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reazioni nel cloroplasto

ASSIMILAZIONE

DEL CARBONIO

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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 Pi

Qual’è la natura del primo prodotto della fotosintesi?

3

PGA

RubP

cpm

luce lucebuio

5 10 15 minuti

COOHI

H-C-OHICH2O~P

CH2O~PIC=OI

H-C-OHI

H-C-OHICH2O~P

Chlorella pyrenoidosa

CH2O~PI

C=OI

H-C-OHI

H-C-OHI

CH2O~P

Ribulosio 1,5 bisfosfato (RubP, 5 C)

Reagenti primari della fissazione della CO 2

CO2 (1 C) O=C=O

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Prodotto primario della fissazione della CO 2

3-fosfoglicerato (3-PGA, 3 C)

COOHI

H-C-OHICH2O~P

RubP carbossilasi / ossigenasi

RubisCO

RubP + CO2 2 [ 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

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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 biphosphate3-GPA (C3) 3-PhosphoglycerateGAP (C3) glyceraldehyde 3-phosphate (triose phosphate)

10 steps6CO2 -> zucchero C6 (esoso)Costo: 9 ATP + 6 NADPH 80% efficienza

Anni ’50: 14CO2 labelingMelvin Calvin (’61 Nobel prize)Andrew BensonJames A Bassham

6000 ton carbonio fissato/sec80% da oceani

3xC5

6xC3

6xC3

PhosphorylationReduction

5xC3

1xC3

3xC1

Ciclo di CALVIN

6

Coordinazione metabolica:

Regolazione dell’attività enzimatica da parte della luce attraverso le tioredossine

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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

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EVOLUZIONE DELLA FOTOSINTESI C4

Nel corso dell’evoluzione, si sono evolute forme specializzate di fotosintesi, a livello della reazione di fissazione.

Fotosintesi a C3:

(maggior parte delle piante e tutte le alghe)Rubisco

CO2 + 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 4 può essere anche 2-3 volte quella di una C 3

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Nelle C 4 si osserva una efficiente comunicazionemetabolica (attraverso i plasmodesmi)

mesofillo guaina del fascio f ascio vascolare

Kranz anatomy Cynodon sp.

le cellule della guaina del fascio hanno pareti cel lulari ispessite

C3 Amphibrumus neesii C4 Cynodon

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Kranz anatomyPiante 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 carbossilasi alternativa

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Piante a C4

BIOCHIMICA DELLA FOTOSINTESI C 4

Mesofillo – CloroplastoPiruvato + 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 enzymemalato + NADP+ NADPH +

(decarbossilasi)piruvato

[Il piruvato si muove in senso inverso, è traslocato alle cellule del mesofillo]

• CO2 si accumula• elevata efficienza della Rubisco• velocità elevate di fotosintesi

CO2 +

Rubisco+ RubP 2 PGA

CO2

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Shuttling di CO2

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:reazioni di riduzione del carbonio

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Trasporto ciclico di elettroni

Energetica della fotosintesi C4:

per ogni C fissato / ridotto in zuccheri occorrono:

5 ATP + 2 NADPH (C4)

3 ATP + 2 NADPH (C3)

La fissazione di HCO 3- è la reazione primaria nelle C 4

La fotosintesi C 4 si 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

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La fotosintesi a C 4 dipende da HCO 3-, non da CO 2!

CO2 + OH- HCO3-

pK 6,4

pH 6,4 CO2 / HCO3- = 1:1

pH 7,4 CO2 / HCO3- = 1:10

con gli stomi chiusi, la CO2 viene da HCO3-

è questo il motivo per cui

velocità fotosintesi C4 = (2-4) * velocità fotosintesi C3

La 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:

confronto tra C3 e C4

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Climi tropicali (scarsità di acqua)

Elevate intensità luminose (quindi non limitanti)

Climi temperati (abbondanza di acqua)

Intensità luminose moderate (la luce diventa limita nte)

C4 > C3

C3 > C4

Resa nell’assimilazione del carbonio

La fotorespirazione

Rilascio, indotto dalla luce, di CO2da parte delle foglie

E’ un processo diverso dalla respirazione mitocondriale

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Reazione catalizzata

dalla RubisCO

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CAM

Crassulacean Acid Metabolism

CrassulaceaeCactaceaeLiliaceaeOrchidaceae

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Confronto tra fotosintesi a C3 e C4

AssentePresenteDimorfismo del cloroplasto

Mesofillo stratificatoTipo KranzAnatomia fogliare

10-25°C30-45°COptimum di T°C

Fino al 30 % fotosintesi

Non misurabileFotorespirazione

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/m2Alto: 400-600 W/m2Punto 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

C3C4

SomiglianzeSomiglianze 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

DifferenzeDifferenze 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