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ATP.
La catena respiratoria: dato che nelle tappe 1 e 2 delle molecole come il NAD
3. e il FAD si sono ridotte acquistando elettroni, essi vengono trasferiti tramite
una catena di trasporto degli elettroni per andare a fosforilare l' ADP in ATP e
formare dunque energia. La catena è composta da molecole trasportatrici (
solitamente il citocromo ) che grazie alla presenza di un atomo Fe al loro
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interno, che può ossidarsi a Fe trasporta gli elettroni a diversi complessi fino
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ad arrivare all' ATPasi che forma ATP. Il processo che porta alla formazione di
ATP attraverso la catena di trasporto é detta fosforilazione ossidativa.
La glicolisi avviene nel citosol e forma 2 ATP, il ciclo di Krebs avviene nella
matrice mitocondriale e forma 2 ATP mentre la fosforilazione ossidativa avviene
sulla membrana interna dei mitocondri e forma 28 ATP. La cellula è in grado di
immagazzinare circa il 38% dell'energia che produce sotto forma di ATP, il
restante viene disperso sotto forma di calore, ma è comunque una macchina più
efficiente di qualunque altra creata dall'uomo.
La fotosintesi: essa è un procedimento che viene svolto dalle piante e dagli
organismi unicellulari fotosintesi ci è dalle alghe e serve a organicamente
sostanze organiche come CO e H O formando glucosio e acqua. Essa è la
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reazione inversa della respirazione cellulare e dato che la respirazione è
esoergonica, la fotosintesi sarà endoergonica, infatti serve energia per rompere gli
stretti legami tra molecole di CO e H O. Inoltre essa è un processo anatolico,
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quindi termodinamicamente sfavorito. Comunque la fotosintesi serve a fornire
ossigeno e energia legata alle sostanze organiche prodotte a tutti gli organismi
viventi ed è dunque indispensabile per la vita sulla Terra. Riesce a fornire energia
perché immagazzina nel glucosio l'energia derivante dalla luce solare. La
fotosintesi è composta da una fase luminosa e da una oscura, la prima per
avvenire ha bisogno di luce, mentre per la seconda è indifferente che ci sia luce
o meno. La fase oscura è strettamente dipendente dalla fase luminosa perché
essa le fornisce dei componenti che le servono per far avvenire le reazioni ( ATP,
NADPH ). Tutte le fasi della fotosintesi si svolgono nel cloroplasto ma gli enzimi
della fase oscura si trovano nello stroma, mentre tutta la fase luminosa e
localizzata nei tilacoidi.
La luce: la luce può essere descritta osservandola da due punti di vista diversi, si
dice dunque che ha due nature, una ondulatoria, essa può essere vista infatti
come un'onda elettromagnetica e una natura più energetica, infatti essa è vista
come formata da unità di energia chiamate fotoni, o pacchetti di energia.
Teoria ondulatoria: la luce visibile si propaga nello spazio con un moto
ondulatorio e ha una lunghezza d'onda caratteristica che dipende dalla quantità
di energia trasportata. La luce visibile ha una lunghezza d'onda di circa 10 nm e
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lo spettro dei colori della luce visibile va dalla zona del violetto (400 nm) a
quella del rosso (750 nm) e comprende tutti gli altri colori che vediamo. Le piante
utilizzano per la fotosintesi la lunghezza d'onda nella luce visibile per due motivi
principali. Innanzitutto perché essa è la più abbondante nella nostra atmosfera,
perché a differenza delle altre non viene filtrata dall'ozono, e poi perché le
radiazioni con lunghezza d'onda maggiore di quella del rosso hanno scarsa
energia e quelle con una lunghezza d'onda minore del viola ne hanno troppa e
danneggerebbe le piante.
Teoria quantistica: la radiazione luminosa è costituita da fotoni che colpiscono i
pigmenti fotosintetici eccitandoli . Più un fotone ha lunghezza d'onda minore, più
energia possiede.
Fase luminosa: in questa fase vengono assorbite delle determinate lunghezza
• d'onda della luce che arriva dal sole a seconda della molecola interessata. La
cellula vegetale possiede infatti delle molecole in grado di eccitarsi e far
passare i loro elettroni a uno stato energetico superiore ( a maggior energia )
se colpite da una particolare lunghezza d'onda della luce. Questi elettroni
passano subito dopo al loro stato originario liberando parte dell'energia solare
immagazzinata che viene quindi usata per la fotosintesi. L'energia può essere
liberata in tre modi. Il primo e per fluorescenza, ovvero l'energia ricevuta viene
riemessa sotto forma di fotone con una lunghezza d'onda minore e dunque con
una minore energia perché una parte viene dissipata. Il secondo è per
trasferimento per risonanza, ovvero l'energia ricevuta viene trasferita a una
molecola vicina con energia più bassa, e il terzo è per reazioni di
ossidoriduzione, ovvero l'elettrone eccitato viene passato a una altro atomo e in
questo modo l'energia luminosa viene trasformata in energia chimica. Nella
fotosintesi avvengono il secondo e il terzo. Le molecole in grado di compiere
questo processo sono i pigmenti fotosintetici: le clorofille e i carotenoidi, in
alcune alghe sono presenti anche le ficobiline. Ogni pigmento fotosintetico è in
grado di assorbire una determinata lunghezza d'onda per usarla nella fotosintesi.
Le molecole di clorofilla possono essere a o b e hanno la stessa struttura ( una
testa che assorbe la radiazione luminosa e una coda formata da una catena
idrocarburica chiamata fitolo che si lega ai tilacoidi ), ma la clorofilla a presenta
un gruppo metile nella testa che nella clorofilla b è sostituito da un gruppo
aldeidico. Inoltre la a è verde-azzurra mentre la b è verde-gialla. Entrambe
assorbono prevalentemente nella zona del blu e del rosso.
I carotenoidi sono di colore giallo-arancio e sono composti da una lunga catena
con alla fine due anelli che possono essere aperti o chiusi a seconda del
catoneoide. I carotenoidi si distinguono in caroteni, ovvero molecole costituite
solo da C e H e in xantofille, molecole in cui è presente anche l' O2. I
carotenoidi hanno anche la funzione di impedire la fotossidazione della clorofilla,
che è una reazione che avviene tra l'ossigeno atmosferico e la clorofilla in
presenza di luce. Se tale reazione avviene, la clorofilla non sarebbe più utilizzabile
per la fotosintesi. Lo spettro di assorbimento di una foglia dovrebbe essere la
somma degli spettri delle molecole fotosintetiche di cui è composto, in realtà è
leggermente diverso perché gli spettri dei singoli pigmenti vengono determinati in
soluzione, mentre nella foglia i pigmenti soma legati alle proteine dei tilacoidi,
quindi assorbono la luce in maniera un po' differente.
Non tutte le molecole di clorofilla sono in grado di catturare un elettrone e di
mandarlo nella catena di trasporto degli elettroni per formare ATP e NADPH,
infatti le poche molecole che ne sono capaci vengono raggruppate in un insieme
detto unità fotosintetica. Tutte le altre molecole di clorofilla riescono solo a
catturare un elettrone e a trasferire energia, ma non riescono a inviarlo alla
catena di trasporto. L'unità fotosintetica è composta da atomi a livelli energetici
diversi in modo che quando una molecola prende un elettrone lo ceda a quella
con un livello energetico più basso che lo manderà a una con un livello ancora
più basso ecc. fino ad arrivare alla trappola o centro di reazione, ovvero la
molecola con energia minore che tratterrà l'elettrone per impedire che dissipi
energia. Questa molecola non trasferisce l'elettrone a nessun'altra molecola ma
solo alla catena di trasporto tornando al suo stato fondamentale e cedendo
l'elettrone. Esistono quindi molti complessi fotosintetici in grado di captare gli
elettroni che arrivano e per questo sono chiamati complessi antenna. Questi
pigmenti sono poi legati al centro di reazione. Dato che la pianta ha molti
pigmenti fotosintetici, riesce a fare la fotosintesi anche quando c'è scarsa
luminosità per esempio nelle giornate nuvolose. Gli elettroni catturati poi verranno
per forza inviati alla catena e non verrano sprecati.
La catena di trasporto degli elettroni: le molecole di clorofilla che tornano al loro
stato fondamentale cedono un elettrone e per continuare il loro lavoro, ne
devono prendere un'altra da una molecola che funga da donatore che è sempre
l' acqua. L'acqua viene quindi ossidata ad ossigeno molecolare che viene
riemesso nell'atmosfera. L'elettrone perso dall'acqua entrerà nella catena di
trasporto degli elettroni riducendo il NADP in NADPH. Esistono due tipi di unità
fotosintetiche: il fotosistema 1 ( PSI ) e il fotosistema 2 ( PSII ), ciascuna unità ha
la sua antenna indicati rispettivamente con P700 e P680, dove P sta per pigmento
e i numeri stanno per le maggiori lunghezze d'onda assorbite dai fotosistemi. I
due foto sistemi sono separati e lontani tra di loro (il PSI e l'ATP sintetasi sono
nei tilacoidi intergrana, mentre il PSII è a livello dei grana ), ma sono disposti in
serie in modo tale che ogni elettrone proveniente dal PSII passi al PSI e poi al
NADP. Questa serie è detta schema a Z. Tale schema è costruito in modo tale
che i componenti ossidanti siamo in basso e quelli riducenti in alto, per cui le
reazioni endoergoniche sono indicate con frecce verso l'alto, mentre i processi
esoergonici con frecce verso il basso. Il PSII riprende l'elettrone perso dall'acqua
ossidandola a ossigeno molecolare. Nel PSI non tutti gli elettroni vengono ceduti
al NADP, ma alcuni ricadono indietro nel tratto esoergonico di trasporto di
elettroni formando l' ATP. Questo processo è chiamato fosforilazione ciclica. La
sintesi di ATP viene ottenuta accoppiando al flusso di elettroni un gradiente di
protoni che genera un pH più basso all'interno dei tilacoidi rispetto all'esterno. Il
gradiente di pH viene sfruttato per formare ATP tramite l' ATPasi.
Fase oscura: la fase oscura avviene nello stroma del cloroplasto e non
• necessità di luce per avvenire, ma ha bisogno dei prodotti della fase luminosa,
ovvero ATP e NADPH che vengono impiegati per formare le sostanze organiche
(zuccheri) a partire da CO . La sintesi degli zuccheri viene fatta nel ciclo di
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Calvin, che è un ciclo in quando il reagente viene riformato a partire dall'ultimo
prodotto. In questo ciclo, le molecole di acqua e di anidride carbonica vengono
legati a catene carbonio se formando diversi zuccheri e usando 2NADPH e 3ATP
a ciclo.Dato che gli zuccheri prodotti dal ciclo di Calvin sono facilmente
trasformati in altri zuccheri, non è corretto parlare di glucosio come prodotto
finale, ma di triosofosfati. Un enzima molto importante in questa f