2a. Metabolismo. Tutti i tipi di fermentazione

Metabolismo microbico

Per metabolismo si intende l’insieme dei processi che permettono di ricavare energia (catabolismo) e di sintetizzare molecole biologiche (anabolismo). Le reazioni cataboliche sono reazioni esoergoniche, dal momento che liberano energia; le reazioni anaboliche sono reazioni endoergoniche, perché richiedono energia. La formazione di energia, che servirà poi nei processi anabolici, può avvenire mediante reazioni di ossidoriduzione di composti organici o inorganici, oppure l’energia in questione può essere ricavata per mezzo della luce del sole.

Gli organismi che utilizzano la prima metodologia per ricavare energia si dicono chemiotrofi; gli organismi che, invece, utilizzano la seconda forma di energia si dicono fototrofi. Se vogliamo essere più precisi, in relazione agli organismi chemiotrofi possiamo effettuare un’ulteriore distinzione: quelli che ricavano energia mediante reazioni redox di composti organici si dicono chemiorganotrofi; quelli che ricavano energia mediante reazioni redox di composti inorganici si dicono chemioinorganotrofi.

Classificazione dei microrganismi

Dato che il carbonio è il nutriente maggiormente richiesto perché costituisce in una percentuale elevata, insieme a idrogeno e ossigeno, la maggior parte dello scheletro delle varie molecole biologiche, i microrganismi vengono classificati in ambito metabolico tenendo conto anche della fonte di carbonio. Si distinguono, pertanto:

• Microrganismi chemioautotrof: Ricavano energia dall’ossidazione di molecole inorganiche e usano come fonte di carbonio la CO₂. Questi organismi sono anche indicati come chemiolitotrofi o litotrofi. I membri di questo gruppo si ritrovano esclusivamente tra Bacteria e Archaea.
• Microrganismi chemioeterotrof: Utilizzano molecole chimiche organiche come fonte sia di carbonio sia di energia. A questa categoria appartengono, oltre a numerosi gruppi di procarioti, anche tutti gli animali, i protozoi e i funghi.
• Microrganismi fotoautotrof: Ricavano energia dalla luce mediante la fotosintesi e usano come fonte di carbonio la CO₂. A questo gruppo appartengono, oltre alle piante e alle alghe, anche alcuni gruppi di batteri fotosintetici quali i cianobatteri e i solfobatteri verdi e rossi.
• Microrganismi fotoeterotrof: Ricavano energia dalla luce mediante la fotosintesi e usano come fonte principale di carbonio molecole organiche. A questo gruppo appartengono, oltre ad alcune alghe, i batteri fotosintetici rossi e alcuni Archaea alofili.

Tutti gli organismi fotoautotrofi in presenza di luce si comportano come descritto prima, ma al buio si comportano come chemioeterotrofi, utilizzano, cioè, le molecole organiche che hanno prodotto durante la fase luminosa come fonte di energia e carbonio. Organismi di questo tipo, che alternano processi metabolici di due classi nutrizionali diverse, si dicono mixotrofi.

Chemiotrofia

Abbiamo detto che gli organismi che ricavano energia dalle reazioni di ossidazione dei composti organici o inorganici prendono il nome di organismi chemiotrofi (il processo è detto chemiotrofia). Innanzitutto è bene dire cosa sono e come avvengono le reazioni di ossidoriduzione (o redox). L’ossidazione può essere definita come la perdita di elettroni da parte di un atomo o molecola (atomi o molecole che perdono elettroni si ossidano).

La riduzione consiste invece nell’acquisto di elettroni da parte di un atomo o molecola (atomi o molecole che acquistano elettroni si riducono). In una reazione redox, quindi, un composto ridotto si ossida cedendo elettroni a un composto ossidato che li accetta, riducendosi; in una reazione redox possono essere trasferiti solo elettroni, oppure, come avviene più frequentemente nei sistemi biologici, atomi di idrogeno.

In questo caso l’ossidazione consiste nella rimozione di un atomo di idrogeno e la riduzione nella sua acquisizione. Queste reazioni sono definite deidrogenazione/idrogenazione e gli enzimi che le catalizzano sono detti deidrogenasi/idrogenasi. Nelle reazioni di ossidoriduzione che avvengono nelle cellule il trasferimento di elettroni e di protoni da un donatore primario a un accettore terminale non avviene in un solo passaggio. Piuttosto si osserva una graduale serie di ossidoriduzioni attraverso trasportatori di elettroni intermedi.

I trasportatori di elettroni possono essere suddivisi in due gruppi: trasportatori diffusibili liberi (coenzimi), come il NAD⁺ e il NADP⁺ che sono trasportatori di atomi di idrogeno ed elettroni, oppure quelli legati, come gruppi prostetici, a proteine situate a livello della membrana citoplasmatica. NAD e NADP, collettivamente indicati come NAD(P), partecipano a molte reazioni di ossidoriduzione, durante le quali accettano gli atomi di idrogeno passando dalla forma ossidata alla forma ridotta e sono pronti a rilasciare elettroni e protoni ad altri substrati in successive reazioni.

Il NAD(P), nella sua forma ossidata, è in grado di accettare due elettroni e un solo protone mentre il restante protone è rilasciato nel citoplasma della cellula. Per questo la forma ridotta del NAD(P) è rappresentata come NAD(P)H e la reazione di ossidoriduzione come NAD(P)⁺ + 2H₂ → NAD(P)H + H⁺. Anche il FAD può partecipare a reazioni di ossidoriduzione (ad esempio nel ciclo di Krebs). Accetta 2H⁺ e 2e^-, diventando FADH₂, che potrà cedere a un altro substrato accettore di elettroni e protoni.

Chemiorganotrofi

I chemiorganotrofi prediligono il catabolismo del glucosio (ossidazione del glucosio). Questo può avvenire mediante tre differenti vie: la via di Embden-Meyerhof-Parnas (EMP, o glicolisi), la via di Entner-Doudoroff (o via del chetogluconato) e il ciclo ossidativo dei pentoso fosfati (o via dell’esosomonofosfato).

Nella glicolisi o via di Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato, generando quattro molecole di ATP (di cui due verranno utilizzate nella glicolisi successiva, pertanto il guadagno netto è di due molecole di ATP) e due di NADH. Le reazioni che compongono la glicolisi, ciascuna catalizzata da uno specifico enzima, avvengono nel citoplasma delle cellule; solo in alcuni protozoi come i tripanosomi e leishmanie avvengono in un organulo apposito, chiamato glicosoma.

La glicolisi può essere suddivisa in due fasi: la prima fase è detta fase di investimento, la seconda è la fase di rendimento. La prima parte della glicolisi consiste anzitutto nella conversione del glucosio in glucosio-6-fosfato, tramite l'aggiunta di un gruppo fosfato al carbonio 6, reazione catalizzata dall’enzima esochinasi. Il gruppo fosfato deriva dal fosfoenolpiruvato. La molecola di glucosio fosforilato, oltre a non poter più uscire dalla membrana, in queste condizioni è destabilizzata e quindi propensa a continuare la via catabolica.

Il passaggio successivo della glicolisi consiste nella isomerizzazione del glucosio-6-fosfato a fruttosio-6-fosfato. Questa reazione è catalizzata dall’enzima fosfoglucosio isomerasi (o fosfoglucoisomerasi). In seguito all'isomerizzazione, il fruttosio-6-fosfato viene sottoposto ad un'altra fosforilazione. L'enzima fosfofruttochinasi-1 catalizza tale reazione fino alla produzione di fruttosio-1,6-bisfosfato, trasferendo un fosfato dall'ATP alla posizione 1 della molecola di fruttosio. Il fruttosio 1,6-bisfosfato viene scisso, ad opera dell’enzima aldolasi, in due molecole più piccole da tre atomi di carbonio che sono diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide-3-fosfato. La trioso fosfato isomerasi converte il diidrossiacetone fosfato in gliceraldeide-3-fosfato.