Di Kevin Beck, aggiornato il 30 agosto 2022
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La fotosintesi è la cascata biochimica fondamentale che alimenta la vita sulla Terra. Sebbene solo un sottoinsieme di organismi (piante, alghe e cianobatteri) esegua questo processo, i suoi prodotti, ossigeno e carbonio organico, sono indispensabili per ogni altro sistema vivente.
Fondamentalmente, la fotosintesi converte la CO2 atmosferica e acqua in glucosio (C6 H12 O6 ) mentre rilasci O2 :
6H2 O + luce + 6CO2 → Do6 H12 O6 +6O2
Il glucosio viene quindi metabolizzato dalle cellule vegetali in modo analogo alle cellule animali, tramite la respirazione cellulare, per generare ATP, la valuta energetica universale.
Gli organismi autotrofi, o organismi che si autoalimentano, eseguono la fotosintesi, mentre gli eterotrofi (animali, funghi, molti batteri) devono ingerire il carbonio organico prodotto dagli autotrofi.
La fotosintesi è una classica reazione redox (riduzione-ossidazione). Gli elettroni vengono trasferiti dall'acqua all'anidride carbonica, con l'energia luminosa che guida il processo:
La riduzione rimuove gli elettroni; l'ossidazione li aggiunge. In questo contesto, l'acqua agisce come donatore di elettroni (agente ossidante) e CO2 viene ridotto (agendo come accettore di elettroni).
La fotosintesi avviene nei cloroplasti, organelli analoghi nella struttura ai mitocondri. Ogni cloroplasto è circondato da una doppia membrana e contiene membrane tilacoidi interne impacchettate in pile chiamate grana.
La clorofilla, il pigmento verde che cattura la luce, è incorporata in questi tilacoidi. Quando i fotoni colpiscono la clorofilla, elevano gli elettroni a livelli energetici più elevati, dando inizio alla catena di trasporto degli elettroni.
In presenza di luce, le molecole di clorofilla donano elettroni a una serie di trasportatori nella membrana tilacoide. L'energia risultante viene sfruttata per sintetizzare l'ATP tramite chemiosmosi, mentre il NADP + è ridotto a NADPH.
Le molecole d'acqua vengono divise per sostituire gli elettroni persi, producendo O2 come sottoprodotto:
2H2 O + luce → O2 + 4H + + 4e − (ΔG° =+317 kJ·mol −1 )
L'ATP e il NADPH generati sopra forniscono l'energia e il potere riducente necessari per fissare la CO2 in carboidrati:
CO2 + 4H + + 4e − → Canale2 O + H2 O (ΔG° =+162 kJ·mol −1 )
Combinata, l'equazione fotosintetica complessiva è:
H2 O + luce + CO2 → Canale2 O + O2 (ΔG° =+479 kJ·mol −1 )
L’accoppiamento energetico descrive come le piante utilizzano l’energia luminosa assorbita per guidare processi endoergonici che altrimenti non si verificherebbero. Gli zuccheri risultanti alimentano il ciclo globale del carbonio e costituiscono la base di tutte le reti alimentari.
La modifica degli indici nelle formule chimiche cambia completamente la sostanza, ad esempio trasformandola in O2 in O3 produce ozono, non ossigeno. Un bilanciamento accurato preserva l'identità di ogni molecola.
Mantenendo le equazioni bilanciate, gli studenti acquisiscono una comprensione più chiara della stechiometria e dell'energia della fotosintesi.
