Fase luminosa della fotosintesi: reazioni

La fase luminosa della fotosintesi si verifica nella membrana tilacoide dei cloroplasti in reazioni che avvengono in presenza di luce solare che è convertita in energia chimica.

Nel processo della fotosintesi avvengono una serie di reazioni biochimiche, che, utilizzando l’energia della luce, assorbono anidride carbonica e acqua e le convertono in glucosio e ossigeno. Questa è una delle reazioni più importanti del pianeta infatti senza la fotosintesi l’uomo non avrebbe l’ossigeno di cui ha bisogno per respirare e per sopravvivere. Inoltre nel processo le piante assorbono l’anidride carbonica che è un gas serra tra i responsabili del cambiamento climatico

La reazione complessiva che avviene in presenza della luce solare è:
6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

La fotosintesi può essere suddivisa in due fasi principali: la fase luminosa della fotosintesi e successivamente, la fase indipendente dalla luce nota come ciclo di Calvin.

Cloroplasti e fase luminosa della fotosintesi

I cloroplasti, sono gli organuli addetti alla fase luminosa della fotosintesi presenti esclusivamente nelle cellule fotosintetiche di piante e alghe. Un cloroplasto è circondato da una doppia membrana che racchiude un mezzo semifluido, lo stroma. Immerso nello stroma vi è un sistema di membrane ripiegate in modo da costituire una sorta di sacchetti discoidali, detti tilacoidi. La struttura del cloroplasto si può vedere in figura:

I tilacoidi sono impilati a gruppi, gli uni sugli altri, in strutture cilindriche dette grana che contengono fotosistemi. All’interno dei fotosistemi vi sono pigmenti specializzati, in particolare la clorofilla, che assorbono l’energia luminosa necessaria affinché avvengano le reazioni della fase luminosa della fotosintesi

Fotosistemi

I fotosistemi sono le unità funzionali per la fase luminosa della fotosintesi, definiti da una particolare organizzazione dei pigmenti deputati all’assorbimento e al trasferimento di energia luminosa, con conseguente il trasferimento di elettroni.

Esistono due tipi di fotosistema: fotosistema I e fotosistema II.

Quest’ultimo agisce per primo durante il processo di trasformazione della luce nella fotosintesi, ma è così denominato perché è stato scoperto per secondo. Alcuni cofattori, le clorofille a e b e i carotenoidi come luteina, β-carotene e neoxantina sono pigmenti e quindi sono fondamentali per l’assorbimento fotosintetico della luce e legati a siti specifici nelle proteine. Inoltre, all’interno della membrana si trovano proteine portatrici di elettroni, pompe protoniche e l’enzima ATP sintasi. Insieme, queste strutture, costituiscono i componenti della catena di trasporto degli elettroni

La clorofilla del centro di reazione del fotosistema I è denominata P700 per indicare che assorbe onde luminose con lunghezza d’onda di 700 nm; mentre la clorofilla del centro di reazione del fotosistema II è denominata P680 perché assorbe onde luminose con lunghezza d’onda di 680 nm .

Assorbimento  della radiazione

Nella fase luminosa della fotosintesi quando una molecola di clorofilla o di altri pigmenti fotosintetici situati nel fotosistema II è colpita dalla luce, assorbe fotoni e l’energia luminosa è assorbita da una molecola di clorofilla e trasmessa lungo un percorso ad altre molecole di clorofilla fino a raggiungere una molecola di clorofilla che si trova nel centro di reazione. L’energia eccita uno dei suoi elettroni che lascia la molecola ed è trasferito a un vicino accettore primario di elettroni.

Per sostituire l’elettrone nella clorofilla, una molecola d’acqua è scissa. Questa scissione rilascia due elettroni e provoca la formazione di ossigeno e ioni idrogeno nello spazio tilacoideo:
H₂O → ½ O₂ + 2 H⁺ + 2 e^–

Le molecole di ossigeno prodotte vanno nell’ambiente circostante mentre gli ioni H⁺ svolgono un ruolo critico nel resto delle reazioni dipendenti dalla luce della fotosintesi.

Questo processo, che avviene nella fase luminosa della fotosintesi è analogo alla respirazione mitocondriale o in cui una catena di trasporto di elettroni pompa ioni idrogeno dallo stroma mitocondriale attraverso la membrana interna e nello spazio intermembrana, creando un gradiente elettrochimico. Dopo che l’energia è stata utilizzata, l’elettrone è accettato da una molecola di pigmento nel fotosistema successivo, chiamato fotosistema I

ATP

Nelle reazioni dipendenti dalla luce, l’energia assorbita dalla luce solare è immagazzinata da due tipi di molecole portatrici di energia: ATP e NADPH. L’energia trasportata da queste molecole è immagazzinata in un legame che per l’ATP è il fosfato e per NADPH  un atomo di idrogeno. Quando queste molecole rilasciano energia nel ciclo di Calvin, ciascuna di esse perde atomi per diventare le molecole a bassa energia ADP e NADP ⁺ .

L’accumulo di ioni H⁺ nello spazio tilacoideo forma un gradiente elettrochimico. Questa energia potenziale è raccolta e immagazzinata come energia chimica nell’ATP attraverso la chemiosmosi, il movimento degli ioni idrogeno lungo il loro gradiente elettrochimico attraverso l’enzima transmembrana ATP sintasi, proprio come nel mitocondrio.