METABOLISMO: trasformazione delle sostanze nella cellula  Mette a disposizione composti Rende disponibile l’energia per le precursori per le componenti biosintesi e tutti quei processi che cellulari richiedono energia Catabolismo: degradazione di molecole complesse (es. proteine, zuccheri, lipidi, ecc.) in molecole più semplici con liberazione di energia. Anabolismo: sintesi dei componenti cellulari con consumo di energia.

Classificazione degli organismi viventi fondata sulle loro caratteristiche metaboliche fondamentali. Verticalmente è possibile leggere la fonte di energia utilizzata (in alto) e la corrispondente denominazione (in basso), mentre orizzontalmente sono indicate la fonte di carbonioo utilizzata (a sinistra) e la relativa denominazione ( a destra).

PRODUZIONE DI ENERGIA Energia: capacità di compiere un lavoro Le cellule viventi effettuano 3 tipi fondamentali di lavoro: -Lavoro chimico: sintesi delle molecole biologiche -Lavoro di trasporto: trasporto di membrana -Lavoro meccanico: es. motilità Variazione di energia libera (G): quantità di energia liberata o assorbita nel corso di una reazione chimica G: espresso in calorie -G: la reazione libera energia (reazione esoergonica) +G: la reazione richiede energia (reazione endoergonica)

Ogni organismo ha la capacità metabolica di trasformare l'energia chimica e/o luminosa in energia biologica sotto forma di composti ad alta energia; tale energia viene usualmente conservata sotto forma di legami fosfati ad alto livello energetico. Nella maggior parte dei processi chimici la sorgente di legami fosforici ad alto livello energetico è rappresentata dall’Adenosintrifosfato o ATP Legami anidridi

L'idrolosi del legame fosfoanidride libera una grande quantità di energia ΔG = 7.300 cal (30°C a pH7)

Composti ad alto contenuto energetico che si trovano nelle cellule G Kcal Adenosintrifosfato (ATP) -7,3 Guanosintrifosfato (GTP) -7,3 Uridintrifosfato (UTP) -7,3 Citidintrifosfato (CTP) -7,3 Acetilfosfato -10,1 Acido 1,3-difosfoglicerico -11,8 Acido fosfoenolpiruvico -14,8 L’ATP può trasformare una reazione endoergonica in una reazione esoergonica trasferendo il suo radicale fosforico terminale carico di energia a un reagente di un processo di sintesi. Il reagente viene convertito nella corrispondente forma attivata (forma fosforilata) con livelli di energia libera tali da permettere la reazione.

Nei sistemi biologici l’ATP ha la funzione di donatore immediato di energia libera e non quella di conservatore di energia In condizioni normali una molecola di ATP viene consumata circa 1 minuto dopo la sua formazione L’ATP si forma per fosforilazione dell’ADP: ADP + H3PO4 ATP + H2O La reazione è endoergonica I microrganismi utilizzano come fonte di energia: L’energia derivante dalle reazioni chimiche di ossidazione di particolari substrati L’energia radiante della luce solare ( microrganismi fototrofi)

Produzione diATP nei microrganismi chemiotrofi Ossidazione  perdita di elettroni Riduzione  acquisto di elettroni Fe3+ + e-  Fe2+ Ossidante riducente Potenziale redox  indica la tendenza dell’agente riducente a cedere elettroni Gli elettroni tendono a muoversi dai riducenti che hanno un potenziale redox negativo agli ossidanti che hanno un potenziale redox positivo Coppie redox E’° (Volt) 2H+ + 2e-  H2 -0,42 NAD+ + H+ + 2e-  NADH -0,32 FAD + 2H+ + 2e-  FADH2 Citocromo C (Fe3+) + e-  Cit C (Fe2+) 0,254 O2 + 4H+ + 4e-  H2O 0,815

Quando gli elettroni si muovono da un riducente ad un ossidante con potenziale redox superiore si libera energia  Tanto più alta è la differenza di potenziale tanto maggiore è l’energia liberata Nel caso delle molecole organiche spesso la reazioni di ossidazione implicano la perdita di atomi di idrogeno Deidrogenazione Le reazioni di deidrogenazione portano a: -Produzione di energia (ATP) per i processi biosintetici -Formazione di molecole più semplici (cataboliti) che possono essere eliminate dal microrganismo o utilizzate per la sintesi di nuove molecole

Accettore intermedio di elettroni Donatore di elettroni  Accettore intermedio di elettroni Accettore finale di elettroni

Accettori intermedi di elettroni sono: A-Piridin-nucleotidi es: -Nicotinamide adenina dinucleotide NAD+  NADH + H+ -Nicotinamide adenina dinucleotide fosfato NADP+  NADPH+ H+

-Flavina mononucleotide FMN → FMNH2

B-Citocromi

C-Chinoni

D- Ferro-zolfo proteine

TIPI DI METABOLISMO ENERGETICO Metabolismo Donatore di e- Accettore di e- Microrganismi Respirazione Composto organico O2 Chemiorganotrofi aerobi o aerobia (zuccheri, aminoacidi, anaerobi facoltativi .grassi, idrocarburi, ecc.) Composto inorganico Chemioautotrofi aerobi (H2, H2S, S, NH3, Fe++) Respirazione Composto organico NO3- Denitrificanti anaerobi anaerobia facoltativi Composto organico o SO4-- Desulfuricanti anaerobi inorganico Composto inorganico (H2) CO2 Metanogeni anaerobi Composto organico (C1-C2) Fermentazione Composto organico Composto Chemiorganotrofi organico aerobi e anaerobi facoltativi Fotosintesi H2S, S, H2O - Fototrofi Composto organico

RESPIRAZIONE AEROBIA Organismi chemioorganotrofi La maggior parte della biomassa è mineralizzata in aerobiosi L’ossidazione completa di un composto organico porta alla produzione di CO2 e H2O I microrganismi possono utilizzare tutti i composti organici naturali: principalmente carboidrati- lipidi- protidi Principali vie metaboliche del glucosio: Via di Embden-Meyerhoff (Glicolisi) Via dei pentosofosfati (Shunt dell’esosomonofosfato) Via di Entner-Doudoroff ( è presente solo in alcuni batteri)

GLICOLISI Glucosio + 2ATP + 2NAD+ 2 Ac.piruvico + 4ATP + 2(NADH + H+) + 2H2O

CICLO DI KREBS (O CICLO DEGLI ACIDI TRICARBOSSILICI) CH3-CO-COOH + CoA + NAD+ Complesso della piruvato Ac. piruvico Coenzima A deidrogenasi CH3CO-CoA + CO2 + NADH Acetilcoenzima A Gli scopi del ciclo di Krebs sono due: 1-produrre direttamente molecole ad alta energia (GTP) e coenzimi ridotti (NADH e FADH2)- come prodotto di scarto si ha CO2 2-produrre intermedi metabolici che possono essere impiegati in altre reazioni (es. ossalacetato per la sintesi degli aminoacidi)

FADH2 e NADH cedono gli elettroni all'O2 atmosferico attraverso una serie di Trasportatori di elettroni (Catena respiratoria) Flavoproteine e Chinoni sono trasportatori di idrogeno Ferro-zolfoproteine e Citocromi sono trasportatori di elettroni

Si formano: -un gradiente di protoni tra l’interno e l’esterno della membrana -un potenziale di membrana La somma di entrambi è una forma di potenziale energetico chiamata Forza protonmotrice che può essere usata per una serie di processi che richiedono energia: A-trasporto di nutrienti contro gradiente di concentrazione B-mantenimento del turgore cellulare C-mantenimento del pH cellulare a un valore favorevole D-movimento dei flagelli E-flusso di elettroni contro potenziale di ossidoriduzione nelle catene respiratorie dei batteri chemioautotrofi F-generazione di ATP da ADP

Trasporto di elettroni e sintesi di ATP Trasporto di elettroni e sintesi di ATP. Modello di trasporto di elettroni che trasloca protoni sulla superficie esterna della cellula. Il rientro di protoni nella cellula viene accompagnato dalla sintesi di ATP. La reazione finale per la catena di trasporto di elettroni è: NADH + H+ + ½ 02 → NAD+ + H2O