Il flusso ciclico degli elettroni

In certe condizioni, gli elettroni fotoeccitati prendono una via alternativa, detta flusso

ciclico degli elettroni, che utilizza il fotosistema I ma non il fotosistema II. Nella figura

2.13 si può vedere che il flusso ciclico è un cortocircuito: gli elettroni passano dalla ferredossina (Fd) al complesso dei citocromi e da lì continuano fino alla clorofilla P700. In questa via non c'è produzione di DPH né liberazione di ossigeno ma produzione di ATP: essa è detta fotofosforilazione ciclica per distinguerla dalla fotofosforilazione non ciclica. Quale è la funzione del flusso ciclico degli elettroni? Il flusso non ciclica degli elettroni produce ATP e NADPH pressoché nella stessa quantità, tuttavia il ciclo di Calvin consuma più ATP che NADPH; il flusso ciclico degli elettroni compensa la differenza. La concentrazione di NADPH nel cloroplasto può contribuire a regolare la scelta di quale delle due vie, quella ciclica o quella non ciclica, viene percorsa dagli elettroni nelle reazioni alla luce. Se il cloroplasto difetta di ATP per il ciclo di Calvin, il NADPH inizia ad accumularsi allorché questo rallenta. L'aumento dei livelli di ATP può stimolare una temporanea diversione dal flusso non ciclico a quello ciclico degli elettroni fintantoché i livelli di ATP soddisfano la domanda.

Figura 2.13. Il flusso ciclico degli elettroni. Gli elettroni fotoeccitati provenienti dal fotosistema I possono occasionalmente essere deviati a ritroso da ferredossina (Fd) alla clorofilla attraverso il complesso dei citocromi e la plastocianina (Pc). Questa deviazione del flusso degli elettroni incrementa la sintesi dell’ATP ma non produce NADPH. Nel disegno è aggiunto, rappresentato come un’ombra, il diagramma del flusso degli elettroni non ciclico per un migliore confronto col flusso ciclico. Le due molecole di ferredossina mostrate nel disegno sono in effetti una , la stessa – il trasportatore finale degli elettroni nella catena di trasporto degli elettroni del foto sistema I.

Il meccanismo effettivo di sintesi dell'ATP è il medesimo se la fotofosforilazione è alimentata dal flusso non ciclico oppure dal flusso ciclico degli elettroni.

2.2.12 Confronto fra la chemioosmosi nei cloroplasti e nei mitocondri

Cloroplasti e mitocondri generano ATP attraverso il medesimo meccanismo fondamentale: la chemioosmosi. Una catena di trasporto degli elettroni intessuta in una membrana pompa protoni attraverso la membrana stessa allorché gli elettroni vengono fatti scorrere attraverso una serie di trasportatori progressivamente più elettronegativi. In questo modo, le catene di trasporto degli elettroni trasformano energia redox in una forza protono-motrice, energia potenziale depositata sotto forma di gradiente di ioni H+ ai due lati della membrana. Intessuto nella medesima membrana, si trova il complesso della ATP sintasi, che accoppia la diffusione degli idrogenioni nella direzione del loro gradiente di concentrazione alla fosforilazione dell'ADP. Alcuni dei trasportatori di elet- troni, tra cui le proteine contenenti ferro dette citocromi, sono molto simili nei cloroplasti e nei mitocondri. Anche i complessi della ATP sintasi dei due organuli sono assai simili. Tuttavia esistono importanti differenze tra la fosforilazione ossidativa dei mitocondri e la fotofosforilazione dei cloroplasti. Nei mitocondri, gli elettroni ad alta energia che hanno attraversato la catena di trasporto sono estratti dalle molecole degli alimenti (che vengono così ossidate); invece i cloroplasti non necessitano di alimenti per produrre ATP: i loro fotosistemi catturano l'energia luminosa utilizzandola per spingere gli elettroni all'apice della catena di trasporto. In altre parole, i mitocondri tra- sferiscono energia chimica dalle molecole degli alimenti all'ATP mentre i cloroplasti trasformano energia luminosa in energia chimica.

Anche l'organizzazione spaziale del macchinario molecolare della chemioosmosi è differente nei cloroplasti e nei mitocondri (fig. 2.14).

Figura 2.14. Confronto della chemioosmosi nei mitocondri e nei cloroplasti. In entrambi i tipi di organuli, le catene di trasporto degli elettroni pompano protoni (H+) attraverso una membrana da una regione a bassa concentrazione di H+ (in marrone chiaro nel disegno) ad una regione a concentrazione maggiore (in colore marrone più scuro). Quindi i protoni diffondono indietro attraverso la membrane passando per la ATP sintasi, permettendo col loro flusso la sintesi dell’ATP. Il disegno identifica le regioni ad alta e quelle a bassa concentrazione di ioni H+ nei due organuli.

La membrana interna dei mitocondri pompa protoni dalla matrice mitocondriale nello spazio intermembrana, che quindi serve da contenitore di idrogenioni che alimenta l'attività della ATP sintasi. La membrana dei tilacoidi del cloroplasto pompa protoni dallo stroma nello spazio dei tilacoidi, che funziona anch'esso da contenitore di ioni H+. La membrana dei tilacoidi sintetizza ATP allorché gli idrogenioni diffondono dallo spazio dei tilacoidi nello stroma attraversando i complessi della ATP sintasi, le cui protuberanze catalitiche si trovano sul lato stroma tale della membrana. Cosi l’ATP si forma nello stroma, dove viene utilizzato per fornire energia alla sintesi degli zuccheri durante il ciclo di Calvin.

Figura 2.15. Reazioni alla luce e chemioosmosi: l’organizzazione della membrana dei tilacoidi. Questa figura mostra il modello dell’organizzazione della membrana dei tilacoidi attualmente accettato. Le frecce gialle mostrano il percorso del flusso non ciclico degli elettroni gìà evidenziato nella figura 2.12. Quando gli elettroni passano da un trasportatore all'altro nelle reazioni redox, ioni idrogeno vengono sottratti allo stroma e depositati nello spazio dei tilacoidi, depositando energia sotto forma di forza protono – motrice (gradiente di ioni H+). Almeno tre tappe delle reazioni alla luce contribuiscono alla generazione del gradiente protonico: 1. L’acqua viene decomposta dal fotosistema II sul lato della membrana rivolto verso lo spazio dei tilacoide; 2. quando il plastochinone (Pq), un trasportatore mobile, trasferisce elettroni al complesso dei citocromi, i protoni vengono traslocati attraverso la membrana e 3. uno ione idrogeno viene rimosso dallo stroma quando viene catturato, insieme a due elettroni, da una molecola di NADP+. La diffusione degli ioni H' dallo spazio dei tilacoidi allo stroma (seguendo il loro gradiente di concentrazione) fornisce energia alla ATP sintasi. Queste reazioni alimentate dalla luce depositano energia chimica nel NADPH e nell’ATP, che trasferiscono tale energia al ciclo di Calvin per la produzione di molecole di zucchero.

Il gradiente protonico, o gradiente di pH, ai due lati della membrana dei tilacoidi è sostanziale. Quando i cloroplasti vengono illuminati, il pH nello spazio dei tilacoidi cade a circa 5 mentre quello dello stroma sale a circa 8. Questo gradiente di tre unità pH corrisponde a una differenza di concentrazione degli ioni H+ pari a 1000 volte. Se in laboratorio vengono spente le luci, il gradiente di pH viene annullato ma può essere rapidamente ripristinato accendendo di nuovo la luce. Basata su studi effettuati in numerosi laboratori, la figura 2.15 mostra un modello recente dell’organizzazione del “macchinario” molecolare responsabile delle reazioni alla luce presente nella membrana dei tilacoidi. Ognuna delle molecole e dei complessi molecolari mostrati nella figura è

presente in numerose copie in ogni tilacoíde. Si noti che il NADPH, come l’ATP, viene prodotto sul lato della membrana che guarda lo stroma, dove avvengono le reazioni del ciclo di Calvin.

Il flusso non ciclico degli elettroni spinge questi via dall'acqua, dove sono a un basso livello di energia potenziale, fino al NADPH, dove sono depositati a un livello elevato di energia potenziale. La corrente elettronica prodotta dalla luce genera anche ATP. Così, l'equipaggiamento molecolare della membrana dei tilacoidi trasforma energia luminosa nell'energia chimica depositata nelle molecole di NADPH e ATP. (L’ossigeno è un prodotto secondario). Nel prossimo paragrafo sarà descritto il modo in cui il ciclo di Calvin utilizza i prodotti delle reazioni alla luce per sintetizzare zuccheri dalla CO2.