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II° TAPPA: Carbossilazione e idratazione addizione di una CO e di un H O sul RuBP

2 2

in forma enolica (enediolo).

Il Mg stabilizza il 2, 3 enediolo coordinandone i gruppi idrossilici. Il Mg coordina anche

2+ 2+

mantenuta in una

un O della CO che deve essere legata: in tal modo la CO viene

2 2

posizione favorevole per la reazione di attacco elettrofilo con il C2 del RuBP enediolo che

nel frattempo è divenuto un nucleofilo: la CO è un elettrofilo ed il C2 dell’enediolo è ricco

2

di elettroni! Il C2 della forma chetonica lo sarebbe stato molto meno!

Quando l’enzima è chiuso sull’intermedio, solo piccole molecole come CO e O possono

2 2

raggiungere l’enediolo.

Avviene poi la reazione di addizione di H O che produce la forma idratata dell’intermedio

2

a 6 atomi di C 2'-

- carbossi, 3-

- cheto arabinitolo 1,5-

- bisfosfato: instabile!

2' 3 1,5 bisfosfato

III° TAPPA: Rottura del legame C-

C

- C rigenerazione delle due molecole di PGA.

Una volta che la carbossilazione e l’idratazione dei prodotti è avvenuta, l’intermedio

carbossilato instabile si divide in due molecole (il legame fra il C2 ed il C3 è molto

destabilizzato!). La prima molecola di 3 - fosfoglicerato (3PGA

PGA) originatasi dalla metà

PGA

inferiore dell’intermedio può ora essere rilasciata.

è il segnale per il sito attivo di aprirsi. I tre C superiori sono

La rottura del legame C2-C3 aprirsi

nella forma di carbanione che deve essere protonato per generare il secondo PGA.

PGA

Il rilascio della seconda molecola lascia il sito aperto e disposto a legare un altro substrato.

N.B. forma attiva

Per funzionare, la Rubisco deve essere convertita nella sua .

la carbamilazione della Lys, il carbammato poi coordina il Mg

Deve quindi avvenire 2+

ed il sito catalitico si attiva. La carbamilazione e la decarbamilazione sono rapide e

spontanee. cambiamento conformazionale di L

L’attivazione della Rubisco implica un

stabilizzato dal Mg . In questa forma, la Rubisco può legare il RuBP in modo tale da

2+

catalizzare la carbossilazione (o ossigenazione). La forma non carbamilata è inattiva,

lega saldamente il RuBP ma senza poterlo processare.

La carbamilazione ed il legame con il Mg sono favoriti dalla LUCE.

.

1. 2+ LUCE

Come può l’attivazione della Rubisco “accoppiarsi” con le variazioni luce dipendenti

del pH dello stroma del cloroplasto? Durante la carbamilazione (quindi durante

! sarà quindi stimolata da un aumento del pH

l’attivazione) vengono liberati 2 H +

stromatico che avviene proprio di giorno durante il trasporto fotosintetico degli e-.

.

Inoltre, la [Mg ] aumenta nello stroma proprio durante la fase luminosa per il

2+

bilanciamento di carica: la formazione del complesso attivo con il Mg è quindi

2+

favorita di giorno.

La Rubisco viene attivata durante il giorno proprio quando sono disponibili NADPH e

→→

ATP per il ciclo di Calvin non è corretto chiamarla fase oscura!

Se la Rubisco non è carbamilata, lega saldamente il RuBP e non lo processa questo

accade di notte. Tuttavia, quando l’enzima dovrebbe cominciare a lavorare (all’alba!),

la carbamilazione non potrebbe avvenire proprio perché non c’è abbastanza luce. 51

Per essere attivata, la Rubisco richiede l’intervento dell’enzima RUBISCO

2. ATTIVASI: essa promuove la carbamilazione della Lys, il carbammato poi

ATTIVASI

coordina il Mg2+ ed il sito catalitico si attiva.

La Rubisco Attivasi lavora permettendo il rilascio del RuBP dalla forma inattiva della

Rubisco promuovendo in tal modo la carbamilazione dell’enzima libero.

La RA per funzionare ha bisogno di ATP.

P.

AT

NOTTE:

basso NADPH RUBISCO ATTIVASI inattiva, non vi è ATP disponibile

2+

basso ATP basso Mg

Normale pH RUBISCO inattiva non è favorita la carbamilazione,

quindi legame a RuBP inattivante

GIORNO:

Trasporto degli e -

alto NADPH La RUBISCO ATTIVASI può cominciare

ATP

alto a lavorare

2+

alto Mg

alto pH

Ma perché di notte la Rubisco non è bene che funzioni? Di notte non sono disponibili

NADPH e ATP per la riduzione del carbonio fissato, il ciclo di Calvin quindi non

tossico

procederebbe e si accumulerebbe PGA, che è (è un acido e sarebbe anche

osmoticamente attivo!) prevenzione dell’accumulo notturno di 3PGA.

R IDUZIONE DEL CARBONIO

SECONDO

O PASSAGGIO: ⇒

SECOND riduzione del 3PGA a due

molecole di G3P.

La reazione di fissazione della CO ha prodotto due molecole di 3-fosfoglicerato, ma questo

2

composto è solo un acido organico e non presenta la tipica funzione aldeidica (o chetonica)

dove il carbonio si trova in forma ridotta (energia!).

degli zuccheri

Quindi il passo successivo per la formazione degli zuccheri è la riduzione di tale molecola al

carboidrato corrispondente, che è alla gliceraldeide-

- 3

- fosfato.

gliceraldeide

Attivazione del 3PGA tramite fosforilazione

a. . Destabilizzazione della molecola

e consumo di ATP.

b. Riduzione dell’1-3PGA a G3P .

: energia luminosa energia chimica stabile

Utilizzo di NADPH, liberazione di un P, da ac. carbossilico ad aldeide!! 52

Il primo

zucchero

formato!!

RIGENERAZIONE DELLA RUBISCO

TERZO

O PASSAGGIO:

SSAGGIO:

TERZ PA

La G3P entra adesso nel Ciclo di Calvin per rigenerare l’accettore della CO2, cioè il RuBP.

quindi, più precisamente:

Ci deve però anche essere un guadagno in termini di zuccheri,

→ ogni tre molecole di RuBP si

che vengono carbossilate (3C5 + 3CO2) e poi ridotte,

formano sei molecole di G3P (6C3)

,

→ cinque entrano nel CICLO DI CALVIN (5C3)

e di queste, per permettere la rigenerazione

del RuBP (3C5) e quindi il procedere stesso delle reazioni di fissazione e riduzione del

una (1C3) rappresenta il guadagno in carbonio ridotto della fotosintesi

carbonio, mentre

stessa. → →

3C5 + 3CO2 6C3 3C5 + 1C3

Da ricordare:

gli zuccheri possono esistere nella forma aldeidica o nella forma carbonilica (= chetoni)

→ poliidrossialdeidi

eidi o poliidrossichetoni.

poliidrossiald poliidrossichetoni

Esempio: zucchero a 5 atomi di C: aldeide chetone

Regola della U: generalmente,

quando si trova una U come 2a

vocale, lo zucchero è un chetone.

chetone

Eccez

: fruttosio, diidrossiacetone. Isomeri

Ribosio Ribulosio

strutturali

Poliidrossi caratteristica delle molecole è la presenza di numerosi gruppi - OH (idrossido,

funzione “dolce”). La loro posizione (a destra o a sinistra) genera gli isomeri ottici detti

anche epimeri. In pratica vi è un gruppo -OH per ogni atomo di C, infatti C (H O) !

n 2 n 53

Molecole

o

R S

Xilulosio Ribulosio

E

p i

m

e

r i

o

I s o

m e r

i o

t

t

i

c i →

Reazione

ne di condensazione aldolica addizione di uno ione enolato alle aldeidi e

Reazio

chetoni. α

Questa reazione avviene solo con aldeidi che hanno idrogeni in posizione .

Il carbonio del gruppo aldeidico, richiamando elettroni dal gruppo alchilico adiacente,

rende infatti mobile (debolmente acido) un H di questo gruppo. La mobilità degli

α

idrogeni in è favorita dall'ambiente alcalino. Inoltre, il carbanione corrispondente è

stabilizzato per risonanza:

Questo carbanione può reagire con un'altra molecola di aldeide (o chetone) attraverso un

attacco nucleofilo del suo carbonio a al carbonio aldeidico dell'aldeide (o carbonilico nel

caso di un chetone) in quanto povero di elettroni: si formano prima lo ione alcossido e poi

per protonazione l’aldolo

aldolo.

aldolo 54

Sebbene la condensazione aldolica sia perfettamente reversibile, l'equilibrio della reazione è

fortemente spostato a destra, poiché l'acqua è un acido più forte dell'aldolo e lo ione

alcossido è una base più forte di OH-.

Il Ciclo di Calvin sfrutta reazioni di questo genere per unire zuccheri oppure spostare

frammenti a 2 atomi di carbonio fra uno zucchero ed un altro.

Tutto questo al fine di rimaneggiare i carboni presenti in 5 molecole di gliceraldeide3P (=

3 molecole di ribulosio3P (= 15 C) per rigenerare l’accettore iniziale della CO e

15 C) in 2

permettere al Ciclo di Calvin stesso di procedere.

.

3ATP 2NADPH

Spesa energetica: e (provenienti dalla fase luminosa!) per ogni molecola

di CO fissata

2

Gli enzimi del Ciclo di Calvin:

ALDOLASI: attraverso la reazione di condensazione aldolica, condensano un C3 aldeide o

chetone su un’altra molecola di zucchero, rispettivamente chetone o aldeide. Lo zucchero

che si forma è in genere un chetone. Adeide + Chetone = Chetone!

TRANSCHETOLASI:

: spostano un frammento C2 da uno zucchero ad un altro.

TRANSCHETOLASI

Più precisamente, questi enzimi fanno una condensazione aldolica sui generis, spostando

un C2 da un chetone e condensandolo su una aldeide (con una precisa stereochimica R o

S), lasciando come aldeide lo zucchero donatore e come chetone il ricevente.

Nelle reazioni catalizzate da aldolasi e transchetolasi reagiscono sempre una aldeide ed un

chetone per formare sempre come prodotti una aldeide ed un chetone con un diverso

numero di C.

Nel caso specifico delle aldolasi si forma sempre un chetone con un numero di C pari alla

somma dei reagenti.

i prodotti della condensazione aldolica operata dalle aldolasi formano sempre

FOSFATASI:

zuccheri con 2 gruppi fosfato uno in prima ed uno in ultima posizione derivanti dai gruppi

P dei reagenti stessi (per altro in tal modo attivati: zuccheriP).

Uno zucchero con un P legato al C in C1 non può essere riconosciuto da aldolasi e

transchetolasi e quindi non può essere “rimaneggiato”. E’ necessaria la defosforilazione del

C1 con idrolisi del legame estere del P per permettere allo zucchero di avere l’estremità

libera per l’azione degli enzimi ed al ciclo di continuare.

Quindi, dopo ogni condensazione aldolica segue sempre una defosforilazione.

fosforilano il substrato a spese di ATP (legame estere!)

CHINASI:

:

CHINASI

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 scarsità di anidride carbonica e temperatura elevata con rischio di

MECCANISMI DI CONCENTRAZIONE

essiccamento se gli stomi sono troppo aperti ⇒

DELLA CO nelle cellule fotosintetizzanti (dove c’è la Rubisco!) per limitare la

2

fotorespirazione grazie all’aumento del rapporto CO /O (e favorire così la carbossilazione

2 2

invece che l’ossigenazione!).

PIANTE C4 (ambienti caldi)

Nelle foglie delle piante C3 che effettuano il

normale ciclo di Calvin, solo le cellule del

mesofillo possiedono cloroplasti. Le foglie

delle C4 invece hanno cloroplasti anche nelle

e questa è

cellule della guaina del fascio;

fascio

collegata al mesofillo tramite una rete di

PLASMODESMI (numerosissimi e ampi,

per garantire la giusta cooperazione fra

mesofillo e cellule della guaina del fascio).

Le cellule della guaina del fascio sono

quindi non entra ossigeno e non

suberificate

esce CO .

2

Le differenze del ciclo C4 rispetto a quello di Calvin sono che dalla fissazione

si formano acidi a 4 atomi di C.

della CO

2

La fissazione comincia prima e si satura prima, concentrando l’anidride carbonica. Così la

fotosintesi può avvenire anche a concentrazioni di CO minori.

2

saturazione Punto di compensazione:

compensazione fissazione = respirazione

CO 2 64

Quindi le piante C4 hanno evoluto una strategia per mantenere alta la pCO nelle cellule

2

fotosintetizzanti anche in condizioni di alta temperatura e moderato stress idrico: SISTEMA

’ RISPETTO ALLE C3.

DI CONCENTRAZIONE DELLA CO E MAGGIORE COMPETITIVITA’ C3

COMPETITIVITA

2

La maggiore competitività è sempre e solo in condizioni di alta temperatura per una

maggiore efficienza dell’uso dell’acqua, che permette una fotosintesi a stomi semichiusi per

il risparmio idrico limitando al massimo la fotorespirazione.

Le C4 sono più competitive delle C3 solo in determinati ambienti sfavorevoli: mantenere il

Quindi il vantaggio è apprezzabile solo

metabolismo C4 è energicamente dispendioso!! ⇒

in CONDIZIONI di STRESS.

Quali sono le piante C4? Ce ne sono 16 famiglie; es. Graminacee (canna da zucchero, mais,

sorgo), Chenopodiacee, Ciperacee.

Schema del ciclo C4

:

1. Assimilazione della CO in un acido C4 nel mesofillo

2

2. Trasporto del C4 dal mesofillo alla guaina del fascio (tramite i plasmodesmi!)

3. Decarbossilazione del C4 con liberazione di CO e formazione di un C3 nella guaina

2

(suberificazione, non entra O , non esce CO ), qui avviene poi un normale ciclo C3

2 2

4. Trasporto del C3 indietro verso le cellule del mesofillo (sempre con i plasmodesmi!)

dove viene rigenerato l’accettore della CO .

2 enzimi utilizzati per

Esistono tre diversi gruppi di piante C4 che differiscono a seconda degli

la decarbossilazione del C4

. La CARBOSSILAZIONE è invece uguale per tutti:

→ →

- -

PEP + HCO acido ossalacetico C3 + HCO C4

3 3

PEP-

- C

PEP

3-

HCO P

i

Acido ossalacetico

FOSFOENOLPIRUVATO CARBOSSILASI (PEP-

- C)

(PEP la sua affinità per HCO - è

Enzima 3

maggiore di quella della Rubisco per la CO (e l’O non compete!): maggiore efficienza

2 2

nella fissazione della CO !

2

Le piante C4 sono il risultato della pressione ambientale, che ha indotto specie diverse a

convergere verso la stessa strategia di adattamento. 65

dell’enzima che permette la

I tre principali tipi di adattamento C4 sono distinti a seconda

decarbossilazione e quindi il recupero di CO nei cloroplasti della guaina del fascio.

2

1) Enzima malico NADP+ dipendente

2) Enzima malico NAD+ dipendente

3) Fosfoenolpiruvato Carbossichinasi

PRIMO GRUPPO: enzima malico NADP dipendente.

+

1. manca il

In questa situazione, i cloroplasti delle cellule della Guaina del fascio sono agranari,

fotosistema II e così non viene evoluto O ; il problema è che se la fotosintesi non funziona

2

non si produce NADPH (solo ATP dalla FS ciclica attorno al PSI), mentre per il Ciclo di

Calvin ci vogliono 2 NADPH per la riduzione del carbonio…

In casi di adattamento C4 molto spinto (ad es. nel mais o la canna da zucchero) i cloroplasti

e i tilacoidi non sono organizzati in grana. In tale condizione

si presentano ipertrofici

vengono a mancare o essere molto pochi i fotosistemi PSII che sono localizzati nelle

partizioni.

PERTANTO: mancando il PSII e non essendo ossidata l’H2O, non c’è produzione di

ossigeno e viene favorita l’attività carbossilasica della Rubisco.

se il PSII non è funzionante non viene prodotto NADPH.

Ma per ogni CO che viene fissato al RuBP sono necessari 2 NADPH e l’ossidazione del

2

malato ne produce solo 1…

SOLUZIONE: Il fosfoglicerato in eccesso viene mandato, tramite plasmodesmi, al mesofillo

dove è ridotto e quindi rinviato alla guaina del fascio; qui poi avviene il ciclo di Calvin e si

formano i granuli d’amido. 66

COOH COOH COOH

Malico Enzima COOH

deidrogenasi malico

CH CH CH

+ +

+ NADP

+ NADPH + NADP + CO

2 2 2 2

C = O + NADPH

C = O CHOH CHOH CH 3

Ac. piruvico

COOH COOH COOH

Ac. ossalacetico Ac. malico Ac. malico

Cloroplasto mesofillo Cloroplasto guaina del fascio

COOH COOH

Piruvato-ortofosfato Enzima che agisce su

dichinasi un doppio substrato!

Poi pirofosfatasi per

+ PPi + AMP

+ Pi + ATP 32-

C = O COPO spostare la reazione a

destra e adenilato

CH

CH chinasi per riformare

3 2 l’ADP per la

fotofosforilazione

A. fosfoenolpiruvico

Ac. piruvico

Cloroplasto mesofillo

SECONDO GRUPPO: enzima malico NAD dipendente.

+

2. 67

Le reazioni di questo gruppo sono:

COOH COOH COOH

COOH COOH Enzima

Aspartato COOH

malico

amminotrasferasi

CH CH

CH CH

CH +

+ NAD

+ + + CO

2

2 2 2 2 2

C = O + NADH

CH

C = O CHNH CH CHOH

2 2 2 CH

3

CHNH Ac. piruvico

COOH COOH

COOH C = O

2

Acido Aspartato Ac. malico

COOH COOH

ossalacetico mitocondrio

α-cheto

Acido glutammico Ac.

glutarico

citosol COOH COOH

Alanina

amminotransferasi + Ac. A-chetoglutarico

+ Acido glutammico CHNH

C = O 2

CH

CH 3 3

Ac. piruvico Alanina

citosol

TERZO GRUPPO: fosfoenolpiruvato carbossichinasi.

.

carbossichinasi

3. 68

COOH PEP

carbossichinasi COOH + CO + ADP

CH + ATP 2

2 32-

COPO

C = O CH 2

COOH A. fosfoenolpiruvico

Acido

ossalacetico

Decarbossilazione sui generis con fosforilazione del substrato

citosol

REGOLAZIONE DEL CICLO C4

La PEPC e la PPDK sono attivate dalla LUCE tramite fosforilazione (anche la MDH

attraverso le tioredossine).

Attivazione della PEP-carbossilasi alla luce

Meno attiva ATP ADP

PEP carbossilasi

chinasi

Luce Buio P

PEP PEP

PEP carbossilasi Ser Ser

carbossilasi carbossilasi

chinasi Meno attiva Più attiva

(buio)

Più attiva (luce)

La luce attiva una chinasi. La PEP

carbossilasi viene fosforilata e

diviene più attiva. Al buio la

chinasi è meno attiva e il fosfato

è rimosso per scissione idrolitica H O

P 2

i 69

Attivazione alla luce della Piruvato ortofosfato dichinasi (PPDK)

La fosforilazione del PPDK provocata dall’ADP rende l’enzima inattivo. La forma inattiva

aumenta al buio quando, interrompendosi la formazione del gradiente protonico, aumenta

la concentrazione di ADP rispetto all’ ATP che in questa condizione non viene prodotto

ECOFISIOLOGIA DELLE C4

La presenza delle C4 tende ad aumentare dalle aree più fresche ed umide alle regioni più

calde ed aride (America ed Africa). Chenopodiacee abitatrici

In Italia le C4 autoctone sono poco numerose, in prevalenza sono

di zone lagunari; ma come è possibile che nelle lagune ci sia abbondanza di acqua e stress

ed è questo che causo lo stress idrico, le piante hanno esigenza di

idrico? C’è molto sale

risparmiare acqua tenendo gli stomi semichiusi; gli scambi gassosi sono minori ma c’è il

sistema di concentrazione della CO .

2

Il metabolismo C4 si è evoluto indipendentemente in generi diversi

Stress ambientali diversi con aumento della FOTORESPIRAZIONE:

STESSO EFFETTO, STESSA RISPOSTA!

Costo energetico (2 ATP per CO concentrata nella guaina del fascio) e competitività

2

C3 stress C4

I geni ci sono già perché gli enzimi codificati svolgono normalmente anche altre

funzioni (es. Ciclo di Krebs e sistema tampone per il pH)

Anche se il metabolismo C4 è costoso, in determinati

ambienti competitivi è vincente. 70

PIANTE CAM (metabolismo acido delle Crassulacee)

Sono le cosiddette “piante grasse”, che sono simili alle C4, ma la formazione degli acidi C4

è separata dalla loro decarbossilazione sia spazialmente (vacuolo/cloroplasto) che

temporalmente. Di notte la CO viene catturata nel citosol dalla PEP-carbossilasi e il primo

temporalmente 2

acido C4 che si forma, l’acido malico, viene accumulato nel vacuolo. Durante il giorno, il

malato viene portato nel cloroplasto, decarbossilato e rilasciata l’anidride carbonica.

È una fotosintesi a stomi chiusi.

chiusi

Le piante CAM hanno un’altissima pCO e quindi FotoRespirazione trascurabile con

2

massimo miglioramento dell’efficienza dell’utilizzo dell’acqua. Esistono piante CAM

facoltative: effettuano il ciclo CAM soltanto in presenza di stress idrico.

STOMI APERTI LA NOTTE:

fissazione notturna della CO sul PEP con formazione di malato vacuolo +.

2

Isoforma della PEP-C attivata la notte e regolata “al contrario” rispetto a quella delle piante

C4 (e insensibile al malato).

Durante il giorno, nel cloroplasto avviene la decarbossilazione del malato con liberazione di

giorno

CO e normale ciclo C3.

2 Riassumendo:

BUIO LUCE

Gli stomi aperti Gli stomi chiusi

Assimilazione della CO Decarbossilazione

2 permettono l’ingresso impediscono la

attraverso gli stomi aperti dell’acido malico

e la perdita

della CO perdita di acqua e

(bassa traspirazione): accumulato e ri-fissazione

2

(minima!) di acqua l’assunzione di

acidificazione al buio interna:

della CO

2 CO

deacidificazione alla luce 2

Come riconoscere una pianta CAM: elettrodo ad H e misurazione del pH vacuolare di giorno e di notte →

acidificazione di notte per far entrare il malato (non può accumularsi nel citosol “attivo”) quindi variazione ciclica del pH

+

durante le giornate pompe H ATPasiche del vacuolo!

→ 71

RIPARTIZIONE DEI FOTOSINTATI

Sia nella fase luminosa che in quella oscura viene prodotto

gliceraldeide 3-

- fosfato (G3P)

), che rappresenta quindi il

3 (G3P

guadagno energetico della fotosintesi

.

Il G3P in parte viene polimerizzato ad AMIDO PRIMARIO

all’interno del cloroplasto.

BIOSINTESI DELL’AMIDO:

reazioni di partenza

Le sono le stesse del Ciclo di Calvin, infatti è anche lo stesso il punto

di partenza, cioè la G3P. Trioso fosfato isomerasi

1. (gliceraldeide 3P) G3P DHAP (diidrossiacetone 3 fosfato) (aldeide-chetone)

Aldolasi

2. G3P + DHAP F1-

- 6BP (fruttosio 1,6 bifosfato) (condensazione aldolica:

F1

aldeide C3 + chetone C3 = chetone

C6)

Fosfatasi

3. F1-

- 6BP (fruttosio 6 fosfato) F6P + P (idrolisi del fosfato in C1)

F1 reazioni specifiche della sintesi dell’amido

Seguono poi alcune :

Isomerasi

4. F6P (glucosio 6 fosfato) G6P (chetone-aldeide)

Mutasi

5. G6P (glucosio 1 fosfato) G1P (spostamento del P da C6 a C1; poteva

essere idrolizzato il P in 6? Subito no: non vi è

l’enzima e ci sarebbe la formazione di un

prodotto non riconosciuto dagli enzimi

successivi della via).

).

Poi la biosintesi dell’amido procede dal glucosio1P (G1P).

(G1P

Il primo step è l’attivazione del Glucosio-1P:

: come in tutte le biosintesi vi deve essere un

input energetico sotto forma di idrolisi di ATP.

ATP

G1P + ATP ADP-

- Glucosio + PPi

ADP

La reazione è:

ADP-

- Glucosio pirofosforilasi

ADP

Enzima: (scissione pirofosforolitica di ADP-G, o PPi

scissione). 72

REGOLAZIONE DELL’ADP-Glucosio PIROFOSFORILASI, primo “vero” enzima della

e un alto livello di 3PGA

biosintesi dell’amido: è attivato da un basso livello di fosfato

(acido fosfoglicerico). Questa precisa condizione si verifica alla LUCE, quindi la sintesi

dell’amido avviene alla luce. E’ inoltre direttamente in relazione con la concentrazione

dell’acido C3.

Passo successivo (e conclusivo) della biosintesi dell’amido:

(glucosio)n + ADP-

- glucosio (glucosio)n+1 + ADP

ADP

Amido sintasi , regolato da basso livello di fosfato e alto livello di trioso-fosfati.

Enzima: 73

→ α1,4

AMIDO polimero del glucosio con legame glucosidico

Legame 1,4 sottrazione di un H O per formare un

2

glucosidico C -

O - C senza la rotazione di 180° di una

legame

molecola rispetto all’altra. →

α

Proprietà del legame 1,4 molecola a spirale invece che

lineare! E’ formato da amilosio (lineare) e

Polimero insolubile, precipita sotto forma di granuli.

amilopectina (ramificata).

L’amido può essere evidenziato e dosato tramite colorazione con una soluzione iodo-

Lugol

iodurata detta soluzione di . Lo iodio si inserisce nella spirale della molecola di amido

che a causa della dispersione della luce si colora in BLU.

BLU

L’amido viene mobilitato di notte (quando la sua sintesi non può procedere perché non c’è

la luce). Enzimi per la mobilitazione dell’amido:

Amido fosforilasi (scissione fosforolitica con inserzione di un P e formazione di G1P)

- - amilasi

α

- (scissione idrolitica con formazione di glucosio)

Enzima deramificante (per i legami 1,6)

-

Gli esosi che si formano escono poi dal cloroplasto grazie al trasportatore degli esosi.

. 74

DESTINO DEI TRIOSO-

- FOSFATI:

:

TRIOSO FOSFATI

La parte più importante è il diretto esporto dal cloroplasto ad opera di uno specifico

controlla il bilancio del fosfato nel cloroplasto

CARRIER DEI TRIOSO-

- P/FOSFATO

TRIOSO ⇒

(indirettamente controlla la fotofosforilazione!), evitando che un eccessivo esporto di C3-P

impoverisca il cloroplasto di P.

La disponibilità del P regola quindi l’esporto dei triosi e la sintesi dell’amido primario (sia

come disponibilità di substrati che regolazione enzimatica di ADPG pirofosforilasi e amido

sintasi – carenza di P e granuli di amido). i TRIOSI-P

Durante il giorno i prodotti fotosintetici esportati dal cloroplasto sono

direttamente derivati dal Ciclo di Calvin

, cioè il guadagno fotosintetico in termini di

zuccheri. A

m

i d

o

LUCE p

r

i

m

a

r

i

o

C3 Due differenti destini

M

e

t

a

b o

l

i s

m

o c i

t

o

s

o

l

i

c o

del C oppure .

e

s

p o

r

t

a

z

i o

n e

Disponibilità citosolica di P

Ma allora, se i trioso-P sono destinati ad essere esportati nel citosol per sostenere il

metabolismo della cellula e dell’intera pianta, perché il cloroplasto spende energia (ATP)

pianta

per sintetizzare l’amido di giorno e poi rimobilitarlo di notte? Così sembrerebbe esserci

soltanto un ciclo inutile!

l’amido primario si forma quando la velocità di esporto dei triosi-P è minore di

In realtà,

quella della loro sintesi: questa condizione può facilmente verificarsi anche in situazioni di

illuminazione adeguata in quanto l’esporto dei triosi-P è mediato da una proteina

trasportatrice con una propria cinetica che arriva velocemente a saturazione con l’aumento

del substrato, mentre la velocità di produzione dei triosi-P si satura molto dopo.

L’aumento incontrollato della concentrazione dei triosi-P nel cloroplasto può portare a

problemi osmotici perché gli zuccheri sono OSMOTICAMENTE ATTIVI possono portare

Attraverso la loro polimeriz-zazione in amido primario, che è

primario

alla LISI CELLULARE!

insolubile (granuli!), gli zuccheri non influenzano più il potenziale osmotico del cloroplasto

stesso. 75

tampone osmotico

AMIDO I: è una presenza transitoria serve da per un eventuale

eccesso di triosi. Ecco come mai tale sintesi può avvenire solo di giorno ed è regolata dal

fosfato e dai C3!

A CHE COSA SERVONO I TRIOSI

OSI-

- P ESPORTATI NEL CITOSOL?

OL?

TRI OSI CITOS

1) →

PRODUZIONE DI NADH, NADPH e ATP creano energia riducente.

NADH

Ci sono due mezzi attraverso cui questo avviene:

a) Sistema navetta di scambio TP/3PGA per l’esporto nel citosol di equivalenti

riducenti e ATP: CLOROPLASTO

fotosintesi

ATP NADPH DHAP

3PGA

P P Risultato:

+

NADP

NADPH Esporto netto di

3PGA NADPH

DHAP

G3P

+

G3P-NADP reduttasi NADH

P

ATP i

(via alternativa) ATP

+

NAD G3P deidrogenasi

PGA chinasi ADP BPGA NADH

(glicolisi classica)

b) Oltre al precedente sistema, ve ne è anche un altro (senza rientro nel cloroplasto)

che coinvolge i mitocondri ricollegandosi alla glicolisi ed al ciclo di Krebs.

Il risultato è sempre la produzione di potere riducente ed ATP da impiegare per il

fabbisogno cellulare

2) ESPORTO VERSO LE ZONE NON FOTOSINTETICHE DELLA PIANTA; non possono

essere esportati direttamente, ma prima dell’esportazione i trioso-fosfati sono convertiti in

saccarosio che può essere spedito a tutta la pianta!

Anche la sintesi del saccarosio procede dal

l G1P, quindi per arrivare a tale molecola gli step

da G1P adesso siamo nel citosol

sono gli stessi della sintesi dell’amido (anche se !), dal G1P in poi la

via è invece diversa. 76

Reazioni in comune con il Ciclo di Calvin e con la sintesi dell’amido (la base di partenza

è sempre la stessa: G3P.

→ Trioso fosfato isomerasi

1. G3P DHAP

→ Aldolasi

2. G3P + DHAP F1,6BP

6BP

F1, Liberato un

→ gruppo P

Fosfatasi

3. F1,6BP

6BP F6P + P

F1, → Isomerasi

4. F6P G6P

→ Mutasi

5. G6P G1P

Reazioni specifiche della saccarogenesi: UDP-

- G glucosio pirofosforilasi

→ UDP

6. UTP + G1P UDP-

- G + PPi (Attivazione del

UDP

glucosio) Saccarosio-

- P sintasi

→ Saccarosio

7. UDPG + F6P Saccarosio6P

Regolazione: alto livello di zuccheri-P e basso livello di fosfato libero la saccarogenesi

avviene alla luce e dipende dalla concentrazione degli zuccheri.

Fosfatasi

8. Saccarosio6P Saccarosio + P Liberato un

gruppo P

Durante la sintesi del saccarosio si sono liberati 2 P, che contribuiscono alla disponibilità di P

nel citosol immagazzinato nel vacuolo esportato via floema

Il saccarosio può essere oppure

perché è uno zucchero non riducente, è stabile, e il terminale aldeidico (reattivo) del

glucosio non è libero bensì impegnato nel legame glucosidico.

Dal floema il saccarosio può andare nel citoplasma oppure nell’apoplasto

apoplasto.

apoplasto

Invertasi

Saccarosio sintasi →

Saccarosio Glucosio + Fruttosio

UDP + Saccarosio UDP-Glucosio + (non possono rientrare!)

Fruttosio 77

Per “calibrare

calibrare” la quantità di saccarosio che deve essere effettivamente esportata (e quindi

calibrare

la quantità di carbonio che effettivamente rimane nella cellula per il proprio metabolismo),

la sua sintesi deve prevedere un accurato sistema di REGOLAZIONE.

Il metabolismo dei carboidrati fornisce gli scheletri carboniosi per le reazioni biosintetiche e

garantisce il rifornimento energetico di ATP tramite la glicolisi e il ciclo di Krebs. È

importan-tissimo che sia regolato perfettamente! flusso di C glicolitico

)

La regolazione avviene in base alle esigenze metaboliche della cellula (

esporto di C

e della pianta ( ) e dipende da vari fattori tutti integrati fra di loro.

Nel citoplasma tre intermedi metabolici formano il Pool degli esoso-fosfati e sono costituiti

tra loro in equilibrio grazie alla presenza degli

da Glucosio6P, Glucosio1P e Fruttosio6P,

fosfoglucomutasi glucosio 6-P isomerasi

enzimi: (1) e (2). perché le piante, oltre

Nelle piante deve essere considerato nel Pool anche il Fruttosio 1,6-P

Fosfofruttochinasi PFK Fruttosio1,6-BF fosfatasi PBPasi

alla (3) e la (4) che catalizzano

Fruttosio 6P fosfotransferasi PPi dipendente PFP

reazioni irreversibili, possiedono anche la

(5) (o Fosfofruttochinasi PPi dip.) che media una reazione reversibile.

Saccarosio

Pareti cellulari 1 2 Fruttosio 6-P

Glucosio 1-P Glucosio 6-P

PFP PPi dip 5 4 PBPasi

PFK 3

Amido Fruttosio 1,6-P

Via dei Pentoso fosfati Trioso fosfati

Glicolisi

FRUTTOSIO 2-

- 6 BISFOSFATO: inibisce la sintesi del saccarosio (bassi livelli di F

BPasi)

2 BPasi

stimola la glicolisi (alti livelli di PFP)

PFP

fruttosio 6-fosfato 2-chinasi

Il F2-

- 6BP deriva dal F6P per fosforilazione ( ) e ritorna F6P per

F2 fruttosio 2,6 fosfatasi

defosforilazione ( ). La sua concentrazione è quindi regolabile! E non a

regolabile

caso è regolata da P, F6P e TP, intermedi di saccarogenesi e glicolisi:

Attraverso l’attivazione

attivazione differenziale della chinasi o della fosfatasi, viene regolata la

[F2,6BP] e conseguentemente la glicolisi o la saccarogenesi : differente destino del C! 78

E’ la disponibilità citoplasmatica di P che regola l’esporto di TP (trioso fosfati)

ti) dal

fosfa

cloroplasto.

cloroplasto

Se c’è P libero nel citosol, i TP escono dal cloroplasto (poi saccarogenesi o glicolisi).

Se non c’è P libero nel citosol, i TP non escono dal cloroplasto (trasformati in amido I).

L’accoppiamento TP/P è necessario per non impoverire il cloroplasto di P (altrimenti non

funzionerebbe la fotosintesi stessa) e anche per avere un collegamento con il metabolismo

del carbonio del citoplasma. (e dallo stato

Nel citosol la disponibilità di P dipende dalla sintesi del saccarosio

energetico della

lla cellula:

: ATP/ADP + P).

de cellula

Se la saccarogenesi procede, il P liberato media l’uscita dei TP che rappresentano il substrato

iniziale ed autoregola con meccanismo a feedback negativo la sintesi stessa per evitare

l’eccessivo esporto di C dal citoplasma. Inoltre, il P è direttamente collegato alla carica

energetica della cellula: se il fosfato è alto la carica energetica è bassa e c’è quindi la

necessità di favorire la glicolisi piuttosto che la saccarogenesi.

E’ proprio il rapporto esistente fra TP e P nel citosol che indirizza il flusso del C

attraverso la saccarogenesi o la glicolisi.

glicolisi

TP/P basso: viene favorita la (troppo esporto di C dovuto a troppa saccarogenesi

basso

che fa abbassare i TP ed alzare il P + bassa carica energetica);

saccarogenesi

TP/P alto: viene favorita la (vi sono tanti TP perché la saccarogenesi non

alto

procede quindi anche basso livello di P e alta carica energetica) 79

Tutto questo perché TP e P regolano la concentrazione citosolica del F2-6BP che è un

garanzia del

inibitore della via saccarogenetica ed uno stimolatore di quella gli colitica ⇒

bilancio energetico della cellula fra consumo ed esporto.

La sintesi dell’amido e quella del saccarosio sono due processi competitivi per i TP insieme

alla via glicolitica stessa: è un meccanismo di REGOLAZIONE! Il rapporto TP/P ha un ruolo

stessa

centrale.

TRASLOCAZIONE DEI FOTOSINTATI:

:

FOTOSINTATI

Il floema è la principale via di trasporto dei fotosintati zuccheri, in particolare il saccarosio!

E’ formato da:

elementi cribrosi

- placche cribrose

- cellule

lule compagne

cel

-

TRASPORTO DEL SACCAROSIO:

dal mesofillo fotosintetico al floema per via simplastica e per via apoplatica e in genere a

livello delle cellule parenchimatiche del floema la via passa da simplastica ad apoplastica.

Rientro dal simplasto

a livello

all’apoplasto

sia delle cellule

compagne che delle

cellule floematiche. 80

Si ha innanzitutto il caricamento del saccarosio contro gradiente dall’apoplasto alle cellule

del floema ad opera di un SIMPORTO saccarosio/H (pompa H -ATPasi di tipo P).

+ + →

estrusione di H +

Tale simporto causa (come tutte le pompe H -ATPasi una

+

energizzazione del plasmalemma sono importati nella cellula ioni Saccarosio/H e ione

+

→ diminuzione del potenziale idrico delle

K per compensare l’elevata estrusione di H

+ +

cellule del floema e flusso di acqua.

. source

Il saccarosio viene caricato nel floema a livello dei tessuti (tessuti fotosintetici) e

sink (tutti i tessuti non fotosintetici, radici, frutti, foglie giovani). A

traslocato fino ai tessuti

livello dei tessuti sink, il saccarosio esce dal floema attraverso opportuni carriers seguendo il

invertasi

suo gradiente di concentrazione. Nell’apoplasto dei tessuti sink vi è poi l’enzima

che scinde il saccarosio in glucosio e fruttosio che non possono rifluire più nel floema (non

ci sono i trasportatori) valvola di riflusso!

N.B. Serve energia sotto forma di ATP per far funzionare le cellule del floema che non

hanno metabolismo attivo ruolo delle cellule compagne, anche per sintesi proteica e

storage di ioni K+. →

MOVIMENTO FLOEMATICO DEI FOTOSINTATI 50-150 cm/ora: troppo veloce per

essere una semplice diffusione.

Modello di

i Munch: flusso di pressione detto anche flusso di massa (spostamento di una

d (spostamento di un’intera

massa di materiale attraverso una certa area) o flusso di volume

soluzione o liquido). Il flusso di acqua e soluti si genera grazie alla differenza di

P

OTENZIALE IDRICO (osmosi!) fra A e B (e si annullerà quando la concentrazione del

Ψ).

soluto diviene uguale fra A e B stessi per raggiungimento dello stesso

L’acqua entra in A per la differenza in

potenziale idrico ed esce da B per la

differenza in pressione.

La linfa si muove nel floema grazie alla differenza di potenziale idrico esistente fra le aree

L’accumulo di

source di caricamento dei soluti e le aree sink dove i soluti vengono scaricati.

richiama acqua per osmosi e crea la pressione idrostatica che fa muovere

saccarosio e di K +

la linfa stessa. 81

Nelle piante, al contrario che nel modello, il flusso non si arresta mai in quanto gli zuccheri

vengono continuamente prodotti ed immessi nelle zone source e rimossi e consumati in

quelle sink La differenza di pressione idrostatica source-sink non si annulla mai!

L’accumulo di saccarosio e K è stato possibile per l’attività della pompa H -ATPasica che

+ +

energizza le membrane. Tale H -ATPasi idrolizza ATP per funzionare, quindi in ultimissima

+

istanza è sempre il SOLE (fase luminosa + fase oscura) che fa muovere la linfa nel floema

come l’acqua nello xilema ma per tutt’altra ragione!

Nel citoplasma il saccarosio può avere diversi destini:

Glicolisi

Formazione dell’amido

amido secondario

dell’

Raramente accumulo

ccumulo (es. barbabietola da zucchero)

a

L’AMIDO II È LA RISERVA DI CARBOIDRATI DELLA PIANTA, MENTRE QUELLO I HA

TUTTA ALTRA FUNZIONE! La biosintesi è la stessa.

Enzimi per la mobilizzazione dell’amido secondario:

α

− amilasi (idrolisi all’interno della catena)

β −

amilasi (idrolisi sulle terminazioni non riducenti, stacca i residui terminali)

Maltasi (idrolizza il maltosio Glu-Glu)

Amido fosforilasi (forma G1P)

Enzimi deramificanti (α1-6) 82

IL CATABOLISMO DEL CARBONIO

I fotosintati possono in definitiva essere utilizzati e degradati per due scopi: ottenere energia

(ATP, NADPH) oppure ottenere carbonio per biosintesi di altri composti organici.

Fonte di energia

(respirazione: ATP,

via dei pentosoP: NADPH)

Fotosintati Fonte di carbonio

(scheletri carboniosi per AA,

nucleotidi, lipidi, zuccheri, prodotti

del metabolismo II, biosintesi:

utilizzo di ATP e NADPH)

1. I FOTOSINTATI COME FONTE DI ENERGIA:

: sono usati per produrre molecole

ENERGIA

ATP NADPH via dei pentoso-fosfati

e . Per far ciò possono entrare nella e

come glicolisi catena

generare NADPH, oppure nella e generare ATP, oppure ancora nella

respiratoria e generare altro ATP. 83

2. I FOTOSINTATI COME FONTE DI CARBONIO gli intermedi di glicolisi, via dei

pentoso-P e ciclo di Krebs vengono utilizzati dalle varie vie biosintetiche (che per

procedere utilizzano ATP e NADPH)

Il ciclo C3 rifornisce di C qualunque pathway biosintetico della cellula, oltre ad assicurare

l’adeguato apporto

rto di ATP e NADPH

appo . 84

IL METABOLISMO RESPIRATORIO

Mentre la fotosintesi fornisce i carboidrati, la glicolisi e la respirazione sono processi

l’energia accumulata nei carboidrati viene rilasciata in maniera controllata !

mediante i quali

Inoltre numerose piante accumulano i loro fotosintati in molecole ulteriormenti ridotte,

ovvero sotto forma di lipidi (grassi e oli).

Respirazione di energia ATP.

.

ossidazione del glucosio con liberazione sotto forma di ATP

Questa ossidazione

dazione avviene in più tappe: GLICOLISI,

LISI, CICLO DI KREBS, CATENA DI

ossi GLICO

TRASPORTO DEGLI ELETTRONI.

ELETTRONI

GLICOLISI piruvato 2 ATP 2 NADH

con il guadagno netto di e

È l’ossidazione del glucosio fino a

(molto poco rispetto all’ossidazione completa fino a CO2).

La glicolisi avviene nel CITOSOL, ma nelle piante può avvenire anche nei cloroplasti.

Le piante utilizzano come substrati glicolitici di partenza:

Zuccheri esosi, soprattutto Glu e Fru provenienti dalla degradazione dell’amido e dal

metabolismo del saccarosio

TriosiP provenienti dal metabolismo del C cloroplastico.

Nel citosol il glucosio (6C), o un altro zucchero esoso, o un trioso fosfato, è scisso in due

zuccheri a 3C, che a loro volta sono ossidati e trasformati in due molecole di piruvato.

Durante queste trasformazioni sono guadagnati 2 ATP e 2 NADH.

Glucosio + 2ADP + 2P + 2NAD 2Piruvato + 2ATP + 2NADH

H

+ 2NAD

Non c’è bisogno di ossigeno per questo processo che quindi può essere utile per ottenere

energia in ambienti anossici si è evoluta così la fermentazione.

Nel dettaglio: il glucosio viene fosforilato ad opera della specifica chinasi, originando il

glucosio 6 fosfato (G6P). Quest’ultimo è trasformato in fruttosio 1,6 bifosfato (F1,6BP), e

poi spezzato in due producendo due molecole di gliceraldeide 3 fosfato (G3P) , reazione

È dalla G3P che viene estratta l’energia

catalizzata dalla fosfofrutto-

- chinasi (PFK).

fosfofrutto (PFK)

utilizzabile. Una serie di reazioni porta alla liberazione di un ATP e un NADH con

formazione di fosfoenolpiruvato (PEP). Grazie alla piruvato chinasi il PEP si trasforma in

una molecola di piruvato, con liberazione di ATP.

In alternativa la PEP carbossilasi ossida il PEP a ossalacetato, successivamente trasformato in

malato e spedito al mitocondrio (fermentazione). 85

REGOLAZIONE DELLA GLICOLISI

, ad opera di:

fosfofruttochinasi

uttochinasi PFK la sua azione è inibita dall’ATP, dal 3PGA e dal PEP. È invece

fosfofr

favorita fal fosfato inorganico Pi. È il rapporto Pi/ATP che serve per il mantenimento di

una adeguata carica energetica e un adeguato flusso di C. Fa parte del metabolismo

energetico della cellula! →

fruttosio 6 P fosfotransferasi PPi dipendente (PFP) inibita da alte concentrazioni di

fruttosio 2,6 bifosfato (un intermedio che precede il F 1,6 BP); ciò permette un corretto

bilancio tra glicolisi e saccarogenesi.

piruvato chinasi

inasi inibita dall’ATP e favorita dall’ADP (come la PFK).

ch

E’ quindi una regolazione a feedback negativo, in quanto i prodotti finali funzionano da

inibitori dell’intero processo! 86

87

VIA DEI PENTOSO FOSFATI

Parallelamente alla glicolisi opera la . E’ anche questa una

via ossidativa che avviene nel MITOCONDRIO. Lo scopo di questa via è la produzione di

NADPH (biosintesi!), infatti ogni G6P metabolizzato si formano 2 NADPH per

l’anabolismo , in più molti intermedi di questa via sono precursori metabolici di biosintesi

(es. zuccheri 5C e ac. nucleici!).

Enzimi nel citosol ed anche nel plastidio (simili a quelli del ciclo di Calvin).

Il ciclo parte dall’ossidazione del G6P a fosfoglucunato

con la produzione della prima molecola di

(6C)

N

ADPH, segue poi una seconda ossidazione a ribulosio

ADPH

5P (5C) con produzione della seconda molecola di

NADPH e di una molecola di CO .

2

Seguono poi varie reazioni di “rimaneggiamento” per far rientrare il C del ribulosio nel

flusso glicolitico.

Schema sulla funzione della via pei pentoso-P:

Glucosio 6P N A D P

H

Fruttosio 6P Tutte le biosintesi

Diidrossiacetone P Gliceraldeide 3P della cellula

Piruvato 88

CICLO DI KREBS

Avviene nello stroma del mitocondrio. Il piruvato viene ossidato a CO con produzione di

2

NADH, che verrà successivamente ossidato nella catena respiratoria per produrre ATP.

anfibolica , poiché partecipa sia a processi catabolici

Il ciclo di Krebs è una via metabolica

che anabolici. Il ciclo fornisce infatti anche molti precursori per la produzione di alcuni

amminoacidi (ad esempio l'a-chetoglutarato e l'ossalacetato) e di altre molecole

fondamentali per la cellula.

Il piruvato, una volta importato nel mitocondrio, è substrato della Piruvato decarbossilasi:

decarbossilasi

Piruvato + Coenzima A Acetil CoA + CO .

2

Il CoA è una piccola molecola contenente un –SH che lega il gruppo acetile attraverso un

legame tioestere. 89

90

LA CATENA RESPIRATORIA ED IL TRASPORTO DEGLI ELETTRONI

4NADH e

Durante il ciclo di Krebs si sono formati, per l’ossidazione del piruvato,

1 FADH .

2

Questi cofattori ridotti cedono adesso gli elettroni ai trasportatori della catene respiratoria

al fine di produrre ATP.

NADH e FADH CATENA RESPIRATORIA O

2 2

ATP

3 per ogni NADH ossidato

Da NADH e FADH gli elettroni vengono ceduti da un trasportatore a un altro in caduta di

2

potenziale secondo il gradiente di potenziale redox dei diversi trasportatori fino alla

nessuna spesa energetica!

completa riduzione dell’ossigeno:

TRASPORTATORI DELLE CATENA RESPIRATORIA: sono numerosi, alcuni trasportano 1e-,

altri invece trasportano 2e- e 2H+. I trasportatori sono generalmente inseriti in complessi di

proteine transmembrana.

COMPLESSO I o NADH : ubichinone reduttasi

→ → →

NADH (FMN FeS) UQ

COMPLESSO II o SUCCINATO DEIDROGENASI

→ → →

Succinato (FAD FES) UQ

Ossidazione del FADH2, resa energetica minore in termini di produzione di ATP

COMPLESSO III o COMPLESSO DEL CITOCROMO b/c1

cit c1 cit c

UQH 2 cit b e ciclo dell’ubichinone

Ciclo dei chinoni con aumento del trasporto di H+.

COMPLESSO IV o CITOCROMO C OSSIDASI

→ → →

cit c (cit a cit a3) O 2

- Caratteristiche peculiari delle piante:

NAD(P)H deidrogenasi esterna che serve per ossidare il NAD(P)H (che non passa le

membrane!!) prodotto nel citosol scaricando direttamente su UQ. 91

Ossidasi alternativa e via resistente al cianuro (CN e cit del complesso IV), produzione di

calore (es. nello spadice di alcune aracee per l’impollinazione, in altre piante per lo stress da

freddo) e valvola di sfogo per il surplus energetico. La resistenza al cianuro è solo casuale!

si crea uno stato ad alta energia

N.B. Con l’attività della catena di trasporto degli elettroni

dato dall’estrusione degli H fuori dalla matrice mitocondriale. Tale stato di energia è

+

definito da:

E + pH.

.

∆ pH

E’ una forza proton-motrice che viene dissipata per produrre ATP con un meccanismo

analogo a quello plastidiale, con una proteina ATP-

- sintasi: flusso di H , cambiamenti

+

ATP

conformazionali per rotazione e sintesi di ATP. Come prima 3H :1ATP

+

SCAMBI METABOLICI del ciclo di Krebs

Il mitocondrio possiede una doppia membrana e quindi lo scambio dei metaboliti è

ampiamente controllato e regolato.

• piruvato, NAD , ADP, Pi, malato ed ossalacetato (navetta degli elettroni +

Entrata: +

rifornimento di intermedi, PEP + CO2), glutammato

• Uscita: ATP, 2chetoglutarato, citrato (→ principale fonte di scheletri carboniosi)

H

+ H

Pi +

+ ATP

glicolisi _

(solo piante) piruvato ADP

ATP

H ADP

+ 2chetoglutarato + Pi

malato Krebs + H

+

catena

aspartato respiratoria

glutammato Pi

succinato

REGOLAZIONE DEL CICLO DI KREBS

I livelli energetici della cellula controllano direttamente il metabolismo ossidativo del

carbonio. ↓ ↑

I. Meccanismo di controllo basato sui livelli di adenilati:

: ATP , AMP

II. Meccanismo di controllo basato sui livelli di NADH

III. Inibizione da substrato:

: ossalacetat

t

o/citrato/acetilCoA.

ossalaceta 92

Quando un organismo aerobio si trova in condizioni di anossia (mancanza di O2) il

metabolismo ossidativo del carbonio si ferma a livello della glicolisi ciclo di Krebs e

catena di trasporto degli elettroni non possono funzionare! Come fare allora per recuperare

un minimo di energia?

FERMENTAZIONE

: solo la glicolisi procede per l’ossidazione del C con rigenerazione di

NAD attraverso riduzione del suo ultimo prodotto. La resa energetica è minima (solo 2

+

ATP!) ma ciò può permettere all’organismo di sopravvivere ancora un po’. Anche le piante

ATP

possono fermentare, es. quelle con le radici sommerse (è sempre una cosa temporanea!). La

fermentazione può permettere alla radice allagata di sopravvivere, ma non per troppo

tempo; per questo non si devono annaffiare troppo le piante in vaso…

Le piante possono avere fermentazione alcolica o lattica (quest’ultima è la più tossica perché

causa alterazioni del pH notevoli). 93

IL METABOLISMO DEI LIPIDI

cloroplasti (e nei plastidi in genere),

La SINTESI dei lipidi avviene nei gliossisomi perossisomi mitocondri

il loro CATABOLISMO invece avviene nei , nei e nei .

1) ), formati dal glicerolo più tre acidi

I lipidi principali sono i trigliceridi (triacilgliceroli)

(triacilgliceroli

grassi legati con legame estere. Quindi, se devono essere sintetizzati i trigliceridi per

stoccare il carbonio (es. formazione dei semi), devono prima essere sintetizzati gli acidi

g

rassi (che, ovviamente, servono sempre alla pianta, anche per altri scopi, come la

spesa

creazione dei fosfolipidi di membrana). La biosintesi degli acidi grassi avviene con

→ →

energetica di ATP e NADPH gli ac. grassi sono “molto ridotti” la fotosintesi serve

anche a questo!

Il pathway di questa biosintesi consiste in reazioni di condensazione, riduzione,

deidratazione e riduzione ripetute in serie fino a raggiungere la lunghezza desiderata dell’ac.

grasso. Desaturasi

Le insaturazioni sono poi inserite da particolari enzimi detti . Gli ac. grassi

servono poi per la biosintesi di tutti i lipidi e possono essere esportati dal plastidio come

acil-CoA. 94

2) I lipidi vengono accumulati soprattutto nei SEMI, in particolari corpi lipidici chiamati

o oleosomi. Come mai nei semi non vengono accumulati gli zuccheri (radici,

sferosomi oleosomi Perché i lipidi sono la forma di carbonio più

gemme) come riserva di carbonio ridotto?

ridotto (e quindi più energetico); inoltre ci sono ragioni steriche e osmotiche! I lipidi sono

anche la forma di riserva del carbonio negli animali. Emimembrana

Oleosomi (dal rel)

o

sferosomi Trigliceridi

= oleosina, per

evitare la

fusione l’idrolisi

idrolisi dei trigliceridi

l’

Il primo passo per l’utilizzazione delle riserve dello sferosoma è ad

(che si trova nella emimembrana):

opera della lipasi

glicerolo acidi grassi liberi

Si formano così e .

Il glicerolo così formato può essere utilizzato. Viene prima trasformato in glicerolo

3P, successivamente in DHAP (diidrossiacetone fosfato - l’isomero della G3P), che

può entrare, a seconda della necessità della cellula, nella GLICOLISI o nella

SACCAROGENESI: GLICOLISI

glicerolo glicerolo 3P DHAP SACCAROGENESI

ATP NAD

+

ADP NADH + H +

β -

ossidazione

Gli acidi grassi vanno invece incontro alla , che produce acetil-Coa, che

può servire per la GLUCONEOGENESI o per la RESPIRAZIONE.

β-ossidazione

La avviene nei gliossisomi (ma anche nei perossisoma e mitocondri). È la

rottura ripetuta di unità a 2C attraverso l’inserzione di una molecola di acqua sulla catena

attivazione tramite legame con il

dell’acido grasso. L’acido grasso entra nel ciclo attraverso

CoA . EnoilCoA isomerasi interviene se i doppi legami non sono in posizione giusta.

GLUCONEOGENESI

β-ossidazione

ac. grassi acetil-CoA (ciclo del gliossilato)

altre biosintesi (es. AA)

RESPIRAZIONE

(ciclo di Krebs,

catena respiratoria) 95

ciclo del gliossilato

L’acetilCoA che si forma dall’ossidazione degli ac. grassi entra poi nel .

Questo ciclo (unito alla gluconeogenesi) serve per sintetizzare gli zuccheri necessari alla

plantula non ancora fotosintetizzante.

Il ciclo del gliossilato è un pathway metabolico tipico delle piante e di alcuni microrganismi.

produrre carboidrati a partire da substrati lipidici , cosa

Questo processo permette loro di

impossibile per il resto degli organismi viventi, ed i particolare per i vertebrati. Il ciclo ha

luogo in speciali perossisomi, chiamati gliossisomi.

La gluconeogenesi è un pathway in grado di generare una molecola di glucosio a partire da

piccoli metaboliti come il piruvato, il lattato ed il glicerolo. Il piruvato, in particolare, può

essere convertito ad ossalacetato, quindi a fosfoenolpiruvato. Attraverso sette reazioni (le

stesse coinvolte nella glicolisi, ma in senso inverso) viene sintetizzata una molecola di

glucosio a partire da due di piruvato.

L'ossalacetato, altra molecola da cui può avviarsi la gluconeogenesi, è coinvolto anche nel

ciclo di Krebs (si tratta della molecola scelta per convenzione come inizio e fine del ciclo). Si

potrebbe dunque ipotizzare che, a partire dall'acetato ed attraverso il ciclo di Krebs, la

cellula sia in grado di produrre glucosio. Questo, in realtà, nella maggior parte degli

organismi non avviene. Ciò è dovuto al fatto che il ciclo è essenzialmente unidirezionale: le

molecole di acetil-CoA che fanno il loro ingresso nel ciclo non possono dunque essere

convertite ad ossalacetato, ma devono essere degradate, come detto, ad anidride carbonica.

Ciò è dovuto essenzialmente all'assenza di due enzimi chiave, presenti esclusivamente negli

organismi in grado di svolgere il ciclo del gliossilato: la isocitrato liasi e la malato sintetasi.

Il ciclo del gliossilato, infatti, costituisce la soluzione individuata da tali organismi al

problema. I primi due passaggi di tale processo sono del tutto simili a quelli che avvengono

nel ciclo di Krebs, con produzione di citrato ed isocitrato. La tappa successiva, invece, vede

la produzione di succinato e di gliossilato. Il succinato viene reinserito nello stesso ciclo, per

essere convertito a malato e ad ossalacetato. Anche il gliossilato, in presenza di acetil CoA,

può generare malato, creando una situazione di sovrabbondanza di molecole a quattro

atomi di carbonio. La molecola di malato in eccesso, dunque, può essere dirottata verso il

pathway gluconeogenetico. Il risultato netto di ciò, dunque, consiste nella produzione di

glucosio a partire da acidi grassi. Risultato finale del ciclo: 2 molecole di

AcetilCoA (2 x 2C) sono state

convertite in una molecola di succinato

(4C).

Nei semi in via di germinazione i lipidi

vengono convertiti in carboidrati e

spediti a tutta la plantula non ancora

fotosintetizzante: i lipidi non sono

mobili! 96

LA NUTRIZIONE MINERALE

Gli elementi minerali, dopo essere stati assorbiti dalle radici, sono traslocati alle varie parti

della pianta, dove sono impiegati in importanti funzioni biologiche. Altri organismi (funghi

micorrizici e batteri azoto-fissatori) prendono spesso parte insieme alle radici al processo di

acquisizione degli elementi nutritivi. La nutrizione minerale è lo studio di come le piante

assorbono ed assimilano gli ioni inorganici.

• Elementi essenziali : hanno un definito ruolo fisiologico; la loro assenza impedise l

completamento del ciclo biologico di una pianta. La disponibilità di questi elementi e

dell’energia solare permette alle piante di sintetizzare tutti i composti di cui hanno

minerali

bisogno per crescere normalmente. Gli elementi essenziali sono , ad eccezione di

H, C e O

, in quanto questi non sono ottenuti principalmente dal suolo ma dall’H O o

2

dalla CO .

2 macronutrienti e micronutrienti , a

I minerali essenziali sono ulteriormente suddivisi in

seconda delle loro concentrazioni relative nel tessuto vegetale. Silicio

Zolfo

Fosforo

MACRONUTRIE Magnesio

NTI Calcio

Potassio

> 1000 ppm

essenziali Azoto

MICRONUTRIE

NTI

Elementi Molibdeno

minerali < 1000 ppm Nickel

Rame

Zinco

Iodio

non essenziali Sodio

Selenio Manganese

Piombo Boro

Cromo Ferro

Etc…

N.B. ppm = parti per Cloro

milione

= mg · g peso secco

-1

La classificazione in macro- e micro-nutrienti è piuttosto arbitraria perché alcuni tessuti

vegetali contengono alte concentrazioni dei cosiddetti micronutriente, quindi la differenza

basata sulla concentrazione non è sempre valida. ruolo biochimico

Altra possibile classificazione: suddivide i nutrienti in base al e alla

funzione fisiologica

. Ci sono 4 gruppi principali:

• →

C, H, O, N, S

GRUPPO 1: Principali costituenti di tutti i composti organici

• →

P, B, Si

GRUPPO 2: Presenti nei composti ad alta energia delle piante sotto

forma di esteri (es. ATP!) + funzione strutturale (es, acidi nucleici)

• →

K, Na, Mg, Ca, Zn, Cl

GRUPPO 3: Ruolo nel mantenimento dei

potenziali osmotici + funzione strutturale nelle proteine. 97

• →

Fe, Cu, Mo, Ni, Mn

GRUPPO 4: Cofattori di proteine deputate al

trasferimento di elettroni (cambiamento di valenza)

In assenza di un elemento essenziale la pianta mostra sintomi di carenza specifici e muore

senza completare il suo ciclo vitale. La dimostrazione dell’essenzialità di un elemento

in cui manca solo l’elemento in

prevede che le piante crescano in condizioni controllate

questione. Le piante sono perciò fatte crescere con le radici immerse in soluzioni nutritive

tecnica idroponica ). Questa tecnica permise di

contenenti solo sali inorganici controllati (

dimostrare che le piante crescono anche senza suolo e senza elementi organici, quindi

possono soddisfare tutto il loro fabbisogno esclusivamente con elementi inorganici e luce

solare. →

Se manca un elemento essenziale sintomi specifici di carenza e disordini metabolici.

Bisogna però stare attenti alle concentrazioni degli elementi, perché anche quelli essenziali

in dosi troppo elevate diventano tossici… 98

ASSIMILAZIONE DEGLI ELEMENTI NUTRITIVI:

AZOTO

L’atmosfera contiene grandi quantità di azoto molecolare N ma non è direttamente

2

disponibile per le piante. La molecola N ha infatti un triplo legame ed è quindi molto

2

stabile, solo alcuni microrganismi sono capaci di rompere tale legame per organicare l’azoto

(con grande spesa energetica). L’azoto va incontro a tutta una serie di modificazioni

ciclo biogeochimico dell’azoto.

conosciute come

Le forme di azoto che le piante possono assimilare sono: NO , NO e NH presenti nella

- - +

3 2 4

biosfera in seguito al ciclo dell’azoto stesso. che consiste

Il primo passaggio che modifica l’azoto molecolare è la fissazione dell’azoto,

dell’azoto

nella riduzione, tramite la nitrogenasi, dell'azoto molecolare (N ) in ammoniaca (NH ).

2 3

Questa è successivamente resa disponibile per molte importanti molecole biologiche quali

gli amminoacidi, le proteine, le vitamine e gli acidi nucleici attraverso i processi di

nitrificazione e nitratazione.

La reazione di azotofissazione può essere descritta come segue:

N + 8H + 8e + 16 ATP 2NH + H + 16ADP + 16 P

+ - →

2 3 2 i

, ma il suo assorbimento (per

L’ammoniaca è subito convertita in ione ammonio NH 4+ →

quanto sia possibile) è comunque sfavorito perché è tossico permea le membrane

dissipando il gradiente di H che è necessario mantenere per la fotosintesi, la respirazione e

+

per qualsiasi altro processo che coinvolga le membrane. 99

Quando è assimilato, l’ammonio viene subito convertito in prodotti non tossici, e quello in

eccesso è accumulato subito nei vacuoli proprio per evitare gli effetti tossici sulle membrane-

Lo ione ammonio che non è preso dalle piante, viene utilizzato dai microrganismi per:

nitrificazione trasformazione dell'ammoniaca e ione ammonio (NH ) in ioni nitrito

4+

NO -2

( ); → la reazione terminale di mineralizzazione dell'azoto nel suolo e consiste

nitratazione NO

3-

nella trasformazione degli ioni nitrito (NO ) in nitrati ( ).

2-

Entrambi i processi sono operati da microrganismi.

Ammonio e nitrati derivano anche dalla decomposizione della sostanza organica del suolo.

Queste forme di N sono utilizzabili dagli organismi e perciò diventano subito oggetto di

competizione tra batteri e piante.

Il nitrato viene assorbito a livello delle radici sotto forma di composti organici azotati, ma il

suo metabolismo avviene generalmente a livello delle parti aeree. Per l’assorbimento,

nitrito

comunque, il nitrato deve essere ridotto a , processo avviene nel citosol (delle radici)

ad opera della nitrato reduttasi: +H O

+ 2H + 2e- NO

NO 2-

3- + 2

FAD Cyt b

, un (Fe-eme) ed un

La NITRATO REDUTTASI è un enzima che contiene un

molibdeno

centro contenente in tre distinti domini proteici. Questi cofattori funzionano

come una piccola catena di trasporto degli elettroni per la riduzione del nitrato.

Gli e-

- per tale riduzione sono donati dal NAD(P)H (isoforme radici/foglie) e passano

e

attraverso i vari cofattori contenuti nell’enzima fino a ridurre il nitrato:

Carenza di molibdeno:

Il nitrato non può più essere assimilato perché la nitrato reduttasi non può funzionare,

accumulato e, dopo una certa concentrazione, diviene tossico!

viene quindi

Le proteine non possono più essere prodotte (non è più possibile sintetizzare gli

!): le foglie nuove si riducono alle sole nervature

aminoacidi (carboidrati).

Si è ora formato il nitrito, che però è uno ione altamente reattivo e potenzialmente tossico;

viene perciò rapidamente trasportato nei cloroplasti e negli altri plastidi, dove opera la

nitrito reduttasi, che riduce il nitrito ad ammonio.

reduttasi + 6Fd +2H O

+ 6Fd + 8H NH

NO 4+

2- + ox 2

red un centro Fe-S

La NITRITO REDUTTASI è una proteina contenente ed un eme particolare,

siroeme

, che servono per il trasporto degli e- dalla ferrodossina al nitrito.

detto

In questo caso il donatore di elettrone è la ferredossina ridotta (derivante dal trasporto egli

elettroni fotosintetico nei cloroplasti).

Si capisce quindi un altro ruolo della fotosintesi: oltre al metabolismo del carbonio, anche il

metabolismo dell’azoto! 100

L’ammonio

ammonio prodotto dalla riduzione del nitrato e poi del nitrito (o quello assorbito come

tale) viene assimilato nei composti organici tramite un particolare ciclo. L’assimilazione

dell’ammonio deve essere molto veloce in quanto tra i vari composti dell’azoto, questo è il

più tossico! Di solito l’ammonio entra nel CICLO DELLA GLUTAMMINA:

l’ammonio viene transaminato sul glutammato per formare glutam-mina grazie alla

GLUTAMMINA SINTETASI

(GS) con spesa di ATP.

La glutammina viene poi

utilizzata per transaminare

α-chetoglutarico

l’acido e

formare così due molecole di

glutammato grazie

all’enzima GLUTAMMATO

SIN-TASI (GOGAT) che ha

come donatore di elettroni

per la reazione che deve

catalizzare la ferredossina.

In pratica, il guadagno

consiste nella formazione di due molecole di glutammato da una molecola di glutammato,

α-chetoglutarico

una di (che non è un aminoacido!) e una di ammonio.

La glutammina ed il glutammato che si ottengono con tale ciclo, sono poi utilizzati

(attraverso transaminazioni di vario genere) per la sintesi di tutti i composti organici

contenenti azoto.

L’azoto può essere anche “conservato” come riserva nei vacuoli sotto forma di glutammina

o asparagina.

LA FISSAZIONE BIOLOGICA DELL’AZOTO: BATTERI

Gli unici organismi capaci di fissare l’azoto atmosferico sono alcuni procarioti: i

AZOTO-

- FISSATORI (diazotrofi)

AZOTO . Questi possono vivere:

LIBERI nell'ambiente

Cianobatteri: Nostoc, Anabaena, ecc..

Altri batteri:

Aerobi Azotobacter, Derxia

Facoltativi Bacillus, Klebsiella

Anaerobi non fotosintetici Clostridium, Methanococcus

Anaerobi fotosintetici Rhodospirillum, Chromatium

oppure in SIMBIOSI con le piante:

Leguminose Rhizobium, Bradyrizobium

Ontano Frankia

G raminacee Azospirillum

Felci Anabaena 101

L'ossigeno inattiva irreversibilmente gli enzimi della nitrogenasi (centri Fe-S) coinvolti nella

fissazione dell'azoto, quindi è necessario che tale processo avvenga in condizioni

anaerobiche

!! Che strategie hanno adottati i batteri azoto-fissatori?

1. Cianobatteri filamentosi: le condizioni anaerobiche sono create in cellule

specializzate dette eterocisti, che hanno pareti ispessite e che sono prive del PSII

eterocisti

(che sviluppa O ).

2

2. Cianobatteri senza eterocisti: possono fissare l'azoto solo se vengono a trovarsi in

condizioni anaerobiche come per esempio in terreni allagati. Questi microrganismi

diazotrofi fissano azoto quando i terreni sono allagati e muoiono quando i terreni

sono portati a secco, liberando nel suolo l'azoto fissato.

3. Batteri aerobi: tengono basso il livello di ossigeno (condizioni microaerobiche)

tramite una intensa respirazione (cioè la mancanza di ossigeno è dovuta ad alti tassi

respiratori). Altri fissano l'azoto di notte ed evolvono ossigeno di giorno.

4. Batteri anaerobi: nessun problema! leg-

5. Batteri simbionti: vivono nei noduli delle radici delle piante, dove c'è la

emoglobina , che lega l'O e ha la funzione di portare l'ossigeno alle cellule che

2

respirano dei batteri simbionti.

La simbiosi tra leguminose e rizobi non è obbligatoria; i due organismi possono benissimo

anche vivere separatamente. Tuttavia, quando c'è poca disponibilità di azoto nel terreno, i

simbionti si cercano a vicenda e si può instaurare la simbiosi. Questo processo avviene con

un elaborato scambio di segnali ed è finemente regolato dalla pianta. Generalmente,

consiste nella formazione di noduli radicali contenenti i microrganismi azoto fissatori.

→ →

Carenza di azoto sistema di sensing SEGNALE: la pianta decide di svolgere la simbiosi.

Nod

La simbiosi è resa possibile principalmente grazie a due geni: i geni (nodulina

nodulina) delle

nodulina

nod (nodulazione

nodulazione) dei rizobi.

piante e i geni nodulazione migrazione dei batteri verso le radici della

Il primo stadio nella relazione simbiontica è la flavonoidi

pianta ospite. Per la precisione il primo segnale è la secrezione di da parte della

chemiotassia dei batteri verso la pianta con un meccanismo anche di

pianta e seguente

specie-specificità.

Questi attrattori (flavonoidi) attivano la proteina NodD dei batteri, che a sua volta induce

nod

la trascrizione di tutti gli atri geni . Questi codificano proteine di nodulazione coinvolte

particolari molecole di natura polisaccaridica, che vengono

nella biosintesi dei fattori Nod,

Nod

esposti sulla parete batterica e che sono riconosciuti dalle piante.

LECTINE: proteine della radice della pianta (precisamente si trovano sui peli radicali) che

LECTINE

“riconoscono” in modo specifico la parete batterica dopo l'esposizione dei fattori nod. Le

lectine che si legano ai fattori nod si attivano e permettono ai rizobi di entrare nelle radici:

e penetrazione dei batteri nei tessuti della pianta.

formazione del filamento di infezione

Il filamento di infezione è un'estensione tubulare della membrana plasmatica prodotta dalla

fusione delle vescicole generate dal Golgi nel punto di infezione.

I batteri, precedentemente attratti dalla pianta, secernono alcuni fattori che inducono la

proliferazione delle cellule della corteccia della radice fino alla formazione del meristema

102

primario del nodulo. Anche le cellule del periciclo vicine ai poli xilematici vengono

nodulo

stimolate alla divisione e formano il meristema secondario del nodulo.

Il filamento di infezione si allunga verso le cellule in divisione, i due meristemi si fondono e

comincia la differenziazione del nodulo stesso con formazione dei fasci vascolari. I

batterioidi vengono rilasciati nelle cellule centrali del nodulo.

All'inizio i batteri continuano a dividersi, poi smettono e iniziano a ingrandirsi fino a

batterioidi

differenziarsi in specie di organuli endosimbiontici diazotrofi, chiamati ... teoria

quasi endo-simbiontica? Hanno una doppia membrana; inoltre non sono organismi

autonomi, ma non sono neanche organuli!

La reazione di fissazione dell’azoto è la seguente:

N + 8e + 8H +16ATP 2NH + H +16ADP +16P

- +

2 3 2 i

La spesa energetica per fissare l’azoto è ingente: 16 ATP (servono tutti per la rottura di un

legame triplo!). Vi è comunque un piccolo recupero energetico attraverso la scissione di H 2

e glutammato.

ad opera poi di una idrogenasi. L’NH viene poi organicato in glutammina

3 trasferimento di 6 elettroni , accoppiato alla

La riduzione dell'N a NH comporta un

2 3

riduzione di 2 protoni per formare H .

+

L’enzima responsabile della fissazione dell’azoto è la NITROGENASI (o meglio il complesso

l’altra Fe per

della nitrogenasi): costituita da due subunità maggiori, una contenente Mo-Fe

il trasporto degli elettroni dalla ferrodossina ridotta all’azoto.

Centro contenente Mo-Fe

Gli elettroni donati dalla Fd passano alla Fe proteina (4Fe-4S) e poi alla Mo-Fe proteina per

poi essere ceduti all’N .

2

O : inibisce i centri Fe-S ossidando il Fe!

2 103

Come è possibile che vi sia Fd ridotta se il nodulo è al buio (ed ovviamente i batteri non

sono fotosintetici)? Flusso INVERSO di e- dal NAD(P)H attraverso spesa di ATP ed un

opportuno enzima.

VANTAGGI DELLA SIMBIOSI:

la pianta riceve composti azotati (esporto sotto forma di ureidi - ac.

Nella simbiosi

allantoico, allantoina - o ammidi - asparagina, glutammina-), il batterio invece riceve

carboidrati ed un ambiente idoneo alla fissazione dell’azoto, cioè riceve la leg-emoglobina

(i noduli sono rosa!).

Questa proteina veicola l’ossigeno proprio come l’emoglobina umana e ne assicura la giusta

tensione nel nodulo per la respirazione. La parte proteica è sintetizzata dalla pianta, il

gruppo eme dal batterio: esempio di “proteina simbiontica”. 104

ASSIMILAZIONE DELLO ZOLFO

Lo zolfo è uno degli elementi più versatili presenti negli organismi viventi. È

importantissimo per le piante: serve per i ponti disolfuro, per il trasporto elettronico, per

siti catalitici di vari enzimi; è presente lo zolfo anche nei fattori Nod dei rizobi. Perché è

stati di ossidazione multipli e stabili !

importante? Perché,al pari dell'azoto, ha

principalmente come solfato SO ; ma l'industrializzazione

Lo zolfo è assorbito dal terreno 2

-

4

e l'inquinamento conseguente aggiungono altre due possibili fonti di solfato: l'anidride

solforosa SO e l'acido solfidrico H S. In particolare l'SO può essere assorbito (è un gas)

2 2 2

attraverso gli stomi, e nella pianta viene poi trasformato in acido solforico e quindi in

solfato. Oppure viene assorbito dal suolo direttamente come ac. solforico l’anidride

solforosa idrolizza a H SO in presenza di acqua causando le piogge acide (si forma quindi

2 4

nuovamente solfato che è la forma “sfruttabile” dalle piante).

Quali sono i principali composti organici contenenti zolfo?

cisteina metionina

Gli amminoacidi e e tutti i loro derivati, anche eterocicli.

ridotta

Caratteristica comune: S sempre in forma generalmente come C-S-C e C-S-H.

Le uniche molecole che contengono direttamente solfato sono i solfolipidi.

solfolipidi

riduzione

La prima tappa per l'assimilazione dello zolfo è la del solfato per formare la

cisteina. Questo processo avviene nei cloroplasti delle cellule delle foglie oppure nei

proplastidi delle cellule del parenchima corticale delle radici.

Il solfato è molto stabile quindi prima di tutto necessita di essere ATTIVATO: reagisce con

ATTIVATO

l'ATP per formare APS (adenosina 5' fosfosolfato) e PP (pirofosfato).

i

APS + PP

ATP + Solfato (S) → i

[ ]

Adenina – ribosio – P-P-P + S Adenina – ribosio – P-S + P-P

ATP solforilasi

Enzima: (scissione “solforolitica dell’ATP).

∆G 0'

Questa reazione ha un positivo e una costante di equilibrio piccola è

energeticamente sfavorita! Deve perciò essere accoppiata con una seconda reazione

altamente favorita. I prodotti APS e PP sono rapidamente convertiti in altri composti:

i

L'APS può reagire con l'ATP per formare PAPS (3'-fosfoadenosina 5'-fosfosolfato): 105

APS + ATP PAPS + ADP →

[Adenina – ribosio – P-S + Adenina – ribosio – P-P-P Adenina – ribosioP – P-S + ADP]

APS chinasi

Enzima: (fosforilazione dell’APS)

Invece il pirofosfato è idrolizzato a fosfato inorganico:

PP H O 2P

i + 2 i

pirofosfatasi inorganica

Enzima:

Dopo l'attivazione del solfato c'è la sua RIDUZIONE:

In pratica, il oltre che per la sintesi dei solfolipidi, serve

passaggio a PAPS,

per permettere la che da sola sarebbe

produzione stessa dell’APS

energeticamente troppo sfavorita per avvenire.

L’APS è poi il vero substrato per l’assimilazione riduttiva del solfato.

In termini di e-, per la riduzione del solfato sono necessari 8 elettroni:

SO S

42- 2-

+6 -2 questo ci riporta alle

Il donatore di elettroni della Solfito reduttasi è la FERRODOSSINA →

funzioni dei cloroplasti: fotosintesi, metablismo del carbonio e anche metabolismo dello

zolfo! 106

APS + 8Fd + 5H S + AMP +8Fd + 3H O

+ 2-

rid ox 2

Come precedentemente illustrato, questa reazione prevede un passo intermedio attraverso

la riduzione del solfato a solfito ancora non ben caratterizzata ed il legame degli intermedi

di riduzione del solfato e del solfuro stesso al “carrier dei solfuri”, proteina ancora “oscura”.

L’assimilazione dello zolfo procede poi con l’incorporazione del solfuro negli aminoacidi

solforati.

C'è infine l'ORGANICAZIONE del solfuro:

cessione dell’S 2-

Il primo passo è la ad un intermedio attivato (sempre per destabilizzazione)

per la formazione di cisteina.

L’intermedio in questione è molto simile alla cisteina stessa, in pratica al posto dell’-SH

O - Acetilserina

terminale ha un -OH esterificato con un gruppo acetilico: .

Serina + Acetil-CoA O-Acetilserina + CoA Enzima: Acetiltransferasi

L’O-Acetilserina reagisce quindi con il solfuro per dare finalmente cisteina.

O-Acetilserina + S2- Cys + acetato Enzima: SOLFIDRASI

(lisi per inserz. di una molecola di

solfuro)

In questa reazione i due elettroni necessari vengono ceduti da due Fd ridotte! 107

IL CALCIO

È un catione divalente, può essere fino al 10% del peso secco della pianta. Dove si trova?

Apoplasto: Legato a gruppi R-COO- (pectati di calcio e reostasi, frazione scambiabile)

Legato ai fosfati dei fosfolipidi di membrana (funzionalità della membrana e

permeabilità selettiva)

Simplasto:

Simplasto Vacuoli anioni organici (ossalato, malato) e anioni inorganici (nitrato,

cloruro)

Reticolo endoplasmatico

Cloroplasti e mitocondri

Bassissimo nel citosol: 0.1-0.2 mM di Ca2+ libero

compartimentalizzazione del calcio nel simplasto.

Da notare la

In generale il calcio svolge nella pianta un duplice ruolo:

RUOLO STRUTTURALE: Capacità di coordinare vari leganti a causa della sua carica positiva

STRUTTURALE

legami intermolecolari stabili ma reversibili pareti e membrane.

→ →

Secondo messaggero nella trasduzione del segnale fra fattori

RUOLO FUNZIONALE:

FUNZIONALE

ambientali e risposta delle piante in termini di crescita e sviluppo.

Perché il Ca è tenuto sempre così basso nel citosol? Perché questa situazione (differenza di

++

concentrazione tra citosol e organuli) può servire a più scopi:

Prevenzione precipitazione con fosfato (sottrazione del fosfato al metabolismo del

citosol).

Prevenzione competizione con Mg e inibizione degli enzimi che usano ATP

2+ .

Funzione di messaggero intracellulare

. La differenza di concentrazione fra citosol e

vacuolo è dell’ordine di 10 .Grazie a questa enorme differenza di concentrazione, il calcio

5

può essere usato come secondo messaggero intracellulare (anche negli animali).

Come fa la cellula a mantenere così bassa la concentrazione di calcio libero nel citosol?

1) Bassa permeabilità di membrana per questo ione.

pompe ATPasiche del calcio antiporto

2) Attività dei trasportatori di membrana ( ed

Ca /H

2+ + ) che lo prelevano dal citosol e lo depositano nell’apoplasto o negli organuli. 108

v

a

c u

o

l

i

, r

e l

,

m

i

t

o

c o

n

d r i e

c l

o

r

o

p

l

a

s t

i

La regolazione dell’espressione genica consiste in pratica nell’induzione della sintesi di

opportune proteine capaci di mediare la “risposta”. Trascrizione e traduzione genica sono

processi che si articolano in più punti ed ognuno di questi può essere “regolato” per variare

qualitativamente e quantitativamente le proteine espresse, secondo necessità.

Trasporto

nel citosol

Trascritto

primario

(splicing)

Trascritto

primario

Start: (stabilità)

Fattori trascrizionali

Decondensazione della

cromatina

Ecc… Vari livelli di “

controllo”

” a livello della trascrizione

controllo

Segnale e poi attivazione di proteine che interagiscono con gli ac.

nucleici e con i vari “fattori trascrizionali” 109

Stabilità del

messaggero

Ecc…

Anche a livello

della traduzione vi

vari livelli di

sono Stabilità della proteina nascente

“controllo” Folding adeguato

Modificazioni post-traduzionali (es. P)

Ecc… In ultima analisi, ciò che viene

regolato è il “corredo” proteico della

cellula in quantità e qualità e quindi

del metabolismo cellulare in base alla

risposta che deve essere generata.

→ [proteine funzionali]

TRASDUZIONE DEL SEGNALE MEDIATA DAL CALCIO

Alcuni recettori (come quelli per gli ormoni steroidei) possono regolare direttamente

l’espressione genica, ma nella maggioranza dei casi il recettore dà inizio a una o più

sequenze di reazioni biochimiche che collegano lo stimolo alla risposta cellulare. Questa

sequenza di reazioni è mediata dai secondi messaggeri e si chiama appunto via di

trasduzione del

l segnale; il suo risultato finale è di solito la regolazione dei fattori di

de segnale

trascrizione (e quindi dell’espressione genica). I secondi messaggeri più comuni sono: AMP

ciclico, GMP ciclico, diacilglicerolo, inositolo trifosfato e CALCIO.

Molti recettori sulla membrana cellulare interagiscono con proteine che legano il GTP, dette

α, β γ.

proteine G. Sono eterotrimeriche, composte cioè da 3 diverse subunità e Nella forma

α.

inattiva, la proteina G esiste come trimetro con il GDP legato alla subunità Quando il

ligando si lega al recettore, si forma il complesso ligando-recettore, e la proteina G si lega a

questo complesso. Questo è il segnale di attivazione della proteina G. Il GDP viene

α

sostituito con il GTP e questo cambiamento conformazionale induce la subunità a

α-GTP

dissociarsi dalle altre subunità. Il complesso va a interagire con un enzima effettore,

per esempio l’adenilato ciclasi oppure la fosfolipasi C. Il legame con l’enzima effettore

α

induce la subunità a svolgere la sua attività GTPasica e quindi il GTP è idrolizzato a GDP,

α α-

inattivando la subunità stessa e di conseguenza anche l’adenilato ciclasi. Il complesso

β γ,

GDP torna vicino alla membrana e si riassocia alle subunità e e l’intera proteina torna

nella forma inattiva, pronta per trasdurre un altro segnale appena un altro ligando si

legherà al recettore. 110

α-GTP

Uno dei possibili enzimi effettori che vengono attivati dal complesso è la fosfolipasi-

-

fosfolipasi

C (PLC), specifica per il fosfatidilinositolo di membrana. La PLC idrolizza il fosfatidilinositolo

(PLC)

difosfato (PIP ) presente nello strato lipidico interno della membrana cellulare, generando

2

due secondi messaggeri: inositolo trifosfato IP e diacilglicerolo DAG.

3

Il DAG è un lipide (idrofobico) e rimane localizzato sulla membrana. Può associarsi e

attivare la proteina chinasi C (PKC) che fosforila opportuni substrati, come canali ionici,

fattori di trascrizione, enzimi.

L’IP è una molecola idrosolubile che diffonde nel citosol. I suoi recettori si trovano sull’ER

3

e sul tonoplasto, e sono precisamente dei canali del calcio che si aprono quando si legano

con l’IP . La concentrazione del Ca nel citosol è molto minore di quella nel reticolo

++

3

endoplasmatico e nel tonoplasto quindi all’apertura dei canali, il Ca diffonde rapidamente

++

nel citosol seguendo il gradiente di concentrazione. La concentrazione di calcio è subito

riabbassata per azione delle pompe del calcio, e il segnale comunque termina quando l’IP

3

viene degradato.

Il segnale del calcio si origina in una zona localizzata della cellula e si propaga come

un’onda attraverso il citosol, e il segnale originale può essere seguito da onde ripetute

(oscillazioni

oscillazioni di calcio). Non si sa bene perché accade, ma probabilmente il significato delle

calcio

oscillazioni è di evitare la tossicità di un prolungato aumento della [Ca ] nel citosol.

++

Come fa il calcio a generare diversi segnali? Perché a ogni segnale corrisponde una precisa

frequenza delle oscillazioni! E’ per questo suo ruolo nella segnalazione che il calcio deve

essere mantenuto normalmente in bassa concentrazione nel citosol.

Il calcio nel citosol può attivare direttamente alcune proteine legandosi ad esse, ma il più

una proteina regolatrice molto conservata. Una

delle volte si lega alla calmodulina,

calmodulina

molecola di calmodulina può legare con alta 4 ioni calcio, il legame cambia la

111

conformazione della proteina che si attiva (espone la sua porzione idrofobica) e può

attivare altre proteine. Generalmente vengono attivate le chinasi Ca - calmodulina

++

dipendenti (CaM-

- chinasi): queste fosforilano residui di treonina o serina dei loro enzimi

(CaM chinasi)

bersaglio, attivandoli. In questo caso, l’effetto che il calcio ha su una cellula, dipende da

quale CaM-chinasi è stata attivata! CALMODULI

Possono essere attivate altre proteine con dominio CaM. Per esempio la calmodulina può

andare ad agire sulle pompe del calcio per lo spegnimento del segnale (in modo che la

cellua possa poi rispondere di nuovo a un nuovo segnale).

Caratteristica di queste vie di segnalazione è la cascata e amplificazione del segnale. Infatti

per esempio gli ormoni (che traducono il messaggio con questo meccanismo) possono avere

ampi effetti già a concentrazioni minime. 112

IL FOSFORO sotto forma cioè di fosfato,

È uno dei pochi elementi che rimane sempre in forma ossidata, fosfato

forma in cui viene anche assorbito dal terreno.

Svolge diverse funzioni:

1) Strutturale: è un componente degli acidi nucleici e dei fosfolipidi di membrana.

2) Trasferimento di energia: serve per formare esteri fosforici con legami P-P ad alta energia

(ATP, GTP, etc..). I gruppi fosfato sono fondamentali poi per le reazioni di fosforilazione.

HO-R

Adenosina-P-P-P 1) Fosforilazione

per attivazione

Adenosina-P-P P-O-R

P-O-R

Adenosina-P-P-P 2) Adenilazione

per attivazione

P-P Adenosina-P-P-O-R

ATP ADP 2+

Ca 3) Fosforilazione

CaM per regolazione

Chinasi tramite

Enzima-P

Enzima cambiamento del

Fosfatasi folding

H O

P 2

3) Ruolo nella regolazione metabolica. Es: nel metabolismo del carbonio il fosforo serve

metabolica

per la sintesi dell’amido, la saccarogenesi, la glicolisi.

Sotto quale forma viene conservato il fosfato nelle piante?

- Polifosfati all’interno del vacuolo; 113

- Fitati: si trovano nel vacuolo e il più frequente è la fitina. Quando le riserve di fitati

Fitati

devono essere mobilitate l’enzima fitasi idrolizza i legami estere tra gli –OH e i fosfati,

liberandoli.

Se nel terreno c’è carenza di fosforo, si ha diminuzione della crescita della pianta, e i

cloroplasti risultano pieni di amido primario La nutrizione fosforica della pianta può

essere migliorata con la micorrizazione delle radici. I funghi micorrizici agiscono infatti come

veri e propri fertilizzanti naturali (o meglio ancora come fosforo-fissatori) aumentando

nello stesso tempo la resistenza della pianta contro i fitopatogeni.

IL MAGNESIO

Assorbito dal suolo direttamente come Mg , ha diversi ruoli importanti, in particolare un

++

clorofilla, rubisco, pectati, ribosomi, RNA polimerasi. Oltre ad essere

ruolo strutturale:

strutturale

importante per la fotosintesi clorofilliana, il magnesio partecipa alla formazione di pigmenti

come il carotene e le xantofille, facilita il trasferimento del fosforo negli apici vegetativi e

nei semi. Il magnesio presiede anche alla formazione degli zuccheri, delle proteine, dei grassi

e delle vitamine. Gli si attribuisce anche il ruolo di attivatore di funzioni enzimatiche (come

attivazione della rubisco, e la coordinazione dell’ATP) e di regolatore della pressione

osmotica.

osmotica 114

IL POTASSIO

Assorbito dal suolo come ione K ; svolge un fondamentale ruolo nella regolazione del

+

potenziale osmotico delle cellule vegetali. Il bilancio osmotico controlla l’estensione

cellulare e quindi controlla anche la crescita della pianta stessa. È un attivatore di numerosi

enzimi coinvolti nella fotosintesi e nella respirazione.

IL FERRO

Può essere assorbito sia come Fe sia come Fe ; in quest’ultimo caso prima di essere

2+ 3+

assimilato deve essere comunque ridotto. Il Fe non è solubile e quindi precipita sotto

3+

forma di Fe(OH) . Le piante hanno sviluppato dei meccanismi di solubilizzazione del ferro

3

per la sua acquisizione:

- Pompe H /ATPasi contribuiscono all’acidificazione del suolo;

+

- Sul plasmalemma delle cellule della radice sono presenti specifiche reduttasi per la

riduzione del ferro;

- Le piante rilasciano nel suolo circostante degli agenti chelanti come i fitosiderofori.

Il ferro ha uno specifico ruolo redox attivo (trasportatore di elettroni); può essere

incorporato nel gruppo porfirinico eme e trovarsi quindi nelle proteine emiche oppure può

essere associato allo zolfo nelle proteine Fe-S.

Nelle piante il ferro è presente soprattutto nelle foglie, accumulato in prevalenza nei

cloroplasti dove partecipa alla sintesi della clorofilla, il pigmento importantissimo che colora

le piante di verde e nella fotosintesi clorofilliana dove trasforma l'energia luminosa in

energia chimica. Legato com'è alla clorofilla si capisce subito come in sua assenza tutti gli

organi verdi, segnatamente le foglie si decolorano per aclorofillia, vale a dire scarsa o

mancata formazione di clorofilla. Il ferro è parte integrante di vari enzimi (catalasi,

perossidasi, vari citocromi, citocromossidasi, ferrodossina e flavoproteine): questi

intervengono nelle reazioni di ossidoriduzione della fotosintesi, del metabolismo dei

carboidrati, della riduzione dei nitrati e dei nitriti, della respirazione. Il ferro, inoltre,

partecipa attivamente nel processo di fissazione biologica dell'azoto atmosferico essendo

anche nel centro attivo della nitrogenasi dei noduli radicali in forma non ematica associato

al molibdeno. 115


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AUTORE

ciemme.

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10 mesi fa


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze biologiche
SSD:
Università: Firenze - Unifi
A.A.: 2016-2017

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher ciemme. di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Fisiologia vegetale e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Firenze - Unifi o del prof Gonnelli Cristina.

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