Numero di ossidazione Ciclo dell Azoto Molecole biologiche

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Numero di ossidazione Ciclo dell’ Azoto Molecole biologiche contenenti azoto: • Proteine (amminoacidi, 50%

Numero di ossidazione Ciclo dell’ Azoto Molecole biologiche contenenti azoto: • Proteine (amminoacidi, 50% DW) • Acidi nucleici (basi azotate, 20% DW) • Cofattori • Vitamine • Metaboliti secondari Organismi Composto +5 Acido nitrico HNO 3/anidride nitrica N 2 O 5 +4 Ipoazotite NO 2 (diossido d’azoto) +3 Acido nitroso HNO 2/anidride nitrosa N 2 O 3 +2 Monossido d’azoto NO +1 Protossido d’azoto N 2 O (ossido di diazoto) 0 Azoto N 2 -1 Idrossilammina NH 2 OH -2 Idrazina NH 2 -3 Ammoniaca NH 3 Ambiente Caratteristiche dell’azoto Funzioni nel ciclo Rocce Indisponibile Atmosfera 78% di N 2, disponibile per la fissazione Oceani Azoto disciolto (varie forme) Microrganismi Fissano l’azoto, producono sostanze azotate Suolo Nitriti, nitrati, ammoniaca, composti organici, humus (riserva) Microrganismi Fissano l’azoto, producono e trasformano sostanze azotate Superficie Azoto organico Piante Fissano l’azoto, producono sostanze azotate Superficie Azoto organico Animali Producono sostanze azotate (eruzioni vulcaniche)

NAD FAD Co. A TPP B 12

NAD FAD Co. A TPP B 12

Ciclo dell’azoto: passaggi principali • fatti principalmente dai microrganismi • N 2 azoto atmosferico

Ciclo dell’azoto: passaggi principali • fatti principalmente dai microrganismi • N 2 azoto atmosferico • Fissazione e immobilizzazione: anche passaggio unico N 2 Fissazione Riduzione Denitrificazione (riduzione) NO, N 2 O NH 3/NH 4+ Assimilazione (immobilizzazione) Ammonizzazione (mineralizzazione) Azoto organico (R-NH 2) Assimilazione NO 2 -/NO 3 - Nitrificazione (ossidazione)

Distribuzione sostanze azotate ambiente +5 +4 Atmosfera HNO 3 NO 2 Suolo HNO 3

Distribuzione sostanze azotate ambiente +5 +4 Atmosfera HNO 3 NO 2 Suolo HNO 3 Acqua HNO 3 +3 +2/+1 0 NO/N 2 O N 2 HNO 2 Attività umana R-NH 2 NH 3/NH 4+ miscellanea NH 3 Sostanza organica NH 3/NH 4+ Piante Animali Microrganismi Sostanza organica NH 4+ Sedimenti Combustibili Fertilizzanti Alimenti Fibre Legno Rifiuti Quantità di azoto nei serbatoi: rocce e sedimenti > > atmosfera > > oceani > > suoli > piante > > animali > = ordine di grandezza

N 2 Ammonizzazione (mineralizzazione): NH 3/NH 4+ Azoto organico (R-NH 2) R-NH 2 →

N 2 Ammonizzazione (mineralizzazione): NH 3/NH 4+ Azoto organico (R-NH 2) R-NH 2 → NH 4+ Azoto organico: residui di piante, animali, microrganismi (proteine, acidi nucleici, urea, humus) ammonio composti C (biomassa) • • Proteasi Peptidasi Ureasi … (esoenzimi) NO 2 -/NO 3 - Monomeri liberi microrganismi Metabolismo cellulare Assimilazione cellulare Microrganismi procarioti ed eucarioti, aerobici e anaerobici L’azoto è spesso un componente ‘limitante’ e quindi viene preferenzialmente assimilato e non mineralizzato A p. H neutro prevale l’ammonio, solubile e disponibile A p. H alcalino prevale l’ammoniaca che volatilizza con impoverimento di azoto

N 2 Assimilazione (immobilizzazione): NH 3/NH 4+ Azoto organico (R-NH 2) NH 4+ →

N 2 Assimilazione (immobilizzazione): NH 3/NH 4+ Azoto organico (R-NH 2) NH 4+ → R-NH 2 NO 2 -/NO 3 - • Microrganismi: batteri, archea ed eucarioti • Principali reazioni di assimilazione: • Glutammato sintasi + glutammina sintasi (GOGAT + GS): elevata affinità (veloce), consuma ATP • Glutammato deidrogenasi (GDH): più lenta ma non consuma ATP GS + ATP + NH 4+ GOGAT Chetoglutarato + glutammina Chetoglutarato + NH 4+ (glutamina oxoglutarato ammino trasferasi) GDH + NADPH/H+ Glutammato + glutammato Glutammato + H 2 O

assimilazione Ammonio/ammoniaca R-NH 2 ammonizzazione Equilibrio dipende da: • Concentrazione substrati • Ossigeno •

assimilazione Ammonio/ammoniaca R-NH 2 ammonizzazione Equilibrio dipende da: • Concentrazione substrati • Ossigeno • Temperatura • p. H

N 2 Nitrificazione NH 3/NH 4+ NH 3 → HNO 3 Azoto organico (R-NH

N 2 Nitrificazione NH 3/NH 4+ NH 3 → HNO 3 Azoto organico (R-NH 2) 2 passaggi → due tipi di batteri: aerobi, chemiolitotrofi (energia da composti inorganici), autotrofi (CO 2) NH 3 Nitrosanti (ammonio ossidanti) HNO 2 Nitricanti (nitrito ossidanti) e-, ATP 1. NH 3 + 3/2 O 2 → HNO 2 + H 2 O 2. HNO 2 + ½ O 2 → HNO 3 3. NH 3 + 2 O 2 → HNO 3 + H 2 O (reazioni 1+2) HNO 3 e-, ATP NO 2 -/NO 3 -

Nitrosomonas Nitrospira Nitrococcus Nitrobacter Tipo Genere Specie Ambiente Nitrosanti Nitrospira tenuis, multiformis Suolo, acque

Nitrosomonas Nitrospira Nitrococcus Nitrobacter Tipo Genere Specie Ambiente Nitrosanti Nitrospira tenuis, multiformis Suolo, acque dolci Nitrosomonas marina Marino ureae Acque dolci oligotrofiche, suolo europea Acque reflue, dolci, eutrofiche, salmastre Nitrosococcus oceani Marino Nitrococcus mobilis Marino Nitrospina gracilis Marino Nitrospira moscoviensis Acque dolci marina Marino winogradskyi Acque dolci, suolo, rocce hamburgensis Acque dolci, suolo, rocce vulgaris Acque dolci, suolo, rocce Nitricanti Nitrobacter

Batteri nitrosanti – enzimi tipici: • Ammoniaca mono-ossigenasi (AMO): enzima (idrossilante) ad ampio spettro

Batteri nitrosanti – enzimi tipici: • Ammoniaca mono-ossigenasi (AMO): enzima (idrossilante) ad ampio spettro attivo anche su cloroformio, tricloroetilene, cloroetani etc (impiego in biorisanamento di acque e suoli dei batteri) • Idrossilammina ossidoreduttasi (HAO) 2 H+ ATP ADP + Pi (citoplasma) Consumo di protoni 1/2 O 2 + 2 e- +2 H+ H 2 O NH 3 + O 2 + 2 e- + 2 H+ NH 2 OH + H 2 O AMO ossidasi Ub. H 2 Ub Ubichinone Cit cb Produzione di protoni 2 H+ (periplasma) 2 H+ + 2 e- Cit c HNO 2 + 4 H+ + 4 e- HAO NH 2 OH + H 2 O

Batteri nitricanti: • Enzimi: Nitrito ossidoreduttasi (NOR) 2 H+ ATP ADP + Pi (citoplasma)

Batteri nitricanti: • Enzimi: Nitrito ossidoreduttasi (NOR) 2 H+ ATP ADP + Pi (citoplasma) Consumo di protoni 1/2 O 2 + 2 e- +2 H+ H 2 O ossidasi Cit c NOR HNO 2 + H 2 O HNO 3 + 2 e- + 2 H+ (periplasma) Produzione di protoni 2 H+

Batteri nitrificanti (nitrosanti e nitricanti) – caratteristiche generali: Ubiquitari del suolo e delle acque

Batteri nitrificanti (nitrosanti e nitricanti) – caratteristiche generali: Ubiquitari del suolo e delle acque Aerobi obbligati Mesofili: p. H ottimale 7 -8 Autotrofi: usano CO 2 (Ciclo di Calvin) come fonte C Resa energetica dell’ossidazione dell’ammoniaca è bassa: solo il 10% Resa in biomassa dall’ossidazione dell’azoto: • 15 -70 moli N/moli C (nitrosanti) • 75 -135 moli N/moli C (nitricanti) • Luce: influenza negativamente l’ossidazione dei composti azotati • Importanza ecologica: l’ammonio (carica +) si lega al terreno e viene trattenuto. I nitriti e nitrati (carica -) non si legano, vengono dilavati e si accumulano nelle acque • Nitrificazione da funghi (eterotrofi): quantitativamente marginale • • •

N 2 Denitrificazione – tre fenomeni: 1. Denitrificazione HNO 3 → N 2 O

N 2 Denitrificazione – tre fenomeni: 1. Denitrificazione HNO 3 → N 2 O → N 2 2. Riduzione HNO 3 → NH 4+ 3. Assimilazione HNO 3 → NH 4+ → R-NH 2 Riduzione dissimilativa/respirazione del nitrato Riduzione assimilativa del nitrato NH 3/NH 4+ Azoto organico (R-NH 2) NO 2 -/NO 3 - Assimilazione • • • Trasformazione del nitrato in azoto organico (amminoacidi, basi azotate etc) Metabolismo sia aerobico che anaerobico Microrganismi in grado di crescere su nitrato come fonte N Richiede energia Microganismi: Klebsiella, Rhodobacter, cianobatteri HNO 3 riduzione NH 3 repressione biosintesi R-NH 2 crescita L’ammoniaca (ammonio) non si accumula Se esogena, non si ha la riduzione del nitrato biomassa

Il primo passo è il trasporto del substrato: tre meccanismi possibili NO 3 -

Il primo passo è il trasporto del substrato: tre meccanismi possibili NO 3 - ABC transporter ATP NO 3 - NO 2 - NO 3 NO 2 - NO 2 Nitrito reduttasi (NAS) NH 2 OH simporto H+ NO 3 - NO 3 Nitrato reduttasi (NAS) NADH o ferredoxina dipendenti ADP + Pi antiporto Il nitrato (solo quello che serve) viene quindi ridotto ad ammonio e l’ammonio assimilato nelle vie biosintetiche H+ NO 3 - Idrossilammina reduttasi (HCP) NH 4+ Glutammato o glutammina sintasi glutammato

DENITRIFICAZIONE (riduzione dissimilativa o respirazione del nitrato) Nitrato = non – ovvero non solo

DENITRIFICAZIONE (riduzione dissimilativa o respirazione del nitrato) Nitrato = non – ovvero non solo - fonte N Due vie: • Riduzione ad azoto (A) • Riduzione ad ammonio (B) • Il nitrato è trasportato per simporto protonico (trasportatore NAR/K 1) o per antiporto del nitrito (NAR/K 2) • Il primo passaggio è in comune ed è la riduzione del nitrato a nitrito • E’ inibito dall’ossigeno • E’ anaerobico • Gli elettroni sono forniti dall’ossidazione anaerobica delle fonti C • L’enzima è la nitrato reduttasi (NAR), proteina di membrana HNO 3 + 2 e- + 2 H+ Fonte Cred Fonte Cox NAR HNO 2 + H 2 O (A) (B) N 2 NH 4+ Denitrificazione Riduzione dissimilativa N 2 NH 3/NH 4+ Azoto organico (R-NH 2) NO 2 -/NO 3 -

N 2 NH 3/NH 4+ Azoto organico (R-NH 2) La riduzione dissimilativa ad ammonio

N 2 NH 3/NH 4+ Azoto organico (R-NH 2) La riduzione dissimilativa ad ammonio (B) è operata da molti batteri enterici: • Bacillus, Clostridium • L’ammonio non viene riassimilato come azoto organico (RNH 2) • Meccanismo di riciclo del NADH/H+ (mantenimento stato redox)? La denitrificazione (respirazione del nitrato, A) è operata da molti batteri in condizioni di anaerobiosi: ossidano le sostanze organiche e trasferiscono gli elettroni al nitrato. Condizioni di base: • Assenza di ossigeno • Disponibilità del nitrato • Presenza di sostanza organica (fonte C) NO 2 -/NO 3 -

HNO 3 + 2 e- + 2 H+ HNO 2 + e- + H+

HNO 3 + 2 e- + 2 H+ HNO 2 + e- + H+ 2 NO + 2 e- + 2 H+ N 2 O + 2 e- + 2 H+ NAR (membrana) o NAP (periplasmica) NIR (nitrito reduttasi, periplasmica) NOR (NO ossidoreduttasi, membrana) NOS (nitroso ossidoreduttasi, periplasmica) HNO 2 + H 2 O NO + H 2 O N 2 + H 2 O • Le reazioni avvengono tutte nel periplasma salvo quella catalizzata da NAR di membrana che avviene nel citoplasma, previo trasporto del substrato (nitrato) per simporto o antiporto • La sintesi di NAR e NIR è inibita dall’ossigeno e indotta dal nitrato • Lo scambio degli elettroni è assicurato dai Cit c e Cit bc 1 e dal menachinone (MQ)

 • I batteri denitrificanti sensu stricto sono quelli che effettuano tutti i passaggi

• I batteri denitrificanti sensu stricto sono quelli che effettuano tutti i passaggi fino a N 2: • α-proteobatteri (Magnetospirillum, Paracoccus, Magnetococcus, Rhodopseudomonas, Rhodobacter, Brucella, Sinorhizobium, Bradyrhizobium) • β-proteobatteri (Neisseria, Burkholderia, Cupriavidus, Ralstonia, Achromobacter, Alcaligenes) • γ-proteobatteri (Pseudomonas) • Gram-positivi (Corynebacterium, Bacillus) • Archea (Pyrobaculum) • Sono principalmente chemio-organotrofi, qualche fototrofo e chemio-litotrofo • Esistono batteri denitrificanti parziali Magnetospirillum Cupriavidus Neisseria Corynebacterium Pyrobaculum

Ecologia del ciclo dell’azoto: alterazioni antropiche hanno provocato un aumento del volume di scambio

Ecologia del ciclo dell’azoto: alterazioni antropiche hanno provocato un aumento del volume di scambio dell’azoto tra organismi-suolo-acqua-atmosfera • Fertilizzanti azotati • Combustibili fossili • Piante agronomiche in simbiosi con agrobatteri azoto nelle acque eccesso d’azoto Produzione annuale di N reattivo (Tg/anno) origine 1860 1990 2050 Elettricità 5, 4 N-fix terrestre 120 107 98 N-fix marina 121 121 Sintesi chimica 0 100 165 N-fix agronomica 15 31, 5 50 Combustibili 0, 3 24, 5 52, 2 Totale 261 389 491 evaporazione e piogge acide N 2 O 3 riduzione dell’ozono effetto serra eutrofizzazione

Ciclo dello zolfo Zolfo organico: • Amminoacidi (cisteina, metionina) • Vitamine e cofattori (biotina,

Ciclo dello zolfo Zolfo organico: • Amminoacidi (cisteina, metionina) • Vitamine e cofattori (biotina, tiamina, coenzima A etc) • Serbatoi dello zolfo: rocce (solfati e solfuri) e sedimenti marini (solfati) cisteina e metionina biotina e tiamina Coenzima-A

SO 42 S 0 Principale fonte di zolfo solfati Zolfo elementare S 0 Riduzione

SO 42 S 0 Principale fonte di zolfo solfati Zolfo elementare S 0 Riduzione dissimilativa (batteri solfatoriduttori) Ossidazione spontanea o da microorganismi (solfobatteri aerobi) Riduzione assimilativa (piante, microrganismi) Ossidazione anaerobica (batteri chemo-litotrofi e fotosintetici) H 2 S Zolfo organico R-SH Desolforazione/mineralizzazione (batteri e funghi non specializzati) Assimilazione (trasformazione e incorporazione) & Dissimilazione (trasformazione e scarto) RSH

SO 42 - Riduzione assimilativa del solfato • Solfato → R-SH • Organicazione del

SO 42 - Riduzione assimilativa del solfato • Solfato → R-SH • Organicazione del solfato da parte di piante e microorganismi S 0 RSH H 2 S (Adenosina-5 -fosfosolfato; APS) ATP + SO 42 - (fosfo-adenosina-5 -fosfosolfato; PAPS) AMP-SO 4 - + 2 Pi P-AMP-SO 4 ATP ADP Forme attivate del solfato Fonti di elettroni variabili a seconda dell’organismo APS/PAPS e. Reduttasi APR PAPR Tioredossina dipendenti solfito e. Solfito reduttasi Si. R (NADPH/H+) Solfuro (RSH)

SO 42 - Riduzione dissimilativa del solfato/respirazione anaerobia del solfato: • Solfato → solfuro

SO 42 - Riduzione dissimilativa del solfato/respirazione anaerobia del solfato: • Solfato → solfuro • Batteri solfato-riduttori o zolfo-riduttori (Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfomonas) • Anaerobi obbligati • Utilizzano elettroni derivanti dall’ossidazione di fonti C ridotte prodotte da altri batteri anaerobi Fonte C Batteri anaerobi RSH H 2 S Fonti C ridotte (lattato, propionato, etanolo …) Solfato-riduttori (Respirazione anaerobia) solfato e- solfito H 2 S S 0 Desulfovibrio CO 2 secreto Desulfotomaculum

Ossidazione anaerobica dei solfuri: • Solfuro → S 0 → solfato • Batteri fotosintetici

Ossidazione anaerobica dei solfuri: • Solfuro → S 0 → solfato • Batteri fotosintetici rossi (Ectothiorhodospira, Chromatium, Rhodospirillum) o verdi (Chlorobium) • Fotosintesi senza produzione di ossigeno (utilizzano il solfuro invece dell’acqua) • Batteri autotrofi (CO 2) • Ambiente anaerobico acquatico con accumulo di H 2 S SO 42 S 0 RSH H 2 S Ectothiorhodospira RSH/H 2 S Zolfo elementare/solfati elettroni Chromatium CO 2 hν biomassa Chlorobium

Desolforazione/mineralizzazione SO 42 - 1. RSH (materiale organico) → (microrganismi non specializzati) → H

Desolforazione/mineralizzazione SO 42 - 1. RSH (materiale organico) → (microrganismi non specializzati) → H 2 S 2. H 2 S → (in condizioni aerobie: solfobatteri aerobi o ossidazione spontanea) → S(0) Solfobatteri aerobi: Thiothrix, Beggiatoa, Thiobacillus Alcuni Thiobacillus ossidano tutte le specie di zolfo (H 2 S, S e tiosolfato) a solfato L’ossidazione dello zolfo avviene a p. H variabili (da 2 a 8, 5) per successione di specie Thiothrix Beggiatoa Thiobacillus S 0 RSH H 2 S

Ciclo del fosforo Composti conteneti fosforo: • Acidi nucleici (monomeri e polimeri), ruolo energetico

Ciclo del fosforo Composti conteneti fosforo: • Acidi nucleici (monomeri e polimeri), ruolo energetico del fosfato (NTP) • Cofattori (esempio TPP) • Fosfolipidi • Proteine (kinasi e fosfatasi, ruolo della fosforilazione delle proteine) • Avviene senza cambi di stato di ossidazione ma di solubilità Fosfato insolubile e fissato nel suolo Fosfato solubile Assimilazione da piante, microrganismi, animali Mineralizzazione da microrganismi generici Fosforo organico Acido fitico (inositolo-6 P) = forma di deposito vegetale di fosfato assimilato solo dai ruminanti