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Titolo batteri
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METABOLISMO BIOSINTETICO

L'anabolismo comprende tutto l'insieme dei processi di sintesi o bioformazione delle molecole organiche (biomolecole) più complesse da quelle più semplici o dalle sostanze nutritive. Questi processi richiedono energia, al contrario del catabolismo. Sebbene l'anabolismo e il catabolismo siano due processi contrari, funzionano in maniera coordinata ed interdipendente. Le vie cataboliche forniscono gli intermedi biochimici utili all'anabolismo per operare la biosintesi delle macromolecole.

Schema anabolico

Schema anabolico

Nel metabolismo energetico abbiamo visto che, indipendentemente dai diversi meccanismi, la funzione finale è la produzione di ADP e di piridinnucleotidi ridotti (quando sia richiesto potere riducente) per fornire l'energia necessaria alle reazioni di biosintesi. I prodotti finali delle biosintesi sono proteine ed acidi nucleici. In generale le reazioni che portano alla formazione di queste molecole variano pochissimo da gruppo a gruppo, fatta eccezione per la formazione di saccaridi e lipidi in quanto la loro composizione chimica è spesso specifica per gruppo di organismi. Le esigenze nutrizionali di una cellula sono legate alle sue capacità biosintetiche considerando che ci sono due modi, per una cellula, di procurarsi le molecole necessarie per la sua crescita: trovarle già pronte nell'ambiente o sintetizzarle da molecole che si trovano nell'ambiente stesso. Gli eterotrofi non esigenti possono crescere in presenza di un solo composto organico e la loro capacità di sintetizzare tutti gli elementi costitutivi della cellula significa che essi possono produrre gli enzimi che catalizzano una vasta rete di reazioni biochimiche. I batteri invece che sono sprovvisti di gran parte del sistema biosintetico devono procurarsi dall'ambiente gli elementi costitutivi di cui necessitano, da ciò ne consegue che l'esigenza di fattori di accrescimento sarà tanto maggiore quanto maggiore è la deficienza del sistema biosintetico.

Se prendiamo ad esempio i meccanismi di assimilazione del carbonio, dell'azoto e dello zolfo possiamo vedere come questi elementi diventino precursori dei componenti organici cellulari.

Assimilazione di CO2. L'uso dell'anidride carbonica come unica fonte di carbonio è caratteristico delle alghe, dei batteri fotosintetici e chemiosintetici autotrofi i quali fissano la CO2 mediante un meccanismo ciclico denominato "Ciclo di Calvin". E' stato dimostrato che questo meccanismo è comune a tutti gli organismi autotrofi, sia eucarioti che procarioti. Schematicamente questo meccanismo può essere così rappresentato:

Schema del ciclo di Calvin

Per ogni molecola di esosofosfato formato vengono impiegate 18 moli di ATP e 12 moli di NADPH2. Nel ciclo possono essere individuate tre fasi:

Assimilazione di anidride carbonica

Di tutte le reazioni del ciclo solo due, quelle relative alla tappa di carbossilazione, sono specifiche degli organismi autotrofi e comportano la sintesi di due enzimi: 1) ribulosio-1-5-difosfato carbossilasi; 2) fosforibulosio chinasi, che distinguono il metabolismo del carbonio degli organismi foto e chemioautotrofi da quello degli eterotrofi. Le altre reazioni sono coinvolte parte nella via EMP, parte nella produzione di pentosofosfati per la sintesi degli acidi nucleici. Anche i batteri eterotrofi chemiosintetici possono fissare CO2, carbossilando il piruvato o il fosfoenolpiruvato per dare acido ossalacetico con una reazione che è essenziale per il mantenimento del ciclo di Krebs.

Assimilazione dell'ammoniaca. La molecola è "organicata" direttamente per aminazione riduttiva dell'acido a-cheto-glutarico (vedere ciclo di Krebs):

COOH-CH2-CH2-CO-COOH + NH3 + NADH+ + H+ COOH-CH2-CH2-CH NH2-COOH + NAD+ + H2O

acido a-cheto-glutarico                                                                      acido glutammico

altri aminoacidi possono essere formati per transaminazione tra acido glutammico ed altri intermedi metabolici non azotati:

L-glutammato + piruvato ↔ a-chetoglutarato + L-alanina

L-glutammato + ossalacetato ↔ a-chetoglutarato + L-aspartato

L-glutammato + gliossilato ↔ a-chetoglutarato + glicina

Assimilazione dei nitrati. La riduzione del nitrato come fonte di azoto cellulare è definita assimilazione riduttiva (o denitrificazione) in cui il nitrato rappresenta l'accettore finale di elettroni. Il processo di assimilazione avviene attraverso due tappe:

(I) Riduzione del nitrato a nitrito catalizzata da un nitratoreduttasi (una flavoproteina contenente molibdeno):

Nitratoreduttasi

(II) Riduzione del nitrito ad ammoniaca probabilmente attraverso la formazione di idrossilamina (NH2OH):

Idrossilamina

Si tratta di un processo abbastanza complesso con l'intervento di diversi enzimi. Questo spiega perché molti microrganismi che crescono rapidamente in presenza di NH3 non usano in alternativa NO3 come fonte di azoto inorganico. Da notare inoltre come il molibdeno diventi essenziale per la crescita microbica in presenza di nitrati.

Fissazione biologica dell'azoto. Alcuni batteri eterotrofi non esigenti sono in grado di usare N2 come unica fonte di azoto per la propria crescita. Alcuni sono simbionti (Rizobi), altri liberi (Azotobacter) ed alcuni clostridi. La fissazione dell'azoto avviene anche nei batteri fotosintetici ed in alcune alghe azzurre. L' N2 viene sempre ridotto ad ammoniaca prima di essere incorporato in forma organica. Per l'attività del sistema enzimatico fissatore dell'azoto (nitrogenasi) sono indispensabili l' ATP e una fonte di potere riducente che può essere fornita in vari modi (ferredoxina ridotta o l'idrosolfito di sodio [Na2S2O4]). La nitrogenasi è costituita da almeno due componenti: una proteina contenente ferro e molibdeno e un'altra contenente solo ferro. Il sistema può ridurre non soltanto l' N2 ma anche altri substrati quali N2O, cianuro e acetilene.

La riduzione dell'acetilene ad etilene ( CH≡CH + 2H → CH2=CH2 ) fornisce il metodo più semplice per rilevare e misurare la capacità di fissare azoto, sia in vitro che in vivo. Se non si fornisce un adeguato accettore di elettroni, la nitrogenasi utilizza gli elettroni ceduti dai donatori per formare H2.

Schema di fissazione

Schema di fissazione dell'azoto

Assimilazione dei solfati. Per lo più i microrganismi utilizzano i solfati per soddisfare il fabbisogno di zolfo. Il processo è un'assimilazione riduttiva con formazione di acido solfidrico (H2S) che viene successivamente incorporato nei composti organici. Questo processo, pur essendo chimicamente equivalente al processo di desulfuricazione (in cui i solfati rappresentano l'accettore finale di e‾ ), si distingue da questo sia per il modo in cui avviene sia per il significato fisiologico. L' H2S formato viene incorporato in forma organica nella cisteina, avendo come accettore la serina:

CH2OH-CHNH2-COOH + H2S → CH2SH -CHNH2-COOH + H2O

serina                                           cisteina

VIE BIOSINTETICHE

La maggior parte del materiale organico delle cellule è costituito da molecole relativamente grandi, appartenenti a quattro categorie: acidi nucleici, proteine, polisaccaridi, lipidi complessi che vengono sintetizzati a partire da precursori organici di peso molecolare più basso. La natura specifica dei precursori definisce ciascuna categoria: i nucleotidi per gli acidi nucleici, gli aminoacidi per le proteine, gli zuccheri semplici per i polisaccaridi. I lipidi complessi, a causa di una composizione molto varia ed eterogenea, hanno precursori che possono essere gli acidi grassi, i polialcoli, gli zuccheri semplici, le ammine e gli aminoacidi. Nella cellula si individuano anche vari composti organici che, associati ad enzimi specifici, hanno vari ruoli catalitici: i coenzimi.

Tutti questi composti vengono sintetizzati da un numero molto più piccolo di sostanze organiche che costituiscono i metaboliti intermedi centrali della cellula. Tra questi i più importanti sono: gli zuccherofosfati, il piruvato, l'acetato, l'ossalacetato, il succinato e l'a-chetoglutarato.

Sintesi dei nucleotidi. I precursori (monomeri) degli acidi nucleici sono i nucleotidi purinici e pirimidinici. Tutti i nucleotidi hanno una struttura generale comune: la base purinica o pirimidinica è unita, attraverso uno dei suoi atomi di azoto mediante un legame glicosidico, al pentosiofosfato. Il precursore, costituito da una base purinica o pirimidinica legata ad una molecola non fosforilata di pentosio, viene denominato nucleoside. Un nucleotide con un gruppo fosforico si chiama nucleosidemonofosfato (NMP) dove N viene normalmente sostituito con il nome della base purinica o pirimidinica; se i gruppi fosforici sono due o tre si parla di nucleosidedifosfato e di nucleosidetrifosfato.

Struttura dei nucleotidi

In tutti i nucleotidi il legame tra il pentosio ed il primo gruppo fosforico non è energetico (quindi gli NMP non sono mai composti ricchi di energia), per contro i legami pirofosfato tra il primo gruppo fosforico ed i successivi sono entrambi ad alto livello energetico.

I nucleotidi che costituiscono i precursori dell' RNA (acido ribonucleico) hanno come zucchero il ribosio mentre quelli che servono da precursori del DNA (acido desossiribonucleico) contengono un pentosio ridotto derivato dal ribosio: il desossiribosio. Dal punto di vista della biosintesi, tutti i desossiribonucleotidi derivano dai ribonucleotidi; questi sono quindi i precursori indiretti del DNA oltre che essere precursori diretti dell' RNA. I ribonucleotidi liberi svolgono un'importante funzione nel metabolismo come coenzimi, come trasportatori di legami fosfato ricchi di energia e come mezzi di trasporto nella biosintesi (trasferendo ad esempio i residui di zuccheri o aminoacidi nei polimeri). I desossiribonucleotidi liberi non hanno queste funzioni metaboliche e servono unicamente da precursori nella sintesi del DNA.

sintesi nucleotidi

Sintesi dei ribonucleotidi. La sintesi di un qualunque nucleotide comporta due distinte sequenze biosintetiche: la sintesi della componente ribosilica e la sintesi della base purinica o pirimidinica associata. Il residuo dello zuccherofosfato di tutti i ribonucleosidi deriva dallo stesso precursore, il ribosio-5-fosfato, il quale subisce un'ulteriore fosforilazione, attraverso il trasferimento dell'ATP di due gruppi fosforici sotto forma di pirofosfato, nella posizione 1 della molecola dello zucchero fosfato:

ribosio-5-fosfato + ATP → 5-fosforibosil-1-pirofosfato + AMP

5-fosforibosil-1-pirofosfato

Questo derivato del ribosio rappresenta il punto di partenza per la sintesi dei ribonucleotidi purinici e pirimidinici attraverso, però, due differenti processi. I nucleotidi purinici vengono sintetizzati attraverso un assemblaggio graduale dell'anello purinico legato al pentosiofosfato mentre i nucleotidi pirimidinici vengono sintetizzati per mezzo dell'unione separata del nucleo pirimidinico che si unisce, dopo la sua formazione, al 5-fosforibosil-1-pirofosfato (PRPP).

Sintesi dei desossiribonucleotidi. I precursori metabolici del DNA sono quattro desossiribonucleotidi. Usando il simbolo dNTP per designare un desossiribonucleosidetrifosfato, tali composti possono essere rappresentati con i simboli dATP, dCTP, dGTP, e dTTP, essi contengono rispettivamente i nucleosidi adenosina, citidina, guanina e timidina, quindi le basi contenute in dATP, dGTP e dCTP sono identiche a quelle dei ribonucleotidi corrispondenti ATP, GTP e CTP. Questi tre desossiribonucleotidi vengono sintetizzati per riduzione diretta della componente ribosilica nei ribonucleotidi corrispondenti; tali riduzioni avvengono a livello dei difosfati ad opera del NADPH2 dal quale gli elettroni sono trasferiti per mezzo di un trasportatore proteico.

Biosintesi dei nucleotidi purinici

Sintesi degli aminoacidi. Per la sintesi delle proteine sono necessari 18 aminoacidi e 2 ammidi. Di questi venti composti soltanto un aminoacido; l'istidina, ha una biogenesi completamente indipendente, gli altri derivano (attraverso vie di sintesi ramificate) da un numero relativamente piccolo di precursori metabolici. In base all'origine biosintetica, essi possono essere raggruppati in cinque categorie:

Sintesi degli aminoacidi

Sintesi delle porfirine. I prodotti finali di questa biosintesi si possono suddividere in due categorie: i gruppi eme, che contengono ferro e che servono da gruppi prostetici nei citocromi ed in molti altri enzimi (emoproteine) e le clorofille, contenenti magnesio. La sintesi delle porfirine inizia con la condensazione dell'aminoacido glicina con il succinil-CoA. Da questa condensazione ha origine, in tre tappe successive, il porfibilinogeno, precursore dell'intera molecola della porfirina. La condensazione di quattro molecole di questo prodotto intermedio porta alla formazione del nucleo tetrapirrolico dell'uroporfirinogeno III. Successive variazioni nelle catene laterali e l'eventuale ossidazione danno la protoporfirina IX. L'inserimento del ferro sotto forma di chelato in questa molecola porta direttamente alla formazione di un eme; se invece al nucleo tetrapirrolico viene associato magnesio si forma la Mg-protoporfirina, precursore delle clorofille.

Protoporfirina

Sintesi degli acidi grassi saturi. Gli acidi grassi della cellula sono costituiti per la maggior parte da una catena lineare di lunghezza considerevole, a numero pari di atomi di carbonio (da C12 a C18 ). Possono essere completamente saturi oppure parzialmente insaturi, contenendo uno o più doppi legami. Questi composti sono sintetizzati a partire da unità acetiliche, ma né l'acetato o altri acidi grassi liberi partecipano mai a nessuna fase della loro biosintesi. Tutti gli intermedi biosintetici sono derivati acilici

derivato acilico

attaccati per mezzo di un legame -C-S- a un coenzima o a una proteina "Carrier". In Escherichia coli una particolare proteina detta proteina acil-carrier (ACP) ha un ruolo preminente nelle successive trasformazioni. La formazione di acidi grassi a lunga catena inizia con il trasferimento di un gruppo acetile dall'Acetil-CoA all'ACP. Questo complesso funge da accettore al quale vengono successivamente trasferite unità C2; ogni trasferimento è seguito da una riduzione. Il veicolo di ogni successivo trasferimento è il malonil-ACP, formato dall'acetil-CoA.
Ogni successiva addizione di una unità acetilica è accompagnata dalla liberazione del gruppo carbossilico libero dei malonil-ACP sotto forma di CO2. La reazione viene così incanalata nella direzione di sintesi. Il prodotto di questa reazione è i
b-chetoacil-ACP che viene ridotto all' acil-ACP corrispondente mediante una sequenza di tre reazioni. La ripetizione di alcune reazioni dà come risultato il progressivo allungamento della catena degli acil-ACP. La reazione generale si può schematizzare nel seguente modo:

CH3-CO-ACP + nCH2COOH-CO-ACP + 2nNADPH2 + 2nH+ CH3 (CH2-CH2)n-CO-ACP + nCO2 + nACP + 2nNADP + nH2O

Considerando sempre l' Escherichia, coli gli enzimi che catalizzano le reazioni da 1 a 7 e il "portatore" ACP sono facilmente separabili l'uno dall'altro. Il meccanismo di sintesi implica reazioni che portano alla formazione di esanoil-(C6)-S-ACP. Mediante successivi trasferimenti di unità acetiliche dal malonil-S-ACP, e successive riduzioni (ripetizione delle tappe 4÷7 della reazione), si formano acidi grassi non ramificati, la cui catena aumenta progressivamente di lunghezza, che contengono un numero pari di atomi di carbonio.

Sintesi da Acetil-S-CoA

Sintesi degli acidi grassi insaturi. Gli acidi grassi monoinsaturi (contenenti un doppio legame nella catena) includono: un derivato dell'acido palmitico (C16), l'acido palmitoleico ed i derivati dell'acido stearico (C18), gli acidi oleico e cis-vaccenico.
Il più usuale meccanismo che porta alla produzione dei monoinsaturi implica la desaturazione ossigenativa dell'acido corrispondente; si ha l'introduzione del doppio legame tra il
IX ed il X atomo di carbonio partendo dal gruppo carbossilico terminale, trasformando in tal modo l'acido palmitico in acido palmitoleico e l'acido stearico in acido oleico. La dipendenza, di questo processo di desaturazione, dall'ossigeno molecolare lo fa definire via aerobica.

CH3(CH2)14COOH + ½ O2 → CH3(CH2)5CH =CH(CH2)7COOH + H2O

acido palmitico                                           acido palmitoleico

CH3(CH2)16COOH + ½ O2 → CH3(CH2)7CH =CH(CH2)7COOH + H2O

acido stearico                                               acido oleico

La formazione di acidi grassi monoinsaturi può avvenire anche in maniera diversa, detta via anaerobica, utilizzata da numerosi batteri e che non comporta l'utilizzo di ossigeno molecolare; in questo caso a livello dell'intermedio C10 viene introdotta una diramazione della normale catena di reazioni biosintetiche degli acidi grassi: l'intermedio idrossilacilico C10 β-OH decanoil-ACP è soggetto ad una α, β desaturazione con la formazione conseguente di acidi grassi saturi con catena più lunga, oppure può avvenire una β, γ disidratazione da cui si formano gli omologhi acidi grassi monoinsaturi.

Formazione dei grassi monoinsaturi

Distinzione aerobica e anaerobica

Distinzione per modalità di sintesi degli acidi grassi monoinsaturi


REGOLAZIONE DEL METABOLISMO MICROBICO

In un organismo procariotico, crescita e conservazione della cellula richiedono l'apporto di circa 107 molecole proteiche (di circa 3000 specie molecolari diverse) dalla cui azione risulta l'equilibrio tra catabolismo ed anabolismo. Dal momento che la trasformazioni metaboliche sono operate dagli enzimi, la regolazione dell'attività enzimatica è un efficace ed economico sistema di controllo del metabolismo, adottato universalmente negli esseri viventi. E' quindi essenziale che la cellula possieda mezzi di controllo della attivazione ed inattivazione degli enzimi.

Nei microrganismi, come sappiamo, manca il differenziamento e pertanto la regolazione può solo essere basata sulla risposta di ogni cellula, singolarmente presa, alle condizioni ambientali ed alla propria composizione interna. In queste condizioni, i due sistemi utilizzati sono (a) la regolazione della sintesi enzimatica e (b) la regolazione dell'attività enzimatica. Entrambi questi sistemi sono messi in funzione da composti a basso peso molecolare che si formano nella cellula o provengono dall'ambiente.

Regolazione della sintesi enzimatica

In conseguenza a questo meccanismo viene determinata la composizione enzimatica della cellula attraverso la trascrizione differenziata dei geni presenti nel DNA. Se tutti i geni fossero uniformemente trascritti, avremmo 107/3000 copie di ogni specie proteica, cosa lontana dal vero in quanto le copie di una proteina in una cellula possono essere 10 e di un'altra 500.000 (le proteine dei geni repressori sono del primo tipo, quelle ribosomali del secondo). Gli enzimi del metabolismo possono essere (a) sempre presenti nella cellula, quale che sia l'ambiente in cui essa opera, o invece (b) prodotti solo in risposta a sollecitazioni specifiche.

Gli enzimi del tipo (a), detti costitutivi, comprendono quelli responsabili delle sintesi degli anaboliti primari (DNA, proteine strutturali...) e di altre attività metaboliche indispensabili nella cellula. Quelli del tipo (b), presenti solo quando le circostanze ne favoriscano la sintesi e detti perciò inducibili, riguardano le attività non sempre necessarie, ma utili in condizioni definite.

Di norma, ma non sempre, l'induzione si ha come risposta a segnali chimici provenienti dall'ambiente, mentre nella repressione il segnale chimico può essere originato all'interno della cellula (ad es., la concentrazione di ATP o quella del composto terminale di una via biosintetica). La prima forma è più frequente per gli enzimi del catabolismo, l'altra per quelli dell'anabolismo.

Un caso molto studiato di regolazione per induzione è quello che ricorre nell'utilizzazione del lattosio in E.coli. Quando si trasferisca un ceppo lac+ di questo microbo (provvisto del codice genetico per il fenotipo Lac+, relativo all'utilizzazione del lattosio) da un mezzo contenente glucosio ad uno che contiene lattosio come unica fonte di carbonio ed energia, si avrà una sintesi indotta di alcuni enzimi funzionali all'utilizzazione di questo ultimo zucchero:

galattoside-permeasi, (dal gene lac Y ) che catalizza il trasferimento del lattosio nella cellula,

galattoside transacetilasi (dal gene lac A ) che catalizza il trasferimento di un gruppo acetilico sulla molecola del galattosio legato nel galattoside,

beta-galattosidasi (dal gene lac Z ) che idrolizza il legame glucosidico,

galatto- chinasi e galatto- epimerasi che catalizzano la fosforilazione del galattosio e la sua modificazione sterica a glucosio 1-P.

Questa induzione coordinata, studiata inizialmente per i geni Z, Y e A, portò alla formulazione del modello secondo cui i geni sono riuniti in operoni, unità costituite da geni che condividono la caratteristica di essere espressi simultaneamente sotto il controllo di un gene operatore (gene lac O, in questo caso).

Il gene operatore impedisce la trascrizione dell'intero operone quando sia legato con una proteina (proteina repressore, nella sua forma attiva), prodotta sul gene lac I (gene repressore). Questa specifica proteina repressore ha due siti attivi, uno di complementazione sterica col DNA del gene O ed un'altro di riconoscimento stereospecifico con l'induttore (nel nostro caso il galattosio od alcuni altri glucosidi). La proteina repressore attiva, e che quindi impedisce la trascrizione dell'intero operone, è quella legata al DNA del gene O. In questo specifico caso quindi, l'induzione è in sostanza una derepressione. I geni P ed O, promotore/operatore, includono alcune corte sequenze di nucleotidi che servono a localizzare l'esatto inizio della trascrizione; si tratta di sequenze ricche di A e T, che guidano la specifica RNA polimerasi all'esatto inizio della sintesi dell'mRNA. La regolazione della sintesi enzimatica è quindi sostanzialmente una regolazione dell'inizio della trascrizione. Naturalmente l'mRNA dei geni Z,Y ed A, che figura segnato come un'unica molecola perché parte di un singolo operone, verrà maturato in tre distinti mRNA.

I derepressori, o induttori, possono essere anche composti più o meno simili come struttura al substrato tipico e tra essi anche composti che non sono utilizzati dalla cellula (induzione gratuita). Questi induttori gratuiti, proprio perché non sono utilizzati nel metabolismo, rimangono a concentrazione costante e risultano per questo preziosi strumenti di indagine quantitativa. L'inattivazione per mutazione del gene lac I (ceppi Lac I-) porta a ceppi cosiddetti mutanti derepressi i quali producono sempre gli enzimi dell'operone lac. I mutanti derepressi sono noti per molti altri geni.

Il gene lac I, che specifica la struttura primaria della proteina repressore, nel meccanismo descritto, rimane fuori controllo. Esso però si esprime ad un ritmo costante in modo da mantenere la concentrazione intracellulare di circa 10 copie della proteina (repressore) che esso codifica. Tale concentrazione è sufficiente a reprimere l'operone, a meno che non sia presente un composto induttore. Questa situazione è stabilizzata per mezzo di un altro gene, il gene lac P detto gene promotore, che "promuove" la trascrizione del gene O ad un ritmo costante. Il modello di regolazione di Jacob e Monod (che descrive questo meccanismo) è pertanto noto anche come sistema del promotore/ operatore.

L'induzione non è l'unica maniera di regolazione della sintesi degli enzimi. Importanti sono anche quei sistemi riassunti sotto la voce cumulativa di repressione. Un repressore frequentemente impiegato nella cellula è l'ATP, con funzioni di equilibrio tra le varie destinazioni dell'energia (legami energetici, potere riducente, precursori anabolici). Altro caso importante è la repressione da prodotto finale che agisce sulla via biosintetica di un determinato prodotto quando questo tenda a diventare troppo abbondante. In questo modo le diverse vie biosintetiche risultano regolate dagli equilibri di concentrazione dei diversi anaboliti. E' in questo ultimo modo, per es., che è regolata la sintesi dei singoli amminoacidi. Alcuni amminoacidi, terminali di vie biosintetiche complesse, hanno funzioni chiave come regolatori. I repressori in questi casi non sono le molecole di amminoacido libero, ma le forme attivate, legate cioè al tRNA, di ognuno di essi.

Regolazione dell'attività enzimatica

I meccanismi regolatori della biosintesi fanno sentire il loro effetto con un certo ritardo, sebbene il turnover degli mRNA nei procarioti sia molto veloce. Può servire talvolta un meccanismo di "pronto intervento", che agisca nell'intervallo di secondi e non di diversi minuti o ore, come nel caso della regolazione che agisca sulla sintesi degli enzimi. L'intervento pronto è realizzato con la regolazione dell'attività enzimatica, soprattutto per quegli enzimi che occupano ruoli nodali nel metabolismo. La regolazione dell'attività consiste nell'accelerazione o nel rallentamento della funzione catalitica attraverso una modificazione sterica della proteina enzimatica. Questa modificazione si ottiene legando l'enzima con un composto particolare, sempre a basso peso molecolare, che può essere lo stesso substrato dell'enzima. L'inibizione può essere:

(a) competitiva, quando avviene per opera di molecole che assomiglino al substrato e che quindi ne prendano il posto nel sito attivo, ostacolandone la funzionalità

(b) non competitiva, quando substrato e competitore si fissino contemporaneamente su siti diversi dell'enzima, formando un complesso enzima- inibitore- substrato meno attivo

(c) mista, quando ricorrano i due casi insieme

Regolazione del metabolismo degli zuccheri

Il metabolismo degli zuccheri nei microrganismi ha un ruolo fondamentale nella ricerca, nelle biotecnologie e nella produttività naturalistica ed agronomica del terreno. Per questa ragione esso è stato oggetto di approfonditi studi. I maggiori contributi a questo campo di studi si sono avuti dopo la messa a punto della coltura continua che si è rivelata, tra l'altro, un prezioso metodo di indagine.

La coltura continua, infatti, permette di ottenere condizioni di concentrazione dei nutrienti (nel nostro caso degli zuccheri) esattamente controllate e che possono essere stabilizzate agendo sulla concentrazione del nutriente nel mezzo fresco e sulla velocità di diluizione. In una coltura in beuta tale concentrazione sarebbe invece continuamente variabile in seguito all'utilizzazione metabolica fatta dal microrganismo in accrescimento.

Un primo aspetto del problema consiste nel collegamento tra aero-anaerobiosi e metabolismo glucidico negli anaerobi facoltativi che fermentano in anaerobiosi e respirano in aerobiosi. Questo particolare comportamento prende il nome di effetto Pasteur, perché questi lo descrisse per primo chiamandolo "vita senza aria". Il meccanismo di regolazione attraverso cui l'ossigeno orienta il catabolismo degli zuccheri in E.coli verso la forma respiratoria o fermentativa consiste nella repressione della sintesi della 2- chetoglutarato deidrogenasi. In difetto di questo enzima, il ciclo di Krebs non funziona più in modo ciclico ed il potere riducente è usato per aumentare la sintesi di succinato. In generale, quale che sia il meccanismo specifico nei diversi casi, la mancanza di ossigeno porta alla inattivazione del ciclo di Krebs e della fosforilazione ossidativa con conseguente forte diminuzione delle rese in biomassa nella utilizzazione del substrato zuccherino. La concentrazione di ossigeno disciolto che determina la transizione dal metabolismo aerobico a quello anaerobico nei tipici anaerobi facoltativi e nei lieviti, è compreso tra 4 e 5 mm Hg. Nel passaggio graduale dall'aerobiosi alla anaerobiosi, in coincidenza della zona di transizione, si ha un drammatico aumento della sintesi di enzimi respiratori, sintesi che si arresta al valore di 4,2 mm Hg.

Un altro aspetto molto studiato è l'effetto "Crabtree", che consiste nella inibizione della respirazione cellulare ad opera di elevate concentrazioni di glucosio. Anche in questo caso il meccanismo è stato chiarito grazie alla coltura continua. Esso è presente, con meccanismi diversi, negli eucarioti e nei procarioti. Negli eucarioti, siano essi lieviti o cellule tumorali, l'eccesso di glucosio provoca l'arresto della respirazione e l'attivazione dei meccanismi fermentativi. La respirazione è inattivata per inibizione della sintesi di citocromo a che porta alla perdita del ciclo di Krebs. Questo fatto è connesso con la velocità di crescita, che è massima nelle condizioni prossime a quelle che provocano il passaggio dall'uno all'altro comportamento metabolico (per attivazione del meccanismo repressivo) ed ha analogia con quanto visto per la regolazione dovuta alla pressione parziale d'ossigeno.

Anche nei procarioti si verifica una connessione tra concentrazione di glucosio, pressione parziale di ossigeno, velocità di crescita e inattivazione del sistema respiratorio. I meccanismi determinanti possono essere, in questi organismi, diversi come (a) inibizione della sintesi del citocromo d , (b) sostituzione della deidrogenazione del succinato con quella del lattato, (c) aumento della sintesi della gliceraldeide 3-P che reprime la via EMP e incentiva quella HMP, (d) repressione della 2-cheto glutarato deidrogenasi che suddivide il ciclo di Krebs in due sistemi orientati alla biosintesi e non alla respirazione.

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