Biologia vegetale

LA FOTOSINTESI

La Fotosintesi Clorofilliana (dal greco φώτο- [foto-],

"luce", e σύνθεσις [synthesis], "costruzione,

assemblaggio") è un processo chimico per mezzo

del quale sostanze organiche – principalmente

carboidrati – vengono prodotte a partire da

anidride carbonica atmosferica e acqua

metabolica, in presenza di luce solare.

È un processo che serve a convertire energia fisica

in energia chimica, cioè la fotosintesi è un insieme

combinato di reazioni coordinate, strutturate in modo da ottenere zuccheri ovvero

scheletri di carbonio a partire da reagenti inorganici ma anche non chimici, quali la

CO2, l’energia luminosa e l’acqua.

Ottenimento di qualcosa attraverso l’uso della luce. Si chiama clorofilliana perché la

fanno le parti verdi, ma anche le alghe (non veri e propri organismi pluricellulari) e

anche alcuni batteri.

La serie di reazioni chimiche che formano la fotosintesi appartiene ai metabolismi

anabolici. I metabolismi sono:

- Anabolici costruiscono qualcosa

- Catabolici demoliscono qualcosa

La fotosintesi è data da una serie di processi anabolici, l’ossigeno è uno scarto della

pianta, no qualcosa di inutile semplicemente in eccesso che va espulso.

CO2 e H2O non potrebbero mai reagire tra loro senza introduzione di energia

dall’esterno: questa energia viene fornita dalla radiazione luminosa «catturata» grazie

a pigmenti fotosintetici. Quali sono i pigmenti delle piante? antociani, fenoli e

pigmenti fotosintetici). Questi hanno una struttura chimica adatta a catturare energia

luminosa.

Ciascun pigmento ha il suo proprio spettro di assorbimento. Quando una molecola

assorbe luce, i suoi elettroni saltano ad un livello energetico superiore; a questo punto

possono succedere diverse cose: l’energia assorbita può essere restituita sotto forma

di una radiazione luminosa di energia inferiore, più o meno velocemente (e si parla di

fluorescenza e di luminescenza), sotto forma di calore, o, come nel caso delle

clorofille, ossido-riducendo un’altra molecola. Ma l’uso più importante dell’energia

assorbita per l’intera biosfera è l’immagazzinamento nei legami chimici coinvolti nella

fotosintesi.

Ma come fanno?

Ogni molecola se riceve luce, ha una reazione, i suoi elettroni saltano un livello

energetico, ad un certo punto devono tornare al loro stato iniziale, tornano indietro e

quando lo fanno possono accadere alcune cose:

- Emettono un’altra energia sempre

luminosa a lunghezza d’onda maggiore:

riemettono una luce che è meno energica

di quella ricevuta perché vi è dispersione.

- L’energia si trasferisce da una molecola

all’altra attraverso un fenomeno noto

come risonanza elettronica. Una parte di

questo processo viene dissipata come

energia termica (calore)

- Avviene un’ossidoriduzione della molecola:

l’elettrone eccitato salta, viene ceduto ad

una molecola vicina (accettore) che si

riduce (acquista un elettrone).

I pigmenti hanno colori diversi, in quanto assorbono ed emettono lunghezze d’onda

differenti dalla radiazione luminosa. Le clorofille a e b sono identiche, ma assorbono in

due zone diverse dello spettro, ovvero il blu ed il rosso che hanno alte energie. I beta-

caroteni assorbono il blu ed il verde. Vi sono energie differenti che vengono sfruttate

da molecole differenti in organismi diversi.

Due pigmenti nello specifico

Le clorofille generalmente sono due ovvero la a e la b (no formula di struttura).

Esse hanno due zone della molecola:

Anello di idroporfinirico che è una trappola elettronica, in mezzo vi è uno

 ione metallico, un magnesio bivalente: la luce arriva colpisce questa zona della

molecola e grazie alla struttura ad anello gli elettroni entrano in risonanza

Coda idrocarbonilica detta anche fitolo: una molecola che ancora la clorofilla

 alla membrana tilacoidale dei cloroplasti. Il fitolo è immerso nella membrana e

riesce ad agganciare la clorofilla.

A e b sono diverse poiché:

- B ha CHO

- A ha CH3

La clorofilla a è la più abbondante rispetto alla b di almeno 2/3 volte. Quando la b

assorbe energia luminosa, in genere la cede ad una molecola di clorofilla a. la b è la

prima ad assorbire energia luminosa e con la risonanza, la cede ad una molecola di

clorofilla a che le è vicina.

Il beta carotene ha una struttura lineare con due anelli. L’energia viene presa da

queste strutture ad anelli, la ficoeritrobilina è un pigmento sintetico in alghe e batteri

che ha anche lei tante strutture ad anello.

Il gruppo EME dell’emoglobina ha una struttura

praticamente identica a quella della clorofilla, è un caso

di omologia= stessa struttura ma funzioni diverse.

Esistono pigmenti fotosintetici in altri organismi gli altri

variano in risposta all’habitat, ovvero in base all’energia

luminosa che arriva. Vedi in acqua dove la luce rossa

penetra solo i primi starti dell’acqua, mentre la luce blu

va più in fondo.

La foglia è una centrale energetica perfetta, a partire dalle strutture. Gli strati

dell’epidermide, trasparente perché deve entrare la luce:

- Mesofilo: in mezzo

- Strato a palizzata: sopra

Fatto da cellule appressate allungate in verticale non stratificate poiché

o quando arriva l’energia luminosa che colpisce la foglia, se dovesse

attraversare più strati di cellule disperderebbe energia, in questo modo

attraversa una cellula alla volta ed è meno dispendioso e più efficiente.

Tutte queste cellule a palizzata hanno molti cloroplasti tutti orientati in

o direzione luminosa, i fotoni attraversano la cellula in modo efficiente e

riescono ad arrivare a tutti i cloroplasti

- Strato lacunoso: sotto

Come funziona?

Il cloroplasto e le membrane tilacoidali: su ogni membrana abbiamo gruppi di

pigmenti fotosintetici organizzati in gruppi detti foto sistemi fra le 250 e le 400

molecole. I foto-sistemi hanno livelli energetici

differenti in modo tale da assorbire la radiazione

luminosa, trasferirla l’uno all’altro fino ad

arrivare ad un centro di reazione del foto-

sistema. Accade che alla fine l’elettrone viene

ceduto fisicamente ad un accettore di elettroni

che è il NADP che si riduce e diventa NADPH. Il

centro di reazione ora è ossidato dopo aver

perso un elettrone. Entra in gioco la ciclicità del

sistema: li vicino esiste un donatore di elettroni,

ovvero una molecola che dona il suo elettone al centro di reazione, ossidandosi e il

ciclo può continuare. Non vi è nessuna reazione enzimatica, ma è tutta energia

quantica.

FOTOSINTESI = FASE LUMINOSA + FASE OSCURA Come fa la CO2 a ridursi a

carboidrato (CH2O)? Consumando 4 atomi di H.

Il fotosistema I ha un massimo di assorbimento dell’energia luminosa a 700 nm di

lunghezza d’onda; il fotosistema II viene detto P 680, ovvero avrà massimo

assorbimento in lunghezza d’onda a 680 nm. Essi lavorano sempre in sinergia

durante la fotosintesi.

La fotosintesi inizia all’alba quando la luce colpisce la luce la foglia e ad un certo

punto spunta fuori il glucosio. Viene divisa in due fasi che, in alcuni casi, sono

separati nel tempo e in alcuni casi no:

1. Fase luminosa

a. Implica la luce e quindi deve avvenire di giorno. Occorrono due molecole

d’acqua le quali, ad un certo punto, rilasciano 4 elettroni ed una molecola di

ossigeno molecolare (O2).

b. Arriva la luce ad entrambi i fotosistemi contemporaneamente, il II ha energia

inferiore di assorbimento, l’energia luminosa eccita le clorofille del suo

fotosistema, arrivano al centro di reazione che cede un elettrone suo al

NADP (accettore di elettroni) e rimane senza. Per ripristinare questo

elettrone l’acqua viene spezzata con la reazione detta fotolisi dell’acqua.

Due molecole d’acqua liberano una molecola e libera 4 elettroni poiché

abbiamo 2 idrogeni per due molecole.

c. In questo salto otteniamo anche energia di tipo chimica, da ATP che è la

molecola per eccellenza per la vita, ma nello stesso momento il fotosistema I

è stato eccitato.

d. Anche questo fotosistema molla elettroni al suo accettore: questo da energia

luminosa ad energia chimica viene detta conversione quantica. Cioè

otteniamo energia chimica attraverso energia visiva, ovvero la luce.

Attraverso questo salto una molecola eccitata cede il suo elettrone eccitato

ad un’altra molecola.

e. Tutto ciò avviene alla luce sulla membrana dei tilacoidi, dal punto d vista

energetico-chimico, questa roba si esprime in questo modo: usando 12

molecole di acqua e 12 di accettore ossidato, otteniamo 12 molecole di

accettore ridotto, 12 molecole di H libero, 6 ossigeno molecolare e 18

molecole di ATP. (vera energia)

f. Questa è la trasformazone quantica dell’energia in potere riducente: è una

molecola che ha il potere di ridurre altre molecole. Equazione della fase

luminosa.

Come viene ottenuta

l’ATP?

Membrana del tilacoide: arriva la luce ed entra il fotone. Il fotosistema II riceve

energia, avviene la fotolisi dell’acqua, due molecole d’acqua, rottura, 4 protoni e due

ossigeni si hanno ora. In tutto ciò l’energia si trasferisce al fotosistema I. per ogni

fotone nel II, l’I ne assorbe 4 di fotoni. Nel frattempo gli elettroni non rimangono

dispersi, ma vengono trasferiti attraverso altre

molecole nella membrana tilacoidale attraverso

riduzione successiva. Una volta ridotto il NADP e il

NADPH, rimane all’interno del lume del tilacoide

rimane un eccesso di protoni. La concentrazione

luminale nel lume dello spazio dei protoni aumenta,

ve n’è di più. C’è un gradiente di concentrazione di

protoni. Vi è una struttura di membrana che si

chiama ATP sintasi che è sia una pompa protonica,

ovvero estrude i protoni al di fuori per ripristinare l’ambiente ma mentre lo fa ha

un’altra zona della molecola che produce ATP: usa l’energia dei protoni in uscita

secondo gradiente questa riesce a sfruttare il transito ed attacca un fosforo ad un ADP

il quale diventa ATP che è energia chimica. L’ATP ottenuto in fase luminosa lo è grazie

alla creazione di un gradiente di concentrazione di protoni nel lume del tilacoide. Tutto

ciò prende il nome di ipotesi chemio osmotica.

Quindi:

- Otteniamo NADPH

- Otteniamo ATP, chimica pura utilizzabile in tutte le altre reazioni cellulari alla

quali serve energia. Il mitocondrio andando a rompere il glucosio ha quasi le

stesse identiche strutture di membrana all’interno delle creste. L’organizzazione