Appunti presi a lezione di microbiologia

NAD+/NADH.

->Nel momento in cui gli elettroni escono dal flusso ciclico è necessario un donatore di elettroni.

È tutto sempre associato a membrana.

In figura si osservano le fotosintesi anossigeniche.

Fotosintesi ossigenica.

In questo caso si ha la presenza di due fotosistemi, I e II. Il fotosistema II viene

eccitato dalla luce e gli elettroni vengono portati a potenziali negativi,

provengono dall’acqua che viene ossidata ad ossigeno.

Vengono donati alla Feofitina per poi proseguire sul pool dei chinoni, ai

citocromi e inizia la differenza rispetto alla fotosintesi anossigenica: prima si

aveva un flusso ciclico, in questo caso, attraverso la plastocianina, vanno a

finire sul fotosistema I. durante il flusso spontaneo si forma inoltre forza

proton motrice per produrre ATP. Gli elettroni dall’acqua sono arrivati al

fotosistema I, hanno perso molto del loro potenziale perché è stato usato

per produrre ATP. Vengono riportati verso potenziali più elettronegativi e

poi donati a chinoni, ad un centro fe-s, Fd e NAD. In quest’ultima fase si

produce potere riducente.

Non si ha flusso ciclico di elettroni e si hanno due fotosistemi collegati in

serie e il donatore di elettroni è l’acqua.

(la freccia tratteggiata dovrebbe andare sul pool dei chinoni)

In presenza di eccesso di potere riducente succede che gli elettroni dalla

Ferrodossina possono andare sul pool dei chinoni della catena del

trasporto degli elettroni per recuperare energia e non dissiparla, solo in un caso di eccesso di potere. --> Nel caso

del fotosistema I gli elettroni vanno sul NAD e in caso di eccesso possono ritornare ai chinoni. Questo sistema viene

detto SISTEMA Z.

Fissazione del carbonio.

Il concetto fondamentale è che non esiste solo il ciclo di Calvin per la organicazione della CO2 ma nei procarioti si

trovano almeno 4 sistemi differenti per la fissazione del carbonio inorganico.

Il ciclo di Calvin presenta una fase di carbossilazione del ribulosio 1,5BP, una fase di riduzione e una di

rigenerazione. A livello della riduzione si ha la formazione di piruvato che serve come precursore per biosintesi di

amminoacidi e lipidi, precursori di proteine e membrane. Si ha la formazione di zuccheri necessari alla formazione

della parete o alla condensazione in polisaccaridi per formare glicogeno.

Il ribulosio 5P è il precursore di nucleotidi. Ciclo Calvin è uno dei sistemi di organicazione della CO2 nei cianobatteri

e in batteri litiotrofi.

Che altri sistemi esistono? Esiste ad esempio il ciclo riduttivo inverso degli acidi tricarbossilici nei batteri verdi

sulfurei. Invertendo i processi di decarbossilazione si hanno eventi di

carbossilazione, spendendo ATP e potere riducente.

Il piruvato passa a PEP che viene ridotto a trioso fosfato, esoso

fosfato che è precursore di materiale cellulare.

->gli eventi di decarbossilazione diventano di carbossilazione:

il prodotto di una inversione del ciclo degli acidi è l’acetil CoA

che può venire carbossilato a piruvato.

Un ulteriore sistema è il ciclo del 3 idrossipropionato.

Partendo dal acetilcoA viene con intervento di ATP e potere

riducente carbossilato a idrossipropionil-CoA. Esso viene

ridotto a propionil CoA, carbossilato a metilmalonil-CoA. Il

metil malonicoA viene ossidato a malil- CoA che da un lato va

a rigenerare il CoA per le reazioni viste e da un altro a dare il

gliossilato che serve come precursore del materiale cellulare.

batteri metanogeni e acetogeni

Nel caso di ?

L’acetogenesi e metanogenesi sono visti come due sistemi di

respirazione anaerobia che usa CO2 come accettore finale,

formando metano o acido acetico andando a ossidare

l’idrogeno. Questo però non è un fissaggio del carbonio ma è

respirazione.

Per usare invece la CO2 come fonte di carbonio viene usata la via

reduttiva dell’Acetil-CoA. Il prodotto finale è l’acetato in cui si ha un

gruppo carbonilico e metilico. Si ha una porzione di via dell’acetil CoA

che genera il gruppo metilico e una via che invece genera il gruppo

carbonilico.

Gruppo metilicoriduzione della CO2 a gruppo metilico. L’idrogeno

CO2 e l’idrolisi di ATP portano alla formazione di formil-tetraidrofolato

(THF, un carrier del gruppo formilico). THF viene ridotto a gruppo

metilico sempre legato al THF. È presente poi uno scambio di carrier in cui il gruppo metilico va a finire sulla

vitamina B12 con liberazione del THF che torna all’inizio della reazione.

La CO2 è diventata il carbonio del gruppo metilico.

Gruppo carbonilico il carbonio della CO2 va a finire in un gruppo carbonilico, si ha la reazione con idrogeno e

succede che l’enzima ha legato ad un FE il gruppo carbonilico mentre il gruppo metilico è legato a un atomo di

Nichel. Si ha la reazione a dare acetil-CoA. Esso forma acetato, il precursore del materiale cellulare.

Come i metabolismi energetici e di utilizzo del carbonio fanno muovere lo stato di ossidazione del carbonio dalla

situazione di carbonio organico a inorganico ? In ambiente aerobio e in ambiente anaerobio.

1. Ambiente aerobio: la respirazione di materiale organico fa passare il carbonio da uno stato organico a

inorganico. Il contrario viene effettuato, per portare il carbonio a organico, da processi fotosintetici in

ambiente aerobio dai cianobatteri che fanno fotosintesi ossigenica, dalle alghe e dalle piante verdi. Anche

dai batteri chemiolitotrofi che fanno respirazione aerobia di composti inorganici.

2. Ambiente anaerobio: i tipi di metabolismo energetico possono essere la respirazione anaerobia e

fermentazione. Sono processi che possono ossidare i composti organici a dare CO2. Come la CO2 può

essere organicata? Attraverso la fissazione di metanogeni o acetogeni ma anche dei batteri anossigenici.

Metanotrofi. Il ciclo del carbonio è stato alterato, in teoria si dovrebbe avere un equilibrio tra ambiente

organico e inorganico. La CO2 aumenta perché composti organici fossili di origine biologica vengono usati

come combustibili. Tutte le forze che portano alla organicazione della CO2 in composti organici non

riescono a contrastare l’uso dei combustibili.

Ecosistema lacustre: nella zona in cui vi è luce a sufficienza si hanno i fototrofi

 ossigenici, alghe e cianobatteri, che fissano la CO2. I composti organici vengono

utilizzati da organismi aerobi e anaerobi facoltativi che effettuano il processo

inverso. I composti organici che si formano nella zona che caratterizza le

comunità 1 e 2 possono anche sedimentare. In questo caso vengono utilizzati

dalla comunità 3 per processi fermentativi, da batteri fermentanti, o per processi

di respirazione anaerobia, come i batteri denitrificanti e batteri solfo-riduttori. In

più sono presenti i metanogeni in ambiene anaerobio e gli omo-acetogeni. Se il

metano rimanesse intrappolato nel sedimento si formerebbe un

giacimento. Da dove prendono i batteri metanogeni l’idrogeno e la

CO2 per formare metano? Dai processi fermentativi.

Rumine: ambiente anaerobio in un organismo aerobio. Può vivere

 dagli zuccheri che derivano dalla cellulosa e dall’amido o da processi

di fermentazione come l’acetato, propionato e butirato.

gli acidi organici che si formano dalle fermentazioni passano al circolo

sanguigno dell’animale che si nutre di acidi organici.

17/04

Le reazioni di ossidazione dei composti organici in ambiente aerobio

sono diverse dalle reazioni di respirazione che avvengono in

ambiente anaerobio che sono responsabili della ossidazione dei

composti organici a dare CO2.

L’azoto può essere assimilato come fonte inorganica come nitrato,

ammoniaca e azoto molecolare o come fonte organica, da composti

organici come NH, NH2.

L’assimilazione di NH3 non richiede redox e viene incorporata in glutammato o glutamina, che fungono da donatori

di gruppi amminici per le biosintesi.

Anche i composti organici vengono deaminati a dare ammoniaca che viene assimilata. Il nitrato passa attraverso la

formazione di ammoniaca, viene progressivamente ridotto ad ammoniaca che viene assimilata. La stessa cosa

accade per l’azoto molecolare atmosferico. Glutammato e glutamina

funzionano da donatori di gruppi NH2 agli altri precursori azotati.

Il glutammato può reagire ulteriormente con ammoniaca a dare

glutammina con idrolisi di ATP. Il glutammato fa da donatore di un gruppo

amminico per dare aspartato, reagendo con l’ossalacetato tramite una transaminasi.

Se è presente nitrato sono presenti riduzioni. Si ha una nitrato

riduttasi assimilativa, che converte il nitrato a nitrito. Il nitrito è il

substrato della nitrito riduttasi assimilativa a dare NH2OH che

verrà ridotta ad ammoniaca.

Si parla di riduzione assimilativa del nitrato (diversa dalla

respirazione anaerobia del nitrato, in quel caso si parla di

riduzione dissimilativa). Le due vie sono operate da enzimi

diversi. La via dissimilativa del nitrato è derepressa da anossia, è

una respirazione anaerobia, si ha una nitrato riduttasi

dissimilativa e da origine a nitrito, altri vanno a ossido nitrico, nitroso e azoto. La via assimilativa è repressa dalla

presenza di ammoniaca, se è presente è più facile assimilarla rispetto al nitrato e viene repressa l’assimilazione del

nitrato.

Fissazione dell’azoto. per un chimico la formazione di ammoniaca dall’azoto segue il processo di Haber: N2+ H2 

NH3 a 500° e 200 atm. Per un biologo, osservando lo stato di ossidazione dell’azoto è:

N2 +8 e-+ 8H +16-24 ATP 2NH3 + H2 +16-24 ADP + 16-24 Pi

Nella biosfera la fissazione è un processo unicamente procariotico. Le piante che fissano l’azoto lo fissano solo

grazie ad una simbiosi con microorganismi. I procarioti in grado di fissare l’azoto possono essere sia aerobi che

anaerobi, fototrofi e chemiotrofi, sia liberi sia in simbiosi.

Dal punto di vista enzimatico chi opera il processo di fissazione? È catalizzato da un complesso noto come

complesso della nitrogenasi. Sono stati studiati tre tipi di complesso:

-contenente molibdeno

-contenente vanadio

-contenente Fe

A seconda della disponibilità del molibdeno o vanadio, una singola specie batterica può essere in

grado di sintetizzare uno o l’altro complesso enzimatico. È un complesso enzimatico composto da

due diverse componenti proteiche:

1. Proteina Mo-Fe viene detta dinitrogenasi, è la proteina che reagisce con l’azoto

2. Proteina Ferro-zolfo, la dinitrogenasi riduttasi: è una proteina che è responsabile di fornire

elettroni alla dinitrogenasi. Gli elettroni derivano da un donatore come la ferredossina. Il

trasferimento di elettroni avviene attraverso una reazione ATP dipendente.

Il complesso della nitrogenasi viene inattivato irreversibilmente dall’ossigeno perché il Fe e

Molibdeno vengono ossidati. Lo