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La fotosintesi clorofilliana - Lezione animata

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La fotosintesi lorofilliana è un processo chimico che permette la sintesi di molecole organiche (soprattutto carboidrati) a partire dalla CO (anidride carbonica) e dall'H O (acqua). Durante la fotosintesi clorofilliana l'energia elettromagnetica viene trasformata in energia chimica (infatti la fotosintesi consente proprio di trasformare l'energia solare in energia chimica), e la CO 2 (anidride carbonica) in un composto organico.

1. Assorbimento della luce

La luce visibile è una radiazione elettromagnetica con lunghezza d'onda variabile da 400-700 nm, una parte molto piccola dello spettro elettromagnetico, l'ambito che va dal colore violetto al colore rosso. L'energia di un singolo fotone è elevata se la luce è di colore violetto e diminuisce man mano che ci si avvicina al rosso. A lunghezze d'onda minori (e maggiori frequenze) corrispondono contenuti energetici maggiori.

Decadimento nella fotosintesi

Nella fotosintesi, quando i pigmenti assorbono il fotone, possiamo riconoscere due tipi di decadimenti dell'energia: il primo riguarda il concetto della fluorescenza mentre il secondo il concetto del trasferimento dell' eccitone.

Fluorescenza

Quando viene assorbito un fotone ( fig.2A), un elettrone della molecola assorbente (chiamato cromoforo) viene spinto ad un livello energetico più elevato. Questo processo avviene in base al principio del "tutto-o-niente"; per essere assorbito il fotone deve possedere una quantità di energia (il quanto) esattamente uguale a quella necessaria per indurre la transizione elettronica.

Una molecola che ha assorbito un fotone si trova in uno stato eccitato, in genere instabile e tenderà a ritornare al livello energetico di partenza.

Quando l'elettrone, che orbita attorno al nucleo dell'atomo, assorbe un fotone viene spinto ad un livello energetico più elevato (da n=2 a n=3).

Gli elettroni passano rapidamente in orbitali ad energia più alta, ma altrettanto rapidamente ritornano nei loro orbitali normali a bassa energia ( fig.2B); lo stato eccitato decade quindi allo stato basale, rilasciando il quanto di energia assorbito sotto forma di luce o di calore, oppure producendo un lavoro chimico.

La luce emessa durante il decadimento allo stato basale di una molecola eccitata viene detta fluorescenza ed ha sempre una lunghezza d'onda più lunga della luce assorbita.

Quando l'elettrone non viene più stimolato passerà dallo stato eccitato allo stato basale (da n=3 a n=2). Durante questo decadimento, allo stato energetico più bassa, verrà emesso, sotto forma di radiazione luminosa, il quanto di energia assorbito.

Trasferimento dell'eccitone

Oltre alla fluorescenza, nella fotosintesi clorofilliana esiste anche un altro importantissimo tipo di decadimento rappresentato dal trasferimento diretto dell'energia di eccitazione da una molecola eccitata a quella adiacente.

2. Cloroplasti

La fotosintesi delle piante avviene nei cloroplasti, organelli intracellulari circondati da membrana. Come i mitocondri possiedono due membrane, una esterna (permeabile a piccole molecole e ioni) e una interna (che genera e delimita un compartimento interno). Nel compartimento interno troviamo molte vescicole appiattite che prendono il nome di tilacoidi, che si organizzano in pile chiamate grani. Nelle membrane dei tilacoidi (indicate spesso come lamelle) troviamo i pigmenti fotosintetici e tutti gli enzimi che permettono le reazioni della fase luce dipendente e la sintesi dell'ATP. Il fluido che circonda le membrane dei tilacoidi è chiamato stroma e contiene tutta una serie di enzimi che catalizzano le reazioni luce indipendente.

3. Le clorofille

Le clorofille sono dei pigmenti presenti nelle membrane tilacoidi e sono i principali responsabili dell' assorbimento della luce. Si presentano di colore verde con strutture policicliche che ricordano la protoporfirina dell'emoglobina, in cui il ferro nella posizione centrale dell'anello è però stato sostituito da uno ione Mg2+.

Formula

La fotosintesi clorofilliana può essere schematizzata nella seguente formula: 2

Questa formula ci dice che tramite la fotosintesi, l'anidride carbonica e l'acqua vengono trasformate in glucosio e ossigeno. Vorrei farti notare una cosa importante, cioè la relazione tra anidride carbonica e ossigeno. Per le piante la produzione di ossigeno è considerata come una sorta di scarto, mentre per le cellule animali è essenziale. L'opposto vale per le cellula animali le quali producono anidride carbonica come scarto mentre la stessa molecola rappresenta per le piante la molecola da cui si sintetizzano i carboidrati.

4. Fasi della fotosintesi

La fotosintesi nelle piante superiori è costituita da due processi separati ma collegati tra loro: la fase luminosa ( chiamata anche fotochimica) e la fase oscura (chiamata anche chimica). Nella fase luminosa abbiamo la trasformazione dell'energia elettromagnetica in ATP e nella riduzione di NADP + (si legge: NAD fosfato ossidato) a NADPH (si legge: NAD fosfato ridotto). Questa fase comporta la liberazione secondaria di vari prodotti (nel caso della fotosintesi delle piante e dei cianobatteri e O ₂). Nella fase al buio, ATP e NADPH forniscono l'energia e il potere riducente necessari per la fissazione della CO ₂.

Fase luce indipendente

Le cellule animali per sintetizzare i carboidrati hanno sempre bisogno di precursori con almeno tre atomi di carbonio. Le piante e gli organismi fotosintetici, invece, possono sintetizzare carboidrati a partire da CO2 e acqua, riducendo la CO ₂ a spese dell'energia fornita dall'ATP e del NADPH generati durante la fase luminosa.

Le reazioni che portano alla fissazione della CO ₂ costituiscono una sorta di via ciclica dove gli intermedi sono continuamente rigenerati.

La fissazione della CO ₂ avviene in tre fasi:

1. Reazione di fissazione del carbonio

Nella prima reazione del ciclo di Calvin si verifica il legame covalente della allo zucchero a cinque atomi di carbonio ribulosio 1,5-bifosfato con la formazione di un intermedio a sei atomi di carbonio ( perchè formato dai 5 atomi di carbonio del ribulosio + 1 atomo di carbonio della CO ₂) e la successiva scissione dello stesso intermedio instabile a sei atomi di carboni in due molecole a tre atomi di carbonio il 3-fosfoglicerato (3-PGA) una delle quali avrà inglobato l'atomo di carbonio della CO2 appena fissato. Questa prima fase è catalizzata dall'enzima ribulosio 1,5bifosfato carbossilasi/ossigenasi o RuBisCo

2. Conversione del 3-PGA in G-3P

Nella seconda fase del ciclo si Calvin il 3-fosfoglicerato ( 3-PGA) che si è formato nella prima reazione del ciclo viene trasformato in gliceraldeide-3-fosfato ( G3P) in due tappe che sono essenzialmente l'inverso delle corrispondenti tappe che si verificano nella glicolisi anaerobica.

3. Rigenerazione del ribulosio 1,5BP

Nella prima e nella seconda reazione del ciclo di Calvin, per poter fissare la CO 2 , viene consumato ribulosio 1,5-bifosfato, il quale deve essere costantemente rigenerato per poter continuare la fissazione. Le cellule delle piante riescono a risolvere questo problema grazie a una serie di reazioni che formano, insieme alla precedere due reazioni, la via ciclica di Calvin.

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Schema - Fotosintesi clorofilliana riassunto

Ecco uno schema utile della fotosintesi.

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Fotosintesi clorofilliana riassunto, con schema e sintesi. Facilissima

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La fotosintesi lorofilliana è un processo chimico che permette la sintesi di molecole organiche (soprattutto carboidrati ) a partire dalla CO (anidride carbonica) e dall'H O (acqua) . Durante la fotosintesi clorofilliana l'energia elettromagnetica viene trasformata in energia chimica (infatti la fotosintesi consente proprio di trasformare l'energia solare in energia chimica), e la CO 2 (anidride carbonica) in un composto organico.