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Introduzione Questa disciplina studia i microrganismi e di conseguenza la vita microspcopica che riguarda il 90% degli organismi viventi da un punto di vista biologico e filogenetico. I microrganismi sono definiti così in quanto non sono visibili a occhio nudo, per questo motivo si tratta di una scienza nata relativamente da poco tempo. Si intende infatti una classe di individui molto ampia dove le diversità tra di loro sono molte e si tratta di un gruppo molto eterogeneo. Avendo origini molto antiche hanno avuto maggior tempo per evolversi e diversificarsi, vengono considerati gli essere viventi più antichi, i progenitori ancestrali della vita. Questa eterogeneità si traduce in una grande complessità di funzioni nonostante siano composti per la maggior parte da cellule più semplici, le procariotiche, rispetto alla cellula animale e vegetale eucariotiche. A livello citologico però il termine microrganismi comprende sia essere viventi basati da cellule eucariotiche che procariotiche. A parità di cellula osservando il livello evoluzionistico possono essere osservate grandi differenze dai miceti ai lieviti, tra le muffe, i funghi e le alghe. Oltre alle tipologie sopra citate ci sono anche i protozoi, esseri viventi eucarioti semplici non organizzati in tessuti con una dimensione maggiore rispetto ai batteri che però comprendono una classe di organismi molto più ampia. I batteri sono molto rilevanti dal punto di vista medico sia in positivo che in negativo, basta pensare alla loro quantità all’interno del corpo umano che ha più cellule batteriche che eucariotiche grazie alla coesistenza tramite simbiosi, arrivando al peso di 6-7 kg. Quando si parla di microrganismi solitamente vengono usati come sinonimi pericolosi, patogeni, germi anche se esistono sia organismi dannosi sia organismi molto importanti per la vita biologica stessa degli individui che li ospitano. Queste accezionei negative risalgono a tutte le morti che le infezioni batteriche hanno causato nel corso del tempo. Con lo studio dei microrganismi, basandosi sui grafici sovrastanti, c’è stata una notevole diminuzione di epidemie e patologie mortali grazie alla scoperta degli antibiotici, farmaci che hanno permesso al giorno d’oggi di eliminare le malattie mortali limitandole alle polmoniti e alle infezioni a pazienti immuno depressi. Prendendo invece in considerazioni i batteri che hanno un effetto positivo sulla vita possono essere fatti vari: Esempi di simbiosi:
- flora intestinale = ecosistema in cui coesistono cellule umane e batteriche, ma questo anche all’interno del rumine bovino in cui sono presenti gli unici batteri in grado di scindere la cellulosa e rendere la digestione delle fibre vegetali possibile
- batteri cutanei = i batteri presenti sull’epidermide sono in grado di regolare molte aspetti come ad esempio il pH corporeo ma fanno anche da barriera contro batteri pericolosi per la salute
- apparato radicale = alcune piante vivono in simbiosi con i batteri che si instaurano sul loro apparato radicale aiutando nell’acquisizione e nell’assimilazione dei sali minerali. Le leguminose utilizzano questa coesistenza per fissare l’azoto molecolare dal terreno in modo da assorbire azoto sottoforma di nitrato
- batteri sulle foglie = questi vanno a creare uno strato chiamato fillosfera che permette la sopravvivenza delle piante in ambienti molto inquinati, in quanto questi microrganismi sono in grado di degradare gli idrocarburi contenuti all’interno degli scarichi urbani. I microrganismi possono però essere ritrovati in ambienti molto estremi oltre a questi: nei fondali marini dove non arriva la luce solare, nei ghiacciai in cui le temperature sono molto critiche, in luoghi dove non si possono quindi trovare altre forme di vita. Questa capacità di adattamento è stata sviluppata nel corso del tempo grazie all’evoluzione che ha portato a far assumere ai microrganismi forme e aspetti dierenti permettendo il raggiungimento di un numero di organismi variabile da 10
a 10
nei vari habitat. Oltre alla forma si diversificano per il metabolismo, per le capacità biochimiche, tutti aspetti che influenzano il mondo che li circonda e gli organismi con cui si relazionano. La storia della microbiologia Risale a 6-700 anni fa, come disciplina nei primi tempi si concentrò prevalentemente nello studio dei microrganismi patogeni. Oggi i batteri sono diventati una risorsa biologica fondamentale, vengono infatti implicati in diversi processi biologici, si può infatti parlare di una scienza applicata che si suddivide a sua volta in varie branche, distinte a seconda dei microrganismi, dei processi metabolici che utilizzano, della loro genetica, ecologia, fisiologia e anche citologia. É nata alla fine del 600 a partire da un olandese, Leeuwenhoek, che osservando con una lente di ingrandimento un tessuto si accorse
Microbiologia
dell’esistenza di quelli che definì “animacula”, animaletti dalle dimensioni microscopiche. A mettere le basi della microbiologia furono però Pasteur e Koch che nella seconda metà dell’ iniziarono a coltivare in laboratorio i primi batteri in veri e propri brodi di coltura, costituiti da brodo di carne. Questi due scienziati scoprirono che se lasciati all’aria questi brodi tendevano ad intorbidirsi, caratteristica causata dallo sviluppo di microrganismi al loro interno e confermata dall’osservazione al microscopio della soluzione acquosa. Questi metodi vennero utilizzati per studiare i batteri che causavano le malattie del momento, inglobando all’interno del brodo il muco dei pazienti malati andando così ad aumentare la popolazione di quel determinato microrganismo. Tale tecnica però veniva contestata dai creazionisti, secondo i quali i microrganismi si sarebbero originati spontaneamente all’interno del brodo. Furono proprio Redi, con l’esperimento della carne nel barattolo, e successivamente Pasteur con il suo esperimento a cambiare il modo di pensare scientifico del tempo: il secondo studioso utilizzò per dimostrare la sua ipotesi un matraccio con il collo curvo che non permetteva il contatto tra la polvere e il brodo sterile contenuto all’interno, cosa che impediva la crescita batterica e che quindi faceva rimanere la soluzione limpida, ma c h e c a m b i a v a n o n a p p e n a permetteva il contatto con la polvere che causava così la crescita batterica e l’intorbidimento del liquido. —>La coltivazione su brodi di coltura, una volta testata venne utilizzata per la creazione di vaccini, cure preventive composte da microrganismi disattivati con il calore distribuiti poi alla popolazione. Un’altra idea che rivoluzionò la microbiologia fu suggerita dalla moglie di koch e cioè quella di rendere il brodo di coltura solido con l’ausilio della gelatina; il cambiamento di forma permise una crescita batterica migliore e diede la possibilità di recuperare le colonie una volta sviluppate. La crescita batterica in sospensione non garantiva la separazione delle colonie, rendeva possibile solo l’osservazione di un intorbidimento del liquido, solidificando il brodo invece questo era possibile in modo da ottenere i ceppi puri di batteri: colonie formate da cellule tutte uguali nate da una stessa cellula madre (coltura pura). Grazie a questa grande intuizione fu possibile stipulare i postulati di koch, regole per la determinazione degli agenti patogeni che tutt’ora sono valide. L’ambiente in cui condusse questi esperimenti fu quello ospedaliero e i patogeni che andava a coltivare provenivano da pazienti morti oppure malati, era difficile trovare il batterio scatenante la malattia e per questo servivano tutti i passaggi sopra elencati per dire con certezza di aver ottenuto il ceppo puro patogeno. Nel giro di pochi anni si riuscirono così a classificare la maggior parte dei batteri che causavano le malattie più frequenti. Oggi si sa che c’è una falla nel primo postulato in quanto non è vero che non può essere riscontrato: l’organismo patogeno all’interno di organismi sani. Lo sviluppo della malattia infatti è basato anche sul sistema immunitario dell’individuo che è quindi in grado o meno di resistere al microrganismi. Negli ultimi 20 anni la microbiologia ha subito una grossa evoluzione grazie allo sviluppo dei metodi molecolari che hanno permesso di abbattere i tempi e di svolgere uno studio dal punto di vista genetico dei microrganismi, fino ad arrivare ad una coltura indipendente basata sul genoma dei virus e dei batteri analizzati. Citologia La cellula è l’unità morfofunzionale degli organismi viventi, ed è quindi la più piccola struttura ad essere classificabile come vivente. Gli esseri viventi pluricellulari li possiamo dividere in tantissime cellule, ciascuna delle quali indipendentemente svolge alcune funzioni; negli esseri viventi pluricellulari abbiamo una sovrastruttura che è quella dei tessuti le cui funzioni derivano dal fatto che le cellule sono organizzate in un certo modo.
comparti da membrane interne. In alcuni batteri ci sono delle membrane interne che sono delle eccezioni che hanno funzioni particolari ad esempio ci sono i ribosomi perchè servono per la sintesi proteica e che quindi non ci sarebbe metabolismo. Gli unici a non avere bisogno dei ribosomi, sono i virus perché non sono esseri viventi e perché hanno dei genomi ridottissimi. Chi sono i microrganismi I microrganismi sono un gruppo molto eterogeneo perchè comprendono sia eucarioti che procarioti; quando si parla di procarioti da un punto di vista filogenetico, non abbiamo solo i batteri. Se usiamo il termine batteri da un punto di vista tassonomico, il cui nome corretto latino è Eubacteria, sono solo una parte dei procarioti che esistono. I procarioti essendo il gruppo di esseri viventi più numeroso, possiamo dividerlo in due grandi gruppi chiamati: -eubacteria (cioè i batteri veri e propri) -archebacteria. Da un punto di vista di struttura della cellula,di composizione e di funzione sono diversissimi, lontanissimi anche da un punto di vista filogenetico cioè di evoluzione. Tassonomia La tassonomia è la scienza che si occupa di classificare gli esseri viventi, dire che nomi hanno i vari gruppi (phylum,classe, ordine, famiglia, genere, specie). Il concetto di identificazione è importante in microbiologia, in quanto è quello che fa fondamentalmente il microbiologo quando ad esempio gli arriva un campione dovrà identificare il batterio presente. Questo lavoro si basa su un lavoro di sistematica (dividere i batteri in gruppi e dargli un nome). Il concetto di filogenesi spesso viene usato come sinonimo di tassonomia e sistematica, ma la filogenesi è un insieme di fenomeni evolutivi che ha portato proprio a generare tutti gli esseri viventi. All’inizio con la sistematica con Linneo, si pensava che “gli esseri viventi come sono adesso erano quelli che sono sempre stati; le specie che così vediamo sono quelle che ha creato Dio all’inizio” diceva Linneo che è il padre della filogenesi. Successivamente il concetto di evoluzione e dei cinque regni degli esseri viventi. L’albero in cui sono rappresentati fa capire che gli animali, i funghi e le piante derivano dai batteri e dai protisti. Però sembra che i batteri siano simili tra di loro (rami corti) e poi man mano,verso gli animali e le piante, comincia a diversificarsi. In realtà c’è molta meno differenza da un punto di vista di relazioni evolutive che hanno portato questi esseri vivente a diversificarsi. —>I batteri sono più antichi l’evoluzione procede in maniera abbastanza stabile, di conseguenza più gli esseri viventi sono antichi, più hanno avuto tempo di diversificarsi, invece gli esseri viventi nati dopo sono più simili tra di loro. Si è verificato ciò andando a studiare i genomi, le sequenze geniche; Tanto più gruppi di esseri viventi stanno su rami lunghi, e tanto più questo ramo è lontano dall’altro ramo, tanto più differenze genetiche ci sono. Se è vero che siamo partiti da un progenitore comune, dal primo essere vivente (l.u.c.a.= last universal common ancestor) la vita comincia a differenziarsi grazie al fatto che cambiano i genomi in modo divergente. I gruppi di esseri viventi più antichi sono quelli che hanno avuto più tempo di diversificarsi e infatti per miliardi di anni sulla Terra c’erano solo procarioti, che quindi occupano la grande maggioranza dell’albero. I batteri che sono i discendenti diretti di L.U.C.A. hanno avuto più tempo di differenziarsi, tanto che sono quelli che hanno le sequenze geniche molto diverse dagli altri. Gli animali occupano un minore spazio nell’albero così come le piante. Come sono fatti i microrganismi Le molecole sono fatte da più elementi che si uniscono tra di loro, diverse molecole si possono tenere insieme grazie ai legami chimici deboli o forti. -I legami covalenti forti perchè vanno a condividere gli elettroni, di conseguenza il loro legame, più o meno forte, rende le strutture forti e stabili e difficili da rompere. Molto spesso per staccare i legami covalenti delle molecole biologiche intervengono enzimi che hanno capacità di catalizzazione. -I legami idrogeno sono legami deboli che hanno un grosso significato biologico perchè molte molecole biologiche funzionano grazie al fatto che ci sono legami deboli. Come la doppia elica del DNA che funziona proprio perchè si può aprire e richiudere, se fossero legami covalenti si dovrebbe usare energia. La soluzione
invece è che i legami deboli sono facili da farli aprire e sono facili anche da riformare. Un’altra struttura che deve la sua funzione a queste interazioni è la membrana citoplasmatica che è fluida. I lipidi che compongono la membrana sono legati l’uno all’altro, sono legati a coppie con le code da forze elettrostatiche per formare il doppio strato. In microbiologia esiste un’altra struttura che sta fuori dalla membrana che invece è l’esatto contrario, fatta di legami covalenti forti e ha bisogno di essere forte perchè è un po’ la corazza dei batteri. La fluidità della membrana è allo stesso tempo un punto forte, ma anche un punto debole per quanto riguarda i batteri perché la rende un involucro troppo fragile per la vita unicellulare. Le molecole biologiche sono semplici; quello che le rende complesse sono due cose: possibilità di fare macromolecole e gruppi funzionali. Spesso si parte da una stessa base per fare delle molecole diverse, ma quello che cambia è un piccolo gruppo che viene attaccato alla stessa base. Le molecole fondamentali delle strutture biologiche sono: proteine, lipidi e zuccheri. Da soli o in combinazione tra loro e acidi nucleici per la componente genomica. Possiamo dividere queste macromolecole in : -informazionali=formati da polimeri che in successione portano con sè un’informazione (Acidi nucleici, Proteine) -non informazionali=l’ordine dei polisaccaridi non porta con sé un’informazione (Polisaccaridi e Lipidi). 1)I Polisaccaridi: monosaccaridi formati da un solo zucchero e sono importanti quelli a 5 atomi di carbonio (pentosi) e quelli a 6 atomi di carbonio (esosi). Gli esosi come il glucosio sono importanti perchè rappresentano per il metabolismo delle molecole modello ad esempio nella glicolisi. 2)I Lipidi fondamentali nelle strutture cellulari. I lipidi sono delle macromolecole che sono fatti da due componenti: le catene o code che sono fatti di acidi grassi, e la testa che è fatta fondamentalmente di glicerolo. Poi esistono le varie modificazioni ad esempio i fosfolipidi che hanno un gruppo fosfato ed la eterolammina, questa è la fosfo- dietil-entriammina. 3)Le proteine sono polimeri di amminoacidi che hanno uno scheletro carbonioso e il gruppo amminico. I differenti amminoacidi dipendono dalle catene laterali che variano. Differenza tra peptidi e proteine: le proteine sono fatte di lunghe catene di amminoacidi, la proteine diventa tale quando questa lunga catena di amminoacidi porta un’informazione e la sua funzione dipende da questa. Questo vuol dire che il susseguirsi degli amminoacidi porta a delle modificazioni bidimensionali e tridimensionali grazie alla quale la proteina svolge la sua funzione. I peptidi non sono delle proteine ma sono comunque catene di amminoacidi 4)Gli acidi nucleici sono macromolecole informazionali perchè la loro funzione deriva dalla sequenza che hanno i monomeri che li compongono. Per capire i polimeri in modo veloce si va a studiare il monomero che compone gli acidi nucleici sono le basi azotate, o meglio i nucleotidi: macromolecole formate da un gruppo pentoso (ribosio) a cui si legano i gruppi fosfato e la base azotata. Nei polinucleotidi lo scheletro zuccherino con il gruppo fosfato può legarsi con legami covalenti facendo delle catene molto forti, invece nella parte interna dove ci sono le basi azotate queste si appaiano con legami deboli e quindi possono avere degli acidi nucleici a doppia elica (DNA) o degli acidi nucleici a singola elica (RNA) che può piegarsi a formare la doppia elica (tRNA,rRNA). L’ATP è un nucleotide che ha un sacco di fosfato con 3 gruppi fosfato di cui 1 nel caso di ADP o 2 nel caso di ATP, sono ad alta energia. I gruppi fosfato che portano energia e che prendono il nome di gruppi fosfato ad alta energia li ritroviamo in un sacco di molecole biologiche che hanno un ruolo fondamentale nel metabolismo. Dimensioni e forme Il metabolismo si basa su reazioni biochimiche che necessitano di enzimi. Gli enzimi però non sono altro che strutture proteiche e vengono tradotte dall’informazione genetica. Capiamo dunque l’obbligata relazione che vi è anche tra informazione genetica e funzioni cellulari. Le azioni metaboliche sono dunque associate a messaggi genetici. Tutte le strutture cellulari sono fatte da macromolecole, sia nella cellula eucariotica sia in quella procariotica. Nei batteri però, le strutture sono ancora più semplici, perché per ognuno dei comparti si ha una componente dominante, a differenza della cellula eucariotica dove alcune strutture citoplasmatiche sono molto eterogenee. I procarioti sono cellule piccole e microscopiche nell’ordine del micron. Possono andare da 0.5 micron (pochi casi) fino a 4-7 micron, massimo 10, ma solo in rari casi. Ovviamente la lunghezza dipende molto dalla forma che queste cellule possiedono.
4)I metaboliti, che sono le sostanze che sono prodotte dal processo metabolico. Queste sostanze sono in continuo mutamento grazie ai processi di sintesi e di degradazione continua che accadono all’interno della cellula. Cromosomi e Plasmidi Il DNA è identico tra procarioti ed eucarioti, non ci sono basi azotate diverse, o strutture diverse che compongono i filamenti.
Il genoma fa riferimento alla struttura completa e all’insieme di tutti i geni, mentre il DNA è un acido nucleico che svolge il ruolo di componente. Non può esserci cellula vivente priva di genoma e, dunque, di DNA. Il genoma batterico va a dividersi in due componenti principali: il cromosoma e i plasmidi. -Il cromosoma in queste cellule è unico, ossia si trova in singola copia, tranne piccole eccezioni o artefatti creati in coltura. Nella cellula eucariotica troviamo 23 cromosomi, 1 sessuale e 22 non, il batterio al contrario presenta solo un cromosoma. Tutti i batteri devono possedere questo cromosoma. Non esiste cellula procariotica che sia priva di cromosoma. I batteri possiedono anche dei plasmidi, che sono delle componenti accessorie ma sempre formate da DNA. —>Sono strutture accessorie e le cellule dunque possono averle o meno. Ci sono cellule che possono perdere i plasmidi, o altre che possono guadagnarli. A differenza del cromosoma che è unico, i plasmidi possono presentarsi anche in più di una copia. La differenza che persiste tra DNA eucariotico e DNA procariotico, è la disposizione all’interno della cellula. Il DNA eucariotico, con un’estremità iniziale e una finale, mentre il DNA procariotico assume una forma circolare. Sia i plasmidi sia i cromosomi sono formati da DNA circolare e portano entrambi l’informazione genetica, il cromosoma porta il messaggio genetico essenziale alla vita della cellula e non può essere perso o danneggiato, i plasmidi portano invece informazioni genetiche accessorie. Inoltre i plasmidi sono strutture di piccole dimensioni mentre il cromosoma è una struttura di notevoli dimensioni. I batteri possiedono il cromosoma che contiene milioni di nucleotidi mentre i plasmidi possono essere grandi qualche migliaia di basi e di conseguenza portano meno informazioni. La differenza principale non riguarda la grandezza ma la tipologia di informazioni trasportate. I plasmidi in realtà sono una grande e furba caratteristica dei batteri. Partiamo dal presupposto che i plasmidi servono alla cellula per relazionarsi con l’ambiente circostante. Questo ci fa capire che la cellula prende informazioni da questa interazione e le accumula proprio all’interno di queste strutture accessorie. I plasmidi possono essere diversi tra loro perchè alcune specie batteriche li accumulano nel momento in in correlazione all’ambiente in cui si trovano. I geni che codificano per le funzioni vitali stanno nel cromosoma, in quanto non si parla di informazioni accessorie, ma di messaggi genetici strettamente necessari alla vita della cellula. Ad esempio, i geni che codificano per enzimi che regolano la glicolisi si trovano nel cromosoma; questo perchè la glicolisi è una funzione vitale per la cellula. —>La resistenza agli antibiotici, non è una funzione principale, in quanto questa proprietà può essere utile solo in determinati ambienti, mentre in altri no. Dunque questa sequenza genica la troveremo proprio in queste strutture accessorie. Un’altra informazione genetica che potremmo trovare nei plasmidi può essere il gene che codifica per la degradazione di alcune sostanze che si possono trovare in alcuni ambienti. Se molte cellule si trovano in un ambiente ricco di glucosio, può nascere una competizione dunque altri acquisiscono la funzione di ricavare carbonio con altre modalità, rendendo più efficace la loro sopravvivenza. La selezione naturale non si basa sull’omogeneità: se i batteri fossero tutti omogenei non ci sarebbe così tanta diversità, dunque devono esistere altri meccanismi di variabilità. Tra questi, un meccanismo sono proprio i plasmidi. Flusso dell’informazione genica Una proprietà caratteristica di tutte le cellule viventi è la replicazione. La replicazione è necessaria ad esempio quando la cellula deve riprodursi. L’attività di replicazione risulta dunque essere un’attività principale nella vita di una cellula. A livello molecolare la replicazione del DNA ha alcune particolarità nella cellula batterica ma il meccanismo di replicazione, nella sua totalità è lo stesso.
Allo stesso modo la trascrizione e la traduzione sono uguali tra le due cellule, nonostante sempre qualche piccola particolarità che troviamo nella cellula batterica, che è data dalla diversa struttura del genoma. La prima cosa che bisogna evidenziare è il fatto che nella cellula eucariotica esiste il nucleo, mentre in quella procariotica no. Questa assenza di nucleo risulta essere fondamentale: nella cellula eucariotica la trascrizione e la traduzione avvengono in due momenti diversi, questo perché la trascrizione avviene all’interno della struttura nucleare, mentre la traduzione a livello citoplasmatico. Nella cellula procariotica, che manca di nucleo, vede questi due processi avvenire simultaneamente. Il dogma della biologia resta lo stesso, sia per la cellula eucariotica sia per quella procariotica, ma essendoci strutture diverse, anche i meccanismi possono tra di loro variare. Anche la diversa struttura del genoma comporta alcune differenze, infatti ricordiamo che il DNA procariotico è circolare, mentre quello eucariotico è lineare. Ricordiamo cosa sono i tre processi coinvolti nel dogma centrale della biologia: -Replicazione: processo in cui il DNA si duplica producendo due molecole a doppia elica -Trascrizione: sintesi di RNA a partire da uno stampo di DNA (gene). Può portare alla sintesi di mRNA, rRNA e tRNA. -Traduzione: sintesi delle proteine a partire dalla sequenza del mRNA sulla base del codice genetico da parte dei ribosomi. Come riesce ad entrare il DNA batterico all’interno della cellula procariotica? Sappiamo che questa cellula possiede dimensioni molto ridotte e che l’informazione genetica essenziale è situata unicamente nel cromosoma. Il DNA procariotico è talmente lungo che se fosse nella sua forma rilassata non entrerebbe nella cellula—> il DNA del batterio assume forma circolare ma comunque necessita di compattarsi, perchè sennò non riuscirebbe a stare comunque nei limiti fisici della cellula. Il DNA eucariotico sappiamo che si compatta insieme a proteine istoniche, il DNA procariotico invece, per prima cosa si avvolge su sé stesso e poi si organizza in strutture dette domini che vengono stabilizzate da proteine simili agli istoni, ma meno abbondanti. Questo compattamento strutturale gli permette di entrare all’interno della cellula. Ciò nonostante il DNA ha sempre forma circolare, anche se superavvolto. Questi superavvolgimenti permettono al DNA batterico di assumere una forma più compatta e densa. Replicazione Come prima cosa si forma la forca di replicazione. Quando il DNA si apre e intervengono numerosi enzimi, tra i quali il complesso della DNA polimerasi che legge il DNA stampo e sintetizza la molecola complementare. Il processo è dunque lo stesso, da un filamento stampo si deve ottenere una molecola di DNA completa. Si procede in direzione 5’-3’. Si ha sempre un frammento veloce, detto filamento leading e un frammento lento, detto filamneto lagging, che necessita di alcuni inneschi, detti frammenti di Okazaki, che permettono la sintesi da parte della polimerasi. La differenza che sussiste nella replicazione tra le due cellule riguarda proprio la forca di replicazione. Nella cellula procariotica, essendo il DNA circolare, si formano due forcelle replicative, in modo tale che la replicazione avvenga nella metà del tempo. Le cellule procariotiche hanno tratto vantaggio dalla loro semplicità evolutiva. Questo vantaggio si traduce anche in minor dispendio energetico, ad esempio, perchè non avendo nucleo non spendono energia per il trasporto della molecola di RNA che verrà trascritta. La replicazione è una tappa propedeutica alla divisione cellulare, infatti la cellula madre deve obbligatoriamente prima replicare il suo corredo genetico e poi andare incontro alla scissione binaria, meccanismo di divisione cellulare nei batteri. La replicazione è necessaria affinché entrambe le cellule figlie acquisiscano lo stesso identico patrimonio genetico della cellula madre. La modalità secondo cui il cromosoma si replica con una doppia forca di replicazione è detta simmetrica, o con intermedio a teta. Si ha dunque una doppia forcella e la replicazione corre nelle due direzioni opposte impiegando così la metà del tempo necessario a terminare tutto il processo con una sola forca. Questa modalità è tipica dei cromosomi, ma può essere presente anche nei plasmidi. I plasmidi però, possono anche replicarsi come le cellule eucariotiche, attraverso una sola forcella replicativa. Questa modalità prende il nome di replicazione asimmetrica o con intermedio a sigma. Solitamente però i plasmidi si replicano sempre con modalità s i m m e t r i c a , q u e s t o m e c c a n i s m o asimmetrico avviene in un particolare caso: la coniugazione plasmidica.
membrana rappresenta una barriera, un involucro che si trova in tutte le cellule viventi, infatti nei virus non vi è il concetto di membrana. La membrana ha un modello a mosaico fluido rappresentato da molecole di natura lipidica (40%) e proteica (60%). Pertanto è una membrana lipoproteica. Il modo in cui interagiscono e si legano queste molecole (tramite legami deboli) fanno sì che la membrana abbia una natura fluida e che possa compiere le funzioni necessarie alla cellula. La componente lipidica della membrana è una delle strutture fondamentali per la vita, poiché permette alla membrana di assolvere la sua prima funzione di barriera. La membrana sarebbe un ostacolo se fosse fatta solo del doppio strato fosfolipidico, diventa invece attraversabile in quanto sono presenti al suo interno proteine. Ha quindi un carattere semipermeabile, la permeabilità è selettiva. Il doppio strato fosfolipidico, garantisce la funzione di barriera. Quest’ultimo, è caratterizzato sia da una componente fortemente idrofobica (acidi grassi, coda), sia da una componente relativamente idrofila (glicerofosfato, testa), essendo questo un meccanismo perfetto per la vita dovrebbe essere presente in tutti gli esseri viventi. —>Vi è un’eccezione che riguarda gli Archea i quali non sono caratterizzati dalla presenza del doppio strato. Questi sono organismi molto primitivi che però hanno molte applicazioni nelle industrie e sono impossibili da coltivare in laboratorio. Hanno delle funzioni particolari come la metanogenesi: processo rilevante da un punto di vista applicativo, sono batteri che producono metano all’interno di biodigestori. I batteri infatti sfruttano come materiale di partenza, materiali di scarto inquinanti, producono quindi in modo rinnovabile il carburante ed evitano l’utilizzo di carburanti fossili. Gli archea hanno un monostrato, ma la loro membrana pur avendo struttura diversa, svolge la stessa funzione di una membrana a doppio strato. I lipidi di membrana degli archea, hanno delle teste basate su una molecola di glicerolo e lunghe catene idrocarburiche, le quali anche se non legate dai legami tra le code, rappresentano una barriera; è un mosaico molto meno fluido di quello degli eubacteria. Le cellule eucariotiche possiedono nelle loro membrane steroli, assenti invece nelle membrane di quasi tutti i procarioti. La presenza degli steroli nella membrana contribuisce a stabilizzare la struttura e a rafforzarla. Nella maggior parte dei Bacteria invece sono presenti opanoidi, molecole simili agli steroli e che probabilmente svolgono funzione analoga. La permeabilità della membrana è data dalle proteine che garantiscono il trasporto tra l’esterno e l'interno di molecole idrofiliche che altrimenti non potrebbero attraversare il doppio strato lipidico. Le proteine di membrana infatti svolgono un ruolo di trasportatori, ogni trasportatore trasporterà delle molecole specifiche e questo fa sì che la membrana, composta da lipidi e proteine, sia permeabile in modo selettivo. La terza funzione della membrana è quella energetica, ossia la possibilità che ha la membrana di energizzarsi. La mancanza di mitocondri e cloroplasti è motivata dal fatto che le funzioni proprie della membrana mitocondriale sono svolte dalla membrana citoplasmatica perché può energizzarsi. All’interno delle cellule eucariotiche animali, questo meccanismo di produzione di energia, avviene all’interno dei mitocondri tramite il processo di respirazione cellulare. Questo processo nei batteri avviene al livello della membrana citoplasmatica che, grazie al trasporto degli elettroni, attraverso proteine, espelle protoni. Quindi la membrana citoplasmatica, grazie al metabolismo, fa sì che al suo esterno si accumulino protoni e al suo interno rimangono cariche negative. Quindi la membrana è la sede in cui l’energia proveniente dal metabolismo viene prodotta. La componente che viene utilizzata dalla membrana per energizzarsi sono le proteine poiché sono trasportatori di elettroni, ma a garantire la funzione energetica devono concorrere sia le proteine che i lipidi poiché separano le cariche. La membrana è scarsamente permeabile cioè se si trattasse di permeabilità semplice, il tasso di trasporto (quantità di materiale trasportato) dipenderebbe dalla quantità di sostanze presenti da un lato e dall’altro (ex. È presente molto glucosio, allora passa molto glucosio). La quantità di soluti trasportati (da una membrana permeabile) è direttamente proporzionale alla quantità di soluti presenti. In realtà questo nella membrana NON può sussistere poiché sennò non ci sarebbe la selettività. La cellula infatti deve poter regolare il trasporto: la presenza di sistemi di trasporto specifici, fa sì che sia il metabolismo stesso e le necessità del metabolismo stesso a determinare la presenza e l’attività e quindi
quali equanti metaboliti vengono trasportati. I trasportatori riescono a far passare delle sostanze idrofiliche tramite la membrana idrofobica in quanto svolgono la funzione di canali, andando a schermare il doppio strato idrofobico. In un altro comparto batterico si trova un’altra membrana in cui saranno presenti trasportatori poco specifici chiamati: porine. Si tratta di canali che sono facilmente saturabili, una molecola in grado di passare liberamente è l'acqua. La caratteristica di queste proteine di membrana, che svolgono la funzione di trasportatori, è che sono altamente selettivi, sono specifici per le sostanze che devono trasportare. Inoltre la sintesi dei trasportatori è regolata in quanto hanno una durata di vita molto breve. Ci sono 3 sistemi di trasporto:
- Il trasporto semplice
- La traslocazione di gruppo
- Sistema ABC Tutti e tre utilizzano forme di energia diverse TRASPORTO SEMPLICE : canali attraverso cui molecole più o meno piccole riescono a passare perché sfruttano la forza proton-motrice ( energizzazione membrana ). Questa è la forza che attira i protoni a dover rientrare. La membrana quindi, per il fatto stesso di essere stata energizzata, viene a generare la forza proton-motrice la quale viene sfruttata dall’ ATP sintetasi per generare ATP. Qualsiasi molecola carica negativamente, non solo protoni, entra attirata dalle cariche negative rimaste all’interno , entra grazie alla forza proton-motrice.
Uniporter dello ione potassio ( K+ ), è come il protone carico positivamente e quindi viene preso dalla cellula e portato al suo interno, grazie ai trasportatori uniporter-potassio in cui passa solo il potassio ed entra grazie alla forza proton-motrice. Symporter lattosio si basa sul trasporto semplice in cui una molecola non carica entra insieme ad un protone. Quindi il protone che viene attirato all’interno da cariche negative grazie alla forza proton-motrice, fa sì che si apra questo canale per far passare il lattosio. Antiporter pompa sodio-protone, molecole cariche positivamente come lo ione sodio escono attraverso la pompa sodio-protone antiporter, sfruttando l’energia del protone che entra. Tutti questi meccanismi hanno in comune la forza proton-motrice. TRASLOCAZIONE DI GRUPPO : Sistema di trasporto che si basa sul primo passaggio della glicolisi in cui il glucosio entra all’interno della membrana. Nel momento in cui entra gli viene attaccato un gruppo fosfato e passa da glucosio a glucosio-6-fosfato poiché c’è una molecola ad alta energia, il fosfoenolpiruvato, si de energizza e l'energia rilasciata è utilizzata per portare dentro il glucosio. Il fosfoenolpiruvato attraverso enzimi chinasi trasferiscono questo gruppo fosfato e lo cedono al glucosio. Il glucosio viene trasportato all’interno della cellula attraverso un complesso enzimatico trova l’ energia necessaria per portare dentro questa molecola. SISTEMA ABC ( ATP - binding cassette) : Questo trasporto sfrutta l’idrolisi dell’ATP. L’ATP in questo trasporto viene legato, riconosciuto da una di queste macromolecole che compongono il sistema ABC. Poiché l’ ATP deve essere lisato, vi sono quindi proteine che idrolizzano ATP, il quale si idrolizza ad ADP+P e questa energia serve ad aprire il sistema.
I gruppi fosfato possono portare energia o possono rappresentare un consumo di energia perché si possono legare con legame ad alta energia con molecole organiche: l’ATP. Una molecola che ha un gruppo fosfato legato può significare che ha perso o guadagnato energia—> se pensiamo alla sintesi di atp con legami ad alta energia l’origine del gruppo fosfato che si lega ad un composto organico è un origine minerale ( fosfato libero). Il fosfato inorganico è molto abbondante nella nostra cellula ma non porta energia. Quando il gruppo fosfato è già organico e viene staccato o ceduto in quel caso la molecola fosfato rilascia energia.
Hanno parete spessa ed uniforme fatta da un’unica grande molecola di peptidoglicano che rappresenta un involucro spesso e omogeneo che avvolge la membrana. Associati alla parete troviamo anche delle proteine che però nella parete sono molto meno abbondanti rispetto alla membrana in quanto non svolgono funzioni di trasporto. GRAM- É una parete più complessa di quella gram+. Il peptidoglicano è uno strato molto più sottile e soprattutto non è direttamente legato alla membrana citoplasmatica, sembra staccato: c’è uno spazio vuoto detto periplasma ricco di proteine e di attività metabolica. La parete dei gram- non è fatta solo di peptidoglicano ma anche da un doppio strato lipopolisaccaridico che ricorda la membrana plasmatica e prende il nome di membrana parietale o membrana esterna.
La struttura che è in comune sia ai gram+ che ai gram- è il peptidoglicano.
Peptidoglicano
Componente comune a tutti i batteri esclusi gli Archea, i GRAM+ hanno una parete fatta solo di peptidoglicano mentre i GRAM- hanno un sottile strato di peptidoglicano e in più hanno un’altra membrana: quella parietale. Il peptidoglicano è un polimero molto diffuso e molto grande e fatto da unità ripetute. Il peptidoglicano è una macromolecola formata da una componente peptidica e una glicanica: peptidi + zuccheri. Gli zuccheri che la compongono sono 2 e prendono il nome di amminozuccheri:
- N- acetil glucosamina (NAG)
- N-acetilmuranico (NAM) Sono zuccheri che hanno un C legato ad un gruppo amminico. L’ N-acetil glucosamina e l’N-acetilmuranico sono legati tra di loro per formare lunghe catene che si alternano. La particolarità di queste lunghe catene zuccherine è che sono legate da un legame beta 1-4. Per rompere un legame beta serve un enzima apposito. I peptidi sono corte catene di amminoacidi che non si sono ripiegate. Abbiamo 4 amminoacidi che sono legati al NAM che formano le catene peptidiche.. Questi 4 amminoacidi si legano ad ogni residuo di acido di NAM. GLICAN TETRAPEPTIDE: peptide fatto da 4 amminoacidi NAG-NAM, gli amminoacidi si possono levare ad altri peptidi di un altro NAM e garantiscono che queste lunghe catene si leghino alle catene sia in verticale che in orizzontale, ecco perché formano la struttura tridimensionale. La membrana parietale LPS : è un doppio strato lipidico con la faccia interna fatta da lipidi legati dalle code con altri lipidi, non hanno i gruppi fosfati legati al glicerolo ma hanno gli zuccheri che formano lunghe catene che sono i polisaccaridi che prendono il nome di LPS. Parte del lato esterno della membrana. E’ formato da una porzione lipidica chiamata LIPIDE A, nel doppio strato, e da due porzioni
polisaccaridiche un core di polisaccaridi e lunghe catene di polisaccaride O. LPS ha un ruolo nella patogenicità, è un fattore di virulenza. Gli zuccheri sono appiccicosi e capaci di aderire, questa capacità permette di formare biofilm: colonie batteriche che si attaccano alle superfici batteriche. L’LPS è un’endotossina, tossico per le cellule ospite. Le porine L’LPS rende difficile il passaggio di molte molecole che possono risultare dannose per la cellula e impedisce la dispersione degli enzimi perioplasmatici. La permeabilità della membrana esterna ai nutrienti è comunque garantita dalle porine, canali proteici generalmente specifici, che attraversano tutto lo spessore della membrana garantendo un canale acquoso per molecole di piccole dimensioni. Sono comunque presenti proteine transmembrana che fungono da trasportatori specifici. La parete cellulare degli archea La parete degli Archea è sia per struttura che composizione chimica molto diversa dei Bacteria. Infatti alcuni Archea si colorano come gram positivi altri come negativi ma queste colorazioni non sono correlabili in maniera chiara con la struttura delle loro pareti. Alcuni presentano una parete formata da uno spesso strato di pseudopeptoglicano e si colorano come i Gram positivi. Altri sono rivestiti all’esterno della membrana da uno strato proteico o glicoproteico (tipo S-Layer) e si colorano come i Gram negativi. Strutture Esterne Le strutture esterne o extracellulari sono delle componenti molto diverse tra loro sia per funzione che per composizione fisica. Si possono dividere in base al fatto che queste strutture vanno a ricoprire tutta la cellula (capsule e involucri mucosi) oppure vanno a coprire parzialmente la superficie cellulare ( flagelli, fimbrie e pili). Non tutti i batteri hanno queste strutture, anzi molti batteri possono presentarne solo alcune o non presentarne nessuna. Le capsule e gli strati mucosi sono strati al di là della parete più o meno spessi.
- La capsula : ha una funzione molto importante nella virulenza (la capacità dei batteri di poter proliferare nell’ospite). La capsula ha natura polisaccaridica e avvolge tutta la cellula con uno strato zuccherino amorfo, poiché non ha una struttura ben precisa. La caratteristica che permette alla capsula di conferire al batterio una certa virulenza è proprio “l’invisibilità”, in quanto la capsula è in grado di nascondere i recettori del batterio al sistema immunitario quali macrofagi. La capsula, dunque, permette di evadere la risposta immunitaria, in quanto i batteri hanno dei recettori specifici nascosti dalla capsula stessa.
- Glicocalice : è di natura polisaccaridica. Il glicocalice ha una funzione differente ed è molto abbondante, spesso associato a molti batteri con la capacità di aderire alle superfici appiccicose. Esso è molto importante, soprattutto per i biofilm, che sono l’eccezione al concetto di batteri come organismi unicellulari. I biofilm sono una situazione in cui i batteri vivono insieme quasi formando un tessuto e possono trovarsi batteri di diverse specie. Il glicocalice fa proprio da collante tra i vari batteri e permette a questi batteri anche di trattenere le sostanze nutritive. Il biofilm molto spesso si forma soprattutto in ambienti acquatici.
- Filmbrie : sono di natura completamente proteica. Le fimbrie sono appendici molto corte, sottili, e molto numerose, quasi come una “peluria” distribuita in modo omogeneo su tutta la superficie. Permettono al batterio di riconoscere le superfici e di aderire ad esse. Inizialmente si pensava che le fimbrie fossero coinvolte anche nella motilità, ma successivamente si è visto che queste non sono dotate di moto proprio. Infatti alcuni batteri hanno una sorta di moto contrattile, dovuto a strutture proteiche interne alla cellula, poiché non presentano fonti di energia.
- Pili : sono strutture simili alle fimbrie, ma hanno caratteristiche diverse, infatti sono molto più lunghi, meno numerosi e cavi. Sono strutture vuote come tubicini proteici e il fatto di essere cavi è legato alla funzione dei pili sessuali. Essi sono, coinvolti in un meccanismo di scambio di materiale genetico, chiamato coniugazione, tra due cellule, che prevede il passaggio di DNA. Spesso nella forma di coniugazione, parte del genoma è il plasmide. I plasmidi servono per trasferire informazione attraverso la coniugazione plasmidica, grazie ad un pilo sessuale, dentro il quale passa il DNA. Il fatto che il plasmide si replica formando la singola elica a sigma permette il passaggio del plasmide all’interno dei pili.
- Flagelli: di natura proteica, che permettono il movimento della cellula. Questi sono lunghi, meno numerosi, più spessi e dotati di mobilità. Essi ruotano, permettendo, così il movimento del batterio. I flagelli sono ancorati alle strutture della cellula, in particolare alla membrana, con il loro corpo basale, grazie ad una componente proteica, chiamata M-ring, ovvero degli enzimi che permettono il movimento del flagello. Il corpo basale è il vero e proprio “motore” del flagello, che sfrutta la capacità della membrana di energizzarsi, in quanto è associato alla proteina Mot, un canale proteico. La proteina Mot non è una pompa che permette il passaggio di protoni dall’esterno verso l’interno, in quanto la membrana ha una forza proton motrice. Endospore Esistono forme di batteri che perdono gran parte di queste strutture, perché perdono la capacità metabolica. Infatti c’è una forma che i batteri possono acquisire, in cui il metabolismo viene
Metabolismi
Metabolismo: l’insieme di reazioni biochimiche che avvengono all’interno della cellula. Si parla dei nutrienti che utilizzano i batteri, delle sostanze e, di conseguenza, degli ambienti in cui i batteri riescono a vivere. L’obiettivo di ogni essere vivente è quello di riprodursi per mantenere la propria specie, per far sì che quindi non si estingua. Gli esseri viventi che vanno incontro a estinzione sono quegli esseri viventi che perdono la capacità di riprodursi, oppure quelli la cui capacità riproduttiva è inferiore alla mortalità. Ogni essere vivente, e tanto più i batteri, hanno 2 possibilità davanti a loro, per ogni dato ambiente in cui la popolazione si trova: ● Successo ecologico: capacità di una popolazione di aumentare il proprio numero; ● Insuccesso ecologico: porta al declino del numero della popolazione e può portare all’estinzione. Il termine “ecologico” si riferisce al fatto che queste due possibilità sono relative all’ambiente in cui la popolazione si trova, quindi secondo le capacità che ha rispetto ad esso. La riproduzione rappresenta il successo ecologico per tutti gli esseri viventi, ma in particolare per i batteri, in quanto questi ultimi basano la loro rilevanza sul loro numero. La capacità di trovare in un dato ambiente i nutrienti necessari per crescere determina il successo o l’insuccesso della popolazione in quell’ambiente.
la riproduzione passa attraverso la necessità di poter fare metabolismo in un dato ambiente. Non c’è riproduzione e crescita della popolazione senza capacità metabolica, la quale dipende appunto dall’ambiente. La capacità metabolica di un organismo dipende dalla genetica della cellula, ma sempre rispetto all’ambiente in cui si trova. Le informazioni sulla capacità di fare metabolismo si trovano nel genoma. A questo punto introduciamo un altro concetto, l’evoluzione del genoma. L’evoluzione del genoma è spinta dalla capacità di adattarsi all’ambiente, ovvero di cambiare il proprio genoma per poter trovare le capacità metaboliche che servono per sopravvivere in un dato ambiente: i metabolismi che osserviamo adesso nei batteri sono frutto dell’evoluzione. A questo punto introduciamo un ulteriore concetto, ovvero la diversità metabolica: dipendono proprio dal processo di adattamento del genoma. Per diversità metabolica si intende l’insieme di reazioni metaboliche che un gruppo di organismi può presentare, ovvero la possibilità di ricavare energia da sostanze molto diverse. Tanto più sarà alta la diversità metabolica, tanto più sarà la capacità di adattarsi a diversi ambienti. I batteri presentano un’elevata diversità metabolica ed è per questo motivo che sono presenti in tutti gli ambienti e sono capaci di colonizzarli. Il funzionamento degli ecosistemi si basa su dei cambiamenti, dei flussi di sostanze chimiche che ne garantiscono l’equilibrio: i cicli biogeochimici. Di conseguenza la capacità di riprodursi e di fare metabolismo passano proprio per l’evoluzione, quindi i metabolismi che osserviamo adesso nei batteri sono frutto dell’evoluzione. Solo i batteri, infatti, svolgono dei passaggi chiave di processi che sono fondamentali per il funzionamento degli ecosistemi Metabolismi Microbici Fondamentalmente il metabolismo è fatto per assumere sostanze dall’ambiente, trasformarle attraverso reazioni chimiche nella cellula in modo da ricavarne energia e macromolecole, fino ad arrivare ai prodotti di scarto. Il metabolismo è diviso in: ● Catabolismo: reazioni che degradano le sostanze nutritive per ricavare energia e precursori; ● Anabolismo: reazioni che prendono energia e precursori per biosintetizzare le varie componenti cellulari. In realtà nella cellula non esistono momenti o zone, o ancora enzimi, specifici per anabolismo e catabolismo, non sono processi disgiunti, ma sovrapposti. Le reazioni sono contemporaneamente sia cataboliche che anaboliche. Per capire il metabolismo è importante la termodinamica, infatti il metabolismo non è altro che un flusso di energia. Le reazioni sono spesso accomunate da una differenza di energia tra substrati e prodotti.
1)Reazioni endoergoniche: i prodotti hanno più energia rispetto ai substrati (∆G positivo) vuol dire che per formare quei prodotti è stata assorbita energia. 2)Reazioni esoergoniche: i prodotti hanno meno energia rispetto ai substrati (∆G negativo) vuol dire che per formare quei prodotti è stata prodotta energia. Tanta più energia viene liberata da un dato substrato, tanto più il metabolismo è di successo. Enzimi di ossidoriduzione Molte reazioni chiave nei metabolismi sono di tipo ossidoriduttivo (sia nel metabolismo anabolico sia nel metabolismo catabolico). Le reazioni ossidoriduttive permettono dei salti di elettroni, dei passaggi di elettroni tra sostanze chimiche. Il controllo che la cellula ha sulle reazioni ossidoriduttive è che le reazioni sono sempre accoppiate tra ossidazione e riduzione. Il flusso di elettroni viene convogliato dal donatore di elettroni (la sostanza che viene ossidata) ad un accettore di elettroni (la sostanza che viene ridotta). Quindi le reazioni metaboliche hanno alla base le reazioni ossidoriduttive, in cui devono sempre essere presenti il donatore e l’accettore di elettroni. Se così non fosse aumenterebbe l’entropia, quindi gli elettroni verrebbero persi sotto forma di luce e calore, ma ciò non va bene per la cellula, che invece deve sfruttare l’energia. Tanto migliore è il donatore di elettroni, tanto più è l’energia che si ricava, ma non solo. Essere una buona fonte di energia, apparentemente, vuol dire essere un buon donatore di elettroni, ma in realtà le cose sono più complesse in quanto è importante il salto che gli elettroni compiono, quindi è importante il ∆G, ovvero l’energia liberata. Per schematizzare questo concetto c’è un grafico che permette di mettere in classifica i donatori e gli accettori di elettroni e vedere la resa energetica di un certo donatore accoppiato ad un certo accettore: la torre degli elettroni, in cui vengono messe in fila le coppie redox. Tanto più il potenziale di riduzione è negativo, tanto più quella sostanza tende a cedere gli elettroni, ed è quindi un buon donatore di elettroni, viceversa tanto più il potenziale di riduzione è positivo, tanto più quella sostanza tende ad essere un buon accettore. Ovviamente non basta solo avere un buon donatore di elettroni, ma ci vuole anche un buon accettore. Dal grafico si nota che il miglior donatore possibile è il glucosio, mentre il miglior acettore possibile è l’ossigeno, ed insieme fanno la respirazione aerobica. Coenzimi Non è fisicamente possibile per la cellula convogliare l’energia facendola passare direttamente dal glucosio all’ossigeno, perciò ha sviluppato un modo per guidare gli elettroni nel viaggio dal donatore all’accettore, grazie ai coenzimi, che non sono altro che dei trasportatori di elettroni. I coenzimi sono infatti sostanze che si ossidano e si riducono. Coenzimi: NAD+ e NADP+ I coenzimi sono donatori o accettori di elettroni in base a cosa si trovano di fronte: quando trovano una sostanza più elettronegativa di loro si comportano da accettori, mentre se la sostanza è più elettropositiva di loro fungono da donatori. Ciò gli permette di trasportare elettroni senza fargli fare dei salti grossi. Precedentemente è stato detto che la membrana batterica ha un ruolo energetico, infatti, similmente al NAD+ e NADH, in essa sono i trasportatori di elettroni (che fanno parte della catena di trasporto degli elettroni) ad assumere questo ruolo energetico. La differenza è che il NADH e il NADP sono diffusibili, mentre i coenzimi che fanno parte della catena di trasporto degli elettroni no, sono ancorati alla membrana. Ruolo dell’ATP nel metabolismo L’ ATP non è il prodotto principale del metabolismo, ma è UNO dei prodotti, ed è definibile come un trasportatore di energia, grazie al fatto che ha dei legami che si possono formare e quindi prendere energia e rompere cedendo energia. Con lo stesso principio, funzionano tante altre sostanze. L’ATP ha un ruolo importante nel portare energia alle reazioni endoergoniche, quindi quelle che fanno parte dell’anabolismo, che richiedono energia. Nutrizione microbica e diversità metabolica Per fare metabolismo i batteri hanno bisogno di due cose: energia e precursori. Per precursori si intendono tutte le molecole che gli servono per sintetizzare le macromolecole, quindi le fonti di carbonio. Il carbonio infatti costituisce l’ossatura di tutte le macromolecole.
respirazione e la fermentazione, il fatto che una usi un accettore di elettroni esterno e uno interno. Nello schema si vede anche che il flusso di elettroni porta alla formazione di una forza motrice, anche se l’energia che viene prodotta non viene usata esclusivamente per produrre ATP. Lo schema fa anche vedere che i microrganismi, come tutti gli esseri viventi chemiorganotrofi, non solo ricavano energia dal composto organico, ma usano lo stesso composto anche per ricavare i precursori per la biosintesi: i chemiorganotrofi, cioè, sono eterotrofi. Gli atomi di carbonio non formano tutti CO2, una parte di questi atomi, sottoforma di zucchero o di metabolita dello zucchero, sono usati come precursori per la biosintesi. Il fatto di essere eterotrofi significa che nella chemiorganotrofia, il catabolismo e l’anabolismo non sono due funzioni distinte ma strettamente correlate. Il glucosio viene preso come modello, in quanto potrebbero esserci altri zuccheri. Dal punto di vista biochimico la chemiorganotrofia è composta dalla glicolisi che è in comune sia alla fermentazione che alla respirazione. C'è poi c'è un punto, a livello dell’acido piruvico, che distingue e separa la fermentazione dalla respirazione. Nel caso in cui il processo prosegua verso la respirazione, tutto il glucosio può essere trasformato in CO2. La via alternativa che la cellula può prendere è la fermentazione, una via obbligata quando nell’ambiente esterno non ci sono sostanze su cui scaricare gli elettroni, serve per riequilibrare l’ossidazione avvenuta nella glicolisi. La fermentazione, di conseguenza, non permette di ricavare l’intera energia dal substrato, diversamente dalla respirazione. Per esempio l’etanolo (prodotto della fermentazione alcolica), è un prodotto organico, ancora ricco di energia. Proprio perché l’accettore finale della fermentazione possiede ancora tanta energia, significa che si è sfruttata solo poca energia del glucosio. Solo le respirazioni permettono di sfruttare completamente l’energia del substrato. Per quanto riguarda i prodotti nella respirazione, l’ossigeno si trasforma in acqua, se non c'è l’ossigeno, si scaricano gli elettroni su altri composti come il nitrato, nitrito, azoto molecolare. Nel caso della fermentazione, gli elettroni vanno a scaricarsi sull’acido piruvico che si trasforma in acido lattico, in etanolo, acido butirrico...ci sono molti prodotti che possono esserci nella fermentazione. I meccanismi che permettono di sfruttare energia che si libera dall’ossidazione del substrato, vengono detti meccanismi di conservazione dell'energia. La conservazione dell’energia sta ad indicare che l’energia contenuta nel substrato non va dissipata ma viene convertita in energia sfruttabile per la cellula, come l’ATP. ➔ Nella fermentazione si ha un meccanismo chiamato fosforilazione a livello del substrato. ➔ Nella respirazione si ha la fosforilazione del substrato e, in più, la fosforilazione ossidativa.
- Fosforilazione a livello del substrato: la fosforilazione è un processo in cui un gruppo fosfato inorganico (Pi) viene legato a una molecola organica. Nella trasformazione del fosfato inorganico c'è un arricchimento energetico della molecola che viene fosforilata: il fosfato inorganico ha poca energia, non appena si lega a un’altra molecola diventa ad alta energia. La fosforilazione, quindi, è un modo per conservare energia. Fosforilazione significa conservazione dell’energia ed è uno dei modi per trasformare l’energia che deriva dall’ossidazione del substrato in energia utilizzabile dalla cellula negli anabolismi. Nella fosforilazione, il gruppo fosfato è legato a un substrato e questo avviene contemporaneamente all’ossidazione del substrato stesso. Il substrato viene ossidato, si ricava energia, e quest’energia viene subito conservata e legata al substrato.
- Fosforilazione ossidativa: nella respirazione invece, le ossidazioni non sono accoppiate alla conservazione di energia, si hanno una serie di reazioni in cui si ossida il substrato, ma non si ha subito la conservazione di energia. Gli elettroni entrano in una catena di trasporto degli elettroni, la quale fa saltare gli elettroni attraverso dei trasportatori (NAD) fino all’accettore finale e, contemporaneamente, energizza la membrana. In questo modo la membrana accumula la forza proton motrice, la quale si occupa proprio di sintetizzare l’ATP.
Glicolisi La glicolisi è l'insieme di reazioni biochimiche che trasformano il glucosio in acido piruvico. Siccome durante la glicolisi avviene la fosforilazione del substrato, anche quest’ultima, come la glicolisi stessa, è comune sia a respirazione che a fermentazione. Nel caso della fermentazione, però, dopo l’acido piruvico non si ha altro modo di ricavare energia, la quale viene completamente dalla fosforilazione a livello del substrato. La glicolisi avviene in tre tappe, le prime due sono quelle strettamente glicolitiche, mentre la terza è quella in cui si separano fermentazione e respirazione.
- Le prime tappe sono di preparazione: il glucosio si scinde e non ci sono reazioni di ossidoriduzione (non c'è ricavo di energia).
- Secondo stadio: si ha il vero e proprio consumo del substrato, si ha la reazione chiave poichè c'è ricavo di energia. In questa seconda reazione si hanno tre processi fondamentali: Il glucosio, che è gliceraldeide trifosfato, viene ossidato. In contemporanea si ha la riduzione del NAD (se si ossida il substrato, qualcosa dev’essere ridotto). Quest’ossidazione è quindi la reazione chiave perché si brucia il substrato e quindi si ricava energia. Il fosfato inorganico si lega al substrato. Quest’energia prodotta dall’ossidazione va in parte verso il NAD, e in parte viene sfruttata in loco perché viene ceduta al fosfato inorganico, che si va a legare al substrato. Questa è l’unica reazione della glicolisi in cui si ricava energia, infatti, è una reazione ossidoriduttiva. FERMENTAZIONE: La fermentazione è un insieme di reazioni anaerobiche che avvengono in assenza di ossigeno e sopratutto in assenza di un accettore finale esterno. La cellula non può continuare a ossidare il substrato, perché se continuasse a fare reazioni ossidative andrebbe a produrre troppo NAD+ ridotto. L’accettore finale, in assenza di uno esterno, viene prodotto dalla stessa cellula: è l’acido piruvico che invece di continuare a essere ossidato, funge da accettore finale di elettroni, formatisi nella glicolisi. Gli elettroni quindi vengono ceduti al metabolita ossia l’acido piruvico. Ecco perché con la fermentazione non si ha la completa mineralizzazione del substrato, e si ricava poca energia. L’unica energia che si ricava è esclusivamente quella della glicolisi. I prodotti diventano prodotti di scarto, secreti dalla cellula. Per questo, la fermentazione è anche detta metabolismo riduttivo del piruvato. RESPIRAZIONE Si continua, nella respirazione, ad ossidare il substrato anche dopo la glicolisi. Si può leggere anche come metabolismo ossidativo dell’acido piruvico, il quale continua ad essere ossidato. Questa via biochimica è detta Ciclo di Krebs. Mentre nella glicolisi è una sola la reazione ossidativa che va a produrre ATP, nel ciclo di Krebs si hanno moltissime reazioni ossidative. Più viene ossidato il substrato, più energia si ricava, ed è qui che si ricava la maggior parte dell’energia. L’acido piruvico entra nel ciclo di Krebs con un’ossidazione, trasformandosi in acetil-coA, qui avviene anche la prima mineralizzazione: una molecola di CO2 si stacca. Nonostante le numerose ossidazioni, non si vede la produzione di energia, ma solo il potenziale di fare l’energia. Un minimo di energia viene prodotta nel ciclo di Krebs, si produce il GTP. Questo accade perché tutto il NAD ridotto ha preso gli elettroni per poi convogliarli alla vera centrale energetica: la catena di trasporto degli elettroni. La catena di trasporto è un insieme di ingranaggi che producono l’energia, ma in assenza degli elettroni, provenienti dalle ossidazioni del ciclo di Krebs, la produzione di energia non avverrebbe La catena è localizzata, nei batteri, a livello della membrana plasmatica ed è formata da trasportatori, cioè dei complessi enzimatici che hanno al loro interno molecole in grado di ossidarsi e ridurre. Queste molecole sono in ordine di potenziale. Il NAD ridotto porta gli elettroni che gli sono stati ceduti nella glicolisi e soprattutto nel ciclo di Krebs, al primo dei complessi enzimatici della catena di trasporto di elettroni. Questo è il complesso meno elettropositivo di tutti, proprio perché sono in ordine di potenziale. Questo complesso avrà attaccato a sé un complesso un po’ più elettropositivo, il quale sarà a sua volta attaccato a un complesso
