Fotosintesi

Le fasi della fotosintesi clorofilliana

Valerio Piloni – Università degli Studi della Tuscia

La fotosintesi è l’unico processo biologicamente importante in grado di raccogliere tale energia. Inoltre, una gran parte delle risorse energetiche del pianeta risulta dall’attività fotosintetica svolta sia in tempi recenti che antichi. Il termine fotosintesi significa letteralmente “sintesi mediante la luce”. Gli organismi fotosintetici utilizzano l’energia solare per sintetizzare composti organici che non potrebbero essere formati senza un input energetico. Specificamente l’energia luminosa permette la sintesi di carboidrati e la generazione di ossigeno dal biossido di carbonio (CO₂) e dall’acqua.

→ 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

L’energia accumulata in queste molecole viene poi usata in seguito per dare energia ai processi cellulari vegetali e rappresenta la fonte di energia di tutte le forme viventi.

La fotosintesi nelle piante superiori

Il tessuto fotosintetico più attivo nelle piante superiori è rappresentato dal mesofillo fogliare. Le cellule del mesofillo possiedono un elevato numero di cloroplasti che contengono i pigmenti verdi, le clorofille specializzati nell’assorbimento della luce. Nella fotosintesi, l’energia solare è utilizzata dalla pianta per ossidare l’acqua, con la conseguente liberazione di ossigeno, e per ridurre il biossido di carbonio in composti organici, principalmente zuccheri. La serie complessa di reazioni che culminano con la riduzione della CO₂ comprende le reazioni dei tilacoidi e quelle della fissazione del carbonio.

Le reazioni dei tilacoidi della fotosintesi avvengono nelle membrane interne specializzate del cloroplasti, appunto i tilacoidi. I prodotti finali di queste reazioni luminose sono i composti ad alta energia: ATP e NADPH, utilizzati per la sintesi di zuccheri nelle reazioni della fissazione del carbonio. Questo processo sintetico si compie nello stroma dei cloroplasti.

Nel cloroplasto l’energia luminosa è raccolta da due unità funzionalmente definite fotosistemi. L’energia luminosa assorbita è poi utilizzata per l’innescare il trasferimento di elettroni tramite una serie di composti che fungono da donatori e da accettatori degli stessi.

La luce possiede caratteristiche sia di particella che di onda

Una conquista della fisica all’inizio del XX secolo fu la comprensione che la luce possiede proprietà sia di particella che di onda. Un’onda è caratterizzata dalla lunghezza d’onda definita dalla lettera greca lambda (λ) che è la distanza tra due picchi successivi nell’onda. La frequenza rappresentata dalla lettera greca ni (ν) è il numero di picchi di onda che intercorrono in un determinato tempo. Un’equazione semplice mette in relazione la lunghezza d’onda, la frequenza e la velocità di qualsiasi onda: c = λν dove “c” è la velocità dell’onda (velocità della luce 3,0 x 10⁸ ms^-1).

L’onda luminosa è un’onda elettromagnetica trasversale, in cui i campi sia elettrico che magnetico oscillano perpendicolarmente alla direzione delle propagazione dell’onda a 90° uno rispetto all’altro. La luce è anche una particella che chiamiamo fotone. Ogni fotone contiene una determinata quantità di energia chiamata quanto. Il contenuto energetico della luce non è continuo, ma è piuttosto liberato in questi minuscoli pacchetti energetici, appunto i quanti. L’energia di un fotone (E) dipende dalla frequenza della luce secondo la relazione nota come legge di Planck: E = hν dove h è la costante di Planck (6,626 x 10^-34 Js).

La luce del sole è come una pioggia di fotoni con frequenze diverse. I nostri occhi sono sensibili solo a una piccola gamma di frequenza, la regione di luce visibile dello spettro elettromagnetico. La luce con frequenza leggermente maggiori è la regione dello spettro dell’ultravioletto e la luce con frequenze leggermente minori rappresenta la regione dell’infrarosso.

Lo spettro di assorbimento della clorofilla

Lo spettro di assorbimento della clorofilla α dà un’idea approssimativa della quantità dell’emissione solare che viene utilizzata dalle piante. Lo spettro di assorbimento fornisce informazioni circa la quantità di energia luminosa catturata o assorbita da una molecola o sostanza in funzione della lunghezza d’onda. La spettrofotometria è la tecnica utilizzata per misurare l’assorbimento della luce solare da parte di un campione.

La clorofilla appare verde ai nostri occhi poiché assorbe la luce nelle regioni rossa e blu dello spettro, riflettendo così ai nostri occhi solo la luce verde (550 nm). L’assorbimento della luce è rappresentato dall’equazione Chl + hν → Chl* in cui la clorofilla (Chl) nel suo stato energetico minore, assorbe un fotone (hv) e passa a un livello energetico superiore o eccitato (Chl*). Fra lo stato eccitato e quello basale la distribuzione degli elettroni nella molecola è diversa. L’assorbimento della luce blu eccita la clorofilla a uno stato energetico superiore all’assorbimento della luce rossa, poiché l’energia dei fotoni è superiore quando la loro lunghezza d’onda è più corta. Nello stato di eccitazione superiore la clorofilla è estremamente instabile e cede rapidamente un po' della sua energia sottoforma di calore all’ambiente circostante, passando così da uno stato eccitato minore dove può essere stabile per alcuni nanosecondi (10^-9 s). A causa di questa instabilità inerente dello stato eccitato ogni processo volto a catturarne l’energia dovrà essere estremamente rapido.

La dissipazione dell'energia nella clorofilla eccitata

Nello stato di eccitazione minore, la clorofilla eccitata ha quattro vie alternative di dissipazione dell’energia disponibile.

• La clorofilla eccitata può riemettere un fotone e quindi ritornare al suo stato basale (processo di fluorescenza). Quando agisce in questo modo la lunghezza d’onda della fluorescenza è sempre quasi sempre un po' più lunga di quella dell’assorbimento allo stesso stato elettronico poiché una parte dell’energia di eccitazione è convertita in calore prima che il fotone fluorescente venga emesso. Le clorofille di solito fluorescono nella regione dello spettro del rosso.
• La clorofilla eccitata può ritornare al suo stato basale convertendo direttamente l’energia di eccitazione in calore, senza l’emissione di fotoni.
• La clorofilla può partecipare al trasferimento di energia nel quale una molecola di clorofilla eccitata trasferisce la sua energia ad un’altra molecola.
• Un quarto processo è la fotochimica, nella quale l’energia dello stato eccitato permette che avvengano le reazioni chimiche. Le reazioni fotochimiche della fotosintesi sono fra le relazioni chimiche più veloci. Questa estrema velocità è indispensabile affinché il processo fotochimico possa competere con le altre possibili reazioni dello stato eccitato.

I pigmenti fotosintetici assorbono la luce

L’energia della luce solare è assorbita principalmente dai pigmenti della pianta. Tutti i pigmenti che sono attivi nella fotosintesi si trovano nel cloroplasto. Le strutture e gli spettri di assorbimento dei numerosi pigmenti fotosintetici sono illustrati nelle figure. Le clorofille e le batterioclorofille (pigmenti in alcuni batteri) sono i pigmenti degli organismi fotosintetici, ma tutti gli organismi contengono una miscela costituita di più di un tipo di pigmento, adempiendo ognuno a una funzione specifica.

Le clorofille α e β sono abbondanti nelle piante verdi, mentre le clorofille c e d si trovano nei protisti e nei cianobatteri. Tutte le clorofille hanno una complessa struttura ad anello che è chimicamente imparentata con i gruppi simili alla porfirina che si trovano nell’emoglobina e nei citocromi. Attaccata alla struttura ad anello vi è quasi sempre una lunga catena idrocarburica; questa catena àncora la clorofilla alla porzione idrofoba dell’ambiente in cui è presente. La struttura ad anello contiene alcuni elettroni legati debolmente ed è la parte della molecola che è coinvolta nella transizione elettronica e nelle reazioni di riduzione.

I differenti tipi di carotenoidi presenti negli organismi fotosintetici sono tutti molecole lineari con doppi legami coniugati multipli. Le bande di assorbimento fra i 400 e i 500 nm ne conferiscono il caratteristico colore arancio. I carotenoidi sono presenti in tutti gli organismi fotosintetici eccetto forme mutanti che comunque non sarebbero in grado di vivere fuori da un laboratorio. I carotenoidi sono costituenti integrali delle membrane tilacoidali e sono spesso in stretto rapporto con molte proteine che costituiscono l’apparato fotosintetico. La luce assorbita dai carotenoidi è trasferita alle clorofille per la fotosintesi e per questo sono definiti pigmenti accessori. I carotenoidi ricoprono anche un ruolo fondamentale nel riparare l’organismo dai danni causati dalla luce.

Esperimenti fondamentali per comprendere la fotosintesi

Per stabilire l’equazione chimica generale della fotosintesi furono necessarie diverse centinaia di anni; nel 1771 Joseph Priestley osservò da un rametto di menta la liberazione di ossigeno e, successivamente, nel 1779 Jan Ingenhousz descrisse la funzione fondamentale della luce nel processo fotosintetico. Altri scienziati stabilirono i ruoli della CO₂ e dell’H₂O e dimostrarono che la materia organica, in particolar modo i carboidrati, erano insieme all’ossigeno un prodotto della fotosintesi. Alla fine del XIX secolo la reazione finale della fotosintesi poteva essere scritta come:

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆

Dove C₆H₁₂O₆ rappresenta uno zucchero semplice come il glucosio. L’utilizzo degli spettri di azione è stato un punto centrale per lo sviluppo delle attuali conoscenze sulla fotosintesi. Uno spettro d’azione è la rappresentazione grafica della grandezza dell’effetto biologico che si osserva in funzione della lunghezza d’onda. Uno spettro d’azione per la fotosintesi può essere costruito da misure dello sviluppo di ossigeno a differenti lunghezze d’onda. Gli spettri d’azione furono gli strumenti che permisero la scoperta, negli organismi fotosintetici che sviluppano ossigeno, dell’esistenza dei due fotosistemi.

La fotosintesi avviene in complessi contenenti antenne

Una parte dell’energia luminosa assorbita dalle clorofille e dai carotenoidi è alla fine accumulata sotto forma di energia chimica, attraverso la formazione di legami chimici. Questa conversione di energia da una forma all’altra è un processo complesso che dipende dalla cooperazione fra un gran numero di molecole di pigmenti e un gruppo di proteine che trasferiscono elettroni. La maggior parte dei pigmenti funge da complesso antenna captando la luce e trasferendo l’energia al complesso del centro di reazione, dove avvengono le reazioni chimiche che portano all’accumulo a lungo termine dell’energia. Anche in piena luce solare, una molecola di clorofilla è in grado di assorbire solo pochi fotoni al secondo. Se ogni molecola di clorofilla avesse un intero centro di reazione associata ad essa, gli enzimi che fanno parte di questo sistema resterebbero in attesa per la maggior parte del tempo, essendo attivati dall’assorbimento di un fotone solo occasionalmente; se una grande quantità di pigmenti può mandare l’energia verso un centro di reazione comune, il sistema è mantenuto attivo per un lungo lasso di tempo. L’energia richiesta per portare a termine la reazione fotosintetica proviene dalla luce. Per portare a termine la reazione dell’equazione precedente occorrono 9/10 fotoni di luce.

La luce permette la riduzione di NADP e la formazione di ATP

Il processo generale della fotosintesi è una reazione redox nella quale gli elettroni sono rimossi da una specie chimica, ossidandola, e aggiunti ad un’altra specie chimica, riducendola. Nel 1937 Robert Hill scoprì che alla luce i tilacoidi isolati da cloroplasti riducevano una gran quantità di composti, come i sali di ferro. Questi composti fungono da ossidanti al posto della CO₂, come mostra la seguente equazione: 4Fe³⁺ + 2H₂O → 4Fe²⁺ + O₂ + 4H⁺.

Un gran numero di composti agisce da accettatore artificiale di elettroni in quella che è diventata comune definire la reazione di Hill. L’utilizzo di questi composti è stato fondamentale per capire e chiarire le reazioni che precedono la riduzione del carbonio. La dimostrazione dello sviluppo di ossigeno legato alla riduzione di accettatori artificiali di elettroni fornì la prima prova che questo sviluppo poteva avvenire in presenza di biossido di carbonio e quindi pertanto all’idea, oggigiorno approvata e comprovata, che l’ossigeno fotosintetico ha origine dall’acqua e non dal biossido di carbonio.

Oggi sappiamo che durante il funzionamento normale del sistema fotosintetico la luce riduce la nicotinammide-adenina-dinucleotide fosfato (NADP), che a sua volta serve come agente riducente per la fissazione del carbonio nel ciclo di Calvin. Durante il flusso elettronico che va dall’acqua fino al NADP viene anche formato ATP, che viene anch’esso utilizzato per la riduzione del carbonio. Le reazioni chimiche nelle quali l’acqua si ossida a ossigeno, il NADP viene ridotto e l’ATP viene formata, sono generalmente conosciute con il nome di reazioni tilacoidali poiché quasi tutte le reazioni avvengono all’interno dei tilacoidi. Le reazioni della fissazione e riduzione del carbonio sono definite reazioni stromatiche perché avvengono nella zona acquosa del cloroplasto, lo stroma.

Gli organismi che evolvono ossigeno possiedono due fotosistemi

Fino alla fine degli anni ’50 numerosi esperimenti resero perplessi gli scienziati che studiavano la fotosintesi. Uno di questi esperimenti, condotto da Emerson, fu la misura della resa quantica della fotosintesi in funzione della lunghezza d’onda, che rivelò la presenza di un effetto conosciuto con il nome di caduta del rosso. La resa quantica dello sviluppo di ossigeno cade drasticamente con la luce nel rosso lontano a lunghezze d’onda >680nm, indicando che la luce nel rosso lontano da sola non è sufficiente a portare avanti la fotosintesi. Il leggero flesso vicino ai 500nm è dovuto alla minor efficienza della fotosintesi che utilizza la luce assorbita da pigmenti accessori. Concludendo che nella parte estrema della zona del rosso dell’assorbimento della clorofilla (>680nm), la resa scende drasticamente.