Metabolismo Microbico Flashcards
(36 cards)
Cos’è la Chemioorganotrofia? Chi sono i chemioorganotrofi?
Chemioorganotrofia= capacità metabolica di ricavare energia ossidando composti organici
Operata secondo due processi = fermentazione e respirazione
- Metabolismo respiratorio:
1. Completa ossidazione del substrato organico (ex. glucosio a CO2)
2. Catena di trasporto degli elettroni, generazione fpm
3. Produzione di ATP mediante ATPsintasi
Nella respirazione, la membrana citoplasmatica energizzata da fpm, dissipa l’energia per sintetizzare ATP da ADP e Pi tramite fosforilazione ossidativa (sulla membrana) - Metabolismo fermentativo:
Glicolisi/Fermentazioni, l’ATP viene prodotto medainte fosforilazione sul substrato =
Trasferimento diretto di un gruppo fosfato tramite intermedi ad alta energia da composto organico fosforilato ad ADP
[A+Pi -> B-P -> C-P -> ADP -> ATP -> D]
Che fa la respirazione cellulare aerobica? A che serve?
La respirazione cellulare è l’insieme dei processi metabolici con cui le cellule ottengono energia attraverso la scomposizione dei 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 può essere aerobica o anaerobica.
Le fasi della respirazione aerobica sono:
• Glicolisi = riduzione di NAD+ a NADH e produzione di piruvato e ATP, partendo da una molecola di glucosio. Vengono usate 2 molecole di ATP e prodotte 4, glucosio diviso in due produce piruvato.
• Decarbossilazione ossidativa del piruvato = Grazie alla piruvato deidrogenasi il piruvato viene decarbossilato, trasformato in “gruppo acetile” e legato al co-enzima A (CoA) a formare l’acetil-coenzima A.
• ciclo di Krebs = l’acetil-CoA subisce ossidazione fino alla formazione di CO2 ed alla riduzione dei composti NAD+/p e FAD rispettivamente in NADH + H+ e FADH2. Tale processo di fondamentale importanza, oltre a produrre energia, avviene all’interno dei mitocondri negli eucarioti e nel citosol nei procarioti.
• Fosforilazione ossidativa = È composta da due parti:
catena di trasporto degli elettroni : gli elettroni trasportati da NADH e FADH2 vengono scambiati dalla catena enzimatica transmembrana, che provvede a sfruttare questo movimento per generare un gradiente protonico transmembrana, riducendo l’ossigeno ad acqua
sintesi di ATP : tramite fosforilazione di ADP da parte dell’enzima ATP sintasi con catalisi rotazionale che sfrutta il gradiente creato in precedenza
La produzione teorica di ATP è 38 molecole per ogni molecola di glucosio ossidata, però la resa reale è 30-32.
Cos’è la catena di trasporto di elettroni?
Diversi tipi di enzimi ossido-riduttivi partecipano a questo trasporto di elettroni:
- Flavoproteine contengono derivati della vitamina riboflavina (FMN: flavin mononucleotide, FAD: flavin adenina dinucleotide) (H)
- Proteine ferro-zolfo (es. Ferredoxina, con configurazione Fe2S2) (e-) - Chinoni (ridotti a chinoli), molecole idrofobiche non proteiche, che si
muovono liberamente nella membrana (H)
- Citocromi, contengono il gruppo prostetico eme legato al ferro (e-)
Respirazione aerobica: l’ultimo trasportatore della catena trasferisce e- (e H+) all’O2 che si riduce ad H2O.
Come si genera il gradiente protonico transmembrana (fpm)?
Alcuni trasportatori utilizzano e- , altri atomi di H (H+ ed e-)
Durante il trasporto di elettroni, vengono estrusi ioni H+ all’esterno della cellula
Si crea un gradiente elettrochimico tra esterno (+) e interno della cellula (-)
Qual è il passaggio finale della respirazione (aerobica)?
La Sintesi di ATP:
Misure stechiometriche suggeriscono che la sintesi di una molecola di ATP corrisponda al passaggio di 3 H+.
L’ATP sintasi è reversibile: l’idrolisi di ATP (ATPasi) può determinare la generazione di fpm, da utilizzare per trasporto e motilità
Da ogni molecola di glucosio ossidata si generano 30/32 molecole di ATP.
Cos’è la Fermentazione?
Parziale ossidazione di un substrato organico fermentabile, gli elettroni ceduti sono trasferiti a un’altra molecola organica più ossidata
Grandi quantità di prodotti di scarto (disponibili per altri organismi)
Substrati fermentabili: zuccheri, amminoacidi (ma anche acidi organici, basi azotate)
Non richiede ossigeno nè altri accettori di elettroni esterni (solo fosforilazione a livello di substrato). Quindi è un processo anaerobio.
Avviene solitamente, ma non esclusivamente, in anaerobiosi
Es. negli anaerobi aerotolleranti: avviene anche in presenza di ossigeno o altro accettore di elettroni (che però non partecipa)
Alcuni m.o. fermentanti possono ricavare energia esclusivamente dalla fermentazione (es. batteri lattici).
Altri m.o. optano per la fermentazione quando non sono disponibili accettori esterni di elettroni (es. Escherichia coli)
- Produzione di un composto con un legame ad alta energia, per consentire la sintesi di ATP attraverso fosforilazione a livello del substrato
- Capacità di smaltire il potere riducente (NADH) prodotto in eccesso
( Si classificano di solito in base al prodotto finale )
Quali sono i diversi tipi di fermentazione?
LAB (Lactic Acid Bacteria): Gram + che producono acido lattico come principale prodotto di fermentazione
Metabolismo fermentativo obbligato, non possiedono catena respiratoria funzionante (Cyt -)
Sono aerotolleranti, possono essere:
- Omofermentanti = Producono esclusivamente lattato
Streptococcus thermophilus e Lactobacillus.
- Eterofermentanti = Producono lattato, etanolo e CO2
Lactobacillus, Leuconostoc, Lactococcus.
Fermentazione alcolica: lieviti e batteri
Lieviti: Saccharomyces, Kluyveromyces, Candida In condizioni anossiche
Saccharomyces cerevisiae (lievito di birra) usato per la produzione industriale di etanolo
Batteri: Zymomonas mobilis (a-Proteobacteria) usato per la fermentazione di agave e linfa di palma
Fermentazione acido-mista: batteri enterici
Tipica dei batteri intestinali dei generi Escherichia, Salmonella, Shigella
Utilizza la via glicolitica
Produce una miscela di acidi organici: acido acetico, lattico e succinico (oltre a etanolo, H2 e CO2)
Determina acidificazione del terreno di coltura
Fermentazione 2,3-butandiolica: batteri enterici
Tipica dei batteri intestinali dei generi Enterobacter, Serratia
Produce 2,3 butandiolo e etanolo (+ piccole quantità di acidi organici) Non determina acidificazione del terreno di coltura
Come fermentano i Clostridi? Quali tipi di fermentazione fanno?
Clostridium: genere di batteri Gram +, bastoncini sporigeni.
Sono classici fermentatori anaerobi obbligati, non possiedono catena respiratoria
Grandi decompositori di materiali di scarto
Abbondanti nel suolo, in sacche anossiche, e nell’intestino dei mammiferi
Possono fermentare diversi substrati come:
- zuccheri: clostridi saccarolitici
- amminoacidi: clostridi proteolitici
- cellulosa (rumine e sedimenti anossici): cellulosomi sulla parete cellulare (complessi proteici per la degradazione della cellulosa)
-purine e pirimidine
SACCAROLITICA:
Fermentando zucchero viene prodotto acido butirrico e H2 e molecole neutre (acetone, butanolo)
il glucosio è convertito a piruvato (glicolisi) - il piruvato è scisso in acetil-CoA, CO2 e H2
(reaz fosforoclastica, con ferredoxina)
- Fase acidogena: vengono prodotti butirrato
e acetato -> si abbassa il pH del medium
- Fase solventigenica: inibizione della sintesi
di altri acidi, accumulo di acetone e butanolo
La produzione di butirrato e acetato è associata a sintesi di ATP (fosforilazione a livello di substrato)
PROTEOLITICA:
Degradatori di proteine rilasciate da altri organismi morti (responsabili dei processi di putrefazione)
Fermentano singoli amminoacidi producendo NH3, CO2 e un derivato di un acido grasso-COA che poi viene ulteriormente ossidato
Fermentano coppie di amminoacidi: uno si ossida, l’altro si riduce (reazione di Stickland)
La produzione di acidi organici è associata a sintesi di ATP (fosforilazione a livello di substrato). NAD+ viene ridotto a NADH e riossidato.
Cos’è la respirazione anaerobica? Perché si distingue dall’aerobica?
La respirazione anaerobica è una forma di conservazione dell’energia, che ha come ultimo accettore di elettroni nella catena di trasporto un composto diverso dall’ossigeno.
Può essere effettuata da due tipi di microrganismi:
ANAEROBI FACOLTATIVI: in competizione con la respirazione aerobica.
In presenza di ossigeno: repressione dei geni che codificano per le proteine necessarie per la respirazione anaerobica
In assenza di ossigeno (e presenza di accettore alternativo): derepressione genica
ANAEROBI OBBLIGATI: esclusivamente respirazione anaerobica
Avviene in catene di trasporto degli elettroniche che contengono le tipiche proteine di trasporto della respirazione aerobica:
- Flavoproteine
- Proteine ferro-zolfo
- Chinoni
- Citocromi
Tra la respirazione aerobia e la respirazione anerobia cambiano - le ossidasi terminali (cyt/reduttasi), specifiche per ciascun accettore di elettroni.
Cosa sono riduzione assimilativa e dissimilativa?
Sono riduzioni dei composti organici ossidati
Riduzione assimilativa
• soddisfa il fabbisogno per le biosintesi
• I composti inorganici tipo nitrati, solfati, anidride carbonica
sono ridotti per poter essere utilizzati come fonti di N, S, C
• I prodotti finali sono amminoacidi, basi azotate, gruppi –SH, composti organici
• Ubiquitaria
Riduzione dissimilativa
• soddisfa il fabbisogno energetico
• I prodotti finali sono piccole molecole (N2, H2S, CH4) che
vengono escreti dalla cellula
• Non ubiquitaria
Cos’è la denitrificazione?
La denitrificazione è la riduzione DISSIMILATIVA dei nitrati (NO3–) ad azoto molecolare che ritorna in atmosfera chiudendo il ciclo dell’azoto.
Primo step= da nitrato a nitrito, acquisendo elettroni (riduzione)
(In E.coli la riduzione del nitrato finisce qui, e viene portato all’esterno della cellula)
Secondo step= ulteriore riduzione a NO, N2O, processo fatto da Pseudomonas:
Sono presenti 4 composti fondamentali, 2 proteine integrali della membrana: nitrato e ossido nitrico riduttasi, mentre gli altri 2 sono enzimi periplasmatici: nitrito e ossido nitroso reduttasi.
Quali sono i microorganismi denitrificanti?
Tra i Chemioorganotrofi:
Bacteria: Proteobacteria (Pseudomonas)
Anerobi facoltativi
Alcuni possono utilizzare sia NO3-, sia Fe3+ e composti organici come accettori di elettroni, altri fermentano
Archaea
Anaerobi facoltativi (primo step)
Tra gli Eucarya:
Globobulimina pseudospinescens (protista) nei sedimenti marini
- Importante nel trattamento acque di scarico: riduce immissione di N fissato in fiumi e torrenti
- Sottrae nitrati dal suolo (dannosa!)
Riduzione dissimilativa di SO4 2-?
La riduzione dissimilativa del solfato prevede riduzione dello ione solfato a ione solfito e poi ad idrogeno solforato, fatta dai batteri solfato riduttori, che viene escreto dalla cellula nell’ambiente.
Molti solfato-riduttori sono chemiolitotrofi:
- si tratta quasi esclusivamente di batteri trovati nei suoli o sedimenti anossici (sono obbligati)
-alcuni microorganismi hanno potenziale biorisanante eliminando solfati e solfiti
Per passare da SO42- a H2S servono 8 elettroni, però Lo zolfò è un accettore debole, per fargli accettare elettroni deve essere attivato, quindi serve ATP ( prodotta da ATPsolforilasi che poi divenda APS = adenosina fosfosolfato)
La riduzione dissimilativa del solfato avviene prevalentemente a livello citoplasmatico, sono coinvolti il citocromo e il complesso Hmc
Alcuni batteri non hanno ATPsolforilasi, quindi usano Zolfo molecolare, sono comunque Zolfo-riduttori, infatti coesistono con solfato-riduttori.
Come funziona la riduzione di CO2?
CO2 è abbondante in ambienti anossici, prodotta da tutti i metabolismi chemioorganotrofi,e rea disponibile per chi fa respirazione del carbonato, come:
- batteri metanogeni e acetogeni, che sono anaerobi obbligati, nella maggior parte dei casi usano H2 come donatore di elettroni
ACETOGENI:
Negli acetogeni CO2 funge da:
-accettore di elettroni
-intermedio per assimilazione del C in materiale cellulare Via acetil CoA (autotrofia)
Gli acetogeni sono in genere Gram+, anaerobi obbligati
I loro habitat sono sedimenti anaerobi, dove avviene decomposizione della sostanza organica, intestino dei vertebrati dove l’acetato viene assimilato.
- Spirochaetes nel gastro delle termiti, simbiosi mutualistica.
METANOGENI:
Archaea, sono strettamente anerobi (Methanobacterium, Methanosarcina)
Habitat:
Nei sedimenti delle acque dolci, depuratori fanghi delle fognature, intestino
-sedimenti anossici (paludi, acquitrini, discariche umide), decomposizione della sostanza organica
- intestino vertebrati, rumine
- gastro delle termiti, simbiosi mutualistica
- fonti idrotermali
Solitamente utilizzano H2 come fonte di elettroni, oppure acetato, formiato
Cos’è l’Acetogenesi?
L’Acetogenesi è la via dell’Acetil-COA, processo attraverso il quale l’acetato viene prodotto dalla CO2 e da H2, da parte di batteri anaerobici attraverso la via acetil-CoA.
Il precursore dell’acido acetico è il tioestere Acetil-COA.
Gli aspetti chiave della via acetogenica sono diverse reazioni che includono la riduzione del CO2 al CO e l’attacco del monossido di carbonio ad un gruppo metilico. Il primo processo è catalizzato da COdeidrogenasi.
L’accoppiamento del gruppo metilico (fornito dalla metilcobalamina) e il CO è catalizzato da acetil CoA sintetasi.
Cos’è la metanogenesi?
La metanogenesi è la produzione di metano, è una forma di respirazione anaerobica dove al posto dell’ossigeno, questi organismi usano come accettore finale di elettroni, un substrato carbonioso ossidato come il biossido di carbonio
Gli elettroni, provenienti dall’ossidazione dell’idrogeno, dopo aver attraversato la catena di trasporto degli elettroni producono un gradiente protonico ed energia sottoforma di ATP e vengono infine ceduti al substrato carbonioso accettore di elettroni che, alla fine, viene convertito in metano.
Cos’è la sintrofia? Perché è conveniente?
Interazione cooperativa tra due microorganismi, in questo caso, due organismi diversi possono degradare insieme, composti che separatamente non potrebbero utilizzare (e ne ricavano energia) Spesso sono fermentazioni secondarie e associazioni con metanogeni/acetogeni
Ci può essere trasferimento interspecie di elettroni: relazione tra due organismi in cui una specie funge da accettore di elettroni per un’altra specie che funge da donatore di elettroni.
-diretto: le cellule sono in contatto diretto
-mediato: da prodotti metabolici scambiati per diffusione tra le cellule ex. H2
Cos’è la chemiolitotrofia?
La chemiolitotrofia è l’uso di sostanze chimiche inorganiche per produrre energia, è stata la prima forma di conservazione di energia evoluta sulla Terra
Fonti di donatori inorganici di elettroni possono essere:
-geologiche: attività vulcanica (H2S, S0), agricoltura (NH3), estrazioni minerarie (Fe2+)
-biologiche (H2, H2S, NH3)
-antropiche
La quantità di energia ottenuta dai processi chemiolitotrofi varia in modo considerevole.
In base alla fonte carbonata utilizzata si classificano in:
AUTOTROFI: che utilizzano CO2
MIXOTROFI: Eterotrofi facoltativi
La respirazione che fanno per la conservazione dell’ATP è divisa in:
•ossidazione della sostanza inorganica
• catena di trasporto elettronico e riduzione dell’accettore finale
• creazione di una forza proton motrice
• sintesidi ATP (mediante ATPsintasi)
Il potere riducente (NADH) può essere prodotto in due modi:
• direttamente dalla sostanza inorganica (donatore di elettroni) se ha E0’ più elettronegativo del NADH (es.H2);
• dal trasporto inverso di elettroni se E0’ è più elettropositivo del NADH
(E0 = potenziale standard di riduzione)
Come avviene L’idrogeno ossidazione?
Strategia molto diffusa in natura attuata da Bacteria (aerobi e anaerobi) e Archaea (anaerobi).
H2 è un comune prodotto metabolico microbico, derivante soprattutto dalle fermentazioni
Batteri aerobi autotrofi che ossidano H2:
Pseudomonas, Ralstonia eutropha (facoltativi)
Contengono una o più idrogenasi:
-Produzione di ATP (idrogenasti di membrana)
-Generazione potere riducente per la crescita autotrofa (ciclo di Calvin) (idrogenasi citoplasmatica)
Nei batteri in cui è assente l’idrogenasi solubile si attiva il flusso inverso di elettroni per generare NADH
Cos’è e Come avviene la Zolfo-Ossidazione?
I composti solforati più comuni usati come donatori di elettroni sono:
- Solfuri (H2S e HS-)
- Zolfo elementare (S0)
- Tiosolfato (S2O32-)
—> vengono tutti ossidati a Solfati = SO4 2-
L’ossidazione però acidifica l’ambiente, i batteri che la fanno sono solfo-batteri acidofili o almeno acido tolleranti, possono essere autotrofi o mixotrofi.
I batteri che fanno questa zolfo-ossidazione sono solfo-batteri incolori , sono Bacteria e Archaea diffusi in sedimenti marini, sorgenti sulfuree, sistemi idrotermali
I composti ridotti dello zolfo che ossidano sono di origine microbica o abiotica, lo zolfo elementare si accumula in granuli intracellulari o nel periplasma.
Per l’ossidazione dei composti ridotti sono conosciute tre diverse vie:
Gli elettroni derivanti dal l’ossidazione entrano nella catena di trasporto degli elettroni per generare FPM, gli elettroni provenienti da tiosolfato e zolfo molecolare entrano a livello del citocromo c
Il NADH è prodotto attraverso flusso inverso di elettroni.
Cos’è il sistema SOX?
Il sistema SOX è un’altra via metabolica per la conservazione di energia ossidando H2S, S2O3- e S0,
Nel sistema SOX, SoxXA lega un composto ridotto S alla proteina trasportatrice = SoxYZ.
La proteina SoxCD (solfuro idrogenasi) catalizza la rimozione di 6 elettroni dai composti ossidati(ceduti al citocromo), è una proteina importante per i batteri che utilizzano il sistema SOX completo, alla fine il solfato viene liberato da SoxB.
I batteri che non hanno SoxCD ossidano I composti attraverso gli enzimi DsrAB, solfito reduttasi dissimilativa e APS riduttasi, che funzionano in senso opposto per ossidare i composti.
Chi fa ossidazione del ferro ferroso? Come avviene?
L’ossidazione del Ferro Ferroso viene fatta dai ferro-batteri come Acidithiobacillus ferrooxidans e Leptospirillum ferrooxidans, (autotrofi) che sono acidofili obbligati con pH ottimale 2-3 e pH minimo 1.
L’ossidazione avviene in ambiente acido e acidifica l’ambiente:
Ambienti contaminati da acidi, discariche delle miniere di carbone.
Il ferro a PH neutri è instabile, si ossida a Fe3+ e reagisce spontaneamente con acqua per formare idrossido ferrico che precipita.
A pH acidi il Ferro Fe2+ reagisce con mezzo O2 —> Fe3+ + 1,5 H2O
Come funziona la nitrificazione?
La nitrificazione è l’ossidazione aerobica di ammoniaca e nitrito a nitrato, viene fatta da Bacteria e Archaea.
I batteri nitrificanti sono ampiamente distribuiti in acqua e suolo, condividono gli stessi habitat con gli anammox, le reazioni di entrambi sono guidate dalla disponibilità di O2.
Sono molto importanti per agricoltura e nei laghi per la produzione di nitrati, vengono sfruttati negli impianti di depurazione delle acque.
I batteri nitrificanti si dividono in due gruppi:
• ammonio-ossidanti (nitrosobatteri) ossidano l’ammoniaca a nitrito:
Nitrosomonas eNitrosopumilos
• nitrito-ossidanti (nitritobatteri) ossidano i nitriti a nitrati:
Nitrobacter e Nitrospira.
La completa ossidazione richiede entrambi i gruppi batterici, che instaurano fra loro una relazione commensalistica
Sono aerobi obbligati, hanno bassa resa energetica
Convertono ammonio in nitrato (suoli), eliminano ammoniaca da acque reflue.
Gli ammonio-ossidanti (AOB) trasformano aerobicamente l’azoto ammoniacale in nitrito, ottenendo energia metabolica dall’ossidazione dell’ammoniaca a idrossilamina. Questo passaggio è catalizzato dall’enzima multisubunità ammoniaca monoossigenasi (AMO), codificato dai geni amoC, amoA e amoB organizzati nell’operone amo, dopo avviene deidrogenazione dell’idrossilammina a nitrito attraverso l’idrossilammina ossidoriduttasi (HAO).
in questi batteri la formazione del NADH avviene mediante flusso inverso di elettroni.
I batteri nitrito-ossidanti svolgono il secondo step, che consiste nella trasformazione del nitrito in nitrato e viene definito nitratazione. I batteri responsabili di questo passaggio vengono definiti nitrito ossidanti (NOB)
NO2 - + 0,5 O2 —>NO3-
Nei batteri che ossidano il nitrito la formazione del NADH avviene mediante flusso inverso di elettroni
Cosa sono gli archaea nitrificanti?
Gli archea nitrificanti sono ammonio ossidanti, come Nitrosopumilos, hanno alta identità di sequenza genica con le ammoniaca monossigenasi di Nitrosomonas
Archaea ossidano ammoniaca anche a basse concentrazioni, hanno maggiore affinità,
Nitrificazione marina
