mercoledì 25 aprile 2012

LA FOTOSINTESI: i pigmenti fotosintetici.


Attraverso il processo fotosintetico, gli organismi vegetali riescono ad assorbire e convertire l’energia luminosa in energia chimica di legame. Tutto ciò è possibile grazie ad un particolare gruppo di molecole note come pigmenti, tra cui rientrano le clorofille e al connesso sistema biochimico a cui sono questi pigmenti sono legati, che permette la conservazione e lo sfruttamento di questa energia luminosa.
Sebbene negli organismi vegetali esistano numerosi processi dipendenti dalla luce (fotomorfogenesi, fotorientamento ecc…) il processo fotosintetico è l’unico ad essere responsabile della vita sulla terra e non solo degli organismi vegetali, ma di tutta la vita.
Gli altri fenomeni dipendenti dalla luce, non hanno infatti un impatto così importante sul metabolismo degli organismi vegetali , ma sono diretti principalmente a raccordare il movimento o lo sviluppo in base ai segnali ambientali. Come attori del processo fotosintetico un ruolo da protagonisti viene svolto soprattutto dalle piante verdi, dalle alghe dei diversi gruppi e dai cianobatteri i quali portano avanti un tipo di fotosintesi che viene definita ossigenica.
Esiste anche un altro tipo di fotosintesi, nota come fotosintesi anossigenica, che vedremo brevemente in seguito, portata avanti da batteri purpurei e verdi, di grande interesse.
In natura esistono altri organismi in grado di sfruttare l’energia luminosa per processi metabolici totalmente divergenti da quelli della fotosintesi, come nel caso degli archeobatteri, microrganismi che vivono in ambienti umidi e salini; un esempio è dato dall’Halobacterium, ma la conversione dell' energia radiante da parte di questi strani procarioti è quasi irrilevante su scala globale se paragonato a quella degli organismi che svolgono fotosintesi ossigenica. La fotosintesi dunque differisce dagli altri processi che sfruttano l’energia radiante in quanto si basa su reazioni di ossidoriduzione, mentre al contrario molti effetti foto morfogenetici e fotometabolici, prendono principalmente origine da cambiamenti nelle strutture delle proteine.
La fotosintesi è dunque un processo della massima importanza, sia dal punto di vista fisiologico che dal punto di vista ecologico, in quanto non solo è base del metabolismo e della crescita degli organismi vegetali, ma è anche responsabile di un ambiente vivibile per tutti gli organismi. Grazie alla fotosintesi i vegetali immettono indirettamente nell’ambiente esterno ossigeno diventando garanti di un ambiente vivibile per tutti gli organismi.
I pigmenti fotosintetici.
I pigmenti foto sintetici appartengono a tre grandi categorie, clorofille, carotenoidi ( presenti in tutti gli organismi vegetali che svolgono fotosintesi ossigenica) e ficobiliproteine, presenti in alcuni gruppi di alghe eucariote (principalmente Rhodophyta o alghe rosse) e nei cianobatteri e nelle alghe blu-verdi.


Pigmenti e stati eccitati: una premessa.
Svolgono un ruolo fotosinteticamente attivo tutti quei pigmenti che possiedono un sistema di doppi legami coniugati capaci di poter assorbire le radiazioni PAR (radiazioni foto sinteticamente attive) in grado di causare eccitazione reversibile dei pigmenti.
Questi pigmenti devono essere in grado di subire transizioni elettroniche tra gli stati quantici molecolari , di energia corrispondente a quella dei fotoni PAR. In generale quanto più cresce il numero dei doppi legam coniugati, maggiore sarà la lunghezza d’onda delle bande di assorbimento e più crescerà l’intensità dell’assorbimento della luce. Queste bande caratteristiche dell’assorbimento di ogni pigmento ci rivelano la natura e l’energia delle transizioni elettroniche. Allo stato non eccitato gli elettroni pi greco occupano a coppie i livelli a più bassa energia propri dello stato fondamentale della molecola. In ogni coppia i momenti magnetici di rotazione (spin) sono opposti e antiparalleli, come è obbligatorio che sia per due elettroni che occupano lo stesso orbitale, secondo il principio di esclusione di pauli; e pertanto si annullano. In questo caso parliamo di stato di singoletto eccitato.
Quando un elettrone pi greco entra in uno stato di eccitazione, stato causato da un fotone con energia appropriata, in genere esso mantiene lo stesso spin, in questo caso si parla di stato di singoletto eccitato. Se invece lo spin si inverte si parla di stato di tripletto eccitato. Gli stati di tripletto sono la conseguenza di due distinti eventi, eccitazione e rotazione dello spin. Per decadere abbisognano di due eventi opposti.
Ciò fa si che gli stati tripletto siano più stabili degli stati di singoletto e decadano più lentamente. Ogni pigmento può presentare più di uno stato eccitato e vari sottolivelli vibrazionali, da ciò dipende anche il tipico spettro di assorbimento della molecola.

I pigmenti fotosintetici.
Un ruolo di predominante importanza è svolto dalle clorofille.
Le clorofille sono una famiglia di composti tetrapirrolici derivanti dalla protoporfirina IX, con un atomo di magnesio al centro della molecola. Caratteristica di base di tutte le clorofille è la presenza al III°anello di un anello ciclopentatonico provvisto di un gruppo carbossile esterificato.
A seconda dei gruppi sotituenti legati agli atomi di carbonio dell'anello tetrapirrolico possiamo suddividere le clorofille in vari gruppi.

Clorofilla a.
E' la principale clorofilla dei centri di reazione e dei complessi antenna degli organismi vegetali che portano avanti la fotosintesi ossigenica. Organismi che non possiedono tale clorofilla non sono in grado di sopravvivere. Inoltre è la sola clorofilla presente nelle alghe verdi e rosse (Rhodophyta).
Come potete osservare nell'immagine sotto, le caratteristiche strutturali della clorofilla la sono la presenza di un gruppo etile associato al quarto atomo di carbonio del II° anello,  riduzione degli atomi di carbonio 7 e 8 e presenza di un gruppo propionico al settimo atomo di carbonio del quarto anello esterificato con una molecola a 20 atomi di carbonio noto come fitolo.

Clorofilla b.
Strutturalmente è identica alla clorofilla a eccezzion fatta per la presenza di un gruppo aldeidico al 2 atomo di carbonio del II anello, in sostituzione del gruppo metilico presente su tale atomo di carbonio nella clorofilla a.
E' un importante pigmento accessorio, il più abbondante dopo la clorofilla a che ritroviamo nelle piante verdi (vascolari e briofite) e in alcuni cianobatteri.

Batterioclorofilla.
Nei batteri fotosintetici troviamo come clorofilla del centro di reazione, la batterioclorofilla a. Differisce dalla clorofilla a per la presenza di un gruppo acetile al posto del gruppo vinile legato al C2 e presenta ridotto il legame C3 e C4 nell'anello pirrolico II. La batterioclorofilla b è simile alla bclf a ma presenta un gruppo =CHCH3 in C4. Vi sono altri tipi di bclf tra cui le batterioclorofille c,d,e pigmenti accessori dei batteri verdi. La differenza con la clorofilla a è che mancano del carbossile esterificato nell'anello V, ma contengono invece un gruppo idrossietile (-CHOHCH3) in C2 e spesso l'alcool farsenolo a 15 atomi di carbonio al posto del fitolo.




Clorofilla c.
La possiamo suddividere in due sottogruppi, noti come clorofilla c1 e clorofilla c2.
Sono pigmenti accessori di molti gruppi algali quali ad esempio diatomee o dinoflagellate.
Non sono presenti in tutti i gruppi algali, in alcuni manca la clorofilla c1.
Strutturalmente, paragonandola alla clorofilla a, la clorofilla c1 al 7° atomo di carbonio del IV anello non è legato un gruppo propionico esterificato, ma un acido acrilico non esterificato; inoltre gli atomi di carbonio 7 e 8 del IV° anello non risultano ridotti, ne consegue che vi è un doppio legame in più nel sistema.
La clorofilla c2 a differenza della c1 presenta al 4° atomo di carbonio del II° anello un gruppo vinile.

Carotenoidi.
Rappresentano un insieme di pigmenti accessori, composti costituiti da 40 atomi di carbonio (8 unità isoprenoidi a 5 atomi di carbonio) che presentano svariati doppi legami carbonio-carbonio.
Lo spettro di assorbimento dei carotenoidi si aggira attorno ai 450 nm. La loro presenza è importante per una serie di motivi. I carotenoidi infatti hanno la funzione di coprire spettri di assorbimento della luce non adeguatamente coperti dalle clorofille; inoltre sono coinvolti in processi di difesa dell'apparato fotosintetico, da possibili fotoossidazioni.
Nelle immagini sotto è possibile visualizzare uno dei carotenoidi più abbondanti (beta-carotene).
Un partticolare gruppo di carotenoidi noti come xantofille (carotenoidi in cui sono presenti atomi di ossigeno), la più abbodante delle xantofille è la luteina che costituisce più del 40% dei carotenoidi presenti nei fotosistemi.
Degni di nota sono la neoxantina, la violaxantina, e l'anteroxantina; queste ultime due xantofille come vedremo ne prossimi post sono coinvolte nel cosidetto ciclo di disattivazione dell'energia  luminosa.


Biliproteine algali.
Sono dei pigmenti costituiti da tetrapirroli a nucleo aperto, definite ficobiline derivate dalle clorofille. Le ritroviamo in diversi gruppi algali che non possiedono complessi fotosistemici identici a quelli che troviamo nelle piante. Le possiamo suddidere in 3 componenti, a seconda dello spettro di assorbimento.
Ficoeritrine rosse: 545-570 nm
Ficocianine blu: 620 nm
Alloficocianine blu-porpora: 650-670 nm
Negli  organismi in cui sono presenti, tali pigmenti sono associati tra di loro portando alla formazione di complessi noti come ficobilisomi.
Alla base associati con i tilacoidi troviamo le alloficocianine, sopra di esse la ficocianina, e la ficoeritrina, quando presente è situata all'apice. Tali sistemi di pigmenti presentano una vera e propria struttura modulare. Gli organismi in cui sono presenti tali proteine sono in grado di modificare la composizione di tali pigmenti in risposta alla qualità della luce da assorbire.



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