Appunti biochimica del metabolismo secondario

Biochimica del metabolismo secondario

Metabolismo secondario

Il metabolismo è una serie di processi chimici che avvengono nell’organismo a livello cellulare. Anabolismo è un complesso di reazioni biochimiche di sintesi che portano alla sintesi di un qualcosa (acido grasso, amido) a spese dell’energia. Anabolismo (sintesi) produzione di sostanze a spese di energia.

Il catabolismo è tutta quella serie di processi che porta alla degradazione di una molecola con lo scopo di produrre energia. Dalla degradazione otteniamo ATP che utilizziamo per produrre energia. Catabolismo (degradazione) produzione di energia a spese di sostanze.

Che cos’è il metabolismo secondario?

Il metabolismo delle piante si suddivide in:

• Metabolismo primario: è quello ubiquitario a tutte le cellule ed è dato da molecole semplici indispensabili per la vita dell’organismo, per la crescita e per la replicazione (amminoacidi, grassi, proteine, lipidi).
• Metabolismo secondario: sono tutti quei prodotti che vengono fuori dal metabolismo primario (amminoacidi, grassi, proteine, lipidi), e dal mescolamento di questi si ottiene il metabolismo secondario. Sono molecole altamente specializzate dotate di grandissima diversità strutturale anche all’interno dello stesso genere. Non è indispensabile ma aiuta allo sviluppo ed ha varie interazione della pianta con l’ambiente poiché tutti i metaboliti secondari hanno una funzione biologica in quanto possono avere diverse azioni di difesa da parassiti e piante antagoniste; di repulsione degli animali erbivori; di attrazione degli animali.

Il metabolismo secondario è tipico di microrganismi e piante ed esso è molto differenziato ed in continua evoluzione. I metaboliti secondari non vengono prodotti in tutte le condizioni, in caso contrario sono sintetizzati e degradati in continuo. Sono spesso prodotti da cellule specializzate e sono spesso immagazzinati in vacuoli. Le molecole base del metabolismo secondario sono l’acetil coenzima A che serve a trasportare le catene di carbonio, l’acido shikimico dal quale si produrranno composti aromatici (fenoli, fenilpropanoidi e policiclici), e l’acido mevalonico dal quale si otterranno i terpeni.

Categorie di metaboliti secondari

Possono essere distinti in tre categorie:

• Terpeni o terpenoidi
• Fenoli
• Composti azotati

Fotosintesi

È quel processo fondamentale per la conquista delle terre emerse in cui viene organicato il carbonio, dunque non è altro che la riduzione dell’atomo di carbonio. La fotosintesi avviene nei cloroplasti e permette di trasformare l’energia luminosa in energia chimica. L’equazione generale è: 6CO₂ + 6H₂O + energia luminosa (hv ossia i fotoni) → C₆H₁₂O₆ (glucosio) + 6O₂ (il quale deriva dalla fotolisi dell’acqua).

La fotosintesi si divide in due fasi:

Fase luminosa

Che avviene nei tilacoidi dove vi sono due fotosistemi (I e II) in cui gli elettroni si spostano dall’H₂O al NADP⁺ seguendo un percorso non ciclico che dal fotosistema I finisce al fotosistema II. I due prodotti della fase luminosa sono: NADPH e ATP che serviranno nella fase oscura. La fase luminosa inizia nel fotosistema II che è costituito da un complesso antenna, centro di reazione (P680), plastochinone (PQ), citocromo B₆f, e plastocianina che contiene rame.

Nel complesso antenna del fotosistema II abbiamo 200 clorofille di tipo b, le quali sono ancorate alle proteine di membrana dei tilacoidi. Quando un fotone colpisce il complesso antenna del fotosistema II, l’elettrone viene eccitato, questo trasferisce la sua energia ad un elettrone di una clorofilla b vicina tramite risonanza. In tal modo, dopo una serie di passaggi di risonanza, l’eccitazione è trasferita alle clorofille a, le quali hanno i doppi legami coniugati e sono le uniche clorofille che possono perdere l’elettrone.

Quando l’eccitazione raggiunge il centro di reazione, l’elettrone viene liberato andando nella catena di trasporto degli elettroni. L’elettrone del fotosistema II va dal centro di reazione al plastochinone (PQ) formando plastochinolo, quest’ultimo trasferisce gli elettroni al citocromo B₆f. Dal citocromo B₆f (si liberano idrogeni che vengono rilasciati nella membrana tilacoidale) gli elettroni vanno alla plastocianina legandosi alla molecola di Mg presente in essa, e dalla plastocianina vanno al centro di reazione P700 del fotosistema I.

L’elettrone perso dal centro di reazione del fotosistema II è riacquisito tramite un enzima che ossida una molecola di H₂O secondo la reazione: H₂O → 2H⁺ + ½ O₂ + 2e^-; tale reazione prende il nome di fotolisi dell’acqua e avviene ad opera della luce.

Fotosistema I

Il fotosistema I è costituito dal complesso antenna, centro di reazione, proteine ferro-zolfo, ferredossina, e flavoproteina. Tale fotosistema viene nuovamente eccitato dall’energia luminosa e tale eccitazione passa al centro di reazione. La clorofilla (a) del P700 perde 2 elettroni che vengono trasferiti alla catena di trasporto degli elettroni. Dal centro di reazione, l’e^- passa alle proteine ferro-zolfo, le quali lo trasferiscono alla ferredossina, la quale li trasferisce ad una flavoproteina.

Questa flavoproteina è chiamata ferrodoxina-NADP reduttasi che rende possibile la riduzione del NADP a NADPH + H. In tal modo abbiamo ottenuto il primo composto che andrà a far parte della fase oscura. Durante la catena di trasporto degli elettroni si libera energia che è utilizzata per pompare gli idrogeni dallo stroma allo spazio interno del tilacoide. Una certa quantità di idrogeno deriva dalla fotolisi dell’acqua. Attraverso la membrana tilacoidale si instaura un gradiente elettrochimico. Essendo la membrana del tilacoide impermeabile agli H, essi non possono ritornare nello stroma, ma grazie all’azione di complessi chiamati ATP-sintetasi che si trovano inseriti nella membrana tilacoidale, forniscono un canale tramite il quale gli H possono ritornare nello stroma.

Quando l’H attraversa l’ATP-sintetasi, l’energia potenziale è utilizzata per la sintesi di ATP a partire da ADP + Pi (fosforo inorganico) tramite la reazione: ADP + Pi → ATP. Questo processo chemiosmotico prende il nome di fotofosforilazione.

Fase oscura o ciclo di Calvin

La serie di reazioni fotosintetiche indipendenti della luce (“al buio”) che avvengono nello stroma prende il nome di ciclo di Calvin. Questo ciclo consuma ATP e NADPH precedentemente prodotti per la produzione di carboidrati. Nel corso di questo processo ha luogo la fissazione e la riduzione di CO₂.

Il ciclo di Calvin prevede tre fasi:

• Fissazione CO₂: fatta ad opera della rubisco. La CO₂ atmosferica si combina con il RuBP (ribulosio bifosfato), producendo una molecola C6 che si scinde immediatamente in due molecole C3 (3-fosfoglicerato, 3PG o PGA); si consuma ATP.
• Riduzione CO₂: ciascuna molecola di 3PG (3-fosfoglicerato) viene ridotta in G3P (gliceraldeide-3-fosfato), zuccheri a 6 atomi di C; si consuma ATP e NADPH.
• Rigenerazione del RuBP: le molecole di G3P sono usate per riformare le molecole di RuBP, in modo che il ciclo non si arresti. Si consuma ATP.

RuBP e regolazione del ciclo di Calvin

La ribulosio-1,6-bifosfato carbossilasi/ossigenasi, meglio conosciuta come rubisco, è uno dei tre enzimi esclusivi del ciclo di Calvin ed è inoltre la proteina solubile più abbondante del cloroplasto e probabilmente la più abbondante nella biosfera. Il ciclo di Calvin viene regolato dai catalizzatori ossia dagli enzimi e dalla luce in quanto vi sono degli enzimi che vengono attivati con la luce.

Il 3PG è il primo intermedio stabile della fotosintesi, formato nella prima fase di fissazione di CO₂. La continua fissazione di CO₂ ha bisogno che l’accettore di CO₂, ovvero il RuBP venga continuamente rigenerato. Alcuni enzimi del Ciclo di Calvin sono attivi solo alla luce (es: gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi, fruttosio 1,6 bifosfatasi, ecc..), incluso la Rubisco attivasi. Il sistema ferredossina-tioreossina costituisce un meccanismo per l’attivazione e la disattivazione degli enzimi di dipendenza della luce. Gli enzimi del ciclo di Calvin sottoposti a regolazione dalla tioredossina ridotta vengono attivati per riduzione alla luce e disattivati per ossidazione al buio. Negli organismi fotosintetici, gli zuccheri semplici (G3P) prodotti dal ciclo di Calvin possono essere usati per la sintesi di altre importanti molecole come fruttosio, saccarosio e amido. Il glucosio prodotto dalla fotosintesi verrà demolito nella respirazione cellulare per produrre energia.

Fotorrespirazione

Avviene nelle piante C3. La fotorespirazione è un processo che le piante C3 attuano alla luce, e che per un breve periodo continuano al buio per eliminare l’O₂ in eccesso. La fotorespirazione si ha quando la rubisco, al posto di carbossilare (fissazione CO₂) il ribulosio-1.5-bifosfato opera un’ossigenazione, ed essa si ha quando la concentrazione di CO₂ diminuisce e quella di O₂ aumenta. La rubisco come ossigenasi provoca: RuBP + O₂ + H₂O → 3PGA + PG. PGA = acido-3-fosfoglicerico. PG = fosfoglicolato. Il PGA o acido-3-fosfoglicerico rientra nel ciclo di Calvin. Il PG segue la via del glicolato coinvolgendo tre organelli:

• Cloroplasto
• Perossisoma
• Mitocondrio

Nel ciclo si sintetizzano due aminoacidi (glicina e serina) e si libera CO₂ e NH₃ (ammoniaca).

Via del glicolato

Si divide tra tre compartimenti cellulari (cloroplasto, perossisoma, mitocondrio). Questa via parte nello stroma dei cloroplasti dove abbiamo il PG (fosfoglicerato) che a seguito di fosforilazione viene convertito in glicolato (con rilascio di Pi) che successivamente entra nei perossisomi.

Il glicolato forma gliossilato con il primo consumo di O₂ (consumato in due tappe), in seguito si forma la glicina (primo amminoacido sintetizzato) che entra nei mitocondri e si ha il secondo consumo di O₂. A seguito dell’intervento dell’enzima glicina decarbossilasi si ha il rilascio di CO₂ e di NH₃ con conseguente formazione di serina (secondo aminoacido sintetizzato). Il ciclo si conclude con la formazione di ribulosio-1,5-bifosfato che entra nel ciclo di Calvin. Dunque, in sintesi, ogni 2PG si ha la liberazione CO₂ ed NH₃. CO₂ = riciclata per formare zuccheri. NH₃ = riciclata per sintetizzare AA.

In sintesi la fotorespirazione avviene per ridurre i rischi da danni ossidativi e per ridurre la fotoinibizione causata dall’eccesso di ROS.

Fotosintesi nelle piante C4

Rappresenta un adattamento all’ambiente di famiglie di piante tropicali e subtropicali (mais, sorgo, canna da zucchero, erbe infestanti). Questa presenta i seguenti vantaggi: elevate rese fotosintetiche; elevata crescita; bassa fotorespirazione e bassa perdita di acqua. In ambienti tropicali, le alte T comportano una piccola apertura degli stomi con conseguente concentrazione di CO₂ inferiore, si ha l’intervento PEP carbossilasi (fosfoenolpiruvato carbossilasi).

• La via delle piante C4 inizia in una cellula del mesofillo con la condensazione della CO₂ con il fosfoenolpiruvato (PEP) a formare ossalacetato in una reazione catalizzata dalla PEP carbossilasi.
• L’ossalacetato è poi convertito in malato da una malato deidrogenasi NADP⁺ dipendente.
• Il malato entra poi nelle cellule della guaina del fascio.
• La CO₂ rilasciata entra nel ciclo di Calvin reagendo con il ribulosio 1,5-difosfato.
• Il piruvato che si forma in questa reazione ritorna alla cellula del mesofillo formando PEP.

Fotosintesi nelle piante CAM

CAM (Crassulacean Acid Metabolism) è un ciclo metabolico di fissazione del carbonio che consente di ottimizzare l’attività fotosintetica in ambienti estremi come i deserti. Attuata da Crassulacee, Bromeliacee (ananas), orchidacee, angiosperme e altre famiglie, permette lo svolgimento della fotosintesi anche a stomif chiusi.

La fotosintesi CAM ha meccanismo simile alla fotosintesi delle piante C4 ma la fissazione e decarbossilazione sono separate nel tempo e non spazialmente (il processo avviene in una sola cellula). Esistono piante CAM obbligatorie e CAM facoltative. Gli stomif sono chiusi di giorno e aperti di notte.