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 Proteinforschung: Der Computer als Mikroskop
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

nachricht Nervenkrankheit ALS: Mehr als nur ein Motor-Problem im Gehirn?
16.01.2017 | Leibniz-Institut für Neurobiologie

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: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Im Focus: Mit Bindfaden und Schere - die Chromosomenverteilung in der Meiose

Was einmal fest verbunden war sollte nicht getrennt werden? Nicht so in der Meiose, der Zellteilung in der Gameten, Spermien und Eizellen entstehen. Am Anfang der Meiose hält der ringförmige Proteinkomplex Kohäsin die Chromosomenstränge, auf denen die Bauanleitung des Körpers gespeichert ist, zusammen wie ein Bindfaden. Damit am Ende jede Eizelle und jedes Spermium nur einen Chromosomensatz erhält, müssen die Bindfäden aufgeschnitten werden. Forscher vom Max-Planck-Institut für Biochemie zeigen in der Bäckerhefe wie ein auch im Menschen vorkommendes Kinase-Enzym das Aufschneiden der Kohäsinringe kontrolliert und mit dem Austritt aus der Meiose und der Gametenbildung koordiniert.

Warum sehen Kinder eigentlich ihren Eltern ähnlich? Die meisten Zellen unseres Körpers sind diploid, d.h. sie besitzen zwei Kopien von jedem Chromosom – eine...

Im Focus: Der Klang des Ozeans

Umfassende Langzeitstudie zur Geräuschkulisse im Südpolarmeer veröffentlicht

Fast drei Jahre lang haben AWI-Wissenschaftler mit Unterwasser-Mikrofonen in das Südpolarmeer hineingehorcht und einen „Chor“ aus Walen und Robben vernommen....

Im Focus: Wie man eine 80t schwere Betonschale aufbläst

An der TU Wien wurde eine Alternative zu teuren und aufwendigen Schalungen für Kuppelbauten entwickelt, die nun in einem Testbauwerk für die ÖBB-Infrastruktur umgesetzt wird.

Die Schalung für Kuppelbauten aus Beton ist normalerweise aufwändig und teuer. Eine mögliche kostengünstige und ressourcenschonende Alternative bietet die an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

14. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

12.01.2017 | Veranstaltungen

Leipziger Biogas-Fachgespräch lädt zum "Branchengespräch Biogas2020+" nach Nossen

11.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Weltweit erste Solarstraße in Frankreich eingeweiht

16.01.2017 | Energie und Elektrotechnik

Proteinforschung: Der Computer als Mikroskop

16.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis

16.01.2017 | Physik Astronomie