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Fotosintesi clorofilliana

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Come si nutrono le piante? Pur non avendo una bocca, hanno comunque bisogno di alimentarsi. Ebbene, tutti i loro pasti si basano su una ricetta molto semplice e ben collaudata i cui ingredienti sono: acqua, luce solare e anidride carbonica. Proprio la "preparazione" di questa ricetta è nota con il nome di "fotosintesi clorofilliana".

In termini più scientifici, la fotosintesi clorofilliana è un processo mediante il quale gli organismi sfruttano l'energia luminosa del sole per convertire molecole inorganiche (anidride carbonica e acqua) in molecole organiche (glucosio) e ossigeno. Si tratta di una reazione di ossidoriduzione luce-dipendente. Il glucosio che si crea a seguito della fotosintesi fornisce energia e molecole di carbonio necessarie per la produzione di un'ampia gamma di biomolecole.

La fotosintesi clorofilliana è strutturata in due fasi: la fase luminosa (luce-dipendente o fotochimica) e la fase oscura (luce-indipendente o chimica o ciclo di Calvin).

Il glucosio è fondamentale per la sopravvivenza delle cellule, poiché è alla base della respirazione cellulare.

Le piante sono organismi autotrofi, ovvero producono da sole il proprio nutrimento senza cibarsi di altri esseri viventi.

La fotosintesi clorofilliana avviene nelle piante, nelle alghe e in alcuni organismi procarioti.

Dove avviene la fotosintesi clorofilliana?

La fotosintesi avviene sulla foglia. Perché proprio qui? La spiegazione è semplice: perché le foglie nel corso del tempo hanno sviluppato diversi adattamenti strutturali che permettono alla pianta di avviare la reazione della fotosintesi in modo efficiente:

  • La superficie della foglia, ampia e piatta, permette di massimizzare l'assorbimento di luce solare.

  • La foglia è costituita da strati sottili per accelerare la diffusione dei gas.

  • Le foglie tendono a essere ben distanziate per evitare sovrapposizioni e, di conseguenza, la riduzione dell'assorbimento di luce solare.

  • Gli strati superiori della foglia, ovvero cuticola ed epidermide (vedi Figura 2), sono trasparenti per consentire il passaggio della luce solare agli strati sottostanti.

Più esattamente, la fotosintesi clorofilliana avviene nei cloroplasti della pianta. I cloroplasti sono organelli di forma tondeggiante contenenti clorofilla, un pigmento verde in grado di assorbire la luce solare. All'interno dei cloroplasti, la clorofilla è immagazzinata nella membrana di piccoli compartimenti chiamati tilacoidi. La fase luce-dipendente della fotosintesi avviene lungo la membrana del tilacoide (o membrana tilacoidale). La fase luce-indipendente ha invece luogo nello stroma, un fluido presente all'interno del cloroplasto che circonda le pile di tilacoidi anche note con il nome di grana (giusto per restare in tema di cucina!).

È proprio la clorofilla a donare alle foglie il loro caratteristico colore verde!

La Figura 1 illustra lo schema di un cloroplasto:

Di seguito troverai invece la sezione di una foglia. I cloroplasti sono contenuti nello strato intermedio, il mesofillo.

Come si può vedere dalla Figura 2, le foglie presentano molteplici adattamenti cellulari che facilitano l'avvio e lo svolgimento della reazione della fotosintesi. Eccoli elencati qui di seguito:

  • Le cellule del mesofillo sono allungate al fine di ospitare un gran numero di cloroplasti.
  • Gli stomi (singolare: stoma) si aprono e si chiudono a seconda dell'intensità luminosa per consentire gli scambi gassosi (in altre parole: il passaggio di gas quali l'ossigeno e l'anidride carbonica, che, come abbiamo visto, sono i protagonisti della fotosintesi clorofilliana).
  • Due tessuti, lo xilema e il floema, sono organizzati in reti che trasportano rispettivamente l'acqua all'interno della foglia e i prodotti della fotosintesi, in particolare il glucosio, all'esterno della foglia.
  • Molteplici spazi "vuoti" nel mesofillo inferiore consentono una diffusione più efficiente di anidride carbonica e ossigeno.

Formula della fotosintesi clorofilliana

Qui sotto puoi trovare la formula chimica sintetizzata della fotosintesi clorofilliana, seguita dalla sua lettura:

6 molecole di anidride carbonica + 6 molecole di acqua + energia solare → 1 molecola di glucosio + 6 molecole di ossigeno

L'intero processo è volto alla produzione del glucosio. L'ossigeno viene invece scartato e liberato nell'ambiente. Una fortuna per noi esseri umani!

Durante la fotosintesi clorofilliana, le piante assorbono anidride carbonica e rilasciano ossigeno. Durante la respirazione cellulare, invece, le piante rilasciano anidride carbonica. Il bilancio complessivo è però positivo per l'ossigeno. Senza piante, non c'è vita!

Schema della fotosintesi clorofilliana

La fotosintesi clorofilliana, come già accennato, prende avvio con l'assorbimento della luce e si divide in fase luminosa e fase oscura. Nella fase luminosa sono coinvolti due fotosistemi, il fotosistema I e il fotosistema II.

I fotosistemi sono complessi molecolari, ovvero insiemi di molecole, che si trovano sulla membrana del tilacoide.

La numerazione I e II non riguarda la sequenza in cui i fotosistemi intervengono durante la fotosintesi clorofilliana, bensì indica l'ordine temporale in cui vennero scoperti.

Fase 1. Assorbimento della luce

La prima fase prevede l'assorbimento della luce ed è localizzata nel fotosistema II. Questo complesso comprende i tilacoidi dei cloroplasti, nei quali, come già visto, è immagazzinata la clorofilla.

Fase 2. Fase luminosa: ossidazione

La fase luce-dipendente prende avvio a seguito dell'assorbimento dell'energia luminosa. L'acqua si scinde in ossigeno, H+ ed elettroni. Gli elettroni vengono poi trasportati dalla plastocianina (una proteina contenente rame che media il trasferimento di elettroni) dal fotosistema II al fotosistema I per la parte successiva della fase luminosa.

L'equazione di questa reazione è la seguente:

2 molecole di acqua → 1 molecola di diossigeno + 4 ioni di idrogeno + 4 elettroni

Fase 3. Fase luminosa: riduzione

Gli elettroni prodotti nella fase precedente passano attraverso il fotosistema I e vengono utilizzati per produrre NADPH. Come vedremo, NADPH è una molecola essenziale per la fase oscura della fotosintesi. La sua funzione è quella di trasportare gli elettroni, in particolare quelli di idrogeno.

NADPH sta per nicotinammide adenina dinucleotide fosfato. Un vero scioglilingua!

L'equazione di questa reazione è la seguente:

1 molecola di NADP+ + 1 ione di idrogeno + 2 elettroni → 1 molecola di NADPH

Fase 4. Fase luminosa: sintesi di ATP

Nella parte finale della fase luminosa viene sintetizzato l'ATP. Come il NADPH, l'ATP diventerà protagonista nella fase oscura della fotosintesi.

L'ATP è noto anche come adenosina trifosfato ed è spesso definito la moneta energetica di una cellula, perché trasporta l'energia dovunque sia necessario.

L'equazione di questa reazione è la seguente:

1 molecola di adenosina bifosfato + 1 atomo di fosforo → 1 molecola di adenosina trifosfato

Come indica il nome, l'adenosina bifosfato contiene due atomi di fosforo. L'aggiunta di un atomo di fosforo permette la sintesi dell'adenosina trifosfato.

Fase 5. Fase oscura: fissazione del carbonio

A seguito di una serie di reazioni che avvengono nello stroma del cloroplasto, ATP e NADPH vengono utilizzati per convertire l'anidride carbonica in glucosio. Queste reazioni sono spiegate nel dettaglio nell'articolo Fase oscura della fotosintesi.

L'equazione complessiva di questa reazione è la seguente:

6 molecole di anidride carbonica + 12 molecole di NADPH + 18 molecole di ATP → 1 molecola di glucosio + 12 molecole di NADP+ + 18 molecole di ADP + 18 atomi di fosforo

Se presti bene attenzione, puoi notare che questa formula ricorda quelle delle fasi 3 e 4, ma invertite! NADPH torna ad essere NADP+ e ATP si riconverte in ADP. Cosa non si fa per un po' di glucosio!

Prodotti della reazione della fotosintesi clorofilliana

I prodotti principali della fase luminosa della fotosintesi sono ATP, NADPH e ossigeno.

Il prodotto principale della fase oscura della fotosintesi è il glucosio.

Riassumendo, i prodotti della reazione della fotosintesi clorofilliana sono glucosio e ossigeno.

La fotosintesi è una reazione redox o di ossidoriduzione, il che significa che, nel processo, gli elettroni passano da un atomo all'altro.

Fattori limitanti della fotosintesi clorofilliana

Dopo aver esplorato il significato, la formula e lo schema della fotosintesi, è giunto il momento di trattarne i fattori limitanti.

Un fattore limitante è un componente fondamentale di un processo la cui assenza o carenza inibisce o rallenta la velocità del processo stesso. Un po' come il lievito per la pizza!

Nella fotosintesi, un fattore limitante è un elemento necessario per alimentare la fase luce-dipendente o luce-indipendente, come l'anidride carbonica, la temperatura o l'energia luminosa. Quando tutti e tre questi fattori sono a livelli ottimali, il tasso di fotosintesi aumenta. Quando uno di questi tre fattori scarseggia, il tasso di fotosintesi rallenta, si arresta o diminuisce. La fase detta plateau è un periodo di stallo in cui la variazione di condizioni è minima o nulla.

Andiamo ora ad analizzare più nel dettaglio i fattori limitanti della fotosintesi clorofilliana.

Luce

All'aumentare dell'intensità della luce, aumenta anche il tasso delle reazioni luce-dipendenti, poiché un maggior numero di fotoni (l'unità di base della luce) cade sulla foglia, dando il via all'ossidazione. L'aumento di cicli di reazioni luce-dipendenti provoca a sua volta l'incremento della produzione di ATP e NADPH e quindi dei cicli di reazioni luce-indipendenti. Il risultato è l'aumento del tasso complessivo di fotosintesi.

Abbiamo visto che i fattori limitanti sono fondamentali e interdipendenti. Se anche uno solo è carente o assente, è sufficiente a fermare o rallentare l'intero processo. Questo spiega il motivo per cui, se gli altri fattori (anidride carbonica e temperatura) rimangono invariati, una volta raggiunto un certo livello il tasso di fotosintesi smette di aumentare anche se l'intensità luminosa continua a intensificarsi.

Anidride carbonica

L'aumento della concentrazione di CO2 permette di incrementare il tasso di fotosintesi. La spiegazione è piuttosto semplice: se sono disponibili più molecole di anidride carbonica, si verificano più cicli della reazione luce-indipendente. Ciò significa che vengono prodotte più molecole di glucosio, vengono consumati più NADPH e ATP e la velocità complessiva della fotosintesi aumenta. Anche in questo caso, il concetto vale "fino a un certo punto". Se gli altri fattori rimangono invariati, la fotosintesi entrerà in stallo.

Temperatura

Gli enzimi che controllano la fotosintesi lavorano al meglio a una temperatura compresa tra i 35 e i 40 gradi Celsius.

Fino a raggiungere questo livello, il tasso di fotosintesi all'aumentare della temperatura. Tuttavia, se la temperatura aumenta oltre questo punto ottimale, gli enzimi iniziano a denaturarsi: la forma del sito attivo dell'enzima (dove si lega il substrato) viene alterata e il substrato (una sostanza su cui agisce l'enzima) non si adatta più. Questo spiega la forte diminuzione del tasso di fotosintesi a temperature più elevate.

Fotosintesi clorofilliana di notte

Cosa accade di notte alle piante? Come abbiamo visto, la luce è uno dei fattori limitanti della fotosintesi. Di notte, senza luce solare, le piante rallentano la loro attività e si concedono il meritato riposo.

In alcuni tipi di piante, come ad esempio le Calatee, è possibile notare il movimento delle foglie in corrispondenza dei cicli di luce e buio. Di giorno, le foglie sono abbassate e ben distese, "in posizione" per catturare più luce possibile. Di notte, le foglie si alzano: è tempo di dormire!

Fotosintesi clorofilliana Calatea StudySmarterFigura 8. Una Calatea di giorno ha le foglie ben distese, pronte a "catturare" la luce del sole.

Fotosintesi clorofilliana - Punti chiave

  • La fotosintesi è il processo attraverso il quale l'anidride carbonica e l'acqua vengono trasformate in glucosio e ossigeno utilizzando l'energia luminosa del sole.
  • La fotosintesi avviene nei cloroplasti, contenuti nelle foglie delle piante.
  • La fotosintesi si divide in due fasi: la reazione luce-dipendente (o luminosa) e la reazione luce-indipendente (o oscura).
  • ATP e NADPH sono due molecole fondamentali prodotte durante la fase luminosa che sono alla base della sintesi di glucosio nella successiva fase oscura.
  • Luce, anidride carbonica e temperatura sono i tre principali fattori limitanti della fotosintesi clorofilliana la cui assenza o carenza comporta un rallentamento o addirittura un arresto dell'intera reazione.

Domande frequenti riguardo Fotosintesi clorofilliana

Tramite la fotosintesi clorofilliana, gli organismi sfruttano l'energia luminosa del sole per convertire molecole inorganiche (anidride carbonica e acqua) in molecole organiche (glucosio) e ossigeno.

La fotosintesi clorofilliana avviene nelle piante, nelle alghe e in alcuni organismi procarioti.

La clorofilla viene sintetizzata a partire dall'amminoacido glicina e dal succinil-coenzima A, una combinazione tra un acido e un enzima.

La fotosintesi avviene nei cloroplasti, contenuti nelle foglie delle piante.

Per fare la fotosintesi, una pianta ha bisogno di anidride carbonica, acqua, luce solare e della giusta temperatura, idealmente compresa tra i 35 e i 40 gradi Celsius.

Quiz Finale Fotosintesi clorofilliana

La fotosintesi clorofilliana è una reazione luce-dipendente.

Vero

Dove avviene la fotosintesi nelle piante?

Nelle foglie

Da dove deriva il colore verde delle foglie?

Dalla clorofilla, un pigmento contenuto nei cloroplasti.

Quale tra i seguenti non è un prodotto della fotosintesi?

Ossigeno

Quali sono i prodotti della fase luce-dipendente della fotosintesi?

ATP, NADPH, ioni di idrogeno, ossigeno, elettroni

Quali sono i prodotti della fase oscura della fotosintesi?

Glucosio, fosforo, ADP, NADP+

Quali sono i fattori limitanti della fotosintesi clorofilliana?

Concentrazione di anidride carbonica

L'aumento dell'intensità della luce solare provoca un'accelerazione nella fotosintesi.

Vero

Una temperatura di 50 gradi Celsius è ottimale per la fotosintesi clorofilliana.

Falso

Durante la fotosintesi non si verifica un movimento di elettroni da una molecola all'altra.

Falso

La fotosintesi clorofilliana accelera di notte.

Falso

Cosa fa l'ATP nella cellula?

Trasporta energia.

Cosa fa l'NADPH?

Trasporta elettroni.

Qual è la formula chimica sintetizzata della fotosintesi clorofilliana?

6 CO2 + 6 H2O + luce = C6H12O6 + 6 O2

Perché le cellule del mesofillo sono allungate?

Per massimizzare il numero di cloroplasti ospitati al loro interno.

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