La fotosintesi: un sistema redox per la vita

La fotosintesi è il processo che permette all’energia fornita dal Sole di entrare come energia chimica nei sistemi viventi. Mediante la fotosintesi l’energia solare viene utilizzata per convertire molecole a basso contenuto energetico come il biossido di carbonio e l’acqua in prodotti ad alto contenuto energetico come il glucosio. Il processo globale può essere così schematizzato:

Nhν

6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2

Dove h è la costante di Planck, ν è la frequenza della radiazione luminosa e N il numero di Avogadro. Pertanto il fattore Nhν indica l’energia associata alla radiazione che colpisce le foglie. Questo processo avviene nei cloroplasti, organelli cellulari abbastanza simili ai mitocondri. Un cloroplasto è circondato da una doppia membrana che racchiude un mezzo semifluido, lo stroma. Immerso nello stroma vi è un sistema di membrane ripiegate in modo da costituire una sorta di sacchetti discoidali, detti tilacoidi. La struttura del cloroplasto si può vedere in figura:

 

cloro_foglia

I tilacoidi sono impilati a gruppi, gli uni sugli altri, in strutture cilindriche dette grana. Al microscopio elettronico si scorgono inoltre sulla superficie esterna della membrana dei tilacoidi escrescenze globulari del tutto simili a quelle visibili sulla superficie interna delle creste dei mitocondri. Le sostanze colorate, o pigmenti, che rendono possibile la fotosintesi sono contenute nello spessore della membrana dei tilacoidi. Tali pigmenti sono costituiti da clorofilla, in prevalenza verdi; da carotenoidi che possono essere gialli, rossi, porpora; da xantofille prevalentemente gialle; da ficobiline blu e rosse. Nella trasportatrici di elettroni membrana dei tilacoidi, gruppi di questi pigmenti formano, assieme a una catena fotosintetica, ossia a una sequenza di molecole, dei sistemi altamente organizzati denominati foto sistemi. Esistono due tipi di foto sistemi chiamati rispettivamente foto sistema I e foto sistema II. Ogni foto sistema consiste di:

  • Un insieme di circa 300 molecole di clorofilla e altri pigmenti, chiamati pigmenti antenna, perché hanno il compito di assorbire le radiazioni luminose e di convogliarne l’energia verso un centro di reazione associato a una proteina
  • Una catena fotosintetica, adiacente al suddetto insieme (della catena fotosintetica fanno parte molecole trasportatrici, come i citocromi, simili a quelli che fanno parte della catena respiratoria)

Nel centro di reazione di ogni foto sistema si trova una particolare molecola di clorofilla, sostanza chiave della fotosintesi, in corrispondenza della quale l’energia della luce viene trasformata in energia chimica. I centri di reazione dei due tipi di foto sistemi (I e II) assorbono differenti lunghezze d’onda.
La clorofilla del centro di reazione del foto sistema I viene denominata P700 per indicare che assorbe onde luminose con lunghezza d’onda di 700 nm; mentre la clorofilla del centro di reazione del foto sistema II viene denominata P680 perché assorbe onde luminose con lunghezza d’onda di 680 nm . I due foto sistemi sono strettamente associati fra loro. L’insieme delle numerose reazioni, catalizzate da enzimi, che costituiscono la fotosintesi può essere suddiviso in due fasi, denominate rispettivamente fase luminosa e fase  oscura.
Nelle reazioni della fase luminosa, i due foto sistemi della membrana dei tilacoidi catturano l’energia luminosa e convertono parte di essa in energia chimica di molecole trasportatrici di energia, l’ATP e il NADPH. Quest’ultimo differisce dal NADH per un gruppo fosfato in più legato a uno dei gruppi –OH del ribosio.  Nelle reazioni della fase oscura, enzimi presenti nello stroma utilizzano l’energia dell’ATP e del NADPH, prodotti nella fase luminosa, per realizzare la sintesi del glucosio.

La fase luminosa: nella fase luminosa vengono prodotti ATP e NADPH. Per comprendere gli eventi della fase luminosa può essere utile individuare analogie e differenze con la fosforilazione ossidativa:

  • Entrambi i processi avvengono nello spessore di membrane biologiche: la fosforilazione ossidativa nella membrana interna dei mitocondri; le reazioni della fase luminosa nella membrana dei tilacoidi e dei cloroplasti
  • Nel corso della fosforilazione ossidativa, gli elettroni e gli ioni H+ provenienti dal metabolismo ossidativo e trasportati dal NADH, vengono ceduti a una catena respiratoria: attraverso questa, gli elettroni vengono trasferiti all’ossigeno che si riduce a ione ossigeno O2-, che si combina con due ioni H+ del mezzo ambiente, formando H2O secondo la reazione:

½ O2 + 2 e + 2 H+ → H2O

Contemporaneamente, gli ioni H+ vengono pompati dalla matrice al compartimento esterno del mitocondrio: si forma così una differenza di concentrazione di ioni H+ che costituisce una fonte di energia potenziale, utilizzata per fosforilare l’ADP in ATP. Inoltre al momento in cui alimenta la catena respiratoria il NADH si ossida a NAD+. Nel corso delle reazioni della fase luminosa avviene praticamente l’inverso: due elettroni e due ioni H+ vengono allontanati da una molecola di H2O per cui l’ossigeno viene ossidato a ossigeno elementare, secondo la reazione:

H2O→ 2 e + 2 H+ + ½ O2

Questa scomposizione dell’acqua, che avviene grazie all’energia della luce, viene denominata fotolisi.
L’ossigeno che si forma nella fotolisi si libera come prezioso sottoprodotto del processo foto sintetico. Gli ioni H+ che si formano nella fotolisi restano in soluzione nel mezzo ambiente, mentre gli elettroni vengono avviati, attraverso i due foto sistemi e le relative catene foto sintetiche, verso una molecola di NADP+, che viene ridotta, anche con l’intervento di H+ a NADPH.
Contemporaneamente, lungo una delle catene foto sintetiche, gli ioni H+ vengono pompati dallo stroma al lume interno dei tilacoidi: si forma così una differenza di concentrazione di ioni H+ che costituisce una differenza di energia potenziale, utilizzata per trasformare l’ADP in ATP. Questo processo avviene ad opera dell’enzima ATP fosforilasi, che fa parte di un sistema canale-enzima, del tutto analogo a quello osservabile nei mitocondri, e che corrisponde alle escrescenze presenti sulla superficie esterna della membrana dei tilacoidi. Nel caso dei cloroplasti, dato che la produzione di ATP avviene grazie all’energia della luce, il processo di formazione di questa sostanza viene denominato fosforilazione

  • Il NAD+ prodotto dalla fosforilazione ossidativa viene riutilizzato per la demolizione del glucosio; viceversa il NADPH prodotto nelle reazioni della fase luminosa viene utilizzato per la sintesi del glucosio
  • Nella catena respiratoria della fosforilazione ossidativa, si ha un processo interamente “ in discesa”: le molecole trasportatrici di elettroni sono disposte, infatti, secondo valori crescenti del potenziale di riduzione e gli elettroni vengono facilmente trasferiti da una molecola all’altra della catena, fino all’accettore finale l’ossigeno. Nella sequenza costituita dai due foto sistemi e dalle due annesse catene fotosintetichie, si ha una situazione meno semplice, come mostra lo schema:

chemistry

che, per la sua forma , è tradizionalmente denominato schema Z. Lo schema Z è essenzialmente un grafico dell’andamento dell’energia libera lungo i due foto sistemi e le relative catene foto sintetiche. Osservando la figura si può notare che nel caso dei cloroplasti, gli elettroni devono trasferirsi complessivamente “contro corrente”.

Infatti anche se le due catene foto sintetiche della sequenza sono in discesa, il percorso completo degli elettroni prevede uno spostamento dall’acqua, che, avendo E°= + 0.82 V, li trattiene fortemente, al NADP+, che ha E°= – 0.32 V. la differenza tra questi due valori  comporta per gli elettroni un salto di [ 0.82 –(-0.32)]= 1.14 V, che può essere compiuto solo con un sufficiente apporto di energia libera dall’ambiente.
L’unica fonte praticamente illimitata di energia libera è il Sole: i cloroplasti provvedono a catturarne quanta ne occorre mediante i pigmenti antenna dei foto sistemi I e II. Fatte queste premesse, possiamo esaminare più in dettaglio il funzionamento dei due foto sistemi. Può essere utile a tal fine, seguire il percorso degli elettroni, dalla molecola di H2O al NADP+, tenendo conto della disposizione dei vari componenti nella membrana di un tilacoide. Quando un fotone, convogliato dai pigmenti antenna, raggiunge la molecola di clorofilla che costituisce il centro di reazione del foto sistema II, la sua energia si trasforma in energia chimica, in quanto viene assorbita da uno degli elettroni della molecola di clorofilla.

L’elettrone così eccitato abbandona la molecola di clorofilla e viene catturato dalla prima molecola trasportatrice dell’adiacente catena fotosintetica. La molecola di clorofilla, privata dell’elettrone, resta in un stato ossidato, avido di elettroni. Mediante un meccanismo enzimatico essa recupera un elettrone da una molecola di acqua presente nel lume interno del tilacoide, dopo di che è pronta a svolgere nuovamente la sua funzione di centro attivo. Man mano che l’elettrone passa da un trasportatore all’altro, lungo la catena, perde l’energia in più fornitagli dal fotone. In figura:

 

Reazioni luce-dipendenti

Si può osservare che uno dei trasportatori di questa prima catena fotosintetica, oltre a trasferire l’elettrone al trasportatore successivo, pompa uno ione H+ dallo stroma al lume interno del tilacoide. Una volta giunto al termine della prima catena fotosintetica, l’elettrone ormai a un livello molto basso di energia libera viene trasferito al foto sistema I. Ciò, tuttavia, è possibile solo se la molecola di clorofilla nel centro di reazione P700 si trova allo stato ossidato, cioè è stata a sua volta raggiunta da un fotone che l’ha privata di un elettrone eccitandolo.

Pertanto, mentre la molecola di clorofilla nel centro di reazione P680 viene ridotta da un elettrone proveniente da una molecola di acqua, quella del centro di reazione P700 viene ridotta dall’elettrone proveniente dal centro di reazione P680.
Il viaggio attraverso la seconda catena fotosintetica dell’elettrone che ha lasciato il foto sistema I ha come unico scopo la riduzione di una molecola di NADP+ a NADPH. In sintesi, la serie di eventi descritti può essere vista come un unico processo in cui gli elettroni fluiscono, per azione dell’energia luminosa dall’acqua al NADP+. Nella fase oscura che segue l’energia delle molecole di ATP e di NADPH prodotte nella fase luminosa viene utilizzata per sintetizzare il glucosio a partire da biossido di carbonio.
La denominazione fase oscura riferita alla serie di reazioni necessarie per il completamento della fotosintesi non sta ad indicare che le reazioni debbano avvenire al buio, ma piuttosto che esse possono avvenire anche in assenza di luce. Infatti questa seconda fase del processo foto sintetico non richiede l’intervento della luce: le molecole di ATP e NADPH prodotte nella fase luminosa forniscono l’energia e i reagenti necessari per ultimare il processo foto sintetico, anche se quest’ultimo è fortemente endoergonico. Le reazioni della fase oscura fanno parte di un ciclo detto ciclo di Calvin che si svolge nello stroma del cloroplasto, uno zucchero a cinque atomi di carbonio il ribulosio-1,5-difosfato, reagisce con il biossido di carbonio dell’atmosfera come mostra lo schema in figura:

Calvinciclo

La reazione tra una molecola di ribulosio-1,5-difosfato e una molecola di CO2 è catalizzata dall’enzima ribulosio-difosfatocarbossilasi denominato più sinteticamente Rubisco. Il composto a sei atomi di carbonio che si forma dalla reazione del ribulosio-1,5-difosfato con il biossido di carbonio è fortemente instabile e si scinde immediatamente in due molecole di tre atomi di carbonio ciascuna; queste vengono trasformate, attraverso le due successive reazioni del ciclo in due molecole di gliceraldeide-3-fosfato. Da due molecole di gliceraldeide-3-fosfato si può formare, mediante una via metabolica che è esattamente il contrario di quella della glicolisi una molecola di glucosio. Dalla gliceraldeide-6-fosfato si possono ottenere, attraverso le opportune vie metaboliche, anche grassi e proteine, e, in particolare il piruvato che entra nei mitocondri per la respirazione cellulare. Parte della gliceraldeide-6-fosfato che si forma nel ciclo di Calvin viene, tuttavia, utilizzata per risintetizzare il ribulosio-1,5-difosfato, in mancanza del quale il ciclo non potrebbe procedere. Ad ogni ciclo viene fissata una molecola di CO2, per cui per sintetizzare una molecola di glucosio, occorre che il ciclo sia percorso sei volte. Per produrre una molecola di glucosio e per ricostituire il ribulosio-1,5-difosfato il ciclo di Calvin consuma 18 ATP e 12 NADPH. Pertanto l’equazione generale del ciclo di Calvin è:

6 CO2 + 6 H2O + 12 H+ + 18 ATP + 12 NADPH → C6H12O6 + 18 Pi + 18 ADP + 12 NADP+

 

 

 

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Author: Chimicamo

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