Processo che converte

Energia luminosa in

Energia chimica e

coinvolge molte molecole

diverse:

pigmenti

enzimi

accettori e trasportatori di

e-

Componenti funzionali dei cloroplasti

Sono quelli legati al processo

più importante che ha sede

nei cloroplasti: la fotosintesi.

La fotosintesi è effettuata dagli

organismi autotrofi che possiedono

strutture, pigmenti e enzimi in grado

di catturare l’energia luminosa.

Con questo processo gli organismi sono in grado di (1) trasformare l’energia luminosa in energia chimica sotto forma di energia di legame (ATP) e di energia di potenziale di ossidoriduzione (NADPH) e di (2) organicare e ridurre la CO2.

luce (h)

6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6O2 (-684 kcal)

clorofilla

Consta di due fasi:

1) Fase luminosa (o fotochimica)

2) Fase di carbonificazione

• Sui tilacoidi sono presenti:

• Complessi antenna: assorbono e trasferiscono l’Energia

luminosa

• Centri di reazione: trasformano l’energia luminosa in

Energia di tipo ossidoriduttivo

• Enzimi: es. ATPasi

• Accettori e trasportatori di elettroni

FASE LUMINOSA (reazioni fotochimiche)

ha luogo nei tilacoidi

-cattura dell’energia luminosa e foto-eccitazione della clorofilla

-fotolisi dell’acqua e produzione di potere ossidante O2

-produzione di potere riducente NADPH

-produzione di energia chimica ATP

• FASE di carbonificazione

• ha luogo nello stroma

• cattura e fissazione (riduzione) della CO2

organicazione del C

• consumo di ATP e di NADPH

Nello stroma sono presenti:

Enzimi: convertono l’Energia accumulata come ATP e NADPH in

carboidrati e altri composti

-enzima RuBisCO

-enzimi del Ciclo di Calvin-Benson (o ciclo C3)

-enzimi per la sintesi e la degradazione dell’amido

-enzimi per la riduzione e l’organicazione dell’azoto

The yellow loops indicate the positions of the

active-site.

è particolarmente lento: fissa solo 3

molecole di CO2 al secondo; in

compenso è l’enzima più

abbondante sulla Terra

l’enzima Rubisco,

ribulosio bifosfato carbossilasi/ossigenasi,

è il ponte tra sistema vivente e sistema non-vivente

è composto da 8 copie di una grossa proteina (blue & light

blue), codificata dal DNA cloroplastidiale e sintetizzata

nello stroma, e da 8 copie di una proteina più piccola (red &

orange), codificata dal DNA nucleare, sintetizzata nel

citoplasma e poi importata.

I pigmenti sono sostanze che

assorbono specifiche lunghezze

d’onda e hanno un colore

corrispondente alle lunghezze

d’onda che non assorbono e che

riflettono.

PIGMENTI FOTOSINTETICI

*

Le clorofille sono

metallocomposti della

famiglia delle porfirine.

L’anello porfirinico, simile

all’eme dell’emoglobina, ha

una serie di doppi legami

coniugati (cioè un legame C-

C alternato a C=C)

Al centro dell’anello: atomo

di Mg coordinato con i 4

atomi N

In natura quattro clorofille:

Clorofilla a: in tutti gli organismi fotosintetici

(procarioti e eucarioti)

Clorofilla b: Archeoplastidia, Proclorofita

(anche alghe euglenoidi)

Clorofilla c: in molte alghe eucariote (non appartenenti

agli Archeoplastidia)

Clorofilla d: rara (in poche alghe rosse e in un

solo cianobatterio)

*

Clorofilla a: coda di fitolo,

alcol alifatico esterificato

all’anello D, che rende le

molecole idrofobiche;

presenza di un gruppo

metilico CH3 all’anello B.

Clorofilla b: identica,

ma con gruppo aldeidico

(-CHO) al posto del

metilico

Clorofilla c: manca la coda

di Fitolo, al suo posto H

Clorofilla d: con -CHO al

posto del gruppo H2C=CH

Carotenoidi: pigmenti liposolubili dal

giallo all’arancio; presenti in tutti gli

organismi fotosintetici. Formati da molte

unità isoprenoidi che possono formare

agli estremi della molecola un anello

esagonale. Si dividono in 2 categorie:

Caroteni: es. Β-carotene (carote) e

licopene (pomodoro)

Xantofille: derivati ossigenati, es.

zeaxantina (cariossidi mais)

Pigmenti accessori

le clorofille

presentano un

minimo di

assorbimento

nella regione del

verde.

Per le piante, la

luce

monocromatica

di questo

colore equivale

a buio

completo

Tornando al processo fotosintetico….

Nei cloroplasti i pigmenti fotosintetici sono legati alle

membrane tilacoidali.

I pigmenti sono associati tra loro e ad altre molecole a

formare dei complessi chiamati FOTOSISTEMI: ognuno è

costituito da 250 a 400 molecole di pigmenti.

Ogni fotosistema è costituito da più di 200 molecole di clorofilla a,

piccole quantità di clorofilla b, carotenoidi legati a proteine, e

molecole di clorofilla speciale, chiamate P, presenti nel centro di

reazione.

I pigmenti del fotosistema assorbono E luminosa (fotoni) e si

eccitano, trasferendo poi E ad un’altra molecola per risonanza.

Parte idrofobica

Anello tetrapirrolico

Fosfolipidi

di

membrana

CENTRO DI REAZIONE

Da Museth, 2006

fotone

fotone

I FOTOSISTEMI

e- : da

ossidazione

acqua

e- :vanno →

NADP+ che si

riduce a

NADPH

I Centri di Reazione sono due, indicati come P 680 e P 700.

P 700: consiste di una clorofilla a dimerica (ma una

sola si ossida)

P 680: è compresa nelle proteine integrali di membrana

tilacoidale D1 e D2, precisamente in quella D1.

P 680 fa parte del Fotosistema II

P 700: fa parte del Fotosistema I

Il primo Fotosistema ad entrare in funzione è il

Fotosistema II, che tuttavia è stato scoperto dopo il

Fotosistema I, da cui il nome.

Clorofilla a Clorofilla a

FOTOSISTEMA II FOTOSISTEMA I

Fotolisi

dell’acqua

L’O2 è un

sottoprodotto

della

fotosintesi

O2 O2

O2

FOTOSISTEMA I: localizzato

prevalentemente nei tilacoidi intergrana

e sui margini dei tilacoidi dei grana.

FOTOSISTEMA II: localizzato

prevalentemente nelle zone

appressate dei grana (partizioni)

PSII e PSI lavorano in serie a trasferire elettroni dalla fotolisi dell’acqua a una B-

vitamina nota come NADP+. Dalla ossidazione delle clorofille si ottengono

elettroni eccitati che vengono trasferiti tramite appositi transfer. L’e- dal PII

passa al PI, che, in seguito a eccitazione, ha ceduto il proprio e- al NADP+. L’e-

perso dal PII è subito rimpiazzato attraverso fotolisi dell’acqua.

PSI * e PSII* sono i centri di reazione ossidati: sono ossidanti fortissimi che devono

essere ridotti molto velocemente (nanosecondi 10-9). Per ridurre il PSII, gli elettroni

vengono strappati all’acqua tramite il “complesso evolvente ossigeno”, una parte

del PSII che sporge nel lume tilacoidale, tramite fotolisi dell’acqua. Per ridurre il PSI,

esso riceve tramite trasportatori l’elettrone perso dal PSII.

La produzione di ATP, benchè endoergonica, è possibile grazie al gradiente di H+

presente tra stroma e lume.

accumulo di protoni H+

Il complesso evolvente ossigeno

Principalmente come

conseguenza della

fotolisi dell’acqua, nel

lume si accumulano

protoni e si crea un

gradiente tra lume e

stroma.

I protoni passano

allo stroma attivando

l’ ATP sintetasi con

guadagno di Energia

e fosforilazione di

ADP ad ATP

The ATP synthase complex transports protons across the thylakoid

from lumen to stroma. These protons flow down an electrochemical

gradient and the energy released by that flow is trapped on the stroma

side of the membrane by ATP synthesis.

PSI non è un ossidante abbastanza forte da strappare elettroni attraverso

la fotolisi dell’acqua (difficilissima da ossidare). D’altra parte il PSII

“energizzato” non è un riduttore abbastanza forte da donare elettroni

al NADP+.

Perché due fotosistemi ?

Quindi ambedue i Fotosistemi sono necessari per

l’ossidazione dell’acqua e per la riduzione del NADP+.

Il sistema di trasporto elettroni (ETS) è un gruppo di proteine carrier di

membrana o periferiche, interagenti nel trasporto di elettroni. L’ETS fra i

due fotosistemi è dato da feofitina, plastochinone, citocromi b ed f e

plastocianina. L’ETS dopo il PSI consiste di quinoni, proteine con zolfo e

ferro, ferrodossina e una flavoproteina che riduce il NADP+. Questa

successione è chiamata trasporto aciclico.

I prodotti della

fase luminosa

Fase di carbonificazione Consiste di una serie di reazioni

enzimatiche che portano alla

formazione di carboidrati partendo da

CO2, ATP e NADPH. Si svolge nello

stroma.

Le reazioni sono catalizzate da enzimi

presenti nello stroma e organizzate nel

“CICLO di CALVIN” o “ciclo riduttivo dei

pentoso fosfati” (PCR)

1) carbossilazione: è

catalizzata da Rubisco;

aggiunge 1 molecola di

CO2 ad uno zucchero a 5

atomi di C (ribulosio 1,5

difosfato)

2 molecole stabili di

un composto a 3

atomi di C = 3 fosfo

gligerato =3-PGA

2) Reazioni di riduzione che portano alla formazione della gliceraldeide 3-

fosfato = GAP, un trioso che farà da mattone per la costruzione di tutti gli altri

zuccheri e di molte altre molecole organiche. L’energia necessaria è fornita

da NADPH e ATP (fase luminosa)

3) Reazioni di rigenerazione che portano a ricostruire il ribulosio 1,5

bifosfato in modo che sia disponibile il nuovo substrato su cui agirà la

Rubisco

L’organicazione di 36

molecole di CO2

porta alla sintesi un

esoso (6C) e 6

molecole del pentoso

(5x6 = 30 C)

necessarie all’azione

della Rubisco.

Per 1 molecola di

CO2 sono necessarie:

3 molecole di ATP e 2

di NADPH

+ Ribulosio-1,5- bifosfato

2 molecole di G3P Il GAP può essere usato nel metabolismo

plastidiale (es. amido primario) o essere

esportato nel citosol mediante uno specifico

traslocatore dei trioso fosfati, inserito nella

membrana interna del cloroplasto, che scambia

i triosi con P (da utilizzare nella sintesi di ATP).

Durante il giorno la quantità di zuccheri prodotta può essere superiore rispetto

alla quantità consumata o esportata nel citosol per il metabolismo della cellula.

All’interno del cloroplasto l’eccesso viene polimerizzato a amido, detto amido

primario, e deposto sotto forma di piccoli granuli all’interno del cloroplasto.

Durante la notte, questo amido

viene idrolizzato in zuccheri solubili,

sia per essere usato nel

metabolismo cellulare, sia per

essere traslocato ai plastidi di

riserva , gli amiloplasti, dove si

accumula come amido secondario.

Cloroplasto con

granuli di amido

primario

Giovane amiloplasto con

residui del sistema

lamellare e grandi granuli di

amido secondario

I prodotti della

fase di

carbonificazione

Non solo zuccheri,

anche aminoacidi,

grassi, ecc.