Organismi fotosintetici (3.5 miliardi di anni fa): piante, alghe, microrganismi. La FOTOSINTESI rappresenta la. Fonte principale di carboidrati

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1 Organismi fotosintetici (3.5 miliardi di anni fa): piante, alghe, microrganismi. La FOTOSINTESI rappresenta la Fonte principale di carboidrati Via principale di fissazione del carbonio Fonte di ossigeno dell atmosfera

2 La CO 2 viene ridotta dagli autotrofi, mentre i carboidrati (glucosio) vengono ossidati dagli eterotrofi. Nessuno degli atomi di ossigeno usato per formare i carboidrati proviene dalla CO 2

3 Come ricaviamo energia dalla luce Fotosintesi Fase luminosa Fase oscura

4 La fase luminosa avviene sulla membrana e all interno del tilacoide, la fase oscura nello stroma. La sintesi di ATP avviene analogamente alla fosforilazione ossidativa mitocondriale, secondo un processo chemiosmotico.

5 COME SI OTTIENE ENERGIA DALLA LUCE? NATURA ONDULATORIA lunghezza d onda ( ) frequenza ( ) = c / NATURA CORPUSCOLARE fotone quanto (unità di energia) E = h E = h c/ (equazione di Planck) 1 mole di fotoni = 1 Einstein

6 La fotosintesi dipende principalmente dalla luce delle regioni dello spettro del visibile e del vicino infrarosso. Le microonde (lontano IR) producono solo vibrazioni molecolari, hanno bassa energia. Le radiazioni UV hanno alta energia, possono rompere legami covalenti (ma le blocca l ozono).

7 Clorofilla a e b sono simili alle protoporfirine (con Mg). Assorbono la luce nel visibile perché hanno sistemi di doppi legami coniugati. Tutti i cromofori si trovano all interno delle membrane dei tilacoidi. La ficocianina è legata ad una proteina; le clorofille prendono contatto con i lipidi di membrana mediante il fitolo idrofobico. Le ficocianine sono presenti nelle alghe. Sono tetrapirroli lineari. L insieme dei pigmenti e le proteine a loro associate prendono il nome di FOTOSISTEMI.

8 I cromofori assorbono la luce di una determinata lunghezza d onda. Insieme coprono tutto lo spettro del visibile. Poiché la clorofilla a e b assorbono nel rosso e nel blu, la luce che non viene assorbita ma viene riflessa è il verde, il colore delle piante. Nelle foglie autunnali le clorofille vengono perse e il colore dipende dalla permanenza degli altri pigmenti

9 STATI ELETTRONICI DELLA CLOROFILLA Una molecola può assorbire fotoni solo di una certa lunghezza d onda, che abbiano energia sufficiente a far salire l elettrone da un livello energetico all altro. L elettrone che viene eccitato occupa un orbitale π nel sistema dei doppi legami coniugati. Una volta eccitata la molecola può rilasciare la sua energia in vari modi: calore (conversione interna), fluorescenza (emettendo luce di lunghezza d onda superiore, quindi di energia minore).

10 Nei fotosistemi ci sono COMPLESSI ANTENNA e CENTRI DI REAZIONE. L energia luminosa viene trasferita tra i pigmenti antenna mediante trasferimento di eccitoni per risonanza, fino ad incontrare il centro di reazione dove una clorofilla perde un elettrone perchè lo cede ad una accettrice che ha uno stato di eccitazione più basso. Mediante trasferimento elettronico, una si ossida, l altra si riduce e l energia viene intrappolata e trasformata in energia chimica.

11 FOTOSISTEMA = COMPLESSO CHE RACCOGLIE LA LUCE (LHC) La maggior parte della clorofilla non è coinvolta strettamente nel processo fotochimico, ma agisce come antenna.

12 Monomero di LHC (centro di raccolta della luce), proteina immersa nella membrana del tilacoide con evidenti le molecole di cromofori. L energia di un fotone raccolta da un sistema antenna vaga in modo casuale fino ad incontrare un centro di reazione. (10-10 sec). La molecola di clorofilla del centro di reazione è come tutte le altre ma si trova in un ambiente differente che fa si che il livello energetico del suo stato eccitato sia un po più basso. Da qui inizia una serie di trasferimenti di elettroni.

13 I FOTOSISTEMI sono composti da complessi antenna e centri di reazione. Nei complessi antenna, le molecole di clorofilla servono per concentrare la luce. Si comportano cioè come antenne.si passano i fotoni fino a raggiungere un centro di reazione.

14 FOTOSISTEMA II Fotolisi (ossidazione) dell H 2 O evoluzione di O 2 formazione del gradiente protonico FOTOSISTEMA I produzione di NADPH PS II e il PS I sono due centri di reazione. Agiscono in serie

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16 IN PIANTE, ALGHE E CIANOBATTERI A1 è probabilmente il fillochinone. Qa e Qb sono plastochinoni. Pc è la plastocianina, Ao clorofilla, Fx, Fa/Fb centri ferro-zolfo. Fd ferredossina (contiene centro 2Fe-2S)

17 CENTRI REDOX IMPLICATI NELLA FASE LUMINOSA Clorofille: P680, P700, feofitina, A0 Chinoni: plastochinone, fillochinone Citocromi e centri ferro-zolfo Plastocianina Ferredossina

18 Nel PS I

19 CITOCROMO b 6 f

20 COMPLESSO CHE SVILUPPA OSSIGENO (OEC) OEC contiene un gruppo di 4 atomi di manganese associati ad una proteina che possono assumere 4 stati di ossidazione. Il Mn passa dallo stato Mn3+ a Mn 4+ e cede 4 e- in sequenza mano a mano che 4 fotoni colpiscono P680, estraendoli dall atomo di ossigeno dell acqua. I 5 stati devono possedere potenziali redox estremamente elevati per poter ottenere elettroni dall acqua.

21 COMPLESSO CHE SVILUPPA OSSIGENO (OEC)

22 Fotofosforilazione

23 I due centri di reazione PS II e il PS I agiscono in serie in modo da accoppiare l ossidazione di acqua alla riduzione di NADPH. Il PS II estrae elettroni dall acqua e li fornisce al PS I. Gli elettroni viaggiano da potenziali redox minori verso potenziali redox maggiori. Il P680 ossidato formato in seguito all eccitazione luminosa è tra i più potenti ossidanti conosciuti, in grado di estrarre elettroni dall H 2 O tramite il sistema OEC. Il P700 eccitato è un debole ossidante e accetta elettroni dalla plastocianina.

24 Per ogni elettrone che passa nel PSII vengono traslocati 2 H +. Poiché dall H 2 O provengono 4 elettroni, per ogni molecola di acqua ossidata si producono 8 H + che vanno sommati ai 4 H + provenienti dall H 2 O stessa. In totale 12 H +. Nel trasporto non ciclico si generano 1 ATP per ogni 3 H + che passano dal lume del tilacoidi allo stroma. Quindi per ogni molecola di ossigeno prodotta si generano 4 ATP.

25 Nei mitocondri i protoni vengono traslocati dalla pompa dallo spazio intermembrana verso la matrice. Nei tilacoidi i protoni vengono traslocati dal lume del tilacoide verso lo stroma

26 TRASPORTO CICLICO DEGLI ELETTRONI Utilizza il PSI, il complesso b6f e la plastocianina. Funziona quando il livello di NADP + è basso, cioè quando NADPH è sufficiente. La ferredossina passa gli e- al b6f e così via. In questo modo si produce più ATP, perché si liberano più protoni.

27 DISTRIBUZIONE SPAZIALE DEI COMPLESSI PROTEICI Se i due fotosistemi fossero più vicini, PSII che ha una più alta energia di eccitazione (lunghezza d onda minore ) potrebbe trasferire il fotone al PSI comportandosi così nei suoi confronti come un pigmento antenna. La lontananza fisica previene questo processo.

28 La fase luminosa della fotosisntesi Due fotosistemi in serie sono operanti nelle alghe fotosintetiche e nelle piante. Localizzati nella membrana dei tilacoidi. Complesso proteico transmembrana, costituito da pigmenti antenna, centro di reazione e i trasportatori di elettroni. L evento fondamentale consiste nel trasferimento di un elettrone eccitato. Tre complessi proteici PSII, citocromo b6f e PSI, collegati da plastochinone e plastocianina. Ciascuno dei fotosistemi è una catena di trasporto di elettroni, in cui avvengono una serie di ossidoriduzioni. La fonte ultima di elettroni è la molecola d acqua, l accettore terminale il NADP +. Protoni vengono rilasciati nel lume del tilacoide in due punti. Si forma quindi un gradiente protonico, che produrrà ATP. ATP e NADPH serviranno a produrre carboidrati nella fase oscura.

29 La fase luminosa La fase oscura

30 CICLO DI CALVIN M.Calvin, J.Bassham, A.Besson CO 2 14 CO 2 14 CO 2 14 CO 2 Alga fotosintetica 14 CO 2 14 CO 2 14 CO 2 14 CO 2 dopo 1 hr dopo 5 sec Miscela di metaboliti complessi : Aminoacidi, zuccheri 3-fosfoglicerato

31 CICLO DI CALVIN

32 Stadio I: fase di produzione Formazione di zuccheri a 6 atomi di carbonio RuBP + stadio II

33 Stadio 2: fase di recupero Rigenerazione della molecola accettrice + CO 2 G3P + DHAP FBP

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35 Fase I Fase II

36 chinasi carbossilasi chinasi deidrogenasi isomerasi Ru5P DHAP Altri prodotti

37 1. Reazione: Condensazione del ribulosio 1,5-bifosfato + CO2

38 La Ribulosio bisfosfato carbossilasi (RUBISCO) è un complesso enzimatico. La reazione dipende da Mg 2+ nel sito attivo ed è favorita da ph alcalino. La concentrazione di Mg 2+ e il ph sono aumentati dalla luce

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40 Il Ribulosio bisfosfato si lega alle catene L

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44 transketolase

45 transketolase

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47 Ogni trioso fosfato sintetizzato a partire da CO 2 costa 9 ATP e 6 NADPH

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49 Ciclo di Calvin glicolisi

50 Fotorespirazione Nelle piante è un processo analogo alla respirazione mitocondriale, ma che NON produce ATP. E dovuta alla attività ossigenasica della Rubisco, che non discrimina tra O 2 e CO 2. In una giornata di sole la velocità della fotorespirazione può essere vicina a quella della fotosintesi e costituire un notevole spreco energetico O 2 Riciclato a glicolato, che entra nei perossisomi e diventa glicina Ciclo di Calvin

51 Nelle piante tropicali (ma anche in alcune piante di interesse agricolo) la fotorespirazione viene evitata mediante il ciclo C4, che usa un intermedio a 4 atomi del carbonio, ma consuma più energia per assimilare la CO 2

52 Regolazione del ciclo di Calvin. 1.

53 Regolazione del ciclo di Calvin. 2. L attività della fruttosio 1,6-bisfosfatasi è stimolata da alto ph e alta [Mg 2+ ], che a loro volta risento della presenza di luce luce luce

54 Regolazione del ciclo di Calvin. 3. FBP e SBP sono attivate da un meccanismo redox dipendente dalla luce e dalla azione della FTR (Ferredossina Tioredossina Reduttasi) che riduce la tioredossina. FTR FBP, SBP

55 FBP

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