METABOLISMO PRIMARIO • Il metabolismo primario si considera quello legato alla crescita ed alla riproduzione delle cellule. • I metaboliti primari sono generalmente sempre gli stessi in tutti gli organismi (es gli aminoacidi, gli zuccheri fosforilati, gli acidi grassi). • Le vie biosintetiche che postano a questi metaboliti sono molo simili e/o comuni agli organismi. • Anche le vie energetiche sono molto simili tra loro. • Una diversità importante di alcune molecole biologiche risiede nel diverso arrangiamento di pochi monomeri comuni (es. proteine, acidi nucleici; che sono alla base della diversità biologica). METABOLISMO SECONDARIO 1. I metaboliti secondari (MS) non hanno una funzione metabolica essenziale (questo è vero, ma con riserva in quanto vedi punto 2) 2. La loro sintesi non è IN GENERE associata con la crescita 3. Hanno una struttura chimica eterogenea 4. Sono distribuiti solo tra un numero ristretto* di organismi e ogni tipo di MS è ristretto a gruppi ancor più piccoli di organismi. Spesso un singolo MS è sintetizzato solo da una o poche specie *Questa affermazione dipende dal livello di approfondimento della ricerca/indagine sui MS e da che cosa ESATTAMENTE si intende per MS (definizione)

• Le piante producono tanti tipi di MS (alcaloidi, terpenoidi, pigmenti, profumi sono tutti considerati MS) • Alcuni tipi di microrganismi producono MS (es antibiotici). Soprattutto gli attinomiceti, i funghi filamentosi e i batteri del suolo producono un’enorme varietà di MS. L’osservazione dei tipi di organismi che producono MS può dare un’idea della funzione biologica di alcuni MS. Es confronto tra organismi adattati ad ambienti favorevoli (enterobatteri, lieviti unicellulari) che si riproducono molto rapidamente e producono raramente MS, rispetto a quelli del suolo (procarioti e/o funghi filamentosi), che in genere si riproducono più lentamente e producono MS: difesa del territorio? inibizione dei competitori? Questa teoria è confermata dal fatto che gli estremofili non producono MS (dispendio energetico, difesi dalle condizioni ambientali) • I MS prodotti dagli animali sono ad es utilizzati per la comunicazione e la difesa del territorio (feromoni, acido formico) Ruolo dei metaboliti secondari: 1. Stimolo dei processi di differenziamento (un solo caso dimostrato) 2. Interazioni tra organismo e ambiente 3. Interazioni tra organismi

Data la complessità strutturale dei MS, si classificano con difficoltà in base alla struttura. Una possibilità è di classificarli in base ai tipi di PRECURSORI utilizzati (e comunque alcuni MS hanno precursori di origine che non rientra nella classificazione che segue). I precursori dei MS derivano dai metaboliti primari: Zuccheri Amminoacidi Gruppi acilici (acidi attivati) Basi azotate

1. Saccaridici o oligosaccridici 1. Saccaridici o oligosaccridici. Derivano essenzialmente dal glucosio e/o monomeri e/o oligomeri, polimeri di scorta o strutturali: es aminociclitolo della streptomicina

2. Peptidici o oligopeptidici 2. Peptidici o oligopeptidici. Aminoacidi modificati e/o condensati con altri aa; MS oligopeptidici anche con aa in forma D e/o ciclizzati. La biosintesi dei polipeptidici può essere sia non-ribosomale che da idrolisi di proteine più lunghe. Altri derivano da vie biosintetiche laterali di vie biosintetiche primarie di aa, come il cloramfenicolo viene dalla via biosintetica di trp-phe-tyr.

3. Acilogenine. Derivano dalla condensazione di forme attivate di acetato, come l’acetil-CoA nella via polichetidica (es tetraciclina) o unità isopreniche attivate (isopentenil pirofosfato: a sua volta derivato da acetil-CoA), come terpeni steroidi e carotenoidi. I polimeri possono quindi ciclizzare e aromatizzare. 4. Nucleologhi. Sono in relazione biosintetica con le basi azotate degli acidi nucleici.

I MS non sono associati alla crescita. Curva di crescita e introduzione dei concetti di TROPOFASE (crescita e metabolismo primario) ed IDIOFASE (MS). Terreni che consentono la crescita rapida e bilanciata permettono la produzione di MS solo se/quando un fattore diventa limitante. Si ha allora una crescita bifasica: tropofase seguita da idiofase. Se un componente è in forma poco assimilabile, la crescita è rallentata e si può avere produzione durante la crescita: crescita lineare.

Dato che la crescita è prioritaria rispetto al metabolismo secondario, le sue caratteristiche regolative si mettono in evidenza solo quando la crescita è ristretta. I fattori principali di regolazione sono C, N e P che esercitano attraverso la repressione da catabolita. Alcuni esempi di regolazione: Regolazione feedback: in Penicillium chrisogenum la lisina reprime la produzione di penicillina Repressione da catabolita: una fonte C facilmente assimilabile, come il glucosio, favorisce la crescita e non la produzione di MS. Una fonte meno favorevole, come il lattosio, è favorevole alla produzione. Uso di substrati misti come glucosio+lattosio (inoltre il glucosio inibisce l’uso di lattosio): tropofase (consumo del glucosio)  idiofase (consumo del lattosio). Ma lo stesso risultato si puo’ ottenere con ridotta somministrazione di glucosio ( bassa velocita’ di crescita) Regolazione da azoto: ammonio e aa non possono essere usati in quanto velocemente assimilabili e reprimono la produzione di MS. La prolina è una fonte N particolarmente adatta in quanto l’azoto ciclico non è prontamente disponibile

4. Regolazione da fosfati: i livelli di fosfato devono essere subottimali per la crescita. Il controllo del fosfato si esercita a vari livelli: • Il fosfato può inibire direttamente l’attività di alcuni enzimi (es fosfatasi) • Influenza il livello di ATP: alto fosfato fa alzare la concentrazione di ATP cellulare, che stimola la crescita e impedisce l’idiofase • Può influire sulla disponibilità di intermedi fosforilati 5. Induzione: un fenomeno raro e non ancora precisamente dimostrato. Questa osservazione suggerisce che l'origine del metabolismo secondario sia biosintetica piuttosto che catabolica 6. Bypass dei meccanismi di controllo: sono stati isolati in molti casi dei mutanti di regolazione con produzioni anche 100-1000 volte maggiori del selvatico. I dettagli a livello molecolare di queste mutazioni non sono però note nella maggior parte dei casi

EVOLUZIONE La presenza e la diffusione di MS è un’evidenza di per se’ della loro importanza evolutiva. Ipotesi della comparsa del metabolismo secondario, che sono di per loro vie metaboliche complesse: dato che gli intermedi non hanno attività, è poco probabile che si sia evoluto per passi successivi. E’ più probabile una serie di mutazioni casuali su enzimi di vie metaboliche preesistenti, probabilmente del metabolismo primario: vie duplicate? Vie abbandonate? Duplicazioni geniche? Trasferimento orizzontale? Alcuni dati in favore sono: • Analogie tra metabolismi primari e secondari (es regolazione) • Enzimi a bassa specificità di substrato; sono quindi attivi su famiglie di composti e danno famiglie di prodotti e l’ordine dei passaggi non è vincolante