Metabolismo energetico fototrofo: la fotosintesi
La cellula ha bisogno di ENERGIA e CARBONIO Fonte energia -fototrofi (trasformano E solare in ATP) -chemiotrofi (ricavano ATP=E da composti chimici, chemiorganotrofo, chemiolitotrofo) Fonte carbonio: -autotrofi (materiale inorganico semplice es CO2 e H2O) -eterotrofi (fonti organiche di C ridotto) Fotoautotrofi (es piante, alghe): sfruttano E solare anche per organicare CO2 Fotoeterotrofi (es alobatteri): sfruttano E solare ma dipendono da fonti di C organico ridotto
La fotosintesi è vitale per la biosfera Piante, alghe e batteri
Gli organismi unicellulari fotosintetici spesso vivono in simbiosi con org eterotrofi
Tappe fondamentali della fotosintesi 1)Trasformazione dell energia Trasporto e-: fotoriduzione NADPH Traslocazione protoni: fotofosforilazione Sintesi di ATP 2) Riduzione e assimilazione del C Ciclo d Calvin Sintesi di composti a 3 C Sintesi di saccarosio e amido Nei fototrofi anossigenici Luce+CO2+ 2H2A CH2O+2A+H2O Nei fototrofi ossigenici Luce+3 CO2+ 3H2O C3H6O3+3O2 H2O come agente riducente produzione di ossigeno
proplastidi Plastidi: cromoplasti, cloroplasti, amiloplasti, ezioplasti, proteoplasti
I cloroplasti sono sistemi a tre membrane Membrana est porine Membrana int selettiva (permeabile a O2, CO2, H2O) Membrana tilacoide pigmenti, enzimi, ETS, ATP sintesi
Nei batteri la fotosintesi avviene a livello di invaginazioni di membrana plasmatica: membrane fotosintetiche Teoria endosimbiotica
I pigmenti fotosintetici permettono di catturare l energia solare Fotone(energia) assorbimento da parte di un pigmento fotoeccitazione: e- da stato basale ad eccitato -a) Ritorno a stato basale: 1) Fluorescenza (fotone+calore) 2) Trasferimento di energia per risonanza -b) Trasferimento dell e- ad un orbitale ad alta E di altra molecola : riduzione fotochimica Lo spettro di assorbimento caratteristico di ciascun pigmento corrisponde a transizioni di orbitale dei suoi elettroni Praticamente tutta l energia solare irradiata sulla terra nello spettro del VIS. viene sfruttata dai pigmenti, assorbenti la varie lunghezze d onda
Struttura della clorofilla Il sistema di doppi legami coniugati dell anello porfirinico e il legame con Mg sono responsabili dell assorbimento nel VIS della clorofilla (varie transizioni elettroniche possibili ampio spettro assorbimento) Lo spettro di assorbimento dipende dalla specifica struttura del pigmento e dall ambiente chimico (es proteine leganti) 2+ In piante e alghe verdi Chl A e B spettro assorb. combinato + ampio In alghe brune e diatomee chl A e C; D nelle alghe rosse Batterioclorofilla nei batteri fototrofi anossigenici buona competizione con piante e alghe ma impossibilità di sfruttare H2Ocome riducente
Oltre alla clorofilla ci sono i pigmenti accessori che ampliano frazione di luce utilizzabile per fotosintesi : carotenoidi (piante); ficobiline (alghe rosse e cianobatteri) I fotosistemi sono associati a LHC: privi d centri di reazione: raccolgono solo E LHC+fotosistema= complesso fotosintetic Pigmenti accessori e clorofille sono associati e organizzati in fotosistemi inglobati nella membrana tilacoidale I pigmenti antenna raccolgono luce a diversa E e la convogliano mediante risonanza vs il centro di reazione del fotosistema: formato da 2 chl A che cedono e- a 1 elemento trasporto elettronico (flusso esoergonico). In seguito a fotoossidazione la chl strappa elettrone da un donatore (es H2O)
Lo spettro di azione fotosintetico illustra la relazione tra lunghezza d onda della luce ed efficienza fotosintetica (misurabile come quantità di O2 prodotto) Ricerche specifiche (effetto Emerson: caduta nel rosso; combinando luce con λ corte e lunghe nel rosso, l efficienza totale aumenta più della semplice somma) hanno dimostrato che 2 diversi fotosistemi lavorano in sequenza: -PSI (coppia di chl )P700 -PSII (coppia di chl ) P680 Se luce con λ > 690 nm lavora solo PSI minore efficienza fotosintetica
Gli e- fluiscono attraverso i componenti dei PSII e I; durante il flusso parte dell E conservata come gradiente elettrochimico ( ATP) L E incanalata su coppia P680 da LHC II e PS II fotoriduzione: l e- eccitato trasferito a feofitina plastochinoni (pool QH2) cyt plastocianina Il buco elettronico sulla P680 colmato grazie a fotolisi dell H2O catalizzata dall OEC I 2 sistemi possono lavorare in sequenza (schema Z) con produzione di ATP e NADPH (oppure il PSI lavora da solo)
Il PSI può lavorare autonomamente per produrre ATP: fotofosforilazione ciclica Durante questo flusso ciclico si crea gradiente protonico che viene poi sfruttato per la sintesi di ATP, poiché gli e- seguono via ciclica non c è riduzione finale del NADP
Il buco elettronico sulla P680 (PSII) colmato grazie a fotolisi dell H2O catalizzata dall OEC (Mn 2+); invece il buco elettronico sul P700 (PSI) è colmato dagli e- provenienti dal PSII o da flusso ciclico! Fotolisi dell acqua 4 fotoni+ 2H2O O2 + 4H+ + 4e(4 protoni rilasciati da fotolisi + 4 trasferiti nel lume tilacoide a livello dei QH2) contribuisce a creare gradiente protonico Fotolisi dell H2O ecologicamente importante: apparve 3 miliardi anni fa in cianobatteri O2 condizioni per lo sviluppo di metabolismi ossidativi aerobi
Nella membrana tilacoidale esiste un complesso ATP sintasi analogo a quello dei mitocondri. Complesso ATP sintasi CF1+CF0 simile quello mitocondriale; regolato da luce e Fd ridotta I protoni accumulati nel lume tilacoide tornano verso lo stroma attivando la sinetsi di ATP. E sotto forma di riducente (fd e NADPH) e gradiente protoni (ΔpH clp=3.5 > ΔpH mt=1,5) NB: NADPH, Fd e ATP sono prodotti sul lato stromale
Centro di reazione fotosintetico di un batterio purpureo Gli studi sui PS batterici cristallizzati hanno permesso di capire la struttura dei PS eucariotici Il PS batterico è simile ad un PSII vegetale ma privo di OEC (no ossidazione di H2O) Gli e- seguono flusso ciclico per creare gradiente protonico tra periplasma e citosol ATP Gli e- sono strappati da acido sulfidrico, succinato e tiosolfato e veicolati sui citocromi; ATP quindi sfruttato per ridurre il NAD+
Fase oscura e assimilazione della CO2 Fissazione iniziale tramite ciclo di Calvin In fototrofi ossigenici e in molti anossigenici Avviene nello stroma 3 fasi 1)carbossilazione di Ribulosio 5P e idrolisi per dare 2 C3 (3Pglicerato) 2)riduzione del 3Pglicerato ad aldeide 3)Rigenerazione di RuBP iniziale L energia chimica prodotta durante fase luminosa viene sfruttata per organicare la CO2. Per ogni CO2 fissata consumo di: 3 ATP e 2 NADPH Per 1 Glu 18 ATP e 12 NADPH
Gli enzimi chiave dell assimilazione del C sono controllati in modo coordinato alla disponibilità di luce Rubisco e due enzimi via rigenerativa del RubP a livello genico da metaboliti es ph, Mg+, NADPH, ATP (quando ph e Mg+ stromale attività enzimi ciclo Calvin) dallo stato di riduzione della tioredossina a sua volta determinato dalla riduzione lucedipendente della Fd
Biosintesi di saccarosio e amido a partire dai prodotti del ciclo di Calvin I triosofosfati DHAP e G3P sono traslocati nel citosol mediante scambio con P La sintesi del saccarosio avviene nel citosol regolazione Saccarosio: disaccaride Glu-Fru, forma di trasporto di E La sintesi dell amido avviene nello stroma del cloroplasto Regolazione a livello della ADP fosforilasi Amido è polisaccaride di riserva nelle piante, accumulato nel clp in granuli
Alte T e scarsa CO2 attività ossigenasica dell enzima Rubisco L attività ossigenasica della rubisco disperde E e produce fosfoglicolato che è tossico per cellula (probabile vestigia di ambiente ancestrale privo o scarso di O2). Attiv ossigenasi favorita da ratio O2/CO2, aridità, forte illuminazione, chiusura stomi in risposta a caldo (aumenta O2 interna) Si innesca la Via del glicolato o fotorespirazione: è costosa (consumo NADH e ATP) ma consente di: eliminare metabolita tossico recuperare atomi di C
Strategia per limitare fotorespirazione Piante C4 Nelle piante C3 il ciclo di Calvin si svolge in tutte le cellule del mesofillo Nelle piante C4 invece, il ciclo di Calvin è confinato alle sole cell della guaina del fascio, più isolate dall atmosfera rispetto alle superficiali cellule del mesofillo Il ciclo Hatch-Slack concentra CO2 nelle cell della guaina del fascio, aumentando efficienza dell enzima Rubisco e minimizzando attiv. ossigenasica
C4 La prima tappa di fissazione della CO2 avviene nel mesofillo (esposte a CO2 e O2 che entrano attraverso gli stomi) CO2 immagazzinata come ossalacetato (4C) e poi trasportato alla guaina come malato, quindi decarbossilato per dare CO2 utile per ciclo di Calvin Costo energetico maggiore ma maggiore efficienza fotosintetica C4 tipico di piante adattate a clima caldo Piante importanti dal punto di vista economico (mais, canna da zucchero) Metabolismo CAM: separazione temporale anziche spaziale: notte (stomi aperti) carbosiilazione PEP ox accumulo di malato nel vacuolo Giorno (stomi chiusi) malato decarbossilato Calvin Minimizza perdita di H2O da stomi
Visione d insieme: fase luminosa ed oscura
Cambi energetici: fotosintesi e respirazione elettroni a bassa ed alta energia
Meccanisimi di produzione di ATP simili nei mitocondri, nei cloroplasti (e nei batteri) Produzione associata a gradiente protonico che rappresenta forma di Energia libera convertibile in E chimica Sistema semplice basato su barriera lipidica che separa 2 compartimenti cellulari e su complessi ATP sintasi