Microbiologia

Il potenziale redox e i trasportatori di elettroni

Conoscendo il potenziale di una coppia redox, si può stabilire chi sarà accettore e chi donatore. Nella reazione, gli elettroni si spostano da chi ha il potenziale redox minore a chi lo ha maggiore. I trasportatori di elettroni accettano elettroni e protoni rilasciati da un substrato coinvolto nelle reazioni cataboliche, riducendosi, e possono utilizzare il potere riducente acquisito per ridurre altri substrati; quindi, fanno da mediatori del potere riducente, perché non sempre gli elettroni e i protoni vengono passati direttamente. Possiamo trovarli sia in forma ridotta che ossidata (NAD+ (NADP+) / NADH (NADPH) / FMN / FAD / coenzima Q (ubichinone).

Un esempio di applicazioni di questi trasportatori è l'ossidazione della gliceraldeide 3-fosfato, una reazione catabolica che avviene durante la glicolisi, e impiega il NADH. Durante la reazione si libera tanta energia, che determina la produzione di potere riducente e la sintesi di un legame ad alta energia.

Possono essere scissi, liberando energia metabolica. L'ATP (adenosina trifosfato), è una molecola costituita da adenina a cui è legato il ribosio, legato a sua volta con 3 fosfati, mediante legami ad alta energia. Idrolizzando l'ATP si formano ADP ed energia, e se anche questo viene idrolizzato forma AMP ed energia, perché sono legami ad alta energia.

La sintesi dell'ATP avviene o mediante fosforilazione a livello del substrato, cioè mediante l'idrolisi di legami ad alta energia che fornisce l'energia per sintetizzarlo, o mediante la respirazione/fosforilazione a livello della membrana citoplasmatica, mediante l'enzima ATP sintetasi.

Per quanto riguarda la sintesi di ATP mediante respirazione, avviene grazie alla formazione di un gradiente H+. I trasportatori ricevono elettroni. Il NADH+H+ cede i suoi protoni al trasportatore FMN, questo accetta protoni ed elettroni, si riduce e cede i suoi elettroni ad un altro trasportatore (Fe/S),

mentre pompa i protoni all'esterno della membrana citoplasmatica, in modo da determinare la formazione del gradiente di +H, mediante il Q8, cede gli elettroni al Cit-b, che li cederà ad un accettore finale. Nel caso di batteri aerobi l'accettore finale è il Cit-o, mentre negli anaerobi non sarà ossigeno. In tutto il processo vengono usati 4 H citoplasmatici di cui 2 usati per fare l'acqua e 2 pompati all'esterno. Alcuni trasportano solo elettroni, altri anche H. Man mano che si procede con il processo, il potenziale redox è sempre maggiore. Tutto ciò utilizzato per sintetizzare l'ATPasi. L'ATPasi è fatto da una parte trans-membrana (f0) che accoglie e trasporta gli H e una parte esterna (f1) con funzione catalitica, che sintetizza dall'ADP, l'ATP. Ognuno dei 2 settori è costituito da più sub-unità. Tutti gli H costituiti durante la catena respiratoria, passano attraverso la membrana.

E quando viene rilasciato, si rilascia anche l'energia per sintetizzare l'ATP. Per ogni mole di NADH che viene ossidata (6H), nella catena respiratoria, si ottengono 3 moli di ATP.

Lezione 13-07\04\22

La chemioorganotrofia (respirazione aerobica di composti organici) si divide in diverse fasi; nei batteri la 1° avviene all'esterno della cellula, tutte le altre nel citoplasma.

La 1° fase del metabolismo è l'idrolisi di: polisaccaridi complessi in monosaccaridi (tipicamente glucosio), proteine in amminoacidi e lipidi in glicerolo e acidi grassi. Tali idrolisi avvengono mediante la sintesi di enzimi che alcune cellule microbiche producono e vengono secreti all'esterno, permettono l'idrolisi e poi rientrano nella cellula. In questa fase, le molecole complesse diventano semplici in modo da entrare facilmente nelle cellule microbiche.

La 2° fase è la glicolisi, cioè l'ossidazione del glucosio a piruvato. Quest'ultimo ha 3C.

quindi ne vengono prodotte 2 moli (vengono prodottianche un po' di NADH e un po' di ATP, mediante fosforilazione al livello del sub strato). Successivamente, il piruvato viene convertito in acetil-CoA, un composto ad alta energia, che dà inizio alla 3° fase, cioè il ciclo di Krebs, in cui vengono prodotti: NADH, alcune moli di ATP o GTP.Successivamente il NADH e altre molecole, mediante la catena respiratoria sintetizzeranno l'ATP.Analizzando ogni singola fase, è possibile capire quante moli di ATP vengono prodotte in tutto.Durante la glicolisi vengono consumate 2 moli di ATP, ma ne vengono prodotte 4 (4-2=2), inoltre produce 2 moli di NADH; quindi, altri 6 ATP.Quando il piruvato viene convertito in acetil-COA, produce altre 2 moli di NADH; quindi, altri 6 ATP.Il ciclo di Krebs produce 2 moli di ATP che possiamo eguagliarlo all'ATP, e 6 moli di NADH/ NADPH, cioè 18 moli di ATP, produce anche 2 moli di FADH, che anche se nella catena

La via respiratoria entrerà dopo il NADH, per un discorso di potenziale redox, produce 2 moli di ATP per ogni FADH, quindi 4 moli di ATP. In tutto vengono formate 38 moli di ATP, per ogni mole di glucosio catalizzato.

La glicolisi si divide in 2 stadi: Il primo a 6 atomi di C e il secondo a 3 atomi di C. Per ogni mole di glucosio si ha uno stadio a 6 e 2 a 3.

Il glucosio viene trasformato in glucosio-6-fosfato consumando 1 ATP. L'enzima isomerasi lo trasforma in fruttosio-6-fosfato, che viene fosforilato, consumando 1 ATP, e forma fruttosio-1,6-difosfato. Così finisce la fase 6C che consuma 2 ATP.

Il fruttosio-1,6-difosfato viene spezzato in gliceraldeide-3-fosfato e diidrossiacetone-fosfato. Quest'ultimo diventerà gliceraldeide-3-fosfato, quando verrà consumata.

Mediante la gliceraldeide-3-fosfato ha inizio lo stadio a 3 atomi di C, in cui essa, mediante l'ossidazione di un NAD che si riduce in NADH+H+, diventa acido-1,3-difosfoglicerico, il quale diventa

3-fosfoglicerato, determinando la sintesi di 1 mole di ATP per fosforilazione a livello del substrato. In seguito, diverrà 2-fosfoglicerato, fosfoenolpiruvato e mediante la sintesi di 1 ATP, piruvato. In totale da questo stadio, otterremo 4 ATP perché viene ripetuto 2 volte.

Mediante la glicolisi, da 1 mole di glucosio si otterranno: 2 ATP, 2 piruvato, 2 NADH e 2H. Il piruvato viene convertito in acetil-CoA (ha 2C) mediante l'enzima piruvato deidrogenasi e in questa reazione viene prodotta 1 mol di NADH. L'acetil-CoA entra nel ciclo di Krebs, un percorso ciclico che alterna composti a 6C, 5C, 4C.

All'inizio si lega all'ossalacetetao (composto a 4C), insieme formano il citrato che ha 6C. Dopo una serie di intermedi a 6C, si forma α-chetoglutarato a 5C con la produzione di 1 mol di NADH. Successivamente diventa un composto a 4C e il ciclo procede producendo composti a 4C, fino ad arrivare nuovamente all'ossalacetetao. Durante tutto il ciclo vengono

Prodotte 2 mol di CO, per bilanciare i 2C persi dal 2piruvato. In totale il processo produce: 6 NADPH, 2 FADH e 2 ATP.

Lezione 14-13/04/22

La chemiolitotrofia (tipica dei batteri) è la respirazione aerobica a partire da composti inorganici ridotti in seguito all'ossidazione, che permette al microorganismo di ricavare energia, in quanto da questi ricavano elettroni (invece del glucosio) e l'accettore finale è l'ossigeno. Tra questi distinguiamo comunque chemiolitoautotrofi che ottengono C dalla fissazione di CO e chemiolitoeterotrofi che non sono in grado di sintetizzarlo e hanno bisogno di C preformato. Un'eccezione è costituita dai mixotrofi, dei chemiolitotrofi che possono essere, in base alle condizioni ambientali, autotrofi ed eterotrofi.

I batteri idrogenoossidanti sono un insieme di microrganismi che utilizzano l'idrogeno come donatore di elettroni. Gli elettroni seguono una breve catena respiratoria e l'accettore finale è l'ossigeno.

quindi sono in grado di ossidare il ferro (Fe2+) a ferro (Fe3+). Alcuni batteri sono in grado di utilizzare anche altri composti come fonte di energia, come ad esempio il manganese, il nichel e il cobalto. Questi batteri sono chiamati batteri litotrofi. Altri batteri invece sono in grado di utilizzare composti organici come fonte di energia, come ad esempio gli idrocarburi. Questi batteri sono chiamati batteri organotrofi.utilizzano il ferro ferroso come donatore di elettroni per ottenere ferro ferrico. Se il processo avvenisse a pH 7, il ferro formerebbe spontaneamente idrossido di ferro che è insolubile e non otterrebbero energia. Quindi questi vivono in ambiente acido dove il ferro è stabile, concludiamo che questo tipo di batteri sono acidofili obbligati. Vivendo a pH acido è presente una forza proton-motrice naturale, che utilizzano per produrre ATP. Ci sono 2 classi di batteri che sono anaerobi perché usano la CO2 come accettore finale e non O2. Entrambi utilizzano idrogeno come donatore di elettroni e producono acetato se sono acetogenici e metano se sono metanogeni. Riassunto: DONATORE DI ELETTRONI: se composto organico chemio-organotrofi, se composto inorganico chemio-litotrofi. ACCETTORE DI ELETTRONI: se ossigeno respirazione aerobica, se altro accettore inorganico respirazione anaerobica, se intermedio organico fermentazione. NOME DEL PROCESSO: respirazione aerobica sel'accettore finale di elettroni è ossigeno e il prodotto finale è acqua. La respirazione anaerobica avviene attraverso la denitrificazione se l'accettore finale di elettroni è nitrato e i prodotti finali sono ossidi di azoto o azoto (possono anche utilizzare l'ossigeno come accettore finale di elettroni, quindi sono anaerobi facoltativi). La respirazione anaerobica avviene attraverso la riduzione dei solfati se l'accettore finale di elettroni è solfato e i prodotti finali sono zolfo o acido solforico. La respirazione anaerobica avviene attraverso la metanogenesi se l'accettore finale è CO2 (un processo molto complesso in quanto comporta lo spostamento di molti elettroni). Indipendentemente dal donatore di elettroni, che può essere organico o inorganico, l'accettore può essere diverso dall'ossigeno.