Fotosintesi E’ il solo meccanismo che consente l’immissione di energia nel mondo vivente L’energia luminosa viene utilizzata dalla fotosintesi per produrre.

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1 Fotosintesi E’ il solo meccanismo che consente l’immissione di energia nel mondo vivente L’energia luminosa viene utilizzata dalla fotosintesi per produrre sostanze organiche a partire da CO2 ed H2O Questo lavoro è svolto dagli organismi fotoautotrofici (piante, alghe e certi batteri) mentre gli organismi eterotrofici (per esempio gli animali) utilizzano le sostanze organiche prodotte dagli organismi autotrofi

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4 C6H12O6 + 6O2  6CO2 + H2O (G° = - 2870 kJ/mol)
La reazione complessiva di ossidazione completa di una mole di glucosio è data da: C6H12O6 + 6O2  6CO2 + H2O (G° = kJ/mol) La vita però non può dipendere dal solo metabolismo ossidativo come fonte ultima di energia e non può continuare a cedere il carbonio organico all’atmosfera sottoforma di CO2 Il processo inverso rispetto alla respirazione viene compiuto solo da alcuni organismi, come le piante, le alghe ed alcuni microrganismi che utilizzano l’energia solare per ottenere l’enorme quantità di energia libera necessaria: 6CO H2 O + luce  C6H12O6 + 6O2 ( G° = kJ/mol)

5 Questo processo è appunto la FOTOSINTESI, che non fornisce solo carboidrati necessari per la produzione di energia negli animali e nelle piante, ma rappresenta anche la via principale attraverso cui il carbonio rientra nella biosfera (VIA PRINCIPALE DI FISSAZIONE DEL CARBONIO) Prima dell’avvento della fotosintesi e dell’evoluzione degli organismi fotosintetici, l’atmosfera terrestre era probabilmente priva di ossigeno e molto ricca di anidride carbonica Per il loro metabolismo gli organismi pre-fotosintetici dovevano utilizzare molecole ricche di energia sintetizzate in maniera abiotica

6 Senza l’avvento della fotosintesi, queste fonti si sarebbero completamente esaurite e la vita sarebbe scomparsa. La graduale conversione operata dagli organismi fotosintetici della primitiva atmosfera non ossidante in un’atmosfera ossidante favorì la strada al metabolismo aerobico, quindi, all’evoluzione degli animali

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8 Come vedremo il fenomeno è alquanto complesso ma praticamente “perfetto” e si basa essenzialmente sul trasporto di un elettrone, ragione per la quale si conviene dire che “la vita corre sul filo di un elettrone”

9 Processi fondamentali della fotosintesi
CO H2 O + luce  [CH2O] + H2O + O2 La reazione mostra chiaramente che uno dei due atomi di ossigeno dell’anidride carbonica viene incorporato nello zucchero e l’altro nell’acqua L’energia luminosa non può tuttavia essere utilizzata DIRETTAMENTE per promuovere questa reazione, né l’acqua può ridurre DIRETTAMENTE l’anidride carbonica. In realtà in tutti gli organismi fotosintetici il processo complessivo è separato sia chimicamente che fisicamente in due processi

10 La fotosintesi può essere suddivisa in una FASE LUMINOSA, che utilizza l’energia luminosa per produrre NADPH ed ATP, rilasciando O2 durante il processo ed una FASE detta impropriamente OSCURA, che utilizza NADPH ed ATP per fissare (organicare) la CO2

11 Organismi fotosintetici ossigenici
Il processo fotosintetico nelle piante e nelle alghe, così come in certi tipi di batteri fotosintetici, coinvolge la riduzione della CO2 a carboidrati e la rimozione degli elettroni dall’H2O con il conseguente rilascio di O2 In questo processo, noto come fotosintesi ossigenica, l’acqua funziona quindi da donatore di elettroni Organismi fotosintetici anossigenici Alcuni batteri fotosintetici utilizzano l’energia luminosa, ma donatore di elettroni non è l’acqua bensì molecole diverse. Probabilmente questi organismi sono evolutivamente più antichi degli organismi fotosintetici ossigenici

12 Il cloroplasto In tutte le piante superiori e nelle alghe, il processo fotosintetico avviene in organuli cellulari detti CLOROPLASTI Nelle piante la maggior parte dei cloroplasti si trova in cellule localizzate immediatamente al di sotto della superficie fogliare, le cellule del mesofillo

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14 I CLOROPLASTI sono organelli cellulari semiautonomi in quanto dispongono di un proprio DNA, che codifica per alcune delle proteine, e di ribosomi necessari per la traduzione dei propri RNA messaggeri I cloroplasti sono delimitati da una membrana esterna, completamente permeabile, ed una membrana interna, permeabile solo in modo selettivo La membrana interna del cloroplasto racchiude un materiale gelatinoso, ricco di enzimi detto STROMA Nello stroma sono immerse delle strutture membranose a forma di sacco appiattito chiamate TILACOIDI che sono spesso impilati come monete a formare unità dette GRANA I singoli grana sono collegati tra loro irregolarmente mediante estensioni dei tilacoidi dette LAMELLE STROMATICHE La membrana del tilacoide delimita uno spazio interno definito LUMEN

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17 SINTESI DELL’ATP AD OPERA DELL’ATP-SINTASI
La divisione del lavoro all’interno del cloroplasto è semplice: L’ASSORBIMENTO DELL’ENERGIA E TUTTE LE REAZIONI DELLA FASE LUMINOSA AVVENGONO ALL’INTERNO DEL TILACOIDE O SULLA SUA MEMBRANA L’ATP ED IL NADPH PRODOTTI DURANTE QUESTA FASE VENGONO RILASCIATI NELLO STROMA CIRCOSTANTE DOVE HANNO LUOGO TUTTE LE REAZIONI IMPROPRIAMENTE DETTE DELLA FASE OSCURA E’ EVIDENTE COME ESISTANO DELLE ANALOGIE TRA LA MATRICE MITOCONDRIALE E LO STROMA E TRA TRA LA MEMBRANA INTERNA DEL MITOCONDRIO E LA MEMBRANA TILACOIDALE.  SINTESI DELL’ATP AD OPERA DELL’ATP-SINTASI

18 Assorbimento dell'energia luminosa
Per comprendere come la luce venga “catturata” ed “utilizzata” durante il processo fotosintetico, occorre prima esaminare la natura della radiazione elettromagnetica La teoria QUANTO-MECCANICA delle radiazioni afferma che la luce (come qualsiasi altra radiazione elettromagnetica) possiede due aspetti; uno ondulatorio ed uno corpuscolare La radiazione, secondo il MODELLO ONDULATORIO, può essere caratterizzata in base alla sua lunghezza d’onda () o alla sua frequenza () Se delle onde con una lunghezza d’onda pari a  ed una velocità c raggiungono un osservatore, il numero delle onde che arrivano al secondo corrisponde alla frequenza 

19  = c/ E = h = h c/ Abbiamo quindi:
Per comprendere come possiamo ottenere energia da questa radiazione luminosa è necessario considerare l’aspetto corpuscolare della radiazione Secondo la natura particellare o corpuscolare della luce, l’energia è associata ad una propagazione per fotoni, cioè un fascio di particelle luminose. Ciascun fotone è associato ad una unità di energia definita QUANTO. L’energia di ciascun quanto (cioè l’energia di un fotone) è legata alla frequenza della radiazione luminosa in base all’equazione di Planck: E = h = h c/

20 E = h = h c/.NA In termini termodinamici: G = E = h c/.NA

21 L’energia di ogni fotone è inversamente proporzionale alla sua lunghezza d’onda e quindi i fotoni del violetto e del blu (rispettivamente da 380 a 455 nm e da 455 a 550 nm) sono più energetici di quelli del rosso (da 620 a 700 nm). L’unità di misura della luce sono le moli di fotoni m-2 s -1 Si utilizza molto anche l’Einstein (E) corrispondente ad una mole di fotoni La fotosintesi dipende essenzialmente dalla luce delle regioni dello spettro visibile e dell’infrarosso vicino. La capacità di utilizzare le radiazioni luminose in questa regione ha avuto indubbi vantaggi evolutivi; infatti, la maggior parte dell’energia solare che raggiunge la terra si trova in questa regione

22 MA ATTRAVERSO QUALE MECCANISMO GLI ORGANISMI FOTOSINTETICI CATTURANO L’ENERGIA LUMINOSA?
Questi organismi hanno evoluto una serie di PIGMENTI, capaci di assorbire efficientemente la luce nel visibile e nell’infrarosso vicino Questi vengono talvolta chiamati CROMOFORI, cioè entità che assorbono la luce ad una specifica lunghezza d’onda

23 I pigmenti fotosintetici
Queste molecole coprono interamente lo spettro del visibile e, quindi, praticamente tutti i fotoni che li raggiungono vengono assorbiti o dall’uno o dall’altro di questi pigmenti I pigmenti più importanti ed abbondanti nelle piante superiori sono la CLOROFILLA a e b, che tipicamente assorbe ad una lunghezza d’onda ad di sotto di 480 nm e tra 550 e 700 nm Altri pigmenti, definiti accessori, sono il -carotene e la ficocianina Poiché sia la clorofilla a sia la clorofilla b assorbono nel blu e nel rosso, la luce che non viene assorbita, ma riflessa dai cloroplasti, è il verde, colore che associamo alla maggior parte delle piante Gli altri colori che le piante possono presentare (rosso, bruno) dipendono dalla diversa quantità dei pigmenti accessori

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26 Cosa accade quando viene assorbito un fotone di luce?
Lo stato energetico del cromoforo aumenta di una quantità pari all’energia del fotone assorbito che determina quindi uno STATO ECCITATO Questo stato di eccitazione e’ chiamato STATO SINGOLETTO

27 I pigmenti antenna I pigmenti fotosintetici si trovano tutti nelle MEMBRANE TILACOIDALI dei cloroplasti Queste membrane presentano una composizione piuttosto insolita, esse contengono infatti solo una piccola frazione di fosfolipidi, ma sono molto ricche in glicolipidi Contengono anche molte proteine ed alcune di queste sono legate ai pigmenti fotosintetici L’insieme dei pigmenti per la raccolta della luce nella membrana tilacoidale, insieme alle proteine, è organizzato in strutture ben definite e chiamate FOTOSISTEMI, UNITA’ STRUTTURALI CON IL COMPITO DI ASSORBIRE UN FOTONE LUMINOSO ED IMMAGAZZINARE PARTE DELLA SUA ENERGIA IN FORMA CHIMICA

28 La prima parte di questo processo avviene in quelli che vengono definiti COMPLESSI ANTENNA
Ogni complesso antenna è costituito da un complesso proteico a più subunità contenente diverse molecole di PIGMENTI ANTENNA (clorofille ed alcuni pigmenti accessori) Le antenne sono associate ai CENTRI DI REAZIONE costituiti da una coppia di molecole di clorofilla che intrappolano l’energia assorbita

29 Per comprendere questo processo è necessario prima puntualizzare attentamente cosa avviene quando una molecola assorbe un quanto di energia radiante L’assorbimento della luce nel visibile si traduce nella eccitazione della molecola dallo STATO FONDAMENTALE ad un livello ENERGETICO PIU’ ELEVATO Nel caso dei pigmenti fotosintetici l’elettrone che viene eccitato è tra quelli che occupano un orbitale  nel sistema dei doppi legami coniugati

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31 La fotosintesi è innescata dall’assorbimento di un fotone da una molecola delle antenne, che avviene in femtosecondi (10-15 s) e causa il passaggio dallo stato elettronico di base ad uno stato eccitato Nel giro di s lo stato eccitato decade da rilassamento vibrazionale al primo stato singoletto eccitato La molecola di clorofilla eccitata deve dissipare l’energia di eccitazione e questo è possibile attraverso diverse vie

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33 CONVERSIONE INTERNA: comune sistema di decadimento in cui l’energia elettronica viene convertita in energia di moti molecolari, cioè in calore (10-11 secondi). Molte molecole di clorofilla rimangono invece ad uno stato eccitato con minore energia FLUORESCENZA: la molecola con elettroni allo stato eccitato decade al suo stato basale emettendo un fotone con una lunghezza d’onda superiore a quella dalla quale è stato eccitato (10 -8 secondi)

34 TRASFERIMENTO DI UN ECCITONE O TRASFERIMENTO DI ENERGIA DI RISONANZA: una molecola eccitata trasferisce direttamente la sua energia di eccitazione a molecole vicine con proprietà elettroniche simili, ma in uno stato non eccitato FOTOSSIDAZIONE: una molecola donatrice eccitata dalla luce viene ossidata per il trasferimento di un elettrone ad un accettore, che viene ridotto. Ciò avviene in quanto l’elettrone è legato meno saldamente al donatore nel suo stato eccitato rispetto allo stato di base

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36 Gli studi sul processo fotosintetico sono relativamente recenti:
Hill nel 1939 scoprì che i cloroplasti isolati quando illuminati erano capaci di spingere verso prodotti termodinamicamente sfavorevoli; le sue scoperte portarono all’acquisizione che il sistema fotosintetico ossida l’acqua sino ad ossigeno senza nessuna partecipazione dell’anidride carbonica. PRIMA INDICAZIONE CHE I PROCESSI DELLA FASE LUMINOSA E DI QUELLA BUIA ERANO PROCESSI SEPARATI In seguito si scoprì l’esistenza di 2 fotosistemi (EFFETTO EMERSON o CADUTA NEL ROSSO) - Questi 2 fotosistemi sono stati oggi identificati e caratterizzati ed entrambi sono localizzati nelle membrane tilacoidali

37 Ciascun fotosistema è un complesso proteico transmembrana formato da più subunità e comprende i pigmenti antenna, le molecole di clorofilla del centro di reazione e i trasportatori di elettroni I 2 fotosistemi sono numerati in base all’ordine con cui sono stati scoperti. Il fotosistema che assorbe a 700 nm è stato chiamato FOTOSISTEMA I (PSI) e quello che assorbe a lunghezza d’onda di 680 nm è detto FOTOSISTEMA II (PSII)

38 QUESTI DUE FOTOSISTEMI SONO COLLEGATI IN SERIE PER POTER SVOLGERE L’INTERA SEQUENZA DELLE REAZIONI DELLA FASE LUMINOSA PER ENTRAMBI L’EVENTO FONDAMENTALE E’ RAPPRESENTATO DAL TRASFERIMENTO DI UN ELETTRONE ECCITATO DAL LORO CENTRO DI REAZIONE AD UNA CATENA DI TRASPORTO DI ELETTRONI

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40 LA FONTE ULTIMA DI ELETTRONI E’ RAPPRESENTATA DALLA MOLECOLA DI ACQUA, MENTRE LA META FINALE E’ LA MOLECOLA DI NADP+ CHE VIENE RIDOTTA A NADPH

41 Fotosistema II Il PSII è un complesso centrale che si trova sulla membrana tilacoidale, prevalentemente nelle regioni appressate, formato da sei polipeptidi integrati e che contiene il centro di reazione P680, costituito da due molecole di clorofilla a

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43 La funzione complessiva del PSII è quella di utilizzare l’energia luminosa per condurre due reazioni chimiche: l’ossidazione dell’acqua e la riduzione del PLASTOCHINONE. Poiché, per ridurre una molecola di CO2 sono necessari 4 elettroni, saranno necessarie 2 molecole di H2O e 4 fotoni: 2H2O + 4 FOTONI + 2PQ + 4H+  O2 + 2PQH2 + 4H+ (nel lumen) La fotochimica del PSII inizia con il trasferimento di elettroni dalla clorofilla a del P680 alla feofitina che porta alla formazione del P680+ /Pheo- Questa separazione primaria avviene nel giro di pochi picosecondi

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45 Due polipeptidi, denominati D1 e D2, sono direttamente legati al P680 e ad alcuni chinoni necessari per la fotolisi dell’acqua Oltre a questi peptidi il complesso contiene circa 40 molecole di clorofilla a, diverse molecole di beta-carotene, quattro ioni manganese, un atomo di ferro, uno o più di Ca2+, diversi Cl-, due molecole di plastochinone e due molecole di feofitina (Pheo, simile alla clorofilla a nella quale il Mg2+ centrale è stato sostituito da due atomi di idrogeno)

46 Il centro di reazione P680 riceve energia luminosa, per risonanza induttiva, da un totale di circa 250 molecole di clorofilla a e b (presenti in eguale numero) e da numerose xantofille (sistema antenna o LHCII, Light Harvesting Complex del PSII) La funzione di questo complesso è quella di assorbire l’energia luminosa e convogliarla verso il centro di reazione P680

47 Dopo l’assorbimento dell’energia da parte dei sistemi antenna ed il trasferimento di questa sino al centro di reazione del PSII, il P680, la molecola passa dallo stato fondamentale ad un livello eccitato con un potenziale di –0,8 volt (P*680) Il P*680 è diventato così un ottimo agente riducente, capace di trasferire velocemente l’elettrone eccitato dallo stesso P680 ad un accettore più primario che si trova al livello energetico più basso, la Pheo Un singolo elettrone viene trasferito da una molecola di Pheo e da questa all’accettore primario QA In seguito due elettroni vengono trasferiti, uno alla volta, ad una seconda molecola di plastochinone, detta QB

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49 Contemporaneamente il centro di reazione P680 è rimasto sprovvisto di elettroni o meglio i processi sopra descritti lo hanno trasformato in un forte ossidante P+680 capace di sottrarre gli elettroni all’acqua attraverso intermediazione del composto Z e degli stati S L’elettrone viene poi trasferito all’accettore primario del PSII, un plastochinone (QA) che si trova saldamente legato alla D2 del PSII L’elettrone è quindi trasferito ad un altro plastochinone (QB) che invece è lassamente legato alla D1 del PSII La completa riduzione del QB richiede due elettroni e due protoni

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51 Il PQH2 si distacca poi dal centro di reazione P680 e diffonde nel core idrofobico della membrana tilacoidale Successivamente, una molecola ossidata di plastochinone ritorna verso il sito della D1 e si lega a questa per essere nuovamente ridotta Poiché il sito del QB è vicino alla fase acquosa esterna della membrana, i protoni richiesti per la riduzione del plastochinone vengono presi dallo stroma Quando il PQH2 viene riossidato a PQ i due protoni vengono rilasciati nel lumen dei tilacoidi

52 Decomposizione ossidativa dell'H2O
Il PSII a questo punto ha perso gli elettroni ed ovviamente per poter ri-eccitarsi nuovamente deve compensare questo “buco elettronico” Questa funzione è svolta dal processo di fotolisi dell’acqua e sono coinvolti anche il manganese e un residuo tirosinico del PSII

53 Il radicale della clorofilla a2+ avendo un potenziale redox di +1
Il radicale della clorofilla a2+ avendo un potenziale redox di +1.1 V ed essendo divenuto quindi un forte ossidante può “strappare” un elettrone al residuo tirosinico del centro di reazione comunemente definito con il termine Z L’elettrone mancante dal residuo Z viene fornito dall’ossidazione dello ione manganese Nel PSII esistono diversi ioni manganese, probabilmente 4

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55 Questo sistema determina lo
“smembramento” di 2 molecole di acqua. L’ossigeno che si forma viene rilasciato e diffonde nel cloroplasto I 4 protoni che si liberano durante la fotolisi dell’acqua vengono rilasciati nel lumen del tilacoide dove contribuirà alla formazione del gradiente di membrana

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57 Se l’ossidazione dell’acqua precede la cattura dell’eccitone da parte del PSII, si può formare l’ossigeno radicale come prodotto intermedio questo soprattutto a bassa intensità luminose Il sistema di fotolisi dell’acqua minimizza le possibilità di formazione dei radicali dell’ossigeno attraverso il residuo tirosinico che fornisce uno per volta gli elettroni al P680+

58 Citocromo b6/f Si trova in proporzioni più o meno uguali sia nei grana che nei tilacoidi stromatici E’ una struttura costituita da diversi polipeptidi a cui sono legato uno o due anelli tetrapirrolici, molto simili al cromoforo delle clorofille Nei citocromi l’atomo centrale dell’anello è rappresentato dal FERRO e per questo motivo viene chiamato GRUPPO EME

59 E’ proprio il ferro che durante il trasporto elettronico viene ridotto a Fe2+ e quindi riossidato a Fe3+ permettendo in questo modo il trasporto degli elettroni (uno per volta) Il primo polipeptide è il citocromo b6 ed il secondo il citocromo f. Ambedue i citocromi contengono ferro nel gruppo eme Il terzo polipeptide è una ferro-zolfo proteina, implicata anch’essa nel trasporto di elettroni (proteina Rieske) L’ultimo peptide non contiene ferro e la sua funzione non è ancora nota. Sono inoltre presenti una clorofilla ed un carotenoide la cui funzione non è nota

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61 PQH2 + 4PC-Cu2+  2PQ + 4PC-Cu+ + 4H+ (NEL LUMEN)
La funzione di questo complesso è quella di riossidare il PQH2 e ridurre una piccola proteina mobile contenente rame, la PLASTOCIANINA (PC-Cu2+) PQH2 + 4PC-Cu2+  2PQ + 4PC-Cu+ + 4H+ (NEL LUMEN) La plastocianina è estremamente solubile Il trasporto degli elettroni attraverso il citocromo procede secondo un gradiente di potenziale redox di 0.4 V e l’energia liberata viene conservata per il trasporto di protoni nel lumen Come visto in precedenza il trasporto di 4 elettroni determina infatti il trasporto di 4 protoni nel lumen quando il plastochinone si riossida In realtà il numero di protoni trasportati nel lumen è superiore per l’esistenza di un ciclo Q dei plastochinoni

62 CICLO Q DEI PLASTOCHINONI
Il citocromo b6/f presenta due diversi siti per la conversione (ri-ossidazione) del plastochinone: uno collocato sul lato stromatico della membrana l’altro sul lato del lumen Il PQH2 ridotto dal PSII viene ossidato dalla proteina Rieske (centro Fe-S) nel sito adiacente al lumen. La proteina Rieske ha un potenziale redox positivo e quindi “strappa” facilmente un elettrone al PQH2 Il semichinone che si forma ha un potenziale redox veramente negativo, è instabile e trasferisce il suo elettrone al primo gruppo –eme del citocromo e da questo al secondo gruppo –eme raggiungendo così un potenziale redox di circa -0.1 V

63 In questo modo 4 protoni sono trasportati nel lumen per 2 molecole di plastochinone che si riossidano In realtà, delle due molecole di plastochinone che si formano solo una ritorna al PSII L’altra molecola diffonde nella membrana verso l’altro sito (stromatico) e viene nuovamente ridotto dall’altro gruppo –eme, riduzione accompagnata dall’ assorbimento di 2 altri protoni dallo stroma L’idrochinone (PQH2) che si genera vien quindi nuovamente ossidato dalla proteina Rieske sul lato luminale e così via In totale, il numero dei protoni trasportati dallo stroma al lumen viene raddoppiato dal ciclo Q Quando il ciclo Q è operativo il trasporto di 4 elettroni determina il trasferimento nel lumen di 8 protoni

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65 Fotosistema I La palstocianina ridotta dal cyt b6/f diffonde nel lumen tilacoidale e si lega quindi al sito positivo del PSI Il PSI è localizzato esclusivamente nei tilacoidi stromatici e nelle regioni non appressate dei grana che sono rivolte verso lo stroma Il centro di reazione del fotosistema I è costituito da più peptidi a cui è legata una coppia di molecole di clorofilla a (P700)

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67 Il PSI è costituito dal complesso antenna (LHCI) costituito da circa 100 molecole di clorofilla a e b legate a proteine L’eccitazione provocata dall’assorbimento di un fotone da parte dell’LHCI porta gli elettroni del P700 dallo stato fondamentale ad uno stato eccitato con un potenziale di circa –1,3 V. Avviene quindi nuovamente il processo di separazione della carica per cui il centro di reazione “perde” l’elettrone L’elettrone passa quindi in una catena di trasporto elettronico. Il primo accettore del PSI è una molecola di clorofilla (indicata con il termine A0) Questa passa l’elettrone ad una molecola di FILLOCHINONE (A1)

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69 2Fd(rid) + H+ + NADP +  2Fd(ox) + NADPH
L’elettrone è trasferito infine ad una serie di 3 proteine ferro-zolfo (Fx,FB ed FA) che riducono la FERREDOSSINA (Fd), una proteina molto solubile che si trova nello stroma e che contiene un centro Fe-S La Fd quindi riduce il NADP+ in una reazione catalizzata dall’enzima FERREDOSSINA-NADP RIDUTTASI producendo così il NADPH 2Fd(rid) + H+ + NADP +  2Fd(ox) + NADPH

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71 L’insieme dei due fotosistemi
Gli elettroni giunti al NADP+ attraverso il PSI si sono originati da centri di reazione P700 nel corso del processo di trasferimento di elettroni I centri di reazione ossidati prodotti (P700+) devono essere riforniti di elettroni perché la fotosintesi possa continuare Questi elettroni vengono forniti dal PSII attraverso la Pc-Cu Anche gli elettroni che il PSII dona alla Pc-Cu derivano da centri di reazione P680 nel corso del processo di trasferimento di elettroni che quindi divengono ossidati (P680+)

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74 Affinché il trasporto elettronico possa continuare è necessario che anche il P680+ venga rifornito di elettroni. Questi elettroni vengono recuperati dall’acqua, che viene scissa in presenza di un accettore di elettroni con concomitante produzione di O2 2H2O  4H+ + 4e- + O2 4e H+ + 2NADP+  2NADPH 2H2O + 2NADP+  2H+ + O2 + 2NADPH

75 Il PSI ed il PSII sono disposti nella membrana in posizioni non vicine
Il PSI nello stroma ed il PSII nelle zone dove più membrane tilacoidali si strutturano in grana Ciò rende necessario un trasporto di elettroni a distanza garantito dalla Cu-proteina mobile Plastocianina, nella parte interna del tilacoide

76 ATP sintetasi o fattore di accoppiamento
Questo complesso converte l’ADP ed il fosfato inorganico in ATP ed H2O E’ detto fattore di accoppiamento perché accoppia la formazione di ATP al trasporto di elettroni e degli H+ attraverso la membrana tilacoidale Esso è presente, insieme al PSI, soltanto nelle regioni non appressate e nei tilacoidi stromatici ed è costituito da due parti: un piede detto CF0 , che si estende dal lumen allo stroma, ed una parte sferica (testa), detta CF1, sporgente nello stroma

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80 Si è stimato che venga prodotta una molecola di ATP ogni tre protoni che passano attraverso il complesso ATP sintetasi Poiché vengono trasportati 4 H+ attraverso la catena di trasporto tilacoidale ogni 2 elettroni, può essere sintetizzata al massimo una molecola di ATP Quello appena descritto è il trasporto degli elettroni dall’acqua attraverso il PSII sino al PSI definito nel suo complesso TRASPORTO ELETTRONICO NON CICLICO e la conseguente formazione di ATP è chiamata FOTOFOSFORILAZIONE NON CICLICA

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83 Resa del trasporto elettronico cloroplastico
TRASPORTO ELETTRONICO NON CICLICO: PRODUCE O2, NADPH ed ATP Lo sviluppo di una molecola di O2 da due molecole di H2O rilascia nel lumen 4 protoni e permette il trasporto di 4 elettroni Il trasporto di 4 elettroni dal PQH2 al cyt b6 /f porta alla traslocazione di protoni nel lumen, stimata nel numero di 8 Quindi, in totale, vengono liberati nel lumen tilacoidale 12 protoni L’ATP sintetasi determina la sintesi di una molecola di ATP ogni 3 protoni trasportati dal lumen allo stroma, per cui si avrà la produzione di 4 molecole di ATP ogni 4 elettroni trasportati e per ogni mole di O2 evoluta. Per ogni molecola di ATP occorrono almeno 2 fotoni

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86 REAZIONE DI MEHLER (O2-) + Mn+  O2 + M(n-1)+
Quando la Fd si trova nello stato ridotto può avvenire che gli elettroni dal PSI vengano trasferiti all’ossigeno e si forma in questo modo il radicale superossido (O2-). Questo è il processo noto come REAZIONE DI MEHLER Il radicale quindi riduce ioni metallici presenti come il Fe o il Cu: (O2-) + Mn+  O2 + M(n-1)+ L’enzima Superossido Dismutasi (SOD) catalizza la dismutazione del radicale superossido: 2 O2- + 2H+  O2 + H2O2

87 Il radicale quindi riduce ioni metallici presenti come il Fe o il Cu:
H2O2 + M(n-1)+  OH- + Mn+ Il radicale idrossile OH- è una sostanza tossica che ossida lipidi e proteine, ma tossico è anche il perossido di idrogeno Nel cloroplasto esiste il sistema enzimatico dell’ASCORBATO PEROSSIDASI che elimina il perossido di idrogeno

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89 La distribuzione dell’energia luminosa tra il PSII ed il PSI
Nella descrizione delle diverse componenti che costituiscono il trasporto di elettroni si è sottolineato che i due fotosistemi hanno una diversa localizzazione al livello delle membrane tilacoidali Recentemente è stato dimostrato che il rapporto PSII/PSI varia da 0,43 a 4,1 e che i rapporti più alti si trovano nelle piante tenute a bassissima intensità di luce A breve termine (meno di 30 secondi) i fotosistemi si adattano in modo tale che si abbia la ridistribuzione dell’energia tra il PSII ed il PSI

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91 SPILL-OVER: ridistribuzione dell’energia tra il PSII e il PSI
Attraverso ciò si ha l’effettivo spostamento di alcuni pigmenti e proteine del sistema antenna annesso al PSII che si associano al PSI nei tilacoidi stromatici I LHCII trasferiscono più energia luminosa al PSI e non ne trasferiscono al PSII. Lo spostamento è reso possibile dal fatto che le proteine dei complessi antenna acquistano una maggiore carica negativa per fosforilazione con ATP attraverso una proteina chinasi Si ha così la formazione di una carica negativa sulle proteine, che determina il distacco delle proteine dell’LHCII e dei pigmenti ad esse associati, che vengono attratti verso specifiche proteine del PSI, con carica positiva, nei tilacoidi stromatici

92 La luce ha la seguente funzione:
ad elevate intensità luminose si ha l’assorbimento preferenziale da parte del PSII e la riduzione di numerose molecole di PQ a PQH2 che, a loro volta, attivano la proteina chinasi il processo dello spill-over da parte del PSI provoca l’ossidazione delle molecole di PQH, blocca la fosforilazione e consente l’idrolisi dei gruppi fosforici delle proteine mobili dell’LHCII ad opera di una fosfatasi. La perdita dei gruppi fosforici riduce la carica negativa delle proteine che tornano, quindi, nelle regioni appressate dei tilacoidi e trasferiscono l’energia luminosa al PSII

93 FOTOINIBIZIONE Un problema frequente per le piante è rappresentato dal fatto che spesso la luce irradiante è superiore a quella richiesta per la sintesi di ATP e NADPH Questa situazione si può presentare anche quando le piante si trovano in situazioni di stress biotici o abiotici per cui il processo di fotoassimilazione della CO2 Questo determina essenzialmente una situazione di sovra-eccitazione e quindi di riduzione dei diversi componenti del trasporto elettronico La FOTOINIBIZIONE è il processo per cui il PSII, o meglio il centro di reazione P680, si trova in uno stato di sovra-eccitazione

94 La causa principale di danneggiamento è rappresentata dalla presenza della clorofilla nello stato di tripletto che può portare alla formazione dell’ossigeno singoletto Pigmenti accessori come i CAROTENOIDI sono capaci di convertire lo stato tripletto della clorofilla e lo stato singoletto dell’ossigeno allo stato basale formando lo stato tripletto dei carotenoidi che dissipa l’energia in eccesso sotto forma di calore I carotenoidi svolgono quindi un’importante ruolo protettivo nei confronti della clorofilla

95 Trasporto elettronico ciclico
Esiste una via alternativa a quelle lineare o non-ciclica nel trasporto degli elettroni; questo processo è definito TRASPORTO ELETTRONICO CICLICO Gli elettroni una volta giunti al PSI invece di essere trasferiti al NADP+ , vengono passati dalla Fd(Fe3+) al complesso cytb6/f e da qui ritornano attraverso la Pc-Cu al P700 In questa via non prende quindi parte il PSII e non si ha fotolisi dell’acqua. Viene prodotto comunque ATP (approssimativamente una molecola) per ogni coppia di elettroni che completa il ciclo attraverso la così detta FOTOFOSFORILAZIONE CICLICA

96 Trasporto elettronico ciclico: produce solo ATP
Non si ha ovviamente liberazione di O2 e non viene prodotto NADPH. Questo tipo di trasporto sembra essere necessario per la produzione di ATP nelle situazioni in cui il NADPH è abbondante mentre scarseggia l’accettore di elettroni, NADP+ Questo tipo di trasporto è molto più efficace nella produzione di ATP, in quanto produce 2/3 di moli di ATP (2 protoni) per fotone assortito

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