Individuato come la fotosintesi cattura la luce: il trasferimento di elettroni da clorofilla a feofitina

Un recente studio pubblicato su Nature Communications, frutto del lavoro congiunto del CNR Nano di Modena, l'Università dell'Aquila, la Princeton University e il Max Planck Institute, ha proposto un nuovo modello per chiarire finalmente il meccanismo con cui le piante trasformano la luce (energia luminosa) in energia chimica durante la fotosintesi. Per anni, questa particolare fase del processo è stata motivo di dibattito scientifico a causa di dati sperimentali sulla velocità del processo che sembravano contraddirsi a vicenda. Oggi, grazie all'utilizzo di modelli computazionali e calcoli di dinamica quantistica, i ricercatori sembrano aver risolto l'enigma rivelando che il processo di trasferimento degli elettroni non si divide in più percorsi, ma segue una sola via, quella della clorofilla. La svolta inaspettata è stato scoprire che sono i rapidi movimenti della struttura proteica e l'orientamento delle molecole d'acqua interne a regolare la velocità e l'efficienza di questo flusso di energia.

La fotosintesi e le sue due fasi

Con il termine fotosintesi si intende il processo di trasformazione dell'energia luminosa in energia chimica seguendo la seguente formula: 6CO_₂ + 6H_₂O + luce solare → C_₆H_₁₂O_₆ + 6O. Il processo fotosintetico si divide in due fasi distinte, ma fortemente correlate:

1. Fase luminosa: l'energia radiante (proveniente dai raggi solari) viene utilizzata per produrre energia chimica.
2. Fase oscura: i prodotti ottenuti dalla fase luminosa vengono utilizzati per trasformare precursori inorganici (es. anidride carbonica) in composti organici (es. zuccheri).

Per capire la portata della scoperta, dobbiamo fare un passo indietro e capire come le piante catturano la luce del sole. Tutto avviene grazie ai fotosistemi, complessi multi-proteici composti da due elementi principali che lavorano in sinergia:

• L'antenna: è formata da complessi pigmento-proteina e il suo scopo è quello di raccogliere la luce e incanalarla verso il centro di reazione.
• Il centro di reazione (RC): è un complesso pigmento-proteina in cui troviamo il pigmento fotochimicamente attivo, ovvero quello che assorbe la luce ad una lunghezza d'onda maggiore rispetto all'antenna e agisce come il collettore finale di tutta l'energia raccolta dal fotosistema. È proprio qui che avviene la reazione di separazione di carica che genera l'energia chimica necessaria alla pianta.

Nelle piante questo processo avviene attraverso due fotosistemi che lavorano in serie: il Fotosistema I (PSI) e il Fotosistema II (PSII). Il passaggio al centro dello studio in questione è quello che interessa il PSII, ovvero quello responsabile della scissione dell'acqua e produzione di ossigeno.

Il precedente dibattito scientifico sulle due vie: P680 e clorofilla accessoria

Nell'RC del PSII, sei pigmenti chiave (quattro clorofille e due feofitine) cooperano per convertire l'energia solare in corrente elettrica attraverso il trasferimento di elettroni: in pratica, durante questo processo, un elettrone si sposta da una molecola all'altra dando origine a un flusso di corrente. Fino a oggi, la comunità scientifica si è divisa su quale fosse la sequenza esatta di questo passaggio:

• la via del P680: ipotizzava che il donatore primario dell'elettrone fosse il nucleo centrale del fotosistema (chiamato P680). Questo trasferiva l'elettrone alla clorofilla accessoria (Chl_D1) che a sua volta lo passava alla feofitina (Pheo_D1).
• la via della clorofilla accessoria: ipotizzava che fosse la clorofilla accessoria a cedere per prima l'elettrone alla feofitina, ossidandosi. Subito dopo, il P680 interveniva cedendo il proprio elettrone alla clorofilla accessoria per colmare il "vuoto" e stabilizzare il sistema.

A complicare il quadro c'erano le misurazioni sperimentali. Analizzando il processo erano state rilevate due velocità di reazione diverse: una estremamente rapida (nell'ordine dei femtosecondi) e una molto più lenta (nell'ordine dei picosecondi). Per spiegare questa differenza, gli esperti avevano ipotizzato che le piante usassero entrambe le vie in parallelo. Si trattava però di un compromesso teorico che lasciava aperti molti dubbi.

La scoperta nel nuovo studio

Lo studio pubblicato su Nature Communications scardina l'ipotesi delle due vie parallele. Attraverso simulazioni computazionali e calcoli di dinamica quantistica, i ricercatori hanno dimostrato che la prima teoria, la via del P680, è termodinamicamente sfavorita a temperatura ambiente e, di fatto, non influisce sul processo.

La separazione di carica avviene quindi attraverso un'unica via principale: la clorofilla accessoria cede l'elettrone alla feofitina, e solo successivamente il P680 interviene per colmare il vuoto elettronico.

La variazione di velocità rilevata sperimentalmente non dipende da strade chimiche diverse, ma dalle fluttuazioni fisiche dell'ambiente circostante che influenzano la via:

• I moti rapidi della proteina (femtosecondi): le vibrazioni termiche rapidissime della struttura proteica modificano continuamente le distanze e l'orientamento reciproco delle molecole, permettendo all'elettrone di saltare in modo ultra-rapido.
• I moti lenti dell'acqua (picosecondi): all'interno del fotosistema sono presenti dei canali d'acqua e la riorganizzazione e orientamento di queste molecole d'acqua avvengono su scale temporali più lunghe. Questo movimento modifica il campo elettrostatico attorno ai pigmenti, agendo come un regolatore che rallenta o accelera il trasferimento dell'elettrone.

La novità di questo studio risiede in questo accoppiamento funzionale: le molecole d'acqua non sono solo elementi chimici utilizzati per la produzione d'ossigeno, ma contribuiscono attivamente al processo regolando la velocità e l'efficienza con cui la luce solare viene convertita in energia chimica.

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