METABOLISMO: insieme delle reazioni che avvengono nella cellula ANABOLISMO: reazioni di SINTESI (richiedono energia) CATABOLISMO: reazioni di DEGRADAZIONE (produzione di energia) CATABOLISMO e ANABOLISMO sono strettamente interconnessi: energia prodotta durante il catabolismo utilizzata nelle reazioni anaboliche molti processi avengono in entrambe le direzioni (enzimi comuni)

Metabolismo catabolismo: produzione di energia dalla degradazione di molecole complesse anabolismo: sintesi di molecole complesse

nucleosidi ribosio fosfato eritrosio fosfato corismato triptofano fenilalanina tirosina

serina cisteina glicina aminoacidi ramificati

tipi di metabolismo microbico: produzione dell’energia mentre i processi anabolici (di sintesi) sono simili in tutti gli organismi, la variabilità delle fonti da cui i microrganismi riescono a ricavare energia rende unico il metabolismo microbico. tipi di metabolismo microbico: produzione dell’energia

CHEMIOTROFI FOTOTROFI Figura 7.1 Fonti di energia dei microrganismi. La maggior parte dei microrganismi utilizza una delle tre fonti di energia. I fototrofi catturano l’energia radiante dal sole utilizzando pigmenti come la batterioclorofilla e la clorofilla. I chemiotrofi ossidano i nutrienti organici e inorganici ridotti per rilasciare e catturare l’energia. L’energia chimica derivata da queste tre fonti può essere utilizzata per compiere lavoro.

ATP + H2O ADP + P G° = -7,3 Kcal ADP + H2O AMP + P G° = -7,3 Kcal AMP + H2O adenosina + P G° = -3,4 Kcal

GTP funzioni ribosomali UTP sintesi peptidoglicano CTP sintesi fosfolipidi dTTP sintesi lipopolisaccaridi AcetilCoA sintesi acidi grassi Sintesi ATP: fosforilazione a livello del substrato fosforilazione ossidativa (catena di trasporto degli elettroni)

Sintesi ATP: fosforilazione a livello del substrato fosforilazione ossidativa (catena di trasporto degli elettroni) ADP ATP

Sintesi ATP: fosforilazione a livello del substrato fosforilazione ossidativa (catena di trasporto degli elettroni)

Ipotesi chemiosmotica (Mitchell, 1961) - membrana dei mitocondri formazione di un gradiente di protoni e di un potenziale di membrana forza protonmotrice

REAZIONI DI OSSIDAZIONE: PRODUZIONE DI ENERGIA MOLECOLA CHE SI OSSIDA = DONATORE DI ELETTRONI = FONTE DI ENERGIA per la cellula la tendenza di una molecola a cedere elettroni è misurata dal suo POTENZIALE DI RIDUZIONE quanto più è NEGATIVO tanto maggiore è la tendenza a dare e-; quanto più è positivo tanto maggiore è la tendenza ad acquisire e- gli e- tendono a spostarsi da una molecola a potenziale negativo verso quella a potenziale più positivo; la differenza di potenziale tra il donatore e l’accettore di elettroni è proporzionale alla quantità di energia rilasciata

molecole ordinate in base al potenziale di riduzione: buon donatore tendenza a cedere e- buon accettore

(ossidazioni = deidrogenazioni= trasferimento di atomi di idrogeno) nei sistemi biologici il trasferimento di elettroni avviene spesso come trasferimento di atomi di idrogeno (ossidazioni = deidrogenazioni= trasferimento di atomi di idrogeno) AH2 + B A + BH2 il composto ridotto AH2 si ossida e diventa A mentre la molecola ossidata B si riduce e diventa BH2 CH3 CHOH + NAD+ COOH C = O + NADH2 acido lattico piruvico

TRASPORTATORI DI ELETTRONI CITOPLASMATICI = NAD e FAD (nucleotidi piridinici) localizzati sulla MEMBRANA = citocromi della catena di trasporto degli elettroni

nucleotidi piridinici presenti in stato ridotto o ossidato e fungono da COENZIMI (accompagnano le reazioni di ossidazione o riduzione)

reazione: ossidazione del substrato reazione: riduzione del substrato

trasportatori di membrana: CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI localizzati nella membrana in ORDINE DI POTENZIALE alcuni si riducono accettando atomi di idrogeno e si ossidano cedendo elettroni. Ne consegue l’estrusione di protoni all’esterno. H+ H= 1 prot (H+) + 1 e- e- durante il trasporto di elettroni nella catena di trasporto si genera un accumulo di protoni sul lato esterno della membrana. Quando i protoni rientrano nella cellula attraverso l’ATPasi si genera ATP per FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA: meccanismo utilizzato nel METABOLISMO RESPIRATORIO per la produzione di ATP. se l’accettore finale di elettroni è l’OSSIGENO si parla di respirazione AEROBICA se l’accettore finale di elettroni è una molecola DIVERSA DALL’OSSIGENO si parla di respirazione ANAEROBICA

pot. nitrato come accettore finale di elettroni ossigeno come accettore finale di elettroni

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA: meccanismo utilizzato nel METABOLISMO RESPIRATORIO per la produzione di ATP. se l’accettore finale di elettroni è l’OSSIGENO si parla di respirazione AEROBICA se l’accettore finale di elettroni è una molecola DIVERSA DALL’OSSIGENO si parla di respirazione ANAEROBICA poichè l’ossigeno ha il pot. di riduzione più positivo, la differenza di potenziale rispetto al donatore sarà maggiore e maggiore sarà la quantità di energia rilasciata: R. AEROBICA + efficiente della R. ANAEROBICA

metabolismo energetico fermentazione

Degradazione del glucosio: glicolisi 1 molecola di glucosio 2 ATP 2 NADH

Degradazione del glucosio: via del pentoso fosfato può esistere parallelamente alla glicolisi, funzioni cataboliche e anaboliche: eritrosio: sintesi aa aromatici e vitamina B6 ribosio: acidi nucleici

via ALTERNATIVA alla glicolisi Degradazione del glucosio: via di Entner-Doudoroff via ALTERNATIVA alla glicolisi

Figura 7.3 I tre stadi del catabolismo. Schema generale del catabolismo in un eterotrofo-chemiorganotrofo, che mostra i tre stadi di questo processo e la posizione centrale del ciclo degli acidi tricarbossilici. Anche se esistono molte diverse proteine, polisaccaridi e lipidi, essi sono degradati dall’azione di molte vie metaboliche comuni. Le linee tratteggiate mostrano il flusso degli elettroni, trasportati da NADH e FADH2 nella catena di trasporto degli elettroni.

ossidazione completa del glucosio (fino a CO2) (6 atomi di carbonio) 2 acido piruvico (3 atomi di carbonio) 6 CO2 ossidazione completa del glucosio (fino a CO2)

ossidazione completa del glucosio (6 atomi di carbonio) 2 acido piruvico (3 atomi di carbonio) 6 CO2 ossidazione completa del glucosio 2 ATP 2 NADH 2 GTP 8 NADH 2 FADH come si riforma il NAD+ ?

il NADH si riossida cedendo elettroni alla catena di trasporto. Il trasporto degli elettroni fino all’accettore finale (molecola inorganica ossidata) genera ATP

ossidazione completa del glucosio 1 NADH2 = 3 ATP 1 FADH2 = 2 ATP 1 glucosio (6 atomi di carbonio) 2 acido piruvico (3 atomi di carbonio) 6 CO2 ossidazione completa del glucosio 2 ATP 2 NADH2 = 6 ATP 2 GTP 8 NADH2 = 24 ATP 2 FADH2 = 4 ATP 1 glucosio = 38 ATP

BATTERI METOFILI FONTE DI ENERGIA: CH4 (metano) CH3OH (metanolo) CH3NH2 (metilammina) composti organici a 1 atomo di carbonio o con atomi di carbonio non direttamente legati tra loro FONTE DI ENERGIA: METANOTROFI In grado di ossidare il METANO Presenza dell’enzima METANOMONOSSIGENASI: CH4 CH3OH CH2O HCOO- CO2 metanomonossigenasi METILOTROFI Usano composti C1 tranne il metano

pot. nitrato come accettore finale di elettroni ossigeno come accettore finale di elettroni

METABOLISMO DISSIMILATIVO METABOLISMO ASSIMILATIVO NO3- nitrato SO4-- solfato CO2 anidride carbonica ACCETTORI DI ELETTRONI PER LA PRODUZIONE DELL’ENERGIA (respirazione anaerobica) SOLO BATTERI FONTI DI N, S, C (batteri, funghi, alghe e piante superiori) RIDUZIONE AZOTO ORGANICO (R-NH2) ZOLFO ORGANICO (R-SH) CARBONIO ORGANICO PRODOTTI DI RIDUZIONE SECRETI NELL’AMBIENTE METABOLISMO DISSIMILATIVO METABOLISMO ASSIMILATIVO

APS= adenosina fosfo-solfato riduzione dissimilativa del solfato

riduzione dissimilativa del nitrato (denitrificazione)

METANOGENESI produzione di metano da parte di batteri metanogeni (Archebatteri) che usano CO2 come accettore di elettroni nella respirazione anaerobica processo che avviene in anaerobiosi habitat: intestino animale, rumine

fermentazione respirazione

Fermentazione lattica lattico deidrogenasi

Fermentazione alcoolica deidrogenasi

OSSIDAZIONE DI COMPOSTI CHIMICI ORGANICI FERMENTAZIONE : reazione di ossido-riduzione in cui: MANCA ACCETTORE DI ELETTRONI esterno alla via catabolica e viene ridotto un composto organico generato dal substrato iniziale alcuni atomi della fonte di energia diventano più ridotti e altri più ossidati = reazione internamente bilanciata FORMAZIONE DI ATP: FOSFORILAZIONE A LIVELLO DEL SUBSTRATO RESPIRAZIONE processo di ossido-riduzione in cui: substrato iniziale si ossida cedendo elettroni ad un ACCETTORE ESTERNO alla via catabolica. Resp. Arerobica: OSSIGENO come accettore Resp. Anaerobica: molecola inorganica DIVERSA DALL’OSSIGENO come accettore FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

metabolismi spesso alternativi microrganismi che in assenza di ossigeno respirano anaerobicamente (es.: E. coli) microrganismi che in assenza di ossigeno fermentano (es,: lieviti)

fissazione del carbonio metabolismo energetico fermentazione fissazione del carbonio

Ciclo di Calvin-Benson (organicazione del carbonio) fissazione CO2= processo di riduzione che richiede ENERGIA (ATP) e POTERE RIDUCENTE (NADH)

metabolismo energetico

energia dall'ossidazione di H2 H2 + 1/2 O2 H2O Ralstonia eutrophus

energia dall'ossidazione di Fe2 Thiobacillus ferroxidans 2 Fe2+ + 1/2 O2 + 2 H+ 2 Fe3+ + H2O sintesi di NADH per trasporto inverso di elettroni

ossidazione dello zolfo (solfito)

metabolismo energetico

UTILIZZATA PER RIDURRE LA CO2 A COMPOSTI ORGANICI REAZIONI ALLA LUCE REAZIONI AL BUIO ENERGIA LUMINOSA CONVERTITA IN ENERGIA CHIMICA SOTTO FORMA DI ATP ENERGIA CHIMICA UTILIZZATA PER RIDURRE LA CO2 A COMPOSTI ORGANICI

FOTOSINTESI OSSIGENICA PIANTE VERDI, ALGHE, CIANOBATTERI utilizzano H2O come donatore di elettroni per ridurre NADP+ a NADPH producendo OSSIGENO FOTOSINTESI OSSIGENICA

Non si ha produzione di ossigeno Alcuni batteri fototrofi producono potere riducente utilizzando come donatore di elettroni, composti ridotti presenti nei loro habitat naturale (composti dello zolfo, o H2) Non si ha produzione di ossigeno FOTOSINTESI ANOSSIGENICA

alghe diatomee dinoflagellati alghe brune alghe rosse cianobatteri

Nei Procarioti i cloroplasti sono assenti, i pigmenti fotosintetici sono localizzati in sistemi di membrane formate: 1 - dalla invaginazione della membrana citoplsmatica (batteri rossi o purpurei) 2 – dalla stessa membrana citoplasmatica 3 – strutture specializzate : CLOROSOMI (batteri verdi) 4 – dalle membrane dei TILACOIDI (CIANOBATTERI)

fotosintesi in organismi vegetali e cianobatteri= FOTOSINTESI OSSIGENICA

FLUSSO DI ELETTRONI NELLA FOTOSINTESI OSSIGENICA Due reazioni fotochimiche distinte anche se interconnesse Questi organismi utilizzano la luce per produrre sia ATP che NADPH Gli e- necessari per la sintesi di NADPH derivano dalla fotolisi di H2O in ossigeno e idrogenioni

(batteri porporini non sulfurei) fotosistema unico, simile al fotosistema II FOTOSINTESI ANOSSIGENICA (batteri porporini non sulfurei)

fotosistema unico, simile al fotosistema I Elettroni per rifornire il ciclo e per la sintesi di NADH possono venire da donatori tipo H2S (solfobatteri verdi)

FLUSSO DI ELETTRONI NELLA FOTOSINTESI ANOSSIGENICA Nei batteri rossi è presente un solo fotosistema. L’energia luminosa trasforma un debole donatore di e- in un forte donatore di e-. A seguito si verificano reazioni simili a quelle della catena di trasporto della respirazione per tornare alla fine al centro di reazione. A differenza della respirazione non c’è immissione o consumo di e-, questi si spostano all’interno di un sistema chiuso

metabolismo energetico fermentazione

Reazioni anaplerotiche reazioni che riforniscono la cellula di intermedi del ciclo TCA reazioni di fissazione della CO2

Organicazione del carbonio (ciclo di Calvin)

assimilazione dello zolfo

assimilazione dello zolfo

assimilazione dello zolfo

assimilazione dello zolfo serine OH H2S + serina cisteina + H2O funghi serina acetil-serina cisteina acetilCoA CoA H2S acetato batteri

assimilazione dell'azoto fonte azoto = N2 (FISSAZIONE DELL’AZOTO, SOLO POCHI PROCARIOTI) riduzione azoto atmosferico ad ammoniaca. batteri a vita libera (azotobacter) simbionti (rizobium) fotosintetici (cianobatteri) enzima = nitrogenasi (+8e +12 ATP)

assimilazione dell'azoto (nitrato)

assimilazione dell'azoto (ammoniaca) Formazione di acido glutammico a partire da acido--chetoglutarico (TCA). Enzima GDH trasferimento del gruppo amminico e sintesi di vari aa. (acido glutammico donatore) organicazione ammonio

assimilazione dell'ammoniaca (secondo percorso)

assimilazione dell'azoto (ammoniaca)

sintesi del peptidoglicano OH

sintesi del peptidoglicano

sintesi del peptidoglicano

sintesi del peptidoglicano

sintesi del peptidoglicano

ELIMINATE

legame estere ciclo acidi tricarbossilici

ciclo acidi tricarbossilici

acido piruvico CH3 C = O COOH CoA acetil-CoA CO2 NAD+ + + NADH