Primarna endosimbioza Sekundarna endosimbioza Tranzientna endosimbioza Elysia chlorotica + Vaucheria litorea = kleptoplastija

Interakcija svetlosti i materije

Kvantifikacija svetlosti Psihofizičke (fotometrijske) jedinice Spektralni sastav elektromagnetnog zračenja

1 cd (0.0184 J s-1 555 nm ) 1 cd  4π lm 1 cd, 1m, 1 m2  1 lx

FULL SUNLIGHT 150 000 lx PROSEČNO OSVETLJENA SOBA do 200 lx SUMRAK 10 lx

Gustina toka svetlosti (fluence) broj molova fotona (photon fluence, µmol m-2, µE m-2) stara jedinica za mol fotona je Ajnštajn [E] ukupna količina energije (J m-2) koji padaju na malu sfernu površinu, podeljen poprečnim presekom sfere Foton metar  photon fluence rate (µmol m-2 s-1 ) Radiometar  energy fluence rate (J m-2 s-1 = W m-) = irradiance Mere fotone u zadatom delu spektra PAR (photosynthetically active radiation) PPF (photosynthetic photon flux, µmol s-1) PPFD (photosynthetic photon flux density µmol m-2 s-1)

Solarna konstanta 1367 W/m2 5% UV, 28% Vis, 67% IR 2% UV, 45% Vis, 53% IR

FOTOHEMIJA Apsorpcija fotona vodi prelazu molekula u više energetsko stanje Apsorpcija zavisi od energije fotona a ne svetlosti

Stark-Einstein ov zakon – 1 foton-1 molekul Grotthuss-Draper ov zakon -samo apsorbovana svetlost vodi hemijskoj promeni Stark-Einstein ov zakon – 1 foton-1 molekul Sa stanovišta klasične fizike elektron se kreće po određenoj orbiti na određenoj udaljenosti od jezgra određenom brzinom Apsorpcija fotona može da promeni udaljenost ili brzinu, ali obe ove vrednosti (dakle energija elektrona) po kvantno mehaničkom pristupu mogu da uzimaju diskretne vrednosti Da bi došlo do apsorpcije energija fotona mora tačno da odgovara razlici u energiji elektronskog prelaza

Apsorpcija fotona Elektron je naelektrisan pa menja ponašanje pod uticajem električnog polja Električna komponenta svetlosti osciluje dok prolazi kroz materiju tj pored elektrona u električnom polju dolazi do indukovane rezonance – oscilacije elektrona – koja vodi formiranju električnog dipola

Smer i veličina dipola zavisi od ostatka molekula Za oscilacije elektrona neophodna je dodatna energija, koju obezbeđuje apsorbovani foton Verovatnoća apsorpcije zavisi od -energije tj frekvencije fotona -pravca oscilovanja električnog polja -pravca mogućih električnih dipola u molekulu Foton će biti apsorbovan a da ne dođe do izbacivanja elektrona samo ako ima energiju koja tačno odgovara nekom od mogućih energetskih prelaza i ako električni oscilator ima komponentu koja je paralelna sa mogućim električnim dipolom U biološkim sistemima u UV/Vis opsegu dolazi do elektronskih prelaza π elektrona

Spektrofotometrija Apsorpciona spektroskopija I Io T = A = - log T Io – intenzitet upadnog zraka I – intenzitet izlaznog zraka T – transparencija A – apsorbanca (ekstinkcija) T = A = - log T Beer - Lambert – ov zakon : A = ε . c . l ε – molarni ekstinkcioni koeficijent c – koncentracija l – debljina stuba tečnosti

Apsorpcioni spektar je grafički prikaz zavisnosti apsorpcije od talasne dužine Grafik apsorpcije u funkciji talasne dužine Uzorak (čista supstanca, smeša, ekstrakt) u kivetu Propušta se jedna po jedna talasna dužina i prati apsorbanca Akcioni spektar – grafički prikaz nekog procesa u funkciji talasne dužine Biološki uzorak se osvetljava jednom talasnom dužinom (ili bojom) i prati se: brzina oslobađanja O2 inkorporacija C14 iz CO2 u organsku materiju ugao savijanja stabla Pa se prelazi na sledeću λ na kojoj se ponovo prati ispti parametar... I tako za ceo opseg spektra od interesa

Energetska stanja i spin Paulijev princip isključenja / zabrane Multiplicitet stanja M=2S+1 = 1 singlet = 2 dublet (*r) = 3 triplet Energetska stanja elektrona su električna komponenta Spin je magnetna komponenta

Stokes-ovo pomeranje In vivo su maksimumi apsorpcije pomereni ka višim talasnim dužinama (670-680 nm) – izražen efekat rastvarača

MOGUĆNOSTI DEEKSCITACIJE Emisiona spektroskopija

Reakcioni centri imaju zajedničko poreklo i u osnovi istu strukturu Antena kompleksi se vrlo razlikuju među organizmima Emmerson i Arnold 1932 – 1O2 na 2500 Chl Gaffron i Wohl 1936 – predložili transfer energije (fotosintetička jedinica) 1D i 3D organizacija antena kompleksa Förster 1940-ih – objasnio transfer energije

Rezonantni transfer ekscitona (induktivna rezonanca, Försterov mehanizam)

Kuplovanje ekscitona

Klase antena kompleksa: Periferni membranski fikobilizomi cijanobakterija i crvenih algi hlorozomi i FMO protein zelenih bakterija peridinin-hlorofil kompleksi dinoflagelata Integrisani membranski Fuzionisani PS I RC RC zelenih sumpornih bakterija RC heliobakterija “Core antena” (jezgarni) CP43 i CP47 kompleksi PSII LH1 kompleks anoksigenih bakterija Pomoćni LHCII LHCI LHII kompleks purpurnih bakterija

Zašto su potrebni antena pigmenti? I=ENA sunce u podne I=1.1*1021 fotona m-2s-1=11 fotona Å-2s-1 hlorofil 10x10Å 1100 fotona s-1 kada se uzme verovatnoća apsorpcije i spektralni sastav 10 fotona u sekundi – maksimalno Apsorpcija – 10-15s Fluorescencija – 10-9-10-7s Interna konverzija i vibraciona relaksacija – 10-14-10-11s

Transfer energije – koncept levka (funnel) Försterov transfer energije, indukovana rezonanca Neophodna prostorna i energetska organizacija pigmenata Ovaj princip funkcioniše u perifernim antena kompleksima

Fluorescencija hlorofila Analiza organizacije antena kompleksa i prenosa energije Fluorescencija hlorofila Zatvaranje trapa fotohemija (zasićenje svetlošću) hemijski tretman

Organizacija antena kompleksa – bare i jezera (puddles and lakes) Jedan od prvih dokaza za transfer energije Verdenberg i Duysens 1963

Osnovna ideja antena je da jedan pigment apsorbuje i prenese energiju drugom – Jedan apsorbuje a drugi fluorescira Efikasnost transfera

zamke – plitka, duboka, veoma plitka Transfer-to-trap-limited Kuplovanje antena i RC zamke – plitka, duboka, veoma plitka Transfer-to-trap-limited Trap-limited Radical-pair-equilibrium Fluorescencija: Apsorpcioni i ekscitacioni spektri Fluorescence lifetime Polarizacija i anizotropija Kvantni prinos (quantum yield) (quantum requirement)= 1/ф Fv – varijabilna fluorescencija ф = broj proizvoda fotohemije broj apsorbovanih fotona