Appunti di Fisiologia Vegetale (prof.ssa Gonnelli)

EPIMERASI

ERASI:

: cambiano la chiralità delle molecole: R o S.

.

EPIM ERASI

ISOMERASI:

: cambiano la funzione delle molecole: aldeide o chetone.

ISOMERASI 55

RIASSUNTO SCHEMATICO DEL CICLO DI CALVIN:

Si parte da 5 molecole da 3C che sono gliceraldeide 3P, che vanno rimaneggiate..

rimaneggiate.

Per poter unire due zuccheri (reazione

di condensazione aldolica) vi è

bisogno di un chetone e di un’aldeide,

allora isomerizzazione della G3P a

DHAP (diidrossiacetone fosfato)

attraverso una opportuna isomerasi.

Il passo successivo non può che essere la condensazione aldolica dei due C3:

ALDOLASI

→

G3P + DHAP F1-

-

6BP (fruttosio 1,6 bifosfato)

F1

Si forma così il fruttosio 1-6 bisfosfato (chetone!), che deve essere “liberato”:

FOSFATASI

→

F1-

- 6BP F6P + P

F1

Il fruttosio (chetone) può cedere un C2 ad una aldeide: TRANSCHETOLASI

→

F6P + G3P E4P (eritrosio 4P) + XIL5P (xilulosio 5P)

Si formano una aldeide C4 (eritrosio 4P) ed un chetone C5 (xilulosio 5P). Quest’ultimo è

un epimero del ribulosio: è già stato ricostruito un C5.

EPIMERASI

→

XIL5P RuB5P

Ripartendo dall’E4P, la reazione successiva non può che essere una condensazione

aldolica con un chetone ALDOLASI

→

E4P + DHAP SED1-

- 7BP (sedoeptulosio 1,7 BP)

SED1

Si forma il sedeptulosio 1-7BP (chetone), che a sua volta deve essere “liberato”

FOSFATASI

→

SED1-

- 7BP SED7P + P

SED1 56

Il sedoeptulosio 7-fosfato (chetone) può cedere un C2 ad una aldeide formando una

aldeide ed un chetone TRANSCHETOLASI

→

S7P + G3P RIB5P + XIL5P

Lo xilulosio segue la stessa epimerizzazione di prima, mentre il ribosio va incontro ad

una isomerizzazione strutturale da aldeide a chetone

ISOMERASI

→

RIB5P RuB5P

L’ultima tappa è la fosforilazione in C1 per ricreare l’accettore attivato della CO2 e

chiudere il ciclo (spesa di ATP) CHINASI

→ + ADP

RUB5P + ATP RuB1-

- 5BP

RuB1 57

REGOLAZIONE DEL CICLO DI CALVIN

Diversi fattori concorrono alla regolazione dell’attività degli enzimi del Ciclo di Calvin.

I) Movimenti ionici dipendenti dalla luce

Durante la fase luminosa: H+ dentro i tilacoidi e Mg2+ (e K+) fuori.

Mg2+ e Rubisco: stabilizzazione del carbammato e costituzione del sito attivo

Da pH 7 a pH 8: attivazione della Rubisco per carbamilazione oltre ad attività ottimale di

enzimi tipo F1-6BP e fosforibulochinasi

II) Disponibilità

bilità di ATP e attivazione della Rubisco Attivasi

Disponi

Solo durante il giorno è disponibile ATP (dalla fase luminosa) e quindi solo durate tale

condizione la Rubisco Attivasi può lavorare e attivare la Rubisco stessa.

ossigeno

- G3P deidrogenasi

- F1-

- 6P fosfatasi

F1

- S1-

- 7BP fosfatasi

S1

- Fosforibulochinasi

- ATP sintasi riducente con

gruppi

Nella sequenza degli AA di queste proteine sulfidrilici

vi sono due Cys (-

-

SH) vicine e questi enzimi

(

sono attivi solo quando tali –

S H sono in

forma ridotta e non ossidati e legati fra loro con un -S-S-. 58

III) Riduzione

duzione dei gruppi –

SH dipendente dalla luce

Ri

Stato di ossidazione delle proteine e loro attività catalitica

Durante il giorno, a livello del PSI si ha la riduzione della Ferrodossina, piccola proteina con

Ferrodossina

centri Fe-S che cede poi l’e- all’FNR per la riduzione del NADP+.

fra cui l’enzima Ferrodossina:tioredossina reduttasi

La Fd può avere anche altri substrati,

(con Fe4-S4) che a sua volta può ridurre una particolare proteina detta Tioredossina.

Tioredossina

.

La Tioredossina è una piccola proteina solubile con due –SH vicini che può quindi esistere

sia in forma ridotta (attiva) che in forma ossidata (inattiva): e nella sua forma ridotta riduce

gli enzimi del Ciclo di Calvin in questione attivandoli.

Da segnale luminoso

a segnale sulfidrilico

attraverso l’enzima

F D

:

T R

X R E D

U

T

T A

S I

La tioredossina e gli enzimi

bersaglio sono poi ri-ossidati,

e quindi ri-inattivati, al buio

dall’ossigeno. 59

LA FOTORESPIRAZIONE

L’enzima rubisco ha anche una certa affinità per l’ossigeno. Può accadere che invece di una

carbossilazione avvenga una ossigenazione! In generale cmq il rapporto carbossilazione :

ossigenazione

quindi la rubisco è molto più affine per la CO .

ossigenazione è 3:1 2

L’ossigenazione non è un’ossidazione!! Non sono sottratti elettroni, ma l’O viene

2

riduzione dell’effi-cienza fotosintetica e della

introdotto nella molecola con conseguente

produttività (viene fissata meno CO ).

2

Ossigenazione e fotosintesi sono due processi OPPOSTI tramite la prima viene persa la

⇒

CO da quelle cellule che nello stesso tempo la stanno fissando per il ciclo di Calvin!

2 Dalla reazione di ossigenazione si formano una molecola

3PGA acido fosfoglicolico

di (C3

C3) ed una di (C2

C2), esiste un

C3 C2

sistema di recupero del carbonio di questa molecola: la

FOTORESPIRAZIONE (respirazione alla luce)

dopo un periodo di esposi-zione alla luce e quindi in

Scoperta della fotorespiraz:

condizione di attiva fotosin-tesi, una pianta che è messa repentinamente al buio emette una

→

quantità di CO superiore a quella propria della respirazione evolu-

- zione anomala di

evolu

2

CO in seguito a fotorespirazione (che per un breve periodo di tempo procede anche al

2

buio). 60

La fotorespirazione coinvolge tre organuli: CLOROPLASTO, PEROSSISOMA,

MITOCONDRIO.

MITOCONDRIO

Perossisomi:

: organuli dotati di membrana singola al cui interno si trovano grandi

Perossisomi perossido di

cristalli di CATALASI, un enzima (abbastanza lento!) che dismuta il

idrogeno (H O ) che generalmente si forma durante il metabolismo dei perossisomi

2 2

stessi.

NB: Per l’eliminazione del perossido di idrogeno nei cloroplasti in seguito alla reazione di

Mehler (vedi “trasporto pseudo-ciclico di elettroni”) non vi era questo enzima (assente nei

plastidi) ma c'era il ciclo dell’ascorbato-glutatione in quanto vi era la necessità primaria ed il

fine di consumare il NADPH in eccesso.

1. L’acido 2-fosfoglicolico viene rapidamente idrolizzato ad acido glicolico per ‘azione

di una fosfatasi specifica.

2. L’acido glicolico esce dal cloroplasto grazie a una proteina trasportatrice e si diffonde

Qui viene ossidato con formazione di acido gliossilico e H O

in un perossisoma. 2 2

(dannoso!!).

3. Il perossido di idrogeno viene demolito grazie all’enzima catalasi → H O + H O →

2 2 2 2

2H O + O

2 2

4. L’acido gliossilico viene transaminato. Si forma l’aminoacido glicina che esce da

⇒

perossisoma e va nel mitocondrio. Qui due molecole di glicina sono convertite in

e una di CO .

una molecole di serina 2

5. La serina torna nel perossisoma e attraverso varie reazioni viene ridotta ad acido

glicerico, che torna nel cloroplasto e viene fosforilato ad acido 3-fosfoglicerico

(3PGA), che entra nel ciclo di Calvin. 61

H H

C-OH C = O

COOH COOH

Ac. glicolico Ac. gliossilico

CH OH CH OH

2 2

C = O HCOH

COOH COOH

β Ac. glicerico

Ac. -idrossipiruvico

Per ogni 2 molecole di glicolato (C4) prodotte dalla Rubisco vengono generate:

1 molecola di CO 2

1 molecola di NH 3

1 molecola di NADH

1 molecola di Serina (che diventa 3PGA)

Il 75% del carbonio che viene perso per ossigenazione (cioè i 3C della serina sui 4C del

glicolato) viene recuperato e rientra nel ciclo C3.

Tuttavia, la FR è energicamente dispendiosa e costosa:

• Consumo di 1 O per ogni RuBP ossidato

2

• Perdita di CO2 nei mitocondri

• 2 NADPH

• 3.5 ATP (considerando anche la riassimilazione di NH )

3

• NADPH e ATP per riorganicare la CO perduta

2

Totale: 10 ATP e 6 NADPH spesi per la fotorespirazione!

La spesa energetica per la FR è quindi ingente, inoltre vi sono varie condizioni ambientali in

aumenta

cui il tasso di FR e quindi la spesa per sostenere questo processo diviene sempre

più onerosa. 62

Condizioni che favoriscono la FR:

Se la FS è limitata dalla carenza di CO a stomi chiusi (diminuisce CO e aumenta O , es.

2 2 2

stress idrico) e/o ad alta temperatura (differente solubilità O e CO all’aumentare della

2 2

temperatura, diminuzione della solubilità dei gas nel velo acquoso che permea le cellule del

mesofillo (legge di Henry sui gas) allora la solubilità della CO diminuisce più velocemente

2

di quella dell’O ) e quindi la FOTORESPIRAZIONE si accentua per l’aumento relativo

2

dell’O (diminuisce il rapporto CO /O ).

2 2 2

Ciò si traduce in un'ulteriore perdita in efficienza fotosintetica.

La FR è dispendiosa ma inevitabile per la stessa struttura della Rubisco (evoluzione in

atmosfera con basso O ed alta CO )

2 2

POSSIBILI SIGNIFICATI BIOLOGICI DELLA FOTORESPIRAZIONE

All’inizio dell’evoluzione il rapporto CO /O era molto più alto quindi l’ossigenazione

2 2

non avveniva quasi mai e non c’erano problemi. Oggi l’ossigenazione è inevitabile per la

struttura stessa dell’enzima rubisco e così la fotorespirazione serve per recuperare il

carbonio.

e di molecole riducenti

La fotorespirazione è necessaria per dissipare un eccesso di ATP

che si generano nella fase luminosa, quando l’intensità della luce è molto alta o quando gli

→

stomi sono chiusi e manca CO valvola di sfogo del surplus energetico.

2

Riduce il rischio di produzione dei radicali dell’ossigeno (= fotoinibizione e fotodanni)

grazie al fatto che l’O viene allontanato dal cloroplasto (diminuzione della reazione di

2

Mehler).

La FR, anche se ha alcuni vantaggi, porta comunque alla diminuzione della

lla produttività

de

della pianta (in termini di aumento di biomassa). Per questo motivo sono necessari

alle condizioni in cui la FR diverrebbe troppo limitante

adattamenti fotosintetici (es. elevate

illuminazioni, elevate temperature e scarsità di acqua). 63

ADATTAMENTI

ATTAMENTI FOTOSINTETICI

AD

Alcune piante hanno evoluto degli adattamenti particolari per migliorare la produttività in

certi ambienti in cui c’è scars