10 fotosintesi.ppt — Agraria

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Interazione tra radiazioni e pigmenti Gli organismi fotosintetici assorbono radiazioni

comprese tra 400 e 700 nm circa. L'assorbimento provoca lo spostamento di uno o più elettroni ad un livello

energetico più alto, così che la molecola del pigmento passa da uno stato "fondamentale" ad uno "eccitato". Nei pigmenti fotosintetici possono venire eccitati solo

elettroni di doppi legami coniugati (per esempio quelli dell'anello porfirinico nelle clorofille).

Lo stato eccitato dura per un tempo brevissimo, poi l'elettrone torna allo stato fondamentale, restituendo l'energia assorbita

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Dissipazione dell’E assorbita

E convertita in calore (diseccitazione non radiante) (10-12s)

E emessa come fluorescenza (10-9-10-6s)

E emessa come fosforescenza (10-3- 10 s)

E trasferita per risonanza

Diseccitazione per reazione fotochimica

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• Un’alternativa al trasferimento per risonanza è fornito dalla possibilità che un elettrone eccitato ha di trasferirsi direttamente a una molecola vicina che si trova in uno stato eccitato a energia minore.

• Questo processo si chiama trasferimento di elettroni. Sulla molecola iniziale (donatore) si forma una carica

positiva mentre sulla molecola finale (accettore) si forma una carica negativa.

• Questo processo di definisce separazione di carica fotoindotta.

• La coppia di trasportatori di elettroni su cui avviene la separazione di carica è detta centro di reazione

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Unità fotosintetica

Cooperazione dei “pigmenti antenna”

con i centri di reazione (CR).

• La clorofilla del CR può ricevere

l’eccitazione da qualche centinaio di

clorofille adiacenti e da altri pigmenti

accessori che insieme formano una unità

funzionale (antenna)

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• Le molecole di clorofilla a assorbono solo una parte dello spettro della luce solare.

• Lo spettro di assorbimento della luce è ampliato con

l’uso di molecole antenna costituita da Chla non nel CR e

da altri pigmenti come i carotenoidi.

• Questi pigmenti assorbono la luce e tramite energia di risonanza forniscono al CR l’energia perché sia

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•Il centro di reazione è in gran parte formato da un complesso proteico che include diverse molecole di pigmento, le più

importanti delle quali sono senza dubbio le due molecole di clorofilla a che prendono il nome di "coppia speciale".

Quando l’energia luminosa raggiunge (direttamente o

attraverso i pigmenti-antenna) una molecola di clorofilla a nel centro di reazione di un fotosistema, essa eccita uno dei suoi elettroni periferici ad un livello di energia più alto.

Questa reazione fotochimica iniziale alimenta tutto il resto della fotosintesi, che ha così inizio.

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La cattura dell’energia luminosa

Ciascun fotosistema è composto da due subunità complementari: il gruppo dei

pigmenti antenna ed il centro di reazione fotochimico. In quest’ultimo avviene la separazione di carica che dà inizio a una serie di reazioni redox.

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i sistemi antenna inviano l’energia ai centri di reazione 200-300 molecole Chl per centro di reazione

diverse centinaia di carotenoidi

trasferimento di energia per

risonanza

il 99% dei fotoni assorbiti dai pigmenti antenna raggiunge il centro di reazione  fotochimica

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Fotosistemi

Le forme che assorbono a lunghezza d’onda più breve si comportano da pigmenti accessori rispetto all’ultima forma, quella che assorbe alla maggiore lunghezza d’onda. Sono stati chiamati fotosistemi i gruppi di molecole di pigmenti, inserite tra molecole proprie della struttura delle membrane tilacoidali, ove ciascun tipo di pigmento svolge tre ruoli:

• funziona da antenna nel captare radiazioni di una data lunghezza d’onda;

• riceve per risonanza energia di attivazione dal pigmento che capta lunghezze d’onda più brevi, se questo esiste;

• trasferisce per risonanza energia di attivazione al pigmento che capta lunghezze d’onda più lunghe.

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Complessi antenna

Pigmenti antenna

Sono molecole di clorofilla, carotenoidi, proteine e altre

sostanze che, colpite da un fotone di appropriata lunghezza d'onda, trasferiscono l'energia a una molecola di pigmento vicina in un "flusso di energia" che raggiunge il centro di reazione.

• il rapporto è di circa trecento pigmenti antenna per ogni centro di reazione.

• "amplificano" l'efficienza del centro di reazione in senso fisico (aumentando la superficie che può essere colpita)

• ampliano la gamma delle frequenze efficaci (i diversi pigmenti assorbono radiazioni in zone diverse dello spettro visibile).

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Centro di reazione

• Complesso proteico che include diverse molecole di pigmento, le più importanti delle quali sono senza dubbio le due molecole di clorofilla a:

• l’energia luminosa che raggiunge una molecola di clorofilla a eccita uno dei suoi elettroni periferici ad un livello di energia più alto.

• Questa reazione fotochimica iniziale alimenta tutto il resto della fotosintesi, che ha così inizio.

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Complessi antenne

I pigmenti antenna agiscono come una parabola, in

grado di convogliare tutte le radiazioni in arrivo verso

un unico punto, dove si trova il ricevitore (nel nostro

caso il centro di reazione).

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Fotosistemi

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Incanalamento delle eccitazioni dal sistema antenna verso il centro di reazione

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FOTOSISTEMI

Unità fotosintetica =struttura altamente organizzata con circa 500 molecole di

clorofilla e altri pigmenti inseriti in complessi multiproteici di membrana grazie ai quali si realizza la fase luminosa

.

.E’ ripartita in due blocchi:

1. PSI fotosistema 1 presente nelle lamelle dello stroma costituito da 250

pigmenti (200 clorofille e 50 carotenoidi). Il nucleo è costituto da P700 (max di assorbimento a 700 nm) probabilmente costituito da un dimero di Chla.

2. PSII fotosistema 2 presente nei grana e nelle lamelle dello stroma.

Costituito da 250 pigmenti (200 clorofille e 50 carotenoidi). Il nucleo è costituto da P680 (max di assorbimento a 680 nm) probabilmente costituito da un

dimero di Chla associate a proteine.

Da un punto di vista biochimico, i fotosistemi sono delle ossidoreduttasi luce-dipendenti

Ad entrambi i fotosistemi è associato un complesso LHC che cattura la luce funzionando come un’antenna contenente clorofille e xantofille nel PSI e

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Inizio della fotosintesi

• Chla + accettore Chla* + accettore Chla+ + accettore -Assorbimento di

luce

Trasferimento di elettroni

La Chl nel CR dona un elettrone ad una molecola vicina che costituisce il suo partner nella coppia speciale. Si ha una separazione di carica fotoindotta. L’accettore carico negativamente ha ora un elettrone ad alto potenziale di trasferimento

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• La ricostituzione degli elettroni del fotosistema I richiede la disponibilità di un’altra fonte di elettroni.

• Uno dei ruoli fondamentali del fotosistema II è quello di fornire elettroni al fotosistema I.

• Il fotosistema II catalizza il trasferimento, favorito dall’energia luminosa, degli elettroni dall’acqua al fotosistema I.

• In questo processo i protoni vengono pompati nel lume dei tilacoidi per generare una forza motrice protonica.

(27)

• Il PSI fornisce gli elettroni ad alta energia per

ridurre il NADP

+

a NADPH con elevato potere

riducente.

• Il PSII attraverso una pompa protonica

denominata citocromo bf invia elettroni al

PSI per ripristinare gli elettroni ceduti al

NADP

+

.

• Nel CR del PSII gli e

-

sono ripristinati dall’ox

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Riduzione e ossidazione

• La fotosintesi consiste nella riduzione del NADP+ a spese degli e

-ceduti dall’acqua e attivati dalla luce. NADP+/NADPH E_o = -0.32 V

• Per ridurre il NADP+ è necessario un riducente con E_o< -0.32 V. O₂ /H₂O Eo = +0.82 V

• Per ossidare l’acqua ad ossigeno è necessario un ossidante con E_o > 0.82 V.

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• Quindi il P700 dà inizio alla separazione delle cariche fotoindotta che genera e- ad alta energia.

• Gli e- passano lungo una catena di trasporto di e- dal

P700 a un insieme di centri 4Fe-4S.

• La tappa successiva è il trasferimento dell’e- alla

ferredossina (Fd), una proteina solubile contenente un centro 2Fe-2S coordinato con quattro residui di cisteina. • La Fd ridotta trasporta un solo e-.

• Il principale responsabile del potere riducente

prontamente disponibile per i processi biosintetici delle cellule è il NADPH

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Modello strutturale del centro di reazione del PSI fotosistema I

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ferredossina

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il PSI funziona come una plastocianina-ferredossina ossidoreduttasi luce-dipendente

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la ferredossina non trasferisce gli elettroni direttamente al NADP+

ferredossina-NADP+_reduttasi

(FNR)

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La ferredossina è un trasportatore mobile di elettroni che sfrutta la presenza di un cluster Fe2S2.

• La ferredossina accetta un elettrone dal PSI e lo trasferisce al NADP+

Il trasferimento di elettroni dalla ferredossina al NADP+ è catalizzato da una

ferredossina-reduttasi.

• È una flavoproteina che come

gruppo prostetico ha il FAD; che lega la ferredossina

correttamente orientata. • Il FAD è convertito in FADH2,

• Gli elettroni sono quindi trasferiti al NADP+ nello stroma.

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La ferredossina-NADP+ reduttasi è una flavoproteina, enzima appartenente alla classe delle ossidoreduttasi, che catalizza la seguente reazione:

2 ferredossina ridotta + NADP+ + H+ ⇄ 2 ferredossina ossidata + NADPH

Questa reazione avviene sul versante stromale della membrana del tilacoide per cui l’assunzione del protone nel processo di riduzione rende lo stroma più basico rispetto al lume dei tilacoidi favorendo la formazione della forza motrice protonica

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Fotosistema I

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L’assunzione del protone nel processo di riduzione rende lo stroma più basico rispetto al lume dei tilacoidi favorendo la formazione della forza motrice protonica

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Stechiometria del trasporto di elettroni

fotosintetico (non ciclico)

• 1 molecola di CO2 nella fase oscura viene ridotta da 2

NADPH e 3 ATP

• In condizioni di massimo accoppiamento, l’assimilazione di una mole di CO2 può corrispondere all’evoluzione di 1 mole di

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• E’ stata così generata la prima delle materie

prime necessarie a ridurre la CO

2

, cioè il potere

riducente biosintetico sotto forma di NADPH

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• La ricostituzione degli e

-

del PSI richiede la

disponibilità di un’altra fonte di e

-

.

• Uno dei ruoli fondamentali del PSII è

quello di fornire e

-

prodotti dall’ox

dell’acqua al PSI

• Il PSII è una enorme molecola costituita

da più di 20 subunità. E’ formato da D1 e

D2, una coppia di proteine simili che

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• La fotochimica del fotosistema II comincia con l’eccitazione del P680 che quindi trasferisce rapidamente gli elettroni alla vicina feofitina (Phe), una clorofilla con due H+ al posto del

Mg2+.

• Da qui gli e- sono trasferiti al sito Q_A del plastochinone

(trasportatore di elettroni simile all’ubichinone, presente

nella membrana del tilacoide) strettamente legato poi al sito QB di un plastochinone mobile.

• Con l’arrivo di un secondo elettrone e con la captazione di due protoni, il plastochinone mobile si riduce a plastochinolo QH2

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il PS-II funziona come un’acqua-plastochinone ossidoreduttasi

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PLASTOCHINONE

II PSII attraversa la membrana del tilacoide in modo che il sito di riduzione del chinone si affaccia sul lato dello stroma, per cui i due

protoni provengono dallo stroma incrementando il gradiente protonico. Questo gradiente viene poi ulteriormente incrementato dalla molecola di collegamento tra il PSII e il PSI, cioè il complesso del citocromo cf.

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Il fotosistema II (PSII)

La fotochimica del fotosistema II comincia con l’eccitazione del P680 che quindi trasferisce rapidamente gli elettroni alla vicina clorofilla (Phe) con due H+ al posto del Mg2+.

Da qui gli e- sono trasferiti al sito QA del plastochinone (trasportatore di elettroni simile all’ubichinone, presente nella membrana del tilacoide) strettamente legato poi al sito QB di un plastochinone mobile.

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il PS-II funziona come un’acqua-plastochinone ossidoreduttasi

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• Il QH2 trasferisce gli elettroni alla plastocianina (Pc), una

proteina che contiene Cu localizzata nel lume del tilacoide. Questa reazione è catalizzata dal bf, una pompa protonica

QH2 + 2 Pc (Cu2+) Q + 2Pc (Cu+) + 2H+lumedel tilacoide

Q: a) libera nel lume i protoni provenienti dal QH2

b) pompa protoni dallo stroma al lume incrementando la forza motrice protonica

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Q-cycle

Il

plastochinone

realizza un trasporto

laterale di

e

--

nella

membrana tilacoidale

e un trasporto

trasversale di protoni

Il

citocromo

_b-f_b-f

è una

PQH

₂₂

-plastocianina

ossidoriduttasi.

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Q-cycle

Il

plastochinone

è

ossidato e uno degli

e

--

è trasferito al PSI,

attraverso il cyt

f

l’altro va incontro a

un processo ciclico

che aumenta il

numero di H

++

pompati nel lume

(trasporto trasversale

di protoni)

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(53)

(54)

• Il P680

*

carente di e

-

è un ossidante molto forte

ed è in grado di ossidare l’acqua, con rilascio di

ossigeno

• 2H

₂

O 4 e

-

+ 4H

+

+ O

₂

• Questa reazione, la fotolisi dell’acqua, si svolge

nel centro manganese del PSII. Il Mn presenta

diversi stati di ox e forma legami forti con specie

contenenti ossigeno

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Fotosistema II (PSII)

Il complesso che scinde l’H2O è detto centro del

Manganese (è costituito da 4 atomi di Mn) e si trova associato al

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Fotolisi

Complesso che scinde l’H

2

O

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• La fotolisi dell’acqua operata dagli

organismi fotosintetici è sostanzialmente

l’unica fonte di ossigeno nella biosfera.

• Questo gas, indispensabile per la vita, è

fondamentalmente un prodotto di scarto

della fotosintesi

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Fotosistema II P680 + 1 hν  P680* P680* + Ph (feofitina)  P680+_{+ Ph} -2 Ph-_{+ Q} A  2 Ph + QA -Q_A- _+Q B  QA+ QB -Q_B2-_{+ 2 H}+ _{(dallo stroma)}_Q BH2 ---4 P680 + ---4 H+_{+ 2 Q} B + 4 hν  4 P680+ + 2 QBH2 Complesso che scinde l’acqua

4 P680+ + 4 Tyr (pro D1 - PSII)  4 P680 + 4 Tyr+

4 Tyr+_{+ [complesso Mn]}0_{ 4 Tyr + [complesso Mn]}4+

[complesso Mn]4+_{+ 2H}

2O  [complesso Mn]0 + 4 H+ + O2

---2 H₂O + 4 fotoni  4 H+ (nel lume) + 4 e- (al PSII) + O

2 (gas)

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• La cooperazione tra il PSI e il PSII crea un

flusso elettronico dall’H

2

O al NADP

+

.

• La via del flusso di e

-

è detta schema a Z

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Ciclo Z

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• Rappresentazione schematica delle reazioni luce-dipendenti della fotosintesi

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Produzione di NADPH, ATP, O

2

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Vitamina K₁

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I due fotosistemi sono fisicamente e chimicamente separati, ma legati nella catena di trasporto degli e

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-Trasporto fotosintetico

Per ogni fotone assorbito viene rimosso un e

-Formazione di O₂_{richiede 4 e}- e quindi 4 fotoni

Formazione di 2 NADPH H+richiede 4 e- e quindi 4 fotoni

In tutto 8 fotoni per fissare 1 mole di CO₂

Il passaggio di elettroni avviene contro gradiente e richiede energia dalla luce del sole

Passaggio e-  schema a Z

2 processi fondamentali:

1. Fotofosforilazione lineare (produzione di ATP e NADPH) 2. Fotofosforilazione ciclica (produzione di ATP)

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Dalla reazione fotochimica in poi il trasferimento di elettroni avviene secondo gradiente (parte dell’E

assorbita persa come calore).

Il P680 e P700 dopo la cessione dell’e- diventano cationi

radicali che vedono colmata la buca elettronica da un donatore

L’eccitazione provocata dalla luce induce una

separazione di carica e da inizio ad una serie di

ossidoriduzioni con produzione finale di ATP e NADPH H+.

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