Světlosběrné systémy fotosyntetických organismů Tomáš Polívka

Transkript

1 Světlosběrné systémy fotosyntetických organismů Tomáš Polívka Ústav fyzikální biologie Jihočeská univerzita

2 Světlosběrný systém = anténa Cover photo from Ph.D. Thesis by M. Visser

3 Solar spectral irradiance Spektrum slunečního záření me m -2 s -1 = fotonů m -2 s -1 oxygenní

4 Proč antény? me m -2 s -1 = fotonů m -2 s -1 Účinný průřez molekuly chlorofylu: ~1 Å fotonů Chl -1 s -1 Zvýšení intenzity až

5 Chlorofyly Chlorofyl c Chlorofyl a,b,d

6 A Spektroskopie chlorofylů 1 Soret Chlb Chld Chla Q y Soret Q x Q y Q x Wavelength (nm) Intenzita absorpčních pásů je dána dipólovým momentem přechodu Polohy absorpčních pásů dány interakcí s prostředím

7 Bakteriochlorofyly Chlorofyl Bakteriochlorofyl Bakteriochlorofyl - a

8 A Spektroskopie bakteriochlorofylů 1 Soret Bchla Chla Q y Q y Soret BChl-a BChl-b BChl-c BChl-d BChl-e Q x BChl-g Wavelength (nm) Dvě skupiny: a, b, g obsahují C-C vazbu mezi uhlíky 7 a 8 c, d, e obsahují C=C vazbu mezi uhlíky 7 a 8

9 Karotenoidy b-carotene Izolován v roce 1831 Karoteny (uhlovodíky) Zeaxanthin Izolován v roce 1837 Xantofyly (obsahují kyslík) Značná variabilita, dosud popsáno přibližně 1000 různých karotenoidů peridinin crocin Syntetizovány pouze rostlinami a mikroorganismy, celková produkce ~10 8 tun ročně Moran & Jarvik, Science 2010 mšice se syntézou karotenoidů!

10 Spektroskopie karotenoidů S fs S ps Wavelength (nm) S 0 Přírodní barviva, silně absorbují v modro-zelené oblasti spektra a rozdíl od jiných barviv, nemají téměř žádnou emisi (F < 10-4 ) Zakázaný excitovaný stav ležící níže než absorbující energetický stav Schulten & Karplus, Chem. Phys. Lett. 1972, 14, 305.

11 Excitované stavy karotenoidů S lycopene b-carotene 3A g - 1B u - S 2 (1B u + ) violaxanthin S*,S S 1 (2A g - ) ICT zeaxanthin S 0 (1A g - ) peridinin

12 Fykobiliny Fykocyanobilin Fykoerytrobilin Fykobiliny jsou pigmenty specifických proteinů, fykobiliproteinů, které tvoří anténní komplexy sinic - fykobilisomy Absorbují zejména v oblasti nm, tj. v oblasti kde chlorofyly ani karotenoidy neabsorbují

13 Lambert-Beerův zákon Absorpční pásy I0 1 A log log Ce l I T I 0 intenzita před vzorkem, I intenzita za vzorkem, l optická dráha ve vzorku, C koncentrace, e extinkční koeficient Absorpce: A e d

14 Absorpce, síla oscilátoru a dipólový moment přechodu Síla oscilátoru přechodu m-n: 2 4e 0mc e ln fmn A M.cm A 2 e A Pro Gaussovský absorpční pás pološířky s extinkčním koeficientem v maximu e max platí e max f mn e 2 Souvislost síly oscilátoru s dipólovým momentem přechodu: 9 max e max f mn mn mn 2 max Užitečný vztah (výpočet dipólového momentu z absorpčního spektra) e max D 0.12 max Jednotky: Debye, e max M -1.cm -1,, max cm -1

15 Typy přechodů Zářivé vs. nezářivé Energie uvolněná jako foton zářivý přechod Spinově povolený fluorescence S T 1 Spinově zakázaný fosforescence T(0,0) Spinově povolený Vibrační relaxace Vnitřní konverze S Spinově zakázaný intersystem crossing Energie disipována do prostředí nezářivé přechody

16 Doby života excitovaných stavů S 1 T 1 d dt A* k A* r A A* t exp * 0 t S 0 Time

17 Souhrn

18 Přenos energie Excitovaný stav určitého pigmentu (donor) předá energii jinému pigmentu (akceptor) Car-Chl, Chl-Chl, Chl-Car, Phyco-Chl Energie excitovaného stavu akceptoru musí být menší (nebo maximálně stejná) než energie donoru

19 Překryvový integrál Emisní spektrum donoru se musí překrývat s absorpčním spektrem akceptoru (zákon zachování energie) J F D F ( ) e ( ) d D A d 4 J F D ( ) ( ) 4 e A d F D d

20 Förster Dipólová (Coulombická) interakce Mechanismy přenosu energie Dexter Výměna elektronů D * A D A * Rychlost přenosu energie: D * A D A * 1 2 av J V F c D R A 3 Střední vzdálenosti ( Å) Střední velikosti dipólů Beze změny spinu V interakční člen J překryvový integrál R vzdálenost donor-akceptor orientační faktor L souvisí s překryvem orbitalů Excitonová interakce: V E 1 E 2 E 1 = E 2 2V Malé vzdálenosti, Velké dipóly V D e R 2L Malé vzdálenosti (<10 Å) Malé dipóly Změna spinu Už nelze mluvit o donoru a akceptoru, díky excitonové interakci se chovají jako jedna molekula

21 Příklady mechanismů (anténa purpurových baktérií) 80 fs 80 fs Q x 200 fs Q y Q x 200 fs Q y 700 fs B850 Car B800 B800-B850: Forsterův přenos, vzdálenost ~ 20Å, relativně silné dipóly, singlet-singlet B850-B850: excitonová interakce, vzdálenost 5-6 Å, silné dipóly Car-B850: modifikovaný Forster (problém se zakázanými stavy, akceptor jako exciton) Pokud se BCcl B850 dostane do tripletního stavu, dochází ke zhášení tripletů triplettripletní přenosem mezi B850 a karotenoidem: Dexterův přenos, zanedbatelný dipól, malá vzdálenost, spinově zakázaný

22 Excitace Měření přenosu energie Sonda Detektor Zpoždění 1 ps = 0.3 mm 0 fs 500 fs fs fs

23 Time Měření přenosu energie E A ESA BL B Wavelength (nm) ESA excited state absorption BL - bleaching Obecně možné využít k sledování jakéhokoliv procesu za předpokladu, že výchozí molekula/produkt mají rozumně definované spektrum Časová škála: 50 fs až 1 ns

24 A (mod) Time A (mod) Měření přenosu energie E Wavelength (nm) Global fitting Simultánní fitování kinetik na všech měřených vlnových délkách Wavelength (nm) Time (ps)

25 Fotosyntetické antény

26 Taxonomie antén

27 Anténní systém fotosystému II Anténní pigmenty/rc: 99 Chlorofylů 71 Chl-a + 28 Chl-b 25 Karotenoidů LHCII CP29 CP26 CP24 CP43 CP47 24a + 18b 6a + 2b 6a + 3b 5a + 5b 14a 16a ield et al. ature 2000 Liu et al. ature 2004 (LHCII, CP43+47) Roberto Bassi s group (CP29, 26, 24)

28 Liu et al. ature 2004 LHCII Trimer

29 PSII vnitřní anténa (CP43 a CP47) Ferreira et al. Science 2004

30 Absorption Absorpční spektrum LHCII Chl-a Chl-b Car Chl-b Chl-a Wavelength (nm)

31 Fotosystém I, Antenní pigmenty/rc: 136 Chlorofylů (96 Core) 126 Chl-a + 10 Chl-b 34 Karotenoidů (22 Core) Lhca1 8a + 2b Lhca2 6.5a + 3.5b Lhca3 8.5a + 1.5b Lhca4 7a + 3b Lhca proteiny tvoří vnější anténu pouze u eukaryot Ben-Shen et al., ature 2003

32 Absorpční spektrum PS I Červené chlorofyly k čemu jsou dobré? Gobets et al. BBA 2001, Casteletti et al. Biochemistry 2003

33 OD/cm Fotosyntéza ve vodě Filtrování vodním sloupcem Rozptyl světla (~1/ 4 ) Organické filtry Wavelength (nm) Fotosyntéza ve vodě by měla být optimalizována na sběr zelenožlutých fotonů

34 Peridinin chlorofyl-a protein (PCP) Vnější anténa připojená na stromatální straně tylakoidní membrány

35 Absorption PCP spektrum Chl-a Car 2 Chl-a 8 carotenoids Chl/Car = 1:4 Chl-a Chl-a Wavelength (nm)

36 LHC of PSII from Amphidinium 1 Chl-a Chl-c 8 Chl-a + 2 Chl-c 8 carotenoids Chl/Car = 5:4 Chl/Car = 7:2 (LHCII) Per/Dia Chl-a Per Chl-a/Chl-c Wavelength (nm)

37 Fykobilisomy sinic

38 Vodní sloupec zeslabuje intenzitu světla a povrchu: ~10 photons Chl -1 s m: ~1 photon Chl -1 s m: ~0.1 photon Chl -1 s m: ~3.5 photons Chl -1 hour -1 Jak přežívají organismy ve velkých hloubkách?

39 Strategie při nízkém osvitu Fotosyntéza za tmy 268 m pod hladinou moře Littler et al. ature 1985

40 Strategie za nízkého osvětlení 1. Zvýšení poměru Chl-b/Chl-a (zvýšení účinného průřezu v maximu spektra slunečního záření) 2. Syntéza Chl-a 2 and Chl-b 2 (divinyl Chl-a, Chl-b, lepší pokrytí v maximu spektra slunečního záření)

41 Přídavné antény u prochlorofyt Prochlorococcus SS120 Bibby et al., ature kopií Pcb proteinu kolem PSI přidá 270 molekul chlorofylu, čímž se znásobí světlosběrná kapacita PSI Prochlorotrix hollandica Bumba et al., BBA 2005

42 Chlorosomy zelených sirných baktérií Pšenčík et al. Biophys. J Frigaard et al. Photosynth. Res anténních molekul na RC!! Frigaard et al. J. Bacteriol. 2002

43 Solar spectral irradiance Absorbance (a.u.) Absorpční spektra chlorosomů Absorption spectra of chlorosomes 1.0 Chlorobium tepidum (BChl c) Chlorobium phaeobacterioides (BChl e) Wavelenght [nm] BChl-c (solid), BChl-d (broken), Saga 2004 BChl-g, eerken BBA

44 Extrémní fotosyntéza Zelená sirná baktérie, BChl-c jako hlavní pigment

45 Purpurové baktérie

46 Absorption LH2 spektrum LH2 from Rb. sphaeroides BChl-a BChl-a Car BChl-a Wavelength (nm)

47 Purpurové baktérie dál do infračervené oblasti Max 968 nm Max 1040 nm neidentifikovaná purpurová baktérie, BChl-a Permentier Bioch Značné spektrální posuvy způsobené interakcí s proteinem 770 nm v roztoku, 968 nm v proteinu Rps. viridis, BChl-b Monshouwer BBA 1995 Extrémní spektrální posuvy, specifické pro BChl-b 790 nm v roztoku, 1040 nm v proteinu

48 Xanthorhodopsin Protein z rodiny rhodopsinů, což jsou protonové pumpy využívající světlo jako primární zdroj energie ení to typická fotosyntéza Anténní funkce xanthorhodopsinu objevena v roce 2005, struktura vyřešena v roce 2009 ejjednodušší dosud známá anténa, obsahuje jeden anténní pigment, karotenoid salinixanthin, a jeden pigment s rolí reakčního centra - retinal

49 Solar spectral irradiance Sluneční záření využívané k fotosyntéze Chlorofylové antény Karotenoidy Fykobilisomy Zelené sirné baktérie Purpurové baktérie

50 Umělá fotosyntéza

51 Parametry slunečního záření Solární konstanta 1366 Wm TW 345 Wm TW K získání 1 GW energie je zapotřebí 3 km 2 + účinnost + spektrální závislost

52 Sluneční elektrárny Solar II, Mojave desert 10 MW standardní elektrárna, Southern California Edison 500 MW, Gut Erlasee Solar Park 12 MW Fotovoltaické panely 50 W/m 2 Serpa, Portugalsko 11 MW Fotovoltaické panely

53 Problém hustoty energie 1 ha fotovoltaických článků = 1 dm 3 jaderného paliva Temelín: 2 x 1020 MW na ploše m W/m 2 V případě jaderné fúze je hustota energie zhruba 4x vyšší než u štěpení (na kg paliva)

54 Sluneční energie - plocha pokrytí

55 Problém toku energie K zabezpečení plynulé dodávky elektrické energie je třeba plynulé dodávky zdroje energie Fosilní paliva, jaderné palivo, geotermální, biomasa, příliv Vetšina obnovitelných zdrojů energie nesplňuje podmínku plynulosti toku energie Voda, slunce, vítr utno zálohovat výrobu energie jinými zdroji Využít obnovitelných zdrojů k výrobě skladovatelné formy energie - paliva Umělá fotosyntéza

56 Fotosyntéza Primární zdroj energie v biosféře Atmosférický kyslík Účinnost ~0.2% Atmosférický oxid uhličitý

57 Umělá fotosyntéza apodobení a modifikace přírodních dějů Čistý a obnovitelný zdroj energie Zatím technologicky nedostupný Jules Verne, H 2 O --> 4H + + 4e - + O 2 --> 2H 2 + O 2 umělá fotosyntéza vodíku a kyslíku

58 Fotosystém II přenos elektronu P680 tzv. primární donor, chlorofyl-a, maximum absorpce 680 nm Ph pheophytin, první akceptor elektronu Q a, Q b chinony, sekundární akceptory elektronu Tyr tyrosin, poslední přenašeč elektronu na donorové straně Mn manganový klastr Ferreira et al., Science 2004

59 Jak napodobit přírodní procesy přírodní umělá Zdroj: Swedish Consortium for Artificial Photosynthesis

60 Přírodní vs. umělá fotosyntéza Ruthenium tris-bipyridyl: Tyrosin: Manganový komplex: primární donor, fotochemicky stabilní, snadno chemicky modifikovatelný intermediální přenašeč elektronu oxidace vody Akceptor: např. TiO 2 Zdroj: Swedish Consortium for Artificial Photosynthesis

61 Modely umělého reakčního centra Borgstrom, JACS 2005 Huang, JACS 2002 Zatím neexistuje systém schopný účinného štěpení vody pomocí světla

62 Purpurové baktérie

63 Umělé anténní systémy P64D64 H H O O H H O O H H O O H H O O Z n Z n Z n Z n P16D16 P4D4 H H O O Z n P1D1 Max Crossley, University of Sydney Porfyrinové dendrimery Abs , Velký účinný průřez

64 Umělé anténní systémy Komplexy přechodových kovů (Ru, Os) Abs nm ízký účinný průřez, rychlý přenos energie Sebastiano Campagna, University of Messina

65 Funkční problémy Problém struktury Přítomnost proteinu jako nosné struktury zabraňuje tvorbě izomerů a konformerů Možné řešení Fixace umělých komplexů na pevné podložky nebo do nanotrubic

66 Funkční problémy Problém znalostí ěkteré funkční a strukturní detaily přírodních systémů stále neznámé

67 Funkční problémy Problém účinnosti Reakce na umělých komplexech jsou výrazně pomalejší což vede k nízké účinnosti Možné řešení Další výzkum v oblasti fyzikální chemie, elektrochemie, organické syntézy...

68 Funkční problémy Problém konektivity Současné semifunkční modely reakčních center a antén jsou nepropojitelné, jelikož nejnižší energetický stav umělých anténních komplexů je příliš nízko

69 Umělá fotosyntéza Výborná myšlenka, která má potenciál zajistit čistý a obnovitelný zdroj energie Výsledky dosažené v poslední době = realizace (snad) možná Cesta k plně funkční umělé fotosyntéze bude dlouhá