フーリエ変換赤外分光法による光合成水分解反応の分子メカニズムの解明

利用傅里叶变换红外光谱阐明光合水分解反应的分子机制

• 批准号: 07J00252
• 负责人: 鈴木 博行
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2007
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2007 至 2008
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07J00252/
• 关键词: 光合成; 光化学系II; FTIR; 水分解系; シアノバクテリア; 水分解反応; 振動分光; 酸素発生反応; 光化学系; 酸素発生系

光合成水分解反応は、光化学系II蛋白質に結合した金属クラスター上で触媒され、5つの中間状態(S0-S4)の光誘起サイクルにより進行することが知られているが、その構造や反応機構の詳細は未だ明らかとなっていない。本年度では、1)基質水分子の分解過程、2)触媒部位の構造に関する知見を得るために、フーリエ変換赤外(FTIR)分光法及び、部位特異的変異導入法を用いて研究を行った。1)基質水分子の分解過程:これまで検出が困難であった水分子の変角振動シグナルを、重水置換を施した試料を用いることにより、世界で初めて検出した。そのシグナルを詳細に解析したところ、どの遷移においても少なくとも2分子の水が水分解反応に関与していることが明らかとなり、さらに、基質水分子が、蛋白質中の水クラスターから、S2→S3,S3→S0遷移において触媒部位に取り込まれることが強く示唆された。2)触媒部位の構造:触媒部位近傍のD1-His332及び、CP43-Asp354に部位特異的変異を導入し、これらの変異試料について、FTIRによる解析を行った。D1-His332変異試料では、FTIRシグナルに変化が見られなかった。このことは、このアミノ酸は金属イオンの配位子ではなく、水分解反応に間接的に関与していることが示唆された。一方、CP43-Asp354変異試料では、カルボキシル基に由来するFTIRシグナルが消失した。この結果から、このアミノ酸は金属イオンと配位結合していることが示された。さらに、水分子のシグナルに変化が観測されたことから、その金属イオンが基質水分子の結合部位の一つであることが明らかとなった。これらの結果は、CP43-Asp354は触媒の構造だけでなく、水分解反応の重要な役割を担っていることを示している。

已知光合作用的水解反应是在与光系统II蛋白结合的金属簇上催化的，并通过五个中间状态的光诱导的循环（S0-S4）进行，但其结构和反应机制的细节仍然未知。在今年，使用傅立叶变换红外（FTIR）光谱和定位诱变进行了研究，以深入了解1）底物水分子的分解过程，以及2）催化位点的结构。 1）底物水分子的分解过程：通过使用经过重水的样品，在世界上首次检测到水分子的先前困难检测信号。对该信号的详细分析表明，在任何过渡时，至少有两个水分解反应与水分解反应有关，并且强烈建议将底物水分子掺入S2→S3和S3→S0过渡的蛋白质中的蛋白质中的水群中的催化位点。 2）催化位点的结构：将定点突变引入催化位点附近的D1-HIS332和CP43-ASP354中，并通过FTIR分析了这些突变的样品。 D1-HIS332突变样品中的FTIR信号中未观察到任何变化。这表明该氨基酸不是金属离子的配体，而是间接参与水分解反应。另一方面，在CP43-ASP354突变样品中，源自羧基的FTIR信号消失了。结果表明，该氨基酸与金属离子协调。此外，观察到水分子信号的变化，表明金属离子是底物水分子的结合位点之一。这些结果表明，CP43-ASP354在水分解反应以及催化剂的结构中起重要作用。

项目成果

光化学系IIコア蛋白質における第一キノン電子受容体Q_Aの再構成

光系统II核心蛋白第一个醌电子受体Q_A的重建

• 发表时间: 2009
• 作者: 梢雄多;高野晃;鈴木博行;杉浦美羽;野口巧
• 通讯作者: 野口巧

Catalytic Mechanism of Nitrile Hydratase Proposed by Time-resolved X-ray Crystallography Using a Novel Substrate, tert-Butylisonitrile

• DOI: 10.1074/jbc.m806577200
• 发表时间: 2008-12-26
• 期刊: JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY
• 影响因子: 4.8
• 作者: Hashimoto, Koichi;Suzuki, Hiroyuki;Odaka, Masafumi
• 通讯作者: Odaka, Masafumi

Structural relevance of the Ca^<2+> ion with substrate water in the photos ynthetic oxygen evolving center as studied by FTIR spectroscopy

FTIR光谱研究光合氧放出中心Ca^2离子与底物水的结构相关性

• 发表时间: 2007
• 作者: Hiroyuki Suzuki;et. al.;鈴木博行;梢雄多;石塚量見;Mitsuhiro lizasa;Hiroyuki Suzuki;高野晃;渋谷勇一;鈴木博行;鈴木博行;Yuichi. Shibuya
• 通讯作者: Yuichi. Shibuya

光合成水分解反応におけるプロトン放出パターンのpH依存性

光合水分解反应中质子释放模式的 pH 依赖性

• 发表时间: 2007
• 作者: H. Suzuki;et. al.;T. Noguchi;高橋亮太 等;鈴木博行 等;鈴木博行 等;鞆達也 等;高野晃 等;渋谷勇一 等;冨田めぐみ 等;鈴木博行 等
• 通讯作者: 鈴木博行 等

FTIR法による光合成水分解反応におけるプロトン放出パターンの検出

使用 FTIR 方法检测光合水分解反应中的质子释放模式

• 发表时间: 2008
• 作者: T. Tomo;et. al.;T. Noguchi;野口巧;鈴木博行 等
• 通讯作者: 鈴木博行 等