Fotosintesi I. Prof. Giorgio Sartor. I01 - Versione 1.8 mar Copyright by Giorgio Sartor. All rights reserved.

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1 Prof. Giorgio Sartor Fotosintesi I Copyright by Giorgio Sartor. All rights reserved. I01 - Versione 1.8 mar 2011 v. 1.8 gsartor Fotosintesi - 2-1

2 v. 1.8 gsartor Fotosintesi Decomposizione dell acqua La decomposizione dell'acqua in idrogeno ed ossigeno in condizioni standard è una reazione sfavorita in termini termodinamici, poiché entrambe le semireazioni che intervengono hanno potenziali negativi Anodo (ossidazione): 2H 2 (l) 2 (g) + 4H + (aq) + E 0 ox = +1,23 V Catodo (riduzione): 4H 2 + 2H 2 + 4H - E 0 ox = -0,83 V Utilizzando l'equazione G = nfe, l'energia libera di Gibbs per il processo in condizioni standard vale kj, il che traduce la non spontaneità della reazione. v. 1.8 gsartor Fotosintesi - 4-2

3 Decomposizione dell acqua v. 1.8 gsartor Fotosintesi ssidazione dell acqua v. 1.8 gsartor Fotosintesi - 6-3

4 ssidazione dell acqua 2H H + + v. 1.8 gsartor Fotosintesi ssidazione dell acqua??? 2H H + + v. 1.8 gsartor Fotosintesi - 8-4

5 ssidazione dell acqua hυ 2NADPH + 2H + 2H H + + v. 1.8 gsartor Fotosintesi Fotosintesi È il processo che permette di formare carboidrati da C 2 a spese dell energia luminosa. hυ 6C 2 + 6H 2 C 6 H FISSAZINE DELL ANIDRIDE CARBNICA v. 1.8 gsartor Fotosintesi

6 Fotosintesi La fotosintesi viene assimilata alla fissazione della C 2, L energia chimica derivata dall energia luminosa può essere utilizzata per altri processi cellulari (assimilazione di azoto e zolfo). Il processo 6C 2 + 6H 2 C 6 H È il contrario del metabolismo dei carboidrati, È un processo endoergonico che avviene nei cloroplasti. v. 1.8 gsartor Fotosintesi Cloroplasti v. 1.8 gsartor Fotosintesi

7 Cloroplasti v. 1.8 gsartor Fotosintesi Cloroplasti La fotosintesi avviene all interno del tilacoide, La membrana del tilacoide è come la membrana mitocondriale Impermeabile a ioni e molecole Come i mitocondri i cloroplasti hanno un proprio DNA, RNA e ribosomi v. 1.8 gsartor Fotosintesi

8 Processo fotosintetico La fotosintesi è un processo che è formato da due serie di reazioni: Conversione di energia luminosa in 2 Energia chimica Alla luce Fissazione della C 2 C 2 Al buio Formazione di zuccheri v. 1.8 gsartor Fotosintesi Processo fotosintetico Fase luminosa nhυ 2H 2 + 2NADP + + xadp + xpi 2 + 2NADPH + 2H + + xatp + xh 2 Fase buia 12NADPH + 12H ATP + 6C H 2 C 6 H NADP ADP + 18Pi v. 1.8 gsartor Fotosintesi

9 v. 1.8 gsartor Fotosintesi Processo fotosintetico Fase buia nhυ 12NADPH + 12H ATP + 6C H 2 C 6 H NADP ADP + 18Pi In questo caso è l acqua il donatore finale di elettroni, più in generale: C 2 +2H 2 A (CH 2 ) n + 2A + H 2 Nei solfobatteri fotosintetici, per esempio: C 2 +2H 2 S (CH 2 ) n + 2S + H 2 v. 1.8 gsartor Fotosintesi

10 Fotosintesi Fase luminosa H 2 2 ADP ATP NADP + NADPH C 2 Glucoso Ciclo di Calvin/Benson (Fase buia) v. 1.8 gsartor Fotosintesi Clorofilla I pigmenti fotosintetici in grado di assorbire luce sono, principalmente, le clorofille: H C H 2 R H NH N N Mg++ HN H C 3 H H H CH3 R = - Clorofilla a R = -CH Clorofilla b H 3 C Catena laterale idrofobica di fitolo v. 1.8 gsartor Fotosintesi

11 Pigmenti accessori Ci sono poi altri pigmenti fotosintetici accessori che permettono una maggiore efficienza dell assorbimento: H 3 C H 3 C β-carotene CH H 3 C 3 H N H N H N N CH 2 Ficocianobilina v. 1.8 gsartor Fotosintesi Spettri di assorbimento I pigmenti assorbono luce nel blu e nel rosso dello spettro del visibile, riflettono luce nell intervallo del verde. I pigmenti sono associati a proteine. v. 1.8 gsartor Fotosintesi

12 Spettri di assorbimento I pigmenti assorbono luce nel blu e nel rosso dello spettro del visibile, riflettono luce nell intervallo del verde. I pigmenti sono associati a proteine. v. 1.8 gsartor Fotosintesi Spettri di assorbimento L efficienza della fotosintesi è massima alle estremità dello spettro della luce visibile v. 1.8 gsartor Fotosintesi

13 Le transizioni elettroniche Stato di singoletto eccitato S 1 Energia Assorbimento Emissione S 0 Stato fondamentale v. 1.8 gsartor Fotosintesi Disattivazione dello stato eccitato Allo stato eccitato di un altra molecola Reazione redox S 1 Energia S 0 Dissipazione termica Trasferimento di energia Emissione (Fluorescenza) Fotossidazione v. 1.8 gsartor Fotosintesi

14 Reazioni allo stato eccitato Assorbimento, formazione dello stato eccitato: A + hυ A* (τ =10-15 s) Disattivazione dello stato eccitato: Energy transfer: A* + B A + B* (τ = s); Emissione di luce (fluorescenza): A* A + hυ (τ = 10-8 s; υ < υ ); Reazione redox: A* + B A + + B - (τ = s); v. 1.8 gsartor Fotosintesi Transizioni elettroniche Le transizioni elettroniche avvengono, nei pigmenti fotosintetici, nel visibile a causa della presenza di sistemi elettronici π coniugati. È fondamentale, nel funzionamento del processo fotosintetico, la trasduzione dell energia luminosa in energia chimica, Ciò avviene a causa del potenziale redox diverso tra lo stato fondamentale e lo stato eccitato della clorofilla: Chl + hυ Chl* Chl + + e - Il Mg ++ non cambia numero di ossidazione. H v. 1.8 gsartor Fotosintesi C H 2 R H H 3 C C H 3 NH N CH3 Mg++ N CH3 HN H H H H N H 3 C H N β-carotene H 3 C H C 3 H N N CH 2 Ficocianobilina Mg ++ R = - Clorofilla a R = -CH Clorofilla b No Mg ++ R = - Feofitina a R = -CH Feofitina b 14

15 Transizioni elettroniche Le transizioni elettroniche avvengono, nei pigmenti fotosintetici, nel visibile a causa della presenza di sistemi elettronici π coniugati. È fondamentale, nel funzionamento del processo fotosintetico, la trasduzione dell energia luminosa in energia chimica, Ciò avviene a causa del potenziale redox diverso tra lo stato fondamentale e lo stato eccitato della clorofilla: Chl + hυ Chl* Chl + + e - Il Mg ++ non cambia numero di ossidazione. H v. 1.8 gsartor Fotosintesi C H 2 R H H 3 C C H 3 NH N CH3 Mg++ N CH3 HN H H H H N H 3 C H N β-carotene H 3 C H C 3 H N N CH 2 Ficocianobilina Mg ++ R = - Clorofilla a R = -CH Clorofilla b No Mg ++ R = - Feofitina a R = -CH Feofitina b Riduzione e ossidazione La fotosintesi consiste nella riduzione del NADP + a spese degli e - ceduti dall acqua all ossigeno e attivati dalla luce. NADP + /NADPH E 0 = V Per ridurre il NAD + è necessario un riducente con E 0 < V. 2 /H 2 E 0 = V Per ossidare l acqua ad ossigeno è necessario un ossidante con E 0 > 0.82 V. v. 1.8 gsartor Fotosintesi

16 Fotosistema Riduzione e ossidazione I (PSI) La fotosintesi consiste nella riduzione del NADP + a spese degli e - ceduti dall acqua all ossigeno e attivati dalla luce. NADP + /NADPH E 0 = V Per ridurre il NAD + è necessario un riducente con E 0 < V. 2 /H 2 E 0 = V Per ossidare l acqua ad ossigeno è necessario un ossidante con E 0 > 0.82 V. v. 1.8 gsartor Fotosintesi Riduzione e ossidazione La fotosintesi consiste nella riduzione del NADP + a spese degli e - ceduti dall acqua all ossigeno e attivati dalla luce. NADP + /NADPH E 0 = V Fotosistema II (PSII) Per ridurre il NAD + è necessario un riducente con E 0 < V. 2 /H 2 E 0 = V Per ossidare l acqua ad ossigeno è necessario un ossidante con E 0 > 0.82 V. v. 1.8 gsartor Fotosintesi

17 hn 2NADP + 2NADPH UT PSII Cyt b6/f PSI IN v. 1.8 gsartor Fotosintesi hν hν 2NADP + 2NADPH UT PSII Cyt b6/f PSI IN v. 1.8 gsartor Fotosintesi

18 hν hν 2NADP + 2NADPH UT PSII Cyt b6/f PSI IN 2H 2 2H v. 1.8 gsartor Fotosintesi hν hν 2NADP + 2NADPH UT PSII Cyt b6/f PSI IN 2H 2 2H v. 1.8 gsartor Fotosintesi

19 hν hν 2NADP + 2NADPH UT H PSII H Cyt b6/f PSI IN 2H 2 2H H + v. 1.8 gsartor Fotosintesi hn hn 2H + 2NADP + 2NADPH UT PSII Cyt b6/f PSI IN 2H 2 1e - Pc 2H + 2H H + v. 1.8 gsartor Fotosintesi

20 hn hn 2H + 2NADP + 2NADPH UT H PSII H Cyt b6/f PSI IN 2H2 1e - Pc 2H + 2H H + Pc v. 1.8 gsartor Fotosintesi hn hn 2H + 2NADP + 2NADPH UT PSII Cyt b6/f PSI IN 2H2 1e - Pc 2H + 2H H + 1e - Pc v. 1.8 gsartor Fotosintesi

21 NADPH ATP H + ADP + Pi UT PSII Cyt b6/f PSI IN H + v. 1.8 gsartor Fotosintesi Ciclo di Calvin Benson C6H126 6C2 ATP NADPH H + ADP + Pi UT PSII Cyt b6/f PSI IN 6H2 H + v. 1.8 gsartor Fotosintesi

22 Ciclo di Calvin Benson C6H126 6C2 ATP NADPH H + ADP + Pi UT PSII Cyt b6/f PSI IN 6H2 H + v. 1.8 gsartor Fotosintesi Riduzione e ossidazione PS-II hυ < 680 nm ATP CF 1 CF o ATP sintasi ADP + Pi PS-I hυ > 700 nm P680 nh + stroma nh + lume P700 ssidante forte E' o > 0.8V H 2 1/2 2 Riducente debole PQ E' o ~ 0V ssidante debole E' o ~ 0.45V NADP + Riducente forte E' o < -0.6V NADPH La produzione di equivalenti riducenti (NADPH) è associata alla traslocazione di protoni dallo stroma al lume del tilacoide con formazione di un gradiente di ph e di carica, Attraverso una ATP-sintasi i protoni vengono riportati all interno dello stroma a favore di gradiente con accoppiata la sintesi di ATP. v. 1.8 gsartor Fotosintesi

23 Riduzione e ossidazione PS-II hυ < 680 nm ATP CF 1 CF o ATP sintasi ADP + Pi PS-I hυ > 700 nm P680 nh + stroma nh + lume P700 ssidante forte E' o > 0.8V H 2 1/2 2 Riducente debole PQ E' o ~ 0V ssidante debole E' o ~ 0.45V NADP + Riducente forte E' o < -0.6V NADPH In alcuni casi invece di procedere alla riduzione del NADP +, P700 viene cortocircuitata per la produzione di gradiente protonico. v. 1.8 gsartor Fotosintesi v. 1.8 gsartor Fotosintesi

24 2006 v. 1.8 gsartor Fotosintesi v. 1.8 gsartor Fotosintesi

25 La fotosintesi e fotofosforilazione Dalla luce all ATP e NADPH Unità fotosintetica Non tutte le molecole di clorofilla svolgono la funzione di donatori di elettroni allo stato eccitato. Il trasferimento di energia tra le molecole antenna al centro di reazione avviene per risonanza (energy transfer). hυ Molecole antenna (LHC) Centro di reazione (PS) v. 1.8 gsartor Fotosintesi

26 Light harvesting complex v. 1.8 gsartor Fotosintesi Light harvesting complex La luce viene raccolta dal sistema antenna (Light harvesting complex) attraverso i pigmenti: Clorofille (A e B) Caroteni L energia luminosa viene trasferita via energy transfer al centro di reazione. Clorofilla A Caroteni Clorofilla B Lipidi v. 1.8 gsartor Fotosintesi

27 Ficocianobilina v. 1.8 gsartor Fotosintesi Ficocianobilina v. 1.8 gsartor Fotosintesi

28 Centri di reazione Negli eucarioti esistono due diversi centri di reazione: PS-I e PS-II Nei due fotosistemi avvengono reazioni diverse. I due fotosistemi hanno diversa sensibilità alla luce. In uno dei due (PS-II) avviene l ossidazione dell acqua ad ossigeno. La clorofilla nelle cellule vegetali è associata a proteine integrali della membrana del tilacoide. v. 1.8 gsartor Fotosintesi Potenziali redox I valori dei potenziali redox permettono il trasferimento di elettroni dall H 2 al NADP +: 1. E o = V 2. E o = V 3. E o 0 V 4. E o = V 5. E o = V 6. E o = V 7. E o = V v. 1.8 gsartor Fotosintesi

29 Potenziali redox I valori dei potenziali redox permettono il trasferimento di elettroni dall H 2 al NADP +: 1. E o = V E' o Plastochinone PS-II P680* Feofitina Q A Q B 3 PQ Complesso Cyt b - Cyt f EC (Cyt b 6 ) n (Cyt b 6 ) p PS-I P700* A 0 A 1 F A F B F X Ferredossina 6 Fd Ferredossina- NADP + reduttasi EC Fp (FAD) NADP + + H + 7 NADPH 2. E o = V FeS Cyt f hυ 3. E o 0 V 4. E o = V 5. E o = V 6. E o = V H 2 1/ H + (rilasciati nell'interno) 1 Mn 2+ P680 2 hυ 2H + est 4 2H + int PC Plastocianina P E o = V v. 1.8 gsartor Fotosintesi Schema a Z Plastochinone PS-II P680* Complesso Cyt b - Cyt f EC PS-I P700* A 0 A 1 F A F B F X Ferredossina Fd Ferredossina- NADP + reduttasi EC Fp (FAD) Feofitina (Cyt b 6 ) n E' o 0 Q A Q B PQ (Cyt b 6 ) p NADP + + H + NADPH FeS Cyt f hυ hυ PC H 2 2H + est 2H + int P Mn 2+ P680 Plastocianina 1/ H (rilasciati nell'interno) v. 1.8 gsartor Fotosintesi

30 Trasporto di H + Nel trasporto di elettroni dall acqua al NADP + vengono anche trasportati 4H + nel lume del tilacoide (all interno) dalla cavità stromale (dall esterno). 2H + vengono prodotti nel lume a seguito della ossidazione dell acqua. 2H + 4H + v. 1.8 gsartor Fotosintesi Fotosistema II (PS-II) v. 1.8 gsartor Fotosintesi

31 PS-II I due elettroni vengono trasferiti al plastochinone legato al PS-II attraverso una serie di reazioni redox di gruppi prostetici. Stroma hυ P680 P680* Q A Feofitina (ox) Q B (red) Tyr +. P680 + Feofitina (red) Q A Tyr Q B (ox) 2H H + (rilasciati nell'interno) Lume del tilacoide v. 1.8 gsartor Fotosintesi s5l v. 1.8 gsartor Fotosintesi

32 Crediti e autorizzazioni all utilizzo Questo materiale è stato assemblato da informazioni raccolte dai seguenti testi di Biochimica: CHAMPE Pamela, HARVEY Richard, FERRIER Denise R. LE BASI DELLA BICHIMICA [ISBN ] Zanichelli NELSN David L., CX Michael M. I PRINCIPI DI BICHIMICA DI LEHNINGER - Zanichelli GARRETT Reginald H., GRISHAM Charles M. BICHIMICA con aspetti molecolari della Biologia cellulare - Zanichelli VET Donald, VET Judith G, PRATT Charlotte W FNDAMENTI DI BICHIMICA [ISBN ] Zanichelli Jeremy N BERG, John L TYMCZK, Lubert STRYER BICHIMICA Sesta edizione 2008 E dalla consultazione di svariate risorse in rete, tra le quali: Kegg: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes Brenda: Protein Data Bank: Rensselaer Polytechnic Institute: Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da: oppure da gsartor.org/ Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l autore usando questa frase: Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio Sartor Università di Bologna a Ravenna Giorgio Sartor - giorgio.sartor@unibo.it 32