Microbiologia generale

RESA ENERGETICA

Per ogni molecola di piruvato ossidata a CO2 si producono:

• 3 NADH che per fosforilazione ossidativa possono generare 9 ATP, nonché 3 ATP per ogni NADH formato
• 1 NADPH che genera 3 ATP
• 1 FADH2 che per fosforilazione ossidativa può generare 2 ATP
• 1 GTP equivale a 1 ATP

Per un totale di 15 ATP, ma essendo 2 le molecole di glucosio ossidate il totale è a cui si aggiungono le 30 ATP, 38 ATP. 2 ATP nella glicolisi e 2 NADH (6 ATP) per un totale di...

CICLO KREBS O CICLO DI ACIDI TRICARBOSSILICI

Il ciclo è esclusivo dei microrganismi che respirano, in cui avviene la completa ossidazione del substrato, con la generazione di ATP mediante fosforilazione del substrato. A questa ossidazione completa è associata la produzione di tanto NADH che permette la formazione di forza proton motrice. Questo processo avviene mediante un complesso multienzimatico che si suddivide in tre fasi:

1. Ossidazione dell'acido piruvico a CO2 + Acetil-CO-A che entra poi nel ciclo. In questa fase avviene...

in acido ossalacetico, completando così un ciclo. Durante il ciclo del TCA, avvengono diverse reazioni di ossidazione che generano molecole di CO2 e coenzimi ridotti come NADH e FADH2. Questi coenzimi verranno successivamente ossidati, trasferendo gli elettroni ai trasportatori elettronici e all'ossigeno. Inoltre, durante il ciclo del TCA, viene generata direttamente una molecola energetica chiamata GTP. Il ciclo del TCA inizia quando l'acetil-CoA, composto formato dal piruvato, si condensa con l'acido ossalacetico, composto a 4 atomi di carbonio, per formare il composto citrato, a 6 atomi di carbonio. Attraverso una serie di ossidazioni e trasformazioni, questo composto viene poi riconvertito in acido ossalacetico, completando così un ciclo.inossalacetato e rinizia il ciclo. Passando dal succinil-CoA a succinato, si ha la liberazione del GTP, dal quale poi si ricaverà ATP. Il bilancio energetico del CICLO DI KREBS è che per ogni molecola di piruvato ossidata durante il ciclo si producono 3 molecole di CO2. Il ciclo di Krebs non usa ossigeno, che è invece utilizzato nella fosforilazione ossidativa. Il ciclo di Krebs è una via metabolica anfibolica, poiché partecipa sia a processi catabolici che anabolici. Il ciclo fornisce infatti anche moltiprecursori per la produzione di alcuni amminoacidi (ad esempio l'α-chetoglutarato e l'ossalacetato) e di altre molecole fondamentali per la cellula. CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI: gli elettroni liberati dai processi catabolici in seguito all'ossidazione della sostanza organica sono stati acquistati temporaneamente dai coenzimi e adesso secondo le leggi della termodinamica fluiranno lungo una catena di trasportatori aventi un potenziale.di riduzione sempre più positivo in fondo alla catena di trasporto fino all'O2 che in qualità di accettore terminale verrà ridotto a H2O. Tale catena è formata da una serie di trasportatori di e- che operano insieme per trasferire gli e- dai donatori (NADH e FADH2) agli accettori (O2), in cui quelli trasferiti si combinano con O2 e H+ per formare H2O. Questa catena di trasporto si trova nei batteri nella membrana citoplasmatica e negli eucarioti nella membrana mitocondriale. I sistemi di trasporto degli elettroni sono composti da trasportatori associati alla membrana che hanno duplice funzione: 1. Accettare gli elettroni da un donatore che ha potenziale di riduzione inferiore e trasferirli ad un accettore che ha potenziale di riduzione maggiore. Quindi i trasportatori sono disposti secondo un potenziale di riduzione crescente. 2. Conservare una certa quantità di energia rilasciata durante il trasferimento degli elettroni per la sintesi di ATP. Tra itrasferiti ad un chinone, che diventa ridotto a chinolo. Il chinolo può poi essere trasferito ad un altro trasportatore di elettroni, come una flavoproteina, che a sua volta può trasferirlo ad un altro trasportatore, come una proteina ferro-zolfo. Questo processo continua fino a quando gli elettroni vengono trasferiti ad un citocromo, che li trasferisce infine all'ossigeno, formando acqua. I trasportatori proteici, come la NADH idrogenasi, le flavoproteine, le proteine ferro-zolfo e i citocromi, sono disposti secondo un potenziale di riduzione crescente. Ciò significa che gli elettroni vengono trasferiti da trasportatori con un potenziale di riduzione più basso a trasportatori con un potenziale di riduzione più alto. I trasportatori non proteici, come i chinoni, sono trasportatori di idrogeno che servono come accettori di idrogeno e donatori di elettroni. Questi trasportatori possono trasferire solo elettroni e non protoni. Le flavoproteine e i chinoni trasportano solo elettroni, mentre le proteine ferro-zolfo e i citocromi trasportano sia elettroni che protoni. Questi due tipi di trasportatori sono alternati nella catena, in modo che quando i trasportatori di idrogeno si riossidano (trasferiscono gli elettroni al successivo trasportatore di soli elettroni), gli idrogeni che non possono essere ceduti vengono trasportati all'esterno, creando un gradiente elettrochimico che genera una forza proton motrice. I trasportatori sono proteine legate alla superficie interna della membrana citoplasmatica e hanno un sito attivo. La NADH deidrogenasi, ad esempio, lega il NADH e accetta due elettroni e due protoni quando il NADH si ossida a NAD+. Questi due elettroni e due protoni vengono poi trasferiti ad un chinone, che diventa ridotto a chinolo.trasferire elettroni e protoni attraverso la membrana. Sono chiamate quinoni e sono presenti in diverse forme nella catena di trasporto degli elettroni. I quinoni possono accettare e cedere elettroni, partecipando così alla generazione del gradiente elettrochimico necessario per la sintesi di ATP. Alcuni esempi di quinoni sono l'ubichinone e la menaquinone. Le proteine della catena di trasporto degli elettroni sono fondamentali per il corretto funzionamento della respirazione cellulare. Svolgono un ruolo chiave nel trasferimento degli elettroni e nella generazione di energia. La comprensione di come queste proteine interagiscono tra loro e con altre molecole è di fondamentale importanza per la comprensione dei processi biochimici che avvengono all'interno delle cellule.utilizzo del citocromo a per trasferire gli elettroni all'ossigeno, formando così acqua. Questo processo avviene all'interno della membrana mitocondriale e produce energia sotto forma di ATP. I chinoni, come il coenzima Q, sono molecole che agiscono come accettori e donatori di elettroni nella catena di trasporto degli elettroni. Essi possono muoversi all'interno della membrana e accettare elettroni e protoni dal citoplasma, ma donano solo elettroni. Il coenzima Q è un tipo comune di chinone presente nella catena di trasporto degli elettroni. I citocromi, invece, sono trasportatori che contengono gruppi prostetici di tipo eme. Essi subiscono riduzione e ossidazione attraverso l'acquisizione o la perdita di un singolo elettrone. Esistono diversi tipi di citocromi che differiscono nei loro potenziali di riduzione. Essi si distinguono in citocromi di tipo a, b, c e all'interno di ogni classe ci sono ulteriori diversità (ad esempio, a1, a2, etc.). A volte i citocromi possono formare complessi tra di loro, come ad esempio il complesso bc1. In generale, il coenzima Q ridotto trasferisce gli elettroni al complesso bc1, che a sua volta li trasferisce al citocromo c. Quest'ultimo, a sua volta, li trasferisce al citocromo a, che ha un potenziale di riduzione più elevato. Infine, il citocromo a utilizza gli elettroni per trasferirli all'ossigeno, formando acqua. Questo processo genera energia sotto forma di ATP ed avviene all'interno della membrana mitocondriale.

trasferimento dielettroni all'accettore terminale (es: ossigeno) presente nel citoplasma. In questa fase vengono anche pompati protoni all'esterno, aumentando così la FPM.

I trasportatori di elettroni sono orientati nella membrana in modo che durante il processo di trasporto, avvenga una separazione dei protoni dagli elettroni.

MECCANISMO

Gli atomi di idrogeno rimossi dai loro trasportatori come il NADH, sono separati in elettroni e protoni; gli elettroni vengono trasportati attraverso la catena dei trasportatori specifici, mentre i protoni vengono pompati fuori dalle cellule nell'ambiente (nei Gram nel periplasma).

Da ciò risulta una debole acidificazione della superficie esterna della membrana. Al termine della catena di trasporto, gli elettroni sono trasferiti all'accettore finale, O2 e lo riducono ad H2O; per questo processo sono requisiti H+ dal citoplasma. L'uso di H+ nella riduzione di O2 in H2O e il pompaggio fuori di H+ causa

un’accumulo di OH- all’interno dellamembrana. Generando un gradiente di pH e di un potenziale elettrochimico nella membrana, FORZA PROTON MOTRICE.

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA si ha la formazione di un legame fosfato ad alta energia mediante forza proton motrice, il catalizzatore della conversione della forza proton motrice in ATP è un grande complesso enzimatico dichiamato o, in breve, ATPasi. L’ATPasi contiene due membrane, ATP sintetasi porzioni principali:

• una testa costituita da subunità multiple (F1), collocata nel citoplasma
• un canale conduttore di protoni (F0) che attraversa la membrana.

Questo complesso catalizza una reazione reversibile di conversione di ATP in ADP +Pi. Ciò che avviene è che l’ingresso dall’esterno di H+ nel canale F0 provoca una torsione della struttura che viene trasmessa ad F1 e che determina un cambiamento conformazionale della subunità β. Questi cambiamenti consentono di legare ADP +Pi che viene

Poi convertito in ATP quando la subunità à β ritorna nella conformazione originale. Il motore F1/F0 dell'ATPasi può essere invertito infatti la reazione è reversibile: Si può formare ATP (quindi dissipare la forza proton motrice) per cambiamenti conformazionali della subunità β di F1, ma si possono consumare scorte di ATP (quindi creare forza proton motrice, necessaria per trasporto ioni e motilità cellulare) che viene scisso per idrolisi in ADP+Pi grazie al pompaggio degli H+ dall'interno all'esterno e l'inversione di rotazione della struttura dell'ATPasi. La direzione del sistema dipende dalla concentrazione interna di ATP e all'entità del gradiente elettrochimico attraverso la membrana:

• Gradiente eccessivo favoriscono ingresso di protoni e generazione di ATP
• Concentrazione bassa di ATP: concentrazione interna di ATP elevata e gradiente basso comportano la fuoriuscita a scapito dell'ATP

sono chiamati batteri anaerobi. Questi batteri sono in grado di svolgere la respirazione anaerobica utilizzando come accettori finali di elettroni sostanze diverse dall'ossigeno. La respirazione anaerobica produce una quantità inferiore di energia rispetto alla respirazione aerobica.