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