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      Metabolismo batterico dei carboidrati
 

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 I batteri possiedono efficienti vie di fermentazione dei carboidrati, accoppiate a sistemi di fosforilazione dei substrati. I batteri non possiedono catene di citocromi (che potrebbero permettere di realizzare la fosforilazione ossidativa), quindi, devono utilizzare sistemi enzimatici in grado di funzionare da accettori di elettroni nella ri-ossidazione del NADH2 .

Le vie di fermentazione dei carboidrati sono essenzialmente due:

  • Via EMP (Embden-Meyerhof-Parnas) o via degli esoso-difosfati. È il ciclo glicolitico che i batteri seguono per la fermentazione dei carboidrati, utilizzando enzimi costitutivi. Quindi, i batteri, per seguire questo ciclo, non hanno bisogno di una quota di energia aggiuntiva; non hanno bisogno di energia per sintetizzare gli enzimi del ciclo, perché questi enzimi sono costitutivi.

  • Via HMP o via degli esoso-monofosfati detta anche fermentazione eterolattica, perché i prodotti finali variano a seconda del corredo enzimatico del ceppo in esame (Acetato, Formato, Etanolo, H2O2).

I batteri in base alla via di fermentazione seguita, possono essere divisi in tre gruppi:

·        Omofermentanti obbligati: fermentano gli zuccheri producendo esclusivamente acido lattico; producono, a pari velocità di fermentazione, una quantità di acido superiore a quella delle specie eterofermentanti e quindi comportano un forte abbassamento del pH.

·        Eterofermentanti facoltativi: fermentano gli zuccheri seguendo quasi esclusivamente a via omofermentante. Ma se i carboidrati scarseggiano, un corredo di enzimi inducibili permette loro di realizzare l’eterofermentazione.

·        Eterofermentanti obbligati: fermentano i carboidrati producendo etanolo, altri acidi organici (tracce di ac. lattico).

Dati sperimentali hanno dimostrato come l’abbassamento dei valori di pH sia associato ad un aumento delle concentrazioni di acido lattico. In condizioni basali (pH intorno a 7 o basso tenore di glucosio) le concentrazioni di acido propionico e acetico nella placca risultano relativamente elevate rispetto a quelle dell’acido lattico. Quando la placca sia stata esposta ad alte concentrazioni di carboidrati fermentabili, la produzione di acido lattico aumenta  drasticamente. La natura degli acidi organici prodotti dalla placca riveste grande importanza, perché questi ultimi differiscono fra loro per la capacità di attaccare le strutture dello smalto. L’attitudine di una specie batterica a produrre più o meno acido lattico è in relazione alla sua capacità di crescita in ambienti con bassi valori di pH. Lo S. Mutans rappresenta un ottimo esempio di questa capacità di adattamento. Il metabolismo fermentativo di questo microrganismo varia dallo schema omofermentante a quello eterofermentante al variare delle conc. di glucosio nel terreno di coltura. In presenza di un eccesso di carboidrati, il batterio realizza l’omofermentazione (produce, come ultimo metabolica finale, l’acido lattico). In limitato apporto di carboidrati, invece, il metabolismo è eterofermentante con produzione di acetato, formato, etanolo e H2O2 e piccola quantità di lattato.

La digestione del glucosio avviene secondo il ciclo costitutivo che costa poco energia. Il glucosio entra nella cellula tramite un trasporto passivo (secondo gradiente di concentrazione) ma esistono anche altri sistemi di trasporto attivo. Se i batteri non avessero un sistema di trasporto attivo, non potrebbero concentrare il glucosio all’interno della cellula e non riuscirebbero a metabolizzarlo a scopo energetico. Tutto questo sarà in equilibrio con un sistema di biofeed-back che è la repressione del catabolita : il catabolita, prodotto finale del matabolismo, sarà un fattore di inibizione per il sistema di trasporto attivo.

In genere, nel metabolismo dei carboidrati non abbiamo direttamente glucosio (a meno che il pz. non faccia uno sciacquo di glucosio), ma abbiamo altri carboidrati: Saccarosio, Fruttosio, Maltosio, Lattosio e zuccheri alcolici (sorbitolo e mannitolo). Questi carboidrati necessitano della presenza di enzimi indotti, sintetizzati solo in presenza del relativo substrato. Questi enzimi indotti devono costituire due sistemi enzimatici:

1.      per il trasporto attivo dentro la cellula.

2.      per convertirli in metaboliti intermedi comuni al ciclo costitutivo.

Questi zuccheri penetrano nella cellula tramite un sistema non costitutivo, più lungo rispetto a quello con cui entra il glucosio. Presentano un passaggio in più e necessitano di più energia (c’è un terzo enzima). Una volta entrati dentro la cellula, questi carboidrati, vengono convertiti in metaboliti intermedi comuni al ciclo costitutivo (in particolare Fruttosio-6-P, passaggio chiave che rappresenta il punto di incontro di tutti i substrati).

·  Il saccarosio entra dentro la cellula e viene fosforilato. Poi viene scisso in fruttosio (che diventa fruttosio-6-P) e glucosio-6-P. Il saccarosio potrebbe essere scisso in fruttosio e glucosio prima ancora di entrare dentro la cellula. Questi, possono essere la base per la sintesi di polisaccaridi extracellulari (fruttani o glucani) oppure possono entrare dentro la cellula (il glucosio diventa glucosio-6-P ed il fruttosio entra tramite il sistema non costitutivo e diventa Fruttosio-1-P. Questo salta la tappa del Fruttosio-6-P e diventa direttamente Fruttosio-1,6-bifosfato).

·  Il lattosio entra viene fosforilato in lattosio-6-P e poi viene convertito in glucosio (poi glucosio-6-P) e Galattosio-6-P che entrerà nel ciclo costitutivo come gliceraldeide-3-P.

·  Il sorbitolo ed il mannitolo entrano dentro la cellula, vengono fosforilati (xxx-6-P) e convertiti in Fruttosio-6-P. Sono meno cario-protettivi rispetto allo xilitolo, perché riescono ad essere convertiti in metabolici del ciclo costitutivo, ma richiedono più energia.

Tutti questi carboidrati utilizzano un sistema di trasporto non costitutivo e quindi necessitano di più energia.

In particolare, lo xilitolo mette in atto un ciclo assolutamente futile. Viene trasportato all’interno della cellula, mediante una fosforilazione e trasformato in Xilitolo-5-P. Ma non trova nessun sistema enzimatico per convertirlo in un metabolica intermedio del ciclo costitutivo e, quindi, dopo aver perso il gruppo fosforico, viene ripompato fuori dalla cellula. Per questo è considerato a basso potere cariogeno: non può essere utilizzato dai batteri a scopo energetico.

Il fruttosio presenta due modalità di ingresso all’interno della cellula: uno costitutivo e uno non costitutivo. Questo è importante, il fruttosio, è, infatti, un importante substrato metabolico e, in questo modo, la cellula batterica si assicura di non rimanerne senza.

Il Glucosio e il fruttosio penetrano tramite un sistema costitutivo (il fruttosio viene trasformato in Fruttosio-6-P)

Saccarosio, lattosio, mannosio, sorbitolo penetrano tramite un sitema non costitutivo. Anche il Fruttosio, in parte, entra tramite questo sistema (il Fruttosio penetra e viene convertito in Fruttosio-1-P). Il sistema d’ingresso utilizzato da alcuni carboidrati (Mannitolo, Galattosio, Maltosio) non è ancora ben conosciuto.

Il Glucosio, oltre ad un meccanismo di trasporto passivo, presenta altri sistemi per il trasporto all’interno della cellula:

  • PTS (phosphotransferase transport system), Sistema di trasporto attivo. Viene utilizzato dagli streptococchi.

  • Glucoso-permeasi: enzima particolarmente presente nel Mutans che si attiva a pH particolarmente bassi e ad elevate concentrazioni di glucosio. Immette direttamente glucosio dentro la cellula (con utilizzo di ATP).

PTS

Il trasporto di soluti dall’ambiente esterno attraverso la membrana idrofobia all’interno della citoplasma richiede normalmente la presenza di specifiche proteine “carrier” di membrana che facilitano il processo di ingresso. La diffusione attraverso queste proteine carrier (diffusione facilitata) può procedere finché la concentrazione intracellulare di soluto eguaglia quella del mezzo esterno. I nutrienti essenziali, come gli zuccheri, però, richiedono più alte concentrazioni rispetto a quelle extracellulari; necessitano, quindi, di un trasporto attivo contro gradiente di concentrazione. Il principale sistema di trasporto attivo per lo zucchero in importanti batteri acidogeni del cavo orale (come Streptococco, Actinomiceti, Lattobacilli) è il Sugar phopshotransferase transport system. Il PTS è un è un processo di traslocazione di gruppo ad alta affinità che utilizza il 2-PEP come risorsa energetica e consiste nel trasporto e fosforilazione del carboidrato sulla superficie della cellula. Il PTS è un sistema enzimatico che permette l’ingresso del glucosio dentro la cellula, ma richiede energia. L’energia per il trasporto attivo del glucosio, in questo sistema, viene ad essere fornito dalla rottura di un legame altamente energetico tra l’istidina e il gruppo fosforico di una proteina resistente alle alte temperature. Il gruppo fosforico viene legato al glucosio (diventa glucosio-6-P) e questo entra dentro la cellula. Il gruppo fosforico dell’HPr proviene, attraverso un complesso sistema enzimatico, dal 2-PEP del ciclo gli colitico.

Il gruppo fosforico, proveniente dal PEP, alla fine arriverà al glucosio.

In particolare, il 2-PEP si trasforma in piruvato e permetta la fosforilazione di una proteina enzimatica solubile, non zucchero-specifica, EI. L’EI-P, trasferisce il gruppo fosfato ad una HPr (proteina sensibile al calore, hot shock protein. Si forma un legame altamente energetico tra un residuo di istidina di questa proteina e il gruppo fosfato.

Nel ciclo costitutivo, questa HPr trasferisce il gruppo fosfato direttamente ad una proteina zucchero-specifica legata alla membrana, l’EII che permette l’ingresso di Glucosio (o Fruttosio), trasformandolo in Glucosio-6-P. Nel ciclo non costitutivo c’è un passaggio in più, è quindi richiesta più energia dal momento che è un sistema non costitutivo che necessita di enzimi indotti, sintetizzati in relazione alla presenza del substrato. In particolare, l’HPr trasferisce il gruppo fosfato ad un EIII. L’EIII-P, attraverso un EII, permette l’ingresso dei carboidrati (mannosio, lattosio, sorbitolo, lattosio, saccarosio), nella loro forma fosforilata.

Il 2-PEP è, quindi, la sorgente della fosforilazione necessaria per l’ingresso di tutti gli zuccheri all’interno della cellula. La concentrazione del PEP dipende dalla concentrazione del glucosio. Ad elevate concentrazioni di glucosio (o a pH basso), si viene a formare meno 2-PEP (tramite un circolo complesso, il 2-PEP non viene più fosforilato) e, di conseguenza, si evita che il Glucosio possa ancora entrare tramite il sistema PTS (la cellula evita di andare incontro ad una morte da substrato; si ha la repressione del catabolita). A basse concentrazioni, invece, sarà attivo il sistema PTS (avremo 2-PEP in abbondanza perché c’è poco Glucosio, ne viene fosforilato molto e, il 2-PEP, fornirà l’energia necessaria per l’ulteriore ingresso del Glucosio). Ad elevate concentrazioni di glucosio (così come a passo pH), quando il sistema PTS è inibito, è attivo un altro sistema che permette l’ingresso del glucosio: è la glucosio-permeasi (ovviamente non ci sono due modi netti e distinti di comportarsi, ma infiniti modi intermedi). La glucosio-permeasi è una proteina enzimatica, legata alla membrana, che permette l’ingresso del glucosio, contro gradiente di concentrazione utilizzando a scopo energetico l’ATP (il Glucosio entrerà come Glucosio-6-P).

Metabolismo del Glucosio

Indipendentemente dal sistema di trasporto utilizzato, il Glucosio, una volta entrato all’interno della cellula, oltre a seguire il normale ciclo glicolitico, può partecipare anche alla formazione di strutture proteiche mediante il ciclo del ribosio-5-P. La cellula batterica, infatti, necessità sia di energia che di sostanze costitutive. Il Fruttosio-1,6-bifosfato rappresenta la “fiches”: da qui, o si entra nel ciclo del ribosio-5-P, oppure entra definitivamente nel ciclo glicolitico.

Proseguendo nel ciclo glicolitico, il Glucosio si trasformerà in 3-P-glicerato poi 2-P-glicerato. Il 2-P-glicerato, attraverso l’enolasi viene trasformato in 2-PEP. L’enolasi è un enzima su cui agisce il Fluoro. Il fluoro, infatti, svolge la sua azione batterica principalmente mediante l’inibizione dell’enolasi e della pompa protonica; quindi impedisce che l’H venga pompato fuori dalla cellula (impedisce quindi l’abbassamento del pH).

Alla fine del ciclo, il Glucosio-6-P iniziale verrà trasformato in piruvato.