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Clorofilla

                   
Clorofilla
Modello spaziale tridimensionale della Clorofilla a
Nomi alternativi
Clorofilla a
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare C55H72O5N4Mg
Massa molecolare (u) 893,49
Aspetto verde, liquido

La clorofilla (dal greco χλωρός, chloros = verde e φύλλον, phyllon = foglia) è un pigmento isolato nel 1817 da Joseph Bienaimé Caventou. Di colore verde,[1] è presente nei grani dei cloroplasti delle cellule vegetali, o negli organismi procarioti che realizzano la fotosintesi clorofilliana. La struttura della molecola è caratterizzata dalla presenza di un eterociclo porfirinico, al centro del quale è coordinato uno ione Mg (l'atomo in verde nell'illustrazione a lato).

Negli eucarioti sono presenti due diverse tipologie di clorofilla:

  • la clorofilla a, che assorbe soprattutto la luce blu-violetta e rossa
  • la clorofilla b, che assorbe soprattutto la luce blu ed arancione.

Altri pigmenti minoritari sono i carotenoidi, che riflettono la luce arancio.

Le piante appaiono verdi, poiché le lunghezze d'onda del verde sono le meno assorbite dalle piante. La clorofilla dei procarioti è leggermente diversa.

Indice

  Struttura molecolare

  Struttura molecolare della clorofilla a

La clorofilla è una clorina prodotta attraverso lo stesso processo metabolico delle porfirine come l'eme, alle quali è strutturalmente simile. La molecola ha una struttura ad anello al centro del quale c'è un atomo di magnesio, che ha la funzione di mantenere la struttura rigida per evitare che l'energia solare si disperda sotto forma di calore prima che possa essere utilizzata per il processo fotosintetico. Dall'anello poi parte una lunga catena idrofoba che serve per ancorare la molecola di clorofilla alle membrane tilacoidi. Vi sono alcune forme differenti che avvengono naturalmente, ma la più universalmente diffusa tra le piante terrestri è la clorofilla a, la cui struttura fu decodificata da Hans Fischer nel 1940, e dal 1960, quando la stereochimica della clorofilla a era risaputa, Robert Burns Woodward pubblicò una sintesi completa della molecola com'è ad oggi conosciuta.[2] Nel 1967, le residue delucidazioni stereochimiche furono perfezionate da Ian Fleming,[3] e nel 1990 Woodward e coautori pubblicarono una sintesi aggiornata.[4]

Le differenti strutture della clorofilla sono sintetizzate sotto:

Clorofilla a Clorofilla b Clorofilla c1 Clorofilla c2 Clorofilla d
Formula molecolare C55H72O5N4Mg C55H70O6N4Mg C35H30O5N4Mg C35H28O5N4Mg C54H70O6N4Mg
Massa molecolare 893,51 907,49 610,96 608,94 895,48
Gruppo C3 -CH=CH2 -CH=CH2 -CH=CH2 -CH=CH2 -CHO
Gruppo C7 -CH3 -CHO -CH3 -CH3 -CH3
Gruppo C8 -CH2CH3 -CH2CH3 -CH2CH3 -CH=CH2 -CH2CH3
Gruppo C17 -CH2CH2COO-Phytyl -CH2CH2COO-Phytyl -CH=CHCOOH -CH=CHCOOH -CH2CH2COO-Phytyl
Legame C17-C18 Singolo Singolo Doppio Doppio Singolo
Diffusione Universale Maggior parte delle piante Varie alghe Varie alghe cianobatteri
  Struttura della clorofilla a
  Struttura della clorofilla b
  Struttura della clorofilla d
  Struttura della clorofilla c1
  Struttura della clorofilla c2


Nel momento in cui le foglie ingialliscono, la clorofilla è convertita in un gruppo di tetrapirroli incolori conosciuti come cataboliti influorescenti della clorofilla (NCC's). Questi composti sono anche stati identificati in vari frutti maturi.[5]

  La clorofilla nella fotosintesi

  La clorofilla si trova in grandi concentrazioni nei cloroplasti
  Molecole di clorofilla a nel fotosistema II

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

Le molecole di clorofilla sono specificamente posizionate e circondate da complessi proteici chiamati fotosistemi che sono racchiusi nei tilacoidi dei cloroplasti. In questi complessi, la clorofilla serve a due funzioni principali. La funzione della gran parte della clorofilla (fino a diverse centinaia per fotosistema) è di assorbire la luce e trasferire l'energia ad una coppia specifica di clorofilla nel centro di reazione del fotosistema. A causa della selettività della clorofilla rispetto alla lunghezza d'onda assorbita, le aree della foglia contenenti la molecola appariranno verdi.

Esistono due tipi di fotosistemi:

  • il fotosistema I o P700
  • il fotosistema II o P680

"700" e "680" indicano la lunghezza d'onda in nanometri in cui i due diversi accettori primari hanno il loro picco di assorbimento.[6] L'identità, la funzione e le proprietà spettrali dei tipi di clorofilla in ciascun fotosistema sono distinte e determinate da ciascuno e dalla struttura proteica circostante. Una volta estratta dalla proteina in un solvente (come l'acetone o il metanolo), questi pigmenti possono essere separati in un semplice esperimento di carta cromatografica e, sulla base del numero di gruppi polari tra clorofilla a e b, essi saranno chimicamente separati sulla carta.

La funzione del centro di reazione della clorofilla è utilizzare l'energia assorbita e trasferita dall'altra clorofilla nel fotosistema per provocare una separazione di cariche, una specifica reazione di ossidoriduzione in cui la clorofilla dona un elettrone a una serie di intermediari molecolari sulla cosiddetta catena di trasporto degli elettroni. La clorofilla del centro di reazione caricata (P680+) è poi ridotta nuovamente allo stato di equilibrio acquisendo un elettrone. Nel fotosistema II, l'elettrone che riduce il P680+ proviene infine dall'ossidazione dell'acqua in O2 e 4H+ ad opera del complesso evolvente ossigeno. Grazie a questa reazione, tra l'altro, gli organismi fotosintetici producono ossigeno gassoso costituendo la fonte di quasi tutto l'ossigeno presente nell'atmosfera terrestre. Il fotosistema I lavora tipicamente in serie col fotosistema II così il P700+ del fotosistema I è normalmente prodotto, attraverso intermediari nella membrana tilacoide, dal fotosistema II. Le reazioni di trasferimento degli elettroni nella membrana tilacoide, tuttavia, sono complessi e la fonte degli elettroni usati per ridurre il P700+ può variare.

Il flusso di elettroni prodotti dalla clorofilla del centro di reazione è usato per trasportare gli ioni H+ attraverso la membrana tilacoide, creando un potenziale chemiosmotico usato prettamente per produrre energia chimica da ATP, e quegli elettroni infine riducono il NADP+ in NADPH, un riducente universale utilizzato per ridurre il CO2 in zuccheri come anche per altre riduzioni biosintetiche.

I complessi clorofilla-proteina del centro di reazione sono in grado di assorbire direttamente la luce e produrre separazione di cariche senza altri pigmenti clorofilliani, ma la probabilità di assorbire un fotone sotto un'intensità luminosa data è bassa. Così, la clorofilla rimanente nel fotosistema e i complessi antenna pigmento proteina associati col fotosistema assorbono cooperativamente e incanalano l'energia luminosa verso il centro di reazione. Oltre alla clorofilla a, vi sono altri pigmenti, chiamati accessori, che intervengono in questi complessi antenna.

  Spettrofotometria

  Spettri di assorbimento della clorofilla a (verde) e b (rosso) libere in un solvente. Gli spettri delle molecole di clorofilla sono leggermente modificati in vivo a seconda delle interazioni specifico pigmento-proteine.

La clorofilla (di qualsiasi tipo) presenta colore verde-giallastro, come visibile da una semplice cromatografia su carta. Da un punto di vista fisico, questo vuol dire che la clorofilla assorbe tutto le lunghezze d'onda dello spettro visibile tranne quelle in prossimità dei 490-590 nm.

Nel periodo autunnale la concentrazione di clorofilla nel fogliame diminuisce, quindi questo assume una colorazione bruno-rossiccia, che è data dalla presenza dei carotenoidi.

La misurazione dello spettro di assorbimento (ovvero del colore) della clorofilla viene svolta con metodiche di spettrofotometria.

La misura dell'assorbanza della luce è complicata dal solvente utilizzato per estrarre la clorofilla dalla materia vegetale, il che influenza i risultati ottenuti;

  • Nel dietil etere, la clorofilla a presenta i massimi di assorbimento approssimati a 430 nm e 662 nm, mentre la clorofilla b li presenta a 453 nm e 642 nm.[7]
  • I picchi di assorbimento della clorofilla a sono a 665 nm e 465 nm. La clorofilla a diviene fluorescente a 673 nm. Il picco del coefficiente di assorbimento molare della clorofilla a supera 105 M−1 cm−1, che è il più alto tra i composti organici.

Il fatto che la clorofilla a e b abbiano dei spettri di assorbimento differenti si traduce in un migliore assorbimento della radiazione solare per la fotosintesi clorofilliana.

Nella tabelle di seguito vengono indicate le lunghezze d'onda (in nanometri) a cui corrisponde il massimo dei picchi di assorbimento primari e l'estensione dei picchi (indicata tra parentesi):

Clorofilla a Clorofilla b Clorofilla c Clorofilla d Clorofilla e
Picco 1 430 nm 480 nm 434 nm (circa 400-470 nm) -
Picco 2 663 nm 650 nm 666 nm 700 nm (700-730 nm) (715-725 nm)

I valori indicati sono valori approssimati. Infatti si hanno risultati differenti a seconda che le prove siano fatte in vivo o in vitro e a seconda del solvente utilizzato.

  Biosintesi

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi la voce Clorosi.

Nelle piante, la clorofilla viene sintetizzata a partire dal succinil-CoA e dalla glicina, nonostante l'immediato precursore della clorofilla a e b sia la protoclorofilla.

La clorosi è una condizione in cui le foglie non producono clorofilla sufficiente, divenendo gialle. La clorosi può essere causata da deficienze alimentari, tra cui ferro e in misura minore magnesio e azoto. Il pH del suolo talvolta gioca un ruolo nella clorosi alimentare, molte piante sono adattate a crescere in terreni con specifici pH e la loro capacità di assorbire dal suolo i nutrienti può dipendere dal pH dello stesso.[8] La clorosi può anche essere causata da organismi patogeni, come virus, batteri e funghi o parassiti che succhiano la linfa.

  Note

  1. ^ per una spiegazione scientifica sul colore verde della clorofilla, vedere la sezione "Spettrofotometria".
  2. ^ R. B. Woodward, W. A. Ayer, J. M. Beaton, F. Bickelhaupt, R. Bonnett, P. Buchschacher, G. L. Closs, H. Dutler, J. Hannah, F. P. Hauck, S. Itô, A. Langemann, E. Le Goff, W. Leimgruber, W. Lwowski, J. Sauer, Z. Valenta, and H. Volz (1960). The total synthesis of chlorophyll. Journal of the American Chemical Society 82: 3800-3802. DOI:10.1021/ja01499a093.
  3. ^ Ian Fleming (Ottobre 1967). Absolute Configuration and the Structure of Chlorophyll. Nature 216: 151–152. DOI:10.1038/216151a0.
  4. ^ Robert Burns Woodward, William A. Ayer, John M. Beaton, Friedrich Bickelhaupt, Raymond Bonnett, Paul Buchschacher, Gerhard L. Closs, Hans Dutler, John Hannah, Fred P. Hauck, et al. (1990). The total synthesis of chlorophyll a. Tetrahedron 46 (22): 7599-7659. DOI:10.1016/0040-4020(90)80003-Z.
  5. ^ I cataboliti tetrapirrolitici incolori della clorofilla trovati nei frutti maturi sono agenti antiossidanti Thomas Muller, Markus Ulrich, Karl-Hans Ongania, and Bernhard Krautler Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 8699 –8702 DOI:10.1002/anie.200703587
  6. ^ Green, 1984
  7. ^ Gross, 1991
  8. ^ (EN) Iron Chlorosis in Turfgrass

  Bibliografia

  • Biochemistry, L. Stryer (W.H. Freeman and Co, San Francisco, 1975)
  • Introduction to Organic Chemistry, Streitweiser and Heathcock (MacMillan, New York, 1981)

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