20.6: Fotosistemi

I fotosistemi sono complessi multiproteici che formano le unità funzionali della fotosintesi nelle piante, nelle alghe e nei cianobatteri. Si trovano incorporati nella membrana di minuscole strutture simili a sacche chiamate tilacoidi poste all'interno del cloroplasto.

Funzionamento dei fotosistemi

I fotosistemi contengono molte molecole di pigmento, come clorofille e carotenoidi, disposte in una particolare organizzazione su due domini: il complesso dell'antenna e il centro di reazione. Lo scopo principale delle molecole di pigmento distribuite nel complesso antenna è quello di assorbire la luce sotto forma di fotoni e incanalarla verso la speciale coppia clorofilliana del centro di reazione.

Esistono due tipi di fotosistemi: il fotosistema II (PSII) e il fotosistema I (PSI) che sono strutturalmente simili ma differiscono sulla base della fonte del fornitore di elettroni a bassa energia e dell'accettore a cui consegnano i loro elettroni eccitati. Entrambi questi fotosistemi lavorano di concerto.

Il centro di reazione PSII, noto anche come P680, assorbe un fotone che eccita un elettrone nella clorofilla. L'elettrone ad alta energia si libera e viene passato all'accettore di elettroni primario, e infine al PSI attraverso la catena di trasporto degli elettroni. L'elettrone mancante di P680 viene sostituito estraendo un elettrone a bassa energia dall'acqua; quindi, l'acqua viene "divisa" durante questa fase della fotosintesi e il PSII viene ri-ridotto dopo ogni fotoatto. La scissione di una molecola di H₂O rilascia due elettroni, due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. Le molecole di ossigeno vengono rilasciate nell'ambiente mentre gli ioni idrogeno svolgono un ruolo fondamentale nello stabilire un gradiente protonico attraverso la membrana tilacoide che è essenziale per la sintesi dell'ATP nel cloroplasto.

Quando gli elettroni si muovono attraverso le proteine che risiedono tra PSII e PSI, perdono energia e devono essere rienergizzati da PSI; quindi, un altro fotone viene assorbito dall'antenna PSI. Questa energia viene trasmessa al centro di reazione PSI chiamato P700. P700 viene ossidato e invia un elettrone ad alta energia a NADP⁺ per formare NADPH. Pertanto, PSII cattura l'energia per creare gradienti di protoni per produrre ATP e PSI cattura l'energia per ridurre NADP⁺ in NADPH.

Dopo che l'energia del sole è stata convertita in energia chimica sotto forma di molecole di ATP e NADPH, la cellula ha il carburante necessario per costruire molecole di carboidrati per l'immagazzinamento di energia a lungo termine. Ciò si ottiene nella seconda fase della fotosintesi, nota anche come fase indipendente dalla luce o oscura della fotosintesi, che si verifica nello stroma del cloroplasto.

Questo testo è adattato da Openstax, Biology 2e, Capitolo 8, Sezione 8.2: Le reazioni dipendenti dalla luce della fotosintesi.

Gli organismi fotosintetici catturano la luce solare attraverso i complessi pigmento-proteina chiamati fotosistemi, incorporati all'interno della membrana tilacoide del cloroplasto.

Questi complessi sono classificati in fotosistema I o PSI e fotosistema II o PSII.

All'interno del cloroplasto, i complessi PSI sono prevalentemente localizzati nelle regioni non impilate, chiamate lamelle stromali, mentre i complessi PSII sono presenti all'interno delle lamelle granali impilate.

Ogni fotosistema è una raccolta di circa 200 molecole di clorofilla e 50 molecole di pigmento carotenoide, distribuite in due diversi domini del fotosistema: il dominio centrale chiamato centro di reazione e un dominio periferico chiamato complesso antenna.

Sebbene tutte le molecole di pigmento assorbano fotoni, solo poche molecole di clorofilla associate al centro di reazione possono convertire l'energia luminosa assorbita in energia chimica.

I pigmenti nel complesso dell'antenna incanalano solo l'energia assorbita verso il centro di reazione.

I fotosistemi hanno anche cofattori associati essenziali per il loro funzionamento.

Ad esempio, il PSI ha un cofattore ferredossina, una giunzione chiave nella catena di trasporto degli elettroni, mentre il PSII contiene un complesso ossigeno-evoluzione che catalizza l'ossidazione dell'acqua, un passaggio cruciale per la fotosintesi.