I pigmenti foto sintetici: recettori della luce

Quando la luce colpisce la materia, può essere trasmessa o assorbita: le sostanze che assorbono la luce visibile sono dette pigmenti. Pigmenti diversi assorbono luce di differente lunghezza d'onda che, una volta assorbita, scompare. Se un pigmento è illuminato con luce bianca, il colore che vediamo e quello maggiormente riflesso o trasmesso dal pigmento. (Se un pigmento assorbe tutte le lunghezze d'onda, esso appare nero.) Quando osserviamo una foglia, la vediamo di colore verde perché la clorofilla assorbe la luce rossa e blu mentre trasmette o riflette la luce verde (fig. 2.6).

Figura 2.6. Perché le foglie sono verdi: l’interazione della luce con i cloroplasti. Le molecole dei pigmenti assorbono la luce blu e rossa mentre riflettono o trasmettono la luce verde. Ciò spiega perché le foglie appaiono di colore verde. Ne risulta che il blu e il rosso sono i colori della luce più efficaci per la fotosintesi

La capacità di un pigmento di assorbire luce di varie lunghezze d'onda può essere misurata con uno strumento detto spettrofotometro. Questo apparecchio dirige attraverso una soluzione del pigmento un fascio di luce la cui lunghezza d'onda viene variata e misura la frazione di luce trasmessa a ogni lunghezza d'onda (fig.2.7).

Figura 2.7. Determinazione di uno spettro di assorbimento. Uno spettrofotometro misura l’intensità relativa della luce di differenti lunghezze d’onda assorbita e trasmessa da una soluzione di un pigmento. All’interno dello spettrofotometro il raggio di luce bianca viene scomposto nelle varie componenti colorate (di differente lunghezza d’onda) ad opera di un prisma. Quindi, una per una, le componenti della luce di differente colore vengono fatte passare attraverso il campione. La luce trasmessa colpisce un tubo fotoelettrico che converte l’energia luminosa in energia elettrica la cui intensità viene misurata da un galvanometro. Ogni qual volta viene cambiata la lunghezza d’onda della luce incidente, il misuratore indica la frazione di luce trasmessa dopo l’attraversamento del campione (oppure la frazione di luce assorbita dal campione). La figura mostra la lettura dei valori di trasmittanza misurati dal galvanometro quando (a) luce verde e quindi (b) luce blu vengono fatte passare attraverso una soluzione di clorofilla.

Il grafico dell'assorbimento della luce da parte del pigmento (la frazione non trasmessa o riflessa) in funzione della lunghezza d’onda è detto spettro di assorbimento. Gli spettri di assorbimento dei pigmenti dei cloroplasti forniscono indizi sull’efficienza relativa delle differenti lunghezze d’onda nell’alimentare la fotosintesi, poiché la luce può compiere lavoro nei cloroplasti soltanto se viene assorbita.

2.2.8 L'eccitazione della clorofilla da parte della luce

Cosa accade esattamente quando la clorofilla e gli altri pigmenti assorbono fotoni? I colori corrispondenti alle lunghezze d'onda assorbite scompaiono dallo spettro della luce trasmessa e riflessa, ma l'energia non si annulla. Quando una molecola assorbe un fotone, uno degli elettroni della molecola si sposta in un orbitale a maggior contenuto di energia potenziale. Quando l'elettrone si trova nel suo orbitale normale, si dice che la molecola del pigmento si trova nello stato fondamentale; dopo che l'assorbimento di un fotone ha spinto un elettrone dall’orbitale normalmente occupato in uno a maggior contenuto energetico, la molecola del pigmento viene a trovarsi in uno stato eccitato.

Gli unici fotoni assorbiti sono quelli la cui energia è esattamente uguale alla differenza di energia tra lo stato eccitato e lo stato fondamentale; questa differenza varia da un tipo di atomo o di molecola all'altro. Così, un particolare composto può assorbire soltanto fotoni corrispondenti a specifiche lunghezze d'onda e ciò spiega perché ogni pigmento possiede un peculiare spettro di assorbimento.

I fotoni vengono assorbiti da gruppi di molecole di pigmento immerse nella membrana dei tilacoidi (fig. 2.8).

Figura 2.8. Localizzazione e struttura delle molecole di clorofilla nelle piante. Le molecole di clorofilla di una pianta sono immerse, insieme ai pigmenti accessori, nella membrana dei tilacoidi dei cloroplasti associate a proteine (in viola). La clorofilla a, il pigmento che partecipa direttamente alle reazioni alla luce della fotosintesi, possiede una “testa” rappresentata da un anello porfirinico contenente al centro un atomo di magnesio. Legata alla porfirina si trova una coda idrocarburica, che interagisce con le regioni idrofobe di proteine presenti nella membrana dei tilacoidi. La clorofilla b differisce dalla clorofilla a solo per uno dei gruppi funzionali legati all’anello porfirinico.

L'energia di un fotone assorbito viene convertita nell'energia potenziale posseduta dall'elettrone passato dallo stato fondamentale a quello eccitato. Tuttavia un elettrone non può rimanere a lungo nello stato eccitato che, come tutti gli stati a elevato contenuto di energia, è instabile. In genere, quando i pigmenti assorbono la luce, i loro elettroni eccitati tornano nell'orbitale corrispondente allo stato fondamentale in un miliardesimo di secondo, rilasciando l'eccesso di energia come calore. La conversione di energia luminosa in calore è il fenomeno per cui la carrozzeria di un'automobile diventa così calda in un giorno soleggiato. (Le automobili bianche sono meno calde perché la

vernice di cui sono ricoperte riflette tutte le lunghezze d'onda della luce visibile, sebbene essa possa assorbire la luce ultravioletta e altre radiazioni non visibili dall'occhio umano). Certi pigmenti, compresa la clorofilla, dopo aver assorbito un fotone emettono luce oltre che calore. In questo caso l'elettrone salta in uno stato a maggior energia e quando ricade nello stato fondamentale emette un fotone e quindi una luminosità nota come fluorescenza. Illuminando una soluzione di molecole di clorofilla isolate dai cloroplasti si nota che le molecole, oltre a calore, emettono una fluorescenza la cui lunghezza d'onda cade nella parte rossa dello spettro (fig. 2.9).

Figura 2.9. (a) Eccitazione di una molecola isolata di clorofilla (b) Fluorescenza