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

基本信息

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

项目摘要

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复合体（以下简称PSII）是存在于植物类囊体膜中并通过光致电荷分离反应进行电子转移的超分子复合体。由于这种电荷分离，作为反应中心的二聚体叶绿素P680变成自由基阳离子，从而能够在作为氧产生中心的Mn4CaO5簇上通过羟基化进行氧产生反应。为了阐明植物中的产氧机制，世界各地多个研究小组一直致力于PSII的晶体结构分析，但迄今为止报道的所有三维结构分辨率较低，因此Mn4CaO5团簇及其排列方式无法获得连接基团的详细三维结构信息。造成这种情况的最大原因是没有一个研究小组能够生产出高质量的 PSII 晶体。首席研究员花费多年时间优化PSII纯化和结晶方法，建立了一种生产极高品质PSII晶体的方法，可以收集1.9A分辨率的X射线衍射强度数据。本研究的目的在于，利用该PSII晶体的制造方法，从结构上明确用碘离子取代析氧反应所必需的氯离子而导致析氧反应终止的机制，并达到本研究的目的。研究目的是阐明氯离子在析氧反应中的作用。在原子水平上分析PSII的三维结构，不仅将揭示人类不断探索的植物产氧机制，还将推进模拟植物产氧中心结构的催化剂的研究。植物，我们可以期待利用太阳能开发创新能源生产系统。作为一项研究实施计划，我们将采用Native-PSII晶体生产方法，利用溴离子（Br）和碘离子（I）来制造取代基晶体并进行结构分析，这些取代基晶体可以取代氯离子而引起的构象变化。通过比较Native-PSII和Br-PSII的结构将阐明这一点。然后，为了确认所揭示的构象变化是否直接影响析氧反应的失活，将使用各种光谱装置进行测量。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of 1.9Å *These authors contributed equally to this work.

分辨率为 1.9Å 的释氧光系统 II 的晶体结构 *这些作者对这项工作做出了同等贡献。

DOI：
发表时间：
2011
期刊：
Nature
影响因子：
64.8
作者：
Y.Umena;K.Kawakami;J.-R.Shen;N.Kamiya
通讯作者：
N.Kamiya

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

DOI：
发表时间：
2011
期刊：
影响因子：
0
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