Der Mangankomplex der Photosynthese im katalytischen Zyklus: Neue röntgenspektroskopische Ansätze zur Untersuchung von Struktur und Mechanismus

Abstract

Die Bestimmung der atomaren Struktur des Mn4Ca-Komplexes des Photosystems II (PSII) und die Analyse von strukturellen und elektronischen Änderungen im katalytischen Zyklus sind Voraussetzungen für eine detaillierte Diskussion des Mechanismus der photosynthetischen Wasserspaltung. In der hier vorliegenden Arbeit wurden röntgenspektroskopische Untersuchungen zur Beantwortung dieser Fragen durchgeführt und folgende Ergebnisse wurden erzielt : (1) Ein vollständiger XAS-Datensatz wurde bei Raumtemperatur in allen semi-stabilen S-Zuständen des katalytischen Zyklus des PSII-Mangankomplexes aufgenommen. Die Daten wurden im Hinblick auf den EXAFS- und den XANES-Bereich analysiert und die Ergebnisse mit denen aus Messungen bei 20 K verglichen. Die zentralen Aussagen sind: (a) Es bestehen keine signifikanten strukturellen Unterschiede zwischen 20 K und Raumtemperatur. (b) Die neuen Daten bestätigen, dass im S2->S3-Übergang eine dritte di-µ-oxo-Brücke gebildet wird. (2) In einer vergleichenden Studie an bi-nuklearen Mangankomplexen in verschiedenen Oxidationszuständen ließ sich ein Zusammenhang zwischen Oxidationszustandsänderungen und Änderungen der Brückenstruktur feststellen. (3) Ab-initio XANES-Simulationen wurden als neue Methode zur Analyse der elektronischen und strukturellen Änderungen im S-Zyklus eingesetzt. An strukturellen Modellen wurde das Potential der XANES-Simulationen für die Anwendungen auf Metalloproteine demonstriert und durch komplementäre MO- Simulationen eine qualitative Interpretation spektraler Merkmale gegeben. An Spektren strukturell charakterisierter Modellsysteme wurde die quantitative Beschreibung von Änderungen der XANES-Struktur aufgrund struktureller und elektronischer Änderungen untersucht. Eine Methode zur Extraktion geometrischer Informationen aus XANES-Spektren durch Kurvenanpassung wurde implementiert und validiert. (4) Die Methode der XANES-Simulation wurde zur Interpretation der Differenzspektren der S-Zustände angewendet, sowohl durch systematische Parameterstudien als auch durch Geometrie-Anpassungen an hypothetische Modelle des PSII-Mangankomplexes. (5) Es wurde eine Theorie zur Berücksichtigung partieller Orientierung in der Simulation der Polarisationsabhängigkeit der XANES-Spektren durch Vielfach-Streutheorie entwickelt und implementiert. Durch die Anwendung dieser Theorie auf vereinfachte Modelle des PSII-Mangankomplexes war es möglich, die Orientierung der µ-oxo-Brücken relativ zur Membrannormalen zu bestimmen.

Determination of the nuclear geometry together with structural rearrangements and electronic changes of the Mn4Ca complex of photosystem II (PSII) may facilitate an in depth discussion of the mechanism of photosynthetic water oxidation. In the work presented here X-ray absorption spectroscopy is applied to approach these questions with the following results: (1) A complete data set of EXAFS-spectra was collected at room temperature in all semi-stable S-states of the catalytic cycle. The data was analysed with respect to the XANES and the EXAFS part and compared with equivalent data from measurements at 20 K. The central findings are: (a) There are no significant structural differences between the 20 K and the RT data. (b) The finding, that a third di-µ-oxo-bridge is formed in the S2->S3-transition is supported by the new data. (2) A comparative model study with bi-nuclear Mn-complexes in different oxidation states reveals a likely connection between oxidation state transitions and bridging mode changes which may be modelling the native complex. (3) As a new approach XANES ab-initio simulations are used to analyse electronic and structural changes during the S-state transitions. Structural models are used to evaluate the potential of XANES-simulations and an interpretation of spectral features by complementary MO calculations is given. Spectra from structurally known models are then used to demonstrate the possibility of a quantitative description of XANES-structure and differences due to structural rearrangements and oxidation state changes. Furthermore geometrical fitting of XANES data to model structures is implemented and validated. (4) The method of XANES-simulation employed for interpretation of the S-state difference spectra by systematic parameter studies and geometrical fitting with hypothetic models of the Mn4 complex of PSII. (5) To evaluate the potential of XANES-simulation with respect to the XANES polarization dependence a theory is developed to treat Linear Dichroism XAS from partially ordered samples with high-order or full-multiple scattering simulations. This theory is applied to hypothetical models of the manganese complex to estimate the orientation of the µ-oxo-bridges with respect to the membrane normal.