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(i fosfati liberati rientrano nel cloroplasto).

Quindi il trioso nel ciclo di Calvin può seguire due percorsi: verso la glicolisi o verso la produzione di saccarosio. Questa

regolazione è operata dal fruttosio 2,6-bisfosfato, che inibisce l'enzima fruttosio 1,6 bisfosfatasi (che porterebbe alla

sintesi di saccarosio), favorendo la glicolisi (grazie all'enzima fosfofruttochinasi). A sua volta F2,6BP è regolato dal

rapporto TP/Pi. Se il rapporto è basso, F6P è alto e ciò favorisce la sintesi di F2,6BP da F6P (e quindi glicolisi). Se il

rapporto è alto, è favorita la defosforilazione di F2,6P e di conseguenza la sintesi di saccarosio.

Ricordare il processo di sintesi:

Inoltre all'aumentare di esoso fosfati (fruttosio 6P, glucosio 6P, glucosio 1P) e al diminuire di Pi nel citosol, aumenta la

sintesi di saccarosio. Come?

UDP glucosio (ottenuto grazie all'enzima UDP glucosio pirofosforilasi) + F6P ---(tramite enzima saccarosio fosfato

sintetasi, che consuma ATP)-----> saccarosio 6 fosfato ----(saccarosio fosfato fosfatasi rimuove Pi)---> saccarosio.

AMIDO

Costituito da una catena lineare di amilosio, con ramificazioni di amilopectina. Lo zucchero di base che lo forma è il

glucosio.

L'amilosio è un polimero lineare di glucosio con legame alfa (1-4) insolubile in acqua.

L'amilopectina è un polimero ramificato di glucosio con legami alfa (1-4) e alfa(1-6). Insolubile in acqua.

Esso si accumula nel cloroplasto di giorno perché la velocità di fotosintesi supera quella di esportazione del saccarosio

(che si accumula, e quindi si blocca la sua sintesi). Inoltre la velocità supera anche quella di respirazione. Di notte viene

degradato per soddisfare le richieste di metaboliti per la respirazione.

La sintesi si divide in 3 fasi:

1. Inizio: dall'ADP-glucosio;

2. Allungamento: l'amilosio lineare forma legami alfa-D-1,6 con formazione di amilopectina;

3. Terminazione.

Come si vede nell'immagine, l'esportazione dei triosi è inibita a causa della bassa [Pi] nel citosol. L'enzima chiave del

processo è l'ADP glucosio pirofosforilasi, che è attivato da alte concentrazioni di triosiP e inibito da alte [Pi].

Quindi, riassumendo:

• Di giorno i triosi fosfato vengono utilizzati sia per formare amido, sia per formare saccarosio. Parte del

saccarosio è inviato ai tessuti floematici, parte è scisso per ottenere ADP glucosio col quale di forma amido.

• Di notte, l'amido è scisso a formare maltosio e glucosio, che formeranno saccarosio, che è inviato ai tessuti.

—————

IRRADIANZA

L'energia in eccesso nelle foglie deve essere dissipata, per evitare la fotoinibizione della fotosintesi e la fotoossidazione

della clorofilla.

Fotoinibizione: momentanea incapacità del fotosistema di trasferire l'eccesso di energia assorbita, direzionandola al

sistema di trasporto elettronico. Le condizioni sono critiche quando l'organicazione del C è troppo lenta rispetto alla fase

luminosa della fotosintesi. Questa situazione è determinata da fattori ambientali:

• Elevata irradianza: che fa procedere rapidamente la fase luminosa;

• Bassa temperatura, che rallenta il ciclo di calvin;

• Siccità, che fa chiudere gli stomi.

Se la fotosintesi procede troppo lentamente, si forma una carenza di ADP e NADP+, quindi di accettori finali di elettroni e

di substrati per l'ATPsintasi. Il trasporto si blocca. Quindi, in queste condizioni si ha la reazione di Mehler: gli elettroni

provenienti dal PSI riducono l'O2 producendo il radicale superossido, e in questo modo si supera la fotoinibizione,

producendo però un forte ossidante. Per essere detossificato, l'enzima superossido dismutasi lo riduce a perossido di

idrogeno, il quale è ridotto ad acqua tramite la via di Asada-Halliwell: 2 H2O2 --> 2 H2O + O2.

GSH: glutatione ridotto

GSSG: glutatione ossidato composto da due molecole di glutatione unite da ponte disolfuro.

Questo processo è proprio quello che avviene nel ciclo acqua-acqua (lezione 7), una forma di flusso elettronico che si

attua nei momenti iniziali della transizione buio-luce, quando il riducente non può essere usato perché non sono ancora

presenti abbastanza prodotti del ciclo c3.

La fotoinibizione è a carico del PSII e può essere di due tipi:

• Dinamica: se c'è un moderato eccesso di luce, reversibile. Si verificano cambiamenti conformazionali:

o LHCII si allontana dal PSII: la forte irradianza causa un accumulo di riducente, che attiva una chinasi

che fosforila LHCII. A causa di repulsioni elettrostatiche, si allontana dal PSII e si associa al PSI. Quindi si

riduce l'efficienza del PSII a favore del PSI, il quale riesce ora a riossidare PQH2 e a riavviare il trasporto

ciclico (CET, lezione 7) di e-. Dopodichè viene ripresa la sintesi di ATP, mentre quella di NADPH è

rallentata. Il CET, infatti, coinvolge solo il PSI, dove il PQ viene ridotto grazie all'enzima FPQR che inoltre

ossida la ferredossina. Ciò determina la formazione di un gradiente protonico che servirà per la sintesi di

ATP, e NON di NADPH2 né O2. Quindi, la ferredossina nitrogeno reduttasi può donare un elettrone al

NADP+ originando il trasporto non ciclico oppure donarlo al plastochinone tramite FPQR dando luogo al

trasporto ciclico.

o La struttura tridimensionale del PSII si modifica. Ciò blocca il trasporto di e- da QA a QB, modifica il

sito di legame di QB sulla proteina D1.

Cronica: se forte eccesso di luce, vi sono danni irreversibili. La proteina D1 viene danneggiata, e così enzimi

specifici degradano tutto il PSII. Il ripristino della sua funzionalità può avvenire solo se la degradazione di D1 è

coordinata con la sintesi di nuova proteina (il gene che la codifica è nel cloroplasto).

Meccanismi di protezione:

• HSP70B è una chaperonina che protegge la D1. può riconoscere la conformazione alterata del sito di legame di

QB sulla D1 e legarvisi. Oppure, essa può legare il PSII danneggiato, stabilizzandolo: in questo modo si coordina

la degradazione di D1 con la sintesi della nuova proteina.

• Altri accorgimenti utilizzati riguardano l'orientamento delle foglie, la tomentosità, o il ciclo delle xantofille. Esso

consiste nella dissipazione di energia sotto forma di calore (questi meccanismi non fotochimici sono detti NPQ).

Sono coinvolte tre xantofille (cioè carotenoidi ossigenati): violaxantina, anteraxantina e zeaxantina. All'aumentare

dell'irradianza, la prima è convertita nella seconda e poi nella terza. l'ultima è infatti la più efficace nel dissipare

energia. Il loro ruolo e il meccanismo non sono ancora chiari.

All'interno di un singolo monomero di LHCII i pigmenti

coinvolti nel NPQ sono: clorofille (a610, 611 e 612; in blu nella figura) e xantofille.

Queste sono:

o luteina 1 (in rosso; strettamente associata alle clorofille)

o neoxantina (in viola).

Il trasporto di e- della fase luminosa crea un ΔpH fra lume del tilacoide e stroma del cloroplasto.

In risposta al ΔpH si verificano cambiamenti conformazionali nel LHCII a carico delle proteine, della neoxantina

(freccia gialla ricurva) e della luteina (frecce gialle a doppia punta: indicano la reversibilità del processo).

La luteina 1 viene così avvicinata alle clorofille, dalle quali può ricevere l'energia in eccesso e dissiparla come

calore.

Lezione 10

mercoledì 8 novembre 2017

11:26

PIANTE C4 E CAM

Diversa risposta alla bassa concentrazione di CO2, concentrano l’anidride intorno alla rubisco diminuendo la reazione di

ossigenazione.

CICLO C4 - fissazione fotosintetica del carbonio C4

Riduzione dell’attività ossigenasica della rubisco, e della perdita di C tramite la fotorespirazione. Sottoponendo una

pianta alla somministrazione continua di CO2 marcato, osserviamo un breve periodo di fissazione di questo C,

dopodiché la radioattività si osserverà quasi unicamente in acidi C4 (malato e aspartato).

Le più note piante C4 sono la canna da zucchero e il mais, tra quelle infestanti vi sono l’amaranto e la gramigna.

Differenza tra foglie C3 e C4:

Le C3 non possiedono cloroplasti nella guaina del fascio, le C4 si.

Il ciclo C4:

La CO2 nella cellula viene fissata e si ottiene HCO3-, che carbossila PEP uscito dal cloroplasto e forma il malato C4. Il

malato entra nel mitocondrio, viene decarbossilato e produce CO2 e piruvato C3: il primo va nel ciclo di Calvin, il

secondo nel cloroplasto a dare PEP. La rigenerazione del PEP ha un costo energetico elevato, di 2 ATP.

La compartimentalizzazione degli enzimi fa sì che il C possa essere assorbito dalle cellule del mesofillo, poi esso viene

fissato dal ciclo di Calvin nelle cellule della guaina, e infine viene esportato nel floema.

Rubisco / PEPcasi Mesofillo e guaina

Decarbossilasi Guaina

Sintesi di amido Guaina

Anatomia Kranz delle C4:

Le cellule della guaina del fascio sono inoltre ricche di plasmodesmi, il che determina una elevata [CO2] al loro interno.

Varianti del ciclo C4

Le piante C4 sono divise in base all’enzima decarbossilante:

1. Enzima malico NADP-dipendente, nel cloroplasto;

2. Enzima malico NAD-dipendente, nel mitocondrio;

3. PEP-carbossichinasi, nel citosol.

MC: cellule del mesofillo

BSC: cellule della guaina del fascio

1. NADP-ME

Nelle cellule del fascio di questo tipo, si hanno di solito cloroplasti agranali.

1. NAD-ME

1. PEP-CK

Una tabella con il ruolo di ogni enzima coinvolto:

LA FOTOSINTESI C4 AD ENZIMA MALICO NADP-DIPENDENTE

Gli enzimi principali sono:

• Nelle cellule del mesofillo: anidrasi carbonica, PEP-carbossilasi, malato deidrogenasi, piruvato-ortofosfato

dichinasi, pirofosfatasi, adenilato chinasi.

• Nelle cellule della guaina: enzima malico.

La PEP-carbossilasi è localizzata nel citosol delle cellule del mesofillo, ed è attivata dalla luce. Ha come substrati il PEP

e l’HCO3-, per il quale ha un’altissima affinità, e infatti riesce a carbossilare anche a pressioni parziali di CO2 molto

basse. Dopodiché si ha la decarbossilazione del malato, con aumento della pressione parziale di CO2, la quale fa sì che

la rubisco lavori solo come carbossilasi, annullando la fotorespirazione.

Come si ottengono i 2 NADPH necessario per ridurre la CO2 nel ciclo di Calvin nelle BSC?

Uno si ottiene dalla decarbossilazione del malato, l’altro tramite uno “shuttle” tra i cloroplasti dei due strati di cellule.

Parte del PGA prodotto dalla rubisco nel BSC viene portato ai cloroplasti delle MC, dove è ridotto a DHAP e torna nel

fascio, dove viene ossidato e genera il NADPH.

Trasporto degli elettroni

I cloroplasti delle BSC delle specie NADP-ME sono privi di PSII, perciò sono incapaci di effettuare il trasporto lineare di

elettroni e quindi di produrre NADPH. Non effettuano nemmeno la fotolisi dell’acqua perché privi di complesso di

evoluzione dell’ossigeno, e non producono ossigeno.

Quindi il trasporto ciclico degli elettroni coinvolge solo il PSI. Gli e- passano al PQ attraverso l’enzima ferredossina-

plastochinone ossido-reduttasi, che ossida la ferredossina e riduce il PQ. Si forma un gradiente protonico che servirà per

la sintesi di ATP.

Diversi enzimi del ciclo C4 sono regolati dalla luce:

• NADP+ malato deidrogenasi (MC): attivata dalle tioredoxine;

• PEP carbossilasi (MC): attivata dalla fosforilazione;

• PPDK (MC): al buio è disattivata per fosforilazione con consumo di ATP, alla luce è defosforilata e attivata. La

sua attività è influenzata anche dalla concentrazione dei substrati.

Il metabolismo C4 e la temperatura sono connessi:

• A temperature inferiori a 25-30 gradi centigradi la fotorespirazione è contenuta e sono avvantaggiate le C3;

• A temperature superiori si ha perdita di CO2 e aumento del costo energetico causati dalla fotorespirazione, ed e

avvantaggiato il ciclo C4.

La produttività delle C4 spesso è maggiore delle C3. Inoltre il metabolismo presenta vantaggi quali la migliore efficienza

dell’utilizzo di N e di H2O.

Migliore utilizzo di N: l’assenza della reazione di ossigenazione rende la rubisco più efficiente nella carbossilazione,

quindi è necessaria in concentrazione minore e si risparmia N.

Migliore utilizzo di H2O: potendo concentrare la CO2 disponibile, riducono gli scambi gassosi e quindi l’apertura degli

stomi. Ciò implica una riduzione della perdita di acqua.

Punto di compensazione per la CO2: concentrazione di anidride alla quale la fotosintesi e la respirazione si bilanciano.

Non e vantaggiosa perché non si ha alcun guadagno. Siccome le C4 hanno maggiore affinità per la CO2, hanno un

guadagno maggiore con punto di compensazione molto basso.

CARATTERISTICHE C3: la fissazione iniziale di CO2 avviene nelle cellule del mesofillo attraverso la rubisco e porta alla

formazione del 3 fosfoglicerato (3C). Quindi:

• ciclo di Calvin nel mesofillo;

• Alti livello di CO2 richiesti;

• Più efficienti in climi freddi e umidi;

• Stomi aperti di giorno;

• Soggette a fotorespirazione;

CARATTERISTICHE C4: fissazione iniziale di CO2 avviene nelle cellule del mesofillo attraverso la PEPcarbossilasi e

produce malato/ossalacetato (4C). Quindi:

• Ciclo di Calvin nella guaina del fascio;

• Bassi livelli di CO2;

• Efficienti in climi aridi e caldi;

• Stomi aperti di giorno;

• Non fotorespirano.

Come si sono evolute le C4? La diminuzione della CO2 atmosferica di 5-7 milioni di anni fa potrebbe aver causato la

nascita di piante con maggiore affinità per l’anidride.

CARATTERISTICHE CAM: fissazione iniziale di CO2 avviene di notte nel mesofillo attraverso PEPcarbossilasi con

produzione di acido malico. Quindi:

• Calvin nel mesofillo di giorno;

• Richiedono poca CO2;

• Efficienti in ambienti desertici;

• Stomi aperti di notte;

• Non fotorespirano.

Organi succulenti, con notevole capacità di trattenere acqua, infatti hanno un grosso vacuolo e spessa parete.pochi

stomi, limitano scambio gassoso.

Anche la CAM sono divise in base all’enzima decarbossilante in NADP-ME, NAD-ME, PEP-CK.

Metabolismo CAM di notte:

Ogni molecola di acido malico si dissocia nel citoplasma in due H+ e uno ione malato—. Questo si diffonde

passivamente nel vacuolo grazie alla differenza di potenziale transmembrana del tonoplasto. Il costo è di 2ATP per

malato.

Metabolismo CAM di giorno:

L’elevata concentrazione di CO2 inibisce la fotorespirazione.

Vi sono diversi tipi di CAM:

Lezioni 11 e 12: ripasso

Lezione 13

domenica 17 dicembre 2017

16:32

TRASPORTO DEI FOTOSINTETATI AI TESSUTI DI CRESCITA E RISERVA

Il tessuto vascolare dei vegetali è costituito da:

• XILEMA: responsabile del trasporto di H2O e nutrienti

• FLOEMA: responsabile del trasporto di H2O, soluti e macromolecole, e dei prodotti della fotosintesi da sorgenti

(zona che produce più fotosintato di quanto ne possa assorbire o consumare) e pozzi (tutte le parti che non fanno

fotosintesi o che comunque non producono abbastanza fotosintato per le proprie esigenze).

FLOEMA

La DECORTICAZIONE ANULARE è un'operazione legata alle pratiche di potatura. Si effettua praticando un taglio e

asportando 4 mm di corteccia , in modo circolare. Questa operazione arresta l'afflusso di linfa elaborata nella parte

inferiore dell'anello. Così le gemme saranno notevolmente alimentate nella parte soprastante, giungendo rapidamente

alla fruttificazione.

Il floema si trova nella parte esterna dei fasci vascolari:

Tramite esperimenti di assimilazione del carbonio radioattivo, è stato scoperto che le sorgenti forniscono fotosintati ai

pozzi situati nelle proprie vicinanze.

Il floema è costituito da elementi del cribro e cellule compagne.

Elementi del cribro: tubi e cellule cribrose. Sono caratterizzati dalla presenza di:

1. Aree cribrose: porzioni di parete dove pori mettono in comunicazione le cellule conduttrici;

2. Placche cribrose: presenza di pori di dimensioni maggiori, sulle pareti terminali degli elementi cribrosi;

3. Cellule compagne: ogni elemento del cribro è associato a 1 o più di esse, con numerosi plasmodesmi.

I tubi sono presenti nelle angiosperme e le cellule nelle gimnosperme.

• Tubi (angiosp.):

o Alcune aree cribrose sono differenziate in placche cribrose, gli elementi singoli del tubo cribroso si

uniscono per formare i tubi cribrosi. Inoltre gli elementi mancano di nucleo, tonoplasto, microfilamenti, golgi,

ribosomi…

o I pori delle placche cribrose sono canali aperti.

o La proteina P è presente in tutte le dicotiledoni e alcune monocotiledoni.

o Le cellule compagne sono fonte di ATP e in alcune cellule sono intermediarie o transfer cell.

In risposta al danneggiamento (eventuale perdita di succo floematico) i pori della placca cribrosa vengono

tappati dal callosio, sintetizzato dalla callosio sintasi a livello della membrana plasmatica e viene deposto

tra membrana e parete. Contribuisce la proteina strutturale P, nelle cellule immature presente come

corpuscoli che durante la maturazione si disperdono in forme tubulari e fibrillari.

• Cellule (angiosp.):

o Non ci sono placche.

o I pori sono ostruiti da membrane.

o Assente proteina P.

o Le cellule albuminose fungono da cellule compagne.

o Ricche di REL.

Cellule compagne: derivano dalla stessa cellula madre dell'elemento cribroso.

1. La cellula che origina il tubo cribroso si divide longitudinalmente;

2. Divisione asimmetrica, con cellula più piccola che diventa compagna. La più grande origina il tubo, che

si collega alle altre tramite plasmodesmi circondati da manicotti di callosio.

3. Il nucleo del tubo degenera così come il tonoplasto. I plasmodesmi danno origine ai pori.

4. La proteina P riveste il tubo dall'interno, le pareti trasversali sono ormai placche cribrose. Tubo

completo.

Funzioni delle cellule compagne:

• Forniscono ATP al cribro

• Trasporto fotosintati da cellule produttrici delle foglie mature agli elementi del floema delle venature minori della

foglia.

Ci sono diversi tipi:

o Cellule compagne ordinarie: cloroplasti ben sviluppati, parete cellulare con superficie interna liscia,

plasmodesmi con elementi del cribro;

o Cellule intermedie: plasmodesmi con cellule circostanti, tilacoidi poco sviluppati, piccoli vacuoli;

o Cellula transfer: simili alle ordinarie, con invaginazioni digitiformi della parete per aumentare la

superficie, connessioni con elementi del cribro.

Le ordinarie e la transfer sembrano specializzate nell'assunzione di soluti dall'apoplasto, a causa delle scarse

connessioni.

Le intermedie al contrario sembrano specializzate per l'assunzione di soluti.

Succo floematico

Composto da:

• Carboidrati (per lo più zuccheri non riducenti e quindi meno reattivi, come il mannitolo e il saccarosio che è

costituito da glucosio e fruttosio, in alcuni casi addizionato di molecole di galattosio)

• Azoto (in composti quali acido glutammico, glutammina, aspartato e asparagina, e nelle specie con noduli

azoto-fissatori troviamo anche le ureidi)

• Ormoni

• Nucleotidi fosfati

• Proteine

• Minerali

La composizione può essere analizzata praticando una ferita e raccogliendo l'essudato, ma in questo caso ci possono

essere varie contaminazioni ad esempio dalle altre cellule che vengono danneggiate.

Più precisa è la tecnica degli afidi: l'afide inserisce la sua proboscide in un singolo elemento di un tubo e la linfa

organicata, sotto pressione, viene risucchiata. l'afide produce una saliva che impedisce la produzione di callosio. Il corpo

dell'afide viene rimosso e rimane solo lo stiletto dal quale fuoriesce la linfa che viene analizzata.

Il trasporto floematico NON è unidirezionale

Il movimento si origina dalle sorgenti e si sposta verso i pozzi

Alcune sorgenti riforniscono pozzi specifici

Per il trasporto a lunga distanza, si è calcolata la velocità di trasferimento tramite l'uso di traccianti radioattivi e si è

osservato che è troppo veloce perché sia un movimento per diffusione. Per risolvere questo problema sono state

proposte due teorie:

• Teoria attiva: richiesta diretta di energia per la traslocazione degli zuccheri e delle altre sostanza dalle sorgenti

ai pozzi;

• Teoria passiva: la richiesta energetica è indiretta, cioè soltanto per il mantenimento dell'integrità funzionale delle

cellule coinvolte nel trasporto. Da questa teoria deriva il modello del flusso da pressione:

Sono realizzati due osmometri collegando i bracci laterali di due beute contenenti due membrane da dialisi. L’osmometro

A (source) contiene all’inizio una soluzione concentrata di saccarosio e colorante, mentre l’osmometro B (sink) contiene

solo acqua. I due osmometri sono uniti da un tubo capillare (floema). L’acqua che entra nell’osmometro A genera un

aumento della pressione idrostatica che la spinge ad entrare nell’osmometro B. L’acqua ritorna attraverso il tubo (xilema)

che collega i bracci laterali delle due beute. Come conseguenza del flusso di acqua tra le due estremità del sistema, la

soluzione di saccarosio e colorante passa attraverso il capillare dall’osmometro A in B (flusso di massa). In questo

modello il sistema raggiunge l’equilibrio ed il flusso cessa quando la concentrazione del saccarosio è uguale nei due

osmometri. Nella pianta il flusso è mantenuto poiché il saccarosio è continuamente aggiunto dal source (A) e assorbito

ed utilizzato dal sink (B).

Quindi in conclusione:

• Il gradiente osmotico genera un gradiente di pressione lungo il quale si muovono i fotosintetati;

• Il meccanismo è passivo e richiede energia solo per il mantenimento delle cellule e il richiamo di eventuali soluti

dispersi nell'apoplasto;

• Si crea un gradiente di flusso di massa P in seguito al caricamento e allo scaricamento del floema;

• l'acqua si muove contro gradiente di potenziale idrico seguendo il P e non per osmosi;

• La presenza di placche cribrose impedisce che si raggiunga immediatamente l'equilibrio di pressione tra

sorgente e pozzo.

Y Il caricamento nei tessuti sorgente diminuisce PSIs,

quindi il PSIw del floema, l’H2O entra nel floema

determinando un maggiore pressione di turgore

H2O Xilema -> Floema

Y Lo scaricamento nei tessuti pozzo aumenta PSIs,

quindi PSIw del floema diventa maggiore di quello

dello xilema, l’ H2O esce dal floema determinando

una diminuzione della pressione di turgore

H2O Floema -> Xilema

La temperatura influisce sulla velocità di traslocazione. Se le T precipitano, la velocità cala di molto all'inizio ma poi ha un

picco di recupero, dopo il quale si ha un progressivo rallentamento.

Se il trasporto è a breve distanza si ha: mesofillo -> elementi del cribro alla sorgente (caricamento floema) / elementi del

cribro al pozzo -> cellule riceventi (scaricamento floema)

Caricamento floema: il saccarosio derivante dai fotosintati si sposta, secondo un trasporto a breve distanza, dalle

cellule del mesofillo verso gli elementi cribrosi delle venature più piccole, per una distanza di 2-3 diametri cellulari. Poi gli

zuccheri sono trasportati dentro gli elementi del cribro e nelle cellule compagne (caricamento floema), considerate

un'unità funzionale: il complesso elemento cribroso-cellula compagna. Nel cribro gli zuccheri sono più concentrati

rispetto alle cellule del mesofillo grazie al trasporto attivo.

Nella via apoplastica il caricamento degli elementi del cribro avviene mediante un simporto saccarosio/protone. Il

protone viene estruso per trasporto attivo primario mediato dalla pompa protonica del plasmalemma del complesso del

cribro, il saccarosio entra per trasporto attivo secondario.

Caricamento simplastico:

Scaricamento floema: non esiste un unico modello che spieghi il processo. I pozzi possono essere molto diversi:

• Organi vegetativi come apici radicali e foglie giovani;

• Tessuti di riserva come radici e fusti;

• Organi riproduttivi come frutti e semi.

Lo scaricamento può essere apoplastico (ha almeno uno stadio di trasporto attivo) o simplastico (la concentraz. di

saccarosio è mantenuta bassa e quindi si ha richiesta energetica indiretta) a seconda della natura dei pozzi:

• Simplastico nelle foglie giovani

• Apoplastico nelle foglie monocotiledoni

• Simplastico apici radicali

• Apoplastico in pozzi con grandi quantità di zuccheri come tuberi.

Lo scaricamento richiede un gradiente di diffusione favorevole mantenuto dal fatto che gli zuccheri vengono

metabolizzati appena arrivano alla cellula pozzo. Può avvenire con tre modalità:

1. Tramite i plasmodesmi e quindi simplasto;

2. Tramite lo spazio infraparete e quindi apoplasto in cui il saccarosio è scisso in glucosio e fruttosio dalla

invertasi prima di arrivare alla cellula pozzo;

3. Tramite apoplasto in cui arriva alla cellula pozzo già come saccarosio. Poi la saccarosio sintasi lo

converte in fruttosio.

Destino del saccarosio:

• Accumulo (amido)

• Utilizzo metabolico

• Traslocazione ai pozzi

Questa diversa distribuzione è definita allocazione. Essa è regolata dalle foglie sorgente, che regolano anche la sintesi

di amido rispetto a quella del saccarosio.

Inoltre i diversi pozzi competono per i fotoassimilati traslocati nel floema, per cui la distribuzione differenziale dei

fotoassimilati traslocati tra i vari pozzi è detta ripartizione. Più grande sarà la capacità di un pozzo di metabolizzare o

accumulare gli zuccheri importati, maggiore sarà la sua capacità di competere per gli assimilati che vengono esportati

dalle sorgenti. l'attività di un posso è determinata da segnali a lunga distanza che possono essere fisici (pressione di

turgore) o chimici (ormoni, saccarosio, microRNA).

Lezione 14

martedì 19 dicembre 2017

17:42

RESPIRAZIONE CELLULARE

È il processo che consiste nell'ossidazione del saccarosio e riduzione dell'ossigeno:

Come si può vedere è il processo inverso della fotosintesi.

La degradazione del saccarosio rilascia -5760 kJ/mol

∆G0=

l'energia libera viene scambiata in questo modo:

Glicolisi (in citosol e plastidi): ossidazione saccarosio in esosi fosfati e triosi fosfati, con produzione di piruvato, ATP e

NADH;

Via ossidativa dei pentoso fosfati (in citosol e plastidi): ossidazione del glucosio 6P in ribulosio 5P con produzione di

CO2 e 2NADPH;

Ciclo dell'acido citrico (matrice mitocondrio): ossidazione del piruvato in CO2 e produzione di 16NADH e 4FADH2;

Fosforilazione ossidativa (membrana interna mitocondrio): e- dei coenzimi e O2 vengono convertiti in energia con

produzione di ATP.

Gli esosi-P coinvolti nel metabolismo derivano dallo scaricamento del floema.

Come abbiamo detto, il saccarosio può raggiungere la cellula pozzo o per via simplastica, entrando direttamente come

saccarosio, o per via apoplastica, entrando dall'esterno rispetto agli elementi del cribro come saccarosio o scisso

dall'invertasi in glucosio e fruttosio (esosi).

• Via degli esosi: anche se il saccarosio entra nel pozzo integro, l'invertasi può ancora scinderlo in esosi. Questo

enzima si trova infatti nella parete, nel citoplasma e nel vacuolo. Un secondo enzima detto esochinasi idrolizza

l'ATP e si ottengono degli esosi-P, che entrano nel metabolismo.

• Via del saccarosio sintasi: se il saccarosio entra nel pozzo integro, può intervenire anche l'enzima saccarosio

sintasi presente nel citoplasma che da saccarosio + UDP ottiene fruttosio + UDP-G. dopodichè, l'enzima UDP-

Glucosio pirofosforilasi da UDP-G + Ppi ottiene UTP e glucosio 6P.

Tramite la glicolisi gli esosi-P vengono convertiti in triosi-P. questi vengono usati sia per la produzione di amido transitorio

nel cloroplasto, sia per la sintesi di saccarosio nel citoplasma. Il saccarosio è trasportato dal mesofillo al floema e

distribuito ai tessuti “pozzo” della pianta, dove viene assunto direttamente o dopo conversione in esosi.

Il saccarosio nel citolasma di giorno tramite la fotosintesi viene ridotto a triosi-P che vanno incontro alla glicolisi nel

citosol.

l'amido di notte viene degradato e si ottiene saccarosio che va sempre incontro a glicolisi nel citosol.

Da un saccarosio si ottengono 4x 3-fosfoglicerato e quindi 4 ATP.

Arriviamo al PEP dove si ha:

Quindi si ottengono anche 4 piruvati da cui 4ATP.

Poi la piruvato carbossilasi converte il piruvato in ossalacetato, con consumo di ADP, e la malato deidrogenasi lo

converte in malato (o viceversa) con produzione di NAD+. Il malato può essere conservato nel vacuolo oppure andare

incontro al ciclo dell'acido citrico nel mitocondrio.

FERMENTAZIONE

A basse concentrazioni di O2, e a causa della limitata disponibilità di NAD+, viene bloccata l'attività della glicerdaldeide

3P deidrogenasi. Si ricorre quindi alle vie di fermentazione per ridurre il piruvato e rigenerare NAD+.

Esse prevedono che il piruvato venga convertito in etanolo o lattato:

• In etanolo dalla lattato deidrogenasi con produzione di CO2;

• In lattato dalla piruvato decarbossilasi con produzione di NAD+.

Inoltre in carenza di O2 non viene più seguita la via dell'invertasi.

SINTESI SACCAROSIO

Avviene nel citoplasma a partire dai triosi fosfati che derivano dal Calvin. Il saccarosio è poi esportato nel floema.

Il fruttosio 2,6 bisfosfato regola la sintesi del saccarosio. È un potente inibitore della fruttosio 1,6 bisfosfatasi che porta

alla sintesi del saccarosio. Invece attiva la fosfofruttochinasi che porta alla glicolisi.

Inoltre questa sintesi è regolata anche dal rapporto tra triosi-P e Pi. Infatti essa genera Pi e consuma TP. Un basso

rapporto TP/Pi indica un accumulo di F6P che favorisce la sintesi di F2-6BP da F6P. F2-6BP funge da metabolita

regolatore, inibendo l'attività della FBPasi e stimola la Ppi-PFK che sintetizza F1,6BP. Quindi si riduce la velocità di

sintesi del saccarosio.

Un alto rapporto inibisce la sintesi di F2,6BP e favorisce la sua defosforilazione. Ciò favorisce la sintesi di F6P e quindi di

saccarosio.

RIDONDANZA METABOLICA

Diverse vie svolgono la stessa funzione metabolica:

Quindi è possibile incrementare l'attività della glicolisi mediante induzione di geni che codificano per enzimi che regolano

glicolisi e fermentazione (EFFETTO PASTEUR).

La via dei pentosi fosfati è soggetta a molteplici regolazioni durante lo sviluppo e in risposta a diverse condizioni di

crescita al fine di variare il suo contributo nella degradazione del glucosio e

produzione di energia.

Funzioni:

• Rifornimento di NADPH citosolico utilizzato per reazioni biosintetiche, di difesa e rimozione ROS;

• Rifornimento NADPH nel cloroplasto. Via particolarmente attiva negli amiloplasti e cloroplasti al buio;

• Rifornimento di substrati per i processi di biosintesi degli acidi nucleici;

• Rifornimento di substrati per i processi di biosintesi di aminoacidi aromatici e composti fenolici.

Lezione 15

mercoledì 20 dicembre 2017

18:18

Il ciclo dell'acido citrico si svolge nella matrice mitocondriale e ossida il piruvato ottenendo CO2 con produzione di

16NADH e 4 FADH2.

Il piruvato viene decarbossilato dalla piruvato deidrogenasi, viene poi aggiunto il coenzima A ottenendo l'acetil coenzima

A (con riduzione di NAD+) che infine entra nel ciclo di Krebs.

Quindi se da un saccarosio si ottengono 4 piruvati, da un saccarosio si ottengono anche 12 CO2.

Le piante C4 sono suddivise in sottotipi in base all'enzima che opera la decarbossilazione:

• enzima malico NADP-dipendente (NADP-ME), localizzato nella matrice del cloroplasto;

• enzima malico NAD-dipendente (NAD-ME), localizzato nel mitocondrio

• PEP-carbossichinasi (PEP-CK), localizzata nel citosol

NAD-ME: insieme al fosfoenolpiruvato carbossilasi (PEPCasi) determina la flessibilità metabolica nella formazione di

intermedi nel ciclo di Krebs.

La fosforilazione ossidativa converte e- provenienti dai coenzimi ridotti (dalla glicolisi e dal ciclo di Krebs) e O2 in

energia, quindi con produzione di ATP.

Coinvolge 4 complessi:

I. NADH deidrogenasi

II. Succinato deidrogenasi

III. Complesso del citocromo bc1

IV. Citocromo c ossidasi

E le forze che muovono le molecole attraverso la membrana interna del mitocondrio sono la differenza di pH e il

potenziale elettrico:

Enzimi vegetali aggiuntivi coinvolti nel processo sono:

• NAD(P)H DEIDROGENASI Ca2+ DIPENDENTI (SUPERFICIE ESTERNA DELLA

MEMBRANA INTERNA): OSSIDAZIONE NADH E NADPH CITOSOLICI

• OSSIDASI ALTERNATIVA: OSSIDAZIONE UBICHINOLO E RIDUZIONE O2

ABBASSAMENTO DELLA RESA IN ATP

Meccanismo attuato da:

• Ossidasi alternativa AOX: permette la produzione di calore. In caso di alto tasso respiratorio si ha bassa

concentrazione di ADP perciò è necessaria una regolazione, anche per prevenire la sovrariduzione e la

formazione di ROS. Inoltre, aumentando la temperatura di alcune parti del corpo della pianta, come

dell'infiorescenza, vengono emanati odori forti che attirano gli impollinatori.

• Proteina di disaccoppiamento: anch'essa produce calore, e regola l'abbassamento della resa aumentando la

permeabilità di membrana agli H+.

• NADH deidrogenasi rotenone insensibile: blocca il pompaggio di H+ quando il complesso I è sovraccarico.

FATTORI ESTERNI CHE REGOLANO LA RESPIRAZIONE

1. Ossigeno. È il substrato della respirazione e la concentrazione di O2 atmosferico non deve scendere

oltre i 5%.

2. Temperatura: dai 0 ai 30 gradi centigradi la respirazione aumenta, al di sopra dei 50 diminuisce.

3. CO2: una concentrazione atm di anidride di 3-5% abbinata ad una di ossigeno di 2-3% diminuisce la

respirazione.

METABOLISMO LIPIDI

Tramite la gluconeogenesi si possono ottenere zuccheri da altre molecole come i lipidi.

I corpi lipidici si trovano nel citoplasma di cotiledoni e nell'endosperma dei semi. Hanno una membrana a singolo strato

di fosfolipidi, e si formano dal RE per accumulo di trigliceridi tra i due monostrati della membrana.

Il metabolismo dei lipidi si divide in tre fasi:

1. Beta ossidazione degli acidi grassi in acetilCoA: i trigliceridi dei corpi lipidici vengono scissi in acidi

grassi e glicerolo dalla lipasi. Gli acidi grassi vengono poi convertiti in acetilCoA.

2. Ciclo del gliossilato:

1. Ciclo di Krebs e gluconeogenesi: dal ciclo si ottiene il malato e poi:

Nei semi di Girasole e cotone, i cotiledoni si differenziano in organi fotosinteticamente attivi. Solo una parte dei lipidi è

convertita in saccarosio. La maggior parte contribuisce alla sintesi di cloroplasti e strutture cellulari.

Lezione 16

venerdì 22 dicembre 2017

10:50

CICLO DELL'AZOTO

L'azoto è l'elemento più abbondante nell'atmosfera terrestre, e spesso è il nutriente limitante per la crescita della pianta.

Esso è infatti presente in amminoacidi, proteine, acidi nucleici, clorofilla e in altre molecole minori.

Effetti della carenza:

• Ingiallimento fogliare

• Accumulo antociani

• Riduzione dimensioni frutto

• Arresto crescita meristematica (nanismo piante giovani)

• Arresto crescita

• Assenza sintesi proteica

Nell'atmosfera la concentrazione di N2 è pari circa a 77%. Fissando l'azoto molecolare, si ottengono ammoniaca e

nitrati. Nel suo ciclo esso viene fissato in diversi modi:

• 8% dai fulmini, che formano radicali liberi a partire dal vapore acqueo ottenendo quindi HNO3-;

• 2% reazioni fotochimiche: NO e O2 formano HNO3-;

• 90% fissazione biologica ovvero ad opera di batteri e cianobatteri, che producono ammonio.

l'ammonio è essenziale per la formazione di amminoacidi, in cui viene convertito quando la sua concentrazione

raggiunge un valore soglia (oltre il quale è tossico per animali e piante). Nella cellula possiamo distinguere due

compartimenti: uno acido (vacuolo, spazio intermembranale, lume) e uno basico (stroma, matrice, citoplasma). In

presenza di ammonio:

• Nel compartimento basico si ha riduzione degli OH- e si ottiene ammoniaca;

• Nel compartimento acido si ha la riduzione di H+ con formazione di ammoniaca.

In questo modo si attenua il gradiente di pH transmembrana.

Come viene introdotto l'ammonio nella cellula?

Esso è assorbito da specifici trasportatori (uniporto/simporto H+) presenti sul plasmalemma delle cellule dell'epidermide

della radice. l'eccesso viene accumulato nei vacuoli. I trasportatori si possono trovare:

• Sulla membrana plasmatica:

o verso il simplasto se assorbito dal suolo;

o Verso l'apoplasto se esportato dal citosol allo xilema.

• Sul tonoplasto:

o Dentro e fuori dal vacuolo.

Lo ione ammonio può anche essere trasportato dalle foglie allo xilema per via simplastica o apoplastico-simplastica.

Le piante possono sopportare elevate quantità di nitrato senza mostrare sintomi, ma consumare vegetali ad alto

contenuto di NO3- è tossico: nel fegato è convertito in nitrito, che si lega all'emoglobina e le impedisce il legame con

l'ossigeno, ed è anche convertito in composti cancerogeni come le nitrosammine.

Processo di assorbimento del nitrato:

La H+ ATPasi di membrana pompa fuori H+ producendo un gradiente elettrico e di pH. I trasportatori co-trasportano nella

cellula H+/NO3-, quest'ultimo viene trasportato verso il vacuolo. Nel citosol invece viene ridotto a nitrito, che entra nel

plastidio dove è convertito in ammonio. l'ammonio è fissato nel glutammato ottenendo glutammina. Il nitrato stesso

inoltre, funge da segnale per attivare l'espressione della nitrato reduttasi e nitrito reduttasi, e dei geni Nrt (codificano per i

trasportatori).

Quindi si può dire che la presenza di nitrato aumenta l'assorbimento del nitrato stesso. Ciò è stato dimostrato da un

esperimento: delle plantule sono state immerse in soluzioni a diverse concentrazioni di nitrato non radioattivo

(pretrattamento). Dopodichè sono state trasferite in un terreno con nitrato radioattivo e si è verificato l'assorbimento, che

è piuttosto elevato anche a basse concentrazioni di azoto. Un altro gruppo di plantule è stato piantato nel terreno

radioattivo senza il pretrattamento, e si è osservato uno scarso assorbimento a basse concentrazioni di nitrato e uno

elevato e lineare ad alte concentrazioni. Questo dimostra anche che nelle cellule vegetali (epidermide della corteccia

radicale) vi sono due tipi di trasportatori: inducibili (NRT2), ad alta affinità, e non inducibili (NRT1), che assorbono

costitutivamente, con affinità variabile a seconda dello stato di fosforilazione. Con il pretrattamento vengono "indotti" gli

NRT2, che essendo ad alta affinità assorbono molto anche a basse concentrazioni di nitrato. Senza il pretrattamento gli

NRT2 non vengono indotti, ma ci sono comunque gli NRT1 con attività costitutiva che però hanno bassa affinità e quindi

assorbono molto solo ad alte concentrazioni.

Quindi una volta assorbito il nitrato può avere tre destini diversi:

• Immagazzinamento nel vacuolo

• Riduzione ad ammonio (citoplasma-plastidio)

• Trasporto alle foglie attraverso lo xilema

Nitrato reduttasi: enzima che converte il nitrato in nitrito. È un omodimero localizzato nel citoplasma delle cellule

parenchimatiche clorofilliane e cellule del rizoderma e del parenchima radicale.

La sua attività è determinata da:

• Concentrazione nitrato

• Luce

• Carboidrati

È quindi inibito da:

• Ammonio

• Buio

• Glutammina

Vediamo che la trascrizione del gene è regolata dai fattori elencati in precedenza. l'enzima codificato lega -Ser-OH, poi

una nitrato reduttasi chinasi idrolizza l'ATP fosforilandolo e si ottiene -Ser-O-P. questo viene promosso dalla presenza di

Ca++ e inibito dai triosi-P derivanti dalla fotosintesi.

Il gruppo -Ser-O-P viene defosforilato dalla nitrato reduttasi fosfatasi, ma ciò viene inibito dall'acido okadaico.

Quando la nitrato reduttasi è fosforilata è attiva, ma può essere inattivata da una proteina inibitrice che la lega.

Nitrito reduttasi: riduce il nitrito in ammonio, nel plastidio (radice) e nel cloroplasto (foglia).

Il nitrito infatti è altamente reattivo e ancor più tossico dell'ammonio, e deve essere smaltito.

È un omodimero più piccolo della nitrato reduttasi, presente in due isoforme:

• Nei tessuti fotosintetici, la ferredossina ridotta deriva dal trasporto fotosintetico di elettroni;

• Nelle radici la ferredossina ridotta deriva dal NADPH prodotto dalla via dei pentosi fosfati.

l'espressione di questo enzima è attivata da:

• NO3-

• Luce

È inibita da:

• Asparagina

• Glutammina

ASSIMILAZIONE AMMONIO (ciclo GS-GOGAT)

l'ammonio viene convertito in amminoacidi dalla glutammina sintetasi (GS) e dalla glutammato sintasi (GOGAT).

Glutammina sintetasi: costituita da 8 subunità identiche. Essa richiede ATP e la presenza di uno ione divalente come

cofattore, che può essere magnesio, cobalto…

Nella cellula si può trovare in due forme:

• Forma citosolica: nei semi in germinazione e nei fasci vascolare di radici e germogli. Produce glutammina per il

trasporto intracellulare/floematico. Nei cloroplasti del germoglio riassimila l'ammonio derivante dalla

fotorespirazione*.

• Forma plastidiale: nei plastidi della radice produce glutammina per il consumo locale.

*Il mitocondrio invia ammonio al cloroplasto, qui esso viene integrato nel ciclo GS:

Glutammato sintasi (glutammato oxoglutarato aminotransferasi o GOGAT): anche questo enzima è presente in due

forme: • NADH-GOGAT: espresso nei plastidi in radici e fasci vascolari delle foglie in vie di sviluppo nelle regioni non

fotosintetiche. È coinvolta nell'assimilazione dell'ammonio assorbito dal terreno nelle radici, mentre nelle foglie

assimila la glutammina traslocata dalle radici alle foglie senescenti.

• Fd-GOGAT: localizzata nei cloroplasti. Riassimila l'ammonio derivante dalla fotorespirazione. Come si vede

nella foto in alto, nel cloroplasto vi è ferredossina ridotta che serve a riassimilare ammonio dal mitocondrio.

Nelle biotecnologie si utilizza la fosfinotricina o PTT che determina la formazione di un aminoacido atipico omologo al

glutammato che compete per la GS inibendola.

Glutammato deidrogenasi: o GDH. Si trova in forma NADH-dipendente nei mitocondri e NADPH dipendente nei

cloroplasti. Catalizza la reazione (utilizzando ammonio):

glutammato + H2O + NAD+ 2-chetoglutarato + NH3 + NADH + H+

È attivo solo quando la concentrazione di ammonio è tale da poter causare tossicità. Concentrazioni di ammonio non

tossiche sono comprese tra gli 0,2 e 1 mM.

La principale funzione del GDH è però quella di deaminare il glutammato durante la riallocazione dell'azoto.

Riassumendo:

Aminotrasferasi o transaminasi: trasferiscono il gruppo amminico da un aminoacido ad un alfa-chetoacido. Quindi l'azoto

incorporato nella glutammina e nel glutammato viene così assimilato da altri amminoacidi.

Le aminotransferasi sono coinvolte nelle varianti del ciclo C4:

Sono coinvolte anche nel sistema shuttle malato-aspartato:

Il sistema shuttle del malato-aspartato (o sistema navetta del malato-aspartato) è un sistema biologico che ha il fine di

trasferire gli elettroni prodotti durante la glicolisi nel citosol alla matrice mitocondriale attraverso la membrana interna.

Questi elettroni, trasportati come ione idruro dal NADH, verranno poi sfruttati nella fosforilazione ossidativa negli

eucarioti per generare ATP. Questo sistema shuttle è indispensabile alla cellula in quanto la membrana mitocondriale

interna, a differenza di quella esterna, è impermeabile al NADH e alla sua forma ossidata NAD+.

Il sistema comprende quattro proteine:

• La malato deidrogenasi nella matrice mitocondriale e nello spazio intermembrana.

• L'aspartato aminotrasferasi nella matrice mitocondriale e nello spazio intermembrana.

• Il trasportatore del malato-chetoglutarato nella membrana interna.

• Il trasportatore del glutammato-aspartato nella membrana interna.

Una transaminasi, l'asparagina sintetasi (AS), è presente nel citosol delle foglie e delle radici e nei noduli azoto-fissatori.

Essa ha un ruolo chiave nel trasporto e nell'accumulo di azoto.

• In presenza di luce e carboidrati -> AS bloccata, GS-GOGAT attivato -> assimilazione azoto in glutammina e

glutammato per la sintesi di nuove sostanze;

• In assenza di luce e carboidrati -> GS-GOGAT bloccato, AS attivata -> assimilazione azoto in asparagina (con

consumo ATP) per trasporto a lunga distanza e accumulo a lunga durata.

Schema riassuntivo:

Bilancio energetico:


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DETTAGLI
Corso di laurea: corso di laurea in scienze biologiche
SSD:
Università: Pisa - Unipi
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher LadyCla95 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 Pisa - Unipi o del prof Di Mambro Riccardo.

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