Il meccanismo della fotosintesi

Occorre una luce di due lunghezze d'onda diverse per attivare i due sistemiche forniscono gli elettroni, i protoni e le molecole energetiche necessarialla conversione di anidride carbonica e acqua in sostanze alimentari

di R.P. Levine

La fotosintesi ha luogo in un organello chiamato cloroplastopresente nelle cellule di tutte le piante superiori e della mag.gior parte delle alghe. Questa micrografia elettronica eseguitada Peter Hepler della Harvard University mostra frammenti di

tre cloroplasti. La fotosintesi avviene dentro le membrane scuredisposte in lunghi strati paralleli. La formazione triangolareche appare a destra, è un granulo di amido prodotto dallafotosintesi; il cloroplasto in alto a sinistra ne contiene due.

N

egli organismi viventi la luce in-terviene nei processi di visione,di bioluminescenza e di fotosin-

tesi; apparentemente però, solo duran-te la fotosintesi l'energia luminosa vie-ne convertita in forme utilizzabili dienergia chimica. Quest'energia difattipermette la costruzione di molecolecomplesse, soprattutto carboidrati, in-dispensabili all'alimentazione animale.Gli organismi fotosintetizzanti produ-cono anche buona parte dell'ossigenoatmosferico e l'evoluzione animale fucertamente influenzata dai microorga-nismi produttori di ossigeno viventi neimari primordiali.

Lo studio della fotosintesi abbracciamolte discipline: la fotofisica, la foto-chimica, la biochimica e la fisiologia;negli ultimi decenni questi studi hannomesso in luce molti aspetti rilevanti delprocesso fotosintetico. Si conosce giàdal secolo XIX l'equazione base delprocesso: in presenza di energia lumi-nosa, l'acqua (H20) più l'anidr.ide car-bonica (CO2) porta a certi carboidratidel tipo (CH20), e a ossigeno (02). Ifotoni sono assorbiti dalla clorofilla eda altri pigmenti fotosintetici, come,per esempio, la ficobilina che si trovaassieme alla clorofilla nelle alghe rossee blu-verdi.

Una volta assorbita, l'energia lumi-nosa viene usata a due fini; il primo èquello di generare ciò che i chimicichiamano « potere riducente ». Con ri-duzione s'intende l'addizione di elettro-ni o la sottrazione di protoni, oppureentrambi i processi; le molecole ad altopotenziale di riduzione cedono elettro-ni a molecole maggiormente ossidate.L'agente riduttore prodotto dalla foto-sintesi è il NADPH, forma ridotta del-la nicotinamideadenindinucleotidefosfa-to (NADP). Il secondo scopo dell'ener-gia luminosa è quello di produrre unfosfato composto ricco di energia,l'adenosintrifosfato (ATP). L'ATP e ilNADPH hanno in comune certi ele-

menti strutturali (si veda la figura apagina 70) e sono entrambi necessarialla riduzione della CO, in carboidrato.Il bilancio complessivo della fotosintesimostra che per ogni molecola di CO2ridotta sono necessarie tre molecole diATP e due di NADPH.

Nella maggior parte delle alghe e nel-le piante superiori, la fotosintesi avvie-ne in quella intricata struttura pienadi membrane detta cloroplasto (si ve-da l'illustrazione nella pagina a fronte).L'energia luminosa accumulata nel do-roplasto dà luogo alle veloci reazionifotofisiche e fotochimiche che genera-no l'ATP e il NADPH, i quali parte-cipano poi al processo biochimico mol-to più lento della riduzione della CO2in carboidrato. L'ATP e il NADPHvengono quindi liberati nella parte nonmembranosa o solubile del cloroplastodove la fissazione della CO 2 può proce-dere in assenza di luce, con l'aiuto diun certo numero di enzimi solubili.

L'assorbimento dell'energia luminosa

Quando la clorofilla o uno degli altripigmenti fotosintetici assorbe dei fotoni,il pigmento passa dal suo stato energe-tico più basso, o stato fondamentale, auno più alto. Questo stato eccitato nonè stabile, per cui il pigmento può tor-nare al suo stato iniziale nel giro di10- 9 secondi; in questo breve periodol'energia, se non è utilizzata per la for-mazione di ATP o di NADPH, puòdissiparsi in luce fluorescente. Dato chenei sistemi biologici non si raggiungemai un rendimento completo, durantela fotosintesi si osserva sempre dellafluorescenza; la luce emessa nella fluo-rescenza ha una lunghezza d'onda mag-giore, e quindi un contenuto energeticominore, della luce inizialmente assorbi-ta. Fu questa fluorescenza, come ve-dremo, ad aiutare i ricercatori nellacomprensione del meccanismo fotosin-tetico.

Ogni pigmento fotosintetico ha unsuo spettro di assorbimento caratteri-stico: assorbe più o meno luce di di-verse lunghezze d'onda secondo la suastruttura molecolare. Per esempio, i duetipi di clorofilla conosciuti come cloro-filla a e clorofilla b hanno bande diassorbimento principali diverse nellezone blu e rossa dello spettro (si vedala figura in alto a pagina 71). Studiatoisolatamente al di fuori del cloroplasto,ogni pigmento presenta pure uno spet-tro di fluorescenza caratteristico. Nelcloroplasto, invece, non si riesce a repe-rire la fluorescenza della clorofilla b,anche se la luce incidente è di una lun-ghezza d'onda ritenuta capace di veni-re assorbita da questa clorofilla. Simil-mente non si osserva mai fluorescenzanei pigmenti carotenoidi e nelle ficobi-line. Solo la clorofilla a è fluorescenteallo stato naturale all'interno del cloro-plasto.

Questo fenomeno sorprendente è sta-to chiarito dai lavori dell'olandeseN.M. Duysens. Egli ha dimostrato chela clorofilla b, i carotenoidi e le ficobili-ne non partecipano direttamente allafotosintesi, ma agiscono piuttosto co-me « antenne » che collaborano al pro-cesso di accumulazione dell'energia lu-minosa. Dopo aver assorbito l'energiaed essere passati a uno stato eccitato,questi pigmenti trasferiscono la loroenergia di eccitazione alla clorofilla a.Solo la clorofilla a, quindi, parteciperàattivamente alle susseguenti reazionifotosintetiche e la sua energia, se nonsarà utilizzata nella fotosintesi, si di-sperderà in fluorescenza.

Il meccanismo di trasferimento del-l'energia di eccitazione tra le molecoledei pigmenti non è stato ancora com-pletamente compreso, ma si tratta pro-babilmente del processo chiamato riso-nanza induttiva; una molecola eccita-ta che si trova vicina a un'altra (vici-nanza dell'ordine di 30 angstrom) puòtrasferire la sua energia portando le

molecole vicine in uno stato di eccita-zione. In questo modo l'energia puòpassare dalla clorofilla b alla clorofillaa. Il processo inverso non è invece pos-sibile perché per essere eccitata la clo-rofilla b richiede più energia di quantala clorofilla a nel suo stato eccitatopossa fornire.

L'energia d'eccitazione raggiunge in-

fine il centro di reazione fotosinteticae passa su una speciale forma di cloro-filla a che ha un massimo di assorbi-mento per radiazioni di lunghezze d'on-da particolarmente grandi. Poiché que-sto pigmento assorbe lunghezze d'on-da maggiori - quindi con livello ener-getico più basso - di quelle assorbitedalle molecole dei pigmenti circostan-

ti, lo si può considerare come una spe-cie di « pozzo » in cui va a finire l'ener-gia di tutte le molecole dei pigmenti fo-tosintetici. Il trasporto dell'energia dauna molecola eccitata di clorofilla anormale a una molecola di clorofilla aspeciale avviene probabilmente nel gi-ro di 10- 12 secondi, vale a dire in untempo 1000 volte più breve di quello

68 69

H• HN

CN C

C —HC

N

ATP

O-

O — P

O

o-H

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IlO C -c

C —CI I

HO OH

H

CC —C

N—HIC

I \ IH

N H

H H\ /NI

C \ ,,,,-- NN C

NADP l ll C—HC C /, ----,H' N/ N

O- O-

H / H

NOc

H .\/ C — C N C

Il \ N—HCI c c

'H H N /-N H

/

O-

l lH

H — C — O — P-0— P—O—C—H

NADPHI C —H

OH HO

I IC —C

IlH\

C C

H L' H

Il II IO O C

VC) C

i \H HIH \I i/H 0-

C —Ci I

HO O— P —0-H+

cF1\

c

H H

—2H +2H

OH HOI IC —c

2

1,5

0,5

o

0,10

6- 0,09o

D

c-5 0,07Ui

cT)oou_

E 0.06

Nai5u_

0,05

0,04

L'adenosintrifosfato o ATP si forma dall'adenosindifosfato ADE') grazie all'energiaraccolta dai pigmenti fotosintetici. I trattini ondulati rappresentano i legami tra i gruppifosfati ricchi di energia. Se si sottrae l'ultimo gruppo (in colore) l'ATP si trasformain ADP. L'ATP dona l'energia per la conversione dell'anidride carbonica in carboidrati.

H

C -c}-1 1/1 0-

C —C II

HO O— P —0-

O

O

La nicotinammideadenindinucleotidefosfato o NADP si riduce in NADPH durantela fotosintesi per addizione di due atomi di idrogeno. Uno si lega direttamente allamolecola, mentre l'altro perde un elettrone e viene liberato come protone (W). IlNADPH fornisce il « potere riducente » per la fissazione dell'anidride carbonica.

necessario affinché l'energia « sprecata »della clorofilla a si manifesti come fluo-rescenza. Quindi una molecola di clo-rofilla eccitata dispone di tempo suffi-ciente per disperdere la sua energia inun modo chimicamente utile.

Le prime tappe chimiche

Quando l'energia luminosa è stataceduta alla molecola di clorofilla a spe-ciale, « pozzo » di energia nel centro direazione, comincia la fase chimica. Laenergia di eccitazione deve dar luogoa un ossidante e a un riducente; l'ossi-dante deve poter ossidare l'acqua, ossiascindere le molecole d'acqua in ossige-no, protoni ed elettroni liberi. (Due mo-lecole di H20 si scinderanno in unamolecola di 02 più 4 protoni e 4 elet-troni.) Il riducente deve accettare gliequivalenti di riduzione (elettroni e pro-toni) che vengono generati dall'ossida-zione dell'acqua. Infine questi equiva-lenti saranno utilizzati nella riduzionedell'anidride carbonica. Ossidante e ri-ducente devono poter formarsi nel bre-vissimo attimo di vita dello stato ecci-tato della clorofilla a. Come questo ac-cada costituisce il principale punto de-bole della nostra conoscenza sulla foto-sintesi: gran parte di quanto segue èperciò ancora oggetto di ipotesi.

Uno dei metodi più semplici per vi-sualizzare l'inizio delle tappe chimichedella fotosintesi è quello di supporre laesistenza di una molecola donatore dielettroni D e di una molecola accetto-re di elettroni A. Il donatore nella for-ma ossidata (D +) ossiderà l'acqua men-tre l'accettore nella forma ridotta(A-) trasferirà il suo equivalente di ri-duzione sul NADP trasformandolo inNADPH.

Un semplice modello della sequenzaprimaria di reazioni a cui partecipanodonatore, accettore e una molecola diclorofilla a eccitata è riportato nellafigura in alto a pagina 72. In questasequenza, la clorofilla a nel centro direazione è portata a uno stato eccitatodall'energia di eccitazione delle moleco-le dei pigmenti circostanti; ogni mole-cola di clorofilla centro di reazione èstrettamente associata con il donatore el'accettore situati nella membrana delcloroplasto. Quando la clorofilla tornaallo stato fondamentale, l'energia di ec-citazione che si libera è sufficiente perstaccare un elettrone dalla molecola do-natore (ossidandola quindi a D +) e pertrasferire quest'elettrone sull'accettoreA (riducendolo quindi ad A-). Questiprocessi di trasferimento di carica sonoben noti nei sistemi non biologici neiquali le molecole organiche implicatehanno proprietà analoghe a quelle chepartecipano alla fotosintesi.

A prescindere dal modo in cui avvie-ne il processo di trasferimento di ca-rica nel cloroplasto, il risultato finaleè la separazione degli equivalenti ridu-centi e ossidanti. Si sa molto poco circail modo in cui l'ipotetico D + partecipaall'ossidazione dell'acqua con produ-zione concomitante di ossigeno; abbia-mo invece dati più sicuri attorno al tra-sferimento degli equivalenti riducentidall'ipotetico A- al NADP. Con questatappa il meccanismo fotosintetico pas-sa da una fase fotochimica molto ve-loce a una fase biochimica più lentadurante la quale gli elettroni sono tra-sportati attraverso una serie di reazio-ni che danno come prodotti finali ilNADPH e l'ATP.

La fase biochimica

La nostra conoscenza della fase bio-chimica della fotosintesi deve molto al-le ricerche che hanno dimostrato l'esi-stenza di due reazioni luminose (anzi-ché di una sola, come si era credutoper tanto tempo) nel processo fotosin-tetico delle alghe e delle piante superio-ri. Due esperimenti sono alla base diquesta scoperta: nel primo si misurò laintensità della fotosintesi a diverse lun-ghezze d'onda, cioè su tutta la bandadi lunghezze d'onda assorbite dai pig-menti fotosintetici. Il risultato è unacurva che mostra in che misura il ren-dimento quantico del processo variaalle diverse lunghezze d'onda (si vedala figura in basso a destra); questacurva rivela un fatto curioso: nella zo-na del rosso lontano, oltre una lunghez-za d'onda di 680 nanometri, l'efficienzadella fotosintesi cade rapidamente a ze-ro, sebbene i pigmenti assorbano ancorala luce.

Questo sorprendente risultato condus-se alla seconda serie di esperienze ese-guite nel 1956 da Robert Emerson edai suoi colleghi dell'Università dell'Il-linois. Essi trovarono che la fotosin-tesi, inefficiente a lunghezze d'onda su-periori a 680 nanometri, può essere au-mentata se si aggiunge una radiazionedi minor lunghezza d'onda, per esempiodi 650 nanometri. Inoltre, l'entità dellafotosintesi in presenza delle due lun-ghezze d'onda è superiore alla sommadelle entità ottenute quando le due lun-ghezze d'onda sono utilizzate separata-mente. Questo fenomeno, noto come ef-fetto di stimolamento Emerson, si spie-ga solo ammettendo che la fotosintesirichieda due reazioni luminose che siverificano entrambe con radiazioni dilunghezza d'onda inferiore a 680 nano-metri, ma di cui una sola viene stimola-ta a lunghezza d'onda superiore.

Queste due serie di esperimenti se-gnano l'inizio di un periodo fecondo

rìI II Ii I

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I I

111I

;

IIIl iIl I'l

I

IlI

I I

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/ Ii I

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IIII

\\ - —

\

400

440

480

520 560

600

640

680

720LUNGHEZZA D'ONDA (NANOMETRI)

Lo spettro di assorbimento mostra come la clorofilla a (linea continua) e la clorofilla b(linea tratteggiata) assorbano fortemente la luce nelle zone del blu e del rosso lontano.Le altre lunghezze d'onda sono riflesse e conferiscono ai pigmenti il colore verde.

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720LUNGHEZZA D'ONDA (NANOMETRI)

Efficienza dell'assorbimento della luce nell'alga Chlorella. L'intensità della fotosintesicade rapidamente nella zona del rosso lontano, al di sopra di 680 nanometri, anchese la clorofilla a assorbe ancora a tali lunghezze d'onda. Se si aggiunge una radiazionedi lunghezza d'onda minore alla luce del rosso lontano, l'efficienza sale rapidamente.

C

70

71

e-FOTONE

1NADPr—

-- L>INADPHI

FOTONE

CITOCROMO b

A ADP + P,

ATP

CITOCROMO c

Il'

H20

A

A

A

A

MOLECOLAACCETTORE

Nelle prime tappe chimiche avviene uno scambio di elettroni tra una molecola donatoredi elettroni (D) e una molecola accettore (A) in stretta associazione con una specialeclorofilla a situata nel centro di reazione. Un fotone incidente porta la clorofilla a inuno stato eccitato (CHL*) e, quando in 10- 9 secondi la clorofilla ritorna al suo statofondamentale, l'energia liberata stacca un elettrone da D, ossidandolo a D +, che trasfe-risce su A, riducendolo ad A. In segunto, D + ossiderà l'acqua e A- ridurrà il NADP.

— 0,4

+ 0,8

Il mode lo di Hill-Bendall del trasporto elettronico mostra come gli elettroni le-) sot-tratti dall'acqua vengano spinti contro un gradiente elettrochimico fino al NADP. Permezzo dei protoni, anch'essi provenienti dall'acqua, il NADP viene trasformato inNADPH. Lo spostamento in direzione ascendente degli elettroni richiede un apporto dienergia fornita dai fotoni, mentre nello spostamento in direzione discendente si libe-ra dell'energia. Probabilmente l'ADP si converte in NADP nel tratto di discesa com-preso tra i due citocromi che si comportano come donatori e accettori di elettroni.

— 0,2

+ 0,6

MOLECOLADONATORE D

D

D

D

• •

•

•

• •

•

•

> 02 + 4e- + 4H+2 H20

2NADP -E 4e- +

2H+

2NADPH

2H +2NADPH + CO2 > 2NADP H20 'CF120

TOTALE CO, + 1-120

CH 20 + NE

La fase chimica della fotosintesi si riassume in quattro equazioni: l'acqua ossidata liberaossigeno, elettroni e protoni; gli elettroni e due protoni riducono il NADP a NADPHche, combinandosi con due protoni e una molecola di CO 2 dà NADP, acqua e un car-boidrato (CH 20). In questo modo, CO 2 e H20 formano il carboidrato e l'ossigeno.

nella comprensione del meccanismo fo-tosintetico. Esse permisero infatti laformulazione di un'ardita ipotesi e laprecisazione di nuove e promettenti li-nee di ricerca. L'ipotesi fu avanzata daRobert Hill e Fay Bendali dell'Univer-sità di Cambridge. Essi proposero unmodello secondo il quale gli elettronisarebbero trasportati lungo una cate-na biochimica nella quale per effettodella luce si innescano due reazioni di-stinte. Prima di descrivere lo schema diHill-Bendall vorrei ricordare alcune ca-ratteristiche del trasporto elettronico.

Occorre innanzitutto distinguere iltrasporto nel quale gli elettroni si muo-vono nel senso del gradiente elettrochi-mico (cammino facile) e il trasporto incui gli elettroni si muovono contro que-sto gradiente (cammino difficile). Lemolecole donatori e accettori di elet-troni sono caratterizzate da un loroparticolare potenziale di ossidoriduzio-ne, che può essere positivo o negativoe che è comunemente espresso in volt.Gli elettroni possono passare da un do-natore con potenziale più negativo aun accettore con potenziale più positi-vo senza che venga impiegata energiaesterna. Difatti, quando il trasporto diun elettrone avviene per effetto di que-sto gradiente, si libera dell'energia chesarà tanto maggiore quanto più alta èla differenza di potenziale tra donatoree accettore. Il trasporto di elettronicontro il gradiente elettrochimico ri-chiede invece un apporto di energiache, anche in questo caso, sarà tantomaggiore quanto più alto è il salto dipotenziale tra donatore e accettore.

Nei mitocondri delle cellule sia ve-getali sia animali, l'energia sotto formadi ATP è generata in seguito a un tra-sporto elettronico dovuto a un gradien-te elettrochimico tra una serie di dona-tori e accettori di elettroni chiamati ci-tocromi. Almeno alcune tappe del tra-sporto elettronico fotosintetico devonoperò svolgersi contro il gradiente elet-trochimico, in quanto il potenziale diossidoriduzione dell'acqua (il donatoreiniziale di elettroni) è di + 0,8 volt,mentre quello del NADP (l'accettoreterminale) è di —0,3 volt.

I due sistemi fotochimici

Hill e i suoi collaboratori identifica-rono e caratterizzarono alcuni citocro-mi trovati nel cloroplasto; Hill e Ben-dali notarono che l'ATP poteva esseregenerato nella fotosintesi sfruttando ladifferenza di potenziale di ossidoridu-zione esistente tra due di questi cito-cromi: un citocromo b con un poten-ziale prossimo a zero e un citocromo ccon un potenziale di circa + 0,35 volt.

Nel modello di Hill e Bendai), quindi,due reazioni luminose forniscono l'ener-gia necessaria per andare contro il gra-diente elettrochimico, mentre il traspor-to di elettroni tra i due citocromi pro-cede nel senso del gradiente (si vedala figura in basso nella pagina a fronte).

La formulazione di Hill e Bendaliindica che le due reazioni luminose av-vengono in due differenti sistemi foto-chimici (si veda la figura qui a destra),ognuno con un proprio centro di rea-zione nel quale si formano un ossidan-te e un riducente. Il sistema fotochimi-co II (PS II) sensibilizza una reazioneche termina con l'ossidazione dell'ac-qua e con la formazione di un ridu-cente debole. La clorofilla contenutanel centro di reazione del PS II nonè stata ancora identificata, ma si pre-sume che sia una forma di clorofillaa. Il sistema fotochimico I (PS I) at-tiva una reazione che conduce alla pro-duzione di un ossidante debole e diun riducente forte. La clorofilla con-tenuta nel centro di reazione del PS Iè stata identificata come una forma diclorofilla a, avente un massimo di as-sorbimento a 700 nanometri, e notaper questo motivo come P-700. I duesistemi fotochimici sono collegati in se-rie da alcuni trasportatori di elettroniin modo che il riducente debole formatonel sistema fotochimico II venga ossi-dato dall'ossidante debole prodotto nelsistema fotochimico I.

Duysens e i suoi collaboratori furonotra i primi a dimostrare la validità diquesto modello basato su due sistemifotochimici agenti in serie. Essi prova-rono che il citocromo di tipo c nel do-roplasto è ridotto dalla luce di brevelunghezza d'onda assorbita dal sistemafotochimico II e ossidato dalla luce dilunghezza d'onda maggiore assorbitadal sistema fotochimico I. Questi ef-fetti « antagonistici » indicano che ilcitocromo si trova lungo il tragitto per-corso dagli elettroni tra i due sistemi.Altri ricercatori hanno poi riscontratosimili effetti antagonistici sul citocromodi tipo b del cloroplasto e sul P-700.

Altre prove sulla validità di questomodello si sono ottenute con l'uso delpotente erbicida DCMU (diclorofenil-dimetilurea) che deve la sua efficaciaalla proprietà di inibire il camminodegli elettroni dall'acqua al NADP. Insua presenza entrambi i citocromi ditipo l) e c possono venire ossidati dalsistema fotochimico I. ma non possonoessere ridotti dal sistema fotochimicoII. Si deve perciò ammettere che ilDCMU agisca in un punto situato traPS II e i citocromi (si veda la figuraa pagina 75). La fotoriduzione delNADP è quindi bloccata dal DCMU,ma può essere ripristinata se un dona-

tore artificiale di elettronipio il colorante indofenolo rne introdotto nel cloroplassenza del colorante, il NAIIP-13nuovo essere fotoridotto mektisto caso, è sufficiente la luce asnrbitadal PS I. L'effetto del DCMU indical'esistenza di due reazioni luminose ac-coppiate a un sistema di donatori e ac-cettori di elettroni.

Cammino degli elettroni dal PS II

La porzione di catena di trasportofotosintetico di elettroni che porta glielettroni dall'acqua fino al PS II è co-nosciuta come la « parte » ossidante delPS II. Come è stato detto sopra, l'ossi-dazione dell'acqua si effettua tramite laforma ossidata di un'ipotetica molecoladonatore, D + . Recentemente è stata for-nita da Takashi Yasashita e WarrenButler dell'Università di California aSan Diego una prova sperimentale deltrasporto elettronico tra l'acqua e il PSH, ma la natura del trasportatore elet-tronico (o dei trasportatori) partecipan-te e la sua relazione con D non è stataancora definita.

La « parte » riducente del PS II èquella porzione della catena di tra-sporto degli elettroni tra il PS II e ilsuo accettore di elettroni A. Le pro-prietà fluorescenti del cloroplasto han-no fornito informazioni sulla natura diA. Se i cloroplasti sono illuminati conuna luce di breve lunghezza d'onda, ilrendimento di fluorescenza è elevato,mentre se sono illuminati con una lucedi lunghezza d'onda più lunga assorbitadal PS I, la fluorescenza decresce. Daquest'osservazione Duysens e i suoi col-laboratori dedussero che la • fluorescen-za è alta se A è ridotto dal PS II, ebassa invece se è ossidata dal PS I.Chiamarono Q invece di A questo com-ponente accettore (quencher o inibitoredi fluorescenza). Q nella sua forma ossi-data inibisce la fluorescenza, mentrenella sua forma ridotta aumenta il ren-dimento di fluorescenza. Questo rendi-mento è ancora più alto in presenza delDCMU, che suggerisce che l'erbici-

RIDUZIONE DI co,

RIDUCENTEFORTE

SISTEMAFOTONE (PS(ROSSO LONTANO).

OSSIDANTEDEBOLE

MO'A

RIDUCENTEDEBOLE

SISTEMAFOTONE -/VVVVV>FOTOCHIMICO(LUNGHEZZA D'ONDAPIU BREVE)

OSSIDANTEFORTE

LIBERAZIONE DI 02

PS I e PS II, i due sistemi fotochimici,cooperano alla fissazione dell'anidride car-bonica nelle alghe e nelle piante superio-ri. Ogni sistema ha un suo particolare cen-tro di reazione contenente un pigmento f o-tosintetico; il pigmento del PS I è una for-ma di clorofilla a conosciuta come P-700per il suo massimo di assorbimento a unalunghezza d'onda di 700 nanometri. L'os-sidante forte del PS II è capace di ossi-dare l'acqua; il riducente forte del PS Iè in grado di ridurre il NADP in NADPH.Le reazioni che avvengono nei due sistemifotochimici sono schematizzati nell'equa-zione riportata nella figura qui sotto.

da agisca in un particolare punto si-tuato tra Q e PS I della catena di tra-sporto elettronico.

La natura chimica di Q non è statadeterminata con certezza. Norman I.Bishop dell'Università statale dell'Ore-gon ha suggerito, basandosi su alcunidati, che potrebbe trattarsi del compo-sto conosciuto come plastochinone. Aprescindere dalla sua natura chimica,

72 73

FERREDOXINA

FERREDOXINA•/RIDUTTASI

--->i

r N A DPHLNADP

CITOCROMO b

C) Nrri

/I\

DCMU

ADP + P,

+ 0,2ATP\

CITOCROMO c+ 0,4 /PLASTOCIANINA P 700

+ 0,6 asm

PS IFOTONE

4O2

+ 0,8 PS II .0\""" FOTONEH20

+ 0 10

— 0,6 FRS

ADP + P,— 0,4

— 0,2ATP

La catena di trasporto fotosintetico di elettroni segue il modello di Hill-Bendall (si vedala figura in basso a pagina 72). Il presente schema mostra come gli elettroni sottrattiall'acqua passino attraverso una serie di accettori e donatori fino a raggiungere il NADPche essi ridurranno a NADPH. Lungo la catena, in uno o più punti non ancora benprecisati, si libera dell'energia che permette la formazione dell'ATP a partire dall'ADPe da fosfato inorganico (P,). L'energia necessaria per spingere gli elettroni contro ilgradiente elettrochimico è fornita dai fotoni che eccitano le molecole di clorofilla deidue sistemi fotochimici PS I e PS II. Gli elettroni che partono dal PS II sono accettatidirettamente da una sostanza Q (inibitrice di fluorescenza) e gli elettroni che lascianoil PS I vengono accettati dal FRS (sostanza riducente la ferredoxina). Il percorso indiscesa da Q a PS I passa attraverso una serie di citocromi donatori e accettori di elet-troni dei quali abbiamo già discusso nell'articolo. Il percorso degli elettroni da FRS aNADP sembra meno complicato e ha per risultato finale il NADPH. Molti particolarisulla catena di trasporto elettronico sono stati chiariti con l'aiuto dell'erbicida DCMU.

TRIOSOFOSFATO(2 MOLECOLE)

FRUTTOSIOD I FOSFATO

ANIDRIDECARBONICA

RIBULOSIODIFOSFATO

ACIDO FOSFOGLICERICO(2 MOLECOLE)

2ADP 2NADPH 2NADP2ATP

R BULOSIOFOSFATO

ADP ATP

SERIE DI5, 6 e 7

INTERMEDI

L

La fissazione dell'anidride carbonica si compie per mezzo di unciclo di reazioni chimiche alimentate dai fotoni catturati dai duesistemi fotochimici. Questi sistemi accumulano parte dell'ener-gia sotto forma di ATP e sottraggono gli elettroni e i protoniall'acqua liberando ossigeno. Gli elettroni e i protoni entranonel ciclo sotto forma di NADPH: due molecole di NADPH etre di ATP sono necessarie per fissare una molecola di anidride

carbonica, come si può vedere all'entrata del ciclo in basso asinistra. Nel ciclo ogni quadrato bianco rappresenta un atomo dicarbonio; in vari punti del ciclo gli atomi di carbonio prove-nienti dall'anidride carbonica possono essere incorporati in di-versi composti o sottratti da essi. Qui vediamo che sei atomi dicarbonio forniti dall'anidride carbonica escono dal ciclo sottoforma di glucosio C611 1206, un carboidrato molto semplice.

Q è probabilmente l'accettore di elet-troni del PS II.

Cammino degli elettroni da Q a P-700

Procedendo lungo la catena di tra-sporto di elettroni dal PS II al PS I sitrova, nella discesa da Q al PS I. uncitocromo di tipo b seguito da citocro-mo di tipo c. La riduzione di entrambii citocromi è sensibilizzata dal PS II, laloro ossidazione invece lo è dal PS I.Come abbiamo precedentemente ricor-dato, questo comportamento differen-ziato di ossidoriduzione localizza i ci-tocromi tra i due sistemi fotochimici.

Tra i citocromi di tipo b e c esisteinfine un altro componente non ancoraidentificato. Le prove della sua esi-stenza sono state fornite dagli esperi-menti che Donald Gorman e io abbia-mo condotto nel laboratorio biologicodella Harvard University, utilizzandoceppi mutanti di un'alga verde unicellu-lare che hanno perso la loro capacitàdi effettuare il trasporto fotosintetico dielettroni. Di questi ceppi mutanti, unoha perso un citocromo di tipo h, un al-tro un citocromo di tipo c e un terzo uncomponente sconosciuto.

Il terzo ceppo mutante dimostrò dipossedere i due citocromi (b e c), ma

si illuminò con una luce dikaive d'onda analoga a quella as-scal dal PS I, solo il citocromo csios, , klò. E quando si utilizzò una lucedek tipo Nitorbito dal PS II, solo il cito-cromo, b si ridusse. Poiché il primo tipodi luce normalmente ossida i due cito-cromi e il secondo tipo li riduce, ri-sultò chiaro che in quel ceppo mutantequalche componente che solitamente sicomporta da accettore e donatore dielettroni tra i due citocromi si era per-so. Per necessità di specificazione fuchiamato M.

Un altro componente della catena ditrasporto di elettroni è la plastocianina,una proteina contenente rame. Sebbe-ne questa proteina possa comportarsicome accettore e donatore di elettroni,il suo ruolo non è stato ancora compre-so chiaramente. Attualmente, alcuniesperimenti sembrano indicare che que-sta plastocianina sia situata tra il ci-tocromo c e il PS I, mentre altri espe-rimenti, ugualmente convincenti, sem-brano dimostrare che la proteina si tro-vi più in alto rispetto al citocromo c.

Ora consideriamo il P-700, clorofilladel centro di reazione del PS I che as-sorbe la luce nel rosso lontano. BesselKok dell'Istituto di studi superiori diBaltimora e George E. Hoch dell'Uni-

versità di Rochester, i primi ad averlolocalizzato, dimostrarono che il P-700 èossidato dalla luce assorbita dal PS I eridotto dalla luce assorbita dal PS II.Quando viene ossidato, il P-700 cede unelettrone al suo accettore; quindi puòessere ridotto da altri elettroni prove-nienti dall'acqua e passanti lungo la ca-tena di trasporto del PS II. L'immedia-to donatore di elettroni del P-700 è oun citocromo c, o la plastocianina, op-pure entrambi.

Il cammino degli elettroni tra P-700e il NADP

Muovendosi lungo la catena di tra-sporto di elettroni, vediamo che l'elet-trone ceduto dal PS I, che ha un poten-ziale di circa + 0,45 volt, deve viag-giare contro un altro gradiente elettro-chimico prima di poter raggiungere ilNADP il quale ha un potenziale di— 0,3 volt. L'accettore di elettroni delPS I è stato oggetto di molte contro-versie finché fu proposto, qualche an-no fa, che l'accettore poteva essere laferredoxina, una molecola accettrice edonatrice di elettroni, il cui potenzialenegativo (— 0,43 volt) è perfino piùalto di quello del NADP. Era chiaroche se l'energia luminosa spingeva l'elet-

>P

trone contro il gradiente di potenziale,dal P-700 alla ferredoxina, la tappa fi-nale verso il NADP sarebbe stata nuo-vamente in discesa. Tuttavia, parecchiricercatori trovarono che il PS I po-teva spingere gli elettroni contro un po-tenziale ancora più negativo di quellodella ferredoxina. Non sembrò quindimolto economico che la natura fornis-se una più grande capacità di spintadi quella effettivamente richiesta e que-sto fece nascere un dubbio sull'ipotesiche la ferredoxina fosse il primo accet-tore di elettroni a partire dal PS I.

Recentemente Charles Yocum e An-thony San Pietro dell'Università dell'In-diana e Achim Trebst dell'Universitàdi Gottinga hanno scoperto il probabi-le accettore: una sostanza con un po-tenziale di circa — 0,6 volt alla qualeè stato assegnato il nome provvisoriodi FRS (sostanza riducente la ferredo-xina). Si sta studiando attualmente lasua natura chimica; il suo spettro diassorbimento suggerisce che potrebbetrattarsi di una struttura complessa co-stituita da più specie molecolari.

Siamo quasi giunti alla fine della ca-tena di trasporto fotosintetico di elet-troni; il FRS trasferisce il suo elettronesulla ferredoxina e il NADP è ridottoin NADPH in presenza di un enzimachiamato ferredoxina-NADP riduttasi.

Formazione dell'ATP e fissazione dellaCO2

Molte ricerche si sono concentratesulla relazione esistente tra produzionedi ATP e trasporto fotosintetico dielettroni. Teoricamente, come Hill eBendali avevano suggerito, nel percorsoin discesa tra il citocromo b e quello ditipo c si libera una quantità di energiasufficiente per fosforilare una molecoladi ADP convertendola in una molecoladi ATP. Infatti esistono diverse provedimostranti che il sito di formazionedell'ATP si trova tra i due citocromi. Visono anche dei dati che indicano l'esi-stenza di un percorso ciclico degli elet-troni attorno al PS I (nel quale proba-bilmente partecipa anche il FRS); laformazione dell'ATP sarebbe legata aquesto percorso.

Abbiamo ora raggiunto l'ultima fasedel processo fotosintetico: la riduzionedell'anidride carbonica in carboidrato.Gran parte della nostra conoscenza suquesta fase finale è dovuta a lavori diMelvin, James A. Bassham e AndrewA. Benson dell'Università di California.In questo ciclo, una molecola di ribu-losio difosfato e una molecola di ani-dride carbonica reagiscono con l'aiutodi particolari enzimi formando due mo-lecole di acido fosfoglicerico (PGA).Le due molecole di PGA vengono con-

vertite in due molecole di fosfogliceral-deide in una reazione che richiede duemolecole di NADPH e due molecole diATP. Nella conversione del monofo-sfato di ribulosio in difosfato è richie-sta un'altra molecola di ATP, cosicchéil bilancio complessivo è di tre mole-cole di ATP e due di NADPH per ognimolecola di anidride carbonica ridottain carboidrato (si veda la figura nellapagina a fronte). Questo schema vuolerappresentare il cammino della fissazio-ne dell'anidride carbonica nelle piantesuperiori, nelle alghe e nei batteri foto-sintetizzanti.

Di recente, comunque, M.D. Hatch eC.R. Slack in Australia, hanno dimo-strato che esiste una diversa via meta-bolica in certe graminacee tropicali. Laprima tappa della fissazione della CO2in queste graminacee implica la car-bossilazione dell'acido fosfopiruvico (in-

vece del ribulosio difosfato) attraversola quale si ottiene l'acido ossalacetico,precursore del PGA.

Abbiamo seguito il meccanismo foto-sintetico dalla fase iniziale di assorbi-mento dell'energia elettromagnetica del-la luce attraverso la sua conversione inenergia chimica e il trasporto elettro-nico che conduce alla formazione delNADPH e dell'ATP, fino al processoterminale della fissazione dell'anidridecarbonica. Abbiamo visto che alcunefasi del processo sono meglio compresedi altre. La parte più enigmatica ri-mane quella associata agli eventi svol-gentisi nel sistema fotochimico II. IlModo in cui i quattro elettroni e iquattro protoni sono sottratti all'acquacon la concomitante produzione di unamolecola di ossigeno resta uno dei pro-blemi più affascinanti ancora da risol-vere.

GLUCOSIO

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