Fisiologia vegetale

TRASPORTO ELETTRONI

Tutti i processi chimici che fanno parte delle reazioni alla luce della fotosintesi sono operati da quattro

principali complessi proteici: il fotosistema II, il complesso citocromo b6f, il fotosistema I e l'ATP sintasi.

Questi quattro complessi integrali di membrana sono orientati vettorialmente nella membrana del tilacoide

funzionare nel seguente modo: Nel lume del tilacoide il PSII ossida l'acqua a O2 e il processo rilascia protoni

nel lume;

Il citocromo b6f (è equamente distribuito tra il PSI e il PSII) ossida le molecole di plastoidrochinone (PQH2)

ridotte dal PSII e rilascia elettroni al PSI. L'ossidazione del plastoidrochinone è accoppiata al trasferimento

di protoni dallo stroma al lume, generando così una forza proton motrice;

Nello stroma il fotosistema I riduce NADP+ a NADPH tramite l'azione della ferredossina (Fd) e della

flavoproteina ferredossina-NADP reduttasi (FNR);

Come i protoni diffondono dal lume allo stroma l'ATP sintasi produce ATP.

Il fotosistema II è contenuto in un supercomplesso proteico costituito da molte subunità. Nelle piante

superiori questo supercomplesso possiede due centri di reazione e alcuni complessi antenna. Il fulcro del

centro di reazione è formato da due proteine di membrana conosciute con i nomi D1 e D2 e altre proteine.

Legate a queste proteine troviamo la clorofilla donatore primario, carotenoidi, la feofitina e i plastochinoni

(accettori di due elettroni). Nel fotosistema II l'acqua è ossidata secondo la reazione chimica:

2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e-

Questa equazione indica che per generare una molecola di ossigeno e quattro ioni idrogeno vengono

rimossi quattro elettroni da due molecole di acqua. L'acqua, come sappiamo, è una molecola molto stabile,

la sua ossidazione è molto difficile ed il complesso fotosintetico per lo sviluppo di ossigeno è l'unico sistema

biochimico noto e capace di compiere questa reazione. I protoni prodotti dall'ossidazione dell'acqua sono

liberati nel lume del tilacoide. Questi protoni sono poi rilasciati dal lume allo stroma attraverso il processo

di sintesi di ATP. In questo modo, il potenziale elettrochimico formato dalla liberazione di protoni durante

l'ossidazione dell'acqua contribuisce alla formazione dell'ATP. Il manganese (Mn) è un cofattore importante

per il processo di ossidazione dell'acqua e una classica ipotesi della ricerca fotosintetica è che gli ioni Mn2+

vadano in contro ad una serie di ossidazioni, note come stati S, che sono legate all'ossidazione dell'H2O e

alla generazione di O2. Il primo accettore nel fotosistema II risulta essere la feofitina, seguita da un

complesso di due plastochinoni molto vicini ad un atomo di ferro. La feofitina è una molecola di clorofilla in

cui l'atomo centrale di magnesio è sostituito da due atomi di idrogeno. Successivamente, due plastochinoni

(PQA e PQB) sono legati al centro di reazione e ricevono elettroni dalla feofitina in modo sequenziale. Il

trasferimento dei due elettroni a PQB lo riduce a PQB2- che a sua volta prende due protoni dalla parte

stomatica della membrana, formando un plastochinolo (PQH2) completamente ridotto. Il plastochinolo si

dissocia quindi dal complesso del centro di reazione ed entra nella porzione idrocarburica della membrana

dove a sua volta trasferisce i suoi elettroni al citocromo del complesso b6f.

Il complesso citocromo b6f è una grande proteina costituita di molte subunità e possiede numerosi gruppi

prostetici. Esso contiene due emi di tipo b e un eme di tipo c (citocromo f). Inoltre, il complesso contiene

una ferro-zolfo proteina di Rieske in cui due atomi di ferro sono collegati a due atomi di zolfo. Le strutture

del complesso del citocromo b6f suggeriscono un meccanismo di flusso di protoni ed elettroni. Il

meccanismo di flusso elettronico e protonico attraverso il complesso citocromo b6f non è totalmente

compreso, ma la maggior parte delle osservazione è relativa ad un meccanismo noto come ciclo Q. In

questo meccanismo il plastoidrochinone (PQH2) è ossidato e uno dei due elettroni è trasferito tramite una

catena lineare di trasporto di elettroni al fotosistema I, mentre l'altro elettrone va in contro ad un processo

ciclico che aumenta il numero di protoni pompati attraverso la membrana. Nella catena di trasporto di

elettroni lineare, la proteina ossidata di Rieske (FeSR) accetta un elettrone dal PQH2 e lo trasferisce al

citocromo f. Il citocromo f trasferisce quindi un elettrone alla proteina contenente rame colorata in blu, la

plastocianina (PC), che a sua volta riduce il P700 ossidato del PSI. Nella parte ciclica del processo, il

plastosemichinone trasferisce il suo secondo elettrone a uno degli emi di tipo b, rilasciando i suoi due

protoni nella parte del lume della membrana. Il primo eme di tipo b trasferisce il suo elettrone attraverso il

secondo eme di tipo b a una molecola ossidata di plastochinone, riducendolo a semichinone vicino alla

superficie del complesso vicina allo stroma. Un'altra sequenza simile di flusso di elettroni riduce

completamente il plastochinone, che cattura protoni alla faccia stromatica della membrana e viene liberato

dal complesso b6f come plastoidrochinone. Il risultato finale dei due cicli è che due elettroni vengono

trasferiti al P700, due plastoidrochinoni vengono ossidati a forma plastochinonica, e un plastochinone

ossidato viene ridotto alla forma plastoidrochinonica. Inoltre, vengono trasferiti quattro protoni dalla faccia

stromatica a quella del lume della membrana. In questo modo, il flusso di elettroni, che collega la parte

accettore del centro di reazione del PSII, alla parte donatore del centro di reazione del PSI, genera anche un

potenziale elettrochimico attraverso la membrana, dovuto in parte a differenze di concentrazione di H+ fra

le due parti della membrana. Questo potenziale elettrochimico è utilizzato per la sintesi di ATP. Il flusso

ciclico di elettroni attraverso il citocromo b e il plastochinone aumenta il numero di protoni pompati per

ogni elettrone rispetto a quello che potrebbe essere ottenuto usando semplicemente la sequenza lineare.

La plastocianina, come abbiamo detto, è una piccola proteina idrosolubile contenente rame in grado di

trasferire elettroni fra il complesso citocromo b6f e il P700. Il centro di reazione del fotosistema I è un

grande complesso formato da molte subunità. La parte integrale del PSI è costituita da un core formato da

circa 100 molecola di clorofilla. Questo centro antenna e il P700 sono legati a due proteine, PsaA e PsaB. I

pigmenti antenna del core formano una sfera che circonda i cofattori del trasferimento elettronico, posti al

centro del complesso. Gli accettori di elettroni del fotosistema I comprendono una serie di tre proteine

ferro-zolfo associate alla membrana conosciute anche come centri Fe-S: FeX, FeA e FeB. Gli elettroni sono

trasferiti attraverso i centri A e B dalla ferredossina (Fd), una piccola proteina ferro-zolfo idrosolubile. La

flavoproteina associata alla membrana ferredossina-NADP reduttasi (FNR) riduce il NADP+ a NADPH,

completando così la sequenza di trasporto non ciclico di elettroni iniziata con l'ossidazione dell'acqua.

Bisogna ricordare però, che una determinata quantità di complesso citocromo b6f si può trovare nella

regione stromatica della membrana dov'è localizzato il fotosistema I. In determinate condizioni può

avvenire un flusso ciclico di elettroni, dalla porzione ridotta del fotosistema I, passando per il complesso

citocromo b6f per ritornare poi al P700. Questo flusso ciclico di elettroni è accoppiato al pompaggio di

protoni nel lume, che può essere utilizzato per la sintesi di ATP ma che non è in grado di ossidare l'acqua o

di ridurre in NADP+.

ATP SINTASI

L'ATP sintasi Per 4e- che arrivano dal PSII con due molecole di plastochinolo e passano alla plastocianina

attraverso il Cyt b6f vengono immessi nel lume tilacoidale 12H+, di cui 8 derivati dalla riossidazione dei

plastochinoli, e 4 prodotti dalla fotolisi di 2 molecole d'acqua. Il gradiente elettrochimico di protoni così

generato opera come forza proton-motrice per la sintesi di ATP. Nel cloroplasto il contributo principale a

questa forza è fornito dal gradiente di concentrazione di H+ (ΔpH), perché il gradiente elettrico

conseguente all'immissione di H+ nel lume tilacoidale viene mantenuto su livelli bassi dal concomitante

passaggio di ioni Mg2+ dal lume allo stroma in seguito all'apertura di canali ionici voltaggio dipendenti. La

fosforilazione di ADP ad ATP nel cloroplasto è detta fotofosforilazione e si realizza attraverso un

meccanismo chemioosmotico che coinvolge l'ATP sintasi della membrana tilacoidale, che appartiene alla

classe delle F0-F1 ATPasi. L'ATP sintasi è composta da una componente idrofobica che attraversa la

membrana, la CF', e che agisce come un canale protonico per il rientro nello stroma degli H+, accoppiato

alla sintesi di H+, e da una componente idrofilica esposta nell'ambiente stromatico CF1. La CF0 è composta

da 4 tipi di subunità diverse. Le 14 subunità III formano un anello che opera direttamente nella

traslocazione dei protoni allo stroma. La CF1 è costituita da 3 subunità α, alternate a 3 subunità β su cui

sono presenti i tre siti attivi che conducono la fosforilazione. Al centro della struttura α3β3 è inserita la

subunità γ, che costituisce un gambo che connette CF1 con CF0. A queste subunità se ne aggiungono altre

che contribuiscono a far funzionare il complesso con meccanismo di catalisi rotazionale. L'ATP sintasi del

cloroplasto differisce da quella mitocondriale per due caratteristiche: la CF0 è costituita da 14 invece che da

12 subunità III. Una rotazione completa dell'enzima che produce 3 ATP richiede il trasferimento attraverso

la membrana di 14 H+ invece che di 12, risultando quindi meno efficiente. Inoltre l'enzima è foto-

dipendente, viene cioè attivato dalla luce attraverso la riduzione a due gruppi tiolici di un ponte disolfuro

presente sulla subunità γ, processo condotto dalle tioredossine che utilizzano elettroni della ferredossina

ridotta.

CICLO DI CALVIN

Nelle reazioni alla luce della fotosintesi l'energia associata all'ossidazione fotochimica dell'acqua in ossigeno

molecolare porti alla generazione di adenosina trifosfato (ATP) e al nucleotide piridinico ridotto (NADPH) da

reazioni che avvengono nella membrana tilacoidale del cloroplasto. Le reazioni che catalizzano la riduzione

della CO2 a carboidrati sono poi accoppiate al consumo di NADPH ed ATP da enzimi localizzati nello stroma,

la fase solubile del cloroplasto. Queste reazioni stromatiche sono state a lungo considerate essere

indipendenti dalla luce e quindi descritte come reazioni al buio. Comunque, poiché queste reazioni

localizzate nello stroma dipendono dai prodotti del