Biologia dei microrganismi - il metabolismo cellulare

FOSFORILAZIONE A LIVELLO DI SUBSTRATO (Fermentazione)

La forza proto-motrice: la chemioosmosi

I trasportatori (NAD e FAD) sono orientati nella membrana in modo che durante il trasporto avvenga una separazione dei protoni (H+ pompati fuori dalla cellula) dagli elettroni (e- trasportati attraverso la catena da specifici trasportatori).

In questo modo si ha un accumulo di Cationi (H+) all'esterno della cellula e un accumulo di Anioni (OH-) all'interno della cellula, con conseguente formazione di un gradiente di pH e un potenziale elettrochimico attraverso la membrana con conseguente energizzazione della membrana detta forza proto-motrice.

Batteri aerobi eterotrofi - Vie di Formazione del Piruvato (Acido Piruvico)

Questi batteri richiedono composti organici (glucosio) come sorgenti di energia. Alcune reazioni sono comuni sia al metabolismo respiratorio che a quello fermentativo.

Le Reazioni comuni sono tre:

1. Via di Embden-Meyerhof (Glicolisi)
2. Via dei Pentoso-Fosfati
3. Via di...

Entner-Doudoroff sostituisce la glicolisi in alcuni procarioti (Pseudomonas, Rhizobium, Xanthomonas).

La Respirazione Cellulare - La respirazione cellulare, cioè la completa ossidazione dei nutrienti in anidride carbonica e acqua, avviene all'interno di tutte le cellule Eucarioti e nella maggior parte delle cellule Procariote.

Il glucosio rappresenta il principale "combustibile" per la maggior parte delle cellule.

La completa ossidazione di una molecola di glucosio è un processo complesso che può essere suddiviso in tre tappe distinte:

1. Glicolisi (Via di Embden-Meyerhof)
2. Ciclo di Krebs
3. Catena di trasporto degli elettroni

La Glicolisi (Via di Embden-Meyerhof) - Con la Glicolisi la Cellula inizia il Metabolismo del Glucosio (composto a 6 atomi di carbonio) che viene scisso in due molecole di acido piruvico (composto a 3 atomi di carbonio).

La Glicolisi avviene sia in ambiente Aerobio che anaerobio (Il Ciclo di Krebs solo in condizioni Aerobie, La Fermentazione solo in anaerobio).

Le condizioni anaerobie

La glicolisi, si svolge nel citoplasma, ed è costituita da una serie di 9 reazioni biochimiche (ognuna catalizzata da un diverso enzima) suddivise in 2 stadi principali:

I: Reazioni Preparatorie (scissione del Glucosio in 2 Gliceraldeide-3-P)

II: Ossidazione (Produzione di 2 ATP, 2 NADH e formazione di Acido Piruvico).

Dove da 2 Molecole di fosfogliceraldeide (Gliceraldeide-3-P) si Arriva alla presenza di 2 Fosfo-enol-piruvato. Gli Atomi "Fosfato" vengono prelevati da 2 ADP che diventano 2 ATP Lasciando infine le due Molecole di Piruvato (Acido Piruvico).

Dal punto di vista energetico, la scissione di una molecola di glucosio in 2 molecole di acido piruvico comporta un rendimento netto di 2 ATP e di 2 NADH.

- In alcuni batteri la glicolisi è sostituita dalla via di Entner-Doudoroff

Le prime reazioni Preparatorie sono come Quelle della Glicolisi.

Ad un certo punto nello stadio di Ossidazione si viene a creare un intermedio singolare il KDPG (L'Acido Keto-Deossi-PhosfoGluconico).

Quest’ultimo viene scisso direttamente in una molecola di acido piruvico ed una normale di fosfogliceraldeide (Gliceraldeide-3-P) che viene metabolizzata esattamente dagli stessi enzimi della Glicolisi che portano alla produzione di una seconda molecola di acido piruvico. La resa energetica netta è di 1 ATP e 1 NADPH. - Un batterio possiede tutti gli enzimi della via dei Pentoso-Fosfati. Questa via Metabolica che è Localizzata esclusivamente nel Citoplasma Differisce completamente dalla Glicolisi e non produce ATP. Porta alla produzione solo di NADPH e Zuccheri Pentosi (a 5 atomi di Carbonio). È caratterizzata da 2 fasi distinte: Fase Ossidativa (genera 2 NADPH e 3 Molecole di Ribulosio-5-P) Da 3 Molecole di Glucosio Si formano 3 Composti a 6C, fino a Quando vengono perse 3 Molecole di CO (Decarbossilazione Ossidativa) Per generare 3 Ribulosio-5-Fosfato 2 (Ru5P). Fase non Ossidativa (Vede la riconversione dei Pentosi in Esosi) I 3 Ribulosio-5-Fosfato vengono facilmente divisi.

in Ribosio-5-P e 2Xilulosio-5-P.Successivamente Tramite l'Enzima transchetolasi i Zuccheri Pentosi vengono Riconvertiti in Zuccheri Esosi:

• Xinulosio-5-P Gliceraldeide-3-P → Xinulosio-5-P Fruttosio-6-P → Ribosio-5-P Fruttosio-6-P → 15C 15C

Le funzioni Primarie di Questa via Metabolica sono:

1. Rifornire la Cellula di Ribosio-5-P (R5P) per la sintesi dei Nucleotidi dell'RNA
2. Gli Zuccheri Pentosi alimentari possono essere metabolizzati tranquillamente attraverso Questa via Metabolica
3. Un'altra funzione di questa via è Quella di prevenire lo Stress Ossidativo dai Radicali Liberi dell'Ossigeno.

Vie di utilizzazione del piruvato

Nella maggior parte dei batteri aerobi il piruvato subisce una decarbossilazione ossidativa (Perdita di CO2) da parte dell'enzima "piruvato deidrogenasi" Portando alla formazione di acetil-Coenzima A (Acetil-CoA).

L'acetil-CoA entra come precursore nelle vie biosintetiche o può essere ossidato in maniera

attraverso il ciclo di Krebs.

Il ciclo di Krebs rappresenta la principale via di generazione di ATP nei batteri eterotrofi aerobi.

Grazie ad una modificazione del ciclo dei TCA (ciclo del gliossilato) molti batteri aerobi possono ricostruire prodotti intermedi del ciclo di Krebs senza ricorrere alla fissazione della CO2.

Il ciclo di Krebs è, infatti, una via anfibolica, ossia funziona non solo nel catabolismo, ma anche nella generazione di precursori nelle reazioni anaboliche.

II Ciclo di Krebs (Può avvenire solo in Presenza di Ossigeno)

L'acido piruvico formatosi nella glicolisi viene trasportato da una proteina di membrana all'interno del mitocondrio, nella cui matrice avvengono una serie di reazioni ossidative che fanno perdere una molecola di CO2 all'Acido Piruvico (decarbossilato) dando vita a un composto a due atomi di carbonio (acetile) che si lega a un coenzima, il coenzima A (CoA), formando l'acetil-CoA.

Una volta entrato all'interno della matrice mitocondriale,

l'acetil-CoA reagisce con l'Ossalacetato (Oxal), che ha 4 atomi di carbonio, formando l'Acido Citrico (Citrato) che ha 6 atomi di carbonio. Successivamente avvengono una serie di reazioni enzimatiche attraverso cui l'Acido Citrico viene degradato, rigenerando una molecola di Oxal che può reagire con una seconda molecola di acetil-CoA generando ancora Citrato e dando vita a un nuovo ciclo. Ad ogni ciclo vengono liberate due molecole di CO2 (4 CO2 in totale). Negli organismi eucarioti, il ciclo di Krebs avviene nei mitocondri, più precisamente nella matrice mitocondriale. Nei procarioti, gli enzimi del ciclo di Krebs sono localizzati nel citoplasma. Il piruvato viene ossidato ad acetil-CoA, il quale entra nel ciclo di Krebs. Si noti che i due atomi di carbonio che entrano nel ciclo sotto forma di acetil-CoA sono evidenziati in colore scuro fino alla reazione 4, dopo la quale essi possono trovarsi ad ognuna delle due estremità della molecola del succinato e del fumarato. Per ogni molecoladi glucosio, il ciclo funziona due volte producendo complessivamente +4 CO2 / 6 NADH+6 H+ / 2 FADH2 e 2 ATP. Nella prima reazione del ciclo di Krebs, l'acetil-CoA che contiene nel suo gruppo acetato 2 atomi di carbonio, reagisce con un acido a 4 atomi di carbonio (ossalacetato) formando l'acido citrico (citrato) un composto a 6 atomi di carbonio. Analizzando nei dettagli il ciclo di Krebs si osserva il modo in cui esso si mantiene in una condizione di stato stazionario, in cui sia i materiali che vi entrano sia quelli che ne escono sono sottoposti a un continuo ricambio senza che le loro concentrazioni subiscano variazioni. (Reazione 1) L'energia temporaneamente depositata nell'acetil-CoA contribuisce a rendere possibile la formazione del citrato partendo dall'ossalacetato. In questa reazione, la molecola del coenzima A viene perduta per essere riciclata. (Reazione 2) Gli atomi del citrato vengono ridisposti nella molecola dell'isocitrato. (Reazione 3) L'isocitrato...

viene trasformato in a-chetoglutarato, con liberazione di una molecola di CO₂ e due atomi di idrogeno vengono allontanati (NADH + H⁺) verranno recuperati successivamente nella catena respiratoria. (Reazione 4)

Come per l'ossidazione del piruvato ad acetil CoA, anche la molecola a 5 atomi di Carbonio dell'a-chetoglutarato viene ossidata producendo la molecola a 4 atomi di carbonio del succinato, liberando una molecola di CO₂, depositando parte dell'energia di ossidazione in altri due atomi di idrogeno (NADH + H⁺) e parte nella combinazione succinato - coenzima A succinil -CoA (Reazione 5)

Il Succinil –CoA libera il Coenzima A, ritornando alla forma di Succinato. L'energia così liberata converte il GDP in GTP (Guanosin Trifosfato) da GDP e P. In un secondo tempo, il GTP viene utilizzato per produrre ATP dall'ADP. (Reazione 6)

Il Succinato viene ossidato a Fumarato con la liberazione di due atomi di idrogeno, trasferiti a un enzima contenente

FAD (FADH₂) liberando una quantità minore di energia. (Reazione 7)

Successivamente Fumarato e Acqua Reagiscono formando Malato. (Reazione 8) Liberando altri 2 Atomi di Idrogeno

Il Malato viene Ossidato a Ossalacetato + (NADH + H⁺). L'Oxal così rigenerato può reagire nuovamente con un acetil-CoA, per dare inizio ad un nuovo ciclo.

La Catena di trasporto degli elettroni (Chemioosmosi - Forza Protomotrice)

Costituita da Citocromi, che si contendono gli elettroni.

La funzione è Quella di accettare elettroni dai composti ridotti (Glucosio) e trasferirli all'ossigeno con conseguente formazione di acqua con la liberazione di energia sufficiente alla sintesi di ATP.

La respirazione cellulare si conclude con la cessione degli atomi di idrogeno, catturati durante la glicolisi e il cicio di Krebs dai coenzimi NAD e FAD, all'ossigeno conformazione di H₂O.

Si è visto che una coppia di elettroni, prelevati da NADH, è in grado di rilasciare

unquantitativo d'energia sufficiente a produrre 3 ATP mentre con una coppia elettronica ottenuta dal FADH2 se ne ottengono 2 ATP. Possiamo considerare gli atomi di idrogeno come ioni idrogeno (H+) e elettroni (e-). I primi vengono liberati nella matrice dei mitocondri; i secondi vengono ceduti a particolari proteine, localizzate sulla membrana interna dei mitocondri. Queste proteine, che costituiscono la catena di trasporto degli elettroni, accettano e donano elettroni, liberando ad ogni passaggio piccole quantità di energia che viene utilizzata per