Metabolismo Microbico Il Metabolismo è l’insieme delle reazioni bio-chimiche che avvengono in una cellula. Può essere suddiviso in Catabolismo ed Anabolismo. Catabolismo: ossidazione del substrato (organico o minerale) con produzione di energia libera. Anabolismo: processo di sintesi dei costituenti cellulari che avviene con impiego di energia. Vie cataboliche: portano alla formazione di composti di minor complessità chimica e alla liberazione di energia (sono differenti dagli organismi superiori) Vie anaboliche: portano alla formazione di composti caratterizzati da una maggiore complessità chimica rispetto al nutriente di partenza e richiede energia (fondamentalmente simile in tutti gli organismi viventi). Diversità del Metabolismo Microbico Flusso dell’energia e del Carbonio Energia e metabolismo Metabolismo Chemioorganotrofo Metabolismo catabolico > Composti chimici ricchi di energia Utilizzazione dell’energia > Reazioni Ossido-Riduzione prodotti di scarto nutrienti energia (crescita) energia (movimento) anabolismo (biosintesi) componenti catabolismo cellulari molecole organiche e inorganiche Ossidazione: rimozione di uno o più elettroni da una sostanza Riduzione: aggiunta di uno o più elettroni da una sostanza Reazioni Ossido-Riduzione Potenziale di Riduzione (Eo) – Coppie di Ossido-Riduzione Trasferimento di elettroni da Eo negativo a Eo positivo Donatore di elettroni Riducente Composto donatore di elettroni Fonte di energia Accettore di elettroni Ossidante Reazioni Ossido-Riduzione > Trasferimento di Elettroni > Trasportatori di elettrononi e H+ -Diffusibili (coenzimi) -(NAD+ NADP+, FAD+) -Associati alla membrana Ubichinone (Coenzima Q), Chinoni, Citocromi, Ferredoxina Reazioni O-R NAD+ + AH2 > NADH + A + H+ - Riossidazione > 3 ATP FAD+ + 2H > FADH2 Riossidazione > 2 ATP Composti ad alta energia e conservazione dell’energia Conservazione a lungo termine: PHB, S, Amido, ecc. Energia liberata durante l’idrolisi dell’ATP Altri trasportatori di energia Sintesi dell’ATP Fosforilazione a livello di substrato Fermentazione Fosforilazione ossidativa Respirazione F.P.M. Metabolismo energetico Stadi del catabolismo Metabolismo energetico. Fermentazione Fosforilazione a livello di substrato Microrganismi anaerobi Via Embden-Meyerhof Fermentazione alcolica, omolattica, formica (acido mista), propionica, butirrica Via esosomonofosfato Fermentazione eterolattica (Leuconostoc) Via Entner-Doudoroff Fosfogluconato (Zymomonas) Scissione C2-C4 Fermentazione Bifidobacterium Reazione di Stickland Fermentazione aminoacidi (Clostridium) Respirazione aerobica Fosforilazione ossidativa Microrganismi Aerobi Respirazione anaerobica (Denitrificanti, Metanogeni, Desulfuricanti ecc) Fotosintesi Fotofosforilazione ossidativa Fermentazione - Glicolisi o via di Embden-Meyerhof. 2 ATP 2 NADH Schema generale delle fermentazioni. Fermentazione degli zuccheri via Embden-Meyerhof Fermentazione degli zuccheri via Embden-Meyerhof Glicolisi o via di Embden-Meyerhof. Fermentazione alcolica Glicolisi o via di Embden-Meyerhof. Fermentazione alcolica Fermentazione omolattica Fermentazione acido mista E, coli, Salmonella, Proteus, Enterobatteri Fermentazione 2,3-Butilenglicolica Enterobacter, Erwinia, Serratia Fermentazione butirrica Lattato Clostridium sp Fermentazione propionica Glucosio Propionibacterium Via dei Pentoso fosfato - Fermentazione eterolattica Via Entner-Doudoroff Fosfogluconato (Zymomonas, Pseudomonas) Reazione di Stickland Fermentazione aminoacidi (Clostridium) Fermentazione Metanogenica Da CO2 Methanothrix Methanosarciana Metanogenesi Da Acetato Fermentazione dell’etanolo Corr- Protein Metabolismo energetico aerobico Piruvato 6 4 5 -RESPIRAZIONE - Ciclo di Krebs o degli Acidi Tricarbossilici. Piruvato> -Fosforilazione a livello del substrato: GDP+Pi > GTP +ADP > GDP +1 ATP -Fosforilazione del trasporto degli elettroni: 4NADH > 12 ATP. FADH > 2 ATP Tot = 30 ATP -GLICOLISI > 2 ATP Riossidazione NADH > 6 ATP Glucosio > CO2 + H2O 38 ATP Fosforilazione ossidativa Produzione di energia: Riossidazione del NADH NADH + H +1/2O2 > NAD+ + H2O Catena di trasporto degli elettroni Catena di trasporto degli elettrononi Citocromi, Flavoproteine, Chinoni, Proteine Ferro-zolfo Struttura dell’eme Fe+++ + e > Fe++ - e > Fe+++ Trasporto di elettroni -Ossidazioni e Riduzioni reversibili del Fe Coenzima Q Proteine Ferro-Zolfo Catena di trasporto di elettroni e sintesi di ATP Catena di trasporto degli elettroni Generazione della forza Motrice dei Protoni ATP Sintetasi Forza protonmotrice e produzione di ATP Fosforilazione Ossidativa Impiego della forza Motrice dei Protoni Trasporto jonico – Rotazione flagellare – Produzione ATP (F.O.) Processi di Respirazione Anaerobica Respirazione Anaerobica Accettore finale di elettroni diverso dall’O2 Respirazione Anaerobica Accettore finale di elettroni diverso dall’O2 Denitrificazione Pseudomonas, Bacillus Pseudomonas, Bacillus Denitrificazione Riduzione del nitrato Pseudomonas Ossido nitrico Catena di trasporto degli elettroni Ossido nitroso Respirazione Anaerobica Riduzione del solfato Catena di trasporto degli elettroni APS Adenosina Fosfosolfato Desulvibrio Desulfotomaculum Respirazione Anaerobica Respirazione Carbonica Batteri metanogeni anaerobi Respirazione Carbonica Batteri omoacetogeni anaerobi Archebatteri Clostridium aceticum, Acetobacterium Metanogenesi Batteri metanogeni anaerobi CO2 > Metano Methanobacterium Acetogenesi Batteri omoacetogeni Metanogenesi e trasporto degli elettroni Energia e metanogenesi MPH (Metanofenazina) Metabolismo Chemiolitotrofo Ossidazione composti inorganici Ossidazione dello zolfo - Solfobatteri (Beggiatoa, Sulfolobus, Thiobacillus thioxidans) 2H2S + O2 > 2S + H2O – 2S + 2H2O > 2H2SO4 - S2O3 + H2O + 2O2 > 2SO4 2- + 2H+ Trasporto degli elettroni Metabolismo Chemiolitotrofo Ossidazione composti inorganici Batteri nitrificanti Nitrosazione (Nitrosomonas) Nitrificazione (Nitrobacter) 2NH3 + 3O2 > 2HNO2 + 2H2O 2HNO2 + O2 > 2HNO3 Trasporto degli elettroni Ossidazione composti inorganici Ferrobatteri – (Thiobacillus ferrooxidans, Sulfolobus) Ossidazione aerobica del Ferro: 2Fe2+ + 2H+ 1/2O2> 2Fe3+ + H2O 2FeS2 + 7O2+H2O> 2Fe2+ + 4SO4-2 + 4H+ Trasporto degli elettroni Catabolismo di sostanze organiche complesse -Carboidrati (Disaccaridi, Glicogeno, Amido, Cellulosa, Chitina, Pectina, Agar) -Acidi Organici -Idrocarburi -Lipidi -Proteine e aminoacidi Catabolismo di sostanze organiche complesse Metabolismo degli Acidi organici Metabolismo degli idrocarburi alifatici Degradazione dei composti aromatici Degradazione dei composti aromatici Benzoato Catabolismo lipidico Catabolismo lipidico b ossidazione Catabolismo Proteico e Aminoacidico Proteine > Polipeptidi > Peptidi > Aminoacidi Aminoacidi: Deaminazione Decarbossilazione Transaminazione Fotosintesi Batterica Metabolismo energetico Fonte di Carbonio Solfobatteri verdi, Batteri rossi Produzione di ATP Riduzione CO2 Cianobatteri, Alghe, Vegetali Fotosintesi batterica - Batterioclorofilla Vegetali, Alghe, Cianobatteri Solfobatteri verdi, Batteri rossi Batterioclorofille Membrane lamellari e vescicolari fotosintetiche Fototrofi purpurei Clorobium Clorosomi Tilacoidi Membrane lamellari fotosintetiche Cianobatteri Centri di Reazione (Clorofille + Proteine) Pigmenti antenna Carotenoidi Ficobiline Modello di Clorosoma pa Batterioclorifille Pigmenti antenna Pigmenti accessori Carotenoidi Ficobiline e Ficobilisomi Fotosintesi – Flusso di elettroni e produzione di ATP Fotofosforilazione ciclica Pigmenti antenna Batterioclorofilla a P870 -Centro di reazione LH -Batterioclorofille Bph -Batteriofeofitina Batteriofeofotina Fotosintesi Anossigenica Schema generale del flusso di elettroni Flusso di elettroni Forza proton motrice ATP Feofitina Ferredossina Ciclica – Elevato potere riducente Fotosintesi Ossigenica Plastocianina Schema generale del flusso di elettroni ATP Fotofosforilazione non ciclica Clorofilla a Clorofilla a