Kvetoslava Burda

1. Bionika fotosyntezy
w medycynie i energetyce
Květoslava Burda

2. Materią ożywioną
są wysoce zorganizowane układy,
które by przetrwać potrzebują
ciągłego dostarczania energii.
Energia słoneczna dostarcza energii do
powstawania i ewolucji życia na Ziemi.
Fotosynteza (3.8 mld lat temu)
E Broda (1975) – komórka drożdży zużywa 105 raza więcej energii / g s
niż ta emitowana przez gram Słońca
Komórki czarne dziury dla energii

3. Pierwotne źródła energii na Ziemi
1000.00001Fale uderzeniowe,
meteoryty
?0.00001wulkany
?0.0001radioaktywność
100.0005rekombinacja ładunków
elektrycznych
6 x φ70VIS 400-800 nm
3 x φ9bliski UV 300-400 nm
2 x φ0.4UV 200-300 nm
1 x φ∗0.004daleki UV < 200 nm
Kwantowa wydajność
fotoenergetyczna
reakcji [nmol/J]
Energia na jednostkę czasu i
powierzchni [mW/cm2]
∗φ – [mol produktu / mol zaabsorbowanych fotonów]
Czy to ta energia jest potrzebna do rozwoju życia na Ziemi?

4. Plik EM Spectrum Properties pl.svg znajduje się w Wikimedia Commons – repozytorium wolnych zasobów.

5. Jak było na początku?
Wysoka temperatura blisko równowagi chemicznej
zero energii swobodnej, a więc bezużyteczna dla życia
Ochładzanie przejścia fazowe generujące energię swobodną
brak jednak połączenia z reakcjami chemicznymi i redox
Dlatego ciągłe źródło energii było konieczne …

6. „Fotostabilność” reakcji wymaga: Cykliczności reakcji
substraty
substraty w stanie wzbudzonym
produkty
regeneracja fotoaktywnej molekuły
światło
akumulacja
energii swobodnej
Obecnie życie na Ziemi całkowicie zależy od fotosyntezy:
tlenu, redukcji węgla, asymilacji azotu

7. „Odciski” fotosyntezy,
czyli co wiemy o początkach życia na Ziemi?
wiek Ziemi – ok. 4.5 mld. lat
pierwszy metabolizm produkcji ATP – ok. 300-400 mln. lat temu
?
Poszukiwania pre-LUCA
Last Universal Common Ancestor
Badania pleontologiczne , izotopowe
Tylko 60 białek wspólnych znaleziono w: - Bakteriach
- Archae (jednokomórkowy mikroorganizm żyjący
w warunkach esktremalnych)
- Eukariotach
a więc prawdopodobnie obecnych w LUCA

8. Fotosynteza tlenowa
Fotosynteza beztlenowa
Bakterie purpurowe
Bakterie zielone
Heliobakteria
Zielone bakterie
siarkowe
Archea
?
Cjanobakterie
PSII PSI
Glony,
Rośliny zielone
endosymbioza
TYP Q
TYP FeS

9. Fotosynteza
beztlenowa
tlenowa
(pierwsze organizmy – cjanobakterie)
(zw. organiczne, Fe2+, H2)
Kiedy zaczęła się fotosynteza tlenowa???
Wraz z pojawieniem się cjanobakterii, 2-1.5 mld lat temu?
Badania tlenków żelaza z pra-oceanów
Ostatnie doniesienia wskazują na obecność tlenu na dnie oceanów już ok. 3.5 mld lat
temu.

12. W procesie fotosyntezy:
RubisCO – enzym odpowiedizalny za wyłapywanie CO2
(1.8 % 12CO2 więcej niż w atmosferze)
W skałach 0.7% 13CO2 więcej niż w atmosferze
(wzrost efektu izotopowego δ13C w skałach do 1.8 % – 2.5 %, świadczy
o istnieniu procesu fotosyntezy)

13. Podobieństwo struktur centrów reakcji (RC)

14. Jones at al.

15. O2 + 4H+ + 4e-2H2O
Photosystem II
Mn Ca2+ Cl-

16. Chloroplast Mitochondrium
Cykl
Calvina
Cykl
Krebsa
CH O2
CO 2
H ½ O2 2+X
H O2
½ O + H2 2 X
H O2
∆E=1.1 eV∆E=1.1 eV
hν
matriks grzebienietylakoidy stroma
lipidy
bialka
cukry
Fotosynteza Oddychanie

17. Pc
PQ
Fotosystem II Fotosystem IKompleks
cyt. b6/f
H O2 H+
O2
H+
swiatlo
swiatlo
H+
e-
e
-
e-
e-
e-
e-
e-
αα β
H+
FeS
NADP+
NADPH
ADP + Pi
ATP
lumen
Stroma
Faza świetlna fotosyntezy w roślinach wyższych

18. Fotosystem II

20. Organizmy fotosyntetyzjące wytworzyły systemy obronne chroniące je
przed stresem tlenowym.
W procesach tych uczestniczą przede wszystkim :
β-karoten, witaminy A, C, E, czy też polifenole,
które wytwarzane są przez rośliny i glony.

21. Ferreira et al. 2004 Science

22. Sztuczna pompa protonowa
Gust et al. J.Am Chem Soc. 1997
BIONIKA FOTOSYSTEMU II
w energetyce

23. Sztuczne błony
Akumulacja energii
w postaci ATP.

24. Bennet et al. Nature 2002
Sztuczna pompa jonowa
akumuluje 120 mV potencjał
błonowy dla wyjściowego
stężenia jonów Ca2+ 1 mM.
-Ca2+
+Ca2+

25. e- e-
donor akceptorantena
1 2
BIONIKA FOTOSYSTEMU II
w energetyce

26. Zużycie roczne = 5 x 1016 kcal
200 lat
Rezerwy paliwowe = 1019 kcal
5 x 1016 kcal to ok. 6 x1013 kWh
1.8 x 10 kcal
20
4.2 x 10 kcal
2 x 10
kcal
20
4 x 10 kcal
20
4 x 10 kcal
17
2 x 10 kcal
17
4 x 10 kcal (zywnosc)
15
8 x 10 kcal (paliwo, surowce)
15
20
2 x 10 kcal
16
1.2
x
10
kcal
21
Lad
{
(niewykorzystana masa biologiczna)
Bilans roczny

27. Wydajność energetyczna
MJ / l
MJ / kg
Olej Benzyna Metan (l) Metan (g) Metanol H2 (l) H2 (g)
napędowy 200 bar 200 bar

28. Bakterie purpurowe
przy braku azotu
wydzielają wodór
Sinice, które wydzielają
ok. 50% węglowodanów
do środowiska
H2
O2
woda
ogniwo

29. stroma
lumen
Błona PQ pula
Chl antena
Chl antena
skrobia
H2
Glony
Ogniwo prad
swiatlo
O2
H O2

30. Chlamydomonas
renhardtii H2 gaz
H O2 O2
swiatlo C O2
skrobia
Faza I
H O2 O2
swiatlo H2
Faza II
Czas [h]

31. H2 kanał
Miejsce wiązania O2 ?
2Fe-2S --- H
Fe - hydrogenasa

32. metal
e
-
e
-
O2
H2O
H2
H2O
e-
h+
SrTiO3
KTaO3
TiO2
SnO2
Fe2O3
Fotoogniwo przetwarza energie słoneczną na prąd i energię chemiczną

33. + SO4
-2
- SO4
-2
X
Wzrost
fotosyntetyczny
Beztlenowa
produkcja H2
O2 H2
powietrze
Slonce
prąd + woda
a jest
4.5 ml H2 / h dla 9 µg Cl/ml
było
1.5 ml H2 / h dla 9 µg Cl/ml

34. Z katalizatorem Cat1Bez katalizatora
Lub połączenie dwóch układów
z różnymi katalizatorami Cat1 i Cat2
Układy półprzewodnikowe
J Royal Soc 2013, Barber

35. Przykładowe syntetyczne katalizatory Cat 1 procesu wydzielania O2 z wody
J Royal Soc 2013, Barber
Co4O16 pomiędzy PW9O36
Układ występujący w naturalnych
fotosystemach

36. Przykładowe syntetyczne katalizatory Cat 2 procesu wydzielania H2
J Royal Soc 2013, Barber
Układ występujący w naturalnych
fotosystemach

37. c
Bionika wydzielania tlenu z wody
Energy Env. Sci. 4 (2011)
J Phys Chem C 116 (2012)

38. Bionika wydzielania H2
J Am Chem Soc 131 (2009)
Angew Chem In Ed 49 (2010) Chem Eur J 18 (2012)

39. Sztuczny liść (idea NiOx
/SrTiO3
/Ni)
Daniel Nocera MIT
Science 334 (2011)
amorficzny krzem

40. Przykład potrójnie pożytecznej roślinki domowej.
Dziękuję za uwagę

41. 2H2O + CO2 + 8 hν → CH2O + O2 + H2O