LA FOTOSINTESI: LA FOTOSINTESI: UN PROCESSO NATURALE CHE L UOMO CERCA DI IMITARE. un processo naturale che l uomo tenta di imitare

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1 LA FOTOSINTESI: LA FOTOSINTESI: UN PROCESSO NATURALE CHE L UOMO CERCA DI IMITARE un processo naturale che l uomo tenta di imitare Dott.ssa Fabiana Chimirri BIOSOLAR LAB Politecnico di Torino Sede di Alessandria 1

2 FOTOSINTESI Processo mediante il quale sostanze inorganiche (anidride carbonica e l acqua) sono convertite in composti organici sfruttando l energia solare. I prodotti finali della fotosintesi sono il glucosio e l ossigeno. La fotosintesi e un processo fortemente endoergonico. Si distinguono due fasi: 1) Fase luminosa (fase luce-dipendente): l energia luminosa è convertita in energia chimica 2) Fase oscura (fase di organicazione del carbonio): l energia chimica viene utilizzata per produrre composti organici QUALI SONO GLI ORGANISMI IN GRADO DI EFFETTUARE LA FOTOSINTESI? 2

3 CLASSIFICAZIONE DEGLI ORGANISMI IN BASE AL TIPO DI METABOLISMO AUTOTROFI sono in grado di sintetizzare sostanze organiche a partire da composti inorganici, utilizzando una fonte di energia ETEROTROFI devono introdurre composti organici dall esterno per assimilare il nutrimento FOTOSINTETICI se la fonte energetica è quella solare. Es: piante, alghe, cianobatteri CHEMIOSINTETICI se la fonte energetica è di tipo chimico. Es: alcuni gruppi di batteri - solfobatteri - ferrobatteri - batteri nitrificanti in grado di ossidare ioni inorganici 3

4 ORGANISMI FOTOSINTETICI ORGANISMI PROCARIOTI ORGANISMI EUCARIOTI BATTERI, CIANOBATTERI ALGHE, PIANTE 4

5 Fotosintesi ossigenica: con produzione di ossigeno (piante, alghe, cianobatteri) Fotosintesi anossigenica: senza liberazione di ossigeno (batteri rossi e verdi) Fotosintesi ossigenica Fotosintesi anossigenica Organismi Piante, alghe, cianobatteri Batteri rossi e batteri verdi Pigmenti (λ max ) Donatore di e- per la fotosintesi Produzione di ossigeno Clorofille ( nm, nm) Ficobiline (tra 460 e 650 nm) Carotenoidi ( nm, nm) H 2 O si Batterioclorofille (assorbe a nm) H 2, H 2 S no DOVE AVVENGONO LE REAZIONI FOTOSINTETICHE? 5

6 La fotosintesi avviene nei cloroplasti ORGANIZZAZIONE DI UN CLOROPLASTO 6

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8 Non tutte le lunghezze d'onda della luce visibile sono utili per l attività fotosintetica, ma solo quelle comprese tra 400 a 700 nm che sono chiamate PAR (Photosintetically Active Radiation). > è λ < è l energia associata Se λ > 750 nm (rosso), energia insufficiente Se λ < 400 nm (viola), energia troppo elevata (danneggiamento strutture biologiche) I pigmenti fotosintetici presenti nelle foglie (clorofille e carotenoidi) hanno il ruolo fondamentale di captare l energia luminosa. Tipo di pigmento chla chlb carotenoidi Gruppo funzionale diverso Localizzazione prevalente λmax di assorbimento -CH3 -CHO Centro di reazione Antenne Centro di reazione

9 CLOROFILLA CAROTENOIDI La diversità di pigmenti ha anche un importante significato ecologico in quanto consente a organismi diversi di condividere lo stesso habitat sfruttando luce a diversa lunghezze d onda. 9

10 Struttura La sua struttura consiste in un anello porfirinico contenente, al centro un atomo di magnesio, e intorno quattro atomi di azoto circondati da atomi di carbonio; inoltre la clorofilla è composta da una lunga catena di idrocarburi attaccati all'anello porfirinico (fitolo). I 4 eterocicli sono collegati da ponti CH. La presenza dei doppi legami coniugati è fondamentale per l assorbimento della luce Perchè la clorofilla è verde? La clorofilla è verde perchè riflette la luce verde (tra. 500 e 600nm) e assorbe principalmente nella parte rossa (430nm) e blu (660 nm) dello spettro. 10

11 L'assorbimento di fotoni da parte dei pigmenti fotosintetici porta alla conversione dell'energia luminosa in energia di eccitazione elettronica; questa "migra" per risonanza induttiva (processo per cui una molecola eccitata può trasferire la sua energia ad un'altra molecola adiacente che passa, a sua volta, ad uno stato eccitato) attraverso varie molecole fino a giungere al "centro di reazione", sito in cui avvengono le reazioni chimiche. Altissima efficienza di trasferimento dell energia: circa il 99% dei fotoni assorbiti dai pigmenti antenna raggiunge il centro di reazione in <10-10 s 11

12 LE 2 FASI DELLA FOTOSINTESI FASE LUMINOSA - energia luminosa convertita in energia chimica (ATP e NADPH) - idrolisi dell acqua (fotolisi) e produzione di O 2 - compartimento: membrana e lume tilacoidale FASE OSCURA - energia chimica (ATP e NADPH) utilizzata per convertire la CO 2 in G3P e poi in glucosio - rifornimento di ADP, P i e NADP + - compartimento: stroma dei cloroplasti 12

13 FASE LUMINOSA: REAZIONI 2 H 2 O +2 NADP + + n ADP + n Pi O NADPH + n ATP + 2H + 2 H 2 O + h O H e - 2NADP + + 4e - + 2H + 2NADPH ADP + P ATP FASE OSCURA: REAZIONI CO H + (CH 2 O) + H 2 O Formazione di uno scheletro carbonioso per la costruzione di molecole organiche. Questa incorporazione dell anidride carbonica in composti organici prende il nome di ORGANICAZIONE DEL CARBONIO 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 13

14 COMPLESSI ENZIMATICI PRESENTI NELLE MEMBRANE DEI TILACOIDI 14

15 I FOTOSISTEMI Nelle membrane tilacoidali ne esistono 2: il fotosistema I (PSI), che contiene nel centro di reazione una molecola di chla (nota come P700) e il fotosistema II (PSII), che contiene nel centro di reazione una molecola di chla (nota come P680). Si tratta di 2 complessi multiproteici ciascuno costituito da: - Centro di reazione: in grado di convertire l energia luminosa in energia chimica - Antenne di raccolta della luce ( light harvesting complex, LHC) con la funzione di assorbire fotoni e trasmetterli al centro di reazione. PSI PSII n subunità proteiche n chl nel centro di reazione 130 n chl nelle antenne (con prevalenza di chla) 200 (con prevalenza di chlb) 15

16 SCHEMA Z: variazioni del potenziale redox durante il trasferimento elettronico Il processo inizia nel PSII, nel quale una clorofilla (P680) capta un fotone e passa ad uno stato eccitato (P680*). PSII PSI Le reazioni del trasferimento elettronico sono reazioni redox in cui ogni molecola si comporta, di volta in volta, da donatore o accettore di e -. La chl P680 ossidata può accettare 1 e - da un donatore (acqua). L accettore finale è il NADP+ 16

17 Catena di trasportatori elettronici: da potenziale più negativo a potenziale più positivo. I 5 passaggi della catena di trasporto elettronico creano un gradiente protonico. 17

18 Scheme del flusso di e - ( ) e di H + ( >) che si produce nella membrana tilacoidale durante la fotosintesi PSII ATPasi PSI Ubicazione nella membrana tilacoidale di PSI e PSII e le specie più significative per la comunicazione fra i 2 fotosistemi: - plastochinoni (PQ B /PQ B H 2 ), - complesso del citocromo b6f (Cit bf) - plastocianina (PC) Questi trasferimenti elettronici generano un gradiente protonico transmembrana (ph = 8 nello stroma, ph = 4.5 nel lume) la cui energia è utilizzata per sintetizzare ATP da ADP + P i, attraverso la ATP-sintasi. 18

19 IL FOTOSISTEMA II 19

20 Nel cluster del Mn (Mn 4 Ca) avviene la foto-ossidazione dell H 2 O attraverso 4 stadi di ossidazione del Mn, indicati con S0-S4. Ognuno implica l assorbimento di 1 fotone e il rilascio di 1 H + e di 1 e -. Solo quando attraverso questo percorso si raggiunge lo stadio S4, si verifica la formazione della molecola di O 2 20

21 Efficienza del processo fotosintetico Resa quantica (efficienza quantica, ): misura dell efficienza fotosintetica n molecole convertite/n quanti assorbiti Moli di fotoni assorbiti per mole di CO 2 fissata o di O 2 evoluto 2 H 2 O + 4h O H e - Le condizioni di illuminazione variano non soltanto da pianta a pianta ma anche nella stessa: le foglie apicali hanno maggior efficienza fotosintetica ma quelle basali hanno una superficie maggiore e quindi la resa fotosintetica è simile. Si misurano gli scambi gassosi di una foglia. Una foglia con una buona efficienza fotosintetica consuma dalle 15 alle 20 µmol m -2 s -1 di CO 2 atmosferica. L efficienza della fotosintesi è circa pari allo %. In alcuni casi si può raggiungere il 3-6%. Camere di polietilene per valutare l efficienza fotosintetica su una pianta intera. 21

22 Immobilizzazione del PSII e sue applicazioni IMMOBILIZZARE: associare un biocatalizzatore ad una matrice insolubile Potenziali vantaggi dell immobilizzazione: riutilizzo e controllo del dispositivo sistema stabile PRINCIPALI APPLICAZIONI DEL PSII: 1) I BIOSENSORI 2) LA FOGLIA ARTIFICIALE Rilevamento di sostanze tossiche in effluenti (metalli pesanti, erbicidi) mediante analisi chimiche: richiedono strumenti costosi, impiego di grossi volumi di solventi organici e preventiva purificazione del campione Valutazioni tossicologiche mediante analisi biologiche: -Test con daphnia, vermi, epatociti, alghe, trote (> 72 h) -Test immunologici (Ac troppo specifici, costoso) In alternativa 1) BIOSENSORI -Test con sistemi fotosintetici: sensibili (0.1 ppb), semplici, veloci (10 ) 22

23 1) BIOSENSORI Utilizzabili con le seguenti classi di erbicidi: - Fenilcarbammidi - Composti ureici e arilureici (es. diuron) - Triazine (es: atrazina) - Diazine (es: bentazone) - Fenoli (es. bromoxynil) PS II PS I Essi rappresentano il 30% degli erbicidi utilizzati a livello mondiale 23

24 1) BIOSENSORI 24

25 1) BIOSENSORI Gli erbicidi bloccano il trasporto elettronico in maniera dose-dipendente Si misura la fotoriduzione di un accettore artificiale Accoppiamento di un biosensore (PSII) con un trasduttore (elettrodo) Richiesto poco campione per eseguire la misura Emivita: 16,7 h Sensibilità: [erbicidi] = 10-8 M 25

26 1) BIOSENSORI Tempi richiesti per il test 10 : erbicidi 15 : cationi : effluenti Stabilità: 7-12 giorni Misura della fluorescenza 26

27 1) BIOSENSORI Chapter Category: Agricultural Biotechnology (2006) From the book Biotechnological Applications of Photosynthetic Proteins: Biochips, Biosensors and Biodevices Photosystem II Biosensors for Heavy Metals Monitoring Régis Rouillon, Sergey A. Piletsky, Florent Breton, Elena V. Piletska and Robert Carpentier The biotesting based on the photosynthetic material is new and potentially commercially viable method of pollutant detection. The photosynthetic apparatus including photosystem II (PSII) is particularly sensitive to heavy metals. In this chapter, the mechanisms of heavy metals action on photosystem II are discussed. The characteristics of different biosensors based on immobilized photosynthetic material are compared and the possibility to use immobilized photosystem II submembranes fractions as a tool to monitor environmental sample contained the heavy metals (sewage sludge) is demonstrated. 27

28 2) LA FOGLIA ARTIFICIALE Dispositivo artificiale creato secondo i principi di funzionamento del PSII per convertire direttamente l energia solare in idrogeno molecolare e ossigeno, separati da una membrana. In tal modo, l idrogeno viene prodotto direttamente in una camera diversa da quella dove viene liberato l ossigeno ed è quindi già in una forma più pura. Per fare questo la membrana del dispositivo è in grado di condurre sia elettroni che protoni, e ai suoi estremi sono collegati degli elettrodi che supportano gli enzimi naturali coinvolti nel processo. anodo catodo Gli enzimi naturali hanno emivita breve. La sfida consiste nello sviluppare repliche artificiali più stabili degli enzimi naturali da applicare sul dispositivo per la creazione di una foglia interamente artificiale 28

29 Prof. James Barber Se i sistemi di fotosintesi artificiale potessero utilizzare il 10% della luce del sole che cade su di loro, avrebbero bisogno di coprire solo lo 0,16% della superficie terrestre per soddisfare il consumo mondiale di energia di cui il mondo avrà bisgono nei prossimi 20 anni. E a differenza della foglia biologica, quella artificiale potrebbe essere messa in zone aride del deserto del mondo, dove non deve competere per lo spazio con i terreni agricoli. Il nostro fabbisogno energetico sarà pari a Terawatt per il Il sole fornisce un flusso continuo di energia pari a TW, di cui TW arrivano sulla superficie terrestre (di cui TW sulla terraferma). L energia solare di un ora sarebbe sufficiente a soddisfare il fabbisogno energetico della Terra per un intero anno. 29

30 IDROGENO Elemento più abbondante dell universo: fino al 75% della materia, in base alla massa e più del 90%, in base al numero di atomi. Sulla terra costituisce l 1% dei gas Estremamente istabile, gas incolore, inodore e altamente infiammabile Fonte più abbondante di H: acqua Altre fonti: materia organica, combustibili fossili, metano (sottoprodotto della decomposizione organica) Attuale produzione: circa 90% derivante da reazione del metano con vapore acque (steam reforming of natural gas), ad elevate temperature ( C) CH 4 + H 2 O 3H 2 + CO CO + H 2 O H 2 + CO 2 SVANTAGGI: Utilizzo di una fonte fossile (e dunque non rinnovabile) Formazione di monossido di carbonio come scarto (agente inquinante) Costo della tecnologia è di circa 3 volte il costo del gas naturale per unità di energia prodotta 30

31 How a fuel cell works Hydrogen 2 H 2 e - e - - e - e - e e - H H HH e - -O O e - O 2 Oxygen 2H 2 4H + + 4e - O 2 + 4e - 2O 2- H 2 O Anode Diffusion Layer with Catalyst Heat Membrane Diffusion Layer with Catalyst Cathode 31

32 Fuel cell stacks This reaction in a single fuel cell produces only about 0.7 volts. To get this voltage up to a reasonable level, many separate fuel cells must be combined to form a fuel-cell stack. A device about the size of a small piece of luggage can power a car. 32

33 3 test flights took place in February and March 2008 at the airfield in Ocana, south of Madrid, Spain. During the test flights, a twoseat Dimona motor-glider with a 16.3 meter wingspan was used as the airframe. Built by Diamond Aircraft Industries of Austria, it was modified by BR&TE to include a proton exchange membrane (PEM) fuel cell/lithium-ion battery hybrid system to power an electric motor coupled to a conventional propeller. 100 km/h for about 20 minutes. Produzione energia elettrica H 2 Combustione 33

34 LE ALGHE VERDI IN ASSENZA DI ZOLFO POSSONO ESEGUIRE LA FOTOSINTESI ANOSSIGENICA PRODUCENDO H 2 34

35 Problemi che si possono affrontare per migliorare l efficienza del sistema 1. Metodi per separare nel tempo la produzione di ossigeno e idrogeno (alternativi alla carenza di zolfo) 2. Metodi per ridurre la sensibilità della idrogenasi all ossigeno (ingegnerizzazione dell enzima) 3. Metodi per massimizzare l efficienza fotosintetica (riduzione dell antenna) 4. Metodi per aumentare la concentrazione di idrogenasi nello stroma cellulare (sovraespressione) 5. Approfondimento della conoscenza delle vie del metabolismo energetico dell organismo 6. Switchable PSII reaction centers 35

36 PsbR PsbQ PsbP PsbO LHCII Absorbance (AU) Fino ad ora al BIOSOLAR LAB.. E stato isolato e purificato il PSII estratto da tilacoidi di Pisum sativum. Il campione è stato studiato e caratterizzato da un punto di vista strutturale e funzionale: subunità proteiche costituenti, purezza, attività. Obiettivo ultimo: ottenere un cristallo 3D di PSII da piante superiori così da risolverne in dettaglio la struttura. 1,2 1 0,8 0,6 437 nm 674 nm 0,4 0,2 a) Wavelength (nm) Thyl B1 B2 B3 B4 B5 PSII Thyl b) b)

37 Io credo che l acqua sarà un giorno usata come combustibile poichè l idrogeno e l ossigeno che la costituiscono, separatamente o insieme, forniranno una inesauribile fonte di calore e di luce, di un intensità sconosciuta al petrolio... Fino a quando la Terra sarà abitata, essa provvederà ai bisogni dei suoi abitanti... L acqua è il carburante del futuro. Questo è ciò che mi piace pensare" disse il marinaio. Jules Verne, The Mysterious Island,

38 La NATURA ha fatto ricerca e sviluppo sui modi per catturare e convertire l energia per circa 3,5 miliardi di anni 38

39 . QUINDI E OVVIO CHE IMITARE LA PERFEZIONE DELLA NATURA E IMPRESA DIFFICILISSIMA!!! 39