L’energia della luce del sole (Foto) colpisce una foglia, l’energia in pochi istanti attraversa delle proteine, trasformandosi in carburante vitale per la pianta (sintesi).
La fotosintesi è l’utilizzo della luce solare come fonte energetica,
viene realizzata sia da alcuni batteri che dalle piante.
Nei batteri la fotosintesi avviene nei tilacoidi, mentre nelle piante nei cloroplasti.
La capacità di utilizzo della luce solare per ricavare energia inizia 3-2,9 miliardi di anni fà nei cianobatteri.
La fotosintesi cianobatterica attuale
Negli attuali cianobatteri aerobi, come le alghe azzurre, questa reazione si realizza con le ficobiline e la clorofilla:
I pigmenti fotosintetici cianobatterici e vegetali
- la ficocianina azzurra assorbe la luce rosso-arancio
- la ficoeritrina rossa assorbe la luce blu-verde e giallastra
- la clorofilla nei cianobatteri e nei vegetali:
- la clorofilla alfa lavora con la luce blu-violetta e rossa
- la clorofilla beta lavora con la luce blu ed arancione
- il carotene lavora con la luce blu.
Fotosintesi clorofilliana delle piante
Solo il 5% dei raggi solari sono utili alla pianta per accendere la fotosintesi, la luce in più danneggia la pianta. La clorofilla verde, emette la luce verde, la luce verde non resta nella pianta, ma viene riflessa, perché un eccesso di energia danneggerebbe la pianta, che andrebbe incontro a morte.
La fotosintesi si compone di una fase luminosa e una fase oscura.
La fase luminosa
La fase luminosa avviene di giorno.
Lo scopo della fase luminosa è trasformare l’energia solare in ATP e NADPH, con un meccanismo simile per certi aspetti a quello che avviene nei mitocondri. L’ATP è una molecola energetica e il NADPH è una molecola riducente.
La produzione continua di energia è possibile tramite un flusso continuo di elettroni.
La PRIMA domanda: chi fornisce gli elettroni ?
Gli elettroni sono forniti dall’acqua presente nella foglia.
La SECONDA domanda: chi smuove gli elettroni dall’acqua ?
Gli elettroni sono smossi dai raggi solari o fotoni che colpiscono la clorofilla.
Il fotosistema
Esistono 2 fotosistemi: 1 e 2.
il fotosistema I o P700
il fotosistema II o P680
“700” e “680” sono le lunghezze d’onda in nanometri corrispondenti alla luce rossa in cui si ha il picco di assorbimento.
D’autunno la foglia perde la verde clorofilla, e rimangono solo i rossi carotenoidi.
Iniziamo dal fotosistema 2 che utilizza l’acqua.
Il Fotosistema 2 o fotosintesi ciclica
Il fotosistema 2 descrive il percorso che fa l’energia solare dentro la clorofilla.
L’energia solare eccita la clorofilla.
La clorofilla perde 2 elettroni.
La clorofilla ha bisogno di tappare la falla, diventa un forte ossidante.
La falla viene momentaneamente tappata da un elettrone della tirosina.
A questo punto servono gli elettroni dell’acqua per tamponare la tirosina.
La fotolisi dell’acqua
L’acqua presente nella foglia libera elettroni perché sollecitata dai fotoni solari.
Strappando gli elettroni all’acqua, i suoi atomi sono liberi, infatti da 2 molecole d’acqua si liberano 4 e-, 4 protoni H+ e una molecola di O2. L’ossigeno molecolare si libera nell’atmosfera attraverso dei piccoli pori fogliari detti stomi.
La scissione dell’acqua è operata dalla luce, perciò diciamo fotolisi clorofilliana dell’acqua.
Finalmente gli elettroni dell’acqua hanno tamponato la tirosina e questa ha tappato la falla della clorofilla.
La clorofilla può nuovamente essere percossa dai raggi solari ed eccitare nuovi elettroni.
TERZA domanda: che fine fanno gli elettroni smossi inizialmente ?
Il flusso di elettroni
Gli elettroni giunti al centro di reazione vengono acciuffati da una molecola: il plastichinone.
Il plastichinone così ridotto si chiama plastoidrochinone.
Il plastoidrochinone cede gli elettroni al complesso citocromo b6f.
Dal citocroma esce la plastocianina che ritroveremo nel Fotosistema 1.
Quando il citocromo riceve gli elettroni, questi pompa nel lume i protoni H+ dell’acqua: aumenta la concentrazione protonica.
La sintesi dell’ATP
Nella fotolisi di 2 molecole d’acqua si liberano 4 protoni H+, quindi aumenta la concentrazione di protoni, che similmente a quello che avviene nei mitocondri, stimola la produzione di ATP legando un fosfato all’ADP.
Ripetiamo: flusso di elettroni spinge i protoni nel lume, aumenta la concentrazione di protoni pronti, formazione dell’ATP.
Ogni 14 protoni si formano 3 ATP.
L’ATP prodotta entra nella fase oscura o ciclo di Calvin.
Il Fotosistema 1 o fotosintesi non ciclica
Il Fotosistema 1 è alimentato dalla plastocianina che deriva dal citocromo b6f che appartiene al fotosistema 2.
La plastocianina nel centro di reazione viene stimolata dai fotoni solari, porta 2 e- sulla clorofilla A, da quì parte la catena : clorofilla A, fillochinone, proteine, ferro, zolfo, ferrodossina, flavoproteina.
La sintesi del NADPH
La sintesi del NADPH avviene solo nella cosiddetta fotosintesi aciclica o non ciclica.
La ferrodossina e poi flavoproteina caricano gli elettroni sul NADP, così si può legare un protone ed ottenere il NADPH. Da ogni molecola d’acqua 2 NADPH.
Il NADPH prodotto entra nella fase oscura o ciclo di Calvin.
La fase oscura o ciclo di Calvin
Il ciclo di Calvin avviene sia di giorno che di notte, utilizza l’ATP e il NADPH per produrre glucosio.
Il ciclo di Calvin parte da un monosaccaride di 5 atomi di carbonio che si chiama ribulosio 1,5 bifosfato.
Sul ribulosio, usando l’energia della fase luminosa, aggancia il carbonio di una molecola di CO2, e forma 2 molecole a 3 atomi di carbonio: ac. 3 fosfoglicerico o PGA.
Il PGA con ATP e NADPH diventa gliceraldeide-3-fosfato o G3P o C₃H₇O₆P.
Il G3P può restare nel cloroplasto per diventare amido, o può passare nel citoplasma per diventare prima fruttosio, poi glucosio, a questo punto i due zuccheri si legano per formare il saccarosio.
La reazione complessiva della fase oscura è: 6CO2 + 12NADPH + 12 H+ + 18 ATP = 12NADP + C6H12O6 + 6 H2O.
Nella fotosintesi la produzione di ossigeno è uno scarto, uno scarto prezioso.
Ciclo C3, C4 e CAM
La gran parte delle piante utilizza la fotosintesi C3, che dal ribulosio con 5 carboni e una CO2 produce 2 molecole a tre atomi di carbonio: acido 3-fosfoglicerico.
La fotosintesi C4 e la fotosintesi CAM riducono il consumo di acqua durante la fissazione del carbonio.
La fotosintesi C4 è utilizzata da quelle piante che provengono da ambienti aridi ma con poca acqua, come il mais e il sorgo.
La C4 non parte dal ribulosio ma da una molecola a 3 atomi di carbonio: PEP o fosfoenolpiruvato. La PEP si lega a una CO2 per formare una molecola con 4 carboni: l’ossalacetato, quest’ultimo ritorna a 3 atomi di carboni dopo aver ceduto un gruppo carbossilico −COOH al ribulosio, come abbiamo visto precedentemente nella fotosintesi C3 del ciclo di Calvin. A questo punto il ribulosio C5 diventa un C6 cioè glucosio.
La fotosintesi CAM è tipica delle piante desertiche, tipica dei cactus, ananas e agave. La CO2 entra nelle piante attraverso dei piccoli fori posti sulle foglie, detti stomi. Le piante desertiche durante il giorno hanno gli stomi chiusi che invece si aprono di notte. Nel buio l’anidride carbonica entra nelle foglie e permette la fissazione al PEP a formare l’ossalacetato come abbiamo prima osservato nella fotosintesi del mais e del sorgo. La novità è che di notte l’ossalacetato diventa acido L-malico, accumulandosi entro dei vacuoli in attesa del nuovo giorno. Alla comparsa del sole nel cielo, gli stomi si chiudono, e l’anidride carbonica non giunge dall’aria circostante la pianta. Di giorno a stomi chiusi l’anidride carbonica viene fornita dalla degradazione dell ‘acido L-malico. La CO2 si lega al ribulosio riprendendo il normale ciclo di Calvin per la produzione del glucosio.
Nella fotosintesi CAM la novità è la chiusura diurna degli stomi per ridurre la perdita di acqua attraverso l’evaporazione.
Gli stomi sono localizzati soprattutto sulla superficie inferiore della foglia, mentre nelle piante acquatiche sono sulla superficie superiore.