La fotosintesi: concetti generali

La luce possiede proprietà sia di particella che di onda. Un'onda è caratterizzata da una lunghezza d'onda, definita dalla lettera greca lambda (λ), che è la distanza fra due picchi successivi dell'onda. La frequenza, rappresentata dalla lettera greca ni (ν), è invece il numero di picchi d'onda che intercorrono in un determinato intervallo di tempo. Un'equazione semplice mette in relazione la lunghezza d'onda, la frequenza e la velocità di qualsiasi onda: c = λν, dove c è la velocità dell'onda. La luce, però, è anche una particella, che chiamiamo fotone. Ogni fotone contiene una determinata quantità di energia chiamata quanto. L'energia (E) di un fotone dipende dalla frequenza della luce secondo la relazione nota come legge di Planck: E = hν, dove h è la costante di Planck (6,626x10-34 J s), La luce del sole è come una pioggia di fotoni con frequenze diverse. I nostri occhi sono sensibili solo a una piccola gamma di frequenze, la regione visibile dello spettro elettromagnetico. La luce con frequenze leggermente maggiori (o con lunghezze d'onda più corte) è la regione dello spettro nell'ultravioletto e la luce con frequenze leggermente minori (o lunghezze d'onda maggiori) rappresenta la regione dell'infrarosso. Lo spettro di assorbimento fornisce informazioni circa la quantità di energia luminosa catturata o assorbita da una molecola o sostanza in funzione della lunghezza d'onda. Si utilizza lo spettrofotometro per calcolare questa quantità.
In questo modo, la clorofilla appare verde ai nostri occhi, poiché assorbe la luce nelle regioni rossa e blu dello spettro, riflettendo così ai nostri occhi solo la luce verde (circa 550 nm). L'assorbimento della luce è rappresentato dall'equazione, in cui la clorofilla (Chl) nel suo stato energetico minore, o stato basale, assorbe un fotone (hν) e passa a un livello energetico superiore o stato eccitato (Chl*):
Chl + hν → Chl*
Nello stato di eccitazione superiore la clorofilla è estremamente instabile e cede rapidamente un po' della sua energia sotto forma di calore all'ambiente circostante, passando così a uno stato eccitato minore dove può essere stabile per alcuni nanosecondi (10-9 s). Nello stato di eccitazione minore, la clorofilla eccitata ha quattro vie alternative di dissipazione dell'energia disponibile:
1.La clorofilla eccitata può ri-emettere un fotone e quindi ritornare al suo stato basale, un processo conosciuto con il termine di fluorescenza;
2.La clorofilla eccitata può ritornare al suo stato basale convertendo direttamente l'energia di eccitazione in calore, senza l'emissione di fotoni;
3.La clorofilla può partecipare al trasferimento di energia, nel quale una molecola di clorofilla eccitata trasferisce la sua energia ad un'altra molecola;
4.Un quarto processo è la fotochimica, nella quale l'energia dello stato eccitato permette che avvengano le reazioni chimiche.
Comunque, l'energia della luce solare è assorbita principalmente dai pigmenti della pianta, che si trovano nel cloroplasto. Le clorofille e le batterioclorofille (pigmenti che si trovano in alcuni batteri) sono i pigmenti degli organismi fotosintetici, ma tutti gli organismi contengono una miscela costituita di più di un tipo di pigmento, ognuno con una funzione specifica. Le clorofille a e b sono abbondanti nelle piante verdi, mentre le clorofille c e d si trovano nei protisti e nei cianobatteri. Tutte le clorofille hanno una complessa struttura ad anello che è chimicamente imparentata con i gruppi simili alla porfirina che si trovano nell'emoglobina e nei citocromi. Inoltre, attaccata alla struttura ad anello vi è quasi sempre una lunga catena idrocarburica; questa catena àncora la clorofilla alla porzione idrofobica dell'ambiente in cui è presente. La struttura ad anello, invece, contiene alcuni elettroni legati debolmente ed è la parte della molecola che è coinvolta nella transizione elettronica e nelle reazioni di redox. Oltre alla clorofilla, esistono alcuni pigmenti accessori, detti carotenoidi. La luce assorbita dai carotenoidi, molecole lineari con doppi legami coniugati multipli, è trasferita alla clorofilla per la fotosintesi. I carotenoidi giocano anche un ruolo fondamentale nel proteggere l'organismo dai danni causati dalla luce. Le bande di assorbimento nella regione fra i 400 e i 500 nm impartiscono ai carotenoidi il loro caratteristico colore arancio.