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LA FOTOSINTESI

CLOROFILLIANA

Prof. Pierpaolo Cavallo

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COME TRASFORMARE ACQUA, CARBONIO E

LUCE IN CIBO SOLIDO?

Le trasformazioni, orientate alla produzione di materia organica, subite dall'acqua e dall'anidride carbonica sono processi che non avvengono spontaneamente, ma hanno bisogno di un notevole apporto di energia dall'esterno per poter essere svolti (si parla, in questo caso, di reazioni "endoergoniche").

La luce del sole, catturata dai pigmenti fotosintetici, fornisce l'energia necessaria ad alimentare l'intera serie di reazioni.

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AUTOTROFIA E FOTOSINTESI

Gli organismi autotrofi o produttori sono quegli organismi che sono in grado di trasformare l’energia luminosa proveniente dal sole in energia chimica (processi di fotosintesi) e di sintetizzare sostanze organiche complesse a partire da sostanze organiche semplici.

Essi sono denominati, in quanto traggono energia dalla luce, FOTOAUTOTROFI.

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CHEMIOAUTOTROFI

Esistono anche taluni organismi capaci di trarre energia da reazioni chimiche basate solo sull’uso di molecole come il ferro o l’azoto: essi sono denominati CHEMIOAUTOTROFI.

La loro azione è basata sulla ossidazione di composti di zolfo o ferro.

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COSA È LA FOTOSINTESI?

La fotosintesi è il processo oggi nettamente dominante sulla Terra per la produzione di composti organici da sostanze inorganiche.

Il prodotto organico della fotosintesi è il glucosio (C6H12O6), il glucide più diffuso sul nostro pianeta. Il carbonio e l'ossigeno da convertire in sostanza organica sono forniti dall'anidride carbonica (CO2) atmosferica.

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REAZIONE COMPLESSIVA DELLA FOTOSINTESI

La quasi totalità della fotosintesi è compiuta da piante e alghe che ricavano l'idrogeno dall'acqua (H2O).

La reazione complessiva è:

x CO2 + y H2O => Cx(H2O)y + x O2

I carboidrati vengono costituiti utilizzando l'anidride

carbonica dell'aria, che viene ridotta per mezzo

dell’idrogeno estratto dall’acqua.

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DUE PROCESSI RECIPROCI

Respirazione e fotosintesi sono processi reciproci:

� con la fotosintesi si converte energia solare in massa alimentare a base di carbonio,

� con la respirazione si estrae l’energia dalla massa e si rende il carbonio nuovamente disponibile.

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DEFINIZIONE ED ETIMOLOGIA

Il processo con cui le piante trasformano materie prime semplici e facilmente reperibili nell'ambiente (come l'acqua e l'anidride carbonica) in prodotti organici di riserva alimentare va sotto il nome di "fotosintesi".

Il termine è composto dal tema "foto" ("luce") e da "sintesi", ad indicare che la produzione di queste sostanze alimentari può aver luogo soltanto in presenza di luce solare.

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LA FOTOSINTESI IN BREVE

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E' un processo

chimico

Avviene nelle parti

verdi delle pianteServe a produrre

il nutrimento

delle piante

Cos'è Dove avviene A cosa serve

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PIGMENTI

Le alghe, i licheni, i muschi, le felci, le piante superiori e alcuni batteri, sono capaci di svolgere la fotosintesi grazie alla presenza di pigmenti come la clorofilla ed altri pigmenti accessori.

Un pigmento è una sostanza colorata capace di reazioni fotochimiche, capace cioè di assorbire le radiazioni luminose.

Ciascun pigmento assorbe radiazioni di lunghezza d’onda specifica.

Le radiazioni non assorbite vengono riflesse e sono responsabili del colore del pigmento.

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LA CLOROFILLA

La clorofilla è il pigmento vegetale responsabile del colore verde delle foglie, assorbe le radiazioni che appartengono alla banda del blu e del rosso mentre riflette quelle della banda verde.

La clorofilla è una complessa molecola che contiene un atomo di magnesio ed è solubile in alcool, acetone e benzolo. In realtà, non esiste un unico tipo di clorofilla, ma sono state identificate varie molecole (le clorofille a, b, c e d) con strutture leggermente diverse tra loro e in grado di assorbire radiazioni luminose di diversa lunghezza d’onda.

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MOLECOLA DI CLOROFILLA

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SPETTRO DELLA LUCE SOLARE

Lo spettro dei colori della luce visibile va dalla zona del violetto (a circa 400 nm) a quella del rosso (a circa 750 nm).

Nell'intervallo compreso tra le zone del rosso e del viola troviamo tutti gli altri colori, tra i quali anche quelli delle radiazioni utilizzate dalle piante per la fotosintesi.

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LOCALIZZAZIONE DELLA CLOROFILLA

Nelle cellule eucariotiche (piante) la clorofilla è contenuta nei cloroplasti, organuli cellulari specializzati.

Nei procarioti (muffe) si trova all’interno di membrane distribuite lungo la periferia della cellula.

Nei vegetali meno evoluti tutte le cellule contengono la clorofilla e compiono la fotosintesi.

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CLOROPLASTI

Il cloroplasto è un organulo simile ai mitocondri e proprio delle cellule delle parti verdi degli Eucarioti fotosintetici, contenente clorofilla e deputato alla fotosintesi. Ogni cellula può contenerne 40-50.

All’interno di ogni cloroplasto i pigmenti clorofilliani sono localizzati sulla membrana che costituisce i tilacoidi dove avvengono le reazioni fotochimiche che innescano il processo fotosintetico.

Le reazioni chimiche successive avvengono invece nello stroma, la porzione fluida dei cloroplasti dove si trovano in soluzione gli enzimi specifici che catalizzano ciascuna reazione.

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STRUTTURA DI UN CLOROPLASTO1

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LE FASI DELLA FOTOSINTESI

In modo semplificato si può riassumere quanto avviene nella fotosintesi con la seguente equazione:6CO2 + 6H2O + energia => C6H12O6 + 6O2

L’anidride carbonica (CO2) utilizzata in questo processo è quella atmosferica ed entra nelle foglie tramite speciali aperture dette stomi;

L’acqua (H2O) viene assorbita dalle radici.

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DAL SOLE ALLO ZUCCHERO

L’energia che alimenta il processo è quella luminosa proveniente dal Sole che raggiunge le piante ed è captata, assorbita e trasformata in energia chimica che viene inglobata nelle molecole del glucosio.

Il processo di conversione dell’anidride carbonica atmosferica in composti organici è detto fissazione dell’anidride carbonica o anche organificazione del carbonio.

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FASI DELLA FOTOSINTESI

La fotosintesi si realizza attraverso la successione di due fasi distinte:

� la fase luminosa � la fase oscura (o “Ciclo di Calvin”).

La prima è avviata solo dalla luce e dipende strettamente dalla clorofilla.

La seconda fase è detta oscura non perché si realizza al buio, ma perché, a differenza della prima, non necessita di luce come fonte di energia.

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SCHEMA DELLA FOTOSINTESI

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LA FASE LUMINOSA

Durante questa fase, detta anche fase fotochimica, l’energia luminosa è assorbita e poi trasformata in energia chimica, vale a dire utilizzata per formare ATP (adenosina trifosfato) e NADPH (è un agente ossidante la nicotinammide adenina dinucleotide fosfato, forma ridotta) attraverso un processo chiamato fotofosforilazione non ciclica.

Inoltre viene liberato nell’ambiente ossigeno proveniente dalla demolizione di molecole di acqua.

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L’ATP È LA FONTE UNIVERSALE DI

ENERGIA LIBERA NEI SISTEMI BIOLOGICI

L'Adenosintrifosfato o ATP è un ribonucleotide trifosfato formato da una base azotata, cioè l'adenina, dal ribosio, che è uno zucchero, e da tre gruppi fosfato. È una sostanza-chiave per il metabolismo energetico.

L'ATP è il composto ad alta energia richiesto dalla stragrande maggioranza delle reazioni metaboliche, che traggono energia staccando una molecola di fosforo e trasformando l’ATP in ADP.

L'ATP non è una sostanza molto stabile, per cui non serve all'accumulo di energia per tempi significativi.

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I FOTOSISTEMI DELLA FASE LUMINOSA

Le molecole coinvolte nelle reazioni della fase luminosa della fotosintesi, che si trovano nei cloroplasti sulle membrane dei tilacoidi, formano due fotosistemi, il fotosistema I e il fotosistema II.

Essi differiscono uno dall’altro per la lunghezza d’onda della luce che riescono a captare.

Ogni fotosistema è formato da 250-400 pigmenti capaci di assorbire le radiazioni luminose.

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FOTOSISTEMI E CENTRI DI REAZIONE

In ciascun fotosistema una molecola di clorofilla a costituisce il centro di reazione, capace di dare il via alle reazioni della fase luminosa.

Gli altri pigmenti servono a captare la luce e a trasferire l’energia assorbita da una molecola all’altra fino al centro di reazione, dove avviene la conversione dell’energia luminosa in energia chimica (la fase oscura).

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FASE OSCURA

La fase oscura è la fase in cui l’energia, accumulata nelle molecole di ATP e NADPH, viene utilizzata per formare una molecola organica, il glucosio, a partire da un composto inorganico, l’anidride carbonica.

Dal momento che l’intero processo avviene indipendentemente dalla luce, si parla di “fase oscura”, anche se per essa non è necessario il buio.

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REAZIONI CHIMICHE DELLA FASE OSCURA

Le reazioni della fase oscura hanno luogo nello stroma dei cloroplasti, dove sono localizzati tutti gli enzimi necessari. Anche in questo caso il processo si svolge in diverse tappe che costituiscono un ciclo perché si concludono con la rigenerazione del composto di partenza.

Il ciclo della fase oscura è chiamato ciclo di Calvin. Per generare una molecola di glucosio sono necessarie 6 molecole di anidride carbonica per un totale di 6 giri del ciclo.

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PRODUZIONE DI GLUCOSIO

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BILANCIO ENERGETICO COMPLESSIVO NELLA

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CHEMIOSINTESI

Vi sono alcuni tipi di batteri che ricavano la loro energia mediante speciali processi di ossidazione, detti “chemiosintesi”.

Fra i batteri chemiosintetici ricordiamo: � i solfobatteri, che ricavano energia trasformando l’acido solfidrico in zolfo;

� i ferrobatteri che ricavano energia dall’ossidazione di sali ferrosi;

� i batteri nitrificanti che provvedono al loro metabolismo utilizzando anidride carbonica e ammoniaca.

Altri batteri ossidano l’idrogeno trasformandolo in acqua mentre i batteri metanogeni ricavano energia trasformando il metano in anidride carbonica e acqua.

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PERCHÉ LA CHEMIOSINTESI?

Perché vi sono locazioni geografiche in cui l’energia solare non è disponibile, quali il mare sotto i 10-15 metri, il sottosuolo etc.

In queste aree si sono sviluppati batteri capaci di estrarre energia da usare nelle reazioni chimiche non dai raggi solari ma da metallo, gas vulcanici etc.

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COLATE DI RUGGINE PRODOTTA DA

FERROBATTERI SUL RELITTO DEL TITANIC1

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