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