Microbiologia agraria

TECNICHE DI COLTURA PER AEROBI E ANAEROBI

Aerobi: aerobiosi-agitatore, aerobiosi-fermentatore

Anaerobi: giara per anaerobiosi con busta Gas-Pack e cabina anaerobica per anaerobi

stretti.

METABOLISMO BATTERICO: è l’insieme di tutte le reazioni biochimiche che avvengono

nella cellula. Si divide in

- Catabolismo: insieme di reazioni di scissione e ossidazione di molecole più

grandi per ottenere energia

- Anabolismo: insieme di reazioni che permette la sintesi di molecole organiche

complesse a partire da quelle più semplici con dispendio di energia

-

Il catabolismo può vista come la scissione di molecole più grandi in molecole più

piccole con produzione di ATP. Il catabolismo consiste nella rottura di molecole di

substrato più grandi, per formare energia e molecole prodotto più piccole. Parte

dell’energia prodotta è rilasciata sotto forma di calore.

CLASSI ENERGETICHE DEI MICRORGANISMI: per crescere tutti i microrganismi

richiedono una fonte di energia e una strategia metabolica per conservare l’energia

ottenuta.

- CHEMIOTROFI: utilizzano sostanze chimiche

1. Chemiorganotrofi: sostanze organiche

2. Chemiolitotrofi: sostanze inorganiche.

- FOTOTROFI utilizzano l’energia luminosa. Hanno bisogno di pigmenti che

permettono di trasformare l’energia luminosa in energia chimica

La fototrofia si distingue in

1. Ossigenica: portano alla produzione di ossigeno

2. Anossigenica: è considerata una forma di fotosintesi primordiale ( batteri

rossi, verdi ed eliobatteri)

In base alla fonte di carbonio:

- AUTOTROFI: CO2 principale fonte di energia per biosintesi

- ETEROTROFI: molecole organiche ridotte, preformate, derivanti da altri

organismi ( es. funghi decompongono la materia organica)

In base alla fonte di elettroni:

- LITOTROFI: molecole inorganiche ridotto

- ORGANOTROFI: molecole organiche

CICLO ENERGETICO DELLA CELLULA: la respirazione aerobica, anaerobica,

fermentazione e fotosintesi.

Nel caso della fermentazione gli accettori di e- sono endogeni e organici, si ha

ossidazione parziale di molecole organiche

Nella respirazione aerobica l’O2 è l’accettore finale di elettroni. La respirazione è il

processo per cui gli elettroni generati dall’ossidazione di un substrato ad alta energia

sono trasferiti al sistema di trasporto degli elettroni per generare energia.

Nella respirazione anaerobica gli accettori di e- sono i composti esogeni diversi da O2

(NO3-, SO4- ecc)

BATTERI AEROBI OBBLIGATI: vivono solo in presenza di ossigeno perché hanno un

corredo enzimatico tale per cui l’accettore finale di e- è l’O2

BATTERI AEROBI-ANAEROBI FACOLTATIVI: vivono in presenza/assenza di ossigeno e

possono fare respirazione aerobica, anaerobica e metabolismo fermentativo

BATTERI OBBLIGATI: vivono in assenza di O2. E vivono di respirazione anaerobica e

metabolismo fermentativo.

PRODUZIONE DI ATP: può avvenire per

1. fosforilazione a livello del substrato: ci sono degli intermedi fosforilati che

cedono il gruppo fosfato all’ADP che si trasforma in ATP.

2. fosforilazione ossidativa: c’è un trasporto di e- attraverso la membrana

citoplasmatica reso possibile grazie a una serie di trasportatori di e-, e a questo

trasporto si accoppia l’estrusione di protoni. (membrana energizzata, cariche

positive fuori e negative dentro , forza proton motrice dissipata accoppiata alla

sintesi di ATP).Questo fa si che si possa produrre ATP grazie all’ATP-asi che fa

rientrare i protoni.

RESPIRAZIONE: è il processo catabolico in cui il donatore di e- può essere

rappresentato da sostanza organica e inorganica.

CHEMIORGANOTROFI: con la respirazione aerobica di sostanza organica tutte le

sostanze organiche possono essere respirate e poi ossidate, trasformate e demolite

per formare glucosio che poi va in via catabolica del ciclo di krebs per arrivare alla

produzione di ATP.

La respirazione aerobica del glucosio avviene per via prinicipale di Glicolisi e

successivo ciclo di Krebs. Nella glicolisi il glucosio viene ossidato a piruvato e

successivamente nel ciclo di Krebs il piruvato viene completamente ossidato a CO2

attraverso il ciclo dell’acido citrico.

GLICOLISI: è un a via catabolica universale come prima via di degradazione e

ossidazione del glucosio e avviene in presenza o assenza di O2. Una molecola di

grandi dimensioni come quella a sei atomi del glucosio, viene demolita in molecole più

piccole con produzione di atp, ossia piruvato a 3 molecole di carbonio.

Fase 1. Viene chiamata fase di investimento, la cellula investe ATP per formazione del

glucosio 6-fosfato che dopo isomerizzazione diventa fruttosio 6-fosfato, e

successivamente per trasformare il fruttosio 6-fosfato in fruttosio 1,6-bifosfato. Ogni

volta che l’ATP è usata, questa rilascia un fosfato.

Il fruttosio 1,6-bifosfato viene scisso in due molecole a tre atomi di carbonio. Questa

reazione è sempre all’equilibrio ma è sempre spostata verso destra, per cui è

generalmente la gliceraldeide 3 fosfato che prosegue la glicolisi.

Fase 2. Avviene la fosforilazione a livello di substrato, in cui le molecole che legano i

gruppi fosfato, sono ora capaci di cedere fosfato ad ADP per formare ATP (primo

passaggio in cui si forma atp). Nell’ultimo passaggio il fosfoenolpiruvato cede il

fosfato per formazione di ATP e diventa piruvato. Questi passaggi però avvengono due

volte perché la gliceraldeide 3 fosfato è doppia, dal momento che deriva da glucosio a

6 atomi di carbonio. Perciò tutti i prodotti di questa fase sono doppi.

4 ATP prodotte- 2 ATP consumate= 2 ATP

INTORDUZIONE AL CICLO DI KREBS:

- glicolisi

- formazione dell’acetil coenzima A

- ciclo di Krebs

- catena di trasporto di elettroni

Nella glicolisi il NAD subisce reazione di riduzione a NADH , anch’esso prodotto doppio.

I carriers elettronici (potere riducente) trasferiscono i loro e- alla catena di trasporto

elettronico che genera un gradiente protonico o forza proton-motrice

il piruvato si combina con l’acetilcoenzima A, producendo citrato e si libera una

molecola di CO2 (il piruvato era a 3 atomi di carbonio ma ne ha appena perso uno)

CICLO DI KREBS

il citrato subisce una serie di trasformazioni e perde altre due molecole di CO2. Il

piruvato viene completamente demolito e ossidato e genera potere riducente e GTP.

Il ciclo di Krebs avviene a livello delle creste mitocondriali e anche in questo caso si

produce FADH e NADH.

Tutti i NADH provenienti da glicolisi e NADH e FADH del ciclo di Krebs si vanno a

riossidare a livello di catena di trasporto degli elettroni.

Mediante fosforilazione a livello di substrato e fosforilazione ossidativa si produce

sempre ATP.

DETTAGLIO DELLA CATENA DI TRASPORTO ELETTRONICO

Il NADH che deriva dalla glicolisi e dal ciclo di Krebs entra a livello del compresso 1,

che è a sua volta costituito da FMN e proteine ferro-zolfo.

Tutti i trasportatori di elettroni sono organizzati in complessi perché in questi sistemi

questi elementi sono strettamente connessi fra loro, perché disposti secondo un

potenziale redox crescente per far fluire gli elettroni nella giusta direzione.

Il potenziale redox ci dice quando una molecola è un forte donatore di elettroni o un

forte accettore. FMN è sempre un miglior donatore rispetto a una proteina ferro-zolfo

che è un miglior accettore e via cosi.

Il NADH entrando a livello del complesso 1 viene riossidato a NAD grazie all’enzima

chiamato NADH deidrogenasi ( enzima importante perché è il primo enzima che

permette la riossidazione)

Quando il NADH viene riossidato va a cedere due elettroni e protoni. Gli elettroni

prendono quindi la via del complesso 1. Quindi FMN che da ridotta passa a ossidata

perché prende elettroni, poi li cede alla proteina ferro zolfo che come prima passa da

stato ossidato a ridotto e continua a cedere elettroni arrivando al coenzima Q.

Mentre gli elettroni fluiscono nei trasportatori avviene l’estrusione di H+ all’esterno

(4). Derivano dall’idrolisi dell’acqua e dagli H+ trasportati da NADH in precedenza

(2+2).

Gli elettroni arrivano al coenzima Q, molecola piccola e idrofobica ( si trova nella

membrana citoplasmatica), per poi arrivare al complesso 3 ricco di citocromi e

proteine ferro-zolfo. Questi sono tantissime molecole diverse, trasportatori di elettroni

definiti tutti a sigle.

Gli elettroni passano al citocromo C, che è una navetta che collega il complesso 3 al 4.

Il complesso 4 è il complesso finale chiamato ossidasi-terminale, in cui avviene la

produzione di acqua a partire da elettroni che si combinano con ossigeno e idrogeno a

formare 2H2O.

A livello del complesso 3 e 4 passano all’esterno altri H+, 4 nel complesso 3 e 2 nel

complesso 4. In tutti quindi avremo l’estrusione di 10 H+.

Anche il FADH2 si riossida a livello del complesso 2 andando a contribuire al passaggio

di altri elettroni contribuendo alla fuoriuscita dei 6 protoni precedenti.

Da una molecola di glucosio con la glicolisi abbiamo prodotto 2 ATP, con il ciclo di

Krebs di producono 2 molecole di ATP e 34 ATP che si producono mediante

fosforilazione ossidativa. Tutti i 24 gli elettroni tramite NADH e FADH2 sono trasportati

alla catena di trasporto tramite i complessi appena visti. Vengono estrusi quindi H+.

Per ogni 3 H+ che rientrano attraverso ATP sintetasi si forma una molecola di ATP.

Dal momento che sono stati estrusi 10 H+ (10:3) abbiamo tre molecole di ATP. Quindi

per i 10 NADH totale avremo ( 3 x 10) 30 ATP.

PASSAGGIO DI H+ E ATP: l’ATP-asi viene definito un complesso multi enzimatico, e

viene descritto come un fungo rovesciato, in cui infatti la parte peduncolare (F0)è

inserita nella membrana e il cappello protrude nel citoplasma ( F1). Queste due

porzioni sono collegate da un canale attraverso cui passano i 3 H+. la porzione F1 si

apre e si chiude e quello che viene reso disponibile è un sito attivo a livello della sub

unità beta per cui ADP e fosfato possono entrare ed essere liberati sotto forma di ATP

a livello di citoplasma. Il cambio conformazionale avviene solamente al passaggio di 3

H+.

L’attività della ATP è reversibile. Può infatti dissipare ATP per rigenerare H+ e quindi

forza proton-motrice. Questa infatti può servire se ha bisogno di un lavoro che si basa

sulla forza proton motrice cosi come il movimento flagellare.

RESPIRAZIONE ANAEROBICA ( accettori di elettroni diversi da ossigeno)

In condizioni anossiche alcuni procarioti possono o devono usare accettori di elettroni

diversi dall’ossigeno. Alcuni infatti sono anaerobi facoltativi mentre altri sono obbligati

in base alla presenza o assenza di enzimi capaci di eliminare le forme tossiche

dell’ossigeno.

La denitrificazione è la respiraz