Fisiologia vegetale - Appunti

TIOREDOSSINA).

LA FOTORESPIRAZIONE – CICLO C2

La rubisco ha la capacità di catalizzare sia la carbossilazione che l’ossigenazione del

ribulosio-1,5-bifosfato. La carbossilazione genera 2 molecole di 3-fosfoglicerato, mentre

l’ossigenazione produce una molecola di 3-fosfoglicerato e una di 2-fosfoglicolato.

L’ossigenazione catalizzata dalla rubisco da inizio ad una rete coordinata di reazioni

enzimatiche che sono compartimentate nei cloroplasti, nei perossisomi della foglia e nei

mitocondri. Questo processo è noto come fotorespirazione, provoca nelle foglie

fotosinteticamente attive la perdita parziale della CO dal ciclo di Calvin e l’assimilazione

2

simultanea di ossigeno. Come substrati alternativi per la rubisco, CO e O competono per

2 2

le reazioni con il ribulosio-1,5-bifosfato perché la carbossilazione e l’ossigenazione si

verificano all’interno dello steso sito attivo. Il 2-fosfoglicolato formato nei cloroplasti

dall’ossigenazione viene rapidamente idrolizzato a glicolato da una fosfatasi specifica dei

cloroplasti. Il successivo metabolismo del glicolato prevede la cooperazione di altri 2

organuli: il mitocondrio e il perossisoma. Il glicolato esce dai cloroplasti attraverso una

proteina trasportatore specifica della membrana interna e migra verso i perossisomi. Qui,

l’enzima glicolato ossidasi, catalizza l’ossidazione del glicolato producendo H O e

2 2

gliossilato. La catalasi degrada H O liberando O , mentre il gliossilato subisce la

2 2 2

transamminazione con il glutammato, producendo l’amminoacido glicina e l’α-

chetoglutarato. La glicina lascia il perossisoma ed entra nel mitocondrio, dove il complesso

multienzimatico formato da glicina decarbossilasi e serina idrossimetiltrasferasi catalizza la

+

reazione fra 2 molecole di glicina e una di NAD per la produzione di una molecola di

4+

serina, NADH, NH e CO . La nuova serina formata diffonde dal mitocondrio al

2

perossisoma dove è convertita da una transamminazione ad idrossipiruvato (il gruppo

amminico verrà trasferito all’α-chetoglutarato che tornerà ad essere glutammato), che, a

sua volta, è ridotto a glicerato tramite una reduttasi NADH-dipendente. Una navetta

malato-ossalacetato trasferisce il NADH dal citoplasma al perossisoma, mantenendo così

una concentrazione di NADH adeguata. Infine il glicerato rientra nei cloroplasti dove viene

fosforilato ad 3-fosfoglicerato. In parallelo, l’NH4+ rilasciato dall’ossidazione della glicina

diffonde dalla matrice del mitocondrio al cloroplasto, dove la glutammina sintetasi catalizza

la sua incorporazione ATP-dipendente nel glutammato, formando la glutammina. Nel

complesso: da 2 molecole di fosfoglicolato (4 C) si forma 1 molecola di 3-fosfoglicerato

(3C) cioè si recuperano i 3/4 del carbonio dissipato.

Dalla attività ossigenasica della Rubisco 1/4 viene perso come CO . A 25°

2

Carbossilazione/ossigenazione = 3:1 mentre a 35° carbossilazione/ossigenazione = 1:1

cioè la fotorespirazione aumenta all’aumentare della temperatura ambientale. Alcune

famiglie di piante ed altri organismi fotosintetizzanti hanno sviluppato dei meccanisnmi per

sopprimere la fotorespirazione. Alghe e cianobatteri utilizzano delle pompe per la CO2

mentre alcune piante hanno sviluppato degli adattamenti metabolici detti ciclo C4 e

metabolismo CAM. CICLO C4

Molte piante non fotorespirano per nulla o lo fanno in modo molto limitato. Queste piante

posseggono rubisco normali e la loro ridotta fotorespirazione dipende da un meccanismo

di concentrazione di CO2 nell'ambiente in cui si trova la rubisco, sopprimendo così le

reazioni di ossigenazione. I differenti meccanismi che concentrano la CO2 nel sito di

carbossilazione sono:

Le pompe di CO2 della membrana plasmatica; Il primo di questi meccanismi per la

concentrazione della CO2 è presente nelle piante acquatiche, nei cianobatteri e nelle

alghe eucariotiche. Infatti molti organismi acquatici in risposta al cambiamento della

concentrazione di HCO3- dell'ambiente acquoso sviluppano efficaci meccanismi di

concentrazione della CO2, migliorando così la carbossilazione della relativamente

inefficiente rubisco. Infatti, a basse concentrazioni di CO2 le cellule perdono la capacità di

3-

fotorespirare, poiché accumulano HCO nel citosol utilizzando sia pompe per HCO3- sia

per CO2 associate all'azione dei complessi NAD(P)H-deidrogenasi della membrana

plasmatica. In questo processo assume un ruolo centrale una carbonico anidrasi

specializzata, che accelerando la conversione H2CO3 → CO2 + H2O, innalza la

concentrazione della CO2 intorno alla rubisco. Questo arricchimento di CO2 attorno alla

rubisco, quindi, comporta la soppressione dell'ossigenazione e, quindi, della

fotorespirazione. La fissazione fotosintetica del carbonio C4; La via C4 della fotosintesi

(piante che si trovano in ambienti caldi) è stata per molti anni tipicamente riscontrata in

foglie di piante superiori con tessuti vascolari circondati da due tipi distinti di cellule: un

anello interno di cellule della guaina del fascio, circondato da un anello esterno di cellule

del mesofillo. Le prime contengono cloroplasti contenenti grandi granuli di amido e

membrane tilacoidali non granali, mentre le seconde contengono cloroplasti disposti a

caso con tilacoidi granali e amido scarso o assente. Questa particolare struttura assicura

la compartimentazione cellula-specifica degli enzimi essenziali per fornire la CO2 alla via

C4. Infatti, gli enzimi che prendono parte si trovano in uno dei due tipi cellulari: la

fosfoenolpiruvato carbossilasi (PEPCasi) e la piruvato-fosfato dichinasi sono confinate

nelle cellule del mesofillo, mentre le decarbossilasi e tutti gli enzimi del ciclo di Calvin si

trovano nelle cellule della guaina del fascio. Il modello base del ciclo C4 si divide in quattro

fasi: 1) la fissazione della CO tramite la carbossilazione nelle cellule del mesofillo del

2

fosfoenolpiruvato per formare ossalacetato. L'ossalacetato è poi ridotto ad acido malico

dalla NADP-malato deidrogenasi o convertito in aspartato attraverso la transamminazione

con la glutammina; 2) Trasporto degli acidi a quattro atomi di carbonio (malato o aspartato)

nelle cellule della guaina del fascio; 3) Decarbossilazione degli acidi a quattro atomi di

carbonio e la conseguente liberazione della CO2 che viene poi ridotta in carboidrati per

opera del ciclo di Calvin; 4) Trasporto degli acidi a tre atomi di carbonio (piruvato e

alanina) formati durante la decarbossilazione verso le cellule del mesofillo e la

rigenerazione dell'accettore della CO2. La rigenerazione avviene all’interno del cloroplasto

ad opera della piruvato fosfato chinasi con consumo di 2 molecole di ATP (vedi ciclo).

Esistono 3 varianti del ciclo C4:

essenzialmente un solo tipo di tessuto fotosintetico con cellule contenenti cloroplasti, il

mesofillo. Invece, una tipica foglia C4, possiede due tipi distinti di tessuti contenenti cellule

con cloroplasti, il mesofillo e le cellule della guaina del fascio.

METABOLISMO ACIDO DELLE

CRASSULACEE (CAM)

Molte piante che popolano ambienti aridi con disponibilità idrica stagionale, comprese

piante di valore commerciale come l'ananas, i cactus e le orchidee mostrano un terzo

meccanismo in grado di concentrare la CO2 nel sito della rubisco. Questa importante

alternativa per la fissazione fotosintetica del carbonio è definita metabolismo acido delle

Crassulacee (CAM), rendendo onore agli studi iniziali compiuti su una piante di questo

membro. La fotosintesi CAM è generalmente associata a caratteristiche anatomiche che

minimizzano la perdita d'acqua come la presenza di una spessa cuticola, grandi vacuoli e

riduzione dell'ampiezza e della frequenza dell'apertura stomatica. Infatti, le piante CAM

acquisiscono la loro alta efficienza di utilizzo dell'acqua attraverso l'apertura degli stomi

duranti le fresche notti e la chiusura degli stessi durante i giorni caldi e secchi. Chiudere gli

stomi di giorno riduce la perdita di acqua, ma la CO2, siccome condivide con l'H2O la

stessa via di diffusione, deve essere assimilata di notte. Quindi, con l'arrivo del giorno gli

stomi si chiudono, prevenendo così la perdita di acqua e l'ulteriore acquisizione di CO2.

Comunque, nelle piante C4 la formazione degli acidi C4 in uno scomparto (per esempio le

cellule del mesofillo) è separata spazialmente dalla loro decarbossilazione e

riorganicazione della CO2 che deriva attraverso il ciclo di Calvin in un altro scomparto (le

cellule della guaina del fascio). Nelle piante CAM, invece, la formazione degli acidi C4 è

separata sia spazialmente che temporaneamente. Di notte la fosfoenolpiruvato

carbossilasi (PEPCasi) del citosol cattura la CO2 trasformandola in ossalacetato

utilizzando il fosfoenolpiruvato formato attraverso la degradazione glicolitica di carboidrati

accumulati. Una NAD-malato deidrogenasi citosolica converte l'ossalacetato in malato,

che è poi

accumulato nel

vacuolo. Durante il

giorno, il malato

accumulato viene

trasportato nel

cloroplasto e quindi

decarbossilato

tramite meccanismi

simili a quelli

presenti nelle

piante C4; cioè

tramite l'enzima

malico NADP-

dipendente

citosolico, l'enzima

malico NADP-dipendente mitocondriale e la fosfoenolpiruvato carbossichinasi

mitocondriale. La CO2 liberata è fissata nuovamente dal ciclo di Calvin, mentre si ritiene

che gli acidi complementari a tre atomi di carbonio siano convertiti prima in triosi fosfati e

quindi in amido tramite gluconeogenesi. Dipende poi dalla specie di pianta il fatto che i

triosi fosfati vadano nel cloroplasto per essere accumulati come amido o siano trasportati

nel vacuolo per diventare riserve di saccarosio e esosi. La regolazione del metabolismo

CAM richiede che le reazioni di carbossilazione e decarbossilazione, che avvengono nello

stesso compartimento, siano attive in tempi diversi: la carbossilazione deve essere attiva

di notte e la decarbossilazione deve essere attiva solo di giorno. Un esempio di tale

meccanismo di regolazione è quello agente sulla PEP carbossilasi. Questo enzima esiste

in 2 forme: una insensibile all’acido malico (notturna) e una inibita dall’acido malico

(diurna). Le due forme differiscono nello stato di fosforilazione. Di giorno una fosfatasi

defosforila la PEP inattivandola mentre di notte una chinasi la fosforila attivandola.

SINTESI DI AMIDO E SACCAROSIO

L'assimilazione fotosintetica della CO2 atmosferica da parte delle foglie porta alla

formazione di saccarosio e amido come prodotti finali di due vie gluconeogeniche che

sono fisicamente separate: il saccarosio nel citosol e l'amido nel cloroplasto. Alla luce, il

saccarosio è esportato continuamente dal citosol della foglia verso le parti non

fotosintetiche della pianta, m