IL CICLO DI CALVIN E L'ENZIMA RUBISCO

Ben tornati Amici di Sempre Al Verde,

Cosa differenzia le macroterme dalle microterme?

Perché le microterme soffrono in ambienti con elevato irraggiamento solare, mentre le macroterme vanno alla grande?

Sono alcune delle domande che ci avete fatto ultimamente,  visto che tra qualche mese arriverà il momento delle semine e la decisione da prendere sarà importante, vi rispondiamo con un articolo dedicato.

PREMESSA :

Per rispondere a questo quesito devo per forza di cose introdurre un altro argomento, che non abbiamo ancora trattato, ovvero la fotosintesi, che risulta essere molto complesso ma ovviamente affascinante e che cercheremo di semplificare il più possibile in modo che possa essere fruibile a tutti.

Cos’è la fotosintesi?

La fotosintesi è un processo anabolico definito  opposto  alla respirazione cellulare della pianta, che effettua a sua volta un processo catabolico producendo anidride carbonica.

Una reazione anabolica quindi, forma anabolismo, ovvero  trasforma  molecole inorganiche in molecole organiche, producendo quindi  glucosio.

Questo processo è molto complesso e parte da una reazione di 6 molecole di anidride carbonica + 6 molecole d’acqua, dove  attraverso l’energia della luce, si ottiene una molecola di glucosio e 6 di ossigeno.

L’ossigeno risulta una molecola di scarto per la pianta ed il prodotto concreto o il prodotto utilizzato, risulta poi il glucosio che viene utilizzato e trasformato.

Nella pagina inferiore della foglia (ne abbiamo parlato qui ), troviamo invece gli STOMI che sono come delle valvole  e si chiudono o aprono in base alla necessità della pianta. Gli stomi aprono o chiudono Il passaggio, effettuando uno  scambio gassoso  con  ossigeno,  anidride carbonica o acqua sotto forma di vapore.

Nei cloroplasti invece sono contenuti i Mesofillo che permettono la circolazione dei gas come detto prima sotto forma di vapore.

L’altro elemento fondamentale delle reazioni è l’acqua che comunemente viene presa dal suolo, tramite le radici e che verrà successivamente ossidata in una reazione chiamata ossido-riduzione.

Quello che in pratica fa la pianta nella fase luminosa è un trasporto di energia tramite  molecole come ATP  e  NADPH.

Sotto il ciclo di Calvin e enzima Rubisco

L’enzima Rubisco e il ciclo di Calvin

La fase luce indipendente è definita con il nome di ciclo di Calvin e si divide in tre fasi principali:

• Carbossilazione: la RUBISCO è un enzima che si  lega con l’anidride carbonica, che viene scissa in molecole avente  tre atomi di carbonio, definita con  ciclo di fotosintesi C3 (c carbonio e 3 sono gli atomi di carbonio).  
• Riduzione: ovvero produzione saccarosio, glucosio o amido.
• Rigenerazione: ricomincia il ciclo di Calvin  e viene rigenerato il  RUBISCO

L'enzima Rubisco oltre a legarsi con l’anidride carbonica, può legarsi anche con ossigeno nei momenti in cui l'anidride carbonica scarseggia.

Il  processo infatti prende il nome di  carbossilasi /ossigenasi (carbonio/ossigeno)

Le piante definite C3 sono le cosiddette microterme ed il periodo ottimale per la loro fotosintesi è in primavera e autunno.

L’efficienza della fotosintesi dipenderà quindi dalla quantità di luce, temperatura e irradiamento solare, mentre in estate vanno incontro a possibili problematiche a causa della chiusura degli stomi , meccanismo di protezione, che attuano per limitare la perdita d’acqua, ovvero diminuire l’evapotraspirazione.

Nel frattempo  cominciano ad arrivare i  ''problemi'', poiché si  limita così anche l’accesso ad anidride carbonica, mentre la pressione all’interno della pianta aumenta e mentre il processo di  fotosintesi continua con accumulo di ossigeno all'interno, che ad alte concentrazioni nelle piante diventa dannosa, senza il suo naturale meccanismo regolatore, ovvero gli STOMI.     

Parliamo quindi  del meccanismo di  FOTORESPIRAZIONE dove la Rubisco si lega con ossigeno invece che anidride carbonica, reazione che costa cara alla pianta in termini di ‘’fatica’’ e consumo di nutrizione.

La fotorespirazione è un processo molto dispendioso per la pianta, che riduce l'efficienza della fotosintesi ma rappresenta una soluzione alla carenza di CO₂, diciamo un meccanismo di sopravvivenza che rende più efficace l'assimilazione dei nitrati e consente la produzione di amminoacidi.

La fotorespirazione è un processo avviene  solo in presenza di luce con cui la pianta demolisce le sostanze organiche, in presenza di ossigeno,  libera la CO_2,   ovvero il  lavoro opposto  che compie la fotosintesi ma  senza recuperare energia dalla degradazione ottenendo una parte di CO₂  .

sotto troviamo la foto dello stoma  nella pagina inferiore.

Parliamo quindi di evoluzione rispetto alle C3 microterme, dove in ambienti fortemente irradianti troviamo le piante C4, ovvero le macroterme.

Come funziona questa evoluzione?

Nelle foglie possiamo trovare vasi conduttori come lo Xilema e floeama che  formano fasci conduttori. Ne abbiamo parlato qui 

Nelle piante C4 (macroterme  )vicino ai vasi conduttori, sono presenti  cellule del mesofillo che vengono chiamate cellule della guaina del fascio.

La guaina del fascio impedisce alla Rubisco di legarsi all'ossigeno e non avviene quindi la fotorespirazione.

Come ?

In sostanza l’anidride carbonica non si lega all'enzima Rubisco, ma tramite Carbossilasi quindi un processo con solo c02,  che lega appunto la  C02 con 4 atomi di carbonio, da qui il nome C4.

Il risultato è una reazione in cui  l' ossalacetato è poi trasformato l’acido malico che  viene trasportato nelle cellule della guaina del fascio e lontane dagli stomi e quindi dall’ ossigeno. Acido malico viene anche chiamato ''MALATO''.

Nella guaina del fascio si libera quindi anidride carbonica a partire dal malato  ed  in questo modo la Rubisco trova solo C02,

In seguito si continua il ciclo di Calvin 

Le c4 sono di grande effetto evolutivo con uno straordinario metabolismo differente dalle C3.

Ecco spiegato a grandi linee il perché le macroterme in estate trovano il loro periodo migliore, al contrario delle microterme che amano primavera e autunno.

CONCLUSIONI 

Piante C3

Le piante C3 sono piante caratterizzate dal Ciclo di Calvin che consente alla pianta di vegetare,  alternato al sistema della  Fotorespirazione, 

Sono chiamate  piante C3 poiché l’organicazione del carbonio è dato da due molecole di triosofosfato, quindi due molecole aventi tre atomi di carbonio.

Le C3 o microterme preferiscono quindi ambienti temperati, che consentono alla foglia di aprire e chiudere gli stomi in base alla necessità, senza incorrere nella fotorespirazione, ovvero l'enzima Rubisco  si lega con ossigeno. 

Piante C4

Le piante C4 prediligono zone con clima tropicale,  visto che durante il giorno hanno gli stomi prevalentemente chiusi.

Si sono evolute tramite un sistema che permette che l'enzima Rubisco non entri a contatto con l'ossigeno.

In prossimità di Xilema e Floema e tramite la guaina del fascio che funge da raccolta per C02 si assicura che l'enzima Rubisco non si leghi con ossigeno essendo ''lontana'' dagli stomi.

Le C4 non hanno quindi un sistema di fotorespirazione ma nel momento in cui le temperature sono sfavorevoli smettono di vegetare entrando in uno stato di dormienza, in sostanza il loro meccanismo di difesa alle avversità.

Nelle C4 avviene la Carbossilasi che forma quattro atomi di carbonio da qui il nome C4

Sempre Al Verde