Concetti Chiave
- La lunghezza d'onda della luce influisce sugli stati energetici della clorofilla, con valori di 430 nm per lo stato energetico più alto e 670 nm per quello più basso utilizzato nella fotosintesi.
- La clorofilla può essere eccitata da fotoni blu, portando gli elettroni a uno stato energetico superiore, ma tende a ritornare allo stato basale emettendo energia sotto forma di calore o fotoni.
- In stato eccitato inferiore, la clorofilla ha quattro vie per rilasciare energia: dissipazione di calore, emissione di fotoni (fluorescenza), trasferimento di energia a un'altra molecola o reazione fotochimica.
- Il complesso antenna, composto da clorofille e carotenoidi, gioca un ruolo cruciale nell'assorbimento della luce e nel trasferimento dell'energia al centro di reazione per la fotosintesi.
- La fluorescenza avviene quando la clorofilla, in stato eccitato, emette un secondo fotone di lunghezza d'onda superiore e contenuto energetico inferiore rispetto a quello inizialmente assorbito.
Indice
Che cos'è l'energia e lunghezza d'onda?
Lo stato ad energia più alta corrisponde a una λ minore (= 430 nm); lo stato ad energia più bassa (λ = 670 nm) è utilizzato nella fotosintesi.
Il passaggio dallo stato eccitato più alto a quello inferiore (decadimento) non comporta emissione di fotoni luminosi e l'energia viene cioè dispersa sotto forma di calore.
Eccitazione e stabilità
Se la molecola è colpita da fotoni di λ della regione blu, questa energia determinerà la traslocazione degli elettroni dagli orbitali più bassi ai più periferici, passando da uno stato energetico basale a uno superiore.
In questo stato instabile c’è tendenza da parte della clorofilla a perdere energia di eccitazione con emissione di calore (piccola frazione di energia dispersa) per poi passare a uno stato energetico inferiore ma sempre eccitato.
Questo stato si può raggiungere o per effetto del decadimento dello stato energetico superiore o perché la molecola di clorofilla può essere colpita da fotoni con λ della regione del rosso.
Fluorescenza e fotoni
Anche se questo stato di eccitazione inferiore è più stabile di quello superiore (durata maggiore), la clorofilla tende a ritornare allo stato basale (de-eccitazione). Questa energia di eccitazione non viene persa ma viene spesa diversamente. Il pigmento in tempi poco più estesi riesce a operare un
processo di decadimento liberando questa energia con l’emissione di un secondo fotone che avrà λ e contenuto energetico diverso dal fotone iniziale in entrata: λ superiore ed energia minore.
È possibile monitorare l’attività di questo secondo fotone perché avverrà un fenomeno di fluorescenza.
La clorofilla nello stato eccitato superiore (blu) può rimanere stabile per alcuni nanosecondi.
In questo stato eccitato la clorofilla è estremamente instabile e rilascia rapidamente energia nell’ambiente circostante per ritornare allo stato energetico inferiore.
Vie di rilascio energetico
Nello stato eccitato inferiore (rosso), la clorofilla eccitata ha 4 differenti vie alternative per cedere la propria energia di eccitazione e ritornare allo stato basale (non eccitato):
- la clorofilla eccitata ritorna allo stato basale dissipando la propria energia nell’ambiente sotto forma di calore (senza emissione di fotoni)
- la clorofilla eccitata emette di nuovo un fotone (di lambda superiore a quella del fotone assorbito) e ritorna allo stato basale (fluorescenza)
- la clorofilla partecipa ad un evento di trasferimento di energia che coinvolge una seconda molecola (succede nel complesso antenna)
- reazione fotochimica: l’energia dello stato eccitato viene convertita in energia chimica. Le reazioni fotochimiche della fotosintesi sono le più veloci, e per questo sono in grado di competere con le altre tre possibili reazioni dello stato eccitato.
Membrana tilacoidale che porta proteine che portano dei pigmenti fotosintetici.
Complesso antenna e assorbimento
L’assorbimento dell’energia luminosa è il risultato della cooperazione di più molecole di clorofille e di carotenoidi che formano il complesso antenna. Quest’ultimo assorbe la luce e trasferisce l’energia della radiazione luminosa al centro di reazione dove avvengono le reazioni di conversione dell’energia luminosa in energia chimica.
(nel complesso antenna non vengono trasferiti gli elettroni.
Via fotochimica: la clorofilla si deccita, rilasciando un protone.
Domande da interrogazione
- Qual è la relazione tra energia e lunghezza d'onda nella fotosintesi?
- Come avviene l'eccitazione degli elettroni nella clorofilla?
- Qual è il fenomeno della fluorescenza nella clorofilla?
- Quali sono le vie di rilascio energetico della clorofilla nello stato eccitato?
- Che ruolo ha il complesso antenna nell'assorbimento della luce?
Nella fotosintesi, lo stato ad energia più alta corrisponde a una lunghezza d'onda minore (430 nm), mentre lo stato ad energia più bassa, utilizzato nella fotosintesi, ha una lunghezza d'onda di 670 nm. Il decadimento dallo stato eccitato non comporta emissione di fotoni, ma dispersione di energia sotto forma di calore.
Quando la clorofilla è colpita da fotoni di lunghezza d'onda blu, gli elettroni vengono traslocati dagli orbitali più bassi a quelli più periferici, passando a uno stato energetico superiore. Questo stato è instabile e tende a perdere energia di eccitazione.
La clorofilla, dopo essere stata eccitata, può emettere un secondo fotone con lunghezza d'onda superiore e contenuto energetico minore rispetto al fotone iniziale. Questo processo di emissione è monitorabile come fluorescenza.
La clorofilla eccitata può ritornare allo stato basale dissipando energia come calore, emettendo un fotone (fluorescenza), partecipando a un trasferimento di energia a un'altra molecola, o attraverso reazioni fotochimiche che convertono energia in energia chimica.
Il complesso antenna, formato da più molecole di clorofille e carotenoidi, assorbe l'energia luminosa e trasferisce questa energia al centro di reazione, dove avvengono le reazioni di conversione dell'energia luminosa in energia chimica.
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