FOTOSISTEMI: COMPONENTI, FUNZIONAMENTO E TIPOLOGIE - BIOLOGIA - 2025

I fotosistemi sono unità funzionali del processo fotosintetico. Sono definiti dalle loro forme di associazione e particolare organizzazione di pigmenti fotosintetici e complessi proteici in grado di assorbire e trasformare l'energia luminosa, in un processo che prevede il trasferimento di elettroni.

Sono noti due tipi di fotosistemi, chiamati fotosistemi I e II a causa dell'ordine in cui sono stati scoperti. Il fotosistema I ha quantità molto elevate di clorofilla a rispetto alla quantità di clorofilla b, mentre il fotosistema II ha quantità molto simili di entrambi i pigmenti fotosintetici.

Diagramma di Photosystem I. Tratto e modificato da: Pisum.

I fotosistemi si trovano nelle membrane tilacoidi di organismi fotosintetici come piante e alghe. Possono anche essere trovati nei cianobatteri.

cloroplasti

I cloroplasti sono organelli sferici o allungati di circa 5 µm di diametro che contengono pigmenti fotosintetici. Al suo interno, la fotosintesi avviene nelle cellule vegetali.

Sono circondati da due membrane esterne e all'interno contengono strutture simili a sacche, anch'esse circondate da due membrane, chiamate tilacoidi.

I tilacoidi sono impilati formando un gruppo che riceve il nome di grana, mentre il fluido che circonda i tilacoidi è chiamato stroma. Inoltre, i tilacoidi sono circondati da una membrana chiamata lume che delimita lo spazio intratilacoide.

La conversione dell'energia luminosa in energia chimica durante la fotosintesi avviene all'interno delle membrane dei tilacoidi. D'altra parte, la produzione e lo stoccaggio di carboidrati a seguito della fotosintesi avviene negli stromi.

Pigmenti fotosintetici

Sono proteine ​​in grado di assorbire energia luminosa per utilizzarla durante il processo fotosintetico, sono totalmente o parzialmente legate alla membrana tilacoide. Il pigmento direttamente coinvolto nelle reazioni alla luce della fotosintesi è la clorofilla.

Esistono due tipi principali di clorofilla nelle piante, chiamate clorofille ae b. Tuttavia, in alcune alghe possono essere presenti altri tipi di clorofilla come ced, quest'ultima presente solo in alcune alghe rosse.

Esistono altri pigmenti fotosintetici come i caroteni e le xantofille che insieme costituiscono i carotenoidi. Questi pigmenti sono isoprenoidi generalmente composti da quaranta atomi di carbonio. I caroteni sono caroteinoidi non ossigenati, mentre le xantofille sono pigmenti ossigenati.

Nelle piante solo la clorofilla a è direttamente coinvolta nelle reazioni alla luce. I pigmenti rimanenti non assorbono direttamente l'energia luminosa, ma agiscono come pigmenti accessori trasmettendo l'energia catturata dalla luce alla clorofilla a. In questo modo viene catturata più energia di quanta ne potrebbe catturare la sola clorofilla.

Fotosintesi

La fotosintesi è un processo biologico che consente a piante, alghe e alcuni batteri di sfruttare l'energia che proviene dalla luce solare. Attraverso questo processo, le piante utilizzano l'energia della luce per trasformare l'anidride carbonica atmosferica e l'acqua ottenuta dal suolo, in glucosio e ossigeno.

La luce provoca una complessa serie di reazioni di ossidazione e riduzione che consentono la trasformazione dell'energia luminosa in energia chimica necessaria per completare il processo di fotosintesi. I fotosistemi sono le unità funzionali di questo processo.

Componenti dei fotosistemi

Complesso di antenna

È composto da un gran numero di pigmenti, tra cui centinaia di molecole di clorofilla e quantità ancora maggiori di pigmenti accessori, nonché ficobiline. La complessa antenna consente di assorbire una grande quantità di energia.

Funziona come un imbuto o come un'antenna (da cui il nome) che cattura l'energia del sole e la trasforma in energia chimica, che viene trasferita al centro di reazione.

Grazie al trasferimento di energia, la clorofilla, una molecola nel centro di reazione, riceve molta più energia luminosa di quella che avrebbe acquisito da sola. Inoltre, se la molecola di clorofilla riceve troppa luce, potrebbe fotoossidarsi e la pianta morirebbe.

Centro di reazione

È un complesso costituito da molecole di clorofilla a, una molecola nota come recettore primario di elettroni e numerose subunità proteiche che le circondano.

Funzionamento

Generalmente, la molecola di clorofilla presente nel centro di reazione, e che avvia le reazioni luminose della fotosintesi, non riceve direttamente i fotoni. I pigmenti accessori, così come alcune molecole di clorofilla a presenti nel complesso dell'antenna, ricevono l'energia luminosa, ma non la utilizzano direttamente.

Questa energia assorbita dal complesso dell'antenna viene trasferita alla clorofilla a del centro di reazione. Ogni volta che una molecola di clorofilla viene attivata, rilascia un elettrone eccitato che viene quindi assorbito dal recettore dell'elettrone primario.

Di conseguenza, l'accettore primario si riduce, mentre la clorofilla a recupera il suo elettrone grazie all'acqua, che funge da liberatore finale di elettroni e l'ossigeno si ottiene come sottoprodotto.

tipi

Photosystem I

Si trova sulla superficie esterna della membrana tilacoide e ha una bassa quantità di clorofilla b, oltre alla clorofilla a e ai carotenoidi.

La clorofilla a nel centro di reazione assorbe meglio le lunghezze d'onda di 700 nanometri (nm), motivo per cui è chiamata P700 (pigmento 700).

Nel fotosistema I, un gruppo di proteine ​​del gruppo ferrodossina - solfuro di ferro - agisce come accettore finale di elettroni.

Fotosistema II

Agisce per primo nel processo di trasformazione della luce in fotosintesi, ma è stato scoperto dopo il primo fotosistema. Si trova sulla superficie interna della membrana tilacoide e ha una quantità maggiore di clorofilla b rispetto al fotosistema I. Contiene anche clorofilla a, ficobiline e xantofille.

In questo caso, la clorofilla a nel centro di reazione assorbe meglio la lunghezza d'onda di 680 nm (P680) e non la lunghezza d'onda di 700 nm come nel caso precedente. L'ultimo accettore di elettroni in questo fotosistema è un chinone.

Diagramma del fotosistema II. Tratto e modificato da: Il lavoro originale era di Kaidor. .

Relazione tra fotosistemi I e II

Il processo fotosintetico richiede entrambi i fotosistemi. Il primo fotosistema ad agire è il II, che assorbe la luce e quindi gli elettroni nella clorofilla del centro di reazione vengono eccitati e gli accettori di elettroni primari li catturano.

Gli elettroni eccitati dalla luce viaggiano verso il fotosistema I attraverso una catena di trasporto degli elettroni situata nella membrana tilacoide. Questo spostamento provoca una caduta di energia che consente il trasporto di ioni idrogeno (H +) attraverso la membrana, verso il lume dei tilacoidi.

Il trasporto di ioni idrogeno fornisce un differenziale di energia tra lo spazio del lume dei tilacoidi e lo stroma dei cloroplasti, che serve a generare ATP.

La clorofilla nel centro di reazione del fotosistema I riceve l'elettrone proveniente dal fotosistema II. L'elettrone può continuare in un trasporto ciclico di elettroni attorno al fotosistema I, o essere utilizzato per formare NADPH, che viene quindi trasportato al ciclo di Calvin.

Riferimenti

1. MW Nabors (2004). Introduzione alla botanica. Pearson Education, Inc.
2. Fotosistema. Su Wikipedia. Estratto da en.wikipedia.org.
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6. EM Yahia, A. Carrillo-López, GM Barrera, H. Suzán-Azpiri e MQ Bolaños (2019). Capitolo 3 - Fotosintesi. Fisiologia post-raccolta e biochimica di frutta e verdura.