U. CLOROPLASTI FOTOSINTESI CLOROFILLIANA

CLOROPLASTII cloroplasti sono i plastidi contenenti la clorofilla e altri pigmenti fotosintetici necessari per la fotosintesi. Pertanto, sono organelli caratteristici della cellula vegetale e dei batteri fotosintetici. Essi possiedono una membrana esterna abbastanza permeabile, una membrana interna che rappresenta invece una barriera di permeabilit, uno spazio intermembrana ed uno spazio racchiuso dalla membrana interna chiamato stroma. Nello stroma si trova unulteriore membrana: la membrana tilacoidale. I tilacoidi sono impilati parallelamente a formare i cosiddetti grana. Questa membrana delimita un altro spazio allinterno del cloroplasto chiamato lume tilacoidale

o spazio tilacoidale.

I cloroplasti posseggono, come i mitocondri, un proprio genoma e derivano dai batteri blue-verdi. Le differenze tra cloroplasti e mitocondri sono illustrate nella prossima figura:

A differenza dei mitocondri, la membrana interna dei cloroplasti non ha le creste e non contiene i complessi del trasporto elettronico.

La fotosintesi avviene quindi sulla membrana tilacoidale.

I cloroplasti sono ricchi di amido e di lipidi accumulati nello stroma.

FOTOSINTESIProcesso per mezzo del quale alcuni organismi sono in grado di catturare la luce solare e di utilizzarla per sintetizzare molecole organiche a partire da H2O e CO2, rilasciando O2. Nella biosfera gli organismi biosintetici vivono in equilibrio bilanciato con gli organismi eterotrofi.

LE solare la fonte di tutta l E biologica

La fotosintesi pu essere aerobia ed anaerobia. Nella fotosintesi aerobia lH2O il donatore di elettroni e di protoni per la riduzione della CO2; non solo le piante, ma anche alcuni batteri fanno avvenire la fotosintesi per in maniera anaerobia perch per loro lO2 un veleno. La fotosintesi anaerobia avviene esclusivamente da parte di alcuni batteri in cui gli elettroni non provengono dallacqua ma da composti come ad es. H2S e quindi non producono O2.

La fotosintesi clorofilliana un processo esclusivo delle cellule contenenti cloroplasti; avviene pertanto nelle piante (soprattutto nelle foglie ricche di cloroplasti), nelle alghe, nei batteri fotosintetici e nei cianobatteri. Le cellule fotosintetiche (autotrofe), per mezzo dellenergia solare, utilizzano lacqua e la CO2 per produrre glucosio e O2 che vengono utilizzati dalle cellule eterotrofe (riproducendo acqua e CO2).

I primi organismi fotosintetici risalgono a 33,5 miliardi di anni fa. La fotosintesi avviene in due grandi tappe:

-reazioni di trasduzione dellenergia o fase luminosa (allaluce) e

-reazioni di fissazione del carbonio o fase oscura (che nonrichiedono energia solare).

La prima tappa della fotosintesi lassorbimento della luce da parte dei pigmenti fotosintetici: la clorofilla, una porfirina contenente Mg2+ (invece di Fe2+ come nellHb), che pu essere distinta in clorofilla piante verdi e nei

a

(nelle batteri),

clorofilla b (nelle piante verdi), carotenoidi (caroteni e xantofille) e ficobiline (in alghe rosse e alghe bleu-verdi):

Nelle reazioni fotosintetiche di trasferimento degli elettroni o reazioni alla luce lenergia luminosa provoca la sintesi di ATP e la riduzione di NADP+ a NADPH, liberando O2; Nelle reazioni di fissazione del carbonio o reazioni al buio (perch avvengono in assenza di luce) lATP e lNADPH vengono utilizzate per trasformare la CO2 in zuccheri.

La reazione di base della fotosintesi :

H2O+CO2

(CH2O)+O2

dove (CH2O) rappresenta un carboidrato: saccarosio o amido. Che la fotosintesi producesse anche O2 fu scoperto nel 1780 da un chimico inglese Priestley con un classico exp.

Reazioni della fase luminosa - FOTOSISTEMI

Il fotosistema II (P680) trasferisce gli elettroni dallH2O al plastochinone, mentre il fotosistema I (P700) genera una forza riducente come NADPH. Le cellule fotosintetiche che sviluppano O2 (piante superiori e cianobatteri) contengono entrambi i fotosistemi mentre i batteri fotosintetici che non sviluppano O2 posseggono solo il fotosistema I. I due fotosistemi sono stati numerati in base alla loro scoperta. Il fotosistema II stato scoperto dopo il fotosistema I ma il flusso di elettroni percorre prima il fotosistema II e poi il fotosistema I.

Ogni fotosistema contiene da 250 a 400 molecole di pigmenti fotosintetici nelle sue due componenti: il complesso

antenna e il centro di reazione.

Il complesso antenna detto cos perch i pigmenti catturano lenergia solare e la trasferiscono al centro di reazione.

In definitiva: lenergia luminosa, come fotoni, colpisce eccitandoli gli elettroni della clorofilla b e dei carotenoidi e viene trasferita, per risonanza, da una molecola di pigmento a quella vicina:

Finch non arriva alla speciale coppia di clorofilla del centro di reazione

Il centro reattivo fotochimico o fotosintetico costituito da un complesso proteico transmembrana.

Esso contiene una speciale coppia di molecole di clorofilla che catalizza il processo 3:

Lelettrone della clorofilla, eccitato dalla luce, acquista energia e nel ritornare al suo stato stazionario pu:

1. cedere lenergia come luce e calore; 2. trasferire lenergia per risonanza ad una molecola vicina di clorofilla e 3. il trasferimento di energia accompagnato da un trasferimento di elettroni.

Quali di questi tre processi si verifica?

Nel complesso antenna avviene il processo 2, cio il trasferimento di energia per risonanza; nel centro reattivo fotosintetico avviene il processo 3 con trasferimento sia di energia che di elettroni:

Lelettrone eccitato dalla luce e assorbito dalla speciale coppia viene ceduto al chinone QA che funge da accettore di elettroni, in un nanosecondo. Il trasferimento lascia la clorofilla priva di un elettrone. Lelettrone ad alta energia passa dal chinone QA al QB e da questo lasciando il centro reattivo arriva al chinone mobile Q della membrana e quindi ad un accettare di elettroni appena fuori dal centro di reazione: la feofitina (clorofilla modificata priva di Mg++).

fino ad arrivare alla speciale coppia che si trova nel centro reattivo fotochimico. La sequenza di trasferimento degli elettroni nel centro reattivo fotochimico di un batterio purpureo illustrato in figura:

I complessi sono: i due fotosistemi, il citocromo b6/f e la ferredoxina-NADP reduttasi. I trasportatori singoli di elettroni: il plastochinone (Q), la plastocianina (pc) e la ferredoxina. La via Z stata costruita con l'impiego di speciali inibitori (per es. gli erbicidi) dei fotosistemi e dei trasportatori di elettroni, in

base al potenziale redox (Eo).Gli elettroni che dall'acqua (potenziale redox = +0,82V) arrivano all'accettore Z (non identificato) del fotosistema II sono a bassa energia;

Nella fotosintesi delle piante si ha il cosidetto SCHEMA Z a zigzag costituito da quattro complessi multimolecolari e da tre trasportatori singoli. I componenti della via Z si trovano nella membrana tilacoidale:

Tutti i componenti, ad eccezione dei plastochinoni, sono associati a proteine:

La molecola di clorofilla del P680 perdendo un elettrone si ossida caricandosi positivamente P680+. La stessa cosa succede al fotosistema I che cedendo lelettrone alla ferredossina diventa P700+. Questo vuoto elettronico viene colmato con gli elettroni provenienti dalla scissione dellacqua.

(potenziale redox = - 0,32V). E' da notare che il complesso che scinde l'acqua detto Centro al Manganese ( costituito da 4 atomi di Mn) e si trova associato al Fotosistema II. Le reazioni della fase luminosa della fotosintesi sono riepilogate in figura:

Una volta eccitati dalla luce sono trasferiti al plastochinone QA e

quindi al plastochinone QB e da quest'ultimo al pool di plastochinoni (non associati alle proteine) e quindi al citocromo b6, ai centri Ferro/Zolfo, al citocromo f e alla plastocianina (pc) (contenente rame). Dalla plastocianina gli elettroni arrivano all'accettore Ao del fotosistema I dove vengono di nuovo eccitati dalla luce e quindi passano al chinone A1 (un derivato della vitamina K) e ai centri Ferro/zolfo (Fe/S) denominati Fx, Fa e Fb. Alluscita dal fotosistema I (che si carica positivamente e diventa P700+, gli elettroni passano attraverso un altro centro Fe/S, alla ferredoxina (Fd) ed infine per mezzo del FAD (coenzima della Ferredoxina-NADP-reduttasi) arrivano allNADPH completando il percorso della via Z.

Sintesi di ATP e di NADPH nelle pianteIl centro reattivo del fotosistema II analogo a quello dei batteri e riproduce molecole di chinone ridotto (plastochinone) che trasferiscono gli elettroni al complesso b6-f (simile al b-c dei batteri e al b-c1 dei mitocondri). Nei cloroplasti il complesso

b6/f pompa H+ attraverso la

membrana tilacoidale nel lume tilacoide ed il gradiente elettrochimico che si forma viene utilizzato per sintetizzare ATP.

Quali sono le differenze tra il gradiente elettrochimico protonico dei mitocondri e quello dei cloroplasti? Nei mitocondri il gradiente viene generato dalla respirazione cellulare e, precisamente, quando gli elettroni vanno dallNADH (o dal FADH2) allossigeno, i protoni vengono pompati dalla matrice verso lesterno, nei cloroplasti quando gli elettroni passano attraverso i citocromi b6-f, gli H+ vengono pompati dallo stroma verso lo spazio tilacoidale. Inoltre, nei mitocondri e nei cloroplasti il gradiente elettrochimico generato dal pompaggio dei protoni molto diverso nelle sue due componenti ( pH e ).

Sia nella matrice che nello stroma il pH circa 8, per nel pompaggio dei protoni il pH del citosol diventa di circa 7 mentre quello dello spazio tilacoidale di circa 5, per cui la forza protonmotrice che sostiene la sintesi di ATP dovuta in piccola parte al pH e in massima parte al potenziale di membrana nei mitocondri e, viceversa, in massima parte al pH ed in molto minor misura al nei cloroplasti.

La prossima tabella riporta le differenze tra la respirazione mitocondriale ed il processo fotosintetico:

Durante il passaggio degli elettroni attraverso il complesso dei citocromi b6/f, gli H+ derivanti dalla scissione

dellacqua e dai chinoni vengono pompati dallo stroma allo spazio tilacoidale generando cos un

gradiente elettrochimico protonico, costituito da una differenza di pH (pH) e da una differenza di cariche che genera un potenziale di membrana ().Il gradiente elettrochimico protonico la forma dienergia utilizzata per fosforilare lADP ad ATP (attraverso il passaggio dei protoni dal lume tilacoidale allo stroma ad opera dellenzima CFo-F1 ATP-sintasi. Il processo appena descritto detto di fotofosforilazione non ciclica e per ogni coppia di elettroni che passa dallacqua allNADP+ si sintetizza 1 ATP e 1 NADPH.

Poich le reazioni di fissazione del C richiedono molto pi ATP che NADPH la fotofosforilazione nei cloroplasti pu passare da non ciclica a ciclica; ci si pu realizzare perch gli elettroni provenienti dal fotosistema I anzich andare a ridurre lNADP+ possono essere trasmessi al complesso b6-f creando un ulteriore pompaggio di protoni nello spazio tilacoidale sintetizzando altro ATP. E quindi nel flusso ciclico sufficiente il fotosistema I; tutto dipende dalla concentrazione di NADP+ e quindi di NADPH.

Nelle piante e nei cianobatteri la sintesi di ATP e di NADPH avviene mediante un processo di fotofosforilazione

non ciclica.Abbiamo visto che esistono due fotosistemi: nel fotosistema II gli atomi di O2 e di H2O si legano al Mn dellenzima che scinde lH2O. Quando le molecole di clorofilla del centro reattivo fotochimico vengono colpite dalla luce gli elettroni ad alta energia vengono allontanati uno per volta e appena si allontanano 4e- (il che richiede 4 protoni) lenzima libera O2: 4H+ +4e- +O2 2H2O

Fissazione del carbonioLenergia chimica ottenuta come ATP e NADPH nella fase luminosa della fotosintesi viene impiegata nelle reazioni della fase oscura per lorganicazione della CO2 per lottenimento degli zuccheri e delle altre molecole organiche. La fase oscura detta cos perch non richiede la luce e avviene prevalentemente di giorno.

Ciclo dei C3 o di Calvin-Benson:Sinteticamente nel ciclo dei C3 vengono utilizzati CO2, ATP e NADPH e vengono prodotti 3P-Gal (3-fosfo-gliceraldeide), ADP, Pi e NADP+

Il meccanismo con cui il processo di organicazione della CO2 avviene illustrato nella prossima figura:

Lorganicazione del carbonio, cio la reazione che trasforma la CO2 in carboidrati, consiste nel far reagire la CO2 e lH2O con ribulosio-1,5-diP per produrre 2 molecole di 3-Pglicerato ed catalizzato dalla ribulosiodiPcarbossilasi di P.M. 5OO.OOO; questo enzima costituisce il 50% di tutte le proteine del cloroplasto, perci la proteina pi abbondante che si conosca. Questa reazione stata messa in evidenza da Calvin mediante autoradiogramma utilizzando CO2 radioattiva:

Dalla fissazione di 3CO2 con 3 di ribulosio 1,5-diP , si ottiene un guadagno netto di una molecola di gliceraldeide-3P. Questo ciclo di fissazione del carbonio o ciclo di Calvin-Benson consuma 3ATP e 2NADPH per ogni CO2 e quindi in totale 18ATP e 12NADPH per ogni molecola di glucosio ottenuta. La gliceraldeide-3P viene trasformata in Fruttosio-6P e Glucosio-1P che reagisce con lUTP per dare lUDP-glucosio. Questultimo reagisce con il fruttosio-6P per dare Saccarosio-P e quindi saccarosio nelle foglie.

Il saccarosio rappresenta lo zucchero maggiormente utilizzato dalla pianta (ma in alcune piante pu essere anche accumulato; ad es. nella barbabietola e nella canna da zucchero) che circola nei vasi del floema. Il resto della gliceraldeide-3P si trasforma nello stroma in amido che il principale polisaccaride accumulato negli amiloplasti ( ad es. di cereali e tuberi). Il saccarosio viene secreto in grande quantit nei tubi cribrosi delle foglie ove richiama acqua per osmosi.

FOTORESPIRAZIONE Quando la CO2 presente a bassa concentrazione, al ribulosio-1,5-diP viene addizionato O2 invece di CO2 e anzich 2 molecole di 3-Pglicerato se ne formano una di 3Pglicerato e una di Pglicolato il quale viene defosforilato a glicolato e va nei perossisomi ove due di glicolato si trasformano in una di 3-Pglicerato e 1CO2. Questo processo in cui viene consumato O2 e prodotto CO2 si chiama di fotorespirazione. Naturalmente rappresenta un inconveniente per molte piante a meno che non si verifichi un processo di adattamento come nella canna da zucchero.

In questo ciclo la CO2 reagisce con il fosfoenolpiruvato (PEP) per formare ossalacetato e quindi malato (composto a 4 atomi di C). Il ciclo dei C4 avviene al posto del C3 in quelle cellule in cui la concentrazione di O2 cos elevata da stimolare lattivit ossigenasica del Ribulosio,1-5diP carbossilasi. Il malato prodotto diffonde verso strati cellulari in cui la concentrazione di O2 pi bassa (cellule del fascio) e si scinde in piruvato e CO2 che pu entrare nel ciclo dei C3, mentre il piruvato ritorna in ciclo e si rifosforila a PEP. Il ciclo dei C4 particolarmente presente nelle piante infestanti e in quelle che vivono in Paesi molto caldi, dove gli stomi sono quasi chiusi per evitare perdite eccessive di acqua.

Ciclo dei C4

Altre sintesi del cloroplasto Oltre alla fotosintesi nei cloroplasti vengono sintetizzati tutti gli acidi grassi della cellula e diversi aminoacidi ed inoltre avviene la riduzione dei nitriti a NH3. Nella prossima figura

illustrata la evoluzione dei mitocondri e dei cloroplasti mentre nella seguente

levoluzione delle catene di trasporto elettronico dei batteri, delle piante e dei mitocondri.

Genoma di cloroplasti e mitocondri La stragrande maggioranza delle proteine della cellula animale e vegetale viene sintetizzata dal genoma nucleare. Tuttavia gli organuli posseggono un proprio DNA e propri ribosomi per cui sono in grado di sintetizzare i vari tipi di RNA e di conseguenza, anche se un numero molto ridotto, di proteine. Esistono inibitori specifici delle due sintesi proteiche. Quella citosolica inibita dalla cicloeximide mentre la sintesi proteica degli organuli no. La sintesi proteica dei mitocondri e dei cloroplasti inibita da cloroamfenicolo, tetraciclina ed eritromicina, mentre quella citosolica non lo .

Come si sintetizzano mitocondri e cloroplasti? Solo dalla crescita e divisione di altri mitocondri e di altri cloroplasti gi esistenti. Ogni organulo raddoppia la propria massa e poi si divide. Tale processo inizia con la formazione di un solco che si approfonda sempre pi e la divisione avviene con il raddoppio del DNA

Una caratteristica importante del genoma dei cloroplasti e dei mitocondri che esso costituito da DNA circolare (che nei mitocondri di cellule vegetali molto pi grande rispetto a quello dei mitocondri di cellule animali perch contiene molti introni). Le principali differenze sono riportate in tabella:

Genoma dei cloroplasti Il genoma dei cloroplasti fortemente rassomigliante a quello dei batteri, esso contiene circa 120 geni che codificano proteine dei fotosistemi I e II, dellATP-sintetasi e componenti di complessi multienzimatici.