Il fotosistema I e la produzione di NADPH PDF

Il fotosistema I e la produzione di NADPH Il centro di reazione del fotosistema I è un grande complesso formato da molte subunità, il suo nucleo è formato da 100 molecole di clorofilla. I pigmenti interna del nucleo formula una sfera che circonda i cofattori di trasferimento elettronico, posti al c...

Il fotosistema I e la produzione di NADPH Il centro di reazione del fotosistema I è un grande complesso formato da molte subunità, il suo nucleo è formato da 100 molecole di clorofilla. I pigmenti interna del nucleo formula una sfera che circonda i cofattori di trasferimento elettronico, posti al centro del complesso. Il fotosistema I media il trasferimento degli elettroni alla ferredossina (ferro- zolfo proteina idrosloubile), la quale sarà utilizzata per produrre potere riducente: NADPH + H+. Oltre a produrre potere riducente la ferredossina è utilizzata in altre funzioni nel cloroplasto, compreso fornire equivalenti di riduzione per ridurre il nitrato e regolare alcuni degli enzimi della fissazione del carbonio. L’enzima atp sintasi cf0-cf1 del cloroplasto Enzima localizzato prevalentemente nelle lamelle stromatiche. Composto da una porzione integrale di membrana (CF0) e una nello stroma (CF1) Il passaggio di protoni provoca la rotazione di CF0. L’energia della rotazione viene usata per la sintesi di ATP da CF1 nello stroma. 14 protoni →1 rotazione →3 ATP. 15-Fotosintesi:il ciclo di Calvin -Benson La via autotrofa più importante di fissazione della CO2 autotrofa è il ciclo di Calvin-Benson, che si trova in tutti gli eucarioti fotosintetici e localizzato nello stroma del cloroplasto. Ricorda Il ciclo di Calvin non usa direttamente l’energia luminosa, ma ne è regolato. Questa via metabolica riduce lo stato di ossidazione del carbonio dal valore più elevato, che si trova nella CO2 (+4), ai livelli presenti in zuccheri. Infatti, per poter assimilare la CO2 è necessario abbassare lo stato di ossidazione del carbonio, attraverso ATP e NADPH. È anche definito come il ciclo riduttivo dei pentosi fosfati.  Il ciclo di Calvin è composto da 3 fasi: carbossilazione, riduzione e rigenerazione FASE 1 – CARBOSSILAZIONE 3 molecole di CO2 e 2 di H2O reagiscono con 3 molecole di ribulosio 5-fosfato per formare 6 molecole di 3-fosfoglicerato. Questa reazione è catalizzata dall’enzima RuBisCO e procede in due tappe, la carbossilazione e l’idrolisi.  La reazione di carbossilazione implica l’addizione della CO2, all’atomo di carbonio in 2 (C-2) del ribulosio 1,5 difosfato per formare un composto intermedio instabile legato all’enzima, il 2-carbossil-3-chetoarabitinolo-1,5- difosfato, che a sua volta viene idrolizzato per formare 2 molecole di prodotto stabile, l’acido-3-fosfoglicerico, “superiore” e “inferiore”. FASE 2- RIGENERAZIONE Al fine di evitare l’esaurimento delle sostanze intermedie del ciclo di Calvin, la continua assimilazione di CO2 atmosferica richiede la rigenerazione costante dell’accettore della CO2, il ribulosio 1,5-bifosfato. Questo processo avviene in 9 fasi che sono esplicate nell’immagine seguente e a pagina 137-138 del libro. Nella prima fase del ciclo di Calvin, una molecola CO2 viene incorporata in una delle due molecole a tre atomi di carbonio (gliceraldeide 3-fosfato o G3P), dove utilizza due molecole di ATP e due molecole di NADPH, che era stato prodotto nella fase dipendente dalla luce. I tre passaggi coinvolti sono: Fase 1 del ciclo di Calvin (i cerchi neri rappresentano gli atomi di carbonio) e fasi 2 e 3 combinate: 1. L'enzima RuBisCO catalizza la carbossilazione del ribulosio-1,5-bisfosfato, RuBP, un composto a 5 atomi di carbonio, mediante anidride carbonica (per un totale di 6 atomi di carbonio) in una reazione in due fasi. Il prodotto del primo passaggio è il complesso enediol-enzima che può catturare CO2 o O2. Pertanto, il complesso enediolo-enzima è la vera carbossilasi/ossigenasi. Il CO2 catturato dall'enediolo nella seconda fase produce un composto instabile a sei atomi di carbonio chiamato 2-carbossi 3-cheto 1,5-bifosforibotolo (CKABP) (o 3-cheto-2-carbossiarabinitolo 1,5- bisfosfato) che per idrolisi utilizzando 1 molecola d'acqua si scinde immediatamente in 2 molecole di 3-fosfoglicerato (scritto anche come acido 3-fosfoglicerico, PGA, 3PGA o 3-PGA), un composto a 3 atomi di carbonio. 2. L'enzima fosfoglicerato chinasi catalizza la fosforilazione del 3-PGA da parte dell'ATP (prodotto nella fase dipendente dalla luce). 1,3- Bisfosfoglicerato (glicerato-1,3-bisfosfato) e ADP sono i prodotti. (Tuttavia, nota che vengono prodotti due 3-PGA per ogni CO2 che entra nel ciclo, quindi questo passaggio utilizza due ATP per CO2 fisso.)  3. L'enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi catalizza la riduzione di 1,3BPGA da parte del NADPH (che è un altro prodotto dello stadio fotodipendente). Viene prodotta la gliceraldeide 3-fosfato (chiamata anche G3P, GP, TP, PGAL, GAP) e il NADPH stesso viene ossidato e diventa NADP+. Ancora una volta, vengono utilizzati due NADPH per CO2 fisso. Fase di rigenerazione del ciclo di Calvin La fase successiva del ciclo di Calvin è la rigenerazione del RuBP. Cinque molecole di G3P producono tre molecole di RuBP, utilizzando fino a tre molecole di ATP. Poiché ogni molecola CO2 produce due molecole di G3P, tre molecole CO2 producono sei molecole di G3P, di cui cinque sono utilizzate per rigenerare RuBP, lasciando un guadagno netto di una molecola di G3P per tre CO2 molecole (come ci si aspetterebbe dal numero di atomi di carbonio coinvolti). →Ciclo C3 semplificato con formule di struttura Possiamo quindi affermare che i trioso fosfati si formano nelle fasi di carbossilazione e riduzione del ciclo di Calvin-Benson a spese dell’energia, ATP, e di equivalenti riducenti, NADPH, generati nelle membrane dei tilacoidi dei cloroplasti. Il bilancio netto della reazione è il seguente: 3𝐶𝑂2 + 5𝐻2 𝑂 + 6𝑁𝐴𝐷𝑃𝐻 + 9𝐴𝑇𝑃 → 𝑔𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑑𝑒 − 3 − 𝑓𝑜𝑠𝑓𝑎𝑡𝑜 + 6𝑁𝐴𝐷𝑃 + + 3𝐻 + + 9𝐴𝐷𝑃 + 8𝑃𝑖 La rubisco Nei cloropalasti vegetali la rubisco consiste di 8 subunità grandi e 8 piccole. I 4 lobi visibili nella struttura contengono ciascuno una subunità grande e una piccola. Le subunità piccole sono colorate in rosso, mentre le subunità grandi sono colorate in blu e verde, in modo da mostrare le interfacce dei dimeri. La rubisco, di cui si dice spesso che sia la più abbondante proteina sulla terra, costituisce fino alla metà del contenuto proteico dello stroma cloroplastico. L'attività della rubisco aumenta alla luce. La rubisco svolge un ruolo critico nel ciclo del carbonio della biosfera, tuttavia, il suo tasso catalitico è estremamente lento. Questa caratteristica paradossale è stata chiarita quando si è scoperto che la rubisco, prima di essere utilizzata come catalizzatore, deve essere attivata. La CO2 gioca un doppio ruolo nell'attività della rubisco, essa partecipa alla trasformazione dell'enzima dalla forma inattiva a quella attiva (modulazione) ed è il substrato per la reazione di carbossilazione. Come modulatore la CO2 reagisce lentamente con il gruppo amminico, di cui una specifica lisina all'interno del sito attivo della Rubisco. Il carbammato risultante che ne deriva si lega poi rapidamente al Mg2+ per rendere l'enzima attivo. La regolazione della Rubisco avviene a diversi livelli: Le subunità piccole codificate da geni nucleari vengono prodotte in risposta alla luce grazie a un segnale mediato da un fotorecettore. La Rubisco attivasi in presenza di ATP stacca zuccheri fosfati inibitori liberando un gruppo NH2(Lys). La CO2funziona come attivatore : carbammilazione del NH2. L’attività dell’enzima è influenzata da pH e disponibilità di Mg2+. La luce regola il ciclo di Calvin -Benson attraverso il sistema ferredossina- tioredossina. Questo sistema lega il segnale luminoso percepito dalle membrane tilacoidali all'attività degli enzimi dello stroma del cloroplasto. L'attivazione di enzimi del ciclo riduttivo dei pentoso fosfati inizia alla luce con la riduzione della ferredossina tramite la catena di trasporto di elettroni della fotosintesi (PSII+PSI). La ferredossina ridotta e due protoni sono utilizzati per ridurre un legame disolfuro cataliticamente attivo(-S-S-) del ferro-zolfo enzima ferredossina-tioredossina reduttasi, che a sua volta riduce il legame disolfuro altamente specifico (-S-S-) della proteina regolatrice tioredossina. La forma ridotta (-SH HS-) della tioredossina riduce quindi un legame disolfuro critico (regolatore) dell'enzima bersaglio, scatenando la conversione nello stato cataliticamente attivo. In questo stato, l'enzima bersaglio catalizza la trasformazione di substrati in prodotto. Al buio, la formazione del legame disolfuro della tioredossina porta la forma ridotta (-SH HS-) dell'enzima alla forma ossidata (-S-S-), con la perdita contemporanea dell'attività. Un enzima del ciclo ossidativo di pentosi fosfati, la glucosio-6-fosfato deidrogenasi, che è attiva nello stato ossidato (al buio) viene disattivato dopo la riduzione tramite tioredossina. LE TIOREDOSSINE SONO IN GR ADO DI MODULARE L’ATTIVITà DI ENZIMI DEL CICLO DI CALVIN-BENSON COORDINANDOLO CON LE REAZIONI ALLA LUCE DELLA FOTOSINTESI.