Fotosintesi clorofilliana

Fotosintesi clorofilliana

Le piante sono capaci di sintetizzare sostanze organiche (zuccheri) a partire da sostanze inorganiche (anidride carbonica e acqua).

Biologia

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Narrazione

Durante la fotosintesi le piante producono materiale organico, il glucosio, da materiale inorganico, anidride carbonica, utilizzando l'energia della luce. In questo processo si produce anche ossigeno.

La fotosintesi avviene nelle parti verdi delle piante, cioè nelle foglie, e spesso nello stelo morbido. Il colore verde delle piante deriva dalla grande quantità di cloroplasti nelle cellule del parenchima clorofilliano. Questi cloroplasti sono la sede dove avviene la fotosintesi.

I cloroplasti hanno una doppia membrana. La membrana interna forma i tilacoidi discoidali, che formano strutture membranose impilate dette grana. La membrana tilacoidale contiene gli enzimi chiave per la fase luminosa della fotosintesi.

I più importanti di questi sono i due fotosistemi e la catena di trasporto degli elettroni tra i fotosistemi stessi.
I fotosistemi contengono pigmenti, legati alle proteine, che assorbono la luce, tra i quali il più importante è la clorofilla.
Le molecole centrali di clorofilla A del fotosistema II vengono eccitate dai fotoni e rilasciano elettroni, che entrano nella catena di trasporto degli elettroni. La clorofilla ossidata, deficiente di elettroni, sostituisce i suoi elettroni mancanti mediante scissione di molecole d'acqua. Gli atomi di ossigeno nelle molecole di acqua si combinano per formare ossigeno molecolare, mentre i protoni si accumulano all'interno della membrana.

Il primo membro della catena di trasporto degli elettroni è il plastochinone, che trasferisce gli elettroni al complesso citocromo. Il citocromo è una proteina contenente ferro, che trasferisce elettroni alla plastocianina mentre spinge più protoni nel lume tilacoidale.
Gli elettroni vengono trasferiti al fotosistema I dalla catena di trasporto degli elettroni. La molecola centrale di clorofilla è in uno stato di deficienza da elettroni, poiché li ha già rilasciati quando è stata eccitata dai fotoni. Gli elettroni vengono poi trasferiti alla ferredossina NADP reduttasi da molecole di ferredossina.

Nella fase luminosa i protoni si accumulano sulla parte interna, cioè la concentrazione di protoni dei tilacoidi aumenta e quindi risulta caricata positivamente. Questo crea una forza tendente verso l'esterno. I protoni passano verso l'esterno attraverso l'ATPasi, mentre l'energia viene rilasciata, poiché il sistema passa ad un livello energetico inferiore, da uno stato superiore di energia, a causa dell'equalizzazione di carica e di concentrazione. L'energia rilasciata viene utilizzata nella produzione di ATP. I protoni e gli elettroni rilasciati sono accettati dal NADP, che si trasforma in NADPH.
Per riassumere, l'energia dei fotoni provoca una disuguale distribuzione di protoni. Questo crea una forza motrice, che viene utilizzata per la produzione di ATP.

Le reazioni della fase oscura sono indipendenti dalla luce. In questa fase l'anidride carbonica viene incorporata in un composto organico utilizzando l'energia dell'ATP e gli ioni di idrogeno del NADPH prodotto nella fase luminosa.
Si inizia con 3 molecole di zucchero che hanno 15 atomi di carbonio complessivamente.

Una proteina enzimatica incorpora una molecola di anidride carbonica in ciascuna molecola di zucchero, mentre i prodotti si dividono vengono formate 6 molecole con 3 atomi di carbonio, per un totale di 18 atomi di carbonio. Poi, usando un NADPH e un ATP per ogni molecola, si formano 6 molecole di gliceraldeide-3-fosfate. Una di queste chiude il ciclo, mentre le altre si convertono di nuovo in 3 molecole di zucchero a cinque atomi di carbonio utilizzando 3 ATP, e il ciclo ricomincia.

Cioè, utilizzando ATP e NADPH prodotto nella fase luminosa, viene prodotta una molecola con tre atomi di carbonio in questo ciclo. I due cicli producono 2 molecole con tre atomi di carbonio, che si collegano e formano una molecola di glucosio con 6 atomi di carbonio. La pianta utilizza glucosio nei suoi ulteriori processi metabolici per la sintesi di amido o nei processi catabolici per la produzione di ATP.

Sono stati condotti esperimenti al fine di creare sistemi artificiali che imitino la fotosintesi. In una foglia artificiale le reazioni della fase luminosa e le reazioni della fase oscura avvengono in due recipienti separati. Le reazioni luminose avvengono in un semiconduttore di nitruro, che decompone l'acqua quando esposto alla luce.

L'ossigeno viene rilasciato sotto forma di bolle, mentre i protoni e gli elettroni vengono trasferiti nell'altro recipiente, attraverso un filo conduttore. Questo vaso è il sito delle reazioni della fase oscura. Qui un catalizzatore metallico è usato per produrre acido formico da anidride carbonica e acqua. Questo sistema consente di utilizzare l'energia della luce solare, e può essere utile anche per ridurre il contenuto di anidride carbonica dell'atmosfera, che contribuirebbe così a ridurre l'effetto serra e il riscaldamento globale.

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