CAPITOLO 12 LA FOTOSINTESI Test Ammissione                 

Tutte le cellule necessitano di molecole organiche per sviluppare energia attraverso la sintesi dell’ATP.

Gli animali traggono queste molecole dagli organismi di cui si nutrono, per questo sono detti eterotrofi. Invece le piante verdi sono dette autotrofe perché sono capaci di sintetizzare zuccheri dalle materie prime inorganiche anidride carbonica e acqua, utilizzando l’energia della luce solare mediante un processo chiamato fotosintesi.

La fotosintesi è un processo complesso attraverso il quale viene catturata e utilizzata la luce e trasformato il diossido di carbonio (CO2) e acqua(H20) in glucosio(C6H1206) + ossigeno in forma gassosa (602). Il C si ossida, l’O si riduce. Tale processo, utilizzando energia luminosa e fonti di carbonio inorganico, permette di sintetizzare composti organici( Fig.13.01).

Per sintesi ricorda: formula della fotosintesi

C02 +H20      ————>                     C6H1206 + 602

La fotosintesi si verifica nelle cellule vegetali che contengono gli organelli chiamati cloroplasti, comprese le cellule delle foglie delle piante verdi. I cloroplasti contengono i pigmenti fotosintetici, insieme agli enzimi e alle proteine di trasporto degli elettroni, per la riduzione dell’anidride carbonica in zuccheri e per la formazione dell’ATP, utilizzando l’energia del sole. Circondato da una doppia membrana, all’interno contiene un sistema di membrane ramificato, chiamate tilacoidi, stratificate come pile di monete. Qui, l’energia della luce viene intrappolata dal pigmento verde della clorofilla e diventa l’energia chimica in molecole come il glucosio e l’ATP. Lo zucchero, formatosi nella fotosintesi, può essere temporaneamente immagazzinato come amido, ma prima o poi molto viene utilizzato nel metabolismo. Infatti, le piante producono altri carboidrati, insieme a lipidi, proteine, fattori di crescita e tutti gli altri metaboliti di cui hanno bisogno. Inoltre, assorbono dalla soluzione del suolo determinati ioni minerali, che vengono metabolizzati. Quindi la fotosintesi acquista un suo posto nel metabolismo delle piante (Fig.13. 01).

Per avvenire la fotosintesi c’è bisogno della luce e della clorofilla. La luce è una forma di radiazione elettromagnetica prodotta dal Sole. La luce visibile costituisce solo una parte della radiazione magnetica totale che raggiunge la Terra. Quando la luce ‘bianca’ visibile viene proiettata attraverso un prisma, si scompone in uno spettro di colori, dal rosso al viola con colori diversi con lunghezze d’onda diverse

( Fig. 13.02).

Ma è la struttura chimica della molecola della clorofilla che provoca l’assorbimento dell’energia della luce. La sua struttura ad  anello porfirinico contiene al centro un atomo di magnesio e intorno quattro atomi di azoto circondati da atomi di carbonio, e una coda idrofoba formata da una lunga catena di idrocarburi che serve ad ancorare la molecola di clorofilla alle membrane tilacoidi dei cloroplasti .La clorofilla assorbe lunghezze d’ombra blu e rosso,  invece i pigmenti accessori(carotenoidi  e ficobiline) i blu e i blu-verde della luce. Attraverso una serie di reazioni, la fotosintesi permette di catturare l’energia della luce solare e di utilizzarla per trasformare il diossido di carbonio (CO2) e acqua (H2O) in glucosio(C6H12O6) e ossigeno in forma gassosa(O2).

La fotosintesi avviene in 2 fasi:

1)fase luminosa ;

2)la fase oscura (o processo di Calvin).

La fase luminosa: l’energia luminosa viene utilizzata per dividere l’acqua (fotolisi).

Il primo stadio avviene nella membrana dei tilacoidi nei cloroplasti, dove la clorofilla è organizzata in sottosistemi. Un fotone innesca il processo dall’esterno; la molecola di clorofilla, presente nel centro di reazione del fotosistema II passa allo stato eccitato e quindi scompone l’acqua per fotolisi. Vengono rilasciati ioni ed elettroni di idrogeno (dalla parte di idrogeno dell’acqua) e ossigeno. Attraverso una catena di trasporto gli elettroni passano all’accettore primario fotosistema I, riducendolo. Da qui parte un flusso di elettroni che termina con la riduzione di NADP a NADPH e la produzione di ATP per fotofosforilazione(si chiama schema Z per la forma del percorso degli elettroni).

 La fase oscura, nota come fissazione del carbonio (oppure Ciclo di Calvin) (oppure C3).

Il secondo stadio avviene nello stroma del cloroplasto. Consiste nella conversione del C inorganico, presente nell’anidride carbonica, assorbita dall’ambiente, in molecole di carbonio organico, come il glucosio. L’energia assorbita e la capacità di riduzione sono utilizzate per la riduzione della CO2in carboidrato di alto valore energetico.

Nelle reazioni della fissazione del carbonio, definita anche organicazione del carbonio, l’anidride carbonica viene legata ad una preesistente molecola di carboidrato e ridotta a formare un nuovo carboidrato (con un atomo di carbonio in più), grazie all’energia dall’ATP e l’idrogeno dal NADPH, prodotti dalle reazioni della cattura energetica. Il carbonio viene “fissato “: si ha l’incorporazione di un gas (la CO2) in una molecola “fissa”, solida. Si parla invece di organicazione perché l’anidride carbonica viene trasformata nella materia organica dei carboidrati( Fig.13.03).

Fasi in dettaglio:

1) All’inizio viene trasferito 1 atomo di C su 1 monosaccaride a 5 atomi di C, il ribulosio, il quale essendo instabile si scinde in 2 molecole a 3 atomi di carbonio ,il fosfoglicerato grazie all’enzima rubisco;

2)l’ acido fosfoglicerico viene ridotto a 3 fosfogliceraldeide poi scomposta in gliceraldeide trifosfato (uno zucchero a 3 atomi di carbonio)(G3P)con richiesta di ATP,NADPH +H perdendo un gruppo fosfato;

3)Circa 1/6 della G3P viene usato per produrre molecole di zucchero;

4)I rimanenti 5/6 del G3P vengono convertiti in ribulosio monofosfato;

5)il RuMp viene convertito in RuBP in una reazione che richiede ATP;

6)il ribulosio  è pronto per combinarsi con la CO2.Ogni 6 cicli di fissazione del ribulosio si generano 12 molecole di 3fosfogliceraldeide. Di queste 12 ,10 vengono riciclate divenendo ribulosio 2 diventano glucosio, ma sono necessari 6 giri del ciclo. La maggior parte di questi prodotti verrà riciclata per ripristinare il ribulosio per ripetere il ciclo; la restante parte verrà utilizzata per formare molecole di glucosio, in base alle esigenze della pianta( Fig.13.04).

Il ciclo di Calvin viene definito la fabbrica degli zuccheri, del cloroplasto; tale processo avviene nello stroma e utilizza il C del CO2 e l’energia contenuta nell’ATP e negli elettroni del NADPH per costruire uno zucchero a 3 atomi di C la gliceraldeide tre fosfato, Per produrre una molecola di glucosio il processo deve avvenire 6 volte, cioè sono necessari 6 giri del ciclo( Fig.13.06).

La reazione del ciclo è

6CO2 +12NADPH +12H+18ATP—–>12NADP++C6H1206+6H2O

Benché si chiama fase oscura, avviene di giorno per lo più, quando c’è maggiore disponibilità di ATP e di NADPH, ma può continuare anche in assenza di luce.

La formula riassuntiva del processo della fotosintesi complessiva è:

anidride carbonica + acqua                                                                     glucosio + ossigeno

6CO2+6H20                               ————>                                                      -C6H1206 +602

6C02 + 12NADPH+12H+18 ATP         ————>                                                 12NADP+C6H1206+6H20

( Fig.13.08).