Pflanzen, Grünalgen und Cyanobakterien nutzen die oxygene Photosynthese, um Lichtenergie in chemische Energie umzuwandeln. Der dabei aus Wasser freigesetzte Sauerstoff bildet die Grundlage des tierischen und menschlichen Lebens. Die katalytische Wasserspaltung findet im Photosystem II (PSII), einem großen Proteinkomplex, in einer zyklischen Reaktion statt. Das Zentrum der katalytischen Aktivität ist der wasseroxidierende Komplex (WOC), ein Metallkomplex aus vier Manganionen und einem Kalziumion. Der eigentliche Reaktionsmechanismus ist bisher nicht verstanden. Für die Entwicklung von Modellen ist eine genaue Kenntnis der Struktur und der Eigenschaften des WOC in den einzelnen Schritten des Zyklus unerläßlich. Elektron-Paramagnetische- Resonanz (EPR) und verwandte Methoden nutzen die Wechselwirkung ungepaarter Elektronen mit einem Magnetfeld. Über die Messung der Energieaufspaltung der Spinzustände kann man Informationen über die Eigenschaften des paramagnetischen Zentrums und seiner unmittelbaren Umgebung gewinnen. Damit eignet sich diese Methode ideal zur selektiven Untersuchung des WOC im PSII im paramagnetischen S2-Zustand. Zunächst wurden Vorteile und Möglichkeiten von Multifrequenz-EPR- und -ENDOR-Methoden an einem zweikernigen Mn-Modellsystem, Mn-Katalase, demonstriert. Dabei wurden Eigenschaften und magnetische Parameter mehrkerniger Mn-Komplexe untersucht. Diese Methoden wurden dann auf den S2-Zustand des WOC in nativem PSII aus dem CyanobakteriumThermosynechococcuselongatus und in Sr-Medium gewachsenes PSII aus Thermosynechococcus elongatus übertragen. Dabei stellt Strontium den einzigen bekannten funktionalen Ersatz für Kalzium dar. Der S2-Zustand in PSII-Sr zeigt veränderte EPR- und ENDOR-Spektren im Vergleich zum nativen PSII, ist bisher aber nur unzureichend spektroskopisch charakterisiert. Mit Multifrequenz-EPR- und -ENDOR-Untersuchungen in Lösung konnten die magnetischen Parameter beider Systeme bestimmt werden. Mittels Q-Band-EPR und -55Mn-ENDOR-Spektroskopie am PSII-Einkristall konnten neben den Hauptwerten der 55Mn-Hyperfeinkopplungen auch deren Orientierungen im Kristallsystem bestimmt werden. Durch die Übertragung von Strukturmotiven der zweikernigen Modellkomplexe auf den WOC konnte eine Korrelation zwischen magnetischen Parametern und der geometrischen Struktur gefunden werden. Q-Band-1H-ENDOR- Spektroskopie des S2-Zustands in Lösung und am PSII-Einkristall ermöglichte darüber hinaus die Charakterisierung der an den Mn-Komplex koppelnden Protonen, wobei für die drei größten Kopplungen auch deren Orientierungen im Kristallsystem gefunden wurden. Unter Verwendung theoretischer Strukturmodelle des WOC im S2-Zustand wurde eine Zuordnung zwischen Hyperfeinkopplung und geometrischer Position für ausgewählte, den WOC ligandierende, Protonen postuliert.
Plants, green algae and cyanobacteria alike use oxygenic photosynthesis to transform harvested light into chemical energy. The oxygen which is released from oxidised water molecules forms the basis of animal and human life. The reaction cycle of catalytic dissociation of the water molecules takes place within a large protein complex called Photosystem II (PSII). Its catalytic center is the WaterOxidizing Complex (WOC) comprising four manganese and a calcium ion. The underlying reaction mechanism is not yet understood. The requisite for the development of appropriate models to explain its behavior is an accurate knowledge of its structure and physical/chemical properties in every step of the catalytic cycle. Electron Paramagnetic Resonance (EPR) and related methods employ the interaction between unpaired electrons in an external magnetic field by measurement of their spin state’s energy splitting. The observed energy differences carry information about the paramagnetic center and its immediate surrounding. Hence, this method is perfectly suited to selectively investigate the paramagnetic S2-state of the WOC within PSII. Initially, the capabilities and benefits of multi-frequency EPR and ENDOR were demonstrated on a di-manganese model system, Mn-Catalase, studying its characteristics and magnetic parameters. These methods then were transferred onto the WOC S2-state in native PSII from cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus and onto the same system, but grown in nutrient containing strontium exclusively, which is the only known functional replacement for calcium. In comparison to native PSII, the S2-state of PSII-Sr exhibits changes in its EPR and ENDOR spectra. To date, these are insufficiently characterized. By means of multi-frequency EPR and ENDOR investigation of both systems in solution, their properties could be determined. Q-band EPR and 55Mn-ENDOR spectroscopy on native PSII crystals allowed for an assignment not only of the fundamental components of the 55Mn hyperfine couplings, but also of their orientations within the crystal frame. In analogy to structural motives from said di- manganese model systems, correlations between magnetic parameters and local structural characteristics could be found. Q-band 1H-ENDOR spectroscopy on S2-state in solution and in crystal permitted the characterization of nearby protons coupled to the WOC, where the three largest couplings could be oriented within the crystal frame. With the aid of theoretical structure models of the WOC in its S2-state, an assignment of selected 1H hyperfine couplings to actual WOC ligating protons was postulated.
