Gli Organismi possono essere classificati in base alla fonte di C che usano.

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1 Diversità Metabolica I Microorganismi vivono in una grande varietà di habitats a causa della loro diversità metabolica, la loro abilità ad usare diverse fonti di C e di energia ed a crescere a differenti conditioni fisiche. C rappresenta la base di tutte le molecole organiche in tutti gli organismi. C deriva - direttamente o indirettamente da fonti nonbiologiche di C nell ambiente. Gli Organismi possono essere classificati in base alla fonte di C che usano. AUTOTROFI: usano CO2 dell ambiente (piante, batteri) ETEROTROFI: richiedono forme organiche di C (animali, funghi, molti batteri). Derivano il loro C organico - direttamente o indirettamente - dagli autotrofi. Dopo il passaggio attraverso gli eterotrofi, il C organico è ossidato a CO2 dalla respirazione, e la CO2 ritorna nell ambiente. Senza respirazione, gli autotrofi consumerebbero la CO2 in circa 300 anni.

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3 AUTO- e ETEROTROFI sono interdipendenti. Le richieste energetiche di AUTO e ETERO sono differenti. AUTO: richiedono fonti energetiche esterne per le reazioni riduttive, per la sintesi di composti organici da CO2. L opposto di questo processo è l energia rilasciata come calore durante la combustione del legno a CO2. Questo rappresenta tutta la energia assorbita dalle piante dal sole e utilizzata per la sintesi del legno da CO2. Fotoautotrofi (fotosintetici) - C cellulare ottenuto fissando CO2. L energia deriva dalla luce. Questo organismi non richiedono composti organici per ricavare energia o C cellulare: Cianobatteri, batteri rossi fotosintetici, e piante. Chemoautotrofi - C cellulare ottenuto fissando CO2. Energia da fonti inorganiche come composti di S o N, Fe, H2, etc. Questo organismi non richiedono composti organici per ricavare energia o C cellulare: batteri S-ossidanti, metano-batteri.

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5 Come funziona la cellula? Organizza la propria crescita per la sintesi di una nuova cellula. Sostanze nutritive per la biosintesi Prodotti di scarto (prodotti di fermentazione, CO 2, O 2 accettori di e - ridotti) Energia per le biosintesi Macromolecole e altri componenti cellulari Energia per movimento, trasporto Sostanze chimiche e luce (fonti di energia)

6 Processi cellulari essenziali sintesi enzimi e strutture per la duplicazione e trasmissione dell'informazione soddisfacimento del fabbisogno energetico per l'effettuazione del compito di cui sopra adattamento delle condizioni cellulari per espletamento dei processi suddetti Produzione di energia Produzione di potere riducente Produzione di sostanze organiche

7 Le reazioni coinvolte nelle trasformazioni delle molecole di C utilizzate dai microrganismi costituiscono: il Catabolismo Attraverso il catabolismo si producono: molecole ad alto contenuto di energia: ATP mediatori delle ossido-riduzioni biologiche: NAD+ / NADPH+ precursori metabolici

8 Le reazioni coinvolte nelle trasformazioni dei precursori metabolici utilizzati dai microrganismi costituiscono: l Anabolismo Attraverso l anabolismo si producono: Componenti semplici o monomeri Macromolecole Strutture cellulari

9 ENERGIA PER I PROCESSI BIOLOGICI Gli ecosistemi sono rappresentati da un flusso continuo di materia e di energia. Le piante sono capaci (oltre ad alcuni microrganismi) di fissare l anidride carbonica in composti organici. Usando la luce solare, nutrienti ed acqua, le piante creano una grande varietà di sostanza organica, che viene consumata dagli eterotrofi.

10 La fonte primaria di tutta l'attività biologica e della sintesi di materia vivente è rappresentata dalla luce, ovvero dal flusso di fotoni solari, che, catturati dagli organismi autotrofi piante e alcuni batteri- sono trasformati in energia chimica utilizzata per sintetizzare zuccheri. Questi concetti sono stati al centro delle ricerche di un grande scienziato, premio Nobel per la Medicina nel 1937, Albert Szent-Gyorgyi. Egli studiò le reazioni cataboliche che comportano il trasferimento di elettroni da una molecola all'altra e che, accoppiate a reazioni di cattura dell'energia liberata in questi passaggi, portano alla produzione di energia chimica, e che rappresentano la via universale per la utilizzazione del glucosio della maggior parte degli organismi viventi. Szent-Gyorgyi così sintetizza: "quando un fotone emesso dal Sole interagisce con un elettrone di una molecola sul nostro globo, quest'elettrone passa ad un livello superiore di energia, per ritornare, dopo 10-8 /10-9 secondi, allo stato di partenza. La vita si svolge tra questi due processi: cattura l'elettrone nello stato eccitato e lo lascia ritornare al livello di base all'interno del proprio congegno chimico, usando l'energia così liberata per mantenersi". LA VITA SI SNODA SUL CAMMINO DELL'ELETTRONE CHE CADE".

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12 MECCANISMI ATTRAVERSO CUI L ENERGIA CHIMICA CONTENUTA NEI PRODOTTI DELLA FOTOSINTESI VIENE CONVERTITA IN ATP. ATP=mezzo universale per lo scambio di energia biochimica. Energia conservata nei legami ad alta energia dell ATP può essere impiegata dalla cellula per compiere le proprie funzioni. EVENTO importante evoluzione: capacità di stabilire la separazione delle cariche (POTENZIALE ELETTROCHIMICO) attraverso la membrana citoplasmatica. = Forma di energia potenziale che può essere convertita in energia chimica in forma di ATP.

13 Batteri e Archea utilizzano 3 meccanismi per generare ATP: fosforilazione ossidativa, fotofosforilazione, fosforilazione a livello di substrato. RESPIRAZIONE: ATP prodotto attraverso ossidazione di composti ridotti organici o inorganici (donatori di elettroni) in cui l accettore terminale di elettroni è l O 2 o un altro composto ossigenato, che viene ridotto. Nella respirazione anaerobica gli accettori di elettroni possono essere: NO 3 -, SO 4 --, che vengono ridotti a NH 4 +, H 2 S. FERMENTAZIONE: ATP prodotto per fosforilazione a livello di substrato, attraverso diretto trasferimento di un fosfato ad alto contenuto energetico da un composto organico fosforilato ad ADP. L accettore finale è un composto organico, che viene ridotto.

14 ATP: due legami sono ad alto contenuto energetico

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16 Produzione di piruvato: centrale nel catabolismo +O 2 ciclo di Krebs - respirazioni Destini del piruvato -O 2 fermentazioni Legame fra glicolisi e ciclo dell'acido citrico: decarbossilazione ossidativa del piruvato per formare acetil-coa

17 Via di EMBDEN-MEYERHOF

18 Via dei PENTOSO-FOSFATI

19 Via di ENTNER-DOUDOROFF

20 Aerobi : utilizzazione del piruvato TCA

21 Membrana citoplasmatica batteri, membrana interna mitocondri, membrana tilacoide cloroplasto: membrane che trasducono energia. Possiedono trasportatori di elettroni come flavine, coenzima Q, citocromi, immersi nel doppio strato fosfolipidico., che funzionano in sequenza. Tali trasportatori (proteici) mediano le reazioni chimiche che stabiliscono il gradiente protonico = forza protonmotrice. La catena respiratoria catalizza il trasferimento degli elettroni ad un accettore finale come O2 e produce energia, mentre l ATP sintetasi catalizza la sintesi di ATP consumando energia. Alcuni composti chimici interferiscono nei due processi: i disaccoppianti impediscono la sintesi di ATP, mentre gli inibitori bloccano il trasporto e- e sintesi ATP. Inibitori sono il cianuro, il monossido di carbonio che si legano al ferro dei citocromi e bloccano il trasporto degli elettroni. Quindi spariscono il gradiente protonico e la sintesi di ATP. Alcuni batteri hanno catena diversa e più breve.

22 Separazione di carica attraverso la membrana cellulare creata dalla concentrazione dei protoni all esterno e di ioni negativi all interno = fonte di energia per sintesi ATP. Trasporto di elettroni e trasloco di protoni all esterno della cellula, che rientrando generano la sintesi di ATP. Reazione finale catena trasporto: NADH + H + + 1/2O 2 NAD + + H 2 O Per ogni NADH ossidato trasportati fuori dalla membrana 3 H+, che rientrando attraverso la ATP sintetasi producono 3 ATP.

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24 FERMENTAZIONE Processo metabolico energetico che avviene in assenza di ossigeno e fornisce (Pasteur: vita senz aria) energia per la crescita dei microorganismi, attraverso la fosforilazione a livello disubstrato. In cui composti organici servono da donatori e da accettori di elettroni. - In senso biochimico: metabolismo per la rigenerazione di ATP - Resa energetica: 1-4 moli ATP per mole di glucosio fermentato SUBSTRATI per le fermentazioni: carboidrati, aminoacidi.. Tipi: ferm. alcoolica (lieviti), ferm. Acidolattica (batteri)

25 Da ferm. omolattica il microorganismo ricava 2 moli ATP e si formano due molecole di acido lattico. Reazione netta: Glucosio + 2ADP + 2Pi 2 acido lattico + 2ATP Durante la ferm. i composti del C non vengono ossidati totalmente, poiché si ha formazione di molecole organiche che contengono ancora legami ricchi di energia. GLICOLISI: Via di Embden-Meyerhof, la più utilizzata per il catabolismo del glucosio.

26 fermentazione FERMENTAZIONE OMOLATTICA

27 FERMENTAZIONE OMOLATTICA

28 FERMENTAZIONE ETEROLATTICA Glucosio acido lattico + etanolo + CO2 RESA: 1 ATP

29 FERMENTAZIONE ACIDOPROPIONICA

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34 Propionibacterium: genere che produce acido propionico come prodotto della fermentazione. Gram+, aerotolleranti, vivono nel tratto intestinale animali. E nel formaggio: tipiche occhiature Emmental: usano acido lattico prodotto dai batteri lattici nella fermentazione del formaggio e lo metabolizano ad acido proprionico, acetico e CO2, che è la causa delle occhiature. Si trovano anche su pelle umana, nelle ghiandole sebacee. Fermenta acido lattico prodotto da Staphylococcus epidermidis formando acido propionico e acetico. In alcune persone se ne trovano più di 1 milione per cm2. Proprionico ed acetico sono acidi grassi volatili, con odore particolare, conferito alle persone sulla cui pelle albergano. Bifidobacterium: batteri anaerobi a forma di bastoncelli irregolari. Fermentano zuccheri ad acido lattico e acetico. Habitat: intestino animali.

35 Streptococcus, Lactobacillus: batteri anaerobi aerotolleranti. Habitat: piante, caseifici, tratto orale e intestinale animali, vagina mammiferi. Fermentano zuccheri latte e lattosio, formando acido lattico. S. lactis: lattococco. S. salivarius: cavità orale. S. mutans produce capsula con cui aderisce a smalto denti, causa carie. S. fecalis: ospite intestino umano (altri enterococchi patogeni). S. pyogenes: agente scarlattina, endocarditi. S. pneumoniae: pneumococco. Lactobacillus: no ceppi patogeni. Crescono da ph 5,5-6, producendo acidolattico che abbassa il ph fino a valori < 5, eliminando Streptococcus.