Fisiologia vegetale

Processo di trasporto degli elettroni nella fotosintesi clorofilliana

A• A- B-L’elettrone passa da Q a Q → Q diventa Q e Q è un plastosemichinone.

A B A• Quando avviene l’evento fotochimico secondario un secondo elettrone passaA-dalla clorofilla alla feofitina e da questa a Q che diventa Q .

A• A- B- B2- +L’elettrone passa da Q a Q → Q che, prendendo 2 H , diventa unplastoidrochinone:

B2- +Q +2H → QH 2

• Un altro Q ripristina i plastochinoni iniziali.

B• Il plastoidrochinone si stacca dal centro di reazione e diffonde nella membranatilacoidale

Il complesso del citocromo b f6È un complesso stabile della membrana. È fatto da molte subunità proteiche. Contieneun citocromo di tipo b che possiede due gruppi eme (citocromo b ) e un citocromo di6tipo c (per ragioni storiche citocromo f).Inoltre contiene una ferro-zolfo proteina di Rieske (FeS ). è presente come dimero. IlRtipo di citocromo dipende da come il gruppo eme è legato alla proteina:

Tipo b: eme legato non

covalentemente

Tipo c: eme legato covalentemente

Trasferimento di elettroni e di protoni

Il QH porta due elettroni e due protoni: questi ultimi vengono rilasciati nel lume, mentre i due elettroni fanno percorsi diversi:

Traiettoria lineare: un elettrone viene trasferito alla ferro-zolfo proteina di Rieske, che lo trasferisce al citocromo f, il quale trasferisce l'elettrone allaplastocianina (PC, vettore mobile) che porta l'elettrone al PSI

Percorso ciclico: serve per aumentare il numero di protoni nel lume tilacoidale. L'elettrone viene dato al primo eme del citocromo b, che lo passa al secondo eme, il quale lo passa ad un chinone che diventa semichinone. Quando arriva un secondo idrochinone un elettrone fa il percorso lineare, mentre l'altro arriva al semichinone Q : questo prende 2 H dallo stroma e diventa idrochinone (che poi viene ridotto). Nel ciclo Q per ogni 2 elettroni trasferiti al PSI si ha il trasferimento di 4 protoni nello stroma.

Fotosistema

Il PSI è formato dal centro di reazione (unico) e dal sistema antenna. Il PSI è il complesso multiproteico attraverso cui avviene il trasferimento (guidato dalla luce) di elettroni dalla pastocianina ridotta (proteina solubile nel lume) alla ferredossina ossidata (ferro-zolfo proteina solubile nello stroma). Le subunità proteiche più importanti sono PSa1 e PSa2 e altre proteine chiamate PsaA, N ecc.. Trasferimento di elettroni attraverso il PSI La clorofilla del centro di reazione (coppia di clorofille, P700), eccitata dalla luce, trasferisce un elettrone ad una molecola di clorofilla chiamata A0. A0 passa l'elettrone ad A1 (fillochinone o vitamina b1). A1 trasferisce l'elettrone a tre ferro-zolfo proteine chiamate centri Fe-S: FeSX, FeSA, FeSB. Questi passano l'elettrone alla ferredossina: in questo modo gli elettroni possono passare dal PSI al NADP+. La clorofilla del centro di reazione recupera l'elettrone perso, prendendolo dalla plastocianina.

La ferredossina è una piccola ferro-zolfo proteina solubile che riduce la flavoproteina+ +ferredossina NADP reduttasi (FNR), che a sua volta riduce il NADP a NADPH.

Il flusso di elettroni rappresentato dallo schema Z viene denominato flusso non ciclico (o flusso lineare).

Nelle membrane tilacoidali si può realizzare anche un flusso ciclico di elettroni che genera ATP ma non NADPH (fotofosforilazione ciclica) in quanto gli elettroni non arrivano fino alla fine ma tornano indietro. Una volta arrivati alla ferredossina, questa a ridurre il pool di plastochinoni nel cit b f. Questa riduzione necessita, oltre che di 6 elettroni, di protoni, presi dallo stroma  aumenta la concentrazione di H nel lume, con formazione di un gradiente protonico e produzione di ATP.

Quindi il gradiente protonico si genera:

• Nella fotolisi dell'acqua
• Nel ciclo Q dei plastochinoni
• Nella riduzione del NADP a NADPH che sottrae protoni dallo stroma

Questo gradiente sostiene la fotofosforilazione.

Cioè la fosforilazione dell'ADP ad ATP catalizzata dall'ATP sintasi. È un gradiente elettrochimico, ma è fondamentale soprattutto il potenziale chimico. È stato dimostrato che per produrre ATP è necessario un gradiente protonico tramite un esperimento: una sospensione di tilacoidi viene messa in soluzione, a pH 4 e si aspetta che si realizzi il pH acido sia dentro che fuori i tilacoidi. Questi vengono poi spostati in soluzione a pH 8 e si ottiene un gradiente protonico artificiale: anche al buio i cloroplasti producevano ATP.

ATP sintasi: Grande complesso enzimatico di membrana fatto da due parti: CFo e CF1. CFo è costituito da molte subunità. Le più importanti sono le subunità C che sono 14 e formano un canale protonico. CF1 è la componente catalitica idrofilica che sporge nello stroma. È fatta da tante subunità: le più importanti sono le α e le β presenti in numero di 3 ciascuno.

All’interno di questa struttura α β si trova un polipeptide γ che è come uno stelo che collega CF1 con CFo. Quando i protoni passano attraverso il canale, fanno ruotare il polipeptide γ. Si ha cambiamento conformazionale delle subunità catalitiche, con conseguente produzione di ATP. Il cambiamento conformazionale (catalisi rotazionale dell’ATP sintasi) è possibile grazie a tre conformazioni possibili dell’ATP sintasi: aperta (O, open), chiusa in modo lasso (L, loose), chiusa in modo stretto (T, tight). Queste tre conformazioni legano i nucleotidi con affinità diverse. La rotazione causa cambiamenti conformazionali nei tre siti di legame per i nucleotidi, modificandone l’affinità. Inizialmente si ha conformazione O e l’ADP + P entrano nel sito. Il sito O passa alla conformazione L legando ADP + P . Si ha rotazione che porta alla conformazione T che sintetizza ATP. Il sito T rilascia ATP e torna in O.

Una rotazione completa dell'enzima produce 3 molecole di ATP.

Per far una rotazione serve un passaggio di 14 H (tante quante sono le subunità del canale di CFo).

Protezione dell'apparato fotosintetico

L'energia di eccitazione può essere in eccesso e provocare la formazione dei ROS (specie reattive dell'ossigeno) che possono danneggiare le cellule. Esistono varie soluzioni per la pianta:

Una prima linea di difesa sono i meccanismi di soppressione dell'energia mediante calore.

Una seconda linea di difesa è svolta da sistemi di salvataggio (scavenger), come i carotenoidi, che svolgono un ruolo importante nella fotoprotezione (cioè protezione dal fotodanno), assorbendo energia di attivazione che danneggerebbe l'apparato, ma non è sufficiente per eccitarli.

Se non funzionano questi sistemi di difesa la proteina D1 può subire danni: a questo punto o D1 viene riparato o si ha fotoinibizione.

Possono verificarsi

Situazioni in cui c'è uno sbilanciamento dell'energia di eccitazione nei due fotosistemi, quindi viene controllata la distribuzione di energia di eccitazione tra i due fotosistemi. Il caso più studiato è lo spostamento di componenti del sistema antenna del PSII verso il PSI, dipendente da fosforilazione, che avviene in caso di eccesso di radiazione rossa (preferita da PSII): il PSII riduce bene il cit b f, ma l'efficienza dell'ossidazione del PSI non è paragonabile. Una protein kinasi va a fosforilare una parte dei pigmenti antenna del fotosistema II: questo provoca una repulsione dei pigmenti antenna e una parte di questi si sposta dai grana ai tilacoidi intergranali, dove c'è il PSI. Nel caso contrario interviene una fosfatasi.

Reazioni del carbonio (ciclo di Calvin-Benson)
ATP e NADPH verranno utilizzati per fissare il carbonio della CO in zuccheri. Le reazioni del carbonio avvengono nello stroma, quindi sono separate.

spazialmente da quelle luminose. Il ciclo è costituito da tre fasi: 1. Carbossilazione 2. Riduzione 3. Rigenerazione L'enzima chiave del ciclo di Calvin è la Ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi/ossigenasi, la Rubisco. Può legare allo stesso substrato (ribulosio-1,5-bisfosfato) una molecola di CO2 (attività carbossilasica) o una di O2 (attività ossigenasica). Quando la rubisco lega la CO2 al ribulosio-1,5-bisfosfato si forma un composto a sei atomi di carbonio, che si idrolizza rapidamente in 3-fosfoglicerato (il primo composto stabile è a 3 atomi di carbonio, per questo questa è chiamata fotosintesi C3) → fase di carbossilazione. Nella fase di riduzione il 3-fosfoglicerato viene prima fosforilato a 1,3-bisfosfoglicerato con consumo di ATP, dopodiché questo viene ridotto grazie al NADPH in gliceraldeide-3P (prodotto principale del ciclo). Cinque molecole di gliceraldeide-3P entrano nella fase di rigenerazione e grazie a 3 ATP vanno a

Formare 3 molecole di ribulosio-1,5-bisfosfato. Una molecola di digliceraldeide-3P è il guadagno netto del ciclo. Due molecole di gliceraldeide-3P vengono convertite in due molecole di diidrossiacetone fosfato (enzima isomerasi). Uno di questi reagisce con la terza molecola di gliceraldeide-3P (enzima aldolasi) e si forma fruttosio-1,6-bisfosfato. Questo viene defosforilato a fruttosio 6 fosfato. La transchetolasi stacca un carbonio dal fruttosio-6P e lo aggiunge alla gliceraldeide-3P: si formano 2 zuccheri: uno xilulosio-5P e un eritrosio-4P. Quest'ultimo reagisce con la seconda molecola di diidrossiacetone fosfato in una reazione catalizzata dall'aldolasi: si forma sedoeptulosio-1,7-bisfosfato. Questo viene defosforilato e diviene sedoeptulosio-7P. La transchetolasi stacca 2 carboni dal sedoeptulosio-7P e li attacca alla gliceraldeide-3P: si forma uno xilulosio-5-fosfato e un ribosio-5-fosfato. Le due molecole di xilulosio-5P vengono convertite in ribulosio-5P da una epimerasi.

e il ribosio viene convertito a ribulosio con l'isomerasi. Le tre molecole di ribulosio-5P vengono fosforilate con consumo di 3 ATP e diventano ribulosio-1,5-bisfosfato. In totale per fissare 3 CO ci vogliono 9 molecole di ATP e 6 di NADPH.

La Rubisco è costituita da 8 subunità grandi (RbcL, codificate dal genoma dell'organello) e 8 subunità piccole (RbcS, codificate dal genoma nucleare). Ogni subunità grande viene foldata correttamente e messa insieme grazie agli interventi di chaperon. Le subunità piccole arrivano dal citoplasma e si dispongono per dare l'enzima finale.

Regolazione del ciclo di Calvin Benson

Il ciclo di Calvin-Benson ha bisogno della luce per avvenire perché alcuni enzimi di questo ciclo sono attivati solo in