Sua maestà Fotosintesi Clorofilliana

Ciao, benvenuto/a!

Oggi parleremo di uno degli argomenti più discussi in assoluto da tutti gli studenti che si preparano ad un test d’ammissione.

La più amata?
La più odiata?

Sua maestà, la Fotosintesi Clorofilliana.

Ti stai chiedendo cosa imparerai oggi?

  • A ricordare le principali tappe del processo di fotosintesi
  • A utilizzare una terminologia precisa e specifica, che ti può aiutare nella risoluzione dei quiz
  • A capire l’energetica della fotosintesi

Ecco la tabella dei contenuti della dispensa:

  1. Fotosintesi in generale

  2. Clorofilla e fotosistemi

  3. Fase luminosa

  4. Fase oscura

  5. Vocabolario della dispensa e concetti principali

1) Fotosintesi in generale

Prima di iniziare, ecco una breve lista di domande/risposte che può essere molto utile prima di andare avanti!

  • Dove avviene? All’interno dei cloroplasti.
  • A cosa serve? A sintetizzare composti organici (principalmente carboidrati) partendo dall’energia luminosa, dall’acqua e dal carbonio inorganico.
  • Chi la svolge? Le piante e alcuni microrganismi.

Bisogna prima di tutto sapere che ci sono due fasi principali da ricordare in questo processo biochimico: la fase luminosa, dipendente dalla luce e la fase di fissazione del carbonio o fase oscura, indipendente dalla luce, con all’interno il Ciclo di Calvin.

Il termine oscura potrebbe indicare che avviene al buio ma non è così, perché alcuni enzimi sono luce-dipendenti e senza questa non possono catalizzare le loro reazioni.

Inoltre, questa fase avviene in contemporanea a quella luminosa e quindi non di notte come si potrebbe credere. Questo perché senza luce abbiamo poca ATP e poco NADPH (formati nella fase dipendente dalla luce) e la chiusura degli stomi non permette l’entrata di CO2.

Partiamo dall’inizio.

Abbiamo detto che la fotosintesi avviene all’interno dei cloroplasti.
Questi non sono altro che delle pagnotte di pane verdi con al loro interno tilacoidi, dei sacchi appiattiti impilati che vengono fuori dal ripiegamento della membrana interna del cloroplasto a formare delle pile dette grana, con delle lamelle che collegano i grana, dette lamelle intergraniche.

Quindi è un sistema dove più tilacoidi formano i grana collegati tra di loro da delle lamelle.
Questi grana sono dispersi nello stroma, che possiamo paragonare alla matrice mitocondriale.
Ma perché? Perché i cloroplasti sono simili ai mitocondri, in quanto hanno una membrana esterna, uno spazio intermembrana, una membrana interna e lo stroma (matrice).

Quindi il cloroplasto, visto dall’esterno all’interno, è così strutturato:
membrana, spazio intermembrana, membrana che si ripiega a formare i tilacoidi, stroma, tilacoidi raggruppati in grana, grana collegati tra di loro attraverso lamelle.

Qui trovi un video molto utile per il ripasso di tutte le fasi della fotosintesi.

 

2) Clorofilla e fotosistemi

Dove si localizza la clorofilla? A livello delle membrane dei tilacoidi.

Ma che non si pensi che la Fotosintesi sia tutta opera della clorofilla.
Ci sono moltissimi altri pigmenti accessori, come le xantofille (gialle) e i carotenoidi (giallo, blu o rosso) che talvolta sono talmente presenti da mascherare il tipico colore verde della clorofilla.

Quindi, a livello delle membrane dei tilacoidi abbiamo le molecole di clorofilla che, coadiuvate dai vari pigmenti accessori, formano i cosiddetti fotosistemi.

Sono stati evidenziati due tipi di fotosistemi: I e II. Le differenze?

  • Il fotosistema Iè formato da un LHC (centro che cattura la luce, composto da molecole di clorofilla a e b, in quanto non esiste solo un tipo di clorofilla, e da diversi tipi di catene polipeptidiche) e da un centro di reazione formato da clorofilla a che ha il massimo assorbimento della luce ad un determinato valore;
  • Il fotosistema IIè formato da un LHC con più o meno stessa composizione di quello che fa parte del fotosistema I e da un centro di reazione formato da clorofilla a che ha il massimo assorbimento della luce ad un valore più basso rispetto a quello del fotosistema I.
    Questo permette la non competitività dei due fotosistemi, che possono così lavorare entrambi in modo corretto.

Ovviamente migliaia di questi fotosistemi invadono la membrana dei tilacoidi, mica solo 2.

3) Fase luminosa

Prima di tutto capiamo bene che cos’è la luce, che chiamarla così è troppo semplicistico e non ci fa apprezzare la sua reale natura.

La luce è un’onda elettromagnetica che si propaga nello spazio e porta con se energia, nient’altro.

Le onde luminose possiamo distinguerle per lunghezza d’onda (nanometri), con l’energia che trasportano che è in rapporto di inversa proporzionalità: maggiore è la lunghezza d’onda, minore è l’energia che l’onda può passare ad un altro corpo.

Quando un’onda luminosa colpisce un corpo gli trasmette la sua energia, gliela cede, con successive modifiche del corpo in seguito a questo acquisto di energia.

L’energia in un’onda è detta fotone e questo in genere prende di mira gli elettroni nei doppi legami che si formano nei pigmenti.

Ma perché?

Questi sono trattenuti in modo meno forte e possono essere facilmente eccitati.
Il fotosistema abbiamo detto essere composto anche da pigmenti e questi si prendono tutti i fotoni di tutte le lunghezze d’onda.

Quindi la luce sbatte sui cloroplasti, colpisce i pigmenti e questi trasferiscono l’energia alla clorofilla nel centro di reazione del fotosistema.

Quindi sono delle antenne che convogliano questa energia verso la clorofilla.
Fotone(luce) sbatte contro il fotosistema II, che è il primo a venir attivitato, la molecola di clorofilla a che forma il centro di reazione (insieme a tutte le altre, sono circa 200) perde un elettrone che si eccita e viene catturato da un’altra molecola associata al fotosistema, detta accettore.

Proprio perché ora questo accettore ha rubato questo elettrone, non lo restituirà mai alla clorofilla (sono troppo legati, si vogliono troppo bene).
Quindi la clorofilla deve rubare un elettrone ad un’altra molecola.
Per ragioni chimiche (l’acqua ha potenziale più basso della clorofilla) ruba all’acqua, con questa reazione che quindi si compie:
2H20 = 4H + 4 e- + O
Quattro protoni, quattro elettroni e un ossigeno.

Ossigeno come prodotto di scarto e noi ringraziamo, almeno possiamo respirare.
Questa reazione si concretizza quando due molecole di clorofilla a del fotosistema II sono state eccitate, dato che due sono gli elettroni che si liberano da una molecola di H20.
I fotoni fanno eccitare gli elettroni della clorofilla e li dirigono verso potenziali più negativi.

Gli elettroni liberati dalla clorofilla del fotosistema II vengono immessi in una vera e propria catena durante la quale perdono energia. Questa energia viene sfruttata per pompare protoni dallo stroma all’interno dello spazio del tilacoide, creando un gradiente protonico.

Infine gli elettroni giungono al fotosistema I, che a sua volta, per effetto della luce, avrà perso altri elettroni. Questi vengono usati per ridurre NADP+ in NADPH.

Tramite la proteina di membrana ATP-sintetasi situata sulla membrana del tilacoide (altro motivo per apprezzare la somiglianza Cloroplasto-Mitocondrio), gli ioni H+ liberatisi dall’idrolisi dell’acqua passano dallo spazio del tilacoide allo stroma, cioè verso gradiente, sintetizzando ATP a partire da gruppi liberi di fosfato e ADP.
Si può formare una molecola di ATP ogni due elettroni persi dai fotosistemi.

Quindi, in termini energetici:
Grazie ai nostri bellissimi quattro fotoni si sono venute a formare due molecole di ATP e una di NADPH per ogni due elettroni trasportati.
Siccome una molecola di acqua libera due elettroni, e dal momento che, per formare una molecola di ossigeno, necessitano due molecole di acqua.

Il bilancio finale del processo sarà:
8 fotoni +2 H2O+2 NADP++4 ADP+ 4P i  -> 
4ATP+ 2NADPH+ 0,+ H+.


4) Fase oscura

La fase di fissazione del carbonio o ciclo di Calvin (chiamata anche fase al buio o fase luce indipendente) comporta l’organicazione della CO2, ossia la sua incorporazione in composti organici e la riduzione del composto ottenuto grazie all’ATP ricavato dalla fase luminosa.

Per avvenire quindi necessita (si serve) della fase luminosa, altrimenti non avrebbe l’ATP per procedere. Avviene nello stroma del cloroplasto.

In questo ciclo è presente un composto organico fisso, il ribulosio-bifosfato, o RuBP, presente in grosse quantità che viene trasformato durante la reazione fino a tornare al suo stato iniziale, appunto in un ciclo. Sono 12 le molecole di ribulosio bifosfato presenti nel ciclo di Calvin che reagiscono con l’acqua e l’anidride carbonica subendo una serie di trasformazioni ad opera dell’enzima ribulosio-bifosfato carbossilasi o rubisco.

Proprio queste reazioni con acqua e CO2 rendono molto instabile il composto facendo proprio procedere il ciclo.
Alla fine del processo, oltre alle 12 RuBP (ribulosio bifosfato) nuovamente sintetizzate, si originano 2 molecole di gliceraldeide 3-fosfato, che vengono espulse dal ciclo come prodotto netto della fissazione.

Per essere attivato, il ciclo di Calvin necessita di energia chimica e supporto mediante l’idrolisi di 18 ATP in ADP e dell’ossidazione di 12 NADPH in NADP+ e ioni liberi di idrogeno H+ (che sono protoni).

L’ATP e la NADPH consumate durante il ciclo di Calvin vengono prelevate da quelle prodotte durante la fase luminosa e, una volta ossidate, tornano a far parte del pool disponibile per la riduzione, anche queste entrando quindi in un ciclo.

Complessivamente, nel ciclo di Calvin vengono consumate 6 molecole di CO2, 6 di acqua, 18 di ATP e 12 di NADPH per formare 2 gliceraldeide 3-fosfato (abbreviato in G3P), 18 gruppi liberi di fosfato, 18 ADP, 12 protoni, 12 NADP+.

Le due molecole di gliceraldeide 3-fosfato formatesi durante il ciclo di Calvin vengono utilizzate per sintetizzare glucosio, quindi in un processo perfettamente inverso alla glicolisi, o per formare lipidi quali acidi grassi oppure amminoacidi.

I prodotti finali della fotosintesi, quindi, svolgono un ruolo di fondamentale importanza nei processi dell’anabolismo degli organismi autotrofi.

5) Vocabolario della dispensa e concetti principali

 Cloroplasti: organuli presenti nelle cellule vegetali, simili ai mitocondri, all’interno dei quali avviene il processo della fotosintesi clorofilliana (in particolare, la fase luminosa avviene in prossimità dei tilacoidi, quella oscura invece in prossimità dello stroma).

Tilacoidi: parte dei cloroplasti, ottenuti grazie ai ripiegamenti verso l’interno della loro membrana.

Fase luminosa: fase della fotosintesi in cui, in presenza di energia solare, si producono ATP e NADPH.

Fase oscura: fase della fotosintesi in cui, partendo dall’ATP prodotto durante la fase luminosa e dall’anidride carbonica, si arriva alla sintesi di glucosio.

Grana: pile che si formano dal ripiegamento della membrana dei cloroplasti.

Stroma: fluido che si trova all’interno dei cloroplasti, simile alla matrice mitocondriale.

Xantofille: pigmenti accessori di colore giallo

Carotenoidi: pigmenti accessori di colore giallo, blu o rosso

Fotosistemi: complesso molecolare situato in prossimità dei tilacoidi.

Gradiente protonico: meccanismo che permette di generare un potenziale elettrochimico.

ATP: moneta energetica.

ATP sintetasi: enzima che produce ATP.

Rubisco: enzima che catalizza le reazioni di fissazione del carbonio.

Gliceraldeide 3-fosfato (G3P): intermedio metabolico a tre atomi di carbonio.

Dispensa in 10 righe

La fotosintesi è un processo biochimico svolto dai vegetali, dalle alghe, ma anche da alcuni microrganismi, come i cianobatteri. Avviene all’interno dei cloroplasti, in particolare la prima fase a ridosso dei tilacoidi e la seconda in prossimità dello stroma. A partire da acqua, energia luminosa e anidride carbonica, vengono sintetizzati carboidrati (principalmente glucosio). Si può suddividere in due fasi. Quella luminosa, avviene grazie alla “captazione” dell’energia luminosa da parte della clorofilla e di altri pigmenti accessori, che sono raggruppati in “fotosistemi”. Viene in questo momento anche liberato ossigeno molecolare, che ci permette di respirare.
La fase oscura, invece, sfrutta l’ATP prodotto durante la fase luminosa per completare il processo e sintetizzare gli zuccheri, grazie all’aiuto di particolari enzimi come la Rubisco.

 

Spero che questo approfondimento ti sia stato utile, alla prossima!

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