Plant Physiology: TEMAS-4-5-6-FISIO-VEG PDF

TEMAS-4-5-6-FISIO-VEG.pdf danielaruizcc Fisiología Vegetal 3º Grado en Biología Facultad de Biología Universidad de Barcelona Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas Tema 4. Fixació diòxid de carboni Té 2 objectius ● Dóna sucres petits, trioses-fosfat de 3 C 1. ● Regenera la RuBP, que és la que s’enganxa al CO2. DESCOBRIMENT CICLE DE CALVIN Al 1950 Calvin i col. van fer els experiments: autoradiografies mostrant els compostos marcats amb 14CO2 en l’alga Chlorella. Les fotos mostren unes taques més o menys fosques segons quan s’originen en el procés de la fotosíntesis. → El més marcat serà el que té més radioactivitat i que serà el producte de la fotosíntesis ● 1ª foto: diversos compostos molt marcats (PGA, UDPG, malat, aspartat…) ja que al fer-se als 30 segons de fotosíntesis, tots aquests compostos ja s’havien format. ● 2ª foto: després de només 5 segons van observar clarament quin era el primer compost resultant de la fotosíntesis= PGA és el primer producte del Cicle de Calvin ● El PGA té 3C i el CO2 té 1C. Per tant, falta un compost de 2C al mig → el compost és la Ribulosa 1,5-bifosfat que té 5 C i forma 2 molècules de 3C. 2. ENZIM RUBISCO És l’enzim més abundant en les plantes i representa fins al 50% de la fulla. Arriba a trobar-se fins a 4mM de concentració a l’estroma dels cloroplasts. És enorme (560kDa) i està format per 16 subunitats estructurats en dímers: ● 8 petites (S) codificades pel gen rbcS de l’ADN nuclear. Fan 14 kDa. ● 8 grans (L) codificades pel gen rbcL en l’ADN del cloroplast. Fan 55 kDa. Una subunitat L és catalítica → capta el CO2 i el converteix en 2 PGA. La rubisco produeix CO2 al mitocondri i en la seva activitat global fixa 120 gigatones de CO2 a l’any. Immunolocalització de la rubisco En la foto de dalt del tall transversal d’una fulla, es veu com si les cèl·lules estiguessin buides ja que tenen vacúols tan grans que desplacen els cloroplasts a la perifèria. (el que té color marró és la Rubisco, que està al’estroma dels cloroplasts La foto de baix mostra el control negatiu de la localització de la rubisco. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas 3. FASES DEL CICLE DE CALVIN ● REDUCCIÓ: El 3PG es redueix amb la participació d’ATP i NADPH (poder reductor), obtenint així triosa fosfat que podrà formar reserves de sucrosa i midó. ● REGENERACIÓ: Regeneren l’acceptor primari del CO2 per poder reiniciar el cicle mitjançant el trencament d’ATP → La ribulosa 1,5-bifosfat CARBOXILACIÓ . . 3 RuBisCO agafen simultàniament 3 CO2 atmosfèrics i els enganxa a la posició 2 de 3 molècules de ribulosa-1,5-bifosfat. ● Degut a l’entrada d’aigua, s’hidrolitzen els 3 compostos per la meitat i s’obtenen 6 molècules de 3-fosfoglicerat (PGA) (6 x 3C). Les dues meitats són idèntiques però distingim la superior quan el CO2 queda fora i és el C nou, i la inferior quan el CO2 queda dins i és el C vell. LA reacció necessita el cofactor Mg. El diòxid de carboni i l’oxigen competeixen per unir-se a la rubisco → agafa un O2 per cada tres CO2. Per tant l’enzim pot fer activitat: a) Carboxilasa= capta CO2 per fer fotosíntesis b) Oxigenasa= capta O2 per fer fotorespiració: és la oxigenació de la Rubisco. Es farà un compost de 1 C → fosfoglicolat que és tòxic i la planta el transforma en glicolat. (només fan fotorespiració les plantes C3) REDUCCIÓ . . Participen 6 molècules de NADPH (s’oxiden) i 6 d’ATP (s’hidrolitzen). Aquests aporten el poder reductor i l’energia necessària per reduir els PGA i obtenir 6 molècules de gliceraldehid-3-fosfat (6 x 3C). Reacció catalitzada per PGA quinases i G3P deshidrogenases. REGENERACIÓ . . De les 6 molècules de G3P només es reciclen 3 → 1r G3P és exportat directament al cloroplast per una DHAP. Les altres 5 serveixen per regenerar: ● 2n i 3r G3P s’ajunten gràcies a una DHAP i una aldolasa. ○ Formen 1 fructosa-1,6-bifosfat (6 C) que perdrà un fosfat (Pi) per la desfosforilació d’una fosfatasa i acaba sent fructosa-6P (6C). ● 4t G3P (3C) s’uneix a la fructosa-6P per l’acció d’una transcetolasa. En comptes de formar un sucre de 9C, forma 2 sucres: ○ 1 xilulosa-5P (5C) ○ 1 eritrosa-4P (4C)= s’uneix el 5è G3P formant la sedoheptulosa-1,7-bifosfat (7 C) per una aldolasa. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Para ti este portátil es genial. Para tu padre... está en oferta ¡Clic aquí! Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Grans etapes del cicle de Calvin: ● CARBOXILACIÓ: El CO2 entra per l’estoma i s’enganxa a la ribulosa-1,5-biP formant 2 compostos de 3PG. Fisiología Vegetal Banconota della Fisiologia vegetal ● ● La molècula de 7C és desfosforilada per una fosfatasa i s’uneix al 6è G3P i formen ○ Una ribosa-5P (4 C) ○ Una xilulosa-5P (5 C). Les dues xiloses i la ribosa s’uneixen format ribulosa-5P. Finalment, una quinasa PRK la fosforilarà de nou a formar ribulosa-1,5-bifosfat per reiniciar el cicle. ESTEQUIOMETRIA: Per fabricar una fructosa 6 CO2 + 11 H20 + 12 NADPH + 18 ATP → fructosa-6-P + 12 NADP+ + 6 H+ + 18 ADP + 17 Pi PLANTES C3: 8 fotons à 2 NADPH + 3 ATP → 1 CO2 fixat → *en realitat són 9 o 10 fotons Per sintetitzar 1 molècula de CO2, calen 2 NADPH i diferent nº d’ATP segons: ● Plantes C3 → 3ATP ● Plantes C4 → 5 ATP 4. REGULACIÓ DEL CICLE DE CALVIN El factor més important de regulació dels enzims del cicle de Calvin és la llum. A LLARG TERMINI: Durant setmanes i mesos. Per exemple en canvis estacionals (hivern-estiu). ● Quan arriba més llum, es necessiten més proteïnes per fer la fotosíntesis= implica canvis en l’expressió de gens. ● EX: La llum estimula l’expressió del gen rbcS i es sintetitzen les subunitats petites de la rubisco, fet que activa també el gen rbcL per completar els enzims i que siguin funcionals. A CURT TERMINI: Diària; el cicle de Calvin comença pel matí i al final del dia es desactiva ja que la fotosíntesis només es pot donar quan hi ha llum. A 3 nivells: a. Llum → regula la síntesi de 4 enzims mitjançant el sistema ferredoxina / tioredoxina. Els electrons que arriben al PSI passen a la ferredoxina, la qual es redueix i causa la reducció de la tioredoxina. La tioredoxina reduïda activa per reducció els enzims: ● ● ● ● gliceraldehid-3-fosfat deshidrogenasa (G3P-DH) fructosa-1,6-bisfosfat fosfatasa (FBPasa) sedoheptulosa-1,7-bifosfat fosfatasa (SBPasa) ribulosa-5-fosfatasa kinasa (PRKasa) a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Para ti este portátil es genial. Para tu padre... está en oferta ¡Clic aquí! Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. ● Daniela Ruiz i Rut Mas Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas És un dels sistemes més important en plantes perquè quan la ferrodoxina està reduïda, participa en l’activació dels enzims pel CIcle de Calvin i a més en l’activació d’altres enzims. Es pot desplaçar cap a les arrels i activar nitrogenasa que participa en la fixació del nitrogen. - També pot activar un altre enzim del cicle del nitrogen . *La rubisco està activada per un sistema propi de regulació (no pel sistema de ferrodoxina/tioredoxina) en el que poden participar: 1) Rubisco activasa (RA)= enzim específic que s’activa per fosforilació. Atrau el RuBP del centre d’acció deixant el lloc lliure perquè pugui unir-se un altre BP i la rubisco pugui fer la seva funció fotosintètica. 2) Carbamilació= el CO2 entra per l’estoma que s’obre al matí, i s’uneix a un residu específic de lisina (201) activant la rubisco durant tot el dia. A aquest carboni carbamilat se li uneix un Mg2+ procedent del lúmen (surt per compensar l’entrada de protons) i així ajuda a activar la rubisco. Després, el mateix CO2 fa carboxilació (formació de sucres) i s’uneix al BP de RuBP. L’enzim deixa de funcionar quan es desenganxa el CO2; quan no hi ha llum (nit). b. Canvis iònics en l’estroma del cloroplast: Els protons passen de l’estroma cap al lúmen tilacoidal, acidificant-lo (pH=5, baixa). Els protons tornaran cap a l’estroma per l’acció de l’ATPasa, però en el moment, el bombeig massiu de càrregues positives s’ha de compensar. Per això surt 1 Mg2+ per cada 2H+ que entren. El magnesi alliberat s’uneix al CO2 carbamilat, i així actua com a cofactor que ajuda a l’activació de la rubisco. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Para ti este portátil es genial. Para tu padre... está en oferta ¡Clic aquí! Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Passa els electrons al NAD i fa FDAH Fisiologia vegetal c. Daniela Ruiz i Rut Mas Transport de substàncies per la membrana del cloroplast: Els canvis en el fòsfor inorgànic (Pi) determinen tot el transport a través de la membrana i, per tant, el cicle de Calvin. Les trioses fosfat del cicle de Calvin poden fer 2 coses: Ajuntar-se amb una glucosa i formar midó (starch)= carboni que es queda I. insoluble en el cloroplast; immòbil. Sortir del cloroplast si hi ha Pi, i formar sucrosa (sacarosa= fructosa + II. glucosa) en el citosol. Aquesta pot emmagatzemar-se, transportar-se pel forema per tota la planta o participar en la respiració en forma de triosa-P. Quines quantitats van a parar a cada lloc? Ho podem saber marcant el carboni amb C13 que entra i després observarem cap a quina via ha anat. De 100 molècules de CO2 que entren: ● Un 50% s’oxida en la respiració ● Un 30% és transportat pel floema i es guarda a l’arrel ● Un 20% es guarda al vacúol en forma de sacarosa Per cada molècula de fòsfor que surt, ha d’entrar una altra; però si ja no queda fòsfor inorganic al citosol (per la tarda), no es pot intercanviar per una triosa-P. - Això fa que les trioses-P s’acumulin en forma de midó, aturant el cicle de Calvin= inhibició de la fotosíntesis per fòsfor inorgànic. Per tant, de dia el carboni extern (CO2) entra per l’estoma al cicle de Calvin i es sintetitzen trioses-P que poden formar midó de reserva o sacarosa que viatja per tota la planta pel floema, el cloroplast es trobara ple. De nit, no hi ha fotosíntesis però els nivells de sacarosa es mantenen gràcies a que el midó es degrada. Forma glucosa i trioses que entraran a la mitocondria. ● El que s’ha anat formant durant el dia fa de reservori per la respiració durant la nit En una planta C3, al llarg del dia es van formant paral·lelament midó (cloroplasts) i sacarosa (citosol). SÍNTESI DE MIDÓ SÍNTESI DE SACAROSA Principal carbohidrat de reserva (carboni immòbil, insoluble) que es sintetitza al cloroplast. Principal carbohidrat transportat pel floema (carboni mòbil, soluble) que es sintetitza al citosol. Es sintetitza a partir de les trioses-P del cicle de Calvin. L’aldosa uneix dues trioses-P i dona una fructosa-1,6-bifosfat. Aquesta perd un grup fosfat per una fosfatasa que la converteix en glucosa-6P. Es fabrica quan les trioses-P són transportades pel translocador Pi fora del cloroplast. Segueixen una via molt similar a la via del cloroplast → l’isoenzim aldolasa forma la fructosa-1,6-bifosfat i passa per les mateixes reaccions fins arribar a ser glucosa-1P. La isomerasa canvia el fosfat de posició convertint-la en glucosa-1P. L’ATP de la glucosa s’activa i forma ADP-glucosa activada, les quals s’acumulen formant el midó. Aquest polisacàrid de reserva es va acumulant al cloroplast al llarg del dia. Perquè la glucosa passi a formar sucrosa necessita l’activació de l’UTP perquè passi a formar la UDP-glucosa. Aquesta s’ajunta amb una fructosa i donaran lloc al disacàrid sacarosa. L’enzim sacarosa fosfat sintasa només es troba al citosol aquest és la que sintetitza sacarosa. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas 5. PLANTES AMB METABOLISME C4 blat de moro (Zea mays), canya de sucre (Saccharum officinarum). Es caracteritzen per presentar mecanismes de concentració de CO2 per evitar la fotorespiració. Tenen una etapa prèvia al cicle de Calvin que consisteix en la unió del CO2 a l’àcid màlic (4C) abans d’entrar al cicle. Descobriment: Kortschak (1965): estudi de l’exposició a 14CO2 en la col i la canya de sucre després de: ● 1 segon a 14CO2 → 80% de la radioactivitat en l’àcid màlic (4C) de cloroplasts de cèl·lules del mesòfil (paret fina). ● 10 segons la marca radioactiva apareixia en el PGA de cloroplasts de les cèl·lules de la beina (paret gruixuda). 1) 2) 3) 4) 5) El CO2 → HCO3- (catalitzat per Anhidrasa Carbònica) i es fixat per les cèl·lules del mesòfil per la PEPc HCO3- + PEP → OAA: (catalitzat per PEP carboxilasa que ho transforma a Àcid oxalacètic) 1s OAA → malato o aspartato → CO2 + Piruvato o PEP CO2 → CIcle de Calvin Compostos 3C → PEP (consumint ATP). Tenen una anatomia especial= anatomia Kranz caracteritzada per: ● Presenten una separació espacial. ● Les 2-3 capes de cèl·lules de la beina (floema) són petites i gruixudes, i envolten les del mesòfil. Tenen cloroplasts granulars i amb rubisco= fan el cicle de Calvin i sintetitzen midó i sacarosa. No tenen PEPc. ● Els cloroplasts de les cèl·lules del mesòfil no tenen rubisco i per això no fan cicle de Calvin ni fabriquen midó/sacarosa. La llum bloqueja la transcripció del RNAm que codifica per la subunitat gran de la rubisco. Si que tenen PEPc. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Para ti este portátil es genial. Para tu padre... está en oferta ¡Clic aquí! Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Diferències importants depenen de ATP o UTP. Hi ha molts enzims comuns al cloroplast i al citosol, però la sacarosa sintasa és exclusiva del citosol. Daniela Ruiz i Rut Mas ETAPA PRÈVIA AL CICLE DE CALVIN 1) Una anhidrasa carbònica (AC) agafa el CO2 atmosfèric que ha entrat pels estomes i el converteix en HCO32) La fosfoenolpiruvat carboxilasa (PEPc) el fixa en les cèl·lules del mesòfil transformant-lo en oxolacetat. 3) La malat deshidrogenasa el redueix a malat o aspartat , compostos de 4C que són transportats a través dels plasmodesmes cap a la cèl·lula de la beina. 4) El malat és descarboxilat per l’enzim màlic i s’allibera: un CO2 que entrarà al cicle de Calvin. 5) Un piruvat (3C) que torna cap a la cèl·lula del mesòfil i forma PEP consumint ATP. - És una bomba de CO2 (CCM - Mecanisme de concentració de CO2) per deixar-lo dins de la beina, el qual no pot escapar perquè la paret de les cèl·lules és molt gruixuda. - A dins hi pot haver 12000 ppm de CO2, la pressió parcial de CO2 desplaça l’oxigen (ja no hi ha competència) - Per tant, les plantes C4 no tenen l’oxidació de la RubisCo, no tenen fotorespiració. TIPUS DE METABOLISME C4 Classifiquem 3 tipus de planta C4 segons les variants del metabolisme: Enzim descarboxilant Localització enzim Àcid (4C) transportat cap a les cèl·lules de la beina Àcid (3C) retornat cap a les cèl·lules del mesòfil NADP-ME Cloroplast Malat Piruvat NAD-ME Mitocondri Aspartat Alanina PEP-carboxiquinasa Citoplasma Aspartat Alanina / PEP *ME= enzim màlic dependent de NAD(P) La NADP-ME és la variant metabòlica més abundant (90%): blat de moro, canya de sucre... I també la mes eficient ja que la rubisco es troba als cloroplasts i així la descarboxilació no implica pèrdues de carboni. En canvi en les altres dues variants pot haver pèrdues de CO2 degut al transport des del lloc de descarboxilació (mitocondri i citoplasma respectivament) fins als cloroplasts. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Para ti este portátil es genial. Para tu padre... está en oferta ¡Clic aquí! Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas Característiques principals del metabolisme de C4: (fan més fotosíntestis) ● Major eficiència en l'ús del CO2 → no hi ha pèrdues de la fotorespiració El bombament de CO2 a les cèl·lules de la beina manté la concentració de CO2 en aquestes cèl·lules entre 20 i 120 superior del normal ● Major eficiència en l'ús de l'H2O (WUE): redueixen obertura estomàtica → fixen CO2 en ambients calorosos i secs ○ 1/500 en C3, 1/250 C4 i 1/50 CAM ● Major eficiència en l'ús del N → Saturen la Rubisco amb CO2 → fabriquen menys Rubisco i no necessiten fer tants AA, no gasten tant N en fer-los. ● En temperatura i radiació baixes i elevada humitat, C4són menys eficients que les C3 → més ATP per al seu metabolisme. → 1 CO2= 2 NAD(P)H + 5 ATP (La C 3 és 1 CO2= 2 NAD(P)H + 3 ATP) ● 0,4% de 260.000 espècies conegudes C4, econòmicament importants (blat de moro, canya sucre) ● ● ● ● ● ● Totes les plantes C4 són angiospermes i la majoria monocotiledònies (18 families). Es van originar fa uns 6Ma per un mecanisme de selecció provocat per una disminució de diòxid de carboni. Com que aquestes famílies, són distants i no tenen ancestres comuns C4 se suposa que el metabolisme C4 probablement va evoluciona rindependentment Dins d’un mateix gènere pot haver representants C3 i C4. Gèneres com Flaveria, Panicum, Alternanthera. Hi ha algunes especies intermediàries entre C3 i C4 perquè presenten ○ Una anatomia de Kranz poc desenvolupada, amb rubisco tant en les cèl·lules del mesòfil com en les de la baina. ○ Tenen poca fotorespiració, el punt de compensació de CO2 per a intermediaris és entre 7-28ppm. (En C4 és <5 i en C3 és 30-70). Plantes molt properes tenen diferents tipus de fotosíntesi, ex. Alloteropsis semialatadiploides són C3, mentre poliploides són generalment C4. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Para ti este portátil es genial. Para tu padre... está en oferta ¡Clic aquí! Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Fisiologia vegetal Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas AVANTATGES Major eficiència en l’ús de... ● CO2 → el concentren tant que saturen la rubisco. L’O2 no pot competir contra el CO2 per unir-se a l’enzim, fet pel qual no hi ha oxigenació de la rubisco= no hi ha pèrdues fotorespiratòries. El bombeig de CO2, en les cèl·lules de la baina manté una [CO2] entre 20 i 120 vegades superior a lo normal. ● H2O → major WUE perquè redueixen l’obertura estomàtica per no captar tant CO2 ni perdre aigua en ambients secs. ● N → com saturen la rubisco, no cal fabricar-la en tanta quantitat. No assimilen tant nitrogen per formar proteïnes. DESAVANTATGES ● ● ● Per cada CO2 necessiten 2 NADH i 5 ATPs. Gasten 2 ATP més que les C3 en el seu metabolisme. Per això, a ↓Tº, ↓ radiacions i ↑humitat, les C4 són menys eficients. A més, només el 0,4% de les 260.000 espècies conegudes són econòmicament importants. METABOLISME C4 EN UNA ÚNICA CÈL·LULA Voznesenkaya (2001): l’anatomia Kranz no és essencial pel metabolisme C4. El metabolisme C4 no necessita més d’una cèl·lula per poder produir-se. El metabolisme C4 en una única cèl·lula s’ha trobat en 3 espècies suculentes: Suaeda aralocaspica, Bienertia cycloptera i Bienertia sinuspersici → tenen un metabolisme C4 partticular → C4 en una única cèl·lula: C4 single-cell-type phs” Les espècies que viuen en llocs salins i amb gran estrès, tenen cèl·lules molt allargades, amb els enzims de cada metabolisme en extrems oposats: - Enzims C4 → PEPc i MDH. A la regió externa que dona a l’estoma, per això quan entra el CO2 per allà, és captat per la PEPc. - Enzims C3 → NAD-ME i del cicle de Calvin com la rubisco. Es troben a la part vascular (tocant el floema); a l’altre extrem de la cèl·lula. ● ● ● ● Tot el cicle es dona en una mateixa cèl·lula sense divisió, però el vacúol i altres orgànuls fan de barrera física que separa els enzims C4 dels C3 i per tant fa que el CO2 no s’escapi. Aquesta via és una bomba de concentració de CO2 en una única cèl·lula que aporta el carboni fixat fins al cicle de Calvin. ● MECANISMES DE REGULACIÓ PLANTES C4 La llum regula els 3 enzims principals de la via: ENZIMS PRINCIPALS SISTEMA DE REGULACIÓ PEP carboxilasa Fosforilacio (Glu-6-P activa) - defosforilació ( malatinactiva) NADP-malat deshidrogenasa Ferredoxina (ox) / tiredoxina (red) . El PSI dóna les electrons a la ferredoxina Piruvat-fosfat dikinasa Fosforilacio - defosforilació 6. PLANTES CAM CAM= Crassulacean Acid Metabolism. Són plantes de llocs molt calorosos, com els cactus. Historia descobriment: C4: Absorveixen 20 umol CO2 /m2s de dia CAM: Absorveixen 0 umol CO2 /m2s de dia a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Daniela Ruiz i Rut Mas Les C4 estan separades espacialment (cèl·lules diferents) i les CAM estan separades temporalment (diferents moments del dia). Per tant, No hi ha separació funcional de cèl·lules, hi ha un sol tipus de cèl·lules, però molt separades. VIA METABÒLIC ‘CAM’ ● De nit: els estomes s’obren i entra CO2 atmosfèric. - ● L’anhidrasa carbònica el converteix en HCO3- i l’enganxa al PEP formant oxalacetat (4C) a les cèl·lules del mesòfil. La malat DH el transforma en malat per poder moure’s per tota la cèl·lula i entrar al vacúol. Al llarg de la nit es va acumulant l’àcid màlic al vacúol (dona el sabor àcid a les fulles). La conductància estomàtica és màxima perquè l’estoma està obert. De dia: l’estoma es tanca i no hi ha assimilació de carboni extern però així tampoc es perd d’aigua. - Mecanisme de defensa davant de la deshidratació en un medi tan càlid. - Amb la llum s’activa la rubisco (que només actua com a carboxilasa) i fixa el carboni provinent de la degradació del malat que s’havia acumulat durant la nit al vacúol. - El CO2 va al cicle de Calvin i el piruvat s’acumula en forma de midó. - Per tant, es fixa molt CO2 ja que hi ha grans quantitats de malat acumulada al voltant de la rubisco. - És un mecanisme per evitar la fotorespiració. Àcid contenc: àcid màlic = malat - Les pinyes es cullen a la tarda perquè així són menys àcides (no tenen tant àcid màlic) a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Para ti este portátil es genial. Para tu padre... está en oferta ¡Clic aquí! Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Fisiologia vegetal Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas Presenten 4 fases: Fase de nit= quan baixa la Tº i augmenta la humitat, I. estomes oberts (màxima conductància estomàtica). Es va acumulant malat al vacúol per l’acció de la PEPc que fixa el carboni. Fase de sortida del sol (1-2h)= estomes oberts van II. tancant-se. Com entra la llum, la rubisco comença a activar-se i fixa el malat (no s’acumula). Actuen com les plantes C3 temporalment. Moment de creixement de la planta. Fase de dia= estomes tancats, fase CAM pura sense III. assimilació de C. El malat es descarboxila i el CO2 alliberat és captat per la rubisco (fixació). Fase de posta del sol (1-2h)= estomes comencen a obrir-se. No acumulen malalt perquè la rubisco IV. segueix actuant. Actuen com plantes C3. Característiques principals ● Metabolisme de supervivència a zones desèrtiques amb molt estrèsà poca disponibilitat hídrica i molta fotosíntesis. ● Major eficiència de l’ús de l’aigua (WUE) ja que durant el dia no poden perdre H2O pels estomes tancats. ● Molt abundants: el 10% de les espècies totals són CAM, però tenen poca importància econòmica. Excepció: pinyes (són CAM però no suculentes) i agave. ● 22 famílies de plantes de tots els tipus. La majoria de cactus (família Cactaceae), Aloe Vera i orquídies: Opuntia ficus-indica, Echinocactus sp., Sedum sp., Agave deserti… ● La majoria de CAM són suculentes però no totes les suculentes són CAMà La majoria d’halòfites (toleren altes salinitats) són suculentes però no CAM. ● Existeixen variacions de les plantes CAM: ○ Algunes reverteixen a C3 al final del dia quan els àcids acumulats s’han acabat (Fase IV) i quan disposen de suficient aigua. ○ Algunes es converteixen en C3 (creixement) quan se les subministra suficient quantitat d’aigua (els cactus no s’han de regar) ● Peperomia camtotricha té 2 metabolismes: C3 en plàntules i CAM en plantes adultes. ● Degut a males condicions de sequera o salinitat, algunes plantes suculentes poden induir el metabolisme CAM facultatiu (molt freqüent)à provoca acumulació de PEPc, canvis en la carboxilació-descarboxilació, transport de malat dins i fora dels vacúols i canvis en la periodicitat dels moviments estomàtics. Regulació del metabolisme La PEP carboxilasa es pot fosforilar de 2 formes intercombertibles: ● Fosforilada= activa. És insensible al malat (de dia). ● Desfosforilada= inactiva. És inhibida pel malat (de nit). a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Para ti este portátil es genial. Para tu padre... está en oferta ¡Clic aquí! Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Els cactus no tenen tan diferenciades les fases de dia i de nit. Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas ● ● ● ● ● ● (3*) Les plantes C3 es saturen en algun punt de la fotosíntesis mentre que C4 no; quanta més llum arriba, més fotosíntesis fan. (4*) El punt de compensació de CO2 mesura la fotosíntesis en funció de la concentració de carboni intern (quan CO2 emés per respiració = CO2 captat per la fotosíntesis). En les C3 és alt ja que quant més carboni extern hi hagi més fotosíntesis es farà fins saturar-se. En canvi, en les plantes que fan menys fotorespiració és molt baix o nul. (5*) Les C4 i CAM tenen mecanismes de concentració de CO2 al voltant de la rubisco que fan que perdin la capacitat de fotorespiració. (7 i 8*) Les C4 fan el doble de fotosíntesis que les C3 i per tant creixen més. Les CAM fan molt poca fotosíntesis perquè el seu objectiu és sobreviure, no créixer. (9*) Paràmetre invers al WUE. Les C3 obren molt els estomes i consumeixen molta aigua per assimilar una molècula de carboni; però les C4 ho fan encara més. Les CAM són les més eficients a nivell hídric ja que no es poden permetre perdre aigua perquè viuen en climes desèrtics; per això tenen baix rendiment. (11*) ○ -28 % → Com més negatiu, és C3 ○ -14 % → menys discriminació (perquè la primera que actua és la PEPc), més C12 i menys C13 ○ Les plantes CAM tenen percentatges de composició isotòpica de C que varien segons si fan més activitat C3 o C4. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Para ti este portátil es genial. Para tu padre... está en oferta ¡Clic aquí! Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. 7. COMPARACIÓ DE METABOLISMES Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas Utilització dels isòtops de carboni per diferenciar el tipus de plantes A l’aire hi ha 2 isòtops estables de carboni: 13CO2 (té 7 neutrons) i el 12CO2 (té 6 neutrons) que és el més abundant en l’aire (99%) perquè és més lleuger i el que els enzims prefereixen de manera natural (és menys pesat). a. La discriminació isotòpica del C en les plantes C3 Es basa en que la rubisco és capaç de diferenciar els dos isòtops i discrimina el 13CO2 ja que és més pesat (té un neutró més) i per això li costa més difondre a l’estoma i unir-se a la subunitat de l’enzim. El 12CO2 és 4,4 per mil vegades més ràpid en l’entrada a l’estoma i fa una carboxilació 29 per mil vegades millor perquè encaixa perfectament amb la rubisco. Les fulles de les plantes C3 tenen més quantitat de 12CO2. La composició isotòpica (δ) es mesura amb la maquina EA-IRMS que és un espectre de masses i està connectat a un analitzador elemental. S’asseca la fulla, es pesa (1 mg) i es mesura la quantitat d’isòtops 13CO2 per tal de deduir quin metabolisme fa la planta. Dona un valor molt negatiu perquè l’estandard Rs esta molt enriquit en 13C. δ 3 C_MOTC C3 =-28‰ (com més negatiu, menys C 13), la Rubisco discrimina molt i prefereix el 12C La matèria orgànica total de les fulles C3 estan empobrides en 13C R= 13C / 12C δ13C(‰) = ([(Rm/Rs] - 1) 1000 δ13C(‰) = ([(13C/12C)m/ (13C/12C)s] - 1) 1000 b. La discriminació isotòpica del C en les plantes C4 Tenen major quantitat de 13C (el valor és menys negatiu). Es deu a que tenen una bomba de concentració de CO2 per fer-lo entrar des de l’exterior. Llavors el primer enzim que agafa el CO2 atmosfèric és a PEPc i, per tant, la rubisco està més endins i no pot discriminar. Les fulles de les plantes C4 tenen més quantitat de 13CO2. ● Plantes C3 valors molt negatius perquè tenen menys 13C ● Plantes CAM valors entremig perquè tenen una mica més 13C ● Plantes C4 valors menys negatius perquè tenen més 13C Grafic Opuntia ficus-indica Quantitat de CO2 que hi ha dins del cactus, al llarg del dia. Depenent de la fase del metabolisme CAM hi ha més o menys ppm de CO2: pic màxim a la fase III (de dia) degut a la bomba de concentració → a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Daniela Ruiz i Rut Mas Experiments de fotosíntesis artificial= (en una C3) ● S’introdueixen mecanismes de concentració de CO2 al cloroplast imitant al natural per evitar la fotorespiració en plantes C3. ● Implica edició genètica (plantes transgèniques) per sobreexpressar les halorhodopsines = proteïnes transportadores de clor cap a l’interior del cloroplast. Necessiten la radiació de llum per funcionar ● Després es sobreexpressa l’enzim AE1 (intercanviador d’anions dels eritròcits humans), intercanvia una molècula de clor (tòxic) per una de HCO3-. ● Finalment es sobreexpressa l’anhidrasa carbònica (CA) perquè transformi el bicarbonat (HCO3-.) en CO2. Augmenta la pressió parcial de CO2 i desplaça l’O2. Resultat: No funciona perquè encara que la bomba d’entrada de CO2 funciona, no tenim una anatomia Kranz (cèl·lules de la beina gruixudes) que eviti la difusió de CO2 (estomes s’obren). Què fer perquè el CO2 no s’escapi? - Fer la membrana més impermeable, de manera que el CO2 no surtirà. Ho farem augmentant el nivell de cel·lulosa fora. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Para ti este portátil es genial. Para tu padre... está en oferta ¡Clic aquí! Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Fisiologia vegetal Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas Tema 4.b. Fotorespiració 1. LA FOTORESPIRACIÓ L’enzim actua com a oxidasa un 40% de les vegades aproximadament, perquè agafa O2, en comptes de CO2, i uneix el O2 a la ribulosa 1,5-bisfosfat formant: (Per cada 3 vegades que agafa CO2, agafa oxigen. ● ● Un glicerat-3P (3C) que entrarà al cicle de Calvin Un fosfoglicolat (2C) que és el 1r compost de la fotorespiració. No es pot reciclar i s’acumula en els cloroplasts. Per recuperar aquests 2C, es fa el cicle glicolat (cicle de 2C). *Quan la rubisco actua com a carboxilasa, agafa CO2 i genera 2 glicerats-3P que van directament al cicle de Calvin (fotosíntesis). En la fotorespiració hi ha una entrada neta d’oxigen al cloroplast i al peroxisoma. - Hi ha entrada neta de 2 molècules d’O2 (cloroplast i peroxisoma) i una de CO2 (mitocondri). - Encara que intervé en el metabolisme del nitrogen, en l’assimilació de sofre... es considera un problema important perquè dificulta el creixement de la planta: al no captar CO2, només es fa la meitat de la fotosíntesis. Predomina en plantes C3. La fotorespiració es dona en 3 orgànuls en contacte: cloroplast, peroxisoma i mitocondri. Les molècules van viatjant a través dels 3, però comença i acaba al cloroplast. CLOROPLAST 1) Comença quan la rubisco agafa oxigen i li uneix a la ribulosa1-5bifosfat (5C), obtenint el 3-fosfoglicerat (3C) que entra al cicle de calvin normal, i 2-fosfoglicolat (2C). 2) La fosfoglicolat fosfatasa recupera el fòsfor inorgànic del 2-fosfoglicolat (2C i 1P) i el converteix en glicolat (2C). a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Para ti este portátil es genial. Para tu padre... está en oferta ¡Clic aquí! Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. La fotorespiració és una respiració a la llum (només té lloc de dia). Implica l’oxigenació de la rubisco. Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas MITOCONDRI 5) La glicina (aminoàcid de 2C i 1N) entra al mitocondri. Allà actua la glicina descarboxilasa que és un enzim molt gran. Quan arriben 2 glicines (4C) , aquest enzim sintetitza 1 serina (3C). 6) Per aquesta descarboxilació, s’allibera CO2 al mitocondri. El grup amoni del mitocondri és agafat per la glutamina sintetasa II que està en el cloroplast i viatja cap al cloroplast (punt d’unió amb el cicle del nitrogen). PEROXISOMA 7) La serina torna a passar al peroxisoma, dona el N al glutamat i es converteix en hidroxipiruvat gràcies a l’hidroxipiruvat reductasa. 8) La reducció de l’hidroxipiruvat dona un glicerat que sortirà cap al cloroplast. CLOROPLAST 9) La glicerat quinasa transforma el glicerat en 3-fosfoglicerat perquè torni a iniciar-se al cicle amb la ribosa 1,5-bisfosfat. Perquè es completi tot el cicle de la fotorespiració, calen 2 molècules de cada: 2 glicolats (2x2C) → 2 glicines (peroxisoma) → 1 serina (mitocondri) + 1 CO2 → 1 glicerat (peroxisoma) → 1 3P-glicerat (cloroplast) El flux de carboni a les fulles ve determinat pel balanç entre 2 cicles contraris: ● El cicle de Calvin (C3) és reductor i fixa el carboni. És independent perquè va funcionant al llarg del dia sempre i quan els estomes estiguin oberts (amb aigua i llum). ● El cicle de la fotorespiració (C2) és oxidatiu de la rubisco. Depèn de que el cicle de Calvin li aporti la ribulosa-1,5-difosfat. Per tant, tots dos cicles competeixen per la molècula ribulosa-1,5-difosfat. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Para ti este portátil es genial. Para tu padre... está en oferta ¡Clic aquí! Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. PEROXISOMA 3) El glicolat entra al peroxisoma i la glicolat oxidasa li uneix un oxigen convertint-lo en glioxilat. Al entrar una altra molècula d’oxigen, es produeix H2O2 que és un ROS i serà neutralitzat per una catalasa: el trenca per convertir-lo en aigua. 4) L’aminotransferasa glutamat transfereix un nitrogen del glutamat al glioxilat es converteix en l’AA glicina (2C i 1N). Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas 2. MECANISMES DE CONCENTRACIÓ DE CO2 PER REDUIR LA FOTORESPIRACIÓ La fotorespiració intervé en el metabolisme del nitrogen i en l’acidulació del sofre. Les plantes han evolucionat amb diferents mecanismes per reduir la fotorespiració: ● Metabolisme C4: La Rubisco en el cicle de calvin es troba amb molt CO2. Mecanisme natural de concentració de carboni per evitar l’entrada d’O2 i es dongui la fotorespiració. ● Metabolisme CAM: el CO2 entra de nit quan els estomes s’obren. Hi arriba a haver fins a 10.000-12.000 ppm. La rubisco només fa carboxilació. 3. CONSIDERACIONS FISIOLÒGIQUES I ECOLÒGIQUES DE LA FOTOSÍNTESIS Resposta fotosintètica a la llum de les fulles C3 A= assimilació de carboni per la fotosíntesis Corba que indica com varia la fotosíntesis en funció de la radiació lumínica en plantes C3. La relació entre les dues variables és lineal, ja que com més llum hi ha, més fotosíntesis es produeix fins que arriba un punt en que deixa de créixer. 1) Quan la llum és 0 a la nit, els aparells de fotosíntesis donen valors negatius perquè calculen la taxa respiratòria mitocondrial. Les plantes tenen respiració mitocondrial 24h, però la respiració durant la nit es major que durant el dia. 2) Quan comença a haver-hi llum, s’arriba al punt de compensació lumínic (0) en que hi ha la mateixa quantitat de respiració que de fotosíntesis. 3) Quan hi ha més llum, augmenta la pendent que és el rendiment quàntic. És un valor que indica quanta llum s’està utilitzant per transportar electrons i fixar CO2. 4) Arriba un punt en que per més llum que hi hagi, la fotosíntesis no segueix augmentant. Fotosíntesis a saturació (Asat) perquè la llum deixa de ser el factor limitant i comença a ser-ho la carboxilació del CO2. ● Rendiment quàntic = A / llum → 10 / 500 Resposta fotosintètica a la llum en plantes de Sol i ombra Una planta d’ombra és aquella que ha crescut en un ambient amb poca llum. En comparació amb les plantes de sol ● Tenen una fotosíntesis de saturació molt inferior ja que no fan tanta fotosíntesis. ● El rendiment quàntic és força similar; no varia d’una planta a l’altra. ● El punt de compensació lumínic és inferior (més proper a 0). Conclusió: - La planta de sol fa molta fotosíntesis (fabriquen molts sucres) i per tant fan més respiració. - Les d’ombra fan menys fotosíntesis i com tenen menys sucres, fan menys respiració. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas 4. FOTOINHIBICIÓ A) Dinàmica → és reversible. Passa quan hi ha un excés moderat de llum. La màxima fotosíntesis no varia però la pendent si. El rendiment quàntic del CO2 és inferior. L’excés d’energia lumínica que no s’aprofita, es dissipa en forma de calor gràcies a la intervenció de les xantofil·les fent que la fulla s’escalfi. B) Crònica → és irreversible. L’energia provinent de l’excés de llum no pot ser dissipada i danya el fotosistema II. La proteïna D1 és molt fotosensible i queda malparada. El dany en el PSII es mesura amb Fv/Fm. Participen 3 tipus de xantofil·les que són uns carotenoides que s’intercanvien a mesura que augmenta la llum. La violaxantina es converteix en anteraxantina i aquesta en zeaxantina per tal de poder dissipar l’excés d’energia i protegir l’aparell fotosintètic. Quan torna a fer-se fosc, les transformacions es donen en la direcció contraria (zea antera viol). [!] zea requereix ascorbat i viol requereix NADPH Diferents nivells de protecció contra la fotoinhibició: En augmentar la llum, l’excés de fotons pot generar ROS que són tòxics i han de ser neutralitzats. Si encara segueix incrementant la radiació, la proteïna d1 fotolàbil (PSII) es veu perjudicada però és reparada per acció enzimàtica. Finalment si la llum segueix augmentant i es veu superat el mecanisme de reparació, llavors si que es donarà fotoinhibició. La zeazantina és un fotoreceptor que fa funcions diferents segons si es troba a: a) Cèl·lules del mesòfil= dissipen l’excés d’energia en forma de calor b) Cèl·lules de guarda= fotoreceptor que capta la llum blava i causa l’obertura estomàtica. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Para ti este portátil es genial. Para tu padre... está en oferta ¡Clic aquí! Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. És la disminució de la fotosíntesis per excés de llum. Hi ha 2 tipus de fotoinhibició: Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas 5. DIFERENCIA ENTRE PLANTES C3 I C4 A les plantes C3 la corba va augmentant linealment fins la fotosíntesis de saturació. A les plantes C4 la corba va augmentant en funció de la llum i no arriba a saturar-se (fotosíntesis de saturació molt més alta). Fan més fotosíntesis = fabriquen més sucres = fan més respiració. El rendiment quàntic és menor i el punt de compensació lumínica major. (discontinua) Resposta de la fotosíntesis al CO2 intern de la fulla amb llum saturant (C3) A mesura que augmenta el CO2 intern (hi ha més a l’exterior i entra), incrementa la fotosíntesis de manera lineal fins que arriba el punt de saturació. ● Si no h ha CO2 voldrà dir que l’estoma està tancat. ● El punt de compensació de CO2 correspon a quan el fluxímetre és 0. És el moment en que la respiració igual a la fotosíntesis (CO2 respirat = CO2 assimilat). ● Vc max és la pendent; la màxima velocitat de carboxilació de la rubisco in vivo. ● El punt d'inflexió permet saber la limitació estomàtica; és l inversa de la conductància estomàtica. Es mesura sabent la fotosíntesis A0 – Asat / A0 ● A l’anar augmentant el CO2, arriba un moment que la fotosíntesis es satura, perquè la regeneració de la ribulosa-5-bifusfat és molt lenta (RuBP saturada o limitant) ● ● ● Jmax= màximt ransport electrònic que contribueix a la regeneració de RuBP: ○ NADPH + ATP ↓ ○ altres enzims Calvin ↓ Limitació estomàtica és la inversa de la conductància estomàtica → l = A0 -Asat/ A0 Vc, max= velocitat de carboxilació Rubisco in vivo- Punt de compensació → quan el flux net CO2 = 0 Resposta de la fotosíntesis al CO2 intern de la fulla en plantes C3 i C4 El punt de saturació de la corba correspon a l’esgotament de la ribulosa-bifosfat (limitant). S’arriba quan la regeneració de la RuBP per part de la rubisco és més lenta que l’entrada de CO2. ● C3: Es saturen gradualment. El punt de compensació de CO2 amb més ci. ● C4: Es saturen ràpidament i després es mantenen sense canvis. El punt de compensació de CO2 és gairebé 0 degut a que no tenen fotorespiració; el CO2 que entra, es fixa ràpidament. A més, necessiten menys rubisco = fabriquen menys AA = tenen menys nitrogen (major eficiència en l’aprofitament del N) i elevada WUE. **EXÂMEN: El canvi climàtic afectarà més a les plantes C3 o C4 Aquest tipus de corbes són importants perquè serveixen per predir com el canvi climàtic afectarà a la fotosíntesis. En els pròxims anys augmentarà el CO2 extern, fent augmentar el CI i, per tant, la fotosíntesis. - Les C4 és independent, no aprofitaran l’augment de carboni perquè ja estaran saturades. - Les C3 es veuran més afectades ja que aprofitaran una mica més el CO2 extern → en treuran més avantatge perquè faran més fotosíntesis. 6. EFECTE DE LA TEMPERATURA SOBRE LA FOTOSÍNTESIS El rendiment quàntic (fCO2) no varia per una planta C4; és constant perquè no tenen fotorespiració → són més eficients a altes Tº (>28ºC) per això predominen a llocs tropicals. ➔ En les C3 el rendiment quàntic disminueix quan incrementa la temperatura són més eficients en la fotosíntesis a baixes Tº (>28ºC) per això predominen a llocs freds, nòrdics. ➔ A 28ºC es creuen les dues rectes., afavoreix a les C4, és per això que viuen en llocs tropicals on són més eficients. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Para ti este portátil es genial. Para tu padre... está en oferta ¡Clic aquí! Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. ● ● Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas 7. MESURA DE LA DISSIPACIÓ DE L’EXCÉS D’ENERGIA PER LES FULLES Canvis en la fluorescència clorofíl·lica modulada d’una fulla adaptada a la foscor i exposada a llum actínica (AL) i a pulsos saturants de llum (SP). ● Màxima eficiència quàntica PSII → Fv/Fm= Fm-F0 / Fm = 0,54 a la foscor ● Eficiència quàntica relativa de PSII → fPSII= Fv’/Fm’x qP = Fm’-FS’ / Fm’ és igual a Fv/Fm però a la llum. ● Eficiecia de l’energia capturada per PSII → Fv’/Fm’= Fm’-F0’ / Fm’ ● Quencing fotoquimic o nº de PSII oxidats → qP= Fm’-FS’ / Fm’-F0’ ● Quenching no fotoquímic es mesura per NPQ=(Fm/Fm’)-1 i és la quantitat d’energia que es dissipa en forma de calor (implicat amb les xantofil·les). Aquesta fluorescència modulada es representa amb la corba de Kautsky. Es veu que quan la planta s’irradia amb llum, les quinones es redueixen perquè comença el transport d’electrons. Hi ha una relació lineal entre el rendiment quàntic del transport d’e- en el PSII i el rendiment quàntic de l’assimilació de CO2 (=rendiment fotosíntesis). Els electrons que passen pel PSII van a fabricar ATP i NADPH pel cicle de Calvin à fPSII / fCO2= 20 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Para ti este portátil es genial. Para tu padre... está en oferta ¡Clic aquí! Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. 1r es col·loca la fulla a la foscor i es mesura la fluorescència basal (F0). Després s’aplica un punt de llum saturant per mesurar la fluorescència màxima (Fm). Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas Tema 5: La respiració mitocondrial És la gran sortida de carboni. La respiració és el contrari de la fotosíntesis= entrada massiva de C que es fixa formant les reserves de la fulla, i desprèn O2. La respiració consumeix oxigen que entra al mitocondri. [!] El C que entra és igual que el que surt, però l’oxigen que entra és diferent del que surt. Representa un 50% del carboni fixat per la fotosíntesisà unes 60 gigatones de CO2 són respirades cada any pel mitocondri. La fotorespiració deixa anar unes 20 gigatones de CO2 a l’atmosfera. La resta del C passa a les plantes. Les reserves de les fulles poden ser utilitzades immediatament per la respiració. En una planta control, aproximadament el 50% del C de la fotosíntesis és respirat directament. De l’altre 50%à el 20% es queda a la fulla, sobretot al vacúol, i el 30% és exportat pel floema cap a l’arrel. Les plantes que fan molta fotosíntesis, tindran molts sucres i faran molta respiració. 1. 4 ETAPES DE LA RESPIRACIÓ: AL CITOSOL 1) Glicòlisi: ➔ Trencament de molècules de glucosa (6C) en 2 àcids orgànics (3C) que solen ser piruvat (sobretot) o malat. ➔ Produeix trioses fosfat. Catalitzat per enzims solubles del citosol. De dia s’aprofita la glucosa de la fotosíntesis (C extern) i de nit es fa a partir del midó que s’ha anat acumulant (C intern). ➔ Aquesta oxidació total de la glucosa produeix poder reductor, ATP i 6CO2. Representa el 90% de l’oxidació dels sucres. ➔ Fa 1 ATP i NADH *Si no hi ha oxigen es donarà la fermentació. 2) Via de les pentoses fosfat ➔ Oxidació parcial de la glucosa-6P (6C) dona una ribulosa-5P (5C), un CO2 i 2 NADPH. ➔ Es dóna tant al citosol com al cloroplast (més important) ja que els enzims es troben als dos llocs. Important a la respiració de les arrels i per la generació d’una sèrie d’intermediaris de la glicòlisi. A LA MATRIU MITOCONDRIAL 3) Cicle de Krebs (cicle de l’àcid cítric) → l’acetil CoA s’uneix amb oxalacetat i forma citrat (6C). Acaba amb l’oxidació total del piruvat donant 2CO2 i molt poder reductor 16 NADH i 4 FADH2 per cada sacarosa. Aquests formen ATP (GTP en animals). Les plantes tenen l’enzim màlic exclusiu que passa directament el malat a piruvat. 4) Transport electrònic i fosforilació oxidativa → oxidació del NADH i FADH2 del cicle de Krebs per poder fer el transport d’electrons a través de les proteïnes de la membrana interna fins al O2. Produeix moltíssim ATP per l’acció de l’ATP sintasa. La succinat DH està a les plantes C3 i C4 i participa tant en el cicle de Krebs com en el transport d’electrons. La succinil CoA sintetasa produeix ATP. Les etapes 1 i 2 són importants per obtenir intermediaris d’altres reaccions metabòliques mentre que la 3 i 4 ho són per la obtenció d’ATP al mitocondri i al cloroplast. L’ATP i poder reductor generats al cloroplast són utilitzats del propi cloroplast (cicle de Calvin). a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas 2. ESTEQUIOMETRIA GLOBAL DE LA RESPIRACIÓ Oxidació de NADH produeix ATP: 60ADP + 60Pi → 60 ATP + 60 H20 (Per cada molècula de Co2 es poden arribar a porduir fins 60 molecules d’ATP). L’ATP es sintetitza al cloroplast (s’aprofita només dins de l’orgànul) i al mitocondri (pot sortir per aportar energia a altres reaccions). Si marquem amb 13C els carbonis 3 i 4 de la glucosa, veiem que després de la glucòlisis, el piruvat obtingut només té un dels dos C marcats perquè passa de 6C a 2 molècules de 3C. La piruvat-DH trenca el piruvat i els dos primers C que surten en forma de CO2 són el C3 i el C4 de la glucosa. ● La resta de carbonis (1, 2, 5 i 6) formen l’acetil-CoA que pot anar a la síntesis de lípids. (liposintesí) ● Els lípids quan es degraden per la beta-oxidació també obtenen acetil-CoA que entrarà al cicle de Krebs. Els 2 CO2 alliberats al cicle de Krebs són primer el C2 i el C5 i després els C1 i C6. A partir del cicle de Krebs es sintetitzen AA que formaran proteïnes→ quan s’assimila N, s’ha d’incorporar en forma de NH2 a estructures carbonades en el cicle de Krebs. El 1r AA que es forma és el glutamat (a NH2 s’uneix al C2), i sinó la glutamina (a NH2 s’uneix al últim C). ➔ El cicle de Krebs és el punt on es troben el metabolisme del carboni amb el metabolisme del nitrogen. Si l’α-cetoglutarat si s’utilitza per assimilar N i formar AA, no podrà ciclar en el cicle de Krebs. Per tat, La respiració, cicle de Krebs i la assimilació de nitrogen competeixen per el alfa-cetoglutarat. El nitrogen també pot incorprar-se a l’oxalacetat. Per tant, la glucosa pot seguir 2 vies: a) Glucòlisis: la glucosa es divideix en 2 piruvats (C1, 2 i 3) + (C4, 5 i 6). La PDH fa entrar el piruvat al mitocondri i allibera 2 CO2 (C3 i C4) formant l’acetil CoA que pot passar a sintetitzar àcids grassos. ● De dia la glucòlisi està alimentada per la sacarosa ● Durant la nit, quan no hi ha fotosíntesi, la glucòlisi està alimentada pel midó. b) O entrar al cicle de Krebs: citrat → isocitrat → α-cetoglutarat → succinat → fumarat → malat → oxalacetat→ citrat. Surten 2 CO2 en el pas d’isocitrat a α-KG. (es va produint poder reductor que s’oxida a la membrana) L’enzim màlic converteix el malat en piruvat (exclusiu de plantes) a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 si lees esto me debes un besito Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Per cada molècula de sacarosa: C12H22O11 + 13H2O → 12 CO2 + 48 H+ + 48e- 12 O2 + 48H+ + 48e- → 24 H2O Reacció neta: C12H22O11 + 12 O2 → 12 CO2 + 11 H2O Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas El cicle de Krebs obté l’acetil-CoA necessari tant per la glucòlisis com per la beta-oxidació de lípids. *En anaerobiosi (sense O2), no hi ha respiració sinó que es produeix fermentació alcohólica= el piruvat es converteix en bioetanol. *Succinil CoA sintasa produeix GTP a les plantes c) Via de les pentoses fosfat: la glucosa-6P perd el C1 en forma de CO2. Queda una pentosa que és la ribulosa-5P que pot convertir-se en ribosa-5P o xilosa-5P. Aquesta via és important perquè: ● ● ● ● ● Produeix NADPH necessari per moltes reaccions del citosol NADPH-DH (mmi) oxida NADPH per formar ATP Ribulose-5-P és un precursor de la ribosa (RNA) i la desoxiribosa (DNA). L’eritrosa-4P és un precursor de la via àcid xiquímic (via molt important en la via de fenols i alcaloides del metabolisme II) Es creu que fabrica els 1rs intermediaris del cicle de Calvin → molt important en teixits fotosintètics en desenvolupament ja que permet la fotosíntesis. *Es pot trobar a les fulles i també a les arrels Estequiometria: Com G6P pot ser regenerada a partir de G3P y F6P: 6 glu-6-P + 12 NADP+ + 7 H20 → 5 glu-6-P + 6 CO2 + Pi + 12 NADPH +12H+ 3. CADENA DE TRANSPORT ELECTRÒNIC Tenen els mateixos complexos mitocondrials que altres organismes: NADH-DH → Oxida el NAD+ a NADH, transferint els electrons a la pool ubiquinona= comença la cadena de transport electrònic. Per cada e-, bombeja 4H+ cap a l’espai intermembranal. Succinat-DH → oxida el succinat a fumarat per captar els seus electrons. És el mateix enzim del cicle de II. Krebs. No bombeja protons. Citocrom bc1 → oxida el pool d’ubiquinones i transfereix e- al centre Fe-Sà 2 cit b. També bombeja 4H+. III. Citocrom c petita proteïna transportadora d’e-. És independent i es troba a la part exterior de la membrana. Citocrom c oxidasa → cedeix 4 e- a l’O2 per formar 2H2O. Bombeja 2 H+. IV. ATPasa → complex de síntesi d’ATP. Aprofita el gradient electroquímic per fer entrar els protons cap a la V. matriu i fabricar ATP potencialment utilitzable. [!] En les plantes es produeix ATP en el mitocondri i en el cloroplasts. *Ubiquinona= lípid petit i mòbil de la mmi que transporta e- a través de la membrana. I. A les cèl·lules vegetals hi ha algunes proteïnes exclusives que no bombegen protons: ● ● ● 2 NAD(P)H deshidrogenases de la membrana interna → quan el complex I està saturat rebent quantitats enormes de poder reductor, actuen ajudant a oxidar NAD(P)H del citosol per passar els electrons a la ubiquinona. Són insensibles a la rotenona. De moment s’han descobert 2 però poden haver-hi més. 2 NAD(P)H deshidrogenases a l’interior de la matriu → també ajuden al complex I saturat ja que oxiden els NADH produïts al cicle de Krebs i els NADPH produïts al citosol. També són insensibles a la rotenona. Oxidasa alternativa (AOX) → és una oxidoreductasa de la membrana externa. Ajuda a la ubiquinona quan està molt reduïda (ubiquinol) i li treu electrons= l’oxida perquè pugui rebre més electrons. Cedeix els e- a l’oxigen per formar aigua directament, sense passar pels complexos III i IV. Evita la superreducció del pool d’ubiquinones. És resistent a la inhibició per cianur i CO. (tenen 2 oxidases) a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Para ti este portátil es genial. Para tu padre... está en oferta ¡Clic aquí! Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Via anapleròtica que complementa la via principal= la PEPc va agafant CO2 extern i l’incorpora com a oxalacetat. Sobretot en plantes C4 i CAM. Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas Els electrons passen per les dues vies. - També depenent les necessitats, si s’ha de fer més producció d’ATP o menys anirà per una via o una altre. 4. REGULACIÓ DE LA RESPIRACIÓ MITOCONDRIAL Els principals donadors d’electrons són el NADH i el succinat. Són activadors de la cadena transportadora i inicien el consum d’oxigen. Els principals acceptors d’electrons són AOX i complex IV (citocrom c oxidasa). La membrana externa és molt porosa i per això no és reguladora. La interna en canvi és molt impermeable. - Al mitocondri hi ha molts transportadors, la majoria es troben en la membrana interna i la majoria transporten ADP-ATP. - Expulsen l’ATP generat a l’interior de la matriu per poder ser aprofitat fora del mitocondri, i fa entrar un ADP per regenerar el substrat necessari per l’ATPasa. Inhibidors específics de cada complex ● Rotenona → Complex I ● Antimicina i mixotiazol → Complex III ● ● Cianur i monòxid de carboni → Complex IV Sham → AOX Els inhibidors dels complexos III i IV van permetre descobrir els complexes exclusius de mitocondris vegetals ja que permetien que no s’aturés la cadena electrònica: ● En presencia de rotenona (s’inhibeix I) els e- passen per les NAD(P)H-DH. ● En presència de cianur (s’inhibeix IV) però la cadena pot continuar perquè els electrons passen a la AOX= la respiració només disminueix. ● En presencia de cianur i Sham (s’inhibeix IV i l’AOX) s’atura la cadena i la planta no pot fer respiració. ROS, quan hi ha molt d’oxigen, els electrons poden saltar l’oxigen i generar l’ió superòxid que és perjudicial pel mitocondri, és molt oxidant. Sempre que hi ha transport d’e- per la cadena respiratòria, es produeixen ROS. Sobretot en els complexos I i III es formen superòxids (O-) i són neutralitzats per l’enzim SOD. REGULACIÓ DEL PRODUCTE FINAL Quan hi ha molt ADP-PI s’estimula la cadena de transport d’e-; mentre que si la planta té massa ATP, s’inhibeix el transport electrònic provocant que s’acumuli NAD(P)Hà no es doni el cicle de Krebs → no es doni la glucòlisis. Per tant, el producte final ATP és el que regula tota la via. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8888263 Para ti este portátil es genial. Para tu padre... está en oferta ¡Clic aquí! Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Les vies normal i alternativa funcionen simultàniament, no necessàriament quan hi ha estrès; encara que en condicions normals el 80% dels electrons viatgen per la via normal citocròmica (passant pels complexes III i IV). Fisiologia vegetal Daniela Ruiz i Rut Mas Altres productes finals que regulen la via segons els seus nivells: ● L’excés de NADH (resultant del cicle de Krebs) inhibeix 3 enzims del cicle perquè s’aturi. ● El malat pot actuar a nivell de piruvat ● L’excés de citrat (inici cicle de Krebs) atura la glicòlisis perquè inhibeix la piruvat quinasa. ● L’excés de PEP atura la glucòlisis també inhibint F6P

Plant Physiology: TEMAS-4-5-6-FISIO-VEG PDF

Document Details

Tags

Related

Summary

Full Transcript

Upgrade to continue