Produzione dei protoni (H+)

1. Un risultato importante del flusso di elettroni dall’acqua al NADP+ è la formazione di un gradiente protonico. • Questo gradiente può essere mantenuto grazie all’impermebilità ai protoni della membrana del tilacoide. • L’energia insita nel gradiente protonico è detta forza motrice protonica

2. Produzione dei protoni (H+)

3. L’assunzione del protone nel processo di riduzione rende lo stroma più basico rispetto al lume dei tilacoidi favorendo la formazione della forza motrice protonica

4. Il movimento degli elettroni produce un gradiente di pH tra lume dei tilacoidi (acido) e stroma (basico) che viene utilizzato come fonte di energia per la sintesi di ATP nello stroma • La forza motrice protonica generata dalle reazioni alla luce è convertita in ATP dall’ATP sintasi dei cloroplasti

5. NADPH e ATP, i prodotti delle reazioni alla luce della fotosintesi, sono entrambi rilasciati nello stroma, in modo da essere utilizzati nelle successive reazioni che avverranno al buio e che convertiranno la CO2 in carboidrati

6. Flusso ciclico di e-: fotofosforilazione ciclica • Quando il rapporto NADPH/NADP+ è molto alto, può accadere che non vi sia sufficiente NADP+ per accettare gli e- provenienti dalla ferredossina ridotta. In tal caso gli e- provenienti dalla ferredossina sono trasferiti a ritroso al complesso del citocromo bf anziché al NADP+ riducendo la plastocianina che viene quindi riossidata dal P700* per completare il ciclo. Il risultato netto di questo flusso ciclico di e- è il pompaggio di protoni da parte del citocromo bf. Il gradiente protonico che ne risulta fornisce l’energia per la sintesi di ATP indipendentemente dalla formazione di NADPH. • Il PSII non partecipa alla fotofosforilazione ciclica e quindi non si forma O2 da H2O

7. Esiste una via alternativa alla via Z, per gli elettroni che arrivano dal centro di reazione P700 del fotosistema I, che aumenta la versatilità della fotosintesi.L'elettrone ad alto potenziale della ferrodossina Fd può essere trasferito al citocromo bf (invece che a NADP+) e ritornare alla forma ossidata del P700 attraverso la plastocianina PC. Il flusso di elettroni pompa protoni nel lume del tilacoide. In questo processo viene generato ATP senza la formazione contemporanea di NADPH.Il PSII non partecipa alla fotofosforilazione ciclica; questa avviene quando non vi è più NADP+ per accettare elettroni dalla ferrodossina ridotta.

8. Struttura ADP-ATP • L’ATP è un trasportatore di energia

9. STRUTTURA DELL’ATP SINTASI • L’ATP sintasi è una pompa protonica detta anche complesso CF1-CF0. • CF0 è localizzato all’interno della membrana del tilacoide mentre CF1 si trova sul versante stromale della membrana del tilacoide • I protoni attraversano la membrana del tilacoide attraverso CF0, mentre CF1 catalizza la formazione di ATP da ADP e Pi. • L’ATP neosintetizzato è rilasciato direttamente nello stroma

11. La subunità polipeptidica F1 è costituita da tre subunità proteiche α 3 subunità proteiche β, organizzate in dimeri α-β disposte come gli spicchi di un'arancia. Al centro vi è la subunità γ che si collega alla struttura della porzione F0.Associate a F1 vi sono altre subunità, δ ed ε.

12. La porzione Fo è costituita da una subunità a, 2 subunità b e 10 subunità c organizzate queste ultime come un mazzetto di fiammiferi. Il passaggio dei protoni attraverso il canale creato dalle subunità c della F0 determina la rotazione della subunità γ che a sua volta provoca il cambiamento conformazionale contemporaneo dei 3 dimeri α-β e la sintesi di ATP.

18. La catalisi rotazionale è il meccanismo catalitico usato nella sintesi di ATP da parte dell'enzima ATP sintasi, proposto da Boyer nel 1993. Futai nel 1999 dimostrò sperimentalmente la rotazione del cilindro c che compie scatti di 120°. • L'energia liberata dal rientro dei protoni causa la rotazione delle subunità dell'ATP sintasi.

19. Sulla porzione F1 vi sono 3 siti attivi che catalizzano a turno la sintesi di ATP: uno di questi siti si trova in conformazione β-ATP (che lega ATP), un altro in β-ADP e l'ultimo sito in β-vuoto (incapace di legare ATP). La forza motrice protonica provoca la rotazione dell'asse centrale c che entra in contatto con le subunità β. Ciò causa una modifica conformazionale cooperativa in cui il sito β-ATP viene convertito in β-vuoto rilasciando ATP; quindi il sito β-vuoto passa in conformazione β-ADP che lega debolmente ADP e gruppo fosfato dal solvente e per ultimo il sito β-ADP viene convertito nella conformazione β-ATP a promuovere la condensazione di ADP e Pi.

20. Modello del cambiamento conformazionale

21. ATP-sintasi,quella del cloroplasto è attiva solo alla luce stroma matrice spazio intermembrana lumen

22. I protoni fluiscono all’esterno del lume, nello stroma, attraverso l’ATP sintasi

23. Fotofosforilazione • e- e protoni di muovono vettorialmente nella fase luminosa . Complessi proteina-clorofilla orientati nei tilacoidi in modo che il trasporto elettronico sia orientato verso l’esterno e i protoni liberati verso l’interno (lume). • H+ provengono da : • Fotolisi dell’acqua • PQB accetta H+ dallo stroma prima di lasciare PSII • PQ mobile trasporta H+ da stroma a lume • NADP+ prende protoni dallo stroma per passare nella forma ridotta (quandoNADP+ è insufficiente fotofosforilazione ciclica) • L’accumulo di protoni nel lume con il trasferimento di elettroni aumenta il potenziale del tilacoide verso l’interno costituendo un • gradiente di potenziale chimico in grado di compiere lavoro, che viene energeticamente associato alla sintesi di ATP (fotofosforilazione)

24. Al flusso di elettroni è accoppiata la formazione di un gradiente di protoni attraverso la membrana.

25. Teoria chemiosmotica per la sintesi di ATP (presupposti) - Membrana Chiusa Asimmetrica Impermeabile agli ioni - Presenza di un flusso di e- - Presenza di un sistema enzimatico (ATP-asi)

26. Le reazioni alla luce trasformano l’energia luminosa in ATP e potere riducente sotto forma di NADPH. • La seconda parte della fotosintesi utilizza queste materie prime per ridurre il C della CO2 in zuccheri. • Le reazioni al buio sono dette ciclo di Calvin

27. Nella prima parte della fotosintesi i fotosistemi I e II hanno prodotto un quantitativo di ATP e NADPH tale da riuscire ad ossidare un quantitativo sufficiente di molecole di anidride carbonica. Il risultato finale della seconda parte di reazioni fotosintetiche è la creazione di composti ad alta energia come gli zuccheri.

28. Il ciclo di Calvin • Si compone di tre fasi: • 1 fissazione della CO2 nella molecola di ribulosio 1,5-bifosfato a formare 2 di 3-fosfoglicerato • 2 riduzione del 3-fosfoglicerato a formare zuccheri a 6 atomi di C • 3 rigenerazione del ribulosio 1,5-bifosfato

29. La fase 1 è fortemente esoergonica ed è catalizzata dalla ribulosio 1,5 bifosfato carbossilasi/ossigenasi detta rubisco, un enzima localizzato sulla superficie stromale delle membrane tilacoidali dei cloroplasti

30. Struttura della rubisco L8S8 La rubisco è formata da 8 grandi subunità (L) e da 8 subunità piccole (S). I siti attivi sono localizzati nelle subunità grandi, mentre le catene S potenziano l’attività catalitica delle catene L. E’ l’enzima più abbondante nelle piante e probabilmente la proteina più abbondante nella biosfera. E’ presente in quantità rilevanti in quanto è un enzima inefficiente: agisce lentamente.

31. Fase 1e fase 2

32. Poiché il primo composto stabile che si forma dopo la fissazione della CO2, il PGA, contiene 3 atomi di carbonio, il ciclo di Calvin-Benson viene anche chiamato ciclo C3.

33. Fase 2: riduzione • Il 3-fosfoglicerato viene convertito in 1,3-difosfoglicerato poi ridotto a gliceraldeide 3-fosfato (GAP). 2 GAP formano poi il fruttosio 1,6-bifosfato, poi trasformato in un pool dell’esosio monofosfato (glucosio 1-fosfato, glucosio 6-fosfato e fruttosio 6-fosfato). • Queste reazioni convertono la CO2 in un esoso a spese del NADPH e dell’ATP generati nelle reazioni alla luce

35. FORMAZIONE DELL’ESOSO FOSFATO Pool di esosio monofosfato 1 fruttosio 1,6-bifosfato 2 gliceraldeide 3-fosfato diidrossi acetone fosfato 2 NADP+ 2 NADPH 2 1,3-bifosfoglicerato 2 ADP 2 ATP 2 3-fosfoclicerato

36. Fase 3: rigenerazione • Bisogna rigenerare il ribulosio 1,5-bifosfato che è l’accettore di CO2 della fase 1. • Il problema è che bisogna sintetizzare uno zucchero a 5 atomi di C a partire da uno zucchero a 6 atomi del pool dell’esosio monofosfato e da una molecola a 3 atomi di C come la gliceraldeide 3-fosfato. • Questo processo di riordinamento degli atomi di C avviene principalmente grazie a una transchetolasi e di una transaldolasi. Con questi enzimi avviene la costruzione dello zucchero a 5 atomi di C.

37. Reazione globale della fase 3 • Fruttosio 6-fostato + 2 gliceraldeide 3-fosfato + diidrossiacetone fosfato + 3 ATP • 3 ribulosio 1,5 bifosfato + 3 ADP

39. Il ciclo di Calvin è un processo che richiede energia, ma quanta? Per poter dare una risposta possiamo fare passo passo le reazioni del ciclo di Calvin ipotizzando, come base, tre molecole di ribulosio-1,5-bisfosfato. Con tre molecole di questo zucchero bisostituito si generano sei molecole di 3-fosfoglicerato che necessitano di sei molecole di ATP per essere trasformate in 1,3-bisfosfoglicerato, usando quindi una molecola di ATP per singola molecola di 3-fosfoglicerato. Le sei molecole di 1,3-bisfosfoglicerato per essere ridotte a 6 molecole di gliceraldeide 3-fosfato necessitano di 6 molecole di NADPH, anche qui una molecola di NADPH per singola molecola di 1,3-bisfosfoglicerato ridotta. Di queste sei molecole di gliceraldeide-3-fosfato una sola servirà per la sintesi di zuccheri mentre le rimanenti cinque provvederanno alla rigenerazione di tre molecole di ribulosio-1,5-bisfosfato usando altre tre molecole di ATP. Facendo le dovute somme per rigenerare 3 molecole di ribulosio-1,5-bisfosfato e per rendere disponibile una molecola di gliceraldeide-3-fosfato per le vie biosintetiche sono necessarie 9 molecole di ATP e 6 di NADPH.

40. ATP e NADPH prodotti nelle reazioni luminose essenziali per produrre CO2

41. Il ciclo di Calvin è regolato dalle condizioni ambientali • La rubisco è uno degli enzini più importanti per la vita in quanto fornisce molecole di C organico per l’intera biosfera. Però questo enzima può catalizzare reazioni collaterali dispendiose: talvolta reagisce con l’O2 invece che con la CO2 catalizzando una inutile reazione ossigenasica che si chiama fotorespirazione perché viene consumato O2 e rilasciata CO2. • Questa reazione è uno spreco perché il carbonio organico viene convertito in CO2 senza la produzione di ATP o NADPH.

42. L’attività ossigenasica della rubisco aumenta più rapidamente con la T di quanto non faccia l’attività carbossilasica andando a costituire un problema per le piante tropicali. • Quindi come fanno le piante che crescono in climi caldi a impedire che la fotorespirazione avvenga a velocità elevate?

43. La via del C4 delle piante tropicali

44. FOTOSINTESI NELLE PIANTE C4 Esempio di adattamento all’ambiente di piante di famiglie tropicali e subtropicali (mais, sorgo, canna da zucchero, erbe infestanti). Presenta i seguenti vantaggi: velevate rese fotosintetiche velevata crescita vbassa fotorespirazione vbassa perdita di acqua

45. In ambienti tropicali alte T piccola apertura degli stomi  Concentrazione di CO2 inferiore  intervento PEP carbossilasi

46. Piante C4 hanno una struttura fogliare non comune. ANATOMIA DI KRANZ= doppia corona di cellule intorno ai vasi. Corona + interna  cellule della guaina del fascio Corona + esterna  cellule del mesofillo Entrambe le cellule hanno cloroplasti, ma quelle della guaina normalmente con pochi grana. Il ciclo di Calvin si ha prevalentemente nelle cellule della guaina del fascio, mentre nelle cellule del mesofillo si producono ATP e NADPH necessari per formare malato (aspartato) e PEP.

47. La via del C4 inizia in una cellula del mesofillo con la condensazione della CO2 con il fosfoenolpiruvato (PEP) a formare ossalacetato in una reazione catalizzata dalla fosfoenolpiruvato (PEP) carbossilasi. • L’ossalacetato è poi convertito in malato da una malato deidrogenasi NADP+ dipendente. • Il malato entra poi nelle cellule della guaina del fascio dove è decarbossilato ossidativamente da una malato deidrogenasi NADP+ dipendente. • La CO2 rilasciata entra nel ciclo di Calvin nel modo consueto reagendo con il ribulosio 1,6-difosfato. • Il piruvato che si forma in questa reazione ritorna alla cellula del mesofillo formando fosfoenolpiruvato ad opera della piruvato-Pi chinasi

48. La via del C4 inizia in una cellula del mesofillo con la condensazione della CO2 con il fosfoenolpiruvato a formare ossalacetato in una reazione catalizzata dalla fosfoenolpiruvato carbossilasi. • L’ossalacetato è poi convertito in malato da una malato deidrogenasi NADP+ dipendente. • Il malato entra poi nelle cellule della guaina del fascio dove è decarbossilato ossidativamente da una malato deidrogenasi NADP+ dipendente. • La CO2 rilasciata entra nel ciclo di Calvin nel modo consueto reagendo con il ribulosio 1,6-difosfato. • Il piruvato che si forma in questa reazione ritorna alla cellula del mesofillo formando fosfoenolpiruvato ad opera della piruvato-Pi chinasi

50. Piruvato dichinasi catalizza la fosforilazione del piruvato mediante scissione pirofosforica con consumo di 2 ATP impiegando anche gli enzimi pirofosfatasi e adenilato chinasi.