biochimica
del ciclo dello zolfo
Lo zolfo è presente in natura (capacità dei comparti dello zolfo) sotto diverse forme e queste sono soggette a diverse azioni biochimiche.
In
particolare, lo zolfo e le sue specie chimiche
possono subire una serie complessa di riduzioni assimilative o
disassimilative e di ossidazioni.
In questi processi lo zolfo può assumere molti stati di ossidazione, da -2 a +6 (ciclo biochimico dello zolfo e numeri di ossidazione).
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I processi
ossidativi (ossidazione_chemiotrofica_e_fototrofica)
sono svolti: o da organismi
chemiolitotrofi (chemiosintesi) o da organismi fotosintetici (fotosintesi anossigenica) (ossidoriduzioni nella biosfera). I processi riduttivi possono coinvolgere sia la respirazione anaerobia (riduzione_disassimilativa_dei_solfati) caratteristica di un ristretto numero di microorganismi, sia la riduzione_assimilativa_dei_solfati operata dai vegetali. La fotosintesi anossigenica è ritenuta una forma ancestrale anaerobica di metabolismo (origine_del_processo_fotosintetico). In figura, batteri spirilliformi, attivi nella biochimica dello zolfo. |
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Ciclo biochimico dello zolfo e numeri di ossidazione
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Il ciclo biochimico dello zolfo coinvolge composti in cui il numero di ossidazione varia, tra la forma solfuro e la forma solfato, di ben 8 unità. In questo schema le varie forme sono messe in ordine di numero di ossidazione crescente e i processi sono generalizzati sotto tre soli gruppi. In effetti le specie predominanti sono il solfuro S= e il solfato SO4=: le altre sono minoritarie, perciò potremmo rappresentare il ciclo biochimico di ossidoriduzione dello zolfo anche secondo uno schema analogo ma diverso. |
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Ciclo biochimico di ossidoriduzione dello zolfo
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In questo schema, infatti, le forme intermedie di ossidazione tra i due estremi S= e SO4= sono tutte conglobate nelle caselle chiamate S. Ma in questo caso sono specificati maggiormente i singoli processi ed i percorsi dello zolfo nel ciclo. |
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L'uso di uno schema o dell'altro dipende dal tipo di approccio che si vuole dare al ciclo.
Origine del processo fotosintetico
Pare che le prime cellule viventi siano comparse in un ambiente anossico ma ricco di molecole organiche di origine geochimica.
I primi percorsi metabolici furono probabilmente simili alle fermentazioni attuali ed avrebbero fornito non solo ATP ma anche NADH o NADPH, riducenti necessari alle biosintesi.
Lo sviluppo dei batteri che utilizzavano sostanze organiche di origine geochimica si sarebbe arrestato velocemente, dato che questi processi geochimici sono lentissimi.
Ciò condusse alla evoluzione_di_batteri_fotosintetici capaci di produrre carboidrati direttamente dall’anidride carbonica.
Mettendo assieme parti di catene di trasporto elettronico già esistenti, le cellule primitive cominciarono a sfruttare l’energia della luce per generare il potere riducente necessario per fissare il carbonio; erano perciò simili agli odierni solfobatteri verdi.
Evoluzione di batteri fotosintetici
Ossidazione chemiotrofica e fototrofica
I solfobatteri ricavano l’energia necessaria per la sintesi dei carboidrati da due tipi diversi di metabolismo, chemiosintesi e fotosintesi dei solfobatteri.
Nella chemiosintesi ricavano l’energia dall'ossidazione di acido solfidrico H2S a zolfo elementare S, di S o di tiosolfato S2O3= a solfato SO4=.
Nella fotosintesi invece utilizzano energia luminosa.
La fotosintesi dei solfobatteri è un processo che non libera ossigeno; si tratta cioè di fotosintesi_anossigenica.
Questo avviene perché, per produrre glucosio, i solfobatteri non usano H2O come fonte di idrogeno, ma donatori come H2S e S2O3=, producendo così, come sottoprodotti, S o SO4=.
Chemiosintesi e fotosintesi dei solfobatteri
L'ossidazione biologica dei composti ridotti dello zolfo (solfuri, zolfo elementare, solfito) è operata da alcuni batteri chemioautotrofi che ricavano la loro energia da questo processo.
Batteri capaci di ossidare i composti ridotti dello zolfo sono ad esempio Thiobacillus, Beggiatoa e il batterio termale Sulfolobus.
Le vie di ossidazione dello zolfo sono ancora poco chiare.
I potenziali di ossidoriduzione dei composti solforati sono tutti molto negativi; gli elettroni possono perciò essere utilizzati facilmente.
Alcune reazioni avvengono spontaneamente anche in assenza di enzimi.
Si ritiene che molti solfobatteri aerobi contengano una catena respiratoria convenzionale in cui gli elettroni sono introdotti a livello del citocromo c, o dell'ubichinone Q.
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L'ubichinone nella sua forma ossidata Q, può passare alla forma ridotta mediante assorbimento di due protoni e di due elettroni.
Come in tutti i chinoni, la forma ossidata, a sinistra, mostra due gruppi chetonici =CO in posizione opposta; nella forma ridotta l'anello centrale assume carattere aromatico (come nel benzene) e porta, in posizione para, due gruppi ossidrile -OH. |
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I batteri thiobacillus sono piccole cellule bastoncellari, dotate di un unico flagello che ne permette la mobilità.
Ricavano energia ossidando uno o più composti ridotti o parzialmente ridotti dello zolfo.
Il genere comprende specie strettamente autotrofe che ricavano il carbonio da CO2.
Sono anaerobi obbligati ed operano ad una temperatura ottimale di 28°C.
Sono presenti in acque marine, nel fango marino, nel suolo, nell’acqua dolce, nelle acque di rifiuto, nelle sorgenti sulfuree.
Riduzione assimilativa dei solfati
Lo ione solfato è il composto
solforato più abbondante a disposizione degli organismi, ma deve essere ridotto
prima di essere incorporato in molecole organiche; lo zolfo è infatti presente,
come gruppo –SH, in alcuni amminoacidi, nel coenzima A ed in altri composti
organici.
Il salto tra questi due stati di ossidazione (+6 e -2) è elevato, come pure la differenza tra i relativi potenziali redox; è logico che la riduzione del solfato comporti varie tappe, con trasferimento di numerosi elettroni e che il processo sia fortemente endoergonico.
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Per poter entrare a far parte di molecole organiche il solfato,
per ragioni termodinamiche, viene attivato da un residuo adenilico
AMP ceduto dall'ATP, per formare adenosin
fosfosolfato o adenilsolfato APS, forma metabolicamente attiva del
solfato. Il processo comporta una considerevole spesa energetica, ma abbassa la differenza di potenziale tra la forma ossidata e la ridotta (potenziali_redox_dello_zolfo). Il primo composto organico stabile che si forma è l'amminoacido cisteina CYS, dal quale derivano le altre molecole organiche contenenti zolfo. La riduzione assimilativa dei solfati a solfuri e successivamente la sintesi degli amminoacidi solforati è peculiarità del regno vegetale. |
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Il potenziale redox della coppia SO4=/SO3= è infatti -0,51 V, troppo negativo per accettare elettroni da un donatore metabolico. Il potenziale APS/SO3= è invece – 0,06 V, molto meno negativo e adatto perciò per accettare elettroni da riducenti metabolici. La formula in figura rappresenta l'adenosin fosfosolfato o adenilsolfato APS, che è la forma metabolicamente attiva del solfato. |
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Riduzione disassimilativa dei solfato
Lo ione solfato può essere usato come ossidante.
Questo tipo di respirazione anaerobica (schema_di_respirazione_anaerobica) ha caratteristiche particolari in quanto è condizionato dai potenziali notevolmente negativi degli intermedi di ossidoriduzione dei composti ossidati dello zolfo (stati_di_ossidazione_dello_zolfo).
Come nella riduzione assimilativa, anche nella disassimilativa lo ione solfato deve essere attivato mediante l’aggiunta di un residuo adenilico.
Il potenziale redox della coppia APS/SO3=, – 0,06 V è invece abbastanza poco negativo per permettere ad APS di accettare elettroni da riducenti metabolici, come NADH, con una certa resa energetica.
La riduzione disassimilativa dei solfati nei terreni viene effettuata da un ristretto numero di specie batteriche appartenenti ai generi desulfovibrio_e_desulfatomaculum.
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Schema di respirazione anaerobica
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Questo è un tipo di respirazione anaerobica che avviene in un Desulfovibrio.
Sono indicati alcuni degli enzimi attivi nel processo; Pi rappresenta una unità di fosfato inorganico; AMP indica adenosin mono fosfato, precursore dell'ATP Notare la presenza di APS, che permette una più facile riduzione di SO4=. |
Desulfovibrio e Desulfatomaculum
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Sono batteri con forma di bastoncini curvi, mobili per mezzo di flagelli (visibili nelle figure). Sono chemiotrofi; producono energia mediante respirazione anaerobica (sono anaerobi obbligati) riducendo i solfati o altri composti dello zolfo a H2S. La temperatura ottimale per l’accrescimento è tra i 25° e i 30°. |
desulfovibrio desolfuricans |
desulfatomaculum |
L'ossidazione fototrofica dei composti ridotti dello zolfo avviene in ambienti acquatici e talvolta in suoli sommersi, ambienti nei quali luce, H2S e basse concentrazioni di ossigeno sono più favorevoli alla moltiplicazione dei solfobatteri_fotosintetizzanti.
Donatore di elettroni per la riduzione di CO2 è H2S
CO2 + 2 H2S ® CH2O + 2 S + H2O
H2S è un discreto donatore di elettroni, più forte di H2O, ma non di molto.
I meccanismi
fotochimici e chimici e le tappe_della_fotosintesi_anossigenica
sono simili a quelli delle piante: nella fase luminosa la clorofilla cattura
la luce e H proveniente da H2S porta alla formazione
di NADH e ATP.
Questi vengono poi utilizzati, mediante le reazioni del ciclo_di_Calvin nella fase oscura, per la sintesi del glucosio.
Rispetto alle piante, in effetti ci sono alcune differenze: non esistono veri cloroplasti; i pigmenti sono strettamente legati alle membrane_fotosintetiche_dei_batteri; come riducente viene usato NAD anziché NADP; la clorofilla a è sostituita da batterioclorofille che hanno un massimo di assorbimento nell'infrarosso; infine, invece di due fotosistemi, come nelle piante, c'è un solo fotosistema_batterico.
Tappe della fotosintesi anossigenica
L'energia luminosa catturata da molecole antenna viene trasferita ad una batterioclorofilla sotto forma di stati elettronici eccitati.
Il fotosistema batterico e i trasportatori di elettroni funzionano in modo simile al fotosistema I delle piante.
Si può individuare sia un flusso di elettroni ciclico (fotosintesi_ciclica_nei_solfobatteri) che un flusso non ciclico (fotosintesi_non_ciclica_nei_solfobatteri).
Nel flusso non ciclico gli odierni solfobatteri si servono dell'energia luminosa per trasferire elettroni da H2S a NAD+ creando così il potere riducente necessario per fissare il carbonio.
Il flusso di elettroni produce inoltre ATP mediante la fosforilazione_ossidativa.
La fosforilazione ossidativa è un esempio di un tema fondamentale nella bioenergetica: la trasmissione di energia libera mediante gradiente di protoni.
Nella fosforilazione ossidativa la sintesi dell'ATP è accoppiata al flusso di elettroni da NADH e da FADH2 all'ossigeno mediante un gradiente di protoni che si instaura tra le due facce della membrana_interna_dei_mitocondri.
Il flusso di
elettroni attraverso tre complessi transmembrana orientati
asimmetricamente determina il trasferimento di protoni al di fuori della
matrice, generando un potenziale di membrana.
L'ATP viene sintetizzato quando i protoni ritornano nella matrice mitocondriale attraverso un canale apposito del complesso ATP sintetasi.
I trasportatori di elettroni delle strutture respiratorie della membrana mitocondriale interna sono flavine, centri ferro-zolfo, chinasi, gruppi eme di citocromi e ioni rame.
Il meccanismo della fosforilazione ossidativa è piuttosto complesso.
Membrana interna dei mitocondri
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Nella membrana sono inseriti enzimi e componenti della catena respiratoria; il modello non è ancora certo: NADH cede elettroni e un protone a FMN; gli elettroni seguono il percorso in giallo, attraverso FeS e i citocromi. Tra FeS e il citocromo b si ha un ciclo di ossidoriduzione dell'ubichinone Q, solubile nella matrice lipidica e che può migrare da un lato all'altro. Nella parte superiore (matrice) vengono liberati 6 H+, generando un potenziale di membrana. Il processo permette la fosforilazione di ADP ad ATP mediante il complesso F1-F0. |
E' un
complesso enzimatico, formato da molte subunità, che catalizza la sintesi dell'ATP.
La struttura_dell’ATPsintetasi sporge verso lo stroma del cloroplasto.
Attraversa tutto lo spessore della membrana tilacoide e, prelevando protoni dal lume tilacoide, li trasferisce all'esterno accoppiando la sintesi di ATP all'uscita dei protoni secondo l'equazione ( Pi indica una unità di fosfato inorganico):
ADP + Pi + nH+ (interno) ® ATP + H2O + nH+ (esterno)
In condizioni normali l'equilibrio è spostato fortemente verso sinistra, ma, nelle condizioni particolarissime dovute al gradiente di protoni, la reazione viene spinta in senso opposto.
Dal punto di vista termodinamico, la reazione è possibile finché l'aumento di energia libera insito nella sintesi di ATP è inferiore alla diminuzione di energia libera insita nella fuoriuscita di protoni secondo il gradiente elettrochimico.
Meccanismo della fosforilazione ossidativa
Gli elettroni vengono trasferiti da NADH a FMN (gruppo prostetico della NADH-Q reduttasi e primo dei tre complessi) che contiene anche centri Fe-S.
Gli elettroni convertono il coenzima Q alla forma ridotta QH2, un trasportatore idrofobico mobile che trasferisce gli elettroni alla citocromo riduttasi, un complesso che contiene i citocromi b e c1, oltre a un centro Fe-S. Questo riduce il citocromo c, una proteina periferica di membrana solubile in acqua.
Il citocromo c, come il coenzima Q, è un trasportatore di elettroni che esso trasferisce alla citocromo ossidasi. Questo terzo complesso contiene citocromo a1-a3 oltre a due Cu++.
Fe del gruppo eme e un Cu++ trasferiscono elettroni dall'ossidasi all'accettore finale, O2.
Il flusso
globale di elettroni comporta il trasferimento di H+ dal lato della matrice
al lato citosolico della membrana mitocondriale interna.
Si genera così una forza motrice protonica formata da un gradiente di pH (il lato citosolico è più acido) e da un potenziale di membrana (il lato citosolico è positivo).
Il flusso inverso di H+ attraverso l'ATPsintetasi favorisce la produzione di ATP.
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E' chiamata anche F0F1ATPasi poiché è costituita dall'unità F0, canale dei protoni, e dall'unità F1, che catalizza la sintesi di ATP. F1 è costituita da 5 tipi diversi di catene polipeptidiche, mentre F0 è un segmento idrofobico che attraversa la membrana mitocondriale interna ed è costituito da 4 tipi di catene polipeptidiche. A sua volta lo stelo che congiunge le due unità è formato da diverse proteine. ATPsintetasi è visibile, al microscopio elettronico, come un rilievo di diametro 8,5 nm sulla superficie della membrana. |
Il flusso di protoni, energizzato attraverso F0, viene incanalato da F1 dove, rimuovendo un O dall'ortofosfato, promuove il rilascio di ATP legato all'enzima.
La funzione del gradiente protonico non è di formare ATP, ma di favorirne il distacco dall'enzima: infatti ATP si forma anche in assenza di gradiente protonico, ma resta, in tal caso, legato all'enzima.
Fotosintesi ciclica nei solfobatteri
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Si pensa che il flusso ciclico comprenda la stessa sequenza di trasportatori di elettroni del non ciclico: Ubichinone Q ¯ citocromo b ¯ citocromo c |
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Fotosintesi non ciclica nei solfobatteri
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Per passare da un donatore ad elevata energia come H2S e arrivare al
fotosistema gli elettroni attraversano una catena di
trasportatori secondo la sequenza: Ubichinone Q ¯ citocromo b ¯ citocromo c |
Dal citocromo c gli elettroni passano nel centro di reazione dove vengono portati a livelli di energia più alti utilizzando le radiazioni luminose assorbite; gli elettroni eccitati passano quindi all'accettore primario, la batteriofeofitina e infine a NAD, tramite almeno un altro trasportatore non identificato.
C’è un solo fotosistema anziché due come nelle piante.
Poiché gli elettroni provenienti da H2S sono caratterizzati da un potenziale redox assai più negativo (-230 mV) di quelli di H2O (+782 mV), basta un quanto di luce assorbito dall'unico fotosistema presente in questi batteri per conseguire un potenziale redox sufficiente da generare NAD ridotto.
E' anche sufficiente una catena respiratoria relativamente semplice.
Solfobatteri fotosintetizzanti
Le specie batteriche capaci di fotosintesi sono una piccola minoranza.
Crescono ossidando i composti ridotti dello zolfo che si trovano in quantità relativamente abbondante nei fondali, nelle acque profonde, stagnanti e anaerobiche (distribuzione ambientale dei solfobatteri fotosintetici).
Tradizionalmente i batteri fotosintetizzanti si dividono nelle tre grandi famiglie delle Chlorobiaceae (batteri verdi sulfurei), Chromatiaceae (batteri rossi non sulfurei) e Rhodospirillaceae (batteri rossi sulfurei).
Queste tre famiglie si distinguono per la composizione dei pigmenti che possiedono e per la natura delle sostanze ridotte che utilizzano.
Le prime due
famiglie dipendono criticamente dalla disponibilità di composti ridotti dello
zolfo (come H2S e S2O3=) e di luce, in quanto
non hanno meccanismi di respirazione o fermentazione alternativi: essi sono fotosintetici e rigorosamente anaerobi.
I batteri rossi non sulfurei ossidano anche una grande varietà di acidi organici, amminoacidi, alcoli e zuccheri; e non sono anaerobi obbligati.
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I batteri Rhodospirillum sono policromi, rossi, verdi e bruni,essendo dotati di batterioclorofilla e di differenti tipi di pigmenti carotenici. Nella loro
attività fotosintetica il riducente non è l'acqua ma l'acido solfidrico. L'azotofissazione è associata alla
fotosintesi. |
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Nella figura sopra un rhodospirillum al microscopio; in quella sottostante un ingrandimento della parte evidenziata dal rettangolo viola; in questo ingrandimento si vedono più chiaramente le membrane_fotosintetiche_dei_batteri. Condizioni fondamentali per il loro sviluppo sono anaerobiosi e luce. Perciò sono presenti negli stagni, nelle fanghiglie al fondo dei bacini lacustri, nei terreni sommersi e nelle acque di scarico. |
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dei solfobatteri fotosintetici |
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Membrane fotosintetiche dei batteri
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Nei batteri i processi sono analoghi a quelli dei mitocondri. Le membrane fungono da supporto ai pigmenti e creano dei compartimenti indispensabili a mantenere un gradiente di protoni. Nel disegno è evidenziata la formazione di tale gradiente protonico. Nella maggior parte dei batteri fotosintetici le membrane che possiedono i fotosistemi e i loro trasportatori associati sono sospese nel citoplasma in forma di sacchi chiusi, sferici o appiattiti. |
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Le batterioclorofille (BChl) assorbono nell'infrarosso (700-1050 nm), in una zona dello spettro in cui non c'è competizione né schermaggio da parte di altri organismi. In rosso l'assorbimento di Rhodopseudomonas viridis, che contiene BChl di tipo b; in verde l'assorbimento di Chlorobiaceae. Tra 400 e 600 nm invece l'assorbimento è analogo a quello dei carotenoidi. Sono noti almeno 5 tipi di BChl, in batteri diversi. In effetti le batterioclorofille differiscono pochissimo tra loro, e pochissimo differiscono anche dalle clorofille. La struttura generale è in effetti la stessa, cambiano solo alcuni sostituenti sugli anelli. |
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Le molecole hanno un anello porfirinico idrofilo e una catena idrofoba. Qui è rappresentata la clorofilla a. La clorofilla b è di poco diversa: ha un formile (-CHO) al posto di un metile (-CH3). I trattini rossi indicano le posizioni dei doppi legami. Alla catena di trasporto partecipano anche gli N. |
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Il ciclo è piuttosto complesso e comporta una lunga serie di processi biochimici, catalizzati da molti enzimi. Il simbolo Pi indica il gruppo fosfato. Le formule chimiche delle molecole coinvolte nel ciclo sono raggruppate, a seconda della posizione nel disegno (sinistra, centro, destra), in figure diverse: |
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