Meccanismi di trasporto di elettroni

Praticamente tutti i processi chimici che fanno parte delle reazioni alla luce della fotosintesi sono operati da quattro principali complessi proteici: il fotosistema II, il complesso citocromo b6f, il fotosistema I e l'ATP sintasi. Questi quattro complessi integrali di membrana sono orientati vettorialmente nella membrana del tilacoide funzionare nel seguente modo:
Nel lume del tilacoide il PSII ossida l'acqua a O2 e il processo rilascia protoni nel lume;
Il citocromo b6f (è equamente distribuito tra il PSI e il PSII) ossida le molecole di plastoidrochinone (PQH2) ridotte dal PSII e rilascia elettroni al PSI. L'ossidazione del plastoidrochinone è accoppiata al trasferimento di protoni dallo stroma al lume, generando così una forza proton motrice;
Nello stroma il fotosistema I riduce NADP+ a NADPH tramite l'azione della ferredossina (Fd) e della flavoproteina ferredossina-NADP reduttasi (FNR);
Come i protoni diffondono dal lume allo stroma l'ATP sintasi produce ATP.
Come abbiamo precedentemente detto, il compito della luce è di eccitare una molecola di clorofilla specializzata presente nel centro di reazione dallo stato elettronico base a uno stato elettronico eccitato, sia per assorbimento diretto che, più frequentemente, attraverso il trasferimento dell'energia da un pigmento antenna. In questo modo, la prima reazione in grado di convertire l'energia degli elettroni in energia chimica, cioè l'evento fotochimico primario, è il trasferimento di un elettrone da una molecola di clorofilla nello stato eccitato, presente nel centro di reazione, a una molecola accettore. Immediatamente dopo, la clorofilla del centro di reazione ritorna nello stato ossidato (elettron carente o carica positivamente) e la vicina molecola accettore di elettroni si riduce (elettron ricca o carica negativamente). Il sistema giunge quindi a un punto critico. L'orbitale a bassa energia della molecola di clorofilla carica positivamente è vacante e può accettare un elettrone. Se la molecola accettore donasse di nuovo l'elettrone alla molecola di clorofilla del centro di reazione il sistema ritornerebbe allo stesso stato in cui si trovava prima dell'eccitazione luminosa e tutta l'energia assorbita verrebbe convertita in calore. Invece, durante il funzionamento dei centri di reazione questo processo non risulta avvenire in quantità sostanziali, in quanto l'accettore trasferisce il suo elettrone extra a un accettore secondario e così via lungo la catena di trasporto degli elettroni. La molecola di clorofilla ossidata del centro di reazione che aveva donato l'elettrone viene ri-ridotta da un donatore secondario, che a sua volta viene ridotto da un donatore terziario. Nelle piante il donatore iniziale di elettroni è l'H2O e l'accettore finale di elettroni è il NADP+. Con questa separazione di cariche viene rallentata notevolmente la reazione inversa e l'energia viene efficacemente catturata. Ogni trasferimento secondario di elettroni è accompagnato dalla perdita di una certa quantità di energia rendendo, di fatto, il processo irreversibile.
Iniziando la nostra trattazione, dobbiamo dire che il fotosistema II è contenuto in un supercomplesso proteico costituito da molte subunità. Nelle piante superiori questo supercomplesso possiede due centri di reazione e alcuni complessi antenna. Il fulcro del centro di reazione è formato da due proteine di membrana conosciute con i nomi D1 e D2 e altre proteine. Legate a queste proteine troviamo la clorofilla donatore primario, carotenoidi, la feofitina e i plastochinoni (accettori di due elettroni). Nel fotosistema II l'acqua è ossidata secondo la reazione chimica:
2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e-
Questa equazione indica che per generare una molecola di ossigeno e quattro ioni idrogeno vengono rimossi quattro elettroni da due molecole di acqua. L'acqua, come sappiamo, è una molecola molto stabile, la sua ossidazione è molto difficile ed il complesso fotosintetico per lo sviluppo di ossigeno è l'unico sistema biochimico noto e capace di compiere questa reazione. I protoni prodotti dall'ossidazione dell'acqua sono liberati nel lume del tilacoide. Questi protoni sono poi rilasciati dal lime allo stroma attraverso il processo di sintesi di ATP. In questo modo, il potenziale elettrochimico formato dalla liberazione di protoni durante l'ossidazione dell'acqua contribuisce alla formazione dell'ATP. Si sa da molti anni, inoltre, che il manganese (Mn) è un cofattore importante per il processo di ossidazione dell'acqua e una classica ipotesi della ricerca fotosintetica è che gli ioni Mn2+ vadano in contro ad una serie di ossidazioni, note come stati S, che sono probabilmente legate all'ossidazione dell'H2O e alla generazione di O2. Esiste, inoltre, un carrier di elettroni, generalmente indicato con Yz, che opera fra il complesso per lo sviluppo dell'ossigeno e il P680. Per operare in questa zona, Yz deve avere una grande tendenza a trattenere i suoi elettroni. Il primo accettore nel fotosistema II risulta essere la feofitina, seguita da un complesso di due plastochinoni molto vicini ad un atomo di ferro. La feofitina è una molecola di clorofilla in cui l'atomo centrale di magnesio è sostituito da due atomi di idrogeno. Successivamente, due plastochinoni (PQA e PQB) sono legati al centro di reazione e ricevono elettroni dalla feofitina in modo sequenziale. Il trasferimento dei due elettroni a PQB lo riduce a PQB2- che a sua volta prende due protoni dalla parte stomatica della membrana, formando un plastoidrochinone (PQH2) completamente ridotto. Il plastoidrochinone si dissocia quindi dal complesso del centro di reazione ed entra nella porzione idrocarburica della membrana dove a sua volta trasferisce i suoi elettroni al citocromo del complesso b6f.
Il complesso citocromo b6f è una grande proteina costituita di molte subunità e possiede numerosi gruppi prostetici.  Esso contiene due emi di tipo b e un eme di tipo c (citocromo f). Inoltre, il complesso contiene una ferro-zolfo proteina di Rieske in cui due atomi di ferro sono collegati a due atomi di zolfo. Le strutture del complesso del citocromo b6f suggeriscono un meccanismo di flusso di protoni ed elettroni. Il meccanismo di flusso elettronico e protonico attraverso il complesso citocromo b6f non è totalmente compreso, ma la maggior parte delle osservazione è relativa ad un meccanismo noto come ciclo Q. In questo meccanismo il plastoidrochinone (PQH2) è ossidato e uno dei due elettroni è trasferito tramite una catena lineare di trasporto di elettroni al fotosistema I, mentre l'altro elettrone va in contro ad un processo ciclico che aumenta il numero di protoni pompati attraverso la membrana. Nella catena di trasporto di elettroni lineare, la proteina ossidata di Rieske (FeSR) accetta un elettrone dal PQH2 e lo trasferisce al citocromo f. Il citocromo f trasferisce quindi un elettrone alla proteina contenente rame colorata in blu, la plastocianina (PC), che a sua volta riduce il P700 ossidato del PSI. Nella parte ciclica del processo, il plastosemichinone trasferisce il suo secondo elettrone a uno degli emi di tipo b, rilasciando i suoi due protoni nella parte del lume della membrana. Il primo eme di tipo b trasferisce il suo elettrone attraverso il secondo eme di tipo b a una molecola ossidata di plastochinone, riducendolo a semichinone vicino alla superficie del complesso vicina allo stroma. Un'altra sequenza simile di flusso di elettroni riduce completamente il plastochinone, che cattura protoni alla faccia stromatica della membrana e viene liberato dal complesso b6f come plastoidrochinone. Il risultato finale dei due cicli è che due elettroni vengono trasferiti al P700, due plastoidrochinoni vengono ossidati a forma plastochinonica, e un plastochinone ossidato viene ridotto alla forma plastoidrochinonica. Inoltre, vengono trasferiti quattro protoni dalla faccia stromatica a quella del lume della membrana. In questo modo, il flusso di elettroni, che collega la parte accettore del centro di reazione del PSII, alla parte donatore del centro di reazione del PSI, genera anche un potenziale elettrochimico attraverso la membrana, dovuto in parte a differenze di concentrazione di H+ fra le due parti della membrana. Questo potenziale elettrochimico è utilizzato per la sintesi di ATP. Il flusso ciclico di elettroni attraverso il citocromo b e il plastochinone aumenta il numero di protoni pompati per ogni elettrone rispetto a quello che potrebbe essere ottenuto usando semplicemente la sequenza lineare.
La plastocianina, come abbiamo detto, è una piccola proteina idrosolubile contenente rame in grado di trasferire elettroni fra il complesso citocromo b6f e il P700. Il centro di reazione del fotosistema I è un grande complesso formato da molte subunità. La parte integrale del PSI è costituita da un core formato da circa 100 molecola di clorofilla. Questo centro antenna e il P700 sono legati a due proteine, PsaA e PsaB. I pigmenti antenna del core formano una sfera che circonda i cofattori del trasferimento elettronico, posti al centro del complesso. Gli accettori di elettroni del fotosistema I comprendono una serie di tre proteine ferro-zolfo associate alla membrana conosciute anche come centri Fe-S: FeX, FeA e FeB. Gli elettroni sono trasferiti attraverso i centri A e B dalla ferredossina (Fd), una piccola proteina ferro-zolfo idrosolubile. La flavoproteina associata alla membrana ferredossina-NADP reduttasi (FNR) riduce il NADP+ a NADPH, completando così la sequenza di trasporto non ciclico di elettroni iniziata con l'ossidazione dell'acqua. Bisogna ricordare però, che una determinata quantità di complesso citocromo b6f si può trovare nella regione stromatica della membrana dov'è localizzato il fotosistema I. In determinate condizioni può avvenire un flusso ciclico di elettroni, dalla porzione ridotta del fotosistema I, passando per il complesso citocromo b6f per ritornare poi al P700. Questo flusso ciclico di elettroni è accoppiato al pompaggio di protoni nel lume, che può essere utilizzato per la sintesi di ATP ma che non è in grado di ossidare l'acqua o di ridurre in NADP+. Possiamo concludere quindi dicendo che la stechiometria del trasporto di elettroni fotosintetico non ciclico sarà:
2 H2O –4 hv→ 4 e- + 4 H+ + O2
2 NADP+ + 4 e- + 2 H+ –4 hv→ 2 NADPH
2 NADP+ + 2 H2O –8 hv→ 2 NADPH + 2 H+ + O2