LE REAZIONI DI FISSAZIONE DEL CARBONIO FOTOSINTESI LE REAZIONI DI FISSAZIONE DEL CARBONIO

Reazioni al buio

40% fitoplancton ogni anno 200 miliardi di tonnellate di CO2 vengono convertite in biomassa 40% fitoplancton

14CO2 Chlorella CICLO DI CALVIN ciclo riduttivo dei pentosi fosfati, RPP riduzione fotosintetica del carbonio, PCR 14CO2 Chlorella analisi intermedi marcati

stechiometria generale 6 CO2 + 11 H2O + 18 ATP + 12 NADPH  fruttosio 6-P +12 NADP+ + 6 H+ + 18 ADP +17 Pi il ciclo di Calvin consuma 3 ATP e 2 NADPH per ogni molecola di CO2 fissata

Resa energetica da ATP e NADPH = 673/ 750 = 90 % DG idrolisi ATP = 7 kcal DG oss NADPH = 52 kcal X ridurre 6 CO2 = 12 NADPH 18 ATP (12x52) + (18 x 7) = 750 kcal Energia dall’ ossidazione di 1 mole di Fruttosio (glucosio) = 673 kcal Resa energetica da ATP e NADPH = 673/ 750 = 90 %

Il Ciclo di Calvin

Stechiometria del Ciclo di Calvin

La reazione di carbossilazione G = -51 kJ mol-1

RIDUZIONE La fosfoglicerato chinasi fosforila il 3-PGA consumando ATP

RIDUZIONE La Gliceraldeide 3-P deidrogenasi riduce l’1,3 bisfosfoglicerato consumando NADPH

Rubisco ribulosio 1,5 bisfosfato carbossilasi/ossigenasi enzima multimerico L8S8 560 kDa 8 subunità grandi (55 kDa) 8 subunità piccole (14 kDa)

luce genoma nucleo  rbcS (precursore subunità piccola) genoma cloroplasto  rbcL (subunità grande)

40% della frazione proteica totale delle foglie nello stroma [rubisco] = 4 mM 500 volte  [CO2]

regolazione Rubisco una molecola di CO2 reagisce con la Lys 201 reazione favorita dall’aumento di pH nello stroma

pH 7  8 [Mg2+] 1-3 mM  3-6 mM

Meccanismo di attivazione della Rubisco

La Rubisco può catalizzare anche la ossigenazione del Ribulosio 1,5 bisfosfato

l’O2 inibisce la fotosintesi in Chlorella LA FOTORESPIRAZIONE anni ’20 l’O2 inibisce la fotosintesi in Chlorella [O2] 21%  42% -50% velocità fotosintesi [O2] 21%  2% +100% velocità fotosintesi

La RUBISCO REAGISCE ANCHE CON l’02

Le reazioni del ciclo PCO si svolgono in cloroplast, perossisomi e mitocondri

il ciclo PCO (photorespiratory carbon oxidation) recupera parte del carbonio perduto nella reazione di ossigenazione del ribulosio 1,5-bisfosfato

Si forma un composto a 3 atomi di C Nel mitocondrio 2 molecole di Glicina formano una molecola di Serina 2 glicina serina, CO2, NH3, NADH Si forma un composto a 3 atomi di C

il ciclo PCO recupera il 75% del C Nel Complesso: 2 fosfoglicolato 3-fosfoglicerato + CO2 il ciclo PCO recupera il 75% del C

A 25° Carbossilazione: ossigenazione = 3:1

[gas] µM = Pgas x  x legge di Henry cosa succede quando la temperatura aumenta? legge di Henry [gas] µM = Pgas x  x A 35° Carbossilazione: ossigenazione = 1:1

PIANTE C4 14CO2 canna da zucchero acido malico acido aspartico

16 FAMIGLIE (1% piante) monocotiledoni dicotiledoni graminacee

Avena sativa (C3)

Zea mays (C4) monocotiledone Gomphrena (C4) dicotiledone

le cellule della guaina del fascio e quelle del mesofillo sono in comunicazione tramite i plasmodesmi

Schema struttura foglia di pianta C4

per la concentrazione della CO2 IL CICLO C4 per la concentrazione della CO2

Nel ciclo C4 vengono operate 2 fissazioni della C02 La prima nel mesofillo ad opera della PEP La seconda nelle cellule della guaina dei fasci ad opera della Rubisco

IL CICLO C4 PUO’ ESSERE SUDDIVISO IN 4 FASI Fissazione della CO2 (PEP mesofillo) Trasporto acido C4 Decarbossilazione acido C4 ( cellule della guaina) Trasporto composto C3 e rigenerazione accettore (mesofillo)

FISSAZIONE CO2 viene carbossilato il fosfoenolpiruvato, con formazione di ossalacetato (C4) MESOFILLO

l’acido C4 viene trasportato nelle cellule della guaina del fascio TRASPORTO l’acido C4 viene trasportato nelle cellule della guaina del fascio

DECARBOSSILAZIONE l’acido C4 viene decarbossilato, con liberazione di CO2, che viene fissata dalla Rubisco

TRASPORTO/RIGENERAZIONE l’acido C3 viene trasportato nelle cellule del mesofillo ed utilizzato per rigenerare il PEP

+ CO2 nei pressi della Rubisco Soppressione della fotorespirazione RISULTATO + CO2 nei pressi della Rubisco Soppressione della fotorespirazione

C4  concentrazione CO2 contro gradiente chimico energia C4 2 ATP per CO2 trasportata Calvin 3 ATP + 2 NADPH per CO2 fissata totale 5 ATP + 2 NADPH per CO2 fissata

Cambiamenti nella fotosintesi di C3 e C4 in funzione della [CO2] intercellulare

in condizioni di bassa fotorespirazione il ciclo C4 non è redditizio

METABOLISMO ACIDO DELLE CRASSULACEE (CAM) ananas agave orchidea non è limitato alle Crassulacee vaniglia

C3 C4 CAM 500 g H2O / g CO2 fissata 400 g H2O / g CO2 fissata RIDOTTA PERDITA H2O C3 500 g H2O / g CO2 fissata C4 400 g H2O / g CO2 fissata CAM 100 g H2O / g CO2 fissata

CAM SEPARATI TEMPORALMENTE FORMAZIONE ACIDO C4 DECARBOSSILAZIONE C4 SEPARATI SPAZIALMENTE CAM SEPARATI TEMPORALMENTE

NOTTE carbossilazione malato (stomi aperti) PEP nel vacuolo GIORNO malato nel decarbossilazione (stomi chiusi) cloroplasto

Regolazione del metabolismo CAM Richiede che le reazioni di carbossilazione e decarbossilazione, che avvengono nello stesso compartimento, siano attive in tempi diversi Carbossilazione: attiva di notte Decarbossilazione: attiva di giorno Ciclo futile Altrimenti

Nelle piante CAM la PEP Carbosilasi esiste in due forme Diurna: inibita da acido malico Notturna : insensibile all’acido malico Le due forme differiscono nello stato di fosforilazione

Regolazione della PEP carbossilasi delle piante CAM chinasi Fosforilata attiva Defosforilata inattiva Insensibile A. Malico Inibita da A. Malico fosfatasi

principale zucchero traslocato nel floema carboidrato di riserva SINTESI DI AMIDO E SACCAROSIO triosi fosfati fotosintesi amido saccarosio principale zucchero traslocato nel floema zucchero di riserva in alcune specie (canna da zucchero) carboidrato di riserva (fruttani)

la sintesi dell’amido avviene nei cloroplasti la sintesi del saccarosio avviene nel citoplasma

Sintesi dell’amido trioso fosfato isomerasi aldolasi F1,6 bisfosfatasi esosoP isomerasi Pglucomutasi

GLUCOSIO -1P + ATP + ADP-GLUCOSIO + PPi (ADP Glucosio pirofosforilasi) AMIDO (n) + ADP-GLUCOSIO AMIDO (n+1) + ADP (amido sintasi)

Alla luce: amido sintetizzato nei cloroplasti e saccarosio nel citosol ed esportato (floema) Al buio: l’amido viene degradato per sostenere la sintesi ed il trasporto di saccarosio

AMIDO di unità di glucosio legate da legami  14 -amilosio (20%) Solubile in acqua catene lunghe e non ramificate di unità di glucosio legate da legami  14 amilopectina (80%)insolubile in acqua catene di glucosio legate da legami  14 con ramificazioni ogni 20-30 residui (legami  16)

Amilosio,lineare [ ] maltosio Amilopectina, ramificata

La composizione relativa di amilosio e amilopectina dell’amido è importante negli usi alimentari e commerciali (pasta, carta, colla) Amidi ramificati (amido ceroso: maggior contenuto di amilopectina) hanno una tessitura più stretta e una resistenza maggiore degli amidi lineari

L’amido si accumula nei cloroplasti delle foglie e nei plastidi di organi di riserva come tuberi (patate, manioca) o nei semi (amiloplasti dell’endosperma di semi dei cereali) Si accumula sotto forma di granuli densi e con struttura lamellare e semicristallina

IDROLISI DELL’AMIDO Glucano acqua dichinasi, fosfoglucano acqua dichinasi Enzimi deramificanti (destrinasi) b amilasi (maltosio); glucano fosfoidrolasi (glucosio 1-P)

disaccaride composto da glucosio e fruttosio saccarosio disaccaride composto da glucosio e fruttosio legame  (12)

il saccarosio è uno zucchero non riducente

Sintesi del saccarosio

UDP-GLUCOSIO + FRUTTOSIO 6-P SACCAROSIO -P saccarosio-P sintetasi SACCAROSIO-P SACCAROSIO + P (DG°= -16,5 Kcal) saccarosio-P fosfatasi

Saccarosio fosfato sintetasi Sintesi del saccarosio Saccarosio fosfato sintetasi UDP-Glucosio pirofosforilasi

Le sintesi di amido e saccarosio sono in competizione

Di giorno i trioso P vengono esportati nel citosol in scambio col P attraverso il traslocatore del fosfato elevato [trioso P]/[P] Favorita la formazione di fruttosio 1,6 bisfosfato e la sintesi di saccarosio

Oltre all’amido esistono altri carboidrati di riserva: FRUTTANI: 15% delle specie a fiore (Asteraceae, Campanulaceae Boraginaceae (monocot); Paoaceae Liliaceae (dicot) Scoperto nel 1804 come “INULINA” In molte specie presenti insieme all’amido Si accumulano nei vacuoli di diversi organi: Bulbi (cipolla); tuberi (carciofi), Radici (cicoria) foglie e fusti (grano, orzo). Il monomero è il fruttosio e le unità variano da 10 a 200 (nei batteri 100.000)

I fruttani sono sintetizzati a partire dal saccarosio e si distinguono in base al legame glucosidico che lega i residui di fruttosio Fruttani = GFn

Fruttani come prebiotici: fonte preferenziale di carbonio per batteri utili L’assunzione di fruttani nella dieta (che non vengono idrolizzati nel tratto digestivo né assorbiti nell’intestino e transitano intatti nel colon) determina un incremento nella produzione di bifidobatteri, di acido lattico, con decremento del pH, che rafforza l’ effetto barriera della flora intestinale, in grado di inibire la crescita di batteri potenzialmente patogeni come Clostridium ed Escherichia coli. Inoltre l’abbassamento del pH favorisce l’assorbimento di Calcio.