Fisiologia vegetale

A

specifico della proteina D2, e successivamente trasferito ad una molecola di plastochinone QB,

legato in modo reversibile ad un sito della proteina D1, con la formazione di un semichinone.

Avviene, poi, la cattura di due protoni dall’ambiente stromatico che porta QB ella forma di

plastochinolo (QBH2). Il sito di QB della proteina D1 presenta bassa affinità per il plastochinolo per

cui QBH2 si stacca dal centro di reazione diffondendo nella membrana fotosintetica (gli elettroni),

in questo modo viene rimpiazzato da una molecola di plastochinone ossidato (PQ).

P680 diventa forte ossidante

❖ I due elettroni adesso sono associati a QB e hanno compiuto la prima parte di viaggio

❖

Il complesso evolvente ossigeno (OEC)

Il PSII è associato, sul lato della membrana, al complesso evolvente ossigeno (OEC), in cui avviene

la fotolisi dell’acqua che fornisce elettroni e libera O2.

L’OEC è formato da 4 peptidi complessati con un cluster di Mn-Ca. I 4 Mn sono collegati da atomi di

ossigeno e altri cofattori.

A livello di questo complesso avviene la FOTOLISI dell’acqua, che avviene secondo “il modello degli

sati S” che consiste in una serie di 5 stati di ossidazione del manganese (S0-S4),che rappresentano

forme successive sempre più ossidate , del sistema di 4 Mn che opera come accumulatore di carica.

Partiamo dallo stato S0 in cui tutti i 4 Mn sono allo stato 3 ;

+

quando la clorofilla P680 cede l’elettrone alla feofitina diventa fortissimo ossidante (attira elettroni

in modo potente). Il manganese passando dallo stato Mn 3 a quello Mn 4 cede 4 elettroni in

+ +

sequenza mano amano che i fotoni colpiscono P680 rimpiazzando cosi gli elettroni che esso cede

alla feofitina, questi elettroni vengono estratti dall’atomo di ossigeno dell’acqua. Per ottenere gli

elettroni da questa ultima i 5 stati devono possedere potenziali estremamente elevati.

IL PROCESSO

Il passaggio da uno stato all’altro è causato dalla rimozione di un elettrone da parte del radicale

neutro della tirosina prodotto, a sua volta, dalla cessione di un elettrone della tirosina al P680+ che

si è ossidato nella reazione fotochimica. Il ritorno da S a S avviene per il recupero dei 4 elettroni

4 0

attraverso la Fotoossidazione di 2 molecole di H O.

2

Dalla Fotoossidazione delle due molecole di acqua si ottengono una molecola di O e 4H che

+

2

vengono liberati nel lume tilacoidale.

Solo quando tutti 4 gli Mn sono arrivati allo stato di ossidazione 4 , mediante l’utilizzo di 4 fotoni,

+

si possono strappare gli elettroni all’acqua e si forma ossigeno molecolare.

2. CITOCROMO b f

6

A questo punto gli elettroni ricavati dal complesso OEC passano al Cyt b f, dal PSII, attraverso il

6

plastochinone (PQ).

Il Cyt b f è presente come dimero, ogni monomero è formato da 4 componenti: grosse subunità

6

proteiche e piccoli peptidi idrofobici.

Le subunità fondamentali sono:

• la proteina del citocromo f ( TRASFERISCE GLI ELETTRONI ALLA PLASTOCIANINA)e la

proteina ferro-zolfo di Rieske (ACCETTA GLI ELETTRONI DAL PLASTOCHINOLO)

protrudono nel lume tilacoidale



• la proteina del citocromo b

• proteina definita subunità IV

ci sono due centri redox ad alto potenziale (eme del citocromo f e del centro di Rieske)a cui si

aggiungono due centri a basso potenziale ( due gruppi eme del citocromo b b e b . nel

H L)

complesso ci sono due siti che legano il plastochinone :

uno Q verso la faccia luminale della membrana tilacoidale (specifico per il PQH )

o 0 2

Qi rivolto verso la faccia stromatica della membrana specifico per PQ

o

Il plastochinolo (PQH ) viene ridotto dalla proteina Rieske e perde due elettroni di cui uno va al

2

citocromo f che lo trasferirà alla plastocianina (che in seguito lo trasferirà al PSI I) e l’altro sta nel

complesso b f perché deve ricostituire il ciclo.

6

Il trasferimento di e- dal PQH2 alla plastocianina e la concomitante traslocazione di H+ attraverso

la membrana tilacoidale, si realizzano attraverso il CICLO Q o CICLO DEI CHINONI.

CICLO Q

1) una molecola di plastochinolo proveniente da PSII si lega al sito Q0 del Cyt b f,cede al

6

complesso due elettroni e rilascia due protoni nel lume tilacoidale, ossidandosi a PQ e

staccandosi dal sito Q per tornare nel pool dei PQ

0

2) dei due elettroni ceduti:

uno viene trasferito alla plastocianina, attraverso il centro di Rieske e il

➢ citocromo f. la plastocianina passa dalla forma ossidata a quella ridotta, si

stacca dal citocromo e diffonde nel lume tilacoidale per poi raggiungere il PSI

l’altro elettrone viene portato (tramite il gruppo eme del citocromo b) ad una

➢ molecola di PQ , legata al sito Q che si riduce a plastosemichinone. Un secondo

PQH2 innesca o stesso ciclo di eventi che portano al rilascio di 2H nel lume

+

tilacoidale , al trasferimento di un elettrone ad un’altra molecola di

plastocianina e all’arrivo di un secondo elettrone sul PQ -.

Alla fine una sola molecola di PQH viene ossidata e il trasferimento di due elettroni e due

2

molecole di plastocianina ha portato all’emissione di 4H dello stroma nel lume tilacoidale.

+

3. FOTOSISTEMA I

Dopo di che gli elettroni passano al PSI mediante la plastocianina (PC). Dal PSI passano alla

ferrodossina (Fd).

Il PSI agisce come una plastocianina-ferrodossina ossidoreduttasi, infatti catalizza il trasferimento

degli elettroni dalla plastocianina ridotta alla ferrodossina ossidata.

Come il PSII, anche il PSI, consiste di un core (che comprende un centro di reazione e un antenna

interna) a cui è associata un’antenna periferica indicata come LHCI , centro di raccolta dell’energia

luminosa.

Nel core ci sono 14 subunità proteiche chiamate PsaA-PsaP (alcune codificate da geni plastidiali -

altre da geni nucleari) a queste subunità sono legate 100 molecole di clorofilla a e 20 molecole di

carotene. Le due proteine principali sono PsaA PsaB, queste formano un eterodimero a cui sono

legati la maggior parte dei cofattori coinvolti nel trasporto degli elettroni :

• -carotene

le 20 molecole di

• le clorofilla a comprendenti di una coppia di clorofille speciali chiate P 700

• due molecole di fillochinone

• tre complessi Fe-S

Nella reazione fotochimica l’elettrone del P700* viene trasferito alla molecola di clorofillla a che

costituisce l’accettore prmario (A ) (tramite una clorofilla).

0

L’elettrone perso dal P700* viene rimpiazzato sul P700+ da quello fornito dalla

✓ plastocianina formazione di fortissimo riducete il P700 (che poi è responsabile della

-



riduzione finale del NADP)

L’elettrone acquisito da A assa alla molecola di fillichinone e da questa al primo centro

✓ 0

4Fe-4S. infine passa ai due componenti terminali della catena che sono gli altri due gruppi

4Fe-4S, legati alla subunità PsaC. Attraverso questi due l’elettrone arriva finalmente alla

FERREDOSSINA OSSIDATA che passa cosi alla forma ridotta.

Dal PSI (ferredossina) questa vengono poi ceduti al NADP+ tramite la ferrodossina NADP+

riduttasi (FNR).

L’elettrone che arriva sulla ferridosina deve essere trasportato al NADP+ attraverso due proteine

che operano dal lato stromatico: la feridossina-NADP+ reduttasi(FNR) e la ferredossina (Fd).

La Fd è una proteina Fe-S con un gruppo eme nella molecola , riceve elettroni dal PSI e li cede al

FNR: una flavoproteina che contiene un FAD che trasferisce elettroni al NADP+, portandolo dalla

forma ossidata alla forma ridotta. (termine del percorso poiche siamo arrivati ad ottenere NADPH)

Fd e FNR sono associate al PSI tramite le subunità PsaD e PsaE.

Feredossina-Tioredossina Reduttasi (FTR)

La FTRè un enzima molto particolare ch eontiene un gruppo ferro-zolfo e due cisteine capaci di

formare un ponte di solfuro.

Essa interviene in numerosissimi processi metabolici che sono indirettamente legati ai processi

della luce. Grazie a questo sistema una piccola parte degli elettroni viene deviata verso il pool della

tioredossine econ lo scopo di regolare il metabolismo. Le tioredossine ridotte possono loro volta

ridurre molte proteine bersaglio.

Lo stato di riduzione delle tioredossine è un importante segnale biochimico relatico all’attività

fotosintetica del cloroplasto.

Il pool delle tioredossine è ridotto alla luce e ossidato al buio

4. ATP sintasi

L’ATP sintasi è il complesso che catalizza la fosforilazione fotosintetica dall’ADP in ATP utilizzando

il gradiente protonico generato attraverso la membrana tilacoidale dal flusso fotosintetico di

elettroni.

Nel ciclo Q il flusso di elettroni è associato alla traslocazione di protoni attraverso la membrana

tilacoidale:

Per 4 elettroni che arrivano al PSII con due molecole di plastochinone ridotto

▪ (plastochinolo), e passano alla plastocianina attraverso il Cty b6f, vengono immessi nel

lume tilacoidale 12 H+, di cui 8 derivanti dalla riossidazione dei due pastochinoli e 4

prodotti dalla fotolisi dell’acqua nel OEC.

Tutto questo produce il gradiente elettrochimico cheopera come forza proton motrice per la

sintesi di ATP.

L’ATP sintasi del cloroplasto è un complesso multiproteico costituito da numerose subunità

proteiche codificate in parte nel cloroplasto in parte nel nucleo. Si compone di due regioni distinte:

• CF è la componente transmembrana, intrinseca, idrofobica, attraversa la membrana e



0

agisce come canale protonico per il rientro dei H+. contiene 4 subunità definie I, II, III, IV (la

terza contiene 14 subunità che fomano un anello equivalente a quello delle F-ATPasi del

mitocondrio)

• CF è la componente idrofilica immersa nell’ambinte stromatico; è formata da subunita



1 -  

alternate ( tre e tre), nel quale è inseritala subunità che fa da gambo. Sulle subunita

b sono presenti tre siti attivi che conducono la fosporilazione di ADP in ATP.

connette GF con GF .

0 1

A queste subunità se ne aggiungono altre, e tutte insieme costituiscono un complesso che funziona

come motore rotatorio che sintetizza ATP attraverso un meccanismo di cambiamento

conformazionale.

Il modello dell’ ATP sintasi del cloroplasto è simile a quello dell’enzima mitocondriale. Vi sono

due peculiarita che distinguono quello del cloroplasto da quello del mitocondrio :

• Nel CF0 l’anello che media il rientro degli H+ nello stroma (III) è formato da 14 subunità e non da 12

(come nel mitocondrio).

La conseguenza a questo è che la resa dii una rotazione completa che produce 3 ATP

richiede il trasferimento attraverso la membrana di un numero di H+ corrispondente al

umero di subunità dell’anello, de