Metabolismo Microbico

Transcript

1 Metabolismo Microbico Il Metabolismo è l insieme delle reazioni bio-chimiche che avvengono in una cellula. Può essere suddiviso in Catabolismo ed Anabolismo. Catabolismo: ossidazione del substrato (organico o minerale) con produzione di energia libera. Anabolismo: processo di sintesi dei costituenti cellulari che avviene con impiego di energia. Vie cataboliche: portano alla formazione di composti di minor complessità chimica e alla liberazione di energia (sono differenti dagli organismi superiori) Vie anaboliche: portano alla formazione di composti caratterizzati da una maggiore complessità chimica rispetto al nutriente di partenza e richiede energia (fondamentalmente simile in tutti gli organismi viventi).

2 Diversità del Metabolismo Microbico Flusso dell energia e del Carbonio

3 Energia e metabolismo Metabolismo Chemioorganotrofo Metabolismo catabolico > Composti chimici ricchi di energia Utilizzazione dell energia > Reazioni Ossido-Riduzione nutrienti prodotti di scarto anabolismo (biosintesi) energia (crescita) energia (movimento) componenti cellulari catabolismo molecole organiche e inorganiche Ossidazione: rimozione di uno o più elettroni da una sostanza Riduzione: aggiunta di uno o più elettroni da una sostanza

4 Reazioni Ossido-Riduzione Potenziale di Riduzione (Eo) Coppie di Ossido-Riduzione Trasferimento di elettroni da Eo negativo a Eo positivo Donatore di elettroni Riducente Composto donatore di elettroni Fonte di energia Accettore di elettroni Ossidante

5 Reazioni Ossido-Riduzione > Trasferimento di Elettroni > Trasportatori di elettrononi e H+ -Diffusibili (coenzimi) -(NAD+ NADP+, FAD+) -Associati alla membrana Ubichinone (Coenzima Q), Chinoni, Citocromi, Ferredoxina Reazioni O-R NAD+ + AH2 > NADH + A + H+ - Riossidazione > 3 ATP FAD+ + 2H > FADH2 Riossidazione > 2 ATP

6 Composti ad alta energia e conservazione dell energia Conservazione a lungo termine: PHB, S, Amido, ecc.

7 Energia liberata durante l idrolisi dell ATP Altri trasportatori di energia Sintesi dell ATP Fosforilazione a livello di substrato Fermentazione Fosforilazione ossidativa Respirazione F.P.M.

8 Metabolismo energetico Stadi del catabolismo

9 Fermentazione Metabolismo energetico. Fosforilazione a livello di substrato Microrganismi anaerobi Via Embden-Meyerhof Fermentazione alcolica, omolattica, formica (acido mista), propionica, butirrica Via esosomonofosfato Fermentazione eterolattica (Leuconostoc) Via Entner-Doudoroff Fosfogluconato (Zymomonas) Scissione C2-C4 Fermentazione Bifidobacterium Reazione di Stickland Fermentazione aminoacidi (Clostridium) Respirazione aerobica Fosforilazione ossidativa Microrganismi Aerobi Respirazione anaerobica Fotosintesi (Denitrificanti, Metanogeni, Desulfuricanti ecc) Fotofosforilazione ossidativa

10 Fermentazione - Glicolisi o via di Embden-Meyerhof. 2 ATP 2 NADH

11 Schema generale delle fermentazioni.

12 Fermentazione degli zuccheri via Embden-Meyerhof

13 Fermentazione degli zuccheri via Embden-Meyerhof

14 Glicolisi o via di Embden-Meyerhof. Fermentazione alcolica

15 Glicolisi o via di Embden-Meyerhof. Fermentazione alcolica

16 Fermentazione omolattica

17 E, coli, Salmonella, Proteus, Enterobatteri Fermentazione acido mista

18 Fermentazione 2,3-Butilenglicolica Enterobacter, Erwinia, Serratia

19 Fermentazione butirrica Lattato Clostridium sp

20 Glucosio Fermentazione propionica Propionibacterium

21 Via dei Pentoso fosfato - Fermentazione eterolattica

22 Via Entner-Doudoroff Fosfogluconato (Zymomonas, Pseudomonas)

23 Reazione di Stickland Fermentazione aminoacidi (Clostridium)

24 Fermentazione Metanogenica Da CO2 Methanothrix Methanosarciana

25 Corr- Protein Metanogenesi Da Acetato Fermentazione dell etanolo

26 Piruvato Metabolismo energetico aerobico -RESPIRAZIONE - Ciclo di Krebs o degli Acidi Tricarbossilici. Piruvato> -Fosforilazione a livello del substrato: GDP+Pi > GTP +ADP > GDP +1 ATP -Fosforilazione del trasporto degli elettroni: 4NADH > 12 ATP. FADH > 2 ATP Tot = 30 ATP -GLICOLISI > 2 ATP Riossidazione NADH > 6 ATP Glucosio > CO2 + H2O 38 ATP

27 Fosforilazione ossidativa Produzione di energia: Riossidazione del NADH NADH + H +1/2O2 > NAD+ + H2O Catena di trasporto degli elettroni

28 Catena di trasporto degli elettrononi Citocromi, Flavoproteine, Chinoni, Proteine Ferro-zolfo Struttura dell eme Fe e > Fe ++ - e > Fe +++

29 Trasporto di elettroni -Ossidazioni e Riduzioni reversibili del Fe Coenzima Q Proteine Ferro-Zolfo

30 Catena di trasporto di elettroni e sintesi di ATP

31 Catena di trasporto degli elettroni Generazione della forza Motrice dei Protoni

32 ATP Sintetasi Forza protonmotrice e produzione di ATP Fosforilazione Ossidativa Impiego della forza Motrice dei Protoni Trasporto jonico Rotazione flagellare Produzione ATP (F.O.)

33 Processi di Respirazione Anaerobica Respirazione Anaerobica Accettore finale di elettroni diverso dall O2

34 Respirazione Anaerobica Accettore finale di elettroni diverso dall O2 Denitrificazione Pseudomonas, Bacillus

35 Riduzione del nitrato Denitrificazione Ossido nitrico Pseudomonas Ossido nitroso Catena di trasporto degli elettroni

36 Respirazione Anaerobica Riduzione del solfato Catena di trasporto degli elettroni APS Adenosina Fosfosolfato Desulvibrio Desulfotomaculum

37 Respirazione Anaerobica Respirazione Carbonica Batteri metanogeni anaerobi Archebatteri Respirazione Carbonica Batteri omoacetogeni anaerobi Clostridium aceticum, Acetobacterium

38 Methanobacterium Metanogenesi Batteri metanogeni anaerobi CO2 > Metano

39 Acetogenesi Batteri omoacetogeni

40 Metanogenesi e trasporto degli elettroni MPH (Metanofenazina) Energia e metanogenesi

41 Metabolismo Chemiolitotrofo Ossidazione composti inorganici Ossidazione dello zolfo - Solfobatteri (Beggiatoa, Sulfolobus, Thiobacillus thioxidans) 2H2S + O2 > 2S + H2O 2S + 2H2O > 2H2SO4 - S2O3 + H2O + 2O2 > 2SO H + Trasporto degli elettroni

42 Metabolismo Chemiolitotrofo Ossidazione composti inorganici Batteri nitrificanti Nitrosazione (Nitrosomonas) 2NH3 + 3O2 > 2HNO2 + 2H2O Trasporto degli elettroni Nitrificazione (Nitrobacter) 2HNO2 + O2 > 2HNO3

43 Ossidazione composti inorganici Ferrobatteri (Thiobacillus ferrooxidans, Sulfolobus) Ossidazione aerobica del Ferro: 2Fe H + 1/2O2> 2Fe 3+ + H2O 2FeS2 + 7O2+H2O> 2Fe SO H + Trasporto degli elettroni

44 Catabolismo di sostanze organiche complesse -Carboidrati (Disaccaridi, Glicogeno, Amido, Cellulosa, Chitina, Pectina, Agar) -Acidi Organici -Idrocarburi -Lipidi -Proteine e aminoacidi

45 Catabolismo di sostanze organiche complesse

46 Metabolismo degli Acidi organici

47 Metabolismo degli idrocarburi alifatici

48 Degradazione dei composti aromatici

49 Degradazione dei composti aromatici Benzoato

50 Catabolismo lipidico

51 Catabolismo lipidico b ossidazione

52 Catabolismo Proteico e Aminoacidico Proteine > Polipeptidi > Peptidi > Aminoacidi Aminoacidi: Deaminazione Decarbossilazione Transaminazione

53 Metabolismo energetico Fonte di Carbonio Fotosintesi Batterica Produzione di ATP Riduzione CO2 Solfobatteri verdi, Batteri rossi Cianobatteri, Alghe, Vegetali

54 Fotosintesi batterica - Batterioclorofilla Solfobatteri verdi, Batteri rossi Vegetali, Alghe, Cianobatteri

55 Batterioclorofille

56 Membrane lamellari e vescicolari fotosintetiche Fototrofi purpurei Clorobium Clorosomi Tilacoidi Membrane lamellari fotosintetiche Cianobatteri

57 Centri di Reazione (Clorofille + Proteine) Pigmenti antenna Carotenoidi Ficobiline Modello di Clorosoma Pigmenti antenna pa Batterioclorifille

58 Pigmenti accessori Carotenoidi Ficobiline e Ficobilisomi

59 Fotosintesi Flusso di elettroni e produzione di ATP Fotofosforilazione ciclica Pigmenti antenna Batterioclorofilla a P870 -Centro di reazione LH -Batterioclorofille Bph -Batteriofeofitina

60 Batteriofeofotina Fotosintesi Anossigenica Schema generale del flusso di elettroni Flusso di elettroni Forza proton motrice ATP

61 Feofitina Ferredossina Fotosintesi Ossigenica Ciclica Elevato potere riducente Schema generale del flusso di elettroni ATP Fotofosforilazione non ciclica Plastocianina Clorofilla a Clorofilla a