Il metabolismo cellulare

1

CATABOLISMOProcesso esoergonico

(per produrre energia)

Nutriliti

Prodotti finali

ANABOLISMOProcesso endoergonico

Biopolimeri (x es. proteine)

Intermedi di biosintesi(x es. aminoacidi)

Pool di precursori intracellulari

Nutrienti dall’esterno

NADFAD

NADP

e-+H+

(CO2, H2O, molecoleorganiche più ossidate diquelle di partenza)

Il metabolismo cellulare

CA

LOR

E

energia

ATP

ADP

Intermedi di sintesi riduz

ione

(tra

sfer

imen

to d

i e-co

me

H)

ossi

dazi

one

(sot

traz

ione

di e

-co

me

H)

2

RUOLO DELL’ ATP NEL METABOLISMO

- L’ATP è in grado di cedere gruppi fosforici a numerosi intermedimetabolici, convertendoli nella forma attivata con livelli di energia libera talida consentire a questi intermedi fosforilati di partecipare alle reazionibiosintetiche, che sono termodinamicamente favorevoli (∆G°<0)

- Una analoga reazione con un reagente in forma non fosforilata sarebbetermodinamicamente sfavorevole (∆G°>0)

La generazione di ATP è quindi necessaria per il funzionamento dei processi biosintetici

È un derivato dell’AMP (adenosin monofosfato) al quale sono legati altri 2 gruppi fosforici per mezzo di legami anidride

( ADP + Pi + energia = ATP )fosfato inorganico

I legami anidride sono legami ricchi di energia e quindi sono particolarmente reattivi

3

Come ottengono ATP i microrganismi?

RESPIRAZIONE: sintesi di ATP attraverso ilsistema enzimatico della Fo-F1 ATP sintasi (oFo-F1 ATPasi), al termine della catena ditrasporto degli elettroni

FOTOFOSFORILAZIONE: sintesi di ATP attraverso l’impiegodi energia luminosa per creare una separazione di cariche

FOSFORILAZIONE A LIVELLO DI SUBSTRATO: consiste neldiretto trasferimento di un fosfato ad alto contenuto energeticoda un composto fosforilato ad ADP per formare ATP

Lettera O, non numero “zero”!

4

REAZIONI di OSSIDO-RIDUZIONE

- donatore di e- (agente riducente… che si ossida!)

- accettore di e- (agente ossidante… che si riduce!)

il valore del potenziale di RIDUZIONE è un indice di quanto la molecola in oggetto sia un buon donatore o un buon accettore di e-

2H+/H2 - 0.42 V (infatti H2 è un ottimo donatore di elettroni)O2/H2O + 0.82 V (infatti O2 è un ottimo accettore di elettroni)

per OGNI composto che si OSSIDA in una semireazione DEVE esserciun composto che si RIDUCE in un’altra semireazione ad essa accoppiata

H2 2H+ + 2 e- (semireazione 1)½ O2 + 2H+ + 2 e- H2O (semireazione 1)

REAZIONE NETTA

H2 + ½ O2 H2O

5

REAZIONI di OSSIDO-RIDUZIONE

- donatore di e- (agente riducente… che si ossida!)

- accettore di e- (agente ossidante… che si riduce!)

il valore del potenziale di RIDUZIONE è un indice di quanto la molecola in oggetto sia un buon donatore o un buon accettore di e-

2H+/H2 - 0.42 V (infatti H2 è un ottimo donatore di elettroni)O2/H2O + 0.82 V (infatti O2 è un ottimo accettore di elettroni)

per OGNI composto che si OSSIDA in una semireazione DEVE esserciun composto che si RIDUCE in un’altra semireazione ad essa accoppiata

H2 2H+ + 2 e- (semireazione 1)½ O2 + 2H+ + 2 e- H2O (semireazione 1)

REAZIONE NETTA

H2 + ½ O2 H2O

6

Nei sistemi biologici le reazioni di ossido-riduzione UTILI ai fini energetici avvengono quando l’e- e il protone (H+) che lo segue sono rimossi da un substrato (per azione di un enzima) peressere trasferiti ad un TRASPORTATORE che agirà come intermedio di trasporto tra undonatore e un accettore

Gli e- non esistono allo stato libero nei sistemi biologici MA SI SPOSTANO DADONATORI AD ACCETTORI ATTRAVERSO LA MEDIAZIONE DI TRASPORTATORI

FISSI

lattato deidrogenasi

Associati alla membrana

LIBERI

cofattori di enzimi responsabilidelle deidrogenazioni

NAD+

NADP+

reazioni CATABOLICHE

reazioni ANABOLICHE

per esempio

NADH + H+NAD+

riduzionedel NAD

ossidazionedel NAD

Piruvato

+

Lattato

+

associati ai protoni!!!

7

RIBOSIO RIBOSIO2 FOSFATI

NICOTINAMIDE

NICOTINAMIDE ADENIN DINUCLEOTIDE

FORMA OSSIDATA (NAD+)

RIBOSIO RIBOSIO2 FOSFATI

NICOTINAMIDE

NICOTINAMIDE ADENIN DINUCLEOTIDE

FORMA RIDOTTA (NADH + H+)

ADENINAADENINA

Quando il NAD in forma ossidata (NAD+) acquista 2 elettroni, cioè siriduce, acquista anche un H+ e un H+ viene rilasciato nel citoplasma… perquesto il NAD in forma ridotta deve essere indicato come NADH + H+

8

Che bisogno c’è, da un punto di vista metabolico, di due piridinnucleotidi (NAD e NADP) così simili a livello funzionale?

RISPOSTA: i piridinnucleotidi ossidati entrano come reagenti nei processi catabolici, mentre quelli in forma ridotta partecipano ai processi biosintetici

Ciò significa che:

- i piridinnucleotidi si devono trovare per lo più in forma ossidata perché i processicatabolici possano funzionare

- per le reazioni biosintetiche si devono trovare in gran parte in forma ridotta

Il NAD è mantenuto largamente nello stato ossidato → interviene quindinelle reazioni cataboliche (è importante ricordarlo per quando parleremodella fermentazione)

Il NADP è mantenuto largamente nello stato ridotto → interviene quindi nellereazioni anaboliche

SONO QUINDI NECESSARI DUE TIPI DI PIRIDIN-NUCLEOTIDI

9

I meccanismi di produzione di energia

A - RESPIRAZIONE

B - FERMENTAZIONE

C - FOTOSINTESI

Completa demolizione (=ossidazione) del substrato (fonte di energia) in CO2

Permette il massimo recupero di energia dal substrato ridotto

Respirazione AEROBIA: l’accettore finale di elettroni è l’O2

Respirazione ANAEROBIA: l’accettore finale di elettroni è un composto inorganicodiverso dall’O2 come per esempio NO2

-, CO3--, SO4

--

Non comporta la completa demolizione (=ossidazione) del substrato (fonte si energia)Non prevede il coinvolgimento dell’O2

È veloce ma energeticamente meno efficiente: minore ATP prodotto rispetto alla respirazione

L’accettore finale di elettroni è una molecola organica (per es. l’acetaldeide: CH3-COH)

D - LITOTROFIA:

Per es. METANOGENESI: un antico tipo di metabolismo di alcuni archeobatteriche utilizza H2 come fonte di energia e produce METANO

Ora ci occuperemo più nel dettaglio del metabolismo energetico di specificibatteri CHEMIO-ORGANOETEROTROFI che respirano o fermentano

una molecola INORGANICA è la fonte di energia (di elettroni)

10

Il destino del glucosio in una cellula batterica

GLUCOSIO

PIRUVATO

glicolisi(via di Embden-Meyerhof-Parnas)

pathway dei pentoso-fosfati

pathway di Entner-Doudoroff

via della fruttosio-6-fosfato fosfochetolasi

(F6PPK)

1

2

3

4

lattica, alcolicaacido mista, eterolattica

metabolismo dei bifidobatteri

Il metabolismo energetico (catabolismo) degli eterotrofi

Le tre vie attraverso cui i batteri ottengono energia dalla degradazione di composti organici

respirazione aerobica

respirazione anaerobica fermentazione

A B

11

1 2 Glicolisi e Via dei pentoso-fosfati

12

La prima parte della via, definita fase ossidativa, vede una serie di reazioni che ossidano il glucosio-6-fosfato a ribosio-5-fosfato, uno zucchero basilare per la sintesi dei nucleotidi. Nella seconda fase,definita non ossidativa, avviene l'epimerizzazione e l'isomerizzazione del ribosio-5-fosfato cheproduce, alla fine, fruttosio-6-fosfato e gliceraldeide-3-fosfato. Il fruttosio-6-fosfato è facilmenteinterconvertito in glucosio-6-fosfato attraverso l'enzima fosfofruttosio isomerasi e il ciclo può continuare

La via dei pentoso fosfati ha due scopi. Nella parte ossidativa serve a sintetizzare il ribosio-5-fosfato, precursore dei nucleotidi, mentre nella parte non ossidativa avvengono delletrasformazioni che rimettono in ciclo il fruttosio-6-fosfato, convertito facilmente in glucosio-6-fosfato. Questa seconda parte avviene perlopiù quando la cellula ha più necessità di potereriducente sotto forma di NADPH rispetto alla presenza di zuccheri o ribosio-6-fosfato

2 Via dei pentoso-fosfati (o degli esoso-monofosfati)

FASE OSSIDATIVA

FASE NON OSSIDATIVA

xilulosio-5-P

ribosio-5-P

ribulosio-5-Pglucosio-6-P 6-P-gluconato6-P-gluconato-

-δ-lattone

xilulosio-5-Pribosio-5-P sedoeptulosio-7-P

gliceraldeide-3Peritrosio-4-P xilulosio-5-P fruttosio-6-P

gliceraldeide-3P

13

3 Via di Entner/Doudoroff

chetodeossi-fosfogluconato

aldolasi

glucosio

glucosio-6-P

esochinasi

glucosio-6-P deidrogenasi

6-fosfogluconato piruvato

piruvato

gliceraldeide-3-fosfato

6-P-gluconato-δ-lattone

lattonasi

deidratasi

2-cheto-3-deossi-6-fosfo gluconato

Via alternativa alla glicolisi tipica dei batteri. Tipica di alcune specieappartenenti al genere Pseudomonas e altri Proteobatteri che sonoprivi dell’enzima FOSFOFRUTTOCHINASI

È una via tipica anche di Zymomonas(yeast like bacterium), che produceETANOLO a partire dall’acido piruvico

acetaldeide

etanolo

NADH+H+

NAD+

batteri Gram-negativi della classe dei gamma-Proteobatteri(divisione Proteobatteri)

14

si veda cosa fa!

DISTRIBUZIONE DELLE DIVERSE VIE DI UTILIZZAZIONE DEGLI ZUCCHERI TRA ALCUNI

BATTERI Microrganismo Embden-

Meyerhof Entner-

Doudoroff Arthrobacter spp. + - Azotobacter chroococcum + - Alcaligenes eutrophus - + Bacillus spp. + - Escherichia coli e altri batteri enterici

+ -

Pseudomonas spp. - + Rhizobium spp. - + Thiobacillus spp. - + Xanthomonas spp. - +

- A prescindere dal fatto che metabolizzi il glucosio attraverso la via Embden-Meyerhof o la via

Entner-Doudoroff, un batterio possiede tutti o molti degli enzimi della via dei pentosofosfati (shunt

dell’esoso monofosfato). Questa apparente ridondanza metabolica può trovare una spiegazione

nelle funzioni vitali della via dei pentosofosfati, relative alla generazione di NADPH e di altri due

precursori metabolici, il ribosio-5-fosfato e l’eritrosio-4-fosfato (quindi per anabolismo)

- La via di Entner-Doudoroff è di

grandissima utilità per quei

microrganismi che impiegano il

gluconato o il mannonato come

substrato

- Alcuni microrganismi comeEscherichia coli impiegano laglicolisi per il metabolismo delglucosio, ma quando il gluconatoviene fornito come substrato,allora vengono indotti gli enzimichiave della Entner-Doudoroff

glicolisi

15

La respirazione

Ciclo di Krebs

ATP sintasi (FoF1 ATPasi)

glucosio

piruvato

A

16

Con la RESPIRAZIONE si genera un gradiente di pH e un potenzialeelettrochimico che causano l’energizzazione della membrana (in modo «simile aduna batteria») e parte di questa energia può essere conservata dalla cellula

Così come lo stato di energia di una batteria è espresso in termini di forzaelettromotrice (in volt), così lo stato energizzato della membrana viene espressoin termini di forza proton-motrice (pure in volt)

Peter Mitchell nel 1961 propose la teoria della chemiosmosi, secondo la quale laforza per indurre la sintesi di ATP risiede nel gradiente protonico

La respirazioneA

La respirazione (aerobica) è un processo di ossido-riduzione

17

IN

OUT

FlavoproteinaFerro-proteina

NON EMEe-e-

Coenzima Q

e-

e-Citocromo (EME)e-O2

RESPIRAZIONE:catena di trasporto degli elettroni

Al posto dell’ossigeno si possono

avere altri accettori finali di e- :

SO42-, Fe3+, Mn4+, NO3

-,CO2, S° ...

ATPSINTASI

A

http://www.youtube.com/watch?v=PjdPTY1wHdQ

http://www.youtube.com/watch?v=3y1dO4nNaKY

http://www.youtube.com/watch?v=oyR-cMu6DfQ

18

LA FERMENTAZIONE COME PROCESSO OSSIDO-RIDUTTIVO BILANCIATO AL SUO INTERNO

sostanza organica prodotto finale

NAD+

NADH

ATP

La fermentazioneÈ un processo metabolico anaerobico in cui il donatore e l’accettore di elettroni (e-)sono molecole organiche. Più precisamente, nel corso della fermentazione, uncomposto organico funge da donatore di e-, ossidandosi e generando nel contempoNADH (cioè NAD in forma ridotta). Il piridindinucleotide ridotto (NADH) non puòscaricare i suoi e- sulla catena di trasporto; perciò, per rigenerare il pool diNAD+ necessario alla cellula per il proseguimento del processo, avviene lariossidazione del NADH a spese di un composto intermedio del p rocesso, chefunge da accettore di e-. La FERMENTAZIONE è quindi un processo ossido-riduttivo bilanciato al suo interno

B

La fermentazione è un processo metabolico anaerobico tipico di microrganismianaerobi obbligati (es. Bifidobacterium spp.). Inoltre, molti anaerobi facoltativi (es.Escherichia coli), per la loro flessibilità metabolica, possono attuare la respirazione inaerobiosi e la fermentazione in assenza di O2 19

La fermentazioneB

Nella fermentazione non si ha la completa demolizione del composto di partenza,che viene solo parzialmente fermentato in uno o più prodotti finali per lo più ancoraorganici, che mantengono ancora parte dell’energia del composto iniziale. Pertantola resa energetica della fermentazione non è paragonabile a quella dei processirespiratori e l’ATP viene generato soltanto per trasferimento di un gruppo fosfatolegato ad un intermedio del processo con un legame ad alto contenuto energeticoall’ADP (fosforilazione a livello di substrato)

Rese teoriche in ATP per molecola di glucosio

RESPIRAZIONE: 36-38 molecole teoriche di ATP (2 da glicolisi, 2 dal ciclo di Krebs(GTP) e 32-34 dalla catena di trasporto degli elettroni)

FERMENTAZIONE ALCOLICA e LATTICA: 2 ATP

FERMENTAZIONE dei BIFIDOBATTERI: 2,5 ATP

Il metabolismo respiratorio è circa 15 volte più efficiente del metabolismo fermentativoIl metabolismo fermentativo, però, è molto rapido!

20

La fermentazioneB

La glicolisi è la principale via che precede numerose fermentazioni. Per la maggior parte deiprocessi fermentativi la stessa glicolisi è anche la via che frutta alle cellule l’energia, scopo delprocesso metabolico (2 moli di ATP per mole di glucosio fermentato) attraverso le già citate reazionidi fosforilazione a livello di substrato. Le tappe successive della fermentazione hanno invece loscopo di consentire la riossidazione delle due moli di NADH, prodotte nell’ossidazione della 3-fosfogliceraldeide ad acido 1,3-difosfoglicerico, in quanto nei microrganismi anaerobi la catena ditrasporto degli elettroni è incompleta. Pertanto l’equilibrio ossido-riduttivo si ristabilisce medianteriossidazione del NADH a spese di un intermedio del processo a valle dell’acido piruvico. Inqualche caso, in questo tratto della fermentazione si ha ulteriore produzione di ATP, che porta laresa energetica della fermentazione a valori comunque di ben poco superiori a 2

Quasi sempre le varie vie fermentative sono caratteristiche di ben definiti gruppi microbici,i quali dimostrano un’elevata specificità di processo 21

La fermentazione alcolicaB1

Avviene anche nel già citato batterio Zymomonas

FERMENTAZIONE ALCOOLICA

glucosio

2 gliceraldeide-3- P

2 piruvato

2 etanolo

NADH

NAD

2ATP

4ATP

2 acetaldeide2 CO2

Equazione generale: glucosio 2 etanolo + 2 CO2

Resa energetica = 2 ATP

NAD

NADH

+

+

È caratteristica dei lieviti, che sono eumiceti unicellulari anaerobi facoltativi di cui èben noto il genere Saccharomyces. L’enzima-chiave di questa fermentazione è lapiruvato decarbossilasi

22

La fermentazione omolatticaB2

È operata dai batteri omolatticiod omofermentanti, anaerobi obbligati ossigeno-tolleranti appartenenti ai generi Grampositivi Streptococcus, Pediococcus, Lactobacillus…

In questa fermentazione è lo stesso acido piruvico di origine glicolitica a fungere da accettore di elettroni per la riossidazione del NADH, riducendosi così ad acido lattico

lattato deidrogenasi

23

La fermentazione acido-mistaB3

Gli enterobatteri come Escherichia,Salmonella, Shigella e i generi Proteus, Vibrioe Photobacterium sono microrganismi Gram-negativi anaerobi facoltativi che in anaerobiosifermentano il glucosio secondo questa via. Idiversi prodotti finali caratteristici di questoprovesso sono acidi organici a basso pesomolecolare quali acido formico, acido acetico,acido lattico e acido succinico e piccolequantità di etanolo (in E. coli e Proteus l’acidoformico è scisso in CO2 e H2 dalla formicoidrogenoliasi, un enzima la cui presenzaassume una rilevante importanzatassonomica e diagnostica)

I rapporti percentuali di questi prodotti variano neidiversi microrganismi e a seconda delle condizionicolturali e ambientali, sempre nel rispettodell’equilibrio ossido-riduttivo del processo

FERMENTAZIONE ACIDO-MISTA

glucosio

formiatoacetil-CoAacetaldeide

H2

2NADH

2ATP

CO2

NADH

etanolo

NADH

fosfoenolpiruvatoCO2

ossaloacetatosuccinato

2ATP

piruvato

acetil- P

CoA

ATP

acetato

NADH

lattatoNADH

(PEP)

formico idrogenoliasi

24

Tipica di altre Enterobacteriaceae aventi come habitatil suolo o le acque (Enterobacter aerogenes e i generiErwinia, e Serratia, patogeni delle piante). Il prodottoprincipale è il 2,3-butilenglicol che si forma dallacondensazione di due molecole di piruvato con laliberazione di due molecole di CO2. In minorequantità si producono anche gli acidi della precedentefermentazione accanto a notevoli quantità di etanoloper il mantenimento dell’equilibrio ossido-riduttivo. InE. aerogenes è presente la formico idrogenoliasi

FERMENTAZIONE 2.3-BUTILENGLICOL

glucosio

formiatoacetil-CoAacetaldeide

CO2 H2

2 NADH

2 ATPNADH

CO2

NADH

etanolo

NADH

4

piruvatolattato

α-acetolattato

CO2

acetoina

NADH

2,3-butilenglicol

La fermentazione 2,3-butilenglicolicaB4

L’uso di questa via causa il decremento dellaformazione di acidi (il butilenglicole è neutro) e laformazione dell’intermedio ACETOINO. Coloro che sioccupano di analisi microbiologica dell’acqua possonodistinguere i coliformi fecali (ferm. acidomista) dai nonfecali (ferm. butileglicolica tipica dei generi comeKlebsiella) andando a svelare la presenza di acetoinoed un pH più alto

acetoino

2,3 butilenglicoleo butandiolo 25

Il glucosio viene fermentato adacido acetico, CO2 ed acidopropionico dal generePropionibacterium attraverso una viacomplessa detta delmetilmalonilCoA. Veillonella, il cuihabitat è il rumine dei bovini, compiela stessa fermentazione partendodall’acido lattico. Altri microrganismiproducono acido propionico da acidolattico attraverso una via diversa

La resa energetica, tra le piùelevate, include anche una mole diATP prodotto per fosforilazioneossidativa tramite una breve catenadi trasporto degli elettroni nellariduzione del fumarato a succinato(respirazione del fumarato)

FERMENTAZIONE PROPIONICA

3 CH3 - CHOH - C OOH

3NADH

32 HOOC - CH2 - C O - COOH

2 HOOC - CH2 - C HOH - COOH

2 HOOC - CH - CH - COOH-

NADH

H2O

2 HOOC - CH2 - CH2 - COOH

NADH

ATP

2 HOOC - CH2 - C H2 - CO SCoA

Coenzima B12

2 HOOC - CH - CO SCoA

CH3

2 CH3 - CH2 - CO SCoA

2 CH3 - CH2 - COOH

CO2 B iotina Biotina

CoA transferasi

CH3 - C O - COOH

VIA DEL METILMALONIL-CoA

in Propionibacterium e Veillonella

1.5 glucosio

3NADH 3ATP

ac. acetico

NADH

CO2

La fermentazione propionicaB5

Resa energetica = 5 ATP / 1,5 glucosio o 2 ATP / 3 ac. lattico 26

Si ritrova in Clostridium, sporigeno anaerobioobbligato ossigeno-intollerante, in grado difermentare il glucosio. Caratteristica di questavia è la produzione di CO2 e H2 nella reazionedel coenzima A (CoASH) con il piruvato. Ilprincipale prodotto finale è l’acido butirrico, lacui formazione consente il mantenimentodell’equilibrio ossido-riduttivo

In altre condizioni e per la presenza di ferredossina, parte dell’H2 liberato viene trasportato al NAD+, che si riossida scaricandosi sui prodotti acidi con conseguente produzione degli alcoolicorrispondenti

Alcuni Clostridi producono in particolaricondizioni butanolo e acetone, che sono diinteresse industriale

FERMENTAZIONE BUTIRRICA

glucosio

2CH3 - CO - COOH

2CH3 - CO - CoA

CH3 - CO - CH2 - CO - CoA

acetoacetil-CoA

2ATP2NADH

2CO2

2CoA

2FdOX

2FdRED

2H2

CoA

NADH

L (+) -β-idrossibutirril-CoA

CH3 - CH CH - CO - CoA

CH3 - CH - CH2 - CO - CoA

crotonil-CoA

OH

H2O

NADH

CH3 - CH2 - CH2 - CO - CoA

butirril-CoA

CoA

Pi

CH3 - CH2 - CH2 - CO - O - P

butirril fosfato

butirrato

CH3 - CH2 - CH2 - COOH

ATP

Equazione generale:

glucosio butirrato + 2CO2 + 2H2

Resa: 3 ATP

La fermentazione butirricaB6

Ferredossina

N.B.: la ferredossina è una ferro-zolfo proteina che media il trasferimento di elettroni in diverse reazioni metaboliche

2H+

Ferredossinaidrogenasi

27

La fermentazione omoaceticaB7

In alcuni clostridi, il glucosio (1 mole) viene stechiometricamente fermentato a 3 molidi acetato, una delle quali deriva dalla riduzione delle 2 moli di CO2, che provengonodalla scissione del piruvato ad acetil-CoA

Non va confusa con la produzione di acido acetico da parte di Acetobactere Gluconobaceter, i quali, per produrre acido acetico, non operano unafermentazione, ma ossidano l’etanolo ad acido acetico per recuperarepotere riducente (NADH + H+) 28

Aldolasi

Ha scarsa attività nei bifidobatteri

È assente nei bifidobatteri

4 Il metabolismo fermentativo dei bifidobatteri

Il fruttosio 1,6 bisfosfato funge da induttore della lattato deidrogenasi

B8

29

Fruttosio-6-P

Acetil-P

Acetato

Acetate

ATPADP

H2OPi

ATPADP

F6PPK (xfp)

Via fermetativa di Bifidobacteriumo

via della Fruttosio-6-P Fosfochetolasi

F6PPK (xfp)

2 D-gliceraldeide-3-P

H2OPi

2 Acetil-P

Fruttosio-6-P

D-xilulosio-5P

D-ribosio-5-P

D-gliceraldeide-3-P D-sedoeptulosio-7-P

D-ribulosio-5-P

D-xilulosio-5-P

Diidrossiaceton transferasi

D-eritrosio-4-P

2

1

2

ACETATO:LATTATO = 3:2

Formiato

Etanolo

4 B8

30

I BATTERI LATTICISono batteri Gram POSITIVI, immobili, chemioeterotrofi a forma di bastoncino o cocco

Il loro nome deriva dal fatto che formano ACIDO LATTICO come principale (e talvolta unico)prodotto finale del loro metabolismo energetico

Hanno un metabolismo fermentativo; sono tutti anaerobi con variabile capacità ditollerare l’ossigeno (con rare eccezioni, legate alla presenza di EME esogeno)

Sono incapaci di produrre ATP attraverso un metabolismo aerobio, a causa dell’incapacità disintetizzare citocromi o altri enzimi contenenti il gruppo eme. A causa dell’impossibilità diprodurre proteine eminiche, sono CATALASI NEGATIVI e quindi non possono operare ladecomposizione dell’H2O2 in H2O e O2

Una caratteristica propria dei batteri lattici è la loro elevata ACIDO-RESISTENZA, la qualeconsente loro di crescere fino a quando il pH raggiunge valori inferiori a 5. Questacaratteristica fisiologica è di grande importanza ecologica, perché permette loro di vincere lacompetizione di altri batteri in ambienti ricchi di materia organica. Come risultato della lorospecializzazione fisiologica, i batteri lattici sono confinati in pochi e caratteristici ambientinaturali: alcuni vivono in associazione con le piante e crescono a spese delle sostanze nutritiveliberate in seguito alla morte e alla decomposizione dei tessuti vegetali; si trovano quindi inalimenti e bevande preparate con materiale vegetale come sottaceti, crauti, foraggi insilati, vinoe birra. Altri fanno parte del normale microbiota degli animali (bocca, intestino, mucosavaginale). Infine, alcuni sono spesso associati al latte (per es. Streptococcus thermophilus)

31

Alcuni generi di batteri latticiStreptococcus

Enterococcus

LactococcusOenococcus

Lactobacillus

Carnobacterium

Pediococcus

Leuconostoc

32

Immagini al SEM 32

I BATTERI LATTICISulla base dei loro prodotti di fermentazione, sono divisi in tre sottogruppi metabolici

1 – OMOFERMENTANTI: degradano il glucosio via glicolisi e non sono in grado diutilizzare i pentosi. Il piruvato viene poi ridotto ad acido lattico, unico prodotto dellaloro fermentazione

2 – ETEROFERMENTANTI OBBLIGATI: non possono degradare il glucosio viaglicolisi in quanto non possiedono l’enzima FRUTTOSIO 1,6 DIFOSFATOALDOLASI che catalizza la scissione del fruttosio 1,6 difosfato in gliceraldeide-3-fosfato e diidrossi-acetone-fosfato. Per tale ragione essi fermentano il glucosioattraverso la via dei pentoso fosfati, ottenendo tre prodotti finali in rapportoequimolare: ACIDO LATTICO, ETANOLO e CO2. Possono utilizzare anche i pentosi,nel qual caso senza produzione di CO2. Possono produrre anche piccole quantità diacido acetico

3 – ETEROFERMENTANTI FACOLTATIVI: in presenza di ESOSI essi li fermentanoattraverso la glicolisi con produzione di solo ACIDO LATTICO, comportandosi perciòcome omofermentanti. In presenza di PENTOSI, effettuano l’ossidazione di talicomposti attraverso la via dei pentoso fosfati, senza produzione di CO2

L’acido lattico prodotto può essere in configurazione L, D oppure in miscela racemica DL

33

34

Eterofermentanti facoltativi

Omofermentanti

Zuccheri esosi esosi

Zuccheri pentosi

X

Esosi

Pentosi

Eterofermentanti obbligati

( )

in quantità ridotte

35

TERRENI COLTURALI PER BATTERI LATTICI

Terreno MRS a pH 6,2-7: non selettivo, adatto per il mantenimento deilattobacilli

Terreno SL: selettivo per l’isolamento dei lattobacilli (tripticase, estrattodi lievito, citrato, glucosio, arabinosio, saccarosio, acetato, pH finale5,4)

Terreno ATB: adatto per l’isolamento di Oenococcus oeni (peptone,estratto di lievito, succo di pomodoro 25 %, pH finale 4,8)

Poiché i batteri lattici sono anaerobi (sebbene ossigeno tolleranti), i migliori

risultati di crescita si ottengono incubando le piastre di isolamento in giare di

anaerobiosi (Gas-Pak)

36

I BATTERI ACETICIAppartengono alla famiglia delle Acetobacteraceae

Sono bastoncini Gram NEGATIVI, aerobi chemio-eterotrofi, catalasi positivi,termolabili e psicrotrofiSono marcatamente acidofili (crescono fino a pH 4, a concentrazioni di ac. acetico fino a 0,4 M)

Il pH ottimale è compreso tra 5,4 e 6,3. Acetobacter pasteurianus cresce anche a pH 3 sel’etanolo è inferiore all’8%

Tollerano basse concentrazioni di acido acetico; tollerano bene l’etanolo e molti ceppicrescono in un range compreso tra 8 e 15 %. La concentrazione tollerata dipende dapH, temperatura e concertazione di O2

Acetobacter: A. xylinus, A. aceti, A. pasteurianus, A. cerevisiae, A. pomorum

Gluconoacetobacter: G. xylinus, G. diazotrophicus, G. intermedius, G. liquefaciens

Gluconobacter: G. oxydans, G. frateurii

Altri generi e specie: Acidomonas methanolica, Asaia spp., Kozakia baliensis,Saccharibacter spp., Swaminathania spp., Frateuria spp.

I tre generi più noti:

Si localizzano soprattutto sulla superficie di piante, in particolare fiori e frutti

Sono microrganismi mesofili che crescono con temperatura ottimale intorno a 30 °C; alcuniceppi si riescono a sviluppare anche a 5 °C, altri sono blandamente termotolleranti (37-40 °C)

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Le specie più importanti nella produzione industriale dell’aceto sono:

- Acetobacter aceti subsp. orleanensis

- Acetobacter aceti subsp. xylinum (madre dell’aceto)

- Acetobacter pasteurianus subsp. lovaniensis

- Acetobacter pasteurianus subsp. ascendens

- Acetobacter pasteurianus subsp. paradoxus

In particolare, i membri del genere Acetobacter sono particolarmente importati da un punto di vista industriale (sia positivamente che negativamente) per diversi motivi, tra i quali:1. sono usati per la produzione dell’aceto (usati per convertire intenzionalmente l’etanolo del

vino o di altri prodotti alcolici in acido acetico)2. possono deteriorare il vino producendo quantità eccessive di acido acetico o etil-acetato

(entrambi rendono sgradevole il vino). La crescita di Acetobacter nel vino può essere inibitaattraverso la completa eliminazione dell’ossigeno durante la conservazione del vino oppurecon l’aggiunta di moderate quantità di SO2

3. sono usati per acidificare intenzionalmente alcune birre aventi periodi di maturazione lunghi (per esempio per la produzione della birra tradizionale Flemish Sour Ale)

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Peculiarità metaboliche

Gli zuccheri sono ossidati esclusivamente attraverso la via del pentosio fosfatoL’acetato deriva dalla ossidazione parziale della materia organica e non da un veroprocesso di fermentazione

Il PIRUVATO è trasformato attraverso una decarbossilazione non ossidativa ad

acetaldeide (la decarbossilazione ossidativa del piruvato ad Acetil-CoA e CO2,

tipicamente presente nel processo di respirazione, non avviene in quanto il

COMPLESSO DELLA PIRUVATO DEIDROGENASI nei batteri acetici è inattivo)

In particolare, i batteri acetici sono caratterizzati da metabolismo aerobio conossidazione incompleta dei substrati organici

I batteri acetici sono aerobi obbligati aventi metabolismo aerobio (respirazioneaerobica)

Utilizzano diverse fonti di carbonio, dagli zuccheri agli aminoacidi. Preferisconoetanolo, glicerolo, lattato, mannitolo, sorbitolo, fruttosio, glucosio

Come fonte di azoto molti ceppi utilizzano NH4+

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I BATTERI ACETICI

via del pentosio fosfato

Glucosio

pentosi-P

interconversione non ossidativa

triosi-P

ACIDO LATTICO

CO2

Ac. piruvico

ultime tappe della glicolisi

decarbossilazione non ossidativa

Gluconobacternon ha un ciclo di Krebs funzionale e non può dunque ossidare l’acetato

In Acetobacteril ciclo di Krebs è inibito solo a concentrazioni elevate di etanolo

Acetil-CoA

Ciclo deiTCA

CO2

CO2

Ac. acetico

per opera dell’enzima aldeide deidrogenasi

acetil-CoA ligasi

NAD+ NADH+H+

AcetaldeideETANOLO

NAD+ NADH+H+

alcol deidrogenasi

lattato deidrogenasi

NAD+

NADH+H+

tutto il NADH generato in queste reazionidi ossidazione è destinato alla catena ditrasporto degli elettroni, per creare ilgradiente di H+ che permette la sintesidell’ATP

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