reazioni nel cloroplasto
ASSIMILAZIONE
DEL CARBONIO
i componenti fotosintetici nella membrana tilacoidale
REAZIONI DEL CARBONIO
NEL CLOROPLASTO (CELLULA VEGETALE) Fissazione / riduzione del carbonio
1 CO2+ 2 NADPH + 3 ATP (CH2O) + 2 NADP++ 3 ADP + 3 P i
Qual’è la natura del primo
prodotto della fotosintesi?
PGA
RubP
c
p
m
luce buio luce
5 10 15 minuti COOH I H-C-OH I CH2O~P CH2O~P I C=O I H-C-OH I H-C-OH I CH2O~P Chlorella pyrenoidosa CH2O~P I C=O I H-C-OH I H-C-OH I CH2O~P
Ribulosio 1,5 bisfosfato (RubP, 5 C)
Reagenti primari della fissazione della CO
2Prodotto primario della fissazione della CO
23-fosfoglicerato (3-PGA, 3 C)
COOH I H-C-OH I CH2O~PRubP carbossilasi / ossigenasi RubisCO
RubP + CO
22 [ 3-PGA ]
5C 1C 3C
Rubisco
• La proteina più abbondante nelle piante
• Nelle foglie, costituisce circa il 40% della proteina solubile, o il 15% della proteina totale
• Localizzata nello stroma del cloroplasto • Composizione: 2 subunità
• Subunità grande (LSU), 58 kDa, codificata da rbcL nel cloroplasto, contiene il sito catalitico
• Subunità piccola (SSU), 14.4 kDa, codificata da rbcS nel nucleo, con funzioni strutturali
Riduzione fotosintetica del carbonio:
4 fasi distinte
• carbossilazione (formazione di 3-PGA)
• riduzione
(formazione di 3-PGAL)
• rigenerazione
(RubP)
• formazione di zuccheri (sintesi amido)
CICLO DI CALVIN
1 step
2 steps
RuBP (C5) ribulose 1,5 biphosphate 3-GPA (C3) 3-Phosphoglycerate
GAP (C3) glyceraldehyde 3-phosphate (triose phosphate)
10 steps
6CO2-> zucchero C6 (esoso) Costo: 9 ATP + 6 NADPH 80% efficienza
Anni ’50:14CO
2labeling
Melvin Calvin (’61 Nobel prize) Andrew Benson
James A Bassham
6000 ton carbonio fissato/sec 80% da oceani 3xC5 6xC3 6xC3 Phosphorylation Reduction 5xC3 1xC3 3xC1 Ciclo di CALVIN
Coordinazione metabolica:
Regolazione dell’attività enzimatica da parte della
luce attraverso le tioredossine
ribosio-5-fosfato ribulosio-1,5-bisfosfato 3-PGA (3-fosfoglicerato) fruttosio-6-fosfato ribulosio-5-fosfato fruttosio- 1,6-bisfosfato diidrossiacetone fosfato gliceraldeide-3-fosfato 1,3-bisfosfoglicerato
EVOLUZIONE DELLA FOTOSINTESI
C
4Nel corso dell’evoluzione, si sono evolute
forme specializzate di fotosintesi, a livello
della reazione di fissazione.
Fotosintesi a C
3:
(maggior parte delle piante e tutte le alghe)
RubiscoCO
2+ RubP 2 PGA
Fotosintesi a C4
(mais, canna da zucchero)
PEP-c
HCO3- + PEP ossalacetato
CAM
(cacti, specie succulente)
PEP-c
HCO3- + PEP ossalacetato
La velocità di fotosintesi di una C
4può
Nelle C4si osserva una
efficiente comunicazione
metabolica (attraverso i plasmodesmi)mesofillo guaina del fascio fascio vascolare
Kranz anatomy
Cynodon sp.
le cellule della guaina del fascio hanno pareti cellulari ispessite
Kranz anatomy
Piante a C4
CELLULE del MESOFILLO
CLOROPLASTO:
• presenza di grana e tilacoidi esposti allo stroma
• ossidazione dell’H2O
• riduzione della Fd, generazione di ATP • il volume della fase stromatica è limitato • mancanza di RubisCO e del ciclo di
Calvin (carbossilazione, riduzione, sintesi di zuccheri, rigenerazione
CITOSOL:
• presenza della PEP-carbossilasi
CELLULE della GUAINA del FASCIO
CLOROPLASTO:
• mancanza di grana, presenza di tilacoidi esposti allo stroma
• assenza di PSII, contiene cit b6-f , PSI, ATP-sintasi
• fase stromatica consistente, abbondante Rubisco ed enzimi del ciclo di Calvin. • Incapacità di ossidare H2O, non sviluppa
ossigeno (prevalenza di condizioni riducenti nella guaina del fascio)
• Genera ATP attraverso fotofosforilazione ciclica
nei cloroplasti del mesofillo avvengono le reazioni legate alla luce; non possono fissare CO2; non possono svolgere altre reazioni legate al metabolismo del carbonio il citosol delle cellule del mesofillo contiene una
Piante a C4
BIOCHIMICA DELLA FOTOSINTESI C4 Mesofillo – Cloroplasto
Piruvato + ATP + Pi PEP + AMP + PPi
(segue la reazione AMP + ATP 2 ADP) Mesofillo – Citosol
• PEP + HCO3- ossalacetato reazione di carbossilazione
• Ossalacetato + NADH malato
[Il malato, attraverso i plasmodesmi, è traslocato ai cloroplasti delle cellule della guaina del fascio]
Guaina del fascio – Cloroplasto (fase stromatica)
NADP-malic enzyme
malato + NADP+ NADPH + (decarbossilasi)
piruvato
[Il piruvato si muove in senso inverso, è traslocato alle cellule del mesofillo]
• CO2si accumula
• elevata efficienza della Rubisco • velocità elevate di fotosintesi
CO2 +
Rubisco
+ RubP 2 PGA
Shuttling di CO
2
Nelle membrane tilacoidali dei cloroplasti delle
cellule della guaina del fascio non troviamo grana
(
mancanza di PSII) ma troviamo: cit
b6-f
, PSI,
ATP sintasi.
Questo consente di produrre ATP attraverso la
fotofosforilazione ciclica
Cellule MESOFILLO:
reazioni di fissazione del carbonio
Cellule GUAINA DEL FASCIO:
Trasporto ciclico di elettroni
Energetica della fotosintesi C4:
per ogni C fissato / ridotto in zuccheri occorrono:
5 ATP + 2 NADPH
(C
4)
3 ATP + 2 NADPH
(C
3)
La fissazione di HCO3-è la reazione primaria nelle C 4
La fotosintesi C4si è evoluta in climi caldo-aridi
- luce abbondante
- quantità limitate di acqua; la perdita di acqua causa
la chiusura degli stomi e un rallentamento della fotosintesi per limitazione agli scambi gassosi
La fotosintesi a C
4dipende da HCO
3-, non da CO
2!
CO
2+ OH
-HCO
3 -pK 6,4 pH 6,4 CO2/ HCO3- = 1:1 pH 7,4 CO2/ HCO3- = 1:10con gli stomi chiusi, la
CO
2viene da
HCO
3-è questo il motivo per cui
velocità fotosintesi C
4= (2-4)
*
velocità fotosintesi C
3La maggiore efficienza delle C4 è legata anche al minore contributo della fotorespirazione
Atriplex rosea (C4) Atriplex patula (C3) Velocità di fotosintesi in relazione alle variabili ambientali:
Climi tropicali (scarsità di acqua)
Elevate intensità luminose (quindi non limitanti)
Climi temperati (abbondanza di acqua)
Intensità luminose moderate (la luce diventa limitante)
C
4> C
3C
3> C
4Resa nell’assimilazione del carbonio
La fotorespirazione
Rilascio, indotto dalla luce, di CO
2da parte delle foglie
E’ un processo diverso dalla
respirazione mitocondriale
Reazione catalizzata dalla RubisCO
CAM
Crassulacean Acid Metabolism Crassulaceae Cactaceae Liliaceae OrchidaceaeConfronto tra fotosintesi a C3 e C4
Assente Presente
Dimorfismo del cloroplasto
Mesofillo stratificato Tipo Kranz Anatomia fogliare 10-25°C 30-45°C Optimum di T°C Fino al 30 % fotosintesi Non misurabile Fotorespirazione
Alto, dipendente dalla temperatura (30-60 µµµµl CO2/l
Basso, indipendente dalla temperatura (<10 µµµµl CO2/l Punto di compensazione per
la CO2
Basso: 200 W/m2 Alto: 400-600 W/m2
Punto di saturazione della luce per la fotosintesi
Basso (<30 mg CO2 /dm2/h) Elevato (60-100 mg CO2 /dm2/h) Flusso netto Composto a C3 (fosfoglicerato) Composti a C4 (malato, aspartato, ossalacetato) Prodotto primario fiss. CO2
C3 C4
Somiglianze
Somiglianze tra fotosintesi a C4 e CAM
- Entrambi i tipi fanno uso della PEP-c per la prima reazione di fissazione di carbonio nel citosol
- Impiegano diversi compartimenti per la fissazione, realizzando la concentrazione di CO2
Differenze
Differenze tra fotosintesi a C4 e CAM
- Usano comparti diversi:
C4: mesofillo (fissazione), guaina del fascio (riduzione)
CAM: citosol (fissazione), vacuolo
(immagazzinamento), cloroplasto (riduzione) - PEP-c / RubisCO:
C4: PEP-c è nel mesofillo, RubisCO nelle BSC CAM: PEP-c e RubisCO entrambe nel mesofillo