Appunti / Riassunto di Fisiologia Vegetale

FASE DI RIGENERAZIONE

Stechiometria della reazione:

1. a. Si parte da tre molecole di ribulosio-1,5-bifosfato: 15 atomi di carbonio
2. b. Ad ogni molecola di ribulosio bifosfato viene incorporata una molecola di CO2: 18 C2
3. c. I 18 atomi di carbonio si scompongono in molecole a 3 atomi di carbonio: 6 molecole da 3 C > 18 C
4. d. Riduzione del carbonio: le molecole vengono ridotte ma non cambiano gli atomi di carbonio. Si producono 6 molecole di gliceraldeide-3-fosfato: 6 molecole da 3C > 18 C
5. e. Una di queste 6 molecole lascia il ciclo: esce una molecola di gliceraldeide dal ciclo > entrano 3 atomi di carbonio sottoforma di CO2; rimangono nel ciclo 5 molecole a 3C: 15 C
6. f. I 15 atomi di carbonio entrano in una fase di rigenerazione molto lunga, in cui vengono trasferiti da una molecola all'altra fino ad un evento di fosforilazione che rigenera definitivamente le tre molecole di ribulosio-1,5-bifosfato

I processi della fase di rigenerazione:

1. I. Cinque molecole di gliceraldeide-3-fosfato in...

equilibrio con il di-idrossi-aceton-fosfatoII. Una gliceraldeide e un di-idrossi-aceton-fosfato si fondono a formare una molecola di fruttosio-1,6-bifosfato che viene successivamente defosforilato da una fosfatasi a fruttosio-6-fosfatoIII. Il fruttosio-6-fosfato si unisce ad una molecola di gliceraldeide a formare un intermedio a 9 atomiche subito si idrolizza in una molecola a 5 atomi di carbonio, lo xilulosio-5-fosfato, e una molecola a4 atomi di carbonio, l’eritrosio-4-fosfatoIV. L’eritrosio-4-fosfato si unisce ad una molecola di di-idrossi-aceton-fosfato a formare una molecola a7 atomi di carbonio, il sedoptulosio-1,7-bifosato, che successivamente defosforila a sedoptulosio-7-fosfatoV. Il sedoptulosio-7-fosfato incorpora l’ultima molecola di gliceraldeide a dare una molecola a 10carboni che successivamente si idrolizzano in una molecola di ribulosio-5-fosfato e una molecola dixilulosio-5-fosfatoVI. Le due molecole di xilulosio vengono convertite a ribulosio-5-fosfatoVII.

zucchero esoso sono necessarie 12 molecole di NADPH e 18 molecole di ATP: NADPH > 12*217KJ/mole=2604KJ + ATP > 18*29KJ/mole=522KJ

In tutto per la sintesi di una mole di esoso sono necessari 3126KJ

• L'energia rilasciata dall'ossidazione di una mole di zucchero esoso è pari a 2804KJ

• L'efficienza del ciclo di Calvin è pari a 2804/3126=90%

È un'efficienza molto alta; la maggior parte delle reazioni prodotte dall'uomo hanno delle efficienze termodinamiche molto inferiori

Quanta energia è stata necessaria per produrre queste molecole di NADPH e ATP?

Per produrre un NADPH sono necessari due elettroni (due ferridossine per ogni NADPH ridotto); a loro volta 2 elettroni sono costati 2 fotoni ognuno; quindi per ridurre una CO sono necessari 8 fotoni (2 NADPH per ogni CO2)

Il costo energetico per ridurre la CO2 dipende dal tipo di fotone assorbito: dipende dalla lunghezza d'onda.

Studiamo il caso del minor costo energetico,

CALVINL'efficienza così elevata del ciclo di Calvin è dovuto ad una serie di regolazioni che permettono che esso siverifichi solo in condizioni ottimali.

Il ciclo di Calvin non avviene al buio: in assenza di luce sarebbe più difficile reperire NADPH e ATP > vengonomantenuti gli enzimi a concentrazioni molto inferiori.

Il ciclo di Calvin viene regolato dalla presenza della luce mediante due vie regolatorie:

REGOLAZIONE LENTA: comporta cambiamenti nell'espressione genica e nella biosintesi delleproteine. Molti enzimi non vengono sintetizzati. Un esempio di regolazione lenta è quello che regola la trascrizione del gene rbcS a livello delnucleo: la luce viene recepita da un fitocromo (recettore della luce rossa), il quale si sposta sulnucleo; sul promotore è presente un regolatore di tipo LRE (light responsive element) che, inpresenza di fitocromo attivato, attiva la trascrizione del gene.

REGOLAZIONE VELOCE: modificazioni

post-traduzionali dell'attività enzimatica

La ferredossina riduce la tioredossina; la tioredossina attiva presenta due cisteine non più unite tra loro mediante ponte disolfuro > sono in grado di ridurre altre proteine target. Tra le proteine target

FISIOLOGIA VEGETALE

delle tioredossine sono presenti alcuni enzimi del ciclo di Calvin che vengono attivati.

Tra gli enzimi attivati dalle tioredossine troviamo alcuni enzimi della fase di rigenerazione

• Fruttosio-1,6-bifosfato fosfatasi (FBPase): rimuove un fosfato e genera fruttosio-6-fosfato
• Sedoptulosio-1,7-bifosfato fosfatasi (SBPase): rimuove un fosfato e genera sedoptulosio-7-fosfato
• Ribulosio-5-fosfato chinasi (PB5PK): aggiunge il secondo gruppo fosfato generando ribulosio-1,5-bifosfato, substrato del ciclo di Calvin

Troviamo anche altri enzimi:

• Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (GAPDH) della fase di riduzione
• Rubisco-attivasi, responsabile dell'attivazione della RUBISCO: catalizza la prima

reazione del ciclo di Calvin

▮ ATP-sintasi: se non fosse regolato mediante la luce e funzionasse anche al buio, l'enzima potrebbe funzionare al contrario, ovvero sfruttare ATP per trasportare protoni a cavallo della membrana. È presente anche un enzima che, al contrario, è inibito dalle tioredossine

▮ Glucosio-6P-deidrogenasi: è necessario disattivare questo enzima in presenza di luce per evitare l'ingresso nella via ossidativa dei pentosi fosfati. Il fruttosio-6-fosfato prodotto nel ciclo di Calvin potrebbe isomerizzare a glucosio-6-fosfato e, in presenza dell'enzima, essere ossidato a gluconato-6-fosfato. Il gluconato potrebbe essere successivamente ossidato a ribulosio-5-fosfato e CO2; il ribulosio verrebbe poi convertito in gliceraldeide.

Verrebbe comunque prodotta gliceraldeide (come nel ciclo di Calvin) ma a scapito di una perdita di CO2, inserita mediante riduzioni: si andrebbe incontro ad una inutile perdita di energia e di carbonio

REGOLAZIONE

DELLA RUBISCO

Al buio il sito attivo della RUBISCO, costituito da alcuni amminoacidi (in particolare hys, arg, lys, asp, lys, lys), è occupato da una molecola di RuBP: l'enzima è in stato inattivo in quanto impedisce l'accesso all'alisina del sito attivo. Per attivare l'enzima, il RuBP deve staccarsi e la catena laterale della lisina deve perdere due protoni e legare in modo covalente una molecola di CO2. Questo processo avviene alla luce: la rubisco-attivasi viene attivata delle tioredossine, rimuove il substrato e permette la carbamilazione della lisina.

La molecola di CO2 attaccata viene modificata in gruppo carbossilico (COO-): il gruppo carbossilico della lisina, insieme a quello dell'aspartato, coordina uno ione magnesio Mg2+; lo ione magnesio, a sua volta, coordina una molecola di CO2 che verrà usata come substrato della reazione di carbossilazione.

Questa reazione ha un optimum di pH a 9 in quanto deve rilasciare i protoni del gruppo

carbossilico nellostroma; inoltre la presenza di molti ioni magnesio è favorita dallo spostamento di protoni verso il lumen.

42FISIOLOGIA VEGETALELA FOTORESPIRAZIONEÈ un ciclo metabolico che le piante C3 svolgono. Avviene alla luce e assomiglia, per quanto riguarda gliscambi di gas che si verificano, alla respirazione mitocondriale (consuma ossigeno e rilascia CO2).

ESPERIMENTO DI WARBURGStudia gli scambi gassosi delle piante quantificando le emissioni dei gas mediante le pressioni parziali.Misura la velocità di fotosintesi in funzione dell’aumento dell’intensità luminosa: all’aumentare della luceaumenta la velocità della fotosintesi.Studia la pianta in due condizioni: condizione normale con ossigeno al 20% e condizione con ossigeno al 5%Osserva che con minori quantità di ossigeno aumenta la velocità della respirazione > l’ossigeno inibisce lafotosintesi.Questo avviene a causa dell’attività