Appunti microbiologia

IL CICLO DI CALVIN NON è DA FARE

Il ciclo riduttivo degli acidi tricarbosslici

compiuto da diverso gruppi di batteri, tra cui

molti batteri verdi (sulfurei e non sulfurei),

alcuni ipertermofili autotrofi. Viene ritenuto il

meccanismo più antico per la fissazione della

CO . Si usa il potere riducente per fissare la

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CO .

2

Reazioni chiave:

carbossilazione del succinilCoA → α-

• chetoglutarato

carbossilazione di α-chetoglutarato → isocitrato

• 114

citrato → acetilCoA + ossalacetato (interviene una citrato liasi laddove nel TCA ossidativo

• agisce una sintasi)

carbossilazione dell’acetilCoA → piruvato.

•

Gli altri enzimi sono quelli del TCA, ma procedono in direzione opposta rispetto a quella del ciclo

ossidativo.

Fissazione di N 2

Compiuta esclusivamente da alcuni procarioti (fino ad ora nessuna evidenza negli eucarioti). Esiste

anche un processo chimico che è in grado di potare allo sviluppo di azoto molecolare NH , per

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poterlo usare come fonte di sostentamento di diverse forme vegetali. Da un punto di vista chimico è

molto funzionante, ma è un processo estremamente dispendioso, in quanto servono alte pressioni e

alte temperature.

Un complesso enzimatico nei moo è in grado di attuare tale processo senza richiedere alte

temperature e pressioni. Vi sono due complessi: (di)nitrogenasi reduttasi (Fe) e (di)nitrogenasi

(Fe-Mo).

È un processo represso dall’ossigeno, con una eccezione. Non tutti i moo sono anaerobi obbligati e

in alcuni casi questo complesso funziona anche in presenza di ossigeno. Per evitare la repressione:

respirazione

• produzione di strati protettivi

• reazione in cellule o strutture specializzate

• protezione conformazionale

• sottrazione di ossigeno da parte di complessi

• proteici specializzati.

Il processo richiede, come minimo, 6 elettroni e si

suppone quindi la formazione di intermedi, che però

non sono mai stati isolati → probabilmente

rimangono vincolati al complesso.

Ad ogni trasferimento spesi 2ATP, che servono per

determinare il cambiamento conformazionale che abbassa il potenziale redox → ciò permette a N 2

di reagire con dinitrogenasi e riduzione dinitrogenasi. Solo a questo punto il complesso si dissocia,

dinitrogenasi reduttasi inizia nuovo ciclo e dinitrogenasi riduce N a NH , grazie a centro Fe-Mo.

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La reazione nel suo complesso: entra una molecola di azoto molecolare, si ha i consumo di 8

elettroni.

La fissazione dell’azoto molecolare è un processo molto dispendioso dal punto di vista energetico e

la produzione di nitrogenasi è repressa in presenza di fonti diverse di azoto.

Identificazione: 115

1. 15 15

N: isotopo stabile, è possibile dunque fornire N alla cellula e seguire destino in materi

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organica (spettrometria di massa)

2. test di riduzione dell’acetilene → etilene: avviene (probabilmente non in natura, ma utile in

laboratorio) perché il complesso enzimatico non è altamente specifico per il substrato.

Da un punto di vista genetico questo processo è regolato da un operone specifico, un regulone nif,

che comprende circa 20geni, tra cui: dinitrogenasi (4 subunità) e dinitrogeneasi reduttasi (2

subunità uguali) questi tre geni risultano altamente conservati tra gli azotofissatori. A seconda degli

adattamenti fisiologici delle varie cellule, variano i tipi di regolazione, soprattutto a livello

trascrizionale (ma sempre più studiato anche controllo post-traduzionale), inibizione da ossigeno,

NH , NO -, aa (a volte). Ci sono dei casi in cui la regolazione genica è compatibile con la risposta.

3 3

La nitrogenasi è solitamente un enzima

molto sensibile alla presenza di ossigeno e i

moo fissatori adottano diverse strategie per

proteggerla. Vi sono delle nitrogenasi non

sensibili all’ossigeno, come sterptomyces

thermoautotrophcus, che è un

chemiolitotrofo termofilo. La

dinitrossigeanasi reduttasi non ha nessuna

similarità con altre, come con SOD, fonte di elettroni è il superossido, l’ossigeno non inibisce ma è

richiesto.

I cianobatteri che attuano la fotosintesi ossigenica e la fissazione dell’azoto segregano il processo di

fissazione in speciali cellule modificate (eterocisti) nelle quali il fotosistema II, che svolge la

fotolisi dell’acuqa con produzione di ossigeno, è degradato, mentre il fotosistema I continua a

produrre l’ATP necessario alla fissazione dell’azoto attraverso la fotofosforilazione ciclica.

Gli organismi azoto fissatori danno un enorme contributo per la nutrizione azotata di tutti gli esseri

viventi, compreso l’uomo che ha imparato empiricamente l’importanza delle piante leguminose

prima anche che si cominciassero a scoprire i moo simbionti fissatori d’azoto.

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Cicli biogeochimici e i microrganismi

si occupano della circolazione degli elementi nel cosmo, ma più in particolare sul pianeta terra

(sistema chiuso).

Lo studio dei cicli permette di seguire le distribuzioni in termini quantitativi e gli andamenti

attraverso i flussi di scambio dei singoli elementi all’interno delle diverse sfere geochimiche

(litosfera, idrosfera, atmosfera, biosfera o per semplificare tra organismi viventi e ambiente

abiotico).

I microrganismi svolgono un ruolo fondamentale nel ciclo della materia, ed in particolare sono gli

unici organismi in grado di chiudere anello del ciclo tra materia organica e inorganica (→

mineralizzazione), permettendo il flusso continuo degli elementi.

Inoltre l’attuale stato chimico degli elementi sul pianeta dipende in gran misura dalle attività degli

organismi viventi, in particolare alcune forme di elementi sono comparse, e sono tutt’ora dovute,

esclusivamente al metabolismo microbico.

Da cosa dipende il ruolo dei moo:

1. ubiquità e velocità di duplicazione: ogni habitat adatto per crescita di organismi superiori è

sicuramente abitato anche da moo; ambienti estremi; microambienti.

2. duttilità e capacità metabolica.

Da ciò è stato anche formulato il principio dell'infallibilità microbica; molecole resistenti sono

poche, di nostra creazione definite recalcitranti (insolubilità e anelli aromatici: caratteristiche che

maggiormente impediscono la metabolizzazione).

→ comunità microbica: interazione tra diverse gilde

→ gilda: insieme di popolazioni metabolicamente correlate

Baricentro del sistema: ecosistema, ovvero relazioni tra organismi viventi e mondo in cui essi

operano. Ogni ciclo può essere diviso in due compartimenti o pool:

1. pool di riserva: parte quantitativamente più importante ma meno coinvolta in scambi attivi,

e generalmente non biologica

2. pool di scambio: parte quantitativamente minoritaria, ma qualitativamente preponderante

poiché coinvolta in scambi tra organismi e ambiente.

Tournover di un elemento/molecole: tempo impiegato da quella specifica molecola per compire un

ciclo biogeochimico completo.

Ciclo del carbonio

ciclo legato intimamente e obbligatoriamente a quello dell’ossigeno (e in qualche misura, quindi, a

quello dell’acqua). Maggiore riserva di C: sedimenti e rocce (pool di riserva). Maggiore serbatoio

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per esseri viventi: piante, ma forse ancor più humus che non in organismi viventi. Forma

molecolare di più rapido scambio CO .

2 Anche se: impatto antropico ha da un lato

aumentato rilascio di CO (si calcola un

2

aumento di circa di 10-12% negli ultimi

50 anni) nell’atmosfera e ridotto la

copertura verde delle terre emerse.

Non tutto il carbonio cicla perché parte si

deposita:

depositi inorganici, principalmente

• sottoforma di calcare (può rientrare

in ciclo grazie a variazioni di pH)

depositi organici: humus. In realtà

• qui il ciclo rallenta, ma non è vera

sottrazione. Inoltre molto utile per fertilità e porosità del terreno.

Torbiere: depositi di materiale organico indecomposto (carbone)

• metano e petrolio: da materiale organico fossile

• rapida rimineralizzazione a causa di utilizzo umano

◦

In generale, gli ambenti anaerobici tendono ad essere dei serbatoi in cui si accumula materiale

organico, perché i composti organici metabolizzabili in anaerobiosi sono meno numerosi. Via

principale per tornare ad ambiente aerobico: metanogenesi.

Ciclo dell’azoto

costituisce il 78% dell’atmosfera, ma è chimicamente inerte, poiché la maggior parte degli

organismi non sa ridurlo, ma tutti ne hanno bisogno. Nella litosfera costituisce lo 0,005%, sotto

forma di composti organici ed inorganici, il più diffuso è il nitrato di sodio (NaNO ). Nella biosfera

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costituisce lo 0,001% → diventa spesso fattore limitante per la crescita.

Fissazione dell’azoto: eventi casuali ad altissima energia, come scariche elettriche

(quantitativamente poco significativi),

processi chimo-fisici (p. di Haber): molto costosi

• organismi azotofissatori: contributo maggioritario

•

Vista l’importanza di questo processo nel settore agronomico e vista la crescita antropica a livello

mondiale, le ricerche su questo argomento hanno subito e tutt’ora hanno forte impulso.

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Ricordare significato, positivo e negativo, del

processo di denitrificazione.

L’ammonificazione consiste nel rilascio d’azoto

sotto forma d’ammoniaca da tessuti animali e

vegetali in decomposizione. L’ammoniaca

rilasciata da questo processo è assimilata dai moo

e dalle piante in alcuni aminoacidi. Alcuni batteri

che vivono nel suolo e negli ambienti acquatici

hanno la capacità di ossidare l’ammoniaca per

ricavare potere riducente ed energia attraverso la

respirazione (nitrificazione). Il nitrato, prodotto

finale della nitrificazione, è lisciviato dal suolo

più facilmente dell’ammoniaca, un’intensa

nitrificazione può determinare l'accumulo di nitrati nella falda acquifera rendendo non potabile

l'acqua. A livello intestinale, infatti, una parte del nitrato è ridotta dai batteri intestinali a nitrito, un

composto altamente nocivo per la sua interazione con l’emoglobina che porta alla formazione di

metaemoglobina. La metaemoglobina può essere mortale.

1. Il nitrato prodotto attraverso la nitrificazione può essere assimilato dalle piante e dai

moo del suolo, oppure essere utilizzato come accettore finale degli elettroni della

catena respiratoria definita denitrificazione. Durante questo processo il nitrato è

convertito a nitrito, poi a ossido e biossido d’azoto e infine ad azoto molecolare. Dal

punto di vista agricolo, il processo di denitrific