Bioenergia e tecnologie di cattura e stoccaggio della CO ...
Le piante come laboratori per la cattura e la conversione ...
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Prof. Elisabetta SgarbiDipartimento di Scienze agrarie e
degli alimentiUniversità di Modena e Reggio Emilia
Le piante come “laboratori” per la cattura e la conversione dell’energia
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• C’è un unico processo biochimico che consente di catturare l’Energia disponibile come radiazione solare e trasformarla in energia chimica, sotto forma di sostanza organica - carboidrati
La Fotosintesi
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La fotosintesi……in sintesi
• 6 CO2 + 12 H2O + Energia luminosa • pigmenti (clorofilla …) - enzimi
• C6H12O6 + O2 + 6 H2O
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Quali organismi viventi sono in grado di effettuare la fotosintesi?
Tutti gli organismi autotrofi….dal greco:
autós = se stesso
tróphos = che nutre
Alghe filamentose
Alghe laminari
cianobatteri(dimensioni 2 μm)
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• …che possiedono particolari strutture cellulari, enzimi e pigmenti
• e utilizzano:• anidride carbonica * • acqua• e luce solare (ε)• per la sintesi di composti organici *
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• Una migliore definizione per questi organismi?Autotrofi fotosintetici o fotoautotrofi
che sono dunque ben distinti dagli organismi eterotrofi
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Foto: Abbate
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Dove ha luogo questo processo?• Nei cianobatteri ha luogo nelle membrane tilacoidali, disposte
all’interno della cellula a cui è ancorato il principale pigmento fotosintetico, la clorofilla a.
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Nelle piante terrestri…
Foglia di lentisco
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• I muschi, piccole piante terrestri hanno foglioline sottili, facilmente osservabili al microscopio ottico…
Foto: Valletta, Pasqua
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cloroplasti
Nello stroma sono immersi: ribosomi, DNA, enzimi, globuli lipidici e possono essere osservati granuli d’amido
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Ipotesi endosimbiotica sull’origine dei cloroplasti
Disegno:Valletta
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LE MEMBRANE –secondo il modello a mosaico fluido
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La fotosintesi coinvolge molte molecole diverse:enzimiaccettori e trasportatori di e-
pigmenti
tutte presenti nei cloroplasti
Componenti funzionali dei cloroplasti
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L’energia solare raggiunge la terra sotto forma di onde di diversa lunghezza e circa il 40% di questa energia èsotto forma di luce visibile.
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Clorofilla a, pigmento fotosintetico indispensabile, clorofilla b,carotenoidi e altri ancora, definiti pigmenti accessori
I pigmenti sono sostanze che assorbono specifiche lunghezze d’onda e hanno un colore corrispondente alle lunghezze d’onda che non assorbono e riflettono.
fitolo
PIGMENTI FOTOSINTETICIDa: Kingsley et al., 2009
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le clorofillepresentano un minimo di assorbimento nella regione del verde:
per le piante, la luce monocromatica di questo colore equivale a buio completo
le foglie assorbono circa l’80% della luce visibile
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Classe di pigmenti Pigmento Colore LocalizzazioneClorofille Clorofilla a verde Tutti gli organismi
fotosintetici eucarioti; cianobatteri
Clorofilla b verde Piante, alghe verdi
Clorofilla c verde giallo Alghe brune,diatomee…
Batterio-clorofilla blu Solfobatteri rossi
Carotenoidi caroteni da giallo a rosso Tutti gli organismi fotosintetici
xantofille da giallo a rosso La maggior parte delle cellule fotosint.
Ficobiline Ficocianinaficoeritrina
Blurosso
Cianobatteri, alghe rosse
xantofille
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Tornando al processo fotosintetico….
Nei cloroplasti i pigmenti fotosintetici sono legati alle membrane tilacoidali. I pigmenti sono associati tra loro e ad altre molecole a formare dei complessi chiamati FOTOSISTEMI: ognuno è costituito da 250 a 400 molecole di pigmenti
Da: Kingsley et al., 2009
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Ogni fotosistema è costituito da più di 200 molecole di clorofilla a, piccole quantità di clorofilla b, carotenoidi legati a proteine, e una molecola di clorofilla speciale, chiamata P, presente nel centro di reazione. I pigmenti del complesso antenna assorbono E luminosa e si eccitano, trasferendo poi l’E ad un’altra molecola per risonanza.
Parte idrofobica
Anello tetrapirrolico
Fosfolipidi di membrana
CENTRO DI REAZIONE
Molecole di clorofilla del COMPLESSO ANTENNA
Da Museth, 2006
fotone
fotone
Tutti gli altri pigmenti fanno parte del complesso antenna
I FOTOSISTEMI
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Fotosintesi: reazioni che dipendono dalla luce
Clorofilla del centro di reazione
P 680
Clorofilla del centro di reazione
P 700
Da: Kingsley et al., 2009, mod.
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Clorofilla a Clorofilla a
FOTOSISTEMA II FOTOSISTEMA I
Fotolisi dell’acqua
L’O2 è un sottoprodotto
della fotosintesi
O2
O2
O2
O2
O2
O2
Da: Mauset, 2005
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Nel lume si accumulano protoni e si crea un gradiente tra lumen e stroma.
I protoni passano allo stroma attivando ATP sintetasi con guadagno di Energia e fosforilazione di ADP ad ATP
Da: Kingsley et al., 2009
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CO2
CO2
CO2
CO2
CO2
Le reazioni che avvengono nella fase oscura utilizzano molecole NADPH e ATP
prodotte nella fase luminosa
Fase oscura: reazioni indipendenti dalla luceavvengono nello stroma del cloroplasto
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+ Ribulosio-1,5- bifosfatozucchero a 5 atomi di carbonio
2 molecole di G 3 Pzucchero a 3 atomi di carbonio
1
uscita
entrata
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• L’enzima chiave nel ciclo di Calvin è la Rubisco
Rubisco. Ogni molecola di enzima è composto da 8 unità grandi (in blu e turchesi) e otto unità piccole (in rosso e arancio). Gli anelli gialli indicano la posizione dei siti attivi dell’enzima.
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*
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• E’ stato stimato che tutti gli esseri vegetali del mondo (compresi i cianobatterie le alghe) producono con la fotosintesi, ogni anno, complessivamente tra i 110 e i 200 miliardi di tonnellate di carboidrati
Le piante producono solo glucosio?
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I prodotti finali della fotosintesi possono essere convertiti in disaccaridi e polisaccaridi come l’amido e altri polisaccaridi di riserva, la cellulosa (polimero lineare del β-glucosio) e altri componenti della parete cellulare…
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• Inoltre….• I carboidrati prodotti sono coinvolti nella
sintesi di aminoacidi per la produzione di proteine e di una moltitudine di composti che servono per “costruire” i componenti di cui sono fatte tutte le cellule e dunque gli esseri viventi e per il loro funzionamento.
METABOLISMO PRIMARIO
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METABOLISMO SECONDARIO
GLUCOSIDI: sono molecole composte da uno zucchero + una molecola non zuccherina detta aglicone = parte attiva
-glucosidi cianogenetici: liberano acido cianidrico (HCN)durrina (nel sorgo), amigdalina (nelle rosacee – mandorle amare)
-glucosidi cardiotossici:oleandrina (nell’oleandro) digitalina (nella digitale: a basse dosi è usata in terapia)
-glucosidi cumarilici: liberano cumarina-anticoagulantecumarilglicoside (nelle leguminose, Fabaceae)
-glucosidi salicilici: salicilina (nel salice – antipiretico, antireumatico)
-glucosinolati: liberano composti contenenti zolfo (S), l’aglicone, una volta liberato, dà origine a composti reattivi e dall’odore pungente come gli isotiocianati, i tiocianati, i nitrili, che sono responsabili dell’odore e del sapore di alcuni ortaggi: cavolo, broccoli, ravanelli sinalbina, sinigrina (nelle Brassicaceae)
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ALCALOIDI: categoria numerosa (12.000) ed eterogenea di composticontenenti N (frequentemente in un anello eterociclico);anche a basse dosi hanno importanti azioni biologiche sugli organismi animali. Circa il 20% delle piante a fiore produce alcaloidi.
Alcuni esempi: teina (tè), teobromina (cacao), caffeina (caffè), nicotina, cocaina, coniina, codeina, lupinina, stricnina, chinino….
Nicotiana tabacum
Erythroxylum coca
Conium maculatum
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TERPENOIDI: comprendono la più ampia classe di composti naturali (circa 25.000), liposolubili e incolori. Tutti derivano dalla molecola dell’Isopentano (CH3)2 –(CH)2-CH2
-monoterpeni (2 unità C5): sono i componenti degli olii essenziali e delle essenze volatili dei fiori (in agrumi, alloro, cannella, rosa, gelsomino, lavanda, menta, finocchio, sedano….)
-tra gli esteri dei monoterpeni troviamo le piretrine, insetticidi estratti da Chrysanthemum e Tanacetum (Asteraceae) e l’α-limonene, il β-pinene, il mircene delle conifere.
-sesquiterpeni (3 unità C5): olii essenziali
-politerpeni: gomme presenti nel latice di molte piante (es. Hevea
brasiliensis, albero della gomma da cui si possono ricavare anche 30 litri di latice/anno = 10 kg gomma )
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RESINE E BALSAMI: sono miscele di olii e cere, ad es. incenso, mirra, balsamo del Canada……
TANNINI: composti fenolici ad alto peso molecolare capaci di legarsi stabilmente alle proteine; conferiscono sapore astringente ai frutti acerbi; sono impiegati nella concia delle pelli.
PIGMENTI: antociani: rossi in ambiente acido, blu in ambiente basico, si
trovano nei petali delle corolle dei fiori ad es. fiordaliso, dalia, rosa, geranio, viola, nei frutti ad es. uva, e nelle foglie, ad es. faggio rosso, vite del Canada, radicchio.
flavonoli e flavoni: conferiscono colori dal giallo al bianco e sono presenti nei fiori bianchi in genere…
betalaine: sono responsabili del colore rosso violetto che troviamo nella rapa rossa e nei garofani.N.B. i colori dei fiori sono spesso dati dalla combinazione dei pigmenti contenuti nel vacuolo con i pigmenti (carotenoidi) contenuti nei cromoplasti che impartiscono colore rosso-arancio
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CONDIZIONAMENTO DELL’ATMOSFERA E DEL CLIMA
*producono O2 *consumano CO2 *condizionano l’umiditàdell’aria *frenano l’azione del vento
TERRENO
*stabilizzano terreni franosi *arricchiscono il terreno di azoto
MATERIE PRIME
*sono fonte di risorse rinnovabili e biodegradabili: legno, gomma, oli, fibre tessili
SALUTE
*producono principi attivi
ALIMENTAZIONEForniscono frutti, radici, foglie,semi…..
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• Olio e carburanti fossili forniscono attualmente il 90% dell’energia per alimentare i sistemi di trasporto, le fabbriche, computer e apparecchiature elettriche, sistemi di comunicazione.
• L’energia immagazzinata nell’olio e nel carbone era in origine energia luminosa catturata da cianobatteri, alghe e piante milioni di anni fa e trasformata in combustibili fossili da eventi geologici
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Grazie per l’attenzione