光合成酸素発生系の基質水分子結合過程の追跡

追踪光合产氧系统中底物水分子的结合过程

基本信息

批准号：
22K06160
负责人：
三野広幸
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K06160/
关键词：
EPR 光合成酸素発生マンガンクラスター電子移動 ESR

项目摘要

光合成酸素発生反応は光化学系Ⅱタンパク質のマンガンクラスターで行われる。反応中間状態の分子構造はX線結晶構造解析により構造が解明されつつあるが、分子構造の解明だけでは酸素発生メカニズムは解明できない。現在の反応モデルの中心となっている量子化学計算では、プロトン１つの配置の違いで全く異なる電子状態、化学状態を導いてしまう。本申請研究では、磁気構造解析の結果と組み合わせることによりマンガンクラスターの分子構造、プロトン状態、電子状態の三者を統合する。本研究はマンガンクラスターの高酸化中間状態S2、S3の電子状態を電子スピン共鳴（ESR）により解析し、基質酸素原子の取り込み過程を解明することを目的としている。S2中間状態には構造異性体が存在する.低スピン状態(g=2)と高スピン状態(g=4)としてEPRで検出される信号に相当する。量子化学計算から、３つのマンガンと４つのマンガン１つのCaの立方体が開いたopen-cubaneと立方体が閉じたclosed-cubaneと呼ばれる分子構造が提唱されている。しかし、自由電子レーザーによる構造解析では今のところclosed-cubane構造は観測されておらず、機能と構造両面においてまだ謎となっている。最近では、open-cubane構造と主張する計算結果も報告されている。　また、申請者は別の高スピン状態(g=5)を発見しており、これらの高スピン状態の構造と機能との役割を明らかにするのが本研究の目標である。本年度はQM/MM計算（共同研究）によりg=4状態がclosed-cubane構造であることを明らかにした。　またQ-bandパルスEPRを用いてg=4とg=5の測定に成功した。これは当初期待していなかった結果であり、進展が期待できるため今後の研究の中心とする。g=4についての実験結果は論文として投稿中である。

光合析氧反应发生在光系统II蛋白的锰簇中。尽管通过X射线晶体学阐明了反应中间态的分子结构，但仅通过阐明分子结构并不能阐明氧气产生的机制。在作为当前反应模型核心的量子化学计算中，单个质子构型的差异会导致完全不同的电子态和化学态。在这项研究中，我们将通过将锰簇的分子结构、质子态和电子态与磁结构分析的结果相结合来整合它们。本研究的目的是通过电子自旋共振（ESR）分析锰簇的高度氧化中间态S2和S3的电子态，并阐明底物氧原子的并入过程。 S2中间态存在结构异构体，对应EPR检测到的信号为低自旋态（g=2）和高自旋态（g=4）。量子化学计算提出了称为开立方烷（open-cubane）和闭立方烷（close-cubane）的分子结构，其中开立方烷具有三个锰、四个锰和一个钙，而闭立方烷具有闭合立方体。然而，迄今为止，在利用自由电子激光器进行结构分析时尚未观察到闭合立方烷结构，其功能和结构仍然是个谜。最近，也报道了开放立方体结构的计算结果。此外，申请人还发现了另一种高自旋态（g=5），本研究的目的是阐明这些高自旋态的结构和功能的作用。今年，我们通过QM/MM计算（联合研究）揭示了g=4态是闭立方结构。我们还使用 Q 波段脉冲 EPR 成功测量了 g=4 和 g=5。这是我们一开始没有预料到的结果，我们将重点关注未来的研究，因为它显示出取得进展的希望。 g=4的实验结果目前正在以论文形式提交。