光合成蛋白質における高次π空間による光誘起電子移動反応の分子制御機構

• Project Area: Emergence of highly elaborated pai-space and its function
• Project/Area Number: 21108506
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Nagoya University (2010); University of Tsukuba (2009)
• Principal Investigator: 野口 巧 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (60241246)
• Project Period (FY): 2009 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2010: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2009: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 光合成 / 光化学系II / 赤外分光 / π系共役色素 / 電子移動

Research Abstract

光合成系II蛋白質複合体に働く除草剤は、第二キノン電子受容体Q_B部位に結合し、第一キノン電子受容体Q_Aから先の電子移動反応を阻害する。ブロモキシニルなどのπ電子系を持つフェノール系除草剤は、Q_B部位への結合によってQ_Aの酸化還元電位を低下させることが知られているが、その酸化還元電位コントロールの分子メカニズムは不明であった。そこで本研究では、フーリエ変換赤外分光法(FTIR)とドッキング計算を用いてフェノール系除草剤とQ_Aとの相互作用および酸化還元電位への影響を調べた。
ブロモキシニルを作用させた光化学系IIについて、Q_AとQ_Bの中間に存在する非ヘム鉄の光誘起還元反応の際のFTIRスペクトルを測定した。そのスペクトルにおいて、ブロモキシニルのCN及びCO伸縮振動が、それぞれ2209及び1516cm^<-1>に観測された。エタノール中のブロモキシニルのスペクトルや密度汎関数法(DFT)解析から、フェノール系除草剤は脱プロトン化したフェノレートアニオンの状態でQ_B部位に結合していることが示された。また、ヒスチジン由来のバンドの顕著な変化から、このフェノーレートアニオンの酸素原子が非ヘム鉄に配位するD1-His215に水素結合していることが示唆された。ドッキング計算によってもこの結果が支持された。これらの結果から、フェノール系除草剤は、フェノレートCOのHis側鎖への強い水素結合により、その相互作用シグナルがπ共役と水素結合よりなるQ_A-His-Fe-His-phenolate架橋構造を介してQ_Aに伝わり、Q_Aの酸化還元電位を低下させることが示された。

Research Products

• [Journal Article] The cyanobacteriochrome, TePixJ, isomerizes its own chromophore by converting phycocyanobilin to phycoviolobilin (2011)
  • Author(s): T.Ishizuka, A.Kamiya, H.Suzuki, R.Narikawa, T.Noguchi, T.Kohchi, K.Inomata, M.Ikeuchi
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 50 Pages: 953-961
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural coupling of an arginine side chain with the oxygen evolving Mn4Ca cluster in photosynstem II as revealed by isotope-edited Fourier transform infrared spectroscopy (2011)
  • Author(s): Y.Shimada, H.Suzuki, T.Tsuchiya, M.Mimuro, T.Noguchi
  • Journal Title: J.Am.Chem.Soc. Volume: 133 Pages: 3808-3811
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Interaction and inhibitory effect of ammonium cation in the oxygen evolvingcenter of photosytem II (2011)
  • Author(s): M.Tsuno, H.Suzuki, T.Kondo, H.Mino, T.Noguchi
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 50 Pages: 2506-2514
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fourier transform infrared spectroscopy of special pair bacteriochlorophylls in homodimeric reaction centers of heliobacteria and green sulfur bacteria (2010)
  • Author(s): T.Noguchi
  • Journal Title: Photosynth.Res. Volume: 104 Pages: 321-331
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Orientations of carboxylate groups coupled to the Mn cluster in the photosynthetic oxygen-evolving center as studied by polarized ATR-FTIR spectroscopy (2010)
  • Author(s): M.Iizasa, H.Suzuki, T.Noguchi
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 49 Pages: 3074-3082
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Energetics in photosystem II from Thermosynechococcus elongatus with a D1 protein encoded by either the psbA1 or psbA3 gene (2010)
  • Author(s): M.Sugiura, Y.Kato, R.Takahashi, H.Suzuki, T.Watanabe, T.Noguchi, F.Rappaport, A.Boussac
  • Journal Title: Biochim.Biophys.Acta Volume: 1797 Pages: 1491-1499
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The structures and binding sites of phenolic herbicides in the Q_B pocket of photosystem II (2010)
  • Author(s): R.Takahashi, K.Hasegawa, A.Takano, T.Noguchi
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 49 Pages: 5445-5454
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hydrogen bond interactions of the pheophytin electron acceptor and its radical anion in photosystem II as revealed by Fourier transform infrared difference spectroscopy (2010)
  • Author(s): Y.Shibuya, R.Takahashi, T.Okubo, H.Suzuki, M.Sugiura, T.Noguchi
  • Journal Title: Biochemistry 49 Pages: 493-501
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fourier transform infrared spectroscopy of special pair bacteriochlorophylls in homodimeric reaction centers of heliobacteria and green sulfur bacteria (2010)
  • Author(s): 野口巧
  • Journal Title: Photosynth.Res. (in press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 共鳴ラマン分光法 (2009)
  • Author(s): 野口巧
  • Journal Title: 「光合成研究法」低温科学 67 Pages: 491-496
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 光誘起フーリエ変換赤外差スペクトル法 (2009)
  • Author(s): 野口巧
  • Journal Title: 「光合成研究法」低温科学 67 Pages: 483-489
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Monitoring proton release during photosynthetic water oxidation in photosystem II by means of isotope-edited infrared spectroscopy (2009)
  • Author(s): H.Suzuki, M.Sugiura, T.Noguchi
  • Journal Title: J.Am.Chem.Soc. 131 Pages: 7849-7857
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural coupling of a tyrosine side chain with the non-heme iron center in photosystem II as revealed by light-induced Fourier transform infrared difference spectroscopy (2009)
  • Author(s): R.Takahashi, A.Boussac, M.Sugiura, T.Noguchi
  • Journal Title: Biochemistry 48 Pages: 8994-9001
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 光合成水分解反応の赤外分光解析 (2011)
  • Author(s): 野口巧
  • Organizer: 阪大蛋白研セミナー「分子科学と生理学が解き明かす植物の光エネルギー変換の新展開」
  • Place of Presentation: 大阪大学蛋白質研究所
• [Presentation] 光合成酸素発生反応におけるアンモニウムイオンの阻害効果 (2011)
  • Author(s): 津野将弥、鈴木博行、野口巧
  • Organizer: 日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: (要旨集)
• [Presentation] FTIR法による光合成酸素発生サイクルにおける各S状態遷移の効率の評価 (2011)
  • Author(s): 鈴木博行、杉浦美羽、野口巧
  • Organizer: 日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: (要旨集)
• [Presentation] 光化学系II-金ナノ粒子複合体の形成 (2011)
  • Author(s): 野地智康、鈴木博行、五藤俊明、鞆達也、野口巧
  • Organizer: 日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: (要旨集)
• [Presentation] 光化学系IIにおける電子伝達πコファクターの光傷害機構 (2011)
  • Author(s): 井手段一聖、野口巧
  • Organizer: 「高次π空間の創発と機能開発」第5回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: (要旨集)
• [Presentation] 光化学系II-金ナノ粒子複合体の形成 (2011)
  • Author(s): 野地智康、鈴木博行、五藤俊明、岩井雅子、池内昌彦、鞆達也、野口巧
  • Organizer: 日本生物物理学会中部支部講演会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
• [Presentation] 光合成酸素発生研究:試料系と分光測定のカップリング (2010)
  • Author(s): 野口巧
  • Organizer: 光合成シンポジウム「光合成による光エネルギー利用の過去・現状・未来」
  • Place of Presentation: 京都大学
  • Year and Date: 2010-12-29
• [Presentation] カロテノイドの励起移動と電子移動 (2010)
  • Author(s): 野口巧
  • Organizer: 嶋田敬三先生退職記念シンポジウム―光合成細菌:色素タンパク質からの広がり―
  • Place of Presentation: 首都大学東京
  • Year and Date: 2010-03-13
• [Presentation] Molecular mechanism of photosynthetic water oxidation (2010)
  • Author(s): 野口巧
  • Organizer: 1st Symposium of the Innovative Center of Nanomaterials Science for Environment and Energy
  • Place of Presentation: NIMS, Tsukuba
  • Year and Date: 2010-02-09
• [Presentation] 光合成酸素発生反応におけるアンモニア阻害のメカニズム (2010)
  • Author(s): 津野将弥、鈴木博行、野口巧
  • Organizer: 日本光合成学会年会
  • Place of Presentation: 東京大学
• [Presentation] 光合成酸素発生反応における各S状態遷移の効率:FTIR法による解析 (2010)
  • Author(s): 鈴木博行, 杉浦美羽, 野口巧
  • Organizer: 日本光合成学会年会
  • Place of Presentation: 東京大学
• [Presentation] 赤色・緑色光センサータンパク質AnPixJの光反応のFTIR解析 (2010)
  • Author(s): 富田祐介、鈴木博行、成川礼、池内昌彦、伊藤繁、野口巧
  • Organizer: 日本光合成学会年会
  • Place of Presentation: 東京大学
• [Presentation] 光合成蛋白質におけるπ共役系を介したフェノール系除草剤と第一キノン電子受容体の相互作用 (2010)
  • Author(s): 高橋亮太、長谷川浩司、高野晃、野口巧
  • Organizer: 「高次π空間の創発と機能開発」第4回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: つくば国際会議場
• [Presentation] Infrared detection of water oxidation reactions in photosystem II (2010)
  • Author(s): Takumi Noguchi
  • Organizer: 15th International Congress of Photosynthesis
  • Place of Presentation: Beijing, China
• [Presentation] Functional roles of the amino- and carboxyl-regions of PsbP protein in photosystem II (2010)
  • Author(s): Shusuke Kakiuchi, Megumi Tomita, Kunio Ido, Kentaro Ifuku, Takumi Noguchi, Fumihiko Sato
  • Organizer: 15th International Congress of Photosynthesis
  • Place of Presentation: Beijing, China
• [Presentation] Estimation of the efficiencies of individual S-state transitions during photosynthetic water oxidation using FTIR spectroscopy(FTIR法による光合成酸素発生反応における各S状態遷移の効率の評価) (2010)
  • Author(s): Hiroyuki Suzuki, Miwa Sugiura, Takumi Noguchi
  • Organizer: 日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学
• [Presentation] The molecular mechanism of ammonia inhibition of photosynthetic oxygen evolution(光合成酸素発生反応におけるアンモニア阻害の分子機構) (2010)
  • Author(s): Masaya Tsuno, Hiroyuki Suzuki, Takumi Noguchi
  • Organizer: 日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学
• [Presentation] FTIR analysis of the photoreactions of red/green light sensor protein AnPixJ(FTIR法による赤色・緑色光センサータンパク質AnPixJの光反応の解析) (2010)
  • Author(s): Yusuke Tomita, Hiroyuki Suzuki, Rei Narikawa, Masahiko Ikeuchi, Shigeru Itoh, Takumi Noguchi
  • Organizer: 日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学
• [Presentation] Redox Potential Control of π-Conjugated Redox Cofactors in Photosynthetic Protein (2010)
  • Author(s): Takumi Noguchi
  • Organizer: 2nd International symposium on emergence of highly elaborated π-space and its function
  • Place of Presentation: Kyoto University
• [Presentation] Infrared studies of photosynthetic oxygen evolving reactions (2010)
  • Author(s): Takumi Noguchi
  • Organizer: The 70th Okazaki International Conference on Molecular Mechanism of Photosynthetic Energy Conversion : The Present Research and Future Prospects
  • Place of Presentation: Okazaki Conference Center
• [Presentation] FTIR study on the efficiencies of individual S-state transitions during photosynthetic water oxidation (2010)
  • Author(s): Hiroyuki Suzuki, Miwa Sugiura, Takumi Noguchi
  • Organizer: The 70th Okazaki International Conference on Molecular Mechanism of Photosynthetic Energy Conversion : The Present Research and Future Prospects
  • Place of Presentation: Okazaki Conference Center
• [Presentation] FTIR study of the hydrogen-bond structure of the quinone electron accepter Q_A in photosystem II (2010)
  • Author(s): Yuta Kozue, Akira Takano, Hiroyuki Suzuki, Takumi Noguchi
  • Organizer: Joint Conference of NIMS International Workshop on Photocatalysis and Environmental Remediation Materials 2010 & 3rd Japan-China Symposium on Advanced Photocatalytic Materials
  • Place of Presentation: NIMS, Tsukuba
• [Presentation] Herbicide effect on the photodamage to photosystem II as studied by FTIR spectroscopy (2010)
  • Author(s): 井手段一聖, 野口巧
  • Organizer: Joint Conference of NIMS International Workshop on Photocatalysis and Environmental Remediation Materials 2010 & 3rd Japan-China Symposium on Advanced Photocatalytic Materials
  • Place of Presentation: NIMS, Tsukuba
• [Presentation] π共役カルボニル基への水素結合によるフェオフィチン電子受容体の酸化還元電位制御機構 (2010)
  • Author(s): 野口巧
  • Organizer: 「高次π空間の創発と機能開発」第3回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 岡崎コンファレンスセンター
• [Presentation] 除草剤効果による光化学系IIの光傷害機構の解析 (2010)
  • Author(s): 井手段一聖、野口巧
  • Organizer: 日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 熊本
• [Presentation] 光化学系IIにおけるチロシンY_zとD1-H190の相互作用 (2010)
  • Author(s): 高橋亮太、杉浦美羽、Alain Boussac、野口巧
  • Organizer: 日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 熊本
• [Presentation] 光合成蛋白質における高次π空間による光誘起電子移動反応の分子制御機構 (2009)
  • Author(s): 野口巧
  • Organizer: 「高次π空間の創発と機能開発」第2回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 京都テルサ
• [Presentation] FTIR study on the structure of CP43-E354 in the photosynthetic oxygen-evolving center (2009)
  • Author(s): Hiroyuki Suzuki, Yuichiro Shimada, Tohru Tsuchiya, Tatsuya Tomo, Mamoru Mimuro, Takumi Noguchi
  • Organizer: 日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 徳島
• [Presentation] Interactions of herbicides in the Q_B binding site in photosystem II : Analysis by Fourier transform infrared spectroscopy (2009)
  • Author(s): 高橋亮太, 野口巧
  • Organizer: 日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 徳島
• [Presentation] Molecular interaction of the primary quinone electron acceptor Q_A in photosystem II as studied by Q_A reconstitution and FTIR analysis (2009)
  • Author(s): Yuta Kozue, Akira Takano, Ikuyo Sugimoto, Hiroyuki Suzuki, Miwa Sugiura, Yuichiro Takahashi, Takumi Noguchi
  • Organizer: 日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 徳島
• [Presentation] The mechanism of photodamage of phososystem II as revealed by herbicide effects and FTIR difference spectroscopy (2009)
  • Author(s): Issei Idedan, Yuichi Shibuya, Takumi Noguchi
  • Organizer: 日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 徳島
• [Presentation] Structural Couplings of π-Amino Acids with the Iron-Quinone Electron Acceptor in Photosystem II (2009)
  • Author(s): 高橋亮太, 野口巧
  • Organizer: 1st International Symposium on Emergence of Highly Elaborated π-Space and Its Function
  • Place of Presentation: Osaka
• [Remarks]
  • URL: http://glab.phys.nagoya-u.ac.jp/index.html