La quasi totalità del carbonio organico che sostiene gli ecosistemi contemporanei deriva dalla fotosintesi, un insieme coordinato di reazioni fotoindotte che trasformano il diossido di carbonio atmosferico (\(\mathrm{CO_2}\)) in composti ridotti. Piante, alghe e molti batteri fotosintetici evoluti, in particolare i cianobatteri, utilizzano come fonte di elettroni l’acqua e sfruttano l’energia luminosa per convertire il \(\mathrm{CO_2}\) in molecole organiche; la scissione dell’acqua libera ossigeno molecolare nell’atmosfera. L’ossigeno così prodotto alimenta la fosforilazione ossidativa non solo negli animali, ma anche nelle piante e in numerosi procarioti, e l’aumento della sua concentrazione atmosferica, innescato dall’attività dei primi fototrofi ossigenici, ha reso possibile l’evoluzione di forme di vita aerobichedipendenti dalla produzione di ATP tramite metabolismo ossidativo (Figura 05.14-01).

Nelle piante superiori la fotosintesi si svolge prevalentemente nelle foglie, all’interno dei cloroplasti, organuli specializzati che catturano la radiazione solare e la convertono in equivalenti energetici e riducenti, principalmente ATP e NADPH. Questi trasportatori ad alta energia alimentano la fissazione del carbonio, mediante la quale il \(\mathrm{CO_2}\) è incorporato in scheletri carboniosi per generare zuccheri e, di conseguenza, un’ampia varietà di biomolecole.

Image Gallery

Fotosintesi e atmosfera terrestre

I microrganismi in grado di produrre ossigeno attraverso la fotosintesi modificarono l’atmosfera della Terra. (A) Stromatoliti viventi in una laguna dell’Australia occidentale. Queste strutture si formano in ambienti particolari a opera di grandi colonie di cianobatteri fotosintetici che depositano strati sovrapposti di materiale. (B) Sezione trasversale di uno stromatolita attuale che evidenzia la sua struttura a strati. (C) Una struttura simile è presente anche negli stromatoliti fossili. Questi antichi aggregati, prodotti oltre 3,5 miliardi di anni fa, contengono ciò che resta dei batteri fotosintetici il cui rilascio di ossigeno ha trasformato l’atmosfera terrestre.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

I cloroplasti condividono principi architetturali con i mitocondri, pur differendo per dimensioni e per la presenza di un sistema di membrane aggiuntivo. L’involucro cloroplastico consta di una membrana esterna relativamente permeabile e di una membrana interna selettiva, separate da un ridotto spazio intermembrana. La membrana interna racchiude lo stroma, un compartimento ricco di enzimi del metabolismo intermedio e di componenti del corredo genetico cloroplastico, in analogia funzionale con la matrice mitocondriale (Figura 05.14-17).

La caratteristica distintiva del cloroplasto è una terza membrana: quella tilacoidale. In essa risiedono i complessi di raccolta della luce, le catene fotosintetiche di trasporto elettronico e l’ATP sintasi responsabile della fotofosforilazione. La membrana tilacoidale è organizzata in dischi appiattiti, i tilacoidi, spesso impilati a costituire i grani; lo spazio interno ai tilacoidi è in continuità e forma il lume tilacoidale, un terzo compartimento distinto dallo stroma (Figura 05.14-02):

• involucro a doppia membrana che isola lo stroma, sede di vie biosintetiche e della fissazione del carbonio;
• membrana tilacoidale che ospita fotosistemi, citocromi e ATP sintasi e che separa il lume dallo stroma;
• orientamento funzionale dei complessi: la riduzione di \(\mathrm{NADP^+}\) e la sintesi di ATP avvengono sul lato stromale, dove i prodotti sono immediatamente disponibili per la fissazione del carbonio.

Questa organizzazione topologica consente la generazione e l’utilizzo spazialmente coordinati della forza proton-motrice e degli equivalenti riducenti. Ad esempio, in condizioni di luce intensa, il lume tilacoidale può acidificarsi fino a pH 5,5 mentre lo stroma si alcalinizza a pH 8,0, instaurando un \(\Delta pH \approx 2,5\) che alimenta l’ATP sintasi.

Image Gallery

Mitocondri e cloroplasti

 I mitocondri e i cloroplasti hanno in comune molte delle caratteristiche dei loro predecessori batterici. Entrambi gli organuli possiedono un genoma formato da DNA e l’apparato cellulare che permette di copiarlo per sintetizzare RNA e proteine. I compartimenti interni di questi organuli, la matrice mitocondriale e lo stroma del cloroplasto, contengono il DNA (in rosso) e una serie speciale di ribosomi. Le membrane di entrambi gli organuli, la membrana mitocondriale interna e la membrana tilacoidale, contengono i complessi proteici coinvolti nella produzione di ATP.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

Cloroplasti e mitocondri

I cloroplasti e i mitocondri sono composti da una serie di membrane e comparti specializzati. (A) Immagine al microscopio ottico che mostra i cloroplasti (in verde) in una cellula di pianta con fiori. (B) Rappresentazione di un cloroplasto in cui si distinguono le tre serie di membrane dell’organulo, compresa la membrana tilacoidale, che contiene i sistemi per produrre ATP e catturare la luce. (C) Immagine al microscopio elettronico ad alto ingrandimento che mostra i tilacoidi organizzati in pile dette grani; una pila di tilacoidi è detta grano.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Il risultato netto può essere espresso in forma semplificata come:

\[\text{luce} + \mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O} \rightarrow \text{zuccheri} + \mathrm{O_2} + \text{calore}\]

Questa rappresentazione, sebbene utile, non esplicita i vettori energetici coinvolti. La fotosintesi procede infatti mediante due insiemi integrati di reazioni: nella prima fase la luce viene convertita in potenziale chimico sotto forma di ATP e NADPH; nella seconda, tali risorse sono consumate per ridurre il carbonio inorganico a composti organici (Figura 05.14-03).

1. Fase 1: reazioni fotochimiche e fotofosforilazione. Una catena di trasporto elettronico localizzata nella membrana tilacoidale sfrutta l’energia di fotoni assorbiti dai fotosistemi per estrarre elettroni dall’acqua, generando \(\mathrm{O_2}\) e protoni nel lume. Gli elettroni fluiscono attraverso una serie di trasmettitori, contribuendo alla formazione di un gradiente protonico trans-tilacoidale che guida l’ATP sintasi. Diversamente dalla fosforilazione ossidativa mitocondriale, il flusso elettronico lineare termina con la riduzione di \(\mathrm{NADP^+}\) a NADPH sul lato stromale, non con la riduzione dell’ossigeno. L’insieme dei processi accoppiati di trasporto elettronico e pompaggio protonico costituisce la fotofosforilazione. La catena fotosintetica presenta due particolarità di rilievo:

   • la sorgente degli elettroni è l’acqua, la cui ossidazione a livello del fotosistema II porta alla produzione di \(\mathrm{O_2}\);
   • l’orientamento dei complessi fa sì che sia l’ATP che il NADPH si accumulino nello stroma, dove vengono immediatamente impiegati dalla fissazione del carbonio.

   Oltre al flusso lineare, le piante possono attivare un flusso ciclico degli elettroni intorno al fotosistema I, che incrementa la produzione di ATP senza generare NADPH, modulando così il rapporto ATP/NADPH in funzione delle richieste metaboliche.

2. Fase 2: fissazione del carbonio e sintesi degli zuccheri. L’ATP e il NADPH prodotti nella fase luminosa alimentano nello stroma un ciclo di reazioni enzimatiche che incorporano il \(\mathrm{CO_2}\) in accettori organici. Il prodotto netto esportabile è una trioso-fosfato, la gliceraldeide 3-fosfato, che può essere inviata al citosol per la sintesi di saccarosio o trattenuta nello stroma per la deposizione di amido. La stechiometria globale per la formazione di una trioso-fosfato può essere approssimata come:

   \[3\,\mathrm{CO_2} + 9\,\mathrm{ATP} + 6\,\mathrm{NADPH} \rightarrow \mathrm{G3P} + 9\,\mathrm{ADP} + 8\,\mathrm{P_i} + 6\,\mathrm{NADP^+} + 3\,\mathrm{H_2O}\]

   Queste reazioni, pur potendo procedere in assenza diretta di luce, sono strettamente dipendenti dall’attivazione indotta dalla fase luminosa. La denominazione “reazioni al buio” è pertanto fuorviante, poiché molte delle loro componenti enzimatiche vengono regolate dallo stato redox e dal gradiente ionico generati alla luce.

Le due fasi sono saldamente interconnesse da meccanismi di controllo che coordinano la produzione e l’utilizzo di potere energetico e riducente. Numerosi enzimi della fissazione del carbonio risultano inattivi in condizioni di buio e vengono attivati alla luce grazie a segnali generati dalla catena di trasporto elettronico tilacoidale. Tra i principali meccanismi regolativi si annoverano:

• alcalinizzazione dello stroma e rilascio di \(\mathrm{Mg^{2+}}\) dal lume, che modulano l’attività enzimatica e favoriscono la carbossilazione;
• il sistema ferredossina–tioredossina, che riduce ponti disolfuro su enzimi chiave, portandoli in forma attiva;
• la modulazione del rapporto ATP/NADPH tramite flusso elettronico ciclico, che adatta l’offerta energetica alle richieste della fissazione del carbonio;
• il trasporto antiporto trioso-fosfato/fosfato in membrana interna, che coordina l’esportazione dei prodotti e il riciclo del \(\mathrm{P_i}\) necessario alla fotofosforilazione.

In sintesi, la formazione di ATP e NADPH nella fase fotochimica e la successiva assimilazione del \(\mathrm{CO_2}\) in carboidrati sono processi distinti ma integrati: la loro interdipendenza assicura che la sintesi degli zuccheri avvenga in condizioni energeticamente favorevoli e in stretta risposta alle variazioni dell’ambiente luminoso (Figura 05.14-03).

Image Gallery

Fasi della fotosintesi

Entrambe le fasi della fotosintesi avvengono nel cloroplasto. Nella fase 1, una serie di reazioni fotosintetiche di trasferimento degli elettroni produce ATP e NADPH; nel processo, gli elettroni vengono estratti dall’acqua e l’ossigeno viene rilasciato come sottoprodotto, come vedremo tra poco. Nella fase 2, il diossido di carbonio viene assimilato (fissato) in zuccheri e in varie altre molecole. La fase 1 avviene nella membrana tilacoidale, mentre la fase 2 inizia nello stroma del cloroplasto (come mostrato) e continua nel citosol.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

Fasi della fotosintesi

Entrambe le fasi della fotosintesi avvengono nel cloroplasto. Nella fase 1, una serie di reazioni fotosintetiche di trasferimento degli elettroni produce ATP e NADPH; nel processo, gli elettroni vengono estratti dall’acqua e l’ossigeno viene rilasciato come sottoprodotto, come vedremo tra poco. Nella fase 2, il diossido di carbonio viene assimilato (fissato) in zuccheri e in varie altre molecole. La fase 1 avviene nella membrana tilacoidale, mentre la fase 2 inizia nello stroma del cloroplasto (come mostrato) e continua nel citosol.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Lo spettro della radiazione visibile, porzione della radiazione elettromagnetica, si estende approssimativamente tra 400 e 700 nm, dal violetto al rosso. I pigmenti clorofilliani mostrano massimi di assorbimento nelle regioni blu e rossa, mentre risultano poco efficienti nel catturare la luce verde, che perciò viene principalmente riflessa, conferendo alle piante il tipico colore verde (Figura 05.14-04). In particolare, la clorofilla a assorbe con picchi attorno a ~430 nm e ~662 nm, mentre la clorofilla b mostra massimi nell’intorno di ~453 nm e ~642 nm, contribuendo ad ampliare la finestra di assorbimento complessiva del fotosistema.

La capacità della clorofilla di attivarsi con la luce dipende dalla sua architettura elettronica. Il cromoforo principale è un anello porfirinico policiclico, ai cui doppi legami coniugati è associata una distribuzione di elettroni π delocalizzati; un catione Mg²⁺ centrale stabilizza la struttura, mentre una lunga coda fitolica idrofoba ancora la molecola alla membrana tilacoidale. Questo sistema π-coniugato costituisce il sito di assorbimento della luce (Figura 05.14-05). Quando un fotone di opportuna lunghezza d’onda viene assorbito, un elettrone passa a uno stato eccitato di energia superiore, alterando la densità elettronica della porfirina. Lo stato eccitato è transiente e tende a decadere verso lo stato fondamentale, liberando energia.

Isolata in soluzione, la clorofilla dissipa l’energia assorbita per fluorescenza o come calore, senza compiere lavoro chimico utile. Nel contesto del cloroplasto, invece, l’interazione con specifiche proteine di membrana organizza le clorofille in complessi che ne dirigono l’energia verso trasformazioni biochimiche di interesse cellulare.

Il legame tra la luce e il salto energetico elettronico è descritto dalla relazione \(E = \frac{hc}{\lambda}\), dove h è la costante di Planck e c la velocità della luce. Ad esempio, un fotone a 680 nm (regione rossa) possiede energia pari a circa 1,82 eV, sufficiente ad avviare le reazioni fotochimiche nei centri di reazione dei fotosistemi.

Image Gallery

Assorbimento della luce da parte della clorofilla

La clorofilla assorbe luce di lunghezza d’onda blu e rossa.Come mostrato nello spettro di assorbimento, una forma di clorofilla assorbe in via preferenziale la luce a una lunghezza d’onda di 430 nm (blu) e di 660 nm (rosso). La luce verde, invece, viene assorbita difficilmente da questo pigmento. La clorofilla è in grado di assorbire la luce anche a lunghezze d’onda leggermente differenti.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

Struttura della clorofilla

La struttura della clorofilla le permette di assorbire energia dalla luce. Ogni molecola di clorofilla contiene un anello porfirinico con un atomo di magnesio (in rosa) al centro. Da un punto di vista strutturale, l’anello porfirinico è simile a quello che lega il ferro nell’eme. La luce viene assorbita dagli elettroni all’interno della rete di legami evidenziata in blu, mentre la lunga coda idrofila (in grigio) permette di mantenere la clorofilla all’interno della membrana tilacoidale.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Nelle membrane tilacoidali delle piante e in quelle dei procarioti fotosintetici, le clorofille sono organizzate in grandi complessi proteici, i fotosistemi. Ciascun fotosistema comprende: (i) complessi antenna, che catturano e trasferiscono l’energia dei fotoni; (ii) un centro di reazione, sede della conversione dell’energia luminosa in energia chimica trasferibile.

Nei complessi antenna, centinaia di clorofille e carotenoidi sono disposti con distanze e orientamenti tali da favorire il trasferimento risonante di energia tra cromofori vicini, un processo riconducibile alla Förster Resonance Energy Transfer (FRET). L’energia “migra” stocasticamente da molecola a molecola fino a raggiungere una coppia speciale di clorofille con stato eccitato leggermente a energia inferiore rispetto alle altre. Questa “trappola energetica” immagazzina l’energia con elevata efficienza, minimizzando le perdite per emissione o dissipazione termica.

La coppia speciale non risiede nell’antenna ma nel centro di reazione, un complesso transmembrana di pigmenti e proteine di antichissima origine evolutiva. A contatto ravvicinato con accettori primari di elettroni, la coppia speciale, una volta eccitata, cede un elettrone ad alta energia a un trasportatore immediatamente adiacente (Figura 05.14-06). Questo evento di separazione di carica costituisce l’atto fotochimico primario della fotosintesi. L’elettrone, ora su un accettore, è instradato lungo una catena di trasporto elettronico; la clorofilla ossidata della coppia speciale, divenuta temporaneamente a potenziale ossidante elevato, verrà rifornita di un nuovo elettrone a valle del processo (Figura 05.14-07).

L’allontanamento rapido dell’elettrone eccitato, attraverso una serie di trasportatori con potenziali di riduzione decrescenti, stabilizza la separazione di carica e impedisce la ricombinazione, trasformando l’energia luminosa in una forma chimica immagazzinata in elettroni ad alto potenziale di riduzione:

• nei fotosistemi delle piante superiori, la coppia speciale del fotosistema II (PSII) è denominata convenzionalmente P680, mentre quella del fotosistema I (PSI) P700;
• gli accettori primari includono, a seconda del fotosistema, molecole come feofitina e chinoni (PSII) o clorofille/feofitine specializzate e centri ferro-zolfo (PSI);
• la catena di trasporto garantisce il flusso direzionale dell’elettrone e la sua progressiva caduta di energia libera, accoppiata a funzioni utili come il pompaggio protonico.

Image Gallery

Fotosistema e clorofilla

Un fotosistema è composto da un centro di reazione circondato da complessi antenna che contengono la clorofilla. Una volta catturata da una molecola di clorofilla all’interno di un complesso antenna, l’energia luminosa passerà in modo casuale da una molecola di clorofilla all’altra (linee rosse), fino a che non viene catturata da un dimero di clorofilla detto coppia speciale, che si trova nel centro di reazione. La coppia speciale mantiene i propri elettroni a un livello di energia più basso rispetto alle molecole di clorofilla all’interno dell’antenna, in modo da catturare l’energia trasferita dall’antenna. Si noti che nel complesso antenna solo l’energia si sposta da una molecola di clorofilla all’altra, non gli elettroni.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

Trasferimento di elettroni nel centro di reazione

In un centro di reazione, un elettrone ad alta energia viene trasferito da una coppia speciale a un trasportatore, che diventa parte di una catena di trasporto degli elettroni. Nella figura non viene mostrata una serie di trasportatori intermedi contenuti nel centro di reazione che stabilisce il percorso dalla coppia speciale a questo trasportatore (linee blu). Come illustrato, il trasferimento di un elettrone ad alta energia dalla coppia speciale di elettroni eccitata lascia dietro di sé una carica positiva che crea uno stato di cariche separate, convertendo così l’energia luminosa in energia chimica. Una volta sostituito l’elettrone nella coppia speciale, il trasportatore diffonde allontanandosi dal centro di reazione e trasferendo l’elettrone ad alta energia alla catena di trasporto.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

La fissazione del carbonio a partire da CO₂ richiede ingenti quantità di energia sotto forma di ATP e di potere riducente come NADPH (Figura 05.14-07). Negli organismi fotosintetici, questi due “combustibili” sono generati coordinando l’attività di due fotosistemi strutturalmente affini ma funzionalmente complementari.

Nel fotosistema II, l’assorbimento di luce porta al trasferimento dell’elettrone eccitato a un trasportatore chinonico mobile, la plastochinone (PQ), che veicola elettroni ad alta energia verso il complesso citocromo b₆f. Quest’ultimo funziona da pompa protonica tramite un meccanismo di “Q-cycle”, sfruttando l’energia del flusso elettronico per accumulare protoni nel lume tilacoidale e creare un gradiente elettrochimico. Il gradiente protonico alimenta l’ATP sintasi tilacoidale, che converte l’energia del flusso di ioni H⁺ in legami fosforici di alta energia, sintetizzando ATP (Figura 05.14-08).

Una caratteristica cruciale del PSII è la sua capacità ossidante: la coppia speciale ossidata estrae elettroni dall’acqua mediante il complesso evolvente ossigeno (OEC), contenente un cluster Mn₄CaO₅. L’ossidazione dell’H₂O fornisce elettroni per rigenerare la coppia speciale, libera O₂ e contribuisce al gradiente protonico rilasciando H⁺ nel lume.

Gli elettroni provenienti dal complesso b₆f passano quindi alla plastocianina (PC), un trasportatore rameico solubile nel lume, che li consegna al fotosistema I. Nel PSI, l’assorbimento di fotoni eccita la coppia P700; l’elettrone ad alta energia è trasferito a una serie di accettori fino alla ferredossina (Fd), che, a sua volta, lo conferisce alla ferredossina-NADP⁺ reduttasi (FNR). Questo enzima riduce NADP⁺ a NADPH utilizzando due elettroni e un protone dello stroma (Figura 05.14-09). L’azione concertata di PSII e PSI produce, pertanto, ATP e NADPH, impiegati nella fase di assimilazione del carbonio (Figura 05.14-03):

• flusso lineare degli elettroni: PSII → PQ → citocromo b₆f → PC → PSI → Fd → FNR → NADPH;
• generazione del gradiente di protoni: pompaggio attraverso b₆f e rilascio di H⁺ da scissione dell’acqua nel lume;
• fosforilazione fotochimica: l’ATP sintasi tilacoidale (CF₀CF₁) utilizza il gradiente protonico per la sintesi di ATP;
• flusso ciclico degli elettroni (variabile): in condizioni di squilibrio tra fabbisogno di ATP e NADPH, il PSI può deviare elettroni verso il b₆f senza produzione di NADPH, aumentando la sola resa di ATP.

Esempio numerico indicativo: per il trasferimento di 4 elettroni (equivalenti all’ossidazione di 2 H₂O e alla liberazione di 1 O₂) il ciclo di b₆f può contribuire con ~8 H⁺ nel lume; l’OEC rilascia ulteriori ~4 H⁺. Il totale di ~12 H⁺ può generare un numero di molecole di ATP che dipende dalla stechiometria dell’ATP sintasi; assumendo un rapporto di 4,5–5,0 H⁺/ATP, si ottengono approssimativamente 2,4–2,7 ATP per O₂. Valori effettivi variano in base alla composizione dell’ATP sintasi e alle condizioni fisiologiche.

La cooperazione dei due fotosistemi, spesso rappresentata nello “schema a Z” dei potenziali redox, garantisce una caduta energetica sufficiente a: (i) estrarre elettroni dall’acqua, il donatore più abbondante ma chimicamente inerte; (ii) ridurre NADP⁺ a NADPH; (iii) accumulare un gradiente protonico utile alla sintesi di ATP. ATP e NADPH sono quindi veicolati alla fase di conversione del carbonio, dove saranno utilizzati per ridurre il CO₂ a carboidrati nell’ambiente stroma del cloroplasto (Figura 05.14-03).

Image Gallery

Trasferimento di elettroni nel centro di reazione

In un centro di reazione, un elettrone ad alta energia viene trasferito da una coppia speciale a un trasportatore, che diventa parte di una catena di trasporto degli elettroni. Nella figura non viene mostrata una serie di trasportatori intermedi contenuti nel centro di reazione che stabilisce il percorso dalla coppia speciale a questo trasportatore (linee blu). Come illustrato, il trasferimento di un elettrone ad alta energia dalla coppia speciale di elettroni eccitata lascia dietro di sé una carica positiva che crea uno stato di cariche separate, convertendo così l’energia luminosa in energia chimica. Una volta sostituito l’elettrone nella coppia speciale, il trasportatore diffonde allontanandosi dal centro di reazione e trasferendo l’elettrone ad alta energia alla catena di trasporto.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

Fotosistema II e sintesi di ATP

Il fotosistema II trasmette gli elettroni alla pompa protonica fotosintetica, favorendo la sintesi dell’ATP a opera di un’ATP sintasi. Quando l’energia luminosa viene catturata dal fotosistema II, un elettrone ad alta energia viene trasferito al plastochinone (Q), un trasportatore molto simile all’ubichinone dei mitocondri. Questo trasportatore trasferisce i propri elettroni a una pompa protonica, detta complesso citocromo b₆-f, che assomiglia al complesso della citocromo c reduttasi dei mitocondri ed è l’unico sito di pompaggio attivo dei protoni nella catena di trasporto dei cloroplasti. Come nei mitocondri, un’ATP sintasi nella membrana usa quindi l’energia del gradiente elettrochimico per produrre ATP.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

Fotosistema I e produzione di NADPH

Il fotosistema I trasferisce gli elettroni ad alta energia a un enzima che produce NADPH. Quando l’energia luminosa viene catturata dal fotosistema I, un elettrone ad alta energia viene trasferito a un trasportatore mobile, detto ferredossina (Fd), una piccola proteina che contiene un centro ferro-zolfo. La ferredossina trasporta i propri elettroni verso una ferredossina-NADP⁺ reduttasi (FNR), l’ultima proteina nella catena di trasporto che genera NADPH.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

Fasi della fotosintesi

Entrambe le fasi della fotosintesi avvengono nel cloroplasto. Nella fase 1, una serie di reazioni fotosintetiche di trasferimento degli elettroni produce ATP e NADPH; nel processo, gli elettroni vengono estratti dall’acqua e l’ossigeno viene rilasciato come sottoprodotto, come vedremo tra poco. Nella fase 2, il diossido di carbonio viene assimilato (fissato) in zuccheri e in varie altre molecole. La fase 1 avviene nella membrana tilacoidale, mentre la fase 2 inizia nello stroma del cloroplasto (come mostrato) e continua nel citosol.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

Fasi della fotosintesi

Entrambe le fasi della fotosintesi avvengono nel cloroplasto. Nella fase 1, una serie di reazioni fotosintetiche di trasferimento degli elettroni produce ATP e NADPH; nel processo, gli elettroni vengono estratti dall’acqua e l’ossigeno viene rilasciato come sottoprodotto, come vedremo tra poco. Nella fase 2, il diossido di carbonio viene assimilato (fissato) in zuccheri e in varie altre molecole. La fase 1 avviene nella membrana tilacoidale, mentre la fase 2 inizia nello stroma del cloroplasto (come mostrato) e continua nel citosol.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Lo schema fotochimico di base presenta un apparente paradosso: ogni volta che un trasportatore mobile strappa un elettrone al centro di reazione, la coppia speciale di clorofille resta nello stato ossidato, generando una carica positiva che deve essere compensata per evitare l’arresto del flusso elettronico (Figura 05.14-07). Nel fotosistema II (PSII) tale “debito elettronico” è ripagato da un apparato enzimatico dedicato, capace di estrarre elettroni dall’acqua.

Questo complesso, localizzato sul lato luminale del tilacoide e convenzionalmente indicato come complesso evolvente ossigeno o water-splitting complex, ospita un nucleo inorganico Mn₄CaO₅ coordinato a residui proteici e molecole d’acqua. Il trasferimento elettronico avviene in modo scalare: gli elettroni sono rimossi uno per volta da due molecole di H₂O e convogliati verso la coppia speciale del PSII (P680) tramite un residuo tirosinico redox-attivo (Tyr_Z) della subunità D1. Una volta accumulate quattro ossidazioni equivalenti sul cluster, il ciclo si chiude con la liberazione concertata di ossigeno molecolare e protoni nel lume tilacoidale:

\[ 2\,\mathrm{H_2O} \;\rightarrow\; \mathrm{O_2} + 4\,\mathrm{H^+_{lume}} + 4\,\mathrm{e^-} \]

Il meccanismo opera per stati discreti di ossidazione (stati S del ciclo di Kok: S₀→S₄), svolgendo una rigorosa “contabilità a quattro elettroni” che impedisce il rilascio di specie parzialmente ossidate dell’acqua, potenzialmente dannose. Solo al compimento del quarto evento fotochimico viene emesso O₂ (Figura 05.14-10), ossigeno che nel tempo geologico ha alimentato la composizione ossigenata dell’atmosfera terrestre.

Una logica analoga di sicurezza redox, ma nella direzione inversa, governa la citocromo c ossidasi mitocondriale, la quale riceve sequenzialmente quattro elettroni per ridurre in modo coordinato l’O₂ a H₂O durante la fosforilazione ossidativa (Figura 05.14-18). In entrambi i casi, la gestione a pacchetti di quattro elettroni evita intermedi reattivi pericolosi.

Image Gallery

Trasferimento di elettroni nel centro di reazione

In un centro di reazione, un elettrone ad alta energia viene trasferito da una coppia speciale a un trasportatore, che diventa parte di una catena di trasporto degli elettroni. Nella figura non viene mostrata una serie di trasportatori intermedi contenuti nel centro di reazione che stabilisce il percorso dalla coppia speciale a questo trasportatore (linee blu). Come illustrato, il trasferimento di un elettrone ad alta energia dalla coppia speciale di elettroni eccitata lascia dietro di sé una carica positiva che crea uno stato di cariche separate, convertendo così l’energia luminosa in energia chimica. Una volta sostituito l’elettrone nella coppia speciale, il trasportatore diffonde allontanandosi dal centro di reazione e trasferendo l’elettrone ad alta energia alla catena di trasporto.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

Centro di reazione del fotosistema II

Il centro di reazione del fotosistema II comprende un enzima in grado di catalizzare l’estrazione degli elettroni dall’acqua. (A) Schema che raffigura il flusso di elettroni attraverso il centro di reazione del fotosistema II. Quando l’energia luminosa stimola la coppia speciale di clorofilla, un elettrone viene ceduto al trasportatore mobile plastochinone (Q). La coppia speciale recupera poi un elettrone grazie a un enzima in grado di scindere l’acqua, che estrae gli elettroni dall’acqua. Il gruppo Mn che partecipa all’estrazione degli elettroni è evidenziato dal pallino rosso. Una volta estratti quattro elettroni da due molecole d’acqua, nell’atmosfera viene rilasciato ossigeno. (B) Struttura e posizione di alcuni dei trasportatori coinvolti. (C) Struttura del complesso del fotosistema II (PSII) incorporato nella membrana, comprendente un centro di reazione e diversi complessi antenna per la raccolta della luce. Questa struttura, ottenuta dagli spinaci, è stata determinata mediante criomicroscopia elettronica. Si noti che questo complesso esiste nella membrana come un dimero, quindi contiene due copie dell’enzima di scissione dell’acqua.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

Citocromo c ossidasi

La citocromo c ossidasi è una macchina proteica messa a punto perfettamente.La proteina è un dimero, i cui monomeri sono formati da 13 subunità proteiche diverse. (A) Nell’immagine viene mostrata la proteina intera nella membrana mitocondriale interna. Le tre subunità colorate che formano il nucleo centrale del complesso sono codificate dal genoma mitocondriale, mentre le altre subunità sono codificate dal genoma nucleare. (B) Gli elettroni, man mano che passano attraverso questa proteina per andare verso la molecola di O₂ che vi è legata, inducono la proteina a pompare protoni dall’altro lato della membrana. Come indicato, un eme e un atomo di rame (Cu) formano il sito in cui una molecola di ossigeno legata saldamente viene ridotta a H₂O. Sono mostrate solo due delle 13 subunità.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Il fotosistema I (PSI) non ossida direttamente l’acqua: per ripristinare la sua coppia speciale (P700) dopo l’eccitazione, riceve elettroni forniti dal PSII tramite la catena di trasporto interposta. Il tracciato complessivo del flusso elettronico, illustrato nella (Figura 05.14-11), segue uno schema a Z: l’energia luminosa assorbita in due stadi successivi consente di sollevare gli elettroni da un potenziale molto positivo a uno fortemente riducente.

Nel dettaglio, gli elettroni estratti dall’acqua dal PSII sono trasferiti al plastochinone e, in forma ridotta (PQH₂), raggiungono il complesso del citocromo b₆-f. Quest’ultimo agisce come pompa protonica mediante un ciclo Q, rilasciando protoni nel lume e riciclando elettroni verso la plastochinone pool. Dalla b₆-f, gli elettroni passano alla plastocianina, un piccolo cuproproteide solubile nel lume, che li consegna a P700 del PSI. Una nuova eccitazione fotochimica eleva l’elettrone lungo la catena accettrice del PSI (A₀, A₁, centri ferro-zolfo) fino alla ferredossina, che a sua volta riduce NADP⁺ a NADPH per azione della ferredossina–NADP⁺ reduttasi (FNR).

Grazie a questa cooperazione, l’elettrone è spostato termodinamicamente dall’acqua, che trattiene i propri elettroni con un potenziale redox di circa \(E^\circ' \approx +820\ \mathrm{mV}\), al NADPH, che li porta a un potenziale di circa \(E^\circ' \approx -320\ \mathrm{mV}\). La differenza di energia immagazzinata è sufficiente non solo per la riduzione di NADP⁺, ma anche per generare una forza proton-motrice attraverso la membrana tilacoidale. Quest’ultima risulta dalla somma di:

• rilascio di protoni nel lume durante l’ossidazione dell’acqua al PSII;
• pompaggio protonico del complesso citocromo b₆-f durante il ciclo Q;
• consumo di protoni nello stroma per la riduzione di NADP⁺ a NADPH.

La conseguente differenza di pH (tipicamente ΔpH ≈ 3,0) alimenta l’ATP sintasi cloroplastica (CF₀CF₁), che converte l’energia del gradiente in ATP (Figura 05.14-12). Una resa stechiometrica di riferimento per le reazioni fotochimiche lineari è approssimativamente:

\[ 2\,\mathrm{H_2O} + 2\,\mathrm{NADP^+} + 3\,\mathrm{ADP} + 3\,\mathrm{P_i} + \text{luce} \;\rightarrow\; \mathrm{O_2} + 2\,\mathrm{NADPH} + 3\,\mathrm{ATP}. \]

Image Gallery

Movimento degli elettroni e produzione di ATP e NADPH

Il movimento degli elettroni lungo la catena di trasporto degli elettroni alimenta la produzione di ATP e NADPH. Gli elettroni vengono forniti al fotosistema II da un complesso che scinde l’acqua, che estrae quattro elettroni da due molecole di acqua, producendo ossigeno come sottoprodotto. In seguito all’accrescimento della loro energia grazie all’assorbimento della luce, questi elettroni alimentano il pompaggio dei protoni a opera del complesso citocromo b₆-f. Gli elettroni che attraversano questo sistema vengono donati a una proteina contenente rame (il trasportatore plastocianina, pC), che li trasporta al centro di reazione del fotosistema I. In seguito a un ulteriore aumento dell’energia, questi elettroni vengono utilizzati per produrre NADPH.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

Azione combinata dei fotosistemi

L’azione combinata del fotosistema I e II innalza gli elettroni al livello di energia necessario per produrre sia ATP sia NADPH. Il potenziale redox di ogni molecola è indicato dalla sua posizione sull’asse verticale. I trasferimenti di elettroni vengono indicati dalle frecce azzurre rettilinee. Il fotosistema II trasferisce elettroni dalle molecole di clorofilla della coppia speciale eccitata al fotosistema I, attraverso una catena di trasporto di elettroni che si trova nella membrana tilacoidale. Il flusso netto di elettroni attraverso i due fotosistemi collegati in serie va dall’acqua al NADP⁺ e produce NADPH.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Gli eventi fotochimici producono ATP e NADPH nello stroma. Poiché la membrana interna del cloroplasto è sostanzialmente impermeabile a questi nucleotidi, il loro “valore energetico” è trasferito al metabolismo cellulare mediante la sintesi di zuccheri esportabili. Tale processo, che costituisce la fase chimica o oscura della fotosintesi, è la fissazione del carbonio.

La reazione cardine è la carbossilazione del ribulosio 1,5-bisfosfato (RuBP) operata dalla ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi/ossigenasi (Rubisco), un enzima stromatico di grandi dimensioni e tra i più abbondanti in natura. L’equazione complessiva della carbossilazione è:

\[ \mathrm{RuBP} + \mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O} \;\xrightarrow{\text{Rubisco}}\; 2\,\mathrm{3\text{-}fosfoglicerato}. \]

Nonostante la bassa velocità catalitica specifica (circa poche molecole di substrato al secondo), l’elevata concentrazione di Rubisco compensa il limite cinetico, assicurando una notevole capacità di fissazione. La Rubisco richiede attivazione carbamilativa e cofattori metallici; la luce favorisce l’attività attraverso aumenti di pH stromatico e di Mg²⁺, nonché mediante regolazione redox via tioredossina (Figura 05.14-13).

Le reazioni della fissazione costituiscono il ciclo di Calvin-Benson (Figura 05.14-14), che può essere organizzato in tre fasi funzionali:

• carbossilazione: il CO₂ viene incorporato nel RuBP generando 3-fosfoglicerato;
• riduzione: il 3-fosfoglicerato è fosforilato e ridotto a triose fosfato, principalmente gliceraldeide 3-fosfato (G3P), consumando ATP e NADPH;
• rigenerazione: una parte del G3P è riorganizzata per ricostituire il RuBP, richiedendo ulteriore ATP.

Per ogni tre molecole di CO₂ che entrano nel ciclo si ottiene una molecola netta di G3P, al costo di nove ATP e sei NADPH. Il G3P costituisce il precursore per zuccheri superiori, amido, saccarosio, acidi grassi e numerosi metaboliti secondari.

Sul piano energetico, la carbossilazione del RuBP è favorita, mentre il mantenimento del ciclo dipende dall’apporto continuo di energia e potere riducente dalle reazioni alla luce. È utile ricordare che la Rubisco possiede anche attività ossigenasica, che porta alla fotorespirazione con costi energetici; ciononostante, in condizioni di elevata disponibilità di CO₂ e adeguata regolazione stromatica, la via carbossilasica domina.

Poiché ATP e NADPH non possono attraversare la membrana interna, l’energia della luce è “imballata” nel G3P, che viene scambiato con fosfato inorganico attraverso trasportatori specifici della membrana interna, permettendo l’integrazione con il metabolismo citosolico.

Image Gallery

Fissazione del carbonio

La fissazione del carbonio è catalizzata dall’enzima ribulosio bisfosfato carbossilasi, detto anche rubisco. In questa reazione, che avviene nello stroma del cloroplasto, si forma un legame covalente tra l’anidride carbonica e una molecola ricca di energia, il ribulosio 1,5-bisfosfato. Questa unione genera un intermedio chimico che poi reagisce con l’acqua (evidenziato in blu) generando due molecole di 3-fosfoglicerato.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

Ciclo di fissazione del carbonio

Il ciclo di fissazione del carbonio consuma ATP e NADPH per produrre gliceraldeide 3-fosfato a partire da CO₂ e H₂O. Nella prima fase del ciclo (evidenziata in giallo), il CO₂ viene aggiunto al ribulosio 1,5-bisfosfato. Nella seconda fase (evidenziata in rosso) vengono consumati ATP e NADPH per produrre la gliceraldeide 3-fosfato. Nella fase finale (evidenziata in blu), una parte della gliceraldeide 3-fosfato viene usata per rigenerare il ribulosio 1,5-bisfosfato; la restante viene trasportata nel citosol. Il numero di atomi di carbonio di ogni tipo di molecola è indicato in giallo. Ci sono molti intermedi tra la gliceraldeide 3-fosfato e il ribulosio 5-fosfato, che sono stati omessi per maggior chiarezza. Non è mostrato neppure l’ingresso dell’acqua nel ciclo.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Il G3P generato nello stroma può seguire strade metaboliche alternative a seconda dello stato fisiologico della foglia. Durante periodi di intensa illuminazione, una quota significativa è trattenuta nello stroma e convertita in amido tramite l’attivazione dell’ADP-glucosio pirofosforilasi e delle sintasi dell’amido. L’amido, un polimero del glucosio paragonabile al glicogeno animale, si accumula in granuli stromatici e rappresenta una riserva transitoria e modulabile che alimenta la pianta quando l’illuminazione cala.

Un’altra frazione dei triosi fosfato è destinata alla biosintesi lipidica nel plastidio, con produzione di acidi grassi e triacilgliceroli che si accumulano in goccioline lipidiche come riserva energetica e strutturale (Figura 05.14-15). Durante la notte, amido e lipidi vengono mobilizzati: l’amido è degradato a maltosio e glucosio, esportati nel citosol e convertiti in saccarosio o catabolizzati; i lipidi rilasciano acidi grassi che, dopo attivazione, possono contribuire al metabolismo ossidativo.

Gli zuccheri esportati alimentano la glicolisi citosolica, con formazione di piruvato. Il piruvato, insieme ad acidi grassi, entra nei mitocondri dove sostiene il ciclo dell’acido citrico e la catena respiratoria, generando ATP per fosforilazione ossidativa (Figura 05.14-16). L’ATP mitocondriale sostiene i processi energetici del tessuto vegetale in condizioni non fotosintetiche e integra il fabbisogno della cellula in diverse condizioni ambientali.

Il G3P esportato dai cloroplasti alimenta anche la sintesi di disaccaridi, in particolare il saccarosio, prodotto nel citosol attraverso la via del saccarosio-fosfato. Il saccarosio costituisce la principale forma di trasporto dei carboidrati nel floema: muovendosi dai tessuti fonte (foglie) ai tessuti sink (radici, semi, frutti), svolge un ruolo analogo a quello del glucosio nel sangue animale, assicurando una distribuzione capillare del carbonio ridotto a tutto l’organismo vegetale.

Image Gallery

Riserve nei cloroplasti

I cloroplasti spesso contengono grandi riserve di carboidrati e acidi grassi. In questa sezione sottile, osservata in microscopia elettronica, di un singolo cloroplasto sono visibili l’involucro, i grani di amido e le goccioline lipidiche accumulate nello stroma in conseguenza delle biosintesi in corso.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

Image Gallery

Cloroplasti e mitocondri nelle piante

Nelle piante, sia i cloroplasti sia i mitocondri contribuiscono a rifornire le cellule di metaboliti e di ATP. La membrana interna dei cloroplasti è impermeabile all’ATP e al NADPH che vengono prodotti nello stroma durante le reazioni alla luce della fotosintesi. Queste molecole vengono quindi convogliate nel ciclo di fissazione del carbonio, che le consuma per sintetizzare gli zuccheri. Gli zuccheri così ottenuti e i loro metaboliti si accumulano nel cloroplasto, sotto forma di amido, e vengono esportati nella cellula vegetale. Qui possono entrare nel processo generatore di energia che fa capo ai mitocondri, che si conclude con la sintesi di ATP. Le membrane mitocondriali sono permeabili all’ATP, come indicato. Si noti che l’ossigeno rilasciato nell’atmosfera dalla fotosintesi che avviene nei cloroplasti viene riutilizzato per la fosforilazione ossidativa nei mitocondri; allo stesso modo, il CO₂ rilasciato dal ciclo dell’acido citrico nei mitocondri viene utilizzato per la fissazione del carbonio nei cloroplasti.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.