Comprendere i pigmenti
Esistono diversi tipi di pigmenti, e ognuno assorbe solo certe lunghezze d’onda (colori) della luce visibile. I pigmenti riflettono il colore delle lunghezze d’onda che non possono assorbire.
Tutti gli organismi fotosintetici contengono un pigmento chiamato clorofilla a, che gli umani vedono come il comune colore verde associato alle piante. La clorofilla a assorbe le lunghezze d’onda da entrambe le estremità dello spettro visibile (blu e rosso), ma non dal verde. Poiché il verde viene riflesso, la clorofilla appare verde.
Figura 4. Le piante che comunemente crescono all’ombra traggono vantaggio dall’avere una varietà di pigmenti che assorbono la luce. Ogni pigmento può assorbire diverse lunghezze d’onda della luce, il che permette alla pianta di assorbire la luce che passa attraverso gli alberi più alti. (credit: Jason Hollinger)
Altri tipi di pigmenti includono la clorofilla b (che assorbe la luce blu e rosso-arancio) e i carotenoidi. Ogni tipo di pigmento può essere identificato dal modello specifico di lunghezze d’onda che assorbe dalla luce visibile, che è il suo spettro di assorbimento.
Molti organismi fotosintetici hanno una miscela di pigmenti; tra questi, l’organismo può assorbire energia da una gamma più ampia di lunghezze d’onda della luce visibile. Non tutti gli organismi fotosintetici hanno pieno accesso alla luce del sole. Alcuni organismi crescono sott’acqua dove l’intensità della luce diminuisce con la profondità e alcune lunghezze d’onda sono assorbite dall’acqua. Altri organismi crescono in competizione per la luce. Le piante sul suolo della foresta pluviale devono essere in grado di assorbire ogni po’ di luce che passa, perché gli alberi più alti bloccano la maggior parte della luce solare (Figura 4).
Come funzionano le reazioni dipendenti dalla luce
Lo scopo generale delle reazioni dipendenti dalla luce è di convertire l’energia luminosa in energia chimica. Questa energia chimica sarà usata dal ciclo di Calvin per alimentare l’assemblaggio delle molecole di zucchero.
Le reazioni dipendenti dalla luce iniziano in un raggruppamento di molecole di pigmento e proteine chiamato fotosistema. I fotosistemi esistono nelle membrane dei tilakoidi. Una molecola di pigmento nel fotosistema assorbe un fotone, una quantità o “pacchetto” di energia luminosa, alla volta.
Un fotone di energia luminosa viaggia fino a raggiungere una molecola di clorofilla. Il fotone fa sì che un elettrone nella clorofilla venga “eccitato”. L’energia data all’elettrone gli permette di liberarsi da un atomo della molecola di clorofilla. Si dice quindi che la clorofilla “dona” un elettrone (figura 5).
Figura 5. L’energia luminosa viene assorbita da una molecola di clorofilla e viene passata lungo un percorso ad altre molecole di clorofilla. L’energia culmina in una molecola di clorofilla che si trova nel centro di reazione. L’energia “eccita” uno dei suoi elettroni abbastanza per lasciare la molecola ed essere trasferito ad un accettore primario di elettroni vicino. Una molecola di acqua si divide per rilasciare un elettrone, che è necessario per sostituire quello donato. Dalla scissione dell’acqua si formano anche ioni ossigeno e idrogeno.
Per sostituire l’elettrone nella clorofilla, una molecola di acqua si divide. Questa scissione libera un elettrone e provoca la formazione di ossigeno (O2) e di ioni idrogeno (H+) nello spazio del tilakoide. Tecnicamente, ogni rottura di una molecola d’acqua libera una coppia di elettroni, e quindi può sostituire due elettroni donati.
La sostituzione dell’elettrone permette alla clorofilla di rispondere ad un altro fotone. Le molecole di ossigeno prodotte come sottoprodotti trovano la loro strada nell’ambiente circostante. Gli ioni idrogeno giocano ruoli critici nel resto delle reazioni luce-dipendenti.
Tenete a mente che lo scopo delle reazioni luce-dipendenti è quello di convertire l’energia solare in vettori chimici che saranno utilizzati nel ciclo di Calvin. Negli eucarioti, esistono due fotosistemi, il primo è chiamato fotosistema II, che prende il nome dall’ordine della sua scoperta piuttosto che dall’ordine di funzione.
Dopo che il fotone colpisce, il fotosistema II trasferisce l’elettrone libero al primo di una serie di proteine all’interno della membrana tilaconica chiamata catena di trasporto degli elettroni. Mentre l’elettrone passa lungo queste proteine, l’energia dell’elettrone alimenta le pompe di membrana che muovono attivamente gli ioni idrogeno contro il loro gradiente di concentrazione dallo stroma nello spazio tilaconico. Questo è del tutto analogo al processo che avviene nel mitocondrio in cui una catena di trasporto degli 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 viene accettato da una molecola di pigmento nel fotosistema successivo, che è chiamato fotosistema I (Figura 6).
Figura 6. Dal fotosistema II, l’elettrone eccitato viaggia lungo una serie di proteine. Questo sistema di trasporto degli elettroni usa l’energia dell’elettrone per pompare ioni di idrogeno all’interno del tilakoide. Una molecola di pigmento nel fotosistema I accetta l’elettrone.