fase luminosa della fotosintesi

 

La fase luminosa della fotosintesi ossigenica può venire rappresentata con l'equazione globale:

H2O + Pi + NADP+ + ADP + hn  ®  1/2 O2 + NADPH + H+ + ATP

in cui l'H2O funge da donatore di elettroni, il coenzima NADP+ da accettore; Pi rappresenta il fosfato inorganico.

Avviene solo alla luce e vi si possono distinguere essenzialmente tre tipi di processi:

eccitazione_dei_pigmenti_fotosintetici == trasporto_degli_elettroni_fotosintetici == fotofosforilazione

Alcuni enzimi possono agire su donatori di elettroni (come H2O o H2S) sottraendo ad essi elettroni per sostituire quelli utilizzati durante la fase luminosa della fotosintesi.

La catena è complessivamente endergonica pur avendo un tratto esoergonico.

Al flusso di elettroni del tratto esergonico è accoppiata la formazione di un gradiente di protoni.

L'energia di questo gradiente guida la sintesi dell'ATP, come nella respirazione.

La trasformazione dell'energia luminosa in energia chimica è resa possibile dalla struttura delle membrane fotosintetiche, che presenta in rigorosa sequenza i complessi molecolari destinati al complicato processo.

 


Trasportatori di elettroni

I vari trasportatori di elettroni dei cloroplasti sono chimicamente diversi.

Ci sono molecole organiche piccole come i chinoni, ma anche grosse molecole come le proteine.

Tra queste ultime, per esempio, la ferredossina e i citocromi, presenti anche nella catena respiratoria dei mitocondri, benché con struttura leggermente diversa.

Anche la clorofilla funge da trasportatore di elettroni, come altre molecole caratterizzate dalla struttura porfirinica (eme, emoglobina, ecc.).

 

 

 


Ferredossina

 

 

 

 

 

 

E' una proteina piccola, con atomi di ferro e zolfo legati in una complessa struttura simile a una gabbia.

R rappresenta una parte organica legata ad atomi di zolfo periferici.

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Chinoni

 

Sono semplici molecole organiche, con anello a sei atomi di carbonio, che possono subire facilmente reazioni di ossidoriduzione.

Nella forma ridotta l'anello è aromatico ed ha due ossidrili OH opposti, cioè in posizione "para".

Nella forma ossidata l'anello ha, sempre in posizione para, due gruppi chetonici C=O.

I gruppi Rn sono sostituenti organici di vario tipo.

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Eccitazione dei pigmenti fotosintetici

Durante la fotosintesi la luce viene assorbita da centinaia di molecole di pigmenti_fotosintetici, organizzati in un complesso_di_pigmenti_antenna.

L'assorbimento di fotoni da parte dei pigmenti fotosintetici porta alla conversione dell'energia luminosa in energia di eccitazione elettronica; questa "migra" per risonanza induttiva (processo per cui una molecola eccitata può trasferire la sua energia ad un'altra molecola adiacente, che passa, a sua volta, ad uno stato eccitato) attraverso varie molecole fino a giungere al "centro di reazione", sito in cui avvengono le reazioni chimiche.

Il sito è formato da due molecole speciali di clorofilla a.

Poiché i livelli_energetici_delle_due_clorofille sono inferiori a quelli delle altre clorofille presenti, il centro di reazione funge da "trappola" per l'energia di eccitazione. Il trasferimento di energia avviene nel tempo brevissimo di pochi picosecondi (ricorda che il prefisso "pico" corrisponde a 10-12).

Nel centro di reazione avviene una classica reazione ossidoriduttiva: la clorofilla eccitata trasferisce l'elettrone ad alta energia ad un accettore, ed inizia così la catena di trasporto degli elettroni.

 


Livelli energetici delle due clorofille

Una delle molecole di clorofilla viene eccitata da un fotone hn

La molecola eccitata trasferisce, per risonanza induttiva, la sua eccitazione ad un'altra clorofilla adiacente e così via, finché quella eccitata, adiacente ad una clorofilla inserita nel centro di reazione (che è ad energia più bassa), trasferisce ad essa la sua energia.

La risonanza induttiva è un processo per cui una molecola eccitata può trasferire la sua energia ad un'altra molecola adiacente, che passa, a sua volta, ad uno stato eccitato.

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Dato che la "trappola" di clorofilla richiede un'energia più bassa per passare allo stato eccitato, essa può ricevere l'eccitazione da tutte le altre molecole dell'unità fotosintetica, ma non può ritrasmetterla.

 

 

 


Pigmenti fotosintetici

I pigmenti sono molecole che assorbono radiazioni luminose poiché esiste una interazione tra radiazioni e pigmenti.

Il principale carattere comune dei pigmenti fotosintetici è la presenza di una serie di legami doppi e singoli alternati, detti legami doppi coniugati.

Un principio fisico prevede che quanto maggiore è il numero di legami doppi coniugati in una molecola, tanto maggiore è la lunghezza d'onda assorbita (perciò tanto minore l'energia della radiazione).

Un carattere molto importante di qualunque pigmento, fotosintetico o no, è perciò il suo spettro_di_assorbimento.

I pigmenti principali delle piante superiori sono le clorofille e i carotenoidi.

I pigmenti fotosintetici dei cloroplasti non sono mai liberi in soluzione: sono ancorati a membrane e organizzati in una serie di complessi dei pigmenti antenna.

 

 

 


Spettro di assorbimento

Col termine spettro di assorbimento si indica il diagramma che mostra, qualitativamente e quantitativamente, le lunghezze d'onda assorbite da una sostanza, in questo caso dal pigmento.

In ascissa la lunghezza d'onda l, (qui espressa in nanometri nm), in ordinata l'entità dell'assorbimento o assorbanza, che può venire espressa in varie unità di misura (qui come coefficiente molare di assorbimento o di estinziuone e).

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Le bande di assorbimento della luce dei pigmenti fotosintetici sono molto forti nella regione del visibile.

Lo spettro di assorbimento delle clorofille (la a in rosso, la b in verde) presenta due picchi diversi nel rosso e nell'azzurro, separati da un profondo avvallamento (500-600 nm) in cui l'assorbimento è basso.

In questo avvallamento sono più attivi i carotenoidi, il cui massimo di assorbimento è però nell'azzurro.

Gli assorbimenti comportano il passaggio dallo stato fondamentale a stati_eccitati_della_clorofilla.

 

 

 


Clorofille

Le clorofille sono pigmenti fotosintetici.

Una molecola_di_clorofilla può presentarsi in forme leggermente differenti.

La più importante è la clorofilla a, di colore verde-azzuro, ma vi sono anche le clorofille b, di colore verde-giallo, c e d, e altre forme che si trovano solo nelle cellule procariote (batterioclorofille).

La clorofilla a è il primo attore della fotosintesi in tutte le piante; la clorofilla b e gli altri pigmenti sono "pigmenti accessori" o "pigmenti antenna", che raccolgono una parte dell'energia luminosa e la trasmettono alla clorofilla a.

La parte che conta per l'assorbimento della luce è l'anello porfirinico al centro del quale vi è un atomo di magnesio. L'anello porfirinico possiede, infatti, un gran numero di doppi legami coniugati ed è costituito essenzialmente da 4 eterocicli (anelli contenenti anche atomi diversi da C) collegati da ponti CH.

L'energia luminosa viene catturata dagli elettroni dell'anello porfirinico che passano dal loro livello energetico fondamentale ad uno stato eccitato.

Le clorofille sono dei fotorecettori molto efficienti.

Gli spettri di assorbimento della clorofilla a e b sono diversi; questi due tipi di clorofilla si completano l'un l'altro nell'assorbimento della luce solare incidente.

 

 


Molecola di clorofilla

Le molecole hanno un anello porfirinico idrofilo e una catena idrofoba.

L'anello porfirinico è costituito da 4 eterocicli collegati da ponti CH e con i 4 N rivolti verso l'interno che coordinano lo ione metallico al centro.

Qui è rappresentata la clorofilla a.

La clorofilla b è di poco diversa: ha un formile (-CHO) al posto di un metile (-CH3).

I trattini azzurri indicano le posizioni dei doppi legami.

Alla catena di trasporto partecipano anche gli N.

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Stati eccitati della clorofilla

Nel grafico, molto semplificato, sono evidenziati i due stati eccitati della molecola di clorofilla.

Quello ad energia più alta corrisponde alla l minore (430 nm); quello ad energia più bassa (670 nm) è quello utilizzato nella fotosintesi.

Il passaggio dallo stato eccitato più alto a quello inferiore (decadimento) non comporta emissione di fotoni luminosi, poiché il salto energetico corriponde alla zona dell'infrarosso: l'energia viene cioè dispersa sotto forma di calore.

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Carotenoidi

I carotenoidi sono pigmenti di colore giallo o arancione la cui molecola ha due anelli esagonali (aperti o chiusi) collegati fra loro da una lunga catena isoprenica con doppi_legami_coniugati.

Sono idrofobi, essendo generalmente costituiti esclusivamente da C ed H.

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I trattini rossi indicano la posizione dei doppi legami.

Il loro spettro di assorbimento ha un unico massimo sull'azzurro.

Oltre a quella di pigmenti accessori i carotenoidi hanno un'altra importante funzione: proteggono la clorofilla dalla fotoossidazione, una reazione tra clorofilla e ossigeno atmosferico, attivata dalla luce.

 

 

 

 


Doppi legami coniugati

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In molte molecole organiche di interesse biologico, particolarmente quelle addette alla cattura di radiazioni luminose nella zona visibile dello spettro, sono presenti sequenze più o meno lunghe di atomi di carbonio legati alternativamente con legame singolo e con legame doppio.

Questa struttura permette il facile trasferimento degli elettroni, relativamente mobili, dei legami doppi.

Quanto più è lunga la catena, tanto più le radiazioni assorbite si avvicinano al colore rosso (una catena di legami singoli assorbe solo radiazioni ultraviolette, cioè ad alta energia e invisibili all'occhio umano).

Alcuni H possono essere sostituiti da gruppi organici (detti cromofori) che possono contribuire a spostare la zona di assorbimento delle radiazioni.

 

 

 

 


Complesso di pigmenti antenna

I pigmenti fotosintetici, clorofille e carotenoidi, sono a stretto contatto tra loro essendo ancorati, data la loro natura liposolubile, allo strato lipidico della membrana.

La cattura della luce è efficiente per la cooperazione di alcune centinaia di molecole di pigmenti, che funzionano come "antenne" per catturare la luce.

Il complesso trasferisce poi l'energia al centro_di_reazione.

Quindi la maggior parte delle molecole di pigmento possono assorbire radiazioni, ma soltanto alcune molecole di clorofilla, quelle presenti nei centri di reazione, sono in grado di indurre le trasformazioni della luce in energia chimica.

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Centro di reazione

Il centro di reazione contiene una coppia di molecole di clorofilla a circondate da gruppi chimici in grado di accettare l'elettrone eccitato.

In un certo senso il segreto della fotosintesi consiste nella capacità di queste molecole di clorofilla di produrre elettroni ad alta energia per assorbimento della luce e di trasferirli ad un'altra molecola mediante una reazione redox.

Le reazioni fotochimiche avvengono sfruttando la reattività di una molecola allo stato eccitato che, anziché perdere energia attraverso l'emissione di un fotone di fluorescenza, trasferisce un elettrone ad un accettore.

L'elettrone perduto viene poi recuperato a spese di un donatore di elettroni nella fotosintesi ossigenica dell'acqua.

 

 

 

 


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:

- o sotto forma di un fotone di lunghezza d'onda maggiore di quello assorbito (fluorescenza);

- o per trasferimento dello stato di eccitazione a un'altra molecola vicina (trasferimento per risonanza induttiva);

- o per cessione dell'elettrone eccitato ad un'altra molecola.

Il primo modo di restituzione dell'energia è tipico della clorofilla in soluzione; durante la fotosintesi si verificano invece le altre due alternative.

 

 

 

 


Trasporto degli elettroni fotosintetici

In questa fase l'energia viene utilizzata per far funzionare la catena di trasporto degli elettroni fotosintetici ad alta energia prodotti nei centri di reazione, attraverso una serie di trasportatori_di_elettroni.

Nella fotosintesi ossigenica è l'acqua il donatore di elettroni; ma data la sua stabilità, è necessario un apparato complesso che catturi energia.

Per questo si è evoluto un meccanismo che utilizza due trasduttori accoppiati, chiamati fotosistemi_I_e_II.

I due fotosistemi, in coppia, riescono a trasferire elettroni dall'acqua al coenzima NADP+ che viene così ridotto a NADPH.

Il flusso di elettroni attraverso i fotosistemi genera un gradiente protonico che favorisce la sintesi di ATP (fotofosforilazione).

Praticamente il passaggio di elettroni dall'acqua a NADP porta alla formazione di NADPH, ATP e ossigeno.

 

 

 


Fotosistemi I e II

Sono due complicate strutture molecolari che attraversano il doppio strato lipidico delle membrane tilacoidi e sono formate dai complessi di pigmenti antenna, combinati con le clorofille dei centri di reazione e con alcuni trasportatori di elettroni.

Nel fotosistema_I il complesso di molecole antenna è costituito principalmente da clorofilla a.

Nel fotosistema_II è abbondante la clorofilla b, ma anche in questo caso il centro di reazione è costituito da clorofilla a.

Il fotosistema I ha il massimo di assorbimento a lunghezza d'onda 700 nm, perciò viene chiamato P 700 (P = pigmento); il fotosistema II, per ragione analoga, P 680.

I fotosistemi agiscono come piccoli condensatori elettrici, accumulando energia mediante la separazione e la stabilizzazione delle cariche positive e negative sulle due facce separate della membrana tilacoide.

 

 

 

 


Interazione dei fotosistemi I e II

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Il grafico rappresenta le azioni ossidoriduttive dei due fotosistemi sotto l'azione delle radiazioni luminose assorbite.

Esaminando i potenziali standard di ossidoriduzione riportati nello schema a Z si può constatare che il fotosistema II (che estrae elettroni dall'acqua e riduce il fotosistema I) si comporta come un forte ossidante e un debole riducente.

Al contrario, il fotosistema I, che è in grado di cedere elettroni a un potenziale molto più negativo rispetto al fotosistema II, genera un riducente così forte da ridurre NADP+, comportandosi da forte riducente e blando ossidante.

NADPH è un riducente adatto alle riduzioni biosintetiche, prima fra tutte quella dell'anidride carbonica a zucchero.

 

 

 

 


Fotosistema II

Nel fotosistema II (chiamato anche PS II, da Photo System II), formato da proteine e pigmenti, sono presenti, fra i trasportatori di elettroni, la feofitina e i plastochinoni.

Il complesso che cattura la luce (LHC) contiene circa 200 molecole di clorofilla a e b legate ad alcune catene polipeptidiche: il gruppo del centro di reazione contiene altre 50 molecole di clorofilla a.

All'interno è localizzato un complesso molecolare enzimatico per l'ossidazione dell'acqua; infatti trasferisce gli elettroni dall'acqua ad un chinone, il plastochinone, liberando contemporaneamente ossigeno (reazioni_del_fotosistema_II).

Gli elettroni ricchi di energia, dopo essere passati attraverso una serie di trasportatori simili a quelli delle membrane mitocondriali, raggiungono i centri di reazione del fotosistema I.

 

 

 


Fotosistema I

Il fotosistema I (chiamato anche PS I, da Photo System I) genera un forte riducente che porta alla formazione di NADPH (reazioni_del_fotosistema_I).

NADPH entrerà poi nel ciclo di riduzione dell'anidride carbonica.

Il trasporto di elettroni dall'acqua direttamente a NADPH può essere rappresentato con lo schema_a_Z_di_Hill-Bendall.

Le variazioni energetiche e l'andamento del flusso degli elettroni dall'acqua al NADPH sono meglio descritte in termini di potenziale di ossidoriduzione (flusso di elettroni fotosintetici).

 

 

 

 


Schema a Z di Hill-Bendall

Lo schema segue praticamente il percorso degli elettroni in funzione del potenziale ossidoriducente del sistema in cui essi si trovano.

 

 

FAD = flavin adenin dinucleotide

FeS = ferro solfo proteina

PQ = plastochinone

PC = plastocianina

Fd = ferredossina

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Reazioni del fotosistema I

Nel fotosistema I la luce viene convogliata da un complesso di pigmenti antenna al centro di reazione P700.

Un elettrone viene trasferito dal P700* (stato eccitato della clorofilla) ad una clorofilla accettrice, chiamata A0, formando A0- e P700+. A0- è un riducente molto forte (Eo = -1,1 V), praticamente la biomolecola più riducente.

P700+ cattura un elettrone dalla plastocianina ridotta, ridiventando P700, disponibile per una successiva reazione.

Da A0 gli elettroni vengono trasferiti ad un secondo accettore A1 (che pare essere una molecola di vitamina K) e poi ad una serie di centri ferro-zolfo (ferredossine) all'interno del fotosistema I.

La tappa finale è la riduzione della ferridossina, una proteina idrosolubile contenente un centro 2Fe-2S, a ferrodossina.

Questa reazione avviene sulla faccia stromale della membrana tilacoide.

Gli elettroni ad alto potenziale della ferrodossina sono poi trasferiti a NADPH+ per formare NADPH.

La reazione_globale_del_fotosistema_I si può rappresentare molto sinteticamente in uno schema.

 

 

 

 


Reazione globale del fotosistema I

Lo schema rappresenta, in sintesi, la reazione globale che avviene a carico del fotosistema I.

PC rappresenta la plastocianina

P700 rappresenta il centro di reazione

A0 e A1 rappresentano molecole di clorofilla accettrici di elettroni

Ferridossina è la forma ossidata della ferrodossina.

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Reazioni del fotosistema II

Nel centro di reazione P680 l'energia luminosa viene convertita in separazione di cariche. P680* (centro di reazione eccitato) trasferisce, in pochi picosecondi, un elettrone alla feofitina (Ph), producendo P680+ e Ph-. Questo processo consuma buona parte dell'energia del fotone assorbito.

L'elettrone passa dalla feofitina ridotta al plastochinone legato ad un sito proteico QA (sempre ancorato al fotosistema) e poi ad un altro plastochinone su un sito QB, con l'intervento anche di atomi Mn e ioni Cl- e Ca++.

QB, acquistati due elettroni e due protoni in due cicli di assorbimento di fotoni, esce dal complesso del fotosistema II ed è sostituito da un QB non ridotto. QB ridotto (o PQH2) è riossidato dal citocromo b6f (plastochinolo-plastocianina ossidoriduttasi) e questo viene a sua volta riossidato da una piccola proteina, la plastocianina PC.

Questi processi portano ad un gradiente protonico attraverso la membrana e alla riduzione della PC (che trasporta poi elettroni al fotosistema I). L'energia viene usata per la sintesi di ATP (fotofosforilazione non ciclica).

Il radicale cationico P680*+, formato dal fotosistema II nella tappa della separazione di carica, è un forte ossidante e, mediante un intermedio Z, sottrae elettroni all'acqua generando O2 (ossidazione_dell’acqua_nella_fotosintesi).

La reazione_globale_del_fotosistema_II si può schematizzare sinteticamente.

 

 

 


Reazione globale del fotosistema II

Ph rappresenta la feofitina.

PQ(QA) e PQ(QB) il plastochinone nei due siti.

PQH2 la forma due volte ridotta del plastochinone.

b6f il complesso del citocromo

PC la plastocianina

Z un intermedio che permette di utilizzare acqua come riducente.

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Feofitina

La feofitina è una porfirina identica alla clorofilla a, salvo per il fatto che è priva di magnesio.

La linea spezzata che esce in basso a destra di ognuna delle due molecole rappresenta una catena alifatica idrofoba.

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Ossidazione dell'acqua nella fotosintesi

La proprietà più significativa del fotosistema II è quella di usare l'acqua come donatore di elettroni.

Questa possibilità ha comportato un salto evolutivo enorme: è stato così messo a punto un processo catalitico che permette la sottrazione di 4 elettroni a due molecole di acqua per darne una di ossigeno (orologio_di_ossidazione_dell’acqua).

La reazione coinvolta è:

2 H2®  O2 + 4 H+ + 4 e

Il cuore del sistema per l'ossidazione dell'acqua è un costituente del fotosistema II, un complesso contenente 4 ioni manganese nel suo sito catalitico.

Questo complesso viene ossidato dal P680+ in una sequenza di cinque stadi di ossidazione diversi.

Gli ioni manganese sono fondamentali nel processo.

 

 

 

 


Orologio di ossidazione dell'acqua

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L'orologio di ossidazione dell'acqua è un meccanismo ciclico che porta elettroni alle clorofille del fotosistema II.

Ogni fotone assorbito da P680 fa avanzare l'orologio di un gradino negli stati di ossidazione, rilasciando un elettrone.

Quando viene raggiunto l'ultimo stato di ossidazione (IV), l'orologio produce O2 e ritorna allo stato iniziale (X).

Gli stati di ossidazione sono generalmente indicati dalla sequenza:

S0 (X) == S1 (I) == S2 (II) == S3 (III) == S4 (IV)

 

 

 

 

 

 


Flusso di elettroni nella fotosintesi

Semplificando moltissimo, il trasporto degli elettroni nella fase luminosa può essere rappresentato come in figura, secondo la reazione di ossidoriduzione:

2 NADP+ + 2 H2O + hn  ®  2 NADPH + 2 H+ + O2

In condizioni normali un elettrone non potrebbe abbandonare l'acqua per ridurre NADP+ poiché la reazione è energeticamente sfavorita.

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Questo trasferimento di elettroni avviene infatti sfruttando l'energia dei fotoni assorbiti dal fotosistema II.

Per rendere possibile la reazione bisogna coprire un intervallo energetico che va da 0,82 V della coppia H2O/O2 a -0,32 V della coppia NADPH/NADP+.

L'energia richiesta nella fotosintesi ossigenica viene fornita dalla collaborazione dei due centri di reazione dei fotosistemi che operano in serie, riuscendo così a trasferire gli elettroni dall'acqua a NADP+ (interazione_dei_fotosistemi_I_e_II).

 

 

 

 


Fotofosforilazione

E' un processo che corrisponde alla sintesi di ATP provocata dalla luce (fotofosforilazione_e_sintesi_di_ATP).

La sintesi di ATP è legata al flusso di elettroni, che può essere ciclico o non ciclico; ai due tipi di flusso corrispondono la fotofosforilazione ciclica e non ciclica.

Nel flusso ciclico degli elettroni fotosintetici il movimento avviene lungo un percorso che si chiude ad anello con il P700 del fotosistema I: gli elettroni passano dall'accettore primario del fotosistema I a un trasportatore che non fa parte della via Z, il citocromo b6.

Nel flusso non ciclico il movimento degli elettroni avviene lungo l'intera via Z perché gli elettroni iniziano e terminano il loro spostamento a livello di sostanze diverse.

Il meccanismo che accoppia la sintesi di ATP con il trasporto degli elettroni nei cloroplasti viene spiegato dall'ipotesi_chemioosmotica_di_Mitchell: la produzione di ATP è accoppiata alla formazione di un gradiente_di_protoni_nella_fotosintesi, a sua volta dovuta al particolare orientamento dei complessi molecolari della membrana tilacoide (asimmetria nella membrana tilacoide).

 

 

 

 


Fotofosforilazione e sintesi di ATP

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Nelle membrane tilacoidi c'è un sistema molecolare, comprendente un complesso proteinico detto CF1, a destra nel disegno, che accoppia il gradiente di protoni alla sintesi di ATP.

 

 

Il meccanismo esatto del suo funzionamento, sicuramente molto complesso, non è ancora perfettamente chiarito.

 

 

 

 


Ubichinone, il coenzima Q

L'ubichinone nella sua forma ossidata Q, può passare alla forma ridotta mediante assorbimento di due protoni e di due elettroni.

 

Come in tutti i chinoni, la forma ossidata, a sinistra, mostra due gruppi chetonici =CO in posizione opposta; nella forma ridotta l'anello centrale assume carattere aromatico (come nel benzene) e porta, in posizione para, due gruppi ossidrile -OH.

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Ipotesi chemioosmotica di Mitchell

Nella fosforilazione ossidativa la sintesi di ATP è accoppiata al flusso di elettroni da NADH e FADH2 all'ossigeno, mediante un gradiente di protoni che si instaura tra le due facce della membrana interna mitocondriale.

Si creano così zone a diverso pH nei cloroplasti e nei mitocondri, come indicato appunto nella ipotesi chemioosmotica che prevede il coinvolgimento di sistemi enzimatici con spesa di energia.

Alcuni componenti della catena respiratoria, NAD e FAD, trasportano sia elettroni che protoni, altri, come i citocromi, trasportano solo elettroni.

Quando gli elettroni giungono ai citocromi, i protoni vengono scaricati nel compartimento esterno, grazie al preciso orientamento dei trasportatori di elettroni nello spessore delle criste mitocondriali e all'energia che si libera durante il flusso di elettroni.

L'energia spesa viene poi recuperata mediante la sintesi di ATP nella ATPsintetasi.

Questo avviene in varie fasi dei processi di trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa.

 

 

 

 


Trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa

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Nel disegno viene mostrato lo schema del percorso degli elettroni e la formazione di ATP come prodotto del trasporto elettronico lungo la catena.

 

 

Si formano 3 molecole di ATP per ogni molecola di NADH ossidata.

Dall'ossidazione di una molecola di FADH2 si formano invece solo 2 molecole di ATP in quanto i suoi elettroni entrano nella catena respiratoria a livello dell'ubichinone_il_coenzima_Q, saltando il primo complesso che trasporta protoni.

 

 

 

 

 

 


Zone a diverso pH nei cloroplasti e nei mitocondri

Nel disegno viene messa a confronto la situazione nei cloroplasti (dei quali sono schematizzati stroma e membrane esterna, interna e tilacoidale), e nei mitocondri (dei quali sono schematizzate matrice e membrane esterna ed interna).

Mentre nei cloroplasti la zona a pH più basso (pH 5) è all'interno della membrana tilacoidale, nei mitocondri, che hanno una struttura più elementare, la zona a pH minore (pH 7) è quella tra la membrana esterna e quella interna.

La sintesi di ATP, favorita dalla retrodiffusione dei protoni attraverso le ATPsintetasi, dalla zona a pH minore a quella a pH maggiore, avviene comunque nella zona a pH maggiore, perciò entro lo stroma nel caso dei cloroplasti, entro la matrice nel caso dei mitocondri.

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pH

Per misurare l'acidità di una soluzione acquosa, cioè la sua concentrazione di ioni H+, (o più correttamente di protoni solvatati, simboleggiati da H3O+), si utilizza il pH, definito come il logaritmo decimale della concentrazione molare degli ioni idrogeno, con segno negativo.

p è l'operatore matematico -lg, perciò                  pH=-lg[H3O+]               pOH=-lg[OH-]

pH=pOH=7 corrisponde alla neutralità

A 25°C è sempre pH+pOH=14.

Le scale non hanno come limiti 0 e 14, che corrispondono semplicemente a soluzioni 1 molari di acido forte (pH=0) e base forte (pH=14). Infatti una soluzione 10 molare di HCl ha infatti pH=-1 e pOH=15.

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Gradiente di protoni nella fotosintesi

Si suppone che i primi protoni del gradiente derivino dalla scissione dell'acqua sulla superficie della membrana rivolta verso il compartimento interno: gli elettroni conseguenti passano dal centro di reazione P680 ai plastochinoni PQ (trasportatori sia di H+ sia di elettroni); i due H+ richiesti per la riduzione di PQ provengono dallo stroma.

Gli H+ vengono spinti nel compartimento interno quando gli elettroni passano da PQ al citocromo f, che non trasporta H+ ed è situato sul lato interno della membrana tilacoide (gradiente di protoni e flusso non ciclico degli elettroni).

Fra i trasportatori del centro di reazione P700, NADP+ riduttasi, (FAD dipendente), veicola ioni H+ ed elettroni. FAD può veicolare sia H+ sia elettroni ed è rivolto verso lo stroma. La riduzione di FAD a FADH2 utilizza due H+ dello stroma. Gli elettroni e un H+ vengono trasmessi a NADP+; l'altro H+ viene rilasciato nello stroma.

Il trasporto di H+ indotto dalla luce rende lo spazio interno più acido. Il flusso di H+ verso il lato stromale attraverso l'unità F0 determina la sintesi dell'ATP da parte dell'unità F1. Anche NADPH si forma sul lato stromale della membrana. Così ATP e NADPH, prodotti della reazione alla luce della fotosintesi, sono localizzati nella corretta posizione per le successive reazioni della fase oscura in cui la  CO2 è convertita in carboidrati.

 

 

 

 


Gradiente di protoni e flusso non ciclico degli elettroni

Quando gli elettroni fluiscono dal fotosistema II al fotosistema I passano attraverso il complesso del citocromo bf.

Questo catalizza il trasferimento degli elettroni dal plastochinone PQ alla plastocianina PC.

La riossidazione del PQH2 ridotto "scarica" nel lume interno dei tilacoidi due protoni che non si legano all'accettore di elettroni (il citocromo f).

Si forma così un gradiente protonico per cui l'interno è più acido.

 

 

 

 

 


Flusso ciclico degli elettroni fotosintetici

Esiste una via alternativa alla via Z, per gli elettroni che arrivano dal centro di reazione P700 del fotosistema I, che aumenta la versatilità della fotosintesi.

L'elettrone ad alto potenziale della ferrodossina Fd può essere trasferito al citocromo bf (invece che a NADP+) e ritornare alla forma ossidata del P700 attraverso la plastocianina PC.

Il flusso di elettroni determina solo il trasferimento di H+ nello spazio tilacoide da parte del citocromo. In questo processo viene generato ATP senza la formazione contemporanea di NADP.

Il fotosistema II non partecipa alla fotofosforilazione ciclica; questa avviene quando non vi è più NADP+ per accettare elettroni dalla ferrodossina ridotta.

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Fosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa è un esempio di un tema fondamentale nella bioenergetica: la trasmissione di energia libera mediante gradiente di protoni.

Nella fosforilazione ossidativa la sintesi dell'ATP è accoppiata al flusso di elettroni da NADH e da FADH2 all'ossigeno mediante un gradiente di protoni che si instaura tra le due facce della membrana interna dei mitocondri.

Il flusso di elettroni attraverso tre complessi transmembrana orientati asimmetricamente determina il trasferimento di protoni al di fuori della matrice, generando un potenziale di membrana: l'ATP viene sintetizzato quando i protoni ritornano nella matrice mitocondriale attraverso un canale apposito del complesso ATP sintetasi.

I trasportatori di elettroni delle strutture respiratorie della membrana mitocondriale interna sono flavine, centri ferro-zolfo, chinasi, gruppi eme di citocromi e ioni rame.

Il meccanismo della fosforilazione ossidativa è piuttosto complesso.

 

 

 

 

 


Meccanismo della fosforilazione ossidativa

Gli elettroni vengono trasferiti da NADH a FMN (gruppo prostetico della NADH-Q reduttasi e primo dei tre complessi) che contiene anche centri Fe-S.

Gli elettroni convertono il coenzima Q alla forma ridotta QH2, un trasportatore idrofobico mobile che trasferisce gli elettroni alla citocromo riduttasi, un complesso che contiene i citocromi b e c1, oltre a un centro Fe-S. Questo riduce il citocromo c, una proteina periferica di membrana solubile in acqua.

Il citocromo c, come il coenzima Q, è un trasportatore di elettroni che esso trasferisce alla citocromo ossidasi. Questo terzo complesso contiene citocromo a1-a3 oltre a due Cu++.

Fe del gruppo eme e un Cu++ trasferiscono elettroni dall'ossidasi all'accettore finale, O2.

Il flusso globale di elettroni comporta il trasferimento di H+ dal lato della matrice al lato citosolico della membrana mitocondriale interna. Si genera così una forza motrice protonica formata da un gradiente di pH (il lato citosolico è più acido) e da un potenziale di membrana (il lato citosolico è positivo).

Il flusso inverso di H+ attraverso l'ATPsintetasi  favorisce la produzione di ATP.

 

 

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Trasduttori

I trasduttori sono complesse strutture rigorosamente organizzate, detti fotosistemi, che ricevono le radiazioni luminose e convertono l'energia luminosa in energia chimica, immediatamente trasferita su ADP che si ricarica ad ATP.

Sono diversi i fotosistemi_nei_batteri e i fotosistemi_nelle_piante.

L'energia luminosa viene utilizzata in processi assimilativi per la maggior parte dei quali occorre sia ATP che NADH o NADPH, coenzimi che presiedono più o meno direttamente a quasi tutte le riduzioni anaboliche necessarie per l'assimilazione degli elementi disponibili nell'ambiente sotto forma ossidata.

 

 

 

 


Fotosistemi nei batteri

Nei batteri è un anello di macromolecole inserite su una membrana che delimita uno spazio chiuso.

Il meccanismo di azione è il seguente:

Una grossa molecola assorbe un fotone, che porta un elettrone dallo stato fondamentale a uno stato eccitato.

La molecola può cedere più facilmente questo elettrone alle altre molecole dell'anello (ha un potere riducente più elevato di prima); l'anello costituisce così una catena di trasporto degli elettroni.

L'elettrone percorre la catena cedendo la sua energia che, nello spazio chiuso della membrana, genera un gradiente di protoni; questi diffondono all'esterno della membrana attraverso canali specifici, al termine dei quali un'apposita proteina impiega l'energia di uscita del protone per ricaricare ADP ad ATP.

Nel frattempo la molecola di partenza riceve nuovamente l'elettrone che ha perduto la sua energia ed è tornato allo stato fondamentale.

 

 

 

 


Fotosistemi nelle piante

Nelle piante ci sono due trasduttori detti fotosistema I e fotosistema II che, lavorando in coppia, riescono a trasferire elettroni dall'acqua a NADP+. Durante il trasferimento viene rigenerato ATP, in un processo detto fotofosforilazione ciclica.

I due trasduttori accoppiati generano un flusso netto di elettroni e di protoni dall'acqua al NADP+, che viene così ridotto a NADPH.

Contemporaneamente gli OH dell'acqua cedono un elettrone diventano instabili e si riarrangiano, formando H2O e O2.

NADPH poi può entrare nel ciclo di riduzione della CO2.

Secondo questo processo ha luogo così un trasferimento di energia alla sostanza organica, a spese dei fotoni e dell'acqua.

 

 

 

 


NADH o NADPH

Questi coenzimi fungono, praticamente, da trasportatori di elettroni, cioé da catalizzatori di ossidoriduzione.

Durante la loro funzione possono passare dalla forma ridotta NADH e NADPH alla forma ossidata NAD+ e NADP+ e viceversa.

NAD significa Nicotinammide Adenina Dinucleotide essendo la molecola costituita da due unità (nicotinammide-ribosio e adenina-ribosio) collegate da un ponte difosfato.

NADP si differenzia soltanto per un ulteriore gruppo fosfato che sostituisce un OH del ribosio.

 

 

 


NAD

 

L'acronimo NAD deriva dalle iniziali del suo nome, Nicotinammide Adenina Dinucleotide.

La molecola è costituita da due unità:

una nicotinammide-ribosio, che compare nella parte in alto della figura,

una adenina-ribosio, che compare nella parte in basso della figura,

collegate da un ponte difosfato, a sinistra.

 

NADP si differenzia da NAD soltanto per un ulteriore gruppo fosfato che sostituisce un OH del ribosio.

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Catena di trasporto degli elettroni

La catena è costituita da una sequenza di molecole che trasferiscono elettroni da NADH e FADH2 all'ossigeno, con una ben precisa direzione_del_flusso_degli_elettroni. Le molecole sono flavine (NAD, FAD), centri ferro-zolfo (Fe-S), ubichinone o coenzima Q, gruppi eme di citocromi, ioni rame, tutti associati a proteine.

I trasportatori formano quattro complessi_del_trasporto_degli_elettroni. Gli elettroni derivano dall'azione di deidrogenasi che utilizzano come coenzimi NAD o FAD.

Gli elettroni vengono trasferiti da NADH a FMN (gruppo prostetico della NADH-ubichinone riduttasi); l'ubichinone Q si riduce a QH2. Lo stesso avviene a causa della succinato-ubichinone riduttasi.

Gli elettroni passano poi da QH2 alla citocromo riduttasi (che contiene i citocromi b e c1); questa riduce il citocromo c, proteina periferica di membrana, solubile in acqua. Il citocromo c trasferisce elettroni alla citocromo ossidasi (che contiene citocromo a e a3  e due Cu++).

Fe del gruppo eme e un Cu++ trasferiscono quindi gli elettroni dall'ossidasi all'accettore finale, O2.

Il flusso di elettroni attraverso ognuno di questi complessi determina il trasferimento di protoni dal lato della matrice al lato citosolico della membrana mitocondriale interna.

 

 

 


Direzione del flusso degli elettroni

Nel diagramma è indicata l'energia libera di alcuni trasportatori di elettroni della catena respiratoria a partire dalla energia libera di NADH presa come zero e la direzione del flusso degli elettroni, sempre in discesa verso l'ossigeno.

In tre passaggi della catena si ha una diminuzione notevole di energia libera: è in queste fasi che viene fornita energia per la sintesi di ATP, che permette di conservarla.

E-FMN rappresenta la NADH deidrogenasi

Q rappresenta l'ubichinone

altri simboli corrispondono a diversi citocromi

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Complessi del trasporto degli elettroni

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complesso I: NADH ubichinone riduttasi e i suoi centri Fe-S

complesso II: succinato deidrogenasi e i suoi centri Fe-S

complesso III: citocromi b e c1 e un centro specifico Fe-S.

complesso IV: citocromi a e a3 e due ioni Cu++

L'ubichinone Q è la molecola di connessione tra i complessi I, II, III, mentre il citocromo c connette i complessi III e IV.

 

 

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