ogni anno 200 miliardi di tonnellate di CO 2 vengono convertite in biomassa

Transcript

1 ogni anno 200 miliardi di tonnellate di CO 2 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

2

3 Tutti gli eucarioti fotosintetici, dall alga più primitiva all angiosperma più evoluta, riducono la CO 2 in carboidrati.

4 CICLO DI CALVIN ciclo riduttivo dei pentosi fosfati, RPP riduzione fotosintetica del carbonio, PCR Approccio cinetico 14 CO 2 Chlorella analisi intermedi marcati

5 dopo 5 s dopo 30 s Qual è l accettore della CO 2?

6 La susseguente scoperta che i pentosi monofosfati e un pentoso difosfato (il ribulosio) partecipassero al ciclo suggerì la possibilità che l accettore iniziale della CO 2 fosse un composto a cinque di carbonio che, dopo aver reagito con la CO 2, generava due molecole di 3-fosfoglicerico. Questo sconvolgimento concettuale portò rapidamente all identificazione del ribulosio 1,5-difosfato come accettore della CO 2.

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

8

9 il ciclo di Calvin è autocatalitico rigenera più substrato di quanto ne consumi 5 RuBP + 5 CO H 2 O + 16 ATP + 10 NADPH 6 RuBP + 14 P i + 6 H ADP +10 NADP +

10 stechiometria generale 6 CO H 2 O + 18 ATP + 12 NADPH fruttosio 6-P +12 NADP H ADP +17 P i il ciclo di Calvin consuma 3 ATP e 2 NADPH per ogni molecola di CO 2 fissata

11 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.

12 luce genoma nucleo rbcs (precursore subunità piccola) genoma cloroplasto rbcl (subunità grande) La subunità grande è codificata dal DNA del cloroplasto, mentre la subunità piccola e trascritta dal nucleo, tradotta nel citoplasma e trasportata nel cloroplasto. L assemblaggio di Rubisco richiede la partecipazione attiva di un complesso traduzionale come la chaperonina cloroplastica altro prodotto a localizzazione plastidica di un gene nucleare.

13 40% della frazione proteica totale delle foglie Affinità dell enzima per la CO 2 è sufficientemente elevata nello stroma [rubisco] = 4 mm 500 volte > [CO 2 ]

14 Carbossilazione 3-PGA Acido 3-fosfoglicerico ΔG = -51 KJ Favorisce il progredire della reazione Primo intermedio stabile della fotosintesi

15

16 Processo di riduzione

17 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.

18 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, recuperando gli atomi di carbonio dalle 5 molecole di triosi fosfati. rigenerazione del RuBP

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

20 il diidrossiacetone fosfato va incontro a condensazione aldolica con una molecola di gliceraldeide 3-fosfato

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

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

23 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

24 idrolizzato

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

26

27

28

29 regolazione del ciclo di Calvin efficienza termodinamica indica la presenza di qualche forma di regolazione 90% (vitro) 80% (vivo) in modo da assicurare tutti gli intermedi sono presenti in condizioni adeguate il ciclo è spento quando le condizioni non sono favorevoli

30 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

31 regolazione Rubisco una molecola di CO 2 reagisce con la Lys nel sito attivo reazione favorita dall aumento di ph nello stroma associata alla illuminazione del cloroplasto Complesso carbammato Mg 2+

32 ph 7 8 [Mg 2+ ] 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 Mg 2+,porta all aumento del ph dello stroma da circa 7 a 8

33 Attivazione della rubisco in vitro [CO 2 ] = mm in vivo [CO 2 ] = µm il RuBP lega la Rubisco no carbammilazione 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.

34 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

35 SISTEMA FERREDOSSINA -TIOREDOSSINA Costituisce un meccanismo per l attivazione 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 disolfuro di numerose proteine bersaglio, modulando la loro attività

36 Gli enzimi del ciclo di Calvin sottoposti a regolazione dalla tioredossina ridotta vengono attivati per riduzione alla luce e disattivati per ossidazione al buio

37 FOTORESPIRAZIONE

38

39 il ciclo PCO (photorespiratory carbon oxidation) recupera parte del carbonio perduto nella reazione di ossigenazione del ribulosio 1,5-bisfosfato

40 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

41

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

43 acido glicolico acido gliossilico +H 2 O 2 contiene FMN

44 Acido gliossilico viene transaminato, il donatore del gruppo amminico è probabilmente l acido glutammico e il prodotto della reazione è aa glicina la glicina passa dal perossisoma al mitocondrio

45 2 glicina serina, CO 2 la serina passa nel perossisoma

46 Perossisoma la serina è deaminata a idrossipiruvato (l accettore dell NH 2 è l acido α-chetoglutarico)

47 l idrossipiruvato è ridotto a glicerato il glicerato passa nel cloroplasto dove viene fosforilato per dare acido 3-fosfoglicerico

48 glicerato 3-fosfoglicerato CO 2 il ciclo PCO recupera il 75% del C

49 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 di un continuo funzionamento del ciclo di Calvin per poter usufruire del materiale di p a r t e n z a, i l ribulosio-1,5- difosfato a 25 C carbossilazione ossigenazione = 3 1

50 cosa succede quando la temperatura aumenta? legge di Henry [gas] µm = P gas x α x 106 V 0 α = coefficiente Bunsen di assorbimento (volume gas assorbito da un volume di acqua alla pressione di 1 atmosfera) V 0 =volume normale di un gas ideale a T e P standard (V 0 =22.4 L mol -1 ) La solubilità di un gas diminuisce man mano che la temperatura aumenta

51 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

52