A cosa ti serve sapere la formula della fotosintesi clorofilliana?

La formula della fotosintesi clorofilliana non ti cambia la vita, ma ti permette di fare un passo in più nella tua preparazione per i test di ammissione 📚

Ebbene sì, questo perché la reazione chimica della fotosintesi è speculare a quella della respirazione cellulare (no vabbè 😱).

Infatti, queste due reazioni rappresentano i processi opposti che avvengono all’interno delle cellule degli organismi viventi.

In questo episodio sul metabolismo cellulare capiamo quali processi avvengono all’interno delle nostre amiche verdi (parliamo anche di avocado 🥑…gnammi gnammi).

Bene, ora che abbiamo un po’ di languorino, possiamo iniziare.

Le piante, come tutti gli organismi, ricavano energia dalla glicolisi e dalla respirazione cellulare (che ormai sono di famiglia).
Tuttavia, le nostre amichette verdi sono in grado di svolgere anche un altro processo metabolico , la fotosintesi.

Tale reazione richiede l’intervento di un pigmento chiamato “clorofilla” e per questo la chiamiamo “fotosintesi clorofilliana”. Essa sfrutta l’energia luminosa per avviare una serie di reazioni utili a convertire la CO₂ (composto inorganico) in glucosio (composto organico).

Questo processo prende il nome di organicazione del carbonio, che ha tale nome in quanto le piante assorbono luce solare, anidride carbonica (CO2) e acqua (H2O) per produrre zuccheri (come il glucosio) e rilasciare ossigeno (O2).

La formula della fotosintesi è:

6 CO₂ + 6 H₂O → C6H12O6 + 6 O₂

Per i comuni mortali: 6 CO₂ + 6 H₂O (+ energia luminosa) → glucosio + 6 O₂

Vi sembrano personaggi familiari vero 🧐?

Questo perché i prodotti della fotosintesi sono, allo stesso tempo, i reagenti della respirazione cellulare e viceversa.

Per rinfrescarci la memoria, la formula (semplificata) della respirazione cellulare è:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + energia

Durante questa reazione, gli organismi viventi (comprese le piante) utilizzano il glucosio e l’ossigeno per produrre energia, anidride carbonica e acqua.

In generale, la formula della fotosintesi clorofilliana utilizza gli stessi elementi (CO₂ e H₂O), ma in direzioni opposte. Ciò consente il flusso continuo di energia alla base della materia vivente.

Bene, addentriamoci in questo viaggio e prepariamoci a sviluppare il pollice più verde di sempre 🪴.

Dove avviene la fotosintesi clorofilliana? Le fasi della reazione

La fotosintesi clorofilliana avviene nei cloroplasti ed è composta da due momenti: la fase luminosa e la fase oscura.

Le reazioni luminose avvengono nei tilacoidi, mentre quelle indipendenti dalla luce avvengono nello stroma.

La prima fase avviene a livello della membrana in cui sono collocati i pigmenti, che sono molecole in grado di assorbire radiazioni elettromagnetiche (come la luce) con determinate lunghezze d’onda.

Infatti, nelle piante fotosintetiche troviamo:

• clorofille (a, b), che assorbono rispettivamente le frequenze nel blu e nel rosso.
• pigmenti accessori, come i carotenoidi e le ficobiline, che assorbono nel blu e nel blu-verde.

Tali molecole sono inserite all’interno di complessi proteici chiamati fotosistemi.

Questi ultimi hanno il compito di convogliare la luce dai complessi antenna (gli insiemi di proteine e pigmenti) verso una molecola di clorofilla presente nel centro di reazione (il complesso proteico).

Infatti, nella formula della fotosintesi clorofilliana, l’energia luminosa contribuisce a far avvenire il processo metabolico. Il complesso proteico, poi, la trasforma in energia chimica.

I prodotti della fotosintesi durante la fase luminosa sono: ATP e NADPH.

Fase oscura e ciclo di Calvin

ATP e NADPH saranno fondamentali per dare inizio alla fase oscura, che è chiamata così poiché non necessita di luce per avvenire (scommettiamo che non l’avresti mai detto 🤓).

Tale processo ha luogo all’interno dello stroma (all’esterno dello spazio tilacoidale), ma avviene comunque nella membrana interna dei cloroplasti.

Nella formula della fotosintesi clorofilliana, l’ATP e il NADPH prodotti e consumati si bilanciano, e quindi non compaiono esplicitamente nell’equazione bilanciata finale.

Durante la fase oscura avviene il ciclo di Calvin-Benson (anche conosciuto come ciclo di Calvin).

Tale processo utilizza la CO₂ atmosferica e i prodotti della fase luminosa (ATP e NADPH) per sintetizzare il glucosio attraverso le reazioni di organicazione e fissazione.

Il ciclo di Calvin impiega 6 CO₂, 18 ATP e 12 NADPH per sintetizzare 1 molecola di glucosio e rigenerare il reagente di partenza.

Okay, ma cosa vuol dire? Keep calm che ora lo vediamo bene bene, piano piano.

Ciclo di Calvin: formula e prodotti della fase oscura

l ciclo è composto da 3 momenti fondamentali.

Il primo è la fissazione della CO₂.

Durante tale processo l’anidride carbonica (molecola con 1 atomo di carbonio) viene unita ad una molecola di ribulosio bifosfato (con 5 atomi di carbonio).

Tale reazione avviene grazie al rubisco (ribulosio bifosfato carbossilasi), che è l’enzima chiave dell’intero processo.

A questo punto viene creato un intermedio instabile che viene immediatamente diviso in 2 molecole di 3-fosfoglicerato (3-PGA).

La seconda fase è la riduzione del 3-PGA.

Durante questo processo avviene la fosforilazione con consumo di ATP a 1,3-bifosfoglicerato. Tale molecola viene successivamente ridotta a gliceraldeide-3-fosfato (G3P).

Delle 12 molecole di G3P, 2 verranno usate per costruire il glucosio, mentre 10 saranno utilizzate per ripristinare il ribulosio bifosfato.

Da qui arriviamo alla terza fase, in cui le 10 molecole di G3P (3 atomi di carbonio) vengono fosforilate.

A questo punto abbiamo sia il consumo di 6 molecole di ATP, sia la produzione finale di 6 molecole di ribulosio bifosfato (5 atomi di carbonio).

Tale processo permette la rigenerazione del ribulosio bifosfato, che sarà utilizzato per ricominciare il ciclo e partecipare ai processi per fissare l’anidride carbonica (CO₂).

Tuttavia, le piante utilizzano reazioni metaboliche per effettuare questo primo step.

Vediamole nel dettaglio.

Le categorie delle piante (C3, C4, CAM)

Alcune piante fissano l’anidride carbonica in un composto a 3 atomi di carbonio, ovvero la gliceraldeide-3-fosfato (G3P).

Queste sono dette C3 e ne sono un esempio le piante arboree e arbustive come i lamponi, i mirtilli, la soia.
In generale, le C3 sono vegetali con tronco quasi inesistente e tanti rami (non spiegatelo così se vi chiedono qualcosa a riguardo, è solo per capirci 😉).

Poi ci sono le amichette verdi che fissano l’anidride carbonica in un composto chiamato fosfoenolpiruvato. Tali piante sono dette C4 e utilizzano un meccanismo di fotosintesi più complesso rispetto alle C3.

Infatti, grazie all’azione dell’enzima PEP carbossilasi (fosfoenolpiruvato carbossilasi) producono l’ossalacetato, un composto a 4 atomi di carbonio.

Alcuni esempi sono il mais, il dattero e la canna da zucchero, cioè piante che sono in grado di effettuare la fotosintesi in condizioni di carenza d’acqua e alta intensità di luminosa e calore.

Infine, ci sono le piante CAM (acronimo di Crassulacean Acid Metabolism – metabolismo acido delle crassulacee), che usano l’enzima PEP carbossilasi per addizionare la CO₂ al fosfoenolpiruvato e ottenere un composto a 4 atomi di carbonio chiamato acido malico.

Queste piante fissano CO₂ solo di notte per non perdere acqua perché tendenzialmente sono piante che crescono in ambienti aridi. Alcuni esempi sono le orchidee, l’ananas, i cactus e l’avocado 🥑 (maledetto guacamole, esci dalla mia testa 🤤).

Il metabolismo delle piante C4 e delle CAM è un’evoluzione del normale metabolismo C3 ed è sviluppato in quelle piante che vivono rispettivamente in climi secchi e desertici.

Bene doctorz! Speriamo che questo approfondimento sul metabolismo cellulare delle piante ti permetta di avere un’idea più completa riguardo all’argomento.
Ti ricordiamo che trovi un’intera playlist dedicata al tema sul nostro canale YouTube.

Ci vediamo nei prossimi episodi, ciao doctorz!