Riassunto esame Biochimica Agraria, prof. Spagnuolo

PSII:

L’antenna del PSII presenta due grossi polpeptidi trans-membrana detti CP43 e CP47, che contengono

clorofilla a.

C’è un complesso Mn associato al lato del lume tilacoidale ai peptidi D1, D2 e CP47 e protetto da proteine.

I polipeptidi D, sono proteine D1 e D2 integrali alla membrana tilacoidale. La D1 contiene P680, feofitina e il

sito per l’accettore chinonico secondario QB. D1 e D2 condividono il sito per QA.

Il citocromo b559 è integrato nelle membrane tilacoidali e consiste di due peptidi con due gruppi eme a

differente potenziale. Il cit b 559 è associato alle proteine D1 e D2.

è l’assorbimento della luce da parte dei pigmenti antenna. Poiché le

La prima fase della fotosintesi

reazioni fotochimiche avvengono solo nei centri di reazione, le eccitazioni devono essere trasferite per

risonanza alla speciale clorofilla presente al centro di reazione. Il trasferimento di energia a questo punto

termina. Le molecole speciali di clorofilla ai centri di reazione P680, sono pigmenti che tendono ad assorbire

a lunghezza d’onda più alta di quanto facciano gli altri tipi di clorofilla a.

Quando l’energia di eccitazione migra al P680, la molecola speciale di clorofilla a si porta ad uno stato di

trasferimento di elettroni per cui l’e-

singoletto eccitato. Avviene quindi un presente nello stato eccitato del

P680* passa ad un accettore di elettroni vicino, che fa parte della catena di trasportatori di e- dei cloroplasti.

Il P680, avendo perduto un elettrone, presenta un orbitale vuoto, ossia un buco elettronico, e una carica

L’accettore di e-

positiva (P680+). invece acquista una carica negativa (si riduce).

L’elettrone perso dal P680 deve essere rimpiazzato in modo da poter catturare l’energia di un altro fotone. È

a questo punto che interviene l’OEC (complesso evolvente ossigeno).

L'OEC è parte integrante del centro di reazione del PSII e presenta un sito attivo, il complesso Mn costituito

da quattro ioni Mn. Il complesso Mn può esistere in 5 stati S di ossidazione: da S a S

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Questo è in grado di catalizzare la scissione di 2 molecole di H O (donatore iniziale) in 4 e-, 4 p+ e una

2

molecola di O .

2 +

I 4 elettroni passano uno alla volta al P680 per mezzo delle seguenti reazioni:

- un residuo di tirosina appartenente alla subunità D1 del PSII, chiamata Tyr , perde un elettrone ed un

z +

elettricamente neutro •Tyr. L'elettrone viene donato al P680

protone generando il radicale libero che così

torna allo stato di P680.

il •Tyr

- quindi, recupera l'elettrone perso ossidando uno dei quattro Mn del complesso Mn. In questo modo il

complesso diventa, elettrone dopo elettrone, sempre più ossidato passando progressivamente dallo stato

S allo a S .

0 4

- in questo stato di ossidazione il complesso Mn acquisisce 4 elettroni da 2 molecole di H O, rilasciando così

2

4 protoni ed 1 O nel lume tilacoidale.

2

Ad oggi però, la struttura del complesso Mn non è ancora del tutto chiara e questo impedisce la completa

comprensione del meccanismo che sta alla base della reazione 3.

Il citocromo b -f è un complesso proteico integrale di membrana contenente un citocromo f e un

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citocromo b con due gruppi eme (b e b ) e una ferro-zolfoproteina di Rieske. Collega i due

6 6h 6l

fotosistemi e attraverso esso si ottiene l’ossidazione completa del PQH (plastochinolo) e la traslocazione

2

di protoni dallo stroma al lume (H+). Si ipotizzano un lato p (a basso potenziale) e un lato n (ad alto

potenziale) della membrana.

All’interno del complesso citocromo b f avviene il ciclo Q: una molecola di plastochinolo (PQH ) presente al

6- 2

lato p della membrana, viene ossidata (cede un elettrone) dalla ferro-zolfoproteina di Rieske. Questa a sua

l’elettrone a una proteina estrinseca (plastocianina) attraverso il citocromo f. Il PQH

volta cede inoltre, cede

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liberandoli direttamente all’interno del lume.

due H+ Si forma così un semichinone PQ, il quale trasferisce un

suo elettrone all’eme b l’e-

sul lato p della membrana. Rapidamente e spontaneamente passa al lato n

6h

all’eme b ad alto potenziale. Successivamente si ha la riduzione di un semichinone PQ legato al lato n con

6h

l’elettrone del b . Il ciclo Q si completa con l’ossidazione di una seconda molecola di PQH2 al sito p

6h

seguendo la stessa serie di reazioni, con liberazione di altri due H+ nel lume.

In definitiva dal ciclo Q:

- per ogni e- trasferito attraverso il complesso citocromo b6f vengono rilasciati due H+ sul lato p;

- si ha una riduzione del citocromo b6;

- il trasferimento di e- dal citocromo b6 (lato p) al citocromo b6 (lato N) genera un potenziale di membrana;

Il citocromo f cede l’elettrone ricevuto alla PC (plastocianina) e questa, lo cede al P700 attraverso un

processo esoergonico.

PSI:

Il P700 consiste di clorofilla a dimerica (una sola si ossida).

Nel PSI è presente l’accettore A , è costituito da una molecola di clorofilla a (monomerica) e agisce da

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accettore immediato dell’elettrone dal P700.

Vi è inoltre un accettore secondario A , costituito da due molecole di fillochinone (vitamina K1).

1

Nel PSI si trovano anche delle ferrozolfoproteine integrali della membrana tilacoidale: PsaA e PsaB. Queste

costituiscono un dimero che non è altro che il nucleo del fotosistema 1. PsaA e PsaB sono legate al centro di

reazione P700, gli accettori A e A e 40 clorofille a e 6 carotenoidi ciascuna. Fra le proteine PsaA e PsaB vi

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è un ponte interpolipeptidico, costituito da un centro ferro-zolfo Fe4S4, noto come FX.

Importante è la PsaC, proteina non integrale, che possiede due centri Fe S detti FA e FB. Altre proteine

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sono la PsaD che aggancia la ferredossina sul lato stromatico e la PsaF che aggancia la plastocianina sul

lato luminale.

Le proteine red-ox che interagiscono col fotosistema 1 (PSI) sono:

- plastocianina (PC), cuproproteina (contenente rame) periferica che agisce come donatore per il P700+ e

accettore diretto per il citocromo f;

- ferredossina (Fdx), è una ferro-zolfo proteina non emica. Si trova nello stroma e può aderire al PSI

tramite la PsaD;

- ferredossina-NADP+riduttasi (FNR), che è una flavoproteina;

- complesso antenna LCH I di cloforille-proteine associate al PSI.

Partendo dalla plastocianina, gli e- vengono trasferiti attraverso i componenti fotoattivi alla ferredossina sul

lato stromatico. Da qui, infine, gli elettroni vengono trasferiti al NADP+, con la formazione di potere riducente

NADPH·H+.

La differenza di potenziale redox fra la coppia P700/P700+ (Em=-1,0 V) e la coppia A -/A (Em=0,45 V) è

0 0

di circa 1,45 V complessivi. Quindi per muovere un elettrone dal P700 al primo accettore A nel PSI, è più

0

che sufficiente l’energia, pari a 1,82 V, fornita da un fotone a 680 nm.

L’e- intermedio A

su A viene trasportato spontaneamente attraverso l’accettore e attraverso FX, ad FB ed

0 1

FA della proteina PsaC. al NADP+ nello stroma, sotto l’azione

La ferredossina (due molecole), a questo punto, trasferisce due e-

catalitica esercitata dal complesso FNR.

FOTOFOSFORILAZIONE

Gli elettroni e i protoni durante la fase luminosa si muovono vettorialmente.

I complessi proteina-clorofilla sono orientati nei tilacoidi in modo che il trasporto elettronico sia diretto verso

lo stroma e che i protoni vengano liberati verso il lume.

Gli H+ provengono da:

fotolisi dell’H2O;

-

- PQb che accetta H+ dallo stroma prima di lasciare il PSII;

- PQ mobile che trasporta H+ dallo stroma al lume;

- NADP+ prende elettroni dallo stroma per passare alla forma ridotta NADPH·H+;

L’accumulo di protoni nel lume con il trasferimento degli elettroni all’esterno, aumenta il potenziale del

tilacoide verso l’interno e si costituisce un gradiente di potenziale chimico in grado di compiere lavoro e che

sintesi dell’ATP, detta

viene energeticamente associato alla fotofosforilazione.

sintesi dell’ATP

I pressupposti per la teoria chemiosmotica per la sono:

- la membrana è chiusa, asimmetrica e impermeabile agli ioni;

- è presente un flusso di e-;

- è presente un sistema enzimatico (ATP-asi).

Secondo l’ipotesi chemiosmotica, la sintesi di ATP è promossa da un flusso a ritroso dei protoni attraverso

l’enzima ATP-sintasi localizzato nella membrana. L’energia rilasciata dal flusso è utilizzata per sintetizzare

ATP da ADP e Pi.

La forza protonmotrice nei tilacoidi è dovuta quasi totalmente a un gradiente di pH (ΔpH, gradiente

protonico). Infatti i tilacoidi, appena illuminati, presentano un potenziale di membrana elevato, ma nel giro di

1-2 secondi, il lume del tilacoide diventa di 3-4 unità di pH più acido della matrice e il potenziale elettrico di

cade a valori molto bassi. L’uscita di protoni indotta dalla luce è in gran parte compensata

membrana (Δφ)

da un movimento in senso opposto (verso lo stroma) soprattutto di ioni Mg++, che determina un basso

Δφ ΔpH.

valore di e un ampio

Per ogni ATP sintetizzato, 3H+ sono trasferiti dal lume (interno, i) allo stroma (esterno, e), secondo la

relazione: ↔ 3H+e

3H+i + ADP + Pi + ATP + H O

2

Questa reazione è catalizzata da una proteina complessa detta ATP-sintasi.

Nei cloroplasti l’ATP-sintasi è localizzata soprattutto nella parte di

membrana che si affaccia allo stroma ed è costituita da due

componenti:

- fattore CF , proteina idrofilica che si proietta verso lo stroma;

1

- fattore CF , proteina idrofobica che attraversa la membrana.

0

Il CF1 può essere facilmente rilasciato dalla membrana in soluzione

acquosa e presenta un’attività ATP-idrolasica. È composta di cinque

α, β, γ, δ ε.

subunità polipeptidiche, ed

FASE OSCURA e l’ATP prodotti nella

Per la fissazione fotosintetica di CO2 in carboidrati, vengono utilizzati il NADPH·H+

fase luminosa. Ciò avviene in un metabilismo ciclico detto ciclo di Calvin o riduzione fotosintetica del C

(PCR) o ciclo riduttivo dei pentoso fosfati (RPP). Questo ciclo è comune a tutte le piante (C3, C4 e CAM).

Nelle piante C3 il primo prodotto è un acido a tre atomi di carbonio, il 3P-glicerato. Le piante C3, non solo

fissano CO con il ciclo di Calvin, ma liberano anche CO in un processo ossigeno-dipendente, che si attiva

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alla luce ma prosegue in parte anche al buio, detto fotorespirazione (ciclo C ).

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Nelle piante C4 il primo prodotto è un acido bicarbossilico C4 come malato o aspartato. Generalmente

crescono in ambienti tropicali e hanno evoluto un percorso addizionale di fissazione d