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Riassunti di Fisiologia vegetale Appunti scolastici Premium

Appunti di fisiologia vegetale basati su appunti personali del publisher presi alle lezioni della prof. Gonnelli dell’università degli Studi di Firenze - Unifi, facoltà di Scienze matematiche fisiche e naturali, Corso di laurea in scienze biologiche . Scarica il file in formato PDF!

Esame di Fisiologia vegetale docente Prof. C. Gonnelli

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In un ambiente ipotonico la concentrazione di soluti presente all'interno della cellula è più bassa rispetto

– a quella presente nell'ambiente esterno. Per tanto l'acqua (assieme ai soluti) fluisce passivamente

dall'ambiente esterno a quello intracellulare cercando di creare isotonicità. In presenza di un ambiente

intracellulare fortemente ipotonico, per ricreare isotonicità, entra passivamente un grande quantitativo

di acqua, che potrebbe lisare la cellula. Questo succede nelle cellule animali, ma non in quelle vegetali, in

quanto vi è la presenza della parete che evita tutto ciò.

In un ambiente ipertonico la concentrazione di soluti presente all'esterno è minore rispetto alla

– concentrazione di soluti intracellulare. Per tanto l'acqua fluisce passivamente dall'ambiente

intracellulare a quello esterno cercando di riequilibrare l'ambiente. In presenza di un ambiente

intracellulare fortemente ipertonico, per ricreare isotonicità, esce passivamente un grande quantitativo

di acqua, che potrebbe degradare la cellule privandola dell'acqua. Mentre nelle cellule animali andiamo

incontro sempre a plasmolisi (e quindi a morte), nella cellula vegetale se la differenza dei potenziali idrici

(ψ) non è elevata è possibile andare incontro al processo di “Plasmolisi reversibile”. Tale processo

prevede che, mentre l'acqua esce dalla cellula, quest'ultima si contrae formando una massa sferica

inglobata e protetta dalla parete cellulare. Generalmente in tale condizione la cellula riesce a

sopravvivere fino a che non ritrova un ambiente più adatto alla vita e ricco d'acqua

Nonostante l'acqua sia in grado di permeare il plasmalemma delle cellule vegetali molto rapidamente, ci sono

delle proteine specifiche in grado di velocizzare tale processo. Queste proteine prendono il nome di

“Acquaporine”. Ogni molecola di acquaporina è caratterizzata da 6 domini transmembrana collegati fra loro

attraverso 5 loop ed anse. Inoltre la prima ansa (esposta verso il citoplasma) e la quinta ansa (esposta verso la

parte extracitosolica) contengono sempre un gruppo idrofobico di amminoacidi del tipo “Asparagina-Prolina-

Alanina” (solo l'asparagina è idrofila). All'interno di questi domini possiamo inoltre trovare la presenza di serine

esposte che possono essere fosforilate. La loro fosforilazione permette cambi conformazionali delle acqueporine

che permettano la loro apertura (passaggio d'acqua al suo interno) o chiusura (l'acqua non passa più all'interno).

Queste acquaporine sono importantissime non solo per il trasporto d'acqua ma anche perché possono

trasportare piccoli soluti neutri e gas (CO2 e gas azotati). Funzionalmente parlando queste molecole sono in

grado di trasportare l'acqua al loro interno grazie alla natura idrofila dell'asparagina presente nelle anse della

proteina stessa. Tale asparagina infatti è carica positivamente e questo attrae l'acqua. Infatti quello che succede è

che 2 asparagine si legano ad una molecola d'acqua che viene coordinata verso il citoplasma. All'arrivo di una

seconda molecola d'acqua, la prima molecola d'acqua rimane legata ad una sola asparagina e poi rilasciata

successivamente nel citoplasma. Le seconda molecola d'acqua verrà immediatamente coordinata e all'arrivo di

una terza molecola d'acqua, la seconda rimarrà legata ad una sola asparagine e poi rilasciata nel citoplasma.

Questo processo continua costantemente, andando a creare una sorta di catena di molecole d'acqua che scorrono

in fila l'una dietro l'altra verso il citoplasma.

RICORDO CHE: Abbiamo visto come fluisce l'acqua nelle cellule vegetali, ma una cosa molto importante è

quella di sapere che la cellula vegetale è in grado di variare attivamente il suo potenziale idrico a seconda delle

necessità. Questo è possibile grazie all'aumento o la diminuzione dell'attività delle pompe protoniche. Infatti

tramite le pompe protoniche possono variare le concentrazioni di soluti intracellulari e quindi essere per tanto

modificati i potenziali idrici (si parla infatti di dominio regolativo osmotico). Infatti:

un aumento dell'attività delle pompe protoniche comporta la fuoriuscita di protoni, che a sua volta

– genera iperpolarizzazione del plasmalemma e acidificazione dell'ambiente extracellulare. A suol tempo

ci sono pompe protoniche che sfruttano la fuoriuscita di protoni per far entrare diversi tipi di soluti e

ioni (come potassio e cloro che sono i maggiori responsabili delle variazioni del potenziale idrico

negativo di una cellula). Quindi vi è un aumento dell'attività delle pompe protoniche aumenta la

concentrazione di soluti e ioni che a sua volta varia il potenziale idrico della cellula

una diminuzione dell'attività delle pompe protoniche comporta una minor fuoriuscita di protoni,

– riducendo l'iperpolarizzazione del plasmalemma. A suol tempo con l'inattività delle pompe protoniche,

quest'ultime non possono trasportare soluti o ioni.

IL SISTEMA DI CONDUZIONE DELL'ACQUA NELLE PIANTE

Abbiamo visto come le cellule vegetali riescano a regolare il giusto quantitativo d'acqua al suo interno attraverso

la variazione del potenziale idrico. Abbiamo parlato di cos'è il potenziale idrico, di cosa sia il potenziale osmotico

e la pressione osmotica, e fatto tutti i vari esempi riferiti agli ambienti in cui la cellula può trovarsi a vivere.

Detto ciò è molto importante anche parlare del fatto che l'acqua ed i soluti disciolti in essa di muovono dal suolo

verso l'atmosfera, attraverso una serie di processi altamente dipendenti dalla variazione del potenziale idrico.

Quando l'acqua e i soluti disciolti si muovono secondo un determinato flusso dipendente dal potenziale idrico,

parliamo di “Flusso di massa”. Una cosa importantissima è il tipo di suolo con la quale abbiamo a che fare,

infatti se è un terreno sabbioso avrà bassa ritenzione idrica e bassa disponibilità idrica (perché le particelle sono

grandi e con ampi spazi fra l'una e l'altra e quindi l'acqua non viene trattenuta per bene), se abbiamo un terreno

argilloso invece avrà ottima ritenzione e disponibilità idrica (perché le particelle sono piccole e con ridotti spazi

fra l'una e l'altra e quindi l'acqua viene trattenuta bene). Ogni suolo presenta quindi due caratteristiche:

la capacità di campo, ovvero la quantità d'acqua massima che un suolo può trattenere dopo saturazione

– o percolazione (dipende dalla granulometria del suolo, ovvero dalla dimensione delle particelle)

potenziale idrico del suolo, dipendente dalla concentrazione di soluti e ioni disciolti nell'acqua.

– Solitamente nel suolo non ci sono tanti soluti, per cui il potenziale idrico è molto alto (circa 0)

Una volta parlato del suolo, parliamo dei due grandi tessuti conduttori della pianta, Xilema e Floema

La conduzione dell'acqua all'interno della pianta è fondamentale non solo per motivi biochimici, ma anche per

permettere una corretta termoregolazione. La conduzione dell'acqua viene svolta dagli elementi vascolari.

Gli elementi vascolari fanno parte dell'apoplasto della cellula e possono fondamentalmente essere considerati

come dei veri e propri tubi che comunicano l'uno con l'altro attraverso delle punteggiature. Tutti questi elementi

vascolari sono racchiusi in due grandi tessuti conduttori della pianta: lo xilema ed il floema.

1 ] Il floema è detto anche comunemente col nome di “Tessuto cribroso” e rappresenta il tessuto conduttore che

trasporta fondamentalmente la linfa elaborata, ovvero una soluzione di acqua e sostanze organiche prodotte a

partire alla fotosintesi. Tale trasporto segue la direzione opposta percorsa dalla linfa grezza, ovvero va dalle

foglie (che infatti attuano fotosintesi) e arriva agli altri distretti della pianta. [ Direzione: Foglie → Suolo ].

Il floema è caratterizzato da una serie di tubi più o meno spessi che prendono il nome di crittogame vascolari e

tubi cribrosi. Alcuni di questi tubi (crittogame vascolari o i tubi cribrosi), a loro volta caratterizzati da cellule

floematiche (dette anche cellule cribrose). Tali cellule generalmente una volta maturate, sono vive

(differentemente da quelle xilematiche che a maturità sono morte), anche se non presentano elementi come il

nucleo, i ribosomi e l'apparato del golgi. Le pareti cellulari non presentano lignificazione ed interagiscono fra

loro per permettere il trasporto della linfa elaborata. Ricordo anche che i tubi cribrosi, rispetto alle crittogame

vascolari sono più grandi e riescano a trasportare una quantità di linfa elaborata maggiore.

2 ] Lo xilema sostanzialmente costituisce il legno della pianta e può essere considerato come un insieme di tubi

capillari di varia dimensione e spessore definiti come “Tracheidi” e “Trachee”. Prima di parlare delle tracheidi e

delle trachee, è giusto dire il perché prendono il nome di tubi capillari. Questi tubicini infatti riescano a

trasportare l'acqua grazie al fenomeno della “Capillarità”, che consiste nel passaggio dell'acqua all'interno di

tubi molto sottili. Tale fenomeno è spiegato dall'esistenza di due forze: di adesione e di coesione!! La forza di

adesione è la forza di attrazione che vige tra le molecole d'acqua e la parete del tubicino (trachea o tracheide).

La forza di coesione è la forza di attrazione che vige tra le molecole d'acqua presenti all'interno del tubicino.

Quando la forza di adesione è maggiore della forza di coesione allora il liquido entra nel tubicino per capillarità!

Detto ciò, spendiamo due parole per parlare di questi tubi capillari, ovvero delle tracheidi e delle trachee:

Le tracheidi sono dei vasi chiusi formati da una singola cellula avente forma allungata e appuntita.

– Tali cellule sono definibili come “Elementi tracheidali” e sono caratterizzate da molte punteggiature e da

pareti cellulari molto sottili e comunicanti fra loro, in modo tale da favorire il passaggio di acqua e soluti

da una tracheide alla tracheide adiacente. Quando tante tracheidi adiacenti l'una con l'altra permettano

il trasporto di acqua e soluti, si viene a formare un tubo capillare che generalmente presenta un

diametro molto stretto (attorno ai 30 micron), che limita notevolmente la velocità di trasporto

Le trachee sono dei vasi aperti formati da tante cellule sovrapposte l'una con l'altra a formare un tubo

– capillare avente diametro molto più grande rispetto a quello dei tubi capillari delle tracheidi (infatti

abbiamo un diametro di 150 micron), e questo comporta una velocità di trasporto notevolmente

maggiore. Ogni cellula che forma le trachee viene comunemente definita come “Elemento tracheale” ed

è caratterizzata dalla mancanza sia di citoplasma che di organuli (infatti si dicano “morte a maturità”).

Tali cellule presentano anche una parete cellulare spessa e lignificata, che permette loro di non collassare

sotto la tensione generata durante il passaggio dell'acqua.

Ognuno di questi tubi capillari (formati da elementi tracheidali o tracheali) fondamentalmente ha la funzione di

trasportare la linfa grezza (soluzione di acqua e sali minerali) nella pianta. Tale linfa grezza, viene inizialmente

assorbita dal suolo attraverso le radici, per poi essere trasportata in tutta la pianta tramite lo xilema.

Il sistema di trasporto generalmente va dalle radici verso le parti più apicali della pianta (ovvero le foglie).

Meccanismo di assorbimento dell'acqua attraverso le radici della pianta: fenomeno di “Assorbimento”

In poche parole quello che succede è che l'acqua si trova nel suolo (che può essere più o meno ricco di acqua a

seconda della sua granulosità e composizione). Quest'acqua presente nel suolo viene assorbita inizialmente dalla

radice della pianta, ma per poter passare dalla radice alle altre parti della pianta, l'acqua deve superare i vari

strati tessutali che compongono la radice stessa, per poi raggiungere le vie xilematiche (tubi capillari) grazie al

quale viene trasportata nelle altre parti della pianta. Dobbiamo sapere quindi che la radice è formata da

l'esoderma, il rizoderma, il cilindro centrale ed infine l'endoderma.

L'esoderma è la parte più superficiale della radice ed è per tanto colei che è diretto contatto con l'acqua

– presente nel suolo. Tale esoderma è rivestita per circa il 60-70% da strutture definite come

“Peli radicali”, che sono delle estensioni di cellule epidermiche in grado di aumentare la capacità di

assorbimento di acqua e sali minerali (linfa grezza).

L'acqua assorbita dai peli radicali fluisce negli altri tessuti interni della radice seguendo una certa

– direzione orientata dal potenziale idrico, attraverso la via simplastica (attraverso i plasmodesmi) e

apoplastica (attraverso le parti permeabili della parete cellulare e gli spazi intracellulari). Dall'esoderma

la linfa grezza raggiunge quindi il rizoderma della radice e successivamente arriva al cilindro centrale

(caratterizzato a sua volta dal periciclo, costituito da fasci cribrosi e da tubi capillari dello xilema).

Raggiunto il cilindro centrale la linfa grezza decorre verso l'endoderma, a sua volta costituito dalle

– cellule di Caspary, caratterizzate da pareti altamente suberificate e quindi impermeabili. Tali cellule di

Caspary vanno a comporre quello che in gergo prende il nome di “Banda di Caspary”. Grazie a questa

banda di cellule impermeabili viene inibita la via di trasporto apoplastica e quindi la linfa grezza è

costretta a fluire attraverso la via simplastica. Attraverso la via simplastica la linfa grezza viene

indirizzata verso i tubi capillari dello xilema (secondo il potenziale idrico), attraverso cui riuscirà ad

essere trasportata dalla radice alle altre zone apicali della pianta

RICORDO CHE: L'endoderma è in grado di indirizzare la linfa grezza verso i fasci xilematici grazie al fatto che

questo tessuto può accumulare contro gradiente di concentrazione (trasporto attivo mediato da pompe

protoniche attraverso spesa di ATP) determinati ioni come il potassio, favorendo l'insorgenza di un potenziale

idrico definito come “Pressione radicale” (pressione non molto grande che vale generalmente sempre meno di

0,1Mpascal). Tale pressione radicale spinge la linfa grezza verso i tubi capillari dello xilema, grazie al quale

riuscirà a raggiungere tutte le altre parti della pianta). Per questo motivo è importantissimo non annaffiare

troppo la pianta. Infatti annaffiando costantemente e troppo la pianta, la pianta non respira e quindi non riesce

ad approvvigionare l'ossigeno atmosferico. Senza ossigeno non c'è ovviamente ATP. Senza ATP l'endoderma

della radice non può accumulare contro gradiente determinati ioni come il potassio. Senza l'accumulo di ioni non

si viene a creare una differenza di potenziale (ddp), senza la quale non si forma ovviamente la pressione radicale.

Senza una pressione radicale non viene indirizzato il flusso di massa (linfa grezza) verso i vasi capillare xilematici

e quindi la pianta appassisce perché verrà pian piano privata di linfa grezza e gas come l'ossigeno!!

Per evitare che alla pianta succeda tutto questo, la pianta stessa è in grado di espellere acqua attraverso il

fenomeno di “Guttazione”, reso possibile da particolari stomi modificati che prendono il nome di “Idatodi”,

presenti prevalentemente nelle foglie.

Meccanismo di assorbimento dell'acqua attraverso le foglie: fenomeno di “Traspirazione”

Abbiamo detto poc'anzi che l'acqua viene trasportata dalle radici alle parti più apicali della pianta attraverso lo

xilema. Questo è reso possibile dal fatto che nasce una certa pressione radicale, che non supera quasi mai gli

0,1Mpascal. Se considero però una pianta alta 100 metri, la pressione radicale non può permettere all'acqua di

fluire dalle radici alle foglie apicali della pianta stessa, poiché è troppo bassa. Necessiterebbe infatti di una

pressione radicale pari a circa 30 volte tanto la pressione radicale massima della pianta (circa 3 Mpascal).

La domanda che sorge spontanea quindi è: “come fanno le piante alte 100 metri a portare l'acqua dalle radici

alle foglie più apicali??”. La risposta è data dalla teoria della tensione-coesione!!

Tale teoria ci spiega che oltre alla pressione radicale, possono formarsi altre pressioni negative o tensioni, in

grado a loro volta di aumentare la pressione radicale e permettere quindi il trasporto dell'acqua fino a 100 metri.

Le pressioni negative e le tensioni vengono prodotte dal fenomeno di traspirazione delle foglie e dalle proprietà

dell'acqua stessa (che fungono da dipoli coordinati fra loro). Prima di parlare della teoria di “Tensione-coesione”

e del fenomeno di “Traspirazione”, è fondamentale avere ben chiaro di come sia fatta una foglia!!

Ogni foglia è formata anatomicamente parlando dalla guaina, la cuticola, il picciolo e la lamina fogliare.

La parte iniziale è la guaina è costituita prevalentemente da fibre

– La cuticola che è formata da due strati di cellule epidermiche ben compattate fra loro. Tali cellule sono

– rivestite da materiali come cere, cutina e lignina che rendono parzialmente impermeabile la foglie

Il picciolo rappresenta il collegamento fra il fusto e la foglia e permette l'ingresso nella foglia di tutti i

– vasi xilematici e l'uscita dalla foglia stessa di tutti i vasi cribrosi (floematici), dando vita alla cosiddetta

“Nervatura fogliare”

La lamina fogliare rappresenta difatto il corpo della foglia, ed è rivestita esternamente dalla cuticola, ed

– internamente dal Mesofillo. Il mesofillo è caratterizzato da due tessuti: un parenchimatico a palizzata

(tessuto ricco di cloroplasti, deputato alla fotosintesi) ed un tessuto lacunoso (tessuto ricco di stomi che

favoriscono il passaggio di gas e liquidi dall'interno all'esterno della foglia e viceversa). Nel mezzo ai due

tessuti della lamina fogliare passano le nervature fogliari formatosi dal picciolo, che si dirameranno fino

alla parte più apicale della foglia

Una volta detto ciò possiamo capire come funziona il fenomeno della traspirazione. Tale fenomeno avviene grazie

alla differenza di potenziale idrico che nasce fra l'atmosfera esterna e alcune componenti della foglia. Quando

avviene la traspirazione, l'atmosfera esterna presenta un potenziale idrico di circa 100 volte più basso rispetto al

potenziale idrico della foglia (a 25 gradi centrigradi), ed infatti quello che succede è che si viene a creare un

potenziale osmotico, secondo cui l'acqua fluisce dalla componente a più alto potenziale idrico (la foglia) alla

componente a più basso potenziale idrico (l'atmosfera), dando vita a traspirazione (perdita d'acqua).

La fuoriuscita dell'acqua (traspirazione) avviene attraverso gli stomi, localizzati prevalentemente nel tessuto

lacunoso della lamina fogliare. Ogni stoma viene definito anche come “Complesso stomatico” ed è caratterizzato

da due cellule stomatiche chiamate “Cellule di guardia”. Tali cellule sono molto piccole, presentano cloroplasti ed

una parete cellulare ispessita, e sono parzialmente separate fra loro da uno spazio chiamato “Rima stomatica”.

Sotto lo stoma c'è una camera definita come “Camera sottostomatica”, la quale ha la funzione di contenere

l'acqua e alcuni gas come la CO2 e l'O2. In genere nella camera sottostomatica devono esserci due condizioni:

la prima è che la pCO2 della camera sottostomatica dev'essere minore della pCO2 dell'atmosfera e la seconda è

che il potenziale idrico della camera sottostomatica dev'essere maggiore del potenziale idrico dell'atmosfera.

Infatti nel caso in cui uno di questi parametri non sia coerente, lo stoma si apre nel tentativo di regolarlo.

Al mattino il potenziale idrico (pH20) della foglia è maggiore di quello dell'atmosfera (si apre lo stoma)

– Primo pomeriggio il pH20 della foglia è minore del pH20 atmosferico (si chiude lo stoma)

– Tardo serata il pH20 della foglia riaumenta e diventa più alto del pH20 atmosferico (si riapre lo stoma)

– Durante la notte il pH20 della fogli ricala e diventa più basso del pH20 atmosferico (si richiude lo stoma)

Abbiamo visto che quando determinati valori di pH20 e pCO2 fra atmosfera e stoma divergano, lo stoma si apre

nel tentativo di ricreare un equilibrio. La domanda è: come avviene l'apertura e la chiusura dello stoma??

La risposta sta nelle cellule di guardia!! Quello che succede infatti è che il potenziale idrico dello stoma si abbassa

perché le cellula di guardia accumulano ioni come il potassio ed il cloro attraverso delle pompe protoniche.

L'effetto è che con la riduzione del potenziale idrico, l'acqua per pressione osmotica, tende ad andare all'interno

delle cellule di guardia che aumentano di volume divenendo turgide. Quando le cellule di guardia hanno

raggiunto la condizione di turgore, si incurvano e viene aperta la rima stomatica (ovvero lo spazio che intercorre

fra le due cellule) e quindi viene aperto lo stoma. Viceversa quando il turgore viene perso, vi è la chiusura della

rima stomatica con conseguente chiusura dello stoma. Oltre al potenziale idrico, altri fattori che possono indurre

l'apertura e la chiusura dello stoma sono il calore, la pCO2 e l'umidità atmosferica.

RICORDO CHE: Questo sistema di regolazione dell'apertura e chiusure degli stomi è fondamentale perché se lo

stoma rimanesse aperto troppo a lungo potrebbe indurre alla disidratazione l'intera pianta.

RICORDO CHE: la traspirazione è influenzata anche da fattori ambientali come temperatura (all'aumentare

della temperatura l'acqua evapora di più), intensità della luce (la luce scalda la foglia e stimola l'apertura dello

stoma), umidità (aumento del potenziale idrico atmosferico, induce la chiusura dello stoma) ed il vento

(tanto vento porta via l'umidità e quindi riduce il potenziale idrico atmosferico. Con pH20 della foglia > pH20

atmosferico, lo stoma di apre)

Una volta definita la struttura anatomica della foglia e degli stomi, e visto nello specifico il fenomeno della

traspirazione, possiamo definire il concetto della teoria tensione-coesione. Le forze di adesione ricordo che sono

forze di attrazione che vigono tra le molecole d'acqua e le pareti delle vie xilematiche. Le forze di coesione sono

forze di attrazione che si instaurano tra le molecole d'acqua presenti all'interno delle vie xilematiche. Quando la

forza di adesione è maggiore della forza di coesione allora l'acqua sale per le vie xilematiche per capillarità!!

La teoria di Tensione-coesione ci dice che a seguito della traspirazione, aumentano le forze di adesione e

diminuiscono le forze di coesione. A seguito di ciò si viene a creare una tensione (che a sua volta è inversamente

proporzionale al raggio della superficie incurvata dell'acqua), che consente la formazione di menischi concavi tra

gli spazi intercellulari delle foglie. La forte tensione generata, aumenta pian piano la pressione radicale, che

permette la risalita dell'acqua stessa tramite i tubi capillari dello xilema. Ecco che quindi possiamo definire che il

trasporto dell'acqua dalle radici alle parti più apicali della pianta è reso possibile da:

Traspirazione (che induce un aumento della pressione radicale)

– Pressione radicale (che spinge l'acqua dalle radici alle foglie più apicali)

– Energia solare (che favorisce la traspirazione. Questo succede perché l'energia solare e l'acqua sono

– fondamentali per fare la fotosintesi, grazie alla quale viene prodotto l'ossigeno e glucosio (ATP). Grazie

ad essi è possibile fare la traspirazione)

LA FOTOSINTESI CLOROFILLIANA (FASE LUMINOSA)

La fotosintesi è un processo chimico-fisico attraverso il quale organismi viventi come le piante, le alghe ed i

batteri fotosintetici sfruttano l'energia luminosa per sintetizzare composti organici. Infatti:

↑↑

Come possiamo notare dalla reazione qui sopra indicata ( ), la fotosintesi per poter avvenire necessita di

anidride carbonica, acqua e luce solare. Grazie ad una serie di reazioni biochimiche e fisiche, tali reagenti di

partenza vengono poi trasformati in prodotti come il glucosio e l'ossigeno. Il glucosio ovviamente viene utilizzato

dalla pianta come fonte di carbonio organico e quindi come fonte di energia (da qui infatti deriva l'auototrofismo

della pianta, ovvero la possibilità di auto prodursi materiale organico da sola). L'ossigeno invece viene liberato

nell'ambiente ed è un elemento indispensabile per la vita sul nostro pianeta. Basti pensare che senza l'ossigeno gli

organismi aerobi (come l'uomo ad esempio) non potrebbero vivere, ma se approfondiamo ulteriormente il

discorso potremo vedere anche che la mancanza di ossigeno risulterebbe letale per tutti gli organismi viventi!!

Infatti le molecole ossigeno (che ricordo essere biatomiche.. “O2”) a contatto con i raggi UV del sole vengono

scisse secondo la reazione: [ O2 + luce → 2O ]. Ovviamente l'ossigeno monoatomico è molto instabile ed

interagisce con l'ossigeno biatomico circostante andando a formare l'ozono secondo la reazione: [ O + O2 → O3 ]

In questo modo a livello della stratosfera si forma uno strato di ozono che prende il nome di “Ozonosfera”, il

quale è fondamentale per assorbire quasi la totalità delle radiazioni UV emesse dal sole che irraggiano il nostro

pianeta, secondo la reazione: [ O3 + luce → O2 +O ]. Se non ci fosse l'ozonosfera, le radiazioni UV e tutte le altre

radiazioni cosmiche non verrebbero assorbite e quindi risulterebbero letali per qualsiasi organismo vivente.

Un altra cosa molto positiva sta nel fatto che nonostante la sua complessità ed importanza, la fotosintesi è un

processo che avviene continuamente a costo energetico pari a zero. Infatti, la luce solare è gratis. Tutto inizia dal

sole, una stella di dimensioni pari a circa 110 volte quella del nostro pianeta, caratterizzata per lo più da gas

come idrogeno (75%), elio (24%) e alti elementi pesanti (rimanente 1%).

Nel sole, in un primo momento abbiamo atomi di prozio (1H) che è un isotopo dell'idrogeno

– caratterizzato da un solo protone. Gli atomi di prozio si fondono fra loro dando vita al deuterio (altro

isotopo dell'idrogeno). Tale reazione libera grandi quantità di positroni: [ 1H + 1H → 2H + positroni ]

Il deuterio a sua volta reagisce con altri atomi di prozio dando vita all'elio, con liberazione di energia

– sotto forma di radiazioni. [ 2H + 1H → He + Radiazioni elettromagnetiche + calore ]

Le radiazioni elettromagnetiche che noi comunemente chiamiamo “Luce”, percorrono 150 milioni di

– chilometri in circa 8 minuti alla velocità di 300000km/s, e giungono quindi sul nostro pianeta. Una volta

arrivate, l'ozonosfera scherma la maggior parte di queste radiazioni elettromagnetiche

Una piccola parte di queste radiazioni elettromagnetiche riesce a superare l'ozonosfera e giungere sulla

– terra a contatto con le piante ed altri organismi fotosintetici. Le piante attraverso alcuni pigmenti sono

in grado di assorbire parte di queste radiazioni (solo quelle che emettono nell'UV-V) e trasformarle in

energia chimica [ Energia luminosa → Energia chimica ]

Una volta vista l'importanza della fotosintesi dobbiamo iniziare a capire come funziona, e per farlo,

dobbiamo avere ben chiari i concetti di “Luce” e di “Pigmenti fotosintetici”

La luce fondamentalmente può essere vista sia come una radiazione (sotto forma di onde elettromagnetiche), che

come un fascio particellare costituito da particelle chiamate “Fotoni”. Per dare una definizione universale,

possiamo definire la luce come un onda elettromagnetica formata da campo elettrico ed un campo magnetico

perpendicolari fra loro aventi una certa lunghezza d'onda, frequenza, velocità ed energia:

lunghezza d'onda (λ) → indica la distanza fra due picchi

– frequenza (ν) → indica il numero di onde nel tempo (n / s)

– velocità d'onda → la velocità della luce è costante (300000km/s) e dipende dal prodotto di due variabili

– (λ e ν). Per tanto all'aumentare della lunghezza d'onda possiamo dire che diminuisce la frequenza.

Sono difatto inversamente proporzionali fra loro!! [ C = λ* ν ]

Energia → l'energia luminosa è calcolabile tramite la legge di Planck: [ E = h * ν ]

– (dove “h” indica la costante di Planck, ovvero 6,626*10^-34J , mentre “ν” indica la frequenza).

INFATTI: Se l'onda elettromagnetica ha una lunghezza d'onda alta, avrà una frequenza bassa (perché

come abbiamo visto prima, sono inversamente proporzionali fra loro), ed avendo una frequenza bassa

avrà anche un energia bassa!! Se invece l'onda elettromagnetica ha una lunghezza d'onda bassa, avrà

una frequenza alta e quindi un energia alta!!

Le piante e gli altri organismi fotosintetici riescano ad assorbire infatti solo radiazioni elettromagnetiche

con determinate lunghezza d'onda (UV-V → 390-700nm). A tali lunghezze d'onda le radiazioni

presentano un certa frequenza ed energia. Quest'energia sarà poi trasformata in energia chimica.

Nel caso in cui le lunghezze d'onda siano troppo basse, la frequenza sarebbe alta e quindi anche

l'energia, che risulterebbe incompatibile con la vita (raggi gamma, raggi X e raggi UV).

Nel caso in cui le lunghezze d'onda siano troppo grandi, la frequenza sarebbe bassa e quindi anche

l'energia, che risulterebbero essere non utilizzabili dagli esseri viventi (IR e microonde e onde radio).

Lo spettro elettromagnetico indica l'insieme di tutte le possibili frequenze delle radiazioni elettromagnetiche.

Sulla base dello spettro elettromagnetico possiamo capire anche l'entità di uno spettro di assorbimento, il quale ci

fornisce la quantità di energia luminosa assorbita in un certo intervallo di frequenza, ovvero quanti fotoni sono

stati assorbiti in una certa lunghezza d'onda. Secondo la legge di Stark-Einstein, un atomo può assorbire un

fotone alla volta causando l'eccitazione di un elettrone. L'elettrone eccitato passa da l'orbitale meno energetico e

quello più energetico (fase di eccitazione). Quando però il fotone va via, l'elettrone ritorna allo stato

fondamentale e ripassa dall'orbitale più energetico a quello meno energetico (fase di de-eccitazione).

Durante la fase di de-eccitazione viene liberata energia e calore. Quando dagli atomi passiamo alle molecole la

questione di complica.. infatti nella molecole generalmente gli elettroni sono messi in compartecipazione fra più

atomi e compiono movimenti intramolecolari formando dei sottolivelli energetici vibrazionali che danno vita

anch'esse ad emissione di energia. Per questo motivo quando prendiamo in considerazione le molecole ogni

orbitale energetico è diviso in sottolivelli vibrazionali che possono essere eccitati da fotoni con una certa

lunghezza d'onda. Quando il numero di sottolivelli energetici aumenta talmente tanto da produrre ΔE sempre

più piccoli, l'assorbimento avviene nel visibile. Infatti il pigmento è una molecola che presenta un numero di

sottolivelli energetici eccitati molto alto, tanto da produrre ΔE sempre più piccoli, ed assorbe luce nel visibile.

La modalità di eccitazione e de-eccitazione elettronica varia a seconda anche del tipo di molecola considerata e

dall'intorno chimico delle molecole (ovvero dove si trova la molecola e l'entità dei cambiamenti dei sottolivelli).

1 ] La prima modalità di de-eccitazione è quella per “Decadimento non radiante”, che viene attuata da molecole

che hanno tanti sottolivelli energetici vibrazionali (come ad esempio i nostri pigmenti). In poche parole abbiamo:

fase di eccitazione: una molecola viene colpita dalla luce. Una volta colpita, i fotoni eccitano gli elettroni

– che passano dallo stato a bassa energia a quello ad alta energia.

fase di de-eccitazione: gli elettroni eccitati passano dallo stato a più alta energia a quello a più bassa

– energia. Questo viene definito come “Rilassamento vibrazionale”. A seguito del rilassamento

vibrazionale viene quindi liberata energia sotto forma di calore (dissipazione termica)

2 ] La seconda modalità di de-eccitazione è quella per “Fluorescenza”. Durante questo fenomeno abbiamo che:

fase di eccitazione: un fascio di luce ad una certa lunghezza d'onda, colpisce una molecola. I fotoni fanno

– quindi eccitare gli elettroni che passano dallo stato a bassa energia a quello ad alta energia

fase di de-eccitazione: gli elettroni eccitati passano dallo stato a più alta energia a quello a più bassa

– energia rilasciando all'inizio calore (termalizzazione) e la rimanente parte di energia sotto forma di luce

(fluorescenza) avente determinate caratteristiche come:

- lunghezza d'onda maggiore e frequenza minore

- energia minore [ Energia totale – Termalizzazione = Energia luminosa (fluorescenza) ]

Ad esempio la clorofilla è una molecola che segue un modello di de-eccitazione per fluorescenza.

Infatti l'elettrone dopo esser stato eccitato, riemette calore e fluorescenza

3 ] La terza modalità di de-eccitazione è quella per “Fosforescenza”. Durante questo fenomeno abbiamo che:

fase di eccitazione: un fascio di luce ad una certa lunghezza d'onda, colpisce una molecola. I fotoni fanno

– quindi eccitare gli elettroni che stavolta passano da uno stato a più alta energia (singoletto, ovvero

elettroni con spin antiparalleli) ad uno stato a più bassa energia in cui si forma un tripletto eccitato (che

consiste nella presenza di due elettroni spaiati con lo stesso spin). Il passaggio che porta il singoletto a

formare il tripletto eccitato è detto “Intersystem Crossing”

fase di de-eccitazione: lo stato di tripletto eccitato torna allo stato di singoletto. Per poter far questo

– avviene un cambiamento di spin con conseguente riemissione di luce ad energia minore (fosforescenza).

Il meccanismo di fosforescenza per poter avvenire necessita di molto tempo, però ha la peculiarità di

rimanere per lungo tempo. Infatti la fosforescenza permane anche per qualche minuto dopo fase di

de-eccitazione

4 ] La quarta modalità di de-eccitazione è quella per “Trasmissione”. In questo fenomeno si assiste al

trasferimento di energia tra fluorofori. Il trasferimento di energia può avvenire per risonanza o per collisione:

La trasmissione per risonanza viene detta anche “Forsters”, e vede partecipi un fluoroforo accettore ed

– un fluoroforo donatore che presentano uno spettro di emissione sovrapponibili o parzialmente

sovrapponibili (ovvero molto molto simili fra loro). In questo caso abbiamo che:

- fase di eccitazione: il fluoroforo donatore viene eccitato dalla luce. I fotoni fanno eccitare gli elettroni

che passano dallo stato a più bassa energia allo stato a più alta energia.

- fase di eccitazione: gli elettroni eccitati passano successivamente dallo stato a più alta energia a quello a

più bassa energia. A seguito di ciò viene rilasciata energia che viene parzialmente trasmessa attraverso

interazioni dipolo-dipolo ad un fluoroforo accettore, che viene eccitato. I fotoni fanno eccitare gli

elettroni che passano dallo stato a più bassa energia a quello a più alta energia. Poco dopo gli elettroni

eccitati vanno incontro ad una de-eccitazione con conseguente liberazione di energia sotto forma di

fluorescenza [ TALE TRASMISSIONE VIENE OSSERVATA NELLE CLOROFILLE!! ]

La trasmissione per collisione viene detta anche “Dexter”, e vede partecipi un fluoroforo accettore ed un

– fluoroforo donatore che presentano uno spettro di emissione sovrapponibili o parzialmente

sovrapponibili (ovvero molto molto simili fra loro). In questo caso abbiamo che:

- fase di eccitazione: il fluoroforo donatore viene eccitato dalla luce. I fotoni fanno eccitare gli elettroni

che passano dallo stato a più bassa energia allo stato a più alta energia.

- fase di eccitazione: il fluoroforo eccitato urta il fluoroforo accettore e trasmette parte della propria

energia tramite un processo chiamato “Quenching”. A questo punto il fluoroforo accettore diviene

eccitato, in quanto gli elettroni passano dallo stato a più bassa energia a quello a più alta energia.

Poco dopo gli elettroni eccitati vanno incontro ad una de-eccitazione con conseguente liberazione di

energia sotto forma di fluorescenza [ TALE TRASMISSIONE AVVIENE NEI CAROTENOIDI!! ]

5 ] La quinta modalità di de-eccitazione è quella per “Fotossidazione”. Questo fenomeno è molto simile al

decadimento non radiante, solo che l'energia luminosa stavolta viene utilizzata da una molecola ossidata, la quale

viene quindi ridotta. In poche parole abbiamo che:

fase di eccitazione: una molecola (come ad esempio la clorofilla), viene eccitata dalla luce. I fotoni fanno

– eccitare gli elettroni che passano dallo stato a più bassa energia a più alta energia.

fase di de-eccitazione: gli elettroni eccitati passano successivamente dallo stato a più alta energia a quello

– a più bassa energia. A seguito di ciò viene rilasciata in un primo momento dagli stati energetici superiori

energia termica (termalizzazione), ed in un secondo momento viene rilasciata la rimanente energia dagli

stati energetici inferiori sotto forma di energia luminosa (fluorescenza). Questa energia va quindi ad

irraggiare una seconda molecola riducente (ossidata). Tale molecola passa quindi dallo stato ossidato

allo stato ridotto (fenomeno di fotossidazione). In questo processo abbiamo quindi la trasformazione

dell'energia luminosa in energia chimica (che permette la riduzione della molecola ossidata).

Parliamo di alcuni dei pigmenti fotosintetici importanti: Clorofilla, Carotenoidi e le Ficobiliproteine algali

1 ] La clorofilla ha una struttura molto simile all'emoglobina, infatti si tratta di un composto tetrapirrolico,

ovvero formato da quattro anelli pirrolici, che derivano dalla protoporfirina IX. Al centro della molecola è

presente uno ione magnesio (Mg2+) che attua 4 legami con gli azoti degli anelli pirrolici (di cui due legami

covalenti e due legami di coordinazione). Oltre a ciò, possono legarsi anche dei sostituenti come molecole di

fitolo, attraverso la formazione di legami esteri. Le clorofille possono essere di tre tipi:

Clorofilla-A, presente in tutti gli organismi che attuano una fotosintesi ossigenica, come le piante, nelle

– alghe verdi, rosse e nei cianobatteri. Tali molecole sono caratterizzate dalla classica struttura

tetrapirrolica, solo che presentano anche:

- un gruppo metilico (-CH3) legato al C4

- un residuo propionico legato con fitolo, legati a sua volta al C7

- la presenza di alcuni elettroni delocalizzati che rendono particolarmente attiva questa molecola e ben

disposta a partecipare a reazioni redox e transizioni elettronica (come nella trasmissione per risonanza)

La clorofilla-B, presente nelle piante, nelle alghe verdi, nelle euglene e in alcuni cianobatteri.

– Tali molecole sono caratterizzate dalla classica struttura tetrapirrolica, solo che presentano anche:

- un gruppo aldeidico (-CHO) legato al C4

- un residuo propionico legato con fitolo, legati a sua volta al C7

- la presenza di alcuni elettroni delocalizzati che rendono particolarmente attiva questa molecola e ben

disposta a partecipare a reazioni redox e transizioni elettronica (come nella trasmissione per risonanza)

La clorofilla C1 e C2, sono presenti per lo più nelle diatomee, alghe brune e dinoflagellati. Esse sono

– sempre delle strutture tetrapirroliche, solo a livello del C7 non presentano il fitolo ma l'acido acrilico.

Detto ciò, nel caso della clorofilla-C1 abbiamo un sostituente in , solo che nel caso della clorofilla-C1

abbiamo la presenza di un gruppo etile (-CH2-CH3) in C3, nel caso della clorofilla-C2 abbiamo la

presenza di un gruppo vinilico (-CH=CH2) in C3

Le batterio-clorofille, sono presenti in alcuni batteri fototrofi. Tali molecole presentano la classica

– struttura tetrapirrolica, solo che presentano:

- gruppo vinilico in C2

- abbiamo una riduzione in C3 e C4

Tutte queste molecole di clorofilla in conclusione, una volta colpite dalla luce vengono eccitate e successivamente

subiscono un processo di de-eccitazione per fluorescenza, emissione di calore, trasmissione per risonanza o

fotossidazione. Qualsiasi essa sia la modalità con la quale la clorofilla viene de-eccitata, la finalità è che allo

spettro di assorbimento notiamo due picchi, uno nel rosso (665nm) ed uno nel blu (430nm), che sovrapposti

danno la colorazione verde (non a caso la clorofilla è verde). Generalmente notiamo anche che lo spettro di

assorbimento è leggermente diverso a seconda che la clorofilla si trovi in vivo o in vitro, da qui possiamo notare

come effettivamente lo spettro di assorbimento delle clorofille possa variare a seconda dell'intorno chimico in cui

si trova la molecola (parliamo infatti di “Eterogeneità delle clorofille”).

RICORDO CHE: nel caso della fluorescenza gli stadi elettronici decadono molto rapidamente e questo comporta

una riemissione sempre nel rosso, attorno ai 670nm!!

2 ] I carotenoidi sono molecole caratterizzata da una catena carboniosa di 35-40 atomi di carbonio, detta catena

polienica, che inizia con un anello e termina con altra struttura anellare a sei atomi terminali che prendono il

nome di β-ionone. A livello della catena carboniosa sono presenti almeno nove o più legami coniugati (un legame

coniugato nasce quando in una molecola ci sono due o più atomi di carbonio contigui che vengono legati con

doppi legami del tipo C=C. Infatti nel caso del carotenoide ne abbiamo almeno 9 di doppi legami C=C).

La presenza di questi legami coniugati permette ai carotenoidi di assorbire la luce nel visibile a lunghezze d'onda

nel giallo, rosso e nel bruno, ed infatti la sovrapposizioni di questi colori porta al colore arancio, tipico di queste

molecole!! Fra i carotenoidi più importanti abbiamo i Caroteni (come il β-carotene ed il licopene), e le Xantofille

(come la Zeaxantina e la Violaxantina e la fucoxantina) che si trovano nelle piante e nelle alghe. Tali sostanze

sono molto importanti soprattutto per le loro proprietà antiossidanti, in quanto sono in grado di ridurre molecole

ossidate. Infatti sono molto importanti soprattutto per combattere i radicali liberi, che a loro volta sono causa di

ingenti danni a livello morfo-strutturale per le varie cellule. Inoltre il β-carotene inoltre funge da precursore per

la sintesi della vitamina-A nell'uomo, infatti viene definito come una pro-vitamina-A. Tale β-carotene infatti una

volta ingerito con l'alimento (ad esempio le carote), viene subito trasformato in cis-retinale, che viene

trasformato in trans-retinale, attraverso un processo fotossidativo. A questo punto il trans-retinale viene

trasformato in retinolo (che sarebbe la vitamina-A). La vitamina-A viene trasportata dalla proteina-RBP nel

sangue, fino ad arrivare a destinazione. Una volta arrivata a destinazione viene riconosciuta dai recettori di

membrana delle cellule, si stacca la proteina-RBP, e la vitamina-A può svolgere la sua funzione a livello cellulare

(antiossidante).

3 ] Le Ficobiliproteine sono delle proteine ritrovabili soprattutto nei cianobatteri e nelle alghe rosse.

Strutturalmente sono costituite da una proteina legata ad una catena aperta di tetrapirrolo, grazie al quale

assorbono la luce. Alcune di queste proteine sono le ficoeritrine, le ficocianine e le alloficocianine, che all'univoco

vanno a formare un grande complesso proteico che prende il nome di “Ficobilisoma”. Questi ficobilisomi sono

abbondantemente presenti a livello della membrana dei tilacoidi del cloroplasto, ed hanno la funzione di

assorbire luce a lunghezza d'onda inaccessibili per la clorofilla (infatti assorbano dai 500nm ai 600nm) ed

utilizzarla per la fotosintesi, dalla quale verrà poi prodotto ossigeno e glucosio.

L'evento primario della fotosintesi è quello di assorbire la luce, senza la quale la stessa fotosintesi non potrebbe

avvenire. Abbiamo visto infatti come i vari pigmenti come la clorofilla e i carotenoidi assieme al complesso del

ficobilisoma, siano in grado di assorbire grandi quantità di energia luminosa, che verrà poi trasformata in

energia chimica tramite fotosintesi. Una cosa molto importante però è che solo una, tra queste molecole, attua

fotosintesi, ed è una particolare clorofilla (quella del centro di reazione), tutte gli altri pigmenti sono utilizzati per

captare la luce e trasferirla alla clorofilla del centro di reazione. Questi pigmenti vengono definiti infatti come

“Pigmenti antenna”. Questi pigmenti antenna (carotenoidi e ficobilisomi) sono importantissimi, perché di per se

la clorofilla del centro di reazione riuscirebbe ad assorbire pochissima luce (circa qualche fotone al secondo), è

necessario quindi che i pigmenti antenna assorbino grandi quantitativi di luce e la mandino alla clorofilla del

centro di reazione, grazie alla quale avverrà fotosintesi.

[ Luce → Pigmenti antenna → Clorofilla-B → Clorofilla-A → Clorofilla del centro di reazione → Fotosintesi ].

Questo andamento è unidirezionale, poiché la clorofilla-A e la clorofilla-B, assorbano rispettivamente a 670nm e

650nm. Una volta eccitate e de-eccitate, l'energia liberata è diversa. La differenza di energia liberata viene persa

sotto forma di calore, e la probabilità che questo gap venga colmato è nulla. Per questo motivo il verso seguirà

sempre un andamento unidirezionale che prevederà un andamento da molecola a più alta energia a molecola a

più bassa energia.

Dopo aver parlato dei pigmenti fotosintetici, passiamo adesso a capire com'è fatto il cloroplasto

Il cloroplasto è un organulo presente nelle cellule vegetali di piante ed alghe. Tale organulo rappresenta a tutti gli

effetti la sede della fotosintesi, presenta dimensioni attorno ai 2-10 micrometri ed è strutturalmente formato da

tre membrane di rivestimento:

La membrana liscia esterna è il primo strato di rivestimento del cloroplasto, ed è formata dal classico

– doppio strato fosfolipidico semipermeabile e selettivo (fa entrare ed uscire solo determinate sostanze)

La membrana liscia interna è il secondo strato di rivestimento del cloroplasto, ed è formata da un

– doppio strato fosfolipidico ricco di proteine integrali che mediano il trasporto di sostanze e molecole

glucidiche e proteiche dal citoplasma al cloroplasto e viceversa (carriers)

Il sistema di membrane tilacoidale rappresenta la parte di rivestimento più interna del cloroplasto.

– Si tratta fondamentalmente di un sistema di membrane cave al suo interno che si ripiegano su se stesse,

interconnettendosi fra loro a formare una sorta di sistema di membrane unitario. Tutta la clorofilla

presente nella cellula è fondamentalmente contenuta all'interno del sistema di membrana tilacoidale, ed

è per questo che tale sistema rappresenta a tutti gli effetti anche la sede della fotosintesi. All'interno di

questo sistema di membrane troviamo un fluido denso che prende il nome di stroma. All'interno dello

stroma troviamo prevalentemente due sezioni: il “Margo” (dove abbiamo la presenza di molte proteine

strutturali, vari enzimi fotosintetici, gocce lipidiche, DNA, tracce di granuli d'amido e ribosomi), e la

“Partizione” (dove c'è soprattutto un gran numero di tilacoidi). I tilacoidi a loro volta possono essere

associati l'uno all'altro a formare una sorta di lamella che prende il nome di “Lamella dei grana”,

oppure non essere associati fra loro formando la cosiddetta “Lamella stromatica”.

L'interno dei vari tilacoidi prende ad ogni modo il nome di lume tilacoidale.

A livello della membrana tilacoidale ricordo che vi è una grande presenza di clorofille e pigmenti antenna. Tali

molecole non sono legate covalentemente alla membrana tilacoidale, bensì sono legate direttamente alle proteine

della membrana tilacoidale, attraverso specifiche interazioni pigmento-proteina di membrana. Questo permette

l'ottenimento di due caratteristiche: l'eterogeneità (grazie al quale l'intorno chimico condiziona lo spettro di

assorbimento) e una geometria spaziale definita (che permette il trasferimento di energia).

Tali pigmenti, presenti sulla membrana dei tilacoidi, assorbono quindi la luce, che viene trasformata in

energia chimica attraverso la fotosintesi. Guardiamo finalmente come avviene il processo di fotosintesi

Per capire come si svolge la fotosintesi dobbiamo iniziare a capire i vari esperimenti fatti da “Emerson”.

1 ] Nel primo esperimento Emerson fondamentalmente misura la resa energetica della fotosintesi in relazione

alla lunghezza d'onda del fascio di luce assorbito. In poche parole quello che nota è che aumentando la lunghezza

d'onda del fascio di luce, la resa energetica della fotosintesi diminuiva sempre di più. Erano difatto inversamente

proporzionali fra loro. Infatti, la resa energetica della fotosintesi può essere intesa come il reciproco del numero

dei fotoni assorbiti necessari a ridurre una molecole di CO2, ovvero: [ 1CO2 / numero di fotoni ] e generalmente

il numero di fotoni necessari a ridurre una molecola di CO2 in O2 è pari a 10. Per questo motivo otteniamo:

[ 1CO2 / 10 → 1/10 → 0,1 ]. Mediamente la resa energetica della fotosintesi è 0,1, però Emerson nota che

aumentando la lunghezza d'onda del fascio di fotoni (luce) assorbito dai pigmenti, diminuisce anche la resa della

fotosintesi. Già attorno ai 500nm inizia a calare fino a che attorno ai 690-700nm (nel rosso) la resa energetica è

praticamente nulla e quindi non c'è fotosintesi!! Questo fenomeno prende il nome di “Red Trop”.

2 ] Nel secondo esperimento Emerson misurò invece la velocità con la quale avviene la fotosintesi, utilizzando un

fascio di luce a due lunghezze d'onda differenti (uno per volta) e poi entrambi i fasci di luce in contemporanea.

In poche parole notò che la velocità con la quale avveniva la fotosintesi era notevolmente maggiore nel caso in cui

venivano utilizzati contemporaneamente i due fasci di luce a lunghezza d'onda differenti, rispetto a sommare le

energie derivanti dai due fasci di luce singoli. Per cui: [ AX > A+X ]. Questo fece capire ad Emerson che l'effetto

dell'illuminazione più alta era dovuto ad un effetto sinergico chiamato “Effetto Emerson”. Da questa scoperta,

dimostrata attorno agli anni 50', fu fornita la prova inconfutabile del fatto che la fotosintesi è condotta da due

fotosistemi che lavorano in sinergia: Il fotosistema-I ed il fotosistema-II.

il fotosistema-I, detto anche PSI (Photo-Sistem-I). Esso assorbe fondamentalmente nel rosso lontano

– (700nm) e produce un forte agente riducente capace di ridurre il [NADP+] in un debole agente ossidante

il fotosistema-II, detto anche PSII (Photo-Sistem-II). Esso assorbe fondamentalmente nel rosso (680nm)

– e produce due cose: un forte agente ossidante (capace di ossidare l'acqua) ed un debole agente riducente

(in grado di ridurre il debole agente ossidante prodotto dal fotosistema-I)

Questi due fotosistemi lavorano sinergicamente fra loro e in serie, per portare a termine le prime reazioni della

fotosintesi e accumulare energia. Schematicamente la fotosintesi (e quindi i due fotosistemi) possono essere

rappresentati dal cosiddetto “Schema Z” (perché somiglia ad una zeta traslata). In questo schema notiamo come

il fotosistema-I e fotosistema-II siano separati fra loro nella membrana tilacoidale, infatti il centro di reazione del

fotosistema-II si trova nelle lamelle del grana (che ricordo essere formati da una serie di tilacoidi associati),

mentre il fotosistema-II si trova nelle lamelle stromatiche (che ricordo essere formati dai tilacoidi non associati

fra loro). Questi due fotosistemi sono uniti da un complesso del “Citocromo-B6F”, che permette il passaggio degli

elettroni dal fotosistema-II al fotosistema-I permettendo così la riduzione del debole agente ossidante prodotto.

Il complesso del Citocromo-B6F, ed altri tre complessi proteici come il fotosistema-I, il fotosistema-II e

l'ATP-sintasi funzionano grazie a dei trasportatori di elettroni, ovvero proteine che presentano un cofattore in

grado di ossidarsi e ridursi. Alcune di esse sono:

Citocromi: presentano il gruppo EME, in cui lo ione ferrico (Fe 3+) centrale, dopo aver acquisito un

– elettrone tende a passare allo stato ridotto Fe 2+ (ione ferroso). [ (Fe 3+) + e → (Fe 2+) ]

Proteine Fe-S (ferro-zolfo): questa molecola è in grado di acquisire un elettrone e ridursi, ma il numero

– di ossidazione del ferro non cambia, perché è tutto il cluster (ovvero la molecola) che accetta l'elettrone!!

Plastocianine: detta “PC”, piccola proteina solubile presente nel lume tilacoidale caratterizzata da un

– atomo centrale di rame (Cu 2+) che accetta un elettrone e viene ridotto a (Cu+) [ (Cu 2+) + e → (Cu +) ]

Chinone (QA, QB e Plastochinoni): sono dei composti ciclici a sei atomi di carbonio aventi due carbonili

– in posizione para, infatti vengono considerati generalmente come composti difenolici. Esso è in grado di

accettare due elettroni e due protoni. In poche parole abbiamo:

- Il chinone (QA) accetta un elettrone e viene semiridotto in semichinone (Q-) [ QA + e → Q- ]

- Il semichinone cede il proprio elettrone ad un secondo chinone (QB) che viene semiridotto in (Q-).

contemporaneamente abbiamo che Q- torna QA. [ (Q-) - e → QA ///// QB + e → Q- ]

- Come terza cosa QA accetta nuovamente un elettrone e viene semiridotto nuovamente in semichinone,

che a sua volta riduce ancora di più l'altro semichinone derivante da QB, che prende due protoni dallo

stroma e diventa chinolo. [ QA + e → Q- ///// (Q-) + (Q-) → (Q=) + 2H → QH2 ]

La Feofitina: rappresenta il primo accettore di elettroni del fotosistema-II. Tale molecola deriva dalla

– clorofilla per sostituzione del magnesio centrale con due atomi di idrogeno. Ovviamente:

- dalla clorofilla-A → feotitina-A

- dalla clorofilla-B → feofitina-B

Dopo aver visto le proteine trasportatrici di elettroni, possiamo quindi parlare dei complessi proteici che

operano a livello dello schema Z: il PSII, il citocromo B6F, il PSI e il complesso dell'ATP-sintasi.

Generalmente quando parliamo dello schema Z possiamo riassumere il suo andamento nel seguente modo:

inizialmente nel lume dei tilacoidi il fotosistema-II (PSII) ossida l'acqua e da tale reazione vengono

– rilasciati protoni nel lume tilacoidale (utilizzati dall'ATP-sintasi per produrre ATP). Il fotosistema-II è

inoltre in grado di portare alla formazione di molecole di plastochinone (PQ)

successivamente il citocromo B6F ossida le molecole di plastochinone in plastocianine (PQ → PC),

– rilasciando elettroni del fotosistema-I (PSI). L'ossidazione di plastochinone in plastocianine è resa

possibile dal trasferimento di protoni (utilizzati dall'ATP-sintasi per produrre ATP)

PSI sfrutta gli elettroni per svolgere una serie di reazioni che terminano con la riduzione di NADP in

– NADPH, tramite l'enzima ferrodossina

[ FOTOSISTEMA-II → CITOCROMO B6F → FOTOSISTEMA-I → COMPLESSO DELL'ATP-SINTASI ]

1 ] Il fotosistema-II (PSII) è un complesso proteico ancora più grande rispetto al fotosistema-I ed è colui che

permette la fotosintesi ossigenica (ovvero quella che produce ossigeno). Tutti gli organismi fotosintetici che non

hanno il PSII ma presentano solo il PSI, non sono in grado infatti di produrre ossigeno (come ad esempio alcuni

batteri). Difatto il fotosistema-II rappresenta una forma di evoluzione per quanto riguarda gli organismi

fotosintetici. Il PSII è caratterizzato da due sistema antenna (uno esterno ed uno interno), da moltissime proteine

trasportatrici di elettroni (come la tirosina-Z, i carotenoidi, la Feofitina ed i chinoni: QA e QB), e da una coppia

di clorofille che funge da donatore primario di elettroni e da centro di reazione. Questa coppia di clorofille sono

in grado di assorbire ad una lunghezza d'onda massima di 680nm, ed è per questo che il centro di reazione del

fotosistema-II prende il nome di “P680” (che sta per Pigmento-680nm). Le varie componenti del centro di

reazione (P680) sono organizzate attorno ad una serie di proteine che si dispongono con un certo orientamento

spaziale, acquisendo forme e funzioni relative alla loro tridimensionalità. Queste proteine sono dette: Psa-D1,

Psa-D2, Psb-B, Psb-C, Psb-D, Psb-E e Psb-F, ed oltre a ciò abbiamo anche i complessi LHCB e OEE.

Psa-D1 e Psa-D2 interagiscono fra loro formando difatto il core strutturale del centro di reazione, al

– quale sono legate altri cofattori presenti nel PSII

Psb-B e Psb-C legano rispettivamente i pigmenti antenna (carotenoidi, clorofille-A) all'antenna interna

– Psb-D lega il cofattore QA e fornisce il secondo ligando per il centro di reazione

– Psb-E e Psb-F svolgono un ruolo protettivo

– Il complesso LHCB è formato da una serie di molecole antenna, atte a catturare la luce, e rappresenta a

– tutti gli effetti l'antenna esterna del PSII

Il complesso per l'evoluzione dell'ossigeno, detto in inglese “Oxigen Evolving Complex” (OEC) o anche

– detto “Oxygen Evolving Enancher” (OEE) viene definito anche come complesso per la fotolisi

dell'acqua. Infatti quello che avviene è che due molecole d'acqua vengono ossidate per produrre

ossigeno, attraverso la reazione: [ 2H20 → 4(H+) + 02 + 4e ].

Il complesso OEE strutturalmente parlando è formato da una molecola di calcio (Ca 2+), cinque molecole di

ossigeno (O) e quattro ioni manganese (Mn), dei quali tre svolgono funzione strutturale (quindi compongono

strutturalmente questo complesso proteico) ed uno invece è funzionale [ Formula bruta: Mn4CaO5 ].

Per capire come funziona il complesso OEE dobbiamo fare un salto indietro a circa 60 anni fa, negli anni 60', con

l'esperimento di Joliot. In questo esperimento Joliot prende dei cloroplasti e gli mette al buio. Una volta fatto ciò

osserva la quantità di ossigeno prodotto a seguito dell'esposizione dei cloroplasti a dei lampi di luce. A seguito dei

primi lampi la quantità di ossigeno prodotta era ridotta, ma a seguito del quarto lampo di luce vide una

produzione di ossigeno molto alta e capì da ciò l'esistenza di un sistema a caricamento degli stati S, permesso dal

complesso OEE. Infatti l'ossigeno veniva prodotto a seguito di una fotolisi dell'acqua, che oltre all'ossigeno

produce anche protoni ed elettroni secondo la reazione: [ 2H20 → 4(H+) + 02 + 4e ]. Normalmente il potenziale

redox dell'acqua è 0,82V, mentre quello della clorofilla è 1,2V e l'acqua per tanto tende a cedere elettroni come

alla clorofilla, perché 1,2V è maggiore di 0,82V e gli elettroni si muovano da un potenziale redox minore ad un

potenziale redox maggiore. Via via che che la clorofilla assorbe elettroni dall'acqua, il suo potenziale redox si

riduce fino a che non arriverebbe ad essere più basso di quello dell'acqua (potenziale clorofilla < 0,82V ).

Per evitare questo ecco che infatti subentra il complesso OEE che permette al potenziale della clorofilla di non

scendere mai sotto quello dell'acqua (altrimenti si potrebbe invertire il flusso elettronico). Schematicamente

l'esperimento fatto da Joliot, fu rappresentato inizialmente da uno schema abbastanza esemplificato basato sul

cambiamento del numero di ossidazione del manganese, ogni qual volta si verifica un lampo di luce:

Ovviamente però è spiegato in maniera molto più dettagliata nello schema di Kok, definito anche come “Ciclo di

Kok”. Tale ciclo prevede dei riarrangiamenti tra i legami stipulati tra atomi di manganese e l'acqua. I quattro

atomi di manganese infatti sono associati all'OEE e ad ogni lampo di luce il sistema perde un elettrone, che

tramite la tirosina-Z viene ceduto al centro di reazione (P680). Il centro di reazione assorbe elettroni aumentando

il suo potenziale redox fino a raggiungere un potenziale tale da strappare elettroni all'acqua ( X > 1,2V ).

STATO S0: è lo stato iniziale rappresentato dalla clorofilla al buio. In questo caso l'OEE presenta 4Mn,

– di cui tre strutturali (con numero di ossidazione +3,+4,+4) ed uno funzionale (con numero di ossidazione

+2). Il Mn2+ è l'unico infatti che interagisce con il calcio e l'atomo di cloro coordinando assieme ad essi

due molecole d'acqua. In poche parole arriva il primo fotone, viene assorbito da P680 che si eccita e

riemette un elettrone. Ciò induce l'istidina a rilasciare un protone (H+) che a sua volta riprende dalla

tirosina-Z. La tirosina-Z deprotonata riprende il proprio fotone dalla seconda molecola di acqua.

A seguito di ciò avviene un riarrangiamento conformazionale che porta il terzo protone (H3) ad essere

condiviso fra le due molecole d'acqua e si forma anche un elettrone spaiato

STATO S1: abbiamo visto quindi che il terzo protone (H3) è condiviso fra le due molecole d'acqua.

– A questo punto succede che il terzo protone passa dalla seconda molecola d'acqua alla prima molecola

d'acqua (che viene deprotonata). A seguito di ciò, il manganese (Mn 2+) cede un elettrone alla molecola

d'acqua deprotonata, divenendo così Mn 3+. Arriva quindi il secondo fotone, viene assorbito da P680

che si eccita e riemette un elettrone. Ciò induce l'istidina a rilasciare un protone (H+) che a sua volta

riprende dalla tirosina-Z. La tirosina-Z deprotonata riprende il proprio fotone dalla seconda molecola di

acqua. A seguito di ciò avviene un riarrangiamento conformazionale che porta il quarto protone (H4) ad

essere condiviso fra le due molecole d'acqua e si forma anche un elettrone spaiato

STATO S2: abbiamo visto quindi che il quarto protone (H4) è condiviso fra le due molecole d'acqua.

– A questo punto succede che il quarto protone passa dalla seconda molecola d'acqua alla prima molecola

d'acqua (che viene deprotonata). A seguito di ciò, il manganese (Mn 3+) cede un elettrone alla molecole

d'acqua deprotonata, divenendo così Mn 4+. Il manganese in questa situazione si trova legato

all'ossigeno della prima molecola d'acqua attraverso un doppio legame formando un oxo-manganese.

Arriva quindi il terzo fotone, viene assorbito da P680 che si eccita e riemette un elettrone. Ciò induce

l'istidina a rilasciare un protone (H+) che a sua volta riprende dalla tirosina-Z. La tirosina-Z

deprotonata riprende il proprio fotone dalla seconda molecola di acqua. A seguito di ciò avviene un

riarrangiamento conformazionale che porta alla formazione di un radicale perossido, costituito da due

ossigeni legati a ponte fra Mn +4 e Ca 2+ e si forma anche in tal caso un elettrone spaiato

STATO S3: abbiamo visto che si forma il radicale perossido tra il manganese (4+) ed il calcio (2+).

– A questo punto succede che il Mn 4+ recupera un elettrone dal radicale superossido generando Mn 3+.

Arriva quindi il quarto fotone, viene assorbito da P680 che si eccita e riemette un elettrone. Ciò induce

l'istidina a rilasciare un protone (H+) che a sua volta riprende dalla tirosina-Z. La tirosina-Z

deprotonata riprende il proprio fotone dalla seconda molecola di acqua. A seguito di ciò avviene un

riarrangiamento conformazionale che porta alla formazione dello stato S4

STATO S4: consiste in poche parole nella fotolisi. Infatti viene liberata la molecola di ossigeno e l'OEE

– va a interagire nuovamente con altre due molecole di acqua (riformando così lo stato S0). Ricordo che:

- O2 → viene liberata in seguito a fotolisi

- H+ → viene rilasciato dall'istidina ogni volta che arriva un fotone. Infatti abbiamo quattro fotoni per

un totale di quattro protoni (4H+)

- 4e → vengono liberati dal manganese via via che passa da stati ossidati a stati ridotti

- alla fine abbiamo ottenuto fotolisi: [ 2H20 → 4(H+) + 02 + 4e ]

A seguito della fotolisi dell'acqua i quatto elettroni prodotti vengono captati da una molecola accettore, ovvero la

Feofitina, che viene quindi ridotta. Successivamente la feofitina viene ossidata e l'elettrone viene preso da un

complesso di due chinoni (QA e QB). Successivamente succede che:

Il chinone (QA) accetta un elettrone e viene semiridotto in semichinone (Q-) [ QA + e → Q- ]

– Il semichinone cede il proprio elettrone ad un secondo chinone (QB) che viene semiridotto in (Q-).

– contemporaneamente abbiamo che Q- torna QA. [ (Q-) - e → QA ///// QB + e → Q- ]

Come terza cosa QA accetta nuovamente un elettrone e viene semiridotto nuovamente in semichinone,

– che a sua volta riduce ancora di più l'altro semichinone derivante da QB, che prende due protoni dallo

stroma e diventa chinolo. [ QA + e → Q- ///// (Q-) + (Q-) → (Q=) + 2H → QH2 ] ]

2 ] Il complesso del citocromo-B6F è una grande proteina caratterizzata da molte subunità aventi numerosi

gruppi prostetici. Strutturalmente è formata dal “Citocromo-F”, formato rispettivamente da un gruppo EME di

tipo B (Citocromo-B) ed un gruppo EME di tipo C (Citocromo-C). Oltre a ciò abbiamo la presenza di una

proteina di Rieske, che non è altro che una proteina ferro-zolfo formata da due atomi di ferro legati a due atomi

di zolfo (2Fe-2S). Oltre al citocromo e alla proteina di Rieske, abbiamo la presenza di due siti di ossidoriduzione

del chinone. Tale complesso serve a trasportare elettroni e protoni dal fotosistema-I al fotosistema-II.

Il flusso di elettroni e protoni mediato dal complesso del citocromo-B6F prende il nome di “Ciclo dei chinoni”.

In poche parole le molecole di chinolo prodotte precedentemente dal fotosistema-II, vengono ossidate, ovvero gli

viene strappato due elettroni. Uno dei due elettroni segue la catena di trasporto elettronica lineare, mentre l'altro

elettrone va incontro ad un processo ciclico (ciclo dei chinoni). Infatti abbiamo che:

Arriva una molecola di chinolo (QH2), viene ossidata ed otteniamo i due elettroni

– Il primo elettrone viene donato alla proteina di Rieske che successivamente cede l'elettrone al

– citocromo-F che trasferisce l'elettrone alla plastocianina (PC) riducendola (Cu 2+ → Cu+ ).

La plastocianina a sua volta cede l'elettrone al centro di reazione (P700), riducendolo. Da qui verrà

quindi ad iniziare il fotosistema-I, che vedremo poi nelle pagine successive!!

Il secondo elettrone viene donato al citocromo-B (a basso potenziale) che si riduce. Il citocromo-B ridotto

– cede il suo elettrone ad un secondo citocromo-B (ad alto potenziale) riducendolo. Il secondo citocromo-B

cede il suo elettrone al chinone (Q), riducendolo a semichinone (Q-). Questo processo avviene per due

volte e si vengono a formare due semichinoni che si riducono ancora di più a vicenda.

La molecola risultante accetta due protoni dallo stroma e diventa quindi chinolo.

- [ QB + e → Q- ] [ QB + e → Q- ]

- [ (Q-) + (Q-) → Q= ] → [ (Q=) + 2(H+) → QH2 ]

Il QH2 appena prodotto viene quindi ossidato e darà vita nuovamente a due elettroni che verranno a

loro volta sfruttati rispettivamente per ridurre P700 (via lineare) e per riformare QH2 (via ciclica)

3 ] Il fotosistema-I è un complesso proteico di grandi dimensioni formato da dodici polipeptidi differenti.

In tale complesso abbiamo la presenza di 3 centri Fe4-S4 (centri ferro-zolfo che fungano ovviamente come

trasportatori di elettroni, formati da quattro molecole di ferro e di zolfo associati a formare una struttura

cubica), una molecola di fillochinone (vitamina-K1), 200 molecole di clorofilla (delle quali la maggior parte sono

delle clorofille-A che si trovano legate a proteine), ed una coppia di clorofille che funge da donatore primario di

elettroni e da centro di reazione. Questa coppia di clorofille sono in grado di assorbire ad una lunghezza d'onda

massima di 700nm, ed è per questo che il centro di reazione del fotosistema-I prende il nome di “P700” (che sta

per Pigmento-700nm). Le varie componenti del centro di reazione (P700) sono organizzate attorno ad una serie

di proteine che si dispongono con un certo orientamento spaziale, acquisendo forme e funzioni relative alla loro

tridimensionalità. Queste proteine sono dette: Psa-A, Psa-B, Psa-C, Psa-D, Psa-E, Psa-F e Psa-J

Psa-A e Psa-B hanno una massa di circa 83 Kdalton. Tali proteine, interagiscono fra loro formando

– difatto il core strutturale del centro di reazione, al quale sono legate altri cofattori presenti nel PSI

Psa-C, Psa-D e Psa-E supportano la sintesi di vari trasportatori di elettroni come i centri Fe-S

– Psa-F e Psa-J invece supportano la sintesi di vari trasportatori di elettroni come le Plastocianine

– Abbiamo anche LHCA che invece è formato da una serie di molecole antenna, atte a catturare la luce.

– Esso è formato da tutti quei pigmenti antenna non coinvolti nel centro di reazione (200 clorofilla-A)

In poche parole quello che succede è che:

se l'organismo non presenta il fotosistema-II (organismo che non fa fotosintesi ossigenica) allora il centro

– di reazione (P700) viene eccitato dai fotoni assorbiti dal sistema antenna (LCHA)

se l'organismo presenta il fotosistema-II (organismo che fa fotosintesi ossigenica) allora il centro di

– reazione (P700) viene eccitato direttamente dalla plastocianina (PC) che si ossida riducendo P700

successivamente i passaggi sono analoghi, ovvero il centro di reazione è strettamente associato ad altri

– cofattori (vitamina K1, centri Fe-S e plastochinoni) attraverso le proteine Psa-A e Psa-B. Infatti quello

che succede è che il centro di reazione ridotto cede una coppie di elettroni alla vitamina K1. Da questa

fase abbiamo che il centro di reazione si ossida ed la vitamina K1 si riduce

dopo di che il centro di reazione ossidato è nuovamente pronto per essere ridotto. Mentre la vitamina K1

– cede la propria coppia elettronica al centro Fe-S, che viene ridotto. Da questa fase abbiamo che la

vitamina K1 viene ossidata ed il centro di reazione Fe-S si riduce

la vitamina K1 ossidata è quindi pronta per essere nuovamente ridotto dal centro di reazione. Mentre il

– primo centro Fe-S cede la coppia elettronica al secondo centro Fe-S che viene ridotto. Il secondo centro

Fe-S ridotto va quindi a dare la propria coppia di elettroni ad un terzo centro Fe-S che verrà ridotto.

La coppia di elettroni dell'ultimo Fe-S ridotto verrà utilizzata per ridurre il NADP in NADPH+H,

– attraverso l'ausilio dell'enzima NADP-riduttasi (ferrodossina-NADP-reduttasi, detta anche FNR)

RICORDO CHE: la ferrodossina-NADP-reduttasi (FNR) viene attivata dalla ferrodossina, che a sua volta è una

proteina importantissima perché, oltre ad attivare la FNR va anche a cedere elettroni ad altre molecole accettori:

Nitrato reduttasi (che è implicata nell'organicazione dell'azoto)

– Tiosolfato reduttasi (che è implicata nell'organicazione dello zolfo)

– Tioredoxine (implicate nel ciclo di Calvin, che vedremo dopo nelle pagine successive nel riassunto)

– Inoltre riduce una reduttasi atta a ridurre il semichinone (Q-) del complesso B6F (ciclo dei chinoni)

4 ] Abbiamo appena visto che quindi la maggior parte dell'energia luminosa viene utilizzata per ridurre il NADP

in NADPH, mentre la rimanente parte viene utilizzata per produrre ATP tramite la “Fotofosforilazione”.

In poche parole dobbiamo capire che durante i processi del fotosistema-II, complesso del citocromo-B6F e del

fotosistema-I vengono formati elettroni e protoni. I protoni d'altra parte via via che si accumulano (12 protoni

per ogni fotolisi dell'acqua), tendano ad accumularsi nel lume tilacoidale ed apportano un abbassamento del pH

(poiché all'aumentare dei protoni il pH diminuisce: -log(H+)). L'abbassamento di pH viene difatto regolato dal

fatto che questi protoni vengono utilizzati per la produzione di ATP. Guardiamo nel dettaglio.

la fotossidazione inizia con la produzione di protoni dai vari processi di fotolisi

– successivamente questi protoni vanno a generare un gradiente protonico (ΔpH)

– questo gradiente protonico (ΔpH), viene regolato dal fatto che quando i protoni sono troppi, parte di essi

tende a riversarsi dal lume tilacoidale allo stroma

questi protoni vengono quindi utilizzati da un grande complesso multiproteico chiamato “ATP-sintasi”,

– per la produzione successiva di ATP

Parliamo adesso dell'ATP-sintasi. Tale complesso è costituito da una componente strutturale, formata da

struttura centrale detta “subunità Y”, e da sei subunità laterali che circondano la subunità Y, di cui 3 subunità α

e tre subunità β. Queste sei subunità formano generalmente un esamero che prende il nome di “Esamero α3β3”.

All'interno di questa struttura abbiamo la presenza di una pompa protonica detta “pompa F”, collegata

all'esamero α3β3 tramite altre subunità proteica (sigma ed epsilon). La pompa F è importantissima ed è

caratterizzata da due strutture “F0” ed “F1”: F1 è la parte che sporge esternamente nello stroma, dove vengono

accumulati i protoni. F0 è la parte della pompa protonica immersa interamente nella membrana tilacoidale, ed è

formata da due parti: F0-c ed F0-a. F0-c è costituito da 12 eliche transmembrana che presentano un sito di

legame (avente carica negativamente) specifico per un protone (H+). F0-a è costituito da 5-7 eliche

transmembrana. Nel mezzo a F0-a ed F0-c, scorrono un semicanale citosolico ed un semicanale della matrice.

Nel momento in cui i semicanali sono allineati passano i protoni e raggiungono l'esamero α3β3.

In poche parole abbiamo che l'ATP-sintasi è diviso in due parti: una parte mobile ed una fissa.

la parte fissa è formata dalla pompa F, la quale pompa protoni continuamente alla parte mobile

– la parte mobile è caratterizzata dalla subunità Y e dall'esamero α3β3. Infatti la subunità Y via via che

– arrivano i protoni ruota di 120 gradi alla volta generando una pressione meccanica differenziale ce

permette u cambiamento conformazionale delle 3 subunità β (beta). Abbiamo quindi il sistema di

accoppiamento meccanico

Le tre subunità β infatti, sono sostanzialmente i tre siti attivi della struttura. Essi possono esistere in tre

– conformazioni diverse: la conformazione L (lassa), T(tesa) e O (aperta):

- La conformazione L serve a legare l'ADP con una molecole di fosfato inorganico

- La conformazione T lega molecole di ADP e Pi formando l'ATP

- La conformazione O serve a legare o rilasciare le molecole di ATP prodotte.

Quando le rilascia assume la conformazione “O vuota” ,altrimenti “O piena”

Le varie conformazioni derivano dalla rotazione della subunità centrale Y, che ogni 120 gradi di rotazione

permette la formazione di una conformazione nuova, partendo dalla L, alla T alla O. Ogni 120 gradi viene

prodotta una molecola di ATP, per cui ogni giro completo si producono tre molecole di ATP.

VALORE DI CONFORMAZIONE CONFORMAZIONE CONFORMAZIONE

ROTAZIONE PRIMA SUBUNITA' β SECONDA SUBUNITA' β TERZA SUBUNITA' β

SUBUNITA' Y

0 (360) L T O (si forma l'ATP e viene

rilasciato)

120 T O (si forma l'ATP e viene L

rilasciato)

240 O (si forma l'ATP e viene L T

rilasciato)

360 (O) L T O (si forma l'ATP e viene

rilasciato)

Ogni quattro protoni per l'esattezza si forma una molecola di ATP. Per tanto, siccome dalla fotosintesi si

generano 12 protoni (quattro dalla fotolisi dell'acqua e otto protoni dal ciclo dei chinoni), in totale avremo 3ATP.

SCHEMA RIASSUNTIVO DELLA FOTOSINTESI OSSEGENICA: SCHEMA-Z ]

Dopo aver visto la fase luminosa della fotosintesi, parliamo un attimo degli adattamenti fatti dalla natura

per ridurre eventuali danni apportati da intensità di luce troppo elevate (Fotodanno e Fotossidazione)

Durante la fase luminosa della fotosintesi le piante sono investite da una grande quantità di energia luminosa

tutti i giorni. Tale energia può, se molto intensa, portare alla nascita dei fenomeni di “Fotossidazione”e

“Fotodanno”, che consistono in una sovra-riduzione dei trasportatori di elettroni. Il primo ad essere colpito

generalmente è il complesso evolvente dell'ossigeno (OEE), mentre quello meno sensibile a tale fenomeno è il

fotosistema-I (PSI). Il fotosistema-II invece viene danneggiato ogni 10-100 milioni di fotoni, però riesce a

vanificare questi fotodanni con un rapido turn-over nella quale vengono riparati i punti danneggiati (come ad

esempio nel caso del turn-over di Psa-D1). Il punto è: come fa la pianta a sopravvivere ai fotodanni??

1 ] Un modo per regolare la quantità di luce assorbita è il cosiddetto “Movimento dei cloroplasti”. Infatti i casi

sono due: o c'è troppa luce o c'è poca luce. Nel caso in cui ci sia poca luce, i cloroplasti tendano a raggrupparsi

sulla superficie della cellula vegetale in modo tale da essere perpendicolari al fascio di luce incidente, cosi da

assorbirne la maggior quantità. Nel caso in cui ci sia tanta luce, i cloroplasti tendano a disporsi sulla superficie

della cellula vegetale in modo tale da essere parallela al fascio di luce incidente, cosi da assorbirne la minor

quantità possibile (riduce fino al 15-20% di luce assorbita da parte della foglia)

2 ] Un altro modo per regolare la quantità di luce assorbita consiste nella “Cooperazione fra fotosistemi”.

Normalmente sappiamo che i due fotosistemi non lavorano ugualmente, infatti il PSII assorbe sempre più alte

quantità di luce rispetto al PSI, perché nello spettro solare la componente di luce rossa (680nm) è sempre molto

maggiore rispetto alla componente di luce rosso lontana (700nm). Questo comporta il fatto che in condizioni di

elevate intensità luminosa, allora PSII deve assorbire grandi quantità di luce, che potrebbe ovviamente creare dei

fotodanni. Per evitare questo PSI cerca di lavorare di più cercando di ridistribuire l'energia luminosa assorbita

equamente nei due fotosistemi. Il punto è: “come è possibile tutto questo??”

Tutto inizia dal complesso LHCB, che sarebbe l'antenna esterna del fotosistema-II. Questa nel caso in cui ci sia

una quantità di luce molto elevata, si stacca dal PSII e si avvicina al PSI per poi cederli una parte della energia

luminosa raccolta. Questa fase prende il nome di “Ridistribuzione dell'energia luminosa”.

Il complesso LHCB capisce che deve spostarsi grazie ad un sensore, rappresentato dal numero di plastochinoni

ridotti (QH2) ed ossidati (Q). Infatti nel caso in cui la quantità di luce sia elevata, abbiamo una concentrazione di

QH2 > Q, e questo è lo stimolo che induce l'attivazione di una chinasi che fosforila LHCB, che si sposta per

repulsione elettrostatica dal PSII al PSI, col tentativo di riequilibrare la concentrazione di QH2 e Q. Nel caso in

cui la quantità di luce sia normale, abbiamo una concentrazione di QH2 simile a quella di Q, e questo induce

l'attivazione di una fosfatasi, atta a defosforilare il complesso LHCB. In questo modo LHCB rimane sul PSII.

In poche parole abbiamo che:

Tanta luce → QH2 > Q → il complesso LHCB fosforilato → LHCB fosforilato va dal PSII al PSI

– [ quando LHCB si trova legato ad interagire con entrambi i fotosistemi, si ha lo stato I del cloroplasto ]

Luce normale → QH2 = Q → il complesso LHCB non viene fosforilato → LHCB rimane sul PSII

– [ quando LHCB è solo legato al fotosistema-II, si ha lo stato II del cloroplasto ]

RICORDO CHE: la ridistribuzione dell'energia luminosa tramite questo processo non sarebbe possibile se le

proteine fotosintetiche non avessero determinate forme tridimensionali e non fossero distribuite omogeneamente.

Inoltre è fondamentale anche che le lamelle dei grana (impilamento dei tilacoidi) siano schiacciate, perché se non

fossero così la ridistribuzione dell'energia luminosa non potrebbe avvenire. Lo schiacciamento delle lamelle dei

grana è reso possibile dal fatto che le membrane tilacoidali siano ricche di fosfolipidi aventi una forma diversa a

seconda della natura del residuo polare. Nel Margo abbiamo la presenza di membrane tilacoidali caratterizzate

da fosfolipidi con forma triangolari, mentre nella Partizione abbiamo la presenza di membrane tilacoidali

caratterizzate da fosfolipidi con forma quadrata.

3 ] Come ben sappiamo la luce viene inizialmente assorbita dal sistema antenna (formata dai pigmenti antenna),

e successivamente viene trasferita al centro di reazione (clorofilla dimerica). A questo punto gli elettroni della

clorofilla dimerica vengono eccitati passando dallo stato a bassa energia allo stato eccita (ad alta energia).

Successivamente durante la fase di de-eccitazione gli elettroni eccitati tendono spontaneamente a ritornare allo

stato energetico più basso rilasciando energia. Tale energia può avere vari destini, ovvero può essere utilizzata

per la fotochimica (fotosintesi), essere dissipata sotto forma di energia termica (calore), essere dissipata per

fluorescenza e anche essere utilizzata per dare origine ad una clorofilla con stato di tripletto eccitato (danno

fotossidativo). Nel caso in cui l'energia luminosa sia notevolmente alta, infatti, assistiamo alla formazione di un

tripletto eccitato, che tende a trasferire energia ad altre molecole aventi la stessa configurazione di spin (ovvero

ad altre molecole allo stato di tripletto), come ad esempio l'ossigeno. Al momento in cui la clorofilla allo stato di

tripletto eccitato (CLH*) trasferisce energia all'ossigeno, questo mi passa allo stato di singoletto eccitato,

fortemente instabile, reattivo ed ossidante (radicale libero). Ecco che quindi parliamo di danni fotossidativi.

[ CLH* + O2 → CLH + O2* ] Ps: l'asterisco indica una molecola allo stato eccitato!!

Questi danni fotossidativi possono in grado di ledere le varie molecole circostanti, facendo grandi danni

soprattutto a livello delle membrane cellulari, alle proteine funzionali e ovviamente al DNA. Ecco che quindi

diviene fondamentale per la sopravvivenza della pianta, di limitare la formazione di queste molecole instabili.

Per far questo molto importanti sono i carotenoidi. Infatti i carotenoidi svolgono due funzioni importantissime,

entrambi fondamentali ed alla base dei meccanismi di fotoprotezione:

Il carotenoide interagisce con la clorofilla allo stato di tripletto eccitato. Il CLH* trasferisce parte della

– sua energia al carotenoide che passa a sua volta dallo stato di singoletto allo stato di tripletto eccitato.

Il carotenoide allo stato di tripletto eccitato (CAR*) successivamente è in grado di dissipare la propria

energia sotto forma di calore, tornando allo stato di singoletto stabile.

[ CLH* + CAR → CLH + CAR* ] successivamente abbiamo [ CAR* → CAR + Calore ]

Il carotenoide interagisce con l'ossigeno allo stato di tripletto eccitato. L'O2* trasferisce parte della sua

– energia al carotenoide che passa dallo stato di singoletto allo stato di tripletto eccitato. Il carotenoide allo

stato di tripletto eccitato (CAR+) successivamente è in grado di dissipare la propria energia sotto forma

di calore, tornando allo stato di singoletto stabile.

[ O2* + CAR → O2 + CAR* ] successivamente abbiamo [ CAR* → CAR + Calore ]

Sempre appartenenti ai carotenoidi abbiamo da considerare alcune xantofille (come la Zeaxantina e la

Violaxantina) che permettano la formazione del “Ciclo delle Xantofille”. Questo processo ciclico avviene nelle

membrane tilacoidali e permette l'accumulo di Zeaxantina in condizioni di elevata illuminazione, e l'accumulo di

Violaxantina in condizioni di bassa illuminazione. Infatti queste due molecole sono interconvertibili fra loro

attraverso reazioni di epossidazione e de-epossidazione. Sostanzialmente quello che succede è che:

Abbiamo la presenza di elevate quantità di luce. In tale condizione assistiamo ad una diminuzione del

– pH nel lume tilacoidale. Questo favorisce l'attivazione dell'enzima de-epossidasi, il quale catalizza la

reazione di de-epossidazione della violaxantina in un composto intermedio chiamato anteraxantina.

L'anteraxantina sempre tramite l'azione dell'enzima de-epossidasi, viene trasformato in zeaxantina.

La zeaxantina è molto importante perché come la maggior parte dei carotenoidi è in grado di interagire

con i radicali liberi svolgendo una funzione antiossidante e quindi prevenendo la fotossidazione.

[ Violaxantina + (de-epossidasi) → anteraxantina + (de-epossidasi) → zeaxantina ]

[ Zeaxantina + CHL* → Zeaxantina* + CHL ] ne segue che [Zeaxantina* → Zeaxantina + calore ]

Abbiamo la presenza di basse quantità di luce. In tale condizione assistiamo ad un aumento del pH nel

– lume tilacoidale. Questo favorisce l'attivazione dell'enzima epossidasi, il quale catalizza la reazione di

epossidazione della zeaxantina in un composto intermedio chiamato anteraxantina. L'anteraxantina

sempre tramite l'enzima epossidasi, viene trasformato in violaxantina.

[ Zeaxantina + (epossidasi) → anteraxantina + (epossidasi) → violaxantina ]

Una volta detto ciò, parliamo della reazione di Mehler e del ciclo dell'ascorbato-glutatione:

In condizioni di elevata luminosità può nascere una sorta di sfasamento fra quella che è definita come fase oscura

della fotosintesi e la fase luminosa della stessa. Questo sfasamento tende a generare grandi quantità di NADPH e

ATP, fino al punto in cui la fase luminosa non potrebbe più procedere perché la sua produzione è maggiore

rispetto al consumo. Per riequilibrare tutto ciò abbiamo: reazione di Mehler e il ciclo dell'ascorbato-glutatione.

1 ] La reazione di Mehler avviene nel momento in cui abbiamo troppa luminosità e questo induce la

ferrodossina a ridursi. La ferrodossina ridotta va ad attiva l'enzima FNR che a sua volta riduce il NADP in

NADPH, che aumenta la sua concentrazione. Ad un certo punto il NADP è praticamente esaurito e abbiamo solo

la presenza di NADPH e questo induce al blocco dello schema-Z, poiché la FNR non ha nessuno da ridurre. Ecco

che entra in gioco la reazione di Mehler, la quale ci spiega che se siamo in queste condizioni (alto NADPH e basso

NADP), la ferrodossina (ridotta) reagisce con l'ossigeno ossidandosi. Dalla reazione si forma lo ione superossido

(O2-). Questa reazione è importantissima perché permette di togliere di mezzo grandi quantità di ferrodossina

ridotta, che quindi non attiva l'enzima FNR che a sua volta non riduce NADP in NADPH. In questo modo può

aumentare nuovamente la concentrazione di NADP e diminuire la concentrazione di NADPH, tornando a

condizioni di normalità. La reazione è: [ Ferrodossina (ridotta) + O2 → Ferrodossina (ossidata) + O2- ]

Questo tipo di reazione è stimolata solo e soltanto nel caso in cui si abbia tanto NADPH, per cui non è detto che

sia solo stimolata dalla elevata luminosità, ma ad esempio abbiamo anche i casi in cui:

nella cellula abbiamo poca acqua, quindi gli stomi si chiudono per evitare di perderne altra. Questo però

– fa si che la CO2 non possa entrare e quindi non possa avvenire la fase oscura della fotosintesi. Questo è

una situazione di stress che comporta l'accumulo di NADPH e quindi avviene reazione di Mehler

la pianta sta a basse temperature. Questo comporta un rallentamento della fase oscura, che provoca un

– accumulo di NADPH e quindi avviene reazione di Mehler

2 ] Abbiamo visto che dalla reazione di Mehler si viene a generare una grande quantità di ioni superossidi (O2-).

Questo ovviamente se dal punto di vista energetico è sicuramente un bene, dal punto di vista di integrità non lo è,

poiché questo ione è un radicale libero e come tale interagisce con le strutture cellulari degradandole. Per evitare

questo nella cellula ci affidiamo al ciclo dell'ascorbato-glutatione. Guardiamo cos'è:

inizialmente l'enzima superossido dismutasi (SOD) permette la reazione di dismutazione, che comporta

– l'interazione fra due ioni superossidi, che formano acqua ossigenata [ 2(O2-) + 2(H+) → H202 ].

Tale reazione è resa possibile dal fatto che l'enzima SOD presenta un metallo pesante redox (che può

essere ridotto o ossidato). Il metallo redox prende un elettrone dallo ione superossido e si riduce,

generando ossigeno, tramite la reazione: [ M(ox) + O2- → M(rid) + O2 ]. Il metallo ridotto cede

l'elettrone all'altro ione superossido formando l'acqua ossigenata secondo la reazione:

[ M(rid) + (O2-) + 2H → M(ox) + H2O2 ]

L'acqua ossigenata formata è anch'essa un radicale libero e quindi è tossica. Ecco che quindi subentra

– l'enzima Ascorbato-perossidasi che neutralizza l'acqua ossigenata in acqua, attraverso la reazione:

[ H2O2 + Ascorbato → H20 + Deidroascorbato (DHA) ]

Il DHA viene dopo ridotto nuovamente in ascorbato tramite l'enzima DHA reduttasi, che permette di far

– reagire il DHA con il glutatione (GSH) favorendo la formazione di ascorbato e glutatione ossidato (GSH-

ox), tramite la reazione: [ DHA + GSH → ascorbato+ GSH(ox) ]

Il GSH viene poi rigenerato per riduzione del NADPH grazie alla GSH-reduttasi. Con ciò viene quindi

– abbassato il livello di NADPH e aumentato il livello di NADP, permettendo alla fase luminosa di

procedere. La reazione è: [ GSH (ox) + NAPDH → NADP + GSH ]

LA FOTOSINTESI CLOROFILLIANO (FASE OSCURA)

La fotosintesi è caratterizzata da una fase luminosa (vista molto dettagliatamente prima in questo riassunto), e

una fase oscura (che vedremo ora a cosa serve). Queste due fasi, sono strettamente correlata fra loro, infatti la

fase luminosa ha lo scopo di produrre grandi quantità di NADPH e ATP, che a loro volta vengono ossidati

rispettivamente in NADP e ADP+Pi durante la fase oscura, per poter ridurre la CO2 e produrre glucosio.

La fase oscura può essere denominata in vari modi, come ad esempio “Ciclo di Calvin-Benson”, o “Ciclo C3”.

Il ciclo di Calvin avviene prevalentemente nello stroma dei cloroplasti ed avviene in tra fasi:

La Carbossilazione: il ribulosio 1,5-difosfato funge da accettore della CO2 e viene per tanto carbossilato

– (aggiunta di una molecola di CO2). Dalla carbossilazione si formano due molecole di 3-fosfoglicerato

La Riduzione: il 3-fosfoglicerato viene ridotto a gliceraldeide 3-fosfato

– La Rigenerazione: la gliceraldeide 3-fosfato va a rigenerare il ribulosio 1,5-difosfato

1 ] La prima fase è quella di carbossilazione, in cui il ribulosio 1,5-difosfato funge da accettore della CO2

formando due molecole di 3-fosfoglicerato. Per poter far questo è fondamentale l'azione catalitica enzimatica

dell'enzima “Rubisco” (Ribulosio-1,5-Bisfosfato-Carbossilasi-Ossigenasi) che permette di fissare la CO2 su

molecole di ribulosio 1,5-difosfato. La reazione è:[ (Ribulosio 1,5-difosfato) + H20 + CO2 → 2(3-Fosfoglicerato) ]

Tale enzima presenta un attività enzimatica molto lenta, infatti è in grado di fissare circa 3 molecole di CO2 al

secondo (mentre gli enzimi generalmente catalizzano migliaia di reazioni al secondo), ma colma questo problema

aumentando la sua concentrazione, non a caso è la proteina più abbondante presente sul nostro pianeta.

Strutturalmente parlando la rubisco è un ottamero formato da otto subunità maggiori (delle “subunità L”) ed

otto subunità minori (dette “subunità S”). Le subunità maggiori sono molto più grandi e vengono codificate a

partire dal DNA plastidiale ed hanno un ruolo catalitico, mentre le subunità minori sono molto più piccole e

vengono codificate a partire dal DNA nucleare ed hanno un ruolo regolativo. Infatti ciascuna delle subunità

maggiori (L) presenta un sito catalitico che gli permette di fissare la CO2 su altre molecole. Ciascuno di questi

siti catalitici è costituito da uno ione Magnesio (Mg2+), che a sua volta coordina alcuni amminoacidi carichi

positivamente (lisina) e negativamente (aspartato e glutammato). La lisina di per se è positiva, per cui da sola

non è in grado di legare altre molecole positive come il magnesio (per via della repulsione elettrostatica), e per

questo motivo subisce una carbamilazione. Durante la carbamilazione la CO2 si lega al gruppo amminico della

lisina formando il carbammato, che a sua volta si lega al magnesio stabilizzandosi. A questo punto abbiamo un

sito catalitico formato dal magnesio che coordina l'aspartato, il glutammato e il carbammato (lisina carbamilata)

e l'enzima è quindi disposto nella sua forma attiva e funzionante. Al momento in cui è attiva, la rubisco, tramite

il magnesio lega la molecola di ribulosio 1,5-difosfato. Una volta fatto ciò l'enzima cambia la sua conformazione e

si chiude su stesso espellendo una molecola d'acqua dal sito attivo. A questo punto avviene la carbossilazione,

ovvero la fissazione della CO2 a livello della ribulosio 1,5-difosfato, che origina inizialmente un composto

intermedio, che va incontro a idrolisi dando vita a due molecole di 3-fosfoglicerato.

RICORDO CHE: Ogni tre cicli di carbossilazione abbiamo la formazione di un ciclo di ossigenazione che

consiste nella fissazione di una molecole di O2 a livello della ribulosio 1,5-difosfato. Questo deriva dal fatto che il

sito catalitico della rubisco non è specifico e presenta un affinità tre volte maggiore per la CO2 rispetto all'O2.

Quindi ogni tre molecole di CO2 tende a legarsi con una molecola di ossigeno [con rapporto 3:1].

Il processo che porta la rubisco attiva a catalizzare la reazione di carbossilazione non è proprio così semplice

come descritto precedentemente. Infatti se ci addentriamo ancora più nello specifico possiamo notare come sia

costituito da tre tappe distinte: Enolizzazione, Carbossilazione-idratazione ed infine Rottura del legame C-C.

Nella prima fase la ribulosio 1,5-difosfato dalla forma chetonica passa alla forma endiolica (detta anche

– enolica), attraverso la reazione di enolizzazione. La reazione di enolizzazione consiste del passaggio d un

idrogeno dal carbonio C3 al carbonio C2 della rubisco 1,5-difosfato. Questo è un tipico esempio di

tautomeria cheto-enolica di una specie carbonilica (C=O). Infatti quello che succede è che il doppio

legame C=O si spezza e l'idrogeno passa dal C3 a C2 interagendo con l'ossigeno formando il gruppo

ossidrile (forma enediolica). Ovviamente la reazione è reversibile, per cui se l'idrogeno torna in C3 si

riforma la specie carbonilica (forma chetonica). La tautomeria è resa possibile dal magnesio che attrae li

ioni e le cariche modificando la struttura della rubisco.

[ forma chetonica → tautomeria cheto-enolica (enolizzazione) → forma enediolica ]

[ forma enediolica → tautomeria cheto-enolica → forma chetonica ]

Nella seconda fase, alla forma enediolica della ribulosio 1,5-difosfato, viene fissata una molecola di CO2.

– Infatti l'anidride carbonica è una molecola elettrofila, ovvero una molecola povera di elettroni che tende

difatto a reagire con molecole ricche di elettroni. Non a caso il carbonio C2 della forma enediolica della

ribulosio 1,5-difosfato è ricco di elettroni, ed attrae la CO2 legandola (carbossilazione). A seguito di ciò

l'intermedio risultante verrà idratato con l'aggiunta di una molecola d'acqua (idratazione) generando la

molecola di “2,3-carbossil-cheto-arabinitolo 1,5-difosfato”

Nella terza fase avviene la rottura del legame C-C (vigente fra il C2-C3). A seguito di questa rottura il

– sito attivo della rubisco viene aperto e rilascia la prima molecola di 3-fosfoglicerato. Successivamente la

rimanente parte della molecola va incontro a protonazione e genera un altra molecola di 3-fosfoglicerato

che viene poi rilasciata. Dopo il rilascio della seconda molecola di 3-fosfoglicerato, il sito attivo della

rubisco rimane aperto e così è predisposto a legare una nuova molecola di ribulosio 1,5-difosfato

Abbiamo visto poc'anzi come la rubisco per poter essere attivata necessiti della carbamilazione della lisina.

Tale molecola viene coordinata dal magnesio che a sua volta interagisce con aspartato e glutammato.

Questa condizione rappresenta la forma attiva dell'enzima. In poche parole abbiamo due casi:

avviene carbamilazione della lisina che si lega al magnesio ed attiva l'enzima. La rubisco attiva, cambia

– la propria conformazione modificando soprattutto le subunità pesanti (L), nel tentativo di stabilizzare la

molecola di magnesio. In questo modo viene espulsa una molecola d'acqua e successivamente avviene

Enolizzazione, Carbossilazione-idratazione ed infine rottura del legame C2-C3, che alla fine vedono la

sintesi di due molecole di 3-fosfoglicerato

avviene de-carbamilazione della lisina carbamilata e con questo viene inattivata la rubisco, che cambia

– conformazione. Questa conformazione permette di legare la ribulosio 1,5-difosfato ma senza poterlo

processare, nel senso che non può essere trasformato in 3-fosfoglicerato

La reazione di carbamilazione della lisina e di de-carbamilazione della lisina carbamilata sono estremamente

rapide e sono anche molto dipendenti dalla quantità di luce presente. Infatti la carbamilazione è altamente

favorita dalla luce, mentre la de-carbamilazione è altamente favorita dall'assenza di luce. Infatti abbiamo che:

Durante la fase diurna abbiamo la luce, che viene sfruttata per il trasporto elettronico nella fotosintesi.

– Questo comporta un aumento del pH stromatico, che stimola la carbamilazione della lisina e la

conseguente attivazione della rubisco

Durante l'alba la luce ancora non è ben presente, per tanto normalmente la rubisco dovrebbe essere

– inattiva. Questo non succede perché viene promossa l'attività della rubisco attivasi (RA), la quale

permette la carbamilazione della lisina e l'attivazione della rubisco. La rubisco attivasi infatti sfrutta

l'ATP per autofosforilarsi. A seguito della autofosforilazione cambia la propria conformazione, che passa

dallo stato inattivo allo stato attivo, in cui può permettere la carbamilazione della lisina

Durante la notte non abbiamo luce ed infatti non essendoci fotosintesi il pH stromatico diminuisce ,

– stimolando la de-carbamilazione della lisina carbamilata e la successiva inattivazione della rubisco

RICORDO CHE: di notte la rubisco è un bene che sia inattiva perché porterebbe all'accumulo di 3-fosfoglicerato

che ovviamente non sarebbe smaltito (perché per poterlo smaltire va ridotto, ma per ridurlo ci vuole luce... per

capire bene leggere la fase successiva a questa!!! ). L'accumulo di 3-fosfoglicerato risulta essere altamente tossico

2 ] La seconda fase è quella di riduzione in cui le due molecole di 3-fosfoglicerato precedentemente prodotte,

vengono ridotte a gliceraldeide 3-fosfato. Infatti il 3-fosfoglicerato è solo un acido organico e non presenta la

tipica struttura aldedica o chetonica degli zuccheri. Il passo successivo per arrivare a formare gli zuccheri è

quindi la riduzione del 3-fosfoglicerato nel carboidrato corrispondente, ovvero la gliceraldeide 3-fosfato.

La reazione di riduzione inizia dall'enzima fosfoglicerato-chinasi, che sfrutta l'ATP prodotta dalla fotosintesi

(fase luminosa) per catalizzare la reazione: [ 3-fosfoglicerato + ATP → 1,3-difosfoglicerato +ADP ].

Dopo di che arriva l'enzima gliceraldeide-3-fosfato-deidrogenasi che sfrutta il NADPH prodotto dalla fotosintesi

(fase luminosa) per catalizzare la reazione: [ 1,3-difosfoglicerato + NAPH → gliceraldeide 3-fosfato + NADP ]

3 ] La terza fase è quella di rigenerazione, in cui la gliceraldeide 3-fosfato riforma il ribulosio 1,5-difosfato.

Tale fase è resa possibile dal fatto che la gliceraldeide 3-fosfato entra nel ciclo di Calvin dove viene trasformata

nuovamente in ribulosio 1,5-difosfato. In poche parole abbiamo che ogni tre molecole di ribulosio 1,5-difosfato

che vengono carbossilate e ridotte, si formano ben sei molecole di gliceraldeide 3-fosfato. Di queste sei molecole

di gliceraldeide 3-fosfato, cinque entrano nel ciclo di Calvin, mentre una rappresenta il guadagno in termini di

“Carbonio organico” ottenuto.

Guardiamo adesso una serie di regole fondamentali da seguire per ricostruire il ciclo di Calvin-Benson:

Ci sono fondamentalmente tre set di regole importanti da sapere. Il primo set di regole ci indica la natura e

composizione dei vari zuccheri. Il secondo set di regole ci indica la reazione di condensazione aldolica e ci spiega

la sua importanza. Il terzo set di regole fa riferimento agli enzimi che partecipano attivamente al ciclo di Calvin.

1 ] Il primo set di regole ci dice che è importante sapere che i carboidrati possono esistere nella forma aldeidica

o chetonica, infatti tutti i carboidrati prendono il nome anche di “Derivati aldeidici” (coloro che presentano una

struttura del tipo R-CHO) o “Derivati chetonici” (coloro che presentano una struttura del tipo R1-R2-C=O).

Quando abbiamo a che fare con un carboidrato complesso, generalmente viene definito anche come

“Poliidrossialdeide” oppure “Poliidrossichetone”, per indicare la presenza di più gruppi idrossidi (OH) seguiti

rispettivamente o da un gruppo aldeidico o chetonico finale. Generalmente tutti i carboidrati per convenzione

presentano un numero di molecole d'acqua proporzionale a quello dei carboni. Infatti la formula generale è:

[ Cn(H20)n ]. Ad esempio: Glucosio → C6H12O6 → [ C=6 e H20 =6 ], Ribosio → C5H10O5 → [ C=5 e H20=5 ].

Tutti i carboidrati presentano due isomeri strutturali (detti anche epimeri), che vertono fra loro semplicemente

dalla posizione del gruppo OH (sinistra o destra del solito carbonio). Ad esempio: Xilulosio e Ribulosio sono

epimeri e vertono l'OH in C3, mentre il Glucosio e Galattosio sono epimeri e vertono l'OH in C4.

Generalmente nei carboidrati il carbonio centrale è chirale (centro stereogenico), in quanto effettua

contemporaneamente quattro legami con quattro sostituenti diversi fra loro. Se per passare dal sostituente a

maggior priorità a quello a minor priorità di percorre un senso orario (configurazione D), se invece si viaggia in

senso antiorario (configurazione L). Ad esempio: D-gliceraldeide e L-gliceraldeide

2 ] Una delle reazioni più importanti è quella di condensazione aldolica. In presenza di una soluzione basica, gli

aldeidi ed i chetoni subiscono tautomeria cheto-enolica diventando enolati [ chetone → tautomeria → enolato].

L'anione enolato successivamente può effettuare un attacco nucleofilo verso il gruppo carbonilico di un altra

molecola (definita come carbanione) dando vita all'alcossido [ enolato + carbanione → alcossido ]. Dopo di che

l'alcossido viene idratato e si forma l'aldolo [ alcossido + H20 → aldolo ]

Il ciclo di Calvin sfrutta un sacco di reazioni di condensazione aldolica per unire fra loro zuccheri o spostare due

atomi di carbonio da uno zucchero ad un altro, in maniera tale trasformare le cinque molecole di gliceraldeide

3-fosfato in tre molecole di ribulosio 3-fosfato per poi arrivare a formare il ribulosio 1,5-difosfato (accettore

iniziale di CO2) che da inizio difatto al ciclo di Calvin-Benson.

3 ] Altre cose da sapere sono gli enzimi coinvolti nel ciclo di Calvin-Benson. Fra questi abbiamo:

Aldolasi (permette la reazione di condensazione aldolica)

– Transchetolasi (condensazione di un chetone ed un aldeide seguita da una loro frammentazione in C2,

– che da vita ad un altro chetone ad un altra aldeide)

Fosfatasi (elimina un gruppo fosfato per facilitare il rimaneggiamento degli zuccheri durante il ciclo)

– Chinasi (aggiunge un gruppo fosfato attraverso l'ausilio di ATP) [zucchero + ATP → zucchero-P + ADP ]

– Epimerasi (cambia la chiralità degli zuccheri: D ed L)

– Isomerasi (cambiano la funzione delle molecole: aldeide o chetone)

Guardiamo adesso in dettaglio come si articola il ciclo di Calvin-Benson e le varie fasi che lo compongono

Inizialmente avevamo visto che la ribulosio 1,5-difosfato va incontro a carbossilazione generando due molecole di

3-fosfoglicerato. Tali molecole andavano incontro successivamente a riduzione (tramite ATP e NADPH)

generando la gliceraldeide 3-fosfato. Ogni 3 molecole di ribulosio 1,5-difosfato vengono formate 6 molecole di

gliceraldeide 3-fosfato, di cui una viene utilizzata come fonte di carbonio organico, e le rimanenti cinque vengono

utilizzate per rigenerare nuovamente altre molecole di ribulosio 1,5-difosfato, facendo ripartire tutto da capo.

Per poter rigenerare il ribulosio 1,5-difosfato, partendo da gliceraldeide 3-fosfato viene svolto il ciclo di Calvin!!

Esso è un processo abbastanza complesso ed articolato. Vediamo in dettaglio:

inizialmente interviene una isomerasi che permette di isomerizzare la gliceraldeide 3-fosfato in DHA-P

– (diidrossiaceton-fosfato). Questa reazione viene fatta perché per fare la condensazione aldolica c'è

bisogno sia di un aldeide che di un acetone

poi interviene un aldolasi che permette di condensare la gliceraldeide 3-fosfato con la DHA-P formando

– così la fruttosio-1,6-difosfato

poi interviene una fosfatasi che elimina il gruppo fosfato dalla fruttosio-1,6-difosfato, generando cosi una

– fruttosio-6-fosfato (riconoscibile dalla transchetolasi)

interviene una transchetolasi che condensa la fruttosio-6-fosfato (chetone) con la gliceraldeide 3-fosfato

– (aldeide). Una volta fatto ciò avviene la frammentazione in C2 e si formano rispettivamente una

molecola di eritrosio 4-fosfato (aldeide) e lo xilulosio 5-fosfato (chetone)

interviene quindi una epimerasi, che permette una epimerizzazione dello xilulosio 5-fosfato, che diventa

– quindi il ribulosio 5-fosfato

interviene un altra aldolasi che permette di condensare l'eritrosio 4-fosfato con una molecola di DHAP

– (diidrossiaceton-fosfato). Da qui si viene a formare il sedeptulosio 1,7-difosfato (chetone), che va

incontro successivamente a fosfatasi (defosforilazione) e transchetolasi (fa reagire la sedeptulosio-fosfato

con una gliceraldeide 3-fosfato, dando vita a ribosio 5-fosfato e xilulosio 5-fosfato). Anche in tal caso lo

xilulosio 5-fosfato va incontro a isomerizzazione e diventa ribulosio 5-fosfato

alla fine il ribulosio 5-fosfato va incontro ad una chinasi, che con l'ausilio di ATP permette di fosforilare

– la ribulosio 5-fosfato, formando difatto la nostra ribulosio 1,5-difosfato!!

SCHEMA RIASSUNTIVO DEL CICLO DI CALVIN-BENSON:

Dopo aver visto in maniera dettagliata come avviene il ciclo di Calvin, diamo un occhiata a come esso viene

regolato e ai fattori che concorrano alla sua regolazione

I fattori che regolano il ciclo si Calvin sono legati ai movimenti ionici luce-dipendenti, alla diponibilità di ATP e

alla riduzione dei gruppi tiolici (-SH). Vediamoli in dettaglio:

durante la fase luminosa all'interno dei tilacoidi troviamo molti protoni, mentre fuori troviamo gli ioni

– magnesio e potassio. Se la l'intensità della luce varia, la concentrazione intra-tilacoidale di protoni varia.

A seguito di ciò i protoni tendono a fluire dallo stroma verso i tilacoidi o viceversa (a seconda del fatto

che aumenti o diminuisca l'intensità della luce), e con questo varia anche il pH. Generalmente la

variazione di pH negli ambienti cellulare è importantissima, visto il fatto che gran parte degli enzimi

lavora solo a determinate condizioni di temperatura e pH. Ad esempio la rubisco e la maggior parte

degli enzimi del ciclo di Calvin lavora generalmente attorno a pH leggermente basici (7-8)

la disponibilità di ATP è indispensabile per l'attivazione della rubisco attivasi (RA), enzima che a sua

– promuove l'attività catalitica enzimatica della rubisco. Durante il giorno l'ATP è molto presente perché

prodotta dalla fase luminosa della fotosintesi, e quindi anche la rubisco è attiva. Di notte non c'è

produzione di ATP, poiché non c'è luce e quindi nemmeno la fase luminosa della fotosintesi.

Per tanto di notte la rubisco è inattiva

alcuni enzimi coinvolti nel ciclo di Calvin come la fruttosio 1,6-fosfatasi o la gliceraldeide 3-deidrogenasi

– o la fosforibulochinasi o la stessa ATP-sintasi, sono caratterizzati da varie regioni amminoacidiche, di cui

alcune vedono la presenza di due cisteine (caratterizzate da un gruppo tiolico). Questi enzimi si attivano

solo e soltanto quando i gruppi tiolici delle due cisteine sono ridotti, mentre quando si trovano in forma

ossidata o legati fra loro (S-S) gli enzimi sono inattivi. Per regolare l'ossidazione o la riduzione di tali

gruppi tiolici e quindi l'attività di questi enzimi, vi è la presenza del sistema ferrodossina-tioredossina.

La ferrodossina abbiamo visto in questo riassunti che è in grado di ridurre l'enzima FNR (attivandolo),

ma può anche interagire con altri substrati come l'enzima FTR (Ferrodossina-Tioreodossina-Reduttasi).

Attivando l'enzima FTR, questo va a ridurre i gruppi tiolici delle cisteine, e l'enzima si attiva. A seguito

di ciò FTR ossidato viene quindi ridotto nuovamente dalla ferrodossina e può nuovamente riprendere le

sue attività. Al buio ricordo che viene ossidata la ferrodossina, che non può ridurre la FTR e quindi non

possono essere attivati gli enzimi del ciclo di Calvin!!

LA FOTORESPIRAZIONE

Abbiamo visto precedentemente (nella pagina 34) che la rubisco non è un enzima specifico, ed infatti ogni tre

anidridi carboniche lega un ossigeno, permettendo così il processo di ossigenazione al posto della carbossilazione.

Il processo di ossigenazione ricordo che non è analogo al processo di ossidazione. Infatti mentre nell'ossidazione

vengono strappati elettroni ad un riducente (ossidandolo), nel processo di ossigenazione invece viene inserzionata

una molecola di ossigeno all'interno di un altra molecola e non vi è affatto sottrazione di elettroni!!

Il problema è che, mentre nel caso della carbossilazione si formano due molecole di 3-fosfoglicerato, nel caso

della ossigenazione se ne forma solo una, poiché l'altro prodotto è il 2-fosfoglicolato. Difatto la molecola di

3-fosfoglicerato può essere utilizzata come fonte di carbonio organico o recuperata per riformare altre molecole

di ribulosio 1,5-difosfato, ma il 2-fosfoglicolato può fare altrettanto??? La risposta è SI, attraverso il processo di

fotorespirazione infatti è possibile riottenere dal 2-fosfoglicolato, molecole di CO2 e altri prodotti di reazione,

recuperando così fonti di carbonio organico. Questo processo è stato scoperto durante l'osservazione di alcuni

comportamenti di una pianta al buio. In totale assenza di luce la pianta, infatti, dopo un po di tempo inizia ad

emettere grandi quantità di CO2, che poi iniziano a stabilizzarsi in seguito alla fotorespirazione.

Per avvenire la fotorespirazione necessità di tre organuli cellulari: cloroplasto, perossisoma e mitocondrio:

1 ] Il mitocondrio è un organulo cellulare che nelle cellule vegetali non ha un numero definito. Generalmente ci

sono molti mitocondri in cellule che devono avere attività metaboliche molto alte, e pochi mitocondri in cellule

vegetali aventi attività metaboliche molto basse. Ogni mitocondrio è circondato da una membrana esterna ed

una membrana interna separate tra loro da uno spazio intermembrana. Nello spazio intermembrana vi è la

presenza della matrice mitocondriale, dentro qui vi è la presenza di acqua, enzimi e altre molecole.

La membrana interna genera delle invaginazioni che sfociano nella matrice. Tali invaginazioni sono dette

“Creste mitocondriali”, ricche generalmente di enzimi come l'ATP-sintasi, dal quale viene prodotta l'ATP.

In genere i mitocondri quando sono nel pieno della loro attività, sono anche molto attivi a livello osmotico, ed

infatti tendano a gonfiarsi assumendo la forma condensata. Nel caso in cui i mitocondri non siano

funzionalmente attivi, non lo sono neanche dal punto di vista osmotico e quindi assumano la classica forma

ortodossa. Detto ciò questi organuli sono praticamente delle strutture semi-autonome, in quanto, analogamente

ai cloroplasti, presentano propri ribosomi (che fanno proteine), DNA-mitocondriale e RNA-mitocondriale (che si

forma a partire dalla trascrizione del DNA-mitocondriale durante sintesi proteica).

2 ] I perossisomi sono organuli cellulari abbastanza presenti nella cellula vegetale. Tali organuli sono

caratterizzati da una singola membrana di rivestimento che gli avvolge totalmente. All'interno di tale membrana

troviamo un alta concentrazione di enzimi del tipo “Catalasi”. Tale enzima svolge la sua attività catalitica

enzimatica abbastanza lentamente ma in maniera molto efficace, ed è fondamentale per dismutare il perossido di

idrogeno (l'acqua ossigenata) in ossigeno e acqua. Infatti tale reazione è importantissima in quanto l'acqua

ossigena rappresenta a tutti gli effetti un radicale libero, quindi una molecola molto instabile in grado di

danneggiare le strutture cellulari ed interagire con i processi biochimici intracellulari [ 2H202 → 2H20 + 02 ].

L'enzima catalasi strutturalmente parlando è un eme-proteina tetramerica che funziona grazie ad uno ione ferro

(Fe3+) posto al centro della struttura, che tende ad ossidarsi (acquista elettroni, passando a ione ferrile Fe4+) e a

ridursi nuovamente (cede elettroni, tornando a ione ferrico Fe3+), neutralizzando l'acqua ossigenata cosi:

Reazione di ossidazione dell'acqua ossigenata: [ (Fe3+) + H202 → H20 + (Fe4+)=O ]

– Reazione di riduzione dell'acqua ossigenata: [ (Fe4+)=O + H202 → H2O + O2 + (Fe3+) ]

3 ] I cloroplasti abbiamo visto nel corso di questo riassunto come sono fatti e le loro funzioni. (Guarda pag.23)

Dopo aver visto a grandi linee come sono fatti i tre organuli che permettano la realizzazione di questo

processo biochimico, guardiamo dettagliatamente come viene svolto il processo di fotorespirazione!!

Il processo di fotorespirazione è un processo di “salvataggio”. In poche parole funziona così:

Tutto inizia nel cloroplasto, in cui attraverso il processo di ossigenazione, una molecola di ribulosio 1,5-

– difosfato viene trasformata in una molecola di 3-fosfoglicerato ed una molecola di 2-fosfoglicolato.

Il 2-fosfoglicolato viene defosforilato per opera di una fosfatasi e si viene a formare il glicolato e fosfato

inorganico. Il fosfato inorganico rimane nel cloroplasto, mentre le molecole di glicolato si spostano dal

cloroplasto al perossisoma. Nel perossisoma il glicolato viene quindi ossidato per opera della glicolato

ossidasi, e si viene a formare il gliossilato e l'acqua ossigenata. L'acqua ossigenata viene immediatamente

ridotta tramite la catalasi producendo ossigeno (attraverso le reazioni viste poco fa), mentre il gliossilato

interagisce con una molecola di glutammato formando la glicina (per transaminazione)

Le molecole di glicina passano quindi dal perossisoma al mitocondrio. Nel mitocondrio ogni due glicine

– si forma una serina, assieme ad altri prodotti come CO2, ammonio (NH4+) e NADH.

Questa reazione vede due presenti due step: nel primo step la prima glicina viene decarbossilata (perde

CO2) e deaminata (perde NH4+) e rimane quindi un gruppo metilenico (CH2). Nel secondo step il

gruppo metilenico viene legato ad un altra glicina (precedentemente idrossilata), formando una serina

L'ammonio torna quindi nel cloroplasto dove tramite una glutammina sintasi viene trasformato in

– glutammina. La serina appena formata, invece, viene immediatamente trasportata nel perossisoma e

trasformata in β-idrossipiruvato (per transaminazione). La β-idrossipiruvato viene successivamente

ridotta formando glicerato. Il glicerato si sposta nel cloroplasto dove viene fosforilato formando il 3-

fosfoglicerato (attraverso una chinasi). Il 3-fosfoglicerato entra infine nel ciclo di Calvin!!

In poche parole dal processo di fotorespirazione otteniamo che ogni due molecole di 2-fosfoglicolato che vengono

perse dal ciclo di Calvin, riotteniamo una molecola di 3-fosfoglicerato e una molecola di CO2. Per tanto se

considero che le due molecole di fosfoglicolato hanno 4 carboni, mentre la molecola di 3-fosfoglicerato e la CO2

raggiungono quota 3 carboni, alla fine dalla fotorespirazione è possibile riottenere 3 carboni su 4 (¾ del totale).

Il problema è che questo processo è molto dispendioso, infatti ogni ciclo di fotorespirazione per poter avvenire

necessita di 10ATP, 6NADH e O2

Guardiamo adesso quali sono le condizioni che favoriscono il processo di fotorespirazione e i suoi vantaggi:

La fotorespirazione è un processo che avviene successivamente alla ossigenazione nel ciclo di Calvin. Per tanto,

all'aumentare della concentrazione di ossigeno rispetto a quella di anidride carbonica, viene favorita

l'ossigenazione rispetto alla carbossilazione, e conseguentemente viene favorita la fotorespirazione (aumento del

rapporto O2/CO2). Il punto è che nell'ambiente le concentrazioni di ossigeno e anidride carbonica non possono

essere variate, per cui l'unica maniera che ha la pianta per variare qualcosa è quella di modificare l'ambiente

intracellulare. Ad esempio infatti la pianta tende a chiudere gli stomi, in maniera tale da non fare entrare

anidride carbonica e non fare uscire ossigeno (aumenta O2; diminuisce CO2). Chiudendo gli stomi inoltre, viene

a mancare la traspirazione, e con questo la pianta termoregola più difficilmente. Da ciò, aumenta la temperatura,

e con l'aumento della temperatura diminuisce la solubilità dei gas disciolti in soluzione. Siccome la solubilità

della CO2 diminuisce più rapidamente di quella dell'O2, la CO2 evaporerà più rapidamente ed in tal modo il

rapporto O2/CO2 aumenterà notevolmente, favorendo la fotorespirazione!!

La fotorespirazione è un processo che abbiamo visto essere molto importante per riottenere carbonio organico ed

altri prodotti di reazione. Rappresenta un sink metabolico per la produzione di ATP e NADPH, ed è importante

anche perché permette l'allontanamento dell'ossigeno dal cloroplasto, diminuendo i livelli della reazione di

Mehler e quindi la produzione di radicali liberi!! Nonostante tutti questi vantaggi, una fotorespirazione

accentuata risulta essere molto dispendiosa dal punto di vista energetico e porta ad una diminuzione della

produttività della pianta, in quanto solo i ¾ del carbonio organico vengono recuperati. Per tanto è logico capire

che le piante che sono in grado di effettuare fotorespirazione, potranno apprezzare dei benefici soli in condizioni

di stress, come alta temperatura o carenza di disponibilità idrica. Infatti, in ambienti dove abbiamo alta

temperatura e scarsità d'acqua, viene favorita la fotorespirazione, ma pian piano la produttività calerebbe a tal

punto che diventerebbe critica per la vita delle piante stesse. Per questo motivo in determinati ambienti è stato

necessario effettuare un adattamento evolutivo fotosintetico, in cui la pianta riesce a creare un microambiente in

cui aumenta la concentrazione di CO2 e diminuisce quella di O2. In tal modo viene favorita la carbossilazione e

ridotta la fotorespirazione, con aumento della produttività delle piante!! Alcune delle piante che adottano questo

meccanismo evolutivo sono: le piante C4 e le piante CAM.

LE PIANTE C4 ] Le piante C4 sono piante che vivono in ambienti molto caldi, in cui difatto le temperature

medie sono molto elevate. Di tali piante ne esistano sedici famiglie diverse, fra cui abbiamo quelle delle

graminacee (come ad esempio il mais e la canna da zucchero) oppure le chenopodiacee (come le bietole da

campo), e tutte presentano dei caratteri evolutivi, soprattutto a livello fogliare, che gli permettano di effettuare

una particolare fotosintesi che prende il nome di fotosintesi-C4. Generalmente infatti, ogni foglia presenta una

zona clorenchimatica (ricca di cellule del mesofillo), ed una zona suberificata (ricca di cellule della guaina del

fascio). In poche parole le cellule del mesofillo circondano le cellule della guaina del fascio, che a loro volta

circondano i tessuti vascolari (xilema e floema). Questo particolare modello di disposizione anatomica fogliare è

definita come “Anatomia di Kranz”, da colui che l'ha scoperta. Ovviamente le cellule del mesofillo e le cellule

della guaina del fascio sono strettamente collegate da grandi e lunghi plasmodesmi, grazie ai quali è possibile

trasferire sostanze,sali e acqua:

[ cellule del mesofillo → cellule della guaina → sistema vascolare (floema) → resto della pianta ]

– [ resto della pianta → sistema vascolare (xilema) → cellule della guaina → cellule del mesofillo ]

Tali piante sono definite “C4” perché il loro primo prodotto stabile a seguito della fissazione della CO2 è un

acido organico a quattro atomi di carbonio (non a tre atomi di carbonio come avviene normalmente). Le piante

C4 sono in grado di aumentare la concentrazione di CO2 e diminuire quella di O2, riducendo la fotorespirazione.

Questo è reso possibile da un processo biochimico chiamato “Ciclo C4”, caratterizzato da quattro tappe distinte:

la prima tappa si svolge nelle cellule del mesofillo (quindi nel clorenchima). Essa inizia con

– l'assimilazione di una molecola di CO2 dall'ambiente, che una volta assimilata dalle cellule del mesofillo,

viene idratata e trasformata in bicarbonato (HC03-). Questa trasformazione viene fatta perché l'enzima

fosfoenolpiruvato carbossilasi ha un affinità elevatissima per il bicarbonato (anche più alta rispetto

all'ossigeno e alla CO2). Tale enzima infatti in presenza di bicarbonato, non reagisce con nessun'altro, e

catalizza la reazione di carbossilazione con una molecole di PEP (fosfoenolpiruvato), che viene

trasformata in l'ossalacetato (a quattro atomi di carbonio). L'ossalacetato viene poi trasformato in

malato (detto anche acido malico) o aspartato (acido aspartico). [ PEP + (HCO3-) → Ossalacetato + Pi ]

[ Ossalacetato → Malato ] oppure [ Ossalacetato → Aspartato ]

nella seconda tappa, le molecole di malato o aspartato prodotte, migrano dalle cellule del mesofillo verso

– le cellule della guaina del fascio attraverso i plasmodesmi

nella terza tappa, le molecole di malato o aspartato vengono decarbossilata, producendo CO2 ed una

– molecola di piruvato (a tre atomi di carbonio). La CO2 viene ridotta in carboidrati nel ciclo di Calvin,

mentre il piruvato ripassa dalle cellule del fascio al mesofillo tramite i plasmodesmi

nella quarta tappa, le molecole di piruvato sono utilizzate per rigenerare molecole di PEP, che verranno

– riutilizzate dall'enzima fosfoenolpiruvato carbossilasi per riforma altro ossalacetato e far ripartire

nuovamente il ciclo C4!! In tal modo è possibile quindi aumentare i livelli di CO2 a livello della guaina

del fascio e ridurre i livelli di fotorespirazione

Rispetto al ciclo C4 esistono tre varianti di piante C4, che differiscono sia per il tipo di molecola a quattro

atomi di carbonio prodotta inizialmente (Malato o Aspartato), che nella loro modalità di decarbossilazione,

legata al tipo di enzima che catalizza la reazione stessa (enzima malico, enzima PEP-carbossichinasi)

1 ] Nel primo caso la pianta C4 viene utilizza l'enzima malico-NADP-dipendente. Questa variante del ciclo C4 è

)

identica alla variante generale proposta antecedentemente (qua sopra ↑ , infatti:

inizialmente viene assimilata dalle cellule del mesofillo una molecola di CO2 dall'ambiente. La CO2

– viene poi idratata e trasformata in bicarbonato (HC03-). Questa trasformazione viene fatta perché

l'enzima fosfoenolpiruvato carbossilasi ha un affinità elevatissima per il bicarbonato (anche più alta

rispetto all'ossigeno e alla CO2). Tale enzima infatti in presenza di bicarbonato, non reagisce con

nessun'altro, e catalizza la reazione di carbossilazione con una molecole di PEP (fosfoenolpiruvato), che

viene trasformata in l'ossalacetato (a quattro atomi di carbonio)

l'ossalacetato raggiunge i cloroplasti del mesofillo dove viene ridotto in acido malico per opera

– dell'enzima malico-NADP-deidrogenasi. L'acido malico viene quindi trasportato nelle cellule della

guaina del fascio. Anche nelle cellule della guaina del fascio abbiamo i cloroplasti, ricchi a sua volta di

enzimi come l'acido malico-NADP-dipendente, grazie al quale l'acido malico viene decarbossilato a

piruvato e CO2. La CO2 viene ridotta in carboidrati dal ciclo di Calvin, mentre il piruvato raggiunge

nuovamente le cellule del mesofillo in cui viene fosforilato a formare PEP (grazie alla PEP-chinasi)

la PEP verrà riutilizzata dall'enzima fosfoenolpiruvato carbossilasi per riformare altro ossalacetato e far

– ripartire nuovamente il ciclo C4!! In tal modo è possibile quindi aumentare i livelli di CO2 a livello della

guaina del fascio e ridurre i livelli di fotorespirazione


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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze biologiche
SSD:
Università: Firenze - Unifi
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher LOLLO930401 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 Firenze - Unifi o del prof Gonnelli Cristina.

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