Biochimica

PEROSSISOMA

È uno speciale organulo, presente nelle cellule eucariotiche, specializzato nello smaltimento di tossine.

Il glicolato importato dal cloroplasto, viene trasformato in gliossilato tramite l’azione delle glicolato-ossidasi che però libera acqua

ossigenata: questa viene smaltita immediatamente, in quanto molto reattiva, grazie all’azione della catalasi che riduce ogni molecola

di acqua ossigenata in H₂O e 1/2 O₂.

Successivamente il gliossilato viene convertito in glicina tramite un’amminazione per 2 vie diverse (si considerano 2 molecole di

gliossilato):

- una molecola di gliossilato si trasforma in glicina grazie al legame di un gruppo amminico prelevato dal glutammato (che si converte

in α-chetoglutarato).

- un’altra molecola di gliossilato si trasforma in glicina grazie al legame di un gruppo amminico prelevato dalla serina (che si converte

in idrossipiruvato).

Queste 2 molecole di glicina verrano importate nel mitocondrio.

MITOCONDRIO

Una molecola di glicina viene decarbossilata e ossidata dalla glicina-decarbossilasi che attua inoltre anche una deamminazione: si

arriva così alla formazione di metilene-tetraidrofolato con la liberazione di CO₂ e di NH₄+ e la riduzione di NAD+ in NADH.

Questo metilene reagisce immediatamente con l’altra glicina andando a formare la serina grazie all’azione della serina-idrossimetil-

transferasi: la serina verrà esportata nei perossisomi dove verrà deamminata per la formazione della glicina.

Quindi per ogni 2 2-fosfoglicolato (che formeranno le 2 glicina che entrano nel mitocondrio) si ha la perdita di 1C (sottoforma di CO₂)

sui 4C totali: infatti si ha che per 4C se ne perde 1C, quindi il tasso di efficenza di questo riciclo equivale a 3/4.

SINTESI CICLICA dei DONATORI di GRUPPI AMMINICI

Il processo che avviene con le glicina nel mitocondrio ha come ruolo quello di andare a riformare i donatori di gruppi amminici che

intervengono nel processo che avviene nel perossisoma con al formazione delle 2 glicina e dell’idrossipiruvato.

SERINA

Viene rigenerata come abbiamo precedentemente descritto, con il processo di decarbossilazione-ossidazione-deamminazione di

una glicina e la sua conseguente unione con l’altra glicina rimasta tale.

GLUTAMMATO

Durante il processo precedentemente descritto si verifica una deamminazione con il conseguente rilascio di un ammonio (NH₄+).

Questo ammonio viene traportato nel cloroplasto dove la glutammina-sintasi, con il consumo di ATP, lo unisce ad 1 glutammato

formando 1 glutammina.

La glutammina prodotta si lega all’α-chetoglutarato (proveniente dal processo di deamminazione del glutammato nel perossisoma)

formando 2 glutammato tramite una reazione di transamminazione catalizzata dalla glutammato-sintasi (la glutammina possiede 2

gruppi amminici, uno lo donerà all’α-chetoglutarato per trasformarlo in glutammato usando il potere riducente della ferrodossina che

si ossiderà): uno dei due glutammato raggiungerà il perossisoma per donare il proprio gruppo amminico e l’altro riprenderà il ciclo,

formando glutammina.

Il prodotto “utile” di questo ciclo-C2 è rappresentato dall’idrossipiruvato che si forma in seguito alla deamminazione della serina

(che dona il proprio gruppo amminico al gliossilato per formare la glicina): questo idrossipiruvato verrà ridotto dall’idrossipiruvato-

riduttasi (ossidando 1 NADH a NAD+) in glicerato.

Successivamente il glicerato passerà nel cloroplasto dove subirà una fosforilazione, grazie alla glicerato-3-chinasi che consuma 1

ATP, trasformandolo in 3-fosfoglicerato che potrà entrare nel ciclo di Calvin.

Quindi, questo processo “parassita” ma inevitabile permette di ottenere lo stesso i 3 3-fosfoglicerato tramite l’ossidazione di 2

ribulosio-1,5-biPi: 2 vengono prodotti nella prima fase durante l’ossidazione del ribulosio, mentre un altro viene ottenuto come

risultato della catena di riciclo delle 2 2-fosfoglicolato prodotte durante l’ossidazione del ribulosio.

Avviene il consumo, per 2 molecole di ribulosio ossidate, di 2 ATP e di 2 NADH e il rilascio di CO₂.

Pur essendo un processo negativo, che riduce di molto l’efficienza della fotosintesi, rappresenta un possibile modo per dissipare

l’eccesso di ATP e di potere riducente generati dalle reazioni luminose in condizioni di alta intensità e di bassa concentrazione di

CO₂, prevenendo così eventuali danni all’apparato fotosintetico.

DIFFERENZE tra CICLO-C3 e CICLO-C2

Abbiamo detto che la differenza tra i due cicli è dovuta alla doppia affinità della rubisco sia per la CO₂ che per l’O₂: infatti, i 2 cicli

avvengono simultaneamente, e si assiste ad un’ossigenazione del ribulosio-1,5-biPi ogni 3 carbossilazioni dello stesso (rapporto

carbolissazione/ossigenazione pari 3:1).

In particolare, le principali differenze tra i 2 cicli sono:

- ciclo-C3: la rubisco catalizza la carbossilazione del ribulosio-1,5-biPi, avviene perciò un consumo di CO₂, una liberazione di O₂ è

un aumento del peso secco in quanto vengono prodotti scheletri carboniosi (zuccheri).

- ciclo-C2: la rubisco catalizza l’ossigenazione del ribulosio-1,5-biPi, avviene perciò un consumo di O₂, una liberazione di CO₂ è una

diminuzione del peso secco (si perde 1C per ogni 3C riciclati).

Abbiamo detto che la rubisco ha questa doppia affinità sia per la CO₂ che per l’O₂: quindi se c’è presente ossigeno ci sarà sempre

una reazione di ossigenazione che sarà più grave in determinate situazioni dove l’accumulo di O₂ può essere molto importante (in

caso di assenza d’acqua o di elevate temperature, le piante chiudono gli stomi come meccanismo di differenza per evitare l’eccessiva

traspirazione, impedendo all’ossigeno prodotto dal P680 di essere liberato).

Esistono delle piante che però hanno sviluppato dei meccanismi per evitare di fotorespirare provocando un aumento di

concentrazione della CO₂ in prossimità della rubisco.

CICLO-C4

È un processo che si è evoluto in piante tropicali o originarie dei tropici (mais, sorgo, canna da zucchero e molte infestanti

dicotiledoni) che si basa su una modificazione strutturale a livello fogliare che permette loro di mantenere un’elevata efficenza della

fotosintesi in situazioni dove le altre piante andrebbero in stress (in particolare temperature molto alte).

Questo meccanismo consente a queste piante di fissare una concentrazione di CO₂ maggiore e più velocemente rispetto alle piante-

C3, permettendo, in condizioni di illuminazione intensa e di temperature elevate:

- un’alta velocità di fotosintesi è bassa velocità di fotorespirazione

- alta velocità di crescita

- limitate perdite d’acqua

Questo processo è possibile grazie ad un adattamento morfologico a livello fogliare di queste piante-C4. Si può dire che si verifica

una una separazione spaziale tra le cellule che fissano la CO₂ e quelle che presentano l’attività della rubisco: in particolare si osserva

che le cellule del mesofillo (sono in corrispondenza degli stomi) sono adibite alla fissazione della CO₂ e al suo trasporto fino a delle

del fascio)

cellule che si trovano molto concentrate attorno ai fasci vascolari (guaina che presentano l’attività della rubisco (sono

le,uniche cellule del mesofillo a contenere questo enzima).

Quindi si possono definire 2 momenti nella fissazione della CO₂:

- la prima fissazione avviene nelle cellule del mesofillo dove la CO₂ viene fissata su uno scheletro carbonioso con l’unico scopo di

trasportarla alle cellule della già a del fascio.

- quando questo scheletro carbonioso raggiunge la guaina, rilascia la CO₂ (grazie all’attività della rubisco) la quale entra in un normale

ciclo-C3 (viene fissata sul ribulosio-1,5-biPi che prosegue nel ciclo di Calvin) per la produzione di triosi-Pi.

Questo consente alla pianta una quasi assenza di interazione con l’ossigeno, quindi di intraprendere lavia della fotorespirazione.

Quindi il ciclo si basa su uno scheletro carbonioso che fa da carrier della CO₂ dal mesofillo alla guaina del fascio dove viene rilasciata

in prossimità della rubisco per svolgere il ciclo di Calvin, mentre lo scheletro carbonioso ritorna nel mesofillo per ripetere il processo.

Diverse piante utilizzano diversi enzimi e diversi intermedi per svolgere questo processo:

VIA dell’ENZIMA-MALICO-NADP+-dipendente

È uno degli enzimi più comunemente utilizzati per lo svolgimento di questa via che si svolge in 5 reazioni:

- il primo step permetto là solubilizzazione della CO₂ in soluzione grazie all’attività della anidrasi-carbonica che permette la

conversione della CO₂ in acido carbonico che si deprotona (dato l’ambiente alcalino in cui si ritrova) in HCO3-.

- questa HCO3- si lega al fosfoenolpiruvato grazie all’attività della PEP-carbossilasi, andando a produrre ossalacetato: questa

reazione è possibile grazie all’energia contenuta nel legame-Pi presente nel fosfoenolpiruvato (si ha la perdita di questo Pi).

- successivamente si verifica una riduzione, attuata dalla malato-deidrogenasi, dell’ossalacetato in malato: durante questa reazione si

verifica una riduzione di NADPH in NADP+.

Queste prima reazioni avvengono nelle cellule del mesofillo le quali, a contatto con gli stomi, eseguono la fissazione della CO₂ e la

produzione del malato che a questo punto raggiungerà le cellule della guaina del fascio.

- il malato, una volta arrivato nelle cellule della guaina, verrà ossidato dall’enzima malico-NAP+-dipendente in piruvato (questa

reazione da nome a questo tipo di processo): è la reazione che permette l’accumulo di CO₂ a livello della rubisco, in quanto durante

questa ossidazione, avviene il rilascio di CO₂ che potrà essere fissata, attraverso la rubisco, sul ribulsio-1,5-biPi per formare le 2

molecole di 3-fosfoglicerato.

- il piruvato prodotto verrà trasportato nelle cellule del mesofillo dove la piruvato-ortofosfato-dichinasi, tramite l’utilizzo di 1 ATP e 1

Pi, lo convertirà in fosfoenolpiruvato che riprenderà il ciclo, con la liberazione di AMP e PPi (pirofosfato).

VIA dell’ENZIMA-MALICO-NAD+-dipendente

È una via più complessa che condivide solo i primi 2 step con quelle vista precedentemente, quindi la solubilizzazione della CO₂ in

HCO3- e la conversione del fosfoenolpiruvato in ossalacetato.

Successivamente:

- l’ossalacetato viene convertito in asparato: interviene una asparato-transamminasi che preleva un gruppo amminico da un

glutammato (trasformandolo in α-chetoglutarato).

- l’asparato raggiunge le cellule della guaina dove avviene la reazione opposta: l’asparato viene convertito in ossalacetato tramite la

rimozione del gruppo amminico che viene donato ad un α-chetoglutarato che si converte