Microbiologia

RIDUZIONE DEL NITRATO E DENITRIFICAZIONE

Accettore di elettroni: composti inorganici dell'azoto (nitrato..)

Uno degli accettori finale alternativi più comune è il nitrato, NO3-, che viene convertito nelle forme più ridotte NO, N2O, e N2. Questi prodotti sono gas che vengono allontanati dall'ambiente, per questo motivo tale processo è chiamato DENITRIFICAZIONE.

Affinché gli elettroni del substrato siano trasferiti a un accettore diverso dall'ossigeno occorrono sistemi enzimatici specifici per ciascun tipo di accettore equivalenti alla citocromo ossidasi che trasferisce gli elettroni all'ossigeno nella respirazione aerobia.

Questi complessi enzimatici sono espressi in anaerobiosi solo quando nel mezzo di coltura è presente l'accettore di elettroni che ne induce la sintesi.

Nel caso della respirazione anaerobia del nitrato il complesso enzimatico è la nitrato riduttasi (nella membrana), nitrito ridutatti (periplasma).

1. ossido reduttasi(membrana), ossido nitroso reduttasi(periplasma)
2. Da nitrato a N2
3. Durante il trasporto degli elettroni si forma un gradiente protonico che porta a sintesi di ATP

CHEMIOLITOTROFI

In questo caso si parte da organismi inorganici.

Meccanismo di generazione di energia a partire da sostanze inorganiche: idrogeno solforato (H2S), idrogeno gassoso (H2), ferro ferroso (Fe2+), ammoniaca (NH3). I microrganismi che operano questo processo sono detti chemiolitotrofi. Il processo è simile ad una respirazione: con sistemi di trasporto di elettroni e generazione di ATP grazie alla forza proton motrice. I chemiolitotrofi, contrariamente ai chemiorganotrofi, però non possono usare la sostanza di partenza per le loro biosintesi perché sono composti inorganici, privi di carbonio e le macromolecole sono composti organici, quindi ricorrono per le biosintesi a CO2. Essi si chiamano così perché producono energia partendo da sostanze inorganiche e in più.

Riescono a fissare CO2 con il ciclo di Calvin.

Energia (ATP) dall'ossidazione di composti inorganici:

La produzione di ATP avviene in modo simile ai chemiorganotrofi con la differenza che il donatore di elettroni è un composto inorganico.

• Nei chemiolitotrofi le reazioni di ossidoriduzione innescano sia il trasporto di elettroni (flusso diretto di elettroni e produzione forza proton motrice) sia (molto frequentemente ad eccezione idrogenobatteri) la riduzione del NAD+ a NADH (flusso inverso di elettroni da sostanze e che si trovano più in basso alla torre a sostanze che sono più in alto il che comporta un consumo di forza proton motrice)
• Il NADH viene riossidato a NAD+ nel Ciclo di Calvin, la cui funzione è di fissare la CO2, può essere generato dal donatore organico, ma più generalmente si forma per flusso inverso di elettroni su catena di trasporto consumando l'energia prodotta

Molti chemiolitotrofi sono anche autotrofi in quanto.

Utilizzano la CO2 come fonte di carbonio (generalmente tutti ma esistono mixotrofi ovvero microrganismi che sebbene producano energia dall'ossidazione di un composto inorganico, richiedono un composto organico come fonte di carbonio).

La biochimica dei chemiolitotrofi è complessa: i chemiolitotrofi condividono con i chemiorganotrofi la modalità di produzione dell'ATP e con i fototrofi la capacità di usare CO2 come unica fonte di carbonio (ciclo di calvin).

MODALITÀ PRODUZIONE ENERGIA:

La produzione di ATP avviene grazie al trasporto di elettroni dal donatore inorganico alla catena di trasporto e la sintesi di ATP avviene grazie all'ATPasi.

FISSAZIONE CARBONIO:

La C02 viene convertita in carbonio organico tramite il Ciclo di Calvin.

Il potere riducente (NADH) può essere prodotto in due modi nei chemiolitotrofi:

1. Direttamente dal composto inorganico se questo ha un potenziale di riduzione sufficientemente basso (ovvero se questo si ossida facilmente).

in modo che si riduca il NAD+ per produrre NADH) questo accada negli idrogenobatteri.

(+ frequentemente): mediante reazioni di trasporto inverso degli elettroni sulla catena di trasporto. Questo avviene quando il donatore ha un potenziale di riduzione più alto del NADH) substrato organico quale l'idrogeno che cede elettroni e protoni a NAD+ per trasformarsi in NADH in quando l'H ha un potenziale redox abbastanza alto da poter cedere elettroni alla coppia NAD+/NADH: in tutti gli altri si genera NADH per flusso inverso di e- in quando il substrato non è in grado di ridurre NAD+ essendo più in basso.

OSSIDAZIONE DELL'IDROGENO (idrogenobatteri)

Donatore di elettroni: H2 gassoso che viene ossidato—> Accettore di elettroni: ossigeno, nitrato, solfato, ferro

IDROGENOBATTERI AEROBI

Sono provvisti di enzimi (idrogenasi), Esistono due idrogenasi:

- una di membrana coinvolta nelle reazioni energetiche, permette di ossidare l'H

- una nel citoplasma che

trasporto inverso di elettroni (con consumo di ATP) poiché i donatori hanno un potenziale di riduzione più positivo (bassi) rispetto alla coppia NAD+/NADH+.

Il NADH viene utilizzato insieme all'ATP prodotto per fissare la CO2 con il ciclo di Calvin (autotrofia).

ORGANISMI FOTOTROFI senza luce non sono in grado di produrre energia. Sono organismi che effettuano la fotosintesi producendo energia a partire dalla luce. Essi, a seconda di come avviene la costruzione delle macromolecole, si distinguono in:

• FOTOAUTOTROFI: sfruttano la luce per generare energia e svolgono il ciclo di Calvin usando CO2 che viene ridotta a composti organici.
• FOTOETEROTROFI (poco abbondante): non sono in grado di fare il ciclo di Calvin ed hanno bisogno di precursori, di fatto usano come fonte di carbonio i composti organici.

La crescita dei microrganismi fotoautotrofi si caratterizza in due reazioni:

• Reazioni che avvengono con la luce, in cui l'energia luminosa viene captata da dei pigmenti presenti.

Nella cellulamicrobica e convertita in energia chimica.- reazioni che avvengono al buio in cui l'energia chimica prodotta viene usata per ridurre la CO2 a compostiorganici per fare il ciclo di calvin.il processo di generazione di ATP è la FOTOFOSFORILAZIONE.i donatori di elettroni che serve per generare ATP può provenire da donatori diversi motivo per cui si parla di:FOTOSINTESI ANOSSIGENICA (batteri verdi solfuri)si chiama così poiché non si ha liberazione di ossigeno , ma zolfoessendo il substrato da cui i mo partono H2S.CO2 viene fissata in glucosio, mentre il donatore di elettroni che permette la fissazione di CO2 e la produzione di potereriducente(NADPH) è il solfuro di idrogeno (H2S) che ossidandosi genera zolfo(S). questi microrganismi richiedono la luceper produrre ATP, mentre l'ossidazione di H2S è indipendente dalla luceFOTOSINTESI OSSIGENICA(cianobatteri) si utilizzano donatori diversi in cui la CO2 viene convertita in glucosio,

e in questo caso il donatore di elettroni che permette di produrre potere riducente (NADPH) è l'H2O. Questi organismi richiedono la luce per produrre sia potere riducente sia energia. I FOTOAUTOTROFI hanno dei pigmenti caratteristici che permettono di svolgere la fotosintesi, tali pigmenti sensibili alla luce sono LE CLOROFILLE che assorbono pigmenti di luce a lunghezza diversa. La luce arriva agli organismi fototrofi sotto forma di unità denominate quanti. L'assorbimento di quanti di luce da parte delle clorofille dà inizio al processo di fotosintesi. Esistono due tipi di pigmenti nei procarioti che sono: - CLOROFILLA A presente nei cianobatteri - BATTERIOCLOROFILLA presente nei batteri che fanno fotosintesi anossigenica La presenza di pigmenti diversi nei microrganismi ha un significato ecologico, cioè consente a due organismi di coesistere in uno stesso habitat sfruttando ciascuno luce a diversa lunghezza d'onda. I pigmenti sono localizzati.all’interno della cellula associati a sistemi di membrane denominati membrane fotosintetiche (derivanti dall’invaginazione della membrana citoplasmatica). All’interno delle membrane clorofilla e batterioclorofilla sono associate a proteine a formare complessi di 50-300 molecole. Le clorofille del centro di reazione partecipano alla conversione dell’energia luminosa in ATP e poi ci sono una serie di molecole che catturano la luce conducendola ai centri di reazione chiamati PIGMENTI ANTENNA. Questa è organizzazione altamente efficiente nell’assorbimento di luce anche quando essa è a basse intensità. Esistono anche pigmenti accessori, si possono distinguere in: CAROTENOIDI trasferiscono la luce al centro di reazione che può essere usata nella fotofosforilazione, ma hanno anche ruolo fotoprotettivo, proteggendo dai danni derivanti dalla fotoossidazione, che possono generare forme tossiche dell’ossigeno, come l’ossigeno singoletto e.

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