Clorofilla

Clorofilla e fotosintesi

La clorofilla è necessaria per la fotosintesi, che permette alle piante di ottenere energia dalla luce.

Le molecole di clorofilla sono disposte dentro e intorno alle membrane dei cloroplasti. Svolgono due funzioni principali. La funzione della maggior parte della clorofilla (fino a diverse centinaia di molecole per fotosistema) è quella di assorbire la luce e trasferire l'energia luminosa ai centri di reazione. Questi pigmenti prendono il nome dalla lunghezza d'onda (in nanometri) del loro massimo di assorbimento del rosso. Questi pigmenti di clorofilla possono essere separati in un semplice esperimento di cromatografia su carta.

La funzione del centro di reazione della clorofilla è di usare l'energia trasferitagli dagli altri pigmenti della clorofilla per subire una specifica reazione redox. In questa reazione la clorofilla dà un elettrone a una catena di trasporto degli elettroni. Questa reazione è il modo in cui gli organismi fotosintetici come le piante producono gas O2, ed è la fonte di praticamente tutto l'O2 nell'atmosfera terrestre. Il fotosistema I lavora tipicamente in serie con il fotosistema II.

Il flusso di elettroni prodotto dai pigmenti clorofilliani del centro di reazione è usato per trasportare ioni H+ attraverso la membrana, creando un potenziale chemiosmotico usato principalmente per produrre energia chimica ATP; e quegli elettroni riducono infine NADP+ a NADPH, un riduttore universale usato per ridurre la _CO2 in zuccheri e per altre riduzioni biosintetiche.

Una lumaca di mare verde, Elysia chlorotica, è stata trovata ad usare la clorofilla che ha mangiato per eseguire la fotosintesi per se stessa. Questo processo è noto come cleptoplastica, e nessun altro animale è stato trovato ad avere questa capacità.

Perché verde e non nero?

Non è ancora chiaro esattamente perché le piante si siano evolute principalmente per essere verdi. Le piante verdi riflettono principalmente la luce verde e quasi-verde piuttosto che assorbirla. Altre parti del sistema di fotosintesi permettono ancora alle piante verdi di utilizzare lo spettro della luce verde (ad esempio attraverso una struttura fogliare che trattiene la luce, carotenoidi, ecc.) Le piante verdi non utilizzano gran parte dello spettro visibile nel modo più efficiente possibile. Una pianta nera può assorbire più radiazioni, e questo potrebbe essere molto utile, senza contare i problemi di smaltimento di questo calore extra (ad esempio, alcune piante devono chiudere le loro aperture, chiamate stomi, nei giorni caldi per evitare di perdere troppa acqua). Più precisamente, la domanda diventa perché l'unica molecola che assorbe la luce usata per l'alimentazione nelle piante è verde e non semplicemente nera.

Il biologo John Berman ha detto che l'evoluzione non è un processo di ingegneria, quindi spesso ha limiti che un ingegnere o un altro progettista non ha. Anche se le foglie nere fossero migliori, i limiti dell'evoluzione possono impedire alle specie di diventare il più efficiente possibile. Berman ha scritto che ottenere pigmenti che funzionano meglio della clorofilla potrebbe essere molto difficile. Infatti, si ritiene che tutte le piante superiori (embriofite) si siano evolute da un antenato comune che è una specie di alga verde - quindi la clorofilla si è evoluta solo una volta (antenato comune).

Shil DasSarma, un genetista microbico dell'Università del Maryland, ha sottolineato che le specie di archaea usano un'altra molecola che assorbe la luce, la retina, per ottenere energia dallo spettro verde. Alcuni scienziati ritengono che le arche che assorbono la luce verde fossero un tempo le più comuni nell'ambiente terrestre. Questo potrebbe aver lasciato aperta una "nicchia" per gli organismi verdi che avrebbero assorbito le altre lunghezze d'onda della luce solare. Questa è solo una possibilità, e Berman ha scritto che gli scienziati non sono ancora convinti di nessuna spiegazione.

Le piante nere possono assorbire più radiazioni, eppure la maggior parte delle piante sono verdi

Struttura chimica

La clorofilla è un pigmento clorinico, che è strutturalmente simile e prodotto attraverso la stessa via metabolica di altri pigmenti porfirinici come l'eme. Al centro dell'anello della clorina c'è uno ione di magnesio. Per le strutture rappresentate in questo articolo, alcuni dei ligandi attaccati al centro Mg2+ sono omessi per chiarezza. L'anello di clorina può avere diverse catene laterali, di solito includendo una lunga catena di fitolo. Ci sono alcune forme diverse che si presentano in natura, ma la forma più ampiamente distribuita nelle piante terrestri è la clorofilla a. La struttura generale della clorofilla a fu elaborata da Hans Fischer nel 1940. Nel 1960, quando la maggior parte della stereochimica della clorofilla a era nota, Robert Burns Woodward pubblicò una sintesi totale della molecola. Nel 1967, l'ultima delucidazione stereochimica rimasta fu completata da Ian Fleming, e nel 1990 Woodward e coautori pubblicarono una sintesi aggiornata. Nel 2010, un pigmento fotosintetico a luce quasi infrarossa chiamato clorofilla f potrebbe essere stato scoperto nei cianobatteri e in altri microrganismi ossigenati che formano stromatoliti.

Le diverse strutture della clorofilla sono riassunte qui sotto:

	Clorofilla a	Clorofilla b	Clorofilla c1	Clorofilla c2	Clorofilla d	Clorofilla f
Formula molecolare	C55H72O5N4Mg	C55H70O6N4Mg	C35H30O5N4Mg	C35H28O5N4Mg	C54H70O6N4Mg	C55H70O6N4Mg
Gruppo C2	-CH3	-CH3	-CH3	-CH3	-CH3	-CHO
Gruppo C3	-CH=CH2	-CH=CH2	-CH=CH2	-CH=CH2	-CHO	-CH=CH2
Gruppo C7	-CH3	-CHO	-CH3	-CH3	-CH3	-CH3
Gruppo C8	-CH2CH3	-CH2CH3	-CH2CH3	-CH=CH2	-CH2CH3	-CH2CH3
Gruppo C17	-CH2CH2COO-Phytyl	-CH2CH2COO-Phytyl	-CH=CHCOOH	-CH=CHCOOH	-CH2CH2COO-Phytyl	-CH2CH2COO-Phytyl
C17-C18 legame	Singolo (clorina)	Singolo (clorina)	Doppio (porfirina)	Doppio (porfirina)	Singolo (clorina)	Singolo (clorina)
Occorrenza	Universale	Per lo più piante	Varie alghe	Varie alghe	Cianobatteri	Cianobatteri

Modello di riempimento spaziale della molecola di clorofilla a

Misurare la clorofilla

I misuratori del contenuto di clorofilla misurano l'assorbimento ottico di una foglia per stimare il suo contenuto di clorofilla. Le molecole di clorofilla assorbono nelle bande blu e rossa, ma non nelle bande verde e infrarossa. I misuratori del contenuto di clorofilla misurano la quantità di assorbimento nella banda rossa per stimare la quantità di clorofilla presente nella foglia. Per compensare le variazioni di spessore delle foglie, i misuratori di clorofilla misurano anche l'assorbimento nella banda dell'infrarosso, che non è significativamente influenzata dalla clorofilla.

Il contenuto di clorofilla delle foglie può essere misurato in modo non distruttivo usando misuratori portatili, alimentati a batteria. Le misurazioni effettuate da questi dispositivi sono semplici, veloci e relativamente poco costose. Ora hanno una grande capacità di memorizzazione dei dati, una media e display grafici.

Spettrofotometria

La misurazione dell'assorbimento della luce è complicata dal solvente utilizzato per estrarla dal materiale vegetale, che influenza i valori ottenuti,

• In etere dietilico, la clorofilla a ha massimi di assorbimento approssimativi di 428 nm e 660 nm, mentre la clorofilla b ha massimi approssimativi di 453 nm e 642 nm.
• Il picco di assorbimento della clorofilla a è a 666 nm.

Lo spettro di assorbimento della clorofilla, che mostra la banda di trasmittanza misurata da un misuratore di clorofilla CCM200 per calcolare il contenuto relativo di clorofilla


Spettri di assorbanza della clorofilla libera a (verde ) e b (rosso ) in un solvente. Gli spettri delle molecole di clorofilla sono leggermente modificati in vivo a seconda delle specifiche interazioni pigmento-proteina.

Biosintesi

Nelle Angiosperme, l'ultimo passo nella sintesi della clorofilla dipende dalla luce. Queste piante sono pallide (eziolate) se coltivate nell'oscurità. Le piante non vascolari e le alghe verdi hanno un ulteriore enzima indipendente dalla luce e crescono invece verdi nell'oscurità.

La clorosi è una condizione in cui le foglie non producono abbastanza clorofilla, quindi diventano gialle. La clorosi può essere causata dal fatto di non avere abbastanza ferro - la cosiddetta clorosi ferrica - o di non avere abbastanza magnesio o azoto. Il pH del suolo a volte influisce su questi tipi di clorosi. Molte piante sono adattate a crescere in terreni con specifici livelli di pH e la loro capacità di assorbire nutrienti dal suolo può dipendere da questo. La clorosi può anche essere causata da agenti patogeni tra cui virus, batteri e infezioni fungine, o insetti che succhiano la linfa.

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