di Gianni P. Felicini
Dipartimento di Biologia e Patologia Vegetale - Bari
tratto da "Villaggio Globale" n°15 settembre 2001

La clorofilla è la macchina principale della fotosintesi, cioè della sintesi di sostanza organica utilizzando acqua, biossido di carbonio ed energia luminosa. Esistono quattro tipi di clorofilla: vi spieghiamo come «funzionano»

I primi organismi nati chissà come dal brodo primordiale pare che non avessero colore. Poi alcuni di essi si colorarono.
Dove e quando non lo sappiamo, ma dev’esserci stato un tempo in cui venne inaugurata la fabbrica verde, punto di partenza, allora come oggi, della catena di produzione di materia vivente.

 Una quarantina d’anni fa o quasi chi già c’era ebbe modo di elaborare enfaticamente questo concetto sui banchi di scuola, nel famoso tema degli alberi. I ragazzi d’oggi dispongono di altre più moderne informazioni che sono un seguito dello stesso argomento.

La scienza ha, infatti, costatato che bruciando a tutto acceleratore le riserve organiche del pianeta e riducendo il numero di fabbriche verdi con la deforestazione, s’incominciano già a percepire le conseguenze catastrofiche del famigerato effetto serra.

Il manto verde serve non solo a produrre ma anche a eliminare o, perlomeno, a controllare, l’eutrofizzazione carbonica nell’atmosfera. Siamo ormai in parecchi a sapere che il verde delle fabbriche di cui stiamo parlando è dato da un pigmento, la clorofilla.
Per essere precisi, di clorofille ce ne sono quattro, contrassegnate dalle prime quattro lettere dell’alfabeto: a, b, c e d.

Si tratta di molecole quasi simili che si differenziano per piccoli particolari della struttura chimica e, di conseguenza, per le tonalità di verde.
È soprattutto la prima, la clorofilla a, quella alla quale deve andare tutta la nostra ammirazione e gratitudine.

 È lei, sempre presente, la macchina principale della fotosintesi, cioè della sintesi di sostanza organica utilizzando acqua, biossido di carbonio ed energia luminosa.
Le altre clorofille sono le sue accompagnatrici rispettivamente in tre diversi tipi di vegetali: la b è la seconda clorofilla dei vegetali verdi propriamente detti, cioè le piante terrestri e le alghe verdi; la c (ulteriormente distinguibile in c1, c2 e c3) è la seconda clorofilla delle alghe brune e di molte alghe unicellulari gialle; la clorofilla d è stata trovata solo in alcune alghe rosse.

 Si è parlato anche, nelle alghe, di una clorofilla e ma poi se ne sono perse le tracce.
A volte succede che qualche ricercatore estragga da un certo gruppo di alghe un nuovo pigmento con caratteristiche spettrofotometriche leggermente diverse ma poi altri studiosi sollevano il dubbio che tale pigmento possa essere un artefatto dovuto al metodo di estrazione. Questo dubbio, per esempio, è stato avanzato a proposito della clorofilla d.
Infine non va dimenticata la batterioclorofilla, molto simile alla a (tranne che per piccoli particolari) la quale è presente in un gruppo di batteri che, grazie ad essa, sono fotosintetici.

Come accade per tutti i corpi colorati, certe lunghezze d’onda della luce visibile sono assorbite dalle clorofille mentre il colore verde che percepiamo è quello delle radiazioni riflesse nei nostri occhi o sul sensore degli strumenti (colorimetri, spettrofotometri).

Le clorofille sono quindi misurabili e se ne ottengono grafici cartesiani che sono gli spettri d’assorbimento.
Uno spettro di clorofilla ha sempre due massimi d’assorbimento, uno nel blu e uno nel rosso.

La posizione di questi massimi rispetto alla scala delle lunghezze d’onda sull’ascissa cambia leggermente da clorofilla a clorofilla.
Gli spettri delle quattro clorofille sono un po’ diversi tra loro e ci consentono di distinguerle.
Se, per esempio, dopo aver estratto con acetone i pigmenti d’una foglia e aver separato le due clorofille (mediante cromatografia), si esegue allo spettrofotometro la scansione delle due soluzioni (in acetone), la clorofilla a mostra i massimi a 430 e a 663 nanometri mentre quelli della clorofilla b si trovano a 435 e a 645 nm.

 Addentriamoci ora nelle cellule vegetali per vedere in quali strutture le clorofille sono localizzate.
Tra i vari tipi di cellule vegetali le più rappresentative sono quelle foto-autotrofe, che contengono i cloroplasti (o plastidi verdi), organelli, delimitati da membrane, che sono appunto la sede dei pigmenti fotosintetici. In ogni cellula dei tessuti verdi di una foglia ci sono alcune decine di cloroplasti di forma discoidale e del diametro di 4-5 µm (micrometri).

 Nelle alghe il numero può essere più ridotto, talvolta uno solo, ma la grandezza può essere maggiore e la forma può variare secondo il gruppo sistematico.
In ogni cloroplasto si estende per tutta la sua ampiezza una struttura lamellare formata da tilacoidi, cioè da sacculi, che sono disposti l’uno sull’altro come un pacco di buste chiuse e vuote.
Fra le piante terrestri e le alghe ci sono differenze nella struttura lamellare ma lo schema generale è il medesimo. La parete dei tilacoidi è una tipica membrana biologica, costituita da un doppio strato di lipìdi (in particolare fosfolipidi) e da due strati di proteine incollati rispettivamente su una faccia e sull’altra.

Le molecole di clorofilla si trovano nello spessore di tale membrana insieme con molecole d’altri pigmenti.
Volendo disegnare un logo come marchio della fabbrica verde, non avremmo incertezze nell’adottare l’immagine di uno spaccato di cloroplasto
. E salvo qualche rara eccezione, i pigmenti che possono mascherare il verde sono comunque implicati nella funzione clorofilliana.

Andiamo perciò a vedere il ruolo dei pigmenti nella fotosintesi. Le radiazioni luminose assorbite dai pigmenti sono convertite in energia chimica che va a concentrarsi nei legami ad alta energia dell’Atp (adenosin-trifosfato) e nel Nadph (nicotinammide-adenin-dinucleotide-fosfato, un coenzima trasportatore di H+).

 Questi composti cederanno tale energia a vari processi ma in primo luogo a quello che attua l’organicazione del biossido di carbonio.
Una parte d’energia chimica inoltre sarà ceduta direttamente all’ecosistema sotto forma di molecole d’ossigeno, liberate dall’acqua, in quantità pari alle molecole di CO2 assimilate. Si può quindi misurare la fotosintesi dalla quantità di CO2 emesso o dalla quantità di CO2 assorbito.

Eseguendo tale misura alle diverse lunghezze d’onda del visibile e riportando i valori sugli assi di un sistema cartesiano, si ottiene una curva che prende il nome di spettro d’azione della fotosintesi.
Tale curva ricalca un po’ la somma degli spettri d’assorbimento dei singoli pigmenti, dimostrando che la massima attività fotosintetica si registra più o meno in corrispondenza dei massimi di assorbimento dei pigmenti.

 Naturalmente, non tutta l’energia assorbita dai pigmenti è utilizzata nella fotosintesi. Nel motore di un’automobile, la maggior parte dell’energia liberata dalla combustione della benzina non può essere trasformata in energia meccanica ma si degrada in calore.

Il rapporto fra l’energia utilizzata e l’energia fornita è il rendimento. Anche la macchina fotosintetica ha un rendimento, che gli esperti son riusciti a misurare.
Là per là si resta abbastanza delusi dal valore basso di tale rendimento ma, per fortuna, l’energia luminosa del sole non costa nulla. Sapendo che per ridurre una molecola di CO2 occorre muovere quattro elettroni e che per il movimento di un elettrone s’impiegano due quanti di luce, sono necessari otto quanti per ogni molecola organicata.

Il rendimento della macchina fotosintetica è dunque 1/8, cioè 0,12 o 12%.
Misurando tale rendimento in una pianta verde a tutte le lunghezze d’onda del visibile, si osserva che la proporzione d’energia utilizzata è costante intorno al 12% della luce assorbita lungo tutto lo spettro da 400 nm fino a 680 nm.
Passando oltre questo valore verso il rosso lontano, il rendimento quantico cala bruscamente.

 Il calo si verifica anche in altri tipi d’organismi fotosintetici come le alghe rosse e brune, dimostrando che si tratta di un fenomeno a carattere generale.
Esso è stato definito caduta nel rosso. In seguito è stato scoperto che il rendimento quantico nel rosso può essere riportato al valore del 12% se è usato contemporaneamente anche un fascio di luce monocromatica della lunghezza d’onda assorbita da uno degli altri pigmenti quantitativamente importanti, come la clorofilla b per le piante verdi, la ficoeritrina per le alghe rosse, la fucoxantina per le alghe brune. Questo fenomeno è stato chiamato effetto di rafforzamento o, dal nome dello scopritore, effetto Emerson.

 La spiegazione sta nel fatto che la caduta nel rosso è provocata dall’insufficiente energia dei quanti di luce nel rosso lontano. L’energia di un quanto è data infatti dall’espressione hn, dove h è la costante di Planck (= 6,5 x 10-27 erg sec-1) e n (ni) è la frequenza con cui si propaga la radiazione luminosa. Poiché la frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda, il valore di n è più alto nella regione del violetto-blu e via via diminuisce procedendo verso il rosso.

L’effetto Emerson dimostra che i pigmenti associati alla clorofilla a apportano al processo di fotosintesi l’energia che i quanti di luce rossa non sono in grado di fornire a sufficienza. In altre parole, la clorofilla a trova nei carotenoidi e nelle ficobiliproteine dei validi collaboratori che mantengono al massimo il rendimento della fabbrica verde. Per questo motivo tali collaboratori sono stati definiti pigmenti accessori.

 L’effetto Emerson ha quindi consentito la scoperta del principio secondo il quale l’energia catturata dai pigmenti accessori confluisce sulla clorofilla a.
Il trasferimento d’energia d’attivazione avviene per risonanza con bassissima perdita entropica.

Esso si attua da un pigmento donatore, che assorbe quanti di più alta energia (cioè a lunghezza d’onda più breve), verso un pigmento che assorbe quanti di minore energia (cioè a lunghezza d’onda più lunga).
La stessa clorofilla a, sebbene appaia omogenea quando è estratta, nei tilacoidi è presente in diverse forme che assorbono a lunghezze d’onda diverse.

 Le forme che assorbono a lunghezza d’onda più breve si comportano da pigmenti accessori rispetto all’ultima forma, quella che assorbe alla maggiore lunghezza d’onda. Sono stati chiamati fotosistemi i gruppi di molecole di pigmenti, inserite tra molecole proprie della struttura delle membrane tilacoidali, ove ciascun tipo di pigmento svolge tre ruoli:
1) funziona da antenna nel captare radiazioni di una data lunghezza d’onda;
2) riceve per risonanza energia di attivazione dal pigmento che capta lunghezze d’onda più brevi, se questo esiste;
3) trasferisce per risonanza energia di attivazione al pigmento che capta lunghezze d’onda più lunghe. Sono stati identificati due fotosistemi: PS-II (Photo-System II) e PS-I (Photo-System I). Il PS-II è costituito da clorofilla a e dalla maggior parte dei pigmenti accessori.

 I componenti del PS-II, ordinati dall’alto verso il basso secondo il senso di trasferimento dell’energia di attivazione, sono riportati nell’elenco che segue: - la maggior parte delle xantofille; - la maggior parte della seconda clorofilla (b o c); oppure, nelle alghe azzurre e rosse, le ficobiliproteine; - Il P670, clorofilla a che nel rosso ha l’assorbimento massimo intorno a 670 nm; - Il P680, clorofilla a che nel rosso ha l’assorbimento massimo a 680 nm.

 Il P680 (dove P sta per Pigment) è detto centro di reazione del PS-II. Esso raccoglie tutta l’energia catturata dai pigmenti del PS-II ed è in grado di liberare elettroni attivati capaci di raggiungere, andando contro gradiente di potenziale, un accettore che si trova nel cosiddetto pool dei plastochinoni

. Il P680 è dunque quella parte della clorofilla a dalla quale ha inizio il movimento degli elettroni nella reazione luminosa della fotosintesi. Gli elettroni ceduti saranno recuperati dallo ione ossidrile che deriva dalla dissociazione spontanea dell’acqua (in H+ e HO-), ciò che determinerà la liberazione d’ossigeno gassoso (2 HO- = H2O + e- + ½O2).

Il PS-I riceve gli elettroni del PS-II attraverso la successione plastochinoni – citocromi – plastocianina e tale trasferimento è accoppiato alla sintesi di Atp (foto-fosforilazione). In altri termini, parte dell’energia va ad accumularsi nei legami fosforici di questo composto.

Al tempo stesso il PS-I cattura altra energia dalla luce mediante le proprie antenne. Queste sono: - i caroteni (eccetto il b-carotene che ha un ruolo protettivo per la clorofilla), - una piccola quantità di xantofille, - una piccola quantità dell’eventuale seconda clorofilla, - il P700, clorofilla a che assorbe a 685-705 nm. Come si vede nell’elenco, anch’esso ordinato secondo il senso di trasferimento dell’energia di attivazione, il PS-I è costituito per la maggior parte da clorofilla a.

Il P700 è chiamato centro di reazione del PS-I ed è il raccoglitore finale di tutta l’energia dei due fotosistemi. Esso costituisce una tappa obbligata nel passaggio degli elettroni che per il tramite di uno o più accettori, giungono ad un composto, chiamato ferridossina; questo, a sua volta, li cede al Nadp+ che può così ridursi a Nadph.

 In definitiva, i pigmenti fotosintetici consentono di catturare e trasformare l’energia luminosa nel cosiddetto potere riducente, cioè Nadph e Atp, indispensabile per l’organicazione del biossido di carbonio nella sequenza di reazioni enzimatiche di trasformazione e sintesi di precursori fosforilati di zuccheri che va sotto il nome di fase oscura della fotosintesi o ciclo di Calvin.

 Ma perché le fabbriche verdi di molte alghe sono più attrezzate in pigmenti accessori? La constatazione che nelle alghe sono presenti pigmenti capaci di assorbire radiazioni di varie lunghezze d’onda suggerì a Engelmann (1883) la sua teoria della zonazione luminosa.

Essa parte da un principio di ottica: la luce bianca, composta dai sette colori dell’iride, si estingue in modo differenziale quando attraversa gli strati d’acqua. Le radiazioni di maggiore lunghezza d’onda, cioè quelle rosse, sono le prime a scomparire, assorbite entro i primi metri di profondità.
A maggior spessore d’acqua si estinguono via via le altre e per ultime quelle blu-violette.

In pratica, a una ventina di metri di profondità la luce ha una dominante verdastra; più giù la dominante diviene blu, mentre la luce va estinguendosi totalmente.
Spesso, tuttavia, poiché nell’acqua ci sono quantità variabili di particelle in sospensione (il plankton e la cosiddetta sostanza gialla, particelle colloidali d’origine biologica e non), le radiazioni blu subiscono forte assorbimento e dispersione come in un’atmosfera nebbiosa e le radiazioni più penetranti non vanno oltre il verde.

 Orbene, la zonazione ipotizzata da Engelmann derivava dalla constatazione che le molte alghe verdi, che assorbono prevalentemente il rosso mediante le clorofille a e b, occupano il livello più superficiale.
Le alghe rosse, che dispongono anche della ficoeritrina, pigmento che assorbe nel verde, si spingono a maggiori profondità, dove giungono le radiazioni verdi.

Le alghe brune, che oltre alle clorofille a e c, hanno abbondante fucoxantina che assorbe nell’azzurro-verde, possono crescere ancora più giù, ammesso che l’acqua sia limpida.
Altro fondamento di questa teoria è il concetto d’adattamento cromatico complementare: le alghe aumenterebbero la quantità del pigmento che ha il colore complementare di quello delle radiazioni disponibili.

Per esempio, un’alga rossa che cresca in profondità in luce verde, accrescerebbe il contenuto in ficoeritrina che è di colore rosso, complementare del verde.
In effetti, ci sono specie d’alghe rosse eurifotiche (cioè che possono vivere in un ampio intervallo d’intensità luminose) le quali sono intensamente rosse in profondità e giallo-verdi o addirittura verdi in pieno sole.

L’ipotesi di Engelmann, tuttavia, non trovò largo consenso. Di alcuni anni dopo è la teoria di Oltmann (1892), secondo la quale la distribuzione verticale dipenderebbe dall’intensità della luce e non dalla sua qualità.
Occorre, infatti, considerare che, andando in profondità, si verifica non solo un cambiamento nel colore della luce, ma anche una progressiva riduzione dell’irradianza.

Si può anche constatare, a proposito dell’adattamento cromatico, che anche in superficie ci sono alghe rosse che sono più intensamente colorate, se crescono nell’ombra di una grotta o in un crepaccio.
Quale di queste due teorie è più giusta?

Come spesso accade, la verità non è mai tutta da una parte. Della teoria di Engelmann resta valido il concetto che la presenza di pigmenti antenna che captano luce nel verde o nel blu allarga la banda di ricezione dell’energia luminosa ed accresce le possibilità di sopravvivenza in acque profonde.
Tuttavia questo non determina la distribuzione verticale delle alghe ipotizzata dall’autore, com’è stato messo in evidenza dalla moderna esplorazione subacquea.

 Molte alghe brune e rosse abitano la zona di marea mentre alcune alghe verdi si trovano fino a qualche decina di metri di profondità.
La stessa constatazione può esser fatta circa le praterie di Posidonia, pianta erbacea largamente diffusa in Mediterraneo, la quale giunge spesso a colonizzare fondali posti a 35-40 metri.

Evidentemente i vegetali verdi acquatici sono in grado di adattarsi ad utilizzare solo l’assorbimento nel blu delle clorofille, con la cooperazione della sia pur modesta quantità di carotenoidi.
Ricerche di laboratorio sulla fotosintesi d’alghe rosse e brune in luce bianca e in luce monocromatica hanno inoltre evidenziato la maggiore influenza dell’irradianza rispetto al colore della luce.

 Quanto all’adattamento cromatico complementare, si dimostra che in alghe rosse cresciute sia in luce bianca sia in luce verde, è la bassa irradianza a indurre non solo un aumento di ficoeritrina ma anche un aumento di clorofilla a.
Viceversa, l’alta irradianza provoca una riduzione di entrambi i pigmenti, con un effetto più marcato sulla ficoeritrina.
Le condizioni di luce possono quindi modificare le quantità relative dei pigmenti; importante è però che il rapporto pigmenti accessori/clorofilla a si mantenga entro limiti tali da non sbilanciare i due fotosistemi.

 Infatti, dato che i pigmenti accessori sono localizzati nel PS-II mentre la clorofilla a costituisce la maggior parte del PS-I, il flusso di elettroni deve poter raggiungere gli accettori finali attraverso un adeguato P700.
La clorofilla a è dunque l’unità centrale verde rispetto alla quale le antenne accessorie debbono necessariamente proporzionarsi.