Microbiologia generale

CHEMIOLITOTROFI

Accettore inorganico o ossigeno - chemiolitotrofia. ORGANISMI CHEMIORGANOTROFI Sia l'energia che il carbonio organico necessario per costruire nuove cellule derivano dall'ossidazione di composti organici. Possono sfruttare molecole organiche di diversa natura: zuccheri, proteine, polisaccaridi, acidi nucleici.

I prodotti del catabolismo dei chemiorganotrofi sono: ATP (fosforilazione a livello del substrato), forza proton-motrice (nella respirazione), energia potenziale (NADH, FADH) e 13 precursori metabolici, che vengono sfruttati dalla cellula per costruire molecole organiche semplici (monomeri) per poi dare origine alle 4 macromolecole.

GLICOLISI Il primo processo a cui vanno in contro gli zuccheri quando raggiungono il citoplasma è la GLICOLISI. È una fase comune per chi fermenta e per chi respira, ma il destino del piruvato è differente: nel caso di fermentazione il piruvato viene convertito in prodotti di fermentazione, mentre nella

di alimentare la catena respiratoria per la produzione di energia. - La via del Pentoso Fosfato è importante per la produzione di pentosi, che sono fondamentali per la sintesi degli acidi nucleici. Questa via avviene contemporaneamente alla glicolisi e produce anche NADPH, un coenzima coinvolto in diverse reazioni di riduzione. - La via di Entner-Doudoroff è una via alternativa alla glicolisi che si trova solo in alcuni batteri. Questa via produce anche acido piruvico, ma non genera ATP come la glicolisi. In conclusione, la respirazione cellulare è un processo complesso che coinvolge diverse vie metaboliche per convertire il glucosio in acido piruvico e produrre energia.di cedere gli idrogeni a composti differenti a seconda della fermentazione o della respirazione. La via del Pentoso Fosfato consente di produrre pentosi e spesso avviene in contemporanea alla glicolisi poiché è fondamentale per le biosintesi. Anch'essa avviene sia in aerobiosi che in anaerobiosi e può essere coinvolta sia nel catabolismo che nell'anabolismo. Si generano pentosi poiché avviene una decarbossilazione ossidativa (viene eliminata CO2). La via di Entner-Doudoroff genera, partendo da glucosio, acido piruvico e altri composti tra cui ATP e NADH. Nella via pentoso fosfato e Enter-Doudoroff ci si riconnette al ciclo glicolitico. Qua il destino del Piruvato è diverso. I microrganismi sono caratterizzati da una grande versatilità metabolica, sia tra le varie specie sia all'interno della stessa specie o ceppo. Ad esempio E. coli, dopo la conversione del glucosio ad acido piruvico, può produrre l'energia.

perfermentazione o respirazione, utilizzando l'O2 come accettore finale (respirazione aerobia) o utilizzando undiverso accettore terminale (respirazione anaerobia).

Le differenze tra fermentazione e respirazione sono: l'accettore, meno energia liberata nellafermentazione, nella fermentazione l'ossidazione dello zucchero (substrato) non è completa (es. acidolattico), mentre l'ossidazione del substrato nella respirazione è completa (in CO2), nella fermentazionel'ATP viene prodotto solo nella glicolisi (fosforilazione a livello del substrato), mentre nella respirazione,oltre alla glicolisi (fosforilazione a livello del substrato), l'ATP viene prodotto anche mediante fosforilazioneossidativa.

Il destino del Piruvato può essere convertito in prodotti di fermentazione oppure può essere ossidatocompletamente in CO2 (nel ciclo di Krebs). Tutto il NADH che circola nel citoplasma liberato dalla glicolisi edal ciclo di Krebs va alla membrana.

Dove si forma forza proton-motrice, gli H+ possono rientrare e fare fosforilazione ossidativa.

FERMENTAZIONE

Durante la fermentazione il piruvato, prodotto dalla glicolisi, diventa accettore di elettroni. Viene ridotto e comporta la produzione dei prodotti finali della fermentazione.

Ci sono diversi tipi di fermentazione a seconda dei batteri che intervengono:

Il piruvato si può, ad esempio, decarbossilare formando acetaldeide (liberando CO2) dove interviene il NADH per formare etanolo.

Una tappa fondamentale (anche nella respirazione) è la riossidazione del NADH a NAD+ in modo che riparta il ciclo glicolitico. Mentre la riossidazione del NADH nei microrganismi che respirano avviene per cessione degli ioni idrogeno alla catena di trasporto, nei microrganismi che fermentano che non hanno catena di trasporto degli elettroni la riossidazione del NADH avviene a spese di un intermedio metabolico (piruvato o composto a valle del piruvato). (incompleta ossidazione del substrato)

(Lezione 12)

1. ferm. Lattica (Streptococcus , Lactobacillus) (desiderata)
2. ferm. Alcolica (lieviti + alcuni batteri) (desiderata)
3. ferm. Mista (> parte Enterobatteriaceae)
4. ferm. Butandiolica (Enterobacter)
5. Ferm. Butirrica (Clostridium)
6. Ferm. Propionica (Propionici)

La fermentazione Lattica porta il piruvato ad essere accettore di elettroni per la riossidazione del NADH riducendosi così a lattato. La resa energetica è quella della glicolisi (2ATP). Può essere omo o eterolattica. Nella via omolattica si ha la formazione di solo acido lattico, mentre nella via eterolattica si forma, oltre all'acido lattico, etanolo (o acido acetico) e CO2.

Gli eterofermentanti (batteri nella via eterolattica) non usano in genere la glicolisi (come gli omofermentanti), ma utilizzano delle vie alternative di catabolizzazione del glucosio, come la via dei pentoso-fosfati).

Fermentazione alcolica: l'enzima-chiave di questa fermentazione è la

piruvato decarbossilasi (vienetrasformato il piruvato in acetaldeide). E l'acetaldeide viene convertita in alcol etilico. Le fermentazioni operata da batteri enterici (fermentazione acido-mista e butandiolica) sono indesiderate negli alimenti. I batteri enterici sono Gram- che possono essere tassonomicamente distinti in base al tipo di fermentazione che compiono: Nella fermentazione acido-mista vengono prodotti tre acidi in quantità elevate (acido acetico, acido lattico, acido succinico), etanolo, CO₂, H₂ ma NON viene prodotto butandiolo. Nella fermentazione butandiolica i prodotti principali sono butandiolo, etanolo, CO₂ (responsabile di bombaggio della confezione, nel formaggio di occhiature), H₂. Anche la fermentazione butirrica (o acetone butilica) è indesiderata negli alimenti. Questa fermentazione porta principalmente alla produzione di acido butirrico, CO₂ e H₂. A seconda del pH si può produrre anche butanolo e acetone. Con pH superiori a 4 si produce acido butirrico.se il pH scende prevale la produzione dibutanolo e acetone. Il genere Clostridium compie queste fermentazioni. Fermentazione propionica: I batteri propionici sono stati isolati per la prima volta dal formaggio Emmenthal dove la Co2, derivante dalla loro attività fermentativa, produce i caratteristici buchi. L'acidopropionico è poi responsabile del sapore caratteristico di questo formaggio. I batteri propionici possono fermentare carboidrati, ma anche acido lattico per dare origine a acidopropionico, acido acetico e CO2. Le fermentazioni sono di solito a carico degli zuccheri, ma possono essere fermentati anche alcuni acidi (lattico, citrico, acetico, malico), ma anche degli amminoacidi (reazione di Stickland) dove i prodotti sono sempre NH3, CO2 ed un acido carbossilico. RESPIRAZIONE - Aerobia (accettore finale: ossigeno): processo attraverso il quale il piruvato prodotto dalla glicolisi viene completamente ossidato a CO2. Esistono due vie biochimiche nella respirazione.

aerobia checoinvolgono:

• Degradazione completa del carbonio in CO2.
• Gli elettroni vanno all'accettore terminale (nella aerobia è l'ossigeno).

I 3 stadi della respirazione aerobia sono:

1. Glicolisi (da glucosio a due molecole di acido piruvico);
2. Ciclo degli acidi tricarbossilici (o ciclo di Krebs o TCA): il piruvato viene ossidato completamente a CO2 con una resa energetica;
3. Fosforilazione ossidativa: conversione di gradiente protonico in ATP.

I prodotti della respirazione aerobia sono: CO2 (dal ciclo di Krebs), ATP (generato in tutti e 3 i processi) e Acqua (l'ossigeno nel citoplasma acquisisce tutti gli elettroni che vengono rimossi dal substrato).

Prima del TCA: L'acido piruvico viene convertito (ossidato) a CO2 e acetil-CoA che diventa il substrato del CICLO DI KREBS (acidi tricarbossilici). Il TCA comincia quando un composto a 2 atomi di carbonio, l'acetil-CoA (formato dal piruvato) si condensa con il composto a 4 atomi di carbonio, l'acido ossalacetico.

Per formare il composto citrato, a 6 atomi di carbonio. Attraverso una serie diossidazioni e trasformazioni questo composto viene poi riconvertito in ossalacetato e rinizia il ciclo.

Resa energetica: Per ogni molecola di piruvato ossidata a CO2 si producono: 3NADH che possono generare 9ATP, 1NADPH che genera 3ATP, 1FADH2 che genera 2ATP e 1GTP equivalente ad 1ATP. Con un totale di 15 ATP. Per ogni molecola di glucosio ossidata si producono quindi 15x2=30 ATP, +2ATP dalla glicolisi, +2NADH glicolisi (6ATP)= totale 38 ATP.

- Il ciclo di Krebs non usa ossigeno, che è invece utilizzato nella fosforilazione ossidativa.

- Il ciclo di Krebs è una via metabolica anfibolica, poiché partecipa sia a processi catabolici che anabolici. Il ciclo fornisce infatti molti precursori per la produzione di amminoacidi e altre molecole fondamentali.

- Esistono reazioni anaplerotiche che sono quell'insieme di reazioni che servono per rifornire il Ciclo di Krebs dagli intermedi sottratti per

la sintesi di vari composti. Sulla catena di trasporto: gli idrogeni liberati dai processi catabolici, in seguito all'ossidazione dellasostanza organica, vengono acquistati temporaneamente dai coenzimi e adesso secondo le leggidella termodinamica fluiranno lungo una catena di trasportatori aventi potenziale di riduzionesempre più positivo fino all'ossigeno che in qualità di accettore terminale verrà ridotto ad H2O. TRASPORTO DEGLI ELETTRONI: I sistemi di trasporto degli elettroni sono composti da trasportatoriassociati alla membrana che hanno la funzione di: accettare gli elettroni da un donatore e trasferirliad un accettore e conservare una certa quantità di energia rilasciata durante il trasferimento dielettroni per la sintesi di ATP. I trasportatori possono essere proteici (NADH deidrogenasi, Flavoproteine, Proteine ferro-zolfo,Citocromi) o non proteici (Chinoni). Abbiamo due classi di trasportatori: - Flavoproteine e Chinoni (Q): accettori diidrogeni (elettroni e proto)