Microbiologia

Equilibrio e energia libera nei sistemi biologici

C] ∙[D=K eq a b[ ] [B]A ∙Ogni sistema tende a spostarsi in una fase d’equilibrio con una forza, la cui entità è espressa dallavariazione di energia libera standard ΔG°. Nei sistemi biologici le condizioni standard e lavariazione di energia libera sono indicate come' =−RTlnKΔG ° '28 Jcon R che indica la costante dei gas e vale 8,135 , T la temperatura, ln la funzioneV ∙ mollogaritmica che vale 2,303 log x e K’ la costante di equilibrio specifica di ogni reazione biochimicain condizioni standard.È possibile distinguere i microrganismi in base al fabbisogno energetico, pertanto esistonoorganismi: fotoautotrofi, che utilizzano sostanze inorganiche come base per la sintesi di molecoleorganiche e la luce come fonte di energia (ad esempio le piante, le alghe ed alcuni batteri); chemioautotrofi, che utilizzano sostanze inorganiche sia come base per la sintesi dimolecole organiche sia come fonte di energia (ad

1. esempio nitrobatteri, ferrobatteri enitrosobatteri);
2. fotoeterotrofi, che utilizzano sostanze organiche come base per la sintesi di altre molecole organiche e la luce come fonte di energia (ad esempio alcuni batteri);
3. chemioeterotrofi, che utilizzano sostanze organiche ed inorganiche sia come materiali di sintesi sia per ricavare energia (ad esempio animali, protozoi, funghi e batteri).

Nel mondo biologico non si verifica una reazione per volta ed è per questo che si parla di additività delle variazioni di energia libera, data dalla somma delle rispettive variazioni di energia libera delle diverse reazioni: ΔG' = ΔG1 + ΔG2.

Normalmente una reazione endoergonica è accoppiata ad una reazione esoergonica.

Dopo aver definito il principio fondamentale che regola le variazioni di energia, nei sistemi biologici devono essere prese in considerazione le caratteristiche ed il ruolo delle molecole ad alto contenuto energetico, come le

molecole fosforilate (ATP ed altre), impiegate sia nei processi anabolici sia in quelli catabolici. Durante la demolizione delle sostanze organiche, le cellule eterotrofe liberano energia che viene parzialmente utilizzata nella produzione di ATP. Vi sono altri metaboliti con energia libera di idrolisi. Per esempio, il fosfoenolpiruvato contiene un gruppo fosforico legato ad un legame estere, il quale, se va incontro ad idrolisi libera, la forma enolica del piruvato si trasforma nella forma più stabile.

In una cellula vivente, una riduzione consiste in un guadagno di elettroni, mentre un'ossidazione è una perdita di elettroni. Le reazioni redox rivestono ruoli importanti in svariati processi biochimici. Le ossidoriduttasi sono una classe di enzimi che catalizzano le reazioni di ossidoriduzione, ovvero quelle reazioni in cui una specie, detta riducente, cede elettroni ad un'altra specie, detta ossidante. Pertanto, le ossidoriduttasi catalizzano reazioni del

tipo: −¿ ¿−¿+ +B → A B¿A-dove A è il riducente e B è l’ossidante.

A seconda del tipo di reazione che viene catalizzata, le ossidoriduttasi si distinguono in sottoclassi:

• ossidasi, enzimi che catalizzano una reazione in cui è presente O che funge da accettore di 2elettroni, ovvero da ossidante, con formazione in molti casi di H O o di H O ;
• deidrogenasi, enzimi che catalizzano il trasferimento di due atomi di idrogeno, uno dei quali sotto forma di H mentre l'altro sotto forma di H , da un substrato donatore ad un substrato accettore;
• ossigenasi, enzimi in grado di ossidare un substrato trasferendo su di esso ossigeno;
• perossidasi, enzimi che catalizzano la trasformazione di perossidi organici che fungono da accettori di elettroni.

Le ossidoriduttasi svolgono un ruolo importante nel metabolismo sia aerobico che anaerobico ed intervengono in molti processi tra cui la glicolisi, il ciclo di Krebs, la...

La fosforilazione ossidativa ed il metabolismo degli amminoacidi.

Un ruolo fondamentale dei sistemi biochimici che avvengono all'interno della cellula batterica lo hanno molecole come l'ATP. L'adenosina trifosfato può essere definita come la valuta energetica della cellula, vale a dire lo strumento attraverso cui la cellula stessa realizza tutti i processi che necessitano energia (endoergonici) ed è prodotta da reazioni che la liberano (esoergonici). È una molecola intermedia tra i composti donatori/accettori di gruppi fosfato. La reazione da ADP ad ATP (endoergonica) e quella opposta da ATP ad ADP (esoergonica) avvengono continuamente nei diversi ambienti cellulari.

Tutti i processi metabolici cooperano tra di loro affinché si producano dalle 36 alle 38 molecole di ATP finali.

IL METABOLISMO DEL GLUCOSIO

Tra le molecole organiche presenti nella biosfera, il glucosio è sicuramente il più comune ed è di fatto metabolizzato da tutte

le cellule eucariotiche e gran parte di quelle procariotiche. Il glucosio viene degradato per produzione di energia o di altri substrati intermedi utilizzabili. I batteri utilizzano 3 vie metaboliche principali per il catabolismo del glucosio: - glicolisi; - ciclo di Krebs; - via fermentativa (fermentazione). LA GLICOLISI La prima fase della demolizione del glucosio risulta essere la glicolisi o via di Embden-Meyerhof-Parnas (i nomi dei principali scopritori), un processo citoplasmatico in cui una molecola di glucosio (6 C) viene parzialmente ossidata e degradata a due molecole di acido piruvico o piruvato (3 C) attraverso reazioni sequenziali rese possibili dall'intervento di enzimi. Nel corso della glicolisi si ha il trasferimento di una modesta quantità di energia chimica dal glucosio ad ATP ed una parziale ossidazione di glucosio mediante la riduzione di due molecole di NAD ad NADH. In sintesi, si assiste ad una produzione di ATP mediante fosforilazione a livello del substrato,

Unaproduzione di quattro molecole di ATP e due di NADH, l'utilizzo di due molecole di ATP nelle fasi iniziali, la dissipazione dell'energia associata all'NADH sotto forma di calore e ad una resa energetica netta pari a due molecole di ATP ed altrettante di NADH.

La fosforilazione a livello del substrato è una reazione chimica in cui si produce una molecola di ATP, trasferendo direttamente un gruppo fosfato da una molecola ad alta energia - come il fosfoenolpiruvato - ad una molecola di ADP. Questa quantità di ADP risulta essere fondamentale e sufficiente per la crescita microbica.

Relativamente alla respirazione batterica ed al loro fabbisogno, i microrganismi in questione si dividono in:

• aerobi obbligati, che utilizzano solo l'ossigeno;
• anaerobi obbligati, che non possono utilizzare l'ossigeno (dannoso e nocivo per la crescita);
• anaerobi facoltativi, che utilizzano l'azoto oppure, in presenza di ossigeno,

utilizzano quest'ultimo come accettore della catena respiratoria. La respirazione aerobia che avviene negli aerobi obbligati e negli anaerobi facoltativi è un meccanismo che accoppia l'ossidazione di un composto organico o inorganico, che funge da donatore di protoni ed elettroni, alla riduzione dell'ossigeno molecolare, che rappresenta l'accettore finale di protoni ed elettroni. Anche se meno efficiente di quella aerobia da un punto di vista energetico, la respirazione anaerobia permette ai batteri di effettuare tale processo in assenza di ossigeno. I composti inorganici nell'azoto sono tra i più comuni accettori di elettroni nella respirazione anaerobia. IL CICLO DI KREBS Una delle vie principali in cui il piruvato viene completamente ossidato è il ciclo di Krebs, denominato anche ciclo dell'acido citrico o ciclo degli acidi tricarbossilici. Esso viene sfruttato da tutti gli organismi aerobi per generare energia attraversol’ossidazione di molecole di acetil-coenzima A, proveniente dallo smaltimento di carboidrati, grassi e proteine, per liberare anidridecarbonica. Il ciclo avviene nel citoplasma delle cellule batteriche. Inizia con la decarbossilazione del piruvato, con formazione di una molecola di NADH e di acetil-coenzima A (composto a due atomi di carbonio). L'acetil-coenzima A si condensa con l'ossalacetato (composto a quattro atomi di carbonio) conformazione di acido citrico (acido organico a sei atomi di carbonio). Attraverso una serie di ossidazioni e trasformazioni, il citrato viene riconvertito in ossalacetato, che può funzionare nuovamente come accettore di acetile, completando così il ciclo. LA RESPIRAZIONE Il processo per cui un composto è ossidato usando O come accettore di elettroni esterno è chiamato respirazione aerobia. Perfino questo si tratta di un processo di ossidoriduzione, nel quale l'ossigeno è proprio l'accettore finale.causa dell'alto potenziale di riduzione dell'ossigeno, quando questo risulta impiegato come accettore di elettroni, viene rilasciata un'elevata quantità di energia disponibile. La respirazione aerobia è un processo che coinvolge sistemi di trasporto, composti da trasportatori associati alla membrana che hanno due principali funzioni: - ricevere gli elettroni da un donatore e trasferirli ad un accettore; - conservare una certa quantità di energia, rilasciata durante il trasferimento degli elettroni per la sintesi di ATP. Nel trasporto sono coinvolti vari tipi di enzimi di ossidoriduzione, disposti secondo un gradiente di potenziale redox da negativo a positivo, a costituire la catena di trasporto di elettroni: - NADH deidrogenasi; - trasportatori di elettroni contenenti riboflavina, ossia le flavoproteine; - proteine ferro-zolfo; - citocromi, ossia proteine che contengono un anello di ferro-porfirina, chiamato eme; - trasportatori di elettroni non proteici.ella concentrazione elettrica e chimica. Questo movimento di protoni genera un flusso di energia che viene utilizzato dall'enzima ATP sintasi per sintetizzare ATP. Durante la respirazione cellulare, i protoni vengono pompati dalla matrice mitocondriale verso lo spazio intermembrana, creando un gradiente elettrochimico. Questo gradiente viene utilizzato dall'ATP sintasi per sintetizzare ATP. Nella fotosintesi, i protoni vengono pompati dallo stroma verso lo spazio intramembrana dei cloroplasti, creando un gradiente elettrochimico. Anche in questo caso, l'ATP sintasi utilizza il gradiente per sintetizzare ATP. La chemiosmosi è un processo fondamentale per la produzione di energia nelle cellule. Grazie a questo meccanismo, le cellule sono in grado di generare ATP, la principale fonte di energia utilizzata per svolgere le loro funzioni vitali.