La clorofilla e i carotenoidi sono entrambi pigmenti o cromofori coinvolti nella fotosintesi. Sia la clorofilla che i carotenoidi sono responsabili della raccolta della luce, dell’assorbimento dei fotoni e del trasferimento dell’energia di eccitazione al centro di reazione fotosintetica. Solo la clorofilla, tuttavia, funziona all’interno del centro di reazione per eseguire la separazione della carica attraverso la membrana cellulare. È la clorofilla che provoca una serie di reazioni di trasferimento di elettroni che alla fine riduce l’anidride carbonica (CO2) ai carboidrati.
Con un nome che significa “foglia verde” in greco, la clorofilla fu identificata per la prima volta nel 1818 da Pierre Joseph Pelletier e Joseph Bienaime Caventou. La clorofilla è nota per il suo aspetto verde e per essere il pigmento fotosintetico più abbondante sulla Terra. Dalla sua scoperta originale, sono state scoperte dozzine di tipi di molecole di clorofilla. A livello molecolare, sono tutti tetrapirroli ciclici e di solito contengono uno ione centrale di magnesio. La struttura chimica della clorofilla ha il potenziale per guadagnare o perdere facilmente elettroni, che è ciò che gli consente di assorbire i fotoni e trasferire l’energia di eccitazione all’interno e all’interno del centro di reazione fotosintetica.
La clorofilla e i carotenoidi sono entrambi pigmenti a raccolta leggera, ma la clorofilla è la più abbondante e la più critica per la fotosintesi. I diversi tipi di clorofille, che lavorano in combinazione, sono in grado di assorbire la luce su gran parte dello spettro fotosintetico, da 330-1,050 nanometri. Un’eccezione è quella che viene chiamata “gap verde”, circa 500 nanometri. I pigmenti accessori sono necessari per colmare questa lacuna di assorbimento.
Una seconda limitazione delle clorofille deriva proprio dalla caratteristica che li rende così potenti pigmenti nel sistema fotosintetico: la loro capacità di mantenere stati eccitati di lunga durata. Tale capacità, tuttavia, porta anche alla tendenza a generare specie tossiche reattive di ossigeno. Ancora una volta, i pigmenti accessori, in particolare i carotenoidi, sono in grado di aiutare a risolvere questo problema.
I carotenoidi sono cromofori di solito di colore rosso, arancione o giallo. Il carotenoide più noto è probabilmente il carotene, che conferisce alle carote il loro colore arancione. I carotenoidi hanno due funzioni principali: raccolta di energia leggera per la fotosintesi e protezione della clorofilla da danni leggeri.
Per la loro funzione primaria, i carotenoidi assorbono energia luminosa dai fotoni. Insieme alle biliproteine, aiutano ad assorbire energia nel “gap verde” vicino a 500 nanometri. Non sono in grado di trasferire questa energia direttamente nel percorso fotosintetico nel centro di reazione. Piuttosto, trasferiscono l’energia di eccitazione direttamente alle molecole di clorofilla, che poi trasferiscono l’energia ai centri di reazione e nel percorso fotosintetico. I carotenoidi sono quindi conosciuti come pigmenti accessori e la clorofilla e i carotenoidi formano insieme l’antenna di raccolta della luce all’interno delle cellule.
Forse la funzione più importante dei carotenoidi è proteggere la clorofilla e la cellula circostante da danni leggeri. Le clorofille generano spesso specie tossiche reattive dell’ossigeno, che causano diversi danni cellulari e sono particolarmente inclini a generare tali radicali liberi in condizioni di luce elevata. I carotenoidi sono in grado di assorbire la luce in eccesso, deviandola dalla clorofilla. A differenza della clorofilla, i carotenoidi possono convertire in modo innocuo l’energia di eccitazione in eccesso in calore.