La fotosintesi Gli autotrofi svolgono il ruolo di produttori di sostanze alimentari. Le piante sono organismi autotrofi in quanto producono da sole le sostanze nutritive di cui necessitano e provvedono al proprio fabbisogno senza mangiare altri organismi. I cloroplasti delle cellule vegetali catturano l energia luminosa e la trasformano in energia chimica, che viene immagazzinata nei legami di molecole organiche. Le piante, le alghe e alcuni batteri sono fotoautotrofi (organismi autotrofi che utilizzano la luce come fonte di energia per i propri processi vitali) e produttori degli alimenti consumati da quasi tutti gli organismi viventi. Nelle piante, la fotosintesi avviene principalmente nei cloroplasti, situati nelle foglie. I cloroplasti contengono lo stroma (un liquido denso) e i tilacoidi (un complesso sistema di sacchetti discoidali provvisti di membrane) allineati in pile detti grani. Localizzazione e struttura dei cloroplasti: Le piante producono ossigeno gassoso scindendo le molecole d acqua. L ossigeno gassoso (O 2 ) prodotto durante la fotosintesi proviene dall ossigeno presente nelle molecole d acqua.
La fotosintesi è un processo redox, come la respirazione cellulare. Nella fotosintesi l H 2 O viene ossidata e la CO 2 viene ridotta. La fotosintesi avviene in due stadi collegati tra loro dall ATP e dal NADPH Il processo completo della fotosintesi avviene in due stadi collegati, ciascuno composto da diverse tappe. Le tappe del primo stadio sono note come reazioni luminose. Quelle del secondo come reazioni al buio o ciclo di Calvin. Le reazioni luminose trasformano l energia luminosa in energia chimica, liberando ossigeno gassoso (O 2 ). Il ciclo di Calvin assembla molecole di zucchero a partire da CO 2 usando ATP e NADPH prodotti dalle reazioni luminose. Le radiazioni della luce visibile attivano le reazioni della fase luminosa. La luce solare è energia elettromagnetica, che viaggia nello spazio sotto forma di onde regolari.
Nelle membrane dei grani, i pigmenti assorbono principalmente le lunghezze d onda blu-violetto e rossoarancione. Le lunghezze d onde verde, che vengono riflesse, sono quelle che conferiscono il colore alle foglie. Le membrane dei tilacoidi contengono strutture complesse, i fotosistemi, che assorbono l energia luminosa che eccita gli elettroni. Ogni fotosistema è composto da: complessi di pigmenti che catturano la luce (clorofilla a, clorofilla b e carotenoidi); un centro di reazione con una molecola di clorofilla a e un accettore primario di elettroni che riceve l elettrone eccitato dalla clorofilla a del centro di reazione. In una molecola di clorofilla isolata, un elettrone eccitato dalla luce torna allo stato fondamentale, emettendo luce e calore. Una molecola di clorofilla all interno di un fotosistema cede i propri elettroni eccitati alle molecole vicine prima che essi tornino allo stato fondamentale
Le reazioni luminose producono ATP, NADPH e O 2 Gli elettroni rimossi dall acqua vengono trasferiti dal fotosistema II al fotosistema I e infine al NADP +. Tra un fotosistema e l altro, gli elettroni passano per una catena di trasporto che genera ATP per chemiosmosi. I due fotosistemi collegati tra loro assorbono fotoni di luce e trasferiscono l energia alla clorofilla P680 e P700. Gli elettroni eccitati vengono catturati dall accettore primario e passati da questo alla catena di trasporto degli elettroni. Il trasferimento degli elettroni dal fotosistema II al fotosistema I libera energia che viene usata per sintetizzare l ATP. Gli elettroni provenienti dal fotosistema I vengono usati per ridurre il NADP + a NADPH. Il fotosistema II riguadagna elettroni scindendo le molecole d acqua e liberando ossigeno gassoso (O 2 ). Le molecole d acqua si ossidano cedendo i propri elettroni alla clorofilla P680 per rimpiazzare quelli ceduti all accettore primario. Nella fase luminosa, la sintesi di ATP avviene per chemiosmosi. La catena di trasporto degli elettroni trasporta in modo attivo ioni H + attraverso la membrana del tilacoide, dallo stroma al compartimento interno del tilacoide. Gli ioni H + possono poi tornare indietro diffondendo attraverso la membrana, sfruttando l energia generata dal gradiente di concentrazione. La diffusione indietro degli ioni H + attraverso la membrana tramite le molecole di ATP sintetasi, fornisce l energia per la fosforilazione dell ADP e la produzione di ATP (fotofosforilazione).
Nella fase al buio, gli zuccheri si formano a partire dal diossido di carbonio attraverso un processo ciclico Il ciclo di Calvin: avviene nello stroma dei cloroplasti; è composto dalla fissazione del carbonio, dalla riduzione e dalla produzione di G3P e dalla rigenerazione di RuDP. Il ciclo di Calvin costruisce uno zucchero a 3 atomi di carbonio, la gliceraldeide 3-fosfato (G3P), utilizzando: il carbonio del CO 2 ; gli elettroni del NADPH; l energia contenuta nell ATP. La gliceraldeide 3-fosfato è usata per costruire glucosio e altre molecole organiche.
Le piante C 4 e la piante CAM presentano speciali adattamenti per risparmiare acqua. Le piante in cui il ciclo di Calvin utilizza direttamente il CO 2 dell aria sono dette piante C 3. In queste piante, un calo nei livelli di CO 2 e un aumento in quelli di O 2, che si verificano quando la chiusura degli stomi riduce gli scambi gassosi nei giorni molto caldi, innesca un processo detto fotorespirazione (al posto del ciclo di Calvin). Le piante C 4 prima fissano il CO 2 in un composto a quattro atomi di carbonio che fornisce il CO 2 al ciclo di Calvin.