fase
oscura della fotosintesi
Le reazioni_della_fase_oscura portano alla riduzione biochimica della CO2 a carboidrati (come saccarosio, amido, cellulosa e altri polisaccaridi).
Il processo, noto come "fissazione" od "organicazione della CO2", è determinante per la biosfera: piante verdi e alghe producono ogni anno enormi quantità di sostanza organica (produttività primaria).
Le reazioni,
con DG totale = -76
kcal/mole, possono essere così riassunte:
6 CO2 + 12 NADPH + 12 H2O + 18 ATP ® C6H12O6 + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi + 6 H+
Le reazioni utilizzano prodotti della fase luminosa, NADPH come agente riducente e ATP come fonte di energia, oltre ad una complessa serie di enzimi e cofattori che si trovano nello stroma del cloroplasto.
Il termine "reazioni oscure" risale agli studi di F.F.Blackman sulla produttività primaria, perché allora ritenute non dipendenti dalla luce; in effetti avvengono soprattutto di giorno, quando ATP e NADPH sono facilmente disponibili.
Recentemente è stata dimostrata l'esistenza di un complesso sistema di regolazione per cui gli enzimi catalizzatori di queste reazioni vengono attivati alla luce e inattivati al buio: le reazioni possono proseguire per breve tempo in assenza di luce, poi cessano anche se vengono aggiunti ATP e NADPH.
Nel loro insieme le reazioni formano il cosiddetto ciclo_di_Calvin o ciclo C3 (i primi composti stabili hanno 3 atomi di carbonio), o ciclo di riduzione fotosintetica del C, secondo la dizione attuale.
Nel ciclo i composti intermedi vengono continuamente rigenerati; il risultato globale è la conversione di CO2 in glucosio e in altri carboidrati.
In pratica il processo è equivalente a una glicolisi inversa, in cui si utilizza un pentoso (zucchero a 5 atomi di C), il ribulosio difosfato (RuDP).
Nel ciclo si possono distinguere:
- una fase_di_carbossilazione che porta alla formazione del primo composto stabile a 3 atomi di C, l'acido 3-fosfoglicerico (PGA)
- una fase di riduzione_del_PGA ad aldeide 3-fosfo glicerica (GP3)
- una fase di conversione_del_PGA_in_glucosio, con formazione di esosi (zuccheri con 6 atomi di carbonio)
- una fase di rigenerazione_del_RuDP.
Le formule delle molecole in gioco, RuDP_PGA_GP3 sono rappresentate nella figura.
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Questi coenzimi fungono, praticamente, da trasportatori di elettroni, cioè da catalizzatori di ossidoriduzione.
Durante la loro funzione possono passare dalla forma ridotta NADH e NADPH alla forma ossidata NAD+ e NADP+ e viceversa.
NAD significa Nicotinammide Adenina Dinucleotide essendo la molecola costituita da due unità (nicotinammide-ribosio e adenina-ribosio) collegate da un ponte difosfato.
NADP si differenzia soltanto per un ulteriore gruppo fosfato che sostituisce un OH del ribosio.
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L'acronimo NAD deriva dalle iniziali del suo nome, Nicotinammide Adenina Dinucleotide. La molecola è costituita da due unità: una nicotinammide-ribosio, che compare nella parte in alto della figura, una adenina-ribosio, che compare nella parte in basso della figura, collegate da un ponte difosfato, a sinistra.
NADP si differenzia da NAD soltanto per un ulteriore gruppo fosfato che sostituisce un OH del ribosio. |
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Gli stadi del processo che portano dall'acido 3-fosfoglicerico PGA a glucosio sono esattamente opposti a quelli della glicolisi. Infatti il PGA, oltre a formarsi nella fotosintesi è anche un intermedio nella glicolisi, dato che le principali vie metaboliche possono essere percorse nei due sensi: in questo caso, se è possibile ottenere PGA da glucosio sarà anche possibile ottenere glucosio da PGA. L'unica diversità tra i due opposti processi consiste nel coenzima riducente, che nel caso della fotosintesi è NADPH, nel caso della glicolisi NAD. |
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Questo conferma la regola secondo la quale NAD è il tipico coenzima delle vie metaboliche degradative in cui prevalgono le ossidazioni, mentre NADP è il tipico coenzima delle vie biosintetiche in cui prevalgono le riduzioni.
Le reazioni_di_riduzione_del_PGA possono essere sintetizzate in un semplice schema.
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L'acido 3-fosfoglicerico PGA deve essere ridotto, con spesa di energia, a 3-fosfogliceraldeide GP3. PGA viene dapprima attivato dall'ATP, che gli dona il gruppo fosfato, quindi ridotto a GP3 da NADPH.
Per comprendere meglio le varie tappe del processo è utile vedere le formule chimiche delle molecole coinvolte, pga_dpga_gp3_dhap_fdp_f6p. |
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PGA, DPGA, GP3, DHAP, FDP, F6P
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Il ciclo è piuttosto complesso e comporta una lunga serie di processi biochimici, catalizzati da molti enzimi. Il simbolo Pi indica il gruppo fosfato. Le formule chimiche delle molecole coinvolte nel ciclo sono raggruppate, a seconda della posizione nel disegno (sinistra, centro, destra), in figure diverse: |
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Conversione del PGA in glucosio
La 3-fosfogliceraldeide GP3 prodotta nella fase oscura della fotosintesi viene poi trasformata in zuccheri a 6 atomi di C (esosi) attraverso una serie di reazioni enzimatiche che ripercorrono a rovescio la glicolisi.
GP3 ha già il numero di ossidazione di uno zucchero e quindi la sua successiva trasformazione non richiede altre tappe riduttive endoergoniche (con spesa di energia).
Nel processo di costruzione di una molecola di glucosio, 6 molecole di CO2 si combinano con 6 di RuDP per formarne 12 di PGA.
Queste, in linea di principio, potrebbero formare 6 molecole di glucosio; in questo caso però il processo non sarebbe ciclico e si arresterebbe appena la scorta di RuDP fosse esaurita.
Solo 2 molecole di PGA vengono destinate alla sintesi del glucosio, mentre le altre dieci possono proseguire il ciclo per essere, alla fine, convertite in 6 molecole di RuDP, pronte ad essere utilizzate di nuovo.
Le formule chimiche delle molecole di cui si parla, GP3_RuDP_PGA_glucosio sono rappresentate in figura.
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Il glucosio compare qui come glucosio 6-fosfato
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La prima reazione è una fissazione della CO2 su un accettore organico, il pentoso ribulosio 1,5-difosfato (RuDP). Si forma un intermedio instabile, che si decompone dando due molecole di acido 3-fosfoglicerico (PGA) Parte delle molecole di PGA sono destinate alla conversione_del_PGA_in_glucosio, altre alla rigenerazione_del_RuDP. |
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Catalizzatore della carbossilazione è l'enzima RuDPcarbossilasi (detto anche Rubisco), che è l'enzima più abbondante in natura.
In molti cloroplasti esso costituisce infatti anche il 50% delle proteine totali e, nella biosfera, fino al 20% di tutte le proteine presenti.
Questo dimostra l'importanza della fissazione del carbonio per la vita sulla Terra.
Perché il ciclo sia tale è necessario che l'accettore di CO2 venga continuamente rigenerato.
Si parte da RuDP e bisogna perciò tornare a RuDP; se così non fosse la fissazione di CO2 si fermerebbe per mancanza di accettore.
Le reazioni_di_rigenerazione_di_RuDP comprendono alcuni passaggi relativamente complessi che coinvolgono zuccheri fosfati a 4, 5, 6, 7 atomi di C.
Reazioni di rigenerazione di RuDP
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Le scritte sopra la freccia che indica la direzione di ogni singola reazione indicano l'enzima che la catalizza. Nell'ultima riga compare la reazione globale, che evidenzia la rigenerazione di 3 molecole di RuDP, unico accettore della CO2. Per vedere le formule chimiche delle molecole coinvolte nelle reazioni, cerca quelle che ti interessano in uno dei gruppi seguenti: |
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Il saccarosio è un disaccaride, cioè un prodotto della condensazione di due monosaccaridi. In questo caso si tratta di: un glucosio, con anello a 6 atomi, di cui 5 di carbonio e 1 di ossigeno (a sinistra), un fruttosio, con anello a 5 atomi, di cui 4 di carbonio e 1 di ossigeno (a destra). |
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Amido, cellulosa, polisaccaridi
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I polisaccaridi, di cui fanno parte anche amido e cellulosa, sono polimeri costituiti da molecole di monosaccaridi uguali o diversi. La catena può essere lineare o ramificata e può essere costituita anche da migliaia di unità. In questa immagine è rappresentato un trisaccaride costituito da 3 molecole di monosaccaridi uguali (gli H non sono indicati). |
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