La fotosintesi è il processo attuato dagli organismi autotrofi per produrre glucosio a partire da acqua e diossido di carbonio, utilizzando come fonte di energia la luce solare assorbita da un particolare pigmento fotosensibile, la clorofilla. La reazione complessiva della fotosintesi è così schematizzabile:

La fotosintesi si svolge all’interno dei cloroplasti, nei quali si trovano due varietà del pigmento verde clorofilla, la clorofilla a e la clorofilla b, sensibili a due lunghezze d’onda leggermente diverse. Entrambi i tipi di clorofilla sono in grado di assorbire la luce blu e quella rossa, mentre non assorbono la luce verde e quella gialla, che vengono riflesse, ed è per questo che le cellule contenenti i cloroplasti appaiono di colore verde. La clorofilla, quindi, è il pigmento che conferisce alle piante la colorazione verde ed è contenuta nei cloroplasti, gli organuli fotosintetizzanti.

Tuttavia, nelle membrane tilacoidali si trovano anche altri pigmenti (che assorbono lunghezze d’onda della luce diverse da quelle utilizzate dalla clorofilla) che variano dal giallo all’arancione al rosso, chiamati carotenoidi. Esistono vari tipi di pigmenti fotosintetici poiché ogni tipo di pigmento di colore diverso è specializzato nel catturare solo un determinato intervallo di lunghezze d’onda della luce. La presenza di più pigmenti garantisce un maggiore assorbimento di luce e, quindi, di energia.

Sia la clorofilla a, sia la clorofilla b chimicamente sono costituite da un anello tetrapirrolico (porfirinico) associato a uno ione magnesio centrale. Una lunga catena idrocarburica non polare attaccata all’anello àncora la parte carica dell’anello della molecola di pigmento negli strati lipidici non polari delle membrane del tilacoide.

I carotenoidi sono una classe di pigmenti organici costituiti da una lunga catena di atomi di carbonio, in cui si alternano legami semplici e doppi (sistema coniugato), spesso terminante in un anello. La struttura della catena permette di dividere i carotenoidi in due classi: le xantofille, tendenti al giallo, costituite da catene contenenti atomi di ossigeno, e i caroteni, tendenti all’arancione, costituiti invece da molecole prive di ossigeno e formate solo da carbonio e idrogeno. Le xantofille e i caroteni sono del tutto non polari e possono facilmente inserirsi nelle membrane del tilacoide.

Quando in autunno la produzione di clorofilla viene meno, le foglie diventano rosse e gialle, infatti i colori dei carotenoidi normalmente sono coperti dal verde intenso della clorofilla.

Estrarremo i pigmenti (clorofille e carotenoidi) e li separeremo mediante una tecnica che si chiama cromatografia.

Dal punto di vista chimico, l’estrazione è una tecnica di separazione: consente di sciogliere in un solvente alcune sostanze (in questo caso i pigmenti) e non altre, che possono essere solide oppure che si trovano in un solvente non miscibile con il primo. Attraverso questo primo procedimento porteremo in soluzione i pigmenti e li separeremo dagli altri componenti della foglia. Successivamente, suddivideremo ulteriormente i vari pigmenti attraverso un’altra tecnica di separazione, la cromatografia. La cromatografia è una tecnica di separazione basata sulla diversa velocità di migrazione con cui più sostanze depositate su un supporto adatto (carta da filtro, gel di silice o allumina, ecc.) vengono trasportate da un fluido detto eluente e si stratificano in posizioni differenti sul supporto. La cromatografia si basa sul fatto che differenti componenti di una miscela tendono ad avere affinità diverse tra due fasi: la fase stazionaria (quella del supporto) e la fase mobile (quella del solvente). L’affinità è conseguenza della struttura della molecola da separare (il suo peso e la sua polarità, il numero di gruppi polari e la loro disposizione) e delle interazioni che si possono formare con il supporto e l’eluente. In base al supporto si possono avere differenti tipi di cromatografia. Tra i più comuni ci sono: cromatografia su colonna, cromatografia su carta, cromatografia su strato sottile (TLC). Il processo di cromatografia, che è in grado di separare miscugli complessi nei loro componenti sulla base della loro solubilità relativa nei diversi tipi di solvente, può contribuire ad identificare alcuni dei pigmenti utilizzati nella fotosintesi. Il solvente da cromatografia è non polare; è quindi da ricordare che solo le sostanze non polari si sciolgono nei solventi non polari. Più un pigmento è non polare e più tenderà a risalire insieme al solvente lungo la carta o lastra da cromatografia. Invece, più la sostanza è polare maggiore sarà la sua tendenza a rimanere ferma, strettamente legata all’acqua della fase fissa. Per questo motivo i diversi pigmenti fotosintetici tendono a separarsi sulla carta da cromatografia.