Microbiologia per il disinquinamento

Microbiologia per il disinquinamento

Corso di Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio

Prof. Giulio Zanaroli

Appunti non ufficiali Laura Pattaro

Anno 2020-2021

Origine chimica materia vivente

Biomolecole

Zuccheri (carboidrati)

Molecole costituite da una catena di atomi di carbonio che termina sempre con un gruppo aldeidico H-C=O o i chetosi CH₂OH-C=O, mentre gli altri atomi di carbonio legano almeno un gruppo idrossilico -OH e un idrogeno, mentre l’ultimo carbonio lega un gruppo CH₂OH.

La combinazione dei diversi monomeri porta alla formazione di diversi polisaccaridi. Spesso se sono in acqua si trovano in forma ciclica perché avviene una reazione tra gruppi funzionali della stessa molecola.

Lipidi

Molecole suddivise in base al loro comportamento. Possono essere suddivisi in due categorie:

• Idrolizzabili: contiene il legame estere (legame tra un gruppo alcolico e un gruppo carbossilico che forma una molecola più complessa e rilascia acqua).
• Non idrolizzabili.

In base allo stato fisico a temperatura ambiente si suddividono in oli e grassi.

Proteine

Polimeri naturali costituiti da amminoacidi che si legano a formare lunghe catene. Attraverso il legame peptidico si crea un legame tra acido e ammina e che libera acqua. La struttura si ripiega su sé stessa formando diverse forme con le interazioni deboli tra i componenti della struttura rendendola più stabile.

Si possono trovare in diverse strutture: primaria (sequenza amminoacidi) – legami forti, secondaria (elica o foglietto), terziaria e quaternaria (agglomerati) – legami deboli, serve poca energia per decomporli.

Gli enzimi sono formati da proteine.

Acidi nucleici

Polimeri di nucleotidi che trasmettono le informazioni genetiche. I nucleotidi sono formati da tre componenti: uno zucchero aldopentoso (diverso se si tratta di DNA-deossiribosio o RNA-ribosio), acido fosforico e la base azotata.

Entrambi gli zuccheri in acqua si trovano in forma ciclizzata.

Ci sono 5 tipi di basi azotate, 3 in comune per DNA e RNA (Adenina, Guanina e Citosina), mentre la quarta cambia. Per il DNA è la Timina, mentre per l’RNA è l’Uracile che prende il posto della Timina nel DNA.

Il legame tra le basi azotate avviene tra il gruppo fosforico (posizione 5) e il gruppo carbossilico dell’altro nucleotide (posizione 3).

Il DNA (acido desossiribonucleico) ha la funzione di contenere l’informazione genetica indispensabile alla cellula per crescere e duplicarsi. Ha una struttura secondaria con strutture primarie antiparallele. Il legame avviene attraverso la formazione di legami deboli fra le basi azotate, che avvengono in modo specifico. T-A (2 legami deboli), C-G (3 legami deboli). Questo perché T e C sono ad un singolo anello, mentre A e G hanno un anello doppio, di conseguenza l’inter-distanza tra le coppie viene rispettata.

Il filamento opposto è complementare, nota la sequenza di un filamento si può ricostruire quello opposto.

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Appunti non ufficiali presi a lezione – Laura Pattaro

L’RNA (acido ribonucleico) ha la funzione di poter utilizzare le informazioni contenute nel DNA per poter sintetizzare le proteine, oppure come catalizzatore. È una catena ad un solo filamento che spesso assume strutture secondarie ripiegandosi su sé stesso.

La cellula per vivere deve poter sintetizzare i suoi costituenti, per riprodursi o per muoversi, ma le reazioni che deve compiere consumano energia. L’energia deve essere assimilata dall’ambiente esterno e deriva da composti chimici, viene prima conservata come composto chimico ATP, che successivamente degradandosi rilascia energia che la cellula utilizza per le proprie reazioni.

Molecola di ATP – adenosina tri fosfato

La molecola di ATP è composta da uno zucchero ribosio, acido fosforico e adenina. Essa è un monomero dell’RNA più due acidi fosforici legati con legami ad alta energia che quando si rompono rilasciano molta energia che la cellula poi utilizza.

Esistono quindi delle classificazioni in funzione della fonte di energia:

• Chemiotrofi: la cellula trae energia da composti chimici.
• Fototrofi: utilizzano la luce come fonte di energia.

Classificazione in funzione della fonte di carbonio:

• Eterotrofi: la fonte di carbonio deriva da altri composti chimici organici.
• Autotrofi: la fonte di carbonio deriva da composti inorganici CO₂.

→ Piante → organismi autotrofi fototrofi.

Uomo organismi chemioeterotrofi.

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Struttura delle cellule

Caratteristiche comuni

• Membrana cellulare:

Struttura che delimita la cellula dall’esterno.

È costituita da un doppio strato fosfolipidico (lipidi con testa polare: acido fosforico e code apolari), poco solubili in acqua ma che tendono a unificarsi, in questo caso in un doppio strato fosfolipidico. Le teste apolari idrofile stanno all’esterno dello strato, mentre le code polari idrofobiche si legano verso l’interno. La struttura a doppio strato è chiusa con all’interno il citoplasma e all’esterno soluzioni acquose.

La membrana fosfolipidica è selettiva a causa del diverso comportamento delle teste e delle code, per questo motivo sono presenti le proteine che attraversano la membrana completamente e che formano dei canali di passaggio per le molecole, fungono anche da recettori. In questo modo la cellula è in grado di scambiare le sostanze che le servono per vivere e crescere.

(Es: glucosio passa attraverso le teste apolari, ma non potrebbe passare nello strato dove ci sono le code che è polare e lo respingerebbe).

La membrana deve essere allo stesso tempo stabile (legami deboli tra le code idrofobiche, sensibili alle variazioni di temperatura) e flessibile.

Funzioni:

• Delimita la cellula.
• Regola i flussi di molecole in ingresso e uscita della cellula.
• Scambio di informazioni con l’ambiente esterno o microrganismi.

Il trasferimento delle molecole all’interno ed esterno può avvenire per:

• Diffusione: avviene spontaneamente in entrambe le direzioni, con una velocità direttamente proporzionale alla differenza di concentrazione (es: O₂).
• Canali proteici:

• Diffusione facilitata: consente tramite il canale proteico la diffusione della molecola in base al gradiente di concentrazione, esso determina anche la velocità e la direzione del passaggio.
• Diffusione controgradiente: avviene come un pompaggio, richiede energia. Si differenzia in base alla fonte di energia utilizzata per lo scambio:

• Uniporto: ATP.
• Co-trasporto: dalla dissipazione di un gradiente di un’altra specie chimica. (Simporto: il lattosio viene trasportato con un protone che si muove secondo gradiente, antiporto: una molecola entra sfruttando la dissipazione di energia del gradiente opposto di un’altra specie).

• Ribosomi.

Sintetizzano le proteine, sfruttando le informazioni genetiche presenti nella cellula. (Vedi capitolo DNA) Si trovano dispersi nel citoplasma.

Sono costituiti da 2 subunità: minore e maggiore, entrambe costituite da proteine (in numero diverso per le due cellule) che contiene una o più molecole di RNA.

Altre strutture sono uguali per i due tipi di cellule, ma hanno caratteristiche o funzioni diverse, quindi le vedremo separatamente.

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Principali differenze

Cellula procariota

Presente solo negli organismi unicellulari (batteri). Ha una dimensione dell’ordine del µm.

All’interno della cellula tutti gli organi e biomolecole sono disperse in una soluzione acquosa senza compartimenti.

• Capsula: ulteriore rivestimento che permette alla cellula di interagire con l’esterno.
• Parete cellulare: è esterna alla membrana, è impermeabile e non regola il flusso di molecole. Ha funzione strutturale.
• Mesosoma: ripiegature della membrana citoplasmatica che permette la sintesi delle molecole di ATP (fosforilazione ossidativa).
• Nucleoide: cromosoma di DNA, contiene le info genetiche della cellula. Disperso nel citoplasma.
• Corpi di inclusione: riserve energetiche.
• Flagelli: non sempre sono presenti, o se ci sono possono essere anche più di uno. Consentono il movimento con lo sfruttamento di ATP e sono costituiti da proteine.

DNA: vista è composto da 1 cromosoma con una struttura circolare che poi si ripiega su sé stesso tramite l’interazione tra i nucleotidi. Ci sono batteri che possono avere altre molecole di DNA circolare disperso nella cellula chiamati plasmidi, che contengono informazioni accessorie, ad esempio la resistenza ad un antibiotico o la degradazione di un inquinante. Queste informazioni però possono essere perse e bisogna tenerne conto se si sta usando i batteri per la decomposizione di inquinanti.

Duplicazione della cellula procariotica

La riproduzione è asessuata. La duplicazione da un singolo organismo deriva dalla duplicazione del cromosoma, con successivo accrescimento e divisione della cellula in 2 cellule figlie, con annessa copia del DNA cromosomico e citoplasmatico. Duplicazione binaria.

Un errore nel DNA copiato può comportare una variazione generica. (frequenze di errore molto basse)

I batteri evolvono molto rapidamente grazie alla frequenza elevata di duplicazione (ogni 20-30 min).

Fenomeni di riproduzione sessuata. Avviene con lo scambio di informazioni genetico con un altro individuo, aumentando la velocità di scambio genetico.

• Trasformazione: un frammento di DNA di un altro organismo morto entra all’interno del cromosoma batterico, diventando informazione genetica.
• Trasduzione: un virus (che non è in grado di duplicarsi autonomamente) inietta il proprio DNA in un'altra cellula, obbligandola a replicare il DNA del virus. La cellula poi muore perché la sua energia è usata solamente per la duplicazione virale, liberando cellule virali che andranno ad infettare altre cellule. All’interno della cellula infettata può essere che ci sia lo scambio del DNA della cellula precedentemente infetta, in questo caso non si avrà la riproduzione virale.
• Coniugazione: il trasferimento è diretto tra due cellule batteriche. Può essere trasferito un solo plasmide o una sola porzione di cromosoma che può essere addizionato anche un plasmide. La cellula donatrice può formare un ponte proteico che mette in collegamento i due citoplasmi per il trasferimento del DNA.

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Duplicazione con spore: quando le condizioni ambientali sono avverse alla duplicazione dei batteri, possono produrre spore che hanno caratteristiche molto diverse rispetto ai batteri. Appena le condizioni ambientali tornano ad essere favorevoli la spora germina e comincia a crescere, tornando come cellula procariotica attiva. Con questo meccanismo i batteri possono persistere in un ambiente. Si ha una duplicazione del DNA, la crescita della cellula come la duplicazione “normale”, una delle due cellule figlie si sacrifica per generare le strutture di rivestimento della spora.

Cellula eucariotica

Può essere presente negli organismi unicellulari e pluricellulari. Dimensioni decine di µm. All’interno è strutturata in organelli con determinate funzioni biochimiche all’interno del citoplasma. Ogni organello ha una precisa funzione all’interno della cellula, anche grazie alla presenza degli enzimi all’interno.

Cellula eucariotica animale

• Nucleo: contiene il DNA raccolto in cromosomi, ed è rivestito da una membrana che presenta pori per il passaggio di macromolecole, tra cui l’RNA per poter poi sintetizzare le proteine nei ribosomi che si trovano anche nel reticolo endoplasmatico rugoso. Il compito del nucleo è anche quello di smistare le proteine e indirizzarle verso gli organelli specifici.

Le proteine passano dal nucleo, al reticolo endoplasmatico rugoso, alle vescicole e poi al reticolo endoplasmatico liscio dove poi vengono trasformate.

• Apparato di Golgi: sintesi lipidi e proteine che derivano dal reticolo endoplasmatico liscio, che poi vengono smistati in base alla loro destinazione.
• Lisosomi: digeriscono la materia organica dalla membrana citoplasmatica, per poi generarne altra da portare all’interno della cellula.
• Mitocondrio: produce ATP conservando l’energia rilasciata dalle reazioni chimiche. È composto da due membrane, quella interna contiene le proteine che permettono le reazioni redox con il passaggio di elettroni che servono per creare l’ATP. La soluzione tra le membrane contiene enzimi e sostante che servono a catalizzare queste reazioni. All’interno sono presenti anche i ribosomi e una sezione di DNA con le informazioni genetiche del mitocondrio.
• Citoscheletro: filamenti proteici che danno forma e struttura della cellula, sostenendo gli organelli e organizzandoli. Le fibre sono strutture dinamiche, che permettono anche di trasportare sostanze.

Cellula eucariotica vegetale

Ha gli stessi organelli della animale ma presenta sempre la parete cellulare di rivestimento, e al posto dei mitocondri contengono i cloroplasti in cui avviene la fotosintesi e la sintetizzazione dell’ATP. I cloroplasti sono molto simili ai mitocondri, ma l’energia viene catturata dei pigmenti all’interno dei cloroplasti.

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Duplicazione della cellula eucariotica

Il corredo genetico è costituito da più cromosomi che possono contenere lo stesso tipo di informazione, possono essere diploidi o aploidi.

Diploidi contengono cromosomi omologhi. Una copia dell’informazione genetica, ma la sequenza può essere diversa, occorre averli entrambi per poter avere l’intero corredo genetico.

Aploidi contengono la metà del patrimonio genetico e hanno bisogno di un'altra cellula per potersi riprodurre.

→ Duplicazione asessuata mitosi (da 1 cellula madre si originano 2 cellule figlie)

I cromosomi omologhi si duplicano e la copia resta vicina al cromosoma originale, poi si dispongono lungo l’asse equatoriale della cellula. Poi si ha la suddivisione nelle due cellule figlie che contengono la stessa informazione della cellula madre.

→ Duplicazione sessuata meiosi (da 1 cellula madre si originano 4 cellule figlie)

Ogni cellula figlia contiene metà del corredo genetico della cellula madre; quindi, per duplicarsi avrà bisogno di ottenere le informazioni genetiche da un altro individuo per poter tornare ad avere l’intero corredo genetico.

La duplicazione avviene quindi in 2 fasi. Nella prima, dopo la duplicazione dei cromosomi omologhi, essi vengono divisi in modo da separare gli originali cromosomi omologi, ogni cellula figlia contiene metà dei cromosomi omologhi in duplice copia, ogni cellula c’è metà dell’informazione genetica. Nella seconda fase le copie vengono separate formando altre due cellule figlie, in modo che contengano una sola copia del cromosoma omologo.

Le cellule figlie sono aploidi, questo perché contengono metà del patrimonio genetico e occorre che si fondano con un'altra cellula aploide per potersi riprodurre. L’informazione genetica del nuovo individuo; quindi, è una mescolazione delle informazioni genetiche dei due individui dalla quale derivano le cellule aploidi che si fondono.

Può essere che durante la duplicazione i cromosomi si scambino dei tratti di DNA, modificando le informazioni prima della divisione (evento di crossing-over).

Mitosi meiosi

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Virus

Non sono organismi viventi perché non sono in grado di replicarsi autonomamente e non servono per il biorisanamento.

Sono costituiti da un involucro proteico che contiene i nucleotidi del DNA. L’involucro serve per riconoscere le cellule da intaccare per potersi riprodurre, il virus può entrare nella cellula completamente o iniettare dentro essa il DNA (ciclo litico SX) che si conclude con la rottura della cellula e la dispersione del virus.

Ciclo lisogenico (DX): può capitare che il DNA del virus si inserisca all’interno del DNA della cellula, il genoma del virus viene trasmesso con la duplicazione, fino a quando le condizioni ambientali non fanno sì che il virus si possa riprodurre, cominciando il ciclo litico. (un esempio è il virus dell’Herpes).

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Gli enzimi

Sono i catalizzatori delle reazioni chimiche che avvengono all’interno della cellula. Sono delle proteine globulari, come minimo di una sequenza terziaria, in questo modo la proteina assume una forma tridimensionale.

Gli enzimi hanno una struttura con una tasca chiamata sito di legame del substrato che ha una forma complementare alla forma del substrato con cui deve reagire. Quando il substrato si adagia al sito esso si attiva e svolge la sua attività catalitica. Lavorano a pH diversi, e T e P ambientali; quindi, sono molto comodi per gli utilizzi in campo ambientale.

Catalizzatore: aumenta la velocità di una reazione abbassando l’energia libera occorrente affinché essa avvenga. Modifica la cinetica, ma non la termodinamica della reazione. Ovviamente la reazione avviene se l’energia del substrato è maggiore di quella dei prodotti.

L’abbassamento dell’energia avviene grazie ai legami che si creano tra substrato ed enzima.

Classificazione

In base a dove sono attivi:

• Esocellulari: attivi all’esterno della cellula. Solitamente degradano le macromolecole per scomporle in monomeri che poi entrano nella cellula, compiono quindi la “depolimerizzazione”.
• Endocellulari: attivi all’interno della cellula.

In base alla loro concentrazione:

• Costitutivi: hanno una conce