Fotosintesi

Respirazione

Processo spontaneo: richiede composti ricchi di energia libera

Fotosintesi

Questo non significa che le cellule vegetali non compiano la respirazione!!

sole

Organismi fotoautotrofi

(CH2O)n + nO2

Organismi eterotrofi

nCO2 + nH2O

Tutta la vita sulla terra dipende ultimamente dalla fotosintesi

1- Fotochimica 2- Trasferimento di elettroni

3- Biochimica

L’ossigeno viene prodotto a partire dall’acqua, NON dalla CO2!

Le fasi della fotosintesi

C ossidato

C ridotto

e-

Photosynthetic bacteriaChlorobium-green sulfur bacteria

Use green pigment chlorophyllUse H2S (hydrogen sulfide), S (sulfur), Na2S2O3 (sodium thiosulfate) and H2 as e- donors.

Chromatium-purple sulfur bacteria Use purple carotenoid pigment, same e-donors

Rhodospirillum-non sulfur purple bacteria Use H2 and other organic compounds such as

isopropanol etc, as e-donors.

Reaction: CO2 + 2H2A -----> CH20 + H20 +2A• A is not O

Cornelius van Niel e Robert Hill

La fotosintesi è un processo RedOx!

Le reazioni avvengono nel cloroplasto: ultrastruttura

Membrana esterna + interna

Lamelle dei grana (pile di tilacoidi)

Lamelle stromatiche (tilacoide non appressato)

Lamelle dei grana (tilacoidi appressati)

Lamelle stromatiche (tilacoide non appressato)

Rappresentazione in 3D

Lamelle dei grana e stromatiche hanno diversa composizione

c = = c/ = c/

E = h E = h c/

h= costante di Planck = 6.6 x 10-34 Jsc = 3 x 108 m/s (velocità della luce nel vuoto)

1. Fotochimica (assorbimento luce)

Lunghezza d’onda (nm)

Colore della luce energia (kJ/mol fotoni)

Frequenza (THz)

400 violetto 298 700

440 blu 271 650

500 Blu-verde 238 590

600 giallo 199 520

650 rosso 183 480

700 rosso lontano 170 400

L’energia per rompere un legame (kJ/mol)

The amount of energy required to break a bond is called bond energy fotoni con 300 nm (UV) hanno energia sufficiente per rompere i legami

Bond Length Energy Bond Length Energy

H--H 74 436 H--C 109 413

C--C 154 348 H--N 101 391

superficie della terra

Effetto H20, CO2

effettoozono

200 400 600 800 1000 1200 1400

Flu

sso

di f

oton

iOrlo esterno dell’atmosfera

, nm

Assorbimento della clorofilla

ASSORBIMENTO DELLA LUCE DA PARTE DELLE MOLECOLE

Principi della fotochimica

-solo la luce assorbita può produrre un cambiamento chimico

-ogni fotone assorbito attiva una sola molecola

-tutta l’energia del fotone viene trasferita ad un singolo elettrone e ne provoca Io spostamento ad un livello energetico superiore

Orbitale atomico

Orbitale molecolare di legame

Orbitale molecolare di antilegame

Nella clorofilla gli orbitali π hanno energia inferiore a quelli σ

Molecola N2

Molecola molecola*

*

h

Gli elettroni che assorbono la luce sono gli elettroni di legame di tipo , perché sono delocalizzati su più di un nucleo.L’energia della transizione è più bassa (~luce visibile)

Quasi tutte le reazioni fotochimiche e le proprietà spettroscopiche di importanza biologica dipendono dall’assorbimento di fotoni da parte di elettroni .

Il campo elettrico oscillante del fotone genera un dipolo che fa oscillare l’elettrone.L’elettrone riceve l’E del fotone e passa ad un orbitale superiore.

energia

Stato di baseSingoletto(S ,)

Stato eccitatoSingoletto(S , *)

Stato eccitatoTripletto(T , *)

La molteplicità di spin di una molecola può essere: 0 + 1 = 1 singoletto, 2 + 1 = 3 tripletto

S è il momento angolare dell’elettrone (spin); ha valore di +1/2 o -1/2 h/2π(2S+1) = molteplicità di spin

S = 0(2S+1) = 1

S = 0(2S+1) = 1

S = 1 h/2π(2S+1) = 3

ALCOOL FITOLO

LEGAME ESTERE

Clorofilla

PORFIRINAO

TETRAPIRROLO

La clorofilla è idrofobica. Si trova bene associata a proteine di membrana

I cloroplasti contengono un grande quantità di membrane per aumentare la superficie, così da assorbire efficacemente la luce.

In questa regione i doppi legami sono DELOCALIZZATIGli elettroni di legame sono distribuiti sull’intero sistema coniugato

La presenza di molti doppi legami coniugati abbassa l’energia richiesta per la transizione da π a π*

Strutture di risonanza della clorofilla

Coefficiente di estinzione molare della Clorofilla in metanolo110743 cm-1/M (λ= 418.00 )

Lo spettro d’azione

Descrive l’efficacia di varie nel determinare una risposta biologica specificaFa capire che non tutte le lunghezze d’onda sono ugualmente efficaci

E’ uno spettro, ma non di assorbimento!

Lo spettro d’azione della fotosintesi e quello di assorbimento della Chl sono molto simili la Chl è il recettore

Tetrapirrolo aperto

Pigmenti accessori

I carotenoidi complementano bene lo spettro di assorbimento della clorofilla (assorbono bene la luce verde)

Man mano che aumenta il numero di doppi legami coniugati, la molecola assorbe a lunghezze d’onda visibili

Chl a

Chl b carotene

Ficoeritrobilina

Sa ,*

Sb ,*

T ,*

ener

gia

calore

Chl + h = Chl*

Il livello con la maggiore molteplicità di spin ha energia minore Assorbimento

Eccitazione della clorofilla

Sa ,*

Sb ,*

T ,*

fosforescenza fluorescenza

ener

gia

calore

trasferimento

fotochimica

Una molecola eccitata può avere destini diversi

calore

110-15 s

110-12 s

Assorbimento ed emissione di luce della clorofilla

Fluorescenza: la clorofilla eccitata si disfa dell’energia in parte come calore (un aumento del moto disordinato) e in parte come luce a lunghezza d’onda maggiore rispetto a quella di eccitazione

Sottostati vibrazionali

La fluoroscenza della clorofilla:

Assorbe nel blu e riemette nel rosso

It’s like seeing the first time the skyline of New York arriving with a ship. You’re not quite prepared…

Percorsi di eccitazione in competizione:

-Dispersione termica

-Fluorescenza

-Fosforescenza

-Trasferimento ad un’altra clorofilla

-Fotochimica

Una caratteristica che li distingue è la K di VELOCITA’ con cui avvengono ( s-1)

Chl* ------> Chl + h

Chl* ------> Chl + calorek1

Chl* ------> Chl+ h

Chl1*+ Chl2 ------> Chl1+ Chl2*

Chl* ------> Chl + e*

k2

k3

k4

k5

Se la costante di velocità K di una reazione è molto più grande di quella dellereazioni in competizione, lo stato eccitato diverrà de-eccitato prevalentementeattraverso quel processo.

Resa quantica: resa in prodotti della fotochimica / numero totale di quanti assorbiti

S,* ------> S, + hK1

S,*

tempo

k1 =1/

=lifetime =Tempo perchè S passi a 1/e, 37% del livello iniziale.

1/e

È una reazione di primo ordine.La scomparsa dello stato eccitato segue la seguente equazione differenziale:

-dS/dt = K1S

Esempio: fluorescenza

La soluzione è la funz. esponenziale St = S0 e-K1t

in cui la fluorescenza decadenel tempo con una funzione esponenziale.

PROCESSO

Dissipazione termica 110-12 s

Fluorescenza 10-9 -10-6 s

Fosforescenza 10-3 -10 s

Trasferimento 10-11

Fotochimica 10-10 -10-8

Quanto più è piccolo, tanto più veloce il processo

Sa ,*

Sb ,*

T ,*

fosforescenza fluorescenza

ener

gia

calore

trasferimento

fotochimica

TRASFERIMENTO FOTOCHIMICA

Fotosistema(centro di reazione)

Chl680, Chl700Chl speciali fannoFOTOCHIMICA

Energia del flash di luce (numero di fotoni)

Pro

duzi

one

di O

2

1 molecola O2/ 2500 molecole di clorofilla

0

2500 clorofille:Ogni centro di reazione ha associato centinaia di pigmenti Deve funzionare più volte prima che venga rilasciata una molecola di O2

Resa quantica = 1 O2/ 9-10 fotoni assorbiti = 0.1

Il sistema fotosinthetico è saturato dalla luce

Emerson and Arnold 1932Evidenza dell’esistenza dell’antenna

Lampi brevi di luce (10-5 s) e intervalli di buio molto più lungo (0.1 s).

il centro di reazione riceve gli elettroni attraverso l’antenna esterna (LHC light harvesting complex) e i complessi antenna minori

LHC legano Chl a e bPS I core solo Chl a

CP43 e CP47 solo Chl a (antenna interna)D1/D2 centro di reazione

Le molecole di clorofilla a e b sono disposte in modo diverso nei fotosistemi e nelle antenne

Struttura di LHCII, light harvesting complex del PSII

Ogni LHC lega clorofille (13 in LHCII) e carotenoidi

LHCII is the main complex and contains about 40% of the PSII chlorophyll – it is the most abundant chlorophyll protein in nature.

Come avviene il trasferimento di energia all’interno dell’antenna?

Il trasferimento di energia avviene per risonanza (effetto Förster)

-Le molecole devono essere molto vicine-l’elettrone eccitato della Chl*1 oscilla e genera un campo elettrico variabile che causa una oscillazione simile nell’elettrone della vicina Chl2-il processo è simile al trasferimento di E dal fotone alla Chl.

Chl1 * + Chl2 Chl1 + Chl2 *

-carotene* + Chl -carotene + Chl *

Accettore e donatore devono essere separati da piccole distanze

La velocità di trasferimento dipende dalla distanza secondo la legge n6 (n= distanza tra le molecole) e dipende anche dall’orientazione

Il trasferimento avviene solo verso molecole a energia uguale o più bassa

avviene nel centro di reazione (in PSII in due clorofille speciali legate alla proteine D1)

La Fotochimica

Chl 680 Chl 680*

Buon riducente

Ottimo ossidante

Pot

enzi

ale

redo

x (V

)

1

0

-0.5

4Fe3+ + 2H2O 4Fe2+ +O2 + 4H+ (isolated chloroplasts)

Robert Hill (1937)

Lo ione ferrico funge da accettore degli e- prodotti dall’ossidazione dell’acqua)

• La clorofilla eccitata può tornare allo stato fondamentale rilasciando l’energia come calore o luce o trasferire l’e- ad un accettore.

• Il risultato è la generazione di 1) donatore(+) e 2) accettore(–) la separazione di carica avviene nei centri di reazione.

• Energia luminosa energia chimica

• Nel PSII esiste una coppia speciale di clorofille (P680) dove ha luogo la fotochimica

• P680* trasferisce l’e- alla feofitina A separazione di carica.

• Il P680+ (forma ossidata) viene ridotto a P680 dagli e- che derivano dalla ossidazione dell’acqua

Resa quantica

= (O2 prodotto/quanti assorbiti)

680

Evidenze dell’esistenza di due fotosistemi: la caduta nel rosso

>680

Evidenze dell’esistenza di due fotosistemi: Effetto di amplificazione di Emerson

Effetto antagonistico: if both of far-red light and green light are present, they have opposite effects on cytochrome oxidation

Attraverso l’uso di elettrodi e di uno spettrofotometro è possibile misurare lo stato di riduzione di una proteina se cambia la sua assorbanza

Lo schema a Z2. Il trasferimento degli elettroni

Gli e- hanno potenziale riducente diverso a seconda del trasportatore a cui sono legati

I quattro complessi proteici principali coinvolti nella fotosintesi

PSII comprende anche l’OEC (Oxygen evolving complex)

PSIPSII-OEC Cyt

b6f

ATP sintasi

Organization and structure of the four major protein complexes

Punto importante: ogni fotosistema contiene molte subunità. Di alcune di esse non è chiara la funzione

Donatori e accettori di e- nel processo di separazione di carica in PSII

Residuo di Tirosina

Plastoidrochinone

Chinone A riceve un elettrone e lo passa al chinone B che si semi-riduce

Chinone A riceve un secondo elettrone e lo passa a B che si riduce completamente assorbendo 2H+ dallo STROMA.

A questo punto può prendere due protoni dal mezzo (stroma) e migrare nella membrana

Oxygen Evolving Complex:

- Rompe l’acqua e produce elettroni e H+

OEC

COMPLESSO CHE EVOLVE L’OSSIGENOModello: S0-S4 sono forme sempre più ossidatedell’enzima che contiene Manganese

S0

S2

S3S4

S1

2H2O

4H+ + 02

e-

e-

e-

e-

Cytb6f

I citocromi dei mitocondri hanno una catena idrofobica

Citocromo b

GRUPPOEME

Citocromo f (e citocromo c)

Citocromo b6f

Il ciclo Q

-raddoppia i protoni trasportati dagli elettroni di PQH2-fra PQH2 e citb6/f c’è un V = -0.4 che viene conservato come pH.

PSI

Tempi, donatori e accettori di e- nel processo di separazione di carica in PSI

Plastocianina

Ferredossina

The PSI reaction centre complex has a core consisting of 13 different subunits, all the electron transport factors, and about 90 molecules of chlorophyll

Azione dei diserbanti

Accettori di PSI

1. Il ciclo di Calvin

FNR = fd NADP reduttasi

Tutti gli accettori di PSI

2- Fotofosforilazione ciclica

3. La pseudo-ciclica (Mehler)

2 H2O O2 + 4H+

PSII

PSI

4 fotoni

4 fotoniFx

2 Ferrodoxin ox

2 Ferredoxin red

2 O2

2 O2

2 H+ O2

Mehler reaction

Superossido dismutasi

H2O2

2 H2O

Ascorbatoperossidasi

2 ascorbato red

2 mono deidroAscorbato ox

2 H+

4. Assimilazione dell’azoto

A livello delle foglie sia la nitrito reduttasi che la GOGAT consumano equivalenti riducenti. Il flusso di assimilazione primaria è piccolo rispetto a quello della FR

5. Esporto di equivalenti riducenti al citosol / mitocondrio

NADP reductase

2H2O

O2 + 4H+

2H+ + 2NADP

NADPH

4 e-

4 photons

4 photons

2 H+

CYT B6f

PC

PSIPSII

Fd

The Path of Electron and Proton Flow in Photosynthetic Electron Transport

PQ

NADP reductase

2 H+

4 H+

CYT B6f

PC PSIPSII

PQ

Fd

CYCLIC PHOTOPHOSPHORYLATION

Under conditions where NADP+ regeneration is slow, or ATP demand is high, the leaf can cycle electrons between plastoquinone and PSI, and in doing so pump protons across the membrane. This is termed cyclic photophosphorylation.

PHOTOSYSTEM I

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+ H+H+ H+H+ H+

H+ H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+H+ H+

H+

H+ H+

H+

H+ADP + Pi

ATP

3 H+

Thylakoid Lumen – compartment of low pH

Chloroplast stroma – region of high pH

PHOTOPHOSPHORYLATION

ATP Synthase(F-type ATPase)

Tanti accettori per PSI, tra cui alcuni sempre abbondanti cosa significa?

Difficilmente PSI andrà incontro a blocco nel trasporto di e-

Riesce sempre a scaricare l’energia assorbita

Quando questo non accade si ha un eccesso di energia su uno dei due fotosistemi. Se è su PSII è pericoloso! Occorre assorbire energia in eccesso dalle clorofille eccitate: esistono diversi meccanismi di fotoprotezione

Per PSII la situazione è diversa: può solo (e quindi deve) trasferire gli e- alCyt b6f (attraverso al plastochinone) e poi a PSI (attraverso la plastocianina)

Il PQH2 deve essere ossidato alla stessa velocità con cui viene ridotto.Il pool di plastochinone è piccolo!

carotenoidi

Forme reattive dell’ossigeno

(radicale Superossido O2

-)

Fotoinibizione

Riparare le proteine danneggiate

Ciclo delle xantofille

Se l’eccesso riguarda uno solo dei PS si hanno transizioni di stato

light-induced reduction in the photosynthetic capacity

Zona dove PS II è più abbondante

Zona dove PS I è più abbondante

I fotosistemi (PSI e PSII) operano in serie per produrre NADPH, per cui la quantità di eccitazione su essi deve essere paragonabile per massimizzare la performance

membranetilacoidaliimpilate

LHCII

Thr OH

LHCII

membranetilacoidalilibere

Thr O-P

P

ATP ADP

Proteinakinasi

Proteinafosfatasi

La kinasi è attivata da PQH2

Quando il PQ è nella forma ridotta, vuol dire che arriva troppa luce su PS II.

In questa situazione viene attivata una risposta che fa migrare parte di LHCII

Transizioni di stato

Takahashi et al., (2006) PNAS 103:477–482

Long-term changes in illumination lead to changes in photosystem stoichiometry

Short-term changes

State transition is a dynamic mechanism that enables plants to respond rapidly to changes in illumination. When PSII is favoured (state 2), the redox conditions in the thylakoids change and result in activation of a protein kinase

Lunde et al., (2000) Nature 408:613-615

STATO I

STATO II

Sa ,*

Sb ,*

T ,*

ener

gia

calore

Chl + h = Chl*

La Chl* trippletto è pericolosa perchè genera facilmente Ossigeno singoletto

Condizioni che favoriscono la fotoinibizione:

-alta luce-bassa T (rallenta il ciclo di Calvin)

-carotene* + Chl -carotene + Chl* Carotenoidi fungono da pigmenti accessori

Chl + h 1Chl* 3Chl*3Chl*+ O2 Chl + 1O2

1O2 può ossidare numerosi composti: è un composto tossico e occorre eliminarlo

Carotenoidi fungono da dissipatori di energia

Il ciclo delle xantofille ha come scopo proprio quello di dissipare i fotoni In eccesso (quelli che non riescono a essere processati)

Carotenoidi duplice funzione:

Plants have mechanisms that protect against adverse effects of strong light. The most studied biochemical protective mechanism is non-photochemical quenching of excitation energy.

Schematic representation of singlet oxygen formation upon excitation of chlorophyll (Chl) and the role of carotenoids (Car) in protection against photooxidative damage. The symbol * indicates excited states.

Carotenoidi fungono da inattivatori dell’1O2

Carotenoidi dissipano l’eccitazione in eccesso PRIMA che si formi 3Chl*

L’ azione protettiva dei carotenoidi è legata in gran parte al ciclo della violaxantina: in eccesso di luce la violaxantina è convertita in zeaxantina (la reazione è facilitata da un eccesso di H+ nel lume)

DE

-EP

OS

SID

AZ

ION

E

EP

OS

SID

AZ

ION

E

Assorbire energia in eccesso dalle clorofille eccitate

I carotenoidi fungono da dissipatori di energia

-carotene* + Chl -carotene + Chl * Funzione di antenna

-carotene + Chl* -carotene* + Chl Trasferimento

-carotene* -carotene + Calore Dissipazione

Cosa decide tra le varie funzioni?1) la struttura delle molecola (es. violaxantina vs. Zeaxantina)2) lo stato dei centri di reazione (chiuso/aperto)

Sintesi di ATP

La sintesi di ATP funge dissipa il gradiente protonico (un forte gradiente protonico agisce come segnale per aumentare la dissipazione di energia dai complessi antenna)

Jagendorf (1967)

Fotosintesi e respirazione

Il lume tilacoidale corrisponde allo spazio intermembrana del mitocondrio

Fotosintesi e respirazione

Take home messages

• La fotosintesi comporta l’azione congiunta di 4 complessi

• Gli elettroni si muovono tra i vari complessi (a motivo dell’energia fornita dalla luce) per mezzo di trasportatori diffusibili (PQ, PC, Fd)

• Il trasporto di e- è associato ad un trasporto perpendicolare e/o generazione di H+ nel lume

• ATP e NADPH sono prodotti nella fase luminosa• La fotoinibizione è un rischio costante per PSI e

numerosi meccanismi cercano di prevenirla