10 MEDICINA - metabolismo batterico.pdf - Ch.unich.it
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Giovanni Di Bonaventura, Ph.D., B.Sc.<br />
Univers<strong>it</strong>à di <strong>Ch</strong>ieti-Pescara
Richieste metaboliche: elementi essenziali<br />
In generale, i batteri per<br />
la loro cresc<strong>it</strong>a hanno<br />
bisogno di elementi<br />
essenziali. In particolare<br />
di:<br />
H 2O<br />
fonte di C<br />
fonte di N<br />
fonte di energia<br />
ioni vari
Tipi di -trofia: gruppi nutrizionali<br />
Sulla base delle esigenze nutrizionali, i<br />
batteri possono essere classificati in<br />
gruppi nutrizionali:<br />
I batteri patogeni per l’uomo sono tutti<br />
I batteri patogeni per l’uomo sono tutti<br />
chemiosintetici ed eterotrofi (organotrofi)
Richieste metaboliche: energia<br />
La cellula batterica richiede un costante apporto di energia (capac<strong>it</strong>à di<br />
produrre lavoro) per sopravvivere:<br />
sintesi di proteine, carboidrati, lipidi (energia potenziale o chimica)<br />
attivazione di processi biochimici cellulari<br />
motil<strong>it</strong>à, trasporto attivo nutrienti, etc. (energia cinetica)<br />
Energia “libera”: quant<strong>it</strong>à di energia disponibile durante una reazione<br />
chimica per compiere lavoro cellulare<br />
energia libera (reattivi) > energia libera (prodotto finale) = reazione esoergonica<br />
energia libera (reattivi) < energia libera (prodotto finale) = reazione endoergonica<br />
1° principio della termodinamica: l’energia non viene creata né distrutta,<br />
ma trasformata.<br />
2° principio della termodinamica: durante una trasformazione, parte<br />
dell’energia è dissipata come calore nell’ambiente circostante.
Metabolismo e conversione di energia<br />
Metabolismo (gr. μειαβολη’ = trasformazione):<br />
l’insieme delle reazioni chimiche, organizzate in<br />
sequenze (pathways) metaboliche, che avvengono<br />
nella cellula.<br />
Il <strong>metabolismo</strong> è cost<strong>it</strong>u<strong>it</strong>o da due processi, correlati<br />
tra loro e strettamente integrati:<br />
Catabolismo (<strong>metabolismo</strong> energetico) “demolizione”<br />
di grosse molecole in molecole di piccole dimensioni.<br />
Libera energia (esoergonico).<br />
Anabolismo (<strong>metabolismo</strong> biosintetico) piccole<br />
molecole vengono utilizzate per la “sintesi” di grosse<br />
molecole. Utilizza energia (endoergonico).<br />
Il <strong>metabolismo</strong> si articola, generalmente, nelle seguenti fasi:<br />
1. Idrolisi delle macromolecole “ambientali” mediata da esoenzimi.<br />
2. Le molecole degradate vengono trasportate all’interno della cellula.<br />
3. Concentrazione intracellulare delle molecole attraverso sistemi di trasporto<br />
(attivo/passivo).<br />
4. I metabol<strong>it</strong>i vengono trasformati, attraverso una o più vie metaboliche, in<br />
acido piruvico, metabol<strong>it</strong>a intermedio universale.
Produzione di Energia: sintesi di ATP<br />
ATP: principale forma di energia potenziale per<br />
la cellula<br />
Sintesi di ATP: fosforilazione<br />
Fosforilazione a livello del substrato<br />
▪ un composto metabolico intermedio fosforilato dona il P a<br />
ADP;<br />
▪ fermentazione; scarsa efficienza (ancestrale)<br />
Fosforilazione ossidativa (chemiosmosi)<br />
▪ Trasporto di e- da substrato ad un accettore “esterno”<br />
mediante catena di trasporto elettronica (membrana<br />
cellulare)<br />
▪ Respirazione; complesso ed efficiente (evoluto)<br />
Fotofosforilazione<br />
▪ e- (luce) formano un gradiente protonico attraverso la<br />
membrana dei cloroplasti. I protoni si muovono secondo<br />
gradiente attraverso la membrana per produrre ATP
Processi che generano energia:<br />
Metabolismo del glucosio<br />
Il glucosio viene degradato per produzione di energia o di altri<br />
substrati intermedi (utilizzabili).<br />
I batteri utilizzano tre vie metaboliche principali per il catabolismo<br />
del glucosio:<br />
Via glicol<strong>it</strong>ica (via di Embden-Meyerhof-Parnas)<br />
Via fermentativa<br />
Ciclo degli acidi tricarbossilici (Ciclo di Krebs)<br />
Respirazione aerobia/anaerobia: glicolisi + Krebs<br />
Via fermentativa: glicolisi + fermentazione
Via glicol<strong>it</strong>ica (Embden-Meyerhof-Parnas)<br />
1 molecola di glucosio (6C) viene ossidata<br />
formando 2 molecole di acido piruvico<br />
(3C).<br />
Produzione di ATP mediante<br />
fosforilazione a livello del substrato.<br />
Produce: 4 ATP + 2 NADH<br />
Utilizzo di 2 ATP nelle fasi iniziali.<br />
Energia associata a NADH viene dissipata<br />
come calore.<br />
Resa energetica netta: 2 ATP + 2 NADH
Produzione di ATP: fosforilazione a livello del substrato<br />
3-fosfoglicerolo fosfato 3-fosfoglicerato<br />
2-fosfoenolpiruvato acido 2-piruvico<br />
Reazioni appartenenti alla via glicol<strong>it</strong>ica.<br />
attraverso questo meccanismo viene prodotta<br />
soltanto ATP durante la fermentazione.<br />
Sintesi di ATP sufficiente per la cresc<strong>it</strong>a microbica.
Respirazione batterica (aerobia/anaerobia)<br />
In presenza di O2, il piruvato viene completamente “mineralizzato” a H 2O e<br />
CO 2 mediante il ciclo dell’acido tricarbossilico (TCA o ciclo di Krebs).<br />
Produzione di potere riducente (NADH, FADH 2) e ATP (fosforilazione ox).<br />
La respirazione si articola in 4 fasi distinte:<br />
1. Glicolisi (1 x glucosio = 2 x piruvato)<br />
2. Reazione di Transizione<br />
▪ Produce acetil-CoA che entra nel ciclo di Krebs<br />
3. Ciclo di Krebs (ciclo acidi tricarbossilici, TCA)<br />
▪ Produce metabol<strong>it</strong>i precursori di vie anaboliche<br />
4. Trasporto elettronico/<strong>Ch</strong>emiosmosi<br />
▪ I carriers elettronici (potere riducente) trasferiscono i loro e - alla catena di trasporto<br />
elettronico che genera un gradiente protonico o forza protonica motrice (PMF)<br />
▪ Respirazione aerobia: O 2 accettore finale di e - (con produzione di H 2O)<br />
▪ Respirazione anaerobia: NO 3 - oppure SO4 2- quali accettori finali e - (con produzione di<br />
N 2 e H 2S, rispettivamente)
Ciclo di Krebs<br />
(ciclo degli acidi tricarbossilici, ciclo acido c<strong>it</strong>rico)
Il ciclo del TCA è ANFIBOLICO<br />
Posizione “centrale” del ciclo<br />
del TCA:<br />
Produzione efficace di ATP<br />
Via comune finale per<br />
completa ox di aminoacidi,<br />
acidi grassi e carboidrati<br />
Fornisce sostanze<br />
intermedie chiave per la<br />
sintesi di aminoacidi, lipidi,<br />
purine e pirimidine<br />
Il ciclo del TCA è un ciclo<br />
ANFIBOLICO (con funzioni<br />
anaboliche e cataboliche)
Respirazione: il sistema di trasporto elettronico<br />
Gran parte della sintesi di ATP ha<br />
sede a livello del sistema di<br />
trasporto elettronico.<br />
Questo sistema è una serie di<br />
membrane legate a carriers di e- Il flusso di e- Il flusso di e genera energia che<br />
viene utilizzata per estrudere H +<br />
dalla cellula.<br />
Nei batteri esistono differenti<br />
sistemi di trasporto (tipologia e/o<br />
disposizione dei carriers).
Trasporto di e - : carriers<br />
Specifiche molecole (carriers) trasferiscono, mediante reazioni redox, e -<br />
liberati dalla ossidazione di una sorgente di energia<br />
Sede del sistema di trasporto:<br />
Eucarioti: m<strong>it</strong>ocondrio (matrice membrana interna spazio intermembrana)<br />
Procarioti: batteri (c<strong>it</strong>oplasma m. c<strong>it</strong>oplasmatica spazio periplasmico)<br />
Carriers:<br />
Flavoproteine (FMN)<br />
Fe-S proteina<br />
Coenzimi:<br />
▪ Ubichinone (coenzima Q)<br />
▪ Nicotinamide-adenina-dinucleotide (NAD + )<br />
▪ Flavin-adenina-dinucleotide (FAD)<br />
▪ Nicotinamide-adenin-dinucleotide fosfato (NADP + )<br />
C<strong>it</strong>ocromi (c<strong>it</strong>)
Respirazione: Sintesi di ATP (teoria chemiosmotica)<br />
Produzione di PMF:<br />
L’energia che deriva dal<br />
trasferimento di e- durante le<br />
reazioni redox abil<strong>it</strong>a i<br />
carriers a pompare H + verso<br />
l’esterno attraverso la<br />
membrana. L’aumento della<br />
[H + ] su di un lato della<br />
membrana, genera un<br />
gradiente elettrochimico<br />
(forza protonica motrice,<br />
PMF). PMF usata anche per<br />
trasporto attivo e rotazione<br />
flagellare.
Respirazione: Sintesi di ATP (teoria chemiosmotica)<br />
Sintesi di ATP: seguendo il gradiente elettrochimico, i protoni H + accumulati tornano<br />
indietro attraversando di nuovo la membrana a livello del complesso ATP sintetasi. Il<br />
rientro di H + fornisce energia utile per la sintesi di ATP a partire da ADP e fosfato.
Respirazione aerobia: “resa” energetica
Fermentazione<br />
Incompleta ossidazione di carboidrati (glucosio), aminoacidi od acidi<br />
grassi in assenza di O2 (anaerobiosi):<br />
Donatore ed accettore organici di e- donatore = glucosio principalmente, ma anche aminoacidi (a coppie in<br />
Clostridium, reazione di Stickland), purine, pirimidine, acidi organici.<br />
accettore = acido piruvico o suoi metabol<strong>it</strong>i<br />
Processo metabolico “prim<strong>it</strong>ivo”:<br />
2 ATP / molecola di glucosio<br />
fermentata<br />
veloce, ma poco efficiente<br />
(vs respirazione)<br />
Prodotti:<br />
alcool etilico (liev<strong>it</strong>i, da glucosio)<br />
gas, acidi (batteri, da piruvato)
Fermentazione
Tipologie di fermentazione<br />
Fermentazione alcoolica. Produce alcool etilico + CO 2 (liev<strong>it</strong>i)<br />
Fermentazione lattica. Produce acido lattico:<br />
Fermentazione omolattica: solo acido lattico (Lactobacillus-yogurt)<br />
Fermentazione eterolattica: acido lattico + altri acidi + gas (CO 2, H 2)<br />
Acido butirrico (burro “rancido”, Clostridium-gangrena)<br />
Acetoino (fermentazione di butanediolo in vibrioni ed Enterobatteri,<br />
Vogues-Proskauer test)<br />
Acido propionico (formaggio svizzero)
Prodotti del <strong>metabolismo</strong> fermentativo del piruvato
Tests di fermentazione nel laboratorio clinico<br />
Semina terreno (solido/liquido) contenente carboidrato + indicatore di pH<br />
In presenza di fermentazione produzione di acidi<br />
Acidificazione del terreno<br />
Viraggio dell’indicatore di pH:<br />
rosso fenolo: rosso giallo<br />
Esempi: :<br />
Shigella sonnei (glucosio)<br />
Escherichia coli (glucosio, lattosio)<br />
Staphylococcus aureus (mann<strong>it</strong>olo)
Tests di fermentazione (test O-F)<br />
(a), (b): negativi per formazione di acidi dal glucosio<br />
(c), (d): pos<strong>it</strong>ivi formazione di acidi dal glucosio
Albero decisionale identificativo
Fermentazione: rilevanza clinica<br />
Clostridium perfringens:<br />
Fermenta il glucosio<br />
Produzione di acido butirrico<br />
Acido butirrico causa danno tessutale<br />
Gangrena gassosa da C. perfringens
Respirazione vs Fermentazione
Vie alternative alla glicolisi: ossidazione del glucosio<br />
via dei pentoso-fosfati (shunt dell’esoso monofosfato)<br />
batteri aerobi obbligati, aerobi-anaerobi facoltativi<br />
presente anche nelle cellule animali<br />
via di Entner-Doudoroff<br />
dimostrata solo nei batteri<br />
(aerobi obbligati)
Via dei pentoso-fosfati<br />
Via alternativa (o parallela) alla glicolisi<br />
negli aerobi obbligati e aerobianaerobi<br />
facoltativi:<br />
Bacillus subtilis, Escherichia coli,<br />
Leuconostoc mesenteroides,<br />
Enterococcus faecalis<br />
Produce carboidrati “peculiari” (C5-C7)<br />
Produce precursori di macromolecole<br />
(aminoacidi, nucleotidi).<br />
Glucosio-6-P trasformato a piruvato.
Via di Entner-Doudoroff<br />
Via alternativa alla glicolisi negli<br />
aerobi obbligati:<br />
Rhizobium spp.<br />
Agrobacterium spp.<br />
Pseudomonas spp.<br />
Neisseria spp.<br />
Produce metabol<strong>it</strong>i “particolari”<br />
Glucosio-6-P trasformato a<br />
piruvato e 3-P-gliceraldeide<br />
Gliceraldeide 3-P segue gli ultimi 5<br />
steps della glicolisi<br />
Glucosio-6-P<br />
NAD<br />
NADH<br />
Acido 6-fosfo-gluconico<br />
H H2O 2O<br />
Acido cheto-deossi-fosfo-gluconico<br />
PIRUVATO<br />
Krebs Fermentazione<br />
3-P-GLICERALDEIDE<br />
Ciclo EMP
Vie metaboliche energetiche principali
Metabolismo & aerobiosi/anaerobiosi<br />
Batteri AEROBI OBBLIGATI<br />
Vivono solo in presenza di O2 ▪ Respirazione aerobica<br />
Batteri AEROBI-ANAEROBI FACOLTATIVI<br />
Vivono in presenza/assenza di O 2<br />
▪ Respirazione aerobica<br />
▪ Respirazione anaerobica<br />
▪ Metabolismo fermentativo<br />
▪ Esclusivamente fermentativi (streptococchi)<br />
Batteri ANAEROBI OBBLIGATI<br />
Vivono in assenza di O 2<br />
▪ Respirazione anaerobica<br />
▪ Metabolismo fermentativo
Anaerobi: sensibil<strong>it</strong>à all’ossigeno<br />
• Sensibil<strong>it</strong>à variabile:<br />
Tolleranza ad esposiz. prolungate (2-8 h) di 2-8% O2 Sensibil<strong>it</strong>à a brevissime esposizioni o a basse concentrazioni 0.5%<br />
Assenza di catalasi<br />
Catalasi protegge da tossic<strong>it</strong>à dei perossidi (O- - Catalasi protegge da tossic<strong>it</strong>à dei perossidi (O ) - - )<br />
▪ 2H2O2 2H2O + O2 ▪ Clostridium haemolyticum<br />
Batteri anaerobi obbligati catalasi +<br />
Assenza di SuperOssidoDismutasi (SOD)<br />
SOD protegge dal radicale superossido libero (O -<br />
2 )<br />
▪ Dismutazione: O -<br />
2 + O2<br />
- O2 + O - -<br />
2<br />
Eubacterium limosum, Clostridium oroticum SOD+<br />
Potenziale redox ambientale (E h)<br />
Bassi valori di E h