Appunti Biologia vegetale

FASE OSCURA

La FASE OSCURA (luce indipendente): come punto

chiave è rappresentata da complesso enzimatico

detto RuBisCO: Ribulosio Bisfosfato

Carbossilasi/Ossigenasi.

È un complesso costituito da una serie di proteine

in parte codificate dal DNA plastidiale e in parte dal

genoma della cellula che ospita il cloroplasto. È la

proteina più abbondate quantitivamente sul

pianeta terra. La RuBisCO permette di:

• incorporare il C della CO2 in composti

organici

• È l’enzima che da avvio al ciclo metabolico

detto fase oscura. Tale reazione avviene

nello stroma.

Essendo un ciclo, il substrato inziale deve essere rigenerato. Si inizia da zucchero a 5 atomi di C, con 2

43-

gruppi fosfati (PO ) legati al C e al C . Tale zucchero si chiama Ribulosio 1,5 Bisfosfato.

1 5

La Rubisco è un enzima con un sito catalitico, che riconosce tale zucchero a cui vi si lega e presenta un altro

→

sito di legame per la CO 5C + 1C (della CO2) dovrei ottenere un composto a 6 atomi di C, ma tale

2

molecola a 6C è instabile (non rimane fuori dalla RuBisCO). Otteniamo allora 2 composti a 3 atomi C, di cui

1 eredita il C della CO2.

Tali composti prendono il nome di PGA (Acido 3-fosfoglicerico) perché ciascuno di questi contiene un

gruppo fosfato, detti anche triosi-fosfati. Riduzione del PGA a fosfogliceraldeide

Dopo la produzione di PGA, si ha una serie di riarrangiamenti delle molecole stesse con altri enzimi che

modificano la struttura di questi triosofosafti.

Si ha però un eccesso di produzione di questi triosofosfati: Ogni 3 molecole di CO2 incorporate abbiamo un

eccesso di 3 Carboni.

3° fase: prevede di usare molecole di questi triosofosfati per riformare il composto a 5 atomi di carbonio,

che è il substrato della RuBisCO. Si ha nel ciclo un consumo di ATP e NADPH. Tale fase oscura necessità di

queste molecole e viene definito ciclo di Calvin o ciclo C3, perché il primo composto stabile ha 3C.

Ogni 3 molecole di CO2, abbiamo l’ottenimento di un triosofosfato in eccesso e il ciclo in sé comporta un

consumo di 9ATP e 3 NADPH.

Questi triosofosfati sono prodotti in eccesso e tutti i

carboni della CO2 quindi formano composti organici

e la cellula ancora non può utilizzarli. Questi

triosofosfati in eccesso, sono sottoposti ad una fine

regolazione del comparto in cui si trovano.

Sono prodotti all’interno del cloroplasto ma possono

essere portati all’esterno nel citosol, fuori dal

plastide;

Nello stroma del cloroplasto ci sono determinati

enzimi, che servono per il ciclo C3, ma anche per il

metabolismo del cloroplasto. Nel citosol ci sono altri enzimi e il metabolismo può differire.

Se i triosofosfati si accumulano durante il giorno, (mentre abbiamo produzione di energia metabolica),

questi triosofosfati che si accumulano nello stroma diventano substrati per enzimi del cloroplasto e quindi

nello stroma questi triosi vengono usati per fare carboidrati veri e propri, il cui step finale è la produzione

di amido definito amido primario. Amido poi per non oscurare i tilacoidi verrà portato fuori dal cloroplasto

durante la notte.

Durante la notte, le vie metaboliche che hanno portato alla produzione di amido agiscono al contrario,

degradando l’amido primario fino a riottenere il triosofosfato di partenza. Sulla membrana del cloroplasto

(esterna) ci sono proteine trasportatrici molto importanti: TRASLOCATORI DI TRIOSIFOSFATI, la loro attività

permette il corretto bilancio della cellula in quanto permettono di far passare in modo controllato il

triosofosfato e farlo uscire dal cloroplasto.

Una volta nel citosol (i triosofosfati) diventano substrati per altri enzimi del citosol e iniziano ad entrare in

→

una serie di reazioni metaboliche che portano come risultato finale carboidrati Non diventano però

amido, essendo un polimero molto grande e non è facilmente trasportabile (il floema non può portare

polisaccaridi), quindi tale cellula trasforma in saccarosio che è lo zucchero principalmente portato dal

floema e può essere portato fino all’organo dove viene accumulato sotto forma di amido.

Ossigenasi: RuBisCO è una molecola molto antica che si è evoluta quando l’atmosfera era ricca di CO e

2

scarso di O . Tale RuBisCO può legare la CO , ma anche l’ossigeno. Quando la RuBisCO lega ossigeno e non

2 2

Co2 si crea un problema.

↓

Compie gli stessi passaggi, ma se si lega con O2. Manca il C della CO2 e non otteniamo 2 molecole a 3C, ma

ottengo un GPA (3C) e una molecola a 2C e ottengo un fofsfoglicolato, che diventa un glicolato.

Quando la RuBisCO forma come ossigenasi non viene fissato carbonio e così i triosofosfati per produrre

zuccheri sono prodotti in minor quantità. In più Il glicolato non è usabile dalla cellula dal punto di vista

metabolico; quindi, è una molecola che tende ad accumularsi senza un ruolo funzionale nella cellula e

quindi questa attiva è un problema metabolico per quasi tutte le piante.

→

Questo processo prende il nome di fotorespirazione la regolazione della sua attività dipende ed è

regolata dalla luce.

Fattori che determinano l’attività carbosillagica o ossigenagica della RuBisCO:

• Cinetica enzimatica del RuBisCO

• rapporto CO2 e ossigeno. La nostra atmosfera è costituita dal 78% azoto 21%ossigeno e 0,2,3 %di

CO2. In tali condizioni l’ossigeno è 2 ordini più grandezza superiore alla CO2; tuttavia, consideriamo

l’affinità più elevata per la CO2 che per l’O2 della RuBisCO.

Al livello cellulare bastano piccole variazioni di questo rapporto tra CO2 e O2 per spostare l’attività.

• La temperatura è un altro fattore importante. Piante hanno bisogno di determinate condizioni

favorevoli per poter compiere metabolismo, ma come per gli animali, temperature troppo elevate

possono essere uno stress per le piante, soprattutto in relazione al loro bilancio idrico. Ci sono dei

meccanismi di salvaguardia che permettono alle piante (in caso di stress idrico) di far chiudere gli

stomi, bypassando la regolazione delle cellule di guardia; ma facendo ciò alterano quello che è il

rapporto al livello cellulare di Co2 e O2, e la fotosintesi tende a procedere, con una concentrazione

di CO2 più bassa di quando gli stomi sono aperti. Qui è facile che la RuBisCO si trovi in condizioni in

cui L’O2 prevale sulla CO2.

Il glicolato, prodotto per mancanza di CO2, è stato accumulato dalla cellula (in quanto potrebbe essere

convertito per altri per altri scopi) e quindi la cellula per ridurre gli effetti negativi della fotorespirazione

viene messa in atto una serie di meccanismi molto complessi, con dispendio notevole di energia, per

recuperare quei due atomi di carbonio da ciascuna molecola di glicolato. Per fare questo la cellula utilizza

quello che ha o meglio utilizza gli organuli che sono:

• il cloroplasto

• il perossisoma

• il mitocondrio

Questi organi (dalle varie osservazioni fatte ai microscopi) risultano addossati gli uni agli altri e la loro

vicinanza era inspiegabile fino a quando non è stato capito cosa fanno tali organuli nel caso della

fotorespirazione.

Svolgono sempre le proprie funzioni, ma in caso di formazione di glicolato intervengono nel recupero di

→

questi due atomi di carbonio sfruttano il proprio pule enzimatico.

1. Nel cloroplasto abbiamo la formazione di glicolato, ma non ci sono gli enzimi adatti per modificarlo: lo

espelle e lo passa al perossisoma.

2. Questo possiede gli enzimi per lavorare il glicolato e lo trasforma in un amminoacido, la glicina.

3. La glicina passa poi al mitocondrio dove viene convertita in un altro amminoacido: la serina.

4. Questi amminoacidi possono essere utili alla pianta ma l’obbiettivo è riottenere gli atomi di C, quindi la

serina torna nel perossisoma dove si trasforma in glicerato che viene reimmesso nel cloroplasto e con

una reazione di fosforilazione ottengo il glicerato-3-fosfato (che entra nel ciclo di calvin).

Questo giro permette di recuperare quei 2 carboni che altrimenti verrebbero sprecati, ma con un costo

importante per la cellula in termini energetici. FOTORESPIRAZIONE È UN PROCESSO PARASSITA.

Tutte le piante in determinate condizioni possono fare foto respirazione e la fotorespirazione appunto

attua questo meccanismo, ma visto che la RuBisCO è così difettata e che nel corso di milioni di anni non si è

mai modificata (enzima estremamente conservato anche nei suoi difetti): l'evoluzione porta in qualche

modo a rimediare a eventuali problemi. Se è vero che da un lato l'evoluzione non ha modificato la RuBisCO

però l'evoluzione ha portato a gruppi di piante che hanno la RuBisCO, ma che evitano che la RuBisCO

funzioni come ossigenasi.

BASE: Se io metto la RuBisCO in un ambiente in cui abbiamo poco ossigeno e tanta CO2 (quindi le

→

condizioni opposti alla fotosintesi), la RuBisCO si lega alla CO2 e non all’ossigeno questa è la strategia

metabolica di 2 importanti gruppi di piante che vengono definiti:

• Piante C 4

• Piante CAM

PIANTE C 4

Primo composto stabile della fissazione della CO2 è una molecola a 4 atomi di carbonio: ossalacetato. Qui

la prima fissazione della CO2 non avviene nel cloroplasto, ma si ha una prefissazione della CO2 al livello del

citosol. Abbiamo un ciclo C4 che avviene nel citosol e un ciclo C3 che avviene nel cloroplasto.

nelle foglie noi abbiamo due epidermidi superiori inferiori, all'interno c'è il mesofillo ovvero lo spazio

occupato dal parenchima clorofilliano (nelle latifoglie prevede una palizzata e un lacunoso). All'interno delle

foglie ci siano i tessuti di conduzione immersi all'interno del mesofillo fogliare e questi tessuti di conduzione

sono costituiti da tessuti di conduzione propriamente detti, quindi xilema e floema.

Ogni cordone di xilema e floema è circondato da un monostrato di cellule di tipi parenchimatico, che sono

le cosiddette nervature delle foglie.

Nelle piante C4 si ha una anatomia particolare, non tanto delle foglie, ma delle cellule parenchimatiche che

circondano i tessuti vascolari:

• Sono molto più grandi, spesse e prendono il nome di cellule della guaina del fascio (o di kranz).

• Sono connesse tra loro e con le altre cellule dell’apparato fotosintetico da numerosi plasmodesmi,

• tali cellule rappresentano una strategia per aumentare concentrazione di CO2 dove la RuBisCO

deve funzionare e permettono di creare un ambiente ottimale per la RuBisCO.

1. Nelle piante C4 c'è una prefissazione della CO2 nel citosol e tali piante sfruttano un enzima qui

presente chiamato: fosfoenolpiruvato (PEP) carbossilasi e legandosi alla molecola da cui prende il

nome, può inglobare un atomo di carbonio della CO2 e ot