Fotosintesi: processo di traduzione dell’energia
luminosa in energia chimica
Pianta + Luce
CO 2 + H 2 O (CH 2 O) + O 2
La fotosintesi non è un processo peculiare delle
piante
Luce, solfobatteri anaerobi
CO 2 + H 2 S (CH 2 O) + S
Luce, pianta
CO 2 + H 2 O (CH 2 O) + O 2
Luce, solfobatteri anaerobi
2
2
+
CO
H2 S
(CH2 O) + S
2
2
In quale comparto cellulare avviene la fotosintesi
Il cloroplasto e’ la sede dell’attivita’ fotosintetica
Fotosintesi:
•Reazioni che necessitano di luce
•Reazioni che non necessitano di luce
Ripartizione all’interno del cloroplasto dei due tipi di reazioni
Tilacoidi : sede
delle reazioni di
cattura
dell’energia
luminosa
Stroma: sede
delle reazioni
che utilizzano
l’energia
luminosa per
sintetizzare i
carboidrati
Reazioni che necessitano di luce
La natura della luce
La luce è una piccola parte di
un vasto spettro continuo di
radiazioni,
lo
spettro
elettromagnetico.
Tutte le radiazioni incluse in questo spettro viaggiano
sotto forma di onde e sono costituita di particelle di
energia chiamate Fotoni.
Ogni fotone contiene una determinata quantita’ di
energia chiamata quanto.
Alta energia
L’energia di un fotone e’
E=h·n
Legge di Planck
Bassa energia
(h=6,626x10-34Js)
L’energia luminosa, affinchè possa essere utilizzata
dai sistemi viventi, deve essere prima assorbita.
Un pigmento è qualsiasi sostanza che assorbe luce.
Le sostanze appaiono
di colore diverso a
seconda delle lunghezze
d’onda che assorbono o
riflettono.
Lo spettro di assorbimento
è l’assorbimento di luce da parte di una sostanza o di un
pigmento a varie lunghezze d’onda
430
663
Spettro di assorbimento della clorofilla a
Come si determina lo spettro di assorbimento di una sostanza?
Principio di funzionamento di uno spettrofotometro
Lo spettro di assorbimento delle chl e carotenoidi
480
430
663
650
Lo spettro d’azione
l’efficacia
relativa delle
diverse
lunghezze d’onda
della luce sui
processi che
richiedono luce
(es. fotosintesi,
fioritura)
Spettro di azione
Spettro di
assorbimento
Poiché nella fotosintesi ossigenica i pigmenti
assorbono tra 400 e 700 nm, questa
porzione dello spettro viene definita :
Radiazione fotosinteticamente attiva
(PAR, Photochemically Active Radiation)
I principali pigmenti fotosintetici
sono: le clorofille, i carotenoidi e le
ficobiline
Pigmenti fotosintetici
Clorofille
Appartengono alla famiglia delle porfirine.
Possiedono un anello tetrapirrolico ciclico con
un atomo di Mg coordinato al centro.
Possiedono
un
ciclopentanoico.
quinto
anello
aliciclico
Clorofilla a:
e’ presente in tutti gli organismi con
fotosintesi ossigenica
Clorofilla b: caratteristica degli organismi fotosintetici
verdi (piante vascolari, briofite, alghe
verdi, Euglenoidi).
Clorofille c1,c2:
pigmenti accessori in diversi gruppi
algali (Diatomee, Feofite).
Batterioclorofille: presenti nei batteri con fotosintesi
anossigenica, alcune fanno parte dei
centri di reazione.
Pigmenti fotosintetici
Carotenoidi
Svolgono due ruoli:
•assicurano l’assorbimento della luce in
ambiti spettrali non adeguatamente
coperti dalle clorofille.
•sono importanti nella protezione
degli apparati fotosintetici dal danno
ossidativo
480
430
663
650
Quando le molecole di clorofilla (o altri pigmenti)
assorbono luce, gli elettroni sono temporaneamente spinti
a un livello energetico superiore chiamato stato eccitato.
Stato fondamentale Stato eccitato
singoletto
Stato eccitato
tripletto
Quando gli elettroni ritornano al livello energetico
inferiore, o stato fondamentale, l’energia rilasciata ha 3
possibili destini:
1. L’energia viene convertita in calore o in una
combinazione di luce e calore (fluorescenza)
2. L’energia (ma non gli elettroni) viene trasferita da una
molecola di clorofilla eccitata ad una adiacente:
trasferimento di energia per risonanza
3. L’elettrone ad alta energia viene trasferito ad una
molecola adiacente (accettore di elettroni), lasciando un
‘buco elettronico’ nella molecola di clorofilla eccitata.
Durante il processo di fotosintesi l’energia segue 2 e 3
Le reazioni della fotosintesi
1. Reazioni della fase luminosa:
Producono NADPH e ATP
2. Reazioni di fissazione del carbonio
Producono triosi fosfati
1. Reazioni della fase luminosa
Quali molecole sono coinvolte?
Clorofille, carotenoidi e proteine
Dove sono localizzate?
Nelle membrane tilacoidali
(tilacoidi e lamelle stromatiche)
Come sono organizzate?
Sono organizzate in strutture
chiamate FOTOSISTEMI
Quanti tipi di Fotosistemi ci sono?
I fotosistemi sono 2: PSI e PSII
Ogni fotosistema contiene da 250 a 400 molecole di pigmenti
e numerose proteine
Qual’ è la struttura di un fotosistema?
1. COMPLESSO ANTENNA: Clorofille e carotenoidi.
Raccoglie energia luminosa e la
convoglia al centro di
reazione. Trasferimento di
energia per risonanza
2. CENTRO DI REAZIONE: Clorofilla a.
In grado di convertire l’energia
luminosa in energia chimica.
Trasferimento di e-
Struttura di un fotosistema
fotosistema
Membrana tilacoidale
Complesso antenna
Centro di reazione
I due fotosistemi lavorano in serie
e- NADPH
?
ePSII
(P680)
PSI
(P700)
Chi è l’accettore finale di e-?
Chi è che dona e- al PSII?
H 2O
e-
e-
e-
NADPH
PSI
PSII
Luce, pianta
CO 2 + H 2 O (CH 2 O) + O 2
L’H2O è il donatore di e-
Schema Z
ee-
NADPH
Schema Z
ee-
NADP+
NADPH
Schema Z: Trasporto degli elettroni
Schema Z: Trasporto degli elettroni
Dettaglio delle Reazioni chimiche coinvolte
nel trasferimento di elettroni nella
fotosintesi
•Eccitazione della chl a nel centro di reazione e
riduzione del primo accettore di e- (feofitina)
•Flusso di e- attraverso i fotosistemi II e I
•Riduzione dell’accettore finale di e- (NADP+)
•Ossidazione dell’H2O come fonte principale di e-
Punti da chiarire
1) Quale è il meccanismo che consente il trasferimento
dell’energia verso il centro di reazione ?
2) Caratteristiche degli eventi fotochimici.
3) Come si forma l’ATP?
1) Quale è il meccanismo che
consente il trasferimento
dell’energia verso il centro di
reazione ?
Il trasferimento di energia verso il centro di reazione è
assicurato dal minore stato energetico necessario ad
eccitare i pigmenti via via più vicini al centro di reazione
Durante il trasferimento una parte dell’energia viene persa
come calore
LUCE
Clf b
(650nm)
Clf b*
(650nm)
Clf a*
(670nm)
Clf a* +
(670nm)
calore
Clf a del PS II
(680nm)
Centro di
reazione
Questa modalità di trasferimento di Energia (Effetto
imbuto) per risonanza avviene in entrambi i fotosistemi :
PSII
Fotosistema (PS II) che
assorbe luce rossa (≤ 680 nm)
ma assorbe molto poco la luce
rosso lontana
PSI
Fotosistema (PSI) capace di
assorbire luce rossa e rosso
lontana (≥680 nm)
2) Eventi Fotochimici
PS I produce un forte riducente capace di ridurre il NADP+ ed un
debole ossidante, il PS II produce un forte ossidante in grado di
ossidare l’acqua e un debole agente riducente in grado di ridurre
l’agente ossidante prodotto dal PS I
Le reazioni della fotosintesi
1. Reazioni della fase luminosa:
Producono NADPH e ATP
3) Come si forma l’ATP?
L’ATP viene prodotta dalla ATP sintasi
sfruttando un gradiente protonico
(Fotofosforilazione)
ATP-sintasi
ADP + Pi ATP
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+ H+ H+ H+
H+ H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+ H+
H+
H+
H+
H+
Caratteristiche dell’ATP sintasi
Filmato ATP sintasi
Come viene generato il gradiente
protonico?
Approfondimento
Meccanismo di trasferimento di protoni e di
elettroni nel complesso citocromo b6-f.
Primo Plastoidrochinone (QH2)
Approfondimento
Secondo Plastoidrochinone (QH2)
Approfondimento
Chinone ossidato
Chinone ridotto
Orientamento dei complessi enzimatici
nella membrana tilacoidale
Stroma
Lume del tilacoide
Animazione meccanismo di fotosintesi
Similarità tra il flusso fotosintetico e respiratorio: il
flusso elettronico genera una forza motrice protonica
transmembrana che viene utilizzata per la sintesi
dell’ATP tramite l’ATP sintasi
Trasporto degli elettroni e chemiosmosi nell’ultima fase
della respirazione aerobica
Batteri porpurei
Qualche dettaglio sulla struttura dei fotosistemi
Le molecole di pigmento sono associate a proteine
Es. proteina D1
Struttura del complesso antenna LHCII
“Core” del PSII
Fotosistema I (PS I)
Regolazione e riparazione dell’apparato fotosintetico
Esempio di meccanismo di regolazione:
il trasporto ciclico degli e-
Schema Z o Trasporto non ciclico degli
elettroni
In particolari condizioni:
piante del sottobosco (luce debole o arricchita in
componenti spettrali rosso lontano);
abbondanza di NADPH.
quando la fissazione di CO2 richiede un apporto
supplementare di ATP;
Trasporto ciclico degli elettroni
Trasporto ciclico degli elettroni
Fotoinibizione e Meccanismi di protezione e riparazione
del danno dovuto all’eccesso di fotoni
Fotoni utilizzati
per la fotosintesi
I carotenoidi sono agenti fotoprotettivi
Se lo stato eccitato della chl non viene rapidamente
estinto attraverso il trasferimento dell’eccitazione o il
processo fotochimico, può avvenire una reazione con l’O2
per formare uno stato eccitato dell’ossigeno noto come
singoletto d’ossigeno (1O2*).
L’ 1O2* è una specie reattiva dell’O2 (ROS) altamente
reattiva.
Specie Reattive dell’Ossigeno (ROS):
Ossigeno Singoletto (1O2)
Anione Superossido (O2-)
Perossido di Idrogeno (H2O2)
Radicale Idrossidrile (OH·)
• Sono specie chimiche con un elettrone spaiato nello
strato orbitale più esterno.
•Questo li porta a ricercare un equilibrio
appropriandosi dell’elettrone delle altre molecole
con le quali vengono a contatto
•Queste molecole (es. lipidi) diventano instabili e
ricercano a loro volta un elettrone, innescando un
meccanismo di instabilità a “catena”. (es.
lipoperossidazione)
Filmato lipoperossidazione
I carotenoidi svolgono la loro azione fotoprotettiva
estinguendo lo stato eccitato della chl.
Il carotenoide eccitato non possiede sufficiente
energia per formare 1O2* e decade al suo stato basale
liberando energia sotto forma di calore
Altri sistemi di difesa: eliminazione delle ROS
-Le ROS può essere ridotte o eliminate completamente
grazie all’azione di vari agenti antiossidanti.
-l’enzima superossido dismutasi (SOD) trasforma
alcune ROS in perossido di idrogeno.
(2O2- + 2H+ -> H2O2 + O2)
-A sua volta il perossido di idrogeno, tramite la
catalasi (CAT)
(H2O2 + H2O2 -> 2H2O + O2)
e glutatione perossidasi (GSAPx, selenio dipendente)
(H2O2 + SH2 -> 2H2O + S),
viene ridotto ad O2 e H2O
Alcuni erbicidi uccidono le
piante bloccando il flusso
fotosintetico degli
elettroni
(Diclorfenildimetilurea)
Compete come accettore
di elettroni con il QB
sulla proteina D1
DIURON
(Metilviologeno)
Intercetta elettroni e
produce O2-
PARAQUAT
O 2-
