Il ciclo del carbonio Gli organismi vegetali, tramite la fotosintesi incorporano l’anidride carbonica presente nell’atmosfera in composti organici. Questi composti, durante la respirazione, vengono scissi di nuovo in CO 2 ed H 2 O. Questi processi su ampia scala, terrestre, determinano il CICLO del CARBONIO. I principali organismi fotosintetizzanti sono le piante terrestri, il fitoplancton, le alghe marine ed i cianobatteri. Questi organismi sintetizzano quindi carboidrati a partire da CO 2 ed H 2 O liberando O 2 nell’atmosfera. Fase cellulare del ciclo del carbonio

Una parte dei carboidrati viene utilizzata direttamente dagli stessi organismi fotosintetici, un’altra parte viene utilizzata dagli organismi eterotrofi. La maggior parte del carbonio organico si trova nelle piante e negli altri organismi morti. Questi materiali si depositano sul suolo o sul fondo degli oceani dove vengono attaccati e demoliti dagli organismi decompositori, ossia da piccoli invertebrati, batteri e funghi. Questi ultimi durante la loro azione demolitrice rendono di nuovo disponibile il C sotto forma di CO 2 che ritorna nell’atmosfera e negli oceani. Fase ad ampia scala (atmosfera) del ciclo del carbonio.

La CO 2 liberata è così di nuovo disponibile per la sintesi di carboidrati da parte degli organismi fotosintetici. Una grande quantità di carbonio viene fissato sotto forma di calcare (carbonato di calcio). Questo carbonio rientra nel ciclo quando i depositi di calcare vegnono esposti ad azione erosiva (es. esposizione all’atmosfera in seguito ad attività sismica). Un altro grande accumulo di carbonio si trova nelle viscere della terra sotto forma di carbone o petrolio, depositato circa 300 milioni di anni fa.

CICLO DEL CARBONIO Carboni fossili Petroli Gas naturali CO 2 nelle acque CO 2 nell’aria Fotosintesi e chemiosintesi C organico Piante fotoautrofe Batteri fotoautrofi e chemioautotrofi C organico Resp aerobia fermentazioni Fotorespirazione Ciclo pentoso P Resp aerobia fermentazioni Ciclopentoso P Combustioni Batteri e funghi della decomposizione Org eterotrofi

Cellule ed energia

Principali Processi Biologici di Trasformazione dell’Energia FotosintesiFotosintesi ChemiosintesiChemiosintesi Respirazione CellulareRespirazione Cellulare FermentazioneFermentazione

luce CO 2 H 2 O O 2 Carboidrati fotosintesi respirazione Energia utileCalore

Equazione Generale della Fotosintesi 6CO 2 +12H 2 O C 6 H 12 O O H 2 O

La FOTOSINTESI E’ il PROCESSO PIU’ GROSSO CHE CI SIA SULLA TERRA Ogni anno trasforma in sostanze organiche 200 miliardi di tonnellate di carbonio!!!!! Il processo implica un altrettanto colossale trasferimento di energia dal Sole alla Terra

Fotosintesi e Respirazione sono in connessione 6CO 2 +12H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O H 2 O 6CO 2 +12H 2 O Energia solare Energia chimica

Luce

Spettro elettromagnetico Visibile: fra 400 e 700 nm

Le porzioni elementari di energia luminosa sono detti FOTONI o QUANTI Tanto minore è la lunghezza d’onda, tanto maggiore è l’energia del quanto (energia= frequenza x h) (la frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda)

Eccitazione di una molecola Quando una molecola, inizialmente nello stato fondamentale, assorbe un fotone, passa in uno stato eccitato caratterizzato da un maggiore contenuto energetico. L’assorbimento del fotone spinge uno degli elettroni della molecola in un orbitale più lontano dal nucleo.

Clorofilla Anello porfirinico è responsabile dell’ assorbimento luminoso

Trasferimento di energia (antenne)

Trasferimento di energia

LA CONVERSIONE QUANTICA La clorofilla a dei centri di reazione è l’unico pigmento capace di convertire l’energia dei fotoni nell’energia chimica degli elettroni (reazione red-ox)

Schema a “zeta”

Il Potenziale normale di ossido-riduzione (E 0 ) La tendenza di una coppia ox-red a cedere o acquisire elettroni da un’altra coppia si misura in Volt. Alla coppia H + /H 2 dell’elettrodo a idrogeno si dà per convenzione valore = 0 Una coppia che dà elettroni all’elettrodo a idrogeno si dice che ha E 0 negativo, una coppia che acquista elettroni da esso ha E 0 positivo In una reazione fra coppie con E 0 diverso, quella con E 0 più positivo ossiderà l’altra (reazione esoergonica)

e nella Fotosintesi???? Un elettrone non si sognerebbe mai di abbandonare l’acqua per ridurre l’NADP, perché la reazione è energeticamente sfavorevole! In base ai valori dei potenziali (coppia O 2 /H 2 0= +0,82 V, coppia NADP/NADPH 2 = - 0,32 V) la reazione dovrebbe decorrere in senso opposto! Come mai avviene????

La reazione avviene in senso endoergonico assorbendo energia luminosa NADP >>>>> ^ e - LUCE >>>>>> clorofilla >>>>> ^ e - H 2 0 La clorofilla in stato eccitato è paragonabile ad un acceleratore di e -, conferisce agli e - l’energia per rimontare il dislivello di potenziale red-ox (1,14V)

Fotofosforilazione non ciclica Fotofosforilazione ciclica e Entrambe producono ATP,ma la fotofosforilazione non ciclica anche NADPH2

Lumen Stroma Meccanismo Chemio-osmotico

La sintesi di ATP nella fase luminosa della fotosintesi Viene ottenuta accoppiando al flusso di elettroni la formazione di un gradiente di concentrazione di idrogenioni (cioè un differente pH) fra lumen tilacoidali e stroma attraverso il complesso dell’ATPsintasi

La finalità della fase oscura è produrre zuccheri, in particolare amido detto primario

IL MITOCONDRIO e LA RESPIRAZIONE La respirazione aerobica ossida il glucosio

La glicolisi avviene nel citosol

Il mitocondrio è l‘organulo che serve a produrre energia (ATP), è quindi la centrale energetica della cellula.

La struttura del mitocondrio ne determina la funzione

Le cellule giovani contengono molti mitocondri (fino al 5% del loro volume), le cellule mature ne contengono di meno (circa l’1% del volume) Misurano 1-5 micron Sono delimitati da doppia membrana: membrana esterna non selettiva, membrana interna selettiva con creste tubulari

Il Ciclo di Krebs avviene nella matrice del mitocondrio La fosforilazione ossidativa avviene nelle creste del mitocondrio E’ un grosso processo esoergonico che libera energia in forma di ATP perché accoppia un gradiente protonico come nel cloroplasto

Il ciclo di Krebs serve anche ad altro??? Produzione di amminoacidi, es famiglia dell’aspartato, acidi nucleici,acidi grassi e derivati isoprenoidi, famiglia del glutammato, porfirine

Le reazione esoergoniche Nella reazione fra due coppie con E 0 diverso, quella con E 0 più positivo (o meno negativo) OSSIDERA’ (cioè porterà via elettroni) all’altra, riducendosi

La fosforilazione ossidativa è un grosso processo spontaneo I valori dei potenziali normali redox (E 0 ) delle coppie di reazione (dalla prima, NAD/NADH 2 ) all’ultima (O 2 /H 2 O) vanno da -0,32 V a +0,82 V ΔG reazione = -52,7 kcal ΔG reaz. ADP+ P i >>>>ATP+H 2 O=-7,3 kcal Allora??? Da una mole di NADH 2 dovrebbero ottenersi 7 ATP, invece se ne ottengono 3 (resa pari al 42%!!!!!!!!)

La distribuzione dei composti red-ox nella membrana interna mitocondriale fa sì che al flusso di elettroni sia associato un TRASPORTO PROTONICO

Fotosintesi e Respirazione sono in connessione 6CO 2 +12H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O H 2 O 6CO 2 +12H 2 O Energia solare Energia chimica

BILANCIO ENERGETICO della RESPIRAZIONE 36 x (-7,3 kcal)= -262,8 kcal RESA: (-262,8: -686)x100= 38%

La resa della respirazione aerobica è maggiore di quella di un motore Diesel!!! L’ossidazione di una mole di glucosio con la respirazione producendo 36 moli di ATP equivale ad una resa del 38% dell’energia necessaria per l’ossidazione totale del glucosio!

La fermentazione alcoolica La scoria (l’alcool etilico) contiene ancora circa il 93% dell’energia che era contenuta nel glucosio!!!!! È una forma di respirazione anaerobica Saccaromiceti o lieviti (organismi che svolgono fermentazione alcolica

Alcune piante (o loro organi) fermentano in suoli o acque scarsamente ossigentati,altre sviluppano adattamenti (aerenchimi) L’anaerobiosi può favorire la crescita in competizione!!!! Perchè? Le piante differiscono nella capacità di tollerare l’allagamento e si distinguono in idrofite, tolleranti o sensibili a seconda della capacità di tollerare periodi di carenza di ossigeno.

Il riso germina in anaerobiosi, gli altri semi restano latenti Quando nella risaia non c’è più acqua, il riso è già grande, mentre gli altri semi germinano. La competizione favorisce il riso, Perché??? Il caso del riso: 1 2 3