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Olimpia Pepe » 8.Metabolismi ed energia

Energia ed enzimi

I microrganismi sono entità biologiche caratterizzate da un’ordine delle strutture che li distingue dalla casualità e dal disordine degli oggetti inanimati.

Per mantenere questo ordine c’è bisogno di un costante lavoro che richiede energia.

Tale energia è prelevata dall’ambiente esterno alla cellula e poi impiegata per i lavori cellulari chimici, osmotici, elettrici e poi restituita come calore che, però, non può essere utilizzato come fonte energetica.

L’energia utilizzabile può essere luminosa e chimica. Gli elementi, intesi come “nutritivi”, preventivamente “digeriti” e scissi nelle loro unità costitutive (catabolismo), servono per produrre tale energia (chimica).

Le reazioni chimiche sono catalizzati da enzimi che intervengono sulla velocità di reazione diminuendo la grandezza della barriera dell’energia di attivazione, ossia del livello energetico che devono raggiungere i reagenti perché la reazione possa svolgersi.

Gli enzimi lavorano in catene di reazioni delle vie metaboliche. Esistono enzimi costitutivi delle vie metaboliche che funzionano sempre ed enzimi soggetti a regolazioni di vie metaboliche che non funzionano costantemente. Le vie metaboliche possono essere comprese nel metabolismo che è l’insieme delle reazioni chimiche catalizzate da enzimi e che comprende l’anabolismo e il catabolismo.

Metabolismo ed energia

Metabolismo microbico e produzione di energia

Catabolismo: degradazione di sostanze chimiche e rilascio di energia (produzione di E). I nutrienti (proteine, polisaccaridi e lipidi) vengono scissi nelle loro unità costitutive.

In base alla fonte di energia che utilizzano, i microrganismi possono essere suddivisi in chemiotrofi (chemiorganotrofi e cremiolitotrofi) e fototrofi (Fig. 1)

Anabolismo: biosintesi, costruzione, sintesi di molecole complesse a partire da componenti più semplici (necessita di energia, consumo energia) (Fig. 2).

Figura 1. Tipi di metabolismo e gruppi nutrizionali

Figura 2. Schema del metabolismo microbico catabolismo, anabolismo e produzione di ATP

Catabolismo

Una visione d’insieme del catabolismo microbico

Il catabolismo può essere suddiviso in tre stadi:

Nel primo stadio grosse molecole complesse (proteine, polisaccaridi e lipidi) sono degradate nelle loro parti costitutive attraverso l’azione di pochi percorsi metabolici.
Nel secondo stadio del catabolismo gli aminoacidi, i monosaccaridi, gli acidi grassi e il glicerolo sono successivamente degradati rilasciando l’acetil coenzima A, l’acido piruvico e gli intermedi del ciclo degli acidi tricarbossilici. Tale processo può avvenire sia in aerobiosi (respirazione aerobia) che in anaerobiosi (respirazione anaerobica e fermentazione) con produzione di ATP, NADH e/o FADH₂.
Nel terzo stadio il carbonio contenuto nei nutrienti viene diretto nel ciclo degli acidi tricarbossilici e trasformato in CO2 con produzione di ATP, NADH e/o FADH2. Tale stadio può avvenire sia in aerobiosi (respirazione aerobia) (Fig. 3) che in anaerobiosi (respirazione anaerobia).

Figura 3. I tre stadi del catabolismo convergenti nella respirazione aerobia

La formazione di ATP

Reazioni di ossido-riduzione e l’ATP

Le reazioni chimiche per la produzione di energia (catabolismo) sono quelle di ossido-riduzione (Fig. 4) che determinano il movimento di elettroni da un componente a più alto potenziale (donatore) ad un altro a più basso potenziale (accettore).

L’energia liberata dai processi degradativi biologici viene in gran parte immagazzinata nell’adenosintrifosfato (ATP)

L’ATP contiene nella sua molecola legami ad alto contenuto energetico che possono essere scissi secondo le sequenze ATP-ADP-AMP con liberazione di energia ad ogni passaggio (Fig. 5).

L’incorporazione dell’energia nell’ATP avviene con tre diverse modalità:

fosforilazione a livello del substrato nella glicolisi;
fosforilazione ossidativa durante la respirazione;
fotofosforilazione nella fotosintesi.

Figura 4. Reazioni chimiche di ossido-riduzione

Figura 5. Struttura dell'ATP, il principale trasformatore di energia chimica

Le ossidazioni biologiche e la glicolisi

Le ossidazioni biologiche (catabolismo)

Le ossidazioni biologiche sono di tre tipi:

1. respirazione aerobica; 2. respirazione anaerobica; 3. fermentazione.

Questi processi hanno in comune la via che parte dal glucosio e arriva alla formazione dell’acido piruvico (glicolisi o via di di Embden-Meyerhof) attraverso un processo a due stadi (Fig. 6).
Un primo stadio a sei atomi di carbonio dove il glucosio viene fosforilato due volte e convertito in fruttosio 6-fosfato (consumo di due ATP).

Un secondo stadio dove il fruttosio 6-fosfato viene scisso in due composti a tre atomi di carbonio ciascuno dei quali viene convertito in acido piruvico mediante cinque passaggi.

In questo stadio si realizza la fosforilazione a livello del substrato con liberazione di due molecole di ATP e la produzione di un NADH per ogni trioso ossidato ad acido piruvico.

La via dei pentoso-fosfati e la via di entner-Doudoroff rappresentano altri percorso metabolici, tipici di alcuni procarioti, che possono decorrere contemporaneamente o alternativamente alla via glicolitica (Fig. 7).

Figura 6. La via di Embden-Meyerhof (glicolisi)

Figura 7. Via dei pentoso-fosfati (a) e la via di Entner-Doudoroff (b)

Ciclo di Krebs

Ciclo degli acidi tricarbossilici o ciclo di Krebs

Nella respirazione (aerobia e anaerobia) l’acido piruvico viene degradato fino a CO₂ , attivato con CoA ed introdotto nel Ciclo di Krebs nel terzo stadio del catabolismo (Fig. 8).

Il ciclo può essere diviso in tre stadi che, partendo da composti a 6 atomi di carbonio, portano alla formazione successiva di composti a 5 e 4 atomi di carbonio con liberazione di 6 molecole di CO₂.

Gli enzimi di tale ciclo sono ampiamente distribuiti in tutti i microrganismi: batteri aerobi, protozoi, parte di alghe e funghi.

Tale ciclo ha importanza sia per la produzione di energia sia per la formazione di scheletri di atomi di C (precursori metabolici), da usare nelle biosintesi, e alla produzione di 3 molecole di NADH, 1 di FADH e 1 di GTP.

Figura 8. Ciclo degli acidi tricarbossilici o ciclo di Krebs

Catena di trasporto degli elettroni

Nei microrganismi aerobi la glicolisi si continua in tale ciclo e nella catena di trasporto degli elettroni che porta alla completa demolizione del glucosio in CO₂ e H₂O estraendone così la maggior parte dell’energia.

Tale energia viene accumulata parzialmente nell’ATP durante il passaggio dei protoni nella catena di trasporto di elettroni con il meccanismo detto fosforilazione ossidativa.

Nella catena di trasporto di elettroni una serie di trasportatori operano in associazione per trasferire elettroni da donatori (NADH e FADH) all’ossigeno (Fig. 9).

Durante tale processo gli elettroni sono trasferiti da trasportatori con potenziali di ossido-riduzione minori a quelli con potenziali maggiori, fino all’O₂ e l’H per formare H₂O.

Tale differenza di potenziale determina un rilascio di energia che può essere immagazzinata nell’ATP (fosforilazione ossidativa).

Lez. 8, Fig. 9 in Madigan M. T., Martinko J. M., Brock. Biologia dei microrganismi, CEA, Fig. 5-19 pag.124 vol.1

Teoria della generazione di ATP

Ipotesi chemiosmotica e modificazione conformazionale

La catene di trasporto di elettroni è organizzata in modo tale che durante il trasporto i protoni si spostano verso l’esterno della matrice mitocondriale (eucarioti) o della membrana citoplasmatica (procarioti), mentre gli elettroni sono spinti verso l’interno della membrana muovendosi lungo la catena.

Il rilascio dei protoni all’esterno avviene quando trasportatori che trasportano sia protoni che elettroni, li rilasciano a trasportatori che trasportano solo elettroni e ciò porta alla creazione della forza proton matrice (FPM) costituita da un gradiente protonico e da un potenziale di membrana dovuto alla diversa distribuzione di carica.

Quando i protoni guidati dalla PMF, ritornano alla matrice mitocondriale o membranare attraverso il complesso proteico dell’ATPasi, l’energia del potenziale di membrana (gradiente protonico) induce modificazioni nella conformazione dell’ATPasi, e viene sintetizzato ATP in una reazione inversa a quella di idrolisi (Fig. 10).

Figura 10. Generazione di ATP mediante la FPM e il complesso enzimatico ATPasi

Resa energetica respiratoria

Resa energetica nella respirazione aerobica

Per ogni NADH ossidato si formano tre molecole di ATP. Il percorso con il FADH, tipico dei batteri, produce solo 2 ATP.

L’ossidazione aerobica del glucosio fino a 6 molecole di CO₂ provvede quindi alla produzione di 38 o 28 molecole di ATP a seconda che si tratti di eucarioti o procarioti (Tab. 1).

Tabella 1. Resa energetica in ATP nella respirazione aerobica

La fermentazione

In assenza di O₂, l’NADH prodotto nella glicolisi può essere riossidato a NAD⁺ attraverso la riduzione dell’acido piruvico o di un suo derivato, con formazione di acidi e CO₂ (Fig. 11).

Tale processo è detto fermentazione (produrre un’effervescenza) e ad esso è associata la produzione di ATP.

Microrganismi anaerobi facoltativi, anaerobi obbligati e anaerobi aerotolleranti possono metabolizzare l’acido piruvico con formazione di diversi tipi di composti (Fig. 12).

Figura 11. Schema del processo fermentativo per la riossidazione del NADH

Figura 12. Diverse vie fermentative che partono dall'acido piruvico

Fermentazione lattica

Fermentazione omolattica ed eterolattica

L’acido lattico è prodotto dal piruvato mediante l’azione della lattico deidrogenasi per rigenerare il piridin nucleotide necessario per la degradazione dei carboidrati.

I batteri lattici omofermentanti lo producono in quantità superiori all’85% mentre negli eterofermentanti oltre ad acido lattico è prodotta CO₂, acido acetico o acetaldeide ed etanolo.

Muffe, batteri, alghe, protozoi, animali con muscoli scheletrici possono effettuare tale processo.

Fermentazione lattica:

Omolattica: via glicolitica, acido piruvico ridotto ad acido lattico (Fig. 13).
Eterolattica: via glicolitica, acido piruvico ridotto ad acido lattico, etanolo e CO₂ o acido lattico, acido acetico e CO₂ (Fig. 14).

Figura 13. Fermentazione omolattica

Figura 14. Fermentazione eterolattica

Fermentazione alcolica

Fermentazione del glucosio fino ad etanolo e CO2

L’acido piruvico viene decarbossilato (piruvico decarbossilasi) ad acetaldeide che, successivamente, è ridotta ad etanolo con liberazione di NAD⁺ (alcol deidrogenasi):

CH₃COCOOH → CH₃CHO → CH₃CH₂OH (Fig. 15)

Figura 15. Schema della fermentazione alcolica dei lieviti

La respirazione anaerobica

La respirazione anaerobica utilizza NO₃^-, SO²₄ o CO₂ come accettori finali di elettroni (Fig. 16).

Essa non è energeticamente efficiente come quella aerobica, nella sintesi di ATP. Ciò è dovuto al fatto che tali composti hanno un potenziale redox più basso rispetto all’O₂ (O₂ = + 0.815; N0₃^- = + 0.421).

La respirazione anaerobica, però, risulta essere più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alla fermentazione in quanto permette al microrganismo di sfruttare comunque la catena di trasporto di elettroni e la fosforilazione ossidativa in assenza di 0₂.

Figura 16. Schema della respirazione anaerobica

Gruppi fisiologici anaerobi

Denitrificanti

Alcuni batteri utilizzano NO₃ come accettore finale di elettroni con formazione di nitrito (enzima nitrato reduttasi):

NO₃^- + 2 e^- + 2H⁺ + → NO₂^- + H₂O

Il nitrito risulta essere autotossico per questi microrganismi che, quindi, riducono il nitrato ad N2 mediante un processo che è detto denitrificazione. In tale processo ogni molecola di nitrato è in grado di accettare 6 elettroni:

2NO₃^-+ 10 e^- + 12 H⁺ → N₂ + 6 H₂O

I denitrificanti utilizzano tale via in alternativa alla normale respirazione quando nel suolo si instaurano condizioni anaerobiche.

Metanigeni

Sono microrganismi anaerobi obbligati che utilizzano come accettare finale di e-/H+ la CO2 o il carbonato e riducono la CO₂ a metano (CH₄).

Solfobatteri (Desulfovibrio)

Riducono il solfato e lo riutilizzano come accettare finale di e^-/H⁺:

SO²₄ + 8 e^- + 8H⁺ → S^2- + 4H₂O

Ossidazione di molecole inorganiche

Ossidazione di molecole inorganiche (aerobi e anaerobi)

Gli elettroni derivanti dall’ossidazione di composti inorganici entrano nella catena di trasporto degli e- (riduzione dell’NAD) attraverso l’uso dell’energia derivante dalla fosforilazione ossidativa (ATP ad ADP) poiché la riduzione va contro gradiente a potenziale redox.

I microrganismi in grado di effettuare tale processo (chemiolitotrofi) utilizzano, quindi, coppie redox di composti inorganici come produttori di energia.

Donatori di e^-/H⁺ sono: H, NH₄⁺, S, Fe^-2+
Accettori di e^-/H⁺ sono: O₂, SO₄^-, NO₃^-

Ossidazione di molecole inorganiche II

Ossidazione di molecole inorganiche (aerobi e anaerobi)

Nitrificanti (nitrosanti e nitricanti)

Ossidano l’azoto presente nel terreno in forma ammoniacale:

NH₄⁺ + 1½ O₂ → NO₂^- + H₂O +2H⁺ (nitrosanti, Nitrosomonas);
NO₂^- + 1½ O₂ → NO₃^- (nitricanti, Nitrobacter).

Poichè la quantità di ATP è bassa i nitrificanti devono ossidare una gran quantità di sostanza inorganica e questo implica un forte impatto ambientale.

Solfobatteri (Thiobacillus)

Batteri chemiolitotrofi che ossidano S, H₂S, S₂0₃^2-(tiosolfato) e altri prodotti riducibili ad acido solforico con impatto ecologico importante.
La produzione di acido solforico da parte dei solfobatteri per riduzione di S, H₂S e S0₃²⁺ può determinare una riduzione del pH a livelli di 2 e 3.

Nitrificanti e solfobatteri, quindi, devono invertire (tramite PMF e ATP) il flusso elettronico per poter produrre NADH e questo implica una minore resa energetica finale di ATP. Comunque, essi trovano poca competizione nel loro ambiente.