Fotosintesi e respirazione

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 fase è l'enzima

RuBiSco che catalizza diverse reazioni di formazione di zuccheri all'interno del

ciclo. Esso in particolare ha due funzioni, una carbossilasica e una ossidasica.

Se nella foglia è presente molta anidride carbonica, l'enzima catalizza la

reazione di fissazione dell'ossigeno della CO sul ribulosio bifosfato e se invece

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c'è molto ossigeno, l'enzima catalizza l'aggiunta di ossigeno al ribulosio

bifosfato. La reazione ossidasica della RuBiSco è importante perché protegge la

cellula vegetale dall'accumulo di ROS, ovvero specie reattive dell'ossigeno che

tendono a formarsi nelle giornate assolate e possono danneggiare la cellula fino

a farla morire. Gli zuccheri sintetizzati dal ciclo vengono convertiti principalmente