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Fissazione del carbonio

6CO2 + 11H2O + 12NADPH + 18ATP →→ C6H11O6PO3

- + 18ADP + 17Pi + 12NADP++ 6H+

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B11-II - Versione 4.2 – 02/04/2019

B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 2 -

1

2

2


• Piante C3– Le piante C3 sono attive di giorno. Di notte chiudono gli stomi e diventano

consumatrici di ossigeno. • Le piante C3 fissano la CO2 efficientemente solo a temperature moderate (20°C)

poiché, essendo gli stomi aperti di giorno, una temperatura eccessiva induce un aumento della traspirazione di acqua dalle foglie.

• Piante CAM (Crassulacean Acid Metabolism)– Separazione temporale tra fotofosforilazione e fotosintesi.

– Adattamento a climi aridi.• Consente lo svolgimento della fotosintesi anche con gli stomi chiusi per minimizzare

la perdita di acqua durante il giorno nelle piante CAM, (Crassulaceae, Cactaceae e in alcune specie di altre famiglie: Ananas, Agave, Sedum, ecc.).

• Avviene coinvolgendo compartimenti cellulari diversi (Citoplasma, cloroplasti, mitocondri e vacuoli).

• Piante C4– Separazione fisica tra fotofosforilazione e fotosintesi.

• Specie di piante dei climi caldi con disponibilità idrica (mais, sorgo, canna da zucchero, ecc.).

• Queste piante hanno sviluppato una via alternativa al ciclo di Calvin, organizzata sulla presenza di due tipi di cellule funzionalmente e morfologicamente diverse, le cellule del mesofillo e quelle della guaina del fascio.

• La CO2 viene convogliata tra i vari compartimenti come molecole a quattro atomi di carbonio.

Acqua e temperatura


C3

3

4

3


Fissazione della CO2

• Solo gli organismi fototrofi possono fissare la CO2, gli animali, pur potendo legare la CO2 in molecole più complesse, non sono in grado di accumulare composti organici da CO2.

• Nelle piante e nei batteri fotosintetici la CO2 viene convertita, in prima istanza, in 3-fosfoglicerato.

ENZIMA

H+

CO2

H2O

2H+

Ribulosio 1,5difosfato

2,3-enediolo 3-chetoarabinitolo 3-fosfogliceratogem-diolo

2 22 2

3 33 3

3

2



∆G = -51 kJ∙mol-1

Ribuloso bisfosfato carbossilasi/ossigenasi

H+

CO2H2O

2H+


2,3-enediolo 3-chetoarabinitolo 3-fosfogliceratogem-diolo

2 22 2

3 33 3

3

2

5

6

4


RuBisCO (EC 4.1.1.39)

Catalysis and regulation in RubiscoInger AnderssonJournal of Experimental Botany, Vol. 59, No. 7, pp. 1555–1568, 2008



• Queste reazioni sono catalizzate dall’enzima:

D-ribuloso 1,5-difosfato carbossilasi/ossigenasi

(EC 4.1.1.39), RuBisCO

• Si ritiene che sia l’enzima maggiormente presente sulla terra.

–40% delle proteine solubile delle foglie

• Responsabile della selezione isotopica.

L8S8

3-fosfoglicerato

7

8

5



• Un enzima stromale dal peso molecolare di 550kD (α8β8).

• Due tipi di subunità:

– Subunità grande (LSU), 58 kDa, codificata da rbcL nel cloroplasto, contiene il sito catalitico;

– Subunità piccola (SSU), 14.4 kDa, codificata da rbcS nel nucleo, con funzioni strutturali

• In alcuni batteri fotosintetici e in alghe dinoflagellate l’enzima è formato da una sola subunità (LSU);

• L’attività enzimatica risiede nelle subunità LSU dove si lega il substrato (ribuloso 1,5-bisfosfato). L8S8

3-fosfoglicerato



• Ioni Magnesio (Mg2+) sono necessari per l’attività enzimatica;

• La corretta posizione dello ione Mg2+ nel sito attivo è gestita da una molecola di CO2 che forma un legame carbammato con la Lys 201

• La reazione è favorita dall’aumento di pH nello stroma (Esterno) a causa del trasporto di H+ verso lo spazio tilacoideo (Interno).

α4β4

3-fosfoglicerato

9

10

6



α4β43-fosfoglicerato


Ciclo di Calvin-Benson

The Nobel Prize in Chemistry 1961

11

12

7



Glucosio-6

fosfato

(G6P)

Fruttosio1,6-difosfato

(FBP)Fruttosio6-fosfato

(F6P)

6ATP

6ADP

Ribulosio

1,5difosfato

3-fosfoglicerato

(3PG)

12ATP6CO2

12ADP

1,3-bifosfoglicerato

(BPG)

12NADPH12NADP+

Gliceraldeide-3-fosfato

(G3P)

6 12 12 12

10

2


Fase 3Rigenerazione

Fase 2Riduzione

Fase 1Fissazione della CO2


Glucosio-6fosfato

(G6P)

Fruttosio

1,6-difosfato

(FBP)Fruttosio

6-fosfato

(F6P)

6ATP

6ADP

Ribulosio

1,5

difosfato

3-fosfoglicerato

(3PG)

12ATP6CO2

12ADP

1,3-bifosfoglicerato(BPG)

12NADPH12NADP+


(G3P)

6 12 12 12

10

2

O O–

P

O–O O–

P

O–

OOH

O

H

OO–

O–

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O

OH

O

O

O

O–

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O O–O–

P

O

OO–

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OH

OH

O

O O–O–

P

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O

OO–

O–

P

OH

OH

OH

OH

H

O

O

OH

O

OH

OH

OH

OO–

O–

P

O

O O–O–

P

O

O

OH

OH

OH

OO–

O–

P

O

13

14

8



30C 36C 36C 36C

6C

30C6C

Glucosio-6

fosfato

(G6P)

Fruttosio

1,6-difosfato

(FBP)Fruttosio

6-fosfato

(F6P)

6ATP

6ADP

Ribulosio

1,5

difosfato

3-fosfoglicerato

(3PG)

12ATP6CO2

12ADP


(BPG)

12NADPH12NADP+


(G3P)

6 12 12 12

10

2

O O–

P

O–O O–

P

O–

OOH

O

H

OO–

O–

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O

OH

O

O

O

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O O–O–

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OO–

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OH

O

O O–O–

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OH

OH

OH

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OH

OH

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OO–

O–

P

O

O O–O–

P

O

O

OH

OH

OH

OO–

O–

P

O



Fase 2Riduzione

Fase 3Rigenerazione


Glucosio-6

fosfato

(G6P)

Fruttosio

1,6-difosfato

(FBP)Fruttosio

6-fosfato

(F6P)

6ATP

6ADP

Ribulosio

1,5

difosfato

3-fosfoglicerato

(3PG)

12ATP6CO2

12ADP


(BPG)

12NADPH12NADP+


(G3P)

6 12 12 12

10

2

O O–

P

O–O O–

P

O–

OOH

O

H

OO–

O–

P

O

OH

O

O

O

O–

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O O–O–

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OO–

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OH

OH

O

O O–O–

P

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O

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OH

OH

OH

OH

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OH

O

OH

OH

OH

OO–

O–

P

O

O O–O–

P

O

O

OH

OH

OH

OO–

O–

P

O

15

16

9


Fase 1: Fissazione della CO2

Ribulosio 1,5difosfato(RuBP)

3-fosfoglicerato(3PG)

12ATP6CO2 12ADP


12NADPH

12NADP+

Gliceraldeide-3-fosfato(G3P)

Ribulosio-1,5difosfato

carbossilasi(RuBisCO)

Fosfogliceratochinasi

Gliceraldeide-3fosfato

deidrogenasiasi

6

6

612

12

Ribulosio 1,5difosfato(RuBP)

3-fosfoglicerato(3PG)

12ATP6CO2 12ADP


12NADPH

12NADP+



carbossilasi(RuBisCO)

Fosfogliceratochinasi

Gliceraldeide-3fosfato

deidrogenasiasi

6

6

612

12O

OH

O– O–O

P

O

H

O–O–

O

P

O

OH

O– O–O

P

O

O

O

O–

OH

O– O–O

P

O

O

O–

OH

O– O–O

P

O

O–O–

O

P

OH

OH

O

O– O–O

P

O

O



6C5

6C1

12C3 12C3

12C3

17

18

10



Fase 3Rigenerazione


Fase 2Riduzione

Glucosio-6

fosfato

(G6P)

Fruttosio

1,6-difosfato

(FBP)Fruttosio

6-fosfato

(F6P)

6ATP

6ADP

Ribulosio

1,5

difosfato

3-fosfoglicerato

(3PG)

12ATP6CO2

12ADP


(BPG)

12NADPH12NADP+


(G3P)

6 12 12 12

10

2

O O–

P

O–O O–

P

O–

OOH

O

H

OO–

O–

P

O

OH

O

O

O

O–

OH

O O–O–

P

O

OO–

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P

OH

OH

O

O O–O–

P

O

O

OO–

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P

OH

OH

OH

OH

H

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OH

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OH

OH

OH

OO–

O–

P

O

O O–O–

P

O

O

OH

OH

OH

OO–

O–

P

O


Fase 2: Riduzione

Diidrossiacetonfosfato

AldolasiEC 4.1.2.13

Fruttoso-6-fosfatoFruttoso-1,6-bifosfato

Fruttoso-1,6bifosfatasiEC 3.1.3.11

3-fosfogliceraldeide

Triosofosfatoisomerasi (TIM)

EC 5.3.1.1

Glucosio-6fosfato(G6P)

Glucoso-6-fosfatoisomerasiEC 5.3.1.9

19

20

11


AldolasiEC 4.1.2.13

Fruttoso-6-fosfatoFruttoso-1,6-bifosfato




EC 5.3.1.1

Glucosio-6fosfato(G6P)

Glucoso-6-fosfatoisomerasiEC 5.3.1.9


Fase 2: Riduzione

C3

C3

C3

C6 C6

C6




Fase 3Rigenerazione


Fase 2Riduzione


Fase 2Riduzione

Glucosio-6

fosfato

(G6P)

Fruttosio

1,6-difosfato

(FBP)Fruttosio

6-fosfato

(F6P)

6ATP

6ADP

Ribulosio

1,5

difosfato

3-fosfoglicerato

(3PG)

12ATP6CO2

12ADP


(BPG)

12NADPH12NADP+


(G3P)

6 12 12 12

10

2

O O–

P

O–O O–

P

O–

OOH

O

H

OO–

O–

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O

OH

O

O

O

O–

OH

O O–O–

P

O

OO–

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P

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O O–O–

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OH

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H

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OH

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OH

OH

OH

OO–

O–

P

O

O O–O–

P

O

O

OH

OH

OH

OO–

O–

P

O

21

22

12


Fase 3: RigenerazioneDiidrossiacetonfosfato

AldolasiEC 4.1.2.13

Fruttoso-6-fosfato

Fruttoso-1,6-bifosfato




EC 5.3.1.1

Eritrosio-4-fosfato(E4P)

Xilulosio-5-fosfato(Xu5P)

Transchetolasi EC 2.2.1.1

Sedoeptuloso-1,7-difosfato(SBP)

AldolasiEC 4.1.2.13

Sedoeptuloso-7-fosfato(S7P)

Sedoeptuloso-1,7bisfosfatasi EC 3.1.3.37

Ribosio-5-fosfato(RuP)



Ribulosio-5-fosfato(Ru5P)

3Riboso 5-fosfato isomerasi A

EC 5.3.1.6

Ribuloso-fosfato3-epimerasi EC:5.1.3.1

Ribulosio-1,5-bisfosfato

3

3ATP3ADP

Fosforibulokinasi EC 2.7.1.19


EC 5.3.1.1



AldolasiEC 4.1.2.13

Fruttoso-6-fosfato

Fruttoso-1,6-bifosfato




EC 5.3.1.1

Eritrosio-4-fosfato(E4P)



Sedoeptuloso-1,7-difosfato(SBP)

AldolasiEC 4.1.2.13

Sedoeptuloso-7-fosfato(S7P)

Sedoeptuloso-1,7bisfosfatasi EC 3.1.3.37

Ribosio-5-fosfato(RuP)



Ribulosio-5-fosfato(Ru5P)

3Riboso 5-fosfato isomerasi A

EC 5.3.1.6

Ribuloso-fosfato3-epimerasi EC:5.1.3.1

Ribulosio-1,5-bisfosfato

3

3ATP3ADP

Fosforibulokinasi EC 2.7.1.19


EC 5.3.1.1



Fase 3: Rigenerazione

C3

C3

C3

C3

C3

C3

C3

C6 C6 C5

C4

C7 C7 C5

C53C53C5

23

24

13



Ribulosio-1,5

difosfato

(RuBP)


(G3P)

Diidrossi

acetonfosfato

(DHAP)

Eritrosio-4

fosfato

(E4P)

3HPO4--

Glucosio-6

fosfato

(G6P)

Ribulosio-5

fosfato

(Ru5P)

Fruttosio

1,6-difosfato

(FBP)

Fruttosio

6-fosfato

(F6P)

Sedoeptuloso

1,7-difosfato

(SBP)

2HPO4--

Sedoeptuloso

7-fosfato

(S7P)

Ribosio-5

fosfato

(RuP)

Xilulosio-5

fosfato

(Xu5P)

6ATP 6ADP

O–

PO

O–

O–

PO

O–

O–

PO

O–

O–

PO

O–

O–

PO

O–

O–

PO

O–

O–

PO

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PO

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PO

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PO

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O–

PO

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PO

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PO

O–

O– PO O–

OH

OH

OH

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O

OH

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OH

OH

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O

O

O

H

OH

HO

O

O

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OH

H

O

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O

OH

O

OH

OH

OH

O

OH

O

OH

OH

OH

O

OHO

O

OOH

O

H

OH

OH

O

O

O



12C36C3

3C6

2C4

2C7

2C7

3C6

1C6

4C52C5

6C5

6C5Ribulosio-1,5

difosfato(RuBP)


Diidrossi

acetonfosfato(DHAP)

Eritrosio-4

fosfato(E4P)

3HPO4--

Glucosio-6fosfato

(G6P)

Ribulosio-5

fosfato(Ru5P)


(FBP)

Fruttosio6-fosfato

(F6P)

Sedoeptuloso1,7-difosfato

(SBP)

2HPO4--

Sedoeptuloso

7-fosfato(S7P)

Ribosio-5

fosfato(RuP)

Xilulosio-5

fosfato(Xu5P)

6ATP 6ADP

O–

OP

O–

O–

OO–

P

OH

OH

OH

OH

O

OH

O

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OO–

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OH

OH

OH

OH

O

O

O

O–

OO–

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H

OH

HO

O

O–

OO–

PO

OH

OH

O

OH

O–

OO–

P

O

OH

OH

OH

H

O

O–

OO–

P

O

OH

OH

O

OH

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OO–

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OH

OH

OH

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H

O

O

OH

O

OH

OH

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O–

OO–

PO

OH

O

OH

OH

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O–

OO–

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OHO

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O O–

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OOH

O–

O

O–P

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HO–

OO–

P

OH

OH

O

O–

O

O–PO

O

25

26

14

Ribulosio-1,5

difosfato(RuBP)


Diidrossi

acetonfosfato(DHAP)

Eritrosio-4

fosfato(E4P)

3HPO4--

Glucosio-6fosfato

(G6P)

Ribulosio-5

fosfato(Ru5P)


(FBP)

Fruttosio6-fosfato

(F6P)


(SBP)

2HPO4--

Sedoeptuloso

7-fosfato(S7P)

Ribosio-5

fosfato(RuP)

Xilulosio-5

fosfato(Xu5P)

6ATP 6ADP

O–

OP

O–

O–

OO–

P

OH

OH

OH

OH

O

OH

O

O–

OO–

P

OH

OH

OH

OH

O

O

O

O–

OO–

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H

OH

HO

O

O–

OO–

PO

OH

OH

O

OH

O–

OO–

P

O

OH

OH

OH

H

O

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O

OH

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OH

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O

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OO–

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OH

OH

OH

O–

OO–

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OHO

O–

O O–

PO

OOH

O–

O

O–P

O

HO–

OO–

P

OH

OH

O

O–

O

O–PO

O



12C36C3

3C6

2C4

2C7

2C7

3C6

4C52C5

6C5

6C5

1C6

6C1

Ribulosio-1,5

difosfato(RuBP)


Diidrossi

acetonfosfato(DHAP)

Eritrosio-4

fosfato(E4P)

3HPO4--

Glucosio-6fosfato

(G6P)

Ribulosio-5

fosfato(Ru5P)


(FBP)

Fruttosio6-fosfato

(F6P)


(SBP)

2HPO4--

Sedoeptuloso

7-fosfato(S7P)

Ribosio-5

fosfato(RuP)

Xilulosio-5

fosfato(Xu5P)

6ATP 6ADP

O–

OP

O–

O–

OO–

P

OH

OH

OH

OH

O

OH

O

O–

OO–

P

OH

OH

OH

OH

O

O

O

O–

OO–

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H

OH

HO

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O–

OO–

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OH

OH

O

OH

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OO–

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OH

OH

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OO–

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OO–

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OH

OH

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OH

OH

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OO–

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OH

O

OH

OH

OH

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OO–

PO

OHO

O–

O O–

PO

OOH

O–

O

O–P

O

HO–

OO–

P

OH

OH

O

O–

O

O–PO

O



12C36C3

3C6

2C4

2C7

2C7

3C6

4C52C5

6C5

6C5

6C1

3C6

2C4

1C6

6C5

Glicolisi Amido

Cellulosa

Ribosio

…

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28

15



O

O

OH

OH

O

PO3--

PO3-- H

O

PO3--

OHO

O

PO3--

O OH

O

O

O

OH

OH

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PO3--

PO3--

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O

O

OH

OH

OH

OH

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OH

OH

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O

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O

O

OH

OH

OH

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H

OH

OH

O

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O

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O

O

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H

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O

OH

OH

OH

OH

O

PO3--

O PO3--

O

OH

OH

OH

OH

O

PO3--

OH


(RuBP)



(DHAP)

Eritrosio-4

fosfato(E4P)

3HPO4--

Glucosio-6

fosfato(G6P)

Ribulosio-5fosfato

(Ru5P)

Fruttosio

1,6-difosfato(FBP)

Fruttosio6-fosfato

(F6P)


(SBP)

2HPO4--

Sedoeptuloso

7-fosfato(S7P)

Ribosio-5

fosfato(RuP)

Xilulosio-5

fosfato(Xu5P)

6ATP 6ADP

Trioso fosfatoepimerasi

Aldolasi

Fruttosiodifosfatasi

Aldolasi

Sedoeptulosodifosfatasi

Transchetolasi

Fosfoglucoisomerasi

Fosfopentoso

isomerasi

Fosfopentoso

epimerasi

Fosforibuloso

chinasi

Transchetolasi


Bilancio

• Delle 18 molecole di ATP 12 sono usate per la fosforilazione 12 (6x2) molecole di 3PG e 6 per ricostituire 6 molecole di RuBP.

• Le 12 molecole di NADPH servono per ridurre il BPG a G3P.

• Quasi tutti gli enzimi del ciclo di Calvin-Benson sono comuni con la glicolisi e con il ciclo dei pentosi, una differenza è che la gliceraldeide -3-fosfato deidrogenasi è NADPH specifica mentre nella glicolisi è NAD+

dipendente.

29

30

16


Bilancio

• Da un punto di vista termodinamico il ciclo di Calvin-Benson è una reazione favorita.

• La reazione aldolasica nella glicolisi ha un ∆G’o

di +24 kJ·mole-1, nel ciclo di Calvin-Benson avviene in senso opposto.

• Nella fase buia avvengono anche la glicolisi, il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa per produrre energia.


Bilancio e regolazione

• Non è un ciclo futile.

• Gli enzimi del ciclo di Calvin-Benson rispondono indirettamente alla luce: sono attivati quando le cellule sono illuminate.

ADP + Pi ATP

C6H12O66CO2 + 6H2O

ATPADP + Pi

hυ

Gluconeogenesi,Ciclo di

Calvin-Benson,

Fotosintesi

Glicolisi,Ciclo di Krebs

ATP + NADPH

Fissazione CO2

31

32

17


Regolazione

• Enzimi regolati dalla luce– Gliceraldeide 3-fosfato

deidrogenasi

– Fruttosio 1,6-bisfosfatasi

– Sedoeptuloso 1,7-bisfosfatasi

– Rubisco attivasi

hυ

PSI

Ferredossina

ridotta

Ferredossina

ossidata

e-

Tioredossina

ridotta

Tioredossina

ossidata

FerredossinaTioredossina

reduttasi

Enzimaridotto

Enzimaossidato

1/2 O2 H2O

PCred

PC

red

S

*

SSH

*

SH

S

* *

S SH

* *

SH


RuBisCO: Regolazione ionica

• A seguito dell’illuminazione il pH dello stroma passa da 7.0 a 8.0 a causa del trasporto ionico di protoni che genera il gradiente attraverso la membrana del tilacoide;

• Nello stesso tempo lo ione Mg2+ si muove fuori dal tilacoide la concentrazione nello stroma passa da 1-3 mM a 3-6 mM;

33

34

18


RuBisCO: Attivazione da CO2

• Una molecola di CO2 reagisce con la Lys201 per formare un carbammato;

• La reazione è favorita dalla concentrazione di Mg2+ e dal pH più basico;

• La reazione è sfavorita dalla presenza di RuBP (o altri inibitori fosforilati) nel sito di carbamilazione.

CO2

LSU LSU

Mg2+

2H+

Inattiva Attiva


RuBisCO Attivasi

• Nelle piante e in alcune alghe è necessaria la presenza di un altro enzima: RuBisCO Attivasi(RA) che permette la formazione del carbammato al sito attivo di RuBisCO;

• Il substrato (Ribuloso 1,5-bisfosfato - RuBP) si lega fortemente al sito attivo quando non c’è il carbammato e ciò provoca il blocco di RuBisCO;

• Alla luce RA promuove il rilascio degli inibitori (o immagazzinamento di RuBP) dai siti catalitici;

CO2

LSU

LSU

Mg2+

2H+

Inattiva

Attiva

RuBP

RA

LSU

Inattiva

RuBP

RA

ATP

ADP

LSU

Inattiva

RuBP

RA

N+

H H

H

N+

HH

H

N

O

O–

Mg2+

H

N+

HH

H

35

36

19


RuBisCO Attivasi

• RA è richiesta in alcune piante (Tabacco, fagioli, ecc.) la cui attività di RUBisCO è inibita al buio (per proteggerla dall’idrolisi) da un inibitore competitivo sintetizzato da queste piante: un analogo del substrato (2-carbossi-D-arabitinol-1-fosfato, CA1P) che blocca in sito di carbamilazione;

• Alla luce CA1P viene rilasciato da RA e viene rapidamente defosforilato da una CA1P fosfatasi attivata dalla luce. Da: Rubisco activase – Rubisco’s catalytic chaperone

Archie R. Portis, Jr.Photosynthesis Research 75: 11–27, 2003


Regolazione da ATP/ADP

• La rimozione degli inibitori (RuBP, CA1P e altri analoghi dei substrati) da RA richiede ATP;

• La reazione è inibita da ADP e quindi l’attività di RA dipende dal rapporto ATP/ADP nello stroma;

• In molte piante la sensibilità di RA al rapporto ATP/ADP è modificata dallo stato redox dello stroma attraverso la tioredossina.

Structure and function of the AAA+ protein CbbX, a red-type Rubisco activaseOliver Mueller-Cajar, Mathias Stotz, Petra Wendler, F. Ulrich Hartl, Andreas Bracher & Manajit Hayer-HartlNATURE - VOL 479 - 10 NOVEMBER 2011

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38

20


Regolazione da fosfato

• Nei cianobatteri il fosfato inorganico partecipa alla regolazione della fotosintesi

• Il fosfato si lega al sito attivo di RuBisCO nel LSU dove influenza la transizione tra la conformazione attiva e quella meno attiva.

• L’attivazione della RuBisCO batterica è particolarmente sensibile al livello del fosfato che funzione come la RuBisCO attivasi nelle piante superiori.

Structure and function of the AAA+ protein CbbX, a red-type Rubisco activaseOliver Mueller-Cajar, Mathias Stotz, Petra Wendler, F. Ulrich Hartl, Andreas Bracher & Manajit Hayer-HartlNATURE - VOL 479 - 10 NOVEMBER 2011


Competizione CO2/O2

H+

CO2H2O

2H+


2,3-enediolo

2-carbossi3-chetoarabinitolo

3-fosfogliceratogem-diolo

2 2

2 2

3 3

3 3

3

2

O2

2

3

2-idroperossi3-chetoarabinitolo

H2O2

3

3-fosfoglicerato

2H+

fosfoglicolato

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40

21


Competizione CO2/O2

• O2 e CO2 competono per il sito attivo della RuBisCO quindi la fissazione della CO2 può essere aumentata aumentandone la concentrazione in prossimità dello stroma del cloroplasto.

• Alcuni meccanismi si sono evoluti per aumentare la concentrazione di CO2 nello stroma (piante C4).

• Il fatto che anche O2 sia substrato di RuBisCO pone l’interrogativo della presenza di un ciclo futile ma può essere considerato un meccanismo di controllo per prevenire il sovraccarico durante periodi di alto flusso di luce.

• Questa debolezza di RuBisCO è causa della fotorespirazioneche, in un pianta sana in ambiente luminoso, porta alla fissazione di O2 invece di CO2.

• Questo fenomeno è temperatura dipendente: ad alta temperatura diminuisce la solubilità di CO2 nell’acqua in prossimità delle foglie; poiché le foglie vengono raffreddate dall’evaporazione la mancanza di acqua porta ad un aumento della locale temperatura.

CAMCrassulacean Acid Metabolism

41

42

22


CAMCrassulacean Acid Metabolism


CAM

• Le piante CAM mantengono i loro stomi (sulla pagina inferiore della foglia) chiusi durante il giorno prevenendo l’evaporazione anche attraverso uno strato di cera;

• Questa strategia impedisce gli scambi gassosi durante il giorno e, quindi, la fissazione della CO2.

• La CO2 viene “conservata” nei vacuoli come acido malico.

• L'efficienza fotosintetica è bassa, tuttavia, lo svolgimento della fotosintesi in condizioni ambientali proibitive (clima arido).

• Pur avendo una base genetica, il meccanismo del metabolismo CAM è innescato dalle condizioni ambientali: la fotosintesi CAM si svolge infatti in condizioni di clima arido, ma in occasione di giornate umide (dopo un temporale) le piante CAM svolgono il ciclo di Calvin secondo il meccanismo delle piante C3.

• Non vi è separazione tissutale degli eventi.

43

44

23


CAM

BUIO

LUCE

PEP

Fosfoenolpiruvato

carbossilasi

EC 4.1.1.31

OXA

Malato

deidrogenasi

EC 1.1.1.37

MAL

NADH + H+

NAD+

Malato deidrogenasi

(Enzima Malico)

EC 1.1.1.40PYR

Piruvato-fosfato

dichinasi

(Fosforilante)

EC 2.7.9.1

ATP + Pi

AMP + PPi

Atmosfera

Calvin

Benson

AMIDO

Anidrasi

carbonica

EC 4.1.1.2

NADPH + H+

NADP+

CO2 + H2OHCO3-

CO2


PEP

Fosfoenolpiruvato

carbossilasiEC 4.1.1.31

OXA

Malato

deidrogenasi

EC 1.1.1.37

MAL

NADH + H+

NAD+

Atmosfera

MALMALH2

ADP + Pi

ATP

Anidrasi

carbonica

EC 4.1.1.2

AmidoGLICOLISI

Vacuolo

CO2

CO2CO2

CO2CO2

CO2 + H2O HCO3- + H+

OH

O–O

O O–

OH

OHO

OHO

OH

O–

O

O

O–

P

O–

O

O– OH

O

O

O–

O

O–

P

O–

O

O–

O

CH2

O

O–

H+

H+

+

45

46

24


PEP Fosfoenolpiruvato

carbossichinasi

EC 4.1.1.39

OXA

Malato

deidrogenasi

(Enzima malico)

EC 1.1.1.82

MAL

NAD(P)H + H+NA(P)D+

Atmosfera

MALMALH2

GLUCONEOGENESI

Malato

deidrogenasi

EC 1.1.1.40

Piruvato-fosfato dichinasi

(Fosforilante)

EC 2.7.9.1

ATP + Pi

AMP + PPi

NADH + H+

NAD+

ATPADP

PYR

Vacuolo

Amido

CBCO2

CO2CO2

CO2 CO2CO2


Anidrasi carbonica (EC 4.2.1.1)

Glu106

Thr199

Glu106

Thr199

Glu106

Thr199

Glu106

Thr199

H

OH

N

Zn2+

NN

O

O

H

N

O

HO

OH

O–

H

O

H

HO

H

H

N

Zn2+

NN

O

H

O

N

H

O

O

H

O

H

HO

H

H

OH

H

H

O–O

N

Zn2+

NN

O

H

O

N

H

O

O

H

O

H

HO

H

H

OH

H

H

O–O

N

Zn2+

NN

O··

H

O

N

H

O

C

O

H

O

H

HO

H

H

OH

H

H

O–O

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48

25





49

50

26


CAM

C4

51

52

27


Piante C4 e competizione CO2/O2

• La competizione tra O2 e CO2 per RuBisCO porta alla fotorespirazione;

• Le piante C4 utilizzano, inizialmente, la PEP carbossilasi che possiede una maggiore affinità per la CO2;

• Si produce un intermedio a quattro atomi di carbonio (C4) che è trasportato nel sito della fissazione del carbonio e decarbossilato rilasciando CO2.

• Questo processo coinvolge due tipi di cellule funzionalmente e morfologicamente diverse, le cellule del mesofillo e le cellule della guaina del fascio.


Piante C4 e competizione CO2/O2

• Un’evoluzione del processo coinvolge gli aminoacidi con un rilascio ancora maggiore di CO2 a livello dei cloroplasti.

• Questi cloroplasti sono modificati con scarsa grana tilacoidea.

• Questo meccanismo permette un migliore controllo del processo ad alte temperature.

• Ci sono diverse varianti:

– L’acido C4 può essere trasportato dalle cellule del mesofillo alle cellule del fascio come malato o come aspartato.

– L’acido C3 trasportato dalle cellule del fascio alle cellule del mesofillo può essere piruvato o alanina.

• L’enzima che catalizza la decarbossilazione nelle cellule del fascio è diverso a seconda delle specie:

– Nel mais e nella canna da zucchero è l’enzima malico NAD+

dipendente;

– Nel miglio è l’enzima malico NADP+ dipendente;

– Nel Panicum maximum è PEP carbossichinasi.

53

54

28


C4


Cellule del mesofillo

Cellule della guaina del fascio

55

56

29


C4 – separazione anatomica

CalvinBenson

PYR

MAL

PYR

MAL

Cellule del mesofillo Cellule della guaina del fascio

OXA

Malato deidrogenasi

EC 1.1.1.37

NAD(P)H + H+ NAD(P)+

PEP

Piruvato-fosfato

dichinasi(Fosforilante)

EC 2.7.9.1

ATP + PiAMP + PPi

NAD(P)H + H+

NAD(P)+

Fosfoenolpiruvato carbossilasi

EC 4.1.1.31Anidrasi

carbonica

EC 4.1.1.2

Malato deidrogenasi

(Enzima Malico)EC 1.1.1.40

OXA

PEP

O2

CO2

HCO3-

CO2 + H

2O

O2

O2

O2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2



PYR


PEP

Piruvato-fosfato dichinasi

(Fosforilante)

EC 2.7.9.1

ATP + Pi

AMP + PPi

Fosfoenolpiruvato carbossilasi

EC 4.1.1.31Anidrasi

carbonica

EC 4.1.1.2

OXA

PEP

Ala

PYR

MAL


Malato

deidrogenasi

EC 1.1.1.37

NADH + H+

NAD+

NADH + H+

NAD+

Malato deidrogenasi

(Enzima Malico)

NAD

EC 1.1.1.40

Ala

PYR

CalvinBenson

AspaKG

Glu

OXA

Asp Amino

Transferasi

EC 2.6.1.1

aKGGlu

Ala AminoTransferasi

EC 2.6.1.2

aKGGlu

Ala AminoTransferasi

EC 2.6.1.2

PYR

AspaKGGlu

Asp AminoTransferasi

EC 2.6.1.1

O2

HCO3-

CO2

CO2

CO2 + H2O

O2

O2

O2

CO2CO2

CO2

CO2

CO2

57

58

30



CH3

OO

O

O

O

O

CH2

P

O

O

O

HCO3-OH

PO

O

O

CO2 + H

2O

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

O

O

O

O

O

O

O

O

CH2

P

O

O

O

CH3

ONH2

O

CO2OH O

O

O

O

CH3

OO

O

O

O

O

O

O

CH3

ONH2

OCH

3

OO

O

O

O

O

NH3+

O

CH3

OO

O

O

O

O

NH3+

O

O

O

O

O

O

OH O

O

O

O

O

O

O

CH2

P

O

O

O

CO2

O2

O2

O2

O2

PYR


PEP

Piruvato-fosfato

dichinasi(Fosforilante)

EC 2.7.9.1

ATP + Pi

AMP+ PPi

Fosfoenolpiruvato carbossilasiEC 4.1.1.31

Anidrasi carbonica

EC 4.1.1.2

OXA

PEP

Ala

PYR

MAL


NADH + H+

NAD+

Malato deidrogenasi(Enzima Malico)

NADEC 1.1.1.40

Ala

PYR

Calvin

Benson

AspαKG

Glu OXA

Asp AminoTransferasi

EC 2.6.1.1

αKGGlu

Ala AminoTransferasiEC 2.6.1.2

αKGGlu

Ala Amino

TransferasiEC 2.6.1.2

PYR

AspαKGGlu

Asp AminoTransferasiEC 2.6.1.1

OXA

Malato deidrogenasi

(NADPH)

EC 1.1.1.37

Fosfoenolpiruvato carbossilasiEC 4.1.1.31

ATPADP

MALNADP+

NADPH+ H+


59

60

31

Organizzazionedei cloroplasti


Cloroplasti

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32



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Organizzazione delle membrane


• Le proteine del tilacoide sono etichettate al loro bersaglio da un peptide segnale e da una via secretoria nel cloroplasto.

• Molte delle proteine del tilacoide sono codificate dal genoma nucleare e necessitano di due segnali per raggiungere il bersaglio: un segnale N-terminale e un segnale per il bersaglio all’interno del tilacoide.

65

66

34


RuBisCO

• Le due subunità di RuBisCO sono codificate da due genomi diversi:

• La subunità più grande (LSU) dal genoma del cloroplasto;

• La subunità più piccola (SSU) dal genoma nucleare.


Globalmente

67

68

35


Referenze sul WEB

• Vie metaboliche

– KEGG: http://www.genome.ad.jp/kegg/

• Degradazione degli xenobiotici: http://www.genome.ad.jp/kegg/pathway/map/map01196.html

• Struttura delle proteine:

– Protein data bank (Brookhaven): http://www.rcsb.org/pdb/

– Hexpasy

• Expert Protein Analysis System: http://us.expasy.org/sprot/

• Prosite (protein families and domains): http://www.expasy.org/prosite/

• Enzyme (Enzyme nomenclature database): http://www.expasy.org/enzyme/

– Scop (famiglie strutturali): http://scop.berkeley.edu/

• Enzimi:

– Nomenclatura - IUBMB: http://www.chem.qmw.ac.uk/iubmb/

– Proprietà - Brenda: http://www.brenda.uni-koeln.de/

– Expasy (Enzyme nomenclature database): http://www.expasy.org/enzyme/

• Database di biocatalisi e biodegradazione: http://umbbd.ahc.umn.edu/

• Citocromo P450: http://www.icgeb.org/~p450srv/

• Metallotioneine: http://www.unizh.ch/~mtpage/MT.html

• Tossicità degli xenobiotici: Agency for Toxic Substances and Disease Registry http://www.atsdr.cdc.gov

Crediti e autorizzazioni all’utilizzo

• Questo materiale è stato assemblato da informazioni raccolte dai seguenti testi di Biochimica:

– CHAMPE Pamela , HARVEY Richard , FERRIER Denise R. LE BASI DELLA BIOCHIMICA [ISBN 978-8808-17030-9] – Zanichelli

– NELSON David L. , COX Michael M. I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER - Zanichelli

– GARRETT Reginald H., GRISHAM Charles M. BIOCHIMICA con aspetti molecolari della Biologia cellulare - Zanichelli

– VOET Donald , VOET Judith G , PRATT Charlotte W FONDAMENTI DI BIOCHIMICA [ISBN 978-8808-06879-8] - Zanichelli

• E dalla consultazione di svariate risorse in rete, tra le quali:

– Kegg: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes http://www.genome.ad.jp/kegg/

– Brenda: http://www.brenda.uni-koeln.de/

– Protein Data Bank: http://www.rcsb.org/pdb/

– Rensselaer Polytechnic Institute: http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/MB1index.html

• Il materiale è stato inoltre rivisto e corretto dalla Prof. Giancarla Orlandini dell’Università di Parma alla quale va il mio sentito ringraziamento.

Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da: http://www. gsartor.org/pro

• Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l’autore usando questa frase:

Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio Sartor

Università di Bologna

Giorgio SartorUfficiale: [email protected]

Personale: [email protected]

Aggiornato il 02/04/2019 15:10:25

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fissazione del carbonio - unibo.itcharlie.ambra.unibo.it/didattica/pdf_files/sa_b11-ii.pdf ·...

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