Biologia | La fotosintesi clorofilliana
Tutte le cellule hanno bisogno di molecole organiche ad alto contenuto energetico per sintetizzare ATP. Gli animali, che sono eterotrofi, ricavano queste molecole dagli organismi di cui si nutrono; gli autotrofi invece sono capaci di sintetizzare carboidrati o altre molecole organiche complesse partendo da semplici molecole inorganiche. Per raggiungere questo risultato, gli organismi autotrofi hanno bisogno di una fonte di energia esterna; nella maggior parte dei casi, tale fonte di energia è costituita dalla luce solare. Gli organismi autotrofi che ricavano energia dalla luce solare, come le piante, si chiamano fotoautotrofi. Gli organismi che ricavano energia da reazioni chimiche sono detti chemiautotrofi.
La fotosintesi è un insieme di reazioni che permette di catturare l’energia della luce solare e utilizzarla per trasformare diossido di carbonio (CO2) e acqua (H2O) in glucosio (C6H12O6) e ossigeno in forma gassosa (O2):
6 CO2 + 12 H2O -----> C6 H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
La fotosintesi comprende due fasi: le reazioni luminose, che avvengono nei tilacoidi, e le reazioni indipendenti dalla luce, che hanno luogo nello stroma dei cloroplasti.
L’energia luminosa impiegata nella fotosintesi non viene assorbita da un unico tipo di pigmento, bensì da una serie di pigmenti ciascuno con un diverso spettro di assorbimento. Negli organismi fotosintetici, i pigmenti capaci di assorbire l’energia utilizzata per la fotosintesi possono essere le clorofille, i carotenoidi e le ficobiline.
I pigmenti sono molecole che assorbono alcune lunghezze d’onda nello spettro del visibile.
La fotosintesi impiega due tipi di pigmenti con diversi spettri di assorbimento:
• le clorofille (a e b) assorbono nel blu e nel rosso;
• i pigmenti accessori (carotenoidi e ficobiline) assorbono nel blu e nel blu-verde.
Le ficobiline presenti nelle alghe rosse e nei cianobatteri assorbono nel verde-limone, nel giallo e nell’arancione.
La fase luminosa avviene sulla membrana dei tilacoidi dove la clorofilla è organizzata in fotosistemi. Il sistema antenna di un fotosistema assorbe l’energia luminosa e la trasmette al suo centro di reazione dove viene convertita in energia chimica.
La molecola di clorofilla eccitata del centro di reazione passa gli elettroni a un accettore primario riducendolo. Da questo inizia un flusso di elettroni che termina con la riduzione di NADP+ a NADPH e la produzione di ATP per fotofosforilazione.
IL CICLO DI CALVIN
L’enzima che catalizza la reazione di fissazione del carbonio, la ribulosio difosfato carbossilasi/ossigenasi o più semplicemente rubisco, è la proteina più abbondante della Terra: rappresenta fino al 50% delle proteine totali presenti nelle foglie delle piante.
Il ciclo di Calvin è la «fabbrica di zuccheri» del cloroplasto; tale processo si svolge nello stroma e utilizza il carbonio del CO 2 e l’energia contenuta nell’ATP e negli elettroni del NADPH per costruire uno zucchero a 3 atomi di carbonio, la gliceraldeide 3-fosfato (G3P). In base alle proprie necessità, la cellula vegetale può utilizzare in seguito la G3P per la respirazione oppure per fabbricare glucosio o altre molecole organiche. Per produrre una molecola di glucosio sono necessari sei “giri” del ciclo.
La rubisco ha un’affinità molto maggiore per la CO2 che per l’O2; se però la concentrazione di O2 nella foglia aumenta, allora inizia a reagire con O2 in un processo chiamato fotorespirazione che ha come risultato una minore fissazione del carbonio rispetto al ciclo di Calvin.