ogni anno 200 miliardi di tonnellate di CO2 vengono convertite in biomassa

La maggior parte di questo carbonio viene

incorporato in composti organici attraverso le reazioni di riduzione del carbonio associate alla

fotosintesi

Tutti gli eucarioti fotosintetici, dall’alga più primitiva

all’angiosperma più evoluta, riducono la CO2 in carboidrati.

CICLO DI CALVIN ciclo riduttivo dei pentosi fosfati, RPP

riduzione fotosintetica del carbonio, PCR

Chlorella

14CO2

analisi intermedi marcati

Approccio cinetico

dopo 5 s dopo 30 s

Qual è l’accettore della CO2?

La susseguente scoperta che i pentosi monofosfati e un pentoso difosfato (il

ribulosio) partecipassero al ciclo suggerì la possibilità che l’accettore iniziale della CO2

fosse un composto a cinque di carbonio che, dopo aver reagito con la CO2,

generava due molecole di 3-fosfoglicerico. Questo sconvolgimento concettuale portò

rapidamente all’identificazione del ribulosio 1,5-difosfato come accettore

della CO2.

Il ciclo di Calvin procede attraverso tredici tappe divise in tre fasi

il ciclo di Calvin è autocatalitico

rigenera più substrato di quanto ne consumi

5 RuBP + 5 CO2 + 9 H2O + 16 ATP + 10 NADPH → 6 RuBP + 14 Pi + 6 H+ + 16 ADP +10 NADP+

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

Rubisco ribulosio 1,5 bisfosfato carbossilasi/

ossigenasi uno dei tre enzimi esclusivi del ciclo di Calvin

La Rubisco è la proteina solubile più abbondante del cloroplasto e probabilmente una delle più abbondanti della biosfera enzima multimerico (560 kDa) 8 subunità grandi (55 kDa) 8 subunità piccole (14 kDa) (L8S8) Le subunità L sono codificate dal genoma cloroplastico, le subunità S dal genoma nucleare.

genoma nucleo → rbcS (precursore subunità piccola) genoma cloroplasto → rbcL (subunità grande)

luce

La subuni tà grande è codificata dal DNA del c loroplasto, mentre la subunità piccola e trascritta dal nucleo, tradotta nel citoplasma e trasportata nel cloroplasto. L’assemblaggio di Rubisco r ichiede la partecipazione attiva di un complesso traduzionale c ome l a c hape r on i n a cloroplastica altro prodotto a localizzazione plastidica di un gene nucleare.

40% della frazione proteica totale delle foglie Affinità dell’ enzima per la CO2 è sufficientemente elevata nello stroma [rubisco] = 4 mM 500 volte > [CO2]

Carbossilazione

ΔG = -51 KJ Favorisce il progredire della reazione

Primo intermedio

stabile della fotosintesi

3-PGA Acido 3-fosfoglicerico

Processo di riduzione

L’enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi è simile a quello della glicolisi, ad eccezione dell’utilizzo come coenzima del NADP, al posto del NAD. Durante lo sviluppo dei cloroplasti (inverdimento) viene sintetizzata una forma dell’enzima legata al NADP e nelle reazioni biosintetiche è preferibilmente utilizzata la forma di enzima che richiede NADP.

rigenerazione del RuBP

La continua fissazione della CO2 ha bisogno che l’accettore della CO2, il ribulosio 1,5-difosfato, venga continuamente rigenerato. Per evitare la mancanza di intermedi nel ciclo vengono formate 3 molecole di ribulosio, r e cupe rando g l i a tom i d i carbonio dalle 5 molecole di triosi fosfati.

una molecola di gliceraldeide 3-fosfato è convertita a diidrossiacetone fosfato da una trioso fosfato isomerasi

il diidrossiacetone fosfato va incontro a condensazione aldolica con una molecola di

gliceraldeide 3-fosfato

il fruttosio 1,6-bisfosfato viene defosforilato a fruttosio 6-fosfato

il fruttosio 6-fosfato reagisce con la gliceraldeide 3-fosfato per formare eritrosio 4- fosfato e xilosio 5-fosfato

L’eritrosio 4-fosfato si combina con una molecola di trioso fosfato (sotto forma di deidrossiacetone 3-fosfato) per formare uno zucchero a 7 atomi di C sedoeptulosio 1,7-difosfato

idrolizzato

Il septulosio 6 fosfato dona una unità a due atomi d i C a una m o l e c o l a d i gliceraldeide 3-fosfato producendo ribosio 5-fosfato e xilulosio 5-fosfato

regolazione del ciclo di Calvin

efficienza termodinamica indica la presenza di qualche forma di regolazione

90% (vitro) 80% (vivo)

tutti gli intermedi sono presenti in condizioni adeguate

il ciclo è spento quando le condizioni non sono favorevoli

in modo da assicurare

REGOLAZIONE QUANTITÀ ENZIMI controllo espressione genica

REGOLAZIONE ATTIVITA’ ENZIMI la luce regola l’attività di numerosi enzimi del ciclo

di Calvin

Alcuni enzimi sono in comune con la via glicolitica e quella dei pentosi fosfati è essenziale che, alla luce l’apparato sintetico sia “acceso” e che l’apparato

degradativo sia “spento”

una molecola di CO2 reagisce con la Lys nel sito attivo reazione favorita dall’aumento di pH nello stroma associata alla illuminazione del cloroplasto

regolazione Rubisco

C o m p l e s s o carbammato Mg2+

pH 7 → 8 [Mg2+] 1-3 mM → 3-6 mM

La luce determina cambiamenti reversibili degli ioni presenti nello stroma. A seguito di illuminazione,i protoni sono pompati dallo stroma

nel lume dei tilacoidi. Questo efflusso di protoni, accoppiato all’assorbimento di Mg2+ ,porta all’aumento del pH dello stroma da circa

7 a 8

in vitro [CO2] = mM in vivo [CO2] = µM

il RuBP lega la Rubisco → no carbammilazione

Attivazione della rubisco

Il ruolo della rubisco attivasi è di riattivare la rubisco che è stata disattivata da zuccheri

difosfati. La rubisco attivasi accelera il rilascio di zuccheri fosfati legati che inibiscono la forma

carbammilata della rubisco.

Alcuni enzimi del ciclo di Calvin sono attivi solo alla luce

gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi

fruttosio 1,6-bisfosfatasi

sedoeptuloso 1,7-bisfasfatasi

Rubisco attivasi

inattivo attivo

SISTEMA FERREDOSSINA -TIOREDOSSINA

Costituisce un meccanismo p e r l ’ a t t i v a z i o n e o disattivazione degli enzimi in dipendenza della luce. Il trasferimento fotosintetico di elettoni da parte del PSI porta alla riduzione della ferrodossina proteina Fe-S. La ferredossina ridotta, a sua volta, riduce la tioredossina, una proteina di regolazione a disolfuri. La tioredossina ridotta può ridurre i legami d i s o l f u r o d i n u m e r o s e p r o t e i n e b e r s a g l i o , modulando la loro attività

Gli enzimi del ciclo di Calvin sottoposti a regolazione dalla tioredossina ridotta vengono

attivati per riduzione alla luce e disattivati per ossidazione al

buio

FOTORESPIRAZIONE

il ciclo PCO (photorespiratory carbon oxidation) recupera parte del carbonio perduto nella reazione di ossigenazione

del ribulosio 1,5-bisfosfato

Il funzionamento del ciclo per l’ossidazione fotorespiratoria del

carbonio implica l’interazione cooperativa fra tre organuli: i

cloroplasti, i mitocondri e i perossisomi.

La traslocazione dei metaboliti fra questi organuli è dedotta dalla

localizzazione di numerosi enzimi

il glicolato esce dai cloroplasti tramite un trasportatore specifico entra nei perossisomi (diffusione?)

contiene FMN

acido glicolico acido gliossilico +H2O2

la glicina passa dal perossisoma al mitocondrio

Acido gliossilico viene transaminato, il donatore del gruppo amminico è probabilmente l’acido glutammico

e il prodotto della reazione è aa glicina

2 glicina

serina, CO2

la serina passa nel perossisoma

la serina è deaminata a idrossipiruvato (l’accettore dell’NH2 è l’acido α-chetoglutarico)

Perossisoma

l’idrossipiruvato è ridotto a glicerato

il glicerato passa nel cloroplasto dove viene fosforilato per dare acido 3-fosfoglicerico

glicerato 3-fosfoglicerato CO2

il ciclo PCO recupera il 75% del C

a 25°C carbossilazione

ossigenazione =

3

1

Il ciclo di Calvin è in grado di funzionare i n m a n i e r a autonoma, mentre il PCO (ossidazione fotorespiratoria del carbonio) necessita d i u n c o n t i n u o funzionamento del ciclo di Calvin per poter usufruire del m a t e r i a l e d i p a r t e n z a , i l r i b u l o s i o - 1 , 5 -difosfato

cosa succede quando la temperatura aumenta?

legge di Henry

[gas] µM = Pgas x α x 106

V0

α = coefficiente Bunsen di assorbimento (volume gas assorbito da un volume di acqua

alla pressione di 1 atmosfera)

V0 =volume normale di un gas ideale a T e P standard (V0 =22.4 L mol-1)

La solubilità di un gas diminuisce man mano che la temperatura aumenta

Le concentrazioni dei due gas CO2 e O2 variano con la temperatura in quanto la solubilità di un gas diminuisce con l’aumentare della temperatura. Il rapporto fra carbossilazione e ossigenazione catalizzate dalla rubisco diminuisce e aumenta il rapporto fra fotorespirazione e la fotosintesi