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Rätsel der Photosyntheseforschung mit Hilfe der theoretischen Chemie gelöst

04.10.2012

Abbildung (MPI CEC): Die Abbildung zeigt 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.

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) gewähren. Der 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.
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.
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, wie z.B. 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.
Online veröffentlicht in Angewandte Chemie International Edition, August 21 

Das Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion (MPI CEC) in Mülheim a.d.R. beschäftigt sich mit grundlegenden chemischen Prozessen, die bei der Speicherung und Umwandlung von Energie eine Rolle spielen. Das Ziel besteht darin, Sonnenlicht in kleinen, energiereichen Molekülen zu speichern und Energie so orts- und zeitunabhängig nutzbar zu machen. In den drei Abteilungen Heterogene Reaktionen, Molekulare Theorie und Spektroskopie und Biophysikalische Chemie arbeiten ca. 75 Forscher aus über 20 Ländern, und tragen mit ihrem Expertenwissen zur Vorbereitung einer nachhaltigen Energiewende bei.

(c) MPI für Chemische Energiekonversion, Mülheim a.d.R. 2012