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).
Diversità del Metabolismo Microbico Flusso dell energia e del Carbonio
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
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
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
Composti ad alta energia e conservazione dell energia Conservazione a lungo termine: PHB, S, Amido, ecc.
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.
Metabolismo energetico Stadi del catabolismo
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
Fermentazione - Glicolisi o via di Embden-Meyerhof. 2 ATP 2 NADH
Schema generale delle fermentazioni.
Fermentazione degli zuccheri via Embden-Meyerhof
Fermentazione degli zuccheri via Embden-Meyerhof
Glicolisi o via di Embden-Meyerhof. Fermentazione alcolica
Glicolisi o via di Embden-Meyerhof. Fermentazione alcolica
Fermentazione omolattica
E, coli, Salmonella, Proteus, Enterobatteri Fermentazione acido mista
Fermentazione 2,3-Butilenglicolica Enterobacter, Erwinia, Serratia
Fermentazione butirrica Lattato Clostridium sp
Glucosio Fermentazione propionica Propionibacterium
Via dei Pentoso fosfato - Fermentazione eterolattica
Via Entner-Doudoroff Fosfogluconato (Zymomonas, Pseudomonas)
Reazione di Stickland Fermentazione aminoacidi (Clostridium)
Fermentazione Metanogenica Da CO2 Methanothrix Methanosarciana
Corr- Protein Metanogenesi Da Acetato Fermentazione dell etanolo
Piruvato 4 6 5 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
Fosforilazione ossidativa Produzione di energia: Riossidazione del NADH NADH + H +1/2O2 > NAD+ + H2O Catena di trasporto degli elettroni
Catena di trasporto degli elettrononi Citocromi, Flavoproteine, Chinoni, Proteine Ferro-zolfo Struttura dell eme Fe +++ + e > Fe ++ - e > Fe +++
Trasporto di elettroni -Ossidazioni e Riduzioni reversibili del Fe Coenzima Q Proteine Ferro-Zolfo
Catena di trasporto di elettroni e sintesi di ATP
Catena di trasporto degli elettroni Generazione della forza Motrice dei Protoni
ATP Sintetasi Forza protonmotrice e produzione di ATP Fosforilazione Ossidativa Impiego della forza Motrice dei Protoni Trasporto jonico Rotazione flagellare Produzione ATP (F.O.)
Processi di Respirazione Anaerobica Respirazione Anaerobica Accettore finale di elettroni diverso dall O2
Respirazione Anaerobica Accettore finale di elettroni diverso dall O2 Denitrificazione Pseudomonas, Bacillus
Riduzione del nitrato Denitrificazione Ossido nitrico Pseudomonas Ossido nitroso Catena di trasporto degli elettroni
Respirazione Anaerobica Riduzione del solfato Catena di trasporto degli elettroni APS Adenosina Fosfosolfato Desulvibrio Desulfotomaculum
Respirazione Anaerobica Respirazione Carbonica Batteri metanogeni anaerobi Archebatteri Respirazione Carbonica Batteri omoacetogeni anaerobi Clostridium aceticum, Acetobacterium
Methanobacterium Metanogenesi Batteri metanogeni anaerobi CO2 > Metano
Acetogenesi Batteri omoacetogeni
Metanogenesi e trasporto degli elettroni MPH (Metanofenazina) Energia e metanogenesi
Metabolismo Chemiolitotrofo Ossidazione composti inorganici Ossidazione dello zolfo - Solfobatteri (Beggiatoa, Sulfolobus, Thiobacillus thioxidans) 2H2S + O2 > 2S + H2O 2S + 2H2O > 2H2SO4 - S2O3 + H2O + 2O2 > 2SO4 2- + 2H + Trasporto degli elettroni
Metabolismo Chemiolitotrofo Ossidazione composti inorganici Batteri nitrificanti Nitrosazione (Nitrosomonas) 2NH3 + 3O2 > 2HNO2 + 2H2O Trasporto degli elettroni Nitrificazione (Nitrobacter) 2HNO2 + O2 > 2HNO3
Ossidazione composti inorganici Ferrobatteri (Thiobacillus ferrooxidans, Sulfolobus) Ossidazione aerobica del Ferro: 2Fe 2+ + 2H + 1/2O2> 2Fe 3+ + H2O 2FeS2 + 7O2+H2O> 2Fe 2+ + 4SO4-2 + 4H + Trasporto degli elettroni
Catabolismo di sostanze organiche complesse -Carboidrati (Disaccaridi, Glicogeno, Amido, Cellulosa, Chitina, Pectina, Agar) -Acidi Organici -Idrocarburi -Lipidi -Proteine e aminoacidi
Catabolismo di sostanze organiche complesse
Metabolismo degli Acidi organici
Metabolismo degli idrocarburi alifatici
Degradazione dei composti aromatici
Degradazione dei composti aromatici Benzoato
Catabolismo lipidico
Catabolismo lipidico b ossidazione
Catabolismo Proteico e Aminoacidico Proteine > Polipeptidi > Peptidi > Aminoacidi Aminoacidi: Deaminazione Decarbossilazione Transaminazione
Metabolismo energetico Fonte di Carbonio Fotosintesi Batterica Produzione di ATP Riduzione CO2 Solfobatteri verdi, Batteri rossi Cianobatteri, Alghe, Vegetali
Fotosintesi batterica - Batterioclorofilla Solfobatteri verdi, Batteri rossi Vegetali, Alghe, Cianobatteri
Batterioclorofille
Membrane lamellari e vescicolari fotosintetiche Fototrofi purpurei Clorobium Clorosomi Tilacoidi Membrane lamellari fotosintetiche Cianobatteri
Centri di Reazione (Clorofille + Proteine) Pigmenti antenna Carotenoidi Ficobiline Modello di Clorosoma Pigmenti antenna pa Batterioclorifille
Pigmenti accessori Carotenoidi Ficobiline e Ficobilisomi
Fotosintesi Flusso di elettroni e produzione di ATP Fotofosforilazione ciclica Pigmenti antenna Batterioclorofilla a P870 -Centro di reazione LH -Batterioclorofille Bph -Batteriofeofitina
Batteriofeofotina Fotosintesi Anossigenica Schema generale del flusso di elettroni Flusso di elettroni Forza proton motrice ATP
Feofitina Ferredossina Fotosintesi Ossigenica Ciclica Elevato potere riducente Schema generale del flusso di elettroni ATP Fotofosforilazione non ciclica Plastocianina Clorofilla a Clorofilla a