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Materia, trasformazioni ed ecosistemi · Metabolismo e fotosintesi

Fotosintesi e respirazione cellulare

Il basilico sul davanzale di una cucina di Bologna cresce senza che nessuno lo "nutra" con cibo, mentre tu hai bisogno di pranzare ogni giorno. Da dove prende l'energia una pianta? E che cosa fanno le tue cellule del panino che mangi? In questa pagina vedrai che i due processi sono uno lo specchio dell'altro.

Autotrofi ed eterotrofi

Ogni essere vivente ha bisogno di energia e di materia per costruire le proprie molecole. Gli organismi si distinguono per dove le prendono.

Piante, alghe e cianobatteri sono autotrofi fotosintetici. Animali, funghi e molti batteri sono eterotrofi: il cervo del Parco Nazionale d'Abruzzo mangia erba, il lupo mangia il cervo. Anche l'erba, però, è all'origine di tutto: le piante sono i produttori di quasi tutte le catene alimentari.

Schema: la pianta autotrofa produce sostanza organica, l'animale eterotrofo la ottiene mangiando la pianta. Pianta Animale sostanza organica luce + CO₂ + H₂O autotrofo eterotrofo
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Distingui tra organismi autotrofi ed eterotrofi, facendo un esempio per ciascun tipo.

Distingui tra organismi autotrofi ed eterotrofi, facendo un esempio per ciascun tipo.

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La fotosintesi clorofilliana

La fotosintesi avviene nei cloroplasti, organuli delle cellule vegetali ricchi di clorofilla, il pigmento verde che assorbe la luce (soprattutto rossa e blu). La luce fornisce l'energia per unire CO₂ e acqua in una molecola di glucosio, rilasciando ossigeno.

Perché serve la luce? Perché il glucosio ha più energia chimica dei reagenti: l'energia che manca deve arrivare dall'esterno. Il glucosio si usa poi per costruire amido, cellulosa e altre biomolecole, oppure viene "bruciato" per ottenere energia.

Il processo si svolge in due fasi: nella fase luminosa (nelle membrane dei tilacoidi) la luce serve a produrre ATP e a scindere l'acqua, liberando O₂; nella fase oscura o ciclo di Calvin (nello stroma) l'energia dell'ATP serve a fissare la CO₂ nel glucosio. Per ora ti basta riconoscerle.

Il bilancio in moli è dato dai coefficienti dell'equazione bilanciata.

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Scrivi l'equazione generale della fotosintesi clorofilliana, indicando reagenti e prodotti. In quale organello della cellula vegetale avviene?

Scrivi l'equazione generale della fotosintesi clorofilliana, indicando reagenti e prodotti. In quale organello della cellula vegetale avviene?

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Una pianta produce con la fotosintesi $54\ \text{g}$ di glucosio ($\text{C}6\text{H}{12}\text{O}6$, $M = 180\ \text{g/mol}$) secondo…

Una pianta produce con la fotosintesi $54\ \text{g}$ di glucosio ($\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$, $M = 180\ \text{g/mol}$) secondo $6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2$.

  1. a) Calcola le moli di glucosio prodotte.
  2. b) Calcola le moli di $\text{CO}_2$ consumate.
  3. c) Calcola le moli di $\text{O}_2$ rilasciate.
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Fattori che influenzano la fotosintesi

La velocità della fotosintesi si può misurare, per esempio, contando le bollicine di O₂ emesse da una pianta acquatica come l'Elodea. Dipende da:

  • intensità luminosa: più luce, più fotosintesi, fino a un valore di saturazione;

  • concentrazione di CO₂: aumenta la velocità, finché non intervengono altri limiti;

  • temperatura: gli enzimi lavorano bene entro un intervallo; troppo caldo li denatura;

  • disponibilità di acqua (la pianta chiude gli stomi per non disidratarsi, ma così entra meno CO₂).

Grafico: la velocità della fotosintesi aumenta con la luce e poi si stabilizza al valore di saturazione. intensità luminosa velocità della fotosintesi saturazione: limita un altro fattore

Il fattore che si trova nella quantità minore rispetto alle esigenze della pianta è detto fattore limitante: finché non lo aumenti, aggiungere altra luce non serve.

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In una serra vicino a Latina si coltivano pomodori. Spiega che cosa accade alla fotosintesi nei seguenti casi. a) Si spegne l'illuminazione artificiale di notte. b) Si…

In una serra vicino a Latina si coltivano pomodori. Spiega che cosa accade alla fotosintesi nei seguenti casi.

  1. a) Si spegne l'illuminazione artificiale di notte.
  2. b) Si aumenta la concentrazione di $\text{CO}_2$ nella serra.
  3. c) Si copre la serra con un telo scuro.
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Un esperimento con una pianta acquatica illuminata a distanze crescenti da una lampada mostra che il numero di bollicine di ossigeno al minuto cala da $40$ a $10$ quando…

Un esperimento con una pianta acquatica illuminata a distanze crescenti da una lampada mostra che il numero di bollicine di ossigeno al minuto cala da $40$ a $10$ quando la distanza passa da $10\ \text{cm}$ a $40\ \text{cm}$, e poi cala molto poco oltre.

  1. a) Interpreta il calo.
  2. b) Spiega perché non si arriva a zero bollicine in presenza di una luce debole.
  3. c) Quali fattori limitanti, oltre alla luce, potrebbero impedire alla fotosintesi di aumentare?
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La respirazione cellulare

Tutte le cellule hanno bisogno di ATP, la "moneta energetica" con cui si pagano i lavori della cellula (movimento, trasporto attivo, sintesi). La respirazione cellulare aerobica ricava ATP dal glucosio usando ossigeno. Nelle cellule eucariote avviene in gran parte nei mitocondri.

È una combustione "controllata": invece di liberare tutta l'energia in un colpo come in una fiamma, la cellula la libera a piccoli passi, e ne cattura una parte nell'ATP. Quando fai uno sprint, i muscoli consumano più glucosio e O₂, per questo respiri più in fretta.

Le tappe principali: la glicolisi (nel citoplasma, scinde il glucosio senza ossigeno e dà poco ATP), poi il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni nei mitocondri, dove l'ossigeno è l'accettore finale e si produce la maggior parte dell'ATP.

Senza ossigeno: la fermentazione

Se manca O₂, resta solo la glicolisi, seguita dalla fermentazione. Nel lievito (Saccharomyces cerevisiae) la fermentazione alcolica dà etanolo e CO₂; nei muscoli sotto sforzo e nei batteri dello yogurt la fermentazione lattica dà acido lattico. La resa in ATP è molto più bassa: circa 2 ATP per molecola di glucosio contro circa 30 della respirazione aerobica, perché il glucosio non viene ossidato completamente e gran parte dell'energia rimane nell'etanolo o nell'acido lattico.

Nell'impasto del pane la CO₂ della fermentazione fa lievitare la pasta (e l'etanolo evapora in cottura); nel vino il mosto d'uva diventa alcolico.

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Scrivi l'equazione generale della respirazione cellulare aerobica e indica in quale organello si svolge la maggior parte del processo.

Scrivi l'equazione generale della respirazione cellulare aerobica e indica in quale organello si svolge la maggior parte del processo.

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Un lievito viene posto in una soluzione di glucosio. In presenza di ossigeno cresce rapidamente e consuma $\text{O}2$; in assenza di ossigeno cresce più lentamente e…

Un lievito viene posto in una soluzione di glucosio. In presenza di ossigeno cresce rapidamente e consuma $\text{O}_2$; in assenza di ossigeno cresce più lentamente e produce etanolo e $\text{CO}_2$.

  1. a) Identifica i due processi metabolici.
  2. b) Spiega perché la resa in ATP è diversa.
  3. c) Perché la fermentazione alcolica è sfruttata nella produzione di pane e vino?
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Due processi complementari

Confronta le due equazioni: i prodotti dell'una sono i reagenti dell'altra.

Fotosintesi Respirazione cellulare
Reagenti CO₂ e H₂O glucosio e O₂
Prodotti glucosio e O₂ CO₂ e H₂O
Organello cloroplasto mitocondrio (e citoplasma per la glicolisi)
Energia luce → energia chimica energia chimica → ATP e calore
Dove cellule con clorofilla tutte le cellule eucariote (anche vegetali)
Ciclo della materia tra fotosintesi e respirazione, con l'energia che entra come luce ed esce come calore. Fotosintesi Respirazione glucosio, O₂ CO₂, H₂O ↑ luce (energia) ↓ ATP e calore La materia circola; l'energia attraversa il sistema.

La materia si ricicla: gli atomi di C, H e O passano dall'atmosfera ai viventi e ritornano. L'energia no: entra come luce, viene trasformata, e a ogni passaggio una parte si disperde come calore, che gli organismi non possono riutilizzare per fare lavoro. Per questo gli ecosistemi hanno bisogno di un rifornimento continuo di energia dal Sole.

Vuoi chiudere il cerchio: il basilico e la tua cena si "scambiano" la stessa materia, ma non la stessa energia.

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Completa la tabella confrontando fotosintesi e respirazione cellulare: reagenti, prodotti, organello, tipo di trasformazione energetica (energia luminosa → chimica,…

Completa la tabella confrontando fotosintesi e respirazione cellulare: reagenti, prodotti, organello, tipo di trasformazione energetica (energia luminosa → chimica, oppure chimica → ATP e calore).

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Spiega perché si dice che fotosintesi e respirazione cellulare sono processi complementari. Considera il flusso di materia e di energia e il ruolo di $\text{O}2$ e…

Spiega perché si dice che fotosintesi e respirazione cellulare sono processi complementari. Considera il flusso di materia e di energia e il ruolo di $\text{O}_2$ e $\text{CO}_2$, e spiega perché l'energia non si ricicla come la materia.

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In sintesi

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