Reversible Structural Isomerization of Nature’s Water Oxidation Catalyst Prior to O–O Bond Formation

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作者
Yu Guo,Johannes Messinger,Lars Kloo,Licheng Sun
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (26): 11736-11747 被引量:4
标识
DOI:10.1021/jacs.2c03528
摘要

Photosynthetic water oxidation is catalyzed by a manganese-calcium oxide cluster, which experiences five "S-states" during a light-driven reaction cycle. The unique "distorted chair"-like geometry of the Mn4CaO5(6) cluster shows structural flexibility that has been frequently proposed to involve "open" and "closed"-cubane forms from the S1 to S3 states. The isomers are interconvertible in the S1 and S2 states, while in the S3 state, the open-cubane structure is observed to dominate inThermosynechococcus elongatus (cyanobacteria) samples. In this work, using density functional theory calculations, we go beyond the S3+Yz state to the S3nYz• → S4+Yz step, and report for the first time that the reversible isomerism, which is suppressed in the S3+Yz state, is fully recovered in the ensuing S3nYz• state due to the proton release from a manganese-bound water ligand. The altered coordination strength of the manganese-ligand facilitates formation of the closed-cubane form, in a dynamic equilibrium with the open-cubane form. This tautomerism immediately preceding dioxygen formation may constitute the rate limiting step for O2 formation, and exert a significant influence on the water oxidation mechanism in photosystem II.
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