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 Solarspectralirradiance 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 Soret Qy 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 1 log log I A C l I T  e   Lambert-Beerův zákon Absorpce:  A de    Absorpce, síla oscilátoru a dipólový moment přechodu   max max 0.12D e     2 9 20 2 4 ln10 4.319 10 M.cme mn A m c f A A N e e     Síla oscilátoru přechodu m-n: Pro Gaussovský absorpční pás pološířky  s extinkčním koeficientem v maximu emax platí 9 9max max4.319 10 6.784 10 2 mnf e e       Souvislost síly oscilátoru s dipólovým momentem přechodu: 27 4.702 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 S0 S1 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 S0 S1 T1    ** AkA dt d r              t AA 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 d J F d  e          Emisní spektrum donoru se musí překrývat s absorpčním spektrem akceptoru (zákon zachování energie)     4 ( ) ( )D A D F d J F d  e          Mechanismy přenosu energie D * A D A * Förster Dipólová (Coulombická) interakce D * A D A * Dexter Výměna elektronů 1 2 aV J   Rychlost přenosu energie: 3 R cV 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 fs200 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 triplettripletní 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 400 500 600 700 800 300 400 500 600 700 800 300 400 500 600 700 800 0 fs 50 000 fs3 000 fs500 fs Měření přenosu energie 500 550 600 650 700 750 Wavelength (nm) Time -0.02075 -0.01875 -0.01675 -0.01475 -0.01275 -0.01075 -0.008750 -0.006750 -0.004750 -0.002750 -7.500E-4 0.001250 0.003250 0.005250 0.007250 0.009250 0.01125 0.01325 0.01525 0.01725 0.01770 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) Time -0.02075 -0.01875 -0.01675 -0.01475 -0.01275 -0.01075 -0.008750 -0.006750 -0.004750 -0.002750 -7.500E-4 0.001250 0.003250 0.005250 0.007250 0.009250 0.01125 0.01325 0.01525 0.01725 0.01770 500 550 600 650 700 750 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 A(mOD) Wavelength (nm) 0.2 0.5 1 4 10 0 5 10 15 20 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 A(mOD) 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 Absorption 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 Absorption 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 Solarspectralirradiance 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 Absorbance(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 Absorption 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 Solarspectralirradiance 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 NN N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N NH HN O O N N N N HN NH O O N N N N NH HN O O N N N NHN HN O O N N Zn Zn ZnZn N N N N N N N N N N NN N N P16D16 P4D4 N N N N H N N H O O Zn 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