Risposte alle domande Fisiologia vegetale

NADP+.

Lo schema Z rappresenta tutti i carrier di elettroni che prendono parte al flusso elettronico,

+

dall’H O al NADP , sono disposti secondo i loro valori di potenziale redox del punto medio

2

(a pH 7). La clorofilla eccitata del centro di reazione del PSII, P680*, trasferisce un

elettrone alla feofitina. Dalla parte ossidante del PSII il P680 ossidato dalla luce viene ri-

ricevuto elettroni dall’ossidazione dell’acqua. Y

ridotto da Y , che ha è stata identificata

Z Z

come un radicale formato da un residuo di tirosina nella proteina D del centro di reazione

1

del PSII. Sulla parte ridotta del PSII la feofitina trasferisce gli elettroni agli accettori Q e Q

A B

che sono plastochinoni. Il complesso del citocromo b f trasferisce gli elettroni alla

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plastocianina, una proteina solubile che a sua volta riduce il P700 ossidato. Altri accettori

di elettroni comprendono una serie di tre ferro-zolfo proteine associate alla membrana

conosciute anche come centri Fe-S: FeS , FeS e FeS . Il centro FeS fa parte della

x A B x

proteina che lega il P700, mentre i centri A e B risiedono nella proteina da 8 kDa

compresa nel complesso del centro di reazione del PSI. Gli elettroni sono trasferiti

attraverso i centri A e B alla ferredossina (Fd), una piccola ferro-zolfo proteina 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. (Il NADPH prodotto verrà utilizzato nel ciclo di Calvin

per ridurre la CO ). La luce rossa assorbita dal fotosistema II produce un forte ossidante e

2

un debole riducente, la luce nel rosso lontano assorbita dal PSI produce un debole

ossidante e un forte riducente. Il forte ossidante generato dal PSII ossida l’acqua, mentre il

+

forte riducente prodotto dal PSI riduce il NADP .

15. Che cosa sono i cloroplasti e come sono strutturati gli elementi dello schema Z

sulle membrane?

Negli eucarioti fotosintetici la fotosintesi avviene nell’organulo subcellulare conosciuto con

il nome di cloroplasto. L’aspetto particolare nella struttura di questo organello è l’esteso

Tutta la clorofilla è contenuta all’interno

sistema di membrane interne formato dai tilacoidi.

di questo sistema di membrane, che è la sede delle reazioni luminose della fotosintesi. Le

reazioni della riduzione del carbonio, che sono catalizzate da enzimi idrosolubili,

avvengono nello stroma, la regione del cloroplasto che circonda i tilacoidi. 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 un impilamento sono definite lamelle stromatiche. ( nei grana impilati ci

sono i PSII che producono O ). Il cloroplasto è circondato da due membrane distinte

2

ognuna composta da un doppio strato lipidico. Anche il cloroplasto contiene i propri Dna,

Rna e ribosomi. Alcune proteine del cloroplasto sono il prodotto della trascrizione e

traduzione che avvengono all’interno del cloroplasto stesso, mentre molte altre sono

codificate dal Dna nucleare, sintetizzate da ribosomi citoplasmatici e poi importate nel

cloroplasto. I tilacoidi contengono proteine integrali di membrana. I centri di reazione, i

complessi antenna pigmento-proteina e la maggior parte degli enzimi trasportatori di

elettroni sono tutti delle proteine integrali di membrana. Le clorofille e i pigmenti accessori

della membrana tilacoidale che raccolgono la luce sono sempre associati, in modo non

covalente ma altamente specifico, alle proteine che formano complessi pigmento-proteina.

Il centro di reazione del PSII, insieme alle sue clorofille antenna e alle proteine di trasporto

elettronico a esso associate, è localizzato prevalentemente nelle lamelle dei grana. Il

centro di reazione del PSI, i pigmenti antenna e le proteine di trasferimento degli elettroni

ad esso associati, 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 b f della catena di trasporto di elettroni che unisce i due

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fotosistemi è equamente distribuito fra le lamelle stromatiche e quelle granali.

16. Come sono organizzati nella membrana tilacoidale i principali pigmenti e proteine

coinvolti nella fotosintesi?

I sistemi antenna contengono clorofilla e sono associati alla membrana. L’ampiezza del

sistema antenna varia considerevolmente in diversi organismi: da un minimo di 20-30

batterioclorofille per centro di reazione in alcuni batteri fotosintetici, a 200-300 molecole di

clorofilla per centro di reazione nelle piante superiori, fino ad alcune migliaia di pigmenti

per centro di reazione in alcuni tipi di alghe e batteri. In quasi tutti i casi, i pigmenti antenna

sono associati a proteine per formare complessi pigmento-proteina. Le proteine antenna

sono principalmente associate al fotosistema II e sono definite proteine del complesso II

per la cattura della luce (LHCII); altre sono associate al fotosistema I e sono definite LHCI.

La luce assorbita dai carotenoidi o dalle clorofille b nelle proteine LHC è rapidamente

trasferita alla clorofilla a e quindi ad altri pigmenti antenna strettamente associati al centro

di reazione.

17. Descrivi il processo di sintesi di ATP nella membrana tilacoidale. Citare i reagenti,

la fonte di energia e il ruolo della luce nel processo.

Nei cloroplasti, come nei mitocondri, il flusso elettronico è accoppiato alla traslocazione di

protoni, creano una forza proton motrice transmembrana. L’energia della forza proton

motrice è quindi utilizzata per la sintesi di ATP, tramite l’ATP sintasi. I cloroplasti attuano il

+

ossidando l’acqua e riducendo il NADP

flusso elettronico non ciclico . I protoni sono

prodotti dall’ossidazione dell’acqua e tramite l’ossidazione del PQH operata dal

2

L’ATP è sintetizzata dall’ATPasi. Questo enzima è formato

complesso del citocromo b f.

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da due parti: una porzione idrofoba legata alla membrana definita CF e una porzione che

o

si protrude verso lo stroma definita CF . Il CF ha la funzione di canale transmembrana

1 O

attraverso il quale passano i protoni. CF è composto da diversi peptidi, comprese tre

1

copie dei polipeptidi α e β, disposti in modo alternato.

18. Può avvenire sintesi di ATP in tilacoidi tenuti al buio? Giustificate le vostre risposte.

Sì ed è stato dimostrato da un esperimento di Andrè Jagendorf, Jagendorf e i suoi

collaboratori sospesero dei cloroplasti in un tampone a pH 4, il quale permeò a membrana

portando l’interno e l’esterno dei tilacoidi a equilibrarsi a questo pH acido.

Successivamente, iniettarono rapidamente la sospensione in una soluzione tamponata a

pH 8, generando quindi una differenza di pH di 4 unità attraverso la membrana tilacoidale,

con la parte interna più acida rispetto a quella esterna. Questo gradiente di pH fornisce la

forza motrice per la sintesi di ATP senza alcun bisogno di luce. Questo esperimento fu la

prova in favore della teoria chemiosmotica di Mitchell secondo la quale gradienti di pH e

potenziali elettrici attraverso una membrana sono la fonte di energia che può essere

dell’ATP.

convertita nel legame fosfato ad alta energia

19. Quali sono i punti di confronto fra fotosintesi e respirazione?

I cloroplasti attuano il flusso elettronico non ciclico ossidando l’acqua e riducendo il

+

. I protoni sono prodotti dall’ossidazione dell’acqua e tramite l’ossidazione del PQH

NADP 2

+

operata dal complesso del citocromo b f. I mitocondri, invece, ossidano il NADH a NAD e

6

riducono l’ossigeno ad acqua. I protoni sono pompati dall’enzima NADH deidrogenasi, dal

e dalla citocromo ossidasi. La struttura dell’ATPasi di

complesso citocromo bc questi due

1

sistemi è molto simile. Sebbene esistano differenze significative tra gli enzimi presenti nei

cloroplasti e quelli mitocrondriali, essi possiedono in generale la stessa architettura e

probabilmente siti catalitici pressocchè identici. Esistono infatti, notevoli similitudini fra

cloroplasti, mitocondri e batteri purpurei nel modo in cui il flusso di elettroni è accoppiato

alla traslocazione dei protoni.

Capitolo 6_ Fotosintesi: reazioni al buio

1. Descrivi come sono compartimentale nel cloroplasto le reazioni alla luce e le

reazioni del carbonio.

L’energia associata all’ossidazione fotochimica dell’acqua per produrre ossigeno

molecolare a livello delle membrane tilacoidale genera ATP, ferredossina ridotta e

nucleotidi piridinici (NADPH). Successivamente i prodotti delle reazioni alla luce, ATP e

NADPH, passano dalle membrane dei tilacoidi alla fase liquida che li circonda (lo stroma)

per guidare la riduzione della CO atmosferica catalizzata da enzimi a carboidrati e altri

2

elementi cellulari.

2. Il ciclo di Calvin: descrivi il processo generale

Gli organismi autotrofi hanno la capacità di utilizzare l’energia da fonti fisiche e chimiche

per incorporare il carbonio della CO atmosferica in scheletri di composti organici che sono

2

compatibili con le esigenze della cellula. La via più importante di fissazione della CO 2

autotrofa è il ciclo di Calvin-Benson, che si ritrova in molti procariori e in tutti gli eucarioti

fotosintetici. Questa via metabolica riduce lo stato di ossidazione del carbonio dal valore

più elevato, che si trova nella CO (+4), ai livelli presenti in zuccheri, infatti il ciclo di Calvin-

2

Benson è anche definito ciclo riduttivo dei pentosi fosfati.

Il ciclo di Calvin-Benson si compie in tre fasi che sono altamente coordinate nei cloroplasti:

 Carbossilazione della molecola accettore di CO e acqua con una molecola ccettore

2

a 5 atomi di carbonio (il ribulosio 1,5-bifosfato) per generare due molecole di un

composto intermedio a 3 atomi di carbonio (3-fosfoglicerato).

 Riduzione del 3-fosfoglicerato. Il 3-fosfoglicerato viene ridotto a carboidrati a 3

atomi di carbonio (trioso fosfati) tramite due reazioni enzimatiche guidate da ATP e

NADPH generati fotochimicamente.

 Rigenerazione dell’accettore della CO , il ribulosio 1,5-bifosfato attraverso una serie

2

di dieci reazioni catalizzate da enzimi, uno dei quali richiede ATP.

I trioso fosfati generati dal ciclo di Calvin-Benson nei cloroplasti sono successivamente

metabolizzati in altri compartimenti cellulari producendo prodotti come saccarosio e

raffinosio, che sono allocati agli organi vegetali eterotrofi per sostenere la crescita o la

trasformazione in prodotti di stoccaggio.

3. Quali sono le reazioni della carbossilazione?

Nel