Appunti Microbiologia

ATP

La resa energetica non è molto elevata, in quanto ciò dipende sia dal potenziale della coppia ossidoriduttiva ma anche dalla lunghezza della catena di trasporto degli elettroni, che qui non è particolarmente lunga in quanto i citocromi sono pochi, quindi viene liberata poca energia. Devono ossidare molto ammonio per poter crescere in modo elevato.

La nitrificazione - ossidazione del nitrito prevede la trasformazione ad opera di batteri nitrificanti di nitrito in nitrato tramite ossidazione. L'enzima chiave è la nitrito ossidoreduttasi (NOR) che trasferisce un atomo di O di O2 al nitrito con la trasformazione a nitrato e liberazione di 2 elettroni che vengono trasferiti al citocromo C. Anche in questo caso la catena di trasporto è molto corta, formata da citocromo C e citocromo aa3, che trasportano gli elettroni a O2 che si riduce ad H2O. Si forma gradiente protonico con dissipazione e sintesi di ATP a livello dell'ATP sintasi. La resa

energetica è bassa a causa della catena di trasporto corta e quindi la produzione di un gradiente protonico non così elevata da produrre una grande quantità di ATP. Esistono poi batteri in grado di svolgere entrambe le reazioni nel medesimo microorganismo. Si tratta di un metabolismo unico che prevede sia ammonio ossidazione sia nitrificazione, che fornisce più energia. Questi batteri sono chiamati comammox.

Aerobicamente, Batteri e Archea nitrificanti ossidano NH3, ma solo al nitrito, mentre un distinto gruppo di batteri ossida il NO2- a NO3-. L'ossidazione completa di NH3 a NO3- è condotta dalla cooperazione di due gruppi fisiologici di organismi: gli ossidanti di ammoniaca e i nitrificanti.

Da un punto di vista filogenetico, Nitrosomonas e Nitrobacter sono batteri. Tuttavia, alcuni Archea sono anche ossidanti di ammoniaca, ad esempio Nitrosopumilus, un archea ammoniaca ossidante marina. Gli Archea nitrificatori possono dominare la nitrificazione marina;

finora Archeanitrito ossidanti non sono noti. I batteri nitrosificanti e nitrificanti sono batteri appartenenti al phylum dei proteobatteri, sono chemiolitotrofi normalmente aerobi. Gli ammonio ossidanti si trovano in acqua dolce o a livello del suolo, mentre i nitro ossidanti si trovano nelle acque di mare.
• I comammox sono batteri che ossidano completamente l'ammoniaca a nitrito da soli. Sono stati recentemente scoperti ma non si è riusciti ad isolarli, in quanto difficili da coltivare, ma si conosce il loro genoma. Questi eseguono l'ossidazione dell'ammonio e il passaggio da nitrito a nitrato in modo simultaneo, producendo una quantità di energia più elevata e ciò sembrerebbe più vantaggioso. In realtà, però, sono favorite le reazioni più brevi che avvengono nei due microorganismi separati, favorite in natura.
I percorsi metabolici favoriti sono quelli corti in quanto secondo la teoria cinetica:
• i metabolismi sono ottimizzati in base alla

velocità di produzione di ATP

• Minimizzazione degli enzimi
• Minimizzazione dei metaboliti

Altre rese sarebbero vantaggiose quando i batteri crescono in gruppi clonali, come nel biofilm. Nel corso dell'evoluzione i batteri con il metabolismo singolo sono stati favoriti in quanto è meglio avere due reazioni più efficienti, aumentare la velocità di crescita e avere un metabolismo parziale, piuttosto che avere un metabolismo completo che produce più energia ma in modo lento.

I comammox sono stati scoperti facendo un arricchimento (di ammoniaca e ossigeno) di una coltura nitrificante, che permette di selezionare certi batteri rispetto ad altri, in quanto crescono meglio in certe condizioni. È stato sequenziato il metagenoma e ricostruito il genoma di Nitrospira, e grazie a ciò sono stati scoperti geni sia per l'ossidazione di ammonio, sia del nitrito. Sono stati identificati enzimi AMO in un batterio nitrificante come Nitrospira.

anche il ciclo dell'azoto nell'ambiente marino. Questi batteri sono in grado di convertire l'ammonio in azoto gassoso, riducendo così la quantità di azoto disponibile per la crescita delle alghe. Questo processo è di fondamentale importanza per mantenere l'equilibrio degli ecosistemi marini. Inoltre, è stato dimostrato che i batteri ammonio ossidanti possono essere utilizzati per il trattamento delle acque reflue. Questi batteri sono in grado di convertire l'ammonio presente nelle acque reflue in nitrato, che può essere successivamente utilizzato dalle piante come nutriente. Questo processo, chiamato nitrificazione, è essenziale per ridurre la quantità di nutrienti presenti nelle acque reflue e prevenire l'eutrofizzazione dei corpi idrici. In conclusione, i batteri ammonio ossidanti svolgono un ruolo fondamentale nel ciclo dell'azoto e nel trattamento delle acque reflue. La loro capacità di convertire l'ammonio in composti meno tossici e di ridurre la quantità di nutrienti nelle acque reflue li rende degli alleati preziosi per la salvaguardia dell'ambiente.

Il ciclo dell'azoto, in quanto l'ammoniaca diventando N2 torna nella forma atmosferica. Questi si sono scoperti in quanto in condizioni di anaerobiosi ci si aspettava che la quantità di ammoniaca che si ritrovava effettivamente in habitat anossici fosse molto elevata, ma in realtà se ne trovava molto meno rispetto a quella che effettivamente ci si aspettava. Ciò si poteva spiegare solo con la presenza di un'altra reazione dell'ammonio che prevede la sottrazione di NH3, che dovrebbe essere presente in condizioni di anaerobiosi, e che permette la sua ossidazione anche in condizioni anossiche. Ciò si è confermato con il sequenziamento del genoma di alcuni batteri da colture arrichite tramite un approccio metagenomico. Questi batteri appartengono al gruppo dei plantomiceti, molto particolari poiché non presentano peptidoglicano, possiedono una membrana nucleare che circonda il DNA e strutture particolari chiamate anammosomi, strutture in cui

avvienequesta reazione di ossidazione dell’ammoniaca.Il processo anammox che avviene negli anammosomi è un processo che prevedeil passaggio da nitrito in presenza di ammonio ad azoto atmosferico. Il nitrito siritrova nel citoplasma della cellula, mentre l’ammoniaca la ritroviamo all’internodell’anammosoma. La reazione avviene a livello della membrana dell’anammosomae prevede la trasformazione del nitrito ad opera della nitrito reduttasi (NIR) adare o NH2OH o NO, i quali diventano i substrati dell’enzima idrazina idrolasi(HH), un enzima integrale di membrana dell’anammosoma. Quest’ultimo permettela reazione con NH3 a dare idrazina, un metabolita tipico di questo tipo dimetabolismo. In seguito l’enzima HAO, idrazina ossidasi, trasforma idrazina inN2, azoto atmosferico.• Le singole reazioni prevedono NO2- che grazie a NIR si ossida a NO, procedeverso HH dove interagisce con NH4+ a dare idrazina. Questi step direazioneprevedono un passaggio di elettroni, che derivano dalla catena di trasporto degli elettroni, nel primo passaggio occorre 1 e- per la prima ossidazione, per il secondo 3e-, quindi bilancio totale di 4e-. Questi 4 elettroni vengono poi restituiti alla catena di trasporto nello step successivo, dove idrazina tramite HO viene trasformata in N2 liberando 4 elettroni, inviati ai chinoni. In concomitanza vengono liberati elettroni che portano poi alla formazione di un gradiente che dissipato porta a sintesi di ATP. Il nitrito si trova all'interno della catena di trasporto in quanto funge da accettore di elettroni finale. Questi batteri sono autotrofi, necessitano di fissare CO2 tramite il ciclo di Calvin, ma per fare ciò hanno bisogno potere riducente che non si ottiene da queste reazioni. Questi batteri utilizzano quindi il flusso inverso degli elettroni per poter produrre potere riducente. Ciò avviene solo se il nitrito funge sia da accettore sia da donatore di elettroni. Il

trasporto di elettroni deve avvenire contro gradiente e giunge ai citocromi che donano gli elettroni per l'ossidazione. Interviene a questo punto un ulteriore enzima, un idrazina deidrogenasi che cede elettroni ad una ferrodossina, la quale riducendosi permette il passaggio di NAP+ a dare NADPH.

In natura la fonte di NO2 per la reazione anammox è presumibilmente l'ossidazione dell'ammoniaca da parte di Batteri ed Archea. Questi organismi coesistono con batteri anammox negli habitat ricchi di ammoniaca, come le acque reflue.

Le attività degli organismi marini anammox rappresentano probabilmente la frazione più significativa (>50%) di scomparsa di NH3 dai sedimenti marini. Alcuni sedimenti di acqua dolce ricchi di ammoniaca sostengono anche l'anammox, quindi sembra che l'anammox possa verificarsi in qualsiasi ambiente anossico in cui NH3 e NO2 coesistono.

Respirazione anaerobica: il processo

Quando vengono utilizzati accettori di elettroni

alternativi all'O2, il processo viene chiamato respirazione anaerobica. I batteri che svolgono la respirazione anaerobica hanno le stesse catene di trasporto degli elettroni della respirazione aerobica, fotosintesi e chemiolitotrofia; citocromi, chinoni, proteine F-S. Nella respirazione aerobica l'O2 è sia accettore di elettroni ma partecipa anche come reagente nella reazione di ossidazione, ciò non accade nell'anaerobica che presenta reagenti differenti.

Molti organismi che conservano energia attraverso la respirazione anaerobica sono anaerobi obbligatori, cioè non sono in grado di respirare O2 e possono anche essere uccisi da questo. Si tratta di un metabolismo dominante nelle acque o in alcuni terreni, quindi non è meno diffuso di quello aerobico.

• accettori di elettroni della respirazione anaerobica:

La coppia di O2/H2O è la più elettropositiva, è disponibile più energia quando O2 viene utilizzato come accettore

Il potenziale ossidoriduttivo della coppia redox è molto importante per determinare la resa energetica. La respirazione è il processo più dominante. In un organismo in cui entrambi i processi sono possibili, l'utilizzo di ossigeno è il preferito.

Altri accettori di elettroni che sono abbastanza vicini alla coppia O2/H2O sono il ione manganese (Mn4+), il ferro ferrico (Fe3+), il nitrato (NO3-) e il nitrito (NO2-). Esempi di accettori elettro-negativi sono il solfato (SO4 2-), lo zolfo elementare (S0) e l'anidride carbonica (CO2). Ciò dipende dalle risorse dell'ambiente in cui si trovano i batteri implicati.

Gli organismi che utilizzano questi accettori non sono tipicamente aerobici facoltativi e sono bloccati in uno stile di vita anaerobico.

La torre redox: anche nella respirazione anaerobica il potenziale redox dei diversi accettori di elettroni è importante.