Fisiologia Vegetale PDF

Fisiologia Vegetale LEZIONE 1 - 02/11/2023 Ricambio Idrico -Di usione- La di usione è il movimento spontaneo di sostanze da re...

Fisiologia Vegetale LEZIONE 1 - 02/11/2023 Ricambio Idrico -Di usione- La di usione è il movimento spontaneo di sostanze da regioni a maggiore concentrazione verso quelle a minore concentrazione. Si tratta di un movimento passivo, che non comporta alcun dispendio energetico per la cellula, poiché le sostanze si muovono secondo gradiente di concentrazione seguendo le naturali leggi siche: le molecole disciolte nei gas e nei liquidi si muovono in modo del tutto casuale e tendono a distribuirsi uniformemente. La di usione può avvenire: In ambiente liquido (di usione libera) In ambiente gassoso (di usione libera) Attraverso una membrana Le molecole si muovono secondo la prima legge di Fick: v = velocità della di usione D = coe ciente di di usione che varia da sostanza a sostanza e dipende anche dalla temperatura A = area della super cie attraverso la quale avviene la di usione Δc = di erenza di concentrazione del soluto tra i due comparti l = distanza lungo la quale avviene il movimento delle molecole Δc/l = gradiente di concentrazione Ciascuna molecola si muove seguendo il proprio gradiente di concentrazione, senza interferire con altre molecole. Ex: di usione in ambiente liquido In questa bacinella suddivisa in due comparti contenenti concentrazioni diverse di urea e glucosio, il glucosio si muove da B verso A e l’urea da A verso B, secondo il proprio gradiente di concentrazione. In ambiente gassoso, la velocità di di usione è più alta ma avviene sempre secondo gradiente di concentrazione. In ambiente cellulare, una foglia che fotosintetizza scambia con l’ambiente 3 tipi di gas: H2O, sotto forma di vapore, che di onde nell’atmosfera (dall’interno verso l’atmosfera) O2 come prodotto di scarto della fotosintesi, che deriva dall’ossidazione dell’acqua e non dall’anidride carbonica, e di onde nell'atmosfera (dall’interno verso l’atmosfera) CO2, che di onde nella foglia che la utilizza nella fotosintesi (dall’atmosfera verso l’interno) Gli scambi gassosi con l’ambiente esterno avvengono mediante gli stomi, costituiti dalle due cellule di guardia, e in particolare tramite un’apertura (rima stomatica) il cui grado di apertura viene regolato dalla pianta. Il meccanismo di regolazione della rima stomatica dipende dal potenziale osmotico all’interno delle cellule di guardia e quindi dalla quantità di soluti al suo interno: al massimo del turgore delle due cellule si ha la massima apertura delle stesse. Se il turgore viene perso, le due facce ventrali si accostano e l’apertura si chiude. In una foglia i gradienti si mantengono costanti perché i gas interessati vengono continuamente prodotti o rimossi. ff ff ff ff ffi ff ff fi ff fi ff ff ff ff ff ff ff  Ex: sezione trasversale di foglia Si riconosce l’epidermide, in entrambe le pagine della foglia, costituito da cellule strettamente adese tra loro. Al di sotto dell’epidermide si trova il meso llo con tessuto parenchimatico costituito da cellule allungate (a palizzata), cellule più tondeggianti (lacunose), cloroplasti, e cellule più isodiametriche tra le quali si trovano ampi spazi intercellulari che creano una tta rete attraverso la quale avviene il movimento dei gas secondo gradiente di concentrazione. Tutti i parenchimi presentano spazi intercellulari, ma nel parenchima cloro lliano a palizzata sono più sottili per gli scambi gassosi, in particolare l’anidride carbonica che deve raggiungere le cellule del parenchima cloro lliano - in particolare gli stromi dei cloroplasti - per poter svolgere la fase chimica della fotosintesi. La struttura di forma circolare al centro è un fascio cribro-vascolare, contenente tessuto cribroso (libro) e tessuto vascolare (legno), quest'ultimo permette il trasporto di vapore acqueo dagli spazi intercellulari all’atmosfera. Ex 2: sezione tridimensionale di foglia È evidente la presenza di una tta rete di spazi intercellulari, sebbene quelli tra le cellule a palizzata siano più sottili rispetto al parenchima lacunoso. Membrana plasmatica Le componenti della membrana plasmatica sono: Doppio strato fosfolipidico Proteine estrinseche, attaccate alla super cie della membrana Proteine integrali, inserite nel doppio strato La membrana plasmatica de nisce i con ni tra l’ambiente intracellulare ed extracellulare ed è selettivamente permeabile, contrariamente alla parete che è olopermeabile: questa proprietà favorisce il controllo dei movimenti in entrata e in uscita dell’acqua, soluti inorganici e metaboliti. Questo tipo di controllo rende possibile il mantenimento tra interno ed esterno della cellula di grandi di erenze in termini di: - Composizione chimica - pH - Potenziale osmotico - Potenziale elettrico/elettrochimico Alcune proteine di membrana si comportano da recettori proteici: sono proteine integrali, localizzate nel doppio strato lipidico, che intercettano molecole segnali in modo da innescare una serie di reazioni che producono una risposta biologica della cellula (ricezione —> trasduzione —> risposta). Nella di usione attraverso una membrana la legge di Fick perde la variabile distanza: v = PA (c1-c2) v = velocità di di usione P = costante che dipende dalle caratteristiche della membrana A = area della membrana c1-c2 = di erenza concentrazioni di un soluto nei due comparti Può essere scritta anche come densità di usso Js = c1-c2 / resistenza fi ff ff fi ff fi fi fi fi fi fl fi ff  La permeabilità della membrana ai diversi tipi di molecole dipende da: Grandezza della molecola: devono essere molecole piccole Carica elettrica: molecole prive di carica elettrica attraversano facilmente le membrane Solubilità: molecole liposolubili attraversano facilmente le membrane Il passaggio di molecole polari e ioni, contro gradiente di concentrazione, avviene grazie a proteine integrali di trasporto che possono essere: - Canali, la cui speci cità è data dal diametro del canale e che sono voltaggio-dipendenti e si aprono grazie all’azione delle pompe - Carrier o trasportatori o permeasi, che legano una sostanza su un sito attivo speci co, subiscono un cambiamento conformazionale ed espongono la sostanza sul lato opposto della membrana, ove si stacca - Pompe protoniche Il trasporto di molecole può essere: Passivo o per di usione — secondo gradiente di concentrazione, che può avvenire per: Di usione semplice Di usione facilitata, in cui intervengono proteine canali e carrier che accelerano il passaggio del soluto Ex: acquaporine, che accelerano il passaggio di H2O attraverso la membrana Attivo — contro gradiente di concentrazione, che consente di accumulare o espellere sostanze e richiede energia di tipo chimico o elettrico, che viene fornita dall’ATP o dal legame tra due gruppi fosforici; può essere: Primario, in cui intervengono le pompe protoniche, trasportatori di protoni in grado di generare un potenziale elettrico tra due comparti Secondario, in cui intervengono i carrier Pompa H+ ATPasi Il movimento di molti tipi di sostanze attraverso la membrana plasmatica direttamente o indirettamente dipendente da una classe di proteine di trasporto chiamate pompe protoniche. L’ATP viene fosforilato ad ADP e l’energia chimica liberata dalla rottura del legame pirofosforico terminale viene utilizzata per trasportare gli H+ contro gradiente di concentrazione, dall’interno della cellula, in cui aumenteranno le cariche negative (pH più basico), all’esterno, in cui aumenteranno le cariche positive (pH più acido): in questo modo si crea un potenziale elettrochimico trans-membrana (la membrana si iperpolarizza) che permette l’apertura di canali voltaggio-dipendenti attraverso i quali passano gli ioni positivi, attratti dalle cariche negative interne alla cellula. In questi movimenti sono quindi coinvolti: Canali, che consentono il usso passivo di ioni secondo gradiente del potenziale elettrico Trasportatori, che utilizzano il gradiente di H+ per muovere una sostanza: il usso di protoni secondo gradiente di concentrazione fornisce l’energia che sostiene il movimento verso l’interno o l’esterno di un’altra sostanza A nché avvenga la depolarizzazione della membrana è necessario neutralizzare le cariche negative, aumentando le cariche positive come Ca2+. Esistono pompe protoniche: Nel plasmalemma —> pompano H+ nella parete cellulare Nel tonoplasto —> pompano H+ nel vacuolo Vi sono diversi tipi di cotrasporto di due soluti: Simporto — vengono trasportati due soluti nella stessa direzione (ex. K+, NO3-, Pi, PO43-) Antiporto — vengono trasportati due soluti in direzioni opposte, uno verso l’interno e uno verso l’esterno (ex. Na+) Uniporto — i canali spostano un solo substrato e non necessitano di permeasi LEZIONE 2 - 06/11/2023 Regolazione ormonale della distensione cellulare ffi ff ff ff fi fl è fl fi  L’auxina è un tormone che promuove la distensione cellulare. Per raggiungere questo risultato, l’auxina si lega ai recettori di membrana e dà inizio a una serie di e etti a cascata che iniziano con la traduzione del segnale e terminano con una risposta biologica. In primo luogo, l’auxina stimola l’attivazione delle pompe protoniche della membrana plasmatica che, trasportando H+ nell’apopolasto, a sua volta causa l’acidi cazione della parete cellulare e la consequenziale attivazione di proteine di parete che ne provocano l’allentamento: ciò favorisce la distensione cellulare. Una proteina non enzimatica di parete, l’espansina, che si attiva in ambiente acido, provoca la rottura dei legami H fra le emicellulose e le micro brille di cellulosa. Queste modi cazioni permettono alle micro brille di cellulosa di separasi l’un l’altra, determinando l’espansione irreversibile della parete, resa possibile dalla pressione di turgore dovuta all'ingresso dell’acqua che rende la cellula turgida. Una volta terminata la distensione, la parete di ispessisce poiché si ripristinano i ponti H tra micro brille ed emicellulose e la pressione di parete - dall’esterno verso l’interno - controbilancia quella di turgore creando un equilibrio che mantiene la forma della cellula. -Gradiente protonico e potenziale elettrochimico- Il movimento di sostanze attraverso la membrana plasmatica è reso possibile da una forza motrice rappresentata da: Gradiente protonico Potenziale elettrico di membrana I gradienti protonici servono per: - Introdurre molecole o ioni il cui trasporto richiede energia ATP —> gradiente protonico —> trasporto di molecole o ioni (trasporto primario) - Sintetizzare ATP nei mitocondri e nei cloroplasti, in cui si genera un gradiente protonico non grazie a una pompa protonica ma a un usso di elettroni - necessario per la sintesi di ATP - che vede coinvolti dei trasportatori di membrana speci ci (nei cloroplasti il gradiente protonico prodotto dal usso di elettroni si crea nel lume dei tilacoidi). Il gradiente protonico viene dissipato mediante l’intervento di una ATP sintasi, che sfrutta l'energia potenziale del gradiente elettrochimico per trasformarlo in legame chimico. L’energia potenziale racchiusa nel gradiente viene utilizzata per introdurre contro gradiente di concentrazione e solitamente in simporto zuccheri, amminoacidi, anioni. Trasporto di elettroni —> gradiente protonico —> ATP (trasporto secondario) Cloroplasti —> fotofosforilazione Mitocondri —> fosforilazione ossidativa Anche fra citoplasma e vacuolo si crea un gradiente di protoni, che viene utilizzato per accumulare soluti contro gradiente di concentrazione all’interno del vacuolo. Ad esempio, alcune piante - come la barbabietola e la canna da zucchero - accumulano nel vacuolo saccarosio al posto dell’amido come sostanza di riserva: i protoni vengono portati dalla pompa all’interno del vacuolo (di erenza rispetto alla pompa di membrana) e i carrier coadiuvano l’ingresso del saccarosio nella membrana che, essendo un disaccaride e quindi una molecola grande, avviene contro gradiente di concentrazione (trasporto secondario). Simplasto — insieme dei citoplasmi (olopermeabile) Apoplasto — insieme delle pareti, pH più acido per attività delle pompe protoniche La variazione della velocità di trasporto dipende dal tipo di trasporto: Di usione passiva: la velocità aumenta proporzionalmente alla concentrazione della sostanza trasportata, senza alcun limite apparente Trasporto mediato da un trasportatore: la velocità di trasporto raggiunge un massimo in corrispondenza di una certa concentrazione della sostanza trasportata; aumentando ulteriormente la concentrazione la velocità resta costante poiché il sistema di trasporto è saturo ff fi fi fl fi fi ff fi fi ff fl fi  LEZIONE 3 - 07/11/2023 -Osmosi- Osmosi —> movimento di molecole d’acqua attraverso una membrana semipermeabile da un comparto in cui vi è una minore concentrazione di soluti (più acqua) a uno in cui vi è una maggiore concentrazione di soluti (meno acqua): l’acqua viene richiamata dai soluti. In particolare, l’acqua attraversa pori idroselettivi formati da proteine integrali di membrana, come le acquaporine (canali). Si tratta dunque di una di usione peculiare poiché nei due comparti non si raggiunge mai l’equilibrio di concentrazione: l’ingresso dell'acqua nel comparto a maggiore concentrazione di soluti genera una pressione idrostatica positiva, che impedisce ad altra acqua di entrare e all’equilibrio non si ha più movimento netto di acqua (membrana parzialmente semipermeabile —> equilibrio instabile). L’equilibrio stabile viene raggiunto con la di usione. La pressione osmotica (π) è la capacità di una soluzione a richiamare acqua ed è data da: π = nRT n= mol/L di soluto R=costante dei gas T= temperatura assoluta Dunque dipende dal tipo di soluto e non dalla sua concentrazione. Ex: una soluzione 1M di NaCl ha una pressione osmotica maggiore di una soluzione 1M di glucosio, poiché NaCl si dissocia in Na+ e Cl- e la dissociazione porta ad un aumento del numero di particelle in soluzione. Dunque: Un polimero idrolizzato in soluzione — pressione osmotica maggiore Un monomero condensato in un polimero — pressione osmotica minore Le piante sfruttano questa proprietà per regolare la pressione osmotica dei liquidi interni. Ex: osmometro imperfetto Con l’ingresso dell’acqua, si raggiunge una pressione osmotica positiva che fa sì che a un certo punto si arrivi a un equilibrio instabile. Ma poiché l’osmometro è imperfetto e presenta una membrana parzialmente permeabile, il soluto continuerà a uscire lentamente dal sacchetto e, alla ne, si raggiungerà un equilibrio perfettamente stabile. Ex 2: osmometro perfetto La membrana in questo caso è permeabile al 100%. Inizialmente la cellula ha un’elevata concentrazione di soluto nel succo vacuolare, perciò richiama acqua dentro la cellula. In questo modo si genera una pressione di turgore che entra in equilibrio con la pressione di parete - opposta ad essa - che impedisce l’ulteriore ingresso di acqua, si tratta di un equilibrio stabile rappresentato dalla condizione di turgore. In una cellula vegetale, il difetto della membrana di non essere completamente impermeabile ai soluti viene compensato dalla regolazione della pressione osmotica grazie a variazioni della concentrazione di soluto che le cellule sono in grado di attuare mediante il trasporto attivo. Una cellula vegetale assume comportamenti diversi in soluzioni diverse: - Soluzione isotonica: non entra e non esce acqua - Soluzione ipertonica: sebbene inizialmente perda acqua, che tende a spostarsi verso la soluzione isotonica, diminuendo di volume, a un certo punto la parete non si restringe più, il citoplasma e il vacuolo continuano a perdere acqua e rimpicciolirsi e tale contrazione determina il distacco del plasmalemma dalla parete e la plasmoslisi, che è reversibile se non è stata molto spinta, consentendo alla cellula, posta in soluzione ipotonica, di riacquistare la sua turgidità. La parete, in questo senso, mantiene la forma della cellula. - Soluzione ipotonica: l’H2O entra nella cellula che tende ad aumentare di volume, la parete asseconda la pressione di turgore che ne deriva esercitando una pressione opposta verso l’interno, in questo modo si raggiunge un equilibrio stabile (turgidità). La parete evita quindi che la cellula scoppi poiché controbilancia la pressione di turgore. ff fi ff  Potenziale d’acqua (Ψ) —> capacità dell’acqua di compiere lavoro spostandosi da una zona a potenziale meno negativo verso un’altra a potenziale più negativo (vi è una di erenza di potenziale ∆Ψ di H2O) Acqua distillata a pressione di 1 atm — potenziale = 0 Pressioni maggiori — potenziale > 0 In generale, il potenziale d’acqua di una cellula vegetale è determinato dal fatto che: ‣ La concentrazione di soluti nel vacuolo tende a rendere negativo il potenziale ‣ La pressione di parete tende a rendere positivo il potenziale Ed è dato da: Ψwcel = Ψosm + Ψpar (potenziale osmotico + potenziale di parete) - Cellula appassita: Ψpar = 0 —> Ψwcel = Ψosm - Cellula turgida: Ψosm = -Ψpar —> Ψwcell = 0 (Ψosm e Ψpar si bilanciano) - Assorbendo acqua —> Ψosm diventa meno negativo e Ψpar diventa più positivo Il potenziale d’acqua di una pianta è intermedio tra quello del terreno e quello dell’aria: ciò consente alle piante di prelevare H2O dal terreno e cederla all’aria. Per riassumere il movimento dell’acqua attraverso una membrana selettivamente permeabile: -Acqua- È un eccellente solvente È il substrato di molte reazioni chimiche È importante nella traslocazione o trasporto a lunga distanza dei soluti Funge da sostegno meccanico attraverso il turgore Le piante terrestri vivono con: - L’apparato radicale infossato nel terreno — il terreno fornisce acqua - La porzione aerea esposta all’atmosfera povera d’acqua — l’atmosfera sottrae acqua Ciclo dell’acqua 1. Evaporazione dell'acqua dalla super cie terrestre, come laghi e oceani, grazie all'energia solare 2. Condensazione del vapore acqueo formando le nuvole e precipitazione sotto forma di pioggia, neve o grandine. 3. L'acqua caduta può in ltrarsi nel terreno come acqua sotterranea o de uire super cialmente, formando ruscelli e umi 4. Assorbimento dell'acqua dalle piante e successivo rilascio attraverso la traspirazione 5. In ne, l'acqua ritorna agli oceani e ai laghi, completando il ciclo. fi fi fl fi fi fi ff  Nel corso dell’evoluzione, le piante si sono dotate di sistemi di difesa dall’eccessiva traspirazione (somatica e cuticolare): Regolazione del grado di apertura della rima somatica Ispessimento della parete con cutina (sostanza impregnante) e suberina (sostanza incrostante), che rendono le pareti impermeabili all’acqua Deposito di uno strato di cere che impermeabilizza ulteriormente LEZIONE 4 - 09/11/2023 Il usso dell’acqua nella pianta è continuo, avviene nello xilema e, basandosi sulla di erenza di potenziale d’acqua, segue la direzione: terreno —> radice —> fusto —> foglia —> atmosfera 1. Assorbimento attraverso le radici 2. Trasporto radiale in entrata attraverso i tessuti della radice (rizoderma, parenchima corticale, cilindro centrale, vasi del legno) 3. Trasporto a lunga distanza, lungo il fusto, attraverso i vasi dello xilema, sino all’apparato aereo della pianta 4. Trasporto radiale in uscita, dai vasi dello xilema a livello delle foglie, e passaggio da una cellula all’altra del meso llo 5. Evaporazione dalle cellule del meso llo negli spazi intercellulari (il passaggio di stato avviene nella parete, a contatto con gli spazi intercellulari) 6. Traspirazione: fuoriuscita del vapore acqueo, in gran parte tramite le aperture stomatiche, e dispersione nell’atmosfera Il potenziale d’acqua diventa sempre più negativo dal terreno all’atmosfera, ad indicare il movimento dell’acqua: il fusto ha un potenziale d’acqua più negativo rispetto alle radici (sito di assorbimento dell’acqua) e le foglie hanno un potenziale d’acqua più negativo rispetto al fusto, così come l’atmosfera ha un potenziale d’acqua più negativo rispetto alle foglie (sito di perdita). Si crea così un continuum che permette il continuo passaggio di acqua dalle radici all’atmosfera (traspirazione). Inoltre, l'acqua nel terreno evapora, per cui si parla di evapotraspirazione. In particolare, il salto più grande di potenziale si ha tra le foglie (-10) e l’atmosfera (-141 atm nell’atmosfera, a 20oC e a UR del 90%). La quantità di acqua perse nell’unità di tempo deve essere compensata da un’eguale quantità di acqua assorbita (bilancio idrico). Per brevi momenti, può esservi un de cit idrico, che se non viene compensato può portare all’appassimento. Terreno e assorbimento radicale Il terreno presenta: Fase solida: particelle con spazi porosi, costituite da: - componente inorganica — particelle grosse derivanti dal disfacimento delle rocce (H2O, ioni inorganici, aria) - componente orgnanica — include funghi, batteri e altri microrganismi (componente dominante), resti di organismi animali e vegetali in vari stadi di decomposizione, radici, animali vivi Fase liquida: soluzione circolante negli spazi porosi A seconda delle dimensioni delle particelle e della loro composizione chimica si distinguono suoli a diversa tessitura: Sabbie — 20-200 μm Limo — 2-20 μm Argille — < 2 μm L’acqua nel terreno è sottoposta a: ‣ Forza di gravità, che tende a tirare l’acqua dei macropori in profondità (acqua di gravitazione, che dura solo per il periodo dell’irrigazione/della pioggia) ‣ Forza di capillarità, che tende a mantenere l’acqua dei micropori in situ (acqua di capillarità, che è l’unica acqua disponibile per le piante) fl fi fi fi ff  Nel terreno non vi è una fase liquida continua: vi sono spazi pieni di gas e micropori pieni di acqua. L’acqua legata ai colloidi e quella che riveste le particelle solide del terreno non sono disponibili per le piante. Poiché l’acqua è frazionata in tanti comparti, è il pelo radicale che va verso l’acqua. A nché l’acqua possa entrare nel citoplasma, tramite le pareti cellulari (via apoplastica), deve presentare un potenziale fortemente negativo, che è garantito da: i trasporti attivi, che regolano la quantità di soluti nella cellula la di usione tramite la parete, che permette all’acqua di entrare nella cellula secondo gradiente Le soluzioni possono muoversi tra una cellula all’altra grazie ai plasmodesmi (via simplastica). Non vi è una via dominante, dipende dalle esigenze della pianta, ma sicuramente la via apoplastica è la più rapida poiché avviene secondo gradiente di concentrazione. Quindi, dai peli radicali l’acqua attraversa tutte le cellule parenchimatiche del cilindro corticale, ma a un certo punto subisce un blocco a livello dell’endoderma con banda del Caspary: gli ioni entrano tutti nella via simplastica per osmosi (maggiore concentrazione di soluti —> maggiore pressione osmotica —> potenziale d’acqua negativo). Tale passaggio attraverso il plasmalemma implica una selezione ed è mediato da sistemi di trasporto controllati (canali, carrier, pompe). Oltre al ltraggio, l’endoderma obbliga le soluzioni a muoversi unidirezionalmente (i soluti non ritornano indietro): per questo, al di sotto dell’endoderma vi è un’elevata concentrazione di soluti, che trattiene anche l’acqua. All’interno dei vasi agiscono delle forze aspiranti che ne evitano il collasso, provenienti dalle cellule del meso llo che, a causa della traspirazione - quindi la perdita d’acqua - necessitano di richiamarne altra. La soluzione si sposta per i vacuoli mediante la via transcellulare, che però incontra più resistenze (membrane, osmoregolazione..). - Quando vi è un’elevata velocità di traspirazione (di giorno), vi è una forte pressione idrostatica negativa che richiama acqua dall’alto e raggiunge i vasi del fusto e della radice: le cellule del rizoderma esprimono questa pressione no alle soluzioni circolanti nel terreno. In questo caso l’acqua è spinta nello xilema dal gradiente di pressione idrostatica. - Quando vi è una bassa velocità di traspirazione (di notte), vi è un potenziale osmotico elevato, dunque una elevata concentrazione di soluti nel cilindro centrale, in questo modo l’acqua viene richiamata dai tessuti esterni. In questo caso l’acqua è spinta nello xilema dal simplasto, per e etto della di erenza di potenziale osmotico. Sono quindi due forze diverse. L’acqua si muove dal terreno verso la stele secondo un gradiente di potenziale idrico (∆Ψw) con velocità di assorbimento che è: Direttamente proporzionale alla di erenza di potenziale idrico tra terreno e radice Inversamente proporzionale alle resistenze che l’acqua incontra nel terreno e nel passaggio dal terreno all'interno della radice LEZIONE 5 - 13/11/2023 Pressione radicale La pressione radicale è una pressione idrostatica positiva nello xilema: la radice assorbe ioni dalla soluzione diluita del terreno e li trasporta nello xilema. ff ffi ff ff ff fi fi fi  Si è visto che è presente maggiormente a inizio primavera piuttosto che in estate, nonostante l’acqua nel terreno sia abbondante e la traspirazione bassa. Questo avviene per la presenza dell’endoderma, che avvolge lo xilema e impedisce il ri usso di acqua e soluti dalla stele, che rimangono imprigionati. Ciò determina che le sostanze di riserva - come il glucosio - vengono idrolizzate, quindi: Aumenta la concentrazione di soluti Diminuiscono il potenziale osmotico e il potenziale idrico, che diventano fortemente negativi, dunque viene richiamata acqua dal comparto in cui è positivo, ovvero dai vasi dello xilema (in particolare le arche xilematiche), generando la pressione radicale. Questa forza premente, che agisce dal basso verso l’alto, spinge acqua e soluti verso la zona di accrescimento della foglia. La pressione radicale è inoltre coinvolta nella guttazione, ovvero la perdita di acqua in forma liquida tramite idatodi, stomi acquiferi le cui cellule di guardia, a di erenziamento ultimato, sono cellule morte: - In una foglia parallelinervia, gli idatodi si formano nella porzione più distale della foglia; - Nelle foglie penninervie si formano in tutto il margine della foglia In assenza di traspirazione, le radici possono generare una pressione positiva. Nelle piante ove è presente, la pressione radicale serve a ristabilire la continuità delle colonnine d’acqua nei vasi: se così non fosse, si creerebbe una bolla d’aria in mezzo alla colonna d’acqua che impedisce alle foglie di richiamare l’acqua al di sotto della bolla, attratta dalla forza di gravità. La pressione radicale è una spinta dal basso, che spinge le bollicine verso l’alto no ad essere espulse. La pressione aspirante generata dalla traspirazione, invece, tira (aspira, appunto). Traspirazione La traspirazione delle piante si può de nire come la perdita di vapore acqueo dalla super cie della pianta a causa dell’evaporazione. Mediante la traspirazione le piante restituiscono all’atmosfera il 60-70% dell’H2O che il terreno ha ricevuto con le precipitazioni. Ad oggi, molti siologi concordano sul fatto che la traspirazione non va vista come un vantaggio, ma come un fatto sico inevitabile a causa di: Di erenza di potenziale idrico (∆Ψw) tra pianta e atmosfera Enormi super ci evaporanti esposte all’ambiente, progettate per rendere veloce l’entrata di CO2 Le piante hanno cercato di rendere il fenomeno meno dannoso o addirittura di sfruttarlo a loro vantaggio. Esistono 2 tipi di traspirazione: 1. Cuticolare (5-10%): più la parete è impregnata di cutina o cere, più è contenuta la traspirazione 2. Stomatica (la maggior parte), che può essere controllata tramite la regolazione del grado di apertura dello stoma Se la temperatura dell’atmosfera si innalza, quindi la foglia si riscalda (da 20oC a 32oC), per evitare un surriscaldamento eccessivo avvengono: - Riduzione dell’U.R. negli spazi aeriferi (da 99.3% a 50%) - Evaporazione dell’acqua dalle cellule del meso llo, che si accumula negli spazi intercellulari sotto forma di vapore acqueo - Aumento dell’U.R. negli spazi aeriferi (99.3%, prossima alla saturazione) - Stabilimento di una forte di erenza di gradiente di concentrazione di vapore (U.R.) tra foglia e aria - Di usione del vapore acqueo dalla foglia all’atmosfera mediante gli stomi ff ff fi fi fi fi ff fl fi fi ff fi La parete delle cellule del meso llo (parenchima cloro lliano) è ricca d’acqua che, a contatto con l’aria degli spazi intercellulari, cambia di stato e attraversa questi sotto forma di vapore (Ψw più negativo). In questo modo viene richiamata altra acqua dalla parete, che a sua volta richiama acqua dall'interno della cellula. Con la continua perdita d’acqua, le cellule del meso llo richiamano acqua dai vasi (grande forza aspirante a livello dei vasi), di conseguenza il Ψw negativo viene trasferito lungo una catena di cellule a contatto. Esteso ad una foglia, ci saranno tante cellule che evaporano contemporaneamente e quindi più catene di cellule che trasferiranno il loro potenziale idrico negativo no ai vasi. In questo modo, si generano forti pressioni idrostatiche negative, che si trasmettono allo xilema aspirandone l’acqua dai lunghi condotti. Normalmente, la chiusura degli stomi è un meccanismo passivo, ma quando l’acqua nel terreno scarseggia (stress idrico), la pianta manda un segnale agli stomi, rappresentato da un tormone prodotto nella radice, l’acido abscissico o ABA, che si lega ai recettori delle cellule di guardia. K+ è un soluto osmoticamente attivo molto abbondante quando la rima è aperta (potenziale osmotico negativo e richiamo d’acqua), dunque in seguito al legame dell’ABA al recettore viene allontanato (potenziale osmotico più positivo). Questo comporta una perdita di turgore delle cellule di guardia, che si a osciano e determinano la chiusura attiva della rima stomatica. Anatomicamente, le cellule di guardia degli stomi presentano: Ispessimento ineguale delle pareti: la parete dorsale è più elastica di quella ventrale, che è più ispessita Orientamento radiale delle micro brille di cellulosa Inoltre, le cellule di guardia, pur essendo di origine epidermica, presentano dei cloroplasti, quindi in presenza di luce solare sono fotosinteticamente attive. Gli stomi, inoltre, possono essere: ‣ Reniformi — tipici delle Dicotiledoni ‣ A manubrio ginnico — tipici delle Monocotiledoni L’apertura e la chiusura degli stomi dipende dalle variazioni di volume legate a variazioni di: - Potenziale osmotico (Ψosm) - Potenziale di turgore (Ψp) - Potenziale idrico (Ψw) Apertura degli stomi La risposta biologica che porta all’apertura degli stomi - che è relazionata al turgore cellulare - consiste in: ffl fi fi fi fi fi fi  1. Attivazione di una pompa H+ATPasi di membrana, che acidi cano l’apoplasto e rendono più basico il simplasto 2. Variazione del pH (cariche positive all’esterno - membrana - e cariche negative all’interno - citoplasma) con creazione di un potenziale elettrochimico per iperpolarizzazione di membrana 3. Apertura di canali voltaggio-dipendenti (aperti) che permettono l’ingresso di ioni K+ attratti dalle cariche negative interne, che entrano nel citoplasma delle cellule di guardia 4. Produzione di malato o assorbimento di ioni Cl- (solo nelle piante di cipolla) per controbilanciare le cariche positive in entrata ed evitare la depolarizzazione della membrana —> nella maggior parte delle piante è il malato che, esponendo cariche negative, evita la depolarizzazione della membrana Produzione di malato: idrolisi dell’amido - presente nello stroma dei cloroplasti delle cellule di guardia - in molecole di glucosio che entrano in via glicolitica e produzione di fosfoenolpiruvato che viene trasferito nel citoplasma e, insieme alla CO2, rappresenta un agente della carbossilizazione del PEP catalizzata dalla pepcarbossiliasi che porta alla formazione di ossalacetato, che viene ridotto a malato (acido malico) dal NADPH e si accumula nel vacuolo. Il malato è un acido dicarbossilico che a pH basico si deprotona, ionizzandosi esponendo 2 cariche negative COO- e liberando 2 cariche positive H+, che continuano ad essere portate in apoplasto. 5. K è osmoticamente attivo e abbassa il potenziale osmotico, che abbassa il potenziale d’acqua, dunque viene richiamata acqua e si raggiunge il turgore (Ψw=0) 6. Aumento di volume delle cellule di guardia e conseguentemente apertura dello stoma LEZIONE 6 - 14/11/2023 La risposta biologica che porta all’apertura (o alla chiusura) degli stomi è generata in seguito alla ricezione di segnali interni ed esterni, per ognuno dei quali sono presenti recettori speci ci di membrana: Concentrazione di CO2 (dipendente anche dalla velocità di fotosintesi) -basse concentrazioni —> apertura -alte concentrazioni —> chiusura Intensità luminosa -luce blu (minore lunghezza d’onda quindi energeticamente più forte della luce rossa) —> apertura -buio —> chiusura !! Di erenza: -La luce rossa stimola la fase luminosa della fotosintesi, attraverso la quale si producono energia chimica, ATP e NADPH, che si comporta da accettore di elettroni e si riduce), prodotti necessari per la fase chimica. -La luce blu, invece, attiva le pompe protoniche (iperpolarizzazione della membrana) e attiva la malato deidrogenasi (riduzione dell’ossalacetato a malato) Condizioni idriche della pianta -de cit idrico —> chiusura Chiusura degli stomi La chiusura dello stoma è generata dal meccanismo inverso e avviene quando il potenziale d'acqua Ψw nel meso llo è fortemente negativo, per evitare l’ulteriore perdita di acqua. Può avvenire per: Controllo idropassivo: è dovuto alle alte temperature e alla bassa U.R. dell’ambiente circostante, che si traducono in una perdita di turgore delle cellule di guardia e dunque nella chiusura della rima; è semplicemente una conseguenza della siccità e non un processo intenzionale Controllo idroattivo: la radice monitora il suo stato idrico, e nel caso di de cit idrico invia un segnale alle foglie mediante l’ABA, il tormone che tramite la via xilematica raggiunge il meso llo fogliare, si lega a recettori presenti sulle membrane delle cellule di guardia, e impone la chiusura degli stomi. L’ABA è sintetizzato a livelli bassi continuamente ma, in condizioni di stress idrico, la sua concentrazione aumenta di circa 50 volte. Inoltre, può rendere le piante capaci di “anticipare” la condizione di stress idrico e chiudere gli stomi (sistema di allarme precoce). L’accumulo di ABA determina: 1. Inibizione della pompa protonica (quindi di estrusione di H+) 2. Fuoriuscita di Cl- e ione malato e aumento della concentrazione di Ca2+ —> depolarizzazione della membrana 3. Chiusura dei canali di ingresso di K+ fi ff fi fi fi fi fi fi 4. Apertura dei canali di uscita di K+ e altri anioni 5. Diminuzione del potenziale osmotico (Ψosm)—> perdita di turgore e chiusura della rima stomatica Trasporto dell’acqua a lunga distanza: tracheidi e trachee Lo xilema è la via specializzata alla conduzione dell’H2O a lunga distanza, dalla radice alla parte aerea della pianta. Trachee Tracheidi Costituiti da articoli tozzi di forma cilindrica, corti e Costituiti da articoli allungati e a usolati agli apici sovrapposti (giustapposti) Lume ampio (più e cienti nel trasporto) Lume piccolo Parete di fondo perpendicolare all’asse della Parete di fondo obliqua cellula Parete di fondo completamente o parzialmente riassorbita: perforazioni semplici, scalariformi, Parete di fondo punteggiata reticolari Maggiore velocità di usso Minore velocità di usso Entrambe sono costituite da cellule morte. La regolazione della rima stomatica è importante poiché regola la traspirazione che, secondo la teoria della tensione-coesione, costituisce la forza motrice (pressione idrostatica negativa) per il movimento dell’acqua dal terreno all’atmosfera: Tensione —> forza aspirante dovuta alla traspirazione; i vasi sono protetti da lesioni dovute ad essa grazie alla presenza di una spessa parete secondaria ligni cata. Forze di coesione —> i vasi hanno un diametro microscopico (ordine dei micron) e tra le pareti del vaso e le molecole di H2O e tra le molecole di H2O stesse si instaurano delle forze di attrazione che conferiscono continuità alla colonna di H2O e resistenza alla trazione Secondo tale teoria, le piante sono percorse da tante colonnine liquide continue, all’interno dei vasi, tenute dalla forza di coesione e soggette alla tensione: All’estremità superiore, le colonnine sono sospese alle cellule traspiranti del meso llo All’estremità inferiore sono comunicanti con una catena di cellule assorbenti della radice che assorbono H2O dal terreno attraverso i peli radicali (più forte è la traspirazione quindi la forza di trazione - e più forte è il usso dell’acqua dal terreno) ffi fl fi fl ff fl fi  LEZIONE 7 - 16/11/2023 Il movimento dell’acqua dovuto alle forze di tensione-coesione non è unidirezionale, cioè diretto unicamente verso il meso llo fogliare, bensì l’acqua e i soluti vengono trasportati anche a tutti gli altri tessuti della pianta. Ad esempio, a livello delle cellule parenchimatiche sono presenti punteggiature semplici, diverse dalle punteggiature aerolate dei vasi. Cavitazione —> fenomeno per il quale una bolla d’aria interrompe la continuità della colonnina liquida e, conseguentemente, un vaso può essere messo fuori uso: Di notte, quando vi è una bassa velocità di traspirazione, vi è un potenziale osmotico elevato, dunque una elevata concentrazione di soluti nel cilindro centrale, in questo modo l’acqua viene richiamata dai tessuti esterni. In questo caso l’acqua è spinta nello xilema dal simplasto, per e etto della di erenza di potenziale osmotico, e viene compensato l’e etto della cavitazione Quando le bolle sono molto grandi, il potenziale osmotico negativo e quindi la pressione idrostatica positiva generata non può ripristinare la colonna d’acqua e il vaso viene messo fuori uso Un'altra opzione è bypassare le bolle: grazie alle punteggiature areolate, il vaso attiguo può richiamare acqua dal vaso cavitato (l’acqua al di sotto della bolla, non al di sopra) La velocità di usso dell’H2O all’interno dei vasi è data dalla legge di Poiseuille: J = usso (volume di liquido che attraversa il vaso nell’unità di tempo) r4 = raggio del capillare 8η = viscosità del liquido ∆P = di erenza di pressione I = lunghezza del capillare Quindi è: - Direttamente proporzionale alla quarta potenza del raggio e alla di erenza di pressione - Inversamente proporzionale alla lunghezza del capillare (più lungo è il vaso, più lento è il movimento dell’acqua) e alla viscosità del usso (più viscosa è la soluzione, più lento è il usso) La velocità del usso è di circa 10m/h quindi è piuttosto veloce. -Respirazione cellulare- La respirazione cellulare è attuata da tutti gli organismi aerobi. È un processo strettamente correlato alla fotosintesi: nelle piante, le cellule fotosintetizzanti svolgono anche la respirazione cellulare. Gli esseri viventi hanno bisogno continuo di energia per: Sintesi di grandi polimeri Trasporto attivo di sostanze Tutti i tipi di movimento Risposta biologica a stimoli esterni Il fabbisogno energetico è soddisfatto catalizzando reazioni esoergoniche, tra cui quella di ossidazione di sostanze organiche, ottenute tramite gli alimenti. Nei vegetali, in particolare, vengono ossidate sostanze organiche prodotte dalla fotosintesi. L’energia proveniente dall’ossidazione delle sostanze organiche, per essere utilizzata, necessita di essere catturata e conservata. L’immagazzinamento di energia avviene presso la molecola di ATP (Adenina—Ribosio—P~P~P*), in particolare nel legame pirofosforico tra il secondo e il terzo Pi. Nei mitocondri, si forma il legame pirofosforico, mentre in tutte le reazioni in cui è necessaria energia viene rotto il legame per liberare energia. *~ è un legame pirofosforico ricco di energia con ∆G=7.2 Kcal/mol Respirazione cellulare —> la via che produce ATP mediante una serie di reazioni di ossidazione delle sostanze organiche, con partecipazione dell’O2; avviene gradualmente, in tappe successive catalizzate da fl ff fl fl fi fl ff ff fl ff ff  enzimi speci ci, con formazione di prodotti intermedi. La frammentazione in tappe permette di sfruttare e conservare l’energia liberata. Le sostanze organiche più frequentemente ossidate sono gli zuccheri: il glucosio è il prodotto nale dell’idrolisi del saccarosio e dell’amido. Il saccarosio è il maggiore zucchero di trasporto, che dai siti di sintesi viene trasportato a tutti i siti in cui viene ossidato per ottenere energia chimica (le parti eterotrofe della pianta ricavano energia dalla demolizione di sostanze organiche). Le tappe metaboliche della respirazione sono: 1. Glicolisi — nel citoplasma La molecola di glucosio a 6C viene scissa in 2 molecole di piruvato, un acido a 3C; i prodotti della glicolisi sono ATP (derivante da fosforilazione a livello di substrato e non ossidativa), elettroni e protoni poiché interviene il coenzima NAD+ (agente ossidante) che strappa e- e si riduce a NADH 2. Ciclo di Krebs o ciclo dell’acido citrico — nella matrice dei mitocondri Demolizione completa del glucosio: gli atomi di C contenuti nei piruvati vengono restituiti sotto forma di CO2 (in forma inorganica) mediante ossidazione e decarbossilazione del piruvato, con liberazione di elettroni e come prodotto l’acetil-coenzima A che entra nel ciclo di Krebs, un ciclo metabolico (—> uno dei due reagenti deve essere ricostituito, ovvero l’ossalacetato). Il primo prodotto della reazione tra acetil-coenzima A e ossalacetato è l’acido citrico, ma si produce anche ATP, protoni ed elettroni dal NAD e dal FAD. L’accettore nale di e- (e quindi l'agente ossidante) del ciclo di Krebs è l’O2: preleva protoni dalla matrice mitocondriale e si riduce a H2O 3. Catena di trasporto degli elettroni — nella membrana interna dei mitocondri I trasportatori di elettroni servono a ripristinare in forma ossidata i coenzimi intervenuti nell’ossidazione della sostanza organica (NADH e FADH2 —> NAD+ e FAD+) e a pompare protoni nello spazio intermembrana grazie all’energia liberata dal usso degli e- secondo potenziale di ossido-riduzione 4. Fosforilazione ossidativa Produzione di ATP da ADP e Pi per ossidazione della sostanza organica, utilizzando l’energia del gradiente protonico. I prodotti nali della respirazione sono quindi: H2O, ATP e CO2. L’equazione globale della respirazione è: ∆G è la di erenza di energia libera tra i reagenti e i prodotti della reazione, che in questo caso è negativo quindi la reazione fortemente esoergonica (avviene spontaneamente e libera energia). La resa energetica dipende dall’intermedio che si inserisce in via glicolitica. Glicolisi Glicolisi —> demolizione degli zuccheri; è una via catabolica che avviene nel citoplasma e può svolgersi: -in condizioni aerobiche -in condizioni anaerobiche La molecola di glucosio (6C) viene scissa in 2 molecole di piruvato (3C) e vengono sottratti protoni ed elettroni, in particolare vengono rimossi 4 atomi di H. Tale processo avviene mediante 10 reazioni, ognuna catalizzata da speci ci enzimi, distinte in 2 fasi: 1. La cellula spende ATP (investimento di energia) 2. La cellula ricava ATP e NADH (guadagno di energia) ff fi fi fi fl fi fi  Reazione generale: 1. Consumo di 2 molecole di ATP per la fosforilazione di glucosio a 2 triosofosfati, ovvero zuccheri a 3C (gliceraldeide-3-fosfato) -glucosio —> glucosio 6-fosfato -glucosio-6-fosfato —> fruttosio-6-fosfato -fruttosio-6-fosfato + ATP —> fruttosio-1,6-fosfato + ADP -fruttosio-1,6-bifosfato —> gliceraldeide-3-fosfato 2. Guadagno di 4 molecole di ATP e potere riducente (2NAD+ —> 2NADH): -ossidazione di gliceraldeide-3-fosfato con formazione di due molecole di acido-1,3-bifosfoglicerato e riduzione di NAD+ a NADH (gliceraldeide-3-fosfato + NAD+ + Pi —> 1,3-bifosfoglicerato + NADH + H+) -produzione di una molecola di ATP per ogni 1,3-bifosfoglicerato -defosforilazione 3-fosfoglicerato a 2-fosfoglicerato -formazione fosfoenolpiruvato (PEP) -formazione di piruvato e ATP da PEP + ADP I prodotti nali sono 2 piruvato (che conservano i 6 atomi di carbonio presenti nel glucosio), 2ATP e 2NADH. Con la glicolisi si libera meno di 1/4 dell’energia chimica contenuta nella molecola di glucosio: la maggior parte rimane nelle 2 molecole di piruvato. Il piruvato: - In presenza di O2 — entra nei mitocondri e viene ossidato (ciclo di Krebs) - In assenza di O2 — funge da agente ossidante del NADH e viene ridotto (fermentazione) Fermentazione —> respirazione in completa che rientra nel catabolismo anaerobico delle sostanze nutritive (nel piruvato è contenuta tutta l’energia del glucosio) Ciclo di Krebs o ciclo degli acidi tricarbossilici o ciclo dell’acido citrico È una via aerobica in cui si ha: Ossidazione completa del glucosio Riduzione di O2 (agente ossidante) in H2O Produzione di ATP e liberazione di H2O e CO2 Preludio al ciclo di Krebs: 1. Trasformazione del piruvato in acido acetico 2. Il piruvato entra nel mitocondrio in simporto con H+, viene ossidato e decorbassilato a gruppo acetilico tramite il NAD+ che accetta e- e si riduce a NADH, rimuovendo CO2 3. I due gruppi acetilici si uniscono al coenzima A e formano l’acetil-coenzima A Punto di partenza del ciclo di Krebs —> demolizione completa gruppi acetilici: 4. L’acetil-coenzima A (2C) reagisce con l’ossalacetato (4C) e producono il citrato (6C) che possiede 3 gruppi carbossilici, liberando CoA 5. Decarbossilazione e ossidazione -dell’isocitrato (ottenuto per isomerizzazione del citrato) all’α-chetoglutarato (5C), un α-chetoacido -dell’α-chetoglutarato con formazione di succinil-CoA Con formazione di 2CO2, NADH e FADH2 (trasportatrici di potere riducente) fi 6. Defosforilazione del succinil-CoA in succinato 7. Ossidazione del succinato a fumarato dal Fad+ che si riduce FADH2 8. In presenza di acqua il fumarato diventa malato 9. Ossidazione del malato ad ossalacetato (rigenerazione del substrato) L’equazione globale del ciclo di Krebs è: Ossalacetato + acetilCoA + ADP + Pi + FAD + 3NAD+ —> ossalacetato + CoA + 2CO2 + ATP + FADH2 + 3NADH + 3H+ LEZIONE 8 - 20/11/2023 La catena respiratoria del ciclo di Krebs prevede 4 reazioni di ossidazione di acidi organici: - In 3 reazioni l’agente ossidante, che riceve e- e H+ dagli acidi organici, è il NAD+: si riduce a NADH, che si riossida, cedendo gli e- ad una serie di trasportatori (catena respiratoria). L’ultimo della serie di trasportatori della catena respiratoria scarica gli e- sull’O2, che viene ridotto a H2O: (1/2 O2 + 2H+ + 2e- —> H2O) - In 1 reazione l’agente ossidante è il FAD+, che si riduce a FADH2, che si riossida cedendo gli e- ai trasportatori della catena respiratoria. I passaggi degli e- dal NADH e dal FADH2 all O2 sono fortemente esoergonici: si libera energia che verrà accumulata in un gradiente protonico nella membrana interna dei mitocondri, che sarà sfruttato dall’ATP sintasi per la sintesi di ATP da ADP e Pi. La sintesi di ATP collegata al trasporto di e- è detta fosforilazione ossidativa. I passaggi di e- dal NADH e dal FADH2 all’O2 sono fortemente esoergonici: l’energia liberata viene sfruttata per la sintesi di ATP tramite fosforilazione ossidativa. Le componenti della catena respiratoria sono 4 grandi complessi: 1. Complessi I, II, III e IV, integrati nella membrana interna del mitocondrio 2. Citocromo C, una piccola proteina 3. Ubichinone o coenzima Q (unico costituente non proteico) 4. Complesso ATP-sintasi, anch’esso nella membrana interna Questi sono orientati nella membrana in maniera tale da prelevare protoni dalla matrice e rilasciarli nello spazio intermembrana, generando un gradiente protonico che sarà sfruttato per la sintesi di ATP. NADH deidrogenasi (complesso I) è il complesso più grosso (43 proteine), trasferisce e- all’ubichinone e si riossida a NAD+ !! È una deidrogenasi interna, ma vi sono anche NADH deidrogenasi esterne, infatti nella faccia esterna della membrana interna mitocondriale vi è una deidrogenasi esterna, fondamentale per ossidare NADH a NAD+ cedendovi protoni Il FADH2 cede e- al succinato deidrogenasi o succinato-q-reduttasi (complesso II) che trasferisce anch’esso e- all’ubichinone, liberando però un minore gradiente protonico (quindi meno energia) rispetto al complesso I  L’ubiquinone trasferisce e- al citocromo b/c (complesso III): si riduce a ubichinolo, che trasferisce e- al complesso IV che, non necessitandoli, li trasferisce allo spazio intermembrana Il citocromo C è una proteina estrinseca, debolmente legata alla faccia esterna della membrana interna del mitocondrio, ovvero quella esposta nello spazio intermembrana Citocromo ossidasi (complesso IV) è l’ultimo componente della catena respiratoria poiché cede H+ all’O2 (i protoni provengono dalla matrice mitocondriale) formando H2O Il passaggio di H+ avviene dalla matrice allo spazio intermembrana: alcuni complessi proteici prelevano protoni dalla matrice e li espellono nello spazio intermembrana (NADH deidrogenasi, ubiquinone e citocromo ossidasi). Il gradiente protonico risultante viene sfruttato dal complesso ATP-sintasi per produrre ATP. La membrana interna dei mitocondri impermeabile ai protoni ed essi non possono rientrare nella matrice. Questa impermeabilit garantisce la formazione di un gradiente protonico nello spazio intermembrana (elevata concentrazione di H+ nello spazio intermembrana rispetto alla matrice) che costituisce una forma di energia potenziale che viene utilizzata grazie al canale di re usso fornito dall’ATP sintasi. Il complesso ATP sintasi, incorporato nella membrana mitocondriale interna, è costituito da un collo e una testa, uniti da una proteina che funge da rotore e permette alla testa di girare grazie al usso di protoni che, dallo spazio intermembrana, si sposta secondo gradiente di concentrazione, trovando il varco nel collo del complesso, verso la matrice mitocondriale. Il usso di e- avviene secondo potenziale di ossido-riduzione (da negativo a positivo) e genera energia che viene utilizzata per la fosforilazione ossidativa dell’ATP prodotto. In linea teorica, per la sintesi di ATP servirebbero 3 e-, in questo usso vengono prodotti 10 e-. In glicolisi si producono 2NADH (4 e- in tutto), generando un usso di e- che passa dalla deidrogenasi interna all’ubiquinone. In particolare: Per ogni coppia di e- che dal NADH viene trasferita all’O2 viene espulso nello spazio intermembrana un numero di protoni su ciente (8-9 protoni) a guidare la sintesi di 3ATP Per ogni coppia di e- che uisce dal FADH2 all’O2 viene espulso nello spazio intermembrana un numero di protoni su ciente a guidare la sintesi di 2ATP Rendimento energetico della respirazione cellulare Bilancio energetico —> energia presente nella molecola di glucosio ed energia recuperata sotto forma di ATP: La glicolisi produce 2ATP (fosforilazione a livello di substrato) e 2NADH per ogni molecola di glucosio ossidata. Da queste 2 molecole di NADH si formerebbero 4ATP (fosforilazione ossidativa). In totale, quindi, si producono 6ATP Con la conversione di piruvato in acetil-coA si ottengoono 2NADH (uno per ogni piruvato), da cui si formerebbero 6ATP (fosforilazione ossidativa) Il ciclo di Krebs produce 2ATP (fosforilazione a livello di substrato), 6NADH e 2FADH2: gli e- di NADH e FADH2, muovendosi secondo gradiente lungo la catena respiratoria, porterebbero alla sintesi di 22ATP (fosforilazione ossidativa). In totale, quindi, il rendimento è di 24ATP per ogni glucosio ffi ffi fl à è fl fl fl fl fl  In questo modo, il rendimento netto per ogni molecola di glucosio è di 36ATP (4 per fosforilazione a livello di substrato e 32 per fosforilazione ossidativa). Il ∆G per l’ossidazione di 1 mol di glucosio è di -686 Kcal/mol. Le molecole di ATP prodotte tramite respirazione cellulare sono 36 e l’idrolisi del terzo gruppo fosforico dell’ATP ha un ∆G=-7.3 Kcal/mol, per cui il rendimento è di circa: -7.3 x 36 = 262 Kcal/mol 262/686 x 100 = 38% Gli esseri viventi riescono a sfruttare solo il 38% dell’energia che si libera dalla completa ossidazione di 1 mol di glucosio. RIEPILOGO Glicolisi Avviene nel citoplasma Non necessita di ossigeno Si producono poche molecole di ATP Si sottraggono al glucosio pochi atomi di H per donarli al NAD+ Ciclo di Krebs Avviene nella matrice mitocondriale Non necessita di ossigeno Si producono poche molecole di ATP (fosforilazione a livello di substrato) Si toglie H dal glucosio donandolo al NAD+ ed al FAD+, nch del glucosio stesso non rimane che CO2 Fosforilazione ossidativa Avviene a livello della membrana mitocondriale interna E’ necessario ossigeno Si producono molte molecole di ATP L’H del NADH e del FADH2 si combina con l’O2, producendo H2O Il glucosio normalmente citato come substrato della respirazione. Tuttavia, in una cellula vegetale il carbonio in forma ridotta deriva principalmente da fonti quali il disaccaride saccarosio, i triosofosfati della fotosintesi ma anche da lipidi e, a volte, anche da proteine. è fi é  LEZIONE 9 - 21/11/2023 -Fotosintesi- Fotosintesi —> processo mediante il quale le piante verdi sono capaci di trasformare l’energia luminosa in energia chimica, che viene utilizzata essenzialmente - ma non esclusivamente - per l’organicazione del carbonio; l’unico processo biologicamente importante in grado di raccogliere l’energia solare L’energia radiante viene utilizzata per: Ossidare H2O con conseguente liberazione di O2 Ridurre CO2 in composti organici (principalmente zuccheri) L’equazione generale è: 6CO2 + 6H2O —> C6H12O6 + 6O2 (∆G=+686 kcal/mole) La sede della fotosintesi sono i cloroplasti e, in particolare, lo stroma in cui galleggiano i tilacoidi (sistema di endomembrane) che sono dei sacculi appiattiti, sovrapposti tra loro a formare grana, interconnessi da membrane chiamate lamelle intergranali (integrana). All'interno dei tilacoidi viene delimitato uno spazio chiamato lume (in giallo nella foto). I granuli rossi sono invece ribosomi 70S, diversi per dimensione rispetto a quelli della cellula vegetale, a testimoniare l’origine endosimbiontica di tale organico (cianobatterio fotosintetico inglobato in una cellula eucariota). È un organulo semi-autonomo, poiché ha scambiato con la cellula che lo ha ospitato alcuni geni. Il sistema di endomembrane è suddiviso in regioni diverse, in cui i componenti della fotosintesi si distribuiscono in maniera di erenziale: Lamelle intergranali, che collegano i grana Membrane terminali del granum Margini dei sacculi Partizioni: insieme delle membrane di due sacculi a contatto tra loro ff è  La fotosintesi avviene in 2 fasi: 1. Fase fotochimica o luminosa — avviene nei tilacoidi e porta alla formazione di energia chimica (ATP) e potere riducente (NADPH) mediante 2 e- 2. Fase chimica o oscura — avviene nello stroma dei cloroplasti (in cui si trovano anche gli enzimi della glicolisi); ATP e NADPH, insieme alla CO2, prendono parte al ciclo di Calvin —> è una via endoergonica che porta alla formazione di zuccheri tra i quali il primo è la gliceraldeide-3-fosfato Il sole emette radiazioni elettromagnetiche comprese in una vasta gamma di lunghezze d’onda: solo una parte di esse arriva sulla super cie terrestre. La regione del visibile (400-700 nm - dai raggi gamma alle onde radio) dello spettro elettromagnetico è quella che gli organismi viventi hanno imparato a sfruttare come fonte di energia. Tali radiazioni vengono assorbite da pigmenti, i principali dei quali sono: ‣ Pigmenti fotosintetici — cloro lla a (in tutti) e cloro lla b (solo a partire dalle alghe verdi)* *esistono altri tipi di cloro lla (c,d) che si trovano nelle alghe ‣ Carotenoidi Ogni pigmento presenta uno spettro d’assorbimento di erente. La cloro lla a e la cloro lla b sono costituite entrambe da: - un anello por linico, in cui si alternano legami singoli e doppi tra i C che funziona da antenna per la cattura della luce, che è legato: -nella cloro lla a —> a un gruppo metilico -nella cloro lla b —> a un gruppo aldeidico - una coda di tolo, idrofoba ed immersa nei lipidi di membrana del cloroplasto Nelle membrane dei tilacoidi, i pigmenti sono organizzati in unità chiamate fotosistemi, ognuno dei quali è costituito da 2 componenti strettamente associati: Complesso antenna: è costituito da 200-300 molecole di pigmenti legati a proteine integrali, che raccolgono energia e la convogliano al centro della reazione Centro di reazione, che comprende un dimero di cloro lla a, capace di convertire energia luminosa - proveniente dai pigmenti dell’antenna - in energia chimica, mediante la reazione fotochimica primaria endoergonica di separazione di carica (è una trappola perché l’energia non può tornare indietro) Le proteine integrali al di sotto del complesso antenna permettono di orientare i pigmenti in esso contenuti in direzioni diverse, in modo da massimizzare lo spettro di assorbimento o di impedire la ricezione quando necessario. Quando il pigmento assorbe un fotone, che ha una speci ca energia e lunghezza d’onda, può: a. Trasferire l’energia di eccitazione per risonanza, da un pigmento donatore a un pigmento accettore del complesso antenna b. Trasferire l’elettrone ad alta energia vibrazionale dalla cloro lla a del centro di reazione ad un componente della catena di trasporto degli e- : questo passaggio provoca l’ossidazione della cloro lla a, che assorbe energia e perde un e-, e la riduzione di una accettore (prima reazione di ossido-riduzione primaria endoergonica di separazione di carica che dà inizio al usso fotosintetico di e- che consente la trasformazione di energia radiante in energia chimica) fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi fi ff fi fi fl  !! Tutti i pigmenti di un fotosistema sono capaci di assorbire fotoni, ma solo la cloro lla a localizzata nel centro di reazione del fotosistema pu utilizzare l’energia La di erenza tra i fotosistemi I e II risiede nel centro di reazione: La cloro lla a del PSI assorbe no a un massimo di assorbimento di 700 nm — cloro lla P700 La cloro lla a del PSII assorbe no a un massimo di assorbimento di 680 nm — cloro lla P680 Oltre ai fotosistemi PSI e PSII, nelle membrane dei tilacoidi si trovano: - Trasportatori di e- tra cui: -ferredossina — sulla faccia esterna verso lo stroma -plastocianina, idrosolubile — sulla faccia interna verso il lume dei tilacoidi - Il complesso ATP-sintasi Tali componenti sono distribuiti secondo un ordine ben preciso: Il fotosistema II è fortemente rappresentato nelle partizioni (insieme al citocromo b6/f) Il fotosistema I è molto abbondante sui margini, nelle membrane terminali e nelle lamelle intergranali I complessi ATP-sintasi sono distribuiti ovunque ad eccezione ad eccezione delle partizioni, poiché deve trovarsi a contatto con lo stroma Il citocromo b6/f e il plastochinone* (trasportatori di e-) sono omogeneamente distribuiti in tutte le regioni dei grana *accetta e- provenienti dallo stroma - e non dalla matrice come l’ubichinone - e si riduce a plastochinolo In questo modo è garantito un e ciente usso di e- che crea il gradiente protonico necessario per la produzione di ATP. Per e etto dell’energia assorbita, entrambi i fotosistemi perdono un e- e devono colmare il buco elettronico, ricevendo un e- tramite un’altra reazione endoergonica primaria di separazione di carica. I due fotosistemi funzionano in modo coordinato e sono collegati da trasportatori di e-, in particolare: ‣ Plastochinone — nel PSII ‣ Plastocianina — PSII ‣ Ferradossina — PSI In tutti gli organismi che utilizzano l’H2O come donatore iniziale di e-, sono necessarie 2 reazioni fotochimiche per ciascun fotosistema. La catena di trasporto degli e- dall’H2O al NAD+, che si riduce così a NADPH è indicato come “schema Z” e prevede il seguente usso: H2O —> P680 —> 1a catena di trasporto degli e- —> P700 —> 2a catena di trasporto degli e- —> NADP+ In particolare, nel PSII si ha il seguente usso di elettroni: Feo tina —> plastochinone (plastochinolo) —> complesso b6/f —> plastocianina ( usso esoergonico di e- da potenziali redox negativi a potenziali redox positivi) fl fi ff ff fi fi fi ffi fi ò fl fl fl fi fi fi  La feo tina accetta l’e- perso dalla cloro lla P680 che si è ossidata, quindi cede e- al plastochinone che, prelevando 2H+ dallo stoma, si riduce a plastochinolo, che cede e- al complesso dei citocromi b6/f. Il complesso dei citocromi b6/f cede e- alla plastocianina (idrosolubile quindi si può muovere nel lume dei tilacoidi) che quindi ritorna gli e- alla cloro lla a ossidata del PSI, colmando il buco elettronico della cloro lla P700 che, riducendosi, può ripristinare la sua attività. In questo modo si crea un gradiente protonico per il quale: -il pH dello stroma diventa sempre più basico -il pH del lume del tilacoide sempre più acido Nel PSI i primi accettori sono varie proteine ferro-zolfo e, in ne, la ferredossina. L’enzima ferredossina- NADP+ reduttasi (FrNADP+) riceve un e- quindi, prelevando 2H+ dallo stroma dei cloroplasti, riducendo il NAD+ a NADPH, che è l’accettore nale di e-. Il buco elettronico della cloro lla P680, rimasta ossidata, viene colmato dalla fotolisi dell’acqua, che avviene nel lume dei tilacoidi, determinando la liberazione di 2H+, 2e- e 1/2O2: 2H2O —> 4H+ + 4e- + O2 Quindi una molecola d'acqua viene completamente ossidata ogni 4 reazioni endoergoniche primarie di separazione di carica. fi fi fi fi fi fi fi  Si tratta di una fotofosforilazione non ciclica in cui: Associato al trasporto di elettroni si ha la formazione di un gradiente protonico fra lo stroma e il lume tilacoidale, il quale viene utilizzato per la sintesi di ATP L’ATP e il NADPH cos formati vengono utilizzati, essenzialmente, per organicare e ridurre la CO2. LEZIONE 10 - 23/11/2023 Il passaggio di elettroni dall’acqua al PSII non è diretto, ma coadiuvato da un intermedio, detto complesso evolvente ossigeno, costituito da 4 atomi di manganese (Mn) sulla porzione luminale del tilacoide. Questi strappano e- all’acqua per rilasciarli successivamente al PSII. Per ridurre il complesso, dato che è costituito da 4 elementi, sono necessarie 2 molecole di acqua, le quali vengono strappate contemporaneamente dai loro 4 elettroni. Si rilasciano alla ne 4 e-, un O2 e 4H+, mentre i quattro ioni di Mn saranno tutti carichi negativamente (4Mn-). In questo modo si colma il buco elettronico della P680. Meccanismo di passaggio: si hanno 5 complessi evolvente ossigeno che si ossidano uno alla volta per colmare il buco elettronico della P680. Dopo la quarta volta, quindi si hanno 4 dei complessi carichi positivamente, vengono ossidate 2 molecole di acqua per colmare i buchi dei complessi evolventi ossigeno. Si considera adesso la stechiometria. Attraverso l’assorbimento di 4 fotoni nel PSII si rilasciano 4 e-, che vengono ceduti uno alla volta dal complesso evolvente ossigeno che li preleva da 2 molecole di H2O, inoltre vengono rilasciati 4 protoni dall’acqua. Ogni 2 e-, il plastochinone preleva 2 protoni dal lume del tilacoide: quindi, con 4 fotoni, si formano 2 molecole di plastochinolo. Il plastochinolo trasferisce gli e- al complesso di citocromi b6-f, mentre i protoni si ritrovano nel lume. Da questo si deduce che: Da 4 fotoni captati dal P680 e 4 dal P700 —> vengono prodotti 8 protoni Per produrre una molecola di ATP —> servono 3 protoni Dunque si possono produrre 2,5 ATP per 8 protoni. Dati i 4 e- che raggiungono la P700 —> si producono 2 molecole di NADPH Per organicare una molecola di CO2 —> servono 3 ATP (scarto compensato dalla fotofosforilazione ciclica del PSI) Quindi, per produrre una molecola di saccarosio (12C) servono 36 ATP e 24 NADPH. Il PSI, tuttavia, può lavorare anche autonomamente, eseguendo una fotofosforilazione ciclica mediante un usso ciclico di e-: la P700 trasferisce gli elettroni alle proteine ferro-zolfo e poi alla ferredossina, la quale, questa volta, trasferisce gli elettroni all’enzima ferredossina-plastochinone reduttasi, quindi al plastochinone. Questo, poi, li cede al complesso di citocromi b6/f che scarica i protoni del plastochinolo nel lume. Il b6/f li cede alla plastocianina che li trasferisce alla P700. Non viene quindi prodotto O2 e NADPH ma viene prodotto un gradiente protonico, necessario per la produzione di ATP. Si ha quindi una condizione di anaerobiosi, alla quale sussegue, in particolari cellule dei cianobatteri dette eterocisti, la ssazione dell’azoto fi fl ì fi Il pH del lume è fortemente acido, in cui è uguale a 4, mentre nello stroma è basico: si ha una di erenza di pH di 4 unità tra i due comparti. Il pH del citosol è invece neutro. Attraverso l’ATP sintasi si ha il passaggio secondo gradiente dei protoni dal lume allo stroma, che viene usato dallo stesso enzima per immagazzinare l’energia in legami pirofosforici tra ADP e Pi. Nei mitocondri, il trasporto di protoni avviene inoltre contro gradiente, rispetto ai tilacoidi. L’ATP sintasi dispone la testa: -nel tilacoide — verso lo stroma -nei mitocondri — verso la matrice Essa è costituita dalle subunità α e β. Si hanno 3 stadi delle subunità: 1. Aperto – l’ATP è rilasciato dal complesso 2. Stretto – si forma il legame pirofosforico con formazione di ATP 3. Rilassato – il sito lega ADP e Pi provenienti dallo stroma Anche se gli stomi sono chiusi, i fotosistemi continuano a lavorare (se ovviamente sono raggiunti dal sole): l’immagazzinamento di potere riducente e ATP può essere però dannoso, quindi le piante hanno sviluppato un processo a stomi chiusi e in caso di sovrabbondanza di zuccheri: il sistema antenna può spostarsi e non captare fotoni. ff LEZIONE 11 - 28/11/2023 -Ciclo di Calvin o ciclo C3 o ciclo fotosintetico riduttivo- Tutti gli eucarioti fotosintetici riducono la CO2 in carboidrati attraverso lo stesso meccanismo di base: la riduzione fotosintetica del carbonio o ciclo di Calvin o ciclo C3: - Le reazioni alla luce generano ATP e NADPH - Il ciclo di Calvin utilizza l’energia chimica e il potere riducente per ssare 3 CO2 Viene detto ciclo C3 per via del primo intermedio, il 3-fosfogicerato (3C). Respirazione cellulare —> ossigeno trasmutato in energia chimica e anidride carbonica Fotosintesi —> anidride carbonica trasformata in ossigeno e zuccheri Inizialmente, l’utilizzo dell’anidride carbonica per produrre sostanze organiche e ossigeno provocò un’estinzione di massa: l’ossigeno, prima mantenuto in acqua (in quanto i primi organismi fotosintetici erano acquatici) e poi nell’atmosfera, risultò tossico per moltissimi organismi. Attraverso l’utilizzo di combustibili fossili si re-introduce nell’atmosfera quel carbonio che venne usato dalle piante tempo fa: sono fonti di energia non rinnovabili che descrivono, in parte, l’aumento dell’e etto serra e la scomparsa dei ghiacciai. Il ciclo di Calvin avviene nello stroma (ricco di enzimi, tra cui il Rubisco o ribulosio-1,5-bifosfato carbossilasi) e comprende tre fasi: 1. Carbossilazione -la CO2 viene agganciata ad un substrato carbonico preesistente, ovvero il ribulosio-1,5-bifosfato, attraverso il Rubisco -si forma un intermedio a 6C che si scinde in due molecole di 3-fosfoglicerato. 2. Riduzione, in cui vengono usati 2 ATP e 2 NADPH: -il 3-fosfoglicerato viene fosforilato in 1,3-bifosfoglicerato, -l’1,3-bifosfoglicerato viene contemporaneamente defosforilato e ridotto mediante il NADPH in un triosio-fosfato, la gliceraldeide-3-fosfato (GAP) 3. Rigenerazione, in cui viene rigenerato il ribulosio-1,5-difosfato -2 molecole di GAP condensano per formare il fruttosio-1,6-bifosfato, che può entrare nella via glicolitica per riottenere GAP -il fruttosio viene defosforilato in fruttosio-6-fosfato, che condensa con un’altra GAP per poi scindersi in xilulosio (5C) ed eritrosio (4C) -l’eritrosio condensa con GAP per formare il sedoeptulosio-1,7-bifosfato -il sedoeptulosio-1,7-bifosfato viene defosforilato e condensa con un’altra GAP per poi scindersi in due zuccheri a 5C, il ribosio-5-fosfato e lo xilulosio-5-fosfato -i due zuccheri a 5C vengono isomerizzati in ribulosio-5-fosfato, che viene fosforilato a ribulosio-1,5- difosfato (rigenerazione intermedio di partenza) —> questa tappa fortemente endoergonica e comporta spesa energetica sotto forma di ATP Per formare 2GAP si utilizza un substrato preesistente a 5C e una molecola di CO2; tuttavia, è necessario rigenerare il ribulosio. Da questo si deduce che, ogni 3 cicli di Calvin il guadagno che si ottiene è una molecola di GAP, la quale è in più e non serve per ripristinare il ribulosio. Difatti, vengono utilizzati 15C (ribulosio) e 3CO2 per ottenere 6GAP: i 3C in surplus vengono usati per formare la GAP. Verranno quindi usate 6 ATP e 6 NADPH. Alla ne della rigenerazione, verranno usati 9 ATP e 6 NADPH per ottenere una molecola di GAP. Da questo si deduce che per ottenere una molecola di glucosio si devono usare 18 ATP e 12 NADPH, la quale conserva 686 kcal/mole (∆G della respirazione cellulare). La GAP viene poi usata per la sintesi delle macromolecole, quali: zuccheri, amido, amminoacidi, acidi grassi. fi fi è ff  Esportazione dei trioso-fosfati dal cloroplasto al citoplasma I prodotti pi abbondanti che derivano dal ciclo di Calvin sono: Amido — sintetizzato a livello del cloroplasto Saccarosio — sintetizzato a livello del citoplasma a partire dai trioso-fosfati che escono dal cloroplasto. Esso viene poi trasportato a tutte le parti della pianta (organi di riserva, parti in crescita, etc.) ed utilizzato per le attivit metaboliche. La membrana interna dei cloroplasti impermeabile a quasi tutti i composti fosforilati, compresi il fruttosio- 6-fosfato, il glucosio-6-fosfato, il fruttosio-1,6- difosfato. Vi per uno speci co trasportatore che, in antiporto, catalizza l’esportazione di: Pi nello stroma del cloroplasto — dove viene usato per la fosforilazione (sintesi di ATP) Trioso-fosfati (gliceraldeide) nel citoplasma — dove possono essere usati per la sintesi di saccarosio (principale zucchero di trasporto) La sua attivazione dipende dalla quantità di Pi nel citosol: se è bassa, questo antiporto non avviene. La sua presenza è garantita dalla continua defosforilazione di ATP in ADP e Pi. Il citoplasma richiama gliceraldeide: Per richiesta di nutrienti da parte degli organi (utilizzata per la sintesi di saccarosio): -per condensazione si trasforma in fruttosio 1,6-difosfato -defosforilazione a fruttosio-6-fosfato -isomerizzazione a glucosio-6-fosfato -conversione a glucosio-1-fosfato -glucosio e fruttosio condensano in saccarosio -il saccarosio viene trasportato a tutte le parti della pianta (organi di riserva, parti in crescita, etc.) ed utilizzato per le attivit metaboliche oppure Per necessità della cellula stessa (utilizzata come tale) Per produrre il saccarosio, disaccaride a 12C, sono necessarie 4 GAP, dunque, dato che per produrre una GAP si ha bisogno di 6 cicli di Calvin, allora per formare il saccarosio serviranno 24 cicli di Calvin. Quando non avviene il trasferimento di gliceraldeide nel citosol, questa si conserva nello stroma dei cloroplasti sotto forma di amido primario, che rappresenta una riserva di breve durata poiché, durante la notte, quando non avviene sintesi di gliceraldeide ma gli organi continuano le proprie attività metaboliche - e quindi necessitano di nutrienti - l’amido accumulato durante il giorno viene ritrasformato in gliceraldeide-3-fosfato per via glicolitica e, per antiporto, ritrasferito nel citosol. Quindi: ù à à è è ò fi 1. Se nel citosol diminuisce la produzione di Pi —> bassa sintesi di saccarosio e alta velocità di sintesi di amido perché meno Pi entra nel cloroplasto e meno gliceraldeide viene esportata nel citosol, quindi questa si accumula nello stroma nei cloroplasti. 2. Se nel citosol aumenta la velocità di produzione di Pi —> alta velocità di sintesi di saccarosio poiché più gliceraldeide esce dal cloroplasto ma bassa velocità di sintesi di amido Bilancio di C e dell’energia del Ciclo di Calvin:  -Ciclo fotosintetico ossidativo (CFO) o fotorespirazione o ciclo C2- La fotorespirazione è una via metabolica intrapresa dalle piante C3 che avviene a causa dell’ambivalenza dell’enzima rubisco (attivo di giorno), che può catalizzare due reazioni opposte: 1. Carbossilazione 2. Ossigenazione La catalisi di una o dell’altra dipende relazione al rapporto CO2/O2 nello stroma: - Se il rapporto è basso (di giorno) —> prevale l’ossigenazione - Se il rapporto è alto —> prevale la carbossilazione Il ciclo C2 si è evoluto nelle piante C3 per contrastare l’attività ossigenasica dell’enzima rubisco, che produce: zucchero a 5C + O2 —> 1 trifosfoglicerato (ciclo di Calvin) + 1 difosfoglicolato (acido organico a 2C tossico per le cellule: ciclo C2) Il ciclo C2 inizia e termina nel cloroplasto, passando per il perossisoma e il mitocondrio: 1. Nel citoplasma il difosfoglicolato viene defosforilato a glicolato 2. Il glicolato entra nel perossisoma e viene ossigenato in gliossilato con formazione di H2O2 che, tramite una catalasi, viene scissa in H2O e 1/2O2 3. Transaminazione del gliossilato da parte del glutammato: si forma un intermedio: la glicina (2C), mentre il glutammato si trasforma in un α-chetoglutarato 4. La glicina viene trasferita nel mitocondrio, dove si condensa con un’altra glicina e si forma la serina (3C) per decarbossilazione, con eliminazione di CO2 (perdita di C) e di un gruppo amminico sotto forma di ammoniaca NH3 (perdita di N) 5. La serina abbandona il mitocondrio e ritorna nei perossisomi, dove viene trasformata in idrossipiruvato per transaminazione (trasferimento gruppo amminico dalla serina ad un α-chetoacido come il gliossilato o l’α-chetoglutarato) 6. L'idrossipiruvato viene ridotto, con consumo di NADH, a glicerato 7. Il glicerato rientra nel cloroplasto, dove viene fosforilato a 3-fosfoglicerato con consumo di 1ATP, questo rientra nel ciclo di Calvin È quindi una reazione opposta al ciclo di Calvin, in cui inizialmente viene liberata e non prodotta sostanza organica, in cui però vengono recuperati 3/4 della sostanza organica persa (75%): 1C viene perso sotto forma di CO2 e 3C vengono recuperati.  La fotorespirazione è quindi una via metabolica “parassita” per il ciclo C3 poiché: ‣ Consuma O2 e libera CO2 demolendo sostanza organica (come la respirazione ma senza rendimento energetico): crea un prodotto che non può essere utilizzato per produrre zuccheri e quindi riduce l’e cienza del ciclo di Calvin. ‣ Dipende dal ciclo C3 per la disponibilità di RuBP ‣ Riduce la resa fotosintetica del -25% nelle piante C3 Inoltre, la fotorespirazione funziona solo alla luce, sfruttando un prodotto fotosintetico che è l’acido glicolico (a 2C) generato dall’ossidazione di rubisco. L’acido glicolico, essendo tossico, entra in una lunga serie di reazioni che lo trasformano in acido glicerico. La fotorespirazinoe comporta: Consumo di 1O2 per ogni RuBP ossidato Perdita di CO2 e NH3 a livello dei mitocondri Il signi cato biologico della fotorespirazione è che questo processo è un’inevitabile conseguenza della struttura della rubisco, una struttura che si è evoluta quanto le concentrazioni di CO2 nell’atmosfera erano alte e le concentrazioni di O2 basse. Secondo questa ipotesi, con l’accumularsi dell’O2 nell’atmosfera per assetto dell’idrolisi dell’H2O, la rubisco cominciò a ssare anche O2 semplicemente perché non riusciva a discriminare i due gas. La fotorespirazione è dunque inevitabile, a causa della struttura della rubisco e delle attuali concentrazioni di O2 nell’atmosfera. Bilancio energetico Ciclo C2 Per 3PGA (3-fosfoglicolato) —> si consuma 2ATP e 1NADPH. A questi si aggiungono 3ATP e 2NADPH per ssare e ridurre la CO2 liberata, per cui si arriva a 5ATP e 3NADPH. La comparsa dello stesso ciclo in piante evolutivamente molto lontane e diverse è un vero e proprio caso di convergenza evolutiva in risposta a particolari condizioni ambientali. !! Il ciclo C3 è presente in tutte le piante, il ciclo C2 no: alcune piante cercano di eliminare il ciclo C2 30/11/2023 Le piante che hanno evoluto strategie alternative al ciclo C2 sono le piante C4 e le piante CAM (Metabolismo Acido delle Crassulacee, presente anche in altre piante ma così chiamato poiché è stato scoperto nelle Crassulacee). Queste piante presentano comunque l’enzima rubisco: la loro ridotta fotorespirazione dipende da un meccanismo di concentrazione della CO2 nel comparto ove è presente la Rubisco (quindi nel sito di carbossilazione nello stroma dei cloroplasti) sopprimendo così le reazioni di ossigenazione e favorendo l’attività carbossilasica. -Ciclo di Hatch e Slack o ciclo C4- Le piante C4 hanno un metabolismo fosotintetico ausiliario di ssazione della CO2: il ciclo di Hatch e Slack o ciclo C4. Le piante C4 svolgono, comunque, il metabolismo classico di ssazione della CO2 (ciclo di Calvin o ciclo C3). Le 2 vie metaboliche sono per nettamente compartimentate topogra camente, ovvero si svolgono in cellule diverse. Anatomia fogliare piante C4 Le piante C4 presentano una anatomia fogliare peculiare detta anatomia Kranz (corona). In una foglia di pianta C4, in sezione trasversale, si riconoscono: Parenchima cloro lliano (meso llo) Nervature circondate da un singolare clorenchima disposto a corona attorno alle nervature (guaina del fascio o tessuto Kranz) fi ffi fi fi fi ò fi fi fi fi  Ex: sezione trasversale di foglia di mais - Cellule simili in tutto il parenchima cloro lliano (assenza di parenchima a palizzata/lacunoso) - Nervature parallelinervie che in sezione trasversale vengono sezionate perpendicolarmente al loro asse maggiore - Cellule Kranz attorno alle nervature Si distinguono in questo modo i due comparti tipici delle piante C4: Le cellule del meso llo (ciclo C3) — contengono cloroplasti normali e privi di Rubisco Le cellule della guaina del fascio (ciclo C4) — con cloroplasti: -privi di grana e quindi di partizioni (che ospitano il PSII) -con solo il PSI e carenti o quasi di PSII -che attuano una fotofosforilazione ciclica attorno al PSI e quindi - poiché il PSII è associato alla fotolisi dell’acqua e qui è assente - senza o quasi evoluzione di O2 (rapporto CO2/O2 sempre alto —> carbossilazione favorita) -ricchi di granuli di amido -che contengono l’enzima Rubisco C4: grandi cellule con grandi cloroplasti che circondano la nervatura, ricche di plasmodesmi per e ettuare scambi con le cellule del parenchima cloro lliano C3: assenza di guaina del fascio, parenchima a palizzata e parenchima lacunoso 1. Il trasportator