La fotosintesi.

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1 La fotosintesi

2 Le trasformazioni, orientate alla produzione di materia
organica, subite dall'acqua e dall'anidride carbonica sono processi che non avvengono spontaneamente, ma hanno bisogno di un notevole apporto di energia dall'esterno per poter essere svolti (si parla, in questo caso, di reazioni "endoergoniche"). La luce del Sole, catturata dai pigmenti fotosintetici, forniscono l'energia necessaria ad alimentare l'intera serie di reazioni chimiche.

3 Influenza sull’ambiente
Il fatto che la superficie della Terra (a differenza di quel che accade negli altri pianeti del Sistema Solare) sia un luogo tanto adatto per il manifestarsi delle innumerevoli forme di vita che ci circondano, si deve principalmente a due cause: 1. la presenza dell'acqua allo stato liquido, 2. la presenza dell'ossigeno nell'atmosfera.

4 FASE OSCURA (avviene sempre) HA LUOGO NEI CLOROPLASTI
La reazione complessiva della fotosintesi può essere così riassunta: Anidride carbonica x CO2 + y H2O => Cx(H2O)y + x O2 acqua zucchero ossigeno FASE LUMINOSA FASE OSCURA (avviene sempre) HA LUOGO NEI CLOROPLASTI

5 Amido: Farine Patate Semi di cereali e altri Cellulosa Tutte le erbe giovani e quindi anche alberi Zuccheri ……dolci Saccarosio (il solito zucchero) Fruttosio Maltosio (zucchero per fare la birra…. Si trova nell’orzo) Zucchero di canna…… Galattosio: lo zucchero del latte…

6 I carboidrati zuccheri vengono costituiti utilizzando l'anidride carbonica dell'aria, che viene ridotta per mezzo dell’idrogeno estratto dall’acqua. L’energia luminosa necessaria per alimentare il processo è catturata dal pigmento verde clorofilla, presente nelle foglie. L’acqua è un donatore di elettroni di atomi di idrogeno piuttosto povero (potenziale redox di 0,82 V contro un valore di -0,82 V del NADH).

7 Alla base di tutta la complessa serie di reazioni che portano ad
ottenere tale equazione, troviamo la scissione dell'acqua nei suoi componenti. 2 H2O => O2 + 4 H+ + 4 e- L'ossigeno viene liberato sotto forma di gas O2 (l'ossigeno molecolare dell'aria, appunto), mentre l'idrogeno (sotto forma di ioni H+ ed elettroni) è poi utilizzato nelle reazioni successive per trasformare la CO2 in carboidrati. L'acqua è una molecola stabile, quindi poco reattiva, e il processo della sua scissione è una reazione fortemente endoergonica, che per avvenire ha bisogno di essere alimentata dall'energia solare (si parla infatti di "fotolisi", ossia "scissione per mezzo della luce").

8 Per mezzo della fotolisi, l’energia radiante della luce solare viene convertita in energia chimica, dato che le molecole di idrogeno e di ossigeno contengono una quantità maggiore di energia chimica rispetto alla molecola d’acqua da cui sono derivate. La clorofilla, a normali temperature e con l’energia della luce visibile, scinde le molecole d’acqua, svolgendo un lavoro che, in condizioni ordinarie, richiede temperature di circa 2000°C o una forte corrente elettrica.

9 Proprio la fotosintesi, svolta nel corso di centinaia di milioni di anni da piante e batteri fotosintetici, sarebbe responsabile delle trasformazioni che hanno portato l'atmosfera del nostro pianeta alla sua attuale composizione. Gli organismi fotosintetici avrebbero dunque trasformato radicalmente la nostra atmosfera, estraendo l'ossigeno gassoso dall'acqua e riducendo notevolmente la proporzione di anidride carbonica (oggi vicina allo 0,03%). Strato di ozono

10 La radiazione luminosa è costituita da fotoni, in grado di
colpire i pigmenti fotosintetici e di eccitare gli elettroni ad un livello energetico più alto (teoria quantistica). La luce però ha anche propagazione di tipo ondulatorio ed è dotata di una lunghezza d'onda caratteristica, dalla quale dipende la quantità di energia trasportata (teoria ondulatoria).

11 RAGGI GAMMA da 10-3 a 10-6 nm RAGGI X da 1 a 10-3 nm ULTRAVIOLETTO da 103 a 1 nm LUCE VISIBILE circa 103 nm INFRAROSSO da 103 a 106 nm MICROONDE da 106 a 109 nm ONDE RADIO > 109 nm (1 m)

12 Lo spettro dei colori della luce visibile va dalla zona del violetto
(a circa 400 nm) a quella del rosso (a circa 750 nm). Nell'intervallo compreso tra le zone del rosso e del viola troviamo tutti gli altri colori, tra i quali anche quelli delle radiazioni utilizzate dalle piante per la fotosintesi.

13 I fatto che la fotosintesi utilizzi la luce visibile piuttosto che le altre zone dello spettro elettromagnetico è probabilmente legato alla maggior abbondanza delle radiazioni luminose rispetto a tutte le altre (la nostra atmosfera è trasparente alla luce visibile) per cui gli organismi, come le piante, in grado di sfruttarle avrebbe sarebbero stati favoriti da un punto di vista evolutivo. Inoltre, le radiazioni a lunghezza d'onda più grande di quelle del rosso (oltre 750 nm) hanno scarsa energia, che per la maggior parte è assorbita dall'acqua come calore, mentre quelle a lunghezza d'onda minore della luce viola (sotto i 400 nm) ne hanno troppa e, se assorbite, degraderebbero rapidamente molte molecole biologiche.

14 I pigmenti sono sostanze chimiche che appaiono colorate perché, quando vengono illuminate dalla luce bianca, sono in grado di assorbire solo alcune radiazioni dello spettro luminoso, mentre si lasciano attraversare da tutte le altre. La molecola di un pigmento che rientri tra le sostanze organiche (categoria alla quale appartengono anche i pigmenti fotosintetici), presenta caratteristiche chimiche ben precise. I pigmenti organici contengono infatti (accanto a particolari gruppi funzionali, detti "cromofori" se sono colorati di per sé, o "auxocromi" se aumentano l'intensità del colore) e una serie di "doppi legami coniugati“.

15 Un doppio legame isolato assorbe infatti radiazioni nella zona
dell'ultravioletto, ma se viene "coniugato" con altri doppi legami, l'assorbimento si sposterà nel campo della luce visibile (e, all'interno di questo, dalla zona del viola a quella del rosso). In altre parole, quanto maggiore è il numero dei doppi legami coniugati, tanto maggiore sarà la lunghezza d'onda assorbita dal pigmento. L'assorbimento di una radiazione luminosa da parte di un pigmento è un fenomeno che riguarda l'attivazione di uno o più elettroni periferici che fanno parte del sistema dei doppi legami coniugati. Quando cioè un fotone di frequenza appropriata (ossia un fotone che trasporta l'esatta quantità di energia per quella certa transizione) colpisce una molecola di pigmento, gli elettroni dei doppi legami passano dal loro normale livello energetico (stato fondamentale) ad un livello energetico più alto (stato energetico "eccitato").

16 Tre doppi legami coniugati assorbono a circa 260 nm.
La sostanza appare bianca perché tutte le frequenze del visibile sono riflesse. Cinque doppi legami coniugati assorbono a circa 330 nm. Sette doppi legami coniugati assorbono a circa 380 nm. La sostanza appare verde perché tutte le frequenze del visibile sono riflesse, ad eccezione di quella viola assorbita. Nove doppi legami coniugati assorbono a circa 425 nm. La sostanza appare giallo-verde perché tutte le frequenze del visibile sono riflesse, ad eccezione di quella blu-viola assorbita. Undici doppi legami coniugati (es. carotenoidi) assorbono a circa 450 nm. La sostanza appare giallo-arancione perché tutte le frequenze del visibile sono riflesse, ad eccezione di quella blu assorbita.

17 L'energia assorbita dal pigmento può essere poi riemessa in
modi molto diversi a seconda dei casi e dello stato eccitato raggiunto. 1.Riemissione sotto forma di radiazione luminosa avente minore energia e quindi lunghezza d'onda maggiore di quella assorbita: questo fenomeno si definisce fluorescenza. In pratica l'elettrone sale al livello eccitato con un solo salto, mentre ridiscende allo stato fondamentale con due o più salti (l'energia di ognuno dei quali è una frazione di quella assorbita). E' il fenomeno con cui i carotenoidi assorbono le radiazioni blu-violette e riemettono le radiazioni rosse che possono essere assorbite dalla clorofilla. 2.Riemissione lenta di radiazione luminosa. Questo fenomeno viene definito fosforescenza.

18 3.Dissipazione dell'energia sotto forma di calore, che riporta
l'elettrone del pigmento allo stato fondamentale o ad uno eccitato a minore energia; 4.Trasferimento dell'elettrone eccitato ad una molecola accettore, dopo di che l'elettrone perduto deve essere rimpiazzato a spese di un'altra molecola che funge da donatore di elettroni (ad esempio, la clorofilla cede l'elettrone eccitato ad un accettore, sostituendolo, subito dopo, con un altro elettrone proveniente dall'acqua, nei cloroplasti). In termini ossido-riduttivi, l'elettrone ceduto inizialmente (riduzione dell'accettore) viene rapidamente sostituito da un elettrone ceduto da una seconda molecola (ossidazione del donatore). L'intero fenomeno è appunto definito ossido-riduzione.

19 Clorofille e carotenoidi
Come tutti i pigmenti, anche i pigmenti fotosintetici sono caratterizzati da uno "spettro di assorbimento". Lo spettro di assorbimento è una curva, rappresentata in un diagramma che riporta in ascisse la lunghezza d'onda ed in ordinate l'entità dell'assorbimento ("Assorbanza", indicata con "A" e definita come il logaritmo del rapporto tra l'intensità di luce che raggiunge il pigmento, "luce incidente"= I0, e quella che lo attraversa senza essere assorbita, "luce trasmessa"= I). A = log (Io / I)

20 I pigmenti Lo spettro di assorbimento ci dà la misura dell'intensità
luminosa che viene assorbita per ciascuna lunghezza d'onda, quindi ci può fornire utili informazioni riguardanti la natura dei pigmenti fotosintetici. I principali pigmenti fotosintetici sono certamente le clorofille: specialmente la clorofilla a, il pigmento che innesca le reazioni della fase luminosa e la clorofilla b. Esistono, tuttavia, altri tipi di pigmenti definiti “accessori” quali i carotenoidi (β-carotene, xantofilla) e le ficobiline (ficoeritrina e la ficocianina di cianobatteri e alghe rosse).

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22 L'efficacia relativa delle varie lunghezze d'onda sulla prima
fase della fotosintesi è deducibile dallo "spettro d'azione fotosintetico", un diagramma simile allo spettro d'assorbimento, tranne che per il fatto di riportare in ordinate la velocità della fotosintesi, anziché il semplice assorbimento di luce. Lo spettro d'azione fotosintetico mostra un andamento parallelo allo spettro d'assorbimento della clorofilla a, con piccole differenze (le bande di frequenze efficaci nel promuovere la fotosintesi sono più ampie di quelle assorbite dalla clorofilla) dovute alla presenza dei pigmenti accessori. Questi sono, infatti, in grado di assorbire luce in zone diverse dello spettro e di trasferire, poi, la loro energia di attivazione alla clorofilla a.

23 L'immagine mostra lo spettro d'assorbimento della clorofilla a (in alto) confrontato con lo spettro d'azione della fotosintesi (in basso).Come si può osservare, i due spettri hanno un andamento parallelo in molte zone (le differenze sono dovute all'influenza dei pigmenti accessori sulla velocità della fotosintesi).

24 La clorofilla La molecola della clorofilla a è
caratterizzata da un "nucleo porfirinico" formato da quattro anelli pirrolici, un atomo di magnesio (Mg) e numerosi doppi legami coniugati. E' la parte evidenziata in verde, in quanto è responsabile dell'assorbimento di energia luminosa e, quindi, della colorazione verde della clorofilla stessa. Può essere paragonata a una vera e propria antenna ricevente. . Oltre al "nucleo porfirinico", la molecola presenta una lunga catena idrocarburica, detta "fitolo". Questa può essere paragonata in qualche modo all'asta che sostiene l'antenna. La catena del fitolo è infatti la porzione della molecola che permette l'ancoraggio della clorofilla allo strato lipidico della membrana dei tilacoidi

25 I carotenoidi La molecola del β-carotene è
caratterizzata da ben undici doppi legami coniugati, che le conferiscono la ben nota colorazione giallo-arancione (è la parte evidenziata, appunto, in arancione). I cloroplasti sono in grado di assorbire una banda di radiazioni molto ampia nella zona del viola-blu-azzurro, per cui riescono ad utilizzare anche le frequenze non assorbite dalla clorofilla. Il loro ancoraggio, nella membrana dei tilacoidi, è simile a quello del fitolo.

26 La foglia

27 Gli stomi Le uniche cellule dell'epidermide ricche di cloroplasti (e quindi in grado di svolgere la fotosintesi) sono proprio le "cellule di guardia" degli stomi. Tutte le altre cellule epidermiche sono trasparenti alla luce, che le attraversa per andare a colpire i tessuti sottostanti, i clorenchimi, innescando la prima fase della fotosintesi.

28 I cloroplasti Cloroplasti in una foglia di muschio

29 Doppia membrana esterna
Serie di membrane interne sovrapposte e collegate fra loro in modo da ottenere il massimo sviluppo di area superficiale: sono le membrane fotosintetiche, quelle in cui si trovano "ancorati" i pigmenti destinati a catturare la luce solare. Vescicole, o sacchetti (tilacoidi), alcuni dei quali impilati gli uni sugli altri in strutture simili ad ammassi (grana) I grana sono collegati tra loro da altre membrane con struttura lamellare (intergrana). I tilacoidi sono immersi in una soluzione (stroma), caratterizzata da un alto contenuto di proteine (specialmente enzimi, tra i quali quelli destinati a formare i carboidrati).

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31 E' stato ipotizzato che tutti i tilacoidi siano, in qualche modo,
collegati tra di loro, in modo da formare un’unica cavità interna. Questo spazio interno servirebbe (come vedremo, in seguito) da sito di accumulo per gli ioni H+ liberati nella prima fase della fotosintesi (il gradiente formato dai quali, ai due lati della membrana dei tilacoidi, è assai importante per fornire energia alla sintesi chemiosmotica di ATP).

32 I cloroplasti, nelle piante superiori, sono piccoli e numerosi ed hanno sempre forma lenticolare.
Nelle alghe verdi, invece, i cloroplasti sono pochi e di grandi dimensioni. La loro forma è molto variabile e caratteristica per ciascuna specie. All'interno di questi cloroplasti sono ben distinguibili, anche al microscopio ottico, uno o più corpi tondeggianti detti "pirenoidi", che sono i siti di accumulo dell'amido primario appena formato.

33 In effetti, rispetto alla membrana che ricopre il cloroplasto, la
membrana dei tilacoidi presenta diverse peculiarità. In particolare, nella membrana tilacoidale troviamo tre gruppi di molecole importantissime. 1.I fotosistemi, di cui il PS II presente soprattutto sulla membrana dei tilacoidi impilati in grana e il PS I più esterno per essere accessibile al NADP+ nello stroma. Per "fotosistema" si intende l'insieme dei pigmenti fotosintetici, che comprende i pigmenti antenna (accessori) e i pigmenti del centro di reazione (tra cui la cosiddetta "coppia speciale" di molecole di clorofilla a, che fa partire le reazioni della fase luminosa).

34 L'ampio sviluppo superficiale di cui è dotata, il rapporto al
piccolo volume racchiuso nello spazio interno dei tilacoidi, permette alla membrana di sfruttare al meglio la luce ricevuta, creando rapidamente un'alta concentrazione di ioni H+. 2.Il sistema di trasporto elettronico del cloroplasto, in grado di ricevere gli elettroni perduti dalla clorofilla, in seguito all'assorbimento di luce. 3.I complessi proteici dell'ATP-sintetasi, in grado di sfruttare il gradiente di ioni H+, creatosi tra lo spazio interno dei tilacoidi e lo stroma, per produrre molecole di ATP con meccanismo chemiosmotico.

35 Nella fase luminosa i pigmenti fotosintetici assorbono
l'energia radiante del sole e la trasformano in energia chimica (sotto forma di legami fosfato nelle molecole di ATP e come potere riducente nel NADPH). In questa fase viene utilizzato l'idrogeno dell'acqua e rilasciato O2 come sottoprodotto. Nella fase oscura l'ATP e il NADPH formati nella prima fase riducono l'anidride carbonica, utilizzandola per sintetizzare i carboidrati.

36 Lo schema seguente mostra le due semireazioni
(l'ossidazione dell'ossigeno dell'acqua e la riduzione dell'anidride carbonica) in modo separato 2 H2O ===> O2 NADP+ + 3 ADP +3 Pi <=====> NADPH + H+ +3 ATP [CH2O] =====> CO2

37 La cattura dell’energia luminosa
I fotoni che, attraversando gli strati dell'epidermide ed entrando nel cloroplasto, raggiungono la membrana dei tilacoidi, e colpiscono i fotosistemi. Ciascun fotosistema è composto da due subunità complementari: il gruppo dei pigmenti antenna ed il centro di reazione fotochimico. In quest’ultimo avviene la separazione di carica che dà inizio a una serie di reazioni redox.

38 I fotosistemi PS I con più chl A assorbe a 700 nm e il suo centro di reazione prende il nome di P700 PS II con chl A = chl B assorbe a 680 nm e il suo centro di reazione prende il nome di P680 (fotosintesi ossigenica da 3 mld di anni).

39 In questo esempio la radiazione riemessa è identica a quella assorbita

40 In questo esempio vengono riemesse più radiazioni,
La somma delle cui energie è identica all'energia della radiazione assorbita.

41 Nel caso della clorofilla a in un centro di reazione, l'elettrone
"ridiscende" (in termini energetici) in più tappe, ma anziché attraversare i livelli energetici della molecola di partenza fino allo stato fondamentale, fa la sua discesa abbandonando la clorofilla e trasferendosi agli orbitali di molecole vicine, posti a livelli energetici via via più bassi. In altri termini, l'elettrone della clorofilla, una volta raggiunto il suo stato eccitato viene perduto dalla clorofilla stessa (che resta carica positivamente) e ceduto ad un accettore di elettroni che si trova nello stesso complesso del centro di reazione, da dove, successivamente, continuerà la sua "discesa energetica" passando alle altre molecole del sistema di trasporto elettronico.

42 Le reazioni della fase luminosa
1) IL TRASPORTO DI ELETTRONI

43 L’energia luminosa, alimentando una reazione redox
endoergonica, viene trasformata in energia elettrica in forma di cariche elettriche separate (cioè di differenza di potenziale): avendo perso un elettrone, la clorofilla rimane carica positivamente e la molecola di accettore che ha acquisito l’elettrone porta una carica negativa. Le reazioni del trasferimento elettronico possono essere considerate come una serie di ossidoriduzioni, in cui ogni molecola si comporta, di volta in volta, da accettore e donatore di elettroni (riducendosi e acquistando energia e, poi, ossidandosi di nuovo e tornando alla sua energia di partenza).

44 La figura rappresenta il cosiddetto "schema Z", che prende il
nome dal modo in cui viene generalmente rappresentata la traccia lasciata dal movimento degli elettroni e che riassume i passaggi fondamentali della fase luminosa della fotosintesi. Come si vede lo schema è diviso in due segmenti, uno per ogni fotosistema: il primo segmento (quello alimentato dal fotosistema II) riguarda la fotolisi dell'acqua e la produzione di ATP (e viene perciò detto "segmento ATP"), il secondo (alimentato dal fotosistema I) riguarda il destino finale degli elettroni e la produzione di NADPH.

45 Feofitina (no Mg2+) 2 H2O  O2 + 4 H+ + 4 e- (sono richiesti 4 fotoni)

46 ----------------------------
Fotosistema II P hν  P680* P680* + Ph (feofitina)  P Ph- 2 Ph- + QA  2 Ph + QA2- QA H+ (dallo stroma) QBH2 4 P H+ + 2 QB + 4 hν  4 P QBH2 Complesso che scinde l’acqua 4 P Tyr (pro D1 - PSII)  4 P Tyr+ 4 Tyr+ + [complesso Mn]0  4 Tyr + [complesso Mn]4+ [complesso Mn]4+ + 2H2O  [complesso Mn]0 + 4 H+ + O2 2 H2O + 4 fotoni  4 H+ (nel lume) + 4 e- (al PSII) + O2 (gas) TOTALE = 2 H2O + 2QB + 4 hv  O2 + 2 QBH2

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49 Trasferimento dal PS II al PS I
QBH2 (mobile)  cyt bf (cyt b563 2 eme, Fe-S, cyt c552)  plastocianina (Cu+/++)

50 2 H2O + 2 NADP+ + 8 hv  O2 + 2 NADPH + 2 H+
Fotosistema I P700* Ao A1 (fillochinone)  Fe-S  Fd (ferredossina 2Fe-2S) Ferredossina-NADP+ ossidoreduttasi (Fp) 2Fd2+red + 2H+ + NADP+ (nello stroma) 2 Fd3+ox + NADPH + H+ Reazione totale della fase luminosa 2 H2O + 2 NADP+ + 8 hv  O2 + 2 NADPH + 2 H+ 4 fotoni assorbiti in in ogni PS 6 H+ nel lume (2 dallo stroma e 4 dall’acqua) pH 8 nello stroma e pH 4,5 nel lume

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52 Riassumendo, il flusso degli elettroni nelle membrane dei tilacoidi
ha convertito l’energia luminosa in due forme: 1. Il potenziale ridotto del NADPH, che sarà successivamente usato nella fissazione del carbonio. 2. Il gradiente di H+ attraverso la membrana dei tilacoidi. La generazione di questa riserva di H+ e la sua utilizzazione per alimentare la sintesi chemiosmotica di ATP, insieme vengono chiamate fosforilazione fotosintetica (o fotofosforilazione).

53 ADP + Pi + (luce)  ATP + H2O
Gli elettroni a volte seguono un diverso itinerario di trasporto elettronico. Questa via è chiamata flusso di elettroni ciclico perché la clorofilla P700, nel fotosistema I, funge contemporaneamente da donatore e da accettore finale di elettroni (a colori, nella figura seguente). Ciò si verifica quando la maggior parte del NADP+ è stato ridotto, e ne rimangono poche molecole disponibili ad accettare elettroni. Gli elettroni allora cedono la loro energia al segmento-ATP del sistema di trasporto elettronico, dove vanno ad incrementare la riserva di H+ nello spazio interno dei tilacoidi (con produzione di ulteriori molecole di ATP). ADP + Pi + (luce)  ATP + H2O

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55 Le reazioni della fase luminosa
2) LA SINTESI CHEMIOSMOTICA DI ATP

56 Man mano che il trasporto degli elettroni procede, la
concentrazione di H+ nel lume interno dei tilacoidi va sempre più aumentando, mentre nello stroma rimane bassa. Si crea così un notevole gradiente di concentrazione (la concentrazione degli ioni idrogeno all'interno dei tilacoidi arriva ad essere anche 3000 volte superiore a quella dello stroma) associato ad un'energia potenziale che è in grado di compiere un lavoro. La membrana dei tilacoidi è impenetrabile a questi ioni, tranne che in corrispondenza di particolari canali proteici associati ai complessi dell'ATP-sintetasi: la rapida diffusione di H+ nello stroma cede l'energia potenziale associata al gradiente all'ATP-sintetasi, che la utilizza immediatamente per La sintesi di nuove molecole di ATP.

57 Le frecce in rosso indicano il passaggio di protoni, quelle in blu il passaggio di elettroni

58 Complesso CF0CF1 = ATP sintetasi
Il meccanismo con il quale la fosforilazione di ATP è accoppiata alla diffusione di ioni idrogeno secondo il gradiente di concentrazione è detto chemiosmosi (o fotofosforilazione). Un meccanismo simile si incontra anche nei processi respiratori che avvengono nei mitocondri. Complesso CF0CF1 = ATP sintetasi CF0 (transmembrana) = 2 a, b, b’, 6-12 c CF1 (periferica) = 3 a, 3 b, g, d, e Stechiometria ancora incerta, ma 1 o 2 ATP per coppia di protoni

59 Resa della fotosintesi
6 CO2 + 6 H2O + (luce)  C6H12O6 + 6 O2 DE libera standard = 2840 kJ/mole Nella fotosintesi sono spesi, per mole di glucosio prodotta, da 8160 a kJ (a seconda della lunghezza d’onda dei fotoni) Resa = dal 20% al 34%

60 Le reazioni della fase oscura
LA FISSAZIONE DEL CARBONIO Granuli di amido secondario di fagiolo

61 Nelle reazioni della fissazione del carbonio (definita anche, a
volte, come organicazione del carbonio) l'anidride carbonica viene legata ad una preesistente molecola di carboidrato e ridotta a formare un nuovo carboidrato (con un atomo di carbonio in più), grazie all'energia dall'ATP e l'idrogeno dal NADPH, entrambi prodotti dalle reazioni della cattura energetica. Si dice che il carbonio viene "fissato", perché si ha l'incorporazione di un gas (la CO2) in una molecola "fissa", solida. Si parla invece di organicazione perché l'anidride carbonica, che è inorganica, viene trasformata nella materia organica dei carboidrati. Gli enzimi che catalizzano queste reazioni si trovano nello stroma dei cloroplasti. CICLO DI CALVIN-BENSON ( ) o CICLO C-3

62 1. ATP e NADPH hanno entrambi una vita breve. Il
Che bisogno hanno di arrivare fino alla formazione dei carboidrati? I motivi sono, fondamentalmente, due. 1. ATP e NADPH hanno entrambi una vita breve. Il loro stesso alto contenuto energetico le rende estremamente instabili. Le molecole di ATP sono state giustamente paragonate alle monete in circolazione: un discorso analogo può essere fatto per il NADPH. Entrambe le molecole devono essere "spese" rapidamente, subito dopo essere state "guadagnate" (con la differenza che il NADPH può essere "speso" solo nelle reazioni di riduzione). I carboidrati accumulati, oltre ad essere molecole stabili (che possono durare nel tempo o, secondo le necessità, essere rapidamente convertiti in energia) costituiscono gli scheletri carboniosi di base su cui la pianta (attraverso opportune modifihe) costruirà tutte le molecole organiche necessarie al suo metabolismo.

63 La fissazione del carbonio inizia con l'attacco dell'anidride
carbonica sul ribulosio bifosfato. La risultante struttura a sei atomi di carbonio viene immediatamente idrolizzata a due molecole di fosfoglicerato (PGA) a tre atomi di carbonio ciascuna. 3 a) Fissazione + 3 ATP Ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi 3 3 Ribulosio-5-fosfato Ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi 6 2 Pi 6 1,3-fosfoglicerato chinasi b) Riduzione (isoenzimi glicolitici che funzionano con il NADPH) c) Rigenerazione dell’accettore 6 6 Pi 5 Gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi 6 1) GLICOLISI 2) SINTESI ESOSI E AMIDO 1 (netto) 6

64 Di conseguenza, è stato osservato che la Rubisco è la più abbondante
L'enzima che catalizza questa reazione è la ribulosio bifosfato carbossilasi (Rubisco). Dal momento che le reazioni catalizzate dalla Rubisco rimangono ancora piuttosto lente, le piante producono quantità enormi di questo enzima, che, da solo, raggiunge circa il 25% di tutto il materiale proteico presente nei cloroplasti ed i 50% di quello dello stroma. Di conseguenza, è stato osservato che la Rubisco è la più abbondante proteina presente sulla Terra! M= Nello STROMA 8 subunità grandi (sito attivo) = 56000 8 subunità piccole (???) = 14000

65 I composti intermedi della reazione della Rubisco

66 IL DESTINO DEL 3-FOSFOGLICERATO… Rigenerazione del ribulosio-1,5-bisfosfato. Si combina con il didrossiacetone fosfato (aldolasi e fruttosio-1,6-bisfosfatasi) a formare fruttosio-6-fosfato e glucosio-1-fosfato, un precursore dell’amido. Convertito in diidrossiacetone fosfato (trioso fosfato isomerasi), poi trasportato dal cloroplasto nel citosol (antiporto P-trioso fosfato), e infine degradato nella glicolisi (sintesi acidi grassi e aminoacidi) o utilizzato per la sintesi di fruttosio-6-fosfato e quindi di saccarosio (linfa elaborata) o per il trasporto netto di NADPH/NADH e ATP nel citosol. Convertito in cellulosa o in altri costituenti saccaridici della parete cellulare.

67 RIGENERAZIONE DEL RIBULOSIO-1,5 BISFOSFATO
Via inversa della via ossidativa del pentosio-fosfato, che converte gli esosi fosfato in pentosi fosfato e viceversa. La transchetolasi trasferisce un gruppo a due atomi di C di un chetosio donatore al gruppo prostetico TPP dell’enzima e poi ad un aldosio accettore. La TPP lega un gruppo chetolico CH2OH-CO- Trioso fosfato isomerasi Trioso fosfato isomerasi Aldolasi Fruttosio-1,6- bisfosfatasi Transchetolasi Aldolasi Sedoeptulosio -1,7-bisfosfatasi Transchetolasi Ribulosio-5-fosfato chinasi

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69 3 RuBP + 3 CO2 + 3 H2O + 6 NADPH + 6 H+ + 9 ATP ==>
3 RuBP + 6 NADP+ + 8 Pi + 9 ADP + 1 gliceraldeide-3-P Per rigenerare 9 ATP (con soli 8 Pi) c’è bisogno di importare dal citosol nello stroma un gruppo fosfato (ANTIPORTO Pi-trioso fosfato (DHAP)) sulla membrana interna dei cloroplasti, impermeabile agli altri composti. L'ADP, il Pi e il NADP+ ottenuti dal ciclo C3 sono di nuovo disponibili per ricevere energia nelle reazioni della fase luminosa e vengono quindi riciclati per formare nuovi ATP e NADPH. Per la mancanza di Rubisco e ribulosio-5-P-chinasi gli animali non possono convertire la CO2 in glucosio.

70 Piante contro Animali Le piante hanno sequenze di reazioni uniche per ridurre la CO2 a triosi fosfato, associate anche alla via riduttiva del pentosio fosfato. Negli animali invece, la sintesi di carboidrati necessita sempre di precursori con almeno tre atomi di C e con uno stato di ossidazione più basso della CO2. Le piante possono utilizzare CO2 come unica fonte di carbonio (autotrofi) per la biosintesi non solo di carboidrati, ma anche di lipidi e proteine. Negli animali invece, non possono ridurre la CO2 per formare glucosio e le poche reazioni di fissazione diretta della CO2 vedono la CO2 immediatamente persa nelle reazioni succesive (piruvato carbossilasi nella gluconeogenesi con CO2 fissato nell’OAA; acetil-CoA carbossilasi nella sintesi degli AG; carbamil fosfato sintetasi I nel ciclo dell’urea).

71 Regolazione della fotosintesi
Quando la [CO2] è troppo elevata, il gruppo ε-NH2 di una Lys della rubisco si lega spontaneamente a CO2 (non quella fissata) e il carbamato che si forma lega uno ione Mg2+ (necessario per la catalisi). L’enzima viene così attivato. A [CO2] ambientali, il blocco della rubisco è superato grazie alla carbamilazione ad opera della rubisco attivasi, a spese di 1 ATP. La rubisco è inibita dal 2-carbossiarabinitolo-1-fosfato, un analogo del β-chetoacido intermedio della reazione della rubisco. Questo composto è anche chiamato “inibitore notturno” perché sintetizzato in alcune piante durante periodi di buio per ridurre la fissazione della CO2.

72 Alcuni enzimi stromali (rubisco attivasi, fruttosio-1,6-bisfosfatasi) necessitano di ambienti alcalini e con la presenza di Mg2+, due condizioni che si verificano solo in presenza di luce, quando H+ è importato nei tilacoidi e Mg2+ esportato nel citosol. Ribulosio-5-P chinasi, fruttosio-1,6-bisfosfatasi e la sedoeptulosio-1,7-bisfosfatasi sono regolati dalla condizione dei loro residui Cys (ossidati inattivi, ridotti attivi). PS I  ferredoxina  tioredoxina (S-S  2 –SH)  enzimi regolabili (S-S  2 –SH).

73 “Alternative” alla clorofilla
BATTERI CHEMIOSINTETICI scoperti nel 1880, ricavano energia senza l’uso della clorofilla: assorbono andride carbonica al buio e non liberano ossigeno. Ricavano energia ossidando composti di zolfo o di ferro. BATTERIOCLOROFILLE composti simili alla clorofilla, presenti in alcuni batteri, che permettono di di convertire la CO2 in composti organici sfruttando l’energia luminosa e a volte anche l’infrarosso, cosa che la normale clorofilla non riesce a fare. Tuttavia le batterioclorofille non riescono a catalizzare la fotolisi e quindi a favorire l’accumulo della grande quantità di energia prodotta da questa reazione.

74 Conclusioni Tutti i metodi per ricavare energia da fonti primarie, escluso quello che utilizza la luce solare tramite la clorofilla, esistono solo in rare e particolari condizioni e sono essenzialmente un “binario morto”, in quanto nessun organismo più evoluto di un batterio ha utilizzato questi metodi con successo. Per quasi tutte le forme di vita, la clorofilla e la fotosintesi, direttamente o indirettamente, sono la base della vita.