CLOROPLASTI
FOTOSINTESI CLOROFILLIANA
CLOROPLASTI
I 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 permeabilità, uno spazio
intermembrana ed uno spazio racchiuso dalla membrana
interna chiamato stroma.
Nello stroma si trova un’ulteriore membrana: la membrana
tilacoidale. I tilacoidi sono impilati parallelamente a formare
i cosiddetti grana. Questa membrana delimita un altro
spazio all’interno 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.
FOTOSINTESI
Processo 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.
L’E solare è la fonte di tutta
l’ E biologica
La fotosintesi può essere aerobia ed anaerobia.
Nella fotosintesi aerobia è l’H2O il donatore di elettroni e di
protoni per la riduzione della CO2; non solo le piante, ma
anche alcuni batteri fanno avvenire la fotosintesi però in
maniera anaerobia perchè per loro l’O2 è un veleno. La
fotosintesi anaerobia avviene esclusivamente da parte di
alcuni batteri in cui gli elettroni non provengono dall’acqua
ma da composti come ad es. H2S e quindi non producono
O 2.
La fotosintesi clorofilliana è 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 dell’energia solare, utilizzano l’acqua 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
dell’energia
o
fase luminosa (alla
luce) e
-reazioni
di
fissazione
del
carbonio o fase
oscura (che non
richiedono energia solare).
La prima tappa della fotosintesi
è l’assorbimento della luce da
parte dei pigmenti fotosintetici:
la clorofilla, una porfirina
contenente Mg2+ (invece di Fe2+
come nell’Hb), che può 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” l’energia
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” (perchè avvengono in
assenza di luce) l’ATP e l’NADPH vengono utilizzate
per trasformare la CO2 in zuccheri.
La reazione di base della fotosintesi
è:
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 dall’H2O
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 è 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 è detto così perché i pigmenti catturano
l’energia solare e la trasferiscono al centro di reazione.
In definitiva:
l’energia 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:
L’elettrone della clorofilla, eccitato dalla luce, acquista
energia e nel ritornare al suo stato stazionario può:
1. cedere l’energia come luce e calore;
2. trasferire l’energia per risonanza ad una
molecola vicina di clorofilla e
3. il trasferimento di energia è accompagnato
da un trasferimento di elettroni.
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 l’elettrone
alla ferredossina diventa P700+. Questo vuoto
elettronico viene colmato con gli elettroni provenienti
dalla scissione dell’acqua.
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.
All’uscita 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 all’NADPH completando il percorso della via Z.
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 dell’acqua
e dai chinoni vengono pompati dallo stroma allo
spazio tilacoidale generando così un gradiente
elettrochimico protonico, costituito da
differenza di pH (ΔpH) e da una differenza di cariche
genera un potenziale di membrana (Δψ).
una
che
Il gradiente elettrochimico protonico è la forma di
energia utilizzata per fosforilare l’ADP ad ATP (attraverso il
passaggio dei protoni dal lume tilacoidale allo stroma ad opera
dell’enzima CFo-F1 ATP-sintasi.
Il processo appena descritto è detto di fotofosforilazione
non ciclica e per ogni coppia di elettroni che passa
dall’acqua all’NADP+ si sintetizza 1 ATP e 1 NADPH.
Poichè le reazioni di fissazione del C richiedono
molto più ATP che NADPH la fotofosforilazione nei
cloroplasti può passare da non ciclica a ciclica; ciò
si può realizzare perchè gli elettroni provenienti dal
fotosistema I anzichè andare a ridurre l’NADP+
possono essere trasmessi al complesso b6-f
creando un ulteriore pompaggio di protoni nello
spazio tilacoidale sintetizzando altro ATP.
E quindi nel flusso ciclico è 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 dell’enzima che
scinde l’H2O.
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) l’enzima libera O2:
2H2O
4H+ +4e- +O2
Fissazione del carbonio
L’energia chimica ottenuta come ATP e NADPH nella
fase luminosa della fotosintesi viene impiegata nelle reazioni
della fase oscura
per l’organicazione della CO2 per
l’ottenimento degli zuccheri e delle altre molecole organiche.
La fase oscura è detta così perché 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 (3fosfo-gliceraldeide), ADP, Pi e NADP+
Il meccanismo con cui il processo di organicazione della CO2
avviene è illustrato nella prossima figura:
L’organicazione del carbonio, cioè la reazione che
trasforma la CO2 in carboidrati, consiste nel far reagire la
CO2 e l’H2O con ribulosio-1,5-diP per produrre 2 molecole
di 3-Pglicerato ed è catalizzato dalla ribulosiobisPcarbossilasi( RuBisCO) di P.M. 5OO.OOO; questo
enzima costituisce il 50% di tutte le proteine del
cloroplasto, perciò è la proteina più abbondante che si
conosca.
Questa reazione è 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 l’UTP per dare
l’UDP-glucosio.
Quest’ultimo 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 può 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 è il principale polisaccaride accumulato negli
amiloplasti ( ad es. di cereali e tuberi).
Il saccarosio viene secreto in grande quantità nei tubi
cribrosi delle foglie ove richiama acqua per osmosi.
FOTORESPIRAZIONE
Quando la CO2 è presente a bassa concentrazione, al
ribulosio-1,5-diP viene addizionato O2 invece di CO2 e
anzichè 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.
Ciclo dei C4
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 è così elevata da stimolare l’attività
ossigenasica del Ribulosio,1-5diP carbossilasi. Il malato
prodotto diffonde verso strati cellulari in cui la concentrazione di
O2 è più bassa (cellule del fascio) e si scinde in piruvato e CO2
che può entrare nel ciclo dei C3, mentre il piruvato ritorna in
ciclo e si rifosforila a PEP. Il ciclo dei C4 è 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.
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 è inibita dalla cicloeximide mentre la
sintesi proteica degli organuli no.
La sintesi proteica dei mitocondri e dei cloroplasti è inibita
da cloroamfenicolo, tetraciclina ed eritromicina, mentre
quella citosolica non lo è.
Come
si
sintetizzano
mitocondri e cloroplasti?
Solo dalla crescita e divisione di
altri mitocondri e di altri cloroplasti
già esistenti.
Ogni organulo raddoppia la
propria massa e poi si divide. Tale
processo inizia con la formazione
di un solco che si approfonda
sempre più e la divisione avviene
con il raddoppio del DNA
Una caratteristica importante del genoma dei cloroplasti e
dei mitocondri è che esso è costituito da DNA circolare (che
nei mitocondri di cellule vegetali è molto più grande rispetto a
quello dei mitocondri di cellule animali perchè contiene molti
introni). Le principali differenze sono riportate in tabella:
Genoma dei cloroplasti
Il genoma dei cloroplasti è fortemente rassomigliante a
quello dei batteri, esso contiene circa 120 geni che
codificano proteine dei fotosistemi I e II, dell’ATP-sintetasi e
componenti di complessi multienzimatici.