Новости
Библиотека
Таблица эл-тов
Биографии
Карта сайтов
Ссылки
О сайте


Пользовательского поиска




предыдущая главасодержаниеследующая глава

Биофотолиз воды в модельных системах с низкомолекулярными переносчиками электронов

Реакция фоторазложения воды на водород и кислород проводилась по схеме [150, 447, 459]

(3.6)

При этом использовалась возможность фотовосстановления экзогенодобавленных акцепторов электрона с участием электронотранспортной цепи изолированных хлоропластов. Создание таких систем представляется перспективным по двум причинам:

1. При условии, что перенос электронов из электронотранспортной цепи фотосинтеза на медиатор А протекает по бимолекулярному механизму, концентрацией медиатора можно регулировать скорость электронотранспортных процессов и в пределе направить весь электронный поток на восстановление медиатора. Это может служить одним из подходов к достижению наивысшего КПД систем.

2. Реализация двухстадийных в макроскопическом смысле процессов (см. схему 3.6) позволяет в принципе осуществить разделение водорода и кислорода, поскольку газы выделяются на различных стадиях.

Переносчик электрона А должен удовлетворять ряду кинетических и термодинамических требований: 1) быть акцептором электронов из электронотранспортной цепи фотосинтеза; 2) окислительно-восстановительный потенциал пары окисленный - восстановленный медиатор должен быть близок к окислительно-восстановительному потенциалу водорода; 3) должна существовать возможность каталитического выделения водорода из восстановленной формы медиатора.

Нами исследован широкий круг потенциальных низкомолекулярных медиаторов. Наилучшему соответствию сформулированным выше требованиям отвечают производные γ, γ'-дипиридина (виологеновые красители) и НАД-кофактор, близкий к физиологическому акцептору электронотранспортной цепи. При использовании этих соединений может быть проведена реакция фотолиза воды. Рис. 29 иллюстрирует кинетику накопления водорода в газовой фазе при освещении системы изолированные хлоропласты - метилвиологен - гидрогеназа фототрофных бактерий Т. roseopersicina (данные работы [150]).

Рис. 29. Типичные кривые фотовыделения водорода в системе хлоропласты - метилвиологен - гидрогеназа [150]. Условия: 0,6 мМ метилвиологена; 2,8% глицерина; 1% этанола; 30 мМ фосфата натрия; 7 мМ хлористого натрия; 25 мкМ БСА; концентрация хлоропластов соответствует 18 мг/л хлорофилла; 0,2 мг/мл гидрогеназы Т. roseopersicina; pH 7,8; 30°С; 1 - исходная система; 2 - в присутствии 3 мкМ диурона; 3 - без освещения; 4 - предварительно прогретые хлоропласты (10 мин, 45°С)
Рис. 29. Типичные кривые фотовыделения водорода в системе хлоропласты - метилвиологен - гидрогеназа [150]. Условия: 0,6 мМ метилвиологена; 2,8% глицерина; 1% этанола; 30 мМ фосфата натрия; 7 мМ хлористого натрия; 25 мкМ БСА; концентрация хлоропластов соответствует 18 мг/л хлорофилла; 0,2 мг/мл гидрогеназы Т. roseopersicina; pH 7,8; 30°С; 1 - исходная система; 2 - в присутствии 3 мкМ диурона; 3 - без освещения; 4 - предварительно прогретые хлоропласты (10 мин, 45°С)

Общая схема реакции может быть представлена в виде

(3.7)

На последней стадии образования водорода из восстановленного метилвиологена в качестве катализатора можно использовать металлическую платину [459].

При обсуждении механизма (3.7) и аналогичных механизмов принципиален вопрос об участии системы фоторазложения воды электронотранспортной цепи фотосинтеза. В наших экспериментах участие системы фоторазложения воды доказывалось путем ингибирования реакции диуроном (см. рис. 29). Как известно, диурон специфически блокирует электронный транспорт на уровне фотосистемы II и системы разложения воды.

В работе [447] детально исследованы кинетические закономерности первой стадии процесса - фотовосстановление замещенных γ-γ'-дипиридилов. При освещении раствора метилвиологена с суспензией хлоропластов в вакуумированной спектрофотометрической кювете монохроматическим лазерным светом (λ = 632,8 нм) или концентрированным белым светом наблюдаются характерные спектральные изменения, связанные с одноэлектронным восстановлением метилвиологена. Фотовосстановление метилвиологена не достигает больших глубин, поскольку в системе со временем устанавливается фотостационарное состояние. Фотостационарная концентрация восстановленной формы зависит от интенсивности света, концентрации метилвиологена, концентрации ионов водорода. Экспериментально наблюдаемые зависимости приведены на рис. 30-32.

Рис. 30. Кинетические кривые фотовосстановления метилвиологена и бензилвиологена при различных исходных концентрациях. Условия: 3,2% глицерина; 34 мМ фосфата натрия; 9 мМ хлористого натрия; 4 мкМ БСА; концентрация хлоропластов, соответствующая 62 мг/л хлорофилла; pH 7,8; 25°С. Концентрации медиаторов: метилвиологен 1 - 0,4 мМ; 2 - 0,26 мМ; 3 - 0,11 мМ; бензилвиологен 4 - 0,4 мМ; 5 - то же, что и 1 в присутствии 3 мкМ диурона. Освещение лазер ЛГ-56
Рис. 30. Кинетические кривые фотовосстановления метилвиологена и бензилвиологена при различных исходных концентрациях. Условия: 3,2% глицерина; 34 мМ фосфата натрия; 9 мМ хлористого натрия; 4 мкМ БСА; концентрация хлоропластов, соответствующая 62 мг/л хлорофилла; pH 7,8; 25°С. Концентрации медиаторов: метилвиологен 1 - 0,4 мМ; 2 - 0,26 мМ; 3 - 0,11 мМ; бензилвиологен 4 - 0,4 мМ; 5 - то же, что и 1 в присутствии 3 мкМ диурона. Освещение лазер ЛГ-56

Рис. 31. Обратимый характер фотовосстановления метилвиологена с помощью хлоропластов [459]. Стрелками указаны моменты включения и выключения света
Рис. 31. Обратимый характер фотовосстановления метилвиологена с помощью хлоропластов [459]. Стрелками указаны моменты включения и выключения света

Рис. 32. Зависимость кинетики процесса фотовосстановления метилвиологена (А) и его фотостационарные концентрации (Б) от pH. Освещение: лазер ЛГ-56, (25 мВт). Состав реакционной смеси: 10 мМ метилвиологендихлорид; 0,36 мМ сахарозы; 18 мМ фосфата натрия; 9 мМ хлористого натрия; хлоропласты, содержащие 1,4.10-2 мг/мл хлорофилла; 1 - pH 5,9; 2 - pH 6,8; 3 - pH 7,2; 4 - pH 7,5; 5 - pH 8,1; 25°С. Перед освещением кювету вакуумировали [447]
Рис. 32. Зависимость кинетики процесса фотовосстановления метилвиологена (А) и его фотостационарные концентрации (Б) от pH. Освещение: лазер ЛГ-56, (25 мВт). Состав реакционной смеси: 10 мМ метилвиологендихлорид; 0,36 мМ сахарозы; 18 мМ фосфата натрия; 9 мМ хлористого натрия; хлоропласты, содержащие 1,4⋅10-2 мг/мл хлорофилла; 1 - pH 5,9; 2 - pH 6,8; 3 - pH 7,2; 4 - pH 7,5; 5 - pH 8,1; 25°С. Перед освещением кювету вакуумировали [447]

Фотохимическая реакция обратима (рис. 31). При этом реакция окисления восстановленной формы метилвиологена имеет порядок больше, чем единица. При исследовании кинетики окисления восстановленной формы метилвиологена в темноте установлено, что процесс достаточно строго описывается кинетической кривой второго порядка. Это указывает на то, что восстановленная форма окисляется веществом, образующимся в строгом стехиометрическом соотношении в результате световой фотохимической реакции.

Фотовосстановление метилвиологена протекает с участием электронотранспортной цепи, причем в этом процессе участвует система разложения воды. Это следует из данных по ингибированию фотовосстановления диуроном.

Проведенное исследование позволило оптимизировать реакцию фотовосстановления замещенных γ, γ'-дипиридилов. В оптимальных условиях pH при больших интенсивностях света степень фотовосстановления метилвиологена может быть достаточно высокой (70-80%).

Проведению стабильной реакции биофотолиза воды существенно препятствует высокая реакционная способность возникающих при восстановлении катион-радикалов в реакции с молекулярным кислородом. В работе [458] исследована кинетика реакции восстановленного метилвиологена с кислородом. Реакция одноэлектронного восстановления кислорода протекает чрезвычайно быстро, практически в диффузионном режиме. Также быстро (k = 2,3⋅103 М-1⋅с-1) протекает реакция восстановления метилвиологеном перекиси водорода. Эти реакции, а также возможные обратные реакции взаимодействия с окисленными переносчиками электронотранспортной цепи приводят к "запределиванию" реакции и существенному уменьшению эффективности конверсии световой энергии.

Принципиальным вопросом является уменьшение скорости обратной окислительной реакции. Из общих соображений в этом плане перспективны переносчики, претерпевающие двухэлектронное окисление-восстановление. Молекулярный кислород в равновесном состоянии представляет собой триплетную, бирадикальную частицу. В силу этого реакции кислорода с радикалами, протекающие с сохранением спина, идут очень быстро.

Нами проведено исследование по выяснению возможности фотовосстановления электронотранспортной цепью хлоропластов никотинамидадениндинуклеотида (НАД+). Восстановленная форма НАДН не окисляется кислородом. В нативном состоянии без добавления ферментов-переносчиков изолированные хлоропласты не способны восстанавливать НАД+. Добавление фермента НАДН-дегидрогеназы из Bacterium sp1 обеспечивает возможность фотовосстановления НАД+ (рис. 33). В этих условиях реакция фотовосстановления протекает с максимальной скоростью 3,5⋅10-6 М/л⋅мин.

Рис. 33. Фотовосстановление НАД+ в присутствии изолированных хлоропластов и НАДН-дегидрогеназы из Bacterium sp N1. Условия: 7 мМ НАД+; активность НАДН-дегидрогеназы 0,5 мкМ/мин.л; 3,7% глицерина; 40 мМ фосфата натрия; 10 мМ хлористого натрия; 3.10-5 М БСА; 1 - исходная система при освещении; 2 - система без освещения (ф), в отсутствие НАДН1 дегидрогеназы (О), при освещении в отсутствие хлоропластов (О)
Рис. 33. Фотовосстановление НАД+ в присутствии изолированных хлоропластов и НАДН-дегидрогеназы из Bacterium sp N1. Условия: 7 мМ НАД+; активность НАДН-дегидрогеназы 0,5 мкМ/мин⋅л; 3,7% глицерина; 40 мМ фосфата натрия; 10 мМ хлористого натрия; 3⋅10-5 М БСА; 1 - исходная система при освещении; 2 - система без освещения (●), в отсутствие НАДН1 дегидрогеназы (○), при освещении в отсутствие хлоропластов (¤)

Таким образом, схема биофотолиза воды в этом случае имеет вид:

2НАД+ + 2Н2О → О2 + 2НАДН + 2Н+;

2НАДН + 2Н+ → 2Н2 + 2НАД+. (3.8)

Специфическое дегидрирование НАДН с образованием молекулярного водорода протекает с участием гидрогеназы Al. eutrophus Z = 1, фермента, выделенного и очищенного до гомогенного состояния в нашей лаборатории (см. гл. II).

Использованные в настоящее время системы фоторазложения воды еще не вышли на уровень технологического освоения, этому препятствуют два основных обстоятельства.

1. Коэффициенты преобразования энергии еще не достаточно высоки. Для систем на основе хлоропласт-ферредоксин-гидрогеназа [393] или хлоропласт-медиатор-гидрогеназа [158] эта величина меньше одного процента, что достаточно далеко от теоретического предела. Причина, вероятно, в недостаточно хорошем сопряжении электронотранспортных процессов с системой образования водорода. В этом плане биофотолитические системы имеют определенный потенциал развития. В принципе перенос электронов от воды на искусственные акцепторы может быть проведен достаточно эффективно и приближаться к теоретическому пределу [459]. Для повышения КПД систем предстоит проделать еще значительную работу по оптимизации процесса выделения водорода.

2. Исследованные системы обладают сравнительно невысокой устойчивостью. Нами детально исследован механизм инактивации электронотранспортной цепи хлоропластов и разработаны способы иммобилизации и стабилизации функционирующих цепей. Однако наиболее перспективны высоковозобновляемые системы на основе микроорганизмов.

предыдущая главасодержаниеследующая глава



ИНТЕРЕСНО:

Ученые научились наблюдать за сверхбыстрыми химическими процессами

Почему на Западе периодическую таблицу никак не связывают с именем Менделеева

Люминесцентные наночастицы открыли новый этап в истории дактилоскопии

Нобелевская премия по химии присуждена за развитие криоэлектронной микроскопии

Новый метод анализа белков работает в 50 раз быстрее

Создана первая «химическая память» объемом в 1 бит

193 года назад впервые получено органическое соединение из неорганических

Ученые разработали программу, которая высчитывает свойства молекул сложных химических соединений

Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Учёные создали нанореактор для производства водорода

Ученые из Швеции создали «деревянное стекло»

Разработан новый метод создания молекул

Японские ученые создали жидкий квазиметалл, застывающий на свету

Нобелевскую премию по химии присудили за синтез молекулярных машин

Новая компьютерная программа предсказывает химические связи

Получены цветные изображения на электронном микроскопе

В упавшем в России метеорите обнаружен уникальный квазикристалл

10 невероятно опасных химических веществ

Создатель «суперклея» Гарри Кувер – химик и изобретатель, автор 460 патентов, самый известный из которых так и не помог ему разбогатеть




© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2018
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://chemlib.ru/ 'ChemLib.ru: Библиотека по химии'