Il ciclo C2 per l'ossidazione fotosintetica del carbonio

Una proprietà caratteristica della rubisco è la sua capacità di catalizzare sia la carbossilazione che l'ossigenazione del ribulosio-1,5-difosfato. Questa ossigenazione dà inizio a una serie di eventi fisiologici in cui l'assorbimento dell'ossigeno dipendente dalla luce è associato allo sviluppo di CO2 in foglie fotosinteticamente attive. Questo processo, conosciuto come fotorespirazione, funziona in direzione diametralmente opposta alla fotosintesi, causando la perdita della CO2 fissata dal ciclo di Calvin. In dettaglio, l'incorporazione di una molecola di O2 nell'isomero 2,3-enediolo del ribulosio-1,5-difosfato genera un intermedio instabile che si divide rapidamente in 2-fosfoglicolato e 3-fosfoglicerato. La CO2 e l'O2 competono nella reazione con il ribulosio-1,5-difosfato, poiché la carbossilazione e l'ossigenazione avvengono all'interno dello stesso sito attivo. Il ciclo ossidativo fotosintetico C2 agisce come un'operazione di salvataggio per recuperare il carbonio perso durante la fotorespirazione dovuta alla reazione della rubisco ossigenasi. L'acido 2-fosfoglicolico, che si forma nel cloroplasto a seguito dell'ossigenazione del ribulosio-1,5-difosfato, viene rapidamente idrolizzato a glicolato attraverso l'azione di una fosfatasi specifica del cloroplasto. A questo punto, l'ulteriore metabolismo del glicolato implica la cooperazione di altri due organelli, i perossisomi e i mitocondri. Il glicolato esce dal cloroplasto tramite una proteina trasportatrice e diffonde in un perossisoma. Qui la glicolato ossidasi catalizza l'ossidazione del glicolato utilizzando O2 e producendo acido gliossilico e acqua ossigenata. Quest'ultima è demolita nel perossisoma per opera della catalasi, liberando O2, mentre l'acido gliossilico viene transamminato con il glutammato a formare l'amminoacido glicina. La glicina esce dal perossisoma ed entra nel mitocondrio, dove due enzimi, il complesso della glicina decarbossilasi (GDC) e la serina idrossimetiltrasferasi, catalizzano in sequenza la conversione di due molecole di glicina e di una di NAD+ in una di serina una di NADH, una di NH4+ e una di CO2. La serina neoformata diffonde dal mitocondrio verso il perossisoma dove p convertita in idrossipiruvato per mezzo di una transamminazione e a sua volta è trasformato in glicerato tramite una reduttasi NADH-dipendente. Infine, il glicerato ritorna nel cloroplasto dove è fosforilato per dare 3-fosfoglicerato. Parallelamente a queste reazioni l'NH4+ rilasciato dall'ossidazione della glicina diffonde rapidamente dalla matrice del mitocondrio verso i cloroplasti, dove la glutammina sintetasi catalizza l'incorporazione nel glutammato, formando glutammina. Quindi la glutammato sintasi ferredossina-dipendente catalizza la reazione della glutammina con il 2-oxoglutarato, che porta alla produzione di due molecole di glutammato.
In generale, comunque, durante la fotorespirazione gli atomi di carbonio, azoto e ossigeno, circolano simultaneamente attraverso tre cicli:
1.Nel primo ciclo il carbonio esce dal cloroplasto sottoforma di due molecole di glicolato e fa ritorno sottoforma di una molecola di glicerato, perdendo una molecola di CO2 nel mitocondrio;
2.Nel secondo ciclo l'azoto esce dal cloroplasto come molecola di glutammato e vi fa ritorno come molecola di NH4+, poi associata ad una molecola di 2-oxoglutarato. Di conseguenza l'azoto totale rimane invariato in quanto la formazione di azoto inorganico (NH4+) nel mitocondrio è bilanciata dalla sintesi di glutammina nel cloroplasto;
3.Nel terzo ciclo, quello legato all'ossigeno, le reazioni catalizzate dalla rubisco nel cloroplasto e dalla glicolato ossidasi nel perossisoma incorporano O2, dando un carattere ossidativo all'interno processo.
In generale, quindi, due molecole di 2-fosfoglicerato (quattro atomi di carbonio), che vengono persi dal ciclo di Calvin attraverso l'ossigenazione del ribulosio-1,5-difosfato vengono convertite in una molecola di 3-fosfoglicerato (tre atomi di carbonio) e una molecola di CO2. In vivo il bilancio fra il ciclo di Calvin e il ciclo ossidativo fotosintetico C2 è principalmente determinato da tre fattori, uno relativo alla pianta (le proprietà cinetiche della rubisco) e due legati all'ambiente (la temperatura e le concentrazioni di substrati CO2 e O2). Un aumento della temperatura esterna modifica le costanti cinetiche della rubisco, aumentano il tasso di ossigenazione rispetto alla carbossilazione e abbassa la concentrazione di CO2 in una soluzione con l'aria più di quanto non avvenga all'O2. Quindi in generale l'aumento della temperatura sposta progressivamente il bilancio lontano dal ciclo di Calvin e verso il ciclo ossidativo fotosintetico C2. La fotorespirazione, invece, risulta essere sfavorita da basse concentrazioni di O2 e alte di CO2, mentre, favorita da alte concentrazioni di O2 e basse di CO2.