Risultati dell’apprendimento
- Identificare i reagenti e i prodotti della fotosintesi
La fotosintesi è un processo in più fasi che richiede come substrati la luce del sole, l’anidride carbonica (che ha poca energia) e l’acqua (Figura 1). Quando il processo è completo, rilascia ossigeno e produce gliceraldeide-3-fosfato (GA3P), molecole di carboidrati semplici (ad alto contenuto energetico) che possono essere successivamente convertite in glucosio, saccarosio o in una qualsiasi dozzina di altre molecole di zucchero. Queste molecole di zucchero contengono energia e il carbonio energizzato di cui tutti gli esseri viventi hanno bisogno per sopravvivere.
Figura 1. La fotosintesi usa l’energia solare, l’anidride carbonica e l’acqua per produrre carboidrati che immagazzinano energia. L’ossigeno è generato come prodotto di scarto della fotosintesi.
La seguente è l’equazione chimica della fotosintesi (Figura 2):
Figura 2. L’equazione di base della fotosintesi è ingannevolmente semplice. In realtà, il processo si svolge in molte fasi che coinvolgono reagenti e prodotti intermedi. Il glucosio, la fonte primaria di energia nelle cellule, è fatto da due GA3P a tre carboni.
Anche se l’equazione sembra semplice, i molti passaggi che avvengono durante la fotosintesi sono in realtà abbastanza complessi. Prima di imparare i dettagli di come i fotoautotrofi trasformano la luce del sole in cibo, è importante acquisire familiarità con le strutture coinvolte.
Nelle piante, la fotosintesi avviene generalmente nelle foglie, che consistono in diversi strati di cellule. Il processo di fotosintesi avviene in uno strato intermedio chiamato mesofillo. Lo scambio di anidride carbonica e ossigeno avviene attraverso piccole aperture regolate chiamate stomi (singolare: stoma), che svolgono anche un ruolo nella regolazione dello scambio di gas e del bilancio idrico. Gli stomi sono tipicamente situati sul lato inferiore della foglia, il che aiuta a minimizzare la perdita d’acqua. Ogni stoma è fiancheggiato da cellule di guardia che regolano l’apertura e la chiusura degli stomi gonfiandosi o restringendosi in risposta ai cambiamenti osmotici.
In tutti gli eucarioti autotrofi, la fotosintesi avviene in un organello chiamato cloroplasto. Nelle piante, le cellule contenenti cloroplasti si trovano nel mesofillo. I cloroplasti hanno un doppio involucro di membrana (composto da una membrana esterna e una interna). All’interno del cloroplasto ci sono strutture impilate a forma di disco chiamate tilakoidi. Incorporata nella membrana tillakoide c’è la clorofilla, un pigmento (molecola che assorbe la luce) responsabile dell’interazione iniziale tra luce e materiale vegetale, e numerose proteine che costituiscono la catena di trasporto degli elettroni. La membrana tilaconica racchiude uno spazio interno chiamato lume tilaconico. Come mostrato nella Figura 3, una pila di tilakoidi è chiamata granum, e lo spazio pieno di liquido che circonda il granum è chiamato stroma o “letto” (da non confondere con stoma o “bocca”, un’apertura sull’epidermide delle foglie).
Domanda pratica
Figura 3. La fotosintesi avviene nei cloroplasti, che hanno una membrana esterna e una interna. Pile di tilakoidi chiamate grana formano un terzo strato di membrana.
In una giornata calda e secca, le piante chiudono i loro stomi per conservare l’acqua. Che impatto avrà questo sulla fotosintesi?
Due parti della fotosintesi
La fotosintesi avviene in due fasi sequenziali: le reazioni dipendenti dalla luce e le reazioni indipendenti dalla luce. Nelle reazioni luce-dipendenti, l’energia della luce solare è assorbita dalla clorofilla e questa energia è convertita in energia chimica immagazzinata. Nelle reazioni indipendenti dalla luce, l’energia chimica raccolta durante le reazioni dipendenti dalla luce guida l’assemblaggio di molecole di zucchero dall’anidride carbonica. Quindi, anche se le reazioni indipendenti dalla luce non usano la luce come reagente, richiedono i prodotti delle reazioni dipendenti dalla luce per funzionare. Inoltre, diversi enzimi delle reazioni indipendenti dalla luce sono attivati dalla luce. Le reazioni luce-dipendenti utilizzano alcune molecole per immagazzinare temporaneamente l’energia: Queste sono chiamate portatori di energia. I vettori energetici che spostano l’energia dalle reazioni luce-dipendenti alle reazioni luce-indipendenti possono essere considerati “pieni” perché sono ricchi di energia. Dopo che l’energia è rilasciata, i vettori di energia “vuoti” ritornano alla reazione luce-dipendente per ottenere più energia. La figura 4 illustra i componenti all’interno del cloroplasto dove avvengono le reazioni luce-dipendenti e luce-indipendenti.
Figura 4. La fotosintesi si svolge in due fasi: le reazioni dipendenti dalla luce e il ciclo di Calvin. Le reazioni luce-dipendenti, che avvengono nella membrana tilaconica, usano l’energia luminosa per produrre ATP e NADPH. Il ciclo di Calvin, che ha luogo nello stroma, usa l’energia derivata da questi composti per fare GA3P da CO2.
Fotosintesi al negozio di alimentari
Figura 5. Gli alimenti che l’uomo consuma hanno origine dalla fotosintesi. (credit: Associação Brasileira de Supermercados)
I principali negozi di alimentari negli Stati Uniti sono organizzati in reparti, come latte, carne, prodotti, pane, cereali e così via. Ogni corsia (Figura 5) contiene centinaia, se non migliaia, di prodotti diversi che i clienti possono acquistare e consumare.
Anche se c’è una grande varietà, ogni articolo è collegato alla fotosintesi. Le carni e i latticini sono collegati perché gli animali sono stati nutriti con alimenti a base vegetale. I pani, i cereali e la pasta provengono in gran parte da cereali amidacei, che sono i semi di piante dipendenti dalla fotosintesi. E i dolci e le bevande? Tutti questi prodotti contengono zucchero – il saccarosio è un prodotto vegetale, un disaccaride, una molecola di carboidrati, che è costruita direttamente dalla fotosintesi. Inoltre, molti articoli sono meno ovviamente derivati dalle piante: per esempio, gli articoli di carta sono generalmente prodotti vegetali, e molte plastiche (abbondanti come prodotti e imballaggi) possono essere derivate da alghe o dal petrolio, i resti fossilizzati di organismi fotosintetici. Praticamente ogni spezia e ogni aroma nella corsia delle spezie è stato prodotto da una pianta come foglia, radice, corteccia, fiore, frutto o stelo. In definitiva, la fotosintesi si collega ad ogni pasto e ad ogni cibo che una persona consuma.
In sintesi: una panoramica della fotosintesi
Il processo di fotosintesi ha trasformato la vita sulla Terra. Sfruttando l’energia del sole, la fotosintesi si è evoluta per permettere agli esseri viventi di accedere a enormi quantità di energia. Grazie alla fotosintesi, gli esseri viventi hanno avuto accesso a un’energia sufficiente che ha permesso loro di costruire nuove strutture e raggiungere la biodiversità evidente oggi.
Solo alcuni organismi, chiamati fotoautotrofi, possono eseguire la fotosintesi; essi richiedono la presenza della clorofilla, un pigmento specializzato che assorbe alcune porzioni dello spettro visibile e può catturare l’energia dalla luce solare. La fotosintesi utilizza l’anidride carbonica e l’acqua per assemblare molecole di carboidrati e rilasciare ossigeno come prodotto di scarto nell’atmosfera. Gli autotrofi eucarioti, come le piante e le alghe, hanno organelli chiamati cloroplasti in cui avviene la fotosintesi e si accumula l’amido. Nei procarioti, come i cianobatteri, il processo è meno localizzato e avviene all’interno di membrane ripiegate, estensioni della membrana plasmatica, e nel citoplasma.
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