Appunti di Biochimica agraria

P, per rimuovere gli inibitori è necessaria ATP.

- Riduzione: L’acido 3-fosfoglicerato viene fosforilato ad acido 1,3-bis-fosfoglicerato grazie alla 3-

fosfoglicerato chinasi che trasferisce un Pi dall’ATP per formare il -bis-. L’1,3-bis-fosfoglicerato con una

riduzione NADPH dipendente a gliceraldeide-3-P grazie alla gliceraldeide-3-P deidrogenasi.

- Rigenerazione: La continua fissazione di CO2 necessita che l’accettore RuBP venga rigenerato. Una parte

della gliceraldeide-3-P viene convertita in diidrossiacetone fosfato e ogni 6 molecole di triosifosfato

(diidrossiacetone e gliceraldeide-3-P) 5 sono usate per rigenerare il RuBP, la 6° viene usata per la

sintesi di amido (alfa 1,4(o 1,6)-D-glucosio) nel cloroplasto o di saccarosio (fruttosio+glucosio, legami alfa 1-

2) nel citosol. Di giorno l’amido e il saccarosio vengono trasportati nel floema, di notte l’amido viene

degradato per sostenere la sintesi e il trasporto di amido. La regolazione per produzione di saccarosio viene

fatta da antiporto trioso-P/Pi e dalla saccarosio-6-P sintasi (attivata da glucosio-6-P), mentre per produzione

di amido da antiporto trioso-P/Pi e dalla ADP-glucosio pirofosfarilasi.

In totale vengono usate 2 molecole di NADPH e 3 di ATP per ogni molecola di CO2 fissata . Per

sintetizzare l’equivalente di una molecola di zucchero esoso (6C) vengono usate 12 NADPH e 18 ATP.

Gli enzimi del ciclo di calvin vengono regolati da: variazioni di pH e Mg (regolano rubisco e fruttosio-1,6-

bifosfatasi), riduzione di ponti disolfuro (regola gliceraldeide-3-P deidrogenasi, fruttosio-1,6-bifosfatasi, la

ribulosio-5-P chinasi) e la formazione di complessi sopramolecolari.

Fotorespirazione (ciclo C2):

La fotorespirazione avviene quando viene consumato molto O2 e prodotta CO2 e avviene di giorno in

presenza di luce (dipende da T°, rapporto CO2/O2 e proprietà rubisco). L’O2 che compete con la CO2 del

sito attivo della rubisco forma una molecola di 3-fosfoglicerato e una di 2-fosfoglicolato grazie all’enzima

RuBP carbossilasi/ossigenasi. Durante questo processo non viene fissato alcun carbonio, come avviene con

la CO2, e deve essere consumata energia per recuperare il carbonio del 2-fosfoglicolato che è un composto

tossico. Questo recupero avviene in 3 organelli: cloroplasto, mitocondrio e perossisoma.

1) Nel cloroplasto il ribulosio-1,5-bifosfato grazie alla rubisco e in presenza di ossigeno produce il 2-

fosfoglicolato e rilascia 3-fosfoglicerato.

2) Nel cloroplasto la 2-fosfoglicolato viene defosforilata a glicolato grazie alla 2-fosfoglicolato fosfatasi, con

rilascio di un Pi (da 2 a 1 fosfoglicolato). Il glicolato attraversa la membrana del cloroplasto tramite un

trasporto glicolato/glicerato e va nel perossisoma.

3) Nel perossisoma il glicolato viene convertito in gliossilato dalla glicolato ossidasi FMN-dipendente e a O2,

con rilascio anche di H2O2. Il H2O2 viene fatto diventare H2O e 0,5O2 dall’attività della catalasi del

perossisoma.

4) Il gliossilato viene transaminato a glicina grazie alla serina (gliossilato amminotransferasi) o alla

glutammato (gliossilato amminotransferasi).

5) La glicina viene trasferita nel mitocondrio dove avviene la condensazione di 2 molecole di glicina a

ricostituire la serina (per essere riusata nel punto 4) grazie alla glicina decarbossilasi (proteina multimerica

costituita da 4 subunità) e dalla serina idrossimetiltransferasi. La reazione catalizzata dalla glicina

decarbossilasi produce N5,N10-metilenetetraidrofolato, NADH, NH3 e CO2.

6) L’unità monocarboniosa del N5,N10-metilenetetraidrofolato viene trasferita ad una molecola di glicina

determinando la sintesi di una molecola di serina (per essere riusata nel punto 4) e la rigenerazione del

tetraidrofolato (viene utilizzato nel punto 5).

7) La serina è trasferita nel perossisoma e viene usata come substrato dalla serina-gliossilato

amminotransferasi per la sintesi di glicina (la glicina poi andrà nel mitocondrio, punto 5) a partire dal

gliossilato e producendo anche idrossipiruvato.

8) L’idrossipiruvato viene ridotto a glicerato grazie alla idrossipiruvato reduttasi NADH-dipendente.

9) Il glicerato con il trasporto glicerato/glicolato torna nel cloroplasto dove grazie all’enzima glicerato-3-

chinasi si forma 3-fosfoglicerato. Il 3-fosfoglicerato rientra nel ciclo di Calvin.

10) L’NH3 liberata dalla glicina decarbossilasi diffonde attraverso la membrana del mitocondrio ed entra nel

cloroplasto dove viene condensata a NH4 e a formare glutammina grazie alla glutammina sintasi e ad 1ATP.

La glutammina reagisce con l’alfa-chetoglutarato per formare 2 molecole di glutammato grazie glutammato

sintasi ferredossina dipendente (ciclo GS-GOGAT) e viene ossidata una ferredossina.

11) Una molecola di glutammato rientra nel ciclo di fissazione dell’NH3 (punto 10) e una molecola di

glutammato è esportata nel perossisoma (punto 5) per la transaminazione catalizzata dalla gliossilato-

glutammato ammino-transferasi.

In conclusione 2 molecole di acido fosfoglicolico perse dal ciclo C3 attraverso l’ossigenazione della

RuBP vengono convertite in una di acido fosfoglicerico (3C) e 1CO2. Il 75% del carbonio è recuperato

attraverso la fotorespirazione e reimesso nel ciclo C3. Un altro ruolo della fotorespirazione è quello di

dissipare l’eccesso di ATP e potere riducente generati dalle reazioni alla luce in condizioni di alta luminosità

e bassa CO2 per evitare danni alla pianta.

Metabolismo C4:

Tipica di piante tropicali, specialmente monocotiledoni, evolute in condizioni di intensa illuminazione e alte

temperature, capaci di limitare la fotorespirazione. Queste piante hanno alta velocità di fotosintesi, alto tasso

di crescita, limitate perdite d’acqua e bassa velocità di fotorespirazione. Sono caratterizzate da una

morfologia fogliare specializzata nella fissazione di CO2 in acidi organici a 4C e il rilascio della CO2 in

prossimità della rubisco. Vi è una separazione spaziale tra fissazione di CO2 e ciclo di calvin grazie a: cellule

del mesofillo (esterne) e cellule della guaina del fascio (interne). La fotorespirazione è assente perché la

rubisco è presente solo nelle cellule della guaina del fascio, la concentrazione di CO2 nelle cellule è molto

alta e soprasta quella di O2, non viene prodotto O2 dalla fotolisi dell’H2O (fotosistema II non lavora molto,

questo limita anche produzione ATP e NADPH attraverso la fotofosforilazione non ciclica) e la PEP

carbossilasi non è influenzata dall’O2.

I passaggi della fotosintesi C4 tipo enzima malico NADP+ dipendente sono (Mais):

1) La CO2 viene idratata a ione bicarbonato grazie all’anidrasi carbonica.

2) Fissazione della CO2 a ossalacetato (OAA) grazie alla fosfoenolpiruvato (PEP) che è affine allo ione

bicarbonato e non può utilizzare l’ossigeno (no fotorespirazione) in quanto ha una struttura diversa dallo

ione bic = efficienza di carbossilazione superiore rispetto alla rubisco del C3.

3) OAA è ridotto ad acido malico grazie alla malato deidrogenasi NADPH-dipendente presente nelle cellule

del mesofillo.

4) Il malato grazie ai plasmodesmi diffonde nelle cellule della guaina del fascio e subisce una

decarbossilazione ossidativa con formazione di piruvato, CO2 (entra nel ciclo di calvin) e NADPH grazie

all’enzima malico.

5) Il piruvato ritorna nelle cellule del mesofillo ed è convertito in PEP (rigenerazione del PEP, punto 2) grazie

alla piruvato ortofosfato dichinasi che usa 1ATP per fosforilare il piruvato a PEP e un Pi a pirofosfato (Ppi).

Energia totale consumata: 5ATP (contro le 3 del C3, comunque C4 avvantaggiato ad alte T°) e 2NADPH per

ogni CO2 fissata.

Fotosintesi C4 tipo enzima malico NAD+-dipendente :

1) Conversione dell’ossalacetato ad aspartato grazie a una transaminazione.

2) Trasferimento aspartato nelle cellule della guaina del fascio dove viene deaminato a ossalacetato grazie

all’aspartato amminotransferasi.

3) Ossalacetato ridotto a malato e CO2 (va nel ciclo di calvin). Malato decarbossilato a piruvato dall’enzima

malico NAD+-dipendente nei mitocondri.

4) Piruvato transaminato ad alanina che viene trasferita nelle cellule del mesofillo dove avviene

riconversione a piruvato e poi a PEP, per poi rigenerare OAA con ione bicarbonato(punto 1).

Fotosintesi C4 tipo PEP carbossichinasi:

1) Conversione dell’ossalacetato ad aspartato grazie a una transaminazione.

2) Trasferimento aspartato nelle cellule della guaina del fascio dove viene deaminato a ossalacetato.

3) Ossalacetato viene decarbossilato direttamente a PEP e CO2 (va nel ciclo di calvin) grazie al PEP

carbossichinasi.

4) PEP ritorna nelle cellule del mesofillo per riformare ossalacetato con ione bicarbonato (poi punto 1).

Metabolismo acido delle crassulaceae (CAM): In piante in climi aridi, con habitus xerofitico, rapporti

superficie/volume bassi, spessa cuticola e basso tasso di traspirazione. Gli stomi in queste piante sono

aperti solo di notte per evitare disidratazione di giorno. Queste condizioni impediscono l’ingresso della CO2 e

la sua fissazione da parte della rubisco. Soluzione è la separazione temporale dell’acquisizione della CO2 e

della fissazione.

1) Durante la notte gli stomi favoriscono l’entrata di CO2 che viene fissata sotto forma di ione bicarbonato

con formazione di acido ossalico grazie alla PEP carbossilasi.

2) Riduzione dell’acido ossalico ad acido malico e trasferimento nei vacuoli per impedire acidificazione del

citosol.

3) Durante il giorno gli stomi sono chiusi, l’acido malico è decarbossilato a CO2 per azione dell’enzima

malico NADP+-dipendente.

4) La CO2 viene trasferita al RuBP del ciclo di Calvin.

L’attività della PEP carbossilasi è regolata attraverso un meccanismo di fosforilazione-defosforilazione. La

forma defosforilata diurna presenta una bassa affinità per il PEP, quindi la CO2 rilasciata dal malato può

essere incorporata nel ribulosio-1,5-bifosfato grazie alla rubisco. Di notte l’enzima PEP carbossilasi è in

forma fosforilata e mostra elevata affinità per il PEP.

Conclusione delle fotosintesi:

- C3: 500g H2O / g CO2 fissata.

- C4: 400g H2O / g CO2 fissata.

- CAM: 100g H2O / g CO2 fissata.

➔ ACQUISIZIONE DELL’AZOTO:

L’azoto è l’elemento più importante e abbondante nelle piante dopo il C, H e O, rappresenta dall’1 al 5%

della sostanza secca. La funzione preminente è quella di fornire gruppi amminici per la formazione degli

amminoacidi e quindi delle proteine, è componente della clorofilla, di metaboliti primari, cofattori, ormoni e

metaboliti secondari. L’N viene acquisito dalla pianta principalmente attraverso interazione con la soluzione

circolante. La pianta non è in grado di utilizzare azoto molecolare, ma alcuni microorganismi possono ridurlo

ad ammoniaca. La pianta per convertire l’azoto in forma organica utilizza il 25% dell’energia fo