FOTOSINTESI. utilizzazione energia della luce da parte delle piante, alghe e procarioti per sintetizzare composti organici

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2 FOTOSINTESI utilizzazione energia della luce da parte delle piante, alghe e procarioti per sintetizzare composti organici 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 ogni anno 100 Terawatt di energia 100 miliardi di tonnellate di biomassa

3 cianobatteri protisti alghe Muschi, licheni, piante superiori

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6 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 K eq = G 0 = kj (+467 kj/mole O 2 )

7 onda elettromagnetica luce particella fotone contiene una quantità di energia definita (quanto) L energia di un quanto è: E = hν dato che ν = c/λ E = hc/λ legge di Plank

8 E = hν E = hc/λ

9 9-10 fotoni necessari per produrre 1 molecola O 2 se λ =680 nm 1760 kj per mole di O 2 (E = h ν) G 0 = +467 kj efficienza conversione = 27%

10 fotosintesi ossigenica 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 cianobatteri, alghe, piante fotosintesi anossigenica 6CO 2 + 6H 2 S C 6 H 12 O 6 + 6S 2 solfobatteri purpurei

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16 captazione energia della luce produzione ATP e NADPH

17 H 2 O + NADP + + Pi +ADP ½O 2 + NADPH + H + + ATP

18 utilizzazione NADPH e ATP per la riduzione CO 2 e la sintesi di zuccheri

19 CO 2 + NADPH + H + + ATP C 6 H 12 O 6 + NADP + + ADP + Pi

20 il sole è una sorgente di fotoni a diversa frequenza diversa energia

21 h ν molecola molecola* Il fotone assorbito modifica la configurazione elettronica degli elettroni di valenza gli stati di singoletto e tripletto sono definiti dallo spin degli elettroni esterni

22 stato fondamentale stato eccitato Gli elettroni possono occupare solo stati energetici distinti e ben determinati e non hanno accesso alle regioni che si frappongono fra tali stati E E e -E f = hc/λ la transizione ad uno stato eccitato avviene solo quando l energia è uguale alla differenza tra l energia dello stato fondamentale e quella dello stato eccitato

23 Esistono anche sotto-livelli energetici

24 Atomi Pochi livelli ad alta energia Molecole con doppi legami coniugati (clorofille, carotenoidi e biliproteine) I legami coniugati provocano una proliferazione di stati possibili Diminuisce quindi lo spazio di transizione tra lo stato basale e il primo livello energetico

25 LUCE da 400 nm a 700 nm 71.5 kcal 41 kcal 3.1 ev 1.7 ev la luce visibile è in grado di indurre transizioni elettroniche di energia compresa tra 1.7 e 3.1 ev

26 Chl + hν Chl*

27 nel secondo stato eccitato la Chl è altamente instabile perdita energia (calore) I stato

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29 I stato eccitato stato fondamentale FLUORESCENZA. La Chl emette un fotone e torna al suo stato basale Fluorescenza di clorofilla purificata in soluzione

30 CALORE. La Chl torna al suo stato basale senza emettere fotoni

31 TRASFERIMENTO DI ENERGIA. La Chl trasferisce la sua energia ad un altra molecola

32 REAZIONE FOTOCHIMICA. L energia dello stato eccitato viene utilizzata per permettere che avvengano reazioni chimiche luce e - accettore Chl

33 il processo più rapido sarà favorito sugli altri e sarà predominante la reazione fotochimica avviene in s la fluorescenza avviene in 10-9 s

34 resa quantica = Φ = numero di molecole eccitate che decadono attraverso un determinato processo Φ fotochimica = n. prodotti fotochimici/n. quanti assorbiti Φ fotochimica = 0.95 Φ fluorescenza = 0.05

35 Φ O2 = 0.1 per la produzione di una molecola di O 2 sono necessari 10 quanti di luce richiesta quantica = 1/ Φ =10

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37 alghe rosse e cianobatteri ficobilina ficocianina

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39 clorofilla b β-carotene ficoeritrobilina clorofilla a batterioclorofilla a

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41 più molecole di Chl cooperano tra loro impulsi molto brevi intervallati da 0.1 s Chlorella pyrenoidosa

42 la luce viene captata dai sistemi antenna molecole Chl per centro di reazione diverse centinaia di carotenoidi i sistemi antenna inviano l energia ai centri di reazione trasferimento di energia per risonanza il 99% dei fotoni assorbiti dai pigmenti antenna raggiunge il centro di reazione fotochimica

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44 NELLA FOTOSINTESI DUE FOTOSISTEMI OPERANO IN SERIE

45 l effetto non è dovuto al fatto che l assorbimento diminuisce, poiché la resa quantica misura solo la luce assorbita

46 EFFETTO DI AMPLIFICAZIONE

47 EFFETTO ANTAGONISTICO studio dello stato di ossidazione del citocromo e - e - citocromo

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49 Perchè il P680 e il P700 si chiamano così? spettroscopia differenziale di assorbimento si applica a pigmenti che subiscono reazioni ossidoriduttive alla luce

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51 principali complessi proteici dei tilacoidi FOTOSISTEMA I FOTOSISTEMA II CITOCROMO b 6 f ATP sintasi

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53 il rapporto cambia: non è presente una stechiometria 1:1 da organismo a organismo in funzione delle condizioni ambientali

54 le piante C4 hanno un eccesso di fotosistema I (cellule della guaina del fascio)

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58 L LHC II è stato cristallizzato

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61 LO SCHEMA Z

62 feofitina clorofilla in cui l atomo di magnesio è rimpiazzato da due atomi di idrogeno

63 plastochinone

64 un elettrone è trasferito dalla feofitina a Q A Q A - (plastosemichinone) l elettrone passa da Q A- a Q B Q A- diventa Q A un secondo elettrone passa dalla feofitina a Q A Q A diventa Q A - l elettrone passa da Q A- a Q B- Q B 2- Q B 2- +2H + Q B H 2 (plastochinolo)

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66 l idrochinone si dissocia dal PS-II e diffonde attraverso la membrana plasmatica riduzione citocromo b 6 f i due protoni vengono presi dallo stroma

67 il P680 + è un forte ossidante è in grado di ossidare l acqua 2H 2 O O 2 + 4H + + 4e -

68 L ossidazione dell acqua coinvolge una complessa serie di reazioni nel PS-II l apparato di evoluzione dell ossigeno esiste in diversi stati di ossidazione

69 serie di flash produzione O 2 cloroplasti al buio l O 2 viene prodotto al III flash e ogni 4 flash successivi

70 lo stato S4 è l unico in grado di ossidare l acqua

71 buchi lampi che non riescono ad ossidare il P680 colpi doppi lampi che ossidano il P680 due volte rilassamenti decadimenti degli stadi S2 e S3 allo stadio S1 al buio

72 qual è la natura biochimica del complesso che evolve l ossigeno? alghe e cloroplasti isolati carenza di manganese = no O 2 studi spettroscopici atomi di Mn associati a D1 il cloro e il calcio sono implicati il cluster del manganese

73 il legame tra il P680 + e il cluster del Mn non è diretto Z = residuo di tirosina della proteina D1

74 i due protoni che si formano con l ossidazione dell H 2 O si trovano all interno del lume

75 il PS-II funziona come un acqua-plastochinone ossidoreduttasi dipendente dalla luce

76 plastochinone citocromo b 6 f

77 CITOCROMO b 6 f contiene tre carriers di elettroni: citocromo di tipo b (Cyt b6, due gruppi eme) citocromo di tipo c (Cyt f, un gruppo eme) proteina di Rieske

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81 CICLO Q ossidazione plastochinone un elettrone va verso il PS-I un elettrone innesca un processo ciclico plastocianina metalloproteina solubile di 10.5 kda

82 per la formazione di PQH 2 vengono utilizzati due protoni dello stroma

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84 PsaA A 0 = Chl A A 1 = fillochinone PsaB F x (Fe-S) PsaC F A (Fe-S) F B (Fe-S) ferredossina proteina solubile Fe-S

85 il PS-I funziona come una plastocianinaferredossina ossidoreduttasi luce-dipendente

86 la ferredossina non trasferisce gli elettroni direttamente al NADP + ferredossina-nadp + reduttasi (FNR) enzima contenente FAD la riduzione avviene in due tappe: I e - FNR flavina semichinone II e - FNR FADH2 FNR trasferisce i due elettroni al NADP +

87 durante la riduzione del NADP + a NADPH un protone viene prelevato dallo stroma

88 esiste anche una catena di trasporto ciclico di elettroni PSI riduce la Fdx Fdx red riduce il PQ PQH 2 riduce il cit b 6 f SI ATP NO NADPH Il trasporto ciclico è bloccato da DBMIB (inibitore del citocromo b6f) ma non da DCMU (inibitore del PSII)

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90 p = E - 2.3RT F ph p = E - 59 ph

91 CF 1 α 3, β 3, γ, δ, ε CF 0 a, b, b, c 12

92 l H + -ATPasi funziona come un motore rotante subunità γ filamento di actina fluorescente CF1 immagine reale idrolisi di ATP

93 Meccanismo di scambio di legame Sito O: conformazione aperta Sito L: legame ADP e Pi (lasco) Sito T: legame forte nucleotidi

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