Mangan L-Kanten-Spektroskopie am Protein Photosystem II and an Metallkomplexen in Lösung

Photosynthetic water splitting is catalyzed at a Mn4CaO5 complex in the photosystem II protein (PS II). A fundamental understanding of this reduction-oxidation reaction requires detailed information on the electronic structure of the Mn4CaO5 complex and its changes during the water splitting reaction. Important properties of this electronic structure, relevant for a mechanistic understanding of the water splitting reaction, comprise the Mn oxidation states, the spin states and the metal-ligand interactions, which reflect charge-transfer processes and the interaction with nearby water molecules. A sensitive method for probing these properties locally at the Mn4CaO5 complex is X-ray absorption spectroscopy (XAS) at the Mn L-edge. In this thesis, Mn L-edge XAS is established for studying the electronic structure of the Mn4CaO5 complex in PS II, probed in solution and at room temperature, using an X-ray free-electron laser. With the employed approach, several experimental challenges are addressed. A soft X-ray spectrometer based on reflection zone plates is used to collect fluorescence-detected Mn L-edge XAS of PS II in solution. The zone plates separate the Mn fluorescence signal from the overwhelming fluorescence background due to oxygen in the sample. The unprecedented collection efficiency of this spectrometer allows for recording Mn L-edge XAS of PS II, traversing the limits of experimental feasibility, set by the low sample concentrations in the (sub-) millimolar regime. X-ray induced damage to the radiation sensitive samples due to the ionizing X-rays is addressed and can be avoided with the use of ultrashort X-ray pulses from X-ray free-electron lasers. A first experimental Mn L-edge XAS spectrum of PS II in solution is found to be free from X-ray induced damage. The spectrum is consistently assessed with respect to the expected electronic structure, upon comparison to spectra of multinuclear model complexes probed under similar conditions. The information on the electronic structure of 3d transition metal complexes, as contained in their L-edge XAS spectra, is addressed in a systematic study of mononuclear metal complexes in solution. Specific observables in L-edge XAS are related to the metal oxidation states, the spin and metal-ligand interactions in these complexes. The experimental spectra are interpreted in comparison to spectrum calculations from the semi-empirical crystal field and charge-transfer multiplet approaches and from the ab-initio theoretical restricted active space approach. In a pivotal study, the latter is used to correlate L-edge XAS spectra with changes in the local charge and spin densities in the molecules.
Die photosynthetische Wasserspaltungsreaktion wird am Mn4CaO5 Komplex in dem Protein Photosystem II (PS II) katalysiert. Ein fundamentales Verständnis dieser Reduktions-Oxidations-Reaktion bedarf genauer Informationen über die elektronische Struktur des Mn4CaO5 Komplexes und ihrer Änderungen im Laufe der Wasserspaltungsreaktion. Die für ein Verständnis dieser Reaktion relevanten Struktureigenschaften umfassen die Oxidationszahlen der Manganatome (Mn), den Spin und the Wechselwirkung zwischen Metallzentrum und Liganden. Diese spiegeln Ladungstransferprozesse sowie Wechselwirkungen mit Wassermolekülen wider. Eine empfindliche Methode zur Untersuchung dieser Eigenschaften des Mn4CaO5 Komplexes ist Röntgenabsorptionsspektroskopie an der Mn L-Kante. In der vorliegenden Arbeit wurde Röntgenabsorptionsspektroskopie an der Mn L-Kante zur Untersuchung der elektronischen Struktur des Mn4CaO5 Komplexes in PS II etabliert. Diese Untersuchungen wurden in wässriger Lösung und bei Raumtemperatur mit einem Röntgen-Freie-Elektronen-Laser durchgeführt. Hierzu wurden verschiedene experimentelle Hürden adressiert. Ein auf Reflexionszonenplatten basierendes Weichröntgenspektrometer wurde erfolgreich zur Aufnahme fluoreszenzdetektierter Absorptionsspektren an der Mn L-Kante von PS II eingesetzt. Die Zonenplatten trennten die Fluoreszenz von Mn von der dominierenden Fluoreszenz des Sauerstoffs in der Probe. Die für dieses Experiment unübertroffene Detektionseffizienz des Spektrometers ermöglichte die Aufnahme eines ersten Spektrums von PS II. Bisherige, durch die geringe Probenkonzentration im (sub-) millimolaren Bereich gegebenen Machbarkeitsbeschränkungen wurden somit überwunden. Durch ionisierende Röntgenstrahlung induzierte Beschädigungen der Probe können unter Verwendung der ultrakurzen Röntgenimpulse des Freie-Elektronen-Lasers unterbunden werden. In einem ersten, an der Mn L-Kante von PS II gemessenen Absorptionsspektrum konnten somit keine Hinweise auf strahlungsinduzierten Schaden festgestellt werden. Zum Vergleich wurden Spektren von multinuklearen Modellkomplexen unter ähnlichen Bedingungen gemessenen. Der Vergleich zeichnet bezüglich der erwarteten, elektronischen Struktur des Mn4CaO5 Komplexes ein konsistentes Bild. In einer systematischen Studie mononuklearer 3d-Übergangsmetallkomplexe wurde untersucht, inwiefern deren Absorptionsspektren Hinweise auf ihre elektronische Struktur geben. Somit konnten charakteristische Observablen im Spektrum mit den Oxidationszahlen, dem Spin der Komplexe und den Metall-Liganden Wechselwirkungen korreliert werden. Die experimentellen Spektren wurden unter Zuhilfenahme semiempirischer Kristallfeld- und Ladungstransfer-Multipletrechnungen sowie ab-inito theoretischer Rechnungen interpretiert. In einer wegweisenden Studie wurden letztere dazu verwendet, für die Mn L-Kante berechnete Röntgenabsorptionsspektren mit lokalen Ladungs- und Spindichten im Molekül zu korrelieren.