Metabolismo - undicesima lezione

Il metabolismo

La compartimentazione della cellula vegetale in organuli separati aumenta notevolmente il potenziale di flessibilità e diversità metabolica. Le piante sono organismi autotrofi ("si nutrono da soli"), ottenendo composti inorganici necessari per il proprio nutrimento sotto forma di anidride carbonica. La compartizione della cellula vegetale in diversi organuli permette a differenti reazioni metaboliche di avvenire simultaneamente. Il citosol, il plastidio, il mitocondrio, il vacuolo e il sistema di endomembrane sono tutti compartimenti distinti dal punto di vista metabolico. All'interno dei cloroplasti (un tipo di plastidi) e dei mitocondri, le membrane interne formano ulteriori compartimentazioni.

L'integrazione e il coordinamento dei processi metabolici nella cellula, e la loro modulazione in risposta alle variazioni dell'ambiente e dello sviluppo, vengono raggiunti mediante la regolazione delle attività enzimatiche. Vi sono due tipi di meccanismi che intervengono nel regolare l'attività di un enzima.

Controllo grossolano

Il primo tipo, denominato "controllo grossolano", determina la quantità totale di enzima disponibile all'interno di una cellula. Il meccanismo di controllo grossolano opera variando le velocità relative di sintesi e di degradazione (turnover) della proteina enzimatica. Come con qualsiasi altra proteina, la velocità di sintesi dipende dalla velocità di trascrizione del gene che codifica per quell'enzima (controllo trascrizionale), dal turnover dell'RNA messaggero (mRNA) e dalla velocità di traduzione dell'mRNA (controllo traduzionale). Questo tipo di meccanismo è in grado di apportare variazioni della quantità di uno specifico enzima nel giro di ore o giorni.

Controllo fine

L'altro tipo di regolazione, definito "controllo fine", funziona su una scala temporale molto più breve e modula le attività enzimatiche nel contesto delle condizioni generate dal controllo grossolano. Quindi il controllo grossolano determina quante molecole di proteina enzimatica sono presenti nella cellula, mentre il controllo fine determina il livello di attività di queste stesse molecole.

I due tipi più importanti di modificazioni covalenti che modulano l’attività enzimatica sono:

• Fosforilazione/defosforilazione - dovute a specifiche proteine chinasi e proteine fosfatasi.
• Riduzione/ossidazione.

Variazioni nell’attività di molti enzimi sono indotte da specifiche interazioni non-covalenti fra la proteina enzimatica e particolari metaboliti. Questi metaboliti (effettori) possono interferire con l’attività enzimatica in una varietà di modi, e con effetti spesso complessi. Ad esempio, un metabolita potrebbe alterare la relazione fra l’attività di un enzima e la concentrazione del suo substrato, e anche influenzare la misura in cui altri metaboliti possono interagire con l’enzima alterandone l’attività.

Cloroplasti

I cloroplasti sono organelli cellulari deputati al processo di fotosintesi clorofilliana. Il cloroplasto è formato da due membrane lipidiche, esterna e interna, tra le quali si trova uno spazio, chiamato spazio transmembrana. Lo spazio racchiuso dalla membrana interna, chiamato stroma, è sede attiva di una fase vitale del metabolismo vegetale che è noto come ciclo di Calvin. All’interno dello stroma si trovano i tilacoidi, un sistema di dischi appiattiti formati da membrana impilati su loro stessi, che insieme formano la cosiddetta “grana”. Le diverse pile di tilacoidi sono collegate le une alle altre attraverso porzioni di membrana a formare i cosiddetti granuli o tilacoidi granali.

Assimilazione del carbonio: fotosintesi fase oscura

Ciclo di Calvin (C3)

La fotosintesi converte l’anidride carbonica atmosferica in composti organici (usati per la biosintesi, oppure convertiti in zuccheri). La CO₂ è assimilata attraverso un ciclo di reazioni che avviene nel cloroplasto. I tilacoidi (membrane interne) sono la sede delle catene di trasporto elettroniche dipendenti dalla luce, che forniscono energia (ATP) e potere riducente (NADPH), necessari per l’assimilazione del carbonio. La CO₂ è assimilata mediante un ciclo di reazioni chimiche, conosciuto come la via di ciclo di Calvin riduzione dei pentosi fosfati detto [FASE OSCURA della FOTOSINTESI], il quale rappresenta l’unica via metabolica mediante la quale le piante convertono una certa quantità di carbonio inorganico in zuccheri. N.B: il ciclo di Calvin è comune a tutti gli autotrofi.

Le reazioni del ciclo, catalizzate da enzimi solubili che si trovano nello stroma del cloroplasto, possono essere suddivise in tre fasi:

• Carbossilazione di un composto a 5 atomi di C mediante CO₂ per dare 2 molecole di un composto a 3 atomi di C.
• Riduzione della molecola a 3 atomi di C per dare trioso fosfato.
• Rigenerazione della molecola a 5 atomi di C a partire dai trioso fosfati.

Fase 1: Carbossilazione, questo primo passaggio è catalizzato dall’enzima Rubisco: la CO₂, insieme all’acqua, vengono combinate con il ribulosio 1,5 difosfato per formare due molecole di 3-fosfoglicerato.

Fase 2: Nella fase di riduzione il 3-fosfoglicerato viene ridotto a zucchero a tre atomi di carbonio, cioè i due seguenti triosi fosfati: la 3-fosfogliceraldeide; il diidrossiacetone fosfato.

Fase 3: Nella fase di rigenerazione dai triosi fosfati si rigenererà il ribulosio 1,5 fosfato chiudendo quindi il ciclo. Le reazioni del ciclo di Calvin richiedono energia sotto forma di ATP e potere riducente sotto forma di NADPH (nicotinammide adenina dinucleotide fosfato ridotto). L’assimilazione di 3 molecole di anidride carbonica consuma 9 molecole di ATP e 6 molecole di NADPH. L’ATP e il NADPH sono entrambi sintetizzati sulle membrane dei tilacoidi, dove l’energia luminosa è catturata e sfruttata dalle catene di trasporto di elettroni.

Fase luminosa della fotosintesi: conversione dell'energia fisica della luce in energia chimica

La cattura dell'energia luminosa ed il suo uso per la sintesi dell'ATP e del NADPH usati poi nel ciclo di Calvin implicano una serie complessa di reazioni fisiche e chimiche. I fotoni di luce eccitano, ovvero aumentano l’energia delle molecole di clorofilla (pigmento situato nelle membrane tilacoidali). L’energia di fotoeccitazione viene poi trasferita, mediante gli elettroni eccitanti, al centro di reazione (dove l’energia fisica viene convertita in energia chimica). Questa fase (luminosa) della fotosintesi, è resa possibile grazie alla presenza di diversi complessi molecolari legati tra di loro, che alla fine di tutto il processo, porteranno alla sintesi di due molecole, il NADPH e l’ATP. [OBIETTIVO della fase luminosa: produzione di NADPH e ATP che verranno utilizzati nel ciclo di Calvin = fase oscura].

Viene indotto il trasferimento di un elettrone, da una molecola specifica di clorofilla ad una molecola accertatrice: in questo processo, la molecola di clorofilla si ossida (ossida = perde 1 o più elettroni; riduce = acquisto 1/+elettroni). La conversione viene definita come separazione di carica primaria. La molecola accettatrice è ridotta (quindi ha acquistato un elettrone) cede a sua volta l’elettrone acquistato ad un trasportatore di elettroni (che a sua volta lo donerà ad un’altra molecola). Nelle membrane tilacoidali sono presenti più trasportatori di elettroni, che insieme costituiscono la catena di trasporto elettronica che è in grado di trasferire gli elettroni dalla molecola accettatrice, al NADP⁺, che viene ridotto a NADPH. Mentre vengono trasportati gli elettroni lungo la catena, avviene anche un trasporto di protoni dal lato stromale al lume tilacoidale, con la conseguente formazione di un gradiente elettrochimico (carica elettrica) gradiente di protoni attraverso la membrana tilacoidale, sia di un gradiente di pH. A causa di questo trasferimento di protoni, il pH nel lume può scendere fino a 4 (molto acido), mentre quello dello stroma può salire fino a 8 (molto basico).

Il movimento di protoni secondo il gradiente elettrochimico (dal lume allo stroma) induce l’attività della ATP sintasi legata alle membrane tilacoidali, la quale fosforila l’ADP ad ATP.

Fotosistema e complesso per la raccolta della luce

L’energia luminosa è catturata da complessi formati da proteine e clorofilla: ognuno di questi complessi è inserito nella membrana del tilacoide e costituisce un fotosistema, che contiene molte molecole di clorofilla. La maggior parte delle molecole di clorofilla, costituiscono il cosiddetto complesso antenna ed hanno lo scopo di incanalare l’energia di eccitazione verso le altre molecole del complesso, le quali formano il nucleo centrale. Il centro di reazione di un fotosistema è contenuto nel nucleo centrale (dove l’energia luminosa viene trasformata in energia chimica). Nel complesso antenna, le clorofille sono legate a proteine LHPC (ovvero polipeptidi del complesso per la raccolta della luce). Questi complessi pigmento-proteina attraversano la membrana del tilacoide, e le molecole di clorofilla sono posizionate in modo da massimizzare l'efficienza del trasferimento reciproco dell'energia. Quando la clorofilla del complesso antenna assorbe un fotone, l’energia è prima trasferita alle molecole di clorofilla adiacenti, poi è incanalata verso il centro di reazione del fotosistema. Il rapporto tra le due clorofille aumenta man mano che ci avvicina al centro di reazione: contribuendo ad incanalare l’energia verso il centro di reazione. Questi complessi contengono due tipi di clorofilla: la clorofilla a e la clorofilla b questi sono diversi in quanto hanno spettri di assorbimento differenti.

La clorofilla a: è maggiormente nella parte interna del complesso della raccolta della luce; è eccitata da fotoni di energia inferiore (luce a lunghezza d’onda più lunga) rispetto alla clorofilla b; quindi, acquista uno strato energetico inferiore a quello della clorofilla b. Questo vuol dire che l’energia di eccitazione passa dalla clorofilla b alla a, ma non nella direzione opposta. La clorofilla b: maggiormente nella parte esterna del complesso della raccolta della luce. Inoltre, le molecole di clorofilla a associate con i centri di reazione sono eccitate da fotoni a energia più bassa (lunghezza d'onda maggiori) rispetto alle molecole di clorofilla a del complesso antenna; anche questo promuove il trasferimento dell'energia di eccitazione verso il centro di reazione. Gli spettri di assorbimento della clorofilla a contenuta nel complesso antenna e nel centro di reazione differiscono perché nelle due diverse localizzazioni le clorofille sono legate a tipi di proteine differenti.

Flusso elettronico tra fotosistema II e fotosistema I

• Separazione di carica sulla clorofilla a del centro di reazione del PS I.
• Clorofilla a, riduce il NADP⁺ a NADPH e si ossida.
• Clorofilla a, del PS I viene nuovamente ridotta dagli elettroni generati dalla separazione di carica in PSII e trasferiti lungo la catena di trasporto elettronico.
• Clorofilla a, ossidata di PSII viene di nuovo ridotta dagli elettroni derivanti dalla fotolisi dell’acqua.
• I componenti della catena di trasporto (asimmetrici) rilasciano protoni verso il lume, gradiente elettrochimico, ATP sintasi.

Le piante superiori contengono due tipi di fotosistemi: fotosistema I (PSI) e fotosistema II (PSII), ovvero complessi proteici associati a pigmenti (molecole organiche in grado di assorbire la luce), ovvero le clorofille. Strutturalmente sono immersi nella membrana tilacoidale, ma disposti in modo differente tra le membrane impilate (PSII) e quelle non impilate (PSI). I due sono connessi tra loro da proteine che formano la cosiddetta catena di trasporto degli elettroni, a carico della quale avverranno reazioni di ossidoriduzione. Verso il lumen del tilacoide, è situata un’ulteriore molecola enzimatica (cioè in grado di catalizzare una reazione), il complesso di fotolisi dell’acqua (una proteina in grado di catalizzare l’ossidazione completa di una molecola d’acqua che dona elettroni). La scissione della molecola di H₂O determina l’accumulo di protoni nel lumen del tilacoide (la soluzione quindi diventa molto acida, pH circa di 4), possibile grazie alla presenza della membrana del tilacoide (in quanto è semipermeabile mantiene i protoni accumulati all’interno del lumen), generando un gradiente elettrochimico rispetto alla soluzione dello stroma che è basica (pH circa di 8). Questo gradiente elettrochimico rappresenta una sorgente di energia, e viene sfruttato dall’enzima ATP sintasi (enzima costituito da diverse subunità: una di queste è un canale protonico, che permette un deflusso secondo gradiente di concentrazione di carica dal lume dei tilacoidi verso lo stroma). È proprio questo deflusso a costituire una sorgente di energia, e rende possibile la rotazione, su un perno, delle altre subunità dell’ATP sintasi (rivolte verso lo stroma). È in queste subunità che avviene il legame dell’ADP con fosfati inorganici, per sintetizzare ATP. Le molecole di clorofilla nei centri di reazione di PSI e PSII sono dette rispettivamente P700 e P680, i cui numeri corrispondono alle lunghezze d’onda. Ciascun fotosistema comprende un complesso di proteine detto “sistema antenna”, che al suo interno contiene molecole di clorofilla. Le molecole di clorofilla del sistema antenna captano i fotoni che provengono dalla luce solare e li trasferiscono a tutti i complessi proteici del fotosistema.

Fotosistema II

La luce colpisce le clorofille del fotosistema II e fa sì che le molecole di clorofilla del sistema antenna assumano un livello energetico eccitato, e convogliano quest’energia verso il centro di reazione del fotosistema II, dove sono presenti le clorofille P680, queste sono in grado di cedere elettroni grazie alla scissione di una molecola d’acqua (fotolisi dell’acqua) ovvero prende una molecola d'acqua (H₂O) e la scinde ottenendo 2 protoni (H⁺) lasciando O scisso, questo si unirà ad un altro atomo di O per formare O₂. In questo modo la molecola di clorofilla ricava l’elettrone che aveva donato, mentre l’ossigeno viene espulso fuori dal fotosistema ad una proteina chiamata plastochinone (PQ). Successivamente, viene captato un secondo fotone e il processo si ripete, concludendosi con la cessione di un secondo elettrone al plastochinone. Il plastochinone, muovendosi nella membrana del tilacoide, raggiunge una seconda molecola della catena, ovvero il citocromo b6f. Quando il plastochinone donerà elettroni al citocromo, libera i due protoni acquistati in precedenza, nel lume tilacoidale. Il citocromo a sua volta cederà gli elettroni ad un accettore, la plastocianina (PC), che muovendosi lungo la membrana tilacoidale, raggiunge il fotosistema I.

Fotosistema I: "Schema Z" del potenziale redox nei fotosistemi

• Le molecole di clorofilla nei centri di reazione sono dette P680 e P700 (lunghezze d’onda assorbite).
• P700*: alto potere riducente, riduzione di NADP⁺ (tramite ferredossina).
• P680* minore potere riducente, riduzione P700 (tramite catena trasporto elettronico).
• P680 ossidata: alto potere ossidante, ossidazione dell’acqua.

Analogamente per il fotosistema II, l’energia proveniente sotto forma di luce viene recettata dalle clorofille e convogliata nel centro di reazione, contenente clorofilla P700. Queste clorofille hanno raggiunto un livello energetico alto che permette loro di cedere elettroni a diversi intermedi e porteranno alla formazione del NADPH. PC sarà in grado di restituire elettroni alla clorofilla P700 riportandola allo stato ridotto. Allo stesso modo la clorofilla P680 è ossidata perché ha ceduto elettroni a PQ. Per questo motivo occorre un donatore di elettroni che è l’acqua. Questo schema viene definito “Schema Z” perché queste reazioni formano una Z.

Complesso nel nucleo centrale del PSI

Il nucleo centrale del PSII contiene circa 20 proteine: alcune situate nel centro di reazione (dove avviene la separazione di carica primaria), altre nei complessi antenna, nell’ossidazione dell’acqua e nel trasferimento di elettroni. Le proteine situate nel centro di reazione e quelle nel complesso antenna, sono spesso idrofobiche inserite quindi nella parte lipidica della membrana. Le proteine coinvolte nell’ossidazione dell’acqua sono situate sul lato lumiale della membrana tilacoidale: gli elettroni rilasciati dalla proteina P680, vengono trasferiti al plastochinone (molecola proteica che può muoversi all’interno della membrana tilacoidale), grazie a due proteine situate nel centro di reazione: proteina D1 e proteina D2.

Trasferimento di elettroni dall’acqua al P680 ossidato

• Un gruppo di 4 ioni Mn nel complesso di fotolisi dell’acqua fornisce elettroni al P680 ossidato, riducendolo un elettrone alla volta fino alla completa ossidazione del gruppo di Mn (che esiste quindi in 5 stati di ossidazione).
• Gli ioni Mn sono nuovamente ridotti da 2 molecole di acqua con la produzione di 4 H⁺ e O₂.

Il gruppo Mn completamente ossidato si riduce completamente con l’acqua, minimizzando la formazione di ROS dannosi generati durante la fotolisi (agisce da tampone di carica elettrica).