Lezione 5 - Fisiologia vegetale

PIGMENTI FOTOSINTETICI

Clorofille → composti tetrapirrolici derivati dalla protoporfirina IX proprio come

l’emoglobina e i citocromi. Un pirrolo è un eterociclo a 5 termini di cui uno è

l’azoto; se mettiamo 4 di queste strutture insieme formano una specie di anello

che si chiama appunto tetrapirrolo in cui gli azoti sono rivolti al centro e

possono coordinare uno ione. Nel caso della clorofilla gli atomi di azoto

coordinano il magnesio 2+ che è legato grazie a due legami covalenti e a due

legami di coordinazione. Sull’anello ci sono vari tipi di sostituenti che

identificano vari tipi di clorofille. Tra questi c’è un carbossile che è

generalmente, ma non in tutte le clorofille, esterificato con una molecola di

natura alifatica detta fitolo= molecola a 20 atomi di C, è un alcol e deriva dalla

polimerizzazione di unità isopreniche.

Clorofilla a → tipica di organismi con fotosintesi ossigenica (piante, alghe verdi

e rosse, cianobatteri). Sull’anello tetrapirrolico di questa clorofilla il radicale R è

caratterizzato da un gruppo metile CH3; inoltre vediamo che sull’anello ci sono

altri sostituenti di cui uno di questi è un residuo dell’acido propionico che offre

il carbossile per l’esterificazione con il fitolo. Il fitolo ha natura idrofobica

mentre l’anello è idrofilo, ciò dona le caratteristiche anfipatiche alla clorofilla,

cioè una parte è liposolubile e una parte è idrosolubile. Questa caratteristica

nel passato ha confuso gli studiosi degli apparati fotosintetici: vedendo una

struttura del genere pensarono che potesse essere solubile nelle membrane e

che quindi si trovasse all’interno delle membrane fotosintetiche, ma in realtà

non è così e per di più se la clorofilla fosse libera nelle membrane il sistema

fotosintetico non potrebbe funzionare.

L’anello tetrapirrolico contiene alcuni elettroni debolmente legati (presenza di

molti doppi legami) quindi c’è una delocalizzazione degli orbitali π su tutta la

molecola; l’anello inoltre è il responsabile delle transizioni elettroniche nel

visibile e nelle redox. CLOROFILLA B → è uguale alla A

infatti si trova negli stessi gruppi di organismi; l’unica differenza è che il

radicale stavolta non è un metile ma un gruppo aldeidico.

Oltre alla clorofilla A e B ci sono anche altri tipi di clorofille come la C1 e C2

che sono caratteristiche di altri gruppi di organismi fotosintetici come le

diatomee, le alghe brune, i dinoflagellati. Queste mancano della coda

idrofobica del fitolo. Poi abbiamo le batterioclorofille caratteristiche dei

batteri fotosintetici che hanno sostituenti diversi sull’anello.

SPETTRO DI ASSORBIMENTO DELLA CLOROFILLA A

Figura: se noi portiamo

l’assorbimento contro la

lunghezza d’onda vediamo che

abbiamo due grandi picchi ognuno

a sua volta composti da un picco

più grande e da una piccola

spalla, uno nel blu e uno nel rosso.

Per quanto riguarda la parte di

spettro che non è assorbita ma

che invece viene riflessa è quella

nel verde, quindi da qui il colore

della clorofilla stessa. Quando la

clorofilla assorbe una radiazione

elettromagnetica nel blu o nel

rosso ci sarà transizione dell’elettrone dal ground state al primo stato eccitato,

nel caso sia assorbita la radiazione nel rosso, oppure, al secondo livello che è

più energetico se è assorbita quella nel blu e la clorofilla andrà allo stato di

singoletto eccitato. La clorofilla ha anche lo stato di tripletto, quindi ci può

essere anche una condizione in cui il de-eccitamento non avviene solo dal

singoletto eccitato ma anche dal tripletto cioè quando il singoletto prima

decade a tripletto eccitato e poi al ground state. In una stessa molecola di

clorofilla si ritrovano molti dei metodi di de-eccitamento visti in precedenza.

Lo spettro in figura è caratteristico della clorofilla in vitro ovvero del pigmento

estratto dalla pianta e misurato appunto allo spettro fotometro. Se si andasse a

vedere invece lo spettro in vivo (quindi quando la clorofilla si trova nei

cloroplasti della pianta) non è proprio uguale allo spettro in vitro: questo

fenomeno si chiama eterogeneità ed è fondamentale per molti processi.

Per avere prova della differenza che esiste tra spettro di assorbimento in vitro

ed in vivo basta fare un semplice esperimento il cui risultato è riportato nel

seguente grafico (assorbanza contro lunghezza d’onda).

Quando lo spettro è registrato in una foglia

intera, ha una determinata forma, se invece

isoliamo i cloroplasti ha un’altra forma, se

isoliamo solo le membrane ne ha un’altra

ancora, se distruggiamo anche le

membrane e otteniamo una soluzione pura

del pigmento ha uno spettro ancora diverso

che si avvicina a quello visto nella figura

precedente. Questo fenomeno ci dice che

nelle clorofille lo spettro può variare a

seconda dell’intorno chimico e cioè a

seconda di dove esse si trovano. Questo è

fondamentale per la funzione della clorofilla

stessa all’interno dell’apparato fotosintetico.

ASSORBIMENTO ED EMISSIONE DELLA LUCE DA PARTE DELLA

CLOROFILLA

In questa figura possiamo vedere il ground state con energia minima e i 4 stati

eccitati (il II non è rappresentato in quanto ha un assorbimento minimo-

corrispondeva alla piccola spalla che si trovava tra il rosso e l’arancione).

Ritroviamo i due picchi nel blu e il picco nel rosso; qualunque sia la lunghezza

d’onda assorbita succede sempre la stessa cosa: se viene assorbita nel blu – IV

PICCO- l’elettrone prima decade al III, poi al I; durante questo cambio di livello

l’elettrone perde energia sotto forma di calore e poi dal I stato eccitato ritorna

allo stato fondamentale riemettendo l’energia per fluorescenza perché tra gli

altri stati la differenza di energia è minima quindi si fa prima a perderla sotto

forma di calore, mentre qui per tornare allo stato fondamentale il salto è più

grande e quindi viene emesso un fotone. La stessa cosa succede se si assorbe

nel blu al III stato: prima si decade al I e poi viene riemesso il fotone per

fluorescenza. Se si assorbe nel rosso verrà persa solo quella poca energia per il

passaggio fra i vari sottolivelli vibrazionali fino a giungere all’ultimo e

dall’ultimo verrà emesso un fotone per fluorescenza. Quindi qualunque sia la

lunghezza d’onda assorbita, la fluorescenza sarà sempre solo nel rosso, perché

gli altri stadi decadono molto velocemente fino al primo per perdita di calore.

Tutti gli eventi fotochimici della fotosintesi avvengono dall’ultimo dei sottolivelli

vibrazionali del I stato eccitato. Quali sono i metodi attraverso cui la clorofilla si

de-eccita? Fluorescenza e fosforescenza, calore, trasferimento di energia e

fotochimica. Quindi tutti i metodi visti sono nel trasferimento di energia ed

avvengono secondo il modello di Forsters, non di Dexter.

SPETTRO DI ASSORBIMENTO E SPETTRO DI EMISSIONE

Nella figura abbiamo il confronto tra

spettro di assorbimento e spettro di

emissione. Lo spettro di assorbimento in

blu con i due picchi nel blu e nel rosso

mentre lo spettro di fluorescenza in

rosso. Lo spettro di emissione rispetto

allo spetto di assorbimento è spostato

verso il rosso perché tutte le volte che

viene assorbito un fotone ci sono dei

processi per i quali perde l’energia sotto

forma di calore prima di essere riemesso

dall’ultimo dei sottolivelli vibrazionali del

primo stato eccitato, quindi la sua

energia sarà sempre minore di quella

che è stata assorbita e sarà quindi spostata nel rosso lontano.

TELERILEVAMENTO= è la misura dell’emissione di fluorescenza della

vegetazione per monitorarne il suo stato di salute. Se la fotosintesi non

funziona per qualunque ragione, per esempio per vari tipi di stress ambientale

(caldo freddo, inquinanti ecc.), la clorofilla non può non assorbire la luce e

quindi non può non de-eccitarsi, ma dovrà pur trovare un modo per farlo. Se la

fotochimica cioè la foto-ossidazione o il

trasferimento di energia tra pigmenti non sono

possibili, l’unica via di de-eccitazione che le

rimane è la fluorescenza. Dissipando l’energia

assorbita sotto forma di fluorescenza aumenta

l’emissione del rosso in piante stressate. Rilevare

dai satelliti questo tipo di emissione ci dà

direttamente una misura dello stato di salute

della pianta stessa. Tutto ciò è possibile perché

l’emissione di fluorescenza è inversamente proporzionale alla fotosintesi ed

una pianta che non fa fotosintesi è sicuramente una pianta sofferente per

qualche ragione.

CAROTENOIDI → sono pigmenti fotosintetici a 40 atomi di carbonio, lineari con

due anelli a 6 atomi di C terminali. Sono pigmenti perché hanno 9 o più legami

coniugati che permettono transizioni elettroniche nel visibile e in genere

assumono i colori giallo, rosso, bruno ecc. Il loro metodo di de-eccitamento è la

caduta vibrazionale ovvero il decadimento non radiante con l’emissione

nell’infrarosso. Svolgono due ruoli nella fotosintesi:

la protezione dell’apparato fotosintetico dai danni foto-ossidativi in

1) quanto sono degli importanti antiossidanti per questo devono essere

assunti quotidianamente con la dieta oltre al fatto che alcuni di essi come

il beta carotene rappresentano importanti precursori delle vitamine.

Inoltre sembra anche che siano coinvolti nel trasferimento di energia alla

2) clorofilla, assicurando l’assorbimento in ambiti spettrali che non sono

coperti dalla clorofilla.

I carotenoidi sono caratterizzati dalla presenza di molti doppi legami coniugati

e i due anelli a 6 termini alle estremità della catena. Se i carotenoidi sono

costituiti solo da C e H si chiamano caroteni, se invece all’interno della

molecola ci sono anche dei sostituenti con ossigeno (gruppi OH, epossidi ecc)

allora si chiamano xantofille.

FICOBILIPROTEINE ALGALI

Fra i pigmenti fotosintetici

abbiamo anche dei pigmenti

caratteristici di specifici gruppi

come cianobatteri e alghe rosse e

che quindi non si trovano nelle

piante superiori. Questi pigmenti

sono pigmenti proteici con

all’interno un qualcosa che riesce ad assorbire la luce. Stiamo parlando di

ficobiliproteine algali costituite da proteine con all’interno un tetrapirrolo a

nucleo aperto, non chiuso come nella clorofilla. Abbiamo quindi 4 pirroli legati

tra loro ma non ciclizzati. Queste proteine sono molto grandi. Se ne trovano

moltissime sulle membrane. Esse assistono le mem