Fotosintesi: guida per lo studio per i Test Universitari
Nei test di ammissione alle facoltà scientifiche la fotosintesi è un argomento ricorrente. La fase luminosa e la fase oscura, le reazioni che avvengono nei cloroplasti, i pigmenti fotosintetici…una o due domande sono sempre relative questo fenomeno biologico. Meglio avere a portata di mano un riassunto per memorizzare almeno i concetti principali.
Ecco una guida schematica per comprendere la fotosintesi.
Che cos’è la fotosintesi
La fotosintesi è un insieme di reazioni biochimiche svolte dagli organismi autotrofi che porta alla sintesi di glucosio partendo da acqua e anidride carbonica (CO2). Per avviare il processo gli autotrofi sfruttano l’energia solare, assorbita dai pigmenti fotosintetici (clorofilla a, clorofilla b e carotenoidi).
I pigmenti sono contenuti all’interno di organuli tipici delle cellule vegetali, i cloroplasti. Essi sono la sede della fotosintesi, che viene suddivisa in due fasi: luminosa e oscura. Le due fasi si svolgono in regioni diverse del cloroplasto e sono collegate in un ciclo continuo. Al termine del ciclo i prodotti che si ottengono sono glucosio e ossigeno secondo la seguente reazione: 6CO2 + 6H2O + luce solare → C6H12O6 + 6O2.
Quando si parla di fotosintesi è inevitabile pensare immediatamente alle piante terrestri. Fanno parte degli organismi fotosintetici anche le alghe e i cianobatteri. La domanda più comune nei test riguarda il bilancio della reazione sopra indicata.
I pigmenti fotosintetici
Non si può svolgere fotosintesi senza l’ausilio di speciali pigmenti in grado di assorbire alcune lunghezze d’onda della luce solare. I principali sono tre:
- Clorofilla a. Si tratta in assoluto del pigmento più importante e si trova nelle piante, nelle alghe verdi e nei cianobatteri. Assorbe la luce visibile in due lunghezze d’onda, ossia 429 nm (blu-viola) e 659 nm (rosso-arancio). Riflette invece la lunghezza d’onda della luce verde, da qui la sua colorazione. Ha un ruolo importante all’interno dei fotosistemi P680 e P700, che vedremo a breve.
- Clorofilla b. Rispetto alla clorofilla a ricopre il ruolo di pigmento accessorio della fotosintesi, prevalente nel fotosistema P680. Assorbe le lunghezze d’onda 455 nm (viola) e 642 nm(rosso). Riflette invece la luce gialla e verde e la sua struttura è leggermente diversa da quella della clorofilla a.
- Carotenoidi. A differenza delle clorofille assorbono la luce verde mentre riflettono lo spettro giallo-rosso. L’energia solare da loro assorbita non segue lo stesso percorso della fotosintesi bensì la via della clorofilla. Sono presenti all’interno delle alghe rosse.
Fase luminosa e fase oscura
Entrambe le fasi della fotosintesi si svolgono nel cloroplasto. Tuttavia mentre la fase luminosa ha luogo nei tilacoidi, delle strutture a disco che si presentano impilate all’interno dell’organello formando i cosiddetti grani. Durante la fase luminosa si assorbe l’energia solare e avviene la fotolisi dell’acqua, che libera ossigeno. Vengono inoltre prodotti ATP e NADPH.
La fase oscura è successiva alla luminosa e si svolge invece nello stroma, ossia nel fluido interno al cloroplasto. Consiste nel ciclo di Calvin-Benson, anche detto fase di fissazione del carbonio. Durante il ciclo viene prodotta la gliceraldeide 3-fosfato, che servirà a sintetizzare il glucosio. Questa fase della fotosintesi si svolge grazie all’enzima RuBisCo (ribulosio-1,5-bifosfatocarbossilasi-ossigenasi).
La RuBisCo è la proteina più abbondante in natura e costituisce il 50% del contenuto proteico delle foglie.
I fotosistemi P680 e P700
Per catturare la luce solare necessaria per la fotosintesi durante la fase luminosa intervengono i due fotosistemi. Si tratta di complessi costituiti dai pigmenti presenti sulla membrana tilacoidale. Ogni fotosistema presenta un centro di reazione formato dalla clorofilla a e un complesso antenna che lo racchiude, costituito da clorofilla b, carotenoidi e altri pigmenti accessori.
Il primo a entrare in gioco nella fotosintesi a dispetto della denominazione è il fotosistema II (venne scoperto successivamente). Viene detto anche P700 perché è la lunghezza d’onda a cui presenta un picco di assorbimento della luce. Due elettroni della clorofilla a risultano eccitati dalla luce e passano per una catena di trasporto cedendo energia. Questa viene sfruttata per pompare protoni nel lume del tilacoide generando un gradiente.
La catena di trasporto ( feofitina – plastochinone – complesso dei citocromi b6f – plastocianina) termina con il fotosistema I, o meglio P680. Anche qui vengono eccitati due elettroni nel centro di reazione. Questi passano alla ferridossina che li utilizza per formare il NADPH. Infine i protoni precedentemente accumulati nel lume vengono fatti uscire attraverso l’ATP-sintasi, un enzima di membrana. Il passaggio produce ATP.
Il ciclo di Calvin-Benson
Nella prima fase del ciclo principale della fotosintesi il RuP assume un secondo gruppo fosfato dall’ATP e diventa RuDP. Dopodiché questo composto incamera una molecola di CO2e forma una molecola con 6 atomi di carbonio. Grazie all’enzima RuBisCo da questa si formano due molecole di PGA.
La terza e ultima fase prevede la rigenerazione della molecola di partenza, il RuP. Ogni 6 cicli si formano in totale 12 moli di G3P, ma solo due di queste rappresentano il guadagno netto. Le altre dieci rientrano nella fotosintesi per consentire al ciclo di Calvin-Benson di proseguire.
La reazione globale di questo processo si può riassumere nella seguente formula: 6 CO2 + 12 NADPH + 12 H2O + 18 ATP → C6H12O6 + 12NADP+
+ 18ADP + 18Pi + 6H+.
