 38 ATP (pari a circa 380.000 calorie), la resa

energetica si avvicina quindi al 50% (il resto dell’energia viene dissipato come calore).

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Figura 5. Ciclo degli acidi tricarbossilici (TCA) o ciclo di Krebs

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Figura 6. Aspetti anabolici del ciclo degli acidi tricarbossilici

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In alcune specie batteriche la completa ossidazione del substrato organico avviene utilizzando

accettori finali di elettroni diversi dall’O2 . Questo tipo di respirazione in assenza di ossigeno è

tipica degli anaerobi facoltativi (come Escherichia coli), di batteri del suolo (batteri

denitrificanti) e degli archea. Nel caso di E.coli l’accettore finale di elettroni può essere il nitrato o

un composto organico come il fumarato che viene ridotto a succinato (da notare che a differenza del

processo fermentativo, la molecola organica che funge da accettori di elettroni è esterna alla via

metabolica). I batteri denitrificanti appartenenti al genere Bacillus o Pseudomonas, presentano

come accettare alternativo di elettroni il nitrato (NO3-), gli enzimi implicati in tale processo sono

delle reduttasi: a secondo del numero di elettroni accettati si possono formare NO2-, NH3 o N2 come

prodotti finali.

I metanobatteri (archea) utilizzano la CO2 come accettore finale di elettroni: questo processo è la

fonte principale di produzione di CH4 (metano) del pianeta. In questo caso però si tratta di un

processo di produzione di energia particolare-la metanogenesi- piuttosto che di respirazione vera e

propria.

Altri microrganismi ( Desulfovibrio) utilizzano composti ossidati, ad esempio i solfati (SO4--), come

accettori finali di elettroni, dando origine a H2S e ad altri composti ridotti dello zolfo: sia la

metanogenesi, sia la riduzione dei solfati sono tipici di microrganismi che vivono in ambienti

fortemente anaerobici come i sedimenti del fondo di laghi ecc.

Tabella 2. Accettori di elettroni nella respirazione e metanogenesi nei procarioti

Elettroni accettori Prodotto ridotto finale Tipo di processo Microrganismo

O2 H2O respirazione aerobica Escherichia, Streptomyces

NO3 NO2, NH3 or N2 denitrificazione Bacillus, Pseudomonas

SO4 S or H2S riduzione solfati Desulfovibrio

fumarato succinato

respirazione anaerobica 

Escherichia

CO2 CH4 metanogenesi Methanococcus

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2. I chemioautotrofi o chemiolitotrofi

Ai microrganismi chemioautotrofi o chemiolitotrofi appartengono batteri che utilizzano

l’ossidazione di composti inorganici come fonte di energia e la CO2 come fonte di carbonio.

L’energia necessaria alla riduzione della CO2 in glucosio (reazione endoergonica) non deriva dalla

energia radiante (come vedremo nella fotosintesi), ma dall’ossidazione di piccoli composti

inorganici. A questo gruppo di microrganismi appartengono i batteri nitrificanti che sono i

principali protagonisti del ciclo dell’azoto nella biosfera. Le forme ridotte dell’azoto, NH3 o NO2,

vengono convertite in una forma ossidata come NO2- o NO3

- rispettivamente da batteri come

Nitrosomonas o Nitrobacter .

Thiobacillus denitrificans (tipico di fumarole e sorgenti calde vulcaniche) è in grado di ossidare i

composti ridotti dello zolfo (H2S) e di utilizzare come accettore finale di elettroni NO3- che viene

convertito in N2: in questo caso assistiamo a un processo di denitrificazione associato

all’ossidazione di un composto inorganico.

Alcune specie appartenenti al genere Pseudomonas potrebbero essere classificate come

“chemioautotrofe facoltative”. Infatti di solito queste specie sono chemiorganotrofe e quindi

eterotrofe, ma la presenza di enzimi particolari li rende capaci di utilizzare composti inorganici

come fonte di energia. Queste specie possono utilizzare H2 (idrogeno) come fonte di energia

ossidandolo ad acqua: tale processo avviene grazie ad una idrogenasi che trasferisce gli elettroni al

NAD+ che a sua volta li immette nel sistema di trasporto degli elettroni. Anche il Metanobacterium

(Archea) può utilizzare l’idrogeno come fonte di energia e ossidarlo ad H2O.

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Tabella 3. Vari gruppi fisiologici di chemioautotrofi o chemiolitotrofi  

physiological group energy source oxidized end product organism

hydrogen bacteria H2 H2O Alcaligenes, Pseudomonas

methanogens H2 H2O Methanobacterium

carboxydobacteria CO CO2 Rhodospirillum, Azotobacter

nitrifying bacteria* NH3 NO2 Nitrosomonas

nitrifying bacteria* NO2 NO3 Nitrobacter

sulfur oxidizers H2S or S SO4 Thiobacillus, Sulfolobus

iron bacteria Fe ++ Fe+++ Gallionella, Thiobacillus

Figura 6. Processi ossidativi nei chemioautotrofi

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3. I fotosintetici

In realtà anche in questo gruppo sono presenti vari modelli metabolici: fotosintetici autotrofi

ossigenici; fotosintetici autotrofi non ossigenici; fotosintetici eterotrofi o fototrofi facoltativi.

Ai fotosintetici autotrofi ossigenici (o fotoautotrofi) appartengono i cianobatteri che hanno

molti aspetti in comune, per quanto riguarda il processo fotosintetico, con le alghe e le piante.

Questi microrganismi utilizzano l’energia radiante come fonte di energia e la CO2 come fonte di

carbonio.

L’energia luminosa viene catturata da pigmenti speciali (la clorofilla a e b, nelle piante e alghe, la

clorofilla a nei cianobatteri) localizzati nella membrana interna dei cloroplasti (piante e alghe) o

nella faccia interna di un sistema di membrane organizzato, nei cianobatteri.

Accanto alla clorofilla che assorbe nello spettro 650-750 nm, sono tipici dei cianobatteri pigmenti

accessori come i carotenoidi o le ficobiliproteine. I pigmenti sono organizzati in forma di

aggregati in due fotosistemi (altro aspetto in comune tra cianobatteri, alghe e piante);

l’assorbimento di un quanto di luce (fotone) passa da pigmento a pigmento fino ad arrivare al

centro di reazione del fotosistema. L’assorbimento del fotone da parte del centro di reazione del

fotosistema determina un salto di un elettrone a un livello energetico superiore: questo stato

intermedio ad alta energia deve essere convertito in un forma utilizzabile per la cellula (energia

chimica, ovvero ATP). Vediamo in che modo: l’elettrone ad alta energia viene trasportato

attraverso un sistema di trasporto di membrana costituito da ferro-sulfo proteina (P430),

ferrodoxine, chinone e citocromi. I due fotosistemi lavorano in modo coordinato: il fotosistema

I assorbe fotoni di lunghezza d’onda superiore a 700nm, l’elettrone che viene liberato dal suo

centro di reazione passa attraverso la catena dei trasportatori e raggiunge il NADP che viene

ridotto a NADPH. Il buco elettronico che si determina nel fotosistema I viene colmato da un

elettrone che si genera nel fotosistema II e che giunge al fotosistema I grazie al sistema dei

trasportatori. L’energia che viene rilasciata durante il trasferimento dell’elettrone da un citocromo

all’altro è accoppiata alla fosforilazione di ADP con sintesi di ATP (fotofosforilazione). Il buco

elettronico del fotosistema II viene colmato dalla fotolisi dell’acqua, con un processo ancora poco

chiaro.

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Il processo fotosintetico può essere schematizzato in questo modo:

Fase luminosa e fase oscura della fotosintesi

pmf: forza protono-motrice

Tratto da: The Diversity of Metabolism in Procaryotes, Department of Bacteriology University Wisconsin, USA

Per concludere, i cianobatteri utilizzano l’H2O come donatore di elettroni (in realtà la molecola

riducente è il NADPH) e l’ATP generato nel processo di fotofosforilazione come fonte di energia

per sintetizzare a partire dalla CO2 il glucosio (fase oscura della fotosintesi o ciclo di Calvin).

La reazione generale del processo fotosintetico è:

6 CO2 + 6 H2O + energia (ATP) ----------> Glucosio + 6 O2

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Ai fotoautotrofi non ossigenici appartengono i batteri sulfurei verdi e i batteri sulfurei

purpurei. Questi microrganismi utilizzano l’energia luminosa come fonte di energia e la CO2 come

fonte di carbonio, ma utilizzano composti ridotti dello zolfo come donatori di idrogeno, anziché

acqua e quindi il processo si svolge senza produzione di O2. Questi batteri presentano un solo

fotosistema e hanno un pigmento particolare chiamato batterioclorofilla che assorbe nel range 800-

1100nm.

I batteri verdi e i batteri purpurei non sulfurei sono dei fototrofi facoltativi, infatti possono

anche utilizzare composti organici come fonte di energia ed effettuano un’efficiente respirazione in

presenza di O2. Le specie più studiate appartenenti al genere Rhodospirillum e Rhodobacter

utilizzano la luce come fonte di energia, ma utilizzano acidi organici come fonte di carbonio. Il

processo fotosintetico è anossigenico, infatti questi batteri usano una grande quantità di composti

donatori di elettroni ( ad eccezione dell’acqua e dei composti ridotti dello zolfo). Il tipico habitat di

queste specie è caratterizzato da grande irradiazione solare, bassa tensione di O2 ed alta

concentrazione salina (si tratta di batteri alofili).

Alcune specie come Halobacterium halobium, appartenenti agli Archea, presentano un particolare

pigmento proteico, chiamato batteriorodopsina, coniugato ad un retinoide che cattura la luce

dando origine direttamente a un gradiente di protoni H+ attraverso la membrana, flusso che si

associa alla sintesi di ATP. Questo è l’unico esempio in natura di fotofosforilazione non

fotosintetica. Questi microrganismi sono normalmente eterotrofi, vivono in ambienti estremamente

iperosmotici e l’alta concentrazione salina limita la disponibilità di O2 per la respirazione, così

hanno sviluppato un meccanismo di produzione alternativo di ATP utilizzando la batteriorodopsina

che modifica la propria conformazione, per favorire il flusso di protoni H+ espulsi in seguito alla

fotoattivazione. La forza protono motrice generata dalla batteriorodopsina fotoattivata viene

utilizzata anche per effettuare scambi ionici tra sodio e potassio, ciò permette la sopravvivenza di

questi microrganismi in ambienti dove le concentrazioni saline sono molto alte.

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Tabella 4. Differenze nel processo fotosintetico tra cianobatteri e batteri fotoautotrofi non ossigenici

cyanobacteria photosynthesis bacterial photosynthesis

organisms Cyanobacteria, plants, algae purple and green bacteria

type of chlorophyllchlorophyll a

absorbs 650-750nm

bacteriochlorophyll

absorbs 800-1000nm

Photosystem I

(cyclic photophosphorylation) present present

Photosystem I

(noncyclic photophosphorylation) present absent

Produces O2 yes no

Photosynthetic electron donor H2OH2S, other sulfur compounds or

certain organic compounds

Fase oscura della fotosintesi (Ciclo di Calvin)

Figura 8. Il ciclo di Calvin e le relazioni con la sintesi di biomolecole e materiale cellulare

La riduzione di CO2 a glucosio richiede 18 ATP e 12 NADPH2

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Bibliografia

1) The Diversity of Metabolism in Procaryotes: http://www.bact.wisc.edu/Bact303/bact303metabolism

2) Bacterial Metabolism: http://gsbs.utmb.edu/microbook/ch004.htm

3) Metabolism Introduction

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