8) Fotorespirazione C4 Cam Agg 315q2e

La RUBISCO ha anche affinità per O2 Carbossilazione : Ossigenazione 3: 1 Atmosfera: O2 = 21% CO2 = 0.035% Se il rapporto è 3:1, la Rubisco è molto più affine per la CO2!!!

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 FOTORESPIRAZIONE ovvero respirazione alla luce 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. fotosintesi +respirazione

Solo respirazione

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

tempo buio → evoluzione anomala di CO2 in seguito a fotorespirazione (che per un breve periodo di tempo procede anche al buio).

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

H2O2 + H2O2 → 2H2O + O2 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 al ciclo della FOTORESPIRAZIONE H

H

C-OH

C=O

COOH

COOH

Ac. glicolico

Ac. gliossilico

CH2OH C=O COOH Ac. β-idrossipiruvico

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 glicolato prodotte dalla Rubisco vengono generate: 1 molecola di CO2

¾ del C fotosintetico rientrano nel ciclo C3:

1 molecola di NH3

2 Glicolato = 4 C 1 Serina = 3 C

1 molecola di NADH Recupero del C perso (non fissato) 1 molecola di Serina

SIGNIFICATO DELLA FOTORESPIRAZIONE 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: 10 ATP e 6 NADPH!!!! 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…..

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)……. ……la

FOTORESPIRAZIONE si accentua per l’aumento

relativo dell’O2 (↓ CO2/O2). 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).

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

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

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

ADATTAMENTI FOTOSINTETICI E pCO2 scopo

Miglioramento della produttività in ambienti particolari: bassa pCO2 nella camera sottostomatica per elevata illuminazione e/o deficit idrico.

strategia MECCANISMI DI CONCENTRAZIONE DELLA CO2 nelle cellule fotosintizzanti (dove c’è la Rubisco!) per limitare la fotorespirazione grazie all’aumento del rapporto CO2/O2 (e favorire così la carbossilazione invece che l’ossigenazione!)

• LE PIANTE C4 AMBIENTI CALDI

saturazione

La fissazione della CO2 avviene con la formazione di acidi a 4 atomi di C (C4) C4 invece che a 3 come nelle piante C3: fotosintesi a stomi semichiusi.

compensazione CO2

[CO2] e saturazione precoce. C4: la fissazione comincia prima e si satura prima: concentrazione! → FS a [CO2] minori. Punto di compensazione: fissazione = respirazione

Le piante C4 hanno evoluto una strategia per mantenere alta la pCO2 nelle cellule fotosintetizzanti anche in condizioni di alta temperatura e moderato stress idrico:

SISTEMA DI CONCENTRAZIONE DELLA CO2 E MAGGIORE COMPETITIVITA’ RISPETTO ALLE C3 La 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.

ANATOMIA FOGLIARE DELLE PIANTE C4 C3

- 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.

C4

Anatomia Kranz

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 CO2 in un acido C4 → nel mesofillo 2) Trasporto del C4 dal mesofillo alla guaina del fascio (plasmodesmi!) 3) Decarbossilazione 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 C3 indietro verso le cellule del mesofillo (plasmodesmi!) dove viene rigenerato l’accettore della CO2.

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

Esistono tre diversi gruppi di piante C4 che differiscono a seconda degli enzimi utilizzati per la decarbossilazione del C4. La CARBOSSILAZIONE è invece uguale per tutti:

PEP + HCO3- → acido ossalacetico

C3 + HCO3- → C4

PEP-C

Enzima: FOSFOENOLPIRUVATO 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!!!

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+ dipendente B) Enzima malico NAD+ dipendente C)Fosfoenolpiruvato Carbossichinasi

I° gruppo: Enzima malico NADP+ dipendente

Guaina del fascio

Mesofillo Acido ossalacetico

Acido malico

Pi

NADP

+

Acido malico NADP+

NADPH

HCO3-

Cloroplastico

PEP

Acido piruvico

CO2

NADPH Acido piruvico

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….

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.

Soluzione?

Ma per ogni CO2 che viene fissato al RudP sono necessari 2 NADPH e l’ossidazione del malato ne produce solo 1! 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 GRUPPO COOH CH2

Malico deidrogenasi

COOH CH2

+ NADPH

COOH + NADP+

CH2

C=O

CHOH

CHOH

COOH

COOH

COOH

Ac. ossalacetico

Ac. malico

Cloroplasto mesofillo

COOH C=O

Enzima malico

+ NADP+

COOH C=O

+ CO2 + NADPH

CH3 Ac. piruvico

Ac. malico

Cloroplasto guaina del fascio

Piruvato-ortofosfato COOH dichinasi

+ Pi + ATP

CH3 Ac. piruvico

Cloroplasto mesofillo

COPO32-

+ PPi + AMP

CH2 A. fosfoenolpiruvico

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

Guaina del fascio

Mesofillo Acido ossalacetico

Acido aspartico

Acido aspartico

Acido ossalacetico

NADH-malico

deidrogenasi

Pi NAD+

HCO3-

NADH PEP

Acido piruvico

Alanina

Alanina

Acido malico

Ciclo di Calvin

CO2 Acido piruvico

LE REAZIONI DEL SECONDO GRUPPO COOH

COOH + CH2

CH2

COOH

COOH

COOH

CH2 +

CH2

CH2

Aspartato amminotrasferasi

C=O

CH2

CHNH2 CH2

CHOH

COOH

CHNH2

COOH

COOH

C=O

Enzima malico

+ NAD+

COOH C=O

+ CO2 + NADH

CH3 Ac. piruvico

Acido Aspartato Ac. malico ossalacetico COOH COOH Acido glutammico Ac. α-cheto mitocondrio glutarico citosol

COOH C=O

Alanina amminotransferasi

+ Acido glutammico

COOH CHNH2 + Ac. A-chetoglutarico

CH3

CH3

Ac. piruvico

Alanina

citosol

III° gruppo: Fosfoenolpiruvato Carbossichinasi

Guaina del fascio

Mesofillo Acido ossalacetico Pi HCO3-

Acido aspartico

Acido aspartico

Acido ossalacetico ATP

PEP carbossichinasi

ADP PEP

Ciclo di Calvin

CO2 Fosfoenol piruvato

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

LE REAZIONI DEL TERZO GRUPPO COOH CH2

PEP carbossichinasi

COOH

+ ATP

+ CO2 + ADP

COPO32-

C=O COOH Acido ossalacetico

CH2 A. fosfoenolpiruvico

Decarbossilazione sui generis con fosforilazione del substrato

citosol

ECOFISIOLOGIA 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…..

LAGUNA: abbondanza di acqua e stress idrico????

Ma c’è il sale!!! sale

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.

REGOLAZIONE DEL CICLO C4

La PEPC e la PPDK sono attivate dalla LUCE tramite fosforilazione (anche la MDH attraverso le tioredossine).

Attivazione della PEP-carbossilasi alla luce Meno attiva

ATP

PEP carbossilasi

ADP

chinasi

Luce

Buio P PEP carbossilasi

PEP carbossilasi

Ser

PEP carbossilasi

chinasi

Più attiva 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

Meno attiva (buio)

Pi

Più attiva (luce)

H2O

Ser

Piante C4 Attivazione 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

Il metabolismo C4 si è evoluto indipendentemente in generi diversi

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

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

C3 → → → → stress → → → → C4 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.

II) 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 chiusi. chiusi Piante CAM facoltative: solo in presenza di stress. Altissima pCO2 e quindi FR trascurabile con massimo miglioramento dell’efficienza dell’utilizzo dell’acqua.

STOMI APERTI LA NOTTE: NOTTE fissazione notturna della CO2 sul PEP con formazione di malato → vacuolo +. Isoforma della PEPC attivata la notte e regolata “al contrario” rispetto a quella delle piante C4 (e insensibile al malato).

Durante il giorno, 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).

Riassumendo: BUIO Assimilazione 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

LUCE Decarbossilazione 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!

COMPARAZIONE FRA I METABOLISMI C4 E CAM