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解析光系统II放氧复合体的结构与光谱指纹：S?态的计算研究

DOI：10.1021/acs.jpcb.8b08147 期刊：The Journal of Physical Chemistry B 出版年份：2018 更新时间：2025-09-10 09:29:36
摘要： 光合作用水氧化的催化循环发生在光系统II（PSII）的Mn4CaO5放氧复合体（OEC）上。尽管质子和电子库存（锰氧化态）仍不确定，但已收集了大量关于中间体（特别是S2（Kok）态）的光谱数据。"高氧化"范式将S2锰氧化水平指定为（III, IV, IV, IV）或（IV, IV, IV, III），而"低氧化"范式则假设存在两个额外电子。我们采用量子化学DFT计算研究了S2态的几何结构（XRD、EXAFS）和光谱特性（EPR、ENDOR），重点关注被忽视的低氧化范式。预测两种可互变的电子自旋构型作为基态，在低氧化态（III, IV, III, III）且W2为OH–、O5为OH–时产生多线（S = 1/2）和宽谱（S = 5/2）EPR信号，其具有"开放"（S = 5/2）和"闭合"（S = 1/2）的Mn3CaO4立方烷几何结构。通过扰动氢键网络（如His337的H+转移到O3或W2），可获得其他能量可达的异构体，其基态自旋为1/2、7/2、9/2或11/2，与实验观察一致。当质子化状态为O5（OH–）、W2（H2O）和中性His337时，低氧化态构型（III, IV, IV, II）也变得能量可达。其中（III, IV, III, III）构型与早期低温EPR和ENDOR解释高度吻合，而含MnII的构型与近期ENDOR数据部分相符。然而低氧化范式未能产生与观测值良好吻合的各向同性配体超精细相互作用。我们得出结论：OEC的低锰氧化态假说能较好地匹配S2在能量可达范围内的大多数现有结构和电子数据。
作者： He Chen，David A. Case，Gerard Charles Dismukes
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研究概述 实验方案

研究目的

采用量子化学DFT计算方法，在低氧化范式下研究光系统II（PSII）放氧复合体（OEC）S2态的几何与光谱特性。

研究成果

关于氧进化复合体（OEC）的锰低氧化态假说，能较好地吻合S2态在可及能量范围内的大多数现有结构和电子数据。该研究为超精细耦合及其各向异性的起源提供了新的物理解释，有助于推动低氧化态与高氧化态两种理论范式间的学术争论。

研究不足

能量分离的准确性受限于零场分裂（ZFS）贡献的忽略，且可能对所使用的泛函敏感。数值计算得到的投影系数和超精细耦合常数在很大程度上取决于交换耦合常数的准确性。由于Mn(III)存在显著的磁偶极超精细耦合和较大的零场分裂，超精细耦合常数的各向同性假设受到严重破坏。

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