Concetti Chiave
- Il trasporto ciclico di elettroni nelle piante superiori avviene attraverso due vie principali: una mediata dalle proteine PGR5/PGRL1 e l'altra dalla proteina NDH.
- La fotofosforilazione è il processo di sintesi di ATP che utilizza l'energia luminosa e si basa su un meccanismo chemiosmotico, sfruttando la forza proton-motrice.
- Il meccanismo chemiosmotico è stato dimostrato da esperimenti che creano un gradiente di pH nelle membrane tilacoidali, generando ATP quando si aggiungono ADP e fosfato inorganico.
- L'enzima ATP sintasi opera come un motore molecolare, con una rotazione della subunità gamma che trasloca protoni attraverso la membrana tilacoidale per produrre ATP.
- La rotazione della subunità gamma è stata monitorata sperimentalmente, dimostrando il funzionamento dell'enzima attraverso l'osservazione del movimento di filamenti di actina marcati con fluorescenza.
Indice
Trasporto ciclico di elettroni
Nelle piante superiori, il trasporto ciclico di elettroni consiste in due differenti vie (pathways):
* la via che richiede l'intervento delle proteine PGR5 (proton gradient regulation)/ PGRL1.
* la via dipendente della proteina NDH (NADH-dehydrogenase complex)
Le proteine PGRL5 e PGRL1 interagiscono tra di loro e con PSI per mediare il trasporto.
Il complesso NDH potrebbe dunque alleviare lo stress ossidativo nel cloroplasto in condizioni di eccessiva illuminazione. Se in queste condizioni di stress il ciclo di Calvin riduce la propria efficienza, si verifica un accumulo di elettroni.
Che cos'è la fotofosforilazione e la forza proton-motrice?
Una frazione dell’energia luminosa catturata dai pigmenti fotosintetici è utilizzata per la sintesi “luce-dipendente” di ATP. Questo processo è noto come fotofosforilazione e si svolge attraverso un meccanismo chemiosmotico (proposto per la prima volta da Mitchell negli anni ‘60). L’energia disponibile per la sintesi di ATP, denominata forza proton-motrice è la somma del potenziale chimico e potenziale elettrico transmembrana.
Definita dalla somma di due componenti: gradiente di carica + gradiente chimico
Nei cloroplasti, deriva quasi interamente dal gradiente di pH generato dalla traslocazione.
Il trasferimento di protoni dallo stroma al lume del tilacoide legato al trasporto di elettroni determina un aumento del pH dello stroma.
Il meccanismo chemiosmotico era un modello teorico.
Prove a favore del meccanismo chemiosmotico della fotofosforilazione.
Prove del meccanismo chemiosmotico
Hanno frammentato il tessuto fogliare, estratto i cloroplasti e lisati in modo da isolare la frazione che conteneva le membrane tilacoidali, queste sono state mantenute a pH 8 e sono state equilibrate in una soluzione acida a pH 4.
Hanno riprodotto così in vitro la condizione fisiologica di un tilacoide che ha all’interno un lume acido e all’esterno un pH neutro. Si genera un gradiente di pH, hanno aggiunto al sistema ADP e fosfato inorganico, ciò ha generato una differenza di pH tra i due lati della membrana tilacoidale, con la parte più interna acida. Una volta aggiunti, veniva sintetizzata ATP. Il gradiente di pH e carica serve per fare l’ATP.
Funzionamento dell'enzima ATP sintasi
Sintetizzata da un grande complesso enzimatico CF0 (insieme di polipeptidi che formano dei canali in cui passano i protoni) e CF1 (sul versante dello stroma, alfa e beta generano più di un sito catalitico) subunità gamma ed epsilon collegano i due CF.
L’enzima si comporta come un vero e proprio motore molecolare:
* CF0 ruota durante la reazione catalitica, contiene 14 copie della subunità integrale di membrana
* ogni volta che il complesso ruota, ciascuna subunità integrale di membrana può traslocare un protone attraverso la membrana tilacoidale.
* Per ogni rotazione, 14 protoni vengono traslocati per produrre 3 ATP
A seconda di come si distribuiscono le subunità, abbiamo una cavità in cui si posizionano i substrati della reazione.
Un filamento di actina marcato con una sonda fluorescente è stato legato covalentemente alla subunità gamma.
La rotazione della subunità gamma è stata dimostrata sperimentalmente
Vetrino con biglie fatte aderire sul vetrino, materiale che lega le code di istidina lega il substrato, le code bloccano e incollano al substrato (vetrino) una parte del complesso ATP sintasi, la testa.
La subunità gamma è stata aggiunta una sonda per poter monitorare la rotazione: filamenti di actina legati a streptavidina, che può essere visualizzata mediante fluorescenza.
Il movimento dei filamenti di actina è stato osservato utilizzando un microscopio a fluorescenza.
Domande da interrogazione
- Qual è il ruolo delle proteine PGR5 e PGRL1 nel trasporto ciclico di elettroni?
- Come avviene la sintesi di ATP durante la fotofosforilazione?
- Quali esperimenti supportano il meccanismo chemiosmotico della fotofosforilazione?
- Come funziona l'enzima ATP sintasi?
- Quali tecniche sono state utilizzate per dimostrare la rotazione della subunità gamma dell'ATP sintasi?
Le proteine PGR5 e PGRL1 interagiscono tra di loro e con PSI per mediare il trasporto ciclico di elettroni nelle piante superiori, contribuendo a gestire lo stress ossidativo nei cloroplasti in condizioni di eccessiva illuminazione.
La sintesi di ATP durante la fotofosforilazione avviene attraverso un meccanismo chemiosmotico, dove l'energia luminosa catturata dai pigmenti fotosintetici genera una forza proton-motrice, risultante dal gradiente di pH e carica.
Gli esperimenti hanno isolato le membrane tilacoidali e create condizioni di pH diverse, dimostrando che un gradiente di pH genera ATP quando si aggiungono ADP e fosfato inorganico, confermando il meccanismo chemiosmotico.
L'enzima ATP sintasi funziona come un motore molecolare, con il complesso CF0 che ruota e trasloca protoni attraverso la membrana tilacoidale, producendo ATP ad ogni rotazione, con 14 protoni traslocati per generare 3 ATP.
La rotazione della subunità gamma è stata dimostrata sperimentalmente utilizzando filamenti di actina marcati con sonde fluorescenti, osservati al microscopio a fluorescenza, per monitorare il movimento durante la reazione catalitica.
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