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Capitolo 6. Fotosintesi, reazioni al buio

Descrivi come sono compartimentate nel cloroplasto le reazioni alla luce e le

reazioni del carbonio.

All'interno dei tilacoidi (nel lume) avviene la produzione di ATP e NADPH+H+. Nello

stroma del cloroplasto queste molecole sono utilizzate nella fase oscura – che non

necessita di luce - per organicare il carbonio inorganico della CO2 nel ribulosio 1,5-

difosfato (RudP).

Quale ruolo hanno gli stomi nel processo fotosintetico?

Dagli stomi entra la CO2 ed escono H2O e O2, che è il gas di scarto. Nelle piante C3, gli

stomi sono aperti di giorno e chiusi di notte; di giorno appunto entra la CO2 che viene

poi usata che viene poi organicata nel RudP. Nelle piante CAM gli stomi sono invece

aperti di giorno e chiusi di notte.

Che cos’è la RUBISCO? Quali proprietà particolari ha? Quali ruoli svolge?

La RUBISCO – ribulosio difosfato carbossilasi ossigenasi – è l'enzima più abbondante sulla

terra e si trova nei cloroplasti delle cellule vegetali. È formato da 8 subunità piccole e 8

grandi ed è un enzima bifunzionale in quanto è in grado di ossigenare e carbossilare lo

stesso substrato, il RudP. Il primo passaggio catalizzato dalla RUBISCO è l'isomerizzazione

del RudP, che diventa un enediolo: nella carbossilazione viene organicata CO2 e si forma

il 2-carbossi-3-chetoarabinitol-1,5-difosfato; per idrolisi, questa molecola si scinde

spontaneamente in 2 molecole di 3-fosfoglicerato; nella ossigenazione viene assimilato

O2, si forma un 2-idroperossi-3-chetoarabinitol-1,5-difosfato, che per idrolisi si scinde

spontaneamente in una molecola di 3-fosfoglicerato e una molecola di 2-fosfoglicolato.

Il ciclo di Calvin: descrivi il processo generale.

Il ciclo di Calvin fu scoperto negli anni '50 grazie all'utilizzo di marcatori radioattivi. Gli

studiosi ci misero del tempo a capire, sapendo che il primo composto stabile formato era

il 3-fosfoglicerato a 3 atomi di C, che l'assimilazione avveniva su una molecola a 5 atomi

di carbonio e non su una a 2 atomi di carbonio. Il ciclo di Calvin è diviso in 3 fasi. Nella

fase di carbossilazione la CO2 viene organicata e si ha la formazione del 3-

fosfoglicerato. Nella fase di riduzione il 3-fosfoglicerato viene ridotto a gliceraldeide 3-

fosfato GAP, da cui si otterranno i triosi fosfati e quindi gli zuccheri. Infine, nella fase di

rigenerazione parte della GAP viene utilizzata per rigenerare il RudP, che potrà di nuovo

entrare nel ciclo di Calvin.

Quali sono le reazioni della carbossilazione?

La RUBISCO catalizza la trasformazione del RudP in enediolo, dopo di che la CO2 viene

organicata e si forma il 2-carbossi-3-chetoarabinitol-1,5-difosfato; spontaneamente

avviene la scissione in 2 molecole di acido 3-fosfoglicerico.

Quali sono le reazioni della riduzione?

La fase di riduzione inizia con la reazione catalizzata dalla fosfoglicerato chinasi, che

consumando un ATP trasforma il 3-fosfoglicerato in 1,3-difosfoglicerato. La seconda

reazione è catalizzata dalla GAPDH; viene rimosso un fosfato, utilizzato il NADPH

prodotto nella fase luminosa e si forma la GAP. Per 3 molecole di RudP si formano 6

molecole di GAP e vengono usate 6 molecole di ATP e 6 NADPH.

Reazione Enzima

6 3-fosfoglicerato + 6ATP 6 1,3-difosfoglicerato + 6ADP Fosfoglicerato chinasi

6 1,3-difosfoglicerato + 6 NADPH 6 GAP + 6NADP+ GAPDH

Nella fase di riduzione vengono utilizzati per 3 molecole di RudP 6 ATP e 6 NADPH+H+,

c'è quindi un grande dispendio di energia.

Quali sono le reazioni della rigenerazione del RudP?

La prima molecola di GAP viene usata per formare degli zuccheri esosi; la altre 5

vengono usate nella rigenerazione di 3 molecole a 5C, partendo da 5 molecole a 3C.

Reazione Enzima

GAP(2) DHAP Trioso fosfato isomerasi

GAP(3) + DHAP fruttosio 1,6-difosfato Aldolasi

Fruttosio 1,6-difosfato fruttosio 6P Fruttosio 1,6-difosfatasi

L'enzima aggiunge H2O e idrolizza il gruppo Pi in 1

Fruttosio 6P + GAP(4) eritrosio 4-P + xilulosio 5-P Transchetolasi

L'enzima catalizza la formazione di eritrosio e del primo

composto a 5C

GAP(5) DHAP Trioso fosfato isomerasi

Eritrosio 4P + DHAP sedoeptulosio 1,7-difosfato Aldolasi

Sedoeptulosio 1,7-difosfato sedoeptulosio 7P Sedoeptulosio 1,7-

difosfatasi

Sedoeptulosio 7P + GAP(6) xilulosio 5P + ribosio 5P Transchetolasi

Si formano gli altri 2 composti a 5C

2 Xilulosio 5P 2 Ribulosio 5P Fosfopentoso epimerasi

Ribosio 5P Ribulosio 5P Fosfopentoso isomerasi

Ribulosio 5P Ribulosio 1,5-difosfato Fosforibulochinasi

Con l'ultima reazione si rigenerano 3RudP che saranno di nuovo substrati della RUBISCO.

Perché è comodo utilizzare le alghe per studiare la fotosintesi?

Le alghe sono state utilizzate nello studio della fotosintesi perché sono più facilmente

manipolabili. Calvin determinò la velocità delle reazioni fotosintetiche, che oggi si sa

essere molto veloci in quanto devono competere con reazioni molto veloci quali la

dispersione di energia sotto forma di calore. In una piastra vennero immesse le alghe, a

cui veniva somministrata una luce fredda (tra la sorgente e la piastra, in posizione

verticale, era frapposta un'altra piastra contenente acqua fredda) e della CO2

radioattiva; sotto le alghe era presente una beuta con etanolo caldo, cosicché se veniva

aperto il rubinetto della piastra con le alghe esse venivano fissate subito. Dopo 5

secondi, con una cromatografia bidimensionale si poteva notare la presenza di 3-

fosfoglicerato, triosi fosfati, esosi difosfati (fruttosio 1,6-difosfato) e alcuni prodotti di

scarto come l'acido malico; dopo 30 secondi erano presenti esosi, AA, prodotti di scarto;

questo significava che in 30 secondi il C della CO2 veniva assimilato, metabolizzato e

catabolizzato.

Che cos’è la fotorespirazione e da quale enzima è innescata?

La fotorespirazione è il processo con il quale il 2-fosfoglicolato, ottenuto

dall'ossigenazione del RudP, viene recuperato per formare una molecola di 3-

fosfoglicerato che potrà rientrare nel ciclo di Calvin. L'enzima che catalizza

l'ossigenazione del RudP è la RUBISCO; il 2-fosfoglicolato ottenuto dall'idrolisi spontanea

del 2-idroperossi-3-chetoarabinitol-1,5-difosfato è substrato della fosfoglicolato

fosfatasi, che aggiungendo acqua idrolizza il fosfato, formando glicolato.

Quale rapporto esiste fra fotorespirazione e fotosintesi?

Ci sono diverse ipotesi che potrebbero spiegare il perché della fotorespirazione, un

processo che utilizza ossigeno e parassitizza la fotosintesi togliendo 3-fosfoglicerato al

ciclo di Calvin. La prima ipotesi è che la fotorespirazione si sia sviluppata durante un

periodo in cui l'O2 nell'aria era poco concentrato, e quindi non influiva molto sulla resa

della fotosintesi. La seconda ipotesi, più plausibile, è che la pianta usi la

fotorespirazione per ottenere delle molecole utili, come composti azotati, per il

metabolismo. L'ultima ipotesi, in accordo con la seconda, è quella secondo cui la

fotorespirazione sia una valvola di sfogo all'eccesso di fotosintesi, che viene perciò

smaltito con un metabolismo parallelo. La fotorespirazione in effetti può aiutare la

formazione di amminoacidi, in quanto nella respirazione della glicina nel mitocondrio

avviene il rilascio di ammonio, che può essere organicato dal glutammato mediante la

glutammina sintetasi. La fotorespirazione consuma O2, ATP, coenzimi ridotti ma al

contempo può quindi servire per ottenere composti importanti per il metabolismo ed

evitare un eccesso di prodotti fotosintetici.

Illustra le varie tappe nel processo fotorespiratorio descrivendo quali enzimi e

organuli sono coinvolti.

Nel processo di fotorespirazione sono coinvolti 3 organelli; cloroplasti, perossisomi e

mitocondri, che si trovano in stretta vicinanza. Tra questi organuli sono presenti sistemi

di trasporto molto specifici per l'influsso/efflusso di metaboliti coinvolti nel ciclo – la

fotorespirazione è anche detta ciclo PCO, Photosynthetically C Oxidation.

Organello Reazione Enzima

Cloroplasto 2-fosfoglicolato glicolato Fosfoglicolato fosfatasi

H2O rimuove il Pi con idrolisi

Perossisoma Glicolato gliossilato Gliossilato ossidasi

Viene usato O2, si forma H2O2 che è ridotto

dalla catalasi

Perossisoma 2H2O2 2H2O + O2 Catalasi

Perossisoma Gliossilato + Glu Glicina + AKG Giossilato-glutammato

aminotransferasi

Viene scambiato un gruppo amminico tramite

lo shuttle Glu-AKG

Mitocondrio 2 Glicina 1 Serina Glicina decarbossilasi

Serina

Rimosso un C come CO2, un NH2 come NH4+; idrossimetiltransferasi

il gruppo metilene viene legato al folato

formando metilen-FH4, che dona il gruppo

alla seconda glicina che diventa serina. Da

dove arriva l'OH della serina? Dall'acqua? Con

la respirazione della glicina si ottiene un

composto a 3C. Viene usato NAD+

Perossisoma Serina + AKG idrossipiruvato + Glu Serina aminotransferasi

Perossisoma Idrossipiruvato glicerato Idrossipiruvato reduttasi

Viene consumato NADH+H+.

Cloroplasto Glicerato 3-fosfoglicerato Glicerato chinasi

Il 3—fosfoglicerato può rientrare nel ciclo di

Calvin

Quali sono le differenze fra amido primario e amido secondario? Dove vengono

rispettivamente accumulati?

L'amido primario si forma subito dopo la fotosintesi ed è accumulato nei cloroplasti;

nelle piante C3 l'amido primario viene demolito e risintetizzato (o utilizzato in forma di

saccarosio) in amido secondario per poi essere accumulato come riserva nel citosol e

negli amiloplasti.

Quali sono le principali caratteristiche anatomiche delle piante C4?

Nelle piante C4 si ha la cosiddetta anatomia Kranz: i fasci cribrovascolari sono rivestiti

da un manicotto di cellule, la guaina del fascio, al cui esterno troviamo le cellule del

mesofillo. Nel corso dell'evoluzione le piante C4 hanno evoluto un dimorfismo dei

cloroplasti che ha permesso loro di ridurre al minimo l'ossigenazione da parte della

RUBISCO e quindi la fotorespirazione. Nei cloroplasti della guaina del fascio si hanno solo

tilacoidi agranali, perciò il PSII non c'è produzione di ossigeno praticamente nulla. In

questo modo la RUBISCO, presente nelle cellule della gdf e non nel mesofillo, agisce nel

solo senso della carbossilazione. Appunto oltre a differenze morfologiche ci sono anche

delle differenze enzimatiche; la CO2 entra nelle cellule del mesofillo, in stretta

vicinanza con l'epidermide, in forma di HCO3-, e viene assimilata al PEP dall'enzima PEP

carbossilasi e non dalla RUBISCO.

Quali sono le più importanti piante C4?

La maggior parte delle piante C4 è di origine tropicale. Il mais (Zea mays) è una di

queste, come tutta la famiglia delle Poaceae (Gramineae). Altre piante C4 sono la

gramigna Cynodon dactylon e Eragrostis spp., entrambe infestanti e molto competitive

grazie a loro metabolismo. È una C4 anche Cymbopogon citratus, la citronella,

conosciuta per i suoi oli essenziali anti-insetto. Un'altra C4 è Vetiveria zizanioides, da cui

si ottiene il Vetiver, un monoterpene usato come base per molti profumi giovanili;

sopporta bene le T estreme e le intemperie, ha una grande capacità di crescita radicale

(3m in un anno) e può essere utilizzata sugli argini dei fiumi per ligare tra loro i vari

strati del terreno, evitando così frane e smottamenti.

Descrivi le principali differenze nel meccanismo di prima carbossilazione fra piante

C3 e piante C4.

La prima carbossilazione nelle piante C3 avviene sul RudP, che si scinde in ambiente

acquoso in 2 molecole a 3C di 3-fosfoglicerato, il primo intermedio stabile. Nelle piante

C4 la CO2 è trasformata dall'anidrasi carbonica in HCO3- che viene assimilato sul

fosfoenolpiruvato PEP; si forma ossalacetato, che può essere subito amminato ad

aspartato dallo shuttle Glu-AKG oppure essere ridotto a malato dalla malato NAD(P)-DH.

Il primo intermedio stabile nel ciclo fotosintetico C4 è quindi un composto a 4C.

Quale ruolo svolge il fosfoenolpiruvato? Quale enzima lo utilizza come substrato per

la carbossilazione?

Il PEP svolge il ruolo di accettore di HCO3-, diventando ossalacetato. L'enzima che

catalizza la reazione è la PEPCasi, cioè la fosfoenolpiruvato carbossilasi, rilasciando il Pi

del PEP. Il PEP viene rigenerato secondo vari meccanismi (3) in base al ciclo.

Come viene rigenerato il fosfoenolpiruvato nelle vie enzima malico-NAD+ ed enzima

malico-NADP+?

Il PEP viene rigenerato a partire dal piruvato dall'enzima piruvato fosfato dichinasi, dove

il di- sta a significare che gli ATP usati sono due: appunto uno viene usato per fosforilare

il piruvato, mentre l'altro è usato per rigenerare l'AMP ad ADP.

Descrivi la via C4 che utilizza come enzima l’enzima malico NADP+ e qual è la sua

localizzazione subcellulare.

Dopo l'assimilazione della CO2 sul PEP, l'ossalacetato ottenuto viene ridotto a malato

dalla MDH – malato deidrogenasi, che consuma un NADPH+H+. il malato si sposta dalle

cellule del mesofillo ai cloroplasti delle cellule della guaina del fascio; in questo

distretto avviene la decarbossilazione mediata dall'enzima malico NADP dipendente, che

libera CO2 riducendo un NADP+ a NADPH+H+. Si ottiene così piruvato, che ritorna

mediante dei trasportatori nelle cellule del mesofillo dove viene rigenerato il PEP;

l'enzima è la piruvato fosfato dichinasi, che utilizza 2ATP, uno per fosforilare il piruvato

e un altro per trasformare l'AMP in ADP. Il Ppi viene idrolizzato dalla pirofosfatasi

inorganica. La CO2 nella guaina del fascio entra nella fase di carbossilazione catalizzata

dalla RUBISCO del ciclo di Calvin.

Descrivi la via C4 che utilizza come enzima l’enzima malico NAD+ e qual è la sua

localizzazione subcellulare.

Sempre dopo l'organicazione della CO2 in forma di HCO3- sul PEP si ottiene ossalacetato,

che però viene amminato ad aspartato Asp dallo shuttle Glu-AKG. L'Asp viene trasportato

nei mitocondri delle cellule della guaina del fascio, e qua ritorna ossalacetato perdendo

il gruppo amminico, ceduto a AKG che diventa Glu. L'ossalacetato viene ridotto a malato

con la MDH che consuma un NADH+H+. A questo punto entra in gioco l'enzima malico NAD

dipendente, che catalizza la formazione di piruvato con il rilascio di CO2 ciclo di

Calvin. Il piruvato non è direttamente riportato nelle cellule del mesofillo ma prima

viene amminato ad alanina Ala; Ala torna nelle cellule del mesofillo e subisce una

deamminazione, ritornando piruvato (lo shuttle è sempre il Glu-AKG). Ora il piruvato

può servire a rigenerare il PEP sempre con l'enzima piruvato fosfato dichinasi, con l'uso

di 2ATP.

Descrivi la via C4 che utilizza come enzima l’enzima fosfoenolpiruvato

carbossichinasi e qual è la sua localizzazione subcellulare.

Nel ciclo C4 PEPCK sono coinvolti sia lo shuttle Glu-AKG sia lo shuttle piruvato-alanina.

La carbossilazione del PEP con HCO3- forma ossalacetato, che è trasformato in Asp. Asp

viene traslocato nel citosol delle cellule della guaina del fascio e viene deamminato

cedendo NH2 a AKG. L'enzima chiave di questo ciclo C4 è la PEPCK – PEP carbossichinasi,

e trasforma l'ossalacetato direttamente in PEP, consumando ATP e rilasciando CO2, che

verrà organicata nel RudP dalla RUBISCO. Il PEP ritorna nel mesofillo e può essere subito

riutilizzato. Questo ciclo è una variante del ciclo C4 enzima malico NAD dipendente, se

non per il luogo in cui avviene la decarbossilazione.

Come varia la fotorespirazione fra piante C3 e piante C4?

La fotorespirazione nelle piante C3 avviene consumando O2, ATP e togliendo 3-

fosfoglicerati al ciclo di Calvin in quanto l'ossigenazione del RudP ne forma una sola

molecola. Nelle piante C4 la fotorespirazione è eliminata quasi completamente perché

la RUBISCO nelle cellule della guaina funziona solo in senso carbossilante, in quanto nei

cloroplasti non viene praticamente prodotto ossigeno. In questo modo la fotosintesi è

estremamente redditizia.

Che cosa sono le piante CAM e quali sono le specie più diffuse? In quali ambienti

vivono?

Il nome CAM deriva dal metabolismo particolare di queste piante – Crassulacean Acid

Metabolism, metabolismo acido delle crassulacee (piante grasse). Esse si evolsero in

zone estreme come i deserti, in generale in tutte le aree in cui il potenziale idrico

dell'atmosfera è talmente basso che tutta l'acqua della pianta evapora, o dove le

precipitazioni sono quasi assenti (una volta l'anno). Alcuni esempi sono il cactus, che ha

modificato nel corso dell'evoluzione le sue foglie in spine, in modo da proteggersi dai

predatori che vedono in lui una succulenta fonte d'acqua; altro esempio è il

sempervivum, che sopportano escursioni termiche molto alte. Anche l'ananas e molte

orchidee sono piante CAM.

Come avviene la fotosintesi nelle piante CAM e in che cosa differisce dalle piante C3

e C4?

Il meccanismo CAM permette una fotosintesi molto efficiente. Durante la notte gli stomi

sono aperti, ed entra la CO2; essa viene fissata nel PEP (che arriva dalla degradazione

dell'amido primario dei cloroplasti) dalla PEPCasi e l'ossalacetato prodotto è ridotto a

malato dalla MDH NADH dipendente citosolica, per poi essere accumulato nel vacuolo (è

detto metabolismo acido per questo, l'acido malico viene accumulato nel vacuolo). Di

giorno gli stomi si chiudono e sotto l'irradiazione luminosa il malato esce dal vacuolo e

viene decarbossilato dall'enzima malico NAD dipendente del mitocondrio, dall'enzima

malico NADP dipendente del cloroplasto o dalla PEPCK citosolica. La CO2 può essere

utilizzata dal ciclo di Calvin. In questo modo la traspirazione di acqua è ridotta al

minimo e la CO2 entra di notte quando l'aria è fresca e il potenziale idrico dell'atmosfera

è più alto.

Com’è regolata la fosfoenolpiruvato carbossilasi nelle piante CAM?

La PEPCasi è inibita di giorno dalla presenza di acido malico. Questo enzima ha un

residuo di serina NON fosforilato che a partire dal tardo pomeriggio, quando l'aria

diventa più fresca, viene fosforilato da un chinasi specifica si ottiene così la forma

notturna di PEPCasi, cioè quella fisiologicamente attiva! Mentre la forma diurna è

inattiva. La mattina una fosfatasi idrolizza il fosfato sulla serina della PEPCasi notturna,

che viene così inattivata. Questa regolazione permette di evitare la competizione tra

PEPCasi e RUBISCO.

Capitolo 7. Metaboliti secondari delle piante

Quali sono le tre principali funzioni dei metaboliti secondari?

I metaboliti secondari sono così detti non perché la loro importanza è secondaria ma

perchè la distribuzione nelle piante non è omogenea come quella dei metaboliti primari,

cioè proteine, lipidi e carboidrati, presenti in tutti gli organismi vegetali. Una delle

funzioni svolte dai metaboliti secondari è quella di difesa, non solo dai predatori ma

anche dai fattori abiotici, come la temperatura, la disidratazione e l'irradiazione. Le

cere, le cutine e le suberine sono molecole che vengono montate sulle pareti per far sì

che non vengano persi liquidi. Alcuni metaboliti sono usati per distogliere i predatori dal

cibarsi della pianta, e agiscono con diversi meccanismi. Altri invece hanno una funzione

vessillifera, cioè di richiamo per gli insetti impollinatori e in generale per gli animali che

svolgono la dispersione dei semi. Infine, molti metaboliti secondari sono implicati nelle

interazioni pianta-pianta, pianta-animale e pianta-microorganismo; in queste ultime

composti come i flavonoidi rivestono un ruolo fondamentale nell'instaurarsi delle

simbiosi.

Cosa intendiamo per “metabolismo secondario del carbonio” e quali vie metaboliche

sono comprese in questa categoria?

Il metabolismo secondario comprende una serie di vie metaboliche che si dipartono dal

metabolismo primario del carbonio. Dalla via dell'acido scichimico (eritrosio 4P + PEP) si

ottengono composti secondari contenenti azoto; dalla via dell'acido mevalonico MVA

(acetilCoA) e dalla via MEP (3-fosfoglicerato) si ottengono dei terpeni; dalla via

dell'acido malonico (acetilCoA) si originano composti fenolici.

Discutere sulle principali funzioni dei metaboliti secondari nelle piante e mettere in

relazioni queste funzioni con i siti di accumulo dei metaboliti secondari nelle pianta.

I metaboliti secondari delle piante hanno diverse funzioni. Gli antociani vengono spesso

accumulati nei petali e nei frutti, in modo che siano ben visibili dagli impollinatori e

dagli animali. Nel legno si accumulano invece molti tannini, che prevengono l'attacco dei

microorganismi. Anche nelle radici sono accumulati composti rivolti contro l'attacco di

patogeni. Nelle foglie ci sono invece delle molecole atte a distogliere i predatori dal

pasto, come alcaloidi e triterpeni (azadiractina, α-ecdisone).

Quale rapporto esiste fra metabolismo primario e secondario?

Molti metaboliti del metabolismo primario possono confluire nel metabolismo

secondario. Questo perché, probabilmente (come nei funghi), il metabolismo secondario

potrebbe essere una valvola di sfogo a un metabolismo primario eccessivo, in cui

verrebbero accumulati troppi intermedi. Per esempio l'acetilCoA può essere deviato

nelle vie dell'acido malonico e mevalonico, in modo da formare composti fenolici e

terpeni. I metaboliti primari sono inoltre presenti in tutte le piante – sono costituenti

essenziali – mentre i metaboliti secondari variano a seconda della specie e

dell'evoluzione che essa ha seguito nel suo habitat.

Quali funzioni hanno la cutina, la suberina e le cere? In quali cellule si trovano e

come possiamo distinguerli chimicamente?

Cutina, cere e suberina hanno l'importante funzione di impermeabilizzare alcuni distretti

delle piante. Queste molecole, lunghe catene apolari idrorepellenti, vengono montate

sulle pareti delle cellule dell'epidermide fogliare, ma anche sulle pareti delle cellule

dell'epidermide radicale. Sulle foglie le cere e le cutine evitano la fuoriuscita di acqua

dalla cellula e prevengono l'entrata; appunto, quando piove, le gocce d'acqua scendono

giù. Inoltre, grazie a queste sostanze idrofobe viene occluso il passaggio a molti MO

patogeni, che perciò entrano dagli stomi (per contro, alcune molecole delle spore di

funghi patogeni come le idrofobine servono proprio ad aderire alle superfici idrofobe

della foglia). Nella radice le cere e soprattutto le suberine evitano l'uscita dell'acqua

mentre risale nella parte epigea. Solo l'apice radicale, che è in crescita e quindi non ha

una parete completamente formata, non è rivestito da materiale idrofobo – anche

perché i nutrienti da qualche parte devono pur entrare.

Cosa sono chimicamente i terpeni e come sono sintetizzati e classificati? Dare un

esempio dei terpeni che fungono da molecole bioattive.

I terpeni, o terpenoidi, sono ottenuti dalla via MVA e dalla via MEP. Nella via MVA, 3

molecole di acetilCoA si condensano a formare HMG-CoA, idrossimetilglutarilCoA; esso

viene trasformato in acido mevalonico, a cui viene aggiunto un pirofosfato e rimosso il

CoA. Il risultato è una unita di IPP, isopentenilpirofosfato, unità base nella formazione

dei terpeni. Nella via MEP invece si parte da GAP e piruvato, che si fondono a dare 5-

deossixilulosio-5-fosfato; questa molecola è convertita in MEP, metileritritolfosfato, che

viene a sua volta convertito in IPP.

La prima via a essere scoperta fu la via MVA, che avviene anche in organismi unicellulare

come le alghe. La via MEP è invece plastidiale. Le due vie possono scambiarsi intermedi

metabolici tra i comparti.

→ → →

MVA: 3 AcetilCoA HMG-CoA Acido mevalonico IPP

→ → →

MEP: GAP + Piruvato 5-Deossixilulosio-5-fosfato MEP IPP

L'IPP viene isomerizzato a DMAPP, dimetilallilpirofosfato, dall'enzima IPP isomerasi.

Dall'unione dell'IPP con il DMAPP si forma una molecola di geranilPP, precursore dei

monoterpeni (10C). Se viene aggiunta una molecola di IPP al geranilPP si ottiene

farnesilPP, precursore dei sesquiterpeni (15C); due molecole di farnesilPP danno una

molecola di squalene, precursore dei triterpeni (30C). Aggiungendo IPP al farnesilPP si

forma il geranilgeranilPP, precursore dei diterpeni (20C); due molecole di

geranilgeranilPP formano fitoene, da cui si ottengono i tetraterpeni (40C). Continuando

ad aggiungere molecole di IPP si formano i politerpeni, che possono essere formati dalla

condensazione testa-coda di anche più di 400 molecole di IPP.

→ → →

IPP + DMAPP GeranilPP + IPP FarnesilPP + IPP GeranilgeranilPP

FarnesilPP x2 Squalene

GeranilgeranilPP x2 Fitoene

I terpeni sono composti facenti quasi tutti parte del volatiloma della pianta. Alcuni

terpeni sono il mentolo, un aromatizzante molto usato contenuto nella menta (Labiate);

il vetiver, prodotto dalle radici di Vetiveria zizanioides in simbiosi con batteri, usato

come base in molti profumi giovanili; il limonene, contenuto nelle tasche lisigene degli

agrumi; la azadiractina, prodotta da Azadiracta indica e Mellea azadiracta, che protegge

queste piante agendo sul senso di sazietà degli insetti; le gibberelline sono degli ormoni

stimolanti la crescita e la divisione cellulare e sono dei derivati da diterpeni, mentre i

brassinosteroidi, implicati in varie regolazioni della crescita, originano dai triterpeni; i

carotenoidi sono tetraterpeni con funzioni di assorbimento e ausilio alla fotosintesi,

inoltre sono dei composti antiossidanti; l'acido abscissico è un sesquiterpene.

Cosa sono i fenoli (composti fenolici) e come sono classificati? Descrivi alcuni esempi

I composti fenolici sono dei composti contenenti un fenolo, cioè un anello benzenico +

un gruppo OH. Essi originano dal metabolismo secondario, in particolare dalla via

dell'acido scichimico (e in parte dalla via dell'acido malonico). I composti fenolici

possono essere classificati in:

fenoli semplici, C6-C3 (C6 è l'anello, C3 è la catena di atomi di C legati all'anello)

• → acido caffeico (allelopatico) e acido ferulico

cumarine (lattoni, cioè esteri ciclici con scheletro carbonioso del fenilpropanoide)

• → umbelliferone e psoralene ( H. mantegazzianum)

derivati dell'acido benzoico, cioè un fenilpropanoide a cui è stato rimosso un

• →

frammento di 2 C vanillina e acido salicilico

In che cosa differiscono gli alcaloidi dagli altri metaboliti secondari? Tenendo conto

del loro effetto biologico, qual può essere il loro significato ecologico? Descrivi alcuni

esempi.

Gli alcaloidi si differenziano dagli altri metaboliti secondari perché contengono azoto,

che fa parte di un anello eterociclico. Sono stati sviluppati dalle piante come difesa

contro gli erbivori e i patogeni, per ucciderli o per distoglierli dalla loro attività, e ora

sono utilizzati dall'uomo per molteplici scopi. Gli scheletri carboniosi degli alcaloidi

derivano quasi sempre dalla via dei terpeni. La cocaina è un alcaloide derivante

dall'ornitina, causa schizofrenia, tetano muscolare e blocco respiratorio con conseguente

arresto cardiaco; è ottenuta facilmente dal trattamento di Eritroxilum coca con

composti solforati. È molto usata come tonificante nei Paesi in cui è coltivata, con

qualche effetto collaterale. La morfina è invece contenuta in Papaver somniferum, cioè

il papavero da oppio. La capsula che contiene i semi è protetta da un lattice bianco

ricco di sostanze tossiche tra cui la morfina, il farmaco più efficace nella terapia del

dolore. Incidendo le capsule e tornando il giorno dopo si possono raccogliere queste

gocce di lattice che vengono unite a formare dei panetti, i quali sono poi rraffinati.

Oltre alla morfina questa miscela contiene alcaloidi come laudano una volta usato

come sonnifero, e codeina potente narcotico, blocca lo stimolo della tosse. Dalla

doppia acetilazione della morfina si ottiene l'eroina. Datura e Hyoscycamus niger

contengono scopalamina, che provoca morte per arresto cardiaco. Alcaloidi molto

comuni sono la caffeina, la teina, la teobromina (nel cacao) e la nicotina (nel tabacco).

Confronta e distingui le strutture e le funzioni di ognuno dei seguenti composti

fenolici: lignina, flavonoidi, isoflavoni, tannini. I composti fenolici giocano un ruolo

nel metabolismo primario o nello sviluppo della pianta?

La lignina è un complesso eteropolimero 3D formato prevalentemente da 3 alcoli

cinnamilici: alcol cumarilico, sinapilico e coniferilico, che variano la propria

concentrazione nelle diverse specie. Questi composti derivano dalla modificazione di

fenilpropanoidi semplici, quali l'acido p-cumarico e il p-cumarilCoA. Più di 30 legami

possono formarsi tra queste molecole e questo rende la lignina estremamente

importante come elemento di protezione e di difesa da funghi e batteri patogeni, anche

perché il rapporto C:N è nettamente sfavorevole per la sopravvivenza (500:1); i legami

vengono estesi anche agli altri componenti di parete come cellulose ed emicellulose.

Tuttavia la lignina può essere degradata da alcuni funghi, i white rot, che utilizzano

laccasi (contenenti rame) e perossidasi, tra cui la manganese perossidasi e la ligninasi

che usa H2O2 per ossidare, grazie a una catena di ossidazioni, la lignina.

I tannini sono invece delle molecole derivate dall'unione di acido gallico o acido ellagico

con degli zuccheri tannini idrolizzabili, o dalla condensazione di più molecole di

flavonoidi tannini condensati, che possono essere scissi usando acidi molto forti o

enzimi specifici. Sono molecole idrofobe che si intercalano nello xilema, determinando

la qualità di un legno: appunto, più un legno ha tannini più un legno è pregiato (ebano).

Nel the sono contenute le catechine e le epicatechine. Alcuni hanno scopi benefici, per

esempio i tannini del vino rosso bloccano la sintesi di endotelina-1, implicata nel

restringimento dei vasi sanguigni. La maggior parte sono però deterrenti per gli erbivori;

alcuni si legano alle proteine salivari facendole precipitare, altri prevengono l'attacco da

parte di MO.

Gli isoflavoni, detti anche isoflavonoidi, derivano dall'ossidazione da parte della

citocromo p450 ossidasi del calcone e si differenziano dai flavoni perché l'anello B è in

posizione diversa. Lo scheletro carbonioso è sempre C6-C3-C6. Molti servono nella lotta

contro gli insetti, come il rotenone che è usato come pesticida; le pecore che brucano le

piante di trifoglio ricche di isoflavoni sono spesso sterili. Alcuni sono responsabili degli

effetti antitumorali dei cibi a base di soia.

Infine, i flavonoidi derivano dalla via dell'acido malonico e dalla via dell'acido scichimico

– dalla prima deriva un C6, dalla seconda il fenilpropanoide C6-C3. I flavonoidi si trovano

in tutte le parti colorate delle piante e hanno diverse funzioni, tra cui l'attrazione degli

impollinatori, la difesa e un ruolo antiossidante grazie ai molti doppi legami (i

carotenoidi, che sono però terpeni, svolgono lo stesso ruolo). Le antocianine sono dei

flavonoidi in cui sull'OH dell'anello C si è legato uno zucchero; nella forma non glicosilata

la molecola è detta antocianidina (aglicone del glicoside). Nei petali le antocianine

hanno funzione vessillifera. In certi alberi come il faggio o l'acero gli antociani sono così

concentrati che possono dare un colore rosso alla foglia. Grazie alla delocalizzazione

elettronica sull'ossigeno dell'eterociclo, le antocianine sono capaci di assorbire i raggi UV

ed emettere nell'UV vicino, e questo si rivela utile per l'identificazione del fiore da parte

degli insetti che possono vedere nell'UV.

Quali composti di difesa troviamo prevalentemente nei semi?

In molti semi (in particolare nella famiglia delle Rosaceae) possiamo trovare amigdalina,

un glucoside cianogeno capace di rilasciare HCN. Nei semi delle Brassicaceae si trovano

spesso dei glucosinolati che distolgono il predatore dal pasto.

Che cosa sono i glucosidi cianogeni? Quale ruolo è svolto dal gas velenoso HCN nella

difesa delle piante?

I glucosidi cianogeni sono delle protossine che possono potenzialmente liberare HCN.

L'enzima glicosidasi libera lo zucchero del glucoside, che diventa una cianoidrina capace

di rilasciare spontaneamente un chetone e HCN.

Che cosa sono i glucosinolati?

I glucosinolati sono delle molecole simili ai glucosidi cianogeni, ma diversi in quanto non

rilasciano sostanze tossiche bensì sostanze responsabili del sapore pungente di alcune

specie, come la senape (Brassica juncea), la rucola (Eruca sativa) e il wasabi

(Samanaffatta trompeius). Il glucosinolato diventa prima aglicone perdendo lo zucchero

per mezzo della tioglucosidasi e poi, spontaneamente, rilascia solfato e isotiocianati o

nitrili.

A cosa servono gli amminoacidi non proteici?

Gli aminoacidi non proteici sono metaboliti secondari usati dalle piante per distogliere i

predatori dal pasto appetitoso che può essere la pianta. Essi sono più di 400 e vengono

riconosciuti dai tRNA del predatore come aminoacidi canonici; le proteine vengono

costruite ma non sono funzionanti. Alcuni esempi sono la canavanina, scambiata per

arginina, e l'acido azetidin-2-carbossilico, scambiato per prolina.

Capitolo 8. Traslocazione nel floema

1. Quali sono i tessuti direttamente coinvolti nella traslocazione delle sostanze

elaborate dalle foglie?

2. Descrivi gli elementi del cribro.

3. Descrivi le caratteristiche dei due tipi di elementi del floema: elementi dei tubi

cribrosi e cellule cribrose.

I tessuti direttamente coinvolti nella traslocazione dei fotosintati sono gli elementi del

cribro, termine generale con cui si indicano gli elementi dei tubi cribrosi delle

angiosperme e le cellule cribrose nelle gimnosperme. Le cellule compagne sostengono

gli elementi del cribro. Gli elementi dei tubi cribrosi sono collegati da placche cribrose,

formando la struttura attraverso cui il floema viene traslocato; essi contengono la

proteina P (Phloem). Le placche sono delle strutture con dei pori tra due elementi del

tubo cribroso che permettono il trasporto dei soluti. Le cellule compagne, principale

fonte di ATP gli elementi del tubo, possono differenziarsi in cellule intermedie. Le

cellule cribrose non contengono proteina P e le cellule compagne sono meglio dette

cellule albuminose, la funzione è comunque la stessa; non ci sono le placche cribrose ma

dei pori che sono ostruiti dal RE delle cellule.

Gli elementi del cribro sono particolari perché quando sono maturi mancano di quasi

tutti gli organelli, tra cui nucleo e vacuolo; ci sono solo dei mitocondri modificati, il RE

liscio e i plastidi. La parete non è lignificata come negli elementi tracheali dello xilema.

Quando gli elementi del cribro sono danneggiati, intervengono dei meccanismi di

riparazione a breve e a lungo termine (che coinvolgono rispettivamente proteine P e

polimeri di glucosio come il callosio) in modo che il succo floematico non venga perduto.

Tabella 7.1 sul libro.

Che cosa capita se si provoca un taglio circolare ad un giovane fusto in modo da

asportare il floema?

Il fusto subisce un rigonfiamento nella parte superiore, dovuto all'accumulo di

fotosintati, mentre sotto si ha un restringimento perché i fotosintati non giungono più.

Le radici, eterotrofe, non ricevono più nutrimento anche se l'acqua continua ad essere

trasportata nello xilema.

Come si dimostra che gli zuccheri passano attraverso il floema?

Diversi esperimenti hanno dimostrato che il floema trasporta zuccheri. Se effettuiamo

una decorticazione anulare, quindi togliamo il floema, noteremo che nella parte

superiore all'anello rimosso si formerà un rigonfiamento dovuto all'accumulo di

fotosintati, mentre al di sotto dell'anello rimosso si avrà un restringimento dovuto alla

carenza di fotosintati. Lo xilema continua comunque a trasportare la linfa grezza, ma

non essendoci floema quella elaborata non giunge alle radici e la pianta è destinata a

soccombere. Quando si rese disponibile negli anni '50, della CO2 radioattiva venne

somministrata alla pianta; con questo si dimostrò il passaggio degli zuccheri negli

elementi del cribro.

Che cosa sono e quale funzione svolgono le cellule compagne?

Le cellule compagne sono cellule che si affiancano agli elementi cribrosi; a differenza di

essi contengono tutti gli organelli. Il ruolo delle cellule compagne, dette cellule

albuminose nelle gimnosperme, è quella di fornire energia per il trasporto del succo

floematico; inoltre caricano gli zuccheri dalla sorgente agli elementi del cribro,

utilizzando trasporto attivo primario e poi secondario. Ci sono tre tipi di cellule

compagne:

Cellule compagne “comuni”, che trasportano zuccheri con via simplastica o

• apoplastica a seconda della quantità di plasmodesmi;

Transfer cells, con invaginazioni di membrana che aumentano il trasporto dei

• soluti e con diversi plasmodesmi, anch'esse seguono la via apoplastica;

Cellule intermedie, specializzate nell'assorbimento di soluti tramite connessioni

• citoplasmatiche, hanno diversi plasmodesmi con la guaina del fascio; tilacoidi

poco sviluppati, cloroplasti privi d'amido e numerosi piccoli vacuoli.

Descrivi la differenza fra tessuti sorgente e tessuti pozzo.

I tessuti sorgente sono distretti in cui vengono prodotti molti fotosintati, più di quelli

che servono al fabbisogno della cellula che li produce. Le sorgenti principali in una

pianta sono le foglie mature; possono servire da sorgenti anche i rizotuberi e i semi nello

sviluppo dell'embrione e della plantula. I pozzi invece richiedono i fotosintati delle

sorgenti: sono pozzi le foglie giovani in via di sviluppo, le radici (che sono eterotrofe), i

tuberi, i bulbi, i rizomi e i frutti.

A quale velocità si muove tipicamente il succo floematico? Può muoversi a tale

velocità tramite la diffusione?

La velocità del floema è di circa 1-1,5 m/h. Se si pensa a una pianta erbacea, con

questa velocità i prodotti della fotosintesi raggiungono i pozzi più lontani in meno di

un'ora. La velocità può essere misurata in velocità propriamente detta, cioè la distanza

lineare percorsa nell'unità di tempo, oppure in velocità di trasferimento di massa, cioè

la quantità di materiale che passa attraverso una certa sezione di floema nell'unità di

tempo. Logicamente, date le distanze e le concentrazioni dei soluti all'interno del

floema, non può avvenire una diffusione; il trasporto dei fotosintati sarebbe eterno.

Descrivi come avviene la distribuzione ortostica del floema e come si può

dimostrare.

La distribuzione ortostica riguarda quel fenomeno per cui una foglia sorgente

distribuisce i fotosintati alle foglie presenti esattamente sotto di essa. Questo può

essere dimostrato somministrando CO2 marcata alle foglie; si nota che la concentrazione

di CO2 marcata è maggiore nelle foglie precisamente al di sotto della sorgente. Se però

elimino tutte le foglie sorgenti tranne una i soluti vengono distribuiti in tutte le foglie

pozzo e non solo in quelle sull'ortostica, suggerendo la presenza di connessioni indirette

tra gli elementi del cribro.

Di che cosa è composto il succo floematico e come può essere studiato ed analizzato?

Il succo floematico è composto prevalentemente da zuccheri (80-106 mg/ml) non

riducenti; il più abbondante è il saccarosio. Altri zuccheri non riducenti sono raffinosio,

stachiosio e verbascosio. Oltre agli zuccheri sono trasportati AA, acido organici,

proteine, RNA e ormoni; ci sono anche alcuni ioni come K, Mg, Cl e fosfato (insomma

tutti quelli mobili). L'estrazione del succo floematico avviene servendosi di un afide, a

cui viene reciso il rostro quando esso è piantato negli elementi del cribro. Per pressione,

il floema continua ad uscire ed è possibile raccoglierlo senza la formazione di artefatti,

come può invece succedere usando dei chelanti come EDTA.

Descrivi gli eventi che si susseguono nella transizione da foglia pozzo a foglia

sorgente e come possono essere dimostrati.

→ →

Caricamento - esportazione da sorgente a pozzo scaricamento - importazione

In seguito alla produzione di zuccheri, principalmente saccarosio, essi vengono caricate

nel floema attraverso l'uso di trasporto primario, che genera un gradiente protonico, e

un trasporto secondario, che utilizza il gradiente protonico per trasportare contro

gradiente il saccarosio. Una volta che il saccarosio dalle sorgenti è caricato nei tubi

cribrosi, per via apoplastica o simplastica, viene trasportato secondo un modello di

flusso da pressione; una volta che i soluti sono giunti ai pozzi, qua vengono scaricati e

immagazzinati spesso in forma insolubile in modo che non contribuiscano alle variazioni

di potenziale idrico.

Descrivere il modello di flusso da pressione per il movimento del succo floematico. In

questo modello l’acqua si sposta secondo il suo gradiente di potenziale idrico?

Il succo floematico viene trasportato con il modello di flusso da pressione. Questo

modello prevede l'uso di energia solo nel caricamento dei soluti (trasporto attivo), nel

mantenimento delle strutture dei tubi cribrosi e nel recupero dei soluti ''persi per

strada''. Una volta che il saccarosio viene caricato dal mesofillo nelle cellule compagne e

infine negli elementi del tubo del cribro, la concentrazione di zucchero aumenta e

quindi il Ψw diminuisce in quanto l'aumento di Ψs influisce negativamente; Ψp aumenta

in quanto viene richiamata acqua nelle cellule. A questo punto, l'acqua per osmosi passa

dallo xilema al floema in corrispondenza della sorgente. Quando sono nel tubo cribroso,

i soluti si dirigono verso il distretto in cui sono meno concentrati, cioè verso i pozzi; Ψp

è più basso che nelle sorgenti, ma Ψs è meno negativo e quindi il potenziale idrico è più

alto. Perciò l'acqua ritorna nello xilema; gli zuccheri vengono trasferiti nei pozzi e

vengono accumulati in forma non solubile in modo che non agiscano sul potenziale

idrico. A seconda del tipo di pozzo e della specie, lo scaricamento dei soluti avviene

seguendo una via apoplastica o simplastica. Il trasporto è permesso grazie alla

formazione di un gradiente pressorio tra sorgente e pozzo positivo (~0,3 Mpa).

Il modello del flusso da pressione è stato confermato in più specie...Schema

Che cos’è la forza di pozzo?

La forza di pozzo è la capacità di un pozzo di attrarre, di muovere fotosintati verso di

sé. Essa si misura moltiplicando la dimensione del pozzo x l'attività di pozzo; la

dimensione del pozzo è il peso del tessuto che funge da pozzo, mentre l'attività di pozzo

è la velocità con cui i fotosintati vengono trasferiti per unità di peso del tessuto.

Descrivi alcuni esempi di frutti in cui si può descrivere la forza di pozzo.

In tutti i pomi (mele, pere) e drupe (prugne, pesche, albicocche) può essere descritta la

forza di pozzo. In frutticoltura molte volte vengono tolti dei frutti dalla pianta in modo

che la ripartizione dei fotosintati avvenga in pochi pozzi, ma che diventano grossi e più

commerciabili; in natura è invece importante avere più frutti anche se piccoli, in modo

che siano dispersi più semi.

Si sa che le foglie sono dei pozzi all’inizio dello sviluppo e che diventano sorgenti

come acquisiscono competenza nella fotosintesi. Quali esperimenti progetteresti per

studiare la transizione nelle foglie da pozzo a sorgente?

Per studiare la transizione delle foglie da sorgente a pozzo è possibile somministrare ad

esse della CO2 marcata; in questo modo si vedrà quando la CO2 inizierà ad essere

trasportata, e questo coinciderà con l'inizio della transizione da sorgente a pozzo. Altri

esperimenti possono riguardare anche l'analisi della quantità di saccarosio. Quando viene

accumulato tanto saccarosio e vengono montati sulla parete del complesso elementi del

cribro – cellule compagne i simportatori H+-saccarosio significa che il pozzo sta

diventando sorgente e andrà a sopperire il fabbisogno energetico di altri pozzi.

Capitolo 9. Assimilazione dei nutrienti

Descrivi le principali tappe del ciclo dell’azoto.

L'azoto è l'elemento più abbondante nell'atmosfera. La fissazione dell'azoto richiede

molta energia in quanto tra i due atomi di N è presente un triplo legame. La fissazione

può essere effettuata dagli organismi diazotrofi o azotofissatori, che usando ATP

riducono N2 a NH4+. Le piante si assicurano una fonte assimilabile di azoto instaurando

simbiosi con i batteri e i funghi. Le piante sono quindi i produttori primari di azoto

organicato. I fulmini effettuano la fissazione atmosferica dell'azoto, che raggiunge il

suolo in forma di nitrato. N2 può anche essere fissato industrialmente tramite il processo

Haber-Bosch. Dall'ammonio i MO possono ottenere prima NO2- e poi NO3-; infine, gli

organismi denitrificanti restituiscono azoto molecolare all'atmosfera. Nel ciclo dell'azoto

sono coinvolti piante, animali, fenomeni abiotici (vedi fulmini) e molti MO.

Qual è l’effetto tossico dell’ammonio per le cellule vegetali? Come è possibile

evitare tale tossicità?

L'ammonio è tossico per le piante e per questo l'azoto viene assorbito in forma di nitrato

(o meglio, l'ammonio è assunto in quantità subtossica). Quando si trova in distretti con

pH maggiore di 7, l'ammonio reagisce con OH- per formare H2O e ammoniaca.

L'ammoniaca sfrutta il trasporto passivo attraverso le membrane per raggiungere dei

distretti acidi, come per esempio il lume dei tilacoidi o il vacuolo. Qua NH3 può reagire

con H2O dando ammonio e ioni OH- che generano un disequilibrio nei gradienti

protonici, minano la sintesi di ATP e portano alla morte della cellula. Ecco perché se

somministrata ad una pianta l'ammoniaca è letale.

Descrivi quale enzima è coinvolto nell’assimilazione del nitrato e nella sua riduzione

ad ammonio.

L'enzima coinvolto nell'assimilazione del nitrato è la nitrato reduttasi. La NR è un

omodimero composto, dal C terminale, da un FAD, un gruppo EME e un complesso

molibdenico MoCo in cui gli atomi di molibdeno si legano ad una pterina. In questa

reazione il donatore di elettroni è il NAD(P)H; esistono diverse isoforme della NR, quelle

nelle radici e nei tessuti non fotosintetici sono NADH dipendenti mentre quelle nelle

foglie sono NADPH dipendenti. Gli elettroni vengono scaricati dal NADP(P)H al FAD, poi al

gruppo EME e infine al MoCo che li scarica sul nitrato che diventa nitrito.

Il nitrito è substrato della nitrito reduttasi, che utilizza come donatore di elettroni la

ferrodossina (ferredossina ridotta) sviluppata dalla catena di trasporto degli elettroni del

PSI. Per ogni mole di nitrito ridotta ad ammonio sono necessarie 6 Fd(rid), 6 elettroni e 8

protoni. La nitrito reduttasi è composta da una ferro-zolfo proteina e da un gruppo EME.

La ferro-zolfo proteina riceve gli elettroni dalla Fd(rid), li passa al gruppo EME e da qua

sono scaricati sul nitrito, che diventa ammonio. Oltre l'ammonio, altri prodotti di questa

reazione sono NO, importante messaggero, e N2O. L'ammonio viene assimilato da diversi

→ →

composti tra cui ossalacaetato ( aspartato) e glutammato ( glutammina).

NO3- + NAD(P)H + H+ + 2e- NO2- + NAD(P)+ + H2O

NO2- + 6 Fd(rid) + 8 H+ + 6e- NH4+ + 6 Fd(ox) + 2 H2O

Come varia il succo xilematico fra diverse specie quando si analizza la sua

componente azotata?

A seconda delle specie le forme di azoto presenti nel succo xilematico sono presenti in

percentuali diverse. Per esempio, nelle leguminose c'è relativamente poco nitrato, tante

ammidi e tanti AA, appunto sono le piante più ricche di proteine; nelle leguminose

tropicali come fagiolo e pisello si nota anche la presenza di ureidi, composti azotati

specializzati.

Spiega le associazioni simbiontiche fra piante superiori e batteri azoto-fissatori e

presenta un esempio.

Le piante instaurano delle simbiosi coi batteri azoto-fissatori in modo da ottenere azoto

in forma assimilabile. Le piante emettono delle molecole che sono riconosciute da

batteri di una specie, ignorate da altre; il batterio elabora il segnale risponde con altre

molecole. A questo punto la pianta produce ed emette degli elicitors, cioè degli

stimolatori della risposta, capaci di indurre la trascrizione e la traduzione dei geni NOD

dei batteri, che producono i fattori NOD. I fattori NOD sono dei polisaccaridi sostituiti

con glicerolo, solfati, fucosio, acidi grassi; grazie ad essi si formano le basi

dell'interazione pianta-batterio. Il batterio fornisce azoto che può essere assimilato

dalle piante, mentre la pianta fornisce ad esso fotosintati e protezione. Tutte le specie

delle leguminose sono in simbiosi con i batteri del genere Rhizobium; gli ontani formano

dei noduli con i batteri del genere Frankia.

In che cosa consiste la fissazione biologica dell’azoto e quali vantaggi offre alle

piante?

Illustra i meccanismi chimici e morfologici che portano alla formazione dei noduli

radicali.

La fissazione biologica dell'azoto, effettuata dai Mo azoto-fissatori, produce azoto in

forma assimilabile dalle piante, che lo sfruttano per il loro metabolismo. Le piante

riescono quindi a interagire con organismi di regni diversi. Esse emettono delle molecole

che sono riconosciute dai batteri di una specie in particolare; questi ultimi elaborano un

segnale che le cellule vegetali captano, rispondendo con l'emissione di elicitors, cioè

stimolatori della risposta, solitamente dei flavonoidi. Vengono così stimolati i geni NOD,

i quali sono trascritti e tradotti nei fattori NOD, polisaccaridi sostituiti con acidi grassi,

solfati, glicerolo, ecc.. I fattori NOD rappresentano la base dell'interazione pianta-

batterio e sono riconosciuti dalla radice, la quale avvia delle vie di trasduzione che

portano alla formazione del nodulo radicale. La parete del pelo radicale si invagina

formando un filamento di infezione, che ospita i batteri che hanno risposto alla

stimolazione della pianta. Il filamento di infezione è formato da vescicole del Golgi delle

cellule del pelo radicale. Il filamento di infezione si avvolge poi su se stesso formando

un agglomerato, finché i batteri non penetrano nelle cellule rivestiti dalla membrana

peribatteroidea; i batteri sono ora meglio chiamati batteroidi e possono procedere con

la fissazione dell'azoto, che arriverà alla pianta tramite gli spazi intercellulari.

Alcuni batteri e alcune alghe fissano l'azoto in un distretto chiamato eterociste, diverso

funzionalmente e biochimicamente dalle altre cellule; all'interno non avviene la

produzione di ossigeno, quindi nei cloroplasti non si ha il PSII (sui tilacoidi granali) e si

ha una parete molto più spessa.

Descrivi l’attività enzimatica del complesso della nitrogenasi

il complesso della nitrogenasi è formato da una ferro proteina e da una ferro-molibdeno

proteina. L'azoto viene fissato e trasformato in ammonio grazie ad una serie di redox; è

un processo dispendioso che costa 16ATP e 8H+ per ogni N2 fissato. L'idrogenasi scinde

l'idrogeno molecolare permettendo ai protoni di contribuire nuovamente alla fissazione.

In presenza di O2, la ferro-molibdeno proteina e la ferro proteina sono inattivate

irreversibilmente. Le leguminose hanno una speciale leghemoglobina che lega O2

evitando che esso inattivi la nitrogenasi: ecco perché i noduli delle leguminose hanno un

colore rosso.

La ferrodossina riduce, ossidandosi, la ferro proteina; idrolizzando 16 molecole di ATP la

ferro proteina riduce la ferro-molibdeno proteina per ogni elettrone che arriva

vengono appunto idrolizzati 2 ATP. La ferro-molibdeno proteina riduce, con 8 H+, N2 a

2NH3 e H2. Analizzando con la GC la quantità di H2 è possibile risalire alla quantità di

ammoniaca prodotta.

La nitrogenasi non catalizza solo la fissazione dell'azoto ma anche altre reazioni:

Riduzione dell'ossido nitroso; N2O N2 + H2O

• →

Riduzione dell'azide; N3- N2 + NH3

• →

Riduzione dell'acetilene; C2H2 C2H4

• →

Riduzione di protoni; 2H+ H2

• →

Idrolisi di ATP; ATP ADP + Pi.

Perché è necessaria per l’assimilazione del solfato in composti organici? Quali sono i

primi passaggi nell’assimilazione dello zolfo?

Lo zolfo è un elemento costituente le molecole organiche vegetali (vedi classificazione

biochimica funzionale). È quindi necessaria la sua assimilazione, che avviene in forma di

solfato SO4--, forma in cui viene anche assorbito. Il solfato è molto stabile e quindi deve

essere attivato. Il solfato e ATP reagiscono per dare APS, cioè adenosina-5'-fosfosolfato e

pirofosfato PP. Questa reazione è termodinamicamente possibile perché accoppiata con

la scissione del PP da parte della pirofosfatasi e con la reazione tra APS e ATP che dà

PAPS + ADP. Il PAPS – 3'-fosfoadenosina-5'-fosfosolfato – è un donatore di gruppi solfato. Il

primo accettore è il glutatione, che diventa S-solfoglutatione. Viene quindi rilasciato

solfito, che è substrato della solfito reduttasi: con l'uso di 6 Fd(rid) il solfito è ridotto a

solfuro, che viene assimilato nella acetilserina formando cisteina. La cisteina è il primo

AA solforato da cui si formeranno gli altri, come la metionina.

Reazione Enzima

Solfato + ATP APS + PP ATP solforilasi

PP 2Pi Pirofosfatasi inorganica

APS + ATP PAPS + ADP APS chinasi

APS S-Solfoglutatione APS-solfotransferasi

→ →

Solfito Solfuro Solfito reduttasi (6Fd(rid) 6Fd(ox))

Serina + AcetilCoA Acetilserina + CoA Serina acetiltransferasi

Solfuro + Acetilserina Cisteina + Acetato Acetilserina tio-liasi

...

Come avviene l’assimilazione del fosfato inorganico?

Il fosfato inorganico viene assimilato con la fosforilazione a livello substrato. La GAP è

substrato della GAPDH, che usando NAD(P)+ e assimilando il fosfato produce 1,3-

difosfoglicerato. Tramite la fosfoglicerochinasi l'ATP reagisce con il difosfoglicerato

dando 3-fosfoglicerato e ATP. Il fosfato è costituente dei nucleotidi ed è implicato in

tutte le reazioni di formazione dell'energia chimica (ATP).

Descrivi come vengono assimilati i principali cationi.

Il Cu viene assimilato dall'acido tartarico, con cui forma dei complessi; il K viene invece

organicato dal malato. Il Ca forma dei pectati di calcio con gli acidi pectici della partete

ma può anche complessarsi con l'acido poligalatturonico. Fe e Mg sono intrappolati dalle

chelatasi nei rispettivi anelli tetrapirrolici. Il Fe può anche essere catturato dai

siderofori, che bloccano il ferro per scambiarlo con altri cationi.

Come viene assimilato l’ossigeno?

L'ossigeno è organicato grazie agli enzimi ossidasi, che sono di due tipi:

Monoossigenasi, che assimilano un solo atomo di O2 mentre l'altro è rilasciato

• come H2O; una monoossigenasi è la Cyt p450 ossidasi.

Diossigenasi, che organicano tutti e due gli atomi di ossigeno sui substrati di

• reazione; alcune sono la lipoossigenasi che forma un idroperossido sull'acido

grasso e la prolil-idrossilasi che catalizza la reazione: Prolina + AKG

Idrossiprolina + succinato + CO2.

Quando possiedono un gruppo OH le molecole sono più polari e possono essere

glicosilate.

Capitolo 10. Fitocromo

Qual è la differenza fondamentale fra l’assorbimento della luce nella

fotomorfogenesi e quello nella fotosintesi?

L'assorbimento della luce nella fotosintesi avviene per la produzione di energia, in forma

di ATP e coenzimi ridotti, che verranno utilizzati per sintetizzare zuccheri.

L'assorbimento di luce da parte del fitocromo provoca invece reazioni fotomorfogeniche,

che portano la pianta a svilupparsi in maniera adatta all'ambiente in cui vive. Con il

fitocromo la pianta riesce a stabilire la lunghezza del giorno e a passare dallo stadio

vegetativo a quello riproduttivo. Il fitocromo e i pigmenti della fotosintesi (parliamo di

clorofille) assorbono entrambi nel blu e nel rosso, ma non nel verde.

Descrivi il processo di fotomorfogenesi e le proprietà fotochimiche del fitocromo.

Che cosa si intende per interconversione?

La fotomorfogenesi è il processo con cui la pianta cresce in risposta alla qualità e alla

quantità della luce. Se si fanno germinare dei semi di mais al buio e alla luce si hanno

risultati completamente diversi: nel primo caso il fusticello è lungo e non fotosintetizza,

mentre nel secondo caso si sviluppa un piccolo fusto con un cotiledone verde.

L'interconversione è la capacità del fitocromo di variare le sue proprietà ottiche a

seconda della luce ricevuta. Quando si ha luce rossa, il Pr è trasformato in Pfr; quando si

ha rosso lontano il Pfr ritorna Pr.

Quali furono le prime osservazioni sulla germinazione dei semi di lattuga che

portarono al classico modello d’azione del fitocromo?

I semi di lattuga al buio non germinano. Se invece sono irradiati con luce rossa

germinano, ma non germinano se irradiati con il rosso lontano; se usiamo di nuovo il

rosso germinano. Se si irradia infine con rosso lontano i semi non germinano. Questo

significa che il fitocromo è sensibile agli ultimi stimoli ricevuti, ed è l'ultimo segnale che

determina gli effetti fotomorfogenici. La luce rossa è quella che in natura prevale per

tutto il giorno, mentre al mattino presto e alla sera prevale il rosso lontano.

La fotoconversione di una forma di fitocromo nell’altra è sempre del 100%? Giustifica

la tua risposta.

Il Pr ha un picco di assorbimento a 666 nm. Il Pfr ha un picco di assorbimento a 730 nm,

ma ha anche una spalla di assorbimento nel rosso. Sia Pr che Pfr assorbono anche nel

blu, a crica 380-400 nm. Quando il Pr è irradiato con luce rossa viene convertito in Pfr,

ma la fotoconversione non è totale perché un po' di Pfr si converte in Pr grazie alla

capacità di assorbire parzialmente nel rosso. La conversione Pr Pfr non è totale. È

totale invece la fotoconversione del Pfr in Pr quando viene fornita luce del rosso

lontano.

Disegna lo spettro di assorbimento del fitocromo.

GRAFICO

Descrivi le proprietà molecolari del fitocromo (parte proteica e cromoforica).

il fitocromo è un dimero costituito da un dominio cromoforico e un dominio proteico. Il

cromoforo è un anello tetrapirrolico aperto chiamato fitocromobilina. Esso è legato

mediante un legame tioestere alla parte proteica del fitocromo. La luce viene assorbita

soltanto quando l'apoproteina è legata alla fitocromobilina. L'unione del cromoforo alla

proteina è autocatalitico e avviene senza uso di enzimi o cofattori. Nel Pr il cromoforo

ha conformazione CIS, cioè l'anello D è posto dalla stessa parte dell'anello C. La luce

rossa converte la forma CIS del Pr in forma TRANS del Pfr, che ha proprietà ottiche

diverse.

Com’è distribuito il fitocromo in una pianta eziolata?

Il fitocromo in una pianta eziolata è concentrato nei meristemi, quindi nell'apice

radicale e nel meristema vegetativo. Questo avviene perché il seme che germina nel

terreno ha bisogno di raggiungere la luce il prima possibile, in modo da costruire delle

strutture fotosintetiche e rendersi autosufficienti.

In che cosa differiscono le piante da “sole” rispetto a quelle da “ombra”?

Le piante eliofile sono quelle che colonizzano per prime i terreni poveri e difficili, per

esempio quelle dopo un incendio o l'eruzione di un vulcano. Esse necessitano, e

sopportano, grandi quantità di luce. Al di sotto delle piante eliofile crescono le piante

sciafile, che invece prediligono una condizione d'ombra. Le piante sciafile utilizzano la

luce filtrata dalle piante eliofile, quindi si servono del rosso lontano: il Pfr viene

trasformato in Pr. La luce che permette la crescita delle piante sciafile è quella che è

filtrata dalle piante eliofile: la principale componente di questa luce è il rosso lontano,

poiché la fotosintesi filtra la luce non assorbita dalle clorofille le quali assorbono a ~400

e a 680-700. Si genera così un'ombra qualitativa.

Che cos’è il rapporto R/FR? Come rispondono le piante da sole e da ombra al variare

del rapporto Pfr/Ptotale?

Il rapporto R/FR, cioè tra la luce rossa e rosso lontano, si misura facendo:

velocità di fluenza fotonica su una banda di 10 nm centrata a 660 nm

R/ FR= velocità di fluenza fotonica su una banda di 10 nm centrata a 730 nm

Il rapporto Pfr/Ptot è il rapporto tra Pfr e il Ptot (PFR + Pr). Quando germina un seme di

una pianta eliofila il rapporto Pfr/Ptot è basso perché è presente poco Pfr, in quanto le

piante adulte fanno filtrare poca luce rossa che converte il Pr in Pfr. Questo stimola la

plantula ad impiegare più risorse possibili nella crescita verso l'alto, in modo da

raggiungere la chioma degli altri alberi in fretta. Questo fenomeno è conosciuto come

'fuga dall'ombra'. Quando c'è tanto Pr c'è meno calcio nelle pareti e quindi la distensione

risulta più facile; per contro, quando c'è più Pfr (una volta che la pianta ha raggiunto il

livello di copertura) il calcio è più abbondante, perciò si ha più robustezza ma

l'accrescimento è più lento. Le piante sciafile non mostrano importanti variazioni della

crescita in seguito all'alterazione del rapporto R/FR.

Qual è il ruolo del fitocromo nei ritmi circadiani?

Grazie al fitocromo la pianta stabilisce la lunghezza delle giornate.

Illustra la via di trasduzione del segnale per il fitocromo.

Capitolo 11. Auxine

Illustra le principali tappe nella scoperta delle auxine. Che cos’è un saggio biologico

e come hanno contribuito i saggi biologici alla scoperta dell’auxina?

Già Darwin ipotizzò la presenza di stimoli che facessero curvare la pianta nella direzione

da cui proviene la luce. Carlo mise un coleottile in una scatola ed esso si curvò nella sola

direzione da cui proveniva la luce, dimostrando il fototropismo delle piante. Nel 1913

Boysen-Jensen riprese questi esperimenti. Nel primo esperimento mise un frammento di

mica, che impedisce il passaggio di sostanze, nell'apice del coleottile. Irradiando dalla

parte in cui era stata posta la mica non avveniva la curvatura, mentre irradiando dalla

parte opposta (con la mica sull'altro lato del coleottile) il coleottile si curvava! Con il

secondo esperimento venne tagliato l'apice e fu frapposto un cubetto di gelatina tra

l'apice e il moncone: la curvatura avvenne e questo dimostrò che lo stimolo può passare

attraverso strati capaci di trasferire le molecole. Nel 1919 Paal continuò questi

esperimenti. Tagliò l'apice del coleottile e lo posizionò su un lato del moncone; il

coleottile si curvò e questo determinò la natura chimica dello stimolo. Infine Went nel

1926 tagliò più apici e li mise su un panetto di gelatina. Tagliò poi il panetto a cubetti e

mise i cubetti sui monconi; anche al buio avvenne la curvatura! La curvatura è inoltre

misurabile in quanto è maggiore quanto più stimolo viene fornito, secondo un

meccanismo di dose risposta. Grafico

Went riuscì anche a determinare la natura chimica dello stimolo in un derivato indolico,

in particolare l'acido β-indolacetico, a cui diede il nome di auxina. Ora con auxine si

intende una famiglia di ormoni, tra cui il 2,4-D, l'IBA e il DICAMBA.

Con saggio biologico si intende un esperimento volto a studiare gli effetti biologici

sull'organismo in seguito a particolari trattamenti, in questo caso l'utilizzo di stimoli

ormonali.

Dove sono sintetizzate nelle piante le auxine e quale ruolo interpretano nello

sviluppo vascolare della foglia?

Le auxine sono sintetizzate principalmente nelle foglie. Il sistema vascolare delle foglie

si sviluppa e si estendo sotto l'influsso delle auxine.

Quali sono le auxine naturali? Quali quelle sintetiche e che utilizzo hanno?

Le auxine naturali sono IAA e IBA; auxine sintetiche sono il 2,4-D e il DICAMBA, ad alte

concentrazioni usate come erbicidi.

Quali sono le principali caratteristiche del modello chemiosmotico per il trasporto

polare dell’auxina? Quali componenti del modello sono stati identificati nelle piante?

Quali sono le prove che supportano il modello?

Il trasporto polare dell'auxina avviene mediante trasportatori presenti in determinate

zone della cellula, che determinano il meccanismo di redistribuzione dell'auxina; PIN1 e

PIN4 hanno distribuzione basale, PIN2 apicale, PIN3 e PIN7 laterale. A pH acido l'auxina

viene protonata diventando IAAH; a pH basico il protone viene perso e si ha IAA-. IAA- è

riconosciuto dai trasportatori, che lo buttano nella parete, dove il pH è acido; qua si ha

la protonazione a IAAH. IAAH è poco polare e può attraversare la membrana

passivamente senza bisogno di trasportatori specifici...

Che cos’è l’ipotesi dell’accrescimento acido per l’azione dell’auxina e quali prove vi

sono a supporto? Come avviene e quali effetti ha sulla cellula?

L'accrescimento acido è il meccanismo di distensione attuato in seguito allo stimolo

delle auxine. La parete delle cellule vegetali è costituita in buona parte da cellulose, le

cui fibrille sono legate da ponti idrogeno. Quando viene ricevuto lo stimolo il pool di

geni responsabili della sintesi delle pompo H-ATPasiche viene trascritto e tradotto. Le H-

ATPasi maturano sul RE e sul Golgi e sono infine montate sulla membrana, dove iniziano

a pompare protoni nella parete. I ponti H si rompono a causa del pH acido,

determinando un calo di resistenza nelle pareti, le cui fibrille di cellulosa slittano una

sopra l'altra; a questo punto avviene la distensione cellulare dovuta all'aumento di

dimensioni del vacuolo. Una volta che la distensione è terminata, la proteina espansina

monta altra parte e ristabilisce i ponti H. Il processo di distensione è irreversibile.

Come avviene la regolazione delle auxine?

Le auxine sono prodotte principalmente nelle foglie, secondo i meccanismi di sintesi

dipendente dal Trp e indipendente dal Trp. Una volta che l'auxina è stata prodotta, essa

può essere trasferita nei distretti in cui esercita i suoi effetti oppure può essere

inattivata con diversi meccanismi: trasporto intercellulare, compartimentazione e

coniugazione.

Discuti sulle relazioni fra coniugazione e ossidazione dell’IAA.

La coniugazione è un metodo con il quale le auxine vengono inattivate – non influiscono

sulle concentrazioni dell'ormone, che possono diventare deleterie – grazie all'unione con

gli zuccheri o meno spesso con gli AA. L'ossidazione, come la decarbossilazione, è invece

un processo con il quale IAA è catabolizzato.

Descrivi l’andamento di una tipica curva dose-risposta indicando le concentrazioni

critiche.

Le auxine, come tutti gli ormoni, funzionano a concentrazioni basse. In una curva dose-

risposta si può notare un picco di effetto (per le auxine di distensione) ad una

concentrazione di 10^-5, ottimale; all'aumentare della concentrazione aumenta anche

l'entità dell'effetto, fino a quando si giunge ad una concentrazione critica, 10^-4. Se più

concentrato l'effetto dell'ormone può essere tossico. Grafico

Quale struttura o quali strutture agiscono per la percezione della gravità nelle

cellule vegetali? Dov’è la localizzazione di queste strutture nel germoglio e nella

radice?

A livello della radice, al di sotto dell'apice radicale c'è una zona chiamata columella;

essa è formata da statociti che contengono statoliti, granuli d'amido coinvolti nel

gravitropismo. Essendo più pesanti, le statoliti si dirigono verso il basso esercitando una

pressione sugli elementi del citoscheletro e sugli organelli. La cellula percepisce questi

spostamenti ed è capace di trasmettere le informazioni alle altre cellule attivando una

distribuzione differenziale delle auxine, le quali andranno a favorire l'accrescimento in

una certa direzione piuttosto che in un'altra. E nel fusto? Non ho capito.


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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze biologiche
SSD:
Università: Torino - Unito
A.A.: 2015-2016

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher stefano.scilipoti 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 Torino - Unito o del prof Maffei Massimo Emilio.

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