Carbossilazione : Ossigenazione 3: 1

Atmosfera:

O2 = 21%

CO2 = 0.035%

Se il rapporto è 3:1, la Rubisco è molto più affine per la CO 2!!!

L’ossigenazione non è un’ossidazione!!Non sono sottratti elettroni, ma l’O2 viene introdotto nella molecola con conseguente riduzione dell’efficienza fotosintetica e della produttività (viene fissata meno CO2).

Dalla reazione di ossigenazione si formano una molecola di 3PGA (C3) ed una di acido fosfoglicolico (C2), esiste un sistema di recupero del carbonio di questa molecola….

…..la FOTORESPIRAZIONE.

La RUBISCO ha anche affinità per OLa RUBISCO ha anche affinità per O 22

LA FOTORESPIRAZIONELA FOTORESPIRAZIONEovvero respirazione alla luceovvero respirazione alla luce

→ evoluzione anomala di CO2 in seguito a fotorespirazione (che per un breve

periodo di tempo procede anche al buio).

Scoperta della fotorespirazione: dopo un periodo di esposizione alla luce e quindi in

condizione di attiva fotosintesi, una pianta che è messa repentinamente al buio emette

una quantità di CO2 superiore a quella propria della respirazione.

[CO2]

tempo

buio

Dopo alcuni minuti di oscurità l’evoluzione di CO2 scende ai livelli propri della respirazione “oscura”

fotosintesi +respirazione

Solo respirazione

In cellule mutanti che non sono in grado di svolgere la fotosintesi il fenomeno non si manifedta

La Fotorespirazione coinvolge tre differenti organuli:

CLOROPLASTO, PEROSSISOMA E MITOCONDRIO

Perossisomi:

Organuli dotati di membrana singola al cui interno si trovano grandi cristalli di

CATALASICATALASI

enzima (abbastanza lento!) che dismuta il perossido di idrogeno che generalmente si forma durante il metabolismo dei perossisomi stessi

HH22OO22 + H + H22OO22 → 2H→ 2H22O + OO + O22

ROS!!!

NB: Per l’eliminazione del perossido di idrogeno nei cloroplasti in seguito alla reazione di Mehler non vi era questo enzima (assente nei plastidi) ma il ciclo dell’ascorbato-glutatione in quanto vi era la necessità primaria ed il fine di consumare il NADPH in eccesso.

MOLECOLE che prendono parte MOLECOLE che prendono parte al ciclo della FOTORESPIRAZIONEal ciclo della FOTORESPIRAZIONE

CH2OH

C = O

COOH

Ac. β-idrossipiruvico

H

C-OH

COOH

Ac. glicolico

H

C = O

COOH

Ac. gliossilico

CH2OH

HCOH

COOH

Ac. glicerico

Produzione di serina

Una molecola di glicina viene decarbossilata, il gruppo metilenico è trasferito ad un’altra molecola di glicina mediante l’enzima

idrossimetiltranferasi (contenete tetraidrofolato)

Riassumendo…

Per ogni 2 molecole di glicolatoglicolato prodotte dalla Rubisco vengono generate:

1 molecola di CO2

1 molecola di NH3

1 molecola di NADH

1 molecola di Serina

¾ del C fotosintetico rientrano nel ciclo C3:

2 Glicolato = 4 C1 Serina = 3 C

Recupero del C perso (non fissato)

Il ciclo C2 recupera il 75% del carbonio perso originalmnte dal ciclo di Calvin sotto forma di ac glicolico, tuttavia la FR è energicamente dispendiosa e costosa:

-Consumo di 1 O2 per ogni RuBP ossidato- Perdita di CO2 nei mitocondri- 2 NADPH- 3.5 ATP (considerando anche la riassimilazione di NH3)- NADPH e ATP per riorganicare la CO2 perduta

Totale: 1010 ATP e 66 NADPH!!!!

SIGNIFICATO DELLA FOTORESPIRAZIONESIGNIFICATO DELLA FOTORESPIRAZIONE

La spesa energetica per la FR è quindi ingente, inoltre vi sono varie condizioni

ambientali in cui il tasso di FR aumenta e quindi la spesa per sostenere questo

processo diviene sempre più onerosa…..

……la FOTORESPIRAZIONE si accentua per l’aumento la FOTORESPIRAZIONE si accentua per l’aumento

relativo dell’Orelativo dell’O22 ( (↓ CO↓ CO22/O/O22).).

Ulteriore perdita in efficienza fotosintetica.

La FR è dispendiosa ma inevitabile per la stessa struttura della Rubisco

(evoluzione in atmosfera con basso O2 ed alta CO2).

Condizioni che favoriscono la FR:Condizioni che favoriscono la FR:

Se la FS è limitata dalla carenza di CO2 a stomi chiusi (↓ CO2 ↑ O2, es. stress idrico)

e/o ad alta temperatura (differente solubilità O2 e CO2 all’aumentare della temperatura,

diminuzione della solubilità dei gas nel velo acquoso che permea le cellule del

mesofillo (legge di Henry sui gas): la solubilità della CO2 diminuisce più velocemente di

quella dell’O2)…….

Oltre ad agire per recuperare il carbonio perso con l’ossigenazione operata dalla Rubisco può avere altre funzioni protettive

• Riduzione dell’inibizione della FS a bassa pCO2 (che rallenta Calvin)

costituendo un sink metabolico per NADPH e ATP: valvola di sfogo del surplus energetico di NADPH e ATP!!

La FR, anche se inevitabilmente vantaggiosa, porta comunque alla diminuzione della produttività della pianta (in termini di aumento di biomassa).

Se energicamente dispendiosa, allora perché la FOTORESPIRAZIONEFOTORESPIRAZIONE è stata favorevolmente selezionata?

Sempre in tali condizioni, riduzione del rischio di produzione dei radicali dell’ossigeno (→ fotoinibizione e fotodanni) grazie al fatto che l’O2 viene allontanato dal cloroplasto (diminuzione della reazione di Mehler).

2)

Un problema…..

♣♣ Adattamenti fotosintetici Adattamenti fotosintetici alle condizioni in cui la FR diverrebbe troppo limitante (es. elevate illuminazioni, elevate temperature e scarsità di acqua)

ADATTAMENTI FOTOSINTETICI E pCOADATTAMENTI FOTOSINTETICI E pCO22

Miglioramento della produttività in ambienti particolari:

bassa pCO2 nella camera sottostomatica per elevata illuminazione e/o deficit idrico.

strategiaMECCANISMI DI

CONCENTRAZIONE DELLA CO2 nelle cellule fotosintizzanti (dove c’è la Rubisco!)

per limitare la fotorespirazione grazie all’aumento del rapporto COCO22/O/O22

(e favorire così la carbossilazione invece che l’ossigenazione!)

scoposcopo

La fissazione della CO2 avviene con la

formazione di acidi a 4 atomi di C (C4C4)

invece che a 3 come nelle piante C3:

fotosintesi a stomi semichiusi.

[CO2] e saturazione precoce.

C4:C4: la fissazione comincia prima e si

satura prima: concentrazione!

→ → FS a [COFS a [CO 22] minori.] minori.

• LE PIANTE C4LE PIANTE C4

AMBIENTI CALDI

Punto di compensazione:fissazione = respirazione

saturazione

compensazione CO2

Le piante C4 hanno evoluto una strategia per mantenere altaalta la pCO2 nelle cellule

fotosintetizzanti anche in condizioni di alta temperatura e moderato stress idrico:

La maggiore competitività è sempre e solo in condizioni di alta temperaturaLa maggiore competitività è sempre e solo in condizioni di alta temperatura per:

maggiore efficienza dell’uso dell’acqua che permette una fotosintesi a stomi semichiusi

per il risparmio idrico limitando al massimo la fotorespirazione.

Le C4 sono più competitive delle C3 solo in determinati ambienti sfavorevoli: mantenere

il metabolismo C4 è energicamente dispendioso!!

Quindi il vantaggio è apprezzabile solo in CONDIZIONI di STRESS.

16 famiglie: es. Graminacee (canna da zucchero, mais, sorgo), Chenopodiacee, Ciperacee.

SISTEMA DI CONCENTRAZIONE DELLA COSISTEMA DI CONCENTRAZIONE DELLA CO22

E E MAGGIORE COMPETITIVITAMAGGIORE COMPETITIVITA’ RISPETTO ALLE C3’ RISPETTO ALLE C3

ANATOMIA FOGLIARE DELLE PIANTE C4ANATOMIA FOGLIARE DELLE PIANTE C4

- Clorenchima (mesofillo fotosintetico) disposto a formare una corona (guaina del fascio) attorno ai fasci vascolari: anatomia Kranz (= corona).

- Suberificazione delle cellule della guaina del fascio

- Numerosissimi ed ampi plasmodesmi: cooperazione fra mesofillo e cellule della guaina del fascio.

C3

C4

Anatomia Kranz

FineFine: concentrare la CO2 nella guaina per ridurre la fotorespirazione!!!

Il Ciclo C4 per l’assimilazione fotosintetica del C coinvolge due tipi cellulari (cellule del mesofillo e cellule della guaina del fascio) e procede in 4 tappe:

1) Assimilazione della COAssimilazione della CO22 in un acido C4 → nel mesofillo

2) Trasporto del C4Trasporto del C4 dal mesofillo alla guaina del fascio (plasmodesmi!)

3) Decarbossilazione del C4Decarbossilazione del C4 con liberazione di CO2 e formazione di un C3 → nella guaina (suberificazione, non entra O2, non esce CO2), qui avviene poi un normale ciclo C3

4) Trasporto del C3Trasporto del C3 indietro verso le cellule del mesofillo (plasmodesmi!) dove viene rigenerato l’accettore della CO2.

Esistono tre diversi gruppi di piante C4tre diversi gruppi di piante C4 che differiscono a seconda degli enzimi utilizzati per la decarbossilazione decarbossilazione del C4.

La CARBOSSILAZIONECARBOSSILAZIONE è invece uguale per tutti:

Enzima:

FOSFOENOLPIRUVATO CARBOSSILASIFOSFOENOLPIRUVATO CARBOSSILASI → la sua affinità per HCO3- è maggiore di quella della Rubisco per la CO2

(concentrazione, e l’O2 non compete!):

maggiore efficienza nella fissazione della CO2!!!

PEP + HCO3- → acido ossalacetico C3C3 + HCO3

- → C4 C4

PEP-C

che ha indotto specie diverse a convergere verso la stessa strategia di adattamento.

I tre principali tipi di adattamento C4 sono distinti a seconda dell’enzima che permette la decarbossilazione e quindi il recupero di CO2 nei cloroplasti della guaina del fascio

A) Enzima malico NADP+ dipendenteB) Enzima malico NAD+ dipendenteC)Fosfoenolpiruvato Carbossichinasi

I° gruppo: Enzima malico NADP + dipendente

PEP

Acidoossalacetico

Acidomalico

Acidomalico

Acidopiruvico

Acidopiruvico

HCO3-

Pi

NADPHNADP+

NADP+

NADPH CO2

Ciclo di Calvin

Bilancio?I cloroplasti delle cellule della Guaina del fascio sono agranari, manca il PSII così non viene evoluto O2, però se la FS non funziona non si produce NADPH (solo ATP dalla FS ciclica attorno al PSI), mentre per il Ciclo di Calvin ci vogliono 2 NADPH per la riduzione del carbonio….

Mesofillo

Guaina del fascio

Cloroplastico

In casi di adattamento C4 molto spinto(ad es. nel mais o la canna da zucchero) i cloroplasti si presentano ipertrofici e i tilacoidi non sono organizzati in grana. In tale condizione vengono a mancare o essere molto pochi i fotosistemi PSII che sono localizzati nelle partizioni.

PERTANTO,

•mancando il PSII e non essendo ossidata l’H2O, non c’è produzione di ossigeno e viene favorita l’attività carbossilasica della Rubisco.

•Se il PSII non è funzionante non viene prodotto NADPH.

Ma per ogni CO2 che viene fissato al RudP sono necessari 2 NADPH e l’ossidazione del malato ne produce solo 1!

Soluzione?Il fosfoglicerato in eccesso viene mandato, tramite plasmodesmi al mesofillo dove è ridotto e quindi rinviato alla guaina del fascio dove avviene il ciclo di Calvin e si formano i granuli d’amido

LE REAZIONI DEL PRIMO GRUPPOLE REAZIONI DEL PRIMO GRUPPO

COOH

CH2

C = O

COOH

COOH

CH2

CHOH

COOH

COOH

CH2

CHOH

COOH

COOH

C = O

CH3

COOH

COPO32-

CH2

COOH

C = O

CH3

+ NADPH + NADP+

Ac. ossalacetico Ac. malico

Malico deidrogenasi

Ac. malico

+ CO2 + NADPH

+ NADP+

Ac. piruvico

Ac. piruvico

Enzimamalico

+ Pi + ATP + PPi + AMP

A. fosfoenolpiruvico

Piruvato-ortofosfatodichinasi

Cloroplasto mesofillo Cloroplasto guaina del fascio

Cloroplasto mesofillo

Enzima che agisce su un doppio substrato!Poi pirofosfatasi per spostare la reazione a destra e adenilato chinasi per riformare l’ADP per la fotofosforilazione

II° gruppo: Enzima malico NAD + dipendente

PEP

Acidoossalacetico

Acidoaspartico

Acidomalico

Acidopiruvico

Acidopiruvico

HCO3-

Pi

NAD+

NADHCO2

Ciclo di

Calvin

Acidoaspartico

Acidoossalacetico

AlaninaAlanina

Mesofillo

Guaina del fascio

NADH-malico deidrogenasi

LE REAZIONI DEL SECONDO GRUPPOLE REAZIONI DEL SECONDO GRUPPO

COOH

CH2

C = O

COOH

COOH

CH2

CHNH2

COOH

COOH

CH2

CHOH

COOH

COOH

C = O

CH3

COOH

C = O

CH3

+ +

Acidoossalacetico

Aspartato

Aspartatoamminotrasferasi

Ac. malico

+ CO2

+ NADH+ NAD+

Ac. piruvico

Ac. piruvico

Enzimamalico

+ Acido glutammico + Ac. A-chetoglutarico

Alanina

Alaninaamminotransferasi

COOH

CHNH2

CH3

citosol

mitocondrio

citosol

COOH

CH2

CH2

CHNH2

COOH

COOH

CH2

CH2

C = O

COOHAcido glutammico Ac. α-chetoglutarico

III° gruppo: Fosfoenolpiruvato Carbossichinasi

PEP

Acidoossalacetico

Acidoaspartico

Fosfoenolpiruvato

HCO3-

Pi

CO2

Acidoaspartico

Acidoossalacetico

ATP

ADP

Questa è la strategia energicamente più vantaggiosa per il risparmio di ATP.

Mesofillo

Guaina del fascio

PEP carbossichinasi Ciclo

di Calvin

LE REAZIONI DEL TERZO GRUPPOLE REAZIONI DEL TERZO GRUPPO

COOH

CH2

C = O

COOH

+ ATP + CO2 + ADP

Acidoossalacetico

PEPcarbossichinasi

citosol

COOH

COPO32-

CH2

A. fosfoenolpiruvico

Decarbossilazione sui generis con fosforilazione del substratofosforilazione del substrato

ECOFISIOLOGIA DELLE C4ECOFISIOLOGIA DELLE C4

La presenza delle C4 tende ad aumentare dalle aree più fresche ed umide alle regioni

più calde ed aride (America ed Africa).

In Italia le C4 autoctone sono poco numerose, in prevalenza sono Chenopodiacee

abitatrici di zone lagunari…..

Sale → alto Ψ del suolo → stress idrico, esigenza di risparmiare acqua tenendo gli stomi semichiusi, gli scambi gassosi sono minori ma c’è il sistema di concentrazione della CO2.

LAGUNA: abbondanza di acqua e stress idrico???? Ma c’è il salesale!!!

PEP carbossilasi

chinasi

PEP carbossilasi

chinasi

Luce Buio

Più attiva

Meno attiva

P

Meno attiva(buio)

PEPcarbossilasi

ATP ADP

PEPcarbossilasiSer Ser

Più attiva(luce)

H2OPi

La luce attiva una chinasi. La PEP carbossilasi viene fosforilata e

diviene più attiva. Al buio la chinasi è meno attiva e il fosfato è rimosso per scissione idrolitica

REGOLAZIONE DEL CICLO C4REGOLAZIONE DEL CICLO C4La PEPC e la PPDK sono attivate dalla LUCELUCE tramite fosforilazione (anche la MDH

attraverso le tioredossine).

Attivazione della PEP-carbossilasi alla luce

Piante C4Attivazione alla luce della Piruvato ortofosfato

dichinasi (PPDK)La fosforilazione del PPDK provocata dall’ADP rende l’enzima inattivo. La forma inattiva aumenta al buio

quando, interrompendosi la formazione del gradiente protonico, aumenta la concentrazione di ADP rispetto

all’ ATP che in questa condizione non viene prodotto

Costo energetico (2 ATP per CO2 concentrata nella guaina del fascio) e competitività

C3C3 → → → → stressstress → → → → C4C4

I geni ci sono già perché gli enzimi codificati svolgono normalmente anche altre funzioni (es. Ciclo di Krebs e sistema tampone per il pH)

Anche se il metabolismo C4 è costoso, in determinati ambienti competitivi è vincente.

Le piante C4 possono mantenere gli stomi semichiusi per risparmiare acqua e continuare a fissare la CO2 più efficientemente delle C3 per le proprietà della PEPC e per la concentrazione della CO2 stessa nella guaina del fascio.

Anche proprietà intermedie C3-C4 a seconda degli ambienti in cui le piante vivono.

Il metabolismo C4 si è evoluto indipendentemente in generi diversiIl metabolismo C4 si è evoluto indipendentemente in generi diversi

Stress ambientali diversi con aumento della FOTORESPIRAZIONE: STESSO EFFETTO, STESSA RISPOSTA!

II) PIANTE CAMII) PIANTE CAM (Metabolismo Acido delle Crassulacee)

AMBIENTI DESERTICI

Elevate temperature stress idrico: piante grasse o “succulente” (es. cactus, euforbiacee)

Assimilazione fotosintetica netta anche a STOMI CHIUSI (→ risparmio idrico): FS a stomi chiusiFS a stomi chiusi.

Piante CAM facoltative: solo in presenza di stress.

Altissima pCO 2 e quindi FR trascurabile con massimo miglioramento dell’efficienza dell’utilizzo dell’acqua.

Durante il giornoDurante il giorno, nel cloroplasto avviene la decarbossilazione del malato con liberazione di CO2 e normale ciclo C3.

La formazione degli acidi C4 è separata sia spazialmente (vacuolo/cloroplasto) che temporalmente (giorno/notte).

STOMI APERTI LA NOTTESTOMI APERTI LA NOTTE: fissazione notturna della COCO22 sul PEP con formazione di malatomalato → vacuolo +.

Isoforma della PEPC attivata la notte e regolata “al contrario” rispetto a quella delle piante C4 (e insensibile al malato).

BUIOBUIOAssimilazione della CO2 attraverso gli stomi aperti (bassa traspirazione): acidificazione al buio

Gli stomi aperti permettono l’ingresso della CO2 e la perdita (minima!) di acqua

LUCELUCEDecarbossilazione dell’acido malico accumulato e ri-fissazione della CO2 interna: deacidificazione alla luce

Gli stomi chiusi impediscono la perdita di acqua e l’assunzione di CO2

Come riconoscere una pianta CAM: elettrodo ad H e misurazione del pH vacuolare di giorno e di notte → acidificazione di notte per far entrare il malato (non può accumularsi nel citosol “attivo”) quindi variazione ciclica del pH durante le giornate → pompe H+ATPasiche del vacuolo!

Riassumendo:

COMPARAZIONE FRA I METABOLISMI C4 E CAMCOMPARAZIONE FRA I METABOLISMI C4 E CAM