Il metabolismo microbico

Transcript

1 Corso di Microbiologia Generale. A.A Il metabolismo microbico Dott.ssa Annalisa Serio

2 Il metabolismo Insieme di reazioni chimiche che avvengono all interno di un organismo vivente: Le reazioni chimiche: - Richiedono energia O - Rilasciano energia Bilancio energetico

3 Il catabolismo Reazioni chimiche che liberano energia, causando la demolizione di strutture più complesse in strutture più semplici Anabolismo! Generalmente le reazioni cataboliche sono: - Idrolitiche (rottura di legami) - Esoergoniche Es. zuccheri CO 2 + H 2 O

4 L anabolismo Reazioni chimiche che richiedono energia, e determinano la costruzione di strutture complesse a partire da molecole più semplici (biosintesi) Generalmente le reazioni anaboliche sono: - Reazioni di sintesi mediante disidratazione - Endoergoniche Es. amminoacidi proteine

5 Gli scambi energetici L energia liberata dalle reazioni cataboliche e richiesta da quelle anaboliche viene scambiata sotto forma di ATP ATP = adenina + ribosio + 3 gruppi fosfato ATP ADP + P i + energia L energia immagazzinata nell ATP può essere liberata in maniera rapida e semplice

6 Gli scambi energetici

7 La produzione di energia L ossidazione è la rimozione di elettroni da un atomo (o molecola), con generale produzione di energia La riduzione è una reazione in cui un atomo (o molecola) acquisisce elettroni. Le reazioni di ossidazione e riduzione sono sempre accoppiate (ossido-riduzione o redox) In genere elettroni e protoni si muovono insieme: reazioni di ossidazione sono in genere deidrogenazioni

8 Reazione di ossidazione

9 I coenzimi Esistono alcune molecole organiche complesse, note come coenzimi, che possono aiutare gli enzimi ad accettare atomi rimossi dal substrato o a donare atomi richiesti dal substrato. Es. NAD +(nicotinamide adenin dinucleotide) NADP + FMN +(flavinmononucleotide) FAD + (flavinadenindinucleotide) Carrier di elettroni La forma ridotta es. NADH contiene più energia di quella ossidata

10 La fosforilazione ossidativa Gli e - vengono trasferiti da composti organici ad un gruppo di carrier (NAD + e FAD). Gli elettroni passano, attraverso una serie di carrier, a molecole di ossigeno o ad altre molecole ossidate organiche o inorganiche. catena di trasporto di e - Questo processo avviene nella membrana citoplasmatica dei procarioti e nella membrana mitocondriale degli eucarioti

11 La fosforilazione ossidativa Il trasferimento di elettroni da un carrier al successivo libera energia, in parte utilizzata per produrre ATP a partire da ADP. Fotofosforilazione nelle cellule fotosintetizzanti

12 Il metabolismo dei carboidrati Catabolismo dei carboidrati per la produzione di energia. Due vie possibili: - Respirazione cellulare - Fermentazione (generalmente del glucosio) Primo passaggio comune (glicolisi)

13 Il metabolismo dei carboidrati RESPIRAZIONE: - Glicolisi: ossidazione del glucosio ad ac. piruvico (CH 3 COCOOH) con produzione di ATP e NADH - Ciclo di Krebs: ossidazione dell acetil-coa (un derivato dell acido piruvico) a CO 2 con produzione di ATP, NADH e FADH 2 - Catena di trasporto di elettroni. Ossidazione di NADH e FADH 2 in una cascata di reazioni di ossido-riduzione. Produzione di quantitativi considerevoli di ATP.

14 L acido piruvico può essere trasformato in molecole diverse, a seconda del tipo di cellule (es. etanolo e ac. lattico) Nella fermentazione mancano ciclo di Krebs e catena di trasporto degli elettroni, quindi la produzione di ATP è nettamente minore.

15 Glicolisi (o ciclo di Embden-Meyerhof) Ossidazione del glucosio ad ac. Piruvico. Gli enzimi glicolitici provocano la scissione (lisi) del glucosio in 2 molecole da 3 C, poi ossidate per ricavare energia. NAD + ridotto a NADH e bilancio netto di 2 ATP. La glicolisi non richiede necessariamente la presenza di ossigeno.

16 Fase preparatoria Fase conservativa dell energia (x 2)

17 Alternative alla glicolisi Via dei pentoso-fosfati (o shunt dell esoso monofosfato) Agisce in contemporanea alla glicolisi e determina la possibilità di utilizzare anche pentosi. Bilancio energetico netto di 1 ATP per molecola di glu ox. Produzione di NADPH e ribosio-5-p Sintesi di acidi nucleici! Batteri lattici (Leuconostoc mesenteroides, batteri lattici eterofermentanti), Enterococcus faecalis.

18 La via dei pentoso-fosfati (o shunt dell esoso monofosfato) Fase ossidativa Nucleotidi, coenzimi, DNA, RNA

19

20 Via di Entner-Doudoroff Via metabolica che consente di catabolizzare il glucosio mediante enzimi diversi da quelli di glicolisi e via dei pentosofosfati. Richiede la presenza di ossigeno nell ambiente. Da 1 molecola di glucosio si producono 2 NADPH e 1 ATP. Utilizzata da Gram negativi come Pseudomonas, Agrobacterium.

21 Via di Entner-Doudoroff (o via del fosfogluconato) Bilancio energetico netto: 2 NADPH + 1 ATP

22

23 Respirazione cellulare Processo in cui le molecole vengono ossidate e l accettore di elettroni finale è di solito una molecola inorganica. Esistono due tipi di respirazione: - Aerobia (accettore finale O 2 ) - Anaerobia (accettore finale è una molecola inorganica)

24 Respirazione aerobia Ciclo di Krebs (ciclo degli acidi tricarbossilici o ciclo dell acido citrico) Energia chimica dell acetil CoA viene rilasciata in passaggi successivi: gli elettroni sono trasferiti al NAD + che si riduce mentre i derivati dell acido piruvico si ossidano. L ac. piruvico (dalla glicolisi) non può entrare nel ciclo direttamente ma deve perdere una molecola di CO 2 (decarbossilazione)

25 Ciclo di Krebs Legame ad alta energia Per ogni glucosio, si formano 2 molecole di ac. piruvico che entrano nel ciclo 1 glucosio= - 4 CO 2-6 NADH - 2 FADH 2-2 ATP B il a n ci o n et t o

26 Ogni reazione è catalizzata da enzimi specifici

27 Numerosi intermedi del ciclo di Krebs entrano in altre vie metaboliche

28 E i prodotti del ciclo di Krebs? 1 glucosio= - 4 CO 2-6 NADH - 2 FADH 2 Liberazione nell atmosfera Trasferimento di energia durante la fase successiva di respirazione e formazione di ATP - 2 ATP

29 La catena di trasporto degli elettroni Sequenza di reazioni di ossido-riduzione grazie ad una serie di molecole carrier. L ossidazione finale è irreversibile. Al passaggio di un elettrone attraverso la catena, si ha un rilascio di energia, impiegata per formare ATP. La reazione avviene nella membrana interna dei mitocondri per gli eucarioti e nella membrana citoplasmatica dei procarioti

30 La catena di trasporto degli elettroni 3 classi di molecole carrier: - Flavoproteine (FMN) (accettano anche H + ) - Citocromi (contenenti un gruppo eme) (accettano solo e - ) - Ubichinoni o coenzima Q (accettano anche H + )

31 N.B. Nei procarioti la catena di trasporto può essere leggermente diversa (anche a seconda delle diverse tipologie di batteri!) e possono cambiare le molecole carrier! Il flusso di e - attraverso la catena si accompagna ad un trasporto attivo di protoni dal lato opposto della membrana citoplasmatica, cioè verso l esterno. Le molecole trasportatrici sono dette pompe protoniche. Il trasporto di protoni fornisce energia per la generazione di ATP: CHEMIOSMOSI

32 Chemiosmosi Generalmente un trasferimento di molecole contro un gradiente di concentrazione richiede energia. Nella chemiosmosi l energia rilasciata dal trasferimento di molecole è utilizzata per sintetizzare ATP. Le molecole in questione sono protoni. I carrier di protoni attraverso la membrana si chiamano pompe protoniche

33 La membrana fosfolipidica è normalmente impermeabile ai protoni, quindi la pompa stabilisce un gradiente di protoni uni-direzionale. La presenza di H + in eccesso da un lato della membrana (lato esterno) determina una carica positiva che risulta in un gradiente elettrochimico definito forza protonmotrice

34 Gradiente di protoni! H 2 O si dissocia nel citoplasma: H + estruso verso l ambiente esterno OH - si accumula nel versante interno della membrana. Differenze di carica e di ph dai due lati della membrana Pompe protoniche trasportano ioni H + all esterno della membrana. Trasferimento di protoni attraverso canali proteici. Il trasferimento di energia è impiegato per sintetizzare ATP.

35 La membrana batterica cellulare è attraversata da un vero e proprio circuito protonico. I protoni sono traslocati alla superficie cellulare esterna attraverso sistemi enzimatici (pompe protoniche) che utilizzano energia e ritornano alla cellula attraverso a trasportatori specifici (simporto) che possono anche generare energia (ATPsintasi). L accumulo di protoni sulla superficie esterna della membrana cellulare determina la formazione di un potenziale di membrana (potenziale elettrochimico derivante dall accumulo di H+ e quindi di elettroni). Nello stesso modo, può formarsi anche un gradiente di ph (acido all esterno). La cellula può cosi essere paragonata a una pila che si carica e che genera lavoro. La bassa permeabilità ai protoni del doppio strato fosfolipidico della membrana rende ancora più efficiente il sistema, poiché i protoni possono rientrare nella cellula (secondo gradiente) solo attraverso sistemi che sfruttano il loro passaggio per generare ATP (ATP sintasi).

36

37 La respirazione aerobia in sintesi La catena di trasporto degli elettroni rigenera NAD+ e FAD+ utilizzabili nuovamente in glicolisi e ciclo di Krebs. Nei procarioti: C 6 H 12 O 6 + 6O ADP + 38 P i 6 CO H 2 O + 38 ATP Negli eucarioti 2 ATP in meno.

38

39 La respirazione anaerobia Alcuni batteri utilizzano sostanze inorganiche diverse dall ossigeno come accettori di elettroni: - Pseudomonas e Bacillus: nitrato NO Desulfovibrio: SO 4 2- H 2 S Rendimento in ATP inferiore rispetto alla respirazione aerobia. (Generalmente gli anaerobi crescono più lentamente)

40 Fermentazioni Glucosio acido piruvico respirazione fermentazione (Rigenerazione di NAD + e NADP + )

41 Fermentazioni: - Rilasciano energia da zuccheri (substrati diversi a seconda dei microrganismi) o altre molecole organiche, es. amminoacidi, acidi organici. - Non richiedono ossigeno - Non richiedono ciclo di Krebs o catene di trasporto di elettroni - Impiegano molecole organiche come accettori finali di elettroni - Producono piccoli quantitativi di ATP (il prodotto finale contiene ancora energia nei legami, es. ac. lattico o etanolo)

42 I prodotti finali di fermentazione sono diversi a seconda del tipo di fermentazione. Nei processi fermentativi l ATP è generato solo durante la glicolisi

43 Batteri lattici omofermentanti (es. Streptococcus) Lieviti Saccharomyces