Riassunto / Abstract

L’ esperienza si propone di verificare qualitativamente in che modo le piante utilizzano l’ energia luminosa per sintetizzare le molecole organiche.

La prova può essere affrontata in una classe V durante lo studio del metabolismo energetico di una cellula vegetale.

Si colloca come competenza trasversale tra la biologia, la chimica delle molecole organiche e la biochimica. Predispone ad ulteriori approfondimenti sui fattori che influenzano la fotosintesi e può essere utilizzata per mostrare l’importanza della luce nella fotosintesi, per verificare l’interazione tra la presenza di clorofilla e la produzione di amido, per apprezzare l’influenza dell’anidride carbonica sulla fotosintesi.

Scheda sintetica delle attività

Si porta una foglia a perdere la clorofilla con alcool metilico, dopo aver arrestato le reazioni chimiche cellulari con immersione in acqua bollente. Successivamente, dopo lavaggio della foglia con acqua, si saggia la presenza di amido con soluzione di iodio (reattivo di Lugol).

Risorse necessarie

PER OGNI GRUPPO:

• una foglia di Tradescantia ( o Pelargonium o Coleus o Impatiens);
• un becher da 250 mL;
• due becher più piccoli;
• alcol metilico;
• una capsula di Petri;
• reattivo di Lugol;
• sodio bicarbonato 5%;
• sodio idrossido;
• becco Bunsen o piastra elettrica;
• treppiede;
• provette;
• reggi-provette;
• pinzetta;
• cronometro o orologio;
• pipetta graduata o Pasteur;
• due campane a tenuta;
• cappa chimica.

Prerequisiti necessari

• Conoscere il processo della fotosintesi (reazioni luce-dipendenti e reazioni luce-indipendenti);
• conoscere la funzione enzimatica;
• conoscere la struttura della cellula vegetale ed in particolare dei cloroplasti;
• sapere distinguere la differenza strutturale tra la molecola di glucosio e quella di amido;
• saper usare il becco Bunsen;
• saper preparare una soluzione;
• conoscere il viraggio del reattivo di Lugol.

Obiettivi di apprendimento

• Riconoscere i fattori che portano alla denaturazione degli enzimi;
• verificare la presenza nelle foglie dei prodotti della fotosintesi;
• familiarizzare con le strutture e la terminologia relativa alle macromolecole biologiche;
• saper confrontare i risultati di un’analisi qualitativa con reattivi specifici;
• evidenziare la correlazione spaziale tra presenza di cloroplasti/clorofilla e presenza di amido usando foglie variegate (Coleus ad esempio);
• verificare la dipendenza dalla luce del processo fotosintetico che porta alla sintesi di amido e la sua degradazione in assenza di luce;
• dimostrare l’ importanza dell’ anidride carbonica.

Dotazioni di sicurezza

I vapori di iodio che si sviluppano da soluzioni concentrate sono velenosi e non devono essere inalati: per la preparazione del reattivo occorre perciò lavorare sotto cappa aspirante. 
Se viene usato il becco Bunsen è necessario spegnere la fiamma quando si mette ad incubare la provetta con alcol nel becher d’acqua bollente. 

Svolgimento

 PRIMA FASE

• 24-48 ore prima dell’ inizio dell’esperimento coprire una parte della foglia (entrambe le superfici) con carta scura o alluminio. Successivamente:
• Riempire a metà con acqua un becker da 250 mL . Metterlo su un treppiede sopra un becco Bunsen. Scaldare l’acqua fino a farla bollire e poi abbassare la fiamma del Bunsen, quanto basta per mantenere l’ebollizione. In alternativa usare la piastra elettrica.
• Prendere una foglia con una pinzetta e infilarla per 5 secondi nell’ acqua bollente. In questo modo si provoca la morte delle cellule con il conseguente arresto delle reazioni chimiche: la foglia diventerà permeabile all’alcool e alla soluzione di iodio, da utilizzare in seguito.
• Spingere con delicatezza la foglia sul fondo di una provetta e coprirla con alcool etilico. Se si utilizza alcool metilico è necessario lavorare esclusivamente sotto cappa chimica.
• Spegnere il Bunsen.
• Mettere la provetta in acqua bollente per 5 minuti. La clorofilla sarà sciolta dall’alcool portato a temperatura di ebollizione.

• Con l’aiuto di un reggi-provetta, togliere la provetta dall’acqua e versare la soluzione alcolica, che avrà assunto un colore verde, in un recipiente, trattenendo la foglia. Se la foglia ha assunto un colore pallido o biancastro, si può procedere alla fase successiva. Se resta ancora molta clorofilla nella foglia, occorre bollire per altri 5 minuti in alcool nuovo, immergendo la provetta in acqua bollente. Se fosse necessario portare nuovamente ad ebollizione l’acqua, è importante togliere la provetta e immergerla nuovamente nell’acqua solo dopo aver spento la fiamma del Bunsen.
• Una volta eliminato l’acool dalla provetta, riempirla con acqua fredda. E’ probabile che la foglia tenda a galleggiare.
• Se le foglie sono consistenti ( es. Pelargonium, Tradescanzia) prendere il picciolo con la pinzetta e immergere per qualche secondo la foglia nel bagno d’acqua bollente. Distenderla poi su una capsula Petri ( o un vassoietto), con l’aiuto di qualche goccia d’acqua fredda. Se le foglie sono morbide ( es. Impatiens) sistemare la foglia su una capsula Petri e tenere con la pinzetta il picciolo, facendo scorrere un filo d’acqua fredda per togliere ogni traccia d’alcool.
• Aprire bene il lembo della foglia e con una pipetta Pasteur coprirla per un minuto con soluzione di iodio. Lavare la soluzione di iodio con un filo d’acqua fredda, tenendo ben ferma la foglia sul coperchio o sul vassoietto.

Accorgimenti

• Si può usare anche alcol etilico invece che il metilico. È però da tenere presente che l’alcool etilico, in particolare se in presenza di acqua, agisce decomponendo la clorofilla; è preferibile usare, perciò, l’alcool metilico che è meno attivo sotto questo aspetto.
• E’ possibile utilizzare le foglie di altre specie oltre a quelle citate, purché verdi. Inoltre è necessario nel trattamento finale distinguere tra le foglie più consistenti e quelle più morbide.
• Per una apprezzabile osservazione della presenza di amido è importante che la foglia sia molto pallida dopo il trattamento con alcol caldo.
• L’uso della piastra elettrica riduce i rischi legati ai vapori infiammabili dell’alcol.

Discussione
Dopo aver osservato i risultati, si può condurre la discussione attraverso un brain-storming rivolgendo domande come:

• Perché è stata estratta la clorofilla dalla foglia?
• Perché è necessario bloccare ogni reazione chimica nella foglia per saggiare i prodotti della fotosintesi?
• Quale sostanza rivela il Lugol? Come reagisce se tale sostanza è presente? 
• In successivi esperimenti sosterremo che la presenza di amido in una foglia è prova evidente dell’avvenuta fotosintesi. Perché i risultati di questo esperimento non ci offrono tale prova? Che colore aveva la foglia subito prima dell’aggiunta di iodio e dopo tale aggiunta? Come si spiega tale cambiamento?

SECONDA FASE 

Si potrebbe ulteriormente completare l’ esperimento attraverso variazioni della concentrazione della \(CO_2\).
Ad esempio ponendo le piante da cui prelevare le foglie in campane a tenuta in cui porre dei becher contenenti soluzioni di sodio bicarbonato 5% per aumentare il livello di \(CO_2\)

o sodio idrossido per diminuirlo e paragonare con gli opportuni controlli. 

Procedimento:

• Procurare due piante in vaso, al buio per 48 ore, per rimuovere l’ amido dalle foglie.
• Contrassegnare i vasi con A e B.
• Prelevare una foglia da ciascuna pianta e saggiarla come descritto sopra. Usare le piante solo se le foglie sottoposte a Lugol non si colorano di azzurro.
• Mettere la soluzione di sodio bicarbonato 5% in un piccolo becher sul suolo del vaso A e la soluzione di sodio idrossido in un altro becher sul suolo del vaso B.
• Mettere ciascun vaso sotto una campana a tenuta.
• Esporre le piante alla luce solare o artificiale per parecchie ore.
• Contrassegnare due provette con A e con B.
• Dopo parecchie ore di illuminazione, staccare una foglia dalla cima di ogni pianta, mettendola nella provetta corrispondente. Saggiare ogni foglia per l’ amido come descritto nella prima fase. 

Note e storia

Reattivo di Lugol:

Il reattivo è una soluzione acquosa iodo-iodurata,di colore marrone chiaro, inodore.
In soluzione KI (ioduro di potassio) si dissocia e l’ anione \(I^-\) tende a reagire con lo iodio elementare secondo la reazione:

\[I_2 + KI \longrightarrow I^-_3 + K^+\]

L’ amido è formato da due specie molecolari, l’ amilosio e l’ amilopectina. Lo ione \(I^-_3\) tende a complessarsi con l’amilosio, legandosi alla parte interna della catena elicoidale dello stesso.
Il complesso risultante assorbe la luce, producendo una decisa colorazione verso il blu scuro.

Bibliografia

• Harvey Lodish et al. ( 2002) Biologia molecolare della cellula : 747 – 753;
• Doris R. Helms (2003) Invito al laboratorio di biologia Appendice A.

Sitografia:

• http://it.wikipedia.org/wiki/Reattivo_di_Lugol;
• http://www.treccani.it/enciclopedia/clorofilla_(Enciclopedia-Italiana)/.

Autori

Zanoni Lorella 

Specifiche esperimento Materia Biologia Classi a cui è rivolto 5° anno Tipologia di laboratorio Attrezzato Reperibilità del materiale Uso quotidiano, negozi specializzati, siti web Materiale specifico Vetreria da laboratorio, foglia di Tradescantia, capsula Petri, reattivo di Lugol, reagenti vari, becco Bunsen o piastra elettrica, pinzetta, cronometro, due campane a tenuta, cappa chimica Durata esperimento in classe 2 h Capacità di bricolage/assemblaggio No Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche No Necessità PC per acqusizione/analisi dati No Necessità di uno smartphone No Parole chiave Biologia Fisiologia vegetale Riserve di amido Reattivo di Lugol