Luce e Vita (Luce è Vita) LUCE: FONTE ENERGETICA E PORTATRICE DI INFORMAZIONI

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1 Luce e Vita (Luce è Vita) LUCE: FONTE ENERGETICA E PORTATRICE DI INFORMAZIONI

2 Luce : Fonte di Energia Fotosintesi Sviluppo e mantenimento della vita sulla Terra 6CO 2 + 6H 2 O + 60 fotoni ----> C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O -----> C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + 60 fotoni substrati (alta energia) C 6 H 12 O 6 + 6O 2 prodotti 6CO 2 + 6H 2 O substrati (bassa energia)

3 I processi fotosintetici avvengono all interno dei cloroplasti Cellule vegetali al cui interno sono visibili i cloroplasti Il cloroplasto è un tipo di organulo presente nelle cellule delle piante e nelle alghe. Il colore verde è dovuto al principale pigmento fotosintetico, la clorofilla. Cloroplasto in cui la struttura interna è mostrata All interno delle membrane tilacoidali sono ubicati i fotosistemi contenenti la clorofilla.

4 STRUTTURA CLOROFILLA

5 Luce assorbita da grande sistema di doppi legami coniugati elettroni π nuvola di elettroni π delocalizzati Gli elettroni π, essendo delocalizzati, interagiscono con i campo elettrico della luce. Alcuni esempi: β- carotene

6 Il retinale (pigmento visivo ) viene sintetizzato da β-carotene.

7 hν Principio dell assorbimento della luce Nel processo di assorbimento di un quanto di luce (fotone) un elettrone π di un orbitale elettronico di bassa energia (stato fondamentale) passa ad un orbitale di alta energia (stato eccitato). L energia del fotone (E =hν = hc/λ) è conservata nella molecola eccitata. h costante di Planck; ν la frequenza dell oscillazione; c velocità della luce; λ lunghezza d onda.

8 Spettri di assorbimento della clorofilla e della foglia Nel grafico si vedono le lunghezze d onda (wavelengths) alle quali assorbe la clorofilla. Gli intervalli di lunghezze d onda indicate correspondono ai diversi colori che compongono la luce bianca (luce solare). Spettro di assorbimento della foglia Da notare: L aumento di assorbimento fra ,rispetto alla clorofilla, è associato ad un effetto ottico generato dalla foglia stessa.

9 Aumentato assorbimento dispersione multipla All interno della foglia la luce viene dispersa ripetutamente (dispersione multipla) La dispersione multipla, aumenta il cammino ottico della luce all interna della foglia e, di conseguenza viene aumentato l assorbimento. La foglia è un mezzo disperdente Rappresentazione schematica di raggi di luce che si propagano in un mezzo disperdente.

10 I fotosistemi sono il «cuore» della fotosintesi Equazione generale: Fissazione del CO 2 in zuccheri 18ATP +12 NADPH+6CO 2 +6H 2 O+60 fotoni C6H12O6 + 6O2

11 Organizzazione dei pigmenti nel fotosistema I fotosistemi possiedono fra molecole di clorofilla, chiamate clorofilla antenna. Nel diagramma gli ovali verdi rappresentano le clorofille antenna. Una molecola di clorofilla-antenna assorbe un fotone e trasferisce l energia dello stato eccitato ad un altra molecola di clorofilla antenna. Il processo si ripete fino a quando il centro di reazione non sia eccitato. L ovale rosso, rappresenta il centro di reazione, struttura che, nello stato eccitato (donatore primario), trasferisce uno elettrone (riduce) ad una molecola (accettore primario). Il trasferimento dell elettrone rappresenta la prima reazione di fotochimica.

12 La struttura cristallografica del fotosistema I. La distribuzione delle clorofille antenna e il centro di reazione. A Nel piano verticale alla membrana Distribuzione stocastica delle clorofille col centro di reazione in posizione centrale B Nel piano della membrana Distribuzione delle clorofille in due strati col centro di reazione in posizione centrale.

13 Trasferimento dell energia di eccitazione fra le molecole di clorofilla nell antenna e dall antenna al centro di reazione. Da notare: Il fenomeno riguarda il trasferimento dell energia di eccitazione (dello stato eccitato) - non il trasferimento di un elettrone. Il trasferimento fra un donatore di energia, e un accettore, è superveloce. Avviene nei femtosecondi( s)

14 Il centro di reazione (fotosistema I) separazione cariche hν + APA 0 A*PA 0 AP*A 0 A P + A 0 La separazione delle cariche rappresenta la prima reazione di fotochimica e succede il modo sostanzialmente simile sia a livello del fotosistema I sia a livello del fotosistema I. L energia del fotone assorbita viene conservata chimicamente nello stato in cui le cariche sono separate e il ruolo della luce è terminata.

15 STRAORDINARIA EFFICIENZA DEI FOTOSISTEMI Fluorescenza della clorofilla La fluorescenza è il processo contrario all assorbimento. Lo stato eccitato torna, spontaneamente, allo stato fondamentale, emettendo un fotone (fluorescenza) La fluorescenza è proporzionale alla densità degli stati eccitati. Per il fotosistema I: hν + APA 0 A*PA 0 AP*A 0 A P + A 0 fluorescente fluorescente non-fluorescente La scomparsa della fluorescenza indica che la fotochimica è avvenuta. Il tempo della scomparsa della fluorescenza rappresenta il tempo della fotochimica da A*PA 0 AP*A 0 A P + A 0 tempo

16 La misura del decadimento della fluorescenza fornisce il valore del tempo della fotochimica (A*PA 0 AP*A 0 A P + A 0 ) tempo picosecondi Per il fotosistema I il tempo del decadimento (τ) 40 ps. La costante di velocità della fotochimica del fotosistema k FC = 1/τ = 25/ns. In assenza della fotochimica (A*PA 0 AP*A 0 A P + A 0 (τ) 2000 ps. La costante di velocità k = 1/τ = 0.5/ns. L efficienza della fotochimica primaria ɸ Lo straordinario valore di ɸ è dovuto allo straordinario valore della k FC (A*PA 0 AP*A 0 A P + A 0 )

17 Il Sole e la sua Fotosfera (T = 5700 K) Legge di Planck e la Luce B λ (T) densità di energia a temperatura T e lunghezza d onda λ. Il Sole, per la temperature (T) della sua zona esterna (fotosfera) ha T = K. Di conseguenza il suo spettro di emissione è arricchito in luce di lunghezze d onda nel visibile e fino a 900 nm.

18 Implicazioni biologiche dello spettro di emissione del Sole L energia dei fotoni (E = hν = hc/λ) nel intervallo nm è sufficiente per indurre una transizione elettronica in un pigmento. hν A valori di λ > 900 nm l energia dei fotoni è insufficiente per indurre una transizione elettronica. A valori di λ < 400 (ultra violetta e raggi X) l energia dei fotoni (quanti) può indurre transizioni elettroniche a stati eccitati di altissima energia che ionizzano il pigmento stesso. Conclusione: Lo sviluppo della vita sulla Terra è stato possibile per la presenza di un Sole a T fs = K, che emette radiazione arricchita a valori di λ fra nm.

19 Luce: portatrice di informazioni Visione L occhio - organo della visione Le strutture esterne dell occhio (cristallino e cornea) hanno la funzione di focalizzare la luce sulla retina. Le cellule visive sono localizzate all interno della retina.

20 La Retina La Retina

21 Cellule visive bastoncelli e coni Bastoncello Cono Le membrane, che contengono i pigmenti visivi, sono ubicati negli segmenti esterni nei quali sono densamente impacchettate.

22 Pigmenti visivi esempio del retinale Il pigmento rodopsina consiste in una proteina (opsina) che lega un pigmento (retinale). In seguito all assorbimento della luce l isomero cis si trasforma nell isomero trans. L efficienza è dell ordine del 50%. Notare: La similarità con il fitocromo.

23 Struttura della Rodopsina Sono presenti sette α eliche transmembrane, con il retinale legato all elica numero 7.

24 Cis-trans isomerizzazione provocata dalla luce e la modifica strutturale dell opsina rodopsina meta-rodopsina (forma attiva) L isomerizzazione del retinale provoca una modifica strutturale della rodopsina a livello delle eliche 3, 5 e 6. Questa è la forma attiva nota come meta-rodopsina. Con la formazione della meta-rodopsina il ruolo della luce è terminata.

25 Visione fotica e visione scotica Visione fotica visione a colore coni (3 tipi) Ciascuno dei tre tipi di cono possiede un tipo di rodopsina, che lega il retinale. Le tre opsine, presenti nei tre tipi di cono, sono diverse, mentre il pigmento fotorecettore è sempre il retinale.

26 Visione a colori Le differenze di assorbimento sono generate dalla diversità delle opsine che interagiscono diversamente con il retinale La sensazione del colore è dovuta all assorbimento da parte di tutti e tre i tipi di cono, ciascuno dei quali manda un segnali elettrico al cervello, di intensità diversa, a secondo la composizione spettrale dell oggetto che viene osservato.

27 Sensibilità della sensazione visiva La sensibilità massima per la visione fotica è a circa 550 nm, nel verde.

28 E la luce riflessa dagli oggetti che li rende visibili Le foglie sembrano verdi essendo le lunghezze d onda attorno a 550 nm, quelle meno assorbite e quindi sono le lunghezze d onda più riflesse.

29 Osservazione interessante I nostri occhi possiedono la maggiore sensibilità ai colori proprio alle stesse lunghezze d onda della riflettanza più intensa delle foglie.

30 La visione scotica (al buio) La visione scotica è il processo che ci permette di «vedere» alle basse intensità di luce della notte. E associato ai bastoncelli che contengono un solo pigmento, la rodopsina. Essendoci un solo tipo di pigmento visivo la visione scotica non è a colori.

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32 Riassumendo Fissazione del CO 2 in zuccheri Equazione generale: 18ATP +12 NADPH+6CO 2 +6H 2 O+24 fotoni C6H12O6 + 6O2 trasporto elettroni atmosfera suolo Sole