Fotosintesi - Fase luminosa, fase oscura, fotorespirazione, ciclo C4 e CAM

Il primo donatore di elettroni che alimentano la catena di trasporto degli e- è l’acqua che viene ossidata nel centro di reazione del PSII

producendo ossigeno molecolare (quello che respiriamo).

1. Assorbimento della luce e ruolo dei fotosistemi

Negli organismi eucarioti fotoautotrofi, la fase luminosa coinvolge due fotosistemi, complessi proteici immersi nella membrana

tilacoidale, formati ciascuno da pigmenti antenna e dal proprio centro di reazione, ossia:

• Fotosistema II (PSII) – Assorbe luce a 680 nm (P680). Si trova nei tilacoidi granari

• Fotosistema I (PSI) – Assorbe luce a 700 nm (P700). Si trova nei tilacoidi intergranari e granari

I fotosistemi contengono pigmenti antenna, che catturano la luce e trasmettono l’energia ai centri di reazione (dove avviene

l’eccitazione degli elettroni).

Nel centro di reazione del PSII si trova l’oxygen evolving complex (OEC): un complesso proteico responsabile dell’ ossidazione

dell’acqua che cede un elettrone e viene scissa in ossigeno molecolare e protoni. L’OEC presenta un sito attivo costituito da 4 atomi di

MN. (Quindi è qui che il primo donatore di elettroni alimenta la catena di trasporto). Circa il 10% dell’ossigeno prodotto da questa

reazione viene usato dai mitocondri della foglia per supportare la fosforilazione ossidativa, il restante 90% viene emesso dalla pianta.

Espressione della capacità di assorbire la radiazione luminosa: La luce di determinate lunghezze d’onda agisce sui pigmenti antenna

spostando uno o più elettroni periferici (facenti parte del sistema coniugato) ad un livello energetico superiore, eccitando la molecola.

Questo trasferimento per risonanza avviene nel light harvesting complex dei fotosistemi 1 e 2 (costituiti da un gran numero di

molecole di clorofilla e altri pigmenti accessori). Ciascuna molecola può trasmettere per risonanza l’energia per eccitare quella

adiacente fino al raggiungimento di una coppia di molecole di clorofilla a (special pair) che si trovano nel centro di reazione del

fotosistema. Una volta che l’energia raggiunge il dimero di clorofilla a non viene più

passata ad altre molecole di clorofilla, ma avviene il passaggio dell’elettrone

ad un accettore primario, che avvia la catena di trasporto degli elettroni.

(inizio della catena di trasporto):

2. Fotolisi dell’acqua e liberazione di ossigeno

Una volta che l’energia raggiunge il dimero di clorofilla a non viene più passata ad altre molecole di clorofilla, ma avviene il passaggio

dell’elettrone ad un accettore primario, che avvia la catena di trasporto degli elettroni.

L’accettore primario viene ridotto, ma a questo punto il dimero di clorofilla a deve ossidare un’altra molecola per riprendersi l’elettrone.

PSI è PSII differiscono oltre che per la lunghezza d’onda ottimale alla quale assorbono, anche per la molecola che funge da accettore

primario e per la fonte di elettroni a cui attingono per ristabilizzare le molecole eccitate:

• Nel PSII, la luce eccita il pigmento P680 (poiché il dimero assorbe preferenzialmente a 680nm), portandolo in uno stato energetico

instabile —> P680+ (il più potente agente ossidante in natura). L’accettore primario è la feofitina.

Nel PSI il dimero di clorofilla assorbe preferzialmente a 700nm (P700). Gli elettroni qui derivano dalla catena di trasporto degli

• elettroni innescata dalla reazione avvenuta nel PSII. L’accettore primario è la clorofilla A0.

Nel PSII degli eucarioti fotoautotrofi, il donatore di elettroni è l’acqua che viene scissa nelle sue componenti liberando ossigeno, quindi

per ristabilire l’equilibrio, il P680+ sottrae elettroni all’acqua, in un processo chiamato fotolisi dell’acqua.

Questo processo:

• Libera ossigeno molecolare (O₂), che viene rilasciato nell’atmosfera.

• Rilascia protoni (H⁺), che contribuiscono a creare un gradiente protonico necessario per la produzione di ATP.

Essi si riversano nel lume tilacoidale che si acidifica, mentre i protoni utilizzati per la protonazione vengono dallo stroma che si

basifica (gradiente elettrochimico attraverso la membrana tilacoidale).

• Fornisce elettroni al P680+ per ristabilire il suo stato neutro.

L’ossidazione dell’acqua avviene grazie all’Oxygen Evolving Complex (OEC), un complesso proteico con 4 atomi di manganese

(Mn) nel PSII.

Il centro di reazione del PSII è costituito dal P680, da numerose molecole di beta-carotene e da alcune molecole importanti per

il trasporto degli elettroni: la feofitina e i plastochinoni (QA e QB).

3. Trasporto degli elettroni e produzione di ATP

Il trasporto degli elettroni comincia quando il P680 trasferisce un elettrone alla feofitina. Sul P680 si accumula una carica positiva

(P680+) che viene neutralizzata attraverso la fotolisi dell’acqua. Dalla feofitina l’elettrone passa al plastochinone QA e poi al

plastochinone QB dove avviene la protonazione (QBH —> fino a QB2H).

Nello spazio tra i 2 fotosistemi opera come accettore di elettroni il complesso citocromico b6f (grande proteina comprendente un

citocromo f e una proteina di Rieske). Il plastochinone cede un elettrone alla proteina di Rieske che a sua volta la straferisce al

citocromo f. Il plastochinone si ristabilizza grazie ad un protone proveniente dallo stroma.

Dal complesso citocromico gli elettroni vengono ceduti alla plastocianina (proteina idrofila che trasporta gli elettroni al PSI).

In sintesi gli elettroni passano dal plastochinone attraverso il complesso citocromico alla plastocianina e raggiungono il centro di

reazione del PSI passando a livelli energetici progressivamente inferiori.

Questa energia è utilizzata per arricchire il lume tilacoidale di protoni.

Una volta che un elettrone ha raggiunto il PSI si lega al P700 mediante lo stesso meccanismo (innescando una catena di elettroni

uguale ma più corta).

Sintesi di ChatGPT: Dopo essere stati eccitati dalla luce nel PSII, gli elettroni seguono un trasporto a cascata lungo la catena di

trasporto degli elettroni, che comprende:

1. Feofitina (accettore primario del PSII).

2. Plastoquinone (QA e QB) – Trasporta gli elettroni al complesso citocromico b6f.

3. Complesso citocromico b6f – Pompa protoni (H⁺) dal dello stroma al lume tilacoidale, creando un gradiente

elettrochimico.

4. Plastocianina (PC) – Trasporta gli elettroni al PSI.

L’accumulo di protoni nel lume tilacoidale genera un gradiente protonico, che alimenta l’ATP sintasi, un enzima che converte ADP

in ATP attraverso un processo chiamato fotofosforilazione.

4. Fotosistema I e produzione di NADPH

Quando gli elettroni arrivano al PSI, vengono nuovamente eccitati dalla luce assorbita dal P700. Da qui, seguono un secondo

percorso:

1. Passano attraverso clorofilla A0, chinone A1 e proteine ferro-zolfo (Fe-S).

2. Vengono trasferiti alla ferredossina (Fd).

3. La ferredossina riduce l’NADP⁺ reduttasi, che catalizza la reazione

Il NADPH è un coenzima che fornirà elettroni alla fase oscura per la sintesi di glucosio.

Una volta che un elettrone ha raggiunto il PSI si lega al P700 mediante lo stesso meccanismo, l’elettrone raggiunge una Fe-S proteina

(Fd) ossia la ferredossina, essa è debolmente legata all’esterno dalla membrana tilacoidale e si affaccia sullo stroma.

Nello stroma è presente il NADP+ ossia l’accettore terminale del percorso di elettroni catalizzato dal complesso enzimatico

ferredossina NADP ossido-reduttasi. Si forma NADPH che sarà utilizzato nella fase oscura in cui avverrà l’organicazione del

carbonio.

Oltre al NADPH servirà ATP per la fase oscura. Anch’esso viene prodotto dalle reazioni che si sviluppano nella fase luminosa.

La forza che consente la produzione di ATP è il gradiente protonico che si genera tra il lume tilacoidale e lo stroma che deriva dai

protoni prodotti durante la fotolisi dell’acqua e da quelli ceduti dal plastochinone (presi dallo stroma in una fase della catena di

trasporto). I protoni in eccesso nel lume tilacoidale rientrano nello stroma attraverso un canale protonico presente nell’enzima

ATPsintasi che tramite gradiente chemiosmotico fa uscire protoni generando ATP da molecole di ADO + gruppi Pi —> processo di

fotofosforilazione

5. Bilancio della fase luminosa

Per ogni 2 molecole d’acqua scisse vengono prodotti:

• 4 elettroni (utilizzati per ridurre NADP⁺ a NADPH).

• 4 protoni (contribuiscono alla sintesi di ATP).

• 1 molecola di O₂ (rilasciata nell’atmosfera).

L’energia luminosa è stata quindi convertita in due forme di energia chimica:

1. ATP (tramite il gradiente protonico e l’ATP sintasi).

2. NADPH (tramite la riduzione dell’NADP⁺ nel PSI).

Questi prodotti saranno utilizzati nella fase oscura (o ciclo di Calvin) per la sintesi di zuccheri.

La Fase Oscura della Fotosintesi (Ciclo di Calvin-Benson)

La fase oscura, chiamata anche fase chimica o fase indipendente dalla luce, è la seconda parte della fotosintesi e avviene nello stroma

del cloroplasto. Qui, l’ATP e il NADPH prodotti nella fase luminosa vengono utilizzati per fissare il carbonio atmosferico e sintetizzare

glucosio e altre molecole organiche. La CO2 entra attraverso gli stormi e viene organicata.

Nel ciclo di Calvin la CO2 e l’H2O sono unite enzimatica mente a una molecola a cinque atomi di carbonio (ribulosio-1,5-difosfato o

RuBP) per generare due molecole di un intermedio a 3 atomi di carbonio (3-fosfoglicerato o 3-PGA), esso viene ridotto in carboidrati

utilizzando ATP e NADPH generati fotochimicamente. Il ciclo si completa con la rigenerazione del RuBP.

Il Ciclo di Calvin-Benson è composta da tre fasi principali:

1. Fase di carbossilazione

2. Fase di Riduzione

3. Fase di rigenerazione dell’accettore

di Carbossilazione

1. Fase

In questa fase 3 molecole di CO2 reagiscono con 3 molecole di RuBP per formare 6 molecole di 3-PGA.

La reazione è catalizzata dall’enzima RuBisCO (Ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi/ossigenasi) che

quindi cattura l’anidride carbonica dall’atmosfera e la incorpora in una molecola organica.

Il prodotto iniziale della reazione è una molecola instabile a 6 atomi di carbonio, che subito si scinde

(viene idrolizzato) in due molecole di 3-fosfoglicerato (3-PGA), ognuna con 3 atomi di carbonio.

2. Fase di Riduzione: Produzione di G3P

In questa fase una molecola di ATP fosforila il 3-GPA dando origine ad una anidride mista ossia 1,3-difosfoglicerato

in una reazione catalizzata dall’enzima 3-fosfoglicerato chinasi.

Le molecole di 3-PGA devono essere trasformate in una forma più energetica, il gliceraldeide-3-fosfato (G3P).

Questo avviene in due passaggi:

1. Fosforilazione – Il 3-PGA riceve un gruppo fosfato dall’ATP, formando 1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG).

2. Riduzione – Il NADPH cede elettroni al 1,3-BPG, trasformandolo in G3P (Gliceraldeide-3-fosfato).

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