Appunti biochimica

FASE DELLA CARBOSSILAZIONE

Il primo step consiste nell'addizione di una molecola di CO2 ad un composto a

cinque atomi di C ( RIBULOSIO-1,5-BIFOSFATO, RuBP). Questa reazione chiave

è catalizzata dall'enzima Rubisco, uno degli enzimi più diffusi sulla terra.

L'enzima Rubisco coordina i substrati RuBP e CO2 e favorisce la formazione di

un composto intermedio ipotetico che non si libera, ma si scinde in 2

molecole di un composto C3, l' ACIDO 3-FOSFOGLICERICO (PGA).

La rubisco è l'unico enzima capace di fissare la CO2 atomosferica per la

rappresenta il prerequisito essenziale per l'esistenza

formazione di biomassa;

della vita sulla terra.

Costituisce il 15% delle proteine totali del cloroplasto; dal nome si comprende

che questo enzima svolga anche un'azione ossigenasica.

L'enzima Rubisco è un eteropolimero, formato da 8 subunità identiche "alfa"

codificate da un gene del cloroplasto e da 8 subunità identiche più piccole

"beta" codificate da un gene nucleare. Su ogni subunità maggiore esiste un

sito attivo che lega i substrati CO2 e RuBP e l'attivatore Mg2+ , mentre

l'azione delle unità SSU non è ancora chiara.

Il processo di carbossilazione è veramente lento, infatti al livello di

saturazione sono 3 moli di CO2 ed una di RuBP sono convertite per secondo

allivello del sito catalitico della Rubisco. A causa di questo lento ritmo di

catalisi una grande quantità di molecole di Rubisco sono necessarie per

garantire il flusso della fotosintesi.

Si stima che la Rubisco può rappresentare anche il 50% delle proteine totali

solubili fogliari.

Attivazione della rubisco: la rubisco è attiva solo quando un gruppo amminico

della lisina (posizione 201) reagisce con la CO2 per formare CARBAMMATO a

cui è legato il magnesio. L'attivazione è determinata da cambiamenti

conformazionali della LSU ed è stabilizzata dallo ione magnesio. L'attivazione

della Rubisco richiede ATP ed è catalizzata dall'enzima Rubisco attivasi.

Questo gas attraverso le aperture stomatiche ed in soluzione acquosa

determina il seguente equilibrio:

HCO3- + H+ <------------> H2O + CO2

L'equilibrio al livello delle membrane dei tilacoidi, è regolato dall'enzima

CARBONICO ANIDRASI. Gli ioni Mg2+ sono essenziali per la carbossilazione

oltre al pH : valori elevati di pH favoriscono l'affinità per il Mg2+ e la

formazione di un complesso carbammato-Mg2+ che è il presupposto per

l'aggancio al ribulosio difosfato.

L'attività della Rubisco è dipendente dalla luce:

·38 Optimum di pH (circa 8): è raggiunto nello stroma del cloroplasto a

seguito del trasporto elettronico durante il quale si ha un trasporto

netto di H+ dallo stroma al lumen dei tilacoidi.

·39 Necessità della presenza di Mg2+: La concentrazione aumenta a

seguito del trasporto elettronico cloroplastico come controione degli

H+.

L'attività della Rubisco attivasi è massima in presenza di ATP e RuBP.

Un potente inibitore della Rubisco, il 2-carbossiarabinitolo-1-fosfato (CA1P),

raggiunge alte concentrazioni solo di notte mentre è degradato alla luce da

una fosfatasi che stacca il fosfato del C1.

FASE DELLA RIDUZIONE

Il PGA generato dall'attività della Rubisco viene quindi ridotto in due fasi

distinte attraverso l'azione di due enzimi:

9. FOSFOGLICERATO-CHINASI (ATP- dipendente)

10. GLICERALDEIDE-3-FOSFATO-DEIDROGENASI (NADPH dipendente)

Il senso della reazione è determinato dalle concentrazioni di ATP e NADPH

(provenienti dal trasporto elettronico).

La GAP rappresenta quindi il primo trioso del processo di fotoassimilazione

che viene sintetizzato e che verrà utilizzata per la sintesi di amido e/o

saccarosio. In realtà la maggior parte della gliceraldeide prodotta viene

utilizzata per la rigenerazione del ribulosio-1,5-bifosfato utilizzato nella fase

della carbossilazione (fase della rigenerazione ).

FASE DELLA RIGENERAZIONE

Una parte dei triosifosfati sono esportati dal cloroplasto per la sintesi di

molecole più complesse. In un processo come la fase di rigenerazione, una

parte dei triosi-fosfati vengono utilizzati per la sintesi del ribulosio-1,5-

bifosfato necessario per la reazione iniziale del Calvin.

Questo processo richiede energia che viene formata dall'ATP.

13 sono gli enzimi coinvolti nell'intero ciclo di Calvin e la sua efficienza di

conversione dell'energia è di circa 90%.

Le reazioni non coinvolgono la trasduzione dell'energia ma piuttosto

riarrangiamenti dell'energia chimica.

RIGENERAZIONE DEL RuBP

Il problema principale della cellula è la rigenerazione di un composto a 5

atomi di C partendo da un composto a 3 C.

C3+C3 = C6

2 moli vengono convertite nel suo isomero DHAP dalla TRIOSO-FOSFATO-

ISOMERASI.

Per azione dell'ALDOLASI, la GAP ed il DHAP vengono uniti a formare il

FRUTTOSIO-1,6-bisFOSFATO.

C6 + C3 = C4 + C5

Il FRUTTOSIO-1,6-bisFOSFATO viene, prima defosforilato dalla FRUTTOSIO-1,6-

bisFOSFATO FOSFATASI e quindi unito ad una mole di GAP ( C6+C3 ) e

mediante l'enzima TRANSCHETOLASI si generano l'ERITROSIO-4-P ( C4 ) e lo

XILUOSIO-5-P (C5).

C4+C3 = C7

L'ERITROSIO-4-P (C4) viene quindi condensato ad una molecola di DHAP (C3)

e per azione della ALDOLASI e si genera il SEDOEPTULOSIO-1,7-bisFOSFATO

(C7) che viene defosforilato dalla SEDOPETULOSIO-1,7-bisFOSFATO

FOSFATASI.

C7+C3 = C5 + C5

Il SEDOEPTULOSIO-7-P (C7) viene condensato ad una GAP (C3) da un'altra

TRANSCHETOLASI e genera il RIBOSIO-5-P (C5) e lo XILULOSIO-5-P (C5).

Il RIBOSIO-5-P per azione di una isomerasi viene convertito in RIBULOSIO-5-P,

così come lo XILULOSIO-5-P per azione di una epimerasi.

IL RIBULOSIO-5-P quindi viene fosforilato ad opera della FOSFORIBULOSIO

CHINASI (ATP dipendente).

ATTIVATORE DEGLI ENZIMI DELLA FASE OSCURA DA PARTE DELLA LUCE

Oltre la Rubisco anche altri enzimi del ciclo Calvin sono regolati dalla luce ad

ulteriore conferma che il ciclo avvienesolo in condizioni di luce:

11. 3-FOSFO GLICERALDEIDE DEIDROGENASI

12. FRUTTOSIO-1,6- BISFOSFATO FOSFATASI

13. SEDOEPTULOSIO-1,7-BISFOASFATO FOSFATASI

14. RIBULOSIO-1,5-BISFOSFATO CHINASI

I meccanismi di attivazione di questi enzimi sono indiretti in quanto l'energia

luminosa non è direttamente assorbita dagli enzimi che sono incolori.

Questi enzimi contengono nella loro molecola ponti disolfuro (S-S) che alla

luce sono ridotti a due gruppi sulfidrici (SH). La riduzione del ponte disolfuro

determina una importante modificazione nella struttura proteica per cui la

sua attività aumenta.

Nella riduzione sono utilizzati gli elettroni che provengono dalla fotolisi

dell'acqua nel PSII e che non vengono utilizzati per la riduzione del NADP+.

In particolare il processo vede coinvolte le tioredoxine attraverso l'azione

dell'enzima FERREDOSSINA-TIOREDOXINA RIDUTTASI.

Nei cloroplasti intensamente illuminati nei quali le riserve del NADP+ sono

ridotte, si accumula Fd( Fe 2+ ) che determina l'attivazione degli enzimi nel

ciclo di Calvin.

BILANCIO ENERGETICO DELLA FOTOSINTESI

Per ogni CO2 ridotta nel ciclo vengono prodotte 2 moli di 3-PGA:

15. 2 x ATP

16. 2 x NADPH -> 2 elttroni per NADPH; 2 fotoni per elettrone; 2x2x2=

teoricamente 8 fotoni per CO2 ridotta

17. 1 ATP aggiuntivo per ogni CO2 convertita in RuBP

TOTALE 3 ATP + 2 NADPH

Se consideriamo una molecola di glucosio prodotta, 6 molecole di CO2

devono essere fissate ed assimilate e questo richiederà 18molecole di ATP e

12 di NADPH.

12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi + 6H+ + 48fotoni ----------------> 6O2 +

12NADPH + 18 ATP + 6H20

FOTORESPIRAZIONE

La Rubisco come abbiamo visto può comportarsi come un'ossigenasi oltre che

come una carbossilasi.

Le cellule vegetali contengono mitocondri e quidni respirano per produrre

ATP. In questoprocesso viene consumato O e prodotta CO2. Il processo noto

conil nome di RESPIRAZIONE, avviene nelle piante indipendentemente dalla

luce.

Tuttavia in molte specie vegetali un altro tipo di respirazione avviene SOLO il

presenza di luce ed è noto conil nome di FOTORESPIRAZIONE. Questo

processo comporta la cooperazione di cloroplasti, perossisomi e mitocondri.

La reazione di ossigenasi operata dalla Rubisco determina la formazione

dell'acido 3-fosfoglicerico e di un prodotto a due atomi di C, l'acido

fosfoglicolico.

Perchè un'attività della Rubisco apparentemente dannosa? La

fotorespirazione potrebbe essere considerato un processo inutile; infatti:

·40 Il Ribulosio-5-p viene sottratto dal ciclo di Calvin

·41 viene consumato O2 e liberata CO2

·42 solo una parte degli atomi di C ritorna al cloroplasto

·43 si consuma ATP

Inoltre la concentrazione della CO2 è molto più bassa rispetto a quella dell'O2

per cui appare un processo INEVITABILE. E' ormai accertato che la

fotorespirazione rappresenti un mezzo per utilizzare NADPH ed ATP prodotti in

eccesso rispetto alle esigenze del ciclo di Calvin; rappresenta quindi un altro

accettore di elettroni non della ferredossina ma sia del NADPH che dell'ATP.

Il loro consumo permette il continuo della fase luminosa senza problemi di

eccesso di energia al livello delle membrane tilacoidali.

La fotorespirazione nota anche con il termine CICLO C2 coinvolge tre organelli

cellulari:

·44 cloroplasto

·45 perossisoma

·46 mitocondrio

CLOROPLASTO: la Rubisco porta alla formazione del 3-PGA (C3) e del 2-

FOSFOGLICOLATO (C2).

Il 2-fosfoglicolato viene defosforilato dalla FOSFOGLICOLATO FOSFATASI; il

GLICOLATO che si genera viene esportato dal cloroplasto nel perossisoma.

PEROSSISOMA: il glicolato ad opera della GLICOLATO OSSIDASI in presenza di

O2 viene ossidato a GLIOSSILATO e contemporaneamente l'ossigeno ridotto a

perossido di idrogeno.

Quest'ultimo, citotossico, viene efficacemente dismulato dalla CATALASI in

acqua e ossigeno.

Il GLIOSSILATO è convertito nell'amminoacido GLICINA ad opera di una

GLUTAMMATO-GLIOSSILATO AMMINOTRANSFERASI che opera una

transaminazione passando il gruppo amminico del GLUTAMMATO ( che

diviene "alfa"chetoglutarato ); oppure la transminazione avviene grazie

all'enzima SERINA-GLIOSSILATO AMMINOTRANSFERASI che la converte in

GLICINA mediante la SERINA.

la GLICINA è esportata dal perossisoma al mitocondrio.

MITOCONDRIO: la glicina ad opera della GLICINA DECARBOSSILASI viene

ossidata in presenza di NAD+ che si riduce a NADH, decarbossilata e

deaminata generando il METILENIDROSSIFOLATO che ad opera della SERINA

IDROSSIMETIL TRANSFERASI viene unita ad un altra molecola di GLICINA per

dare la SERINA.