Electron Donor Systems in Natural and Artificial Photosynthesis

• Photosynthesis is the process by which light energy is converted into chemical products, in photoautotrophic bacteria, algae and plants. The principal idea is the production of reducing agents by photo-induced oxidation of a sacrificial electron donor. Photosystem II in plants, algae and cyanobacteria, absorbs light and catalyzes the oxidation of water, liberating electrons that are used to form reductants. By capturing light, plants and algae provide the entire biosphere with an electron source for the buildup of living tissue. The active site for photosynthetic water oxidation contains a tetranuclear manganese cluster and a redox active tyrosyl residue. Together with the photosensitizer chlorophylls in the reaction center of Photosystem II, the manganese and the tyrosine activate and split water molecules into molecular oxygen, electrons and protons. In the first part of this thesis the nature of the manganese binding site, and the electron transfer reactions involved in the assembly of the manganese cluster were investigated. Selective chemical modification of histidyl and carboxylic acid residues was conducted on the manganese binding area of Photosystem II. Kinetic studies of manganese binding after chemical modification revealed binding sites with different affinity for manganese. Two binding sites containing histidines were found, and two or more sites of carboxylic acid residues. The participation of the redox active cofactors Tyrosine-D and cytochrome-b559 in the activation of the water oxidizing center was studied using EPR spectroscopy. Tyrosine-D and cytochrome-b559 was found to aid Photosystem II in the assembly of a functional manganese cluster, by acting as auxilliary electron donors, and in the case of cytochrome-b559 under high light intensities, also as auxilliary electron acceptor. The two cofactors thereby prevent light-induced protein damadge during activation of the water oxidizing complex. In the second part of the thesis, the properties and reactions of novel compounds, synthesized with the objective to mimic the water oxidizing complex, were studied by optical and EPR spectroscopy. A ruthenium complex, serving as photosensitizer, was covalently connetced to a tyrosine. Light-induced electron transfer from the tyrosine to the ruthenium part was generated in the complex, similar to the reactions in Photosystem II. This super-molecule was then allowed to react with a synthetic dinuclear manganese complex. Electron transfer from manganese to the photooxidized tyrosine was observed, thereby mimicking the stepwise electron transfer reactions that take place on the electron donor side of Photosystem II. This is the first functional mimic of the water oxidizing triad in Photosystem II, and a new platform for regenerative electron donor systems in artificial photosynthesis.

• Popular Abstract in Swedish Fotosyntesen är den process i växter, alger och fotoautotrofa bakterier, där solljusets energi fångas i kemiska föreningar och levande materia. Avsikten med konstgjord fotosyntes är på lång sikt att framställa bränsle (t ex vätgas) med hjälp av solenergi och vatten, enligt fotosyntesens principer. I växter är den centrala principen för denna process, som är den viktigaste för livet på jorden, att skapa biologiska reduktionsmedel genom att ta elektroner från vatten. Vatten är en ovillig elektrondonator, och den energi som krävs för reaktionen erhålls ur solljuset. Fotosystem II är ett membranbundet enzym i växter och alger, som absorberar rött ljus varefter ett potentialfall skapas över membranet. Detta tillstånd av hög energi leder till att vatten oxideras, och att molekylärt syre (det syre vi sedan andas) avges som "avfallsprodukt". De frigjorda elektronerna används sedan till koldioxidfixering och uppbyggnad av växtcellens beståndsdelar. Genom att spjälka vatten har växterna erövrat ett outtömligt "elektronförråd", och därmed hela världen. Växter och alger förser på så vis hela jorden med kemiskt bunden energi. Med dagens höga energibehov vore det önskvärt att utveckla ett miljövänligt energisystem som utnyttjar förnyelsebara energikällor och producerar lagringsbar energi. Ett energisystem byggt på samma principer som fotosyntesen vore kanske en lösning på världens energiproblem. Avhandlingen rör dels kemiska aspekter av det vattenspjälkande centret i Fotosystem II, dels nya, konstgjorda molekylära system, som är utformade för att härma detta. Det vattenspjälkande centret utgörs huvudsakligen av tre delar: En fotosensiterare som består av klorofyllmolekyler, en kemiskt aktiv aminosyra (en tyrosin) och ett mangankomplex, bestående av fyra manganjoner. Klorofyllerna absorberar ljus och deltar i den laddningsseparation som utgör drivkraften för vattenspjälkningen. Den oxidativa kraften flyttas från klorofyllerna till tyrosinen, som i sin tur driver på spjälkning av de vattenmolekyler som man tror binder till mangankomplexet. Mangankomplexets struktur och funktion är ännu inte klarlagd, exempelvis vet man inte hur manganjonerna är bundna till proteinet i Fotosystem II. I den första halvan av avhandlingen har specifik kemisk förändring av vissa aminosyror använts för att undersöka vilken typ av ligander som manganerna binder till. Av resultaten att döma är det sannolikt att två olika histidiner (kväveinnehållande aminosyror) binder olika manganjoner, samt att ett flertal karboxylsyra ligander med olika affinitet för mangan deltar i bindningen av mangankomplexet. När Fotosystem II kommer till, skapas det först utan mangankomplex. Ljus är nödvändigt för att sammanfoga mangankomplexet, och "aktivera" vattenspjälkningen. Vi undersökte hur två komponenter i Fotosystem II, som inte verkar ha någon uppgift i ett normalt fungerande system, deltar i denna ljusaktivering. Slutsatsen var att de två komponenterna utgör ett skydd under aktiveringen av det vattenspjälkande centret genom att fungera som elektrongivare vid tillfällen då laddningsseparationen ger upphov till långlivade radikaler. Den andra hälften av avhandlingen behandlar utvecklingen av biomimetiska system, som analogt med Fotosystem II ska kunna fånga ljusenergi, skapa laddnigsseparation och lagra den fångade energin, genom att ta elektroner från vatten. Ett nytt molekylärt system tillverkades, som bygger på ett kemiskt komplex med rutenium som har samma förmåga att fungera som fotosensiterare som klorofyllmolekyler. Till detta komplex fogades en tyrosin, i analogi med den aktiva tyrosinen i Fotosystem II. Vi fann att rutenium-tyrosin-komplexet kunde skapa laddningsseparation, och när ett konstgjort mangankomplex tillsattes, kunde vi iaktta att en elektron togs från mangankomplexet. De kemiska reaktioner som det konstgjorda systemet genomgick, var alltså på många sätt lika de reaktioner som sker i Fotosystem II. Därmed uppfyller vår konstgjorda triad en del av de egenskaper som krävs för att härma den fotosyntetiska vattenspjälkningen, och är ett viktigt steg mot förverkligandet av drömmen om konstgjord fotosyntes.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Biologi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Biological Sciences (hsv//eng)

Nyckelord

solar energy

artificial photosynthesis

Photosystem II

EPR

Biology

Biologi

Publikations- och innehållstyp

dok (ämneskategori)

vet (ämneskategori)