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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
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