Het geheim van de natuurlijke stroombron

De auteurs gebruikten gewone spinazie van de groenteboer voor hun onderzoek.

Zonder fotosynthese is het hogere leven op aarde ondenkbaar. Veel is bekend over dit raadselachtige fenomeen, maar er valt ook nog veel te ontdekken. Leidse onderzoekers lichten een tipje van de sluier op in PNAS.

Spinazie
In de early edition van 23 juli van het tijdschrift PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) beschrijven de onderzoekers van het Leiden Institute of Chemistry (LIC), het  Leiden Institute of Physics (LION) en twee onderzoekers uit Frankfurt en Konstanz het gedrag van de elektronen in het proces van de fotosynthese. Voor hun beschrijving gebruikten ze spinazie die gewoon bij een groenteboer in Oegstgeest gekocht was.

Koolstofdioxide
Lange tijd was de precieze volgorde in het proces van fotosynthese niet bekend. De Duitse biochemicus Otto Heinrich Warburg, winnaar van de Nobelprijs voor Geneeskunde in 1931, nam aan dat de zuurstof die gedurende het proces vrijkomt, afkomstig was van koolstofdioxide. Intussen is bekend dat fotosynthese in twee stappen verloopt: de licht- en de donkerreacties. Bij de lichtreactie wordt water onder invloed van licht en bladgroen ontleed in zuurstof en waterstof. In de donkerreactie wordt de door de lichtreactie vastgelegde energie gebruikt voor de vorming van glucose uit koolstofdioxide. Voor scheikundigen is dit proces zeer ongewoon, omdat er een sterke stroombron nodig is om de reactie tegengesteld aan de natuurlijke richting te stuwen.

Het draaipunt van de reductor in fotosynthese II. Door de schuine stand van de histidine (His 198) ten opzichte van de ring van pyrrool (zie de pijl), wordt het patroon van de dichtheid van de elektronsprinresonantie omgekeerd en wordt deze gedeelte verplaatst naar de histidine.

Stroombronnen
De natuur heeft daarvoor twee stroombronnen ontwikkeld die na elkaar functioneren. Fotosynthese II, de sterkste natuurlijke oxidator, vormt het stadium waarin water ontleed wordt, en fotosynthese I is de sterkste reductor in de levende natuur. De verbinding tussen beide systemen maakt de elektronenstroom van water tot uiteindelijk glucose mogelijk.

Wisselwerking
'De grote vraag is hoe een eiwit een zo grote elektrische spanning kan opbouwen dat water gesplitst kan worden, zonder daaraan kapot te gaan', vertelt dr. Jörg Matysik, een van de auteurs. De auteurs hebben met een nieuwe methode die photo-CIDNP MAS NMR genoemd wordt, de elektronische structuur van de reductor in fotosynthese II onderzocht. Matysik: 'Anna Diller die in september haar proefschrift hierover zal verdedigen, ontdekte dat de dichtheid van de elektronspinresonantie heel anders is dan in fotosynthese I. Bovendien ontdekte ze dat op een zijketen een elektronspin van het aminozuur histidine kan worden waargenomen. Deze beide waarnemingen houden duidelijk verband met elkaar. De wisselwerking tussen histidine en bladgroen kan onder andere de benodigde energie verlagen en daardoor het reductie potentieel verhogen.

Zonnecellen
Op dit moment wordt dit model zuiver theoretisch geanalyseerd. Omdat de natuurlijke stroombronnen veel beter functioneren dan de kunstmatige, kan het voorbeeld van de reductor van fotosynthese II een inspiratie vormen voor de ontwikkeling van nieuwe kunstmatige stroombronnen, bijvoorbeeld betere zonnecellen. In die zonnecellen kan dan met behulp van organische moleculen bijvoorbeeld stroom worden opgewekt of waterstof geproduceerd.

Link
15N photochemically induced dynamic nuclear polarization magic-angle spinning NMR analysis of the electron donor of photosystem II (pdf)
Anna Diller; Esha Roy; Huub J. M. de Groot; Jörg Matysik; A. Alia (LIC)
Peter Gast; Hans J. van Gorkom (LION)
Clemens Glaubitz (Johann Wolfgang Goethe Universität)
Gunnar Jeschke (Universität Konstanz)

(24 juli 2007/SH)