Metabolismul

Metabolismul

Metabolismele sunt sisteme biologice cu organiyare complesa si capacitate specifica si independeta de replicare (reproducere). In prezenta nutrientilor specifici sunt capabile sa-si sintetizeze toate componentele organice biogene, sa foloseasca energia rezultata din biodegradarille enzimatice si sa-si asigure toate necesitatile fiziologice(crestere, dezvoltare, multiplicare, respiratie, miscare, etc). Activitatea biologica este normala si continua numai in prezenta nutrientilor specifici pentru biosintezele celulare si asigurarea enrgiei necesare tuturor proceselor vitale.

Meabolismul microorganismelor reprezinta multitudinea reactiilor biochimice, ce au loc in sistemul biologic respectiv, prin care nutrientii preluati din mediu sunt preluati in substante biogene proprii, enrgie si metaboliti (produsi de metabolism). Prin metabolism nutrientii sunt transformati in componente biogene proprii, in energie si in produsi de metabolism. Metabolizarea nutrinetilor asigura energia necesara (sub forma de ATP ) proceselor vitale de biosinteza, biodegradare, transport, crestere, mobilitate, miscare, respiratie si multiplicare.

Reactiile biochimice specifice metabolismului realizeaza functii esentiale pentru activitatea biologica. Aceste functii sunt:

1. eliberarea de enrgie prin biodegradari enzimatice si stocarea ei sub forma de compusi macroergici si in special sub forma de ATP;

2. producerea si asigurarea permanenta a blocurilor si subansamblelor de constructie chimica necesare constituentilor celulari, pornind de la substraturi sau substante nutritive(nutrienti);

3. formarea compusilor biogeni macromoleculari pe baza asamblarii enzimatice a blocurilor si subansamblurilor monetare si a energiei de legatura din compusi macroenergici, in conformitate cu codul genetic al microorganismului.

4. biosinteza si biodegradarea dinamica si economica a biomoleculelor indispensabile si specifice, in functie de necesitatile biochimice si fiziologice ale celulei si organismului. Aceste functii sunt pe deplin realizabile printr-o retea variabila si compexa de cai metabolice. Caile metabolice sunt serii sau secvente de reactii biochimice, catalizate de enzime specifice prin care microorganismele utilizeaza nutrientii pentru biosinteze proprii si energia necesara atat pentru aceste biosinteze, cat si pentru toate procesele vitale. Aceste cai metabolice sunt foarte dinamice, ele se intersecteaza si se interconditioneaza reciproc. Rezultatuol unei reactii constituie inceputul pentru urmatoarea reactie si astfel rezulta reactii in lant, ramificate sau ciclice. Prin acest mod de functionare se stabilesc legaturi dinamice intercelulare foarte stranse, reactiile producatoare (biodegradari) si cele consumatoare (biosinteze) de energie. Procesele de biodegradare,in care se eliberaza energie, dau nastere unor compusi intermediari, care apoi se pot folosi ca procursori (blocuri de constructie chimica), pentru asambalarea unor macromolecule biogene din celula. Metabolismul asigura permanent o rezerva dinamica de procursori de constructie chimica si produce enzimele si comonentele structurale biogene ale celulei. Metabolismul microorganismelor se desfasoara prin cele patru cai metabolice:

1. Caile catabolice (catabolismul)

2. Caile anablice (anabolismul)

3. Caile amfibolice (amfibolismul)

4. Caile anaplerotice (anaplerotismul).

Caile catabolice

Caile catabolice (catabolismul) sunt procesele biochimice implicate in degradarea diferitilor compusi nutritivi din mediu si eliberarea de energie in celula. Aceste reactii de degradare sunt reactii exerogenice (cu eliberare de energie), fapt pentru care catabolismul are aspect de energie au loc printr-o succesiune de procese chimice, al caror numar si diversitate sunt legate de complexitatea structurala a substratului (substantei) care este supus biodegradarii.

Caile catabolice (de dezasimilatie) se desfasoara in etape (faze) succesive. In prima etapa,macromoleculele sunt descompuse pe cale enzimatica in unitatile lor de constructie: glucidele in zaharuri simple, (hexoze si pentoze), aceasta etapa se elibereaza cca. 1% din energia totala, care nu este utilizata de celula si se pierde sub forma de caldura. De regula aceasta etapa se desfasoara sub actiunea exoenzimelor (enzimelor extracelulare), elaborate de sistemul biologic respectiv. In etapa urmatoare substantele constituitive sunt mai departe degradate cu producerea de intermediari metabolici, CO₂,H₂O si cu eliberarea a cca. 1/3 din energia totala. Aceasta degradare are loc printr-o serie de reactii de oxido-reducere o substanta are rol de donor (D) de H sau de e^- si ca urmare se oxideaza iar a doua substanta functioneaza ca acceptor (A) de H sau de e^- si deci se reduce:

DH₂ + A AH₂ + D

Reactiile de oxido - reducere biologica sunt reversibile, cuplate si catalizate enzimatic.

Degradarea subsantelor nutritive prin reactii de oxido - reducere biologica caracterizeaza procesul de respiratie celulara se eliberaza treptat energia, iar excesul de energie este acumulata (stocata) in legaturi macroergice si apoi rezerva stocata este utilizata ulterior in celula. Eliberarea energiei se desfasoara in mod succesiv (fractionat) formeaza sistemul transportor de electroni (catena de respiratie celulara). Surplusul de energie rezultata in reactiile de oxido - reducere al catenei de respiratie celulara este inmagazinat in compusi macroergici de tipul: ATP, GTP, UTP, ADP, GDP, PEP, etc. Incarcarea energetica a celulei microbiene se poate calcula dupa compusii macroergici si are valori cuprinse intre 0 si 1,0. Se noteaza cu E. C. (Energy charge) si este o caracteristica biologica importanta pentru microorganisme. Dupa natura acceptorului final de electroni (e^-) se disting trei tipuri de respiratie celulara si anume:

1. fermentatia

2. respiratia aeroba (respitatia)

3. respiratia anaeroba.

Fermentatia este procesul de oxido - reducere biologica cu producere de energie, in care substantele organice se comporta atat ca donatoare cat si ca acceptoare de electroni (e^-). In procesul de fermentatie, substratul da nastere la un amestec de produsi finali, care sunt oxidati partial si deci numai o cantitate mica de energie este eliberata; (iar restul ramane in produsii de fermentatie).

In fermentatia alcoolica se elibereaza o cantitate mica de energie:

C₂H₁₂O₆2 molecule alcool etilic + 2 CO₂+Kcal

glucoza produs mai redus ce produs mai

contine o parte din energie oxidat

In procesele fermentative se formeaza ATP prin fosforilare la nivelul substratului. Prin aceasta microorganismele isi procura energia (bacterii anaerobe si drojdii de fermentatie). Glucidele constituie pricipalul substrat de fermentatie, iar glucoza este forma principala in care glocudele sunt folosite in metabolism. Glucoza este utilizata in 4 cai diferite si anume:

a) Calea EMBDEN - MEYERHOFF - PARNAS (E.M.P.) sau ciclul glicolizei caracteristica pentru bacterii, fungi si animalele superioare.

Calea E.M.P. este procesul de degradare a glucidelor cu producere de glucozo - 6 - fosfat, fructozo - difosfat si piruvat, atat in prezenta cat si apsenta oxigenului.

b) Calea hexozomonofosfatului (H.M.P) - pentru bacterii, fungi si animale superioare. Calea H.M.P este folosita de microorganisme pentru producerea de pentozofosfati necesari in sinteza nucleotidelor si pentru producerea de NADPH₂, ca sursa reducatoare.

c) Calea ENTER - DOUDOROFF (E.D) - numai la bacterii.

Calea E.D este caracteristica genului Pseudomonas, iar in ultima etapa rezulta piruvat si aldehida 3 - fosfoglicerica. Aldehida 3 - fosfoglicerica poate utiliza enzimele caii HMP cu formre de precursori pentru biosinteze de ADN, ARN, vitamine si acizi aromatici (fara producere de energie).

Caile E.M.P., H.M.P.si E.D. pot fi folosite alternativ sau in diferite combinatii in functie de unele necesitati metabolice.

d) Calea fosfocetolazei - numai la bacterii. Este specifica bacteriilor lactice hererofermentative (Leucosnostoc mesemteroides).

In toate cele 4 cai piruvatul ocupa pozitia unui intermediar cheie, iar de la el pornesc diferite cai terminale. Microorganismele se comporta diferit in metabolizarea glucozei. Bacteriile (homolactice si strict anaerobe) si drojdiile (Saccharomyces cerevisiae) in fermentatia alcoolica, metabolizeaza glucoza in conditii anaerobe pe calea E.M.P. In conditiile aerobe Saccharomyces cerevisiae chrysogenum 2/3 din glucoza este metabolizata pe calea H.M.P. Energia rezultata in cursul fermentatiei nu se pierde toata sub forma de caldura, ci o parte este conservata sub forma de A.T.P. (26 - 30%).

Respiratia aeroba (respiratia) este un tip de respiratie in care acceptorul de electroni este oxigenul. De remarcat este faptul ca substratul de oxidat complet pana la CO₂ si H₂ Catena de respiratie celulara stocheaza energia in A.T.P. prin fosforilare oxidativa.

+ 6O₂

C₆H₁₂O₂----⇢CO₂+6H₂O+688Kcal.

Din energia rezultata 39% se stocheaza in moleculele de A.T.P.,

iar restul se pierde prin caldura. In procesul de respiratie la organismele procariote se formeaza 38 mol A.T.P., dintre care 34 prin fosforilare oxidativa si 4 prin fosforilare la nivelul substratului. La microorganismele eucariote prin respiratie se formeaza 36 mol. A.T.P. Catena de respiratie celulara este reprezentata printr-o serie de enzime numite dehidrogenaze, ale caror coenziune servesc ca acceptori tranzitorii de H (sau e^-) de la un strat donator la unul receptor, in functie de potentialul lor redox.

(E₀H₂=-0,42V→E₀O₂=+0,81V)

Cele mai importante enzime cu coenzimele lor sunt:

Dehidrogenazele pirimidimice cu coenzimele: N.A.D. si N.A.D.P. ca transportori de H de la substrat( E₀ = -0,82V)

Dehidrogenazele flavinice (flavoproteinele) cu coenzimele: F.M.N. si F.A.D. ca transportori de H de la N.A.D. sau N.A.D.P. la chinone(E₀ = -0,05V).

Chinonele ca transportori de H de la flavoproteine la citocromi. Ubichinona sau coenzima Q(E₀ = +0,122V).

Citocromii - ca transportori de H de la chinone la oxigen. b, c, a;

b→c→a1→a3; b(E₀ = -0,004V) → c(E₀ = +0,26V) → a(E₀ = +0,29V) → a3(citocrom oxidaza E₀ =+0,55V)→O₂

La bacterii transportorii specifici de electroni sunt:

Feredoxina (E₀ = -0,418V) - Clostridium pasteurianum (8 atomi Fe/molecula) + -SH cisteina.

Rubredoxina (E₀ = -0,057V) - SH cisteina(1atom Fe/molecula).

Flavodoxina (E₀ = -0,28V) - (1mol F.M.N./mol flavodoxina + - SH cisteina.

Catena de respiratie celulara la eucariote se gaseste in mitocondrii.

SH₂→NAD→FA→C₀Q →cit.b→cit.c→citc cit.a→cit.a3→ 1/2O₂

Grupa I ATP Grupa II ATP Grupa III ATP H₂O

La procariote catena de respiratie celulara se afla localizata in mezosomi si in membrana plasmatica. Si bacteriile sintetizeaza citocromi de tip c , dar desemnati cit c5, cit c4, sau cit 0 capabili de a lega CO. La Azotobacter vinelandii catena de respiratie celulara poseda trei ramificatii terminale ( in functie de conditii ). Calea biochimica de degradari in cazul respiratiei este ciclul acizilor tricarboxilici ( ATC) sau ciclul KREBS, care este cuplat cu catena de respiratie celulara. Daca substratul donor de e^- este o substanta organica aceasta este degradata pana la acid piruvic (ciclul glicolizei), care intra in ciclul KREBS, unde in final rezulta CO₂ si H₂O. Din fiecare molecula de acid piruvic rezulta: 3CO₂, 4NADH₂ si 1FADH₂. NADH₂ si FADH₂ sunt reoxidate in catena de respiratie celulara, cu formare de H₂O si ATP (prin fosfoxilare oxidativa).

Respiratia anaeroba este un tip de respiratie in care acceptorul final de electroni (e^-) este orice substanta anorganica in afara de O₂. Donatorul de electroni poate fi o substanta anorganica sau organica.

Ca acceptori de electroni pot fi : nitratii (NO₃^-), sulfatii (SO₄^-2) si carbonatii(CO₃^-2).

Nitratii NO₃^- sunt redusi treptat la N₂, prin denitrificare. Pentru fiecare molecula de NO₃^- sunt necesari 5e^-. denitrificarea se desfasoara sub actiunea a patru sisteme enzimatice intr-un lant de reactii.

Sulfatii SO₄^-2 sunt redusi la sulfati si apoi la sulf, sub actiunea bacteriilor sulfat - reducatoare (Desulfovibro, Clostridium).

Bacteriile metanogene folosesc CO₂ ca acceptor de electroni reducandu-l la metan. Ca substrat donator de electroni folosesc H₂. Ele au un continut ridicat de vitamina B₁₂ si acid folic, care sub forma de coeziune au rol reducator formand in final CH₄ si 2 mol ATP. Bacteriile metanogene sunt utilizate in biotehnologii de producere a biogazului.

Microorganismele se pot grupa in 4 tipuri respiratorii dupa comportarea lor fata de O₂, si anume:

Microorganisme strict aerobe;

Microorganisme strict anaerobe;

Microorganisme anaerobe, facultativ aerobe;

Microorganisme microaerofile.

Microorganismele strict aerobe - au ca tip de respiratie celulara respiratia aeroba sau respiratia. Ele folosesc ca acceptor final de electroni axigenul (Bacillus subtilis, B. thuringienis, Azotobacter, fungi, Algae, Protozoa).

Microorganismele strict anaerobe - nu se pot dezvolta in prezenta oxigenului si au ca tip de respiratie celulara fermentatia, sau respiratia anaeroba(Clostridium butyricum, Lactobacillus sp., Desulfovibro sp).

Microorganismele anaerobe, facultativ aerobe, sunt adaptate sa-si satisfaca metabolismul energic indifferent de prezenta sau absenta oxigenului. Tipul de respiratie celulara este respiratia (in prezenta O₂) si fermentatia sau respiratia anaeroba (in prezenta O₂) (Streptococcus sp., Staphylococcus, drojdiile).

Microorganismele microaerofile se dezvolta la o cantitate de O₂ atmosferic, mai mica decat cea normal. Tipul de respiratie celulara: respiratie cu tendinte spre fermentatie, sau de respiratie anaeroba. (Leptospira, Thiospirillum).

Caile anabolice

Caile anabolice sau anabolismul, sunt secvente de reactii biochimice catalizate enzimatic in care au loc biosinteze (asimilatii) de constituienti proprii ca: glucide, aminoacizi, acizi grasi, baze azotate (pirimidinice si purinice) si diverse macromolecule. Biosinteza constituentilor celulari se face cu consum de energie si anume a energiei stocate in legaturile macroergice (ATP). Biosinteza diferitelor macromolecule se realizeaza sub actiunea informatiei genetice din AND-ul celular si astfel se asambleaza proteine, acizi nucleic, lipide, polizaharide. Formarea polimerilor macromoleculari se realizeaza din monomerii produsi in metabolism de biosinteza din prima etapa prin diataxie. Reactiile de biosinteza se realizeaza in trepte successive pornindu-se de la moleculele simple, apoi un numar limitat de molecule procursoare si in finall monomerii de constructie de biosinteza prin care se realizeaza in final multitudinea de macromolecule biogene caracteristice celulelor vii.

Caile amfibolice

Caile amfibolice sau amfibolismul sunt cai metabolice centrale, catalizate enzimatic, care functioneaza echilibrat in acelasi timp, atat cu eliberare de energie cat si cu furnizarea de procursori pentru biosinteze. Caile catabolice si cele anabolice functioneaza concomitent in cellule, intr-un echilibru dinamic satisfacand nevoile, atat energetice, cat si de biocumulare ale sistemului biologic. In consecinta intre reactiile de biodegradare a unui substrat organic si metabolismul de bioacumulare se statornicesc legaturi biochimice specifice si anume:

a) In anumite secvente ale metabolismului energetic se elibereaza o parte de energie care se conserva sub forma de ATP, iar concomitent in anumite secvente ale metabolismului de biosinteza, enegia din legaturile macroergice de ATP este utilizata pentru noi bioacumulari.

b) O parte din pradusii rezultati in procesele de biodegradare pot censtitui puncte de plecare a unor reactii de bioacumulare unde au rol de procursori ai substantelor biogene celulare.

Astfel ciclul KREBS reprezinta o acumulare importanta de intermediari ( succinat, oxalilacetat, α - cetoglutarat) pentru metabolismul de biosinteza si in acelasi timp o modalitate de oxidare totala de acetil - C₀A. Caile metabolismului energetic si cele ale metabolismului de bioacumulare, functioneaza simultan in celula.

Caile anaplerotice

Caile anaplerotice sau anaplerotismul sunt reprezentate de acele secvente biochimice catalizate enzimatic care asigura completarea unui deficit de nutrient sau de intermediari consumati (epuizati) in interiorul sistemului biologic printr-o reaprovizionare din afara acestuia. Aceste cai anaplerotice sau auxiliare apar in momentul in care se blocheaza o cale metabolic in functionarea ei datorita unor biosinteze cu folosirea si epuizarea intermediarilor metabolismului energetic. Pentru reluarea activitatilor metabolice normale, sistemul biologic trebuie sa se reaprovizioneze cu nutrientii sau intermediarii epuizati. Prin aceste reaprovizionari se deblocheaza caile metabolice principale si activitatea biologica se desfasoara apoi normal. Astfel in ciclul lui Krebs, in cazul utilizarii α - cetoglutaratului in biosinteza glutamatului, se blocheaza activitatea celulara deoarece nu se mai pot forma ( cu ajutorul α - cetoglutaratului) intermediari cum sunt : fumarat, malat sau oxalilacetat. Reaprovizionarea celulei cu α - cetoglutarat sau cu intermediarii pe care-I poate produce deblocheaza ciclul Krebs si astfel activitatea biologica se poate desfasura in conditii biologice optime. Prin desfasurarea normala a metabolismului stabilitatea celulei este asigurata si procesele ciclice se autoregleaza. Metabolismul activ, economic si optimal asigura un ritm de multiplicare ridicat al microorganismelor cu o supravietuire corespunzatoare si o permanenta competitie pentru nutrient cu alte sisteme biologice. Cunoasterea profunda si detaliata a metabolismului celular ne permite descifrarea biochimiei cresterii, dezvoltarii, suprevietuirii si multiplicarii microorganismelor atat in conditii naturale, dar mai ales pentru folosirea lor in biotehnologii de biosinteza.

Particularitatile metabolismului microorganismelor.

Intensitatea deosebit de ridicata a metabolismului microorganismelor comparative cu a organismelor superioare. Aceasta intensitate foarte ridicata a metabolismului ce consta in principal la microorganismele unicelulare (bacteria,alge, levuri), atat din punct de vedere al biodegradarii, cat si al biocumularii. Astfel 1g de cellule de Micrococcus uraea descompun 180-1200g uree/ora, iar 1g de bacteria lactice hidrolizeaza 178-14890g lactoza/ora. La bacterii si levuri s-a constatat, in conditii optime,producerea in timp scurt a unei cantitati mari de biomasa.

Folosirea unei game largi de nutrienti de catre microorganism le da posibilitatea sa fie prezente in toate habitatele. Ele folosesc o gama larga de nutrienti de la substante organice simple (N₂, CO₂,CO,S) pana la cele mai complexe substante organice. Aproape orice substanta din natura, anorganica sau organica, din care se obtine energie este accesibila metabolismului microbian. Sunt microorganism care pot utiliza : acizi (formic, oxalic, sulfuric), fenol, petrol, asphalt, parafina, piele, cauciuc,lemn, mase plastice, antibiotic si chiar pesticide.

In cadrul microorganismelor exista diferente mari. Unele microorganism folosesc o gama variata de nutrient, pe cand altele sunt specializate pe unele substante nutritive. Astfel Pseudomonas fluorescents foloseste intre 70 si 200 compusi diferiti ca sursa de carbon si energie, pe cand altele sunt specializate: Bacillus fastidiosos - acid uric si compusi purinici; bacteriile nitrificatoare utilizeaza numai azotul anorganic (azotul organic este toxic); bacteriile fizxatoare de azot folosesc azotul atmosferic ca sursa de azot; microorganismele celulozolitice se dezvolta in special pe celuloza ca sursa de energie si carbon, iar bacteriile mertilotrofe folosesc numai substraturile cu metan si methanol.

O plasticitate plasticitate pronuntata a metabolismului microorganismelor, da posibilitatea acestora de a se adapta la o varietate de nutrient din habitat. Prin caile alternative ale metabolismului energic si de biosinteza se pot adapta unor conditii noi nutritive.

O paleta enzimatica variata le pot permite utilizarea unui substrat nutritive pe mai multe cai, iar fiecare cale sa determine formarea de produsi diferiti. Diversele cai metabolice pot coexista si sepot sibstitui in functie de conditiile biochimice si de mediu. Prin asimilarea nutrientilor ca surse esentiale de macroelemente si microelemente, microorganismele isi satisfac cerintele de nutritive.