Appunti esame fisiologia vegetale

La fotosintesi

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’equazione di Niel. L’equazione di Niel afferma che in presenza di luce: CO₂ + 2H₂A → 2CH₂O + 2A + H₂O; cioè ci dice che la fotosintesi è la reazione alimentata dalla luce che porta alla sintesi di carboidrati usando CO₂ come accettore di elettroni e un donatore di elettroni H₂A.

Classi principali di organismi fotosintetici

Gli organismi fotosintetici si dividono in 2 classi principali: organismi con fotosintesi anossigenica come i batteri sulfurei (dove il donatore di elettroni è qualsiasi composto diverso dall’acqua come l’H₂S) e organismi con fotosintesi ossigenica come cianobatteri, alghe e piante (dove il donatore di elettroni è l’H₂O). Per quanto riguarda la fotosintesi ossigenica la formula generale diventa quindi: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

Evoluzione della fotosintesi ossigenica

Nel 1930 circa, Hill propose che l’ossidazione dell’H₂O e la riduzione di CO₂ non fossero 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.

Struttura dei cianobatteri e cloroplasti

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.

Fasi della fotosintesi

Perché avvenga la fotosintesi, servono:

• Un sistema per raccogliere l’energia luminosa (pigmenti o antenne)
• Un sistema per convertire l’energia luminosa in energia chimica (centri di reazione)
• Un sistema di trasporto degli elettroni per la sintesi di potere riducente e un sistema di trasporto di protoni per la sintesi di ATP
• 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 CO₂.

Caratteristiche della luce

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 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 × 10⁸ m/s): c = λν. La luce è anche una particella 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: E = hν = hc/λ, dove h è la 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’O₂.

Assorbimento dell'energia

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 (S₀); nel corso della transizione elettronica un elettrone passa nell’orbitale vacante a energia più elevata senza inversione di spin. Si ottiene così uno stato eccitato di singoletto (S₁).

Se il salto elettronico è accompagnato da un’inversione di spin si ha il passaggio a uno stato di tripletto (T₁) più stabile. L’assorbimento del fotone provoca il passaggio della molecola dallo stato fondamentale S₀ allo stato di singoletto eccitato S₁. 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.

Pigmenti fotosintetici

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: Chl + hν → Chl*.

La 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.

Carotenoidi e ficobiline

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.

Complessi pigmento-proteina

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.

Antenne fotosintetiche

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.

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.

Proteine antenna LHC

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 Planck, 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.

Modelli di collegamento tra antenne e centri di reazione

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.