Stato di energia e fotoni nelle piante

Energia

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.

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.
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.
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.

Complesso antenna e centro di reazione

Membrana tilacoidale che porta proteine che portano dei pigmenti fotosintetici. 
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.