světlosběrné systémy fotosyntetických organismů...monshouwer bba 1995 extrémní spektrální...

Světlosběrné systémy fotosyntetických organismů

Tomáš Polívka

Ústav fyzikální biologie Jihočeská univerzita

Světlosběrný systém = anténa

Cover photo from Ph.D. Thesis by M. Visser

oxygenní

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

0

So

lar

sp

ec

tra

l ir

rad

ian

ce

Spektrum slunečního záření

0.2-2 mE m-2 s-1 = 1020-1021 fotonů m-2 s-1

Proč antény?

0.2-2 mE m-2 s-1 = 1020-1021 fotonů m-2 s-1

Účinný průřez molekuly chlorofylu: ~1 Å2

1-10 fotonů Chl-1 s-1

Zvýšení intenzity až 102-106

Chlorofyly

Chlorofyl a,b,d

Chlorofyl c

Spektroskopie chlorofylů

400 450 500 550 600 650 700 750

0

1

Qx

Qy

A

Wavelength (nm)

Chlb

Chld

Chla

Soret

Qy

Qx

Soret

Intenzita absorpčních pásů je dána dipólovým momentem přechodu

Polohy absorpčních pásů dány interakcí s prostředím

Bakteriochlorofyly

Chlorofyl

Bakteriochlorofyl

Bakteriochlorofyl - a

Spektroskopie bakteriochlorofylů

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850

0

1

Qx

Qy

A

Wavelength (nm)

Bchla

Chla

SoretQy Soret

BChl-a 770 365

BChl-b 795 375

BChl-c 665 435

BChl-d 655 425

BChl-e 655 470

BChl-g 765 365

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

Karotenoidy

Karoteny (uhlovodíky)

b-carotene Izolován v roce 1831

Xantofyly (obsahují kyslík)

Zeaxanthin Izolován v roce 1837

Syntetizovány pouze rostlinami a mikroorganismy, celková produkce ~108 tun ročně

Značná variabilita, dosud popsáno přibližně 1000 různých karotenoidů

peridinin crocin

Moran & Jarvik, Science 2010 – mšice se syntézou karotenoidů!

S2

S1

50-200 fs

0.5-100 ps

S0 350 400 450 500 550

Wavelength (nm)

Spektroskopie karotenoidů

Přírodní barviva, silně absorbují v modro-zelené oblasti spektra

Zakázaný excitovaný stav ležící níže než absorbující energetický stav Schulten & Karplus, Chem. Phys. Lett. 1972, 14, 305.

Na rozdíl od jiných barviv, nemají téměř žádnou emisi (F < 10-4)

Excitované stavy karotenoidů

lycopene

b-carotene

violaxanthin

zeaxanthin

peridinin

S0 (1Ag- )

S1 (2Ag- )

S2 (1Bu+ )

SN

S*,S‡

1Bu-

3Ag-

ICT

Fykobiliny Fykocyanobilin

Fykoerytrobilin

Fykobiliny jsou pigmenty specifických proteinů, fykobiliproteinů,

které tvoří anténní komplexy sinic - fykobilisomy

Absorbují zejména v oblasti 500-650 nm, tj. v oblasti kde chlorofyly

ani karotenoidy neabsorbují

Absorpční pásy

I0 – intenzita před vzorkem, I – intenzita za vzorkem,

l – optická dráha ve vzorku, C – koncentrace, e – extinkční koeficient

0 1log log

IA C l

I T e Lambert-Beerův zákon

Absorpce: A de

Absorpce, síla oscilátoru a dipólový moment přechodu

max

max

0.12De

29 20

2

4 ln104.319 10 M.cme

mn

A

m cf A A

N e

e Síla oscilátoru přechodu m-n:

Pro Gaussovský absorpční pás pološířky s extinkčním koeficientem v

maximu emax platí

9 9maxmax4.319 10 6.784 10

2mnf

ee

Souvislost síly oscilátoru s dipólovým

momentem přechodu:

274.702 10mn mn mnf

Užitečný vztah

(výpočet dipólového momentu

z absorpčního spektra)

max

emax

Jednotky: – Debye, emax – M-1.cm-1, ,max – cm-1

Typy přechodů

Zářivé vs. nezářivé

Energie uvolněná jako foton zářivý přechod

1

S 0

S 1

T(0,0)

T

0 1 2

0 1 2

0 1 2

Spinově povolený fluorescence

Spinově zakázaný fosforescence

Energie disipována do prostředí nezářivé přechody

Spinově zakázaný intersystem crossing

Spinově povolený Vibrační relaxace Vnitřní konverze

Doby života excitovaných stavů

S 0

S 1

T 1

** AkAdt

dr

tAA t exp** 0

Time

Souhrn

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

Překryvový integrál

4

( ) ( )D A

D

F dJ

F d

e

Emisní spektrum donoru se musí překrývat s absorpčním spektrem

akceptoru (zákon zachování energie)

4( ) ( )D A

D

F dJ

F d

e

Mechanismy přenosu energie

D*

A D A*

Förster Dipólová (Coulombická) interakce

D*

A D A*

Dexter Výměna elektronů

1 2aV J

Rychlost přenosu energie:

3RcV AD

F

LR

D eV 2

2V

V

E1 E2

E1 = E2

Excitonová interakce:

Střední vzdálenosti (10-100 Å) Střední velikosti dipólů

Beze změny spinu

Malé vzdálenosti (<10 Å) Malé dipóly Změna spinu

V – interakční člen J – překryvový integrál

R – vzdálenost donor-akceptor – orientační faktor

L – souvisí s překryvem orbitalů

Malé vzdálenosti, Velké dipóly

Už nelze mluvit o donoru a akceptoru,

díky excitonové interakci se chovají jako jedna molekula

Příklady mechanismů (anténa purpurových baktérií)

Car

80 fs 80 fs

200 fs 200 fs

700 fs

B850

Qy

Qx

B800

Qy

Qx

• 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 triplet-

tripletní přenosem mezi B850 a karotenoidem: Dexterův přenos, zanedbatelný dipól, malá vzdálenost, spinově zakázaný

Měření přenosu energie

Detektor

Excitace

Sonda

Zpoždění

1 ps = 0.3 mm

300 400 500 600 700 800300 400 500 600 700 800300 400 500 600 700 800

300 400 500 600 700 800

0 fs 50 000 fs 3 000 fs 500 fs

Měření přenosu energie

500 550 600 650 700 750

Wavelength (nm)

Tim

e

-0.02075-0.01875-0.01675-0.01475-0.01275-0.01075-0.008750-0.006750-0.004750-0.002750-7.500E-40.0012500.0032500.0052500.0072500.0092500.011250.013250.015250.017250.01770

A B

ESA

BL

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

Měření přenosu energie

500 550 600 650 700 750

Wavelength (nm)

Tim

e

-0.02075-0.01875-0.01675-0.01475-0.01275-0.01075-0.008750-0.006750-0.004750-0.002750-7.500E-40.0012500.0032500.0052500.0072500.0092500.011250.013250.015250.017250.01770

500 550 600 650 700 750

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

A

(m

OD

)

Wavelength (nm)

0.2

0.5

1

4

10

0 5 10 15 20

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

A

(m

OD

)

Time (ps)

488

630

672

Global fitting Simultánní fitování kinetik na

všech měřených vlnových délkách

Fotosyntetické antény

Taxonomie antén

Anténní systém fotosystému II

Anténní pigmenty/RC: 99 Chlorofylů 71 Chl-a + 28 Chl-b 25 Karotenoidů LHCII 24a + 18b CP29 6a + 2b CP26 6a + 3b CP24 5a + 5b CP43 14a CP47 16a

Nield et al. Nature 2000 Liu et al. Nature 2004 (LHCII, CP43+47) Roberto Bassi’s group (CP29, 26, 24)

LHCII Trimer

Liu et al. Nature 2004

PSII vnitřní anténa (CP43 a CP47)

Ferreira et al. Science 2004

Absorpční spektrum LHCII

350 400 450 500 550 600 650 700 750

0

Car

Chl-b

Chl-b

Chl-a

Absorp

tion

Wavelength (nm)

Chl-a

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., Nature 2003

Absorpční spektrum PS I

Gobets et al. BBA 2001, Casteletti et al. Biochemistry 2003

„Červené“ chlorofyly – k čemu jsou dobré?

Fotosyntéza ve vodě

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

400 450 500 550 600

0.000

0.001

0.002

0.003

OD

/cm

Wavelength (nm)

Fotosyntéza ve vodě by měla být optimalizována na sběr „zelenožlutých“ fotonů

•Filtrování vodním sloupcem

•Rozptyl světla (~1/4) •”Organické” filtry

Peridinin chlorofyl-a protein (PCP)

Vnější anténa připojená na stromatální straně tylakoidní membrány

PCP spektrum

400 500 600 700

Car

Chl-a

Chl-a

Ab

so

rpti

on

Wavelength (nm)

Chl-a

2 Chl-a 8 carotenoids Chl/Car = 1:4

LHC of PSII from Amphidinium

400 450 500 550 600 650 700

0

1

Per/Dia

Per

Chl-a/Chl-c

Chl-cChl-a

Wavelength (nm)

Chl-a

8 Chl-a + 2 Chl-c 8 carotenoids Chl/Car = 5:4 Chl/Car = 7:2 (LHCII)

Fykobilisomy sinic

Vodní sloupec zeslabuje intenzitu světla

Jak přežívají organismy ve velkých hloubkách?

Na povrchu: ~10 photons Chl-1 s-1

40 m: ~1 photon Chl-1 s-1

110 m: ~0.1 photon Chl-1 s-1

210 m: ~3.5 photons Chl-1 hour-1

Littler et al. Nature 1985

Fotosyntéza za tmy 268 m pod hladinou moře

Strategie při nízkém osvitu

Strategie za nízkého osvětlení

1. Zvýšení poměru Chl-b/Chl-a (zvýšení účinného průřezu v maximu spektra slunečního záření)

2. Syntéza Chl-a2 and Chl-b2 (divinyl Chl-a, Chl-b, lepší pokrytí v maximu spektra slunečního záření)

Přídavné antény u prochlorofyt

Prochlorococcus SS120 Bibby et al., Nature 2001

Prochlorotrix hollandica Bumba et al., BBA 2005

18 kopií Pcb proteinu kolem PSI přidá 270 molekul chlorofylu, čímž se znásobí

světlosběrná kapacita PSI

Chlorosomy zelených sirných baktérií

Frigaard et al. Photosynth. Res. 2003

Pšenčík et al. Biophys. J. 2004

Frigaard et al. J. Bacteriol. 2002 106 anténních molekul na RC!!

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

0

So

lar

sp

ec

tra

l ir

rad

ian

ce

Absorpční spektra chlorosomů

BChl-g, Neerken BBA 2001

BChl-c (solid), BChl-d (broken), Saga 2004 400 500 600 700 800

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Ab

so

rba

nce

(a

.u.)

Chlorobium tepidum (BChl c)

Chlorobium phaeobacterioides (BChl e)

Absorption spectra of chlorosomes

Wavelenght [nm]

Extrémní fotosyntéza

Zelená sirná baktérie, BChl-c jako hlavní pigment

Purpurové baktérie

LH2 spektrum

400 500 600 700 800 900

BChl-a

BChl-a

BChl-a

Ab

so

rpti

on

Wavelength (nm)

Car

LH2 from Rb. sphaeroides

Purpurové baktérie – dál do infračervené oblasti

Rps. viridis, BChl-b Monshouwer BBA 1995

Extrémní spektrální posuvy, specifické pro

BChl-b

790 nm v roztoku, 1040 nm v proteinu

neidentifikovaná purpurová baktérie, BChl-a

Permentier Bioch. 2001

Značné spektrální posuvy způsobené interakcí s proteinem

770 nm v roztoku, 968 nm v proteinu

Max 968 nm Max 1040 nm

Xanthorhodopsin

Nejjednodušší dosud známá anténa, obsahuje jeden anténní pigment, karotenoid salinixanthin, a jeden pigment s rolí reakčního centra - retinal

Protein z rodiny rhodopsinů, což jsou protonové pumpy využívající světlo jako

primární zdroj energie

Není to „typická“ fotosyntéza

Anténní funkce xanthorhodopsinu objevena v roce 2005, struktura

vyřešena v roce 2009

Chlorofylové antény

Karotenoidy

Zelené sirné baktérie

Fykobilisomy

Purpurové baktérie

Sluneční záření využívané k fotosyntéze

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

0

So

lar

sp

ec

tra

l ir

rad

ian

ce

Umělá fotosyntéza

Parametry slunečního záření

K získání 1 GW energie je zapotřebí 3 km2

1366 Wm-2

Solární konstanta

174 000 TW

345 Wm-2

44 000 TW

+ účinnost + spektrální závislost

Sluneční elektrárny

Solar II, Mojave desert 10 MW „standardní“ elektrárna, Southern California Edison 500 MW,

Gut Erlasee Solar Park 12 MW

Fotovoltaické panely Serpa, Portugalsko 11 MW Fotovoltaické panely

50 W/m2

Problém hustoty energie

1 ha fotovoltaických článků = 1 dm3 jaderného paliva

1645W/m2

Temelín: 2 x 1020 MW na ploše 1240000 m2

V případě jaderné fúze je hustota energie zhruba 4x vyšší než u štěpení (na kg paliva)

Sluneční energie - plocha pokrytí

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

Nutno zálohovat výrobu energie jinými zdroji

Využít obnovitelných zdrojů k výrobě skladovatelné formy energie - paliva

Umělá fotosyntéza

Atmosférický kyslík

Atmosférický oxid uhličitý

Fotosyntéza Primární zdroj energie v biosféře

Účinnost ~0.2%

Umělá fotosyntéza

• Napodobení a modifikace přírodních dějů

• Čistý a obnovitelný zdroj energie

• Zatím technologicky nedostupný

umělá fotosyntéza vodíku a kyslíku

2H2O --> 4H+ + 4e- + O2 --> 2H2 + O2

Jules Verne, 1875

Fotosystém II – přenos elektronu

• P680 – tzv. primární donor, chlorofyl-a, maximum absorpce 680 nm

• Ph – pheophytin, první akceptor elektronu

• Qa, Qb – chinony, sekundární akceptory elektronu

• Tyr – tyrosin, poslední přenašeč elektronu na donorové straně

• Mn – manganový klastr

Ferreira et al., Science 2004

Jak napodobit přírodní procesy

přírodní

umělá

Zdroj: Swedish Consortium for Artificial Photosynthesis

Přírodní vs. umělá fotosyntéza

Ruthenium tris-bipyridyl: primární donor, fotochemicky stabilní, snadno chemicky modifikovatelný Tyrosin: intermediální přenašeč elektronu Manganový komplex: oxidace vody Akceptor: např. TiO2

Zdroj: Swedish Consortium for Artificial Photosynthesis

Modely umělého reakčního centra

Borgstrom, JACS 2005 Huang, JACS 2002

Zatím neexistuje systém schopný účinného štěpení vody pomocí světla

Purpurové baktérie

Umělé anténní systémy

P64D64

N

N

N

N N

N

N

N

N

N

N

N N

N

N

N

N

N

N

N

N

N N

N

N

N

N

N

N N

N

N

N

N

N N

N

N

N

N

N

N

N N

N

N

N

N

N

N

N

N

N N

N

N

N

N

N

N N

N

N

N N

N N H

H N

O O

N N

N N

H N

N H

O

O

N N

N N

N H

H N

O

O

N

N N

N H N

H N

O O

N N

Z n Z n

Z n Z n

N

N

N

N N

N

N

N

N

N

N N

N

N

P16D16

P4D4

N

N

N

N

H N

N H

O

O

Z n

P1D1

Max Crossley, University of Sydney

Porfyrinové dendrimery Abs. 400-450, 520-630 Velký účinný průřez

Umělé anténní systémy

Sebastiano Campagna, University of Messina

Komplexy přechodových kovů (Ru, Os) Abs. 400-700 nm Nízký účinný průřez, rychlý přenos energie

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

Funkční problémy

Problém znalostí Některé funkční a strukturní detaily přírodních systémů stále neznámé

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...

Funkční problémy

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

Umělá fotosyntéza

Cesta k plně funkční umělé fotosyntéze bude dlouhá

Výborná myšlenka, která má potenciál

zajistit čistý a obnovitelný zdroj energie

Výsledky dosažené v poslední době = realizace (snad) možná