Bioenergetica Microbiană

Bioenergetica microbiană (metabolismul oxidativ energetic)

Procurarea energiei este o proprietate vitală a celulei microbiene, care se realizează prin eliberarea energiei chimice a diferitelor alimente şi formarea compuşilor macroergici prin procesul de fosforilare.

În metabolismul energetic, prin procese de oxidare şi oxidoreducere pe cale enzimatică, substratul nutritiv trece în substrat oxidat, cu eliberarea de energie potenţială (Q1). Substratul oxidat rezultat, având energia potenţială diminuată (Q2), suferă în continuare transformări până la produşii finali:

Substratul oxidat poate servi drept precursor sau, dacă nu este util celulei, se poate elimina în mediu sub formă de catabolit. Cantitatea de energie obţinută prin catabolism poate fi obţinută direct în biosinteză, iar energia excedentă este stocată în compuşi macroergici prin procesul de fosforilare, denumit astfel deoarece componenta macroergică, care stochează energia rezultată, conţine grupări fosfat. Se consideră compus macroergic un compus capabil să elibereze o cantitate de energie mai mare sau egală cu 30 kj/mol.

Principalii compuşi macroergici sunt: ATP-ul, acetil fosfatul (Acetat~P), ADP-ul, fosfoenolpiruvatul, compuşi care pot disponibiliza cantităţi variabile de energie, prin ruperea legăturii macroergice.

În figura următoare se prezintă, simplificat, ciclul ADP-ATP.

Procese exergonice Procese endergonice

ATP

Fermentaţii Biosinteză

anaerobe Reproducere

Fosforilare Transport

oxidativă Căldură

ADP

Fig. 1. Procese metabolice cu participarea ATP.

Fosforilarea poate fi de trei tipuri:

• fotosintetică, întâlnită la bacteriile din diviziunea Photobacteria care folosesc energia radiantă;

• oxidativă,când formarea compuşilor macroeregi cu fosfor are loc prin înmagazinarea energiei eliberate prin reacţii de oxidare, în procesele de respiraţie aerobă sau anaerobă;

• de substrat, în urma formării de compuşi macroergici prin reacţii de oxido-reducere, prin care glucidele sunt transformate, prin procese de fermentaţie anaerobă, în compuşi intermediari, acceptorul de H sau electroni fiind un compus organic.

La fosforilarea oxidativă eliberarea energiei potenţiale din diverse substraturi de natură organică se realizează prin procese de oxidare, care se pot desfăşura astfel:

• reacţii de oxidare prin pierdere de electroni, caz în care are loc un transfer de electroni de la substanţe cu potenţial de oxidoreducere negativ (maxim –0,41 pentru hidrogen), la substanţe cu potenţial de oxidoreducere pozitiv (maxim +0,82 pentru oxigen);

• reacţii de oxidare prin transfer de hidrogen (electroni şi protoni): acest tip de oxidare este folosit de unele microorganisme anaerobe şi aerobe şi transferul este realizat de enzime active la diferite valori ale potenţialului de oxidoreducere. Enzimele implicate în reacţiile de oxidoreducere sunt dehidrogenazele aerobe (aldehid-dehidrogenaza) şi anaerobe (alcool-dehidrogenazele), care au drept coenzime NAD-ul sau NADP-ul şi care preiau atomii de hidrogen trecând din forma oxidată (NAD+) în forma redusă (NADH + H+);

• reacţii de oxidare prin câştig de O2, când, în prezenţa enzimelor care acţionează la un potenţial de oxidoreducere pozitiv, are loc transferul de H la O2 provenit din aer şi se formează apa; această reacţie de oxidare este caracteristică microbiotei aerobe.

Respiraţia aerobă este un metabolism oxidativ dependent de oxigenul din aer, iar produsele finale sunt CO2 şi apa, întreaga energie a substratului oxidat eliberându-se prin produsele finale ale respiraţiei.

Respiraţia aerobă este din punct de vedere energetic foarte avantajoasă pentru celula microbiană; de aceea, atunci când se urmăreşte obţinerea de celule în cantităţi mari (drojdie comprimată) sau de substanţe intracelulare, cultivarea se face în condiţii de aerare.

Microorganismele aerobe dispun de o catenă respiratorie diversificată, în componenţa căreia intră dehidrogenaze, citocromi, citocrom-oxidaze, oxidaze.

Numeroase bacterii pot oxida hidrogenul (Pseudomonas), amoniacul până la NO2 (Nitrosomonas), sulful şi H2S până la sulfit (Acidithiobacillus thiooxidans), sau Fe2+ la Fe3+ (Acidithiobacillus ferrooxidans), reacţii cu rol important în ciclul natural al elementelor.

Respiraţia anaerobă este un metabolism oxidativ în care substratul este transformat până la CO2, iar electronii sunt cedaţi prin oxidare unor compuşi anorganici.

Acest tip de respiraţie este întâlnit la bacteriile strict anaerobe.

Astfel, bacteriile denitrificatoare pot transforma NO3 la azot molecular, bacteriile metanogene pot transforma dioxidul de carbon în metan, bacteriile acetogene ale genului Clostridium pot transforma dioxidul de carbon în acid acetic.

Aceste bacterii obţin o cantitate mică de energie şi pot creşte în absenţa oxigenului molecular, la un potenţial de oxidoreducere de –0,2...-0,3 V. Ţinând cont că mediile care vin în contact cu O2 au un potenţial redox de +0,2...+0,4 la un pH= 7, pentru a asigura dezvoltarea anaerobilor, în mediu se adaugă substanţe cu caracter reducător ca: tioglicolat de sodiu, cistein-SH, sulfură de sodiu. Substanţele reducătoare menţin un potenţial oxidoreducător scăzut, care permite dezvoltarea anaerobilor în plăci, chiar când mediul vine în contact cu aerul. Pentru cultivarea anaerobilor se pot folosi şi vase speciale numite anaerostate, în care O2 este legat chimic, sau cultura se menţine în atmosferă de gaze inerte (CO2, N2).

Metabolismul oxidativ anaerob poate fi întâlnit şi la microorganisme facultativ anaerobe.

Aceste microorganisme au capacitatea de a creşte aerob, utilizând oxigenul din aer (respiraţie aerobă), sau anaerob, utilizând compuşi organici ca acceptori finali ai electronilor produşi prin catabolism.

În condiţii aerobe microorganismele facultativ anaerobe îşi adaptează echipamentul enzimatic pentru procese de oxidare până la produşi finali, utilizând preferenţial oxigenul, când este disponibil, datorită cantităţii mai mari de energie rezultată prin respiraţie aerobă (36 moli ATP/mol glucoză asimilată, faţă de 2-3 moli ATP/mol glucoză fermentată).