Biologia animale e vegetale

H+

pompare/accumulare protoni dallo stroma dentro il lume del tilacoide. Quindi, questo

elettrone foto-eccitato che viene ceduto alla feofitina ecc, durante questa catena di trasporto

H+

degli elettroni, ha un contagio di protoni dallo stroma al lume del tilacoide. È in quest’ultimo

che vengono accumulati protoni, quindi si stabilisce un gradiente protonico ai due lati

della membrana del tilacoide.

H+

Quando ai protoni accumulati nel lume tilacoidale, verrà permesso di ritornare nello

stroma, lo faranno passando attraverso il complesso proteico, come quello del mitocondrio.

Viene sfruttato il gradiente protonico e, passando attraverso il canale proteico nella membrana

tilacoidale, permettono la sintesi di ATP, da ATP e fosfato. Poiché questa fosforilazione di ATP

avviene grazie alla luce, si parla di foto fosforilazione.

Quindi nel trasporto non ciclico di elettroni, il numero di molecole di ATP è più o meno lo stesso

di quello di molecole di NADPH che si formano. Esiste un altro trasporto, chiamato TRASPORTO

CICLICO DI ELETTRONI, che non porterà né alla liberazione di ossigeno, né alla riduzione del

NADP, ma solo alla formazione di ATP.

Gli elettroni nella ferredossina non vanno nel NADP, ma vengono rimandati indietro e presi dal

citocromo P. Non si ha riduzione di NADP ne liberazione di ossigeno poiché questi elettroni

vengono ciclicamente trasferiti dalla ferredossina, al citocromo P, alla plasticianina e poi

ritornano al P700. Quando gli elettroni che dal citocromo vengono trasferiti alla

plastocianina, si ha il pompaggio dei protoni nel lume tilacoidale e l’energia degli elettroni

viene solamente utilizzata per contribuire ad accumulare protoni nel lume del tilacoide.

Questo tipo di trasporto avrà come ultimo fine la sintesi di molecole di ATP. È una via

alternativa che gli elettroni possono prendere dalla ferredossina, non verso il NADP, ma

ritornando indietro al citocromo e viene utilizzata quando c’è più bisogno di ATP o quando il

livello di NADPH è già alto. Se c’è bisogno di aumentare il rapporto di molecole di ATP prodotte,

o perché ne sono state utilizzate tante (dato che la cellula ha bisogno di tante molecole di ATP)

gli elettroni possono prendere questa via alternativa. Ritornano al P700 e più protoni vengono

pompati nel lume tilacoidale. L’energia che viene utilizzata è solo quella che serve per

pompare protoni e produrre ATP.

Con questa prima serie di reazioni dipendenti dalla luce, si ha la formazione di NADP ridotto, di

ATP e grazie alla fotolisi dell’acqua che ha funzionato da donatore di elettroni, si è liberato

ossigeno molecolare che diffonde dal cloroplasto.

SVOLGIMENTO DELLA FASE 2 (reazione di fissazione del carbonio)

Nella seconda serie/fase di reazioni che venivano un tempo chiamate fase oscura, oggi

prendono il nome di reazioni di fissazione del carbonio perché non sono strettamente

dipendenti dalla luce per aderire, ma di fatto la popolazione degli enzimi che catalizzano

queste reazioni sono regolate dalla luce stessa e quindi dalle reazioni precedenti.

Il ciclo di Calvin

Non si tratta più di una reazione a livello della membrana tilacoidale, ma queste reazioni

avvengono a livello dello stroma. Fu Calvin, uno scienziato americano, a delucidare il ciclo di

reazione che porta alla fissazione del carbonio in una molecola organica che è uno zucchero a

3 atomi di carbonio. Questo ciclo di reazioni (a livello dello stroma) prende il nome di Ciclo di

Calvin.

Questo ciclo di reazioni viene suddiviso per utilità in 3 fasi di reazione principali:

FASE 1

: avviene la fissazione del carbonio, nel senso che l’anidride carbonica (CO ) entra in

2

questo ciclo di reazioni. Di fatto il carbonio entra in forma inorganica ed esce sottoforma

di molecola organica a 3 atomi di carbonio. Esce come carbonio fissato, detto gliceraldeide

3 fosfato, che verrà utilizzato per la sintesi di altri zuccheri e molecole organiche.

La prima fase prevede quindi, la catalizzazione da parte di un enzima molto importante che fa

reagire la CO con una molecola a 5 atomi di carbonio, detta ribuloso 1-5 bisfosfato. Essa quindi

2

genera 1 molecola a 6 atomi di carbonio (5 del ribuloso + 1 portato dalla CO ), e questa prima

2

molecola prodotta si dice 3 fosfoglicerato. Il composto che si è formato a 6 atomi di carbonio, si

scinde in 2 molecole da 3 atomi di carbonio l’una poiché il carbonio non è mai stato isolato.

La prima reazione prevede quindi l’attacco della CO a questa molecola organica a 5 atomi

2

di carbonio, facendo formare 2 molecole fosforilate a 3 atomi di carbonio ciascuna.

Questa reazione è catalizzata da un enzima che prende il nome rubisco (per esteso ribulosio 1-5

CO + ribulosio 1-5

bisfosfato carbossilasi). Esso è il primo enzima che catalizza la reazione di 2

bisfosfato , dando 2 molecole di 3 fosfo-glicerato, ed è quindi l’enzima chiave che prende la CO 2

inorganica e l’attacca, facendola reagire con una molecola organica. La rubisco è l’enzima più

abbondante della biosfera ed è un enzima cruciale per l’importanza della reazione catalizzata.

FASE 2

: successivamente, le molecole di 3 fosfo-glicerato devono essere trasformate, poiché

il risultato del ciclo di Calvin deve dare la gliceraldeide 3 fosfato. Queste reazioni non sono

altro che l’inverso della glicolisi. Per far ciò si utilizzano ATP e NADPH (potere riducente): il

NADPH ridotto si ossida (quindi ritorna alla forma ossidata NADP+) e questi elettroni vengono

utilizzati per ridurre il 3 fosfo-glicerato a gliceraldeide 3 fosfato. ATP e NADPH sono stati

generati nel ciclo precedente di reazioni, nelle fasi dipendenti dalla luce a livello della

membrana del tilacoide.

FASE 3

: l’ultima fase prevede la rigenerazione del ribulosio 1-5 bisfosfato che dovrà

nuovamente reagire con la CO grazie alla rubisco. Queste sono una serie di reazioni

2

catalizzate da un certo numero di enzimi che, dalla gliceraldeide 3 fosfato, rigenerano il

ribulosio 1-5 bisfosfato.

RIASSUNTO del Ciclo di Calvin: 3 molecole di ribulosio 1-5 bisfosfato reagiscono con 3 molecole di

ribulosio 1-5 bisfosfato, facendone formare in tutto 6 molecole di esso, che daranno luogo a 6

molecole di gliceraldeide 3 fosfato. Una di esse esce dal ciclo e verrà utilizzata per la biosintesi di

zuccheri, amidi e altre molecole organiche, mentre le altre 5 (quindi 5 x 3 = 15 atomi di carbonio)

verranno riutilizzate per rigenerare il ribulosio 1-5 bisfosfato a 5 atomi di carbonio.

Quindi il ciclo di Calvin è caratterizzato da una serie di reazioni che parte dal ribulosio 1-5

bisfosfato e ritorna ad esso. Vediamo l’ingresso di carbonio inorganico sottoforma di CO ,

2

fatto entrare grazie alla rubisco. Successivamente il 3 fosfo-glicerato grazie all’ATP e al

NADPH, prodotte dalla fase luminosa della fotosintesi, vengono convertiti a gliceraldeide 3

fosfato. Dopodiché, l’ultima serie di reazioni del ciclo prevede una rigenerazione del ribulosio

1-5 bisfosfato, tutto a livello dello stroma, avendo utilizzato ATP e NADPH.

Per ogni molecola di gliceraldeide 3 fosfato che esce, è necessaria l’idrolisi di 6 molecole di ATP

e di 6 molecole di NADPH. Però, per rigenerare il ribulosio 1-5 bisfosfato, è necessaria l’idrolisi

9 molecole di ATP + 6

di altre 3 molecole di ATP. Per completare il ciclo, sono quindi necessarie

molecole di NADPH per ogni molecola di gliceraldeide 3 fosfato che esce.

L’ATP e il NADPH vengono rilasciati nello stroma, la dove avverranno in seguito le reazioni del

ciclo di Calvin quindi entrambi (si sta costruendo qualcosa: sono reazioni biosintetiche, ecco

perché viene utilizzato il NADPH e non il NADH. Entrambi sono due enzimi che accettano

elettroni e ne sono anche trasportatori: il NADH è per le reazioni cataboliche mentre queste

che sono reazioni anaboliche, necessitano del NADPH) vengono utilizzati per fissare la CO2 e

portare alla sintesi della gliceraldeide 3 fosfato che nello stroma del cloroplasto verrà

utilizzata/accumulata sottoforma di amido, mentre nella sintesi di saccarosio (carboidrato che

viaggerà nella pianta) a livello del citoplasma della cellula.

Questo significa che la gliceraldeide 3 fosfato che esce dal ciclo di Calvin, che si trova nello

stroma del cloroplasto, dovrà uscire da esso e andare nel citosol e per far ciò deve attraversare

la membrana mitocondriale interna e la proteina permette ciò (fa uscire la gliceraldeide e fa

entrare fosfato) è un anticorpo (2 soluti trasportati in direzione opposta). La gliceraldeide a

livello del citoplasma sarà il mattoncino che verrà convertito a glucosio-fosfato ecc, e unito

insieme agli altri nel saccarosio che poi verrà trasportato.

La rubisco, detta anche carbossilasi perché carbossila appunto la CO al ribulosio 1-5

2

bisfosfato. Questa, oltre che funzionare da carbossilasi, funziona anche da ossigenasi, reagendo

quindi non

con la CO ma con l’ossigeno. È chiaro che sostituire l’ossigeno alla CO non può far sì che si

2 2

formino 2 molecole di fosfo-glicerato ognuna con 3 atomi di carbonio, ma si formerà 1 molecola

a 3 atomi e 1 a 2 atomi di carbonio, il fosfo-glicolato. Di fatto quando la rubisco funziona da

ossigenasi e non da carbossilasi, c’è una perdita di efficienza.

Questa attività ossigenasica della rubisco (quando l’atmosfera presentava basse concentrazioni

di ossigeno non era un problema) oggi invece si presenta come un problema, e sono stati

attuati degli adattamenti che le piante hanno sperimentato per questa attività, considerata

come un relitto evolutivo. Gli scienziati hanno cercato di manipolare questa rubisco visto che

fa perdere l’efficienza foto sintetica (ovvero sottrae il numero di triosi-fosfato che escono dal

citosol) ma non ci sono riusciti. Questo perché l’attività ossigenasica è strettamente legata

all’attività carbossilasi. La via del glicolato e foto respirazione

In tutte le piante di tutte le cellule dove avviene la fotosintesi, presentano l’esistenza di una via

che permette di recuperare parte dei carboni che verrebbero persi sottoforma di fosfo-glicolato

(2 atomi di carbonio) che non possono entrare nel ciclo di Calvin, visto che è necessario il 3

fosfo-glicerato per quest’ultimo.

Se invece di CO c’è ossigeno, l’enzima sarà il sale che funziona da ossigenasi, facendo reagire

2

questa molecola a 5 atomi di carbonio con l’ossigeno. Non si possono produrre 2 molecole di 3

fosfo-glicerato, ma se ne produce soltanto 1 molecola di 3 fosfo-glicerato e l’altra invece è una

molecola di fosfo-glicolato a 2 atomi di carbonio. Questa non può proseguire nelle azioni de