Autore Bruno Pacifici

Processo complessivo: ossidazione dell’acqua Õ cede elettroni, liberando O₂

riduzione CO₂

Mentre nella combustione o nella respirazione degli animali gli elettroni sottratti ai composti organici si combinano con gli H⁺ e con un forte accettore di elettroni, l’O₂, a formare H₂O, nella fotosintesi gli elettroni devono essere portati “in salita” dall’ H₂O ad un debole accettore di elettroni, la CO₂

IMP: l’O₂ prodotto dalle piante non deriva dalla CO₂, ma dall’H₂O.

Nel 1951 fu ipotizzato e confermato che il ruolo normale del NADP⁺ nei cloroplasti fosse la riduzione di CO₂.

La luce quindi

r Come le membrane dei tilacoidi nei cloroplasti catturano energia luminosa e la utilizzano

per formare ATP e NADPH

· Le cellule adulte delle foglie contengono alcune centinaia di cloroplasti

· Secondo un principio fondamentale nell’assorbimento della luce, definito legge di Stark Einstein, una molecola può assorbire un solo fotone per volta Þ posso avere un solo elettrone eccitato per volta

· L’energia degli elettroni eccitati di diversi pigmenti deve essere trasferita ad un centro di raccolta (centro di reazione). Nei tilacoidi ci sono 2 centri di reazione entrambi contenenti clorofilla . Il processo di conversione dell’energia inizia quando una molecola di clorofilla è eccitata da un quanto di luce (un fotone) e un elettrone viene mosso da un orbitale molecolare ad un altro ad energia superiore. Questa molecola eccitata è instabile e tenderà a tornare allo stato originale non eccitato in tre modi:

1. Convertendo l’energia in calore e luce (fluorescenza)

2. Trasferendo l’energia ad una molecola adiacente di clorofilla per risonanza

3. Trasferendo l’elettrone ad alta energia ad un'altra molecola vicina (un accettore di elettroni) e ritornando allo stato originale prendendo un elettrone a bassa energia da qualche altra molecola (un donatore di elettroni)

· Nei tilacoidi ciascun fotone eccita un elettrone di un carotenoide o di una clorofilla. Questa appare verde perché asorbe poco le lunghezze d’onda del verde, che invece riflette o trasmette.

· Si registra una differenza tra spettro d’assorbimento e spettro d’azione perché sebbene le lunghezze d’onda del verde e del giallo siano scarsamente assorbite, esse sono ripetutamente riflesse da un cloroplasto all’altro nel complesso sistema di cellule fotosintetizzanti. Ad ogni riflessione si verifica l’assorbimento di una piccola porzione di quelle lunghezze d’onda, fino a raggiungere il 50% o più ed a provocare la fotosintesi.

· L’associazione della clorofilla con le proteine dei tilacoidi determina la presenza di ulteriori picchi. Due di questi, a circa 680 e 700nm, sono particolarmente interessanti.

r L’effetto Emerson: cooperazione di fotosistemi

Nella fotosintesi cooperano due gruppi separati di pigmenti, detti fotosistemi. Le lunghezze d’onda rosse + lunghe sono assorbite da un solo fotosistema (I) mentre un altro (II) assorbe a lunghezze d’onda minori di 690 nm. La reazione sotto sintetizza in che modo il PS I ed il PS II utilizzano l’energia luminosa per ossidare l’H₂O e trasferire i suoi due elettroni al NAD+ formando così il NADPH

r Il fotosistema II

Complesso centrale con 6 polipeptidi contenente il centro P680

Ad esso sono associati 3 polipeptidi periferici

La maggior parte del PS II è presente nelle regioni appressate dei tilacoidi

Il P680 riceve energia da circa 250 molecole di clorofilla a e b e da numerose xantofille. Agiscono da sistema antenna che assorbe e trasferisce energia al P680.

L’energia viene usata per ridurre il plastochinone ossidato PQ a PQH₂ prendendo gli elettroni dall’H₂O.

Per ossidare l’acqua ci vogliono due fotoni

Per ridurre la CO₂ sono necessarie due molecole di H₂O Þ

r Il complesso citocromo b6- citocromo f

Trasferisce elettroni dal PS II all’ I ossidando il PQH₂ e riducendo una proteina contenente rame, detta plastocianina. Nel contempo si ha trasporto di H⁺ dallo stroma al lumen.

r PS I

Assorbe energia indipendentemente dal PS II, tuttavia ha un complesso centrale isolabile che riceve dal PS II elettroni originariamente derivati dall’H₂O.

· È localizzato esclusivamente nei tilacoidi stromatici e nelle regioni non appressate dei grana, che sono rivolte verso lo stroma.

funzione: ossidare la plastocianina e trasferire l’elettrone ad una ferrosolfoproteina, la ferridossina impiegando nel processo un’ altro fotone.

Gli elettroni della ferridossina mobile sono utilizzati nello stadio finale del trasporto per ridurre NADP⁺ e formare con H⁺ il NADPH

r L’ATP sintetasi:

· È il 4° complesso dei tilacoidi

· Produce ATP e H₂O da ADP + Pi usando il trasferimento di elettroni e degli H⁺

· È presente solo nei tilacoidi stromatici e nelle regioni non appressate dei tilacoidi dei grana

Perché è richiesta energia?

L’H₂O è termodinamicamente difficile da ossidare,

mentre il NADP⁺ è moderatamente difficile da ridurre

Perché il graduale trasferimento degli elettroni?

Contribuisce ad arrestare le reazioni inverse che impedirebbero l’ossidazione dell’ H₂O

Il riducente è solo il NADPH, l’ ATP facilita la riduzione

Il primo prodotto rilevabile dell’attività fotosintetica:

acido 3 fosfoglicerico (si trova in forma ionizzata, avendo perso l’H⁺ del gruppo carbossilico e

salificato come la maggior parte degli acidi col K⁺)

· La sostanza che si accumulava era uno zucchero a 5 atomi di carbonio, fosforilato ad entrambe le estremità, detto ribulosio 1,5 bisfosfato (RuBP)

· Successivamente si aveva una rapida caduta? del livello di 3PGA marcato, il che indicava che il ribulosio bisfosfato era il normale substrato al quale si sommava il CO₂ per formare il PGA

r Fissazione della CO₂

In presenza di CO₂ uno dei due 3PGA prodotti sarà marcato con ¹⁴C mentre l’altro resta non marcato. L’enzima che catalizza il passaggio è la rubisco (costituisce il 50% delle proteine globali del cloroplasto) .

r Il ciclo di Calvin

· Osservando la successione con cui i diversi zuccheri fosfati venivano marcati si osservava che la maggior parte del ¹⁴C nel 3PGA si trovava nel gruppo carbossilico, ma erano marcati anche gli altri due atomi di carbonio

C’era una via metabolica ciclica che, partendo dal 3PGA formava gli altri zuccheri fosforilati e riconvertiva alcuni dei suoi atomi di carbonio nel RuBP

· Viene effettuato nello stroma dei cloroplasti e si divide in:

carbossilazione, riduzione, rigenerazione

per ciascun CO₂ fissato sono necessari 2 NADPH e 2ATP. Una terza molecola di ATP è utilizzata nella fase di rigenerazione.

· In tre cicli si fissano 3 molecole di CO₂ e si produce una molecola di 3PGA

· Alcune molecole di 3PGA sono utilizzate per formare l’amido. Altre sono convertite in didrossiacetone fosfato, un triosio che consentirà di formare il saccarosio, i polisaccaridi della parete cellulare e centinaia di altri composti trasportati fuori dai cloroplasti per mezzo di un sistema di antiporto.

r La via C₄ degli acidi bicarbossilici: una via diversa.

La CO₂ viene fissata inizialmente in acidi a 4 atomi di carbonio: malico e aspartico

· esistono tuttavia specie con proprietà intermedie e si pensa rappresentino stadi di evoluzione intermedi.

· Il grande interesse che hanno suscitato le C₄ deriva dall’importanza economica di alcune di esse e dal fatto che, in condizioni di elevata irradianza e temperatura, hanno una maggiore attività fotosintetica e producono una quantità di biomassa sensibilmente maggiore.

VANTAGGI:

1. Nelle piante C₃ l’attività fotosintetica è spesso limitata dal livello di CO₂ nell’atmosfera, mentre le piante C₃ sono molto meno limitate poiché, di fatto, pompano CO₂ nelle cellule della guaina del fascio, trasportandovi acido malico o aspartico.

2. Ad elevata temperatura la CO₂ è meno solubile nell’acqua dei cloroplasti e questo effetto fa diminuire l’attività fotosintetica delle C₃ più di quanto faccia diminuire quella delle piante C₄.

3. Stress idrico e chiusura stomi limitano l’ingresso della CO₂ avvantaggiando ancora le C₄ sulle

C₃

r La fotorespirazione

Sebbene la ribulosio bisfosfato carbossilasi aggiunga di preferenza CO₂ a ribulosio 1,5-bisfosfato, può utilizzare anche O₂, e se la concentrazione di CO₂ è bassa viene addizionato O₂.

Questo è il primo passaggio di una via chiamata fotorespirazione, il cui effetto ultimo è il consumo di O₂ e la liberazione di CO₂ senza produzione di depositi utili di energia.

La fotorespirazione può essere un problema serio per le piante in condizioni calde e secche, in cui chiudono i loro stomi per evitare l’eccessiva perdita di acqua.

· In piante come il mais e nella canna da zucchero il ciclo di fissazione del carbonio avviene solo nei cloroplasti delle cellule della guaina del fascio, che contengono tutta la rubisco della pianta. Queste cellule sono protette dall’aria e circondate da uno strato specializzato di cellule del mesofillo che pompano CO₂ nelle cellule di questa guaina

· Il costo di pompaggio della CO₂ nella C₄ costa energia, ma negli ambienti caldi e secchi questo costo può essere inferiore all’energia persa dalla fotorespirazione nelle piante C₃

· Inoltre, poiché le C₄ possono svolgere la fotosintesi a concentrazioni + basse di CO₂ internamente alla foglia, devono aprire meno i loro stomi e possono fissare il doppio di carbonio per unità d’acqua perduta rispetto alla C₃

L’O₂ inibisce la fotosintesi in tutte le specie C₃ , persino il livello di O₂ esistente nell’atmosfera. Questo non avviene nelle C₄ .

· Oggi sappiamo anche che l’attività respiratoria totale alla luce, nelle foglie delle specie C₃ , è anche 2 o 3 volte maggiore di quella al buio e

· in condizioni naturali la respirazione provoca la liberazione di una quantità di CO₂ variabile da 1/3 a ¼ di quella contemporaneamente fissata dalla fotosintesi.

· Negli organi fotosintetizzanti illuminati la respirazione consta di due processi:

-quello che si verifica anche al buio in tutte le parti della pianta

-uno molto più rapido dipendente dalla luce: la fotorespirazione

Il consumo di O₂ per fotorespirazione nelle C₄ è quasi nulla perché :

sia la rubisco che altri enzimi del ciclo di Calvin sono presenti solo nelle cellule della guaina del fascio e, inoltre, la concentrazione di CO₂ in quelle cellule è mantenuta a livelli così alti che l’O₂ non può prevalere nella competizione col CO₂.

Le reazioni di fissazione del C, che iniziano nello stroma del cloroplasto e continuano nel citosol, producono saccarosio.

La fotosintesi è bilanciata da feedback che interconnettono i processi di formazione di ossigeno e di riduzione della CO₂.