La fotosintesi: un sistema redox per la vita

La fotosintesi è il processo che permette all’energia fornita dal Sole di entrare come energia chimica nei sistemi viventi. Mediante la fotosintesi l’energia solare è utilizzata per convertire molecole a basso contenuto energetico come il biossido di carbonio e l’acqua in prodotti ad alto contenuto energetico come il glucosio.

Il processo globale può essere così schematizzato:

Nhν

6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Dove h è la costante di Planck, ν è la frequenza della radiazione luminosa e N il numero di Avogadro.

Pertanto il fattore Nhν indica l’energia associata alla radiazione che colpisce le foglie. Questo processo avviene nei cloroplasti, organelli cellulari abbastanza simili ai mitocondri.

Cloroplasti

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.

Al microscopio elettronico si scorgono inoltre sulla superficie esterna della membrana dei tilacoidi escrescenze globulari del tutto simili a quelle visibili sulla superficie interna delle creste dei mitocondri.

Pigmenti

Le sostanze colorate, o pigmenti, che rendono possibile la fotosintesi sono contenute nello spessore della membrana dei tilacoidi.

Tali pigmenti sono costituiti da:

• clorofilla, in prevalenza verdi
• carotenoidi che possono essere gialli, rossi, porpora
• xantofille prevalentemente gialle
• ficobiline blu e rosse.

Nella  membrana dei tilacoidi, gruppi di questi pigmenti formano, assieme a una catena fotosintetica, ossia a una sequenza di molecole, dei sistemi altamente organizzati denominati foto sistemi. Esistono due tipi di fotosistemi chiamati rispettivamente fotosistema I e fotosistema II. Ogni foto sistema consiste di:

• Un insieme di circa 300 molecole di clorofilla e altri pigmenti, chiamati pigmenti antenna, perché hanno il compito di assorbire le radiazioni luminose e di convogliarne l’energia verso un centro di reazione associato a una proteina
• Una catena fotosintetica, adiacente al suddetto insieme (della catena fotosintetica fanno parte molecole trasportatrici, come i citocromi, simili a quelli che fanno parte della catena respiratoria)

Nel centro di reazione di ogni foto sistema si trova una particolare molecola di clorofilla, sostanza chiave della fotosintesi, in corrispondenza della quale l’energia della luce viene trasformata in energia chimica. I centri di reazione dei due tipi di fotosistemi (I e II) assorbono differenti lunghezze d’onda.

Tipi di clorofilla

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 viene denominata P680 perché assorbe onde luminose con lunghezza d’onda di 680 nm . I due fotosistemi sono strettamente associati fra loro.

Fasi della fotosintesi

L’insieme delle numerose reazioni, catalizzate da enzimi, che costituiscono la fotosintesi può essere suddiviso in due fasi, denominate rispettivamente fase luminosa e fase  oscura.
Nelle reazioni della fase luminosa, i due fotosistemi della membrana dei tilacoidi catturano l’energia luminosa e convertono parte di essa in energia chimica di molecole trasportatrici di energia, l’ATP e il NADPH.

Quest’ultimo differisce dal NADH per un gruppo fosfato in più legato a uno dei gruppi –OH del ribosio.  Nelle reazioni della fase oscura, enzimi presenti nello stroma utilizzano l’energia dell’ATP e del NADPH, prodotti nella fase luminosa, per realizzare la sintesi del glucosio.

Fase luminosa

Nella fase luminosa vengono prodotti ATP e NADPH. Per comprendere gli eventi della fase luminosa può essere utile individuare analogie e differenze con la fosforilazione ossidativa:

• Entrambi i processi avvengono nello spessore di membrane biologiche. La fosforilazione ossidativa nella membrana interna dei mitocondri; le reazioni della fase luminosa nella membrana dei tilacoidi e dei cloroplasti
• Nel corso della fosforilazione ossidativa, gli elettroni e gli ioni H⁺ provenienti dal metabolismo ossidativo e trasportati dal NADH, sono ceduti a una catena respiratoria. Attraverso questa, gli elettroni sono trasferiti all’ossigeno che si riduce a ione ossigeno O^2-, che si combina con due ioni H⁺ del mezzo ambiente, formando H₂O secondo la reazione:

½ O₂ + 2 e^– + 2 H⁺ → H₂O

Contemporaneamente, gli ioni H⁺ sono pompati dalla matrice al compartimento esterno del mitocondrio. Si forma così una differenza di concentrazione di ioni H⁺ che costituisce una fonte di energia potenziale, utilizzata per fosforilare l’ADP in ATP. Inoltre al momento in cui alimenta la catena respiratoria il NADH si ossida a NAD⁺. Nel corso delle reazioni della fase luminosa avviene praticamente l’inverso: due elettroni e due ioni H⁺ vengono allontanati da una molecola di H₂O per cui l’ossigeno viene ossidato a ossigeno elementare, secondo la reazione:

H₂O→ 2 e^– + 2 H⁺ + ½ O₂

Fotolisi

Questa scomposizione dell’acqua, che avviene grazie all’energia della luce, è denominata fotolisi.
L’ossigeno che si forma nella fotolisi si libera come prezioso sottoprodotto del processo foto sintetico.

Gli ioni H⁺ che si formano nella fotolisi restano in soluzione nel mezzo ambiente. Gli elettroni vengono avviati, attraverso i due fotosistemi e le relative catene fotosintetiche, verso una molecola di NADP⁺. Essa poi è ridotta, anche con l’intervento di H⁺ a NADPH.
Contemporaneamente, lungo una delle catene foto sintetiche, gli ioni H⁺ sono pompati dallo stroma al lume interno dei tilacoidi. Si forma così una differenza di concentrazione di ioni H⁺ che costituisce una differenza di energia potenziale, utilizzata per trasformare l’ADP in ATP.

Questo processo avviene ad opera dell’enzima ATP fosforilasi, che fa parte di un sistema canale-enzima, del tutto analogo a quello osservabile nei mitocondri, e che corrisponde alle escrescenze presenti sulla superficie esterna della membrana dei tilacoidi.

Fosforilazione

Nel caso dei cloroplasti, dato che la produzione di ATP avviene grazie all’energia della luce, il processo di formazione di questa sostanza è denominato fosforilazione

• • Il NAD⁺ prodotto dalla fosforilazione ossidativa è riutilizzato per la demolizione del glucosio; viceversa il NADPH prodotto nelle reazioni della fase luminosa è utilizzato per la sintesi del glucosio
  • Nella catena respiratoria della fosforilazione ossidativa, si ha un processo interamente “ in discesa”: le molecole trasportatrici di elettroni sono disposte, infatti, secondo valori crescenti del potenziale di riduzione e gli elettroni vengono facilmente trasferiti da una molecola all’altra della catena, fino all’accettore finale l’ossigeno. Nella sequenza costituita dai due fotosistemi e dalle due annesse catene fotosintetiche, si ha una situazione meno semplice, come mostra lo schema:

che, per la sua forma , è tradizionalmente denominato schema Z. Lo schema Z è essenzialmente un grafico dell’andamento dell’energia libera lungo i due fotosistemi e le relative catene foto sintetiche. Osservando la figura si può notare che nel caso dei cloroplasti, gli elettroni devono trasferirsi complessivamente “contro corrente”.

Infatti anche se le due catene foto sintetiche della sequenza sono in discesa, il percorso completo degli elettroni prevede uno spostamento dall’acqua, che, avendo E°= + 0.82 V, li trattiene fortemente, al NADP⁺, che ha E°= – 0.32 V. la differenza tra questi due valori  comporta per gli elettroni un salto di [ 0.82 –(-0.32)]= 1.14 V, che può essere compiuto solo con un sufficiente apporto di energia libera dall’ambiente.
L’unica fonte praticamente illimitata di energia libera è il Sole: i cloroplasti provvedono a catturarne quanta ne occorre mediante i pigmenti antenna dei fotosistemi I e II. Fatte queste premesse, possiamo esaminare più in dettaglio il funzionamento dei due fotosistemi.

Percorso degli elettroni

Può essere utile, a tal fine, seguire:

• • il percorso degli elettroni
  • dalla molecola di H₂O al NADP⁺

tenendo conto della disposizione dei vari componenti nella membrana di un tilacoide.

Quando un fotone, convogliato dai pigmenti antenna, raggiunge la molecola di clorofilla che costituisce il centro di reazione del foto sistema II, la sua energia si trasforma in energia chimica, in quanto è assorbita da uno degli elettroni della molecola di clorofilla.

L’elettrone così eccitato abbandona la molecola di clorofilla ed è catturato dalla prima molecola trasportatrice dell’adiacente catena fotosintetica.

La molecola di clorofilla, privata dell’elettrone, resta in un stato ossidato, avido di elettroni. Mediante un meccanismo enzimatico essa recupera un elettrone da una molecola di acqua presente nel lume interno del tilacoide, ed è pronta a svolgere nuovamente la sua funzione di centro attivo. Man mano che l’elettrone passa da un trasportatore all’altro, lungo la catena, perde l’energia in più fornitagli dal fotone. In figura:

Trasportatori

Uno dei trasportatori di questa prima catena fotosintetica, oltre a trasferire l’elettrone al trasportatore successivo, pompa uno ione H⁺ dallo stroma al lume interno del tilacoide.  

Una volta giunto al termine della prima catena fotosintetica, l’elettrone ormai a un livello molto basso di energia libera è trasferito al fotosistema I. Ciò, tuttavia, è possibile solo se la molecola di clorofilla nel centro di reazione P700 si trova allo stato ossidato, cioè è stata a sua volta raggiunta da un fotone che l’ha privata di un elettrone eccitandolo.

Pertanto, mentre la molecola di clorofilla nel centro di reazione P680 è ridotta da un elettrone proveniente da una molecola di acqua, quella del centro di reazione P700 è ridotta dall’elettrone proveniente dal centro di reazione P680.
Il viaggio attraverso la seconda catena fotosintetica dell’elettrone che ha lasciato il fotosistema I ha come unico scopo la riduzione di una molecola di NADP⁺ a NADPH. In sintesi, la serie di eventi descritti può essere vista come un unico processo in cui gli elettroni fluiscono, per azione dell’energia luminosa dall’acqua al NADP⁺.

Fase oscura

Nella fase oscura  della fotosintesi l’energia delle molecole di ATP e di NADPH prodotte nella fase luminosa è utilizzata per sintetizzare il glucosio a partire da biossido di carbonio.
La denominazione fase oscura riferita alla serie di reazioni necessarie per il completamento della fotosintesi non  indica che le reazioni  avvengano al buio. Piuttosto  esse possono avvenire anche in assenza di luce. Infatti questa seconda fase del processo fotosintetico non richiede l’intervento della luce.

Le molecole di ATP e NADPH prodotte nella fase luminosa forniscono l’energia e i reagenti necessari per ultimare il processo fotosintetico, anche se quest’ultimo è fortemente endoergonico. Le reazioni della fase oscura fanno parte di un ciclo detto ciclo di Calvin. Esso  si svolge nello stroma del cloroplasto, uno zucchero a cinque atomi di carbonio il ribulosio-1,5-bisfosfato, reagisce con il biossido di carbonio dell’atmosfera.

Reazioni

La reazione tra una molecola di ribulosio-1,5-bisfosfato e una molecola di CO₂ è catalizzata dall’enzima ribulosio-difosfatocarbossilasi denominato più sinteticamente Rubisco.

Il composto a sei atomi di carbonio che si forma dalla reazione del ribulosio-1,5-bisfosfato con il biossido di carbonio è fortemente instabile. Esso  si scinde immediatamente in due molecole di tre atomi di carbonio ciascuna. Queste sono trasformate, attraverso le due successive reazioni del ciclo in due molecole di gliceraldeide-3-fosfato.

Da due molecole di gliceraldeide-3-fosfato si può formare, mediante una via metabolica che è esattamente il contrario di quella della glicolisi una molecola di glucosio.

Dalla gliceraldeide-3-fosfato si possono ottenere, attraverso le opportune vie metaboliche, anche grassi e proteine, e, in particolare il piruvato che entra nei mitocondri per la respirazione cellulare.

Parte della gliceraldeide-3-fosfato che si forma nel ciclo di Calvin viene, tuttavia, utilizzata per risintetizzare il ribulosio-1,5-bisfosfato, in mancanza del quale il ciclo non potrebbe procedere. Ad ogni ciclo è fissata una molecola di CO₂, per cui per sintetizzare una molecola di glucosio, occorre che il ciclo sia percorso sei volte. Per produrre una molecola di glucosio e  ricostituire il ribulosio-1,5-bisfosfato il ciclo di Calvin consuma 18 ATP e 12 NADPH. Pertanto l’equazione generale del ciclo di Calvin è:

6 CO₂ + 6 H₂O + 12 H⁺ + 18 ATP + 12 NADPH → C₆H₁₂O₆ + 18 P_i + 18 ADP + 12 NADP⁺