Appunti di Microbiologia

ΔG: Reazione di accoppiamento dell'idrogeno

Questa reazione può essere spinta in una direzione o nell'altra, a seconda delle condizioni dell'idrogeno. Più favorevole sarà l'accettore da accoppiare all'idrogeno, come il nitrato, meno presente sarà l'idrogeno fisiologico, e viceversa.

La concentrazione di idrogeno è maggiore in presenza di metanogeni. La differente concentrazione di idrogeno è dovuta all'efficienza e alla presenza di diversi microrganismi.

In condizioni differenti creiamo microcosmi differenti, dando la possibilità di sopravvivenza a diversi microrganismi; aggiungendo il nitrato, si consuma molto maggiormente l'idrogeno.

L'utilizzo dei diversi accettori segue una direzione temporale e sequenziale, ma questo metabolismo dipende da diverse condizioni e dalla disponibilità di quel dato accettore, della sua distribuzione spaziale. Le sostanze trasformate cambiano il loro stato ossidoriduttivo in una falda acquifera.

troviamo la presenza e distribuzione differente di composti differenti. Il flusso di distribuzione nello spazio di queste sostanze condiziona l'utilizzo di queste sostanze, ne deriveranno diverse distribuzioni dei batteri nello spazio. Acquiferi contaminati da composti organici, si inverte la successione delle condizioni redox, dato dal carbonio organico in eccesso, non più limitante. In condizioni non contaminanti si decorre naturalmente verso condizioni metanogene. Denitrificazione Reazione che porta il nitrato a divenire azoto molecolare Il nitrato è molto diffuso nell'ambiente, molto solubile, potenziale redox molto elevato, spesso presente ad alte concentrazioni. La riduzione del nitrato ad azoto prevede vari step: - il nitrato passa a nitrito, che svolge, grazie alla nitrato riduttasi; Escherichia coli - il nitrito passa ad ossido nitrico; - l'ossido nitrico passa ad ossido d'azoto; - infine l'ossido di azoto passa ad azoto atmosferico. Tutti questi

Gli step sono presenti in altri batteri, modelli per la denitrificazione, come Pseudomonas (aerotollerante) (mentre E.coli, essendo facoltativo, riesce a svolgere solo il primo step). stutzeri. Negli step cambieranno anche gli stati fisici e quindi la distribuzione delle sostanze.

In figura vediamo due esempi di denitrificazione, quella parziale (B), che prevede anche una possibile respirazione aerobica (A), vista la possibilità di E.coli di svolgere anche questo processo, e completa (C). Vediamo che nella denitrificazione è essenziale la nitrato reduttasi, che permette il ripristino di elettroni, creando gradiente protonico e dissipazione di energia, e conseguente formazione di ATP. prevede che gli elettroni derivanti dalla catena di trasporto arrivino Pseudomonas anche al nitrito, fino a produrre ossido nitrico e ossido d’azoto, fino alla riduzione in azoto atmosferico; si favorisce quindi la respirazione. I denitrificanti possono utilizzare sostanze organiche o inorganiche come

fonte di carbonio, ma utilizzano in entrambi i casi come accettore finale di elettroni l'azoto.¹⁹

Lezione di Microbiologia, di Lorenzo Di Palma

Metabolismo dei solfati

Riduzione dei solfati

Tra i diversi composti dello zolfo, il più ossidato è il solfato, che verrà ridotto in solfuro nella principale via metabolica. Tramite respirazione anaerobica dei solfatoriduttori, otteniamo solfuri; si tratta di anaerobi stretti, che usano donatori di elettroni comuni, come idrogeno o acidi lattici, piruvato o lattato. Sono quindi chemiolitoautotrofi. Desulfovibrio sono i batteri solfatoriduttori più studiati.

La riduzione del solfato può essere:

• assimilativa, comune a tutti i batteri, gli organismi assimilano il solfato per comporre sostanze contenenti zolfo (come cisteine); bisogna usare energia per ridurre il solfato ed integrarlo nella cellula.
• dissimilativa, processo solo dei solfato riduttori, lo zolfo non viene incorporato nella cellula; si produce energia,

il sistema usa la respirazione, i batteri solfatoriduttori "respirano il solfato". In entrambi i processi otteniamo i solfuri, ed entrambi i sistemi abbiamo la ATPdesolfurasi. Si forma quindi l'APS, che viene ridotto (con APS riduttasi) a dare il solfito, il quale attraverso l'azione della solfitoriduttasi, forma solfuro di idrogeno, prodotto finale. Nella via dissimilativa, riduzione del solfato, abbiamo fosforilazione ossidativa, formando dissipazione di energia è immagazzinata come ATP. L'APS è un intermedio comune anche del processo assimilativo, si fosforila APS, a dare PAPS; nella via assimilativa abbiamo la spesa di fosforilare APS, e gli elettroni derivano dal consumo di potere riducente, da NADPH -> NADP, si possono così formare i solfuri, che verranno poi assimilati dalla cellula batterica. Vivono in ambienti anossici, questi batteri utilizzano composti inorganici come idrogeno come donatore di elettroni, ed il

solfato come accettore. Questi batteri organicano la CO per fissare il2carbonio. Questi batteri vivono in ambienti dove è presente la fermentazione (o possono loro stessisvolgere fermentazione), con grande produzione di idrogeno e lattato. L'utilizzo di idrogeno è garantito dalle idrogenasi di membrana, che svolgono un ruolo fondamentale nella riduzione del solfato, converte l'idrogeno in protoni ed elettroni, che possono quindi essere trasferiti tramite la catena all'ossidasi terminale (abbiamo anche una serie di citocromi, c3 e Hmc, altro complesso), fino all'APS riduttasi e solfito reduttasi, generando solfiti e solfuri rispettivamente. Partendo da idrogeno e solfato, otteniamo solfuri, si crea dissipazione di H, che grazie all'ATP sintasi genera ATP. Alcuni batteri solfatoriduttori possono utilizzare l'ossidazione del solfito e riduzione dello zolfo, quindi non utilizzano l'APS nel metabolismo. Tra i solfato riduttori troviamo sia

archea (tra cui ipertermofili) che batteri (delta proteobacteria, clostridi) questi batteri vivono in ambienti anossici e ricchi di idrogeno; svolgono un ruolo importante negli ambienti marini e lacustri: questi ambienti sono ricchi di materia organica, che può essere degradata. A seconda della presenza di solfato o meno, proseguono e dominano diversi metabolismi. In un ambiente acquifero, anossico, ricco di sostanza organica: si può degradare la sostanza organica, tramite idrolisi si ottengono composti più piccoli, che vengono quindi fermentati: in un ambiente ricco di solfato, dominano i batteri che svolgono la solfato riduzione,

visto che si producono grandi quantitativi di lattato, piruvato e idrogeno dalla fermentazione; in un ambiente povero di solfato, non possono intervenire i solfato riduttori, ma avverrà la metanogenesi, si produce metano ad opera di batteri che attuano respirazione anaerobica che usa come accettore finale acetato o CO2, producendo

metano.

Riduzione del Fe³⁺il Fe precipita, forma solida quindi meno disponibile nell'ambiente. Si sono quindi evoluti organismi³⁺che rendono più biodisponibile il Fe . Nei ferroriduttori, il ferro è l'accettore finale di elettroni. Si³⁺riconoscono 3 sistemi:

• → Fei ferro riduttori posseggono enzimi, ferroriduttasi esterne, che trasformano il Fe , in³⁺ 2+modo che non precipiti e sia maggiormente biodisponibile; tipica di Shewanella spp.
• alcuni batteri possiedono pili e fimbrie per attaccarsi ai minerali di ferro (vivono quindi inambienti dove essi sono disponibili), e grazie al sistema enzimatico prima descritto rendonopiù biodisponibile il Fe ;
• 2+- Per batteri come Geobacter, riconosciamo oltre agli enzimi di membrana dei nanowire, pilielettrogenici, che conducono elettroni nella catena di trasporto verso l'esterno, fino ai mineralidel ferro.

Possono essere usate molecole elettron-shuttle, che mediano il trasferimento di elettroni, sostanzeche

permettono il trasferimento di elettroni. Infine abbiamo anche una strategia che produce sostanze che legano il ferro.

Accettori di elettroni meno comuni

Altri composti che possono essere respirati sono i composti alogenati. Molti microrganismi utilizzano composti alogenati come accettori di elettroni, respirazione anaerobica, abbiamo una dealogenazione riduttiva. L'etilene è un composto alogenato molto utilizzato nel metabolismo: attraverso la dealogenazione riduttiva si trasformano i composti in composti differenti.

I possibili accettori variano a seconda del potenziale redox, e tra questi ritroviamo anche composti nel mezzo, riduzione di composti alogeni. Il donatore di elettroni è spesso l'idrogeno.

Altri possibili accettori di elettroni possono essere composti particolari, come trimetilammina-n-ossida, arsenico o selenio, cloruro e clorato.

Respirazione protonica

Respirazione particolare, dovuta ad un archea unico, che vive a circa 100 gradi. Utilizza i protoni come

Accettori di elettroni, presente in Pyrococcus furiosus. In una glicolisi modificata, la riduzione della gliceraldeide-3-fosfato avviene tramite ferredossina ridotta, che cede elettroni (e non tramite potere riducente), si pompano quindi protoni nella membrana, e si ottiene la formazione di ATP, tramite fosforilazioni a livello del substrato nelle conversioni da piruvato e acetilCoA in acetato.

Acetogenesi e metanogenesi: L'utilizzo della CO come accettore di elettroni, prende due vie differenti. Entrambi i processi sono presenti in ambienti estremamente riducenti, condividono i reagenti ma differiscono per i prodotti; si utilizza idrogeno come donatore di elettroni e anidride carbonica (ione carbonato) come accettore. Nella metanogenesi abbiamo la produzione di metano, nella acetogenesi si forma acetato. Entrambi i processi producono energia, e sono in parte sovrapposti. In ambienti anossici, possiamo avere microrganismi capaci di acetogenesi e metanogenesi (batteri acetogeni e metanogeni).

Tra i due processi è favorita la metanogenesi, in termini energetici, in quanto è una reazione termodinamicamente favorita. I processi sono comuni in parte. L'acetogenesi è leggermente più complicata: gli acetogeni possono essere sia chemiolitotrofi ma anche fermentare zuccheri, producendo 3 molecole di acetato (di cui vediamo sopra la reazione). Parte dell'acetato prodotto si interseca con la via dell'acetilCoA. Il processo è simile ad una respirazione anaerobica, con accettore la CO ma anche come un modo per fissare la CO . Nella via dell'acetilCoA la monossido di carbonio idrogenasi gioca un ruolo fondamentale, nel sito attivo può contenere ioni nichel, zinco o ferro. Si genera una forza sodiomotrice, grazie a gradienti di sodio si ha formazione di ATP; il metabolismo prevede due reazioni parallele: 1. a partire dall'idrogeno, in presenza di CO , grazie al tetraidro fluorato, si f