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