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