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I CLOROPLASTI E LA FOTOSINTESI

Se noi confrontiamo i sistemi viventi con i sistemi fisici vediamo che tutte le trasformazioni di energia seguono allo stesso modo le leggi di trasformazione termodinamica. Senza nessuna velleità di approfondimento ci si limita a richiamare alcuni concetti di base, utili allo studio della biologia.

Il primo principio della termodinamica dice "l'energia non si crea né si distrugge, può solo trasformarsi da una forma all'altra". A tale proposito ricordiamo il classico esempio del masso: finché esso resta in piano non ha alcuna energia, se lo trasportiamo in cima ad una collina accumula energia potenziale; se a questo punto gli diamo una piccola spinta (energia di attivazione) l'energia potenziale accumulata viene convertita in energia di movimento (o cinetica) e nel calore che si sprigiona a causa dell'attrito. In base al primo principio, dunque, l'energia che noi avevamo immagazzinato nel masso con il

Il lavoro necessario per spingerlo in cima alla collina è pari alla somma di energia cinetica più calore che si liberano con la sua caduta. Quella parte di energia che si libera sotto forma di calore si disperde nell'ambiente e non è perciò disponibile. Allo stesso modo, l'acqua immagazzinata in un bacino idroelettrico in alta montagna, nel momento in cui la facciamo precipitare a valle, sprigiona una quantità di energia che viene poi trasformata in energia elettrica e un'altra parte che si disperde e non è più disponibile, utilizzabile cioè per compiere un lavoro. Il rendimento in termini energetici di queste trasformazioni è quindi chiaramente inferiore al 100%. Questa considerazione ci permette di introdurre il secondo principio della termodinamica: "in un sistema isolato, cioè un sistema che non cede né acquista energia dall'esterno, una qualsiasi trasformazione o scambio di energia comporta"

La legge della termodinamica afferma che "l'energia totale di un sistema isolato rimane costante nel tempo, ma che lo stato finale abbia sempre meno energia dello stato iniziale".

In sostanza questa legge ci indica quale direzione venga presa dai processi naturali: un sasso, con una piccola spinta, può rotolare giù dalla collina, ma non può succedere mai che spontaneamente la risalga. Ricordiamo ancora a questo punto l'esempio fatto in un precedente capitolo: con la piccola energia di attivazione somministrata accendendo un fiammifero, il legno brucia liberando energia sotto forma di calore, fino alla formazione di sostanze inorganiche molto semplici, con scarso contenuto energetico di legame e relativamente poco reattive. Per noi è impossibile, rimettendo insieme queste sostanze, ricostruire la sostanza organica in partenza.

Semplificando estremamente i concetti potremmo dunque dire che la tendenza naturale dei processi è quella di andare verso una condizione in cui l'energia potenziale dello stato finale è minore di quella dello stato iniziale.

Questa differenza di energia (o variazione di "entalpia" ∆H, come viene chiamata) si manifesta con la produzione di calore. Ma nel determinare la direzione di una reazione può intervenire un altro fattore, ovvero la naturale tendenza dei sistemi ad andare verso condizioni di massimo disordine o casualità. La misura di questo disordine è detta "entropia". Semplificando al massimo si può dunque pensare allo stato di equilibrio come ad un compromesso tra il massimo disordine possibile da un lato, e una condizione di minima energia dall'altro. La seconda legge della termodinamica potrebbe anche essere espressa dicendo che in generale i processi naturali sono esoergonici. Se noi esaminiamo le diverse manifestazioni della vita sotto l'aspetto biochimico ci accorgiamo però che i sistemi viventi consumano un'enorme di energia per mantenere l'ordine e l'organizzazione e per conservarsi in uno stato

lontano dall'equilibrio. All'equilibrio, infatti, essendoci la minima energia potenziale possibile, le reazioni chimiche non permetterebbero di realizzare nessun lavoro utile per mantenere la vita, all'equilibrio la cellula morirebbe immediatamente.

Termodinamica e vita

Ma da dove viene l'energia necessaria alla cellula per mantenere le proprie attività vitali? Viene dal sole. Non tutti gli esseri viventi sono però in grado di "catturare" l'energia luminosa per trasformarla secondo le proprie necessità, e proprio in questo consiste la grande differenza di fondo tra organismi vegetali e animali. Solo i vegetali sono in grado di assorbire l'energia luminosa e di trasformarla in energia chimica grazie alla presenza della clorofilla, mediante il processo detto di fotosintesi clorofilliana. Quando la molecola di clorofilla assorbe energia luminosa uno dei suoi elettroni salta a un livello energetico superiore (più

lontano dal nucleo) e si viene a trovare in uno stato di maggiore energia potenziale (un elettrone in questo stato viene detto "eccitato"). Se noi consideriamo delle molecole di clorofilla isolate e poste in una provetta, vediamo che il destino di questa energia è o quello di essere ceduta sotto forma di calore oppure quello di essere restituita come fluorescenza, cioè come emissione di luce, ma con lunghezza d'onda maggiore e quindi con energia inferiore a quella assorbita (in accordo con il secondo principio della termodinamica). Comunque, tale energia viene rapidamente dispersa nell'ambiente. Quando le molecole di clorofilla si trovano inserite nel complesso sistema fotosintetizzante della cellula vivente, l'energia viene invece restituita in maniera graduale e ciò ne permette la conservazione in una forma utilizzabile per la cellula. Una considerevole parte dell'energia in arrivo come energia luminosa viene trasformata eimmagazzinano energia sotto forma di carboidrati e la utilizzano attraverso la respirazione per svolgere le loro attività vitali. Durante la fotosintesi, la CO2 atmosferica viene ridotta e combinata con l'acqua per formare il glucosio. Questo processo avviene grazie all'energia fornita dalla luce solare e coinvolge il trasferimento di elettroni e ioni H. La fotosintesi è un processo estremamente complesso e ancora oggetto di studio. Ne parleremo in dettaglio più avanti. Ecco l'equazione globale e bilanciata della fotosintesi: LUCE → 6CO2 + 12H2O → C6H12O6 + 6O2 Le piante utilizzano l'energia ricavata dai carboidrati per svolgere numerose attività, come la sintesi delle proteine e di altri composti, il trasporto di materiale attraverso le membrane cellulari, ecc. Anche gli animali, come le piante, accumulano energia sotto forma di carboidrati e la utilizzano attraverso la respirazione per svolgere le loro attività vitali.

La fotosintesi e la respirazione

Gli esseri viventi hanno bisogno di energia per la sintesi dei composti ad essi necessari per il movimento, eccetera. Mentre i vegetali sono in grado però di produrre autonomamente gli elementi energetici di cui hanno bisogno e sono quindi autosufficienti (si dicono autotrofi, da auto = sé stesso e trofo = alimento), gli animali devono introdurli dall'esterno nutrendosi, direttamente o indirettamente, di piante (si dicono infatti eterotrofi da etero = altro).

Si può dunque facilmente capire come la fotosintesi sia il fondamento della vita sulla terra, essendo praticamente l'anello di congiunzione tra l'immensa riserva di energia del sole e il fabbisogno energetico di tutti gli esseri viventi. La respirazione consiste nell'ossidazione delle molecole di glucosio, con formazione di H2O, CO2 e liberazione di energia:

2 C6H12O6 + O2 → 6 CO2 + 6 H2O + E.

Se tale energia fosse liberata tutta in una volta, la maggior parte sarebbe dispersa come calore (esattamente come

succede quando bruciamo il legno) e quindi non solo risulterebbe inutilizzabile per la cellula ma potrebbe anche provocare, a causa delle alte temperature, la morte della cellula stessa. Nei sistemi viventi esistono però dei meccanismi che permettono di controllare queste reazioni così che solo una parte dell'energia si disperde come calore, mentre l'altra viene accumulata in particolari legami chimici da cui può essere rilasciata all'occorrenza e nelle quantità necessarie ai bisogni cellulari. Nei due processi di fotosintesi e respirazione un ruolo chiave è dunque affidato a tutta una serie di particolari molecole che partecipano al trasferimento di energia. Molecole che partecipano al trasferimento di energia Sistema ADP/ATP: Cominciamo prima di tutto a parlare dell'ATP, adenosintrifosfato, una molecola che giustamente è stata definita "la principale moneta di scambio energetico per la cellula". I componenti dell'ATP

Sono uguali a quelli dei nucleotidi che costituiscono le molecole dell'RNA. Si tratta di un'unità di adenina legata a una molecola di zucchero, il ribosio, il quale a sua volta è unito a una catena composta da 3 radicali dell'acido fosforico (P). L'importanza di questa molecola negli scambi energetici consiste proprio nel particolare tipo di legame che tiene uniti gli ultimi due radicali al resto della molecola. Questo tipo di legame viene definito ad alta energia nel senso che, quando esso si spezza per idrolisi, si libera una grande quantità di energia. Quando invece dell'energia si rende disponibile, come avviene a seguito della degradazione del glucosio, tale energia serve per far reagire ADP (adenosindifosfato) con il fosforo per dar luogo ad ATP (questa reazione si chiama fosforilazione). L'energia temporaneamente immagazzinata nella molecola di ATP può essere molto rapidamente ceduta per i bisogni cellulari (ad esempio le varie

reazioni metaboliche). Il sistema ATP / ADP è quindi un sistema di trasferimento di energia universale negli esseri viventi, essendo il tramite tra le reazioni che liberano e quelle che richiedono energia. Altre molecole molto importanti coinvolte nei trasferimenti di energia sono delle molecole in grado di funzionare da accettori e trasportatori di elettroni (che si trovano a un livello energetico elevato).

NAD: (nicotinamideadenindinucleotide) costituito da 2 molecole di ribosio unite a 2 gruppi fosforici; una molecola di ribosio è a sua volta legata a una base azotata, l'adenina, l'altra molecola di ribosio è legata a un'altra base azotata, la nicotinammide. La nicotinammide (vitamina nota correntemente con il nome di niacina) costituisce la parte attiva del NAD, quella cioè che accetta e cede elettroni (insieme a ioni H+) facendo passare il NAD alternativamente dalla forma ridotta (NADH2) a quella ossidata (NAD).

Citocromi: esiste poi una categoria

i citocromi sono molecole proteiche che contengono un atomo di ferro. Questo atomo di ferro può alternativamente accettare e cedere un elettrone, passando dalla forma Fe2+ a quella Fe3+.