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TEMPERATURA

La temperatura influenza i microrganismi in due modi opposti: quando aumenta, le reazioni chimiche ed

enzimatiche nella cellula procedono a velocità maggiore e la crescita è più veloce; tuttavia al di sopra di

certe temperature le proteine possono degradarsi.

Per ogni microrganismo esistono tre temperature cardinali: una

temperatura minima (sotto la quale la crescita non è possibile), una

temperatura ottimale (alla quale la crescita è molto rapida), una

temperatura massima (oltre la quale non c’è crescita).

In base alla temperatura i microrganismi si dividono in:

➢ PSICROFILI: basse temperature ottimali

➢ MESOFILI: medie temperature ottimali (E.Coli)

➢ TERMOFILI: alte temperature ottimali

➢ IPERTERMOFILI: altissime temperature ottimali

CONCENTRAZIONE DI OSSIGENO

L’ossigeno è necessario per la respirazione cellulare aerobica, il metodo usato da molti microrganismi e da

tutti gli organismi superiori per la produzione di energia metabolica. Alcuni microrganismi possono

produrre energia anche con metodi alternativi quali la respirazione anaerobica (dove l’ossigeno può essere

trasformato in prodotti tossici e di conseguenza hanno bisogno di altre molecole ossidanti ad esempio

NO ), oppure la fermentazione.

3

L’ossigeno può essere una molecola tossica perché può dare vita a ROS (Reactive Oxygen Species, che sono

2- -

O , H O , e OH ). Gli organismi producono enzimi di difesa contro le ROS quali il superossido dismutasi (che

2 2 2-

elimina l’elettrone in eccesso dello ione superossido O ) e la catalasi (che rompe la molecola di acqua

ossigenata H O in H e O .

2 2 2 2

ELEMENTI ESSENZIALI

Gli elementi essenziali per la crescita della cellula sono necessari alla:

o PRODUZIONE DI ENERGIA della cellula (generalmente fonte di carbonio)

o ANABOLISMO (sintesi di macromolecole)

o ATTIVITA’ ENZIMATICA E PROCESSI CELLULARI

Un terreno di coltura deve contenere tutti gli elementi base che costituiscono una cellula

"MACRO" Composto Q

Tra questi elementi, la fonte di carbonio può essere variabile per le Elementi

diverse classi nutrizionali dei procarioti. ...

C NH Cl 1 g

N 4

K HPO 1 g

P 2 4

MgSO 50 mg

S 4

FeSO 2 mg

4

CaCl 10 mg

2

Mn, Mo, Cu, Co, Zn … tracce

(come sali inorganici)

H O 1 l

2

H

O

TERRENI DI COLTURA

In base allo STATO FISICO

➢ TERRENI LIQUIDI: componenti disciolti in acqua e sterilizzati

➢ TERRENI SOLIDI: soliti o solidificati tramite l’uso di un gel

In base alla COMPOSIZIONE CHIMICA

➢ TERRENI MINIMI: contengono elementi essenziali per la crescita dei soli batteri autotrofi (un’unica

fonte di C)

➢ TERRENI COMPLETI: contengono elementi essenziali più alcune sostanze aggiunte (più fonti di

carbonio)

➢ TERRENI SINTETICI: è nota la formulazione chimica di ogni componente presente e necessaria al

batterio

➢ TERRENI COMPLESSI: è ignota l’esatta formulazione chimica delle sostanze nutritive

In base alla FUNZIONE

➢ TERRENI SELETTIVI: contengono sostanze batteriostatiche (sali biliari, tellurito di K, NaCl, azide

sodica, cetrimide, cristalvioletto) a concentrazione nota che inibiscono o rallentano lo sviluppo di

molte specie microbiche, ma non di altre. Utilizzati per l’isolamento di specifici microrganismi da

campioni altamente contaminati.

ESEMPI DI TERRENI SELETTIVI

▪ Prototrofi/Auxotrofi (aggiunta di un’unica fonte di carbonio fa da selezione per prototrofi)

▪ Ph/salinità

▪ Aerobiosi/Anaerobiosi

▪ Gram positivi/Gram negativi (aggiunta di antibiotici o altri composti;

per selezionare G- si aggiungono Sali biliari o antibiotici, come la vancomicina, attivi sui G+;

per selezionare G+ si aggiungono acido nalixidico o polimixina)

I batteri si dividono poi in:

➢ PROTOTROFI: microrganismi che crescono su un terreno minimo (con un’unica fonte di C), senza

richiesta di sostanze organiche aggiunte.

➢ AUXOTROFI: microrganismi che perdono la capacità di sintetizzare un nutriente essenziale per la

loro crescita, essendo così costretti ad assumere il nutriente o un suo precursore dall'ambiente

circostante. ANTIBIOTICI

CONTROLLO DELLA CRESCITA CON ANTIBIOTICI

Se si aggiunge un antimicrobico ad una coltura batterica in crescita esponenziale si potranno avere tre

effetti:

➢ BATTERIOSTATICO: inibisce la crescita delle cellule batteriche senza tuttavia ucciderle. Agiscono

inibendo la sintesi proteica nell'organismo bersaglio, perciò la conta delle cellule rimane costante.

Se il batteriostatico viene rimosso, o comunque la sua concentrazione diminuisce, la crescita

batterica riprende.

➢ BATTERICIDA: determina la morte delle cellule del microorganismo, senza causarne tuttavia la lisi.

Sono sostanze che si legano irreversibilmente a dei componenti cellulari, e non vengono rimosse

con la diluizione, perciò la conta delle cellule totali rimane costante mentre la conta delle cellule

vitali scende.

➢ BATTERIOLITICO: determina la morte delle cellule microbiche causandone anche la lisi. Agiscono

inibendo la sintesi della parete cellulare o danneggiando la membrana plasmatica, perciò la conta

delle cellule totali diminuisce di pari passo con quella delle cellule vitali.

MECCANISMO D’AZIONE DEGLI ANTIBIOTICI

Generalmente gli antibiotici sono antimetaboliti, ossia inibitori di sintesi macromolecolari, essi agiscono

attuando:

1) Inibizione della sintesi della parete cellulare

2) Apertura della membrana plasmatica

3) Inibizione della sintesi proteica

4) Inibizione della sintesi degli acidi nucleici

5) Inibizione della sintesi dei metaboliti essenziali

RESISTENZA AGLI ANTIBIOTICI

o Impossibilità per l’antibiotico di entrare nella cellula a causa di una RESISTENZA INTRINSECA, ovvero

l’impermeabilità intrinseca di un batterio (es. membrana esterna dei Gram-) oppure per una

RESISTENZA ACQUISITA, ovvero mutazioni che riducono l’entrata tramite trasporto attivo

o POMPE DI EFFLUSSO, ossia trasportatori di membrana che espellono l’antibiotico (es. resistenza

alle tetracicline)

o INATTIVAZIONE DELL’ANTIBIOTICO, tramite i meccanismi di degradazione enzimatica o

inattivazione chimica della cellula batterica

o MUTAZIONI DELLA PROTEINA BERSAGLIO

o IPERPRODUZIONE DELLA PROTEINA BERSAGLIO

POMPE DI

EFFLUSSO

INATTIVAZIONE

DELL’ANTIBIOTICO IPERPRODUZIONE DELLA PROTEINA BERSAGLIO

MUTAZIONE DELLA PROTEINA

BERSAGLIO

TIPI DI ANTIBIOTICI

ANTIBIOTICI AMINOGLICOSIDICI (es. Streptomicina)

Gli amminoglicosidi sono una classe di antibiotici battericidi formati da un gruppo glicosidico ed uno

amminico. Essi esercitano la loro funzione legandosi a proteine specifiche della subunità 30S del ribosoma,

inibendo la sintesi proteica del batterio in almeno tre modi:

- blocco della formazione del complesso ribosoma-RNA messaggero;

- induzione di errori nella lettura del messaggero stesso, con l'incorporazione di amminoacidi errati

provocando la sintesi di proteine anormali e/o non funzionali;

- impedimento della traslocazione del peptidil-tRNA dal sito A al sito P del ribosoma

ANTIBIOTICI BETA LATTAMICI (es. Penicillina)

I β-lattamici sono una classe di antibiotici che impediscono la sintesi della parete cellulare dei batteri,

inibendo la transpeptidasi, un enzima responsabile della formazione dei legami crociati, che si formano per

rafforzare la struttura del peptidoglicano, componente essenziale di tali pareti.

ANTIBIOTICI GLICOPEPTIDICI (es. Vancomicina)

I glicopeptidi sono una classe di composti organici caratterizzati da un carboidrato legato ad un peptide. La

vancomicina nello specifico lega il dipeptide D-ala-D-ala, dunque blocca la transpeptidasi, interferendo con

la polimerizzazione del peptidoglicano, costituente fondamentale della parete batterica.

Si usano contro cocchi e bacilli Gram positivi, in quanto i Gram negativi sono naturalmente resistenti: i

glicopeptidi sono molecole di elevato peso molecolare, dunque non possono attraversare la membrana

cellulare esterna dei Gram negativi.

Vancomicina

BIOFILM = comunità ben strutturata di batteri e cellule eucariotiche (=comunità multispecie) racchiuse in

una matrice polimerica (=pellicola/film che copre le comunità limitando gli scambi tra gli ambienti) prodotta

dalle cellule stesse, e che cresce su superfici (inerti o biologiche), soprattutto all’interfaccia con una fase

liquida.

FORMAZIONE ADESIONE COLONIZZAZIONE MATURAZIONE

Interazioni fisico- Pili “Capsula” o EPS

Polisaccaridi (alginato) Meccanismi di

chimiche (idrofobicità,

carica elettrica) Fattori di aggregazione segnalazione

cellulare intercellulare e

Flagello

Proteine di membrana (curli, ecc…) interspecie

esterna, parete

cellulare, LPS…..

IMPORTANZA

• Biofilm come fattore di virulenza: infezioni da biofilm più virulente, più tendenti a cronicizzarsi e più

resistenti alle terapie

• Batteri adesi ad una superficie solida o “flocculati” sono utilizzati preferenzialmente in bioreattori

industriali e nella depurazione delle acque di scarico

• I biofilm sono ubiquitari ovvero sono presenti ovunque

METABOLISMO ENERGETICO

PRODUZIONE DI ENERGIA

Per crescere tutti i microrganismi devono conservare una parte dell’energia liberata nelle reazioni che

fanno parte del catabolismo.

La fonte di C può essere variabile per le diverse classi nutrizionali dei procarioti.

**= Per biosintesi molecolari

*= Produzione di ATP

CHEMIORGANOTROFI e CHEMIOLITOTROFI

Gli organismi che ricavano energia da sostanze chimiche sono chiamati chemiotrofi e si differenziano in:

➢ CHEMIORGANOTROFI: organismi che ottengono energia dall’ossidazione dei composti organici, e la

conservano sotto forma di molecola adenosintrifosfato (ATP). Sono chemiorganotrofi la maggior

parte dei microrganismi della flora microbica associata all’uomo e coinvolti nelle attività umane.

Hanno un metabolismo respiratorio o fermentativo e ricavano il carbonio dagli zuccheri.

➢ CHEMIOLITOTROFI: organismi ottengono energia dall’ossidazione di composti inorganici, e la

conservano sotto forma di molecola adenosintrifosfato (ATP).

FORME DI ENERGIA UTILIZZATE DALLE CELLULE

➢ ENERGIA CHIMICA: es. ATP

ATP ADP + Pi + Energia

“Moneta corrente” dell’energia cellulare (utilizzata per alcune reazioni enzimatiche e per i processi

di biosintesi). Il suo livello energetico è “intermedio” (può quindi essere “caricata” a partire da

substrati con più alto livello di energia)

➢ ENERGIA ELETTRICA

Deriva dal trasferimento di elettroni in reazioni di ossido-riduzione catalizzate da enzimi specifici.

Importanti alcuni “trasportatori di elettroni” come NAD+, FAD, etc.

Le due forme di energia sono convertibili

TRASPORTATORI DI ELETTRONI

Nelle cellule microbiche le reazioni redox sono mediate da piccole molecole, una di queste è il COENZIMA

NICOTINAMMIDE ADENINA DINUCLEOTIDE (NAD+), che nella sua forma ridotta si scrive NADH. Il

- +

NAD+/NADH è un contemporaneo trasportatore di elettroni (2e ) e protoni (2H ), ha un potenziale di -0,32

V quindi NADH è un buon donatore di elettroni mentre NAD+ è un accettore di elettroni piuttosto debole.

Coenzimi come questo aumentano la diversità delle reazioni redox in quanto, agendo come intermediari,

permettono a donatori e accettori di elettroni chimicamente dissimili di interagire: gli elettroni rimossi da

un donatore riducono il NAD+ (forma ossidata) che si trasforma in NADH (forma ridotta), il quale può

essere ossidato nuovamente a NAD+ donando gli elettroni ad un accettore.

COMPOSTI AD ALTA ENERGIA

L’energia liberata dalle reazioni redox per poter essere riutilizzata deve essere conservata dalla cellula, e

questo avviene sotto forma di composti fosforilati ad alta energia, chiamati così poiché contengono

l’energia libera rilasciata in seguito alla rimozione del fosfato (idrolisi).

Il più importante composto fosforilato è l’ADENOSIN

TRIFOSFATO (ATP), una molecola costituita dal ribonucleoside

adenosina a cui sono legate tre molecole di fosfato.

È possibile però che le cellule utilizzino anche un tipo di

energia libera che deriva dall’idrolisi di composti diversi dai

fosforilati, e alcuni di questi sono i derivati del COENZIMA A

(es. acetil-CoA). Durante l’idrolisi questi composti

sviluppano energia libera sufficiente per sostenere la sintesi

di un legame fosfato ad alta energia.

FERMENTAZIONE

La fermentazione, che rappresenta il meccanismo più semplice, si può definire come un processo

metabolico energetico nel quale i composti organici svolgono la duplice funzione di donatori e di accettori di

elettroni. I composti che adempiono a queste due funzioni sono in generale due differenti metaboliti,

prodotti da un substrato fermentabile (ad esempio uno zucchero, ma i batteri possono anche fermentare

gli acidi organici, gli aminoacidi, le purine e le pirimidine).

In questo processo l'ATP è il più importante contributo energetico e la sua formazione avviene per

trasferimento all' ADP di gruppi fosforici ad alto contenuto energetico, a partire da intermedi fosforilati che

si formano durante la degradazione del substrato. Questo tipo di sintesi dell'ATP è detta fosforilazione a

livello del substrato.

Tutte le fermentazioni avvengono in condizioni strettamente anaerobiche. C'è da notare che, di regola, gli

organismi anaerobi facoltativi esposti all'aria cambiano il loro tipo di metabolismo energetico in quanto la

presenza di ossigeno molecolare provoca il passaggio dalla fermentazione alla respirazione. Una eccezione

a questa regola è rappresentata dai batteri lattici (anaerobi ossigeno tolleranti) per i quali l'ossigeno non

provoca alcuna modificazione di tipo catabolico e la fermentazione continua anche quando la crescita

avviene in presenza di aria.

GLICOLISI

Una via biochimica universale per il catabolismo del glucosio è la glicolisi, che scinde il glucosio a piruvato.

La glicolisi è anche detta via di Embden-Meyerhof-Parnas (dai nomi dei suoi principali scopritori).

La glicolisi è un processo che si ritrova sia nella fermentazione e sia nella respirazione.

La fermentazione del glucosio attraverso la glicolisi può essere divisa in tre stadi di reazioni enzimatiche.

STADIO 1: reazioni di preparazione

- Glucosio viene fosforilato (ovvero viene aggiunto un gruppo fosfato derivante da ATP che si

trasforma quindi in ADP) diventando glucosio 6-fosfato

- Glucosio 6-fosfato viene isomerizzato a fruttosio 6-fosfato

- Fruttosio 6-fosfato viene fosforilato diventando futtosio 1,6-difosfato

- Fruttosio 1,6-difosfato viene scisso dall’enzima aldolasi in due molecole: gliceraldeide 3-fosfato e

diidrossiacetone fosfato, convertito poi anch’esso in gliceraldeide 3-fosfato

**fino qui tutte le reazioni si svolgono senza ossido-riduzioni, alla fine di questa prima fase avremo due

molecole di gliceraldeide 3-fosfato**

STADIO 2: reazioni redox, produzione di NADH, ATP e piruvato

- Gliceraldeide 3-fosfato viene ossidata tramite l’enzima 3-fosfato deidrogenasi, che riduce il suo

coenzima NAD+ in NADH favorendo al contempo la fosforilazione della gliceraldeide 3-fosfato, che

diventa acido 1,3-difosfoglicerato

- Acido 1,3-difosfoglicerato viene defosforilato (ovvero privato di un fosfato, utile all’ADP per

trasformarsi in ATP) e diviene acido 3-fosfoglicerato

- Acido 3-fosfoglicerato subisce uno spostamento di posizione del fosfato diventando

fosfoenolpiruvato

- Fosfoenolpiruvato viene defosforilato ulteriormente e diviene piruvato

** questa seconda fase descritta è da considerarsi valida per 2 molecole. Durante queste prime due fasi

vengono infatti consumate 2 ATP e vengono sintetizzate 4 ATP. Quindi il guadagno netto di energia nella

glicolisi è di 2 ATP per ogni molecola di glucosio fermentata**

STADIO 3: bilancio redox e prodotti

Durante il primo passaggio del secondo step (ovvero l’ossidazione di due molecole di gliceraldeide 3-

fosfato) vengono ridotte due molecole di NAD+ a NADH. Essendo questo solo un trasportatore di elettroni e

non un accettore finale allora dovrà essere riossidato per permettere un nuovo ciclo di glicolisi. Ciò avviene

quando il piruvato viene ridotto dal NADH ai prodotti della fermentazione:

- Fermentazione alcolica: piruvato è ridotto a etanolo, con produzione di CO 2

- Fermentazione lattica: piruvato è ridotto a lattato

**possono esserci vari destini per il piruvato, ma il risultato è sempre lo stesso, ovvero che il NADH viene

riossidato al NAD+ per permettere alle nuove reazioni di avvenire** STADIO 2

STADIO 1 STADIO 3

VIA DI ENTNER-DOUDOROFF

È una via fermentativa alternativa alla via glicolitica, è tipica dei batteri aerobi-obbligati (ad esempio alcune

specie appartenenti al genere Pseudomonas) che sono privi di un enzima fondamentale del processo

glicolitico, la fosfofruttochinasi (che porta formazione del fruttosio 1-6 difosfato).

Perciò in questa via il glucosio viene ossidato a chetodeossifosfogluconato (e non a fruttosio 1-6 difosfato),

a sua volta questa molecola viene scissa dall’enzima chiave chetodeossifosfogluconato-aldolasi, in due

molecole più piccole: l’acido piruvico e la gliceraldeide 3-fosfato. A partire dalla 3P-gliceraldeide, con le

stesse modalità della glicolisi, si arriva alla formazione di acido piruvico.

Poiché il piruvato è formato direttamente nella via di Entner-Doudoroff e non può produrre ATP come fa la

gliceraldeide 3-fosfato allora questa via metabolica produce solo la metà di ATP rispetto alla via glicolitica.

Gli organismi che utilizzano la via di Entner-Doudoroff condividono quindi questa caratteristica fisiologica

con i batteri lattici; Zymomonas e Pseudomonas rappresentano i generi principali che utilizzano tale via.

FERMENTAZIONE ACIDO-MISTA

È una fermentazione tipica di enterobatteri, nella quale dal glucosio si formano una serie di prodotti tra i

quali: acidi organici (acetico, lattico e succinico e formico), etanolo, CO e H .

2 2

I batteri che utilizzano le fermentazioni acido-miste, come Escherichia coli, si servono della via glicolitica e i

prodotti si formano tutti in uguale quantità; ma vi sono anche alcuni tipi di batteri diversi da E.coli che

producono una minore quantità di prodotti acidi, per cui ottengono il bilancio redox necessario nelle

fermentazioni producendo maggiori quantità di prodotti neutri. Un prodotto neutro chiave è il butandiolo,

un alcol a quattro atomi di carbonio che si forma dalla condensazione di due molecole di piruvato . Questi

tipi di batteri producono una quantità maggiore di CO e H rispetto a butandiolo e etanolo.

2 2

FERMENTAZIONE BUTIRRICA RESPIRAZIONE

La respirazione è definita come un processo metabolico in cui le cellule ottengono energia attraverso la

scomposizione di nutrienti in molecole più semplici. L’energia di legame delle fonti energetiche viene

liberata attraverso una serie di reazioni di ossidoriduzione e infine immagazzinata sotto forma di molecole

di ATP.

La respirazione cellulare nei microrganismi può essere di due tipi:

- Respirazione aerobica= processo che prevede l’ossigeno come accettore finale di elettroni durante

la fosforilazione ossidativa, e l’ossidazione completa del glucosio (o altre fonti energetiche) a

molecole di anidride carbonica e acqua

- Respirazione anaerobica= processo che prevede accettori finali di elettroni diversi dall’ossigeno

(come i solfati e i nitrati) e che produce energia limitandosi alla glicolisi, senza la sintesi dell’ATP

derivante dalla fosforilazione ossidativa

Una delle caratteristiche distintive dei processi respiratori è la presenza, nella cellula, di una serie di enzimi

trasportatori che costituiscono la catena respiratoria di trasporto di elettroni. Le fosforilazioni a livello del

substrato agiscono anche nella respirazione ma, a differenza della fermentazione, il transito di elettroni

attraverso la catena respiratoria di trasporto produce una quantità di gran lunga maggiore di ATP. A questo

processo viene dato il nome di fosforilazione ossidativa.

In base all’effetto dell’ossigeno sulla crescita del microrganismo si possono distinguere i batteri in:

- Aerobi obbligati= hanno un tipo di respirazione aerobica, per cui hanno assoluto bisogno di

ossigeno dal quale trarre energia

- Anaerobi obbligati= non crescono in presenza di ossigeno poiché è tossico per loro, per cui

traggono energia da processi quali la fermentazione, la respirazione anaerobica, la fotosintesi o la

metanogenesi

- Aerobi/Anaerobi facoltativi= l’ossigeno non è indispensabile, ma quando è presente viene

utilizzato, perciò in base alla presenza o assenza di ossigeno decidono quale processo attuare

- Anaerobi aerotolleranti= producono energia esclusivamente da processi anaerobici, ma al

contrario degli anaerobi obbligati, la presenza dell’ossigeno non ne inibisce la crescita

In altri termini la principale differenza tra respirazione e fermentazione è nella natura dell’accettore, che è

inorganico e nell’ossidazione del substrato che è completa e di conseguenza libera molta più energia.

Il metabolismo energetico del glucosio è costituito da:

GLICOLISI: Glucosio 2 Piruvato

• In assenza di ossigeno: FERMENTAZIONE

• In presenza di ossigeno: RESPIRAZIONE

o DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA

o CICLO DI KREBS: ossidazione del piruvato a CO2, riducendo i coenzimi NADH e FADH2

o FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA: riossidazione dei coenzimi ridotti e riduzione dell’accettore

terminale di elettroni si accoppiano per formare ATP da ADP e fosforo.

Nella respirazione aerobica la reazione generale del processo respiratorio che interessa il glucosio è:

Glucosio + 6O <———> 6CO + 6H O + energia (ATP)

2 2 2

A tale reazione esoergonica corrisponde una produzione massima di energia utilizzabile di 38 ATP, la resa

energetica si avvicina quindi al 50% (il resto dell’energia viene dissipato come calore).

RESPIRAZIONE AEROBICA (presenza di O )

2

1. DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA

Il piruvato viene ossidato dall’enzima piruvato-deidrogenasi, che rimuove un atomo di carbonio dal

piruvato sotto forma di CO2 e al contempo forma una molecola di NADH ridotto, portando alla

formazione di un gruppo acetile che, legato al coenzima A, forma l’Acetil-CoA.

2. CICLO DI KREBS

I gruppi acetilici delle molecole di

Acetil-CoA vengono trasferite su

una molecola di Ossalacetato, che

tornerà nuovamente disponibile

alla fine del ciclo di 8 reazioni.

Durante il ciclo viene prodotta 1

molecola di ATP, 3 cofattori ridotti

NADH e 1 cofattore ridotto FADH2

(il tutto da moltiplicare per 2 in

quanto sono 2 le molecole

iniziali).

L’acetil-coA può provenire, oltre

che dalla Glicolisi, anche dalla

degradazione dei lipidi o degli

amminoacidi. Diversi intermedi della glicolisi e del ciclo di Krebs costituiscono il

punto di partenza per la biosintesi di amminoacidi e basi azotate.

La catena carboniosa degli amminoacidi infatti proviene da questi

intermedi, mentre il gruppo amminico deriva da alcune forme

organiche di azoto presenti nell’ambiente come l’ammoniaca.

Le basi azotate invece si dividono in purine (adenina e guanina),

che hanno come precursore l’acido iosinico, e pirimidine (timina,

citosina, uracile), che hanno come precursore l’uridilato.

3. FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

L’acetil-CoA è stato completamente ossidato ad anidride carbonica, perciò rimangono solo i

coenzimi ridotti NADH e FADH2. A questo punto il processo si divide in due fasi: in un primo

momento gli elettroni presenti sui coenzimi vengono ceduti ai complessi della catena di trasporto

degli elettroni, i quali sfruttano l’energia degli elettroni per pompare protoni contro gradiente dalla

matrice allo spazio intermembrana. Dopo il passaggio nella catena di trasporto, gli elettroni

riducono una molecola di ossigeno generando acqua. La seconda fase della fosforilazione ossidativa

è quella in cui vengono prodotte molecole di ATP. Il gradiente protonico generato dalla catena di

trasporto degli elettroni viene sfruttato per azionare l’enzima ATP-sintasi, che grazie all’energia dei

protoni in entrata dalla matrice mitocondriale è in grado di far reagire le molecole di ADP con i

gruppi fosfato, creando l’ATP e immagazzinando l’energia meccanica generata dal flusso di protoni

in energia chimica nel legame fosfo-anidridico della molecola di ATP.

TRASPORTATORI DI ELETTRONI DELLA RESPIRAZIONE

Il trasporto di elettroni avviene nelle membrane e vi partecipano diversi enzimi ossido-riduttivi: le

NADH deidrogenasi sono proteine legate alla superficie interna della membrana citoplasmatica.

Esse possiedono un sito attivo che lega il NADH; accetta 2e- + 2H+ quando il NADH è convertito a

NAD+ e poi li cede alle flavoproteine.

Le flavoproteine sono proteine che contengono un derivato della riboflavina (detta anche vitamina

B2, un importante fattore di crescita); la porzione flavinica, che è legata ad una proteina, è un

gruppo prostetico che è ridotto quando accetta atomi di idrogeno e ossidato quando gli elettroni

sono ceduti. Dunque, le flavoproteine accettano 2e- + 2H+ ma donano soltanto elettroni. Nelle

cellule si osservano comunemente due flavine: flavina mononucleotide (FMN) e flavin adenin

dinucleotide (FAD).

I citocromi, invece, sono proteine con gruppi prostetici costituiti di anelli porfirinici contenenti ferro

(eme). Essi subiscono l'ossidazione e la riduzione attraverso la perdita o l'acquisizione di un singolo

elettrone da parte dell'atomo di ferro dell'eme: Citocromo----Fe2+ <------> Citocromo----Fe3+ + e-.

Sono note varie classi di citocromi in base al tipo di eme che contengono, ciascuna indicata con

delle lettere (citocromo a, citocromo b, etc.).

In aggiunta ai citocromi, dove il ferro è legato all'eme, una o più ferro-proteine non-eme sono

presenti nelle catene che trasportano elettroni. Queste proteine contengono gruppi di atomi di

zolfo e di ferro. La ferredossina, una proteina ferro-zolfo comune nei sistemi biologici, ha una

configurazione Fe2S2.

Differenti proteine ferro-zolfo possono funzionare in diversi punti del processo di trasporto degli

elettroni e, come i citocromi, trasportano solamente elettroni.

I chinoni sono, altre sì, molecole altamente idrofobiche coinvolte nel trasporto degli elettroni, e

non contengono proteine. Alcuni chinoni trovati nei batter sono correlati alla vitamina K, un fattore

di crescita degli animali superiori. Come le flavoproteine, funzionano da accettori di 2e- + 2H+ e

cedono soltanto elettroni al trasportatore successivo nella catena.

All'interno della catena di trasporto degli elettroni, oltre ai complessi proteici, ci sono anche

molecole più semplici, come il Coenzima Q: anche chiamato Ubichinone, si trova tra il Complesso I

ed il Complesso III ed ha la funzione di ricevere atomi di idrogeno e donare elettroni al complesso

successivo. Questo infatti è il responsabile della separazione dei protoni (che vengono liberati nella

matrice mitocondriale) dagli elettroni. Il coenzima FADH2, avendo minore energia del NADH, dona

direttamente al Coenzima Q i suoi atomi di idrogeno senza passare per il complesso I.

FORZA PROTON MOTRICE

La forza proton-motrice è la differenza di pH e di potenziale che si genera tra lo spazio

intermembrana mitocondriale e la matrice mitocondriale stessa.

Quando gli elettroni vengono trasportati attraverso la catena mitocondriale di trasporto degli

elettroni, i protoni vengono pompati nello spazio intermembrana, generando una differenza di pH

e di potenziale tra i 2 lati della membrana, per cui i protoni che si trovano nello spazio

intermembrana tendono a rientrare nella matrice secondo il proprio gradiente chemiosmotico ,e lo

fanno attraverso il canale protonico della porzione F0 della ATP sintasi, perchè la membrana

mitocondriale è impermeabile a quasi tutte le specie, che possono passare solo attraverso specifici

carriers (trasportatori).

Ogni qualvolta entra un protone nel canale della F0, si genera una variazione conformazionale per

cui la subunità gamma della porzione F1 della ATP sintasi ruota di 120°, mettendosi in contatto con

una subunità beta della F1, la quale lega ADP e Pi, formando ATP.

Quindi la forza proton motrice è quella forza necessaria a fornire energia per il processo di sintesi di

ATP a partire da Pi (che entra nel mitocondrio mediante un simporto Pi/H+) e ADP(che invece entra

mediante un antiporto ATP/ADP-->per ogni ATP estruso, viene introdotto un ADP)

RESPIRAZIONE ANAEROBICA (assenza di O )

2

I batteri che effettuano la respirazione anaerobica attuano gli stessi meccanismi tipici della respirazione

aerobica ma utilizzano degli accettori finali di elettroni alternativi all’ossigeno, e questo comporta la

produzione di una quantità di energia differente. Infatti, l’energia rilasciata dall’ossidazione di un composto

utilizzando ossigeno come accettore finale di elettroni è molto maggiore rispetto a quella liberata quando

viene utilizzato un accettore alternativo; questo perché la coppia O /H O è quella più elettropositiva, per

2 2

tale motivo la respirazione aerobica è sempre preferita rispetto a quella anaerobica in un organismo in cui

entrambe sono possibili.

Altri accettori di elettroni sono i composti inorganici come NO (nitrato), SO (solfato), CO (anidride

3 4 2

carbonica) che possono essere ridotti (si dice che vengono assimilati) e seguire diversi tipi di metabolismo:

o Metabolismo assimilativo (aerobico) viene ridotta solo la quantità di composto necessaria per

soddisfare i bisogni per la biosintesi, e i prodotti vengono convertiti alla fine in materiale cellulare

sotto forma di macromolecole biologiche.

o Metabolismo dissimilativo (anaerobico) viene ridotta una grande quantità di accettori di

elettroni e i prodotti di riduzione diventano molecole che vengono secrete dalla cellula

nell’ambiente.

Uno dei più comuni accettori alternativi di elettroni utilizzati dagli

3-

anaerobi nel metabolismo dissimilativo è il Nitrato (NO ), che

tramite l’azione di un enzima (la nitrato reduttasi) si riduce a Nitrito

2-

(NO ), e può essere ulteriormente ridotto a ossido nitrico (NO),

ossido nitroso (N O) e azoto molecolare (N ), tramite un processo

2 2

biologico chiamato denitrificazione; essendo poi questi composti dei

gas vengono liberati nell’ambiente.

Vi sono quindi delle differenze tra le vie di trasporto degli elettroni della respirazione aerobica, della

respirazione del nitrato e della denitrificazione.

Si noti che durante le

reazioni di trasporto

degli elettroni, quando

l’accettore è l’ossigeno,

è traslocata una

maggiore quantità di

protoni, poiché

l’ossidasi terminale del

metabolismo aerobico

(cyt o) può trasferire

due protoni.

BILANCIO ENERGETICO RESPIRATORIO COMPLESSIVO

Da 1 glucosio

RESPIRAZIONE ANAEROBICA

GLICOLISI FERMENTAZIONE TOT

2NADH 2NADH 4NADH

2ATP 2ATP 4ATP

RESPIRAZIONE AEROBICA

GLICOLISI OSSIDAZIONE PIRUVATO CICLO DI KREBS FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

2ATP NO 2ATP 24-26 ATP

FONTI ALTERNATIVE DI CARBONIO

I batteri eterotrofi sono in grado di crescere in un terreno di coltura con un’unica fonte di carbonio, che può

essere di varia natura: oltre al solito glucosio, i batteri eterotrofi per crescere possono utilizzare altri

zuccheri, amminoacidi, acidi organici, nucleotidi, acidi grassi e in alcuni casi anche composti aromatici come

fonte di carbonio.

Un esempio è l’N-acetil-glucosammina (monosaccaride modificato, monomero degli zuccheri) che subisce

prima una deacetilazione (da parte della proteina NagA),

e poi una successiva deaminazione/isomerizzazione (da parte della proteina NagB), con successivo ingresso

nella glicolisi.

Molti substrati diversi possono essere fermentati con formazione di acetil-CoA; un esempio è la

fermentazione del piruvato, che si trasforma in acetil-CoA il quale, attraverso l’azione dell’acetil-fosfato e la

produzione di ATP forma l’Aacetato. La reazione libera CO2, un protone e due elettroni. Nella

fermentazione del piruvato gli elettroni possono essere trasferiti tramite feredossina, ossia una proteina

ferro-zolfo in grado di mediare il trasferimento di elettroni.

REAZIONE DI STICKLAND

La reazione di Stickland (detta anche fermentazione di Stickland) costituisce una via biochimica utilizzata da

alcune specie batteriche appartenenti al genere Clostridium per produrre energia in assenza di ossigeno.

Questa via metabolica prevede l'uso combinato di due aminoacidi come substrato di una fermentazione.

Di questi aminoacidi, uno viene usato come donatore di elettroni e viene ossidato, l'altro funziona da

accettore di elettroni e viene ridotto.

La coppia di aminoacidi più utilizzata è alanina-glicina con produzione di acido acetico, anidride carbonica

ed ammoniaca.

alanina + 2glicina + 2H O → 3acetato + CO + 3NH (con produzione di 3 molecole di ATP)

2 2 4

Più in dettaglio:

o Alanina viene ossidata a Pir uvato(con riduzione di una molecola di NAD);

o Piruvato viene decarbossilato e coniugato ad una molecola di Coenzima-A (con riduzione di una

seconda molecola di NAD) producendo acetil-Coenzima-A;

o Acetil-Coenzima-A viene scisso ad Acetil-fosfato e coenzima-A (utilizzando uno ione fosfato);

o Acetil-fosfato viene trasformato in Acetato con produzione di una molecola di ATP.

Due molecole di glicina vengono poi ridotte ad Acetato ed ammoniaca utilizzando le due molecole di NAD

prodotte nell'ossidazione dell'Alanina.

La reazione di Stickland, essendo riconducibile ad un trasferimento di elettroni tra composti organici, viene

di solito ascritta alle fermentazioni, anche se, dal momento che non usa la stessa molecola come donatore

e come accettore di elettroni, non lo sarebbe in senso stretto.

BETA OSSIDAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI

Il catabolismo degli acidi grassi si realizza principalmente attraverso una via ossidativa detta beta-

ossidazione, presente nei mitocondri di tutte le cellule dell’organismo. Attraverso la beta-ossidazione non

vengono prodotte direttamente molecole di ATP ma acetil CoA, FADH2 e NADH, la cui successiva

ossidazione nei mitocondri si accompagna alla produzione di grandi quantità di ATP.

Le caratteristiche della beta-ossidazione sono:

o è intramitocondriale

o consiste in una serie ciclica di reazioni indipendenti

o tutti i suoi intermedi sono legati al coenzima A

o libera frammenti bicarboniosi di acetil CoA entro i mitocondri

o si accompagna alla massiccia riduzione dei coenzimi FAD e

NAD+

Perché possano entrare nella loro via catabolica, gli acidi grassi, dopo

essere stati assorbiti dalle cellule, devono essere attivati ad acil-CoA in

una reazione a due tappe che richiede il consumo di una molecola di

ATP.

All’interno dei mitocondri l’acil CoA subisce una serie ciclica di quattro

reazioni catalizzate che portano al distacco di tanti frammenti

bicarboniosi sotto forma di molecole di acetil CoA (la forma dell’acido

acetico attivata con il CoA) in numero pari alla metà degli atomi di

carbonio dell’acido grasso.

Le quattro reazioni catalizzate della beta-ossidazione sono:

1. Deidrogenazione (=perdita di H con formazione di doppi legami

tra atomi di C) FAD-dipendente

2. Idratazione dell’intermedio insaturo così prodotto

3. Deidrogenazione NAD-dipendente dell’idrossiacil CoA prodotto

4. Scissione della molecola formata con l’intervento di una

molecola di CoA

I prodotti finali di ogni ciclo di reazioni sono una molecola di acetil CoA, una di NADH, una di FADH e una

2

molecola di acido grasso con due atomi di carbonio in meno rispetto alla molecola di partenza.

Quest’ultima subisce un secondo ciclo di reazioni con il distacco di un’altra molecola di acetil CoA, di

coenzimi ridotti e la produzione di un acido grasso accorciato di altri 2 atomi di carbonio. Il ciclo di reazioni

si ripete ancora più volte fino alla completa demolizione dell’acido grasso di partenza

BATTERI ANAEROBI FACOLTATIVI FERMENTATIVI ED EFFETTO CRABTREE (es E.coli)

Questi batteri hanno la capacità di attuare, in base alla presenza o meno di ossigeno, una respirazione

aerobica o anaerobica. In generale la respirazione aerobica è il meccanismo più favorito in quanto viene

prodotta una maggior quantità di energia. In alcuni casi è però possibile che la fermentazione (processo

tipico in condizioni anaerobiche) possa avvenire anche in ambiente aerobico a condizione che vi sia un

surplus di zuccheri ed un conseguente accumulo di piruvato (overflow metabolico).

Questa condizione viene chiamata effetto Crabtree (o repressione da glucosio): è il fenomeno di

diminuzione (in parte o totale) del consumo di ossigeno da parte di alcuni microrganismi fermentanti

facoltativi in seguito al raggiungimento di elevate concentrazioni di glucosio. A concentrazioni molto

elevate di zuccheri viene quindi inibita la respirazione.

Un esempio è il Saccharomyces cerevisiae, lievito unicellulare fermentante facoltativo, il quale entra in

attività fermentativa quando la concentrazione di zuccheri nel substrato supera i 9 g/L, data dalla

repressione catabolica del ciclo di Krebs.

R=respirazione

F=fermentazione

I=inibizione

GLUCONEOGENESI

Il glucosio, oltre ad essere una fonte energetica eccellente, è fondamentale per la biosintesi di altri zuccheri

(es. N-acetilglucosamina, acido muramico) presenti nella capsula, nella parete cellulare e nel

lipopolisaccaride (LPS). Pertanto, in assenza di disponibilità di glucosio dal terreno, questo deve essere

sintetizzato da altri precursori attraverso la gluconeogenesi.

La gluconeogenesi è un processo metabolico mediante il quale, in caso di necessità dovuta ad una carenza

di glucosio nel flusso ematico, un composto viene convertito in glucosio, seguendo sostanzialmente le

tappe inverse delle glicolisi. Permette di produrre glucosio a partire da precursori non saccaridici, quali

piruvato, lattato, glicerolo, etanolo, e amminoacidi.

La tappa iniziale prevede che il piruvato venga prima modificato a ossalacetato e poi malato, e traslocato

dal mitocondrio al citosol. Qui viene formato il fosfoenolpiruvato e poi seguono tutte le tappe tipiche di una

glicolisi inversa.

L'enzima chiave della gluconeogenesi è la fruttosio-1-6-bisfosfatasi (FBPasi). Si tratta di un enzima

allosterico, cioè un enzima dotato di siti allosterici attaccati da molecole chiamate effettori i quali sono in

grado di modificare l'affinità dell'enzima stesso per il suo substrato. In questo caso la FBPasi può essere

attaccata da effetori positivi (come il citrato) i quali provocano l'intensificazione dell'azione enzimatica.

D'altra parte, l'enzima può essere attaccato da effettori negativi (come l'AMP e il fruttosio-2-6-bisfosfato)

che inibiscono l'azione della proteina e, in questo caso specifico, bloccano la via della gluconeogenesi.

Quindi la gluconeogenesi consente la sintesi di glucosio da due molecole di piruvato in un processo

“speculare” a quello della glicolisi, poiché coinvolge anche gli stessi enzimi. Per ogni molecola di glucosio

+

sintetizzata, il processo consuma 4 ATP, ossida 2 NADH a NAD , e non vi è guadagno di ATP in nessuna

reazione. CHEMIOLITOTROFIA

Gli organismi che ricavano energia da sostanze chimiche sono chiamati chemiotrofi e si differenziano in:

➢ CHEMIORGANOTROFI: organismi che ottengono energia dall’ossidazione di composti organici, e la

conservano sotto forma di molecola adenosintrifosfato (ATP). Sono chemiorganotrofi la maggior

parte dei microrganismi della flora microbica associata all’uomo e coinvolti nelle attività umane.

Hanno un metabolismo respiratorio o fermentativo e ricavano il carbonio dagli zuccheri.

➢ CHEMIOLITOTROFI: organismi ottengono energia dall’ossidazione di composti inorganici, e la

conservano sotto forma di molecola adenosintrifosfato (ATP). Il carbonio organico utile per la

sintesi macromolecolare dei litotrofi deriva dalla fissazione della CO2 (due vie metaboliche

alternative: ciclo di Calvin o ciclo dell’acetilCoA); gran parte dei litotrofi sono pertanto anche

autotrofi.

IDROGENO-BATTERI

Gli idrogeno batteri sono dei microrganismi chemiolitotrofi aerobi che utilizzano l’idrogeno molecolare H 2

come donatore di elettroni per il loro metabolismo energetico. Queste specie sono in grado di ossidare H 2

e ridurre O formando H O; è una reazione molto esoergonica ed è catalizzata dall’enzima idrogenasi.

2 2

Alcuni idrogeno-batteri sintetizzano due tipi di idrogenasi:

o IDROGENASI DI MEMBRANA: coinvolta nelle reazioni energetiche, lega gli elettroni provenienti da

H , i quali continuano il loro percorso passando per una serie di citocromi, per generare poi una

2

forza proton motrice e alla fine ridurre O ad H O.

2 2

o IDROGENASI CITOPLASMATICA: lega gli elettroni provenienti da H e catalizza la riduzione di NAD+

2

a NADH, che sarà utile per il ciclo di Calvin (il potenziale di riduzione di H è sufficientemente

2

elettronegativo da rendere inutili le reazioni di flusso inverso degli elettroni).

L’organismo Ralstonia eutrophia è stato utilizzato come modello per lo studio dell’ossidazione aerobica di

H da parte di specie che producono due idrogenasi.

2

Gli idrogeno-batteri possono essere considerati chemiolitotrofi facoltativi: hanno la possibilità di passare

da un metabolismo chemiorganotrofo a uno chemiolitotrofo a seconda della disponibilità di nutrienti

nell’ambiente.

SOLFO-BATTERI -

I solfo-batteri sono microrganismi chemiolitotrofi aerobi che utilizzano composti dello zolfo (Solfuro HS ,

0 32- 32-

Zolfo elementare S , Tiosolfato S O , Solfito SO ) come donatori di elettroni per il loro metabolismo

2 42-

energetico, dove nella maggior parte dei casi il prodotto finale dell’ossidazione è il Solfato SO . Uno dei

prodotti dell’ossidazione dei composti ridotti dallo zolfo sono i protoni, che porta ad un’acidificazione

dell’ambiente di coltura, per questo motivo alcuni batteri sulfurei sono diventati acidofili.

Sono note almeno tre vie per l’ossidazione dello zolfo:

o In due di questi sistemi il substrato di partenza viene

32-

prima ossidato a solfito (SO ) con rilascio di sei elettroni,

che può avvenire tramite due diversi enzimi:

• Dolfito ossidasi: che ossida il solfito e trasferisce

gli elettroni direttamente sul citocromo c;

• Adenosina fosfosolfato reduttasi: che porta alla

produzione di un legame fosfato attraverso la

conversione di AMP ad ADP.

o In uno di questi sistemi il substrato di partenza viene

42-

ossidato direttamente a solfato SO , senza la

formazione intermedia del solfito.

Gli elettroni provenienti dall’ossidazione dei composti dello zolfo alla fine raggiungono la catena di

trasporto degli elettroni dove, a seconda del valore di elettronegatività della coppia di donatori, entrano a

livello della flavoproteina, del chinone, o del citocromo c. sono trasportati attraverso la catena fino all’O ,

2

generando una forza proton-motrice che porta alla sintesi di ATP da parte dell’ATPasi.

Sebbene i solfo-batteri siano un gruppo principalmente aerobico, alcune specie possono crescere in

anaerobiosi utilizzando il Nitrato al posto dell’O come accettore di elettroni finale.

2

FERRO-BATTERI 2+

I ferro-batteri sono dei microrganismi chemiolitotrofi che utilizzano il ferro ferroso (Fe ) come donatore di

2+

elettroni per il loro metabolismo energetico. A ph acido infatti il ferro ferroso (Fe ) si ossida a ferro ferrico

3+

(Fe ), con conseguente trasferimento di elettroni che attraversano prima il citocromo c della membrana

esterna, si spostano verso il periplasma e vengono poi accettati da una proteina periplasmatica chiamata

rusticianina. Quest’ultima riduce un citocromo c periplasmatico che trasferisce gli elettroni al citocromo

aa , una proteina che riduce O A H O; l’ATP viene sintetizzato dall’ATPasi nel solito modo.

3 2 2

Nel caso dei batteri chemiolitotrofi anaerobi l’accettore finale di elettroni, invece che l’ossigeno, è il nitrato

3- 2-

(NO ) e i prodotti finali sono il nitrito (NO ) o l’azoto inorganico (N ).

2

NITRIFICAZIONE E ANAMMOX 2-

I composti inorganici ridotti dell’azoto (ammoniaca NH e nitrito NO ) vengono ossidati in condizioni

3

aerobiche dai batteri chemiolitotrofi Nitrificanti, tramite un processo di nitrificazione. In condizioni

anossiche (=mancanza di ossigeno molecolare O ) l’ammoniaca viene ossidata da un particolare gruppo di

2

batteri attraverso un processo chiamato anammox. Questi tipi di batteri sono presenti nel suolo, nelle

acque dolci, nelle acque di scarico e negli oceani.

In condizioni aerobiche vi sono due diversi gruppi di

microrganismi nitrificanti:

• 2-

Ammoniaca ossidanti: ossidano NH a dare NO .

3

L’ossidazione dell’ammoniaca avviene grazie all’enzima

ammoniaca monossigenasi (proteina di mebrana) che

produce acqua (H O) e idrossilamina (NH OH), a sua

2 2

volta ossidata dall’enzima idrossilamina ossidoreduttasi

2-

(proteina periplasmatica) che produce NO . Al termine

della catena respiratoria viene ridotto l’ossigeno e

generata una forza proton-motrice.

NH 

+ - - - +

NH + O + 2H + 2e OH + H O NO2 + 4e + 5H

3 2 2 2

• 2- 3-

Nitrito ossidanti: ossidano NO a dare NO .

L’ossidazione del nitrito avviene grazie all’enzima nitrito

ossidoreduttasi, che permette il successivo passaggio

degli elettroni nella catena di trasporto, la riduzione

dell’ossigeno e generazione di una forza proton-

motrice. 3-

Perciò per avere l’ossidazione completa di NH a dare NO è

3

necessaria l’azione congiunta di entrambi i gruppi.

Sebbene i microrganismi ammonio ossidanti siano aerobi (crescono in presenza di ossigeno), l’ammoniaca

può essere ossidata anche in condizioni anossiche (ossia in assenza di ossigeno), secondo un processo noto

come anammox (Anoxic Ammonia Oxidation) 2-

In questo caso l’ammoniaca NH è il donatore di elettroni e viene ossidata, mentre il nitrito NO è

3

l’accettore di elettroni per la produzione di azoto N , secondo la reazione:

2 

2- +

NH + NO + H N + H O

3 2 2

Uno dei principali organismi anammox è il Brocardia anammoxidans, una specie di Bacteria contenente un

compartimento chiamato anammoxisoma all’interno del quale avviene la reazione anammox. Questo

compartimento è una struttura rivestita da una robusta membrana che protegge la cellula dagli intermedi

tossici prodotti durante la reazione anammox. I costituenti della membrana sono dei lipidi costituiti da acidi

grassi legati al glicerolo con legami estere ed etere, chiamati lipidi a scalini (ladderane lipids) per la loro

insolita struttura. Per la presenza di tale membrana l’anammoxisoma può essere considerato come un

organello. 2-

Nella reazione anammox, il nitrito NO viene inizialmente ridotto dalla nitrito reduttasi, quindi reagisce per

produrre N H grazie all’attività dell’enzima idrazina idrolasi. Quest’ultima specie viene ossidata a N con

2 4 2

rilascio di elettroni grazie all’azione dell’enzima idrazina ossidasi. Alcuni di questi elettroni entrano nella

catena di trasporto di elettroni dell’anammoxisoma, dove viene prodotto ATP grazie all’azione della forza

proton-motrice e delle ATPasi; altri elettroni alimentano il sistema che attiva le reazioni anammox iniziali.

METANOGENESI

La metanogenesi è la reazione di formazione del metano ad opera di microorganismi appartenenti al regno

Archea, un gruppo tassonomico filogeneticamente distinto sia dagli Eucarioti che dai Batteri, anche se molti

organismi metanogenici vivono in stretta associazione con batteri anaerobici.

La metanogenesi è una forma di respirazione anaerobica, quindi i microrganismi metanogeni non utilizzano

l'ossigeno, che in alcuni casi può risultare addirittura tossico (Archea metanogeni anaerobi obbligati). Al

posto dell'ossigeno come accettore finale di elettroni viene usato il carbonio proveniente da composti a

basso peso molecolare, quali CO , HCOOH, CH OH.

2 3

Gli elettroni, provenienti dall'ossidazione iniziale dell'idrogeno, dopo aver attraversato la catena di

trasporto degli elettroni producendo energia, vengono ceduti al carbonio del substrato, riducendolo fino ad

ottenere metano, secondo la reazione: CO + 4 H → CH + 2H O

2 2 4 2

La biochimica della metanogenesi è relativamente complessa e coinvolge numerosi cofattori:

- coenzima F430, coenzima F420: molecole adibite al trasporto di elettroni (come il NAD)

- coenzima B, coenzima M: molecole che legano il carbonio (accettore di elettroni durante il

processo) mediante i loro gruppi solfuro

- metanofurano, metanopterina: molecole che legano il carbonio (accettore di elettroni durante il

processo) mediante i doppietti elettronici non condivisi dei loro gruppi amminici

FOTOTROFIA

La fototrofia è la capacità che un organismo ha di utilizzare la luce come fonte di energia. Il processo

biologico più importante che avviene sulla Terra è la fotosintesi, ossia la conversione dell’energia luminosa

in energia chimica; tale processo è svolto da organismi fototrofi, che sono per la maggior parte anche

autotrofi, ossia capaci di crescere in presenza di CO come unica fonte di carbonio. Gli organismi

2

fotoautotrofi perciò utilizzano l’energia ottenuta dalla luce per ridurre CO a composti organici.

2

FOTOSINTESI

➢ Nel primo stadio della foto sintesi l'energia luminosa è convertita in energia elettrica (il flusso di

elettroni) e l'energia elettrica è trasformata in energia chimica immagazzinata nei legami delle

molecole di NADH e di ATP.

➢ Nel secondo stadio della fotosintesi questa energia viene utilizzata per ridurre il carbonio e

sintetizzare zuccheri semplici. Per le cellule fotosintetiche il carbonio è disponibile sotto forma di

anidride carbonica CO . Le reazioni del secondo stadio della foto sintesi richiedono molecole (ATP e

2

NADPH) che vengono sintetizzate nei cloroplasti solo in presenza di luce.

CICLO DI CALVIN (FASE OSCURA)

La riduzione del carbonio avviene nello stroma in una serie ciclica di reazioni che prende il nome di ciclo di

Calvin. Esso è analogo al ciclo di Krebs in quanto, a ogni giro, il composto iniziale viene rigenerato.

Il ciclo in generale:

• Il composto iniziale e finale del ciclo di Calvin è costituito da RIBULOSIO 1,5 DIFOSFATO (RuDP) uno

zucchero a cinque atomi di carbonio (C5) legato a due gruppi fosfato.

• Il ciclo comincia quando la CO2 si lega al RuDP. Questa reazione è catalizzata da un enzima

specifico, la RuDP-CARBOSSILASI (RubisCo), che è ritenuta la proteina più abbondante sulla Terra.

• Da questo legame si formano due molecole da tre atomi di carbonio: il 3-FOSFO GLICERATO (3PG),

che durante la seconda fase del ciclo di calvin si trasforma in GLICERALDEIDE 3-FOSFATO (G3P). Per

fare questo vengono impiegati gli ATP e il NADH.

Il ciclo per formare una molecola di glucosio: 

6 RuDP (C5) + 6 CO2 (C1) = 6 molecole di composto instabile (C6) (6*6=36 atomi C) SI SCINDE (grazie a

ATP e NADH che da ridotto passa a ossidato) 12 molecole di composto (C3) (12*3= 36 atomi di C)

Gliceraldeide 3-fosfato (G3P) (C3)

Di queste 12 molecole di G3P: 

10 molecole si i riassemblano per riformare 6 molecole di RuDP (10*3= 30 atomi di C 30/5 C= 6

molecole)

 2 molecole di G3P (3*2=6 atomi di C) si uniscono e danno 1 molecola di GLUCOSIO (a 6 atomi di

carbonio), che costituisce il guadagno del ciclo di Calvin.

Quest'ultimo, non appena sintetizzato, può seguire vari destini:

- Glucosio + Fruttosio Saccarosio, che viene trasportato nella pianta

- Più molecole di Glucosio si uniscono tra loro Amido primario

- Glucosio usato per sintesi di altre molecole come la cellulosa

CARBOSSISOMI

Come abbiamo appena visto, la proteina (enzima) responsabile del funzionamento del processo di

fotosintesi è la Ribulosio-bisfosfato Carbossilasi (Rubisco).

La Rubisco batterica è composta da sole 2 catene (a differenza della Rubisco delle piante che contiene 16

catene) ed inoltre è una proteina terribilmente inefficiente: ha un turnover di 3 reazioni al secondo, contro

le più tipiche 100 reazioni al secondo di altri enzimi. L’inefficienza di questa proteina può essere

“tamponata” modificandone il numero di catene aggregate (come è successo per le piante nel corso

dell’evoluzione) oppure modificando l’ambiente in cui avviene la reazione. Quest’ultima modalità è stata

ritrovata nei Cianobatteri, i quali hanno sviluppato nel corso dell’evoluzione dei microcompartimenti

proteici, chiamati carbossisomi, dedicati alla riserva e fissazione della CO per contrastare l’inefficienza

2

della Rubisco.

STRUTTURA

I carbossisomi si presentano come dei gusci proteici poliedrici di circa 100 nanometri di diametro,

circondati da una sottile membrana proteica che racchiude una matrice cristallina contenente circa 250

molecole di Rubisco per carbossisoma.

FUNZIONAMENTO

Il carbonio inorganico incorporato nella cellula sotto forma di bicarbonato (HCO3-) e l’anidride carbonica

CO2 entrano nel carbossisoma attraverso l’attività di un secondo enzima del carbossisoma, l’anidrasi

carbonica. Una volta all’interno, la CO2 viene intrappolata e fissata nel fosfoglicerato dalla Rubisco, per poi

inserirsi nella prima tappa del ciclo di Calvin.

Un’osservazione decisamente interessante è la somiglianza tra microcompartimenti e capsidi virali: formati

da proteine, hanno anche una forma simile, ma ad oggi non è possibile introdurre un determinante legame

filogenetico in quanto non è stata trovata omologia tra le proteine del capside e quelle del carbossisoma

Tornando alla fotosintesi…

L’assorbimento dell’energia luminosa dall’esterno verso l’interno avviene grazie a dei centri di reazione,

che consistono in aggregati di molecole pigmento quali:

➢ Batterioclorofille

➢ Batteriofeofitine

➢ Carotenoidi (complessi antenna)

TIPI DI FOTOSINTESI (FASE LUMINOSA) OSSIDAZIONE= perdere elettroni

RIDUZIONE= acquisire elettroni

FOTOSINTESI OSSIGENICA (=producono O )

2

É tipica dei cianobatteri e degli eucarioti fotosintetici (alghe, piante verdi); il pigmento fotosintetico è la

clorofilla a (assorbe la luce nel visibile, 400-700 nm).

Nella fotosintesi ossigenica sono utilizzati due diversi fotosistemi:

- Fotosistema I: assorbe luce in uno spettro ampio (> 680 ) e la dirige verso una particolare clorofilla

a P700;

- Fotosistema II: assorbe la luce di lunghezza d’onda inferiore e la dirige verso la clorofilla a p680.

Il principale donatore di elettroni è l’acqua; l’accettore è NADP.

La fotofosforilazione è in genere non ciclica (coinvolge entrambi i fotosistemi I e II) e ottiene non solo ATP

ma anche potere riducente, sotto forma di NADPH .

Nella fotofosorilazione non ciclica, la luce incidente viene

catturata dal fotosistema I, eccita la clorofilla a P700 che

-

assume un potenziale negativo e trasferisce 2e alla

ferredossina, che li cede al cofattore NADP, che si riduce a

NADPH.

**produzione potere riducente**

La clorofilla a P700 viene poi ridotta per opera del

fotosistema II e della clorofilla a P680 che, eccitata a sua

volta dalla luce, le cede elettroni attraverso una catena di

trasportatori (chinone-citocromi).

**generazione del gradiente protonico necessario a

produrre ATP, grazie all’attività dell’ATPasi**

A concludere il processo, clorofilla a P680 viene ridotta

grazie all’arrivo di elettroni da molecole di acqua con

formazione di ½ O2, che rappresenta un prodotto

secondario di questo tipo di reazione fotosintetica. POTENZIALE DI OSSIDORIDUZIONE (V)

Più il valore è positivo,

maggiore è la tendenza ad acquistare

elettroni,

FOTOSINTESI ANOSSIGENICA (non producono O ) minore è la tendenza a donare elettroni

2

È tipica degli eliobatteri, dei batteri verdi e porpora; coinvolge solo un fotosistema e impiega

batterioclorofille che utilizzano lunghezze d’onda nel visibile e nell’infrarosso (700-900 nm).

Il tipo di batterioclorofilla coinvolto è una caratteristica specie specifica. Nei batteri purpurei per esempio è

comune la batterioclorofilla a, con spettro di assorbimento 800-925.

Nel corso della fotosintesi anossigenica viene prodotto solo ATP per mezzo di una fotofosforilazione ciclica

che dalla batteriofeofitina, attraverso chinone e citocromi, torna a ridurre la batterioclorofilla.

POTERE RIDUCENTE NELLA FOTOSFORILAZIONE CICLICA

La maggior parte dei microrganismi che traggono energia dalla luce sono in grado di usarla per rendere

organica la CO2 (autotrofia). Per incorporare CO2 è indispensabile che la cellula disponga di un adeguato

potere riducente sotto forma di NADH o NADPH .

A differenza della fotofosforilazione non ciclica in cui viene prodotto sia ATP che potere riducente, nei

sistemi ciclici viene prodotto solo ATP, mentre il potere riducente deve essere ricavato da fonti esterne.

Considerando che NAD o NADP sono tra i migliori donatori di elettroni, ridurli direttamente non è facile.

Le strategie possibili per ottenere potere riducente in queste condizioni sono tre:

1) TRASFERIMENTO DIRETTO DI ELETTRONI: NAD e NADP hanno un potenziale redox fortemente

negativo: è molto difficile quindi che siano ridotti (cioè che acquistino elettroni) direttamente.

L’idrogeno gassoso è una delle poche sostanze dotate di potenziale redox tanto basso (-0,42 volt)

da poter ridurre direttamente NADP (-0,32 volt). Per ossidare l’idrogeno gassoso, tuttavia, è

necessario un enzima specifico (idrogenasi). Le specie che possiedono idrogenasi possono ricorrere

a questa strategia per ottenere il potere riducente.

2) TRASPORTO INVERSO DI ELETTRONI (batteri purpurei): Molti fototrofi anossigenici impiegano

come donatori di elettroni composti come tiosolfato o solfuro, con un potenziale più alto di quello

della coppia NAD+/NADH. Il primo accettore stabile che incontrano gli elettroni in questo tipo di

batteri è il chinone (0 V) il quale, non essendo sufficientemente elettronegativo per ridurre il NAD+

(-0,32 V), provoca un’inversione di direzione nel trasporto degli elettroni, che vengono perciò spinti

all’indietro (contro gradiente elettrochimico) utilizzando l’energia tratta dalla forza proton motrice,

per poter ridurre il NAD+ a NADH.

3) MODIFICAZIONE DELLA CICLICITÀ (batteri verdi ed eliobatteri): impiegano una strategia che

prevede una “deviazione” lungo la fotofosforilazione ciclica dalla clorofilla eccitata. Qui avviene che

gli elettroni donati da alcuni composti trovano come primo accettore stabile una proteina ferro-

zolfo chiamata feredossina (-0,40 V) la quale, essendo più elettronegativa del NADH, non rende

necessario un flusso inverso di elettroni. La feredossina infatti viene prodotta dalle reazioni guidate

dalla luce per sopperire alla necessità di potere riducente.

CICLO DEL CARBONIO

REGOLAZIONE GENICA NEI PROCARIOTI

Il successo biologico dei microrganismi procarioti è dovuto a tre fattori:

o Semplicità dell’organizzazione cellulare

o Flessibilità metabolica

o Elevata capacità di adattamento alle diverse condizioni ambientali

Infatti nell’ambiente naturale i batteri devono sottostare a: fluttuazioni della temperatura,

disponibilità variabile di sostanze nutritive, esposizione a radiazioni UV, presenza di composti tossici

GENI

I geni sono porzioni di genoma di DNA che contengono le informazioni necessarie per codificare specifiche

molecole. Nel batterio modello Escherichia coli si stima la presenza di 4.200 geni circa.

I geni possono essere di due tipologie:

• 

Essenziali la loro presenza e funzionalità è determinante per la vita della cellula. Rispetto alla

totalità solo un numero molto ridotto di geni (200-300) è essenziale, degli esempi sono le subunità

dell‘RNA polimerasi, proteine ribosomali, proteine per la sintesi del peptidoglicano, etc.

• 

Non essenziali la loro presenza non è determinante per la sopravvivenza della cellula, eccetto in

alcune circostanze (es. crescita anaerobia, stress ossidativo da H O , etc.)

2 2

REGOLAZIONE DELL’ESPRESSIONE GENICA

Espressione genica= insieme di meccanismi che portano alla trasformazione del codice genetico nella

rispettiva forma attivata. Ogni gene infatti codifica per una particolare proteina, ma poiché non sempre gli

organismi hanno bisogno di tutte le proteine, è necessaria una regolazione che permetta ad alcuni geni di

essere espressi esclusivamente in risposta a specifiche necessità, evitando così sprechi energetici. La

regolazione genica permette quindi l’adattamento del microrganismo alle differenti condizioni ambientali e

fisiologiche.

L‘espressione dei geni può essere di due tipi:

• 

Costitutiva i geni vengono espressi costantemente e non sono perciò sottoposti a regolazione

(RNAr, RNAt, proteine ribosomiali, DNA e RNA pol)

o Inducibile i geni vengono espressi talvolta poichè sono sottoposti a regolazione, innescata da

particolari condizioni o stimoli ambientali e cellulari

Gli organismi Procarioti, essendo privi di nucleo nella loro cellula, non possono interporre una barriera tra il

processo di trascrizione e quello di traduzione, sicchè i trascritti di mRNA vengono immediatamente a

contatto con i ribosomi citoplasmatici che li traducono in proteine (non vi è quindi una maturazione

dell’mRNA neotrascritto).

Ciò significa che la regolazione può avvenire solo prima e durante la fase di trascrizione, in cui vengono

trascritti solo i tratti di DNA che presentano sequenze geniche traducibili in proteine utili. Inoltre gli mRNA

procariotici non subiscono modificazioni alle estremità (CAP in 5' e poliadenilazione in 3') che renderebbero

più stabile la molecola, per cui possono venire presto riconosciuti da specifiche proteine che li digeriscono

(a ulteriore riprova che la regolazione deve avvenire prima della fine della trascrizione).

Il compito di intercettare i tratti di DNA utili è dato agli Operoni.

OPERONE

L’operone è un tratto di cromosoma batterico, un insieme di geni che vengono regolati in modo

strettamente coordinato. Questo tipo di struttura venne studiata per la prima volta nel 1961 dai biologi

francesi François Jacob e Jacques Monod.

Struttura

Un operone è formato da:

➢ Geni strutturali = geni che codificano per determinati enzimi o proteine necessari alla cellula

➢ Promotore = sequenza di DNA situata a monte dei geni e che, legandosi all'RNA polimerasi,

permette l'inizio della trascrizione. L'RNA polimerasi ha infatti bisogno di riconoscere la sequenza

del promotore per iniziare il processo.

➢ Operatore = frammento di DNA che regola l'espressione dei geni strutturali. L'operatore svolge

questa funzione interagendo con una specifica proteina regolatrice che può essere proteina

repressore o proteina attivatore, a seconda che impedisca o stimoli l'espressione.

➢ Gene regolatore = gene che codifica per la proteina regolatrice.

Tipologia

OPERONI INDUCIBILI

- CONDIZIONE NORMALE: non espressi, perché proteina repressore legata all’operatore.

- CONDIZIONE INDUTTRICE: Il legame di una molecola induttrice con la proteina repressore causa un

cambiamento conformazionale di quest’ultima e non è più in grado di legarsi all’operatore,

permettendo quindi la trascrizione.

ESEMPIO: Operone Lac, scoperto da Jacob e Monod: l’enzima beta galattosidasi che serve per scindere il

lattosio viene prodotto solo in presenza del lattosio, mentre in assenza di lattosio non viene prodotto

l’enzima.

OPERONI REPRIMIBILI

- CONDIZIONE NORMALE: espressi, perché proteina repressore non è legata all’operatore.

- CONDIZIONE REPRIMIBILE: Il legame di un Corepressore con la proteina repressore causa un

cambiamento conformazionale di quest’ultima rendendola capace di legarsi all’operatore,

impedendo così la trascrizione.

ESEMPIO: Operone Trp (Triptofano): l’enzima triptofano sintetasi che serve a produrre il triptofano viene

prodotto solo in assenza di triptofano, mentre la presenza di triptofano inibisce la produzione dell’enzima.

REGOLAZIONE TRASCRIZIONALE

Sono presenti tre principali livelli di regolazione nei procarioti:

1. SCELTA DEI PROMOTORI DA PARTE DEL FATTORE SIGMA DELL’RNApol

La subunità sigma ha il compito di riconoscere sequenze sperifiche di nucleotidi chiamate “consenso” in una regione di

DNA, chiamata Promotore, compresa circa tra –70 e +30 rispetto all'inizio vero e proprio della trascrizione. Il ruolo del

fattore sigma è fondamentale per il processo di trascrizione in quanto in sua assenza l’RNA polimerasi si legherebbe

indistintamente in qualsiasi punto del gene, trascrivendone solo una parte.

Oltre alla subunità sigma, che riconosce due specifiche sequenze consenso a circa –10 (TATAAT: Pribnow Box; TATAA

box) e –35 (TTGACA); per alcuni geni anche le subunità alfa possono interagire con una regione di promotore chiamata

elemento UP (Upstream Promoter) ricco di AT presente tra –60 e –40.

La velocità e la processività con cui la RNA polimerasi trascriverà il gene successivo al promotore dipende dalla minore

o maggiore coincidenza delle sequenze reali con quelle "ottimali" descritte sopra (promotore perfetto).

Nei procarioti sono stati individuati diversi fattori σ, che permettono di variare l'espressione genica a seconda delle

condizioni ambientali:

- σD (σ70, gene rpoD): fattore σ principale usato in condizioni normali per trascrivere la maggior parte dei geni;

- σS (gene rpoS): utilizzato quando la cellula è in condizioni di stress

- σH (σ32, gene rpoH): utilizzato in condizioni di shock termico, permette la trascrizione di geni che codificano

per proteine che proteggono la cellula da alte e basse temperature

- σE (gene rpoE): utilizzato in condizioni di shock termico estremo, ossia a temperature che causano danni alla

membrana cellulare

- σN (σ54, gene rpoN): utilizzato quando nella cellula si ha una carenza nutrizionale (d’azoto/carbonio)

- σF (σ28, gene rpoI): utilizzato per l'espressione dell'operone dei flagelli

- σI (gene rpoI): utilizzato per l’assimilazione del ferro nella cellula

FATTORI σ ESSENZIALI FATTORI σ ALTERNATIVI

**Le prossime modalità di regolazione avvengono ad opera di proteine che si legano in modo specifico al

promotore, influenzando il meccanismo di trascrizione**

2. REGOLAZIONE NEGATIVA (REPRESSIONE)

Una proteina regolatrice chiamata repressore si lega a specifici siti di legame sul promotore (promotore

forte= che ha un alto livello di trascrizione) impedendo all’RNA polimerasi di legarsi e di iniziare il processo

di trascrizione.

Come descritto sopra l’attività del repressore può essere a sua volta regolata tramite altre sostanze che

possono agire da induttori o corepressori.

3. REGOLAZIONE POSITIVA (ATTIVAZIONE)

Una proteina regolatrice chiamata attivatore si lega a specifici siti di legame sul promotore (promotore

debole= che ha un basso livello di trascrizione) aumentando l’affinità e quindi il legame della regione con

l’RNA polimerasi.

Come descritto sopra l’attività del repressore può essere a sua volta regolata tramite altre sostanze che

possono agire da induttori o corepressori.

Il ruolo degli attivatori è quindi quello di aiutare la RNA polimerasi a riconoscere i promotori e iniziare la

trascrizione.

L’attivatore può agire in diversi modi: può legarsi direttamente al DNA modificandone la struttura

introducendovi una curvatura, per permettere un miglior contatto della RNA polimerasi con il promotore;

oppure l’attivatore può interagire direttamente con la RNA polimerasi, e ciò può avvenire:

- Quando il sito di legame dell’attivatore è nei pressi del promotore

- Quando il sito di legame dell’attivatore è distante dal promotore, in tal caso è necessario che il DNA

si ripieghi per stabilire il contatto tra la proteina e l’acido nucleico. A volte tale meccanismo di

ripiegamento è favorito dall’azione di alcune proteine (es. DNA Banding Protein).

ESEMPI DI PROTEINE REGOLATRICI

L’attività delle proteine regolatrici (repressori o attivatori) può essere innescata da modificazioni chimiche.

PROTEINA ADA

PROTEINA ARA

L’operone arabinosio è una sequenza di geni che codifica per gli enzimi necessari al metabolismo

dell’Arabinosio, sostanza che può essere fonte di carbonio e quindi di energia per la cellula.

La proteina AraC funge da regolatore sia positivo che negativo:

- Repressione: in assenza di arabinosio (-Ara) le proteine AraC legate su araO2 e su araI, si legano tra

loro formando un'ansa nel DNA e impedendo quindi il legame dell'RNA Polimerasi a PBAD (ossia il

promotore dell’arabinosio) spegnendo quindi l'operone. Invece AraC legato su araO1, inibisce la

trascrizione del gene AraC mantenendo bassi i livelli di proteina AraC.

- Attivazione: in presenza di arabinosio (+Ara) l'interazione tra le proteine su araO2 e araI si

interrompe aprendo l'ansa, inoltre un'altra proteina AraC si lega ad araI formando un dimero

attivando la trascrizione dell'operone. L'attivazione dell'operone avviene in sinergia con

l'interazione del complesso CRP-cAMP sul sito CAP, infatti, a basse concentrazioni di glucosio

questo complesso si lega al sito CAP aumentando l'esperessione dell'operone.

REGOLATORI GLOBALI (operoni)

Sono delle proteine regolatrici che, in risposta a precisi stimoli ambientali e fisiologici, sono in grado di

attivare simultaneamente un numero considerevole di geni; questo effetto globale sulla regolazione genica

ha un impatto molto importante sulla fisiologia cellulare.

ESEMPIO DI REGOLAZIONE GLOBALE: REPRESSIONE DA CATABOLITA

Un aspetto importante da valutare è la possibilità che nell’ambiente di crescita dei batteri possano essere

presenti molte e diverse fonti di carbonio utilizzabili. In generale la fonte favorita è il glucosio, ma in

assenza di questo vi è la necessità di una regolazione globale che controlli l’uso delle fonti di carbonio

quando ne sono disponibili diverse, tale meccanismo è detto repressione da catabolita. Questa regolazione

permette, in presenza di una fonte di carbonio elettiva, di reprimere la sintesi di tutti gli enzimi necessari a

metabolismi di altre fonti di carbonio (per tale motivo è considerata un tipo di regolazione globale).

Una conseguenza della repressione da catabolita è un tipo di crescita

caratterizzata da due fasi esponenziali, chiamata crescita diauxica.

Quando due fonti di energia sono presenti nel mezzo di coltura,

l’organismo cresce utilizzando prima la migliore fonte, una volta che

questa si esaurisce la crescita si arresta temporaneamente, per poi

riprendere la crescita utilizzando l’altra fonte di energia.

SISTEMA 1. PROTEINA CRP- AMP CICLICO

È un esempio di regolazione da catabolita, che prevede quindi un controllo della trascrizione mediato da un

attivatore (quindi è una forma di regolazione positiva).

In presenza di glucosio infatti il batterio non attua la trascrizione poiché è la fonte di carbonio favorita,

mentre in assenza di glucosio (quindi in presenza di altre fonti) il batterio attiva la trascrizione per la sintesi

di enzimi necessari a un nuovo metabolismo.

L’attivatore della trascrizione è la CRP (proteina recettrice dell’AMP ciclico), ossia una proteina allosterica

che permette l’espressione di un gene, che avviene solo se CRP si lega alla regione del promotore per

permettere alla RNA polimerasi di legarsi a sua volta. Ma questa proteina si lega al DNA solo se si è

precedentemente complessata con una molecola chiamata AMPc (adenosina monofosfato ciclico), ossia un

nucleoide regolativo sintetizzato dall’ATP per opera dell’enzima adenilato ciclasi, che in tutti gli organismi

funge da segnale di carenza energetica.

•  

Alte concentrazioni di glucosio basso livello di AMP ciclico bassa concentrazione del

 

complesso CAP-AMPciclico non è sufficiente a favorire il legame con CAP blocco trascrizione

•  

Basse concentrazioni di glucosio alto livello di AMP ciclico alta concentrazione del complesso

 

CAP-AMPciclico favorito il legame attivazione trascrizione

SISTEMA 2. PpGpp INTERAZIONE TRA SINTESI PROTEICA E TRASCRIZIONE

Il ppGpp è un nucleoide regolativo (come la AMPc) che quindi ha la funzione di segnalare un problema

fisiologico della cellula, permettendo la sopravvivenza in condizioni difficili. È una molecola che viene

sintetizzata dalla cellula a livello del ribosoma in condizioni di carenza di amminoacidi utili per la sintesi

proteica. La ppGpp è quidno in grado di dare risposta a un segnale di fame nutrizionale: quando il pool di

amminoacidi in una cella del ribosoma sono esauriti la ppGpp si accumula e, interagendo con l’RNA

polimerasi, inibisce la trascrizione dei promotori degli RNA ribosomiali, causando un blocco della sintesi di

nuove proteine, che permane fino al momento in cui il livello di amminoacidi torna nella norma.

Vi sono poi due proteine direttamente coinvolte nella regolazione intracellulare di ppGpp:

- RelA è una ppGpp sintetasi associata al ribosoma che sintetizza ppGpp in risposta a un accumulo di

tRNA non carichi (per via della carenza di amminoacidi).

- SpoT è una proteina bifunzionale poiché fa da sintetasi (sintetizza ppGpp) e da idrolasi (distrugge

ppGpp) regolando quindi il livello di ppGpp in risposta a diversi stimoli.

La ppGpp influenza quindi la trascrizione mediante un’interazione diretta con l’RNA polimerasi:

Inoltre l’interazione con l’RNA pol è mediata anche da un’altra proteina detta DksA, che ha il compito di

inibire l’associazione tra l’RNA pol e il fattore sigma.


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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in biotecnologie farmaceutiche
SSD:
Università: Milano - Unimi
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher sofiafabbri di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Microbiologia generale e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Milano - Unimi o del prof Landini Paolo.

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