La fotosintesi

Le trasformazioni, orientate alla produzione di materia organica, subite dall'acqua e dall'anidride carbonica sono processi che non avvengono spontaneamente, ma hanno bisogno di un notevole apporto di energia dall'esterno per poter essere svolti (si parla, in questo caso, di reazioni "endoergoniche"). La luce del Sole, catturata dai pigmenti fotosintetici, forniscono l'energia necessaria ad alimentare l'intera serie di reazioni chimiche.

Influenza sull’ambiente Il fatto che la superficie della Terra (a differenza di quel che accade negli altri pianeti del Sistema Solare) sia un luogo tanto adatto per il manifestarsi delle innumerevoli forme di vita che ci circondano, si deve principalmente a due cause: 1. la presenza dell'acqua allo stato liquido, 2. la presenza dell'ossigeno nell'atmosfera.

FASE OSCURA (avviene sempre) HA LUOGO NEI CLOROPLASTI La reazione complessiva della fotosintesi può essere così riassunta: Anidride carbonica x CO2 + y H2O => Cx(H2O)y + x O2 acqua zucchero ossigeno FASE LUMINOSA FASE OSCURA (avviene sempre) HA LUOGO NEI CLOROPLASTI

Amido: Farine Patate Semi di cereali e altri Cellulosa Tutte le erbe giovani e quindi anche alberi Zuccheri ……dolci Saccarosio (il solito zucchero) Fruttosio Maltosio (zucchero per fare la birra…. Si trova nell’orzo) Zucchero di canna…… Galattosio: lo zucchero del latte…

I carboidrati zuccheri vengono costituiti utilizzando l'anidride carbonica dell'aria, che viene ridotta per mezzo dell’idrogeno estratto dall’acqua. L’energia luminosa necessaria per alimentare il processo è catturata dal pigmento verde clorofilla, presente nelle foglie. L’acqua è un donatore di elettroni di atomi di idrogeno piuttosto povero (potenziale redox di 0,82 V contro un valore di -0,82 V del NADH).

Alla base di tutta la complessa serie di reazioni che portano ad ottenere tale equazione, troviamo la scissione dell'acqua nei suoi componenti. 2 H2O => O2 + 4 H+ + 4 e- L'ossigeno viene liberato sotto forma di gas O2 (l'ossigeno molecolare dell'aria, appunto), mentre l'idrogeno (sotto forma di ioni H+ ed elettroni) è poi utilizzato nelle reazioni successive per trasformare la CO2 in carboidrati. L'acqua è una molecola stabile, quindi poco reattiva, e il processo della sua scissione è una reazione fortemente endoergonica, che per avvenire ha bisogno di essere alimentata dall'energia solare (si parla infatti di "fotolisi", ossia "scissione per mezzo della luce").

Per mezzo della fotolisi, l’energia radiante della luce solare viene convertita in energia chimica, dato che le molecole di idrogeno e di ossigeno contengono una quantità maggiore di energia chimica rispetto alla molecola d’acqua da cui sono derivate. La clorofilla, a normali temperature e con l’energia della luce visibile, scinde le molecole d’acqua, svolgendo un lavoro che, in condizioni ordinarie, richiede temperature di circa 2000°C o una forte corrente elettrica.

Proprio la fotosintesi, svolta nel corso di centinaia di milioni di anni da piante e batteri fotosintetici, sarebbe responsabile delle trasformazioni che hanno portato l'atmosfera del nostro pianeta alla sua attuale composizione. Gli organismi fotosintetici avrebbero dunque trasformato radicalmente la nostra atmosfera, estraendo l'ossigeno gassoso dall'acqua e riducendo notevolmente la proporzione di anidride carbonica (oggi vicina allo 0,03%). Strato di ozono

La radiazione luminosa è costituita da fotoni, in grado di colpire i pigmenti fotosintetici e di eccitare gli elettroni ad un livello energetico più alto (teoria quantistica). La luce però ha anche propagazione di tipo ondulatorio ed è dotata di una lunghezza d'onda caratteristica, dalla quale dipende la quantità di energia trasportata (teoria ondulatoria).

RAGGI GAMMA da 10-3 a 10-6 nm RAGGI X da 1 a 10-3 nm ULTRAVIOLETTO da 103 a 1 nm LUCE VISIBILE circa 103 nm INFRAROSSO da 103 a 106 nm MICROONDE da 106 a 109 nm ONDE RADIO > 109 nm (1 m)

Lo spettro dei colori della luce visibile va dalla zona del violetto (a circa 400 nm) a quella del rosso (a circa 750 nm). Nell'intervallo compreso tra le zone del rosso e del viola troviamo tutti gli altri colori, tra i quali anche quelli delle radiazioni utilizzate dalle piante per la fotosintesi.

I fatto che la fotosintesi utilizzi la luce visibile piuttosto che le altre zone dello spettro elettromagnetico è probabilmente legato alla maggior abbondanza delle radiazioni luminose rispetto a tutte le altre (la nostra atmosfera è trasparente alla luce visibile) per cui gli organismi, come le piante, in grado di sfruttarle avrebbe sarebbero stati favoriti da un punto di vista evolutivo. Inoltre, le radiazioni a lunghezza d'onda più grande di quelle del rosso (oltre 750 nm) hanno scarsa energia, che per la maggior parte è assorbita dall'acqua come calore, mentre quelle a lunghezza d'onda minore della luce viola (sotto i 400 nm) ne hanno troppa e, se assorbite, degraderebbero rapidamente molte molecole biologiche.

I pigmenti sono sostanze chimiche che appaiono colorate perché, quando vengono illuminate dalla luce bianca, sono in grado di assorbire solo alcune radiazioni dello spettro luminoso, mentre si lasciano attraversare da tutte le altre. La molecola di un pigmento che rientri tra le sostanze organiche (categoria alla quale appartengono anche i pigmenti fotosintetici), presenta caratteristiche chimiche ben precise. I pigmenti organici contengono infatti (accanto a particolari gruppi funzionali, detti "cromofori" se sono colorati di per sé, o "auxocromi" se aumentano l'intensità del colore) e una serie di "doppi legami coniugati“.

L'energia assorbita dal pigmento può essere poi riemessa in modi molto diversi a seconda dei casi e dello stato eccitato raggiunto. 1.Riemissione sotto forma di radiazione luminosa avente minore energia e quindi lunghezza d'onda maggiore di quella assorbita: questo fenomeno si definisce fluorescenza. In pratica l'elettrone sale al livello eccitato con un solo salto, mentre ridiscende allo stato fondamentale con due o più salti (l'energia di ognuno dei quali è una frazione di quella assorbita). E' il fenomeno con cui i carotenoidi assorbono le radiazioni blu-violette e riemettono le radiazioni rosse che possono essere assorbite dalla clorofilla. 2.Riemissione lenta di radiazione luminosa. Questo fenomeno viene definito fosforescenza.

3.Dissipazione dell'energia sotto forma di calore, che riporta l'elettrone del pigmento allo stato fondamentale o ad uno eccitato a minore energia; 4.Trasferimento dell'elettrone eccitato ad una molecola accettore, dopo di che l'elettrone perduto deve essere rimpiazzato a spese di un'altra molecola che funge da donatore di elettroni (ad esempio, la clorofilla cede l'elettrone eccitato ad un accettore, sostituendolo, subito dopo, con un altro elettrone proveniente dall'acqua, nei cloroplasti). In termini ossido-riduttivi, l'elettrone ceduto inizialmente (riduzione dell'accettore) viene rapidamente sostituito da un elettrone ceduto da una seconda molecola (ossidazione del donatore). L'intero fenomeno è appunto definito ossido-riduzione.

Clorofille e carotenoidi Come tutti i pigmenti, anche i pigmenti fotosintetici sono caratterizzati da uno "spettro di assorbimento". Lo spettro di assorbimento è una curva, rappresentata in un diagramma che riporta in ascisse la lunghezza d'onda ed in ordinate l'entità dell'assorbimento ("Assorbanza", indicata con "A" e definita come il logaritmo del rapporto tra l'intensità di luce che raggiunge il pigmento, "luce incidente"= I0, e quella che lo attraversa senza essere assorbita, "luce trasmessa"= I). A = log (Io / I)

I pigmenti Lo spettro di assorbimento ci dà la misura dell'intensità luminosa che viene assorbita per ciascuna lunghezza d'onda, quindi ci può fornire utili informazioni riguardanti la natura dei pigmenti fotosintetici. I principali pigmenti fotosintetici sono certamente le clorofille: specialmente la clorofilla a, il pigmento che innesca le reazioni della fase luminosa e la clorofilla b. Esistono, tuttavia, altri tipi di pigmenti definiti “accessori” quali i carotenoidi (β-carotene, xantofilla) e le ficobiline (ficoeritrina e la ficocianina di cianobatteri e alghe rosse).

L'efficacia relativa delle varie lunghezze d'onda sulla prima fase della fotosintesi è deducibile dallo "spettro d'azione fotosintetico", un diagramma simile allo spettro d'assorbimento, tranne che per il fatto di riportare in ordinate la velocità della fotosintesi, anziché il semplice assorbimento di luce. Lo spettro d'azione fotosintetico mostra un andamento parallelo allo spettro d'assorbimento della clorofilla a, con piccole differenze (le bande di frequenze efficaci nel promuovere la fotosintesi sono più ampie di quelle assorbite dalla clorofilla) dovute alla presenza dei pigmenti accessori. Questi sono, infatti, in grado di assorbire luce in zone diverse dello spettro e di trasferire, poi, la loro energia di attivazione alla clorofilla a.

L'immagine mostra lo spettro d'assorbimento della clorofilla a (in alto) confrontato con lo spettro d'azione della fotosintesi (in basso).Come si può osservare, i due spettri hanno un andamento parallelo in molte zone (le differenze sono dovute all'influenza dei pigmenti accessori sulla velocità della fotosintesi).

La clorofilla La molecola della clorofilla a è caratterizzata da un "nucleo porfirinico" formato da quattro anelli pirrolici, un atomo di magnesio (Mg) e numerosi doppi legami coniugati. E' la parte evidenziata in verde, in quanto è responsabile dell'assorbimento di energia luminosa e, quindi, della colorazione verde della clorofilla stessa. Può essere paragonata a una vera e propria antenna ricevente. . Oltre al "nucleo porfirinico", la molecola presenta una lunga catena idrocarburica, detta "fitolo". Questa può essere paragonata in qualche modo all'asta che sostiene l'antenna. La catena del fitolo è infatti la porzione della molecola che permette l'ancoraggio della clorofilla allo strato lipidico della membrana dei tilacoidi

I carotenoidi La molecola del β-carotene è caratterizzata da ben undici doppi legami coniugati, che le conferiscono la ben nota colorazione giallo-arancione (è la parte evidenziata, appunto, in arancione). I cloroplasti sono in grado di assorbire una banda di radiazioni molto ampia nella zona del viola-blu-azzurro, per cui riescono ad utilizzare anche le frequenze non assorbite dalla clorofilla. Il loro ancoraggio, nella membrana dei tilacoidi, è simile a quello del fitolo.

La foglia

Gli stomi Le uniche cellule dell'epidermide ricche di cloroplasti (e quindi in grado di svolgere la fotosintesi) sono proprio le "cellule di guardia" degli stomi. Tutte le altre cellule epidermiche sono trasparenti alla luce, che le attraversa per andare a colpire i tessuti sottostanti, i clorenchimi, innescando la prima fase della fotosintesi.

I cloroplasti Cloroplasti in una foglia di muschio

Doppia membrana esterna Serie di membrane interne sovrapposte e collegate fra loro in modo da ottenere il massimo sviluppo di area superficiale: sono le membrane fotosintetiche, quelle in cui si trovano "ancorati" i pigmenti destinati a catturare la luce solare. Vescicole, o sacchetti (tilacoidi), alcuni dei quali impilati gli uni sugli altri in strutture simili ad ammassi (grana) I grana sono collegati tra loro da altre membrane con struttura lamellare (intergrana). I tilacoidi sono immersi in una soluzione (stroma), caratterizzata da un alto contenuto di proteine (specialmente enzimi, tra i quali quelli destinati a formare i carboidrati).

E' stato ipotizzato che tutti i tilacoidi siano, in qualche modo, collegati tra di loro, in modo da formare un’unica cavità interna. Questo spazio interno servirebbe (come vedremo, in seguito) da sito di accumulo per gli ioni H+ liberati nella prima fase della fotosintesi (il gradiente formato dai quali, ai due lati della membrana dei tilacoidi, è assai importante per fornire energia alla sintesi chemiosmotica di ATP).

I cloroplasti, nelle piante superiori, sono piccoli e numerosi ed hanno sempre forma lenticolare. Nelle alghe verdi, invece, i cloroplasti sono pochi e di grandi dimensioni. La loro forma è molto variabile e caratteristica per ciascuna specie. All'interno di questi cloroplasti sono ben distinguibili, anche al microscopio ottico, uno o più corpi tondeggianti detti "pirenoidi", che sono i siti di accumulo dell'amido primario appena formato.

Nella fase luminosa i pigmenti fotosintetici assorbono l'energia radiante del sole e la trasformano in energia chimica (sotto forma di legami fosfato nelle molecole di ATP e come potere riducente nel NADPH). In questa fase viene utilizzato l'idrogeno dell'acqua e rilasciato O2 come sottoprodotto. Nella fase oscura l'ATP e il NADPH formati nella prima fase riducono l'anidride carbonica, utilizzandola per sintetizzare i carboidrati.

La cattura dell’energia luminosa I fotoni che, attraversando gli strati dell'epidermide ed entrando nel cloroplasto, raggiungono la membrana dei tilacoidi, e colpiscono i fotosistemi. Ciascun fotosistema è composto da due subunità complementari: il gruppo dei pigmenti antenna ed il centro di reazione fotochimico. In quest’ultimo avviene la separazione di carica che dà inizio a una serie di reazioni redox.

Le reazioni della fase oscura LA FISSAZIONE DEL CARBONIO Granuli di amido secondario di fagiolo

Nelle reazioni della fissazione del carbonio (definita anche, a volte, come organicazione del carbonio) l'anidride carbonica viene legata ad una preesistente molecola di carboidrato e ridotta a formare un nuovo carboidrato (con un atomo di carbonio in più), grazie all'energia dall'ATP e l'idrogeno dal NADPH, entrambi prodotti dalle reazioni della cattura energetica. Si dice che il carbonio viene "fissato", perché si ha l'incorporazione di un gas (la CO2) in una molecola "fissa", solida. Si parla invece di organicazione perché l'anidride carbonica, che è inorganica, viene trasformata nella materia organica dei carboidrati. Gli enzimi che catalizzano queste reazioni si trovano nello stroma dei cloroplasti. CICLO DI CALVIN-BENSON (1940-1950) o CICLO C-3

Piante contro Animali Le piante hanno sequenze di reazioni uniche per ridurre la CO2 a triosi fosfato, associate anche alla via riduttiva del pentosio fosfato. Negli animali invece, la sintesi di carboidrati necessita sempre di precursori con almeno tre atomi di C e con uno stato di ossidazione più basso della CO2. Le piante possono utilizzare CO2 come unica fonte di carbonio (autotrofi) per la biosintesi non solo di carboidrati, ma anche di lipidi e proteine. Negli animali invece, non possono ridurre la CO2 per formare glucosio e le poche reazioni di fissazione diretta della CO2 vedono la CO2 immediatamente persa nelle reazioni succesive (piruvato carbossilasi nella gluconeogenesi con CO2 fissato nell’OAA; acetil-CoA carbossilasi nella sintesi degli AG; carbamil fosfato sintetasi I nel ciclo dell’urea).

“Alternative” alla clorofilla BATTERI CHEMIOSINTETICI scoperti nel 1880, ricavano energia senza l’uso della clorofilla: assorbono andride carbonica al buio e non liberano ossigeno. Ricavano energia ossidando composti di zolfo o di ferro. BATTERIOCLOROFILLE composti simili alla clorofilla, presenti in alcuni batteri, che permettono di di convertire la CO2 in composti organici sfruttando l’energia luminosa e a volte anche l’infrarosso, cosa che la normale clorofilla non riesce a fare. Tuttavia le batterioclorofille non riescono a catalizzare la fotolisi e quindi a favorire l’accumulo della grande quantità di energia prodotta da questa reazione.