Metabolismo microbico

METABOLISMO BATTERICO

I microrganismi trasformano le diverse forme di energia disponibili

nell’ambiente in cui vivono in energia metabolica sotto forma di ATP e potere

riducente. I microrganismi utilizzano delle reazioni chimiche per estrarre

dalla luce, oppure da molecole organiche e inorganiche l’energia mentre dai

composti chimici traggono i precursori di nuove cellule.

Tutte queste reazioni costituiscono il metabolismo, ossia la somma tra

reazioni cataboliche (degradative) e anaboliche (biosintetiche) che sono

mediate dall’azione degli enzimi.

Le fonti di energia utilizzabili dagli organismi per crescere e moltiplicarsi sono:

luce per gli organismi fototrofi

 le molecole chimiche per gli organismi chemiotrofi

 a) molecole inorganiche per i chemiolitotrofi

b) molecole organiche per i chemiorganotrofi

Infatti è possibile trasformare e utilizzare questa energia in modo

efficiente ricordando alcuni principi della fisica e della chimica.

Per la seconda legge della termodinamica un sistema tende spontaneamente

a passare da uno stato di ordine a uno stato di disordine con il conseguente

aumento di entropia (S) e per farla diminuire deve essere compiuto un lavoro

fornendo energia al sistema. Questa energia sarà ricavata dal sistema

esterno e trasferita al sistema interno dove sarà poi utilizzata e le

trasforma nelle 2 prinicipali forme di energia metabolica:

ENERGIA CHIMICA -> composti ad alta energia libera di idrolisi come

 ATP,GTP e altri

POTERE RIDUCENTE -> sotto forma di piridin nucleotidi e flavin

 nucleotidi

La trasformazione di energia metabolica consiste in una serie di reazioni di

ossidoriduzione (reazioni redox) che avvengono nella cellula tra composti

organici o inorganici. L’ossidazione è definita come la perdita di elettroni da

parte di un atomo o molecola mentre la riduzione consiste nell’acquisto di

elettroni da parte di un atomo o molecola.

Data una reazione chimica in un sistema chiuso e a temperature e pressione

costanti, questa procederà dalla condizione iniziale a una finale in cui sarà

raggiunto un equilibrio tra le concentrazioni dei diversi reagenti e prodotti.

aA + Bb = cC + dD

All’equilibrio avremo la nostra costante Keq che

sarà uguale al prodotto delle concentrazioni dei

prodotti elevato al loro coefficiente

stechiometrico diviso il prodotto delle

concentrazioni dei reagenti elevato al loro

coefficiente stechiometrico.

Un parametro termodinamico che misura l’energia chimica di un sistema in

condizioni di temperatura e pressione costanti e l’energia di Gibbs:

ossia la differenza tra l’entalpia (misura del

calore scambiato a temperatura costante) e

l’entropia (misura del disordine del sistema).

Quando il nostro valore risulta negativo la reazione procede

spontaneamente verso destra e viene definita esoergonica poiché libera

energia; quando invece il valore risulta negativo la reazione richiede energia e

procedendo verso sinistra viene definita endoergonica.

Quindi nelle redox un composto ridotto si ossida cedendo elettroni a un

composto ossidato che li accetta riducendosi; generalmente vengono

trasferiti solo elettroni oppure atomi di idrogeno. Queste reazioni sono

definite deidrogenazioni/idrogenazioni e gli enzimi che le catalizzano sono detti

deidrogenasi/idrogenasi.

Un tipico donatore di elettroni è l’idrogeno (H2), che può perdere elettroni e

protoni ossidandosi: H2 2 e– + 2 H+

→

Questa semireazione può essere associata a una seconda semireazione

come ad esempio: O2 + 2 H+ + 2 e– H2O

½ →

nella quale l’ossigeno funge da accettore degli elettroni perduti dall’idrogeno.

La reazione complessiva diventa quindi: H2 + O2 H2O

½ →

La forma ossidata e quella ridotta in una semireazione formano una coppia

redox. Per determinare che H2 è il donatore e l’O2 l’accettore si fa

riferimento ai potenziali di riduzione delle due coppie redox.

Il potenziale di riduzione di una coppia redox, espresso in volt, misura la

tendenza dell’agente riducente a cedere elettroni, quindi la tendenza di una

sostanza ad ossidarsi o ridursi. Considerando che gli elettroni fluiscono da un

potenziale più negativo a uno più positivo, se conosciamo il potenziale di

riduzione di due coppie redox potremmo stabilire quale fungerà da donatore,

quella col potenziale più negativo, e quale da accettore, quella col potenziale

più positivo.

Si utilizza come riferimento il potenziale di ossido-riduzione dell’elettrodo a

idrogeno:

+ -

H + e = H

 2

1M e PH 0,0

 1 atm e T= 25^

 Al potenziale standard di riduzione (E0) dell’elettrodo ad idrogeno si

 attribuisce un valore arbitrario di O,O Volt

Siccome maggiore è la differenza di potenziale e maggiore è l’energia libera

rilasciata, possiamo rappresentare graficamente con la torre degli

elettroni: gli elettroni “cadono” verso il potenziale più positivo, per cui il

composto

ridotto della

coppia più in

alto donerà

elettroni,

ossidandosi, al

composto più

ossidato della

coppia in basso,

che si ridurrà.

I trasportatori di elettroni possono essere suddivisi in due gruppi:

DIFFUSIBILI LIBERI (COENZIMI) -> NAD+ e NADP+ che sono i

 trasportatori di atomi di H. Sono i coenzimi principali e partecipano a

molte reazioni enzimatiche di ossidoriduzione. Compiono le seguenti

tappe:

1. accettano gli atomi di H rilasciati dal substrato durante le reazioni

catalizzate da deidrogenasi