1
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 3 -
• 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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 4 -
C3
3
4
3
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 5 -
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 6 -
Fissazione della CO2
∆G = -51 kJ∙mol-1
Ribuloso bisfosfato carbossilasi/ossigenasi
H+
CO2H2O
2H+
Ribulosio 1,5difosfato
2,3-enediolo 3-chetoarabinitolo 3-fosfogliceratogem-diolo
2 22 2
3 33 3
3
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4
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 7 -
RuBisCO (EC 4.1.1.39)
Catalysis and regulation in RubiscoInger AnderssonJournal of Experimental Botany, Vol. 59, No. 7, pp. 1555–1568, 2008
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 8 -
Fissazione della CO2
• 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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 9 -
RuBisCO (EC 4.1.1.39)
• 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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 10 -
RuBisCO (EC 4.1.1.39)
• 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
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RuBisCO (EC 4.1.1.39)
α4β43-fosfoglicerato
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 12 -
Ciclo di Calvin-Benson
The Nobel Prize in Chemistry 1961
11
12
7
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 13 -
Ciclo di Calvin-Benson
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 14 -
Fase 3Rigenerazione
Fase 2Riduzione
Fase 1Fissazione della CO2
Ciclo di Calvin-Benson
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+
Gliceraldeide-3-fosfato
(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–
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O
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OO–
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OH
OH
OH
OH
H
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OO–
O–
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O
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O
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OH
OO–
O–
P
O
13
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8
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 15 -
Ciclo di Calvin-Benson
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
1,3-bifosfoglicerato
(BPG)
12NADPH12NADP+
Gliceraldeide-3-fosfato
(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–
O–
P
OH
OH
O
O O–O–
P
O
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 16 -
Fase 1Fissazione della CO2
Fase 2Riduzione
Fase 3Rigenerazione
Ciclo di Calvin-Benson
Glucosio-6
fosfato
(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+
Gliceraldeide-3-fosfato
(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–
O–
P
OH
OH
O
O O–O–
P
O
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
15
16
9
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 17 -
Fase 1: Fissazione della CO2
Ribulosio 1,5difosfato(RuBP)
3-fosfoglicerato(3PG)
12ATP6CO2 12ADP
1,3-bifosfoglicerato(BPG)
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
1,3-bifosfoglicerato(BPG)
12NADPH
12NADP+
Gliceraldeide-3-fosfato(G3P)
Ribulosio-1,5difosfato
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 18 -
Ciclo di Calvin-Benson
6C5
6C1
12C3 12C3
12C3
17
18
10
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 19 -
Fase 1Fissazione della CO2
Fase 3Rigenerazione
Ciclo di Calvin-Benson
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
1,3-bifosfoglicerato
(BPG)
12NADPH12NADP+
Gliceraldeide-3-fosfato
(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–
O–
P
OH
OH
O
O O–O–
P
O
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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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 20 -
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
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 21 -
Fase 2: Riduzione
C3
C3
C3
C6 C6
C6
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 22 -
Fase 1Fissazione della CO2
Fase 1Fissazione della CO2
Fase 3Rigenerazione
Ciclo di Calvin-Benson
Fase 2Riduzione
Fase 1Fissazione della CO2
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
1,3-bifosfoglicerato
(BPG)
12NADPH12NADP+
Gliceraldeide-3-fosfato
(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–
O–
P
OH
OH
O
O O–O–
P
O
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
21
22
12
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 23 -
Fase 3: RigenerazioneDiidrossiacetonfosfato
AldolasiEC 4.1.2.13
Fruttoso-6-fosfato
Fruttoso-1,6-bifosfato
Fruttoso-1,6bifosfatasiEC 3.1.3.11
3-fosfogliceraldeide
Triosofosfatoisomerasi (TIM)
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)
Xilulosio-5-fosfato(Xu5P)
Transchetolasi EC 2.2.1.1
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
Triosofosfatoisomerasi (TIM)
EC 5.3.1.1
Diidrossiacetonfosfato
Diidrossiacetonfosfato
AldolasiEC 4.1.2.13
Fruttoso-6-fosfato
Fruttoso-1,6-bifosfato
Fruttoso-1,6bifosfatasiEC 3.1.3.11
3-fosfogliceraldeide
Triosofosfatoisomerasi (TIM)
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)
Xilulosio-5-fosfato(Xu5P)
Transchetolasi EC 2.2.1.1
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
Triosofosfatoisomerasi (TIM)
EC 5.3.1.1
Diidrossiacetonfosfato
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 24 -
Fase 3: Rigenerazione
C3
C3
C3
C3
C3
C3
C3
C6 C6 C5
C4
C7 C7 C5
C53C53C5
23
24
13
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 25 -
Ciclo di Calvin-Benson
Ribulosio-1,5
difosfato
(RuBP)
Gliceraldeide-3-fosfato
(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–
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O–
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PO
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PO
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O–
PO
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O–
PO
O–
O– PO O–
OH
OH
OH
OH
O
OH
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OH
OH
OH
OH
O
O
O
H
OH
HO
O
O
OH
OH
O
OH
O
OH
OH
OH
H
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OH
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OH
OH
OH
OH
OH
H
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O
OH
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OH
OH
O
OH
O
OH
OH
OH
O
OHO
O
OOH
O
H
OH
OH
O
O
O
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 26 -
Ciclo di Calvin-Benson
12C36C3
3C6
2C4
2C7
2C7
3C6
1C6
4C52C5
6C5
6C5Ribulosio-1,5
difosfato(RuBP)
Gliceraldeide-3-fosfato(G3P)
Diidrossi
acetonfosfato(DHAP)
Eritrosio-4
fosfato(E4P)
3HPO4--
Glucosio-6fosfato
(G6P)
Ribulosio-5
fosfato(Ru5P)
Fruttosio1,6-difosfato
(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
O–
OO–
P
OH
OH
OH
OH
O
O
O
O–
OO–
P
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
O–
OO–
P
OH
OH
OH
OH
H
O
O
OH
O
OH
OH
OH
O–
OO–
PO
OH
O
OH
OH
OH
O–
OO–
PO
OHO
O–
O O–
PO
OOH
O–
O
O–P
O
HO–
OO–
P
OH
OH
O
O–
O
O–PO
O
25
26
14
Ribulosio-1,5
difosfato(RuBP)
Gliceraldeide-3-fosfato(G3P)
Diidrossi
acetonfosfato(DHAP)
Eritrosio-4
fosfato(E4P)
3HPO4--
Glucosio-6fosfato
(G6P)
Ribulosio-5
fosfato(Ru5P)
Fruttosio1,6-difosfato
(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
O–
OO–
P
OH
OH
OH
OH
O
O
O
O–
OO–
P
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
O–
OO–
P
OH
OH
OH
OH
H
O
O
OH
O
OH
OH
OH
O–
OO–
PO
OH
O
OH
OH
OH
O–
OO–
PO
OHO
O–
O O–
PO
OOH
O–
O
O–P
O
HO–
OO–
P
OH
OH
O
O–
O
O–PO
O
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 27 -
Ciclo di Calvin-Benson
12C36C3
3C6
2C4
2C7
2C7
3C6
4C52C5
6C5
6C5
1C6
6C1
Ribulosio-1,5
difosfato(RuBP)
Gliceraldeide-3-fosfato(G3P)
Diidrossi
acetonfosfato(DHAP)
Eritrosio-4
fosfato(E4P)
3HPO4--
Glucosio-6fosfato
(G6P)
Ribulosio-5
fosfato(Ru5P)
Fruttosio1,6-difosfato
(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
O–
OO–
P
OH
OH
OH
OH
O
O
O
O–
OO–
P
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
O–
OO–
P
OH
OH
OH
OH
H
O
O
OH
O
OH
OH
OH
O–
OO–
PO
OH
O
OH
OH
OH
O–
OO–
PO
OHO
O–
O O–
PO
OOH
O–
O
O–P
O
HO–
OO–
P
OH
OH
O
O–
O
O–PO
O
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 28 -
Ciclo di Calvin-Benson
12C36C3
3C6
2C4
2C7
2C7
3C6
4C52C5
6C5
6C5
6C1
3C6
2C4
1C6
6C5
Glicolisi Amido
Cellulosa
Ribosio
…
27
28
15
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 29 -
Ciclo di Calvin-Benson
O
O
OH
OH
O
PO3--
PO3-- H
O
PO3--
OHO
O
PO3--
O OH
O
O
O
OH
OH
OH
PO3--
PO3--
O
OH
O
OH
OH
OH
PO3--
O
O
OH
OH
OH
OH
H
PO3--
OH
OH
O
OH
O
PO3--
O
O
OH
OH
OH
PO3--
H
OH
OH
O
OH
O
PO3--
O
O
OH
H
H
PO3--
O
OH
OH
OH
OH
O
PO3--
O PO3--
O
OH
OH
OH
OH
O
PO3--
OH
Ribulosio-1,5difosfato
(RuBP)
Gliceraldeide-3-fosfato(G3P)
Diidrossiacetonfosfato
(DHAP)
Eritrosio-4
fosfato(E4P)
3HPO4--
Glucosio-6
fosfato(G6P)
Ribulosio-5fosfato
(Ru5P)
Fruttosio
1,6-difosfato(FBP)
Fruttosio6-fosfato
(F6P)
Sedoeptuloso1,7-difosfato
(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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 30 -
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 31 -
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.
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 32 -
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 33 -
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 34 -
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 35 -
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 36 -
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 37 -
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 38 -
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
37
38
20
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 39 -
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 40 -
Competizione CO2/O2
H+
CO2H2O
2H+
Ribulosio 1,5difosfato
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
39
40
21
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 41 -
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 43 -
CAMCrassulacean Acid Metabolism
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 44 -
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 45 -
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 46 -
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 47 -
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 48 -
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
47
48
25
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 49 -
Anidrasi carbonica (EC 4.2.1.1)
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 50 -
Anidrasi carbonica (EC 4.2.1.1)
49
50
26
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 51 -
CAM
C4
51
52
27
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 53 -
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.
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 54 -
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 55 -
C4
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 56 -
Cellule del mesofillo
Cellule della guaina del fascio
55
56
29
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 57 -
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 58 -
C4 – separazione anatomica
PYR
Cellule del mesofillo
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
Cellule della guaina del fascio
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
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 59 -
C4 – separazione anatomica
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
Cellule del mesofillo
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
Cellule della guaina del fascio
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+
B11-II - v. 4.2 © gsartor 2001-2019 Fotosintesi e fissazione del carbonio - 60 -
59
60
31
Organizzazionedei cloroplasti
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Cloroplasti
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Organizzazione delle membrane
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• 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.
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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.
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Globalmente
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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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