Appunti completi Microbiologia applicata

RESPIRAZIONE AEROBIA

In questo processo il substrato ridotto viene ossidato completamente portando anche alla produzione di NADH che si riossida grazie ai trasportatori di elettroni presenti nella membrana plasmatica; gli elettroni provenienti dal substrato vengono ceduti all'ossigeno riducendolo ad acqua e vengono convertiti in forza protonmotrice che permette la produzione di ATP.

L'ossidazione completa del glucosio tramite la glicolisi e il ciclo degli acidi tricarbossilici porta alla produzione di CO2 e si genera NADH che è necessario per la catena di trasporto degli elettroni.

Le specie batteriche che svolgono la respirazione aerobia operano una reazione di decarbossilazione ossidativa del piruvato dalla piruvato-deidrogenasi; questa reazione avviene se è presente O2 o un altro accettore di elettroni.

Da questa reazione si forma Acetil-CoA che può essere completamente ossidato attraverso il ciclo di Krebs/degli acidi tricarbossilici oppure fungere da...

precursore nelle vie biosintetiche fornisce degli intermedi come α-chetoglutarato, Questo ciclo ossalacetato e succinil-CoA; questi intermedi metabolici sono importanti per una serie di vie biosintetiche. È inoltre fondamentale per la produzione di coenzimi ridotti e molecole ad alta energia.

Nella catena di trasporto degli e- dei batteri aerobi i trasportatori sono, in ordine: NADH deidrogenasi, la proteina Fe-S, i citocromi e alla fine O2 che si ossida ad acqua. Queste catene possono cambiare a seconda dell'ambiente in cui si trova il microrganismo, cioè in base ai nutrienti che ha disposizione, possiamo però identificare tre blocchi: deidrogenasi; dipendono dall'accettore terminale chinoni; riduttasi/ossidasi degli elettroni.

Gli accettori di e- sono diversi in base alla concentrazione di ossigeno; se questa è alta ci saranno Cyt o; se è bassa Cyt d opera nei procarioti microaerofili (che hanno bisogno di una bassa concentrazione di ossigeno).

bassapressione parziale di O2 per sopravvivere); in anaerobiosi la nitrato reduttasi

La respirazione ha una resa maggiore (42%) rispetto alla fermentazione lattica (32%) e alcolica (27%)

RESPIRAZIONE ANAEROBIA è un tipo di respirazione che prevede accettori di elettroni diversi da O2.

Nella maggior parte delle respirazioni anaerobie gli elettroni provengono dalla ossidazione di composti organici, (in alcuni casi da composti inorganici - organismi chemiolitotrofi); gli accettori di elettroni usati sono solitamente composti inorganici, ma anche composti organici.

I batteri che compiono la respirazione anaerobica possiedono sistemi di trasporto di elettroni simili a quelli degli organismi aerobi.

In alcuni casi (es. batteri denitrificanti) la respirazione anaerobia compete con quella aerobia: se O2 è esaurito viene ridotto l'accettore O2 è presente la respirazione aerobia è favorita; solo quando

Nei batteri anaerobi obbligati è invece l'unica

modalità di respirazione di elettroni alternativo. Gli accettori degli e- sono:

• NO3-/NO2-; E=+0,42; coinvolti nella denitrificazione
• NO2-/N2O- SO4 2-/HS-; coinvolti nella solfato-riduzione
• S/HS-; necessario per la zolfo-riduzione
• Fumarato/succinato
• Fe3+/Fe2+ per la Fe-respirazione

O2/H2O ha il potenziale di e- più elettropositivo e quindi a parità di donatore di elettrone genererà più energia rispetto a tutti gli altri accettori terminali di e-

RIDUZIONE DEL NITRATO, AMMONIFICAZIONE E DENITRIFICAZIONE

I composti inorganici di azoto sono i più comuni accettori di e- nella respirazione anaerobia perché sono forme molto diffuse di azoto in natura

Molti batteri (E. coli) possono usare il nitrato come accettore di elettroni, riducendolo a nitrito: riduzione dissimilativa del nitrato NO3- +2e- +2H+ → NO2- +H2O

Alcuni batteri possono poi ridurre il nitrito ad ammonio: ammonificazione dissimilativa NO2- + 3NAD(P)H + 5H+ → NH4+

+3NAD(P)+ +2H2O Altre specie possono ridurre nitrato a N2→denitrificazione, in cui vengono prodotte forme di azoto“spariscono” nell’aria;gassose che è un processo strettamente anaerobio→NO2- →NO3- NO→N2O→N2 vengono rilasciati nell’ambiente e non vengono trattenuti I prodotti della respirazione anaerobiaall’interno della cellula l’ossidasi terminale non In questo tipo di trasporto è un Cyt o, ma una nitrato-reduttasi che accettae- e riduce il NO3- a NO2- Nei batteri pseudomonas avviene la riduzione di NO3- a N2; non conosciamo esattamente la catenadi trasporto I composti inorganici NO3- o SO42- vengono ridotti da molti organismi (piante funghi batteri)come fonti di N e S per i componenti cellulari. I prodotti finali di queste riduzioni sonoprincipalmente gruppi amminici (-NH2) gruppi sulfidrilici (-SH). Quando un composto inorganico come NO3- o SO42- viene ridotto per essere usato come nutrienteviene assimilato ed il

Il metabolismo si definisce assimilativo; viene ridotta solo la quantità di composto necessaria per soddisfare le esigenze di nutrienti per la crescita; questo metabolismo è represso da NH3 se è già presente azoto come nutriente non serve produrlo.

Nel metabolismo dissimilativo NO3- o SO42- vengono utilizzati come accettori di elettroni e quindi ridotti in grande quantità nel metabolismo energetico; il prodotto di riduzione viene secreto nell'ambiente come denitrificazione.

La nitrato reduttasi assimilativa e dissimilativa svolgono la stessa funzione: ridurre il nitrato a nitrito; tuttavia, sono molto diverse ad esempio la NR assimilativa è di natura polare mentre quella dissimilativa è un enzima di membrana; inoltre, la prima è repressa da NH3 la seconda da O2.

Le vie poi si differenziano dando da un lato R-NH2 con NR assimilativa e N2 con NR dissimilativa.

Se vogliamo isolare batteri denitrificanti è necessario utilizzare un terreno.

minimo che, oltre ai macro e micro nutrienti, contenga KNO3 come accettore di e- e come donatore un composto organico non fermentabile. Isolerei anche organismi che fermentano, uso etanolo, acetato, succinato o benzoato; inoltre è fondamentale che non ci sia O2, la beuta deve essere chiusa ermeticamente. Le specie più facilmente isolate sono Pseudomonas aeruginosa, P. fluorescens, e altre Pseudomonadi, Micrococcus denitrificans. BATTERI SOLFATO-RIDUTTORI Diversi composti inorganici dello zolfo sono importanti accettori di elettroni nella respirazione anaerobica. SO42- è la forma più ossidata e il prodotto finale della sua riduzione è H2S. In analogia con il metabolismo di N, possiamo avere un metabolismo assimilativo o dissimilativo della riduzione di SO42-. In termini energetici SO42- è un accettore di elettroni meno favorevole di O2 e NO3-. La riduzione di SO42- a H2S richiede il trasferimento di 8 elettroni ed avviene attraverso diversi passaggi; lo ioneSO42- è molto stabile e per poter essere utilizzato deve essere attivato: l'attivazione avviene tramite ATP. La ATP solforilasi catalizza l'attacco del solfato a ATP e si genera APS (adenosina fosfosolfato). SO32- (solfito) è il prodotto del primo passaggio di riduzione; questo viene poi ridotto a H2S che è secreto nel metabolismo dissimilativo mentre è usato in composti organici in quello assimilativo. I batteri che riducono solfato hanno una catena di trasporto degli elettroni basata su citocromi, la forza protonmotrice è generata grazie alla presenza dell'enzima idrogenasi. Questi organismi sono solitamente aerobi obbligati e utilizzano i prodotti della fermentazione di altri organismi dall'ossidazione di composti inorganici. SO42- è molto stabile e per poter essere utilizzato deve essere attivato: l'attivazione avviene tramite ATP. La ATP solforilasi catalizza l'attacco del solfato a ATP e si genera APS (adenosina fosfosolfato). SO32- (solfito) è il prodotto del primo passaggio di riduzione; questo viene poi ridotto a H2S che è secreto nel metabolismo dissimilativo mentre è usato in composti organici in quello assimilativo. I batteri che riducono solfato hanno una catena di trasporto degli elettroni basata su citocromi, la forza protonmotrice è generata grazie alla presenza dell'enzima idrogenasi. Questi organismi sono solitamente aerobi obbligati e utilizzano i prodotti della fermentazione di altri organismi dall'ossidazione di composti inorganici.

Gli elettroni derivati dal composto donatore vengono trasferiti attraverso una catena di trasporto che genera ATP con gli stessi meccanismi che funzionano per gli eterotrofi: generazione di una forza proton-motrice che dirige la sintesi di ATP tramite ATPasi. L'accettore finale di elettroni è solitamente O2, esistono però batteri chemiolitotrofi anaerobi che usano composti alternativi.

Le fonti di elettroni inorganici per i chemiolitotrofi sono molteplici: H2, NH3, NO2-, H2S, S, S2O32-, Fe2+. Il potere riducente (NADH, NADPH) è ottenuto nei chemiolitotrofi direttamente dal composto E' o per reazioni di trasporto inorganico se ha un sufficientemente basso potenziale di riduzione. Se il potenziale di riduzione non è sufficientemente basso, una parte della forza proton-motrice derivante dal funzionamento della catena degli elettroni viene usata per consentire il flusso degli elettroni in una direzione inversa e termodinamicamente sfavorevole lungo una catena di trasporto.

che collega il substrato inorganico ai piridin-nucleotidi ossidati

Classi di batteri chemiolitotrofi dell'azoto inorganico:

• Batteri nitrificanti: usano come fonte di energia composti ridotti (NH₄⁺, NO₂^-)
• Solfobatteri: usano composti ridotti dello zolfo (H₂S, S, S₂O₃^2-)
• Idrogenobatteri: usano come sorgente di energia idrogeno molecolare (H₂)
• Ferrobatteri: usano Fe come sorgente di energia

La chemiolitotrofia è un metabolismo che usa come fonte di energia reazioni di ossidoriduzione in cui il donatore è un composto inorganico ridotto e l'accettore è generalmente O₂.

Nella maggior parte dei casi la fonte di C è la CO₂, quindi i batteri sono solitamente chemiolitoautotrofi; in alcuni casi utilizzano sostanze organiche, diventando chemiolitoeterotrofi. L'ossidazione di composti organici alimenta la catena di trasporto di elettroni che genera forza proton motrice, che a sua volta produce ATP. Inoltre, la litotrofia genera direttamente NADPH.

solitamente è coinvolto il trasporto inverso degli elettroni. NADPH e ATP sono utilizzati per ridurre la CO2 a composti organici che sono utilizzati nelle vie metaboliche. VEDI DIAP 43: ossidano l'ammoniaca a nitrito. I batteri nitrosificanti: nitrito. Batteri nitrificanti: ossidano nitrito e nitrato. Vivono nella stessa nicchia ecologica perché il prodotto ossidato dal primo è utilizzato come donatore di elettroni dal secondo. IDROGENOBATTERI: sono batteri in grado di crescere utilizzando H2 come unico donatore di elettroni e O2 come accettore. L'idrogeno reagisce con O2 e CO2 quando crescono autotroficamente, che vengono trasformati in CH2O e H2O. L'enzima idrogenasi catalizza l'iniziale ossidazione di H2 e gli elettroni vengono trasferiti ad una catena di trasporto di elettroni generando una forza proton motrice e chinone all'interno, quindi ATP. I elettroni per la riduzione di CO2 possono derivare da: dall'r