Riassunto Fisiologia vegetale

CICLO DI CALVIN-BENSON

Questo ciclo di reazioni, che fondamentalmente consta di 3 fasi, avviene nello stroma dei cloroplasti e si ha l'organicazione di unamolecola di anidride carbonica, che viene ridotta ad aldeide (zucchero). I prodotti (G3P) verranno in parte riutilizzati nel ciclo peralimentarlo (fase di rigenerazione) e in parte (minore) il G3P viene esportato nel citosol e costituirà un acquisto in termini di quantitàdi carbonio utilizzabile dalla pianta (o per la respirazione della cellula, o per la sintesi di saccarosio che potrà andare tramite il floemaad alimentare i tessuti sink, o verrà utilizzato per sintetizzare amido). Ciclo di Calvin e fase luminosa (regolata dalla quantità difotoni) devono essere perfettamente coordinate per evitare che il ciclo (la cui velocità dipende dalla disponibilità di CO2) consumi più2è interamente catalizzata dall'enzimaATP e NADPH (prodotti alla luce) di quello che

viene prodotto. La fase di carbossilazioneRubisco, grande complesso proteico formato da 8 subunità maggiori e 8 minori (ogni coppia di subunità maggiori crea due siti attivia cui si lega il RuBP). La rubisco può lavorare sia con CO2 che con O2: la velocità di carbossilazione e di ossigenazione dipende dalle concentrazioni di questi gas all'interno dei cloroplasti. In una cellula C3 in condizioni ambientali ottimali, la concentrazione di CO2 è pari a 8 microM mentre quella dell'O2 è più solubile → in queste condizioni, la velocità di carbossilazione è 3è 250, però la CO2 è 2volte maggiore di quella d'ossigenazione (ogni 4 cicli, 3 saranno di carbossilazione e 1 di ossigenazione). Per ogni molecola dianidride carbonica che viene organicata, verranno consumate 3 molecole di ATP e 2 di NADPH (quelle prodotte nella faseluminosa). Consideriamo 3 molecole di CO2: 6 ATP e 6 NADPH sono consumati

nella fase di riduzione, 3 ATP saranno utilizzati nella fase di rigenerazione per riottenere RuBP a partire da G3P. Dalla prima fase di carbossilazione (3 CO2 + 3 RuBP) ottengo, grazie alla RuBisCO, 6 molecole di 3PGA (acido), passando dal 2 5Scienze biologiche, unibo FMKCABP (intermedio poco stabile che si origine dall'ingresso di anidride carbonica e che con l'idratazione si scinde in 2 3PGA). Nella fase di riduzione, il 3PGA è ridotto (passando da 2,3-BPG) a G3P (aldeide, uno zucchero a 3C); gli enzimi coinvolti sono PGK (consuma ATP per fosforilare il fosfoglicerato) e GAPDH (consuma NADPH per ridurre 2,3-BPG). A questo punto inizia la fase di rigenerazione: 1 G3P su 6 totali esce (per fare i cazzi suoi) gli altri 5 verranno ricombinati a dare RuBP. G3P e DHAP sono in equilibrio (isomerasi) e possono reagire grazie ad un'aldolasi → FBP → FBPasi → F6P + G3P grazie a → E4P + Xu5P. E4P + G3P con aldolasi → SBP

→ SBPasi → S7P + G3P → TK → Xu5P + R5P. Xu5P è un isomerotranschetolasidi Ru5P mentre R5P è un epimero → intervengono altre due classi di enzimi, ovvero epimerasi e isomerasi. Ottengo a questo punto Ru5P, che deve però ancora essere fosforilato a livello del C1 per ottenere RuBP e farlo rientrare nel ciclo: interviene la PRK(fosforibulo chinasi) che consuma 1 ATP (RuBP rientra nel ciclo per alimentarlo).

REGOLAZIONE CICLO DI CALVIN

Come già detto, fase luminosa e fase metabolica devono essere fatte procedere ad una velocità appropriata, in modo da non eccedere nel consumo di ATP e NADPH (che vengono prodotti grazie all’energia eccitatoria dei fotoni, fase luminosa). Il ciclo di Calvin (in particolare i suoi enzimi) è per questo finemente regolato mediante diverse strategie: legame di RuBP alla rubisco non carbamilata l’enzima si (quindi inattiva), legame del CA1P alla rubisco carbamilata (nonostante la

carbamilazione sia la prima modifica affinché attivi, il legame di questa proteina a livello del sito attivo ne impedisce l'attività), pH (concentrazione di H + , maggiore a livello dell'ume → gli enzimi stromatici del ciclo sono quindi attivati da un pH leggermente alcalino), concentrazione +di Mg (aumenta nello stroma perché il pH del lume diminuisce, l'aumento della concentrazione di protoni a livello del lume fa si che il potenziale dellamembrana aumenti e ciò crea le condizioni che favoriscono il trasporto di cationi verso lo stroma), presenza (o assenza) del substrato (di un dato enzima) e la luce (non in maniera diretta ma mediante il sistema delle tieredossine TRX). La rubisco è un grande enzima (16 subunità tra maggiori e minori) che può essere regolato mediante il legame con diverse molecole, tra cui il suo stesso substrato. L'enzima, perché passi alla forma attiva, deve essere carbamilato: a livello

del sito attivo, una Lys lega una molecola di anidride carbonica → passa da essere carica (+) per il gruppo NH terminale ad essere carica (-) perché ad N si lega 2-COO . A questo punto (la carbamilazione è una reazione che avviene spontaneamente) alla carica (-) terminale si va a legare una molecola di Mg → ora l’enzima è attivo. Se RuBP si lega all’enzima prima che sia avvenuta la carbamilazione della lys, l’enzima permane in una condizione inattiva. Ciò non è però irreversibile: la rubisco attivasi si occupa proprio di “sistemare questa situazione”, riattivando la rubisco. L’attivasi è regolata dalla luce → è attiva di giorno (mediante sistema delle tieredossine e deie consuma ATP per permettere l’attivazione dell’enzima. Può, altrimenti, capitare che l’enzima, nonostante la ponti S-S) carbamilazione, venga inattivato: ciò accade quando al sito attivo

si lega reversibilmente una molecola diversa, ovvero CA1P (simile a RuBP, carbossiarbitolo-1-Pi).

La luce non va ad agire direttamente sugli enzimi del ciclo ma lo fa indirettamente attraverso un sistema di tieredossine. Queste piccole proteine possono esistere di diversi tipi ma tutte sono accumunate da una stessa caratteristica: hanno una sequenza di aa in cui due Cys sono necessariamente separate da 2 aa (WCGPC). Queste due C sono essenziali perché non solo sono vicine nella sequenza ma si trovano ad esserlo anche nella struttura ripiegata: tra i due S delle catene laterali delle cisteine può venirsi ad instaurare un ponte S-S (quando ossidate). Il legame che forma il ponte disolfuro è reversibile: se le due cisteine vengono ridotte si formano -SH terminali. L'enzima che si occupa del loro stato redox è FTR:

questo enzima, solubile nello stroma, compete con FNR per il riducente (ovvero la ferredossina, "prodotta" a livello del PSI grazie al LET). Infatti, in certe condizioni, il flusso di elettroni è deviato e invece che essere impiegato nella produzione di potere riducente viene speso per ridurre i ponti ditiolici delle TRX. Le TRX ridotte andranno a ridurre molte altre proteine bersaglio (enzimi e canali), attivandoli. Tra questi enzimi vi sono rubisco attivasi, PRK, GAPDH, ecc.

Concentriamoci su PRK (rigenerazione del RuBP) e GAPDH (riduzione a G3P): questi due enzimi sono attivi di giorno e inattivi di notte. Di notte devono essere necessariamente stoccati in modo da non andare persi: interviene una piccola proteina, CP12, che ha la caratteristica di, quando è ossidata e quindi inattiva, di non assumere nemmeno una struttura secondaria (IDP). Quando il sistema delle TRX è ridotto (alla luce), la proteina CP12, che presenta due coppie di cisteine separate da 2 aa,

viene ridotta → la piccola proteina disordinata acquista una struttura con un senso logico e forma 3 eliche (1 corta e 2 più lunghe). A questo punto, si forma un complesso binario: GAPDH (tetramero) + 2 CP12. Dopo, si forma un complesso ternario: 2 complessi binari (2 tetrameri GAPDH + 4 CP12) + 2 dimeri PRK. Questi grandi complessi molecolari si accumulano di notte quando non sono attivi e poi si smontano alla luce, quando gli enzimi torneranno in funzione. In alternativa, GAPDH può essere formato da 2 diverse subunità: A e B. Le subunità diverse) sono quelle che hanno acquisito nel corso dell'evoluzione B (molto simili alle A se non fosse per il C-terminale) una sequenza C-terminale simile alle CP12: queste sono quindi sensibili allo stato redox delle TRX e vengono quindi inattivate con l'ossidazione al buio (in questo caso, il complesso che si forma è costituito da 2 tetrameri, 8 A e 8 B. GAPDH può essere legato.da CP12; oppure nella forma A2B2 → le subunità B hanno in loro il C-t che sente lo stato redox.
6Scienze biologiche, unibo FMFOTORESPIRAZIONELa rubisco ha due substrati (come già detto): anidride carbonica e ossigeno molecolare. Il suo fattore di specificità FS è compreso tra 80 e 100 e varia con la T (cala con l'aumentare della temperatura. Quando la rubisco compie fotorespirazione, invece che ottenere 2 molecole di acido-3-fosfoglicerico (3-fosfoglicerato) ottengo 1 3PGA e 1 2-fosfoglicolato. Questi 2C possono essere recuperati mediante un processo lungo che coinvolge cloroplasti, perossisomi e mitocondri e prevede il consumo di 5 ATP e 3 NADPH + la produzione di diverse molecole, tra cui NH e CO (nei mitocondri). In una situazione in cui Vc/vo = 3 (gli stomi sono aperti, le 3 2 concentrazioni ottimali) l'energia che verrà consumata sarà pari a quella del ciclo di Calvin (3 ATP + 2 NADPH = 590 kJ/mol) + 1/3 dell'energia che

viene spesa per la fotorespirazione (5 ATP + 3 NADPH = 910 kJ/mol) per un totale di 890 kJ/mol. Quando la pianta si trova in una condizione di stress idrico, vc/vo = 1 → l'energia spesa sarà addirittura 1500 kJ/mol.

Consideriamo la quantità di CO2 in entrata nella pianta e diamole il nome di fotosintesi lorda. Contemporaneamente al flusso di anidride carbonica verso l'interno della pianta vi sarà un flusso che segue il verso opposto (la CO2 è consumata e viene eliminata attraverso gli stomi) dovuto a dei metabolismi di altra natura: respirazione e fotorespirazione. La fotosintesi netta è data dalla differenza tra FL e R e FR → quando la fotosintesi netta è > di 0 allora traduciamo questo valore come crescita. In una condizione in cui siamo al buio, FL è 0 e avremo quindi solamente un consumo di CO2. Con l'arrivare dei fotoni, il valore della FL aumenta →

arriviamo ad un punto (punto di compensazione) in cui FL e FR e R si eguagliano→ FN è uguale a 0. Con l'aumentare del numero di fotoni percepiti dai PS, aumenterà la fotosintesi lorda e di conseguenza anche la fotosintesi netta. Nella prima