Fisiologia vegetale

La fotosintesi è il processo chiave che permette la vita sulla Terra. Permette infatti la

conversione della luce in prodotti chimici e quindi carboidrati e ossigeno a partire da

anidride carbonica e acqua. È un processo redox che ha formula generale descritta

dall’equazioni di Niel. L’equazione di Niel afferma che in presenza di luce: CO + 2H A 

2 2

CH O + 2A + H O; cioè ci dice che la fotosintesi è la reazione alimentata dalla luce che

2 2

porta alla sintesi di carboidrati usando CO come accettore di elettroni e un donatore di

2

elettroni H A. Gli organismi fotosintetici si dividono in 2 classi principali: organismi con

2

fotosintesi anossigenica come i batteri sulfurei (dove il donatore di elettroni è qualsiasi

composto diverso dall’acqua come l’H S) e organismi con fotosintesi ossigenica come

2

cianobatteri, alghe e piante (dove il donatore di elettroni è l’H O). Per quanto riguarda la

2

fotosintesi ossigenica la formula generale diventa quindi: 6CO + 6H O C H O + 6O .



2 2 6 12 6 2

Nel 1930 circa Hill propose che l’ossidazione dell’H O e la riduzione di CO non fossero

2 2

direttamente collegate. La serie complessa di reazioni che terminano con la riduzione

dell’anidride carbonica comprende le reazioni dei tilacoidi e le reazioni della fissazione

del carbonio. Le reazioni dei tilacoidi sono le reazioni chimiche nelle quali l’acqua si

ossida a ossigeno, il NADP viene ridotto a NADPH e l’ATP viene formato. Le reazioni della

+

fissazione e riduzione del carbonio sono dette reazioni stromatiche o anche “fase oscura”

della fotosintesi, ma vedremo che non è corretto. La fotosintesi ossigenica si è evoluta

circa 2.5 miliardi di anni fa, ed ha contribuito all’accumulo di ossigeno nell’atmosfera

terrestre. Il primo vegetale a svolgere la fotosintesi è stata un’alga microscopica che ha

inglobato un cianobatterio convertendolo in un organello interno per lo sfruttamento

dell’energia solare. I cianobatteri sono quindi i progenitori dei cloroplasti delle cellule

eucariotiche in seguito a un evento di endosimbiosi primaria avvenuto circa 1.5 miliardi

di anni fa. Nei cianobatteri la fotosintesi avviene a livello di un sistema di membrane

interne nella cellula contenenti ficobilisomi. Negli eucarioti fotosintetici la fotosintesi

avviene nel cloroplasto. I cloroplasti sono racchiusi da una doppia membrana (costituita

da membrana interna e membrana esterna che hanno permeabilità differenti) che

racchiude lo stroma, un compartimento acquoso sede delle reazioni della riduzione del

carbonio all’interno del quale troviamo un terzo sistema di membrane ossia i tilacoidi che

racchiudono il lume tilacoidale e sono la sede delle reazioni luminose della fotosintesi. I

tilacoidi risultano essere per la maggior parte strettamente associati gli uni agli altri.

Queste membrane impilate sono conosciute come lamelle dei grana, mentre le membrane

in cui non si riscontra impilamento sono definite lamelle stromatiche. I cloroplasti

mantengono un proprio genoma e un proprio sistema di ribosomi. Perché avvenga la

fotosintesi, servono: 1) un sistema per raccogliere l’energia luminosa (pigmenti o

antenne), 2) un sistema per convertire l’energia luminosa in energia chimica (centri di

reazione), 3) un sistema di trasporto degli elettroni per la sintesi di potere riducente e un

sistema di trasporto di protoni per la sintesi di ATP, 4) una via composta da molte tappe

per utilizzare l’energia chimica generata. Le prime 3 fasi contribuiscono alla “fase

luminosa” della fotosintesi, l’ultima contribuisce invece alla fase di fissazione della CO .

2

La luce possiede caratteristiche sia di particella che di onda. Un’onda è caratterizzata da

una lunghezza d’onda che è la distanza fra 2 picchi successivi e da una frequenza che

ν

λ

è il numero di picchi d’onda che intercorrono in un determinato tempo. La seguente

equazione mette in relazione la lunghezza d’onda, la frequenza e la velocità dell’onda che

in questo caso è la velocità della luce (3 La luce è anche una particella

8

× 10 m ∕ s): c = λν.

ossia un fotone. Ogni fotone contiene una determinata quantità di energia detta quanto.

L’energia di un fotone (E) è descritta dalla legge di Planck: dove h è la

E = hν = hc / λ

costante di Planck. La lunghezza d’onda e la frequenza sono inversamente proporzionali.

I nostri occhi sono sensibili solo a una piccola parte delle lunghezze d’onda della

radiazione, la regione del visibile, che va dai 400 nm (violetto) a circa 700 nm (rosso). La

luce a lunghezza d’onda corta (ad alta frequenza) possiede un alto contenuto energetico,

mentre la luce a lunghezza d’onda lunga (bassa frequenza) ha un basso contenuto

energetico.

La luce fotosinteticamente attiva è soprattutto nel rosso e nel blu. Engelmann proiettò lo

spettro della luce sui cloroplasti a spirale dell’alga verde filamentosa Spirogyra e osservò

che i batteri aerotattici si raggruppavano nelle regioni dello spettro dove i pigmenti di

clorofilla assorbivano maggiormente e quindi dove si sviluppava la maggior parte dell’O .

2

L’assorbimento dell’energia è un processo del tipo tutto o nulla: l’energia del fotone

assorbito deve essere uguale al salto energetico da compiere ossia alla differenza di

energia dallo stato fondamentale a uno degli stati eccitati. Quando le molecole assorbono

o emettono luce, cambiano il loro stato elettronico. La maggior parte delle molecole nel

loro stato fondamentale ha gli elettroni con spin appaiati: tale stato viene detto stato di

singoletto (S ); nel corso della transizione elettronica un elettrone passa nell’orbitale

0

vacante a energia più elevata senza inversione di spin. Si ottiene così uno stato eccitato di

singoletto (S ). Se il salto elettronico è accompagnato da un’inversione di spin si ha il

1

passaggio a uno stato di tripletto (T ) più stabile. L’assorbimento del fotone provoca

1

il passaggio della molecola dallo stato fondamentale S allo stato di singoletto eccitato S .

0 1

A questo punto la molecola a elevato contenuto energetico può ridistribuire o perdere la

sua energia in diversi modi. La fluorescenza è il decadimento radiativo (con emissione di

luce) dallo stato di singoletto eccitato. Ci sono anche altri processi non radiativi tramite

cui molecole eccitate possono tornare allo stato fondamentale. La fosforescenza è il

decadimento radiativo (con emissione di luce) dallo stato di tripletto eccitato, un

processo molto più lento della fluorescenza e che perdura più a lungo.

Esistono 3 classi principali di pigmenti: clorofille/ batterioclorofille, carotenoidi e biline.

La struttura della clorofilla consiste in un anello porfirinico contenente al centro un

atomo di magnesio e intorno 4 atomi di azoto circondati da atomi di carbonio; una lunga

catena idrocarburica di fitolo è attaccata all’anello porfirinico e serve ad ancorare la

molecola di clorofilla alle membrane tilacoidali dei cloroplasti. La clorofilla a è presente

in tutti gli organismi con fotosintesi ossigenica. Esistono anche clorofille b, c e d, che

sono distribuite in modo diverso. La clorofilla ha picchi di assorbimento nel blu e nel

rosso. La clorofilla a appare verde ai nostri occhi, poiché assorbe la luce nella regione

rossa e blu dello spettro, riflettendo così ai nostri occhi solo luce verde (circa 550 nm).

L’assorbimento della luce è rappresentato dalla seguente equazione: La

Chl + hν → Chl*.

clorofilla Chl nel suo stato energetico minore, o stato basale, assorbe un fotone hν e

passa a un livello energetico superiore o stato eccitato Chl*. L’assorbimento della luce blu

eccita la clorofilla ad uno stato energetico superiore all’assorbimento della luce rossa,

poiché l’energia dei fotoni è superiore quando la loro lunghezza d’onda è più corta. Nello

stato di eccitazione superiore, la clorofilla è estremamente instabile e cede rapidamente

un po’ della sua energia all’ambiente circostante sotto forma di calore, passando così a

uno stato eccitato minore, dove può essere stabile per alcuni nanosecondi. Nello stato di

eccitazione minore la clorofilla eccitata ha 4 vie alternative di dissipazione dell’energia

disponibile. La clorofilla eccitata può riemettere un fotone attraverso un processo

chiamato fluorescenza. La lunghezza d’onda della fluorescenza è quasi sempre un po’ più

lunga di quella dell’assorbimento. La clorofilla eccitata può ritornare al suo stato basale

convertendo direttamente l’energia di eccitazione in calore, senza l’emissione di fotoni.

La clorofilla può partecipare al trasferimento di energia, nel quale una molecola di

clorofilla eccitata trasferisce la sua energia a un’altra molecola. Un quarto processo è la

fotochimica, nella quale l’energia dello stato eccitato permette che avvengano le reazioni

chimiche.

I carotenoidi sono molecole lineari con doppi legami coniugati multipli. Le bande di

assorbimento nella regione fra i 400 e i 500 nm impartiscono ai carotenoidi il loro

caratteristico colore arancio. Sono divisi in 2 classi: caroteni e xantofille (contengono l’O).

L’energia luminosa assorbita dai carotenoidi è trasferita alle clorofille per la fotosintesi;

per questo motivo i carotenoidi sono definiti pigmenti accessori. I carotenoidi hanno un

duplice ruolo: proteggono l’organismo dai danni causati dalla luce (fotoprotezione) e

ampliano lo spettro della raccolta di luce (pigmenti accessori). Le ficobiline sono

tetrapirroli lineari legati covalentemente ai ficobilisomi (tipici di cianobatteri e alghe

rosse). Non hanno la coda fitolica, quindi sono solubili in acqua. Hanno un range di

assorbimento tra i 550 e i 650 nm. I più comuni sono la ficocianobilina e la

ficoeritrobilina. La clorofilla a e i carotenoidi sono altamente conservati.

I pigmenti sono presenti negli organismi fotosintetici sotto forma di complessi pigmento-

proteina a parte i carotenoidi che si possono trovare liberi nella membrana. Distinguiamo

complessi antenna e complessi del centro di reazione. La maggior parte dei pigmenti

funge da complesso antenna, captando la luce e trasferendo l’energia al complesso del

centro di reazione, dove avvengono le reazioni chimiche di ossidazione e riduzione che

portano all’accumulo a lungo termine dell’energia. Se ogni clorofilla potesse fare

fotochimica, ogni clorofilla riceverebbe un fotone ogni 0.1 secondi, che è un’eternità

rispetto ai tempi della fotochimica (picosecondi). In più, ognuna dovrebbe avere una

catena di trasporto degli elettroni. Ciò non è vantaggioso per la cellula e richiede troppo

investimento di energia per sintetizzare molecole che lavorano poco. I complessi antenna

(la maggior parte delle clorofille) raccolgono l’energia luminosa e la convogliano ai centri

di reazione (un numero limitato di clorofille).

Le proteine antenna servono per aumentare la capacità di assorbire luce, devono

convogliare l’energia raccolta al centro di reazione e permettono di modulare

l’assorbimento dei pigmenti, aumentando il range di lunghezze d’onda catturabili.

Esistono diversi tipi di antenne. Distinguiamo antenne periferiche (non si inseriscono nel

doppio strato e sono ad esempio i ficobilisomi) e antenne integrali di membrana (si

inseriscono nel doppio strato e sono antenne accessorie, antenne del core, antenne fuse

al centro di reazione). Negli organismi con fotosintesi ossigenica ci sono 2 fotosistemi,

detti PSII e PSI. Il core del fotosistema (PS core) è costituito dal centro di reazione (RC),

dalle antenne del core e da varie altre subunità, ed interagisce con varie antenne

accessorie. PS core e antenne accessorie formano il supercomplesso.

Le antenne del core sono conservate mentre quelle accessorie sono diverse. Tra le

antenne accessorie esempi sono i ficobilisomi e le proteine antenna LHC. I ficobilisomi

sono antenne periferiche di membrana che aumentano la capacità di assorbimento

dell’energia luminosa in cianobatteri e alghe rosse. Ogni ficobilisoma è costituito da un

nucleo di alloficocianina, da cui dipartono diversi raggi orientati verso l’esterno costituiti

da dischi impilati di ficocianina e ficoeritrina o ficoeritrocianina. La presenza e la

particolare disposizione delle ficobiliproteine nei ficobilisomi consentono l’assorbimento

e il trasferimento unidirezionale di energia luminosa alla clorofilla a del fotosistema II.

Ogni ficobiliproteina ha infatti un assorbimento specifico. La luce con lunghezza d’onda

minore è captata alla superficie dalla ficoeritrina ed è poi trasferita al centro di reazione

mediante pigmenti che assorbono a lunghezza d’onda maggiore come la ficocianina e

l’alloficocianina. In questo modo, le cellule sfruttano le lunghezze d’onda disponibili della

luce che sono inaccessibili alla clorofilla e utilizzano l’energia per la fotosintesi.

Le proteine antenna LHC (Light Harvesting Complex) formano il sistema delle antenne

accessorie della maggior parte delle alghe e delle piante. Ogni specie ne possiede varie

isoforme. Sono tutte caratterizzate da 3 eliche transmembrana e legano pigmenti (sia

diverse molecole di clorofille che carotenoidi). Ad esempio, nelle piante le LHC

coordinano clorofille a, clorofille b e diversi tipi di carotenoidi coinvolti sia nella raccolta

dell’energia luminosa che in processi di fotoprotezione, ad esempio violaxantina o

zeaxantina.

Un’immagine molto semplice per visualizzare il meccanismo di raccolta dell’energia nei

sistemi di antenne è quella dell’imbuto. Le parti periferiche dei complessi antenna

assorbono principalmente fotoni a lunghezze d’onda più corte rispetto ai pigmenti più

interni. In accordo con la legge di Plank, gli stati eccitati dei pigmenti che assorbono a

lunghezza d’onda più bassa risultano ad energia più elevata; si può quindi instaurare un

processo di trasferimento dell’energia dai pigmenti più eccitati, lontani dal centro di

reazione, a quelli a energia minore che si trovano fisicamente più vicini al centro stesso.

Una piccola parte dell’energia viene persa come calore in ogni fase del trasferimento, e

questo dà un carattere di irreversibilità all’intero processo; il risultato complessivo è che

l’eccitazione viene spostata vicino al centro di reazione, dove poi viene immagazzinata

attraverso processi fotochimici. Questo modello a imbuto richiede naturalmente che le

antenne possiedano una certa organizzazione spaziale ed energetica per poter

funzionare, e cioè che i pigmenti che assorbono a lunghezza d’onda inferiore siano più

lontani dal centro di reazione rispetto a quelli che assorbono a lunghezza d’onda più

elevata. In aggiunta al picco di assorbimento dei pigmenti che va da blu a rosso,

avvicinandosi al centro di reazione diminuisce anche il numero di pigmenti cui questa

energia può esser trasferita. Solo nel dimero speciale del centro di reazione avviene la

separazione di carica (evento fotochimico primario) e un elettrone entra nella catena di

trasporto.

Le antenne accessorie LHC e il PS core (che include il centro di reazione e varie altre

subunità) si organizzano in supercomplessi. Il fotosistema II (PSII), che si trova in forma

dimerica nella membrana tilacoidale, è associato alle proteine antenna LHCII. L’insieme di

PSII e proteine antenna costituisce il supercomplesso PSII-LHCII. Meno voluminoso del

precedente, il supercomplesso PSI è costituito dal fotosistema I, e da un numero variabile

di proteine che prendono contatto con un lato di questo. Nelle piante superiori e nei

muschi si tratta di 2 eterodimeri, formati uno dalle proteine Lhca1 e Lhca4 e il secondo

dalle proteine Lhca2 e Lhca3.

Cerchiamo ora di capire in che modo sono collegati tra loro i complessi di antenne ed i

centri di reazione. Possiamo distinguere 2 casi estremi: il modello “puddle” e il modello

“lake”. Nel primo caso un singolo centro di reazione e la sua antenna formano un’entità

indipendente non collegata in alcun modo con le altre. Nel secondo caso, si ha la massima

interconnessione tra centri di reazione e antenne: i centri sono immersi in un lago di

pigmenti e l’energia può essere trasferita con uguale probabilità a uno qualsiasi di questi

centri. Se uno non è disponibile, l’eccitazione può essere diretta verso un altro. È

vantaggioso quando c’è poca luce. Tra questi 2 casi estremi possiamo individuare altri 2

modelli utili. Nel modello a unità connesse possiamo individuare delle pozzanghere

collegate tra loro, per cui l’energia può essere trasferita tra le varie antenne ma con

probabilità piuttosto bassa. Nel modello a domini, invece, si hanno delle pozzanghere

contenenti due o più centri di reazione.

Trasporto elettroni

I componenti della catena fotosintetica di trasporto degli elettroni sono: il PSII con le sue

antenne accessorie, il citocromo b6f, la plastocianina, il PSI con le sue antenne accessorie

e la ferredossina. I complessi fotosintetici sono distribuiti in modo non omogeneo nelle

membrane tilacoidali. Il PSII insieme alle antenne accessorie è localizzato

prevalentemente nelle lamelle dei grana. Il PSI insieme alle antenne accessorie, come

anche l’enzima ATPasi che catalizza la formazione di ATP, si trovano quasi

esclusivamente nelle lamelle stromatiche e sui bordi delle lamelle dei grana. Il complesso

del citocromo b6f che unisce i due fotosistemi è equamente distribuito fra le lamelle

stromatiche e quelle granali. Questa separazione tra i due fotosistemi richiede che gli

elettroni e i protoni prodotti dal PSII siano trasportati a notevole distanza prima di poter

agire sul PSI e sull&rsq