シアノバクテリア光化学系II複合体に関する構造生物学的研究

蓝藻光系统II复合体的结构生物学研究

• 批准号: 10J02491
• 负责人: 川上 恵典
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Osaka City University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2010
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2010 至 2011
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-10J02491/
• 关键词: 光化学系II複合体; 光合成; X線結晶構造解析; 光化学系II

光化学系II複合体(以下PSII)は、植物のチラコイド膜内に存在し、光誘起電荷分離反応によって電子伝達を行う超分子複合体である。この電荷分離によって反応中心である二量体クロロフィルP680はラジカルカチオンとなり、酸素発生中心であるMn4CaO5クラスターで水酸化による酸素発生反応を可能とする。植物の酸素発生機構を解明するため、世界の複数の研究グループがPSIIの結晶構造解析に取り組んできたが、これまで報告されてきた立体構造はどれも低分解能であったため、Mn4CaO5クラスターとその配位子群の詳細な立体構造情報を得ることが出来なかった。この最大の理由として、どの研究グループも良質なPSII結晶を作製することが出来なかったことが挙げられる。研究代表者は、長年PSIIの精製・結晶化方法の最適化を行い、1.9A分解能のX線回折強度データを収取できる、非常に良質なPSII結晶の作製方法を確立させた。本研究の目的は、このPSII結晶作製法を用いて酸素発生反応に不可欠な塩素イオンをヨウ素イオンに置換したことによって引き起こされる酸素発生反応の停止機構を構造学的に明らかにするとともに、PSIIの酸素発生反応における塩素イオンの役割を解明することである。PSIIの立体構造を原子レベルで解析することは、人類が探求し続けてきた植物の酸素発生の仕組みを明ちかにするばかりでなく、植物の酸素発生中心構造を模倣した触媒開発研究が進展し、太陽光エネルギーを利用した革新的なエネルギー生産システムの開発が期待できる。研究実施計画として、Native-PSII結晶の作製法を用いて、塩素イオンと置換可能な臭素イオン(Br)・ヨウ素イオン(I)を用いてそれぞれの置換体結晶の作製・構造解析を行い、ヨウ素置換によって引き起こされる立体構造変化をNative-PSII及びBr-PSIIの構造と比較することで明らかにする。そして、明らかとなった立体構造変化が酸素発生反応の失活に直接影響しているかどうか確認するため、様々な分光学的装置による測定を行う。

光系统II复合物（以下称为psii）是植物类囊体膜内存在的超分子复合物，并通过光诱导的电荷分离反应进行电子传递。这种电荷分离导致反应中心的二聚体叶绿素p680成为一种自由基阳离子，从而使Mn4CAO5簇中的羟基化允许氧的产生反应，该簇是氧气产生的中心。世界各地的几个研究小组一直在努力分析PSII的晶体结构，以阐明植物的氧产生机制，但是由于现在据报道的所有三维结构都具有低分辨率，因此有关MN4CAO5簇及其配体组的详细结构信息。这样做的主要原因是，没有一个研究小组能够产生高质量的PSII晶体。多年来，研究人员一直在优化PSII的纯化和结晶方法，并建立了一种产生极高质量的PSII晶体的方法，可以收集以1.9a分辨率收集X射线衍射强度数据。这项研究的目的是在结构上阐明使用这种PSII晶体制备方法替换氧与碘离子必不可少的氯离子引起的氧终止的机理，并阐明氯离子在PSII反应中的氧气中的作用。在原子水平分析PSII的三维结构不仅揭示了人类一直在探索植物的氧产生机制的机制，而且还可以预期模拟植物的氧气产生中心结构以及利用Solar Energy的创新能源生产系统的发展的催化剂开发研究的进步。作为研究计划，我们将使用准备天然PSII晶体的方法来准备和结构分析，使用溴离子（BR）和碘离子（i）（i）可以用氯化离子代替，我们将通过将碘替代品与本机替代的结构进行比较，并通过与天然PSII和BR-PSII和BR-PSII的结构进行比较。为了检查明显的构象变化是否直接影响氧产生反应的失活，进行了各种光谱仪器。

项目成果

Possible Mechanisms of Water Splitting Reaction Based on Proton and Electron Release Pathways Revealed for CaMn_4O_5 Cluster of PSII Refined to 1.9 Å X-Ray Resolution

基于 PSII 精细至 1.9 Å X 射线分辨率的 CaMn_4O_5 簇揭示的质子和电子释放途径的水分解反应的可能机制

• DOI: 10.1002/qua.23218
• 发表时间: 2012
• 期刊: International Journal of Quantum Chemistry
• 影响因子: 2.2
• 作者: 大曲新矢;鈴木逸良;花田賢志;吉武剛;Toru Saito
• 通讯作者: Toru Saito

Characteristics of channels and arrangement of cofactors in the 1.9 angstrom resolution structure of photosystem II

光系统II 1.9埃分辨率结构中通道及辅因子排列特征

• 发表时间: 2011
• 作者: Keisuke Kawakami;Daisuke Hagiwara;Yasufumi Umena;Jian-Ren Shen;Nobuo Kamiya;Keisuke Kawakami;神谷信夫・梅名泰史・川上恵典・沈建仁;川上恵典・梅名泰史・神谷信夫・沈建仁;川上恵典・梅名泰史・神谷信夫・沈建仁
• 通讯作者: 川上恵典・梅名泰史・神谷信夫・沈建仁

Purification and Crystallization of Oxygen-Evolving Photosystem II Core Complex from Thermophilic Cyanobacteria

• DOI: 10.1007/978.1.60761.925.3_5
• 发表时间: 2011-01-01
• 期刊: PHOTOSYNTHESIS RESEARCH PROTOCOLS, SECOND EDITION
• 作者: Shen, Jian-Ren;Kawakami, Keisuke;Koike, Hiroyuki
• 通讯作者: Koike, Hiroyuki

Distribution of the cationic state over the chlorophyll pair of photosystem II reaction center

光系统II反应中心叶绿素对上的阳离子态分布

• 发表时间: 2011
• 期刊: J. Am. Chem. Soc.
• 影响因子: 15
• 作者: Saito K.;Ishida T.;Sugiura M.;Kawakami K.;Umena Y.;Kamiya N.;Shen J.-R.;Ishikita H.
• 通讯作者: Ishikita H.

Improvement of the quality of photosystem II crystals for its structural analysis at an atomic resolution

提高光系统 II 晶体的原子分辨率结构分析质量

• 发表时间: 2010
• 作者: K.Kawakami;Y.Umena;T.Tashiro;N.Kamiya;J.-R.Shen
• 通讯作者: J.-R.Shen