Regulation mechanism of the electron transfer by proton motive force in photosystem II

• Project Area: New Photosynthesis : Reoptimization of the solar energy conversion system
• Project/Area Number: 17H05721
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 加藤 祐樹 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (10376634)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2018: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2017: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 光化学系II / プロトン共役電子移動 / 赤外分光法 / 分光電気化学法 / 酸化還元電位 / 光合成 / プロトン駆動力 / 電子伝達

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は、光合成において光エネルギー変換を担う光化学系IIの電子伝達反応につき、プロトン駆動力による制御機構の解明を目的とするものである。光化学系IIでは、プロトン濃度が低下すると第二キノンQBの酸化還元電位Emが低下することが考えられる。その結果、第一キノンQAとの電子授受平衡がQA側にシフトして反応が抑制され、電荷再結合が起こりやすくなることが想定される。本研究はこのことを検証すべく、2年目にあたる平成30年度には、QBおよびQAのEmのpH依存性とその要因究明に向けた研究を展開した。これまで、QAの酸化還元電位の計測では、Em(QA-/QA)の値は通常-100 mV程度とされてきているが、その手法としてQAの酸化還元状態を間接的に調べる蛍光法が用いられており、QAの酸化還元状態のみを必ずしも反映しているとはいえず、QAのEmが正確に得られていない可能性がある。そこで、直接的にキノンの酸化還元状態が観測可能であるFTIR分光法によってEm(QA-/QA)を計測する手法を確立した。本手法により、Em(QA-/QA)は-138 mVと決定され、また従来の結果とは異なり、FTIR法ではMn除去をしてもEm(QA-/QA)はほとんど変化しないことが示された。この結果から、従来の蛍光法によるEm(QA-/QA)計測は、未処理のPSIIに対しては問題がないと考えられるが、Mn除去したPSIIに対して行うと、EmEm(QA-/QA)がシフトしたような結果を導いてしまう問題があることが明らかとなった。さらに、この手法を用いてpH依存性の実態を引き続き追及している。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Fourier Transform Infrared Analysis of the S-State Cycle of Water Oxidation in the Microcrystals of Photosystem II (2018)
  • Author(s): Kato Yuki、Akita Fusamichi、Nakajima Yoshiki、Suga Michihiro、Umena Yasufumi、Shen Jian-Ren、Noguchi Takumi
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 9 Issue: 9 Pages: 2121-2126
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b00638
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 光化学系IIにおける電子伝達制御機構の解明：分光電気化学法による機能分子の分子の酸化還元電位計測 (2017)
  • Author(s): 加藤祐樹
  • Journal Title: 化学と工業 Volume: 70 Pages: 935-936
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Redox potentials of ubiquinone, menaquinone, phylloquinone, and plastoquinone in aqueous solution (2017)
  • Author(s): S. Kishi, K. Saito, Y. Kato, and H. Ishikita
  • Journal Title: Photosynth. Res. Volume: 134 Pages: 193-200
  • Peer Reviewed
• [Presentation] FTIR分光電気化学法による光化学系II第一キノン電子受容体QAの酸化還元特性の解明 (2019)
  • Author(s): 加藤 祐樹, 大平 彩花，長尾 遼, 野口 巧
  • Organizer: 平成30年度生物物理学会中部支部講演会
• [Presentation] 光合成光化学系IIにおける第一キノン電子受容体QAの酸化還元特性 (2019)
  • Author(s): 加藤 祐樹, 大平 彩花, 長尾 遼, 野口 巧
  • Organizer: 電気化学会第86回大会
• [Presentation] 光化学系IIにおける非ヘム鉄の酸化還元電位のpH依存性：FTIR分光電気化学法を用いた解析 (2018)
  • Author(s): 渡邊 大貴, 野口 巧, 加藤 祐樹
  • Organizer: 第9回日本光合成学会年会
• [Presentation] FTIR分光法で明らかになった光化学系II第一キノン電子受容体QAの酸化還元特性 (2018)
  • Author(s): 加藤 祐樹, 大平 彩花, 長尾 遼, 野口 巧
  • Organizer: 第45回生体分子科学討論会
• [Presentation] FTIR-spectroelectrochemical study on the pH dependence of the redox potential of the non-heme iron in photosystem II (2018)
  • Author(s): 渡邊 大貴, 野口 巧, 加藤 祐樹
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会年会
• [Presentation] FTIR分光法による光化学系IIにおける第一キノン電子受容体QAの酸化還元特性の解明 (2018)
  • Author(s): 加藤祐樹、大平彩花、 長尾遼、 野口巧
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] FTIR分光電気化学法による光化学系II第一キノンQAの酸化還元電位計測：Mn除去の効果 (2017)
  • Author(s): 大平彩花、長尾遼、野口巧、加藤祐樹
  • Organizer: 日本光合成学会年会
• [Presentation] 光化学系IIにおいてMn除去してもQAの酸化還元電位は変動しない (2017)
  • Author(s): 大平彩花、長尾遼、野口巧、加藤祐樹
  • Organizer: 第25回光合成セミナー2017
• [Presentation] Influence of Mn depletion on the redox potential of the primary quinone QA in photosystem II as revealed by FTIR spectroelectrochemistry (2017)
  • Author(s): Ayaka Ohira, Ryo Nagao, Takumi Noguchi, Yuki Kato,
  • Organizer: 日本生物物理学会年会
• [Presentation] FTIR study on the redox property of the primary quinone QA in photosystem II (2017)
  • Author(s): Yuki Kato, Ayaka Ohira, Ryo Nagao, and Takumi Noguchi
  • Organizer: 8th International Conference “Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability -2017
• [Remarks] 名古屋大学大学院理学研究科 光生体エネルギー研究室ホームページ
  • URL: https://www.bio.phys.nagoya-u.ac.jp/