RICERCA ITALIANA     

Il trasferimento dell'energia di eccitazione fra i complessi clorofilla proteina del fotosistema II

Università degli Studi di Milano

Abstract

Lo scopo generale del progetto mira ad analizzare il trasferimento dell’energia di eccitazione fra i complessi clorofilla proteina che costituiscono l’antenna del fotosistema II. Molte sono le informazioni sul trasferimento di energia all’interno dei singoli complessi, però dati sperimentali sul trasferimento di energia fra i complessi sono del tutto assenti. Questo processo potrebbe essere cineticamente limitante per la fotochimica primaria. Due sono le linee che si propone prendere in considerazione.
i) Trasferimento dell’energia dai complessi antenna del “core” al centro di reazione. Esistono in letteratura studi teorici, basati sulla struttura cristallografica, i quali suggeriscono che la velocità di trasferimento dell'energia dalle clorofille “ponte” dei complessi CP43 e CP47, ovvero quelle clorofille che sono in maggiore contatto di trasferimento con pigmenti del centro di reazione, sia cineticamente lenta (> (20-40 ps)-1) e quindi limitante per la velocità della fotochimica primaria sia a livello del "core" che del fotosistema intero (modello “transfer to trap limited”; TTTL) (eg Vasiliev et al. 2001; Saito et al. 2006). D'altro canto esistono dati sperimentali che sono stati interpretati, in maniera abbastanza convincente, in base all’assunzione che il trasferimento dell’energia di eccitazione nell’antenna non sia cineticamente limitante, ma che determinante per la velocità della fotochimica primaria siano invece le reazioni chimiche >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Robert Charles Jennings Università degli Studi di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

L’obiettivo generale del progetto è di studiare il trasferimento dell’energia di eccitazione fra i complessi clorofilla-proteina del fotosistema II ed in particolare il trasferimento energetico fra i) i complessi antenna del “core” ed il centro di reazione e ii) il complesso dell’antenna esterna, CP29, ed il “core”. L'importanza della problematica sta nel fatto che non esistono studi sperimentali sul trasferimento di energia fra i complessi ed sono proprio questi processi che possono costituire passi limitanti per il trasferimento dell’energia dall’antenna al centro di reazione. All’interno di questi obiettivi generali si possono distinguere 3 aspetti diversi.
1. Distinguere fra i due modelli cinetici ("transfer to trap limited" , "trap limited") che descrivono la dinamica del trasferimento di energia e della fotochimica primaria del "core" del fotosistema II, utilizzando strategie biofisiche che si basano sulle differenze spettroscopiche fra il complesso del centro di reazione ed i complessi dell’antenna del core. Tali differenze genereranno differenze anche nella velocità della fotochimica primaria a determinate lunghezze d’onda, solo nel caso del modello “transfer to trap limited”.
2. Caratterizzare le proprietà spettroscopicche e e chimico-fisiche delle forme spettrali di clorofilla di più bassa energia del CP29, complesso dell’antenna esterna del fotosistema II, tramite la ricostituzione in vitro della sua apoproteina >>>

Risultati parziali attesi

Per quanto riguarda la prima fase del lavoro i risultati possono essere di due tipi. Nel caso in cui lo spettro della cinetica della fotochimica primaria del core del fotosistema II mostra una struttura positiva nell’intervallo 675-685 nm rispetto alle altre lunghezze d’onda i dati saranno interpretati a favore del modello “transfer to trap limited”. In caso contrario, cioè lo spettro della cinetica della fotochimica primaria sarà costante alle varie lunghezze d’onda, il modello “trap limited” sarà favorito. L’importanza per la conoscenza è che nell’ambito dei processi fotofisici associati alle reazioni primarie del fotosistema II la presente problematica riguarda un’aspetto importante per la comprensione della funzione antenna del fotosistema II. Sono 30 anni che se ne discute e tuttora non è stata risolta, soprattutto per la mancanza di dati sufficientemente diretti. Il presente studio colmerà questa lacuna.
Per quanto riguarda gli studi spettroscopici delle forme di clorofilla di bassa energia nel complesso CP29 i risultati forniranno valori per i seguenti parametri: i) l’energia di riorganizzazione degli stati eccitati, associata all’accoppiamento elettroni (stato eccitato)/fononi (apoproteina); ii) l’allargamento omogeneo (temperatura dipendente) e iii) l’allargamento inomogeneo (fluttuazioni statistiche di energia). I parametri permetteranno il calcolo dell’integrale di sovrapposizione, in maniera corretta, per clorofille legate ai polipeptidi. L’importanza per >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L’assorbimento della luce da parte dei fotosistemi delle piante avviene tramite un’insieme di pigmenti antenna. Nel caso del fotosistema II ci sono circa 200 molecole di clorofilla-antenna per centro di reazione (Jennings et al.1996) di cui l’80% sono legate ai quattro complessi dell’antenna esterna (LHCII, CP24, CP26, CP29) e il restante 20% alla parte strutturalmente più centrale, il core, formato da tre complessi clorofilla-proteina distinti. Due sono i complessi con pura funzione antenna (CP43, CP47), che legano circa 15 molecole di clorofilla ciascuno, mentre il terzo complesso (D1/D2/cyt b559) lega il centro di reazione (RC), responsabile della formazione della coppia radicalica e lega 6 molecole di clorofilla e due di feofitina. L'energia di eccitazione è trasferita dall’ antenna al RC. Per il fotosistema II il tempo globale di intrappolamento fotochimico è circa 300 ps (eg Leibl et al 1989) e per il solo core è circa 100 ps (Miloslavina et al. 2006), molto più veloce del tempo di vita dello stato eccitato della clorofilla (2000- 3000 ps). Sulla dinamica del trasferimento dall’antenna al RC esistono molti studi sui processi di trasferimento all’interno dei singoli complessi, che avvengono nei femto e picosecondi. Invece per quanto riguarda il trasferimento energetico fra i complessi, dati sperimentali sono assenti.
In base alla strutture cristallografica (Zouni et al. 2001) la distanza media fra le clorofille all’interno di ciascun complesso del core >>>