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Metabolismo microbico
Introduzione generale
Fonte di Energia
Fonte di Energia
Fonte di Energia
Fonte di Energia
Fonte di Energia
Fonte di Carbonio
C inorganico (CO2)
AUTOTROFI
C organico ETEROTROFI
Fonte di Energia e Carbonio combinati
CHEMIOLITOTROFIETEROTROFI
AUTOTROFI
ETEROTROFICHEMIORGANOTROFI
AUTOTROFI(in alcuni casi
anche eterotrofi)
FOTOTROFI
Fonte di Azoto
Azoto atmosferico (N2)
NON ESIGENTI
Composti inorganici dell’Azoto SEMI-ESIGENTI
Composti organici dell’Azoto(aa, basi azotate, ...)
ESIGENTI
METABOLISMO = trasformazione, mutamento
METABOLISMO MICROBICO (cellulare)
- dirige reazioni chimiche
- organizza crescita
Ciò è reso possibile da centinaia di enzimi diversi e pochi ma
essenziali cofattori
- reazioni cataboliche o catabolismo (cata- = giù, sotto): demolizione
- reazioni anaboliche o anabolismo (ana- = su, sopra): costruzione, sintesi
/ potere riducente
+ lavoro
METABOLISMO MICROBICO (cellulare)
Accoppiamento energetico
METABOLISMO MICROBICO (cellulare)
Legame ad alta energia: indica non tanto il contenuto assoluto di E ma
quanto il D tra tale valore e quello dei prodotti d’idrolisi (finemente
regolata!), cioè E liberata
METABOLISMO MICROBICO (cellulare)
METABOLISMO MICROBICO (cellulare)
glucosio
PO43-
reazioni energetiche
ATP
Precursorimetabolici
Potere riducente
NH3
SO42-
biosintesi
acidi grassi
zuccheri
aminoacidi
nucleotidi
polimerizzaz
lipidi
mureina
LPS
proteine
glicogeno
RNA
DNA
montaggio
STR
UTTU
RE
METABOLISMO MICROBICO (cellulare)
Principali differenze tra microrganismi e organismi superiori?
In comune troviamo senz’altro molecole chiave:
“la vita non viene guidata da nient’altro se non dagli elettroni,
ovvero dall’energia sprigionata da questi elettroni durante la loro
caduta da un alto livello energetico al quale sono stati spinti dai
fotoni*” (Albert Saint-Gyorgyi)
*concetto poi oggi più esteso
“OSSIDAZIONE = rimozione di elettroni o sottrazione di
atomi di idrogeno”
ossidazione = deidrogenazione
H = H + + e-
METABOLISMO MICROBICO (cellulare)
Ossidazione/riduzione
METABOLISMO MICROBICO (cellulare)
Elettroni non possono rimanere liberi.
Quale accettore?
AH2 + B A + BH2
il composto ridotto AH2 si ossida e diventa A mentre la molecola ossidata B si riduce e diventa BH2
CH3
CHOH + NAD+
COOH
CH3
C = O + NADH2
COOH
acido lattico
acido piruvico
nei sistemi biologici il trasferimento di elettroni avviene spesso come trasferimento di atomi di idrogeno
(ossidazioni = deidrogenazioni= trasferimento di atomi di idrogeno)
METABOLISMO MICROBICO (cellulare)
TRASPORTATORI DI ELETTRONI
CITOPLASMATICI = NAD e FAD (nucleotidi piridinici)
localizzati sulla MEMBRANA = citocromi della catena di trasporto degli elettroni
METABOLISMO MICROBICO (cellulare)
CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI
• localizzati nella membrana in ORDINE DI POTENZIALE
• alcuni si riducono accettando atomi di idrogeno e si ossidano cedendo elettroni. Ne consegue l’estrusione di protoni all’esterno.
H= 1 prot (H+) + 1 e-
e-
H+
durante il trasporto di elettroni nella catena di trasporto si genera un accumulo di protoni sul lato esterno della membrana. Quando i protoni rientrano nella cellula attraverso l’ATPasi si genera ATP per FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
METABOLISMO MICROBICO (cellulare)
NAD, NADP e FAD “accettori temporanei”
NAD, NADP, FAD
“coenzimi trasportatori di idrogeno”
riduzione
NADH, NADPH, FADH
potere riducente sotto forma di coenzimi ridotti
possono trasferire idrogeno / elettroni a un
“accettore finale”
METABOLISMO MICROBICO (cellulare)
GENERAZIONE DI ATP
SUBSTRATO OSSIDABILE
(donatore di e-)
NADH(NADPH)
ACCETTORE
DI e-
Generazione di ATP
METABOLISMO
(reazioni cataboliche)
MOO
1.SOSTANZEORGANICHE
(zuccheri, aa,acidiorganici)
COMPOSTO ORGANICO
FOSFORILAZ ALIVELLO DELSUBSTRATO
FERMENTAZIONE Chemiorga-notrofianaer o facoltativi
2.SOSTANZE
ORGANICHEsi O2
FOSFORILAZOSSIDATIVA
RESPIRAZIONEAEROBICA
Chemiorga-notrofiaerobi o anaerobi facoltativi
3. COMPOSTIINORGANICI (H2,H2S, S, NH3, FE2+)
si O2FOSFORILAZOSSIDATIVA
RESPIRAZIONEAEROBICA
*Chemiolito-trofiaerobi(autotrofi)
4.
a) sost organica
b)*sostinorganica
si NO3-
SO42-
CO2
FOSFORILAZOSSIDATIVA
RESP. ANAEROBICA(es)
Denitrificazione
Desulfuricazione
Metanogenesi
Denitrifican-ti
Desulfurica-nti
Metanogeni
5.
a) H2, S, H2S
b) H2O
si
si(NADPH)
CO2/-
CO2
FOTOFOSFORILAZ
FOTOFOSFORILAZ
FOTOSINTESIANOSSIGENICA
FOTOSINTESIOSSIGENICA
Fotoauto-
trofi anaere aerobi
Fotoautotraerobi, aerobi facoltat
SUBSTRATO OSSIDABILE
(donatore di e-)
NADH(NADPH)
ACCETTORE DI e-
Generazione di ATP
METABOLISMO
(reazioni cataboliche)
MOO
1.SOSTORGANICHE
(zuccheri,aa,acidiorganici)
COMPOSTO ORGANICO
FOSFORILAZ ALIVELLO DELSUBSTRATO
FERMENTAZIONE Chemiorganotrofianox ofacoltativi
2.SOSTORGANICHE
si O2FOSFORILAZOSSIDATIVA
RESPIRAZIONEAEROBICA
Chemiorganotrofiaer oanaerobifacoltativi
3. COMPOSTIINORGANICI (H2,H2S, S, NH3, FE2+)
si O2FOSFORILAZOSSIDATIVA
RESPIRAZIONEAEROBICA
Chemiolitotrofiaerobi(autotrofi)
4.
a)sost organica
b)sost inorganica
siNO3
-
SO42-
CO2
FOSFORILAZOSSIDATIVA
RESP.ANAEROBICA
Denitrificazione
Desulfuricazione
Metanogenesi
Denitrificanti
Desulfuricanti
Metanogeni
5.
a)H2, S, H2S
b) H2O
si
si
CO2/-
CO2/-
FOTOFOSFORILAZ
FOTOFOSFORILAZ
FOTOSINTESIANOSSIGENICA
FOTOSINTESIOSSIGENICA
Fotoautotrofi anaer eaerobi
Fotoautotraerobi,aerobifacoltat
SUBSTRATO OSSIDABILE
(donatore di e-)
NADH(NADPH)
ACCETTORE DI e-
Generazione di ATP
METABOLISMO
(reazioni cataboliche)
MOO
1.SOSTORGANICHE
(zuccheri,aa,acidiorganici)
COMPOSTO ORGANICO
FOSFORILAZ ALIVELLO DELSUBSTRATO
FERMENTAZIONE Chemiorganotrofianox ofacoltativi
2.SOSTORGANICHE
si O2FOSFORILAZOSSIDATIVA
RESPIRAZIONEAEROBICA
Chemiorganotrofiaer oanaerobifacoltativi
3. COMPOSTIINORGANICI (H2,H2S, S, NH3, FE2+)
si O2FOSFORILAZOSSIDATIVA
RESPIRAZIONEAEROBICA
Chemiolitotrofiaerobi(autotrofi)
4.
a)sost organica
b)sost inorganica
siNO3
-
SO42-
CO2
FOSFORILAZOSSIDATIVA
RESP.ANAEROBICA
Denitrificazione
Desulfuricazione
Metanogenesi
Denitrificanti
Desulfuricanti
Metanogeni
5.
a)H2, S, H2S
b) H2O
si
si
CO2/-
CO2/-
FOTOFOSFORILAZ
FOTOFOSFORILAZ
FOTOSINTESIANOSSIGENICA
FOTOSINTESIOSSIGENICA
Fotoautotrofi anaer eaerobi
Fotoautotraerobi,aerobifacoltat
SUBSTRATO OSSIDABILE
(donatore di e-)
NADH(NADPH)
ACCETTORE DI e-
Generazione di ATP
METABOLISMO
(reazioni cataboliche)
MOO
1.SOSTORGANICHE
(zuccheri,aa,acidiorganici)
COMPOSTO ORGANICO
FOSFORILAZ ALIVELLO DELSUBSTRATO
FERMENTAZIONE Chemiorganotrofianox ofacoltativi
2.SOSTORGANICHE
si O2FOSFORILAZOSSIDATIVA
RESPIRAZIONEAEROBICA
Chemiorganotrofiaer oanaerobifacoltativi
3. COMPOSTIINORGANICI (H2,H2S, S, NH3, FE2+)
si O2FOSFORILAZOSSIDATIVA
RESPIRAZIONEAEROBICA
Chemiolitotrofiaerobi(autotrofi)
4.
a)sost organica
b)sost inorganica
siNO3
-
SO42-
CO2
FOSFORILAZOSSIDATIVA
RESP.ANAEROBICA
Denitrificazione
Desulfuricazione
Metanogenesi
Denitrificanti
Desulfuricanti
Metanogeni
5.
a)H2, S, H2S
b) H2O
si
si
CO2/-
CO2/-
FOTOFOSFORILAZ
FOTOFOSFORILAZ
FOTOSINTESIANOSSIGENICA
FOTOSINTESIOSSIGENICA
Fotoautotrofi anaer eaerobi
Fotoautotraerobi,aerobifacoltat
SUBSTRATO OSSIDABILE
(donatore di e-)
NADH(NADPH)
ACCETTORE DI e-
Generazione di ATP
METABOLISMO
(reazioni cataboliche)
MOO
1.SOSTORGANICHE
(zuccheri,aa,acidiorganici)
COMPOSTO ORGANICO
FOSFORILAZ ALIVELLO DELSUBSTRATO
FERMENTAZIONE Chemiorganotrofianox ofacoltativi
2.SOSTORGANICHE
si O2FOSFORILAZOSSIDATIVA
RESPIRAZIONEAEROBICA
Chemiorganotrofiaer oanaerobifacoltativi
3. COMPOSTIINORGANICI (H2,H2S, S, NH3, FE2+)
si O2FOSFORILAZOSSIDATIVA
RESPIRAZIONEAEROBICA
Chemiolitotrofiaerobi(autotrofi)
4.
a)sost organica
b)sost inorganica
siNO3
-
SO42-
CO2
FOSFORILAZOSSIDATIVA
RESP.ANAEROBICA
(es)
Denitrificazione
Desulfuricazione
Metanogenesi
Denitrificanti
Desulfuricanti
Metanogeni
5.
a)H2, S, H2S
b) H2O
si
si
CO2/-
CO2/-
FOTOFOSFORILAZ
FOTOFOSFORILAZ
FOTOSINTESIANOSSIGENICA
FOTOSINTESIOSSIGENICA
Fotoautotrofi anaer eaerobi
Fotoautotraerobi,aerobi
SUBSTRATO OSSIDABILE
(donatore di e-)
NADH(NADPH)
ACCETTORE DI e-
Generazione di ATP
METABOLISMO
(reazioni cataboliche)
MOO
1.SOSTORGANICHE
(zuccheri,aa,acidiorganici)
COMPOSTO ORGANICO
FOSFORILAZ ALIVELLO DELSUBSTRATO
FERMENTAZIONE Chemiorganotrofianox ofacoltativi
2.SOSTORGANICHE
si O2FOSFORILAZOSSIDATIVA
RESPIRAZIONEAEROBICA
Chemiorganotrofiaer oanaerobifacoltativi
3. COMPOSTIINORGANICI (H2,H2S, S, NH3, FE2+)
si O2FOSFORILAZOSSIDATIVA
RESPIRAZIONEAEROBICA
Chemiolitotrofiaerobi(autotrofi)
4.
a)sost organica
b)sost inorganica
siNO3
-
SO42-
CO2
FOSFORILAZOSSIDATIVA
RESP.ANAEROBICA
(es)
Denitrificazione
Desulfuricazione
Metanogenesi
Denitrificanti
Desulfuricanti
Metanogeni
5.
a)H2, S, H2S
b) H2O
si
si(NADPH)
CO2/-
CO2
FOTOFOSFORILAZ
FOTOFOSFORILAZ
FOTOSINTESIANOSSIGENICA
FOTOSINTESIOSSIGENICA
Fotoautotrofi anaer eaerobi
Fotoautotraerobi,aerobifacoltat
MOLECOLA CHE SI OSSIDA = DONATORE DI ELETTRONI = FONTE DI ENERGIA per la cellula
la tendenza di una molecola a cedere elettroni è misurata dal suo POTENZIALE DI RIDUZIONE
quanto più è NEGATIVO tanto maggiore è la tendenza a dare e-; quanto più è positivo tanto maggiore è la tendenza ad acquisire e-
gli e- tendono a spostarsi da una molecola a potenziale negativo verso quella a potenziale più positivo;
la differenza di potenziale tra il donatore e l’accettore di elettroni è proporzionale alla quantità di energia rilasciata
METABOLISMO MICROBICO (cellulare)
La torre degli elettroni
METABOLISMO MICROBICO (cellulare)
METABOLISMO MICROBICO (cellulare)
METABOLISMO MICROBICO (cellulare)