Le reazioni della fotosintesi 1. Reazioni della fase luminosa: Producono NADPH e ATP 2. Reazioni di fissazione del carbonio Producono triosi fosfati Fissazione e riduzione della CO2 L’ATP e il NADPH sono utilizzate per la riduzione della CO2 in carboidrato Questa reazione si realizza nello stroma del cloroplasto Ciclo di Calvin o Ciclo riduttivo dei pentosi fosfati Tre fasi 1) Carbossilazione (PGA) RUBISCO Km(CO2)= 12 µM, Km(RUBP)=60 µM, Km(O2)=250 µM 2) Riduzione Il 3-PGA e’ ridotto ad un carboidrato a 3 atomi di carbonio nella forma di gliceraldeide 3-P (GAP) 3) Rigenerazione A partire dalla gliceraldeide 3-P si rigenera il ribulosio 1,5-bisfosfato (l’accettore di CO2) 5/6 dei trioso fosfati rigenerarano il Ribulosio 1,5-bisP; 1/6 e’ utilizzato saccarosio o amido per la sintesi di Luce, pianta CO 2 + H 2 O (CH 2 O) + O 2 6CO2 + 6H2 O C6H12 O6 + 6O2 n CO2 + 2n H2O + ATP + NADPH → (CH2O)n + n O2 + n H2O n dipende dallo zucchero considerato, se è il glucosio: 6 CO2 + 12 H2O + 18 ATP + 12 NADPH C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O + 18 ADP + 18 Pi +12 NADP Regolazione del Ciclo di Calvin 5 enzimi regolati alla luce 1. Rubisco; 2. NADP:gligeraldeide-3-P deidrogenasi; 3. Fruttosio 1,6-difosfato fosfatasi; 4. Sedeptulosio-1,7-difosfato fosfatasi; 5. Ribulosio-5-fosfato chinasi Questi enzimi tranne la Rubisco sono attivati alla luce tramite il sistema ferredossina-tioredossina il sistema ferredossina-tioredossina Richiede la formazione di un complesso carbammato-Mg2+ Durante la fotosintesi: >pH >conc. Mg2+ pH Mg2+ Alcune peculiarità della prima reazione della fase oscura Carbossilazione Rubisco (PGA) RUBISCO Km(CO2)= 12 µM, Km(RUBP)=60 µM, Km(O2)=250 µM La RUBISCO catalizza anche la reazione di ossigenazione al ciclo di Calvin Fotorespirazione o Il ciclo (C2) per l’ossidazione fotorespiratoria del carbonio Il ciclo C2 coinvolge tre differenti organelli cellulari 1. Rubisco lega O2 2. 2-fosfoglicolato> glicolato 6. 3-fosfoglicerato 3. (l’attività dei perossisomi è di rimuovere H dai composti organici consumando O2 e rimuove H2O2) •glicolato> gliossilato •Gliossilato+glutammato> glicina + a-chetoglutarato 4. 2 molecole di glicina> serina 5. Serina+ achetoglutarato> idrossipiruvato >glicerato Il ciclo per l’ossidazione fotorespiratoria del carbonio (o C2) agisce come un’operazione di salvataggio per recuperare (in parte) la CO2 persa durante la reazione di ossigenazione della rubisco. In totale, 4 C sono persi dal cloroplasto (2 molecole di fosfoglicolato convertite in 2 di glicina) ma 3C sono recuperati come 3 fosfoglicerato (mentre 1 è perso come CO2). Il ciclo C2 recupera il 75% del carbonio perso dal ciclo di Calvin sotto forma di acido 2-fosfoglicolico. Perché esiste il processo fotorespiratorio? 1. Quando le piante si sono evolute (400 mil di anni fa) la CO2 dell’atmosfera era cosi alta che l’attività ossigenasica della Rubisco non aveva alcuna importanza. Quando la CO2 atmosferica è scesa fino ai livelli attuali, la pressione selettiva ha selezionato il processo fotorespiratorio 2. E’ possibile che la fotorespirazione sia necessaria per dissipare l’eccesso di ATP e di potere riducente generati dalle reazioni luminose, in condizioni di alta intensita’ luminosa e di bassa concentrazione di CO2 prevenendo cosi’ eventuali danni all’apparato fotosintetico (esperimenti su mutanti di Arabidopsis). Molte piante non fotorespirano o lo fanno in modo limitato… Meccanismi di concentrazione della CO2!!! Piante C4 mais Come funzionano le piante C4? Il primo prodotto di fissazione della CO2 non era un composto C3 (PGA) ma acido ossalacetico, un composto C4. Anatomia della foglia Es: Frumento Arabidopsis Pomodoro Pesco Es: Mais Canna da zucchero Sorgo Piante C4 Varianti del ciclo fotosintetico C4 3 varianti che prendono il nome dall’enzima che catalizza la decarbossilazione enzima malico dipendente dall’ NADP e’ tipico del mais, canna da zucchero e sorgo. enzima malico dipendente dall’ NAD e’ tipico del panico, amaranto, portulaca. fosfoenolpiruvato carbossichinasi e’ tipico del miglio (Panicum maximum). Meccanismi di concentrazione della CO2: Il Metabolismo Acido delle Crassulacee (CAM) Caratteristico delle piante che vivono in ambienti desertici. Separazione temporale dell’apertura e chiusura degli stomi. NADPH NADP+ Buio Luce Il metabolismo CAM è regolato dalla fosforilazione della PEP carbossilasi Considerazioni ecofisiologiche Metabolismo C4 Adattamento alle alte temperature In climi caldi e secchi, il ciclo C4 riduce la fotorespirazione e la perdita di acqua Due caratteristiche del ciclo C4 evitano gli effetti deleteri di un aumento della temperatura sulla fotosintesi 1. l’affinità della fosofenolpiruvato carbossilasi (verso la CO2 nella forma HCO3-) è cosi alta che è satura a conc. atmosferiche. Inoltre, l’O2 non è un competitore della reazione (ciò consente di ridurre l’apertura stomatica e quindi la traspirazione). 2. La fotorespirazione viene soppressa dall’accumulo di CO2 nella cellule della guaina del fascio Attivita’ fotosintetica a luce saturante in funzione della temperatura La percentuale di specie C4 tende ad aumentare dalle aree piu’ fresche e umide fino alla preponderanza nelle regioni piu’ calde. In termini di produttivita’ le C4 sono in genere piu’ efficienti a illuminazioni e a temperature alte. La richiesta energetica delle C4 e’ superiore a quella del ciclo C3. Sono le condizioni ecologiche degli ambienti caldi a rendere competitive le piante C4. Rapporto traspirazione Rapporto traspirazione L'efficacia delle piante nel limitare la perdita d'acqua e nello stesso tempo permettere l'assorbimento di CO2 per la fotosintesi viene espressa tramite il rapporto di traspirazione: Rapp. trasp.= moli H2O trasp/moli CO2 fissata per le piante C3, Rapp. trasp.= circa 500! dovuto principalmente: 1. il gradiente di concentrazione del vapor d'acqua è circa 50 volte più elevato di quello per CO2; CO2 è solo 0,03% 2. CO2 più grande dell'H2O, Ds minore. 3. CO2 deve percorrere una via di diffusione più lunga e complessa prima di essere assimilata dal cloroplasto (membrana plasmatica, citoplasma, membrana del cloroplasto) Le piante C3, Rapp. trasp.= circa 500 Le piante C4, Rapp. trasp.= circa 250 Le CAM, Rapp. trasp.= circa 50 Sintesi di amido e saccarosio Sia l’amido che il saccarosio sono sintetizzati dal trioso fosfato generato dal ciclo di Calvin. Il saccarosio e’ traslocato dal floema in tutta la pianta. L’amido e’ un carboidrato stabile ed insolubile di riserva presente in tutte le piante. La sintesi del saccarosio e dell’amido sono reazioni competitive • Il traslocatore di fosfato catalizza lo spostamento di Pi e del trioso fosfato nelle direzioni opposte fra il cloroplasto e il citosol • Una bassa concentrazione citosolica di Pi limita l’esportazione nel citosol del trioso fosfato e quindi favorisce la sintesi di amido (che si accumula nei cloroplasti –amido primario) • Un’alta concentrazione citosolica di Pi promuove l’esportazione nel citosol del trioso fosfato favorendo la sintesi di saccarosio e l’inibizione di amido Su chi agisce il Pi o il trioso fosfato per regolare la biosintesi di amido e saccarosio? Regolando l’attività di alcuni enzimi coinvolti nella loro biosintesi. Es: ADP glucosio pirofosforilasi (enzima chiave nella biosintesi di amido) è inibito dal Pi. Glucosio 1-fosfato + ATP -> ADP-glucosio + H2P2O7-2 La sintesi del saccarosio e dell’amido sono reazioni competitive ADP glucosio pirofosforilasi Componenti dell’amido