5) Fotosintesi Ii- Schema Z

PSII OEE Complesso Cyt b6/f

PSI ATP sintasi

Processo di separazione di cariche e Trasduzione dell’energia luminosa Energia luce

assorbimento della luce stato di eccitazione

Sistemi antenna

fotochimica Separazione di cariche

Centro di reazione

Carriers di elettroni

Trasferimento di elettroni Energia elettrochimica redox

Trasferimento di protoni e elettroni Energia elettrochimica transmembrana

Membrana tilacoidale

Trasferimento di protoni Trasferimento di fosfato Trasferimento di elettroni

NADPH

Legami fosfato alta energia

Energia di legame Carboidrati

ATP

ATP sintasi

SCHEMA Z: trasporto di elettroni non ciclico Nella fotosintesi elettroni vengono trasportati dall’acqua ad un accettore terminale di e(NADP+) Il “primo” evento che comporta l’ossidazione dell’acqua e l’evoluzione dell’O2 rifornisce di elettroni ilPSII, mentre la riduzione dell’accettore è opera del PSI.

Prendere elettroni dall’acqua non è semplice

SCHEMA Z: trasporto di elettroni non ciclico L’acqua è molto stabile!! Potenziali redox: H2O: +0.82 V Chl: +1.2 V La clorofilla ossidata accetta un solo elettrone

Per ogni O2 evoluto occorrono 4 fotoni.

Evoluzione dell’O2: 2H2O → O2 + 4H+ +4ePer ogni molecola di O2 evoluta 4 H+ liberati nel lume! Natura vettoriale delle membrane. Esperimento di Joliot su cloroplasti isolati Evoluzione di O2 ogni 4 lampi (3 all’inizio) Sistema a caricamento degli stati S

Per poter utilizzare gli e- dell’acqua al PSII è associato il complesso OEE

Complesso OEE: 4 Mn 2,3,4 + 4Cl1Ca2+

OEE

FOTOLISI DELL’ACQUA hν

hν S1 S0

S2 Cinque stati crescenti di ossidazione del complesso OEE

O2 + 4H+ + 4e-

2H2O

S4

hν S3

hν

S1 = stato più stabile al buio, S2 e S3 al buoi decadono ad S1. S4 instabile. BUIO: 25% S0 75% S1 → 3 lampi

Mn 2+

Mn 3+

Mn 3+

Mn 3+

eS1

S0

Mn 3+

Mn 3+

Mn 3+

Mn 3+

e-

?

S4

eD1

S3

e-

O2

Mn 4+

Cl-

Mn 4+ Mn 3+ oppure Mn 3+ Mn 4+

Mn Ca2+

S2

Ca 2+ e Cl-: indispensabili per la fotolisi.

Mn 4+

Mn 3+

Mn 3+

Mn 3+

Mn 3+

Mn 4+

Mn 3+

Ad ogni lampo di luce il sistema perde un e-, che tramite Z viene ceduto alla chl P680, ed aumenta il suo potenziale redox fino a raggiungere un potenziale tale da poter togliere gli e- all’acqua. SISTEMA A CARICAMENTO con CAMBIAMENTI CONFORMAZIONALI DELL’OEE

Il trasporto di elettroni avviene sempre in caduta di potenziale: potenziale da molecole a potenziale redox più negativo a molecole con potenziale più positivo. L’energia luminosa è utilizzata per il primo ”balzo” conto gradiente di potenziale redox

Cosa è il NADPH?

Nicotinammide-adenin-dinucleotide-fosfato: L’agente riducente per eccellenza nelle biosintesi organiche ossidazione

Instabile, tende a cedere e-, potenziale redox molto negativo(-0,32 mV). riduzione I composto organici sono sempre in stato di ossidazione RIDOTTO

Per ogni coppia di e- e H+ che vanno a ridurre un NADP+ occorrono due fotoossidazioni per ciascuno dei due PS.

Tutti questi trasportatori sono collocati nelle membrane fotosintetiche con un preciso ordine.

Accettore primario

Plastochinone

Nelle membrane (coda isoprenica)

Collegamento fra i vari complessi immersi nelle

Nel lume (proteina solubile)

membrane

Mobili!! Plastocianina

PSII PSII

QA

QB

QA

Q-B

e-

e-

Q-A Q-A

e-

e-

QB

QA

Q-B

Q-B

QA

Q2-B

PQ

QA

QA

2H+

Q2-B

Em7 = -0.25 V

QB Em7

=

0

QA

QBH2

QA

QB

PQH2

V

QA e QB sono dei plastochinoni. Quando QB ha ricevuto due elettroni lega due protoni riducendosi a idrochinone. In questa forma perde affinità per il sito specifico di legame sull’eterodimero D1 e viene rilasciato nello strato lipidico della membrana tilacoidale all’interno del quale, grazie alla catena isoprenica può spostarsi in modo casuale. Il termine Q non vuole significare chinone, ma QUENCER (in inglese tampone) in relazione alla sua azione di smorzamento della fluorescenza variabile

QBH2, spostandosi dal suo sito, favorisce il flusso di elettroni proveniente dalla clorofilla eccitata. Se un composto con alta affinità compete con i chinoni per il sito di legame impedisce il flusso regolare di elettroni creando un ingorgo. In questo caso, la clorofilla eccitata, non potendo trasferire l’elettrone, si deeccita emettendo fluorescenza. Alcuni diserbanti si basano su questo meccanismo

QA

DCMU (Diuron). Composti diserbanti competitivi per il sito di legame del QB

QB

3(3,4-diclorofenil)1,1dimeti-urea

Feo e-

P680

D1

P680* D2

hν

Fluorescenza variabile

e-

P680

X

Feo

X

QA DCMU QB

I plastochinoni mobili possono incontrare degli accettori di elettroni dl sistema cyt b6/f

Plastochinone

Nelle membrane (coda isoprenica)

Collegamento fra i vari complessi immersi nelle

Nel lume (proteina solubile)

membrane

Mobili!! Plastocianina

CICLO D EI CH IN ONI

1°) QH2 ossidandosi libera 2 protoni nel lume tilacoidale e trasferisce un e- alla FeSR di Rieske e un e- ad un cyt b ad alta energia, questo a un cyt b a più bassa energia che quindi riduce un plastochinone completamente ossidato a semichinone 2°) QH2 viene ossidato, un e- passa alla proteina FeSR successivamente al cyt f e poi attrverso la plastocianina al P700. Un altro e-, attraverso i cyt b riduce il semichinone che prendendo 2 H+ dal lato stromatico, forma una molecola di idrochinone Conclusione UN CICLO COMPLETO DEI CHINONI Richiede 2 elettroni prodotti dalla fotosintesi e trasferisce 4 H+ dallo stroma al lume del tilacoide

Formazione del gradiente protonico tilacoidale ossidazione dell’acqua

L’ossidazione di una molecola di acqua libera 2e- e per ogni e- trasportato nel processo fotosintetico 2 H+ vengono trasferiti nel lume tilacoidale, quindi poiché per ogni molecola di ossigeno devono essere ossidate 2 molecole di acqua

2 H2O = 4H+ + 4e- + O2 ciclo dei chinoni

Per ogni e- spostato dall’acqua, il flusso ciclico di e- attraverso i cyt b ed il PQ, raddoppia il numero di H+ rilasciati nel lume tilacoidale rispetto a quello ottenibile mediante il trasporto in una catena lineare. Rilascio di 4H+ ogni 2e- ceduti al P700

4e- = 8H+ transmembrana Quindi la liberazione di molecola di O2 = 12 H+

→ ΔpH!!!!

Il cyt f riceve l’e- dalla proteina di Rieske e lo ricede alla Plastocianina. La PC è una piccola proteina solubile nel lume tilacoidale contenente uno ione Cu2+, responsabile del trasporto degli e- (Cu2+ + 1e- → Cu+) e del colore blu:

intermedio diffusibile → collegamento fra il complesso b6/f ed il PSI.

La PC riduce il P700 ossidato, poi:

P700 → chl A0 → chinone A1 → Fe-SX → Fe-SA/B →Fd

La plastocianina, proteina solubile, fa da collegamento tra i complessi Cytb6/f e il PSI

PSI

Centro di reazione PSI

FERRODOSSINA: Proteina con centro Fe4-S4, cede leall’FNR (Fd-NADP+-reduttasi) con seguente formazione di NADPH.

Essenza della fase luminosa (e dello schema z!): gli elettroni sono stati tolti all’H2O e ceduti al NADP+ contro gradiente redox!! L’input energetico per ottenere ciò è dato dall’energia solare (che è gratis!!)

La Fd ha anche altri accettori, ovvero può ridurre anche: Nitrito reduttasi per l’organicazione dell’N Glutammato sintasi per l’organicazione dell’N Tiosolfato reduttasi per l’organicazione dell’S Tioredoxine proteine per il controllo del ciclo di Calvin Desaturasi per la biosintesi degli acidi grassi Ossigeno: reazione di Mehler e trasporto pseudociclico

Il cloroplasto ha numerose altre funzioni, oltre all’organicazione e riduzione della CO2!!!

LOCALIZZAZIONE SPAZIALE DEI TRASPORTATORI DI ELETTRONI:

Forma e funzione!!!! Lo specifico orientamento delle proteine all’interno della membrana permette la creazione di un gradiente di H+ all’interno del lume tilacoidale.

Il gradiente di H+ viene utilizzato per la sintesi di ATP: Conservazione dell’energia!

VI PUO’ PERO’ ESSERE UNA VERIANTE NEL TRASPORTO DEGLI ELETTRONI: DIFFERENZE FRA TRASPORTO DI ELETTRONI NON CICLICO (il precedente!) E CICLICO

Non ciclico

Ciclico

La Fd riduce il semichinone legato al complesso b6/f attraverso la Fd-plastochinone riduttasi, riduttasi il plastochinolo così prodotto subisce il ciclo chinonico attorno al complesso creando il ∆pH. Il trasporto ciclico permette l’accumulo di H+ per la sintesi di ATP senza essere in grado di ossidare l’acqua e ridurre il NADP+. E’ importante come fonte di ATP nelle cellule della guaina del fascio delle piante C4, C4 in caso di necessità di un apporto supplementare di ATP per la fissazione della CO2, nelle piante del sottobosco (luce debole e rossa) e nello stato secondo dei cloroplasti.

FOTOFOSFORILAZIONE: la sintesi dell’ATP

Ricircolo H+ lume-stroma sostenuto dalla luce

Il gradiente di ∆pH viene creato durante il trasporto fotosintetico di elettroni e poi dissipato attraverso la sintesi dell’ATP: conservazione dell’energia.

lumen ATP syntesis with H+ gradient dissipated

Cloroplasti: solo ∆pH perché per bilanciare la carica quando si

Mitocondri: ∆pH e ∆ di carica.

accumulano nel lume H escono K e Mg .

Orientamento inverso

+

+

2+

Meccanismo d’azione dell’ATP sintasi: 3 subunità catalitiche (CF1) CF1 che legano i substrati e li combinano insieme ad ogni step successivo. H2O ed idrofobicità dei siti catalitici: la reazione è spostata a destra per l’allontanamento dei prodotti.

MECCANISMO DI AZIONE DELL’ATP SINTASI

La subunità c è costituita da 9–12 eliche arrangiate a formare una sorta di grande dominio transmembrana. La subunità a consiste di 5–7 eliche transmembrana. Il canale per i protoni giace all’interfaccia fra a e c (linee tratteggiate). La subunità a è connessa a F1 dalle subunità b e δ. Il flusso di protoni attraverso il canale sviluppa una torsione fra a e c. Questa torsione è trasmessa a F1 (che ha attività catalitica per la sintesi dell’ATP: subunità β ) attraverso le subunità γ e ε, dove è usata per rilasciare ATP (step energicamente più costoso) in modo sequenziale dai tre siti catalitici in F1.

Profilo di F0F1 mostrante le due strutture ruotanti.

Stechiometria = 3 H+: 1 ATP ATP/2e- = 1.3 Il trasporto di una coppia di e- comporta l’accumulo nel lume di 4H+ (2 dall’acqua e 2 dai chinoni), quindi 4/3=1.3

CF1: esamero catalitico formato da 3 subunità α e 3 subunità β . La rotazione della subunità γ permette la catalisi: durante la sintesi dell’ATP, la rotazione di γ causa cambiamenti sequenziali in β. Una rotazione di 120° riarrangia la subunità β che lega ADP and Pi per formare ATP. La subunità che ha legato saldamente l’ATP cambia in una forma che rilascia ATP, e la terza subunità si prepara a legare altri ADP and Pi. Accoppiamento meccanico!