La senescenza rappresenta lo stadio finale dello sviluppo fogliare ed è caratterizzata dal passaggio dall’assimilazione dei nutrienti alla rimobilizzazione dei nutrienti. I processi catabolici sono organizzati a livello dell’intera pianta, a livello di organi, a livello cellulare  e a livello subcellulare. Nelle cellule mesofille, i cloroplasti vengono smantellati in una fase precoce di senescenza, mentre i mitocondri rimangono funzionali. Fino al 75% dell’azoto presente nelle cellule del mesofillo si trova nei cloroplasti. Gli enzimi stromali, principalmente Rubisco, rappresentano la frazione principale dell’azoto cloroplastico. Il tasso di senescenza e la rimobilizzazione dell’azoto fogliare sono correlati allo stato nutrizionale dell’azoto della pianta.

Catabolismo della clorofilla e delle proteine ​​all’interno dei cloroplasti

Diverse linee di evidenza supportano la conclusione che almeno le fasi iniziali della degradazione della clorofilla e delle proteine ​​dei cloroplasti possono verificarsi negli organelli intatti. D’altra parte, alcuni passaggi sono o potrebbero essere situati all’esterno dei plastidi. Si deve anche considerare che possono esistere vie cataboliche alternative e che possono essere compartimentate in un modo non ancora scoperto.

Degradazione degli enzimi stromali

Indipendentemente dal destino dei costituenti tilacoidi, gli enzimi stromali vengono degradati precocemente durante la senescenza, portando al declino della capacità fotosintetica. Gli enzimi coinvolti nell’assimilazione del carbonio e dell’azoto vengono persi e gli amminoacidi derivati ​​dal loro catabolismo possono essere esportati attraverso il floema con o senza precedenti modifiche (ad esempio, produzione di ammidi da altri amminoacidi). La glutammina sintetasi, l’enzima chiave nell’assimilazione dell’ammoniaca, è presente nei cloroplasti e nel citosol. La forma plastidiale si perde nelle foglie di cereali in una fase precoce di senescenza, mentre la forma citosolica rimane attiva più a lungo.  La glutammina sintetasi è piuttosto suscettibile alla proteolisi nei cloroplasti isolati ed è degradata molto più rapidamente del Rubisco o di altri enzimi coinvolti nell’assimilazione del carbonio. È stato dimostrato che la forma citosolica della glutammina sintetasi è localizzata nei fasci vascolari delle foglie di riso. Sulla base di dati immunologici, è stato recentemente suggerito uno spostamento nell’assimilazione dell’ammoniaca dal cloroplasto al citosol delle cellule mesofille del tabacco.

È stato evidenziato che gli enzimi stromali sono degradati in cloroplasti di piselli isolati. In questi studi, i cloroplasti sono stati isolati, incubati in condizioni definite e nuovamente isolati da ciascun campione per garantire che fossero analizzati solo i cloroplasti rimasti intatti durante il periodo di incubazione. Può essere importante da un punto di vista tecnico considerare che EDTA e DTT (ingredienti comuni nei tamponi di isolamento e incubazione) possono interferire con la proteolisi nei cloroplasti. La DTT inibisce la violaxantina de-epossidasi e la perossidasi ascorbata, due enzimi coinvolti nella disintossicazione delle specie reattive dell’ossigeno nei cloroplasti. L’EDTA, d’altro canto, molto probabilmente interferisce con un enzima proteolitico dipendente dai cationi bivalenti. In contrasto con la degradazione abbastanza rapida di enzimi stromali come Rubisco, glutammina sintetasi e glutammato sintasi osservata in cloroplasti intatti isolati da foglie di pisello mature, è stato osservato solo un catabolismo molto lento degli stessi enzimi dopo la lisi dei cloroplasti.

La degradazione della proteina stromale predominante nelle piante C ₃ , Rubisco, è stata oggetto di numerosi studi. In cloroplasti intatti, la degradazione di Rubisco provoca l’accumulo di diversi modelli di frammenti a seconda delle condizioni sperimentali specifiche (es. PH, stato energetico, concentrazioni di soluti, radicali) durante l’incubazione. È stato spesso osservato che la degradazione del Rubisco possa essere iniziata da specie reattive dell’ossigeno.

La completa idrolisi delle proteine ​​in amminoacidi liberi dipende dall’azione delle endo‐ ed esopeptidasi. Le endopeptidasi sono essenziali per la prima scissione dei legami peptidici in una proteina e, quindi, anche per l’inizio del catabolismo di questa proteina. Diversi tipi di endopeptidasi sono stati rilevati nei plastidi. L’evidenza del coinvolgimento di una metalloendopeptidasi nella degradazione delle proteine ​​dello stroma è stata presentata da diversi gruppi. Le aminopeptidasi sono presenti anche nei plastidi e possono anche contribuire alla completa degradazione delle proteine ​​stromali, soprattutto degradando i peptidi generati dall’attività dell’endopeptidasi. D’altra parte, le carbossipeptidasi (enzimi vacuolari) non sono state rilevate nei plastidi intatti. Insieme, questi dati suggeriscono che la metalloendopeptidasi e le aminopeptidasi sono enzimi chiave per la degradazione delle proteine ​​stromali.

La presenza del sistema Clp nei plastidi è stata segnalata da diversi studi negli ultimi anni. La proteasi Clp con la subunità proteolitica codificata in plastoma ClpP e la subunità ATPasi codificata nel nucleo ClpC è stata identificata in diverse specie a livello di trascrizione ea livello di proteina. Sembra probabile che questo sistema proteolitico abbia un ruolo nello sviluppo dei cloroplasti.  La proteasi Clp può anche essere importante per la degradazione dei polipeptidi nel citocromocomplesso b ₆ f. Quindi è probabile che questo sistema proteolitico sia importante principalmente prima dell’inizio della senescenza e il coinvolgimento del Clp nel catabolismo delle proteine ​​mature durante la senescenza deve essere messo in discussione. A tal fine non sono disponibili prove valide di un ruolo regolatore chiave del Clp nella rimobilizzazione delle proteine ​​stromali da foglie senescenti.

Il catabolismo proteico nei plastidi può essere controllato non solo dai livelli delle attività proteolitiche, ma anche dalla suscettibilità delle proteine ​​substrato. Oltre alle proprietà catalitiche e regolatorie di un enzima, la sua intrinseca suscettibilità all’attacco proteolitico deve essere considerata un aspetto fisiologicamente molto rilevante. Questo tipo di controllo post-traduzionale viene spesso trascurato. Le isoforme plastidiali della glutammina sintetasi  e della glutammato piruvato transaminasi sono molto più suscettibili alla proteolisi rispetto alle forme citosoliche. I risultati indicano che lo stroma contiene alcuni enzimi piuttosto fragili. Inoltre, gli enzimi stromali possono essere protetti dalla degradazione mediante l’interazione con i ligandi. Ad esempio, nei cloroplasti del pisello intatti, la glutammina sintetasi plastidiale è protetta dalla degradazione dall’inibitore metionina sulfoximina che è un analogo del substrato che si lega strettamente al sito di legame del glutammato. Rubisco d’altra parte è protetto contro la degradazione da tripsina o proteasi cloroplastiche solubili dall’inibitore naturale 2′ ‐ carbossi‐ D ‐arabinitolo 1 ‐ fosfato. Gli enzimi cloroplastici sono coinvolti nel turnover proteico durante lo sviluppo delle foglie. Non è noto se le attività proteolitiche coinvolte nel turnover proteico siano coinvolte anche nella netta degradazione delle proteine ​​cloroplastiche durante la senescenza. È possibile che tali enzimi catabolici possano funzionare nella fase iniziale (reversibile) della senescenza e che altri sistemi proteolitici diventino più rilevanti con il progredire della senescenza.