6) Fotosintesi - Ti I

ADATTAMENTI FOTOSINTETICI AD ELEVATE INTENSITÀ LUMINOSE Cooperazione fra fotosistemi: fosforilazione di proteine e segnali redox Il PSII è generalmente più abbondante del PSI ed, inoltre, nello spettro solare la componente di luce rossa è maggiore rispetto a quella della luce rosso lontana:

in condizioni di elevata illuminazione vi può essere una sovraeccitazione del PSII con conseguente danneggiamento del fotosistema stesso.

L’LHCII rende conto della redistribuzione dell’energia fra i due fotosistemi.

Struttura dell’LHCII determinata mediante cristallografia a raggi X.

Sensore: stato redox di PQ/PQH2

Se PQH2 >> PQ → attivazione chinasi e fosforilazione dell’LHCII

Associato al PSII

Associato al PSI

L’LHCII fosforilato migra attraverso le membrane per repulsione elettrostatica con le teste polari dei fosfolipidi del sacculo adiacente, dalle partizioni verso i margini dove cederà energia al PSI: stato II del cloroplasto. cloroplasto Quando le condizioni di illuminazione ritornano normali, viene ripristinato il normale pool ridotto del PQH2, la chinasi non è più attivata, lo sarà invece una fosfatasi che idrolizzerà il gruppo fosfato dall’LHCII e verrà cosi ricostituito lo stato I del cloroplato (LHCII può riassociarsi al PSII). Importanza dell’antenna esterna mobile (oltre a quella interna fissa!)

Ogni LHCII, associato ai PSII, “vede” i fosfolipidi del sacculo adiacente

= LCHII = LHCII-P

LHCII se fosforilato subisce la repulsione elettrostatica e si sposta verso il margo.

= PSII = PSI

Se le proteine fossero distribuite in modo omogeneo nelle membrane tilacoidali, questo tipo di regolazione non sarebbe possibile!!! Se i grana fossero sferici e non schiacciati ed impilati, neanche in questo caso questo tipo di regolazione sarebbe possibile. Cosa è che rende schiacciati i grana?

Nel margo LHCII si associa a PSI e li cede l’energia per il “ribilanciamento” dei flussi energetici.

Fosfolipidi a forma diversa: (a seconda della natura del residuo polare)

o

ADATTAMENTI FOTOSINTETICI AD ELEVATE INTENSITÀ LUMINOSE Carotenoidi e fotoprotezione Destino della luce assorbita: Chl, clorofilla 1

Chl*, chl singoletto eccitato

3

Chl*, chl tripletto eccitato

P, fotochimica (verde) D, dissipazione sicura dell’eccesso di eccitazione come calore (rosso) F, fluorescenza 3T, triplet pathway, che porta alla formazione dell’ossigeno singoletto (1O2*) ed al danno fotossidativo

Se la 3Chl* non viene rapidamente estinta può avvenire una reazione di trasferimento di energia con l’ossigeno e formazione di OSSIGENO SINGOLETTO ECCITATO → reattivo ed ossidante: fotossidazione (transizioni permesse!) 3

Chl* + O2 → Chl + 1O2*

In condizioni di elevata illuminazione, la formazione di 1O2* è molto probabile perché vi è un “ingorgo energetico” di accettori della chl ridotti.

I carotenoidi possono estinguere lo stato eccitato della chl e decadere allo stato fondamentale liberando energia sotto forma di calore (non fluorescono!). I carotenoidi possono rappresentare un substrato preferenziale per l’ossidazione da parte di 1O2* oppure possono direttamente estinguerlo. Mutanti privi di carotenoidi non sopravvivono!!!

ADATTAMENTI FOTOSINTETICI AD ELEVATE INTENSITÀ LUMINOSE: Carotenoidi e fotoprotezione IL CICLO DELLE XANTOFILLE Permette l’accumulo di Zeaxantina in condizioni di elevata illuminazione e Violaxantina in condizioni di bassa illuminazione.

2H + O2 H2O NADPH Ascorbato

Epossidazione

H2O

2H

Bassa illuminazione ed aumento del pH 2H + O2 H2O NADPH Ascorbato H2O

2H

Deepossidazione Elevata illuminazione e diminuzione del pH

Luce elevata: attivazione de-epossidasi → accumulo Zeaxantina Abbassamento del pH del lume per trasporto degli e-

Luce non elevata: attivazione epossidasi → accumulo Violaxantina Innalzamento del pH

Zeaxantina:

Dissipazione dell’energia per via termica

3) E’ il carotenoide che assorbe più efficientemente la radiazione elettromagnetica ad alta energia e più efficientemente la dissipa come calore. 5) E’ stato dimostrato il trasferimento diretto di energia dalla Chl* alla Zeaxantina, che dissipa poi l’energia sotto forma di calore.

Importanza di un sistema “modulabile”!

ADATTAMENTI FOTOSINTETICI AD ELEVATE INTENSITÀ LUMINOSE Trasporto pseudo ciclico di elettroni NADPH e ATP formati durante la fase luminosa vengono poi utilizzati nella fase oscura per fissare e ridurre la CO2. In condizioni di elevata intensità luminosa vi può essere uno SFASAMENTO fra fase luminosa e fase oscura. La fase oscura (enzimi!) può procedere più lentamente di quella luminosa → ACCUMULO DI NADPH E ATP → la fase luminosa non può più precedere!!! Per rimettere in fase il tutto: REAZIONE di MEHLER e CICLO dell’ASCORBATO-GLUTATIONE. In eccesso di NADPH (e carenza di NADP+ che porta al blocco del trasporto degli e- in quanto ultimo accettore dello schema z) la FERRODOSSINA ridotta cede l’e- all’O2 permettendo così al trasporto degli e- (ed alla sintesi di ATP) di continuare.

Fdrid + O2 → Fdox + O2-

reazione di Mehler

O2- = ossigeno superossido (ROS insieme a

1

O2, H2O2, OH-, reattivi ed ossidanti)

La reazione di Mehler funziona da VALVOLA di DRENAGGIO dell’ENERGIA: toglie di mezzo la Fd ridotta, evita l’accumulo di NADPH e permette alla sintesi di ATP di continuare. L’accumulo di NADPH può avvenire anche durante altri tipi di stress ambientale oltre che in condizioni di elevata illuminazione: - Stress idrico a stomi chiusi (chiusura degli stomi per limitare la perdita di acqua, ma la CO2 non può entrare) - mancato afflusso di CO2 (es. prato di erba) - freddo (rallenta la fase oscura)

STRESS DIVERSI → EFFETTI SIMILI → STESSE RISPOSTE!!!!!

In seguito alla reazione di Mehler vi è però un problema: L’anione superossido è tossico! Reagisce con le molecole organiche e le ossida. Nel cloroplasto, l’O2- viene eliminato tramite il ciclo dell’Ascorbato – Glutatione.

Ascorbato: difesa da radicali liberi e ruolo nello crescita e nella sviluppo.

2e- + 2H+ +

Ascorbato

Deidroascorbato

Glutatione: Glutatione γGlu-Cys-Gly, molecola preposta al mantenimento dello stato ridotto del citosol. Legame in γ: maggiore stabilità alle proteasi.

GSH + GSH → GSSG + 2e- + 2H+ è lo S della Cys a cedere gli e-.

La prima reazione è la dismutazione del superossido a O2 e H2O2 operata dalla SUPEROSSIDO DISMUTASI (Cu/Zn). Nel cloroplasto non vi sono le catalasi!

O2- + O2- → O2 + H2O2 ROS! Tossica ed ossidante L’H2O2 viene ridotta ad H2O a spese dell’Ascorbato (Asc) grazie all’Ascorbato perossidasi. Si forma quindi Deidroascorbato (DHA) che deve nuovamente essere ridotto ad Ascorbato per permettere al ciclo di continuare. Questa ultima riduzione avviene a spese del Glutatione (GSH) tramite la DHA reduttasi. Il GSH viene poi rigenerato per riduzione a spese del NADPH grazie alla GSH reduttasi. Viene così ossidato il NADPH rigenerando NADP+ che permette alla fase oscura di procedere!

CICLO DELL’ASCORBATO-GLUTATIONE

Riassumendo…. Ciclo ACQUA-ACQUA: gli e- vengono tolti dall’acqua, ceduti all’ossigeno, poi ridotto nuovamente ad acqua. Consumo di NADPH!!! Trasporto di e- pseudociclico → FASE!!!!!!