La FOTOSINTESI rappresenta la

• Fonte principale di carboidrati

• Via principale di fissazione del carbonio

• Fonte di ossigeno dell’atmosfera

Organismi fotosintetici (3.5 miliardi di anni fa):

piante, alghe, microrganismi.

La CO2 viene ridotta

dagli autotrofi, mentre i

carboidrati (glucosio)

vengono ossidati dagli

eterotrofi.

Nessuno degli atomi di

ossigeno usato per

formare i carboidrati

proviene dalla CO2

Fotosintesi Fase luminosa

Fase oscura

Come ricaviamo

energia dalla luce

La fase luminosa avviene

sulla membrana e all’interno

del tilacoide, la fase oscura

nello stroma. La sintesi di

ATP avviene analogamente

alla fosforilazione ossidativa

mitocondriale, secondo un

processo chemiosmotico.

NATURA CORPUSCOLARE

fotone

quanto (unità di energia)

E = h E = h c/

(equazione di Planck)

1 mole di fotoni = 1 Einstein

COME SI OTTIENE ENERGIA DALLA LUCE?

NATURA ONDULATORIA

lunghezza d’onda ()

frequenza ()

= c /

La fotosintesi dipende principalmente dalla luce delle regioni dello

spettro del visibile e del vicino infrarosso. Le microonde (lontano

IR) producono solo vibrazioni molecolari, hanno bassa energia.

Le radiazioni UV hanno alta energia, possono rompere legami

covalenti (ma le blocca l’ozono).

Clorofilla a e b sono simili alle protoporfirine (con Mg). Assorbono la luce nel visibile perché hanno sistemi di doppi legami coniugati. Tutti i cromofori si trovano all’interno delle membrane dei tilacoidi. La ficocianina è legata ad una proteina; le clorofille prendono contatto con i lipidi di membrana mediante il fitolo idrofobico. Le ficocianine sono presenti nelle alghe. Sono tetrapirroli lineari. L’insieme dei pigmenti e le proteine a loro associate prendono il nome di FOTOSISTEMI.

I cromofori assorbono la luce di una determinata lunghezza d’onda.

Insieme coprono tutto lo spettro del visibile.

Poiché la clorofilla a e b

assorbono nel rosso e nel

blu, la luce che non viene

assorbita ma viene riflessa è

il verde, il colore delle piante.

Nelle foglie autunnali le

clorofille vengono perse e il

colore dipende dalla

permanenza degli altri

pigmenti

STATI ELETTRONICI DELLA CLOROFILLA

Una molecola può assorbire fotoni solo di una certa lunghezza d’onda, che abbiano energia sufficiente a far salire l’elettrone da un livello energetico all’altro. L’elettrone che viene eccitato occupa un orbitale π nel sistema dei doppi legami coniugati.

Una volta eccitata la molecola può rilasciare la sua energia in vari modi: calore (conversione interna), fluorescenza (emettendo luce di lunghezza d’onda superiore, quindi di energia minore).

Nei fotosistemi ci sono

COMPLESSI ANTENNA e

CENTRI DI REAZIONE.

L’energia luminosa viene

trasferita tra i pigmenti antenna

mediante trasferimento di

eccitoni per risonanza, fino ad

incontrare il centro di reazione

dove una clorofilla perde un

elettrone perchè lo cede ad una

accettrice che ha uno stato di

eccitazione più basso. Mediante

trasferimento elettronico, una

si ossida, l’altra si riduce e

l’energia viene intrappolata e

trasformata in energia chimica.

FOTOSISTEMA =

COMPLESSO CHE RACCOGLIE LA LUCE (LHC)

La maggior parte

della clorofilla

non è coinvolta

strettamente nel

processo

fotochimico, ma

agisce come

antenna.

Monomero di LHC (centro di

raccolta della luce), proteina

immersa nella membrana del

tilacoide con evidenti le molecole

di cromofori. L’energia di un fotone

raccolta da un sistema antenna

vaga in modo casuale fino ad

incontrare un centro di reazione.

(10 -10 sec). La molecola di

clorofilla del centro di reazione è

come tutte le altre ma si trova in un

ambiente differente che fa si che il

livello energetico del suo stato

eccitato sia un po’ più basso. Da

qui inizia una serie di trasferimenti

di elettroni.

I FOTOSISTEMI sono

composti da complessi

antenna e centri di

reazione. Nei complessi

antenna, le molecole di

clorofilla servono per

concentrare la luce. Si

comportano cioè come

antenne.Si passano i

fotoni fino a raggiungere

un centro di reazione.

FOTOSISTEMA II

Fotolisi (ossidazione) dell’H2O

evoluzione di O2

formazione del gradiente protonico

FOTOSISTEMA I

produzione di NADPH

PS II e il PS I sono due centri di reazione.

Agiscono in serie

IN PIANTE, ALGHE E CIANOBATTERI

A1 è probabilmente il fillochinone. Qa e Qb sono plastochinoni. Pc è la

plastocianina, Ao clorofilla, Fx, Fa/Fb centri ferro-zolfo. Fd ferredossina

(contiene centro 2Fe-2S)

CENTRI REDOX IMPLICATI NELLA FASE LUMINOSA

Clorofille: P680, P700, feofitina, A0

Chinoni: plastochinone, fillochinone

Citocromi e centri ferro-zolfo

Plastocianina

Ferredossina

Nel PS I

CITOCROMO b6f

COMPLESSO CHE SVILUPPA OSSIGENO (OEC)

OEC contiene un gruppo di 4

atomi di manganese associati ad

una proteina che possono

assumere 4 stati di ossidazione.

Il Mn passa dallo stato Mn3+ a

Mn 4+ e cede 4 e- in sequenza

mano a mano che 4 fotoni

colpiscono P680, estraendoli

dall’atomo di ossigeno dell’acqua.

I 5 stati devono possedere

potenziali redox estremamente

elevati per poter ottenere elettroni

dall’acqua.

COMPLESSO CHE SVILUPPA OSSIGENO (OEC)

Fotofosforilazione

• I due centri di reazione PS II e il PS I agiscono in serie

in modo da accoppiare l’ossidazione di acqua alla

riduzione di NADPH.

• Il PS II estrae elettroni dall’acqua e li fornisce al PS I.

• Gli elettroni viaggiano da potenziali redox minori verso

potenziali redox maggiori.

• Il P680 ossidato formato in seguito all’eccitazione

luminosa è tra i più potenti ossidanti conosciuti, in grado

di estrarre elettroni dall’H2O tramite il sistema OEC .

• Il P700 eccitato è un debole ossidante e accetta

elettroni dalla plastocianina.

Per ogni elettrone che passa nel PSII vengono traslocati 2 H+. Poiché dall’ H2O provengono 4 elettroni, per ogni molecola di acqua ossidata si

producono 8 H+ che vanno sommati ai 4 H+ provenienti dall’H2O stessa. In totale 12 H+.

Nel trasporto non ciclico si generano 1 ATP per

ogni 3 H+ che passano dal lume del tilacoidi allo

stroma. Quindi per ogni molecola di ossigeno prodotta si generano 4 ATP.

Nei mitocondri i protoni vengono traslocati dalla pompa dallo spazio intermembrana

verso la matrice. Nei tilacoidi i protoni vengono traslocati dal lume del tilacoide verso

lo stroma

TRASPORTO CICLICO DEGLI ELETTRONI

Utilizza il PSI, il complesso b6f e la plastocianina.

Funziona quando il livello di NADP+ è basso, cioè quando NADPH è sufficiente.

La ferredossina passa gli e- al b6f e così via. In questo modo si produce più ATP, perché si liberano più protoni.

DISTRIBUZIONE SPAZIALE DEI COMPLESSI PROTEICI

Se i due fotosistemi fossero più vicini, PSII che ha una più alta energia di eccitazione

(lunghezza d’onda minore ) potrebbe trasferire il fotone al PSI comportandosi così nei suoi

confronti come un pigmento antenna. La lontananza fisica previene questo processo.

• Due fotosistemi in serie sono operanti nelle alghe fotosintetiche e nelle piante.

• Localizzati nella membrana dei tilacoidi.

• Complesso proteico transmembrana, costituito da pigmenti antenna, centro di reazione

e i trasportatori di elettroni.

• L’evento fondamentale consiste nel trasferimento di un elettrone eccitato.

• Tre complessi proteici PSII, citocromo b6f e PSI, collegati da plastochinone e

plastocianina.

• Ciascuno dei fotosistemi è una catena di trasporto di elettroni, in cui avvengono una

serie di ossidoriduzioni.

• La fonte ultima di elettroni è la molecola d’acqua, l’accettore terminale il NADP+.

• Protoni vengono rilasciati nel lume del tilacoide in due punti.

• Si forma quindi un gradiente protonico, che produrrà ATP.

• ATP e NADPH serviranno a produrre carboidrati nella fase “oscura”.

La fase “luminosa” della fotosisntesi

La fase “oscura”

La fase “luminosa”

CICLO DI CALVIN M.Calvin, J.Bassham, A.Besson 1953

14CO2

14CO2

14CO2

14CO2 14CO2

Alga fotosintetica

14CO2

14CO2

14CO2

dopo 1 hr dopo 5 sec

Miscela di metaboliti complessi :

Aminoacidi, zuccheri

3-fosfoglicerato

CICLO DI CALVIN

Stadio I: fase di

produzione

Formazione di

zuccheri a 6

atomi di

carbonio

RuBP +

stadio II

Stadio 2: fase di

recupero

Rigenerazione della

molecola accettrice

+ CO2

G3P + DHAP

FBP

Fase I

Fase II

Ru5P

DHAP Altri prodotti

chinasi carbossilasi chinasi deidrogenasi

isomerasi

1. Reazione: Condensazione del ribulosio 1,5-bifosfato + CO2

La Ribulosio bisfosfato carbossilasi

(RUBISCO) è un complesso enzimatico.

La reazione dipende da Mg2+ nel sito attivo ed è

favorita da pH alcalino.

La concentrazione di Mg2+ e il pH sono

aumentati dalla luce

Il Ribulosio bisfosfato si lega alle catene L

transketolase

transketolase

Ogni trioso fosfato sintetizzato

a partire da CO2 costa 9 ATP e

6 NADPH

glicolisi Ciclo di

Calvin

Fotorespirazione

Nelle piante è un processo analogo alla respirazione mitocondriale, ma che NON produce ATP. E’ dovuta alla attività ossigenasica della Rubisco, che non discrimina tra O2 e CO2. In una giornata di sole la velocità della fotorespirazione può essere vicina a quella della fotosintesi e costituire un notevole spreco energetico

Ciclo di Calvin

Riciclato a glicolato, che entra nei perossisomi e diventa glicina

O2

Nelle piante tropicali (ma anche

in alcune piante di interesse

agricolo) la fotorespirazione

viene evitata mediante il ciclo

C4, che usa un intermedio a 4

atomi del carbonio, ma

consuma più energia per

assimilare la CO2

Regolazione del

ciclo di Calvin. 1.

Regolazione del

ciclo di Calvin. 2.

luce

luce

L’attività della fruttosio 1,6-bisfosfatasi

è stimolata da alto pH e alta [Mg2+], che a loro

volta risento della presenza di luce

Regolazione del

ciclo di Calvin. 3.

FBP e SBP sono attivate da

un meccanismo redox

dipendente dalla luce e dalla

azione della FTR

(Ferredossina Tioredossina

Reduttasi) che riduce la

tioredossina.

FTR

FBP,

SBP

FBP