Mechanismus der photosynthetischen Wasserspaltung durch einen Röntgenlaser

Anonim

Photosystem II (PSII) ist ein riesiger Membran-Protein-Komplex, der lichtinduzierte Wasserspaltung katalysiert und zur Bildung von Protonen und molekularem Sauerstoff führt. Diese Reaktion wandelt Lichtenergie von der Sonne in chemische Energie um, die benötigt wird, um fast alle lebenden Aktivitäten auf der Erde aufrechtzuerhalten. Die wasserspaltende Reaktion wird durch einen Mn4CaO5-Cluster katalysiert, der in der Proteinmatrix von PSII eingebettet ist und durch fünf Zwischenzustände verläuft, die als Si-Zustände bezeichnet werden. Die Strukturen von PSII und des Mn4CaO5-Clusters wurden mit atomarer Auflösung aufgelöst, jedoch sind Mechanismen, die die Wasserspaltung regulieren, aufgrund des Fehlens von Zwischenstrukturen des Enzyms unklar.

Jetzt haben Michihiro Suga, Fusamichi Akita, Jian-Ren Shen an der Okayama University und Kollegen an Instituten wie der Kyoto University, RIKEN, die Struktur des Mn4CaO5-Clusters im S3-Zustand - einem Zwischenzustand, der unmittelbar vor der MN4CaO5 existiert - gelöst und gelöst Bildung von molekularem Sauerstoff, erzeugt durch zwei Blitze optischer Beleuchtung. Sie verwendeten eine Pump-Probe-Methode, bei der zwei Laserblitze verwendet wurden, um das Enzym in den Zwischenzustand zu pumpen, und die Röntgenbeugungsdaten wurden durch eine serielle Femtosekunden-Kristallographie-Methode unter Verwendung von Femtosekunden-Röntgen-Freie-Elektronen-Lasern (XFEL) bei SACLA, Japan.

Die Ergebnisse zeigten die Insertion eines neuen Sauerstoffatoms (Wassermoleküls) in der Nähe eines bereits vorhandenen Oxosauerstoffs mit der Bezeichnung O5, der die Bildung von molekularem Sauerstoff zwischen O5 und dem neu eingefügten Sauerstoffatom (O6) ermöglicht. Dies zeigte deutlich den Mechanismus, der für die wasserspaltende Reaktion verantwortlich ist, der durch PSII katalysiert wird, und lieferte einen Entwurf für die Entwicklung und Synthese effizienter künstlicher Katalysatoren, die in Zukunft bei der künstlichen Photosynthese verwendet werden könnten, um saubere und erneuerbare Energie aus der Sonne zu produzieren.

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