The electron-proton bottleneck of photosynthetic oxygen evolution

光合作用 太阳能燃料 化学 析氧 化学物理 电子转移 光化学 质子 光系统II 光系统 质子输运 析氧络合物 分解水 电子传输链 脱质子化 物理 离子 光催化 电化学 物理化学 催化作用 有机化学 量子力学 生物化学 电极
作者
Holger Dau,Paul Greife,Matthias Schönborn,Matteo Capone,Ricardo Assunção,Daniele Narzi,Leonardo Guidoni
出处
期刊:Research Square - Research Square 被引量:2
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-1210297/v1
摘要

Abstract Photosynthesis fuels life on Earth by storing solar energy in chemical form, inspiring technological schemes for sustainable fuel production. Today’s oxygen-rich atmosphere results from photosynthetic O2-production during water-splitting at the protein-bound manganese cluster of photosystem II. Formation of the O2 molecule starts from a state with four accumulated electron holes, the S4-state, postulated half a century ago1 and remaining enigmatic ever since. Here we resolve this missing key element in photosynthetic O2-formation and its crucial mechanistic role. We tracked 230,000 excitation cycles of dark-adapted photosystems with microsecond infrared spectroscopy. Combing these results with computational chemistry reveals that in S4 not only are four electron holes accumulated by metal ion and protein sidechain oxidation, but also a crucial proton vacancy is created through gated sidechain deprotonation. Subsequently, a reactive oxygen radical is formed in an astonishing single-electron multi-proton transfer event. This is the slowest step in photosynthetic O2-formation – despite its low energetic barrier – due to entropic slowdown. In conjunction with previous breakthroughs in experimental and computational investigations, a compelling atomistic picture of photosynthetic O2-formation emerges. Our results provide insight into a biological process that has probably operated in the same unique way for three billion years and are expected to support the knowledge-based design of artificial water-splitting systems.
最长约 10秒,即可获得该文献文件

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
更新
PDF的下载单位、IP信息已删除 (2025-6-4)

科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
小嘉贞完成签到,获得积分10
刚刚
刚刚
BakerStreet完成签到,获得积分10
1秒前
童秋寒发布了新的文献求助30
1秒前
BakerStreet发布了新的文献求助10
4秒前
4秒前
jianrobsim发布了新的文献求助10
4秒前
5秒前
iNk应助mmyhn采纳,获得20
6秒前
慕青应助力量采纳,获得10
6秒前
6秒前
6秒前
记忆完成签到,获得积分10
7秒前
8秒前
tan90完成签到,获得积分10
8秒前
斯文败类应助夕拾采纳,获得10
9秒前
zzz完成签到,获得积分10
10秒前
DrCuiTianjin完成签到 ,获得积分10
10秒前
无私的芹发布了新的文献求助10
10秒前
11秒前
慕青应助xiamu采纳,获得10
11秒前
英俊的铭应助飞飞采纳,获得10
12秒前
所发生的冯绍峰完成签到,获得积分10
12秒前
liuyuh发布了新的文献求助10
12秒前
宝儿发布了新的文献求助10
12秒前
dingm2发布了新的文献求助10
13秒前
13秒前
13秒前
YORLAN完成签到 ,获得积分10
13秒前
JamesPei应助科研通管家采纳,获得10
13秒前
SciGPT应助科研通管家采纳,获得10
14秒前
14秒前
14秒前
14秒前
15秒前
16秒前
16秒前
16秒前
17秒前
无私的芹发布了新的文献求助10
17秒前
高分求助中
A new approach to the extrapolation of accelerated life test data 1000
Cognitive Neuroscience: The Biology of the Mind 1000
Technical Brochure TB 814: LPIT applications in HV gas insulated switchgear 1000
ACSM’s Guidelines for Exercise Testing and Prescription, 12th edition 500
Picture Books with Same-sex Parented Families: Unintentional Censorship 500
Nucleophilic substitution in azasydnone-modified dinitroanisoles 500
不知道标题是什么 500
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 工程类 有机化学 生物化学 物理 内科学 纳米技术 计算机科学 化学工程 复合材料 遗传学 基因 物理化学 催化作用 冶金 细胞生物学 免疫学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 3969574
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 3514435
关于积分的说明 11173986
捐赠科研通 3249755
什么是DOI,文献DOI怎么找? 1794979
邀请新用户注册赠送积分活动 875537
科研通“疑难数据库(出版商)”最低求助积分说明 804844