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Photosyntheseforschung Neue Einblicke in das Kraftwerk der Natur

Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (MPI CEC) haben ein langjähriges Rätsel der Photosyntheseforschung gelöst. Mit Hilfe der Quantenchemie konnten sie überraschende Einblicke in die Eigenschaften des sauerstoffproduzierenden Komplexes (oxygen evolving complex, OEC) von Photosystem II gewähren. Die Ergebnisse liefern wichtige Informationen auch für die Energieforschung.

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Die beiden Strukturen des Zentrums von Photosystem II, ein natürlicher Katalysator, der Wasser oxidiert. Die beiden Strukturen wandeln sich ineinander um, indem ein Sauerstoffatom Bindungen mit zwei Manganatomen austauscht. Beide Strukturen erzeugen unterschiedliche spektroskopische Signale.
Die beiden Strukturen des Zentrums von Photosystem II, ein natürlicher Katalysator, der Wasser oxidiert. Die beiden Strukturen wandeln sich ineinander um, indem ein Sauerstoffatom Bindungen mit zwei Manganatomen austauscht. Beide Strukturen erzeugen unterschiedliche spektroskopische Signale.
(Bild: MPI CEC)

Muelheim an der Ruhr – Der sauerstoffproduzierende Komplex (oxygen evolving complex, OEC) ist ein in Pflanzen enthaltener Katalysator, der mit Sonnenlicht als Energiequelle Wasser spaltet, um Kohlenhydrate zu bilden, und somit das Leben auf der Erde mit Energie versorgt. Seine genaue Struktur, welche ein rätselhaftes spektroskopisches Verhalten zeigte, konnte nun mit Hilfe der Quantenchemie endlich gelöst werden.

Der OEC zeigte in einem bestimmten Oxidationszustand zwei verschiedenartige spektroskopische Signale. Diese beiden Signale konnten durch unterschiedliche Behandlung des Komplexes ineinander umgewandelt werden. Inwiefern sich dabei die Struktur des Moleküls änderte, blieb jedoch unklar. Die Signale sind außerdem so komplex, dass daraus eine detaillierte molekulare Struktur nicht abgeleitet werden konnte.

Theoretische Spektroskopie liefert entscheidende Informationen

Mit Hilfe von theoretischer Spektroskopie konnte nun Dr. Dimitrios Pantazis, Wissenschaftler am MPI CEC, gemeinsam mit seinen Kollegen zeigen, dass die beiden Signale von zwei energetisch ähnlichen Strukturen herrühren, die sich zudem noch ineinander umwandeln.

Das Zentrum des Enzyms bildet eine teilweise kubische Struktur aus Mangan, Calcium und Sauerstoff (Mn4CaO5, s. Abbildung). „Die Berechnungen zeigen, dass die beiden Strukturen sich nur in einer Bindung unterscheiden, die zwischen dem zentralen Sauerstoffatom und den beiden endständigen Manganatomen wechselt“, sagt Pantazis. Diese minimale Änderung hat große Auswirkungen auf die elektronische Struktur und somit auf das spektroskopische Verhalten des Moleküls. Beide Strukturen haben eine ähnliche Energie, und der Bindungsaustausch hat nur eine niedrige Energiebarriere. Die Wissenschaftler am MPI konnten zusätzlich mit ihren Simulationen zeigen, dass jede der beiden Strukturen ein bestimmtes spektroskopisches Signal zeigt, und dass diese beiden Signale mit den experimentell gefundenen übereinstimmen.

Oxidation von Wasser als Schlüsselprozess der Energieforschung

Das tiefgehende Verständnis des OEC ist essentiell um das Geheimnis der Natur bei der Oxidation von Wasser zu entschlüsseln, eine Reaktion, die eine wesentliche Rolle in der Energieforschung spielt, beispielsweise bei der künstlichen Photosynthese.

Nach diesen bemerkenswerten Ergebnissen versuchen Pantazis und Kollegen nun herauszufinden, ob das Sauerstoffatom, welches die Bindungen austauscht, dasselbe ist, welches sich später im gebildeten Sauerstoff wieder findet. Die neuen Resultate werden den Prozess des Austausches der Wassermoleküle, die an der Reaktion beteiligt sind, näher beleuchten. Ein atomistisches, detailliertes Verständnis des Mechanismus der Wasseroxidation ist damit auf dem Weg.

Originalpublikation: Dr. Dimitrios A. Pantazis, Dr. William Ames, Dr. Nicholas Cox, Prof. Dr. Wolfgang Lubitz, Prof. Dr. Frank Neese. Two Interconvertible Structures that Explain the Spectroscopic Properties of the Oxygen-Evolving Complex of Photosystem II in the S2 State. Online veröffentlicht in Angewandte Chemie International Edition, August 21 http://dx.doi.org/10.1002/anie.201204705

(ID:35511990)