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Adattamento ad ambienti estremi

Prof. Giorgio Sartor

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Versione 1.0.1 – apr 2009

gs © 2001-2009 ver 1.0.1 Adattamento ad ambienti estremi - 2 -

Ambienti estremi

• Sedimenti• Sorgenti idrotermali terrestri e

marine


Lo zolfo

• In natura è presente fondamentalmente come:– N.O. = -2; Solfuro (S2-, HS-, H2S)

– N.O. = 0; Zolfo (S2),

– N.O. = +4; Solfito (SO32-)

– N.O. = +6; Solfato (SO42-)


Origine

• Residui di combustione• Eruzioni vulcaniche• Sorgenti idrotermali• Sedimenti


Composti organosolfurei

• Viene incorporato nei composti organici in forma ridotta:

– Cisteina

– Metionina

– AcetilCoA


Ambienti estremi

• Alcuni organismi si sono adattati a vivere in presenza di composti dello zolfo:– Sedimenti– Sorgenti idrotermali terrestri e marine


Lo zolfo nei sedimenti

Stratoossidato

Acqua

Aria

SedimentoStrato didiscontinuità

Strato anossico

H2S SO3 + H2O

SO4--

FeS

H2S Proteine

H2S

+400 mV

-200 mV

0 mV

Diffusione

Ossidazioni chimicheBatteri solfuro ossidanti

Putrefazione

Batterisolfato

riduttori

Batterifototrofi

S

Batterifototrofi

Batterisolfato

riduttori

O2

Ossidazione

Riduzioneassimilativa


Lo zolfo nelle sorgenti idrotemali


Sorgenti idrotermali


Riduzione dei solfati

Cellule fotosintetiche(batteri fototrofi, alghe...)

Ferridossina (PSI )

Cellule non fotosintetiche(batteri, funghi)

NADPH

SO42- S2-

8e-

no = +6 no = -2


Riduzione assimilativa dei solfati

NNO

N

OH

N

NH2

OH

OPO

O

OS

O

OO

N

ON

N

OHO

N

NH2

P

O

OOO

PO

O

OS

OO

O

*

SH

*

SH

Tioredossina

*

S

*

S

Tioredossina

N

ON

N

OHO

N

NH2

P

O

O O

OP

O O

O

SO42-

S2-

no = +6

no = -2

ATP PP

2Pi

ATP-solforilasiEC 2.7.7.4

ATP ADP

APS chinasiEC 2.7.1.25

Adenosina-5'-fosfosolfato(APS)

3'-fosfoadenosina--5'-fosfosolfato

(PAPS)

3'-fosfoadenosina--5'-fosfato

(PAP)

SO32-

3NADPH3NADP+ PAPS reduttasiEC 1.8.4.8

Solfito reduttasiEC 1.8.7.1

3H+3H2O

Mg2+ Mg2+

no = +4



NNO

N

OH

N

NH2

OH

OPO

O

OS

O

OO

N

ON

N

OHO

N

NH2

P

O

OOO

PO

O

OS

OO

O

*

SH

*

SH

Tioredossina

*

S

*

S

Tioredossina

N

ON

N

OHO

N

NH2

P

O

O O

OP

O O

O

SO42-

S2-

no = +6

no = -2

ATP PP

2Pi


ATP ADP




(PAPS)


(PAP)

SO32-



3H+3H2O

Mg2+ Mg2+

no = +4


Animali

• Gli animali non sono in grado di utilizzare il solfato come tale

• Formano PAPS a partire da APS nella biosintesi dei mucopolisaccaridi (condroitinsolfato)

O

O

*

OH

OH

O

O

O NH

O

O

CH3

*S

O

O

O

O

OH

n

SO

O

O

O

O

*

OH

OH

O

O

OH NH

O

O

CH3

*

O

O

n

Condroitin 4-solfato Condroitin 6-solfato


Animali

• Gli animali non sono in grado di utilizzare il solfato come tale

• Formano PAPS a partire da APS nella biosintesi dei mucopolisaccaridi (condroitinsolfato)

N

ON

N

OHO

N

NH2

P

O

OOO

PO

O

OS

OO

O N

ON

N

OHO

N

NH2

P

O

O O

OP

O O

OO

NHOH

O O

O

*

CH3O

OH

OH

OH*

OH

O

n

O

O

*

OH

OH

O

O

O NH

O

O

CH3

*S

O

O

O

O

OH

n

Condroitin4-solfotransferasi

EC 2.8.2.5


(PAPS)


(PAP)

+ +

Condroitina Condroitin 4-solfato


Batteri solforiduttori

• Utilizzano il solfato (e lo Zolfo) come accettore finali di elettroni nella catena respiratoria anaerobica

Composti ridotti del carbonio

(Lattato, etanolo, propionato formiato)

ATP

CO2 + H2O

e-

ATP

ATP

SO4-- + H2O

(S; Cys; polisolfati)

O2

H2O

S2-

FASEAEROBICA

FASEANAEROBICA


Riduzione disassimilativa del solfato

• Viene utilizzato un solo ATP per formare APS

NNO

N

OH

N

NH2

OH

OPO

O

OS

O

OO

N

ON

N

OHOH

N

NH2

OPO

O

OSO4

2-

S2-

ATP PP

2Pi


APS reduttasiEC 1.8.99.2


AMP

SO32-

3NADPH

3NADP+


3H+

3H2O

Mg2++

NADP+NADPH

SO32-


H2S

• L’acido solfidrico in acqua è presente come gas disciolto e come ione:

• La parte non dissociata (H2S) è anche presente come gas solubile nei lipidi

• La sua tossicità è legata alla sua capacità di legarsi al Fe2+ nelle metalloproteine (citocromi, Hb…)

H2S HS- + H+

HS- S-- + H+

pKa' = 7.02

pKa'' = 11.7


H2S

• Poiché il pKa della reazione di prima dissociazione è 7.02,

• Bastano piccole variazioni di pH verso l’acidità per aumentare la quota di H2S.

H2S HS- + H+

H2S

H2S HS- + H+

H2S HS- + H+

Aria

Acqua

Fluidicircolatori

Citoplasma

pH

Più acido

Più basico


H2S

• Si lega alla citocromo ossidasi (complesso IV) a livello del Cyt a3

(inibizione 50% con 1M H2S)

• Si lega all’emoglobina• È un forte nucleofilo (riduce –S-S-)

– Per gli animali l’assenza di H2S dall’ambiente non è una garanzia, viene prodotto dalla flora intestinale anaerobica.


Adattamento al H2S

• Gli organismi che vivono in ambienti dove è presente H2S lo riescono a tollerare attraverso diversi meccanismi:– Esclusione: viene impedito l’accesso di H2S

nelle cellule;

– Citocromo ossidasi insensibili a H2S;

– Metabolismo anaerobico;– Batteri simbionti;– Detossificazione;– Immobilizzazione.


Adattamento al H2S


nelle cellule;



DIFESA PASSIVA(non consuma ATP)


Adattamento al H2S


nelle cellule;



DIFESA ATTIVA(consuma ATP)


Adattamento al H2S

• Esclusione.– L’esclusione totale non è possibile, si

impedirebbe il passaggio di altri gas (O2, CO2)

– Si è in presenza piuttosto di una ridotta permeabilità ai gas attraverso una variazione della composizione lipidica delle membrane.

– Animali che vivono nei sedimenti e nelle vicinanze di sorgenti idrotermali profonde.


Adattamento al H2S

• Citocromo ossidasi insensibili a H2S– Per quanto riguarda gli animali di sedimento

non è provato che esistano specie che sfruttano tale difesa.

– Alcuni batteri presentano una citocromo ossidasi resistente all’inibizione da ione solfito.

– Animali che vivono nei sedimenti


Adattamento al H2S

• Metabolismo anaerobico– Così come nell’anossia il passaggio

all’anaerobiosi presuppone• Una concentrazione variabile di H2S

• Una scarsa attività metabolica

– Animali che vivono nei sedimenti


Adattamento al H2S

• Batteri simbionti.– La strategia della simbiosi con batteri che

utilizzano H2S è legata alla necessità di trasferirlo ai batteri senza danneggiare l’ospite.

– Si sono evoluti sistemi che trasportano H2S insieme all’ossigeno (emoglobine nel verme tubolare Riftia Pachypila) o da solo (altre proteine di alto peso molecolare nel mollusco Calyptogena Magnifica)


Riftia Pachyptila


Calyptogena Magnifica


Adattamento al H2S

• Batteri simbionti.– Il solfuro può venire usato dai batteri per

produrre ATP e NAD(P)H oppure, in alcune specie come nel bivalve Soleyma Reidi, convertito in tiosolfato ad opera di una solfito ossidasi.


Adattamento al H2S

• Detossificazione – Nei granchi che

vivono nelle vicinaze delle sorgenti idrotermali (Bythograea thermydron) si ha conversione diretta H2S S2O3

--


Adattamento al H2S• Immobilizzazione attraverso

l’ossidazione non enzimatica.– Per proteggere l’emoglobina dal

legame con H2S in alcune specie opera l’ematina

– In grado di ossidare H2S

– Anche altri metalli (Ni++, Co++, Mn++, Cu++, Fe++) sono in grado di catalizzare l’ossidazione di H2S in presenza di O2

– Un ruolo analogo potrebbe essere svolto dalla ferritina dei mammiferi per detossificare dal H2S prodotto da batteri anaerobi.

NHN

NH N

Fe+++

COOH COOH

CH3

CH2

CH3

CH2

CH3

CH3


Adattamento al H2S• Immobilizzazione attraverso

l’ossidazione non enzimatica.– Per proteggere l’emoglobina dal

legame con H2S in alcune specie opera l’ematina

– In grado di ossidare H2S

– Anche altri metalli (Ni++, Co++, Mn++, Cu++, Fe++) sono in grado di catalizzare l’ossidazione di H2S in presenza di O2

– Un ruolo analogo potrebbe essere svolto dalla ferritina dei mammiferi per detossificare dal H2S prodotto da batteri anaerobi.

H2S

Me++

S2

insolubileprecipita

Ossidazione

MeS

Metallotioneine


Referenze sul WEB• Vie metaboliche

– KEGG: http://www.genome.ad.jp/kegg/• Degradazione degli xenobiotici:

http://www.genome.ad.jp/kegg/pathway/map/map01196.html• Struttura delle proteine:

– Protein data bank (Brookhaven): http://www.rcsb.org/pdb/– Hexpasy

• Expert Protein Analysis System: http://us.expasy.org/sprot/• Prosite (protein families and domains): http://www.expasy.org/prosite/• Enzyme (Enzyme nomenclature database):

http://www.expasy.org/enzyme/– Scop (famiglie strutturali): http://scop.berkeley.edu/

• Enzimi: – Nomenclatura - IUBMB: http://www.chem.qmw.ac.uk/iubmb/– Proprietà - Brenda: http://www.brenda.uni-koeln.de/– Expasy (Enzyme nomenclature database): http://www.expasy.org/enzyme/

• Database di biocatalisi e biodegradazione: http://umbbd.ahc.umn.edu/• Citocromo P450: http://www.icgeb.org/~p450srv/• Metallotioneine: http://www.unizh.ch/~mtpage/MT.html• Tossicità degli xenobiotici: Agency for Toxic Substances and Disease Registry

http://www.atsdr.cdc.gov

http://www.genome.ad.jp/kegg/

Crediti e autorizzazioni all’utilizzo

• Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da:http://www.ambra.unibo.it/giorgio.sartor/

• Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l’autore usando questa frase:

Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio SartorUniversità di Bologna a Ravenna

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http://www.ambra.unibo.it/giorgio.sartor/

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