Fotosystem II, czyli nasza odpowiedź dla zużywanego węgla

Struktura krystaliczna fotoukładu II. /Przedruk za zgodą Macmillan Publishers Ltd: Umena et al., Nature 473:55–60 ©2011
źródło: flickr; Jason A. Samfield (CC BY-NC-SA 2.0)

ResearchBlogging.org

Na liście największych odkryć naukowych 2011 roku znalazło się rozwiązanie (bardzo wysokiej jakości) struktury białka znanego jako fotosystem (lub bardziej po naszemu fotoukład) II (czyt. drugi). Chociaż krystalograficzne rozwiązanie struktury jakiegokolwiek białka jest zawsze niezwykłym osiągnięciem, a już zwłaszcza kompleksu tak dużego jak fotoukład drugi, to jednak co roku rozwiązywanych i opisywanych jest bardzo wiele struktur białkowych – w tym roku światło dzienne ujrzała też struktura białka, którym zajmowałem się kątem w czasie mojego doktoratu, a jednak tego na liście największych odkryć nie umieścił. Pytanie jest zatem proste: dlaczego akurat fotoukład II?

Dzisiaj postaram się po krótce na to pytanie odpowiedzieć.

Jak zwykle zatem zacznijmy od początku, czyli od tego, co to dokładnie jest fotoukład II. W tym celu krótki przypomnienie z lekcji biologii dotyczące fotosyntezy. I proszę mi wybaczyć wymądrzanie się, jeśli  dla niektórych Czytaczek i Czytaczy będą to rzeczy oczywiste. Proces fotosyntezy to, w dużym skrócie, proces, w którym duża część samowystarczalnych organizmów żyjących na Ziemi, w tym przede wszystkim rośliny, ale też i wiele bakterii, przekształca z pomocą energii słonecznej dwutlenek węgla w różne organiczne cząsteczki, przede wszystkim cukry. Produktem ubocznym w tym procesie zaś jest tlen.

W tych krótkich zdaniach zawiera się istota życia na Ziemi. Zwierzęta bowiem w sensie biologicznym samowystarczające nie są: muszą jeść inne organizmy (czy to inne zwierzęta, czy też rośliny, grzyby, glony itd.), aby przeżyć. Więc w tej wersji klasycznego pytania, o to, co było pierwsze, jajko czy kura, organizmy, które same sobie syntetyzują pożywienie, czy te, które tego nie potrafią, odpowiedź jest więcej niż oczywista. Innymi słowy, gdyby nie fotosynteza, na Ziemi nie byłoby życia, jakie znamy. W dodatku także nie byłoby nas: organizmów aerobowych. Ponieważ atmosfera ziemska nie zawsze była w tlen bogata – stała się taka na skutek milionów lat działalności fotosyntetyzujących roślin.

Reakcję fotosyntezy zapisuje się w uproszczeniu następująco:

dwutlenek węgla + woda –> (pod wpływem energii słonecznej) cukier + tlen

Ten niezwykle prosty zapis kryje jednak moc niezwykle skomplikowanych procesów biochemicznych. Zacznijmy o tego, że cały proces fotosyntezy jest dwufazowy: pierwsza faza jest nazywana fazą jasną fotosyntezy. Do jej zajścia niezbędne jest światło, ergo zachodzi ona w dzień. Organizmy, które potrafią przeprowadzić proces fotosyntezy, swój czas wykorzystują jednak bardzo efektywnie, do drugiej fazy bowiem światła nie potrzeba i zachodzić może ona także w nocy. W dalszych rozważaniach skupimy się jednak głównie na fazie jasnej.

Faza ta zachodzi w błonach tylakoidów – pęcherzyków obecnych w chloroplastach, organellach komórkowych odpowiedzialnych za cały proces. W skrócie można powiedzieć, że w fazie tej pod wpływem energii słonecznej rozszczepieniu ulega woda, a uwolniona w ten sposób energia (w postaci elektronów oderwanych z cząsteczki wody) jest przekształcana utworzenie nowych wiązań chemicznych i produkcję dwóch związków, które niezbędne są do fazy ciemniej – ATP, będące podręcznym komórkowym magazynem energii, oraz NADPH, które na pęczki jest zużywane do syntezy cukrów w fazie ciemnej. Ten skrót jednak wymaga uczestnictwa dwóch dużych kompleksów białkowych: fotoukładu II i fotoukładu I.

Schemat Z – przemiany energetyczne w ramach fazy jasnej fotosyntezy. P680 oraz P700 to układy chlorofilowe w fotoukładzie II i I. 4Mn to kompleks rozszczepiający wodę, a Tyr – kluczowa w nim reszta tyrozyny. Phe to feofityna, Qa i Qb to pastochinon związany z białkami fotoukładu, zaś PQ to całkowita pula plastochinonu obecna w błonach. Cyt b6f to białko pośredniączące pomiędy fotoukładami – tzw. kompleks cytochromowy. PC to plastocyjanina, A0 – cząsteczka chlorofilu, A1 zaś to filochinon. Fx, Fa oraz Fb to tzw. centra żelazowo-siarkowe: centra aktywne białek bogate w żelazo i siarkę. FD to ferredoksyna, zaś FNR to reduktaza ferredosyna-NADP – białko odpowiedzialne za syntezę NADPH. Należy tu dodać w ramach wyjaśnienia, że wszystkie te chlorofile, cyjaniny i chinony, to różnego rodzaju małe cząsteczki organiczne będące kofaktorami białek (niezbędnym składnikiem potrzebnym do ich prawidłowego funkcjonowania)./ źródło: wiki; Jiří Janoušek (CC BY-SA 3.0)

Na ilustracji powyżej (nazywanej schematem Z) pokazano zmiany energetyczne w tym procesie. Oba fotoukłady zawierają barwniki fotosyntetyczne, najczęściej chlorofil, które są akceptorem energii słonecznej. Innymi słowy, kwant energii padający na cząstęczkę barwnika, pobudza go wybijając z jego struktury elektrony (po dwa na każdy kwant energii, w obu fotoukładach – nie to, żeby to była arcyistotne w tej chwili). Elektrony te przekazywane są poprzez łańcuch białek błonowych, wytracając w tych procesach część uzyskanej energii. Ostatecznie elektrony pochodzące z fotoukładu II zużywane są do uzupełnienia wybitych elektronów z fotoukładu I, a ich wytracona energia jest magazynowana w wiązaniach ATP, zaś elektrony z fotoukładu I zużywane są bezpośrednio do syntezy NADPH. Dziura po elektronach wybitych z fotoukładu II jest zapełniania przez elektrony oderwane w procesie rozszczepienia wody.

Fotoukład II ma niezwykle skomplikowaną strukturę. Składa się z 20 podjednostek oraz dodatkowych białek pomocnicznych. Każdy fotoukład II zawiera blisko 100 kofaktorów: chlorofili i innych barwników, hemów, tłuszczów oraz centrów manganowo-wapniowych – tych od rozszczepiania wody. I właśnie to rozszczepianie wody jest wielką zagadką natury, gdyż proces ten jest głównym źródłem tlenu (atmosferycznego) na naszej planecie, a mimo to rozumiemy go w bardzo niewielkim stopniu. Jest też inny aspekt tego procesu, który jest dla nas bardzo interesujący. Zapytacie teraz zapewne: jaki?

J

ednym z największych problemów, z jakimi będzie musiała zmierzyć się nasza cywilizacja w nadchodzących stuleciach, są gwałtownie topniejące zasoby kopalnych surowców energetycznych: węgla, ropy oraz gazu ziemnego. Polegamy na tych surowcach w stopniu niezwykłym między innymi dlatego, że nie potrafimy równie efektywnie jak rośliny wykorzystywać energii słonecznej. A jest przecież Słońce niemalże niewyczerpanym źródłem energii – a przynajmniej źródłem, które będzie zapewne trwać długo po tym, jak rasa ludzka albo wyginie albo opuści układ słoneczny.

Powoli jednak zaczynamy być coraz bardziej kompetentni w dziedzinie wykorzystywania energii słonecznej: potrafimy już na przykład wyprodukować ogniwa słoneczne, które energię naszej gwiazdy zamieniają na elektryczność. Problemem nie jest więc już samo pozyskiwanie energii, ale jej przechowywanie. Jednym z rozwiązań tej kwestii, nad którym głowi się zapewne co drugi chemik stąpający obecni po Ziemi, jest wykorzystanie tej uchwyconej energii do rozszczepienia wody na tlen oraz wodór. Ten drugi może być przechowywany, a następnie spalany w ogniwach paliwowych. To, nad czym głowią się zatem badacze, to katalizator, który pozwoliłby nam rozszczepiać wodę równie efektywnie i bez wysiłku, jak robią to rośliny.

I tu właśnie zaczynają się schody.

Okazało się, że znalazienie katalizatora, który byłby wydajny, łatwy do uzyskania, tani, nietoksyczny i co tam jeszcze, bynajmniej nie jest sprawą łatwą. I przez ostatnich kilka lat trwały – i nadal trwają – poszukiwania, zaś publikacje opisujące coraz to nowe katalizatory pojawiają się z mniejszym lub większym hukiem raz na parę tygodni, czasem miesięcy.

Struktura krystaliczna fotoukładu II. /Przedruk za zgodą Macmillan Publishers Ltd: Umena et al., Nature 473:55–60 ©2011

Co to jednak, zapytacie, ma wspólnego z opisaniem struktry krystalicznej fotoukładu II? Otóż najlepsze z dotychczas odkrytych katalizatorów stosowanych do rozszczepiania wody mają taki sam typ struktury, jak centrum aktywne fotoukładu II. Szczegółowy wgląd, jaki daje nam struktura krystalograficzna w budowę tego układu, pozwoli nam być może znacznie lepiej zrozumieć mechanizm rozszczepienia wody przez rośliny – i da dokładniejsze wskazówki co do tego, gdzie i jakich szukać powinniśmy katalizatorów.

Service, R. (2011). Turning Over a New Leaf Science, 334 (6058), 925-927 DOI: 10.1126/science.334.6058.925

Umena, Y., Kawakami, K., Shen, J., & Kamiya, N. (2011). Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of 1.9 Å Nature, 473 (7345), 55-60 DOI: 10.1038/nature09913

9 Comments

  1. bardzo fajny artykuł, dobrze się mi go czyta. potrzebowałam tego na biologię i tu jest o wiele lepiej opisany niż w książce- bynajmniej jak dla mnie ;)

    Lubię

    1. Ale przecież nikt nie mówił nic o roślinach – tylko o użyciu katalizatorów, które mają podobną strukturę/działają w podobny sposób, co centrum aktywne fotoukładu II…

      Lubię

  2. Hmm tak się zapędziłem w krytyce wodoru, że mi się trochę go żal zdobiło. Nie zapomnę nigdy tego wspaniałego dźwięku PYK – zapalanego wodoru w probówce. Wodorowi poświęca też Niziurski fragment „Sposobu na Alcybiadesa” – tam niejaki Ciamciara zniszczył aparat Kippa powodując eksplozję wodoru.

    Tak wymyśliłem, że można używać litu jako nośnika – substratu do produkcji wodorku litu, który byłby produkowany przez sztuczną roślinę.Toto ma ciężar właściwy zaledwie coś 0,8 g/cm3 z czego 1/7 przypada na wodór. Wtedy udałoby się zrealizować pomysł „samochodu na wodę” (to najpopularniejszy wpis na moim blogu) – wodór uzyskiwałoby się dolewając wody do zbiornika z LiH. Powstały LiOH można regenerować do litu elektrolitycznie, plusem byłoby wzbogacenie atmosfery w tlen. Termodynamicznie wyszłoby pewnie na zero, ale idea „samochodu na wodę” się liczy.

    Lubię

  3. Metoda prof. Nazimka wykorzystywała (z tego co się orientuję) promieniowanie ultrafioletowe – ale nie takie ze Słońca, tylko wysokoenergetyczne ze sztucznych źródeł. Zatem sama w sobie była może ciekawym pomysłem, po zbilansowaniu energii koniecznych do działania lamp kwarcowych (czy innych źródeł UV) – ewidentnie na minusie, o czym zazwyczaj nie wspominano.

    Co do fotosystemu II – b. ciekawa sprawa. Fotosynteza w roślinach, jakie znamy niestety nie jest zbyt wydajna (absorbuje tylko cześć spektrum słonecznego, duża część „urobku’ idzie na produkcję masy rośliny, z naszego-energetycznego punktu widzenia zbędnej, struktury fotosyntetyzujące są nietwałe). Dotąd stosowane rośliny energetyczne raczej degradują ekosystem i masowe ich użycie wykończyłoby ludzkość bardziej niż efekt cieplarniany. Przydałaby się „sztuczna roślina”, w jednej cesze lepsza od naturalnej, w drugiej gorsza – tak jak traktor różni się od konia naturalnego.

    Problemem może być wodór – on ma rewelacyjny stosunek masy do energii ale beznadziejny masy do objętości – nie da go się skroplić w „ludzkiej” temperaturze, pojawiają się problemy z para i ortowodorem. Używanie do układów o mocy i autonomii, do jakiej jesteśmy przyzwyczajeni (samochody) – ze zbiornikami wodoru raczej nie jest możliwe. Pozostaje przerobienie go na metan czy metanol – wtedy węgiel najlepiej wziąć z C02 z atmosfery – i już układ się komplikuje a starty energetyczne narastają.

    Lubię

    1. Co do docenta Nazimka – jak się początkowo zrobiło o nim głośno, to rozważałem napisanie posta o tym odkryciu. I tu pojawił się problem – poza jedną komercyjną stroną internetową pełną pijarowskiego bełkotu nie było żadnego dostępnego dokumentu, na którym możnaby się oprzeć: patentu, publikacji, abstraktu konferencyjnego. Więc stwierdziłem „po co mi to, niech się inni męczą” i zostawiłem sprawę. I jak widać słusznie: byłaby to tylko strata czasu i papieru (metaforycznego). Pierwsze publikacje pojawiły się dopiero w tym roku, ale szczerze mówiąc ja już nieco straciłem zainteresowanie.

      Co do fotosyntezy – wydajność tego procesu u najbardziej efektywnych roślin sięga zdaje się porażających dwóch procent. No ale tu jest pole do popisu dla całej rzeszy biochemików; dla przykładu, u mnie na wydziale niektórzy badacze próbują uzyskać genetycznie zmodyfikowany enzym rubisco, który pełni dość istotną rolę w metabolizmie dwutlenku węgla do cukrów. Ich marzeniem jest zdaje się właśnie poprawienie wydajności. Jak to idzie – tego nie wiem.

      Co do wodoru jako paliwa – moja wiedza jest tutaj niestety mocno ograniczona, więc mogę conajwyżej gdybać. Podejrzewam, że po pierwsze, na pewno wiele firm motoryzacyjnych prowadzi badania nad tym, jak skroplić wodór i utrzymać go w tym stanie bez nakładów energetycznych przekraczających jego wartość. Po drugie, nawet gdyby się okazało, że przetwarzanie wodoru w inny produkt jest kosztowne, to i tak może się okazać za parę lat, że jest to bardziej opłacalne niż stosowanie paliw kopalnych. Po trzecie zaś, w najgorszym wypadku możemy zużyć cały ten wodór, żeby uciec na Marsa ;)

      Lubię

      1. Podejrzewam, że po pierwsze, na pewno wiele firm motoryzacyjnych prowadzi badania nad tym, jak skroplić wodór i utrzymać go w tym stanie bez nakładów energetycznych przekraczających jego wartość
        Albo „mantykuje” badania na ten temat dla celów pijarowskich, bez wiary w powodzenie. Temperatura krytyczna wodoru wynosi -240,17 °C (32,98 K), bez obniżenia temperatury nie da się utrzymać go w stanie ciekłym. Znowóż bez skroplenia, czy zestalenia – jego gęstość energetyczna nie umywa się do paliw płynnych stosowanych współcześnie. Być może pojawia się jakieś pojemniki absorbcyjne – właśnie przechowujące wodór w formie związanej z ciałami stałymi – ale ile to będzie ważyć i kosztować. Praw fizyki nie da się ominąć – coś co wiąże atomy wodoru mające energię wewnętrzną związaną z temperaturą – musi swoje ważyć.

        Pozyskanie wodoru z wielkopowierzchniowych „farm fotosyntetyzacyjnych” produkujących w końcu nie tak dużo tego wodoru na metr kwadratowy – to nie to samo, co pozyskanie gazu czy ropy z odwiertu w ziemi – wymagałoby olbrzymiej infrastruktury (system drobnych rureczek i pomp? wielkopowierzchniowe materace z wodorem?) Bez przerobienia wodoru na chociażby metan (ma większą gęstość energetyczną, wyższą temperaturę krytyczną) a najlepiej paliwo płynne – sprawa prawdopodobnie będzie stać w miejscu.

        Lubię

  4. Pamiętam jak rok czy dwa lata temu jakiś lubelski naukowiec ogłosił, że będzie produkował benzynę z dwutlenku węgla, bo odnalazł jakiś super katalizator. Potrzebował tylko sponsorów. Zainteresowanie było spore, przedstawiciele różnych firm wypowiadali się, że to innowacja, że to potrzebne, ciekawy pomysł itd, a gdy przyszło co do czego to zabrakło nawet na instalację testową. Wreszcie zajęła się tym jakaś firma, zbudowano prototyp instalacji i… sprawa ucichła. Dogrzebałem się do informacji że sponsor wycofał się, gdy proces okazał się nie tak przecudnie wydajny, jak zachwalał pan naukowiec.

    Lubię

    1. Metoda docenta Nazimka koncentrować się miała jednak na zupełnie innym aspekcie fotosyntezy. Ale owszem – to było dwa lata temu, w ciągu tygodnia czy dwóch od ogłoszenia z hukiem tego cudownego katalizatora, docenta zjechało kilku specjalistów z całej Polski, a głównym zarzutem było to, że proces nie może być tak wydajny, jak to opisywał Nazimek, bo byłby wówczas perpertuum mobile. Chodziło zdaje się o sposób wyliczania, ile energii trzeba w proces włożyć, żeby uzyskać metanol. GW opublikowała chyba ze dwa albo trzy listy od profesorów chemii i fizyki z Krakowa i Warszawy, tłumaczących, dlaczego pomysł to prawdopodobnie bzdura (niestety nie mogę teraz znaleźć linków). Zaangażował się też, z tego co pamiętam, wicepremier Pawlak. No cuda niewidy po prostu.

      A wszystko miało być opatentowane i dopracowane i działać pełną parą do końca 2011 roku. I słuch po tym zaginął (chociaż podejrzewam, że kasę obiecaną przez wicepremiera pewnie wcześniej dostali).

      Lubię

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s