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Assorbimento della luce, fotoprotezione
e fotosintesi artificiale
Accademia dei Georgofili 24 maggio 2012
DIPARTIMENTO DI SCIENZE CHIMICHE – UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PADOVA
Donatella Carbonera
cloroplasti
FASE LUMINOSA: produzione di NADPH e
ATP mediante utilizzo dell’energia luminosa
F ASE AL BUIO: sintesi dei carboidrati,
mediante l’utilizzo di NADPH e ATP, a partire
da CO2 e H2O
Reazioni
alla luce
2H2O
CO2
Reazioni
al buio
zuccheri
O2+ 4H+
Reazioni alla luce: processo di membrana
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6 O2
Lavoro biologico utile
gli organismi
fotosintetici
rappresentano
nanodispositivi
fotovoltaici
Complessi antenna
Energia elettrica
Energia chimica
Fotosintesi ossigenica: due fotosistemi lavorano in serie
Energia luminosa utilizzata per:
Estrazione di elettroni dall’acqua e riduzione di NADP+
Formazione di gradiente protonico e sintesi di ATP
Una macchina molecolare perfetta
•Efficienza di assorbimento in varie condizioni di illuminazione
•Electron Transfer in elevata resa: velocità elevata di ET e lenta di
ricombinazione (accoppiamento con reazioni di ossidazione dell’acqua e
riduzione di NADP+)
Complesso di core
Centro di reazione
Antenne periferiche
Antenne periferiche
Nano-scienza ispirata dalla Fotosintesi: realizzazione di
sistemi molecolari in grado di “mimare” il processo
fotosintetico naturale.
FOTOSINTESI ARTIFICIALE
Lego Chimico che utilizza le unità minime necessarie al processo
di sintesi di un ”combustibile” a partire da acqua e luce
FOTOSINTESI ARTIFICIALE: Nano-scienza ispirata dai processi biologici di fotosintesi
Antenna system:
Energy transfer
Reaction center:
Charge separation
• h
En.T
e-
Gust and Moore et al. J Phys Chem A (2002) 106, 2036
Sistemi combinati antenna- centro di reazione
centri di reazione artificiali
Photoexcited radical pair
Carbonera et al. JACS (2004) 126, 17074
95 GHz
t
MWs
LASER
EPR SIGNAL
TIME-RESOLVED EPR
B0 24
13 12
34
2 3
1
4
)ˆˆ3)(3
1(cos
2
1)1ˆ(ˆˆˆ 2222 SSDSJSSH ZZBBZAA
Spin-correlated radical pair mechanism
e-
e-
Gust, Moore, et al.
CPC60 triad CPPF triad TTFPC60 triad
3325 3345 3365B
0 (Gauss)
A
E
A
E
A
E
3330 3340 3350 3360B
0 (Gauss)
experimental
simulationC.+PC60
.- C.+PPF.- TTF.+PC60
.-
3335 3350 3365B
0 (Gauss)
experimental
simulation
D = -0.3 Gauss (dcc = 44 Å)
J =1.4 0.2 Gauss
D = -0.6 Gauss (dcc = 36 Å)
J =1.8 0.2 Gauss
D = -1.4 Gauss (dcc = 27 Å)
J =0.45 0.05 Gauss
Di Valentin, M. Bisol A., Fuhs M., Liddell PA., Moore AL., Moore TA., Gust D., Carbonera D. (2004). Photochemistry of artificial photosynthetic reaction center in
liquid crystals probed by multifrequency EPR (9.5 and 95 GHz). JACS 126. 17074-17086
Di Valentin, M.; Bisol, A.; Agostini, G.; Carbonera, D.; Electronic Coupling Effects on Photoinduced Electron Transfer in Carotene-Porphyrin-Fullerene Triads
Detected by Time-Resolved EPR J. Chem. Inf. Model; (2005)
C.+PC60.-
pentade
Gust, Moore, et al.
+ e- e- e-
Centro di reazione “multi step”
separazione spaziale delle cariche
e-
OXYGEN-EVOLVING
COMPLEX
Catalizzatori “bio-inspired”
hydrogenase
2H2O
O2
Uppsala 2004-05, Sascha Ott – Reiner Lomoth
D A LH
H O 2 2
O 2 +
e -
4H +
4H +
H 2 2
e -
• Resa quantica della separazione di carica
• Integrazione dei vari componenti in un
sistema completo
• Risposta alle variazioni di illuminazione
naturale (grandezza dell’antenna)
• Fotostabilità dei componenti
N
N N
N
Mg
OH
CO OCH3
HH
H3C
O O
H3C H H3C H
RC
Chl
S0
S1
O2
1O2 T1
ISC
danno ossidativo
dell’apparato
fotosintetico
Core-RC
TChl+0Car 0Chl+TCar
Clorofilla Carotene
T-T energy transfer
S0
S1
O2
T1 1O2
T1 F
ISC
N
N N
N
Mg
OH
CO OCH3
HH
H3C
O O
H3C H H3C H
HO
OH
Fotoprotezione mediante trasferimento tripletto-
tripletto
S=1
Gli stati di tripletto sono paramgnetici
risonanza magnetica di spin elettronico (EPR) LUMO
HOMO
TCar eredita la polarizzazione di spin da TChl
LH
C
LH
C
PCP
PSII
Dinoflagellates PSI
LH
CII
LH
CII
PSII
Higher Plants PSI
Light-Harvesting complex II
(LHC II)
da Spinacia oleracea
Peridinin Chlorophyll Protein
(PCP)
da Amphidinium carterae
PCP
LHC II
Quali sono i requisiti strutturali per un
“quenching “ efficace dei tripletti di clorofilla
da parte dei carotenoidi?
PCP dalle alghe
dinoflagellati
LHCII da piante
superiori
HO
O
HO
OAc
O
O
Peridinin
HO
OHLutein
Zhenfeng Liu et al. Nature, 428 (2004) 287
Jörg Standfuss et al. EMBO J., 24 (2005) 919
Hofmann et al. , Science 272 (1996) 1788
TPer
Di Valentin et al. BBA (2008) 1777, 186 Di Valentin et al.J. Phys. Chem. B (2009) 113, 13071
Individuazione delle coppie Chl-Car deputate alla fotoprotezione
280 300 320 340 360 380
E
B0 [mT]
A
Chl a 601
Per614
PCP
280 300 320 340 360 380 400
E
B0 [mT]
A
TLut
Chl a 612
Lut 620
LHCII
PP distance ( Å )
Centre to centre
distance (Å)
Per4
His
H2O
Cla612
Chl a-611-Lut 3.77 9.76
distance ( Å ) Centre to centre
distance (Å)
Chl a-610-Lut 3.61 9.91
Chl a-612-Lut 3.65 6.03
Caratteristiche dei siti
di quenching
Chl a-Per613
Chl a-Per611
Chl a-Per612
Chl a-Per614
4.14
4.50
3.70
9.94
8.57
8.97
4.71 5.36
PCP LHCII
PP
Asn
Ponte molecolare
PCP LHCII
Triplet Pulsed-ENDOR
PCP versus LHCII
-15 -10 -5 0 5 10 15 20
-H (MHz)
A>0
H
A<0
X+
Y+
Z+
-15 -10 -5 0 5 10 15 20
-H (MHz)
A>0
H
A<0
X+
Y+
Z+
1' 2' 3' 4' 5' 6' 7' 8' 9' 9 8 7 6 5 4 3 2 1
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Peridinin atom position
Spi
n D
ensi
ty
Lutein atom position
Peridinina
Luteina
LUMO
HOMO
LUMO
HOMO
)2()1()2()1( 12
2 D
HOMO
A
LUMO
A
HOMO
D
LUMOTTET reV
Di Valentin et al. BBA (2008) 1777, 295
TR-EPR ha permesso di individuare le coppie clorofilla-
carotene attive nel meccanismo di fotoprotezione
l
Aspetti strutturali comuni:
- distanze corte centro-centro Chl a - Car
- ponte molecolare interposto tra la coppia (Mg ligand )
- densità elettronica estesa ed omogenea negli orbitali
dei caroteni coinvolti nel transfer
Non photochemical quenching (NPQ)
N
N N
N
Mg
OH
CO OCH3
HH
H3C
O O
H3C H H3C H HO
OH
RC
Chl Car
S0
S1
O2
T1 T1
ISC
1O2
Non-photochemical quenching: il ciclo dell xantofille
low-light state quenched state Photosystem II Non-photochemical quenching
Modello per il riarrangimaneto strutturale del PSII
0 200 400 600 800 1000
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
NP
Q
Time (sec)
Light ON Light OFF
Rivelazione degli stati di tripletto in Physcomitrella patens
moss
Physcomitrella
patens
monochr.
Optically Detected Magnetic Resonance
(ODMR)
sec
767
737
727
992
972
948
880 920 960 1000 1040
MHz
640 680 720 760 800
MHz
TChl ODMR
640 680 720 760 800
640 680 720 760 800 MHz
180 200 220 240 260 280
180 200 220 240 260 280 MHz
TCar TChl
-40% -50%
-8% -7%
KO mutant
lacking psbs,
lhcsr1,lhcsr2,
WT
L’attivazione di NPQ riduce la formazione di stati di tripletto di
tutte le componenti osservate, appartenenti ai complessi antenna,
periferici e di core del PSII
xc
[MHz]
w
[MHz] dark illuminated
T1 737 0.5 16 0.2 -1 -0.59 0.05
T2 726 0.5 27 0.2 -0.29 0.02 -0.19 0.02
T3 767 0.5 11 0.2 -0.165 0.02 -0.05 0.002
T4 719 0.5 11 0.2 0 +0.11 0.01
Diadi artificiali carotene-ftalocianine riproducono gli effetti di
quenching degli stati di singoletto osservati nei complessi di “Light
harvesting naturali”
Pc Car
S0
S1
O2
T1 T1
ISC
1O2
Meccanismi di
quenching
proposti
Liao P., et al..(2012): Photos. Res, 111, 237
TCar
EPR spectrum
P
C
TTET
S0
S1
O2
ISC
3P
TCar 1O2
Carotenoporfirina (C-P) in grado di dare fotoprotezione da
ossigeno di singoletto, mediante TTET
Considerazioni finali
Solo recentemente la ricerca di base sulla fotosintesi e la
definizione dei meccanismi molecolari che la regolano ha
consentito alla ricerca finalizzata alla fotosintesi artificiale di
raggiungere la fase di maturità che permetterà l'integrazione
dei singoli componenti sviluppati per la realizzazione di un
sistema composito atto alla produzione di combustibile.
In questa prospettiva, le strategie future per la fotosintesi
artificiale dovrebbero includere anche la mimesi della
fotosintesi per quanto concerne i meccanismi di fotoprotezione
adottati dalla fotosintesi naturale.
Prof. Devens Gust
Prof. Ana Moore
Prof Thomas MOOre
Department of Chemistry & Biochemistry
Center for Bioenergy & Photosynthesis
Arizona State University
Dipartimento di Scienze Chimiche
Università di Padova Donatella Carbonera
Marilena Di Valentin
Department of Biology, Macquarie
University Australia Prof. Roger G. Hiller
Scuola Normale Superiore
Pisa
Prof. Vincenzo Barone
Prof. Orlando Crescenzi
Dr. Alfonso Pedone
Dr. Christopher Kay Research Departmenof Structural and
Molecular Biology ,University of London
Dipartimento di Biologia
Università di Padova Tomas Morosinotto
Fotosintesi artificiale
Fotosintesi