Fisiologia viticola - Appunti COMPLETI di fisiologia viticola presi al computer a lezione in presenza - pagine: 35

Chimica e fisiologia del sistema vigneto

La fotosintesi

Lo scopo è di produrre carboidrati. Alcuni batteri per farlo riducono H₂S in ambiente vulcanico. Viene prodotto anche ATP.

Luce visibile: radiazione con lunghezza tra 400 e 700 nm.

Clorofilla: ha un anello tetrapirrolico molto elastico. Negli animali è la struttura base dell’emoglobina. Nelle piante, all’interno ha un atomo di magnesio, mentre nell’emoglobina c’è un atomo di ferro.

Leghemoglobina: noduli nelle leguminose (possiede anello tetrapirrolico) in cui avviene la fissazione dell’azoto. L’anello in generale può avere più sostituti. Nelle piante c’è una catena idrocarburica chiamata fitolo. Essa è idrofobica e dunque si integra nelle membrane: serve per l’ancoraggio. La clorofilla si trova sulle membrane dei tilacoidi. Nelle piante si trovano due tipi di clorofilla:

• Clorofilla A
• Clorofilla B

La clorofilla ha due picchi di assorbimento a 450 nm (luce blu) e a 650 nm (luce rossa). La clorofilla ha il compito di “eccitarsi”: un e^- si sposta ad un orbitale ad energia maggiore. Esistono due tipi di stato eccitato: singoletto e tripletto (più importante perché più stabile). Rispetto alla luce rossa, quella blu ha più energia, il surplus però non è utilizzabile dalla pianta e viene disperso come calore.

Oltre alla clorofilla ci sono anche dei carotenoidi a 40 atomi di carbonio che sono idrofobici e appartengono alla famiglia dei terpeni. Hanno colore rosso mattone-aranciato. Aumentano lo spettro di assorbimento e possono trasferire energia alle clorofille. Se c’è troppa luce le clorofille eccitate donano e^- all’O₂- formando dei pericolosi radicali liberi (danneggiano, ossidando, il sistema fotosintetico). Le xantofille sono in grado di far disperdere energia alla clorofilla sotto forma di calore (meccanismo di difesa).

I fotosistemi

Sono dei sistemi proteici composti di clorofille e carotenoidi (situati in posizioni ben precise) con 20-30 proteine differenti. I fotosistemi si trovano nella membrana tilacoidale. Quando la clorofilla riceve energia la cede in diversi modi:

• Calore: in particolare quando il sistema è sotto stress. Ciò avviene grazie alle xantofille ed è fondamentale per evitare la formazione di radicali liberi.
• Riemette un fotone: in particolare a lunghezze d’onda maggiori (infrarosso: 710 nm) → fenomeno della fluorescenza: una sostanza assorbe una certa lunghezza d’onda e la riemette ad un’altra.
• Trasferendo dell’energia ad un’altra molecola: perché ciò avvenga le molecole devono essere vicine → fenomeno della risonanza energetica.

Abbiamo quindi un trasporto di elettroni da un donatore ad un accettore. Questo processo è permesso dai fotosistemi e dipende fortemente dal potenziale redox standard.

Fotosistema II

È costituito da molte proteine e ha un dimero di clorofilla al centro (P680) → trasferisce gli elettroni alla feofitina, ad un plastochinone, complesso citocromi B₆F ed infine alla plastocianina (il potenziale redox del donatore deve essere minore di quello dell’accettore). La costituzione: proteine D1, D2, OEC (sta nel lume del tilacoide: Oxygen Evolving Complex) che rimuove gli elettroni all’acqua e li cede al P680. Possiede una serie di proteine legate a clorofille e carotenoidi che costituiscono le proteine antenna che assorbono la luce e la trasmettono per risonanza ad altre clorofille fino al P680.

Fotolisi dell’acqua

O₂ → 4e^- + 4H⁺ + O₂ è un processo fondamentale per la fotosintesi, ma anche industrialmente per produrre H₂ e quindi energia. Trasporto elettroni PSII (PQ → PQH₂): Il plastochinone prende e cede 2e^- al complesso di citocromi B₆ e F che a sua volta li cede alla plastocianina che è attaccata alla membrana dalla parte del lume e che a sua volta li cede al PSI formato da una serie di proteine (PSAA, PSAB) e contenente il P700 ed altre proteine antenna.

Nel fotosistema I quando la clorofilla è eccitata cede e^- prima alla clorofilla A₀, poi al fillochinone (A₁), poi a 3 centri ferro-zolfo (F_a, F_b, F_x) e poi esce dal fotosistema e va su Fd; la ferrodossina (proteina che si trova nello stroma del cloroplasto ed è legata al PSI grazie ad un enzima) si muove nello stroma dove trova l’accettore finale NADP⁺ (la ferrodossina dona un e^- alla volta, ma ce ne vanno due quindi ci vanno due passaggi). La Fd ridotta serve per la riduzione del nitrato nei cloroplasti e nei plastidi non fotosintetici. Le piante hanno due fotosistemi perché hanno bisogno di doppia eccitazione. Ogni molecola di H₂O lisata libera 4e^- che riducono due molecole di NAPDH e dunque servono 8 fotoni.

I protoni

I protoni servono per produrre ATP. Questo avviene grazie alla ATP sintasi: è un complesso formato da molte proteine, la cui parte stromatica è in grado di formare ATP. Permette il trasporto di protoni attraverso la membrana tilacoidale. Dipende fortemente dal pH: il lume del tilacoide è acido (pH: 4) alla luce, mentre lo stroma ha pH=8. Nel lume, alla luce, dunque ci sono molti protoni, mentre i cationi finiscono nello stroma.

Il processo fotosintetico spende energia per portare H⁺ nello stroma: in particolare il complesso OEC porta i protoni nel lume durante la fotolisi dell’acqua, ma anche durante la catena di trasporto, il plastochinone fa da navetta legandoli e rilasciandoli nel lume quando rilascia gli elettroni. Al buio il pH del lume è neutro. L’ATP Sintasi è una macchina molto complessa formata da 14 monomeri che formano un cilindro che sopra ha la parte stromatica e che, quando passa un protone, ruota accumulando energia che viene poi rilasciata come ATP. 14 H⁺ formano 3 molecole di ATP. L’ATP è rilasciato nello stroma perché è qui che avviene il ciclo di Calvin. I protoni nel lume sono 10,000 volte maggiori a quelli dello stroma. La membrana tilacoidale è impermeabile ai protoni perché i fosfolipidi sono sostituiti da glicolipidi.

Vie alternative del cloroplasto

• La Fd riporta gli elettroni al complesso dei citocromi (trasporto degli elettroni ciclico) per ovviare a situazioni di accumulo di alcune sostanze: non produce O₂, ma si ATP perché i protoni nel lume sono comunque portati. Serve a formare ATP qualora ce ne sia troppo poco in confronto al NADPH formato.
  • Per ogni O₂ vengono trasportati 4H⁺.
  • Il plastochinone trasporta il doppio degli elettroni che trasporta: 8H⁺.
  • Per la fosforilazione ciclica si trasportano 2H⁺.
  • Totale 14 H⁺ per ogni mole di O₂ la fase luminosa produce 2 moli di NADPH e 3 moli di ATP: quelli che sono necessari per il Calvin.

Per ogni CO₂ assorbita viene liberata una O₂.

Problemi della fotosintesi

• Stress ossidativo: la clorofilla se eccitata può cedere e^- all’ossigeno formando dei radicali liberi.
• Se la temperatura scende sotto i 15°C gli enzimi del ciclo di Calvin funzionano più lentamente. Questo stress può essere dato anche quando si ha stress idrico.

Fase oscura

Scoperta con studi cromatografici sugli zuccheri marcando la CO₂ con proteine. Avviene l’organicazione della CO₂ che viene legata ad una molecola organica per via enzimatica, poi si ha una riduzione con uso di ATP e NADPH per ridurre il carbonio e poi si ha una rigenerazione che consiste nella ricomposizione del substrato di partenza: ribulosio-1,5-bisfosfato:

1. CO₂ + Ribulosio-1,5-bisfosfato → acido-3-fosfoglicerico.
2. Reazione catalizzata dalla rubisco che fissa la CO₂ in tutti gli organismi fotosintetici. È un proteina molto grande, costituita da 32 unità proteiche ed è la più abbondante sulla Terra, si trova nello stroma del cloroplasto.
3. Riduzione a gliceraldeide-3-fosfato.
4. Rigenerazione: per ogni CO₂ fissata servono 1 ATP.

A questo punto si sono formati 6 G3P dei quali uno solo esce dal ciclo per formare zuccheri. Tutto questo non avviene al buio perché la rubisco ha bisogno di Mg²⁺ che si accumula nello stroma solo se nel lume ci sono molti H⁺ e ciò avviene solo alla luce. Al buio il magnesio torna nel lume.

Rubisco

Ribulosio bisfosfato carbossilasi ossigenasi. La reazione parte dal Ribulosio-1,5-bisfosfato che, per azione della Rubisco, può reagire per carbossilazione producendo 2 molecole di 3-fosfoglicerato che nel ciclo di Calvin viene trasformato in aldeide prima ed in trioso fosfato poi. La rubisco ha però anche un’altra azione: l’ossigenazione. Di solito gli enzimi sono complessi che possono catalizzare certe reazioni e sono caratterizzati da specificità, questo è importante perché così le cellule producono un enzima quando serve una determinata sostanza. La Rubisco non è specifica. Si è cercato di capire come mai: i due substrati (CO₂ e O₂) sono due molecole piccole che si somigliano. I legami tra enzima e substrato sono legami deboli perché il substrato non deve essere bloccato, ma deve solo reagire ed essere rilasciato. Ovviamente sono più di uno, perché un solo legame sarebbe troppo debole. Questi legami permettono a diversi punti di legarsi. Il sito attivo è anche fatto geometricamente in modo che il substrato si incastri perfettamente. La specificità è dovuta al fatto che il sito attivo ha una struttura tale che soltanto un substrato possa entrarci. Se la molecola è piccola e semplice, il sito attivo sarà piccolo ed in grado di formare pochi legami: questo spiega la mancata specificità della Rubisco.

Se la Rubisco fissa l’ossigeno si formano due molecole: fosfoglicerato (3C) e Fosfoglicolato (2C). Per la Rubisco c’è dunque una competizione tra O₂ (che rallenta la fotosintesi) e CO₂. Inoltre se si produce molto fosfoglicolato, che non entra nel ciclo di Calvin, diventa un problema per il cloroplasto e tende ad accumularsi → problemi osmotici (richiama acqua fino a scoppiare). Inoltre quella molecola contiene del fosfato che nel cloroplasto normalmente si trova in concentrazioni di 4-5 mMol e serve per produrre ATP. Se il fosfato rimane nel glicolato mancherà ed è difficile assumerne altro da fuori (terreno, trasporto ecc): si blocca così il processo fotosintetico. Gli organismi con questo problema (vite compresa) hanno messo a punto dei metodi per metabolizzare il glicolato. Nelle piante c’è una via molto complessa che richiede la cooperazione di diversi organelli ed un costo energetico, ma è molto funzionante. Il fosfoglicolato entra nel perossisoma (degrada anche acqua ossigenata) dove viene trasformato e portato nel mitocondrio nel quale avvengono altre reazioni in cui si ha la perdita di due molecole: CO₂ ed NH₃ che deriva da alcuni aminoacidi e che è necessario per lo svolgimento di queste reazioni. Le reazioni continuano e la parte finale avviene nel cloroplasto dove si ha l’ultimo passaggio: conformazione di acido fosfoglicerico che può entrare nel ciclo di Calvin e possiede 3C, mentre il glicolato ne ha 2. Com’è possibile? Da 2 molecole di fosfoglicolato (4C) si forma una molecola di fosfoglicerato + CO₂.

Al microscopio il vacuolo risulta vuoto perché è ricco di acqua (possono contenere anche pigmenti e ioni minerali) e zuccheri monosaccaridi (di norma). Non è una zona metabolica anche perché ha un pH tra 3 e 4. Il perossisoma è scuro perché ricco di enzimi e proteine, mentre il mitocondrio ha qualche macchia scura costituita da proteine ed enzimi. Questi due più il cloroplasto sono sempre attaccati insieme per il discorso che si è fatto prima sul fosfoglicolato. Tutto questo processo si chiama fotorespirazione perché avviene alla luce (la Rubisco agisce solo in presenza di luce) pur non avendone bisogno e “respirazione” perché tutto parte dal consumo di ossigeno della Rubisco e durante il processo si libera CO₂. Per ogni reazione di ossigenazione si perde mezza molecola di CO₂.

Qual è il rapporto tra ossigenazione e carbossilazione?

A seguito di molti esperimenti si è capito che il rapporto è di circa 100 a favore della carbossilazione. Questo rapporto è chiamato fattore di specificità della rubisco. Varia geneticamente tra le specie, ma tendenzialmente la media è ca 100. Questo vale quando le concentrazioni di entrambi sono uguali: nell’atmosfera la concentrazione dell’O₂ è del 21% mentre la CO₂ è 0,04% (in aumento). Il sito attivo ha più interfaccia con l’O₂ per questioni probabilistiche che dipendono dalla concentrazione. Si può calcolare il rapporto C/O del cloroplasto considerando che è dato dal fattore di specificità: C x [CO₂] / O x [O₂] = 100 x 0,03 → C/O = 3. Significa che il 30% delle reazioni sono ossigenazioni ed è dunque un processo rilevante. Si perde 1/3 della sintesi potenziale. Inoltre si perde anche una molecola di CO₂ nella fotorespirazione. 33% ossigenazione significa che sono impedite 33 fissazioni di CO₂ e la metà vengono perse perché nella fotorespirazione per ogni ossigenazione solo mezza molecola di CO₂ viene persa. Dunque in termini di CO₂ il costo totale è di 16,5 + 33 = 48,5 %.

Efficienza potenziale della fotosintesi

Energia immagazzinata nel glucosio/fotoni richiesti per la sintesi del glucosio.

In una mole di glucosio: 2870 kJ. Numero di fotoni richiesti per la fissazione di una mole di CO₂: 82. Energia di un fotone: 170 kJ/mol. Moli di Carbonio necessarie: 6. EF: 2870 kJ / (6 x 8 x 170 kJ) = 0,34.

Efficienza reale della fotosintesi

La biomassa secca della pianta deriva per il 97% dagli zuccheri della fotosintesi. Essa è la massa tolta l’acqua e minerali quali azoto, potassio. La biomassa prodotta in un anno da un vigneto di un ettaro è di circa 10 tonnellate (mais 25 e canna da zucchero 40). L’uva ha concentrazione di biomassa secca molto bassa: matura contiene tanti zuccheri, proteine ed è di circa del 20-30%. Una vite però è fatta anche da foglie, rami, radici ecc. Nella vite il rapporto tra la biomassa che resta nei frutti e che va nel resto della pianta è di circa 50 e 50.

Da dove vengono quelle 10 T? Uva: 200 q/ha = 20T/ha = 20T x 0.25 = 5T di Biomassa. Organi vegetali: 5T perché la percentuale di biomassa secca è sempre del 25%. L’energia immagazzinata quante moli di glucosio corrisponde? Supponendo che sia solo glucosio divido per il peso di una mole di glucosio: (10T x 10⁶ g) / 180 g/mol = e queste sono le moli di glucosio annue. Se moltiplico per l’energia in una mole di glucosio trovo tutta l’energia: KJ/ha all’anno. (10T x 10⁶ g / 180 g/mol) x 2870 kJ/mol = 1,594 x 10⁸ kJ/ha all’anno.

L’intensità massima della radiazione solare sulla superficie terrestre è pari a 1,35 kW/m² e il valore medio durante il giorno è 0.5 kW/m². L’energia solare totale disponibile può essere calcolata considerando 150 giorni di stagione vegetativa e 8 ore per giorno: 0,5 kw/m² x 10⁴ m²/ha x 150 gg/anno x 8 h/g x 3600 s/h = 21,66 x 10⁹ kJ/ha all’anno. Ef = 1,594 x 10⁸ / 21,66 x 10⁹ = 0,0073.

Si cerca in vari modi di aumentare questa efficienza. Alcune piante non hanno fotorespirazione. Sono piante che concentrano la CO₂ nel luogo in cui lavorerà la Rubisco. Non è una cosa semplice perché la CO₂ non è polare, non è carica e dunque non è facile tenerla in compartimenti perché tende ad uscire immediatamente attraversando le membrane senza problemi. Si è ricorsi ad una serie di marchingegni con anche alcune modifiche strutturali. Non parlerà di alghe e batteri. Per le piante ci sono due sistemi ben noti. In entrambi i casi la CO₂ viene fissata, ma in una prima fase non sulla Rubisco ma su un acido a 3C (fosfoenolpiruvico) producendo acido malico 4C.

Vie delle piante C4

Questo sistema si chiama così perché se si fanno delle misure su piante C4 con CO₂ marcata, questa si troverà in molecole a 4 atomi di Carbonio (malato) anziché 3 come nelle piante normali. Il mais è una pianta C4 e confrontando una sua foglia con una C3 si nota che le cellule intorno alle nervature sono separate dal resto delle cellule da pareti suberificate che sono impermeabili a tutte le sostanze (acqua, CO₂ ed altri gas) tranne attraverso i plasmodesmi che sono collegamenti citosolici tra una cellula e l’altra. L’acido malico giunge alle cellule suberificate e va incontro ad una reazione che libera CO₂ e fosfoenolpiruvato. La CO₂ non esce dai plasmodesmi perché l’entrata di malato è forte e a questo punto viene fissata dalla Rubisco che non fisserà l’Ossigeno perché la concentrazione è nettamente minore → no fotorespirazione.

Cam

Sono le cosiddette piante grasse perché sono particolarmente sviluppate in larghezza. Il processo avviene durante la notte: stomi aperti durante la notte, la CO₂ entra e viene fissata a malato nei vacuoli e rimane lì fino al giorno. Durante il giorno:

• Gli stomi si chiudono.
• La luce attiva la Rubisco.
• Il malato torna a piruvato e CO₂.

Essendo gli stomi chiusi non può entrare O₂ e il malato libera CO₂: la concentrazione di CO₂ sarà dunque maggiore e sarà fissata dalla Rubisco. Estraendo il succo da queste piante si è notato...