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Meccanismi molecolari della fotosintesi

Dispensa di metodi chimico-fisici per le biotecnologie su questi argomenti:
aspetti energetici e molecolari delle reazioni alla luce, energy transfer ed electron transfer in complessi antenna e centro di reazione fotosintetici, teoria di Marcus, metodi spettroscopici per lo studio di processi fotochimici, applicazioni biotecnologiche degli organismi fotosintetici, fotosintesi artificiale, dell'università... Vedi di più

Esame di Metodi Chimico-Fisici per le Biotecnologie docente Prof. L. Giotta

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Efficient exciton funnelling in PSU

ASSORBIMENTO FOTONI

TRASFERIMENTO ECCITONI Meccanismi di

Meccanismi di

trasferimento

trasferimento

dell’eccitazione:

dell’eccitazione:

• FORSTER

• FORSTER

• DEXTER

• DEXTER

RC: LH I = 1:1

RC: LH II = f (T, P)

REAZIONE FOTODINAMICA

Chl Chl*

hν 1

Chl* Chl*

1 3

Chl* + O Chl + O *

3 3 1

2 2

EFFETTO FOTOPROTETTIVO

DEI CAROTENOIDI

Chl* + Car Chl + Car*

3 3

Car* Car + calore

3

CENTRO DI REAZIONE

Spettro ottico del RC

0.6 amino-acid residues

protein absorption monomeric BChl

Q band

Y

Bchl B band

0.4

absorbance BPh Q BChl dimer

Y

band Q band

Y

monomeric BChl

Q band

x

0.2 Bph Q x

band

0.0 300 400 500 600 700 800 900 1000

(nm)

wavelength

Spettro ottico del RC Banda “extra”

dovuta

all’accoppiamento

eccitonico delle

batterioclorofille del

dimero

Risposta alla luce del RC

Setup sperimentale per la misura di velocità

di ricombinazione di carica in centri di

reazione isolati

Un lampo di luce genera lo stato D Q ;

+ B-

successivamente si assiste al ripristino della forma

neutra DQ secondo una cinetica del primo ordine:

B

 

d [ P Q ]  

  

v k [ P Q ]

B B

dt

Integrando questa

espressione fra 0 e t,

ponendo = 1/k ed

osservando che D Q 

+ B-

possiamo scrivere:

A, t

  

 

   

A

(

t ) A exp , 1

s

 

0   1 (c)

La cinetica di ricombinazione di carica

da Q segue un andamento

A (a.u.) (b)

esponenziale (traccia a); la presenza Changes

del chinone nella tasca Q determina la

B 0.1

comparsa di una “fase lenta” ovvero di Absorbance

una seconda componente esponenziale

con costante di velocità più piccola (a)

(tracce b e c a grado di occupazione di

Q crescente)

B 0.01 0 500 1000 1500

Time (ms)

Conversione dell’energia nel Centro di Reazione

Trasferimenti elettronici nel RC

Notiamo che al procedere della separazione di carica le reazioni

di ricombinazione diventano sempre più lente

Energetica della separazione di carica

 

  

P Q P Q

 

B B

G nFE nF[E°’(Q/Q 

= = ) E°’(P /P)]

 +

E°’(Q/Q ) = +100 mV

E°’(P /P)] = +450 mV

+

G° Reazione

= +33.8 kJmol non spontanea

1

 

Effetto dell’assorbimento di radiazione

   

P P *

h , 865 nm

hc

U N 138

kJ

/ mol

  

A 

Assumendo trascurabili il cambiamento di volume ed entropia

tra i due stati posso scrivere, essendo a P e T costanti

dG = dU + pdV– TdS, =

 G U 

G

  

 

E ( P P

*) 1430 mV

Shift di potenziale di nF

riduzione: E(P-P*) 980

E°’(P /P*) = E°’(P /P) + = (450 - 1430) mV = mV

+ + G

Ricalcoliamo il

 



P * Q P Q

B B

G° nFE°’ nF[E°’(Q/Q 

= = ) E°’(P /P*)]

 +

E°’(Q/Q ) = +100 mV

 980

E°’(P /P*)] = mV

+

G°’  Reazione

= 84.9 kJmol 1

 

spontanea 85/138

Efficienza di conversione = 1 = 0.38

Energia scaricata = 62%

Il fotociclo del RC

Il risultato netto è l’ossidazione

di due citocromi c2, la riduzione

di un chinone e il

sequestramento di due protoni

nella membrana

La chiusura del fotociclo

UQH + 2cyt c (Fe )+ 2H (citopl.) UQ + 2cyt c (Fe ) + 4H (peripl.)

3+ + 2+ +

2 2 2

Tale reazione ripristina i reagenti iniziali chiudendo

così il ciclo fotosintetico. Vengono inoltre sequestrati

altri due protoni dal citoplasma e rilasciati quattro

protoni nel periplasma. Il catalizzatore è il bc1 e il

G è negativo, cioè la reazione è spontanea.

Efficienza quantica di separazione di carica

E’ stato misurato che per ogni fotone assorbito dal

dimero, si forma uno stato a cariche separate. La

resa quantica del processo è quindi del 100%.

Tale resa è il risultato dell’ottimale arrangiamento

spaziale dei cofattori, e dei loro potenziali redox, per

cui le reazioni di trasferimento elettronico “in avanti”

sono sempre almeno due ordini di grandezza più

veloci delle ricombinazioni.

Poiché tutte le reazioni di trasferimento elettronico

sono temperatura-indipendenti si è concluso che non

hanno energia di attivazione. Questo garantisce che

la velocità di reazione sia la massima possibile.


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antore91

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DESCRIZIONE DISPENSA

Dispensa di metodi chimico-fisici per le biotecnologie su questi argomenti:
aspetti energetici e molecolari delle reazioni alla luce, energy transfer ed electron transfer in complessi antenna e centro di reazione fotosintetici, teoria di Marcus, metodi spettroscopici per lo studio di processi fotochimici, applicazioni biotecnologiche degli organismi fotosintetici, fotosintesi artificiale, dell'università degli Studi del Salento - Unisalento, facoltà di Scienze matematiche fisiche naturali, Corso di laurea in scienze e Tecnologie Biologiche ed Ambientali.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in biotecnologie
SSD:
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher antore91 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Metodi Chimico-Fisici per le Biotecnologie e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Salento - Unisalento o del prof Giotta Livia.

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