Fisiologia vegetale

Rapporto ATP/NADPH nel ciclo di Calvin

O3 ATP, quindi con i 12 H sono prodotti 2.57 ATP. Si ha quindi un rapporto totale di 2.57+ATP/ 2 NADPH. Questo rapporto è più basso di quello richiesto dal ciclo di Calvin. Più in generale, si parla di un rapporto 1-1.5 ATP/ NADPH. Per il ciclo di Calvin questo rapporto è sbagliato. Come può cambiare? Il rapporto cambia al variare del numero di subunità dell'ATP sintasi (che può essere diverso da specie a specie e a seconda delle condizioni ambientali) infatti con un numero inferiore di subunità c servono meno protoni per compiere una rivoluzione intera e produrre 3 ATP. Il rapporto cambia anche grazie a vie di trasporto elettronico alternativo a quello lineare, ad esempio il trasporto ciclico attorno a PSI. Questo rapporto deve comunque adeguarsi alle necessità metaboliche della cellula. Nel trasporto elettronico ciclico gli elettroni sono ri-immessi nella catena di trasporto elettronico (principalmente a livello del PQ) da

accettori a valle del PSI(probabilmente principalmente Fdx), generando gradiente di protoni e limitando la produzione di NADPH.

Ciclo di Calvin-Benson-Bassham o ciclo C3

ATP e NADPH sono composti ad alta energia relativamente stabili ma non sono adatti ad una conservazione dell'energia a lungo termine. È quindi necessario convertirli in composti più stabili a lungo termine, principalmente carboidrati (ma anche proteine e lipidi). I carboidrati sono sintetizzati nel cloroplasto, o nel citosol da precursori esportati dal cloroplasto.

Il ciclo di Calvin è caratterizzato da una serie di reazioni che avvengono nello stroma del cloroplasto, permette la fissazione dell'anidride carbonica grazie all'enzima rubisco (ribulosio bisfosfato carbossilasi/ossigenasi). È un ciclo perché il substrato iniziale ribulosio 1,5 bisfosfato viene rigenerato. Il ciclo utilizza ATP e NADPH provenienti dalla fase luminosa della fotosintesi. È stato definito

Anche "fase oscura" della fotosintesi: in realtà, avviene di giorno e molti degli enzimi coinvolti sono regolati dalla luce. È stato identificato da Melvin Calvin negli anni '50, con il contributo di Bensone Bassham (e altri), utilizzando: cromatografia su carta 2D per identificare le molecole e il tracciante radioattivo CO per individuare le molecole in cui viene incorporato. Per chiarire il ciclo i ricercatori utilizzarono una coltura di Chlorella pyreinodosa coltivata in un lollipop, un contenitore circolare e sottile della forma di un lecca lecca, che permetteva di illuminare il campione e di fare campionamenti rapidi in vari tempi successivi all'aggiunta della CO marcata. Sono quindi andati a identificare in quali composti era incorporata, e questi composti variavano nel tempo, fornendo informazioni sul percorso seguito dalla CO nelle molecole organiche. La forte marcatura del 3-fosfoglicerato (3-PGA) dopo l'esposizione con il periodo

più breve indica che questo è il primo intermedio stabile del ciclo di Calvin. A seguire si hanno zuccheri fosfati, amminoacidi, acidi organici, aldeidi e chetoni. Se il primo composto è il 3-PGA (3 atomi di C), il precursore dovrebbe avere 2 atomi di carbonio. I ricercatori cercavano dunque un precursore a 2 C ma non riuscivano ad identificarlo. Erano però stati identificati degli zuccheri marcati a 5 C. Si è quindi pensato alla possibilità di un precursore a 5 C a cui viene aggiunto un C (dalla CO2) che dà origine ad un composto a 6 C instabile che si scinde in due molecole a 3 C. Vedremo poi che questo zucchero precursore è il ribulosio 1,5 bisfosfato. Il ciclo di Calvin è un complesso insieme di reazioni, che può esser diviso in 3 fasi: carbossilazione, riduzione e rigenerazione. La carbossilazione consiste in una reazione che è catalizzata dalla rubisco. La riduzione consiste di 2 reazioni. La rigenerazione

è una serie complessa di reazioni che permette di rigenerare il ribulosio 1,5bisfosfato. L’enzima rubisco è un enzima stromale (come gli altri del ciclo di Calvin) ed èun complesso multisubunità L S . È formato infatti da 8 grandi (L) subunità catalitiche8 8(ognuna è circa 55 kDa) e da 8 piccole (S) subunità (di circa 14 kDa). Le subunità L sonocodificate dal genoma plastidiale mentre le subunità S sono invece codificate dal genomanucleare. Non è chiaro il ruolo della subunità S, forse stabilizza la struttura delcomplesso multisubunità. La rubisco è uno degli enzimi più abbondanti in natura. Questoenzima catalizza la reazione di carbossilazione (ma non solo: ossigenazione) fissando laCO . La sua attività è regolata. È uno dei 2 enzimi unici del ciclo di Calvin. Il legame del2ribulosio 1,5-bisfosfato con la rubisco facilita la formazione di un enediolo

intermedio.L'aggiunta di CO all'intermedio instabile enediolo conduce alla seconda reazione parziale2per la formazione irreversibile di 2-carbossi-3-cheto-arabinitol 1,5 bisfosfato.L'idratazione dell'intermedio porta a 2 molecole di 3-fosfoglicerato. La rubisco deveessere attivata attraverso il residuo di lisina nel suo sito attivo. Questo residuo reagisceinfatti con una molecola di CO (diversa da quella che fungerà da substrato) e si formerà2una lisina carbamilata. Questa interagisce con degli ioni magnesio e in questo modo siattiva. Alla luce, la concentrazione di Mg nello stroma aumenta (da 1-3 mM a 3-6 mM) in2+quanto viene esportato dal lume per bilanciare le cariche degli H traslocati nel lume con+il trasporto elettronico. È quindi un meccanismo per regolare enzimi a seconda deltrasporto elettronico fotosintetico. Ma se il ribulosio 1,5 bisfosfato è già nel sito attivo,prima dell'attivazione, il sito attivo è

bloccato e non sono possibili né la carbamilazione né il legame con il magnesio. L'enzima è quindi bloccato in uno stato inattivo. L'enzima rubisco attivasi (richiede ATP, quindi è anch'esso regolato dal trasporto elettronico) facilita la carbamilazione dell'enzima rubisco, probabilmente alterandone la struttura in modo da rendere più labile il legame tra il ribulosio 1,5 bisfosfato e l'enzima non attivo. La rubisco attivasi facilita la rimozione di altri inibitori. Il carbossiarabinitol-1-fosfato è un inibitore accumulato naturalmente dalle cellule, simile all'intermedio a 6 C nella reazione catalitica della rubisco. Sembra che in piante adattate al buio sia necessaria una degradazione luce-dipendente dell'inibitore. Lo xilulosio-1,5-bisfosfato è un isomero del ribulosio 1,5 bisfosfato, che non reagisce e quindi inibisce l'enzima. La rubisco ha quindi meccanismi multipli di regolazione: 1)

carbamilazione/ Mg; 2) inibitori; 3) rubisco attivasi(a sua volta regolata dalla luce); 4) ha anche una seconda attività ossigenasica (che vedremo dopo la spiegazione del ciclo di Calvin). La riduzione è la fase successiva. Il 3-fosfoglicerato viene ridotto a carboidrati a 3 C (trioso fosfati) tramite 2 reazioni enzimatiche guidate da ATP e NADPH. In primo luogo l'ATP formata nelle reazioni alla luce fosforila il 3-fosfoglicerato al gruppo carbossilico producendo l'1,3-bisfosfoglicerato, in una reazione catalizzata dalla 3-fosfoglicerato chinasi. Successivamente il NADPH riduce l'1,3-bisfosfoglicerato a gliceraldeide 3-fosfato, in una reazione catalizzata dalla NADP-gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi. La gliceraldeide 3-fosfato è in equilibrio con il diidrossiacetone fosfato. Le reazioni della fase di riduzione sono quasi identiche alle corrispondenti della glicolisi (e della sua reazione inversa, nella gluconeogenesi) e sono catalizzate da enzimi.

transchetolasi usa il fruttosio 6-fosfato come substrato per riarrangiare gli scheletri carboniosi e formando così una molecola a 5 atomi di carbonio ossia lo xilulosio 5-fosfato e una molecola a 4 atomi di carbonio ossia l'eritrosio 4-fosfato. La ribulosio 5P epimerasi converte lo xilulosio 5-fosfato in ribulosio 5-fosfato. L'eritrosio 4-fosfato reagisce con DHAP grazie a un'aldolasi a dare sedoeptulosio 1,7-bisfosfato (SBP). L'SBP viene convertito in sedoeptulosio 7-fosfato grazie a una fosfatasi (S7P). Una transchetolasi permette di convertire il sedoeptulosio 7-fosfato in xilulosio 5-fosfato e ribosio 5-fosfato. La ribulosio 5P epimerasi converte lo xilulosio 5-fosfato in ribulosio 5-fosfato mentre la ribosio 5P isomerasi converte il ribosio 5-fosfato in ribulosio 5-fosfato. Le 5 molecole iniziali a 3 atomi di carbonio sono quindi riarrangiate in 3 molecole a 5 atomi di carbonio. Ad ognuna di queste 3 molecole viene aggiunto fosfato a partire dall'ATP.

Grazie all'enzima fosforibulochinasi. In questo modo si riformano 3 molecole di ribulosio 1,5 bisfosfato. Rubisco e fosforibulochinasi sono i 2 enzimi unici del ciclo di Calvin. Gli altri enzimi sono isoforme del plastidio che catalizzano le stesse reazioni di altre vie metaboliche per la sintesi di carboidrati. La differenza sta nel fatto che questi enzimi hanno una regolazione giorno-notte. Il ciclo deve infatti essere disattivato di notte.

Per ogni CO2 fissata (un RuBP), vengono utilizzati 3 ATP e 2 NADPH prodotti dalla fase luminosa della fotosintesi. Se consideriamo 3 CO2 allora si avrà:

Ma se consideriamo 5 CO2 allora:

Il ciclo di Calvin è una reazione autocatalitica, ossia che può produrre i suoi substrati. Ad esempio, dopo il buio, la quantità di RuBP è relativamente bassa, quindi la cellula investe energia per aumentare la capacità del ciclo di Calvin. Quando la quantità di RuBP è sufficiente, la cellula accumula i triosi.

fosfati.

La regolazione del ciclo di Calvin

L'uso efficiente dell'energia nel ciclo di Calvin