Protonation structure of the photosynthetic water oxidizing complex in the S0 state as revealed by normal mode analysis using quantum mechanics/molecular mechanics calculations

文献情報

出版日 2020-10-15
DOI 10.1039/D0CP04079G
インパクトファクター 3.676
著者

Masao Yamamoto, Shin Nakamura, Takumi Noguchi


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要旨

Photosynthetic water oxidation takes place through the light-driven cycle of five intermediates (S0–S4) of the water oxidizing complex (WOC), which consists of the Mn4CaO5 cluster and surrounding amino acid residues in photosystem II. Clarifying the protonation structures of the Mn4CaO5 cluster and its water ligands (W1–W4) is essential for understanding the molecular mechanism of water oxidation. Here, we performed normal mode analysis of WOC in the S0 and S1 states using quantum mechanics/molecular mechanics calculations and simulated an S1-minus-S0 infrared difference spectrum focusing on the symmetric COO− stretching (νsCOO−) region. The calculated spectrum by an S0 model, in which O4 of the Mn4CaO5 cluster is protonated and W2 is H2O, and a corresponding S1 state with deprotonated O4 best reproduced the νsCOO− features of the experimental spectrum, whereas models with protonated O5 showed poor agreement. In addition, comparison of the calculated coordination distances of the water ligands with the experimental data by X-ray diffraction analysis indicates that W2 is most probably not OH− but H2O both in the S0 and S1 states. The present calculations thus strongly suggest that the S0 state has a protonation structure of O4–H and W2 = H2O. The O4–H structure in the S0 state supports the view that this proton is released through the O4–water chain immediately after electron transfer during the S0 → S1 transition.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
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年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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