Il metabolismo ha due facce
ANABOLISMO
CATABOLISMO
Anabolismo
Energia (luminosa o chimica)
Energia per Mobilità, trasporto nutrienti
Prodotti di scarto
Nutrienti Macromolecole e altri composti cellulari
Energia per le biosintesi
Catabolismo
prodotto
Δ“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 ( G) in una reazione, dipende dalla concentrazione di substrato e prodotto e dal pH
Una reazione, con G negativo (che rilascia energia libera) è spontanea e si definisce ESOERGONICA
se il G di una reazione è positivo, la reazione non è spontanea (tenderà a verificarsi invece la reazione contraria) e si dice ENDOERGONICA
prodotto
G- substrato
prodotto G+
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
H H
Si ossida Si riduce
idrogeno
+
Libera energia
Esotermica (esoergonica)
assorbe energia
endotermica (endoergonica)
H
O H
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: riducenti TENDONO A OSSIDARSI E
RIDURRE ALTRI COMPOSTIV
E0 positivo: ossidanti TENDONO A RIDURSI
OSSIDANDO ALTRI COMPOSTI
Nei processi di produzione di energia intervengono i trasportatori intermedi di elettroni
Coenzimi LIBERI
CHE PERMETTONO IL TRASFERIMENTO DEGLI ELETTRONI DAL DONATORE PRIMARIO ALL’ACCETTORE TERMINALE
FISSATI
NADP
NAD
FMN-FAD CITOCROMI CHINONI
e-
Foto- energia : direttamente dalla luce
chemo- energia : da reazioni chimiche, non direttamente dalla luce
organo- donatore di elettroni: organico
lito- donatore di elettroni: inorganico
auto- 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 inorganico AUTOTROFI Sintetizzano il proprio nutrimento riducendo CO2
Fonte di carbonio: molecole organiche ETEROTROFI Usano come nutrienti molecole organiche
CO2
Fonte di energia: luce solare FOTOAUTOTROFI
Fonte di energia: legami chimici CHEMOAUTOTROFI
AUTOTROFI
CO2
CO2
Fonte di energia: luce solare FOTOETEROTROFI
Fonte di energia: legami chimici CHEMOETEROTROFI
ETEROTROFI
Chemiorganoeterotrofi
Saprofiti (Materia morta)
dipendono completamente dai composti organici.
e patogeni (Materia organica viva)
l’ossidazione del substrato è incompleta
FERMENTAZIONE reazione redox tra due molecole organiche con
stato di ossidazione simile
Composto organico (donatore)
Composto organico ossidato (accettore)
Composto organico ridotto (prodotto)
NADP NAD
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
Il processo è una «FOSFORILAZIONE A LIVELLO DEL SUBSTRATO»
ADP energia
ATP
Gli elettroni sono prodotti di scarto, da eliminare per ristabilire il potere riducente
fermentazione del glucosio: DUE PASSI
Gli elettroni vengono accettati dal coenzima NAD, che si riduce
1) il glucosio viene ossidato e si forma piruvato (glicolisi)
I batteri impiegano due vie diverse per svolgere questo processo
NAD
e- e-
NADH
Glucosio Acido piruvico
elettroni
Via di Embden-Meyerhoff-Parnas (EMP)
Via «classica», comune a batteri, archaea ed eucarioti
Glucosio G6P 3GADP piruvato
Glucosio 2 ADP 2 Pi 2 NAD+
2 piruvato 2 ATP 2 H2 2 NADH
Molti degli intermedi della via EMP entrano anche nella sintesi di aminoacidi e nucleotidi
energia + blocchi da costruzione = processo anaplerotico
permette la conversione di zuccheri con gruppi aldeide, non processabili con EMP
Via di Entner-Douderoff (ED)
Glucosio NAD Pi 2 NADP+
2 piruvato 1 ATP 2 H2 NADPH NADH
3GADP piruvato
Glucosio G6P 6-P gluconato
piruvato
(EMP)
(Pseudomonas; Azotobacter, Caulobacter..) In genere aerobi stretti
Affianca la EMP, producendo potere riducente (NADPH) e intermedi per le biosintesi
G6P 6-P gluconato R5P
Pentoso fosfati
biosintesi
ATP + NADPH 3 G6P 3H2O 6 NADP+
2 F6P 3GADP 3CO2 6NADPH 6H+
La via dei pentoso-fosfati inizia dal G6P prodotto da EMP (non è propriamente una glicolisi)
3GADP EMP
NON produce PIRUVATO
EMP
La coesistenza di NAD+ e NADH deve essere mantenuta per garantire il funzionamento della cellula
NADH deve essere ossidato a NAD+ per assicurare il POTERE RIDUCENTE necessario alle reazioni metaboliche
Nei batteri chemiorganoeterotrofi l’accettore di elettroni per l’ossidazione di NADH è il piruvato
AEROBIA (O2)
ANAEROBIA ≠ O2
PIRUVATO
FERMENTAZIONE
Gli elettroni sono scaricati DIRETTAMENTE su un
accettore, non è usato TCA né catene di trasporto di e-
RESPIRAZIONE
Gli elettroni sono trasferiti a una catena di trasporto di e-
e POI all’accettore finale
NADH
NAD elettroni
fermentazione del glucosio:
Glucosio GLICOLISI
ossidazione del glucosio + riduzione coenzimi
Acido piruvico (INTERMEDIO)
Acido piruvico (INTERMEDIO)
FERMENTAZIONI riduzione del piruvato + ossidazione coenzimi
PRODOTTI FINALI
NADH elettroni
NAD
Glucosio G-6P
3-GADP
Eterolattica: Acido lattico Etanolo CO2
Omolattica Acido lattico
Acidi misti: Acido acetico Acido succinico Etanolo CO2 , H2
propionica: Acido propionico Acido acetico CO2
butanediolica: Butanolo CO2
Butirrico-butilica: Butanolo Isopropanolo Acetone CO2
alcolica: Alcol etilico + CO2
PIRUVATO
I°
II°
III°
ACCETTORE
DONATORE
Nella respirazione gli e- sono sfruttati per produrre ATP, attraverso la fosforilazione ossidativa. L’accettore finale è in genere inorganico
O2 (aerobia)
Fe3-/NO3/SO4/Mn4+… (anaerobia)
Catena di trasporto
e-
FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
IL METABOLISMO RESPIRATORIO SI SVOLGE IN TRE FASI:
GLICOLISI
CICLO DI KREBS
FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
La resa energetica è > di quella della fermentazione Acido piruvico + O2
CO2 AcCoA
ATP
L’ossidazione infatti è completa (CorgCO2) e la netta differenza redox, tra donatore iniziale e accettore terminale, permette la sintesi di una maggiore quantità di ATP
2 ATP
2 ATP
34 ATP
NDH
FP
FeS
QH2
CITs
CO
NAD NADH
½O2
H2O
I coenzimi ridotti (NADH, FADH2) durante glicolisi e TCA cedono gli elettroni a
una catena di trasporto, per generare ATP e recuperare potere riducente
Gli elettroni sono trasferiti fino all’accettore terminale, che si riduce
i trasportatori sono disposti in ordine crescente di potenziale redox
NDH
FP
FeS
QH2
CITs
CO
H+
H+ H+
in corrispondenza di alcuni trasportatori, vengono estrusi protoni, che si trovano così sul lato esterno della membrana
Versante interno
Versante esterno
Gli ioni ossidrile negativi restano all’interno
H+
H+
H+
H+ H+
acido
La separazione delle cariche sui due versanti della membrana crea una forza protomotrice che guida la sintesi di ATP
+ + + + + + + + +
+
+ +
+
+
+ +
+ + + + + + +
+ +
+ + +
+ +
+ + + +
- - - - - - - - -
-
- -
-
-
- -
- - - - - - -
- -
- - -
- -
- - - -
alcalino
H+
H+ H+
I protoni vengono incanalati attraverso la F1F0 sintasi (ATPasi di membrana), adiacente alla catena respiratoria, che ne usa l’energia per la sintesi di ATP
H+
H+
~P ADP
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 reazione ATPADP + Pi ADP + Pi ATP
[ATP] gradiente
Ingresso H+/ ADPATP
[ATP] gradiente
uscita H+/ ATPADP
Il trasporto degli e- può essere modulata, in risposta alle condizioni ambientali, attivando/disattivando proteine e/o cofattori
E. coli, per esempio, ha due ossidasi terminali, con affinità diversa per l’ossigeno
Buona ossigenazione/fase logaritmica cytO (meno affine)
Bassa ossigenazione/fase stazionaria cytD maggiore affinità
Altre specie batteriche possono averne anche 3 o 4
Se la concentrazione di O2 è insufficiente si attiva la respirazione anaerobica, evolutivamente più antica
I complessi coinvolti nelle catene sono dette reduttasi (non ossidasi) perché l’accettore terminale non è l’ossigeno
Citocromi e chinoni sono diversi L’accettore alternativo più
comune è NO3 (NO2)
NO3/SO4
Fe3-….
Alcune specie possono anche ridurre NO2 N2
(denitrificazione)
Altri accettori
SO4, Fe2O3 (relativamente frequenti)
Sali di manganese, cobalto, uranio, arsenico..(rari)
CO2 (Metanogeni e Acetobacterium)
Può essere usata anche una molecola organica (fumarato) prodotta dalla cellula
Chemiolitotrofi: producono ATP ossidando sali inorganici ridotti o gas
batteri che ossidano lo zolfo archibatteri metanogeni
Fe2+; H2S; H2; NH3
Il carbonio deve essere ottenuto da altre fonti
CO2: chemiolitoAUTOtrofi
chemiolitoETEROtrofi facoltativi (mixotrofi)
NO glicolisi e TCA
glicolisi e TCA inducibili
Nelle catene di trasporto ci sono enzimi di membrana che rimuovono gli e- dai composti inorganici; non interviene NADH
i microrganismi fototrofici convertono l’energia luminosa in energia chimica
Molecole complesse Anabolismo
ENERGIA luminosa
Energia chimica
Utilizzata per le sintesi della cellula batterica
batteri rossi sulfurei (Chromatiaceae)
batteri rossi non sulfurei (Rhodobiaceae)
batteri verdi sulfurei (chlorobiaceae)
Cianobatteri
batteri 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
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)
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-)
Il meccanismo di cattura della luce è situato nella membrana che si ripiega più volte in strutture a disco (tilacoidi)
Nei batteri i tilacoidi sono formati da invaginazioni profonde della IM
Nei didermi il lume coincide con il periplasma
La batterioclorofilla, colpita dalla luce, cambia stato e trasmette l’energia al centro di reazione
Emette due elettroni ad alta energia (ECCITONI) che passano per la catena di trasportatori
2NADP
+0,25 E0 CIT
FeS
Fdx
2H+
840*
2NADPH
La Ferredoxina li cede nel citoplasma, riducendo NADP
Contemporaneamente, sul versante luminale il citocromo C553 rimuove 2e- da composti ridotti dello zolfo, rilasciando 2H+
2H+ 2H2S
Si crea un gradiente protonico e una forza protomotrice
Gli eccitoni passano per la catena di trasportatori e tornano a ricostituire la clorofilla in P870
+0,5 E0 CIT
FeS
Fdx
870*
Nel passaggio, due protoni sono estrusi sul versante luminale, creando il gradiente
2H+
Nelle Chromatiaceae, il potenziale dei chinoni (~0) è maggiore di quello dell’NAD+ (-0,32) che non può essere ridotto direttamente
Q
Il processo CICLICO di PS-II produce solo ATP e NON potere riducente
Possono rigenerare direttamente il potere riducente
H2 ha E0 tanto basso (-0,42 volt) da ridurre direttamente NADP (-0,32)
le specie che possiedono idrogenasi (catalizza l’ossidazione di H2 )
TRASFERIMENTO DIRETTO
Parte dell’energia ottenuta è quindi spesa per rigenerare il potere riducente
Invertendo il flusso: gli e-sono sottratti alle FeS proteine e rimpiazzati rimuovendoli da
composti ridotti dello zolfo (rossi sulfurei) (rossi non sulfurei)
succinato
Microrganismi fotosintetici = FOTO-AUTO-TROFI
Organicano CO2 attraverso le reazioni al buio (Ciclo di Calvin)
Il Ciclo di Calvin ha molti intermedi comuni alla via dei pentoso-fosfati ma
Ciclo di Calvin Utilizza CO2 Produce 3GDAP Consuma NADH Consuma ATP
Pentoso-fosfati Utilizza glucosio Produce NADH Coopera alla produzione di ATP
L’enzima chiave è la ribulosio bifosfato carbossilasi (Rubisco) che aggiunge CO2 e H2O al ribulosio 5P
Alcuni microrganismi autotrofi (foto o chemio) organicano CO2 in un modo diverso, attraverso il Ciclo RIDUTTIVO degli acidi tricarbossilici (TCA riduttivo)
Ossalacetato acetil-CoA
Il senso del TCA viene invertito per ottenere molecole complesse da CO2 e H2O, spendendo energia
Alcuni enzimi, tra cui la ATP-citrato-liasi, sono peculiari del ciclo inverso
È considerata una via compatibile con le condizioni della Terra primordiale
Microrganismi fotoetrotrofi batteri 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
In anaerobiosi si forma un sistema di membrane che si diramano dalla IM e supportano i pigmenti
fotosintetici neoformati
Lungo la membrana sono presenti dei siti da cui le ICM (intracytoplasmic membrane) proliferano quando le condizioni ambientali sono idonee
la sintesi delle ICM è inibita dall’ossigeno
Man mano che le ICM maturano, i pigmenti fotosintetici sono
sintetizzati e vi si accumulano
T0 T4h LUCE + 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 batteriorodopsina trasferisce 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-II genera 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
P700 2H2O
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
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 in aumento
Formazione della Terra
microrganismi anaerobi
Fotosintesi ossigenica
Eucarioti Animali
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