Appunti di elementi di fisiologia vegetale, Simone Ferrari

FOTOSISTEMA

Pigmenti fotosintetici + proteine e altre molecole

Centro di reazione: vi si trova il pigmento fotoossidabile

(dimero di clorofilla a).

E’ quello che ossida l’H2O

Complessi antenna: captano la luce e trasferiscono

l’energia al centro di reazione.

N.B.: Man mano che ci si avvicina al centro di reazione i

pigmenti assorbono a lunghezze d’onda maggiori (verso il

rosso)

Variando lunghezza d’onda, se aumento, resa quantica fino

a 700nm, poi CROLLA: CADUTA NEL ROSSO

Questo perché un centro di reazione assorbe fino a 680nm,

ma servono entrambi! (Ci sono 2 fotosistemi)

EFFETTO DI AMPLIFICAZIONE (EMERSON) : Velocità di fotosintesi

I Fotosistemi lavorano in SERIE:

Fotosistema I (PSI): assorbe fino alla luce rosso lontana (700 nm)

Fotosistema II (PS II): assorbe fino allo luce rossa (680 nm) e assorbe molto poco la luce rosso lontana

LA LUCE A 700NM ATTIVA SOLO IL PSI Il potenziale di riduzione standard

(abbreviato E0) è il potenziale elettrodico

riferito all'elettrodo standard a idrogeno e

misurato in circostanze standard. La

valutazione dei potenziali standard è

molto utile per determinare se una

reazione redox possa avvenire. Le specie

chimiche che possiedono potenziale più

positivo tendono a ossidare quelle a

potenziale più negativo.

PS I produce un forte riducente (P700*)

capace di ridurre il NADP + ed un debole

ossidante (P700 + );

PS II produce un forte ossidante ( P680 + )

in grado di ossidare l’acqua e un debole

agente riducente (P680*) in grado di ri-

ridurre l’agente ossidante prodotto dal PSI

Gli elettroni strappati da H2O si muovono attraverso

accettori tramite reazioni REDOX

L’elettrone eccitato del PSII passa al PLASTOCHINONE transmembrana, che passa alla forma ridotta (nel

frattempo prende 2H+ dallo stroma) e poi si ossida (lasciando 2H+ nel lume) lasciando l’elettrone al

citocromo b6f, che lo cede alla PLASTOCIANINA (trasportatore) che lo porta al PSI, nel quale sostituisce (ri-

riduce) l’agente ossidante (centro di reazione?)

Piu’ va avanti la catena, piu’ si accumulano protoni nel TILACOIDE per:

-Ossidazione H2O

-Ciclo dei plastochinoni che prendono protoni dallo stroma e quando si ossidano lo rilasciano nel LUME

Alla fine:

-Accumulo NADP+ Stroma

-Accumulo PROTONI Lume

Si genera DIFFERENZA DI CONCENTRAZIONE: H+ (protoni) possono passare secondo gradiente dal LUME

allo STROMA

Tale passaggio viene sfruttato per ottenere ATP

I Fotosistemi sono immersi nella membrana tilacoidale

Alla periferia del complesso vi sono diverse proteine per catturare luce

FOTOSISTEMA I Complessi multiproteici

-CORE (Con centro di reazione)

Psa A e Psa B sono proteine Fe-S integrali

della membrana tilacoidale.

Legano il P700 ed i suoi accettori, 40 clf a

e 6 carotenoidi ciascuna (antenna

interna).

La coppia Psa A/Psa B ha un singolo

centro ferro-zolfo Fe 4 S 4, ACCETTOREA2

P700 (Em=+0,48V). Consiste di clf a

dimerica (una sola si ossida)

Clorofilla monomerica A0. (Em<-1V),

agisce da accettore immediato

dell’elettrone da P700

2 molecole di Fillochinone (vitamina K1).

(Em=-0,8V) il probabile accettore

secondario A1 del PS I

F A (Em=-0,53V) e F B (Em=-0,58V) sono

due centri Fe 4 S 4 nella proteina Psa C non

integrale di 9 kDa.

Psa D. Aggancia la ferredossina sul lato

stromatico.

Psa F. Aggancia plastocianina sul lato

luminale

-ANTENNA

Complesso antenna LCH I: complesso clf-

proteine associate al PS I (geni cab). Circa

12 clf/polipeptide

Clorofilla

Carotenoidi

Lipofili, immersi in membrana tilacoidale

-PROTEINE REDOX CHE INT. CON PSI

Plastocianina (PC): cuproproteina

(Em=+0,37V) agisce come donatore per il

P700+ ed accettore diretto per cit f.

Ferredossina (Fd): Fe-S proteina non emica

(Em=-0,43V). Si trova nello stroma e puo’

aderire al PS I mediante Psa D.

Ferredossina-NADP+ riduttasi (FNR):

(Em=-0,36V)

PS II -ANTENNA

Complessi antenna LHC II: Complesso

trimerico mobile composto da vari

polipeptidi, che contengono clf a e b in

rapporto 1,4:1

Altre proteine hanno ruolo di connessione

con antenna interna

-CORE

Antenna interna del PS II: due grossi

polipeptidi trans-membrana chiamati CP43

e CP47 contenenti clf a .

Polipeptidi D1 e D2 integrali della

membrana tilacoidale. D1 contiene il P680,

la FEOFITINA (accettore primario, clorofilla

A senza Mg) e il sito per l’accettore

chinonico secondario Q B . D1 Condivide

con D2 il sito per Q A .

Cit b559: integrato nelle membrane

tilacoidali, consiste di due peptidi con due

gruppi eme a differente potenziale. E’

associato alle proteine D1-D2

MSP = manganese-stabilizing protein (parte del complesso di evoluzione dell’ossigeno, o OEC) H2O si ossida

solo dopo che Complesso di Evoluzione dell’O2 si ossida progressivamente (atomi di Mn). Devono essere

persi 4 elettroni per ossidare 1H2O. : FOTOLISI DELL’ACQUA

Vari stati di ossidazione (S0 -fase stabile-, S1, S2, S3, S4): Ogni volta che perde 1e- stato di ossidazione

avanza, fino a 4 dove è capace di OSSIDARE H2O. Elettroni ceduti a Z che li cede a P680

I PROTONI SONO RILASCIATI NEL LUME DEL TILACOIDE (4H+ ogni 4e-)

Complesso b6/f: Ogni complesso contiene un citocromo f (33kDa, Em=+0,36V), un citocromo b6 con due

gruppi eme b e una ferro-zolfoproteina di “Rieske”

Il P680 viene eccitato, rilascia e- verso clorofilla A senza Mg (FEOFITINA : Accettore primario, molecola di

clorofilla modificata senza Mg al centro). Questa lo rilascia al Qa e poi al Qb Dal PS II l’elettrone passa al

Plastochinone.

1 Plastochinone porta 2e- alla

volta: per ridurlo servono 2e-

(dal P680) : eccitato 2 volte di

seguito, forma Plastochinolo

(forma ridotta)

Poi migra verso citocromo b6f e rilascia 2e- ad esso riossidandosi (nel frattempo rilascia 2H+ dallo stroma

al lume ogni 2e- presi): 1e- per plastocianina. 1e- per ridurre un altro plastochinone ossidato (ma servono

2e- per farlo) quindi 2 CICLI (4 elettroni dal P680): 4H+ per 4e-

Gli elettroni vengono trasferiti alla PLASTOCIANINA (proteina idrosolubile del lume), come plastochinolo

trasportatore mobile di elettroni, che trasferisce gli elettroni uno per volta al PS I

2 CICLI:

-2e- a PLASTOCIANINA

-4H+ nel LUME SINTESI ATP

NO necessità LUCE (la luce è necessaria per avere differente pH ma il

processo in sé funziona anche senza)

Se differenza tra interno ed esterno tilacoide è ΔpH=4 INT-EST tilacoide

dovrebbero esserci potenziali di 230mV (in realtà è meno, 60mV, perché

cariche +/- passano K+, Cl-, ecc. per compensare differenze di carica

elettrica.

Complessi dell’ATP SINTASI, inclusi nella membrana tilacoidale, sono canale

tramite cui i protoni possono fluire secondo gradiente, per tornare nello

stroma, sfruttando differenza di concentrazione (energia potenziale)

formatasi per sintetizzare ATP a partire da ADP + P : FOTOFOSFORILAZIONE

RIDUZIONE NADP+ a NADPH

Quando molecola di P700 viene eccitata, suo elettrone viene trasferito ad

accettore primario A0 (simile feofitina), poi elettroni sono trasferiti “in

discesa”, ovvero con reazioni spontanee, tramite catena di trasportatori:

A1 (fillochinone), ferro-zolfo proteine (tra cui Ferredossina). Ferredossina

(Fd) è ferro-zolfo proteina mobile, situata nello stroma, accettore finale.

Elettroni trasferiti da Fd a NADP+ tramite NADP+ riduttasi (FNR).

Produzione NADPH

Elettroni persi da P700 sostituiti da elettroni dal PS II

STECHIOMETRIA TRASPORTO ELETTRONI FOTOSINTETICO (non ciclico)

Il processo sopra descritto è detto Flusso non ciclico di elettroni

Per 6 coppie di elettroni:

6H2O 12e- + 12H+ + 3 O2

6NADP+ + 12e- 6H+ 6NADPH

6NADP+ + 6H2O 6NADPH + 6H+ + 3 O2

Per 6 coppie di elettroni: 6ATP + 6NADPH

NADPH e ATP sono rilasciati nello STROMA (entrano in CICLO DI CALVIN)

Le reazioni del C richiedono piu’ ATP che NADPH in rapporto 3:2. Compensazione tramite

fotofosforilazione ciclica.

FOTOFOSFORILAZIONE CICLICA

Può avvenire quando PS I lavora piu’ del PS II : Luce rosso lontano (700nm) o poca luce rossa (es tramonto

o sottobosco)

-Fornisce ATP

-In opera quando NADPH in eccesso

-Anche in cloroplasti agranali

PS I può lavorare da solo.

Elettrone da P700 passa a A0. Invece di fluire in discesa verso Fd e NADP+ deviano verso accettore tra PSI e

PSII. Qui vanno in discesa producendo gradiente e producendo ATP.

Non avviene scissione H2O o NADPH: Unico prodotto è ATP

Il PS II (centro di reazione, complesso antenna, proteine di

trasporto elettronico) e’ localizzato prevalentemente nelle zone

appressate delle lamelle dei grana

Il PS I (centro di reazione, complesso antenna, proteine di

trasporto elettronico) e l’ATP Sintasi e’ localizzato quasi

esclusivamente nelle lamelle stromatiche e sui bordi delle

lamelle dei grana

Il complesso del citocromo b6-f che unisce i due fotosistemi e’

equamente distribuito.

SPILLOVER

Nel caso in cui si accumula plastochinone ridotto per eccessiva illuminazione del PSII o per mancato

funzionamento del PS I, si osserva una migrazione dell’antenna più esterna del PSII verso il PSI.

Slittamento del complesso LHC II dal PS II al PS I : Diminuiscono le attivita’ collegate con il PS II, aumenta

l’antenna e l’attivita’ di PS I

Regolato da FOSFORILAZIONE e DEFOSFORILAZIONE di proteine specifiche:

-se vi è molto ATP avviene fosforilazione della proteina, questa cambia conformazione, si stacca da PSII,

migra verso PSI

-se vi è poco ATP avviene defosforilazione della proteina

FISSAZIONE E RIDUZIONE CO2

A livello dei tilacoidi si lavora per ATP accumulata nello stroma del cloroplasto:

-fissare e ridurre CO2

-Ottenere zuccheri

L’energia assorbita e la capacita’ di riduzione sono utilizzate per la riduzione della CO 2 in carboidrato di

alto valore energetico.

Questa reazione si realizza nello stroma del cloroplasto

CICLO DI CALVIN (o Ciclo riduttivo dei pentosi fosfati)

Avviene nello STROMA

Composto iniziale e finale RuBP (Zucchero 5C 2P)

3 FASI:

-Carbossilazione (C in forma inorganica a organica)

Composto iniziale a 5C (2P) viene trasformato in composto instabile a 6C (2P) tramite aggiunta di CO2.

Questo viene idrolizzato e produce 2 composti 3C (1P) di acido 3-fosfoglicerico o 3-fosfoglicerato (PGA)

Per questo viene detto ciclo C3.

RUBISCO: RuBP carbossilasi deidrogenasi ( Enzima che catalizza la reazione )

-Riduzione

Il 3-fosfoglicerato viene fosforilato tramite ATP in 1,3 bifosfoglicerato e successivamente ridotto tramite

aggiunta H+ da NADPH in Gliceraldeide-3-Fosfato (PGAL)

-Rigenerazione

La rigenerazione dell’accettore di CO2, il ribulosio 1,5- b