Un salto quantico è il passaggio istantaneo di un elettrone da un livello energetico ad un altro
Nel convegno dell’8 Novembre 2014, nella Sala Comunale di San Pietro Infine (Caserta), Ferorelli spiegava i fenomeni futuristici dell’energia, dalla fisica quantistica alla fisica classica.
Una teoria consolidata è supportata da un vasto corpo di dati osservativi e sperimentali che ne dimostrano la validità.

Nel 2015, questo tema veniva confermato dalla pubblicazione del volume:

La fisica della vita – La nuova scienza della biologia quantistica

Autori: Jim Al-Khalili, Johnjoe McFadden

Un salto quantico nell’ atomo è il passaggio istantaneo di un elettrone da un livello energetico ad un altro, senza passare da stadi intermedi. Questo salto avviene a seguito dell’assorbimento di un fotone (energia luminosa), ovvero quando l’elettrone passa a un livello energetico superiore, o dall’emissione di un fotone se l’elettrone passa ad un livello inferiore. Gli atomi in esame, che costituiscono i prodotti Bioenzimatici, dispongono i loro elettroni in orbite specifiche e, quando un elettrone assorbe o emette una quantità precisa di energia, “salta” da un’orbita all’altra modificando il suo stato energetico.
Il differenziamento dei vettori energetici bioenzimatici, consiste nel riconoscere le cellule specifiche dalle cellule aspecifiche.

Ruolo degli enzimi nella fotosintesi

La clorofilla assorbe la luce, ma sono numerosi enzimi a guidare le successive reazioni della fotosintesi, come la conversione di CO2 in carboidrati.
Questi enzimi agiscono nel cloroplasto e nelle membrane dei tilacoidi, riducendo l’energia di attivazione necessaria per le reazioni e accelerandole notevolmente.
In sintesi, mentre la clorofilla è il pigmento che cattura l’energia luminosa, gli enzimi sono le “macchine molecolari” che rendono possibile la produzione di clorofilla stessa e l’intero processo della fotosintesi, dal quale le piante dipendono per il proprio nutrimento.

Nelle piante, i cloroplasti sono la sede del flusso di elettroni della luce e della fotosintesi. La sintesi della CO2 avviene nei cloroplasti, organuli caratterizzati da una forma variabile e di norma di un diametro di pochi micrometri. Come i mitocondri, i cloroplasti sono avvolti da due membrane: una esterna permeabile a piccole molecole e ioni e una interna, impermeabile, che contiene trasportatori specifici per un gran numero di ioni e di metaboliti.

Nei cloroplasti, il compartimento delimitato dalla membrana interna è chiamato stroma ed è simile alla matrice mitocondriale; è una fase acquosa che contiene gran parte degli enzimi coinvolti nelle reazioni di assimilazione della CO2.

All’interno dello stroma si trova un sistema di membrane interne altamente organizzato e topologicamente continuo che formano un singolo compartimento, detto lume.

Questo complesso sistema di membrane forma dei dischi chiamati struttura dei cloroplasti (Fig. 1).

Ruolo degli enzimi nella sintesi della clorofilla

La fotosintesi clorofilliana consiste nello stato eccitato dell’atomo mediante salto quantico dell’elettrone, regolato da successivi enzimi presenti nei cloroplasti delle piante, che portano alla sintesi di zuccheri a partire da acqua e anidride carbonica, sfruttando la radiazione luminosa (tipicamente proveniente dal sole) come fonte di energia.
La reazione complessiva (che in realtà avviene attraverso numerosi passaggi intermedi) è:

6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2

Da 6 molecole di anidride carbonica e 6 di acqua si ottiene infine una molecola di glucosio e 6 di ossigeno. Per arrivare a questo risultato, la fotosintesi consta di varie reazioni suddivisibili in due fasi: la fase luce-dipendente, che porta alla formazione di ATP e NADPH e alla liberazione di ossigeno (sfruttando l’energia luminosa), e la fissazione del carbonio, o ciclo di Calvin, che fissa il carbonio inorganico in glucosio sfruttando l’energia chimica ottenuta durante la prima fase.

La fase luce-dipendente

La fase luce-dipendente vede una serie di reazioni che realizzano la reazione:

2 H2O + ADP + P + 2 NADP+ → O2 + ATP + 2 NADPH + 2 H+

Nei cloroplasti vi sono dei sacchetti impilati, detti tilacoidi, sulle cui membrane si trovano molecole di clorofilla e altri pigmenti, a formare il fotosistema I e il fotosistema II, e altri enzimi coinvolti nel processo.

Il fotosistema I, composto da circa 70 molecole di clorofilla, assorbe la luce alla lunghezza d’onda di 700 nm, il fotosistema II, con circa 200 molecole di clorofilla, a 680 nm.

La clorofilla si trova nelle due forme a e b, ma solo la prima è in grado di passare a uno stato eccitato (in cui si ha un cambio della configurazione elettronica – Fig. 2) che permette di far partire la fotosintesi.
Il processo fotosintetico inizia quando un elettrone della clorofilla P680 (che quindi assorbe a 680 nm) del fotosistema II passa a un livello energetico più alto in seguito all’azione della luce (in sostanza, è come se la luce caricasse la molecola, analogamente a quanto avviene con un pannello solare). Questa energia è usata per far partire una catena di accettori degli elettroni, cioè molecole in grado di passarsi la carica elettronica secondo un certo ordine.
La tappa finale del fotosistema II è il plastochinone, che trasporta a sua volta l’elettrone al citocromo b6f, il quale infine attraverso la plastocianina lo porta al fotosistema I (Fig. 3).

Reazioni che avvengono durante la fase luce-dipendente

A questo punto l’elettrone passa nuovamente a uno stato eccitato (sempre per effetto della luce) per mezzo della clorofilla P700 (che assorbe la luce a 700 nm). La catena qui può continuare in due modi: o l’elettrone è rimandato al plastochinone, generando un flusso elettronico ciclico, o all’enzima ferredoxina-NADP reduttasi, che trasforma il NADP+ in NADPH, una molecola che immagazzina energia, che potrà poi essere usata successivamente. Nel frattempo, il trasporto dell’elettrone ha generato un pompaggio di H+ dallo stroma al lume del tilacoide. Questo gradiente (cioè la differenza di concentrazione di H+ tra stroma e lume) è sfruttato come fonte di energia da un enzima, la ATP sintasi, per generare ATP, che insieme al NADPH è l’altra molecola che immagazzina energia nella cellula.

Ciclo di Calvin

A questo punto la pianta è riuscita a catturare nell’ATP e nel NADPH l’energia proveniente dalla luce. Questa energia serve per trasformare un composto inorganico come l’anidride carbonica in un composto organico, il G3P (gliceraldeide 3-fosfato), che sarà il mattoncino di base per costruire molecole di glucosio. La possibilità di sintetizzare glucosio a partire da acqua (usata nella fase luce-dipendente) e anidride carbonica è quello che distingue le piante (e in generale gli organismi autotrofi), dagli organismi eterotrofi che si indirizzano verso gli animali che invece devono assumere sostanze organiche dall’alimentazione.

Più in dettaglio, il ciclo di Calvin sfrutta l’energia chimica generata dalla fase luce-dipendente per fissare il carbonio dell’anidride carbonica in gliceraldeide 3-fosfato (G3P), che successivamente può diventare glucosio (tramite l’unione di due molecole di G3P) o formare acidi grassi. Le reazioni del ciclo avvengono nello stroma del cloroplasto. La reazione complessiva è:

3 CO2 + 6 NADPH + 6 H+ + 9 ATP → G3P + 6 NADP+ + 9 ADP + 3 H2O + 8 Pi

L’enzima principale di questa reazione è il RuBisCo, ribulosio bisfosfato carbossilasi, che è la proteina più abbondante sulla Terra. Il ciclo inizia con un ribulosio bisfosfato che viene legato dalla RuBisCo a una molecola di anidride carbonica, formando un intermedio instabile a 6 atomi di carbonio che si separa in due molecole di 3-fosfoglicerato. L’enzima fosfoglicerato chinasi, sfruttando l’ATP prodotta nella fase luce-dipendente, fosforila (aggiunge cioè un gruppo fosfato) il 3-fosfoglicerato in 1,3-bisfosfoglicerato, RIDOTTO poi in G3P dalla gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi con l’ausilio del NADPH (che si era formato durante la fase luce-dipendente). Le fasi successive del ciclo di Calvin consistono nella rigenerazione del ribulosio bisfosfato (che quindi potrà ricominciare il ciclo), usando come base cinque delle sei molecole di G3P prodotte nei passaggi precedenti e utilizzando in tutto 3 molecole di ATP e il rilascio di 2 ioni fosfato.
Alla fine il guadagno netto di un ciclo consisterà nella produzione di una molecola di G3P.

Ciclo di Calvin

(traduzione dello schema di Mike Jones)
Come detto in precedenza, 2 molecole di G3P potranno poi dare origine a una molecola di glucosio; alternativamente, il G3P potrà essere la base per la sintesi degli acidi grassi.

Strategie alternative di fotosintesi

I meccanismi fotosintetici visti in precedenza sono quelli adottati dalla maggior parte delle piante nei climi temperati, e tali piante sono dette piante C3, poiché il primo prodotto del ciclo di Calvin è un composto a 3 atomi di carbonio, il fosfoglicerato. Tuttavia, per andare incontro a particolari situazioni ambientali, le piante hanno messo a punto altre due strategie di fotosintesi, che si discostano in parte da quella delle C3. Si tratta delle piante C4 e delle piante CAM.

Piante C4

Alle piante C4 appartengono organismi vegetali dei climi caldi ma dove vi è disponibilità di acqua. Esempi di piante C4 sono il mais, il sorgo e la canna da zucchero.
In queste piante la fotosintesi avviene in due tipi di cellule differenti: nelle cellule superficiali del mesofillo avvengono le reazioni della fase luce-dipendente e la produzione di malato a partire da fosfoenolpiruvato (attraverso l’intermedio ossalacetato e con fissazione di anidride carbonica), mentre nelle cellule interne della guaina del fascio il malato si trasforma in piruvato cedendo una molecola di CO2, la quale entrerà nel ciclo di Calvin. Il piruvato ritorna alle cellule del mesofillo, dove è riconvertito a fosfoenolpiruvato.

Metabolismo CAM

Il metabolismo CAM (Crassulacean Acid Metabolism) è un adattamento del processo fotosintetico che si trova nelle piante dei climi caldi e aridi, come ad esempio i cactus, gli ananas e l’agave.

Metabolismo acido delle crassulacee

Queste piante, a differenza delle C3 e delle C4, sono in grado di svolgere la fotosintesi con gli stomi chiusi, fenomeno impossibile nelle altre piante, che necessitano degli stomi aperti per scambiare anidride carbonica e ossigeno con l’esterno.
Per rendere questo possibile, il processo avviene in fasi temporali distinte.
Durante la notte, gli stomi si aprono e fanno entrare anidride carbonica, che viene fissata al fosfoenolpiruvato in modo analogo a quanto avviene nelle piante C4, con la formazione finale di malato (e intermedio a ossalacetato), che viene accumulato nei vacuoli. Durante il giorno, a stomi chiusi, la CO2 necessaria viene liberata dal malato, che viene liberato dai vacuoli. Questo adattamento permette di non perdere acqua per evaporazione durante il giorno, data la scarsa disponibilità idrica. Durante le giornate sufficientemente umide, le piante con metabolismo CAM possono svolgere il normale ciclo C3.

Pasquale Ferorelli
Peschiera Borromeo (MI) – 08/10/2025

Grazie alla cristallografia a raggi x sono stati scoperti gli enzimi che trasformano i veleni degli alcaloidi in molecole salutari per l’uomo.

“Un esempio è la pianta dello Stramonio che, nonostante la sua alta produzione di alcaloidi, che la rendono una pianta altamente tossica, può funzionare come porta innesto per quella della melanzana, producendo comunque ottime melanzane. Tutto ciò avviene mediante enzimi e rRna enzima, che sintetizzano molecole specifiche per la melanzana senza che le sostanze tossiche possano alterarne il frutto” (Sole 24 Ore del 28-07-14).

Questo studio osservazionale è stato condotto su 50 pazienti con SM per determinare gli effetti sulla QOL in seguito alla somministrazione di due integratori alimentari commerciali, denominati Citozym^® ed Ergozym^®, (Registrazione Citozeatec Italia-FDA 12932524008 Pin no. bfJ3h263). Lo studio è stato condotto secondo le linee guida della Dichiarazione di Helsinki, ed è stato rivisto e approvato il 20 luglio 2020 dal consiglio dell’Istituto di ricerca “CRSC”, sotto il protocollo n. “AB2745P28” come parte del “Dietary Progetto Integrazione”.

La cristallografia a raggi X sarà ampiamente utilizzata adesso che è chiaro, in seguito agli studi precorritori compiuti su alcuni enzimi idrolitici, che questa tecnica (benché niente affatto semplice e corrente) può rivelare particolari straordinariamente sottili della struttura terziaria che non possono essere ottenuti in nessun altro modo. La descrizione del meccanismo intimo della catalisi enzimatica diverrà sempre più materia di concreta realtà chimica piuttosto che di teoria non dimostrabile.

I controlli effettuati hanno evidenziato che il trattamento ha ridotto drasticamente i valori del FSS dalla media nei controlli di circa 5.00-4.75 a valori che dopo 20 giorni di trattamento hanno raggiunto 4.2, 3.8 dopo 50 giorni e 3.6 dopo 70 giorni. Il significato di queste riduzioni, indica un netto miglioramento del sintomo fatica.

Thalidomide: Ipnotico, sedativo, anti-nausea, nella 2° guerra mondiale veniva utilizzato come calmante per i soldati.

Le donne trattate con talidomide davano alla luce neonati con gravi alterazioni congenite dello sviluppo degli arti, ovvero amelia (assenza degli arti) o vari gradi di focomelia (riduzione delle ossa lunghe degli arti).

La metodica della cristallografia a raggi x, rileva che la teratogenicità è associata solamente all’enantiomero destrorso che agisce come inibitore dell’angiogenesi ovvero del normale sviluppo dei vasi sanguigni, interferendo con lo sviluppo dell’embrione, specie se assunto durante le prime sette settimane della gravidanza.

Enantiomero D è il responsabile della teratogenicità e della malformazione alla nascita di bambini.

L’enantiomero S è un amminoacido standard utilizzato da enzimi geneticamente specifici per tutti gli esseri viventi.

Nel 2017 il Ministro della Salute Lorenzin riconosce un indennizzo a favore delle persone affette da sindrome da thalidomide.

Gli enzimi cristallografati ci forniscono lo stato vitale dei nostri tessuti.

Cristallografia: è la scienza che studia i cristalli.
La parola cristallo deriva dal greco che significa ghiaccio, gli antichi pensavano che il cristallo di rocca (varietà incolore del quarzo) fosse ghiaccio indurito.
Ma cos’è il cristallo? Prima di parlare di cristallo occorre capire cosa significa materia ordinata e materia disordinata.
In un liquido come l’acqua le molecole sono disordinate, se le raffreddiamo le molecole si muovono sempre meno fino a creare una materia ordinata: il ghiaccio.

Cristallografia a raggi X
La struttura tridimensionale delle macromolecole biologiche ci consente di comprendere i meccanismi alla base dei processi biologici in cui sono coinvolte e di descrivere le interazioni atomiche che li guidano, ovvero di capire come una particolare macromolecola possa svolgere la propria funzione. La cristallografia a raggi X è una metodologia che permette di determinare la distribuzione nello spazio degli atomi di una molecola presente in un cristallo, analizzando come i raggi X vengono sono diffratti da quest’ultimo ed è molto utile per determinare la struttura tridimensionale a risoluzione atomica di macromolecole biologiche.

Enciclopedia Treccani del Novecento Haschmeyer
Prima di lasciare questi argomenti di carattere strutturale, va ricordata la tecnica della microscopia elettronica (v. Haschmeyer, 1970). Essa non ha ancora acquistato quel grado di risoluzione che le permetterebbe di competere con la cristallografia a raggi X nel determinare nei particolari la geometria delle più piccole molecole enzimatiche.