Il ciclo del carbonio
Gli organismi vegetali, tramite la fotosintesi incorporano
l’anidride carbonica presente nell’atmosfera in composti
organici. Questi composti, durante la respirazione,
vengono scissi di nuovo in CO2 ed H2O.
Questi processi su ampia scala, terrestre, determinano il
CICLO del CARBONIO.
I principali organismi fotosintetizzanti sono le piante
terrestri, il fitoplancton, le alghe marine ed i
cianobatteri. Questi organismi sintetizzano quindi
carboidrati a partire da CO2 ed H2O liberando O2
nell’atmosfera.
Fase cellulare del ciclo del carbonio
Una parte dei carboidrati viene utilizzata direttamente
dagli stessi organismi fotosintetici, un’altra parte viene
utilizzata dagli organismi eterotrofi.
La maggior parte del carbonio organico si trova nelle
piante e negli altri organismi morti. Questi materiali si
depositano sul suolo o sul fondo degli oceani dove
vengono
attaccati
e
demoliti
dagli
organismi
decompositori, ossia da piccoli invertebrati, batteri e
funghi.
Questi ultimi durante la loro azione demolitrice rendono di
nuovo disponibile il C sotto forma di CO2 che ritorna
nell’atmosfera e negli oceani.
Fase ad ampia scala (atmosfera) del ciclo del carbonio.
La CO2 liberata è così di nuovo disponibile per la
sintesi di carboidrati da parte degli organismi
fotosintetici.
Una grande quantità di carbonio viene fissato sotto
forma di calcare (carbonato di calcio). Questo
carbonio rientra nel ciclo quando i depositi di calcare
vegnono esposti ad azione erosiva (es. esposizione
all’atmosfera in seguito ad attività sismica).
Un altro grande accumulo di carbonio si trova nelle
viscere della terra sotto forma di carbone o petrolio,
depositato circa 300 milioni di anni fa.
CICLO DEL
CARBONIO
CO2 nelle acque
CO2 nell’aria
C organico
C organico
Piante fotoautrofe
Batteri fotoautrofi
e
chemioautotrofi
Batteri e funghi
della decomposizione
Carboni fossili
Petroli
Gas naturali
C organico
Org eterotrofi
Cellule ed energia
Principali Processi Biologici
di Trasformazione
dell’Energia
• Fotosintesi
• Chemiosintesi
• Respirazione Cellulare
• Fermentazione
luce
fotosintesi
CO2
O2
H2 O
Carboidrati
respirazione
Energia utile
Calore
Equazione Generale
della Fotosintesi
6CO2+12H2O
C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
La FOTOSINTESI E’ il PROCESSO
PIU’ GROSSO CHE CI SIA SULLA
TERRA
• Ogni anno trasforma in sostanze
organiche 200 miliardi di tonnellate di
carbonio!!!!!
• Il processo implica un altrettanto
colossale trasferimento di energia dal
Sole alla Terra
Fotosintesi e Respirazione
sono in connessione
Energia solare
6CO2+12H2O
C6H12O6 + 6O2 + 6 H2O
C6H12O6 + 6O2 + 6 H2O
6CO2+12H2O
Energia chimica
Luce
Spettro
elettromagnetico
Visibile: fra 400 e 700 nm
Le porzioni elementari di energia
luminosa sono detti FOTONI o
QUANTI
• Tanto minore è la lunghezza d’onda, tanto
maggiore è l’energia del quanto
(energia= frequenza x h)
(la frequenza è inversamente proporzionale
alla lunghezza d’onda)
Eccitazione di una molecola
Quando una molecola,
inizialmente nello stato
fondamentale, assorbe un fotone,
passa in uno stato eccitato
caratterizzato da un maggiore
contenuto energetico.
L’assorbimento del fotone spinge
uno degli elettroni della molecola
in un orbitale più lontano dal
nucleo.
Clorofilla
Anello porfirinico è
responsabile dell’
assorbimento luminoso
Trasferimento di
energia (antenne)
Trasferimento di energia
LA CONVERSIONE QUANTICA
• La clorofilla a dei centri di reazione è
l’unico pigmento capace di convertire
l’energia dei fotoni nell’energia chimica
degli elettroni (reazione red-ox)
Schema a “zeta”
Il Potenziale normale di ossido-riduzione
(E0)
• La tendenza di una coppia ox-red a cedere o acquisire
elettroni da un’altra coppia si misura in Volt.
• Alla coppia H+/H2 dell’elettrodo a idrogeno si dà
per convenzione valore = 0
• Una coppia che dà elettroni all’elettrodo a
idrogeno si dice che ha E0 negativo, una coppia
che acquista elettroni da esso ha E0 positivo
• In una reazione fra coppie con E0 diverso, quella
con E0 più positivo ossiderà l’altra
(reazione esoergonica)
e nella Fotosintesi????
• Un elettrone non si sognerebbe mai di
abbandonare l’acqua per ridurre l’NADP,
perché la reazione è energeticamente
sfavorevole!
• In base ai valori dei potenziali (coppia O2/H20=
+0,82 V, coppia NADP/NADPH2= - 0,32 V) la
reazione dovrebbe decorrere in senso opposto!
•
Come mai avviene????
La reazione avviene in senso
endoergonico assorbendo energia
luminosa
>>>>>
NADP
^ e-
LUCE >>>>>> clorofilla
>>>>>
^ eH20
La clorofilla in stato eccitato è paragonabile ad un
acceleratore di e-, conferisce agli e- l’energia per
rimontare il dislivello di potenziale red-ox (1,14V)
Fotofosforilazione non
ciclica
e
Fotofosforilazione ciclica
Entrambe producono ATP,ma la fotofosforilazione
non ciclica anche NADPH2
Meccanismo Chemio-osmotico
Stroma
Lumen
La sintesi di ATP nella fase
luminosa della fotosintesi
• Viene ottenuta accoppiando al flusso di
elettroni la formazione di un gradiente di
concentrazione di idrogenioni (cioè un
differente pH) fra lumen tilacoidali e
stroma attraverso il complesso
dell’ATPsintasi
La finalità della fase oscura è
produrre zuccheri, in particolare
amido detto primario
IL MITOCONDRIO e LA
RESPIRAZIONE
La respirazione aerobica ossida il glucosio
La glicolisi avviene nel citosol
Il mitocondrio è l‘organulo che serve a produrre energia (ATP), è
quindi la centrale energetica della cellula.
La struttura del mitocondrio ne
determina la funzione
Le cellule giovani contengono molti mitocondri (fino al 5% del
loro volume), le cellule mature ne contengono di meno (circa
l’1% del volume)
Misurano 1-5 micron
Sono delimitati da doppia membrana: membrana esterna non
selettiva, membrana interna selettiva con creste tubulari
Il Ciclo di Krebs avviene nella
matrice del mitocondrio
• La fosforilazione ossidativa avviene
nelle creste del mitocondrio
• E’ un grosso processo esoergonico
che libera energia in forma di ATP
perché accoppia un gradiente
protonico come nel cloroplasto
Il ciclo di Krebs serve anche ad
altro???
Produzione di amminoacidi, es
famiglia dell’aspartato, acidi
nucleici,acidi grassi e derivati
isoprenoidi, famiglia del
glutammato, porfirine
Le reazione esoergoniche
• Nella reazione fra due coppie con E0
diverso, quella con E0 più positivo (o meno
negativo) OSSIDERA’ (cioè porterà via
elettroni) all’altra, riducendosi
La fosforilazione ossidativa è un
grosso processo spontaneo
• I valori dei potenziali normali redox (E0)
delle coppie di reazione (dalla prima,
NAD/NADH2) all’ultima (O2/H2O) vanno da
-0,32 V a +0,82 V
ΔG reazione = -52,7 kcal
ΔG reaz. ADP+ Pi >>>>ATP+H2O=-7,3 kcal
Allora??? Da una mole di NADH2
dovrebbero ottenersi 7 ATP, invece se ne
ottengono 3 (resa pari al 42%!!!!!!!!)
• La distribuzione dei composti red-ox nella
membrana interna mitocondriale fa sì che
al flusso di elettroni sia associato un
TRASPORTO PROTONICO
Fotosintesi e Respirazione
sono in connessione
Energia solare
6CO2+12H2O
C6H12O6 + 6O2 + 6 H2O
C6H12O6 + 6O2 + 6 H2O
6CO2+12H2O
Energia chimica
BILANCIO ENERGETICO
della RESPIRAZIONE
36 x (-7,3 kcal)= -262,8 kcal
RESA:
(-262,8: -686)x100= 38%
La resa della respirazione aerobica
è maggiore di quella di un motore
Diesel!!!
• L’ossidazione di una mole di glucosio con
la respirazione producendo 36 moli di ATP
equivale ad una resa del 38% dell’energia
necessaria per l’ossidazione totale del
glucosio!
La fermentazione alcoolica
È una forma di respirazione
anaerobica
Saccaromiceti o lieviti (organismi che svolgono
fermentazione alcolica
• La scoria (l’alcool etilico) contiene ancora
circa il 93% dell’energia che era
contenuta nel glucosio!!!!!
Alcune piante (o loro organi)
fermentano in suoli o acque
scarsamente ossigentati,altre
sviluppano adattamenti
(aerenchimi)
• L’anaerobiosi può favorire la crescita in
competizione!!!! Perchè?
• Le piante differiscono nella capacità di tollerare
l’allagamento e si distinguono in idrofite, tolleranti
o sensibili a seconda della capacità di tollerare
periodi di carenza di ossigeno.
Il riso germina in
anaerobiosi, gli altri
semi restano latenti
1
Il caso del riso:
Quando nella risaia
non c’è più acqua, il
riso è già grande,
mentre gli altri semi
germinano.
2
3
La competizione
favorisce il riso,
Perché???
