Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Einblicke in das Kraftwerk der Natur

11.09.2012
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.


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.

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 http://dx.doi.org/10.1002/anie.201204705

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.
Dr. Rebekka Loschen
Research Coordinator
Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion
Stiftstr. 34-36
45470 Muelheim an der Ruhr
Germany
email: Rebekka.Loschen@cec.mpg.de
phone: +49 (0)208 306 3681
fax: +49 (0)208 306 3957

Dr. Rebekka Loschen | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.cec.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen
09.12.2016 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

nachricht Wolkenbildung: Wie Feldspat als Gefrierkeim wirkt
09.12.2016 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Elektronenautobahn im Kristall

Physiker der Universität Würzburg haben an einer bestimmten Form topologischer Isolatoren eine überraschende Entdeckung gemacht. Die Erklärung für den Effekt findet sich in der Struktur der verwendeten Materialien. Ihre Arbeit haben die Forscher jetzt in Science veröffentlicht.

Sie sind das derzeit „heißeste Eisen“ der Physik, wie die Neue Zürcher Zeitung schreibt: topologische Isolatoren. Ihre Bedeutung wurde erst vor wenigen Wochen...

Im Focus: Electron highway inside crystal

Physicists of the University of Würzburg have made an astonishing discovery in a specific type of topological insulators. The effect is due to the structure of the materials used. The researchers have now published their work in the journal Science.

Topological insulators are currently the hot topic in physics according to the newspaper Neue Zürcher Zeitung. Only a few weeks ago, their importance was...

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochgenaue Versuchsstände für dynamisch belastete Komponenten – Workshop zeigt Potenzial auf

09.12.2016 | Seminare Workshops

Ein Nano-Kreisverkehr für Licht

09.12.2016 | Physik Astronomie

Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen

09.12.2016 | Biowissenschaften Chemie