Definizione di fotosintesi
La fotosintesi è la via biochimica che converte lenergia della luce nei legami delle molecole di glucosio. Il processo di fotosintesi avviene in due fasi. Nella prima fase, lenergia dalla luce viene immagazzinata nei legami di adenosina trifosfato (ATP) e nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (NADPH). Questi due cofattori che immagazzinano energia vengono quindi utilizzati nella seconda fase della fotosintesi per produrre molecole organiche combinando molecole di carbonio derivate dallanidride carbonica (CO2). La seconda fase della fotosintesi è nota come il ciclo di Calvin. Queste molecole organiche possono quindi essere utilizzate dai mitocondri per produrre ATP, oppure possono essere combinate per formare glucosio, saccarosio e altri carboidrati. Di seguito è possibile visualizzare lequazione chimica dellintero processo.
Equazione della fotosintesi
Sopra è la reazione generale per la fotosintesi. Utilizzando lenergia della luce e gli idrogeni e gli elettroni dellacqua, la pianta combina i carboni presenti nellanidride carbonica in molecole più complesse. Mentre una molecola a 3 atomi di carbonio è il risultato diretto della fotosintesi, il glucosio è semplicemente due di queste molecole combinate ed è spesso rappresentato come il risultato diretto della fotosintesi poiché il glucosio è una molecola fondamentale in molti sistemi cellulari. Noterai anche che vengono prodotte 6 molecole di ossigeno gassoso, come sottoprodotto. La pianta può utilizzare questo ossigeno nei suoi mitocondri durante la fosforilazione ossidativa. Mentre una parte dellossigeno viene utilizzata a questo scopo, una grossa porzione viene espulsa nellatmosfera e ci permette di respirare e subire la nostra stessa fosforilazione ossidativa, su molecole di zucchero derivate dalle piante. Noterai anche che questa equazione mostra lacqua su entrambi i lati. Questo perché 12 molecole dacqua vengono divise durante le reazioni alla luce, mentre 6 nuove molecole vengono prodotte durante e dopo il ciclo di Calvin. Sebbene questa sia lequazione generale per lintero processo, ci sono molte reazioni individuali che contribuiscono a questo percorso.
Fasi della fotosintesi
Le reazioni alla luce
Le reazioni alla luce avvengono nelle membrane tilacoidi dei cloroplasti delle cellule vegetali. I tilacoidi hanno ammassi di proteine ed enzimi densamente imballati noti come fotosistemi. Esistono due di questi sistemi, che lavorano insieme per rimuovere elettroni e idrogeni dallacqua e trasferirli ai cofattori ADP e NADP +. Questi fotosistemi sono stati nominati nellordine in cui sono stati scoperti, che è lopposto di come gli elettroni fluiscono attraverso di essi. Come si vede nellimmagine qui sotto, gli elettroni eccitati dallenergia luminosa fluiscono prima attraverso il fotosistema II (PSII) e poi attraverso il fotosistema I (PSI) mentre creano NADPH. LATP è creato dalla proteina ATP sintasi, che utilizza laccumulo di atomi di idrogeno per guidare laggiunta di gruppi fosfato allADP.
Lintero sistema funziona come segue. Un fotosistema è composto da varie proteine che circondano e collegano una serie di molecole di pigmento. I pigmenti sono molecole che assorbono vari fotoni, consentendo ai loro elettroni di eccitarsi. La clorofilla a è il pigmento principale utilizzato in questi sistemi e raccoglie il trasferimento di energia finale prima di rilasciare un elettrone. Photosystem II avvia questo processo di elettroni utilizzando lenergia della luce per scindere una molecola dacqua, che rilascia lidrogeno mentre aspira gli elettroni. Gli elettroni vengono quindi fatti passare attraverso il plastochinone, un complesso enzimatico che rilascia più idrogeni nello spazio tilacoide. Gli elettroni quindi fluiscono attraverso un complesso citocromo e la plastocianina per raggiungere il fotosistema I. Questi tre complessi formano una catena di trasporto degli elettroni, molto simile a quella vista nei mitocondri. Photosystem I utilizza quindi questi elettroni per guidare la riduzione di NADP + a NADPH. LATP aggiuntivo prodotto durante le reazioni alla luce proviene dallATP sintasi, che utilizza il grande gradiente delle molecole di idrogeno per guidare la formazione di ATP.
Il ciclo di Calvin
Con i suoi portatori di elettroni NADPH e ATP tutto caricato con elettroni, limpianto è ora pronto per creare energia immagazzinabile. Ciò accade durante il ciclo di Calvin, che è molto simile al ciclo dellacido citrico visto nei mitocondri. Tuttavia, il ciclo dellacido citrico crea ATP altri trasportatori di elettroni da molecole di 3 atomi di carbonio, mentre il ciclo di Calvin produce questi prodotti con luso di NADPH e ATP. Il ciclo ha 3 fasi, come mostrato nel grafico sotto.
Durante la prima fase, un carbonio viene aggiunto a uno zucchero a 5 atomi di carbonio, creando uno zucchero a 6 atomi di carbonio instabile. Nella fase due, questo zucchero viene ridotto in due molecole di zucchero a 3 carbonio stabili.Alcune di queste molecole possono essere utilizzate in altre vie metaboliche e vengono esportate. Il resto rimane per continuare a pedalare attraverso il ciclo di Calvin. Durante la terza fase, lo zucchero a cinque atomi di carbonio viene rigenerato per ricominciare il processo. Il ciclo di Calvino si verifica nello stroma di un cloroplasto. Sebbene non siano considerati parte del ciclo di Calvin, questi prodotti possono essere utilizzati per creare una varietà di zuccheri e molecole strutturali.
Prodotti di fotosintesi
I prodotti diretti delle reazioni alla luce e del Il ciclo di Calvin è composto da 3 fosfoglicerati e G3P, due diverse forme di una molecola di zucchero a 3 atomi di carbonio. Due di queste molecole combinate equivalgono a una molecola di glucosio, il prodotto visto nellequazione della fotosintesi. Sebbene questa sia la principale fonte di cibo per piante e animali, questi scheletri di 3 carbonio possono essere combinati in molte forme diverse. Una forma strutturale degna di nota è la cellulosa, un materiale fibroso estremamente resistente costituito essenzialmente da fili di glucosio. Oltre agli zuccheri e alle molecole a base di zucchero, lossigeno è laltro prodotto principale della fotosintesi. Lossigeno creato dalla fotosintesi alimenta ogni organismo che respira sul pianeta.
Quiz
1. Per completare il ciclo di Calvin, è necessaria lanidride carbonica. Lanidride carbonica raggiunge linterno della pianta attraverso gli stomi, o piccoli fori sulla superficie di una foglia. Per evitare la perdita dacqua e la disidratazione totale nelle giornate calde, le piante chiudono gli stomi. Le piante possono continuare a subire la fotosintesi?
A. Sì, finché cè luce
B. No, senza CO2 il processo non può continuare
C. Solo la reazione leggera continuerà
2. Perché i prodotti della fotosintesi sono importanti per gli organismi non fotosintetici?
A. È la base della maggior parte dellenergia sulla Terra
B. Hanno bisogno dei nutrienti minori assemblati dalle piante
C. Non sono importanti per i carnivori obbligati
3. Perché le piante hanno bisogno di acqua?
A. Per la fotosintesi
B. Per struttura
C. Per trasferire i nutrienti
D. Tutto quanto sopra