Biochemie: Details der fotosynthetischen Wasserspaltung aufgedeckt

Genaueren Aufschluss darüber, wie Pflanzen mit Hilfe des Sonnenlichts Wasser aufspalten, gibt nun eine Studie eines internationalen Forscherteams um Johannes Messinger vom Max-Planck-Institut für Bioanorganische Chemie in Mühlheim an der Ruhr. Die Forscher analysierten dazu im Detail die geometrische Struktur des Mangan-Kalzium-Komplexes im Fotosystem II, einer Ansammlung von Molekülen, der die entscheidende Rolle bei der Energiegewinnung durch Fotosynthese zugeschrieben wird. Durch eine Kombination von Röntgentechnologie und Computerberechnungen gelang es den Wissenschaftlern, die richtige unter den 18 bislang diskutierten Anordnungsmöglichkeiten der Atome herauszufiltern.

Fotosystem-II-Kristall | Den Fotosystem-II-Kristall (Bildmitte) bestrahlen die Wissenschaftler mit grünem Licht, um ihn besser positionieren zu können. Von oben einströmendes Helium kühlt ihn auf minus 260 Grad Celsius. Der hochgebündelte und polarisierte Röntgenstrahl trifft von rechts unten auf die Probe. Die Spitze des mit dreißig Elementen bestückten EXAFS-Detektors ragt aus dem linken Rand.

Der Mangan-Kalzium-Komplex besteht demnach aus vier Mangan-, einem Kalzium- und mindestens fünf Sauerstoff-Atomen, die – wie das Forscherteam jetzt herausfand – eine Struktur aus drei aneinanderhängenden Rauten bilden. Mit ihrer Hilfe spalten Pflanzen unter Einfluss des Sonnenlichts Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff.

Atomanordnung im Fotosystem II | Atomanordnung im Herz des Fotosystems II: Zu dem Cluster, an dem Wasser gespalten wird, verbinden sich vier Mangan-, fünf Sauerstoff- und ein Kalzium-Atom. Letzteres konnten die Forscher noch nicht eindeutig lokalisieren, weshalb es in der Abbildung nicht dargestellt ist.

Für das genauere Verständnis des eigentlichen Bauplans war es nach Aussage der Forscher notwendig, die Abstände zwischen den einzelnen Mangan-Atomen zu ermitteln. Dabei scheiterten frühere Studien immer wieder, weil die hohe Strahlendosis der Röntgenstrukturanalyse das empfindliche Molekül zerstörte – ein Problem, dem die Forscher mit der Weiterentwicklung der wesentlichen sanfteren EXAFS-Messmethode (Extended X-Ray Absorption Fine Structure) entgegentraten. Ungewiss bleibt allerdings weiterhin, wo das einzelne Kalzium-Atom innerhalb des Komplexes positioniert ist und in welcher Ausrichtung sich der Gesamtkomplex in das Fotosystem II einfügt.

Mit ihrer Arbeit tragen die Forscher zu einem tieferen Verständnis der Vorgänge während der Fotosynthese bei und nähren damit die Hoffnung, eines Tages die fotosynthetische Spaltung von Wasser im Labor nachahmen zu können. Sollte dies gelingen, stünde mit dem bei der Reaktion freiwerdenden Wasserstoff ein idealer, aus reiner Sonnenenergie gewonnener Energielieferant zur Verfügung. (jd)