La Fotosintesi

La Fotosintesi è un processo mediante il quale, a partire da anidride carbonica e acqua, e con l'utilizzazione della luce solare quale fonte di energia, vengono prodotti glucosio e ossigeno.

ENERGIA SOLARE                  ENERGIA CHIMICA

Questa reazione viene effettuata da alcuni tipi di organismi che, per questa loro capacità, vengono detti fotosintetici: essi sono rappresentati dalle alghe, dalle piante e da alcuni batteri. La reazione fotosintetica avviene a livello di particolari organuli cellulari detti cloroplasti e viene mediata dal pigmento clorofilla, di colore verde, e da altri pigmenti (carotenoidi e ficobiline). Nelle piante la fotosintesi avviene a livello delle parti verdi, principalmente nelle foglie e nei giovani fusti non ancora ricoperti dal legno.

La fotosintesi fornisce a tali organismi gli zuccheri che verranno successivamente utilizzati, mediante la respirazione cellulare, come fonte di energia per il metabolismo. Poiché, dunque, gli organismi fotosintetici non devono introdurre con l'alimentazione (come invece gli animali) le molecole da cui trarre energia, ma sono in grado di sintetizzarle da soli, essi sono considerati autotrofi.

In ecologia, l'importanza della fotosintesi consiste nel fatto che essa converte l'energia solare in una forma di energia che è utilizzabile da tutti i viventi. Gli organismi fotosintetici formano il primo anello delle catene alimentari (e poiché producono sostanza organica sono detti organismi produttori); gli animali erbivori che se ne nutrono formano il secondo anello, i carnivori che si cibano degli erbivori formano il terzo anello e così via. L'energia solare, convertita in energia chimica con la fotosintesi, fluisce dunque dal primo anello ai successivi e alimenta lo svolgimento di tutti i processi vitali. Inoltre, la fotosintesi fornisce come sottoprodotto l'ossigeno che viene utilizzato da tutti i viventi, compresi gli stessi organismi fotosintetici, per i processi di respirazione cellulare (ciò non riguarda gli organismi anaerobi, che vivono in ambienti privi di ossigeno).

La comparsa dei primi organismi fotosintetici, all'inizio dell'evoluzione della vita sulla Terra, determinò la modificazione dell'atmosfera primordiale, arricchendo questa di ossigeno. Sembra che i primi organismi capaci di fotosintesi siano stati batteri; quelli che si rivelarono di importanza fondamentale furono i cianobatteri (o alghe azzurre), che contribuirono in modo particolare alla produzione dell'ossigeno, il che diede impulso alla nascita di specie aerobie, capaci di utilizzarlo mediante processi di respirazione.

Reazione chimica della fotosintesi

All'interno dei cloroplasti si trova un sistema di membrane che formano pile di sacchetti appiattiti (tilacoidi) dette grana, e lamelle di collegamento dei grana (lamelle intergrana). Intorno ai tilacoidi vi è uno spazio che prende il nome di stroma. Sulle membrane si trovano molecole di clorofilla di due tipi (clorofilla a e clorofilla b) che formano due strutture molecolari dette fotosistema I (P700) e fotosistema II (P680). Oltre alla clorofilla, vi sono anche pigmenti detti accessori, perlopiù ficobiline e carotenoidi. Ogni tipo di pigmento è in grado di assorbire una particolare lunghezza d'onda della luce: in particolare, la clorofilla a e b assorbono lunghezze d'onda corrispondenti al blu e al rosso e i carotenoidi quelle corrispondenti al blu e al violetto.

La fotosintesi può essere riassunta dalla seguente equazione chimica:

6 CO₂ + 12 H₂O + luce              C₆H₁₂O₆+ 6 O₂ + 6 H₂O

CO₂ è l'anidride carbonica; C₆H₁₂O₆ è la formula del glucosio.

In realtà, l'acqua H₂O è utilizzata dalla maggior parte degli organismi fotosintetici (alghe e piante verdi) ma nel caso dei batteri, al suo posto possono essere utilizzati altri composti, come l'acido solfidrico, H₂S.

FASI DELLA FOTOSINTESI

La fotosintesi avviene in due fasi: una luminosa (nei grana) e una oscura (nello stoma).

La fase luminosa comprende reazioni che possono avvenire solo in presenza di luce, mentre la fase oscura non richiede energia luminosa ed elabora i prodotti fotosintetici forniti dalla fase precedente. La velocità delle reazioni della fase luminosa può essere, entro certi limiti, incrementata aumentando l'intensità della luce e la concentrazione di anidride carbonica, mentre la velocità delle reazioni della fase oscura può essere aumentata, anch'essa entro certi limiti, da un incremento di temperatura.

Fase Luminosa:

A livello delle membrane tilacoidali all'interno dei cloroplasti, i pigmenti del fotosistema II captano la radiazione luminosa, coadiuvati dai pigmenti accessori; l'energia assorbita determina un'eccitazione delle molecole del cosiddetto centro di reazione del fotosistema, dove avviene la fotolisi dell'acqua, ossia la sua scissione in ossigeno e idrogeno a opera della luce.

L'eccitazione delle molecole di pigmento determina la formazione di un flusso di elettroni che, passando sul fotosistema I, attraversano particolari molecole (che formano una catena di trasporto degli elettroni) e forniscono l'energia necessaria alla sintesi di adenosina trifosfato[1], ATP, molecola ad alto contenuto energetico. L'eccitazione del fotosistema I determina la formazione di una molecola, il NADPH, che ha potere riducente e verrà usata, con l'ATP, nella fase oscura. L'ossigeno, sottoprodotto della reazione di fotolisi, viene rilasciato nell'atmosfera.

Fase Oscura:

La fase oscura si svolge nello stroma dei cloroplasti, dove l'energia immagazzinata in ATP e NADPH viene impiegata per ridurre l'anidride carbonica in carbonio organico. Ciò avviene tramite una serie di reazioni, conosciute come ciclo di Calvin, che utilizzano l'energia presente nell'ATP e nel NADPH. A ogni ciclo una molecola di anidride carbonica si combina con uno zucchero a 5 atomi di carbonio, chiamato ribulosio-1,5-difosfato (RuDP), per formare due molecole di un composto a 3 atomi di carbonio, chiamato 3-fosfoglicerato (PGA). Dopo tre cicli, ciascuno dei quali consuma una molecola di anidride carbonica, due di NADPH e tre di ATP, vengono prodotte tre molecole di un composto a 3 atomi di carbonio, la gliceraldeide-3-fosfato, due delle quali si combinano a formare una molecola a 6 atomi di carbonio, il glucosio. Il RuDP viene rigenerato a ogni ciclo.

Il risultato netto della fotosintesi consiste nel trasferimento temporaneo dell'energia luminosa nei legami chimici dell'ATP e del NADPH, nella fase luminosa, e nel trasferimento permanente della stessa energia nel glucosio, nella fase oscura. La scomposizione delle molecole d'acqua, nella fase luminosa, serve a cedere gli elettroni che, di fatto, trasferiscono l'energia necessaria a formare l'ATP e il NADPH. L'anidride carbonica viene, invece, ridotta nella fase oscura per fornire lo scheletro della molecola di zucchero.