Märkt vatten avslöjar kemin i fotosyntesen
Hur går det egentligen till när vattnet spjälkas i fotosyntesen och bildar bland annat syre? Umeåforskaren Casper de Lichtenberg har använt isotopmärkt vatten för att studera exakt hur och var vattenmolekylerna går in i den kemiska reaktionen i den del av ljusreaktionerna som kallas fotosystem II.
Fotosyntes är en av de viktigaste kemiska processerna för livet på jorden. Genom denna process skördas solens energi och används för att ta ifrån vattenmolekylen dess väteatomer och elektroner som kan användas för produktion av högenergimolekyler. Samtidigt släpps syremolekylerna ut i luften till atmosfären som vi andas in. Denna reaktion orkestreras av fotosystem II som finns i de gröna delarna av växter, alger och cyanobakterier.
I samband med industrialiseringen introducerades användningen av fossila bränslen för att driva vårt samhälle. Den accelererade användningen av fossila bränslen leder till global uppvärmning som snart kan komma att resultera i en ökning av medeltemperaturen på 2 grader Celsius. Därför har det gjorts enorma ansträngningar för att utveckla alternativa bränslekällor som är koldioxidneutrala eller koldioxidfria.
Konstgjord fotosyntes
Att utnyttja fotosyntesens principer är en möjlig väg. Särskilt fotosystem II har fått stor uppmärksamhet, eftersom dess “aktiva säte” består av metaller (som finns i stora mängder i naturen) och eftersom de elektroner och vätemolekyler som produceras i den katalytiska processen kan användas för att producera bränslen med hög energi. Således har detta system blivit det främsta exemplet för hur ljusdrivna syntetiska vattenoxidationskatalysatorer så småningom ska kunna efterliknas och modelleras, så kallad artificiell fotosyntes.
Fotosyntes är den process där levande organismer omvandlar koldioxid och vatten till syre och druvsocker, med hjälp av solljuset som energikälla. Fotosyntesen sker i särskilda strukturer i växtcellerna, i så kallade kloroplaster som innehåller klorofyllmolekyler.
Energin från solen tas om hand och lagras i kemiska bindningar i en rad ljusreaktioner, som i stort går ut på att flytta omkring elektroner i klorofyllmolekylerna. Några led i reaktionerna sker i olika reaktionscentrum, fotosystem II och fotosystem I.
Källa: Wikipedia
Den exakta kemin som sker vid det aktiva sätet är dock fortfarande höljd i dunkel eftersom identiteten hos de vattenmolekyler som deltar i syrebindningsformationen inte har kartlagts. Det är något som kemisten Casper de Lichtenberg vid Umeå universitet därför har ägnat sina doktorandstudier åt: identifiering av dessa vattenmolekyler.
Märkt vatten används för att följa reaktionen
Eftersom fotosystem II utför sin reaktion i vatten, kan arbetet med att skilja vattnet som deltar i reaktionen från resten av vattnet liknas vid att skilja en droppe vatten från resten av havet.
– För att förbigå detta problem har jag studerat vattendelningsreaktionen i fotosystem II med metoder som utnyttjar att det reaktiva vattnet är bundet till det aktiva sätet. Genom att injicera isotopmärkt vatten i provet kunde jag bestämma hur snabbt det inkorporeras där det reaktiva vattnet sitter, säger Casper de Lichtenberg.
För att ta reda på hur snabbt det märkta vattnet kommer in i den kemiska reaktionen, har han dels mätt den magnetiska resonanssignalen från vattnets byggstenar till det aktiva sätet, dels mätt massan av det producerade syret. Detta ger direkt kemisk information om hur de reaktiva vattenmolekylerna är bundna.
Avbildar fysisk och elektronisk struktur
För att rationalisera denna information är det bra att känna till den fysiska och elektroniska strukturen på det aktiva sätet där det reaktiva vattnet är bundet. Under sina doktorandstudier har Casper de Lichtenberg också deltagit i experiment där forskarteamet har bestämt strukturen för alla stabila mellanprodukter i reaktionscykeln.
– Vi har dessutom tagit steg mot att skapa de första molekylära filmerna av vattendelningsreaktionen genom att avbilda strukturerna vid olika tidpunkter mellan dessa intermediära strukturer.
Avhandling:
Kontakt:
Casper de Lichtenberg, Kemiska institutionen vid Umeå universitet, casper.de.lichtenberg@umu.se
