2018 Fiscal Year Annual Research Report
機能解析による光合成タンパク質における電子移動制御の分子機構解明
| Project Area | Creation of novel light energy conversion system through elucidation of the molecular mechanism of photosynthesis and its artificial design in terms of time and space |
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| Project/Area Number |
17H06435
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
野口 巧 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (60241246)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
杉浦 美羽 愛媛大学, プロテオサイエンスセンター, 准教授 (80312255)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 光合成 / 水分解 / 酸素発生 / 電子移動 / プロトン移動 / 赤外分光 / 部位特異的変異 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
植物およびシアノバクテリアの光化学系Ⅱの電子移動・水分解反応について、変異体作製および分光解析により、以下の成果を得た。
１．ホウレンソウのチラコイド膜をにおいて、光化学系Ⅱの水分解反応およびキノン還元反応の量子効率、光化学系Iにおける電子移動反応、および、光化学系Ⅱと光化学系Iの量比を光誘起フーリエ変換赤外（FTIR）差分光法を用いて 調べる手法を確立した。
２．全反射吸収法（ATR）法を用いて光化学系Ⅱ微結晶の水分解反応における各S状態遷移のFTIR差スペクトルを測定した。その結果、結晶中においても、S状態サイクルは十分に高い効率で進行すること、各S状態は基本的に溶液中の構造と同じであることが明らかとなった。
３．第二キノン受容体QBの一電子還元状態（QB-）の緩和速度のpH依存性を光誘起FTIR差分光法を用いて調べ、QB-は高いｐHにおいてその酸化還元電位が低下し、緩和が促進される機構が存在することが示された。これは、光化学系Ⅱの電子伝達系が持つ、過剰な光反応を抑制するための光保護機構の一つであると考えられる。
４．光化学系Ⅱにおける４つの反応中心クロロフィルの一つであるモノマークロロフィルChlD1の軸配位子を部位特異的に別のアミノ酸に置換した組換え体を作製し、時間分解吸収、熱発光、電子スピン共鳴、FTIR差分光など、様々な解析を施すことにより、ChlD1が最初に電荷分離を起こすクロロフィルであることを示した。
５．Cytb559の軸配位子にアミノ酸置換を施した変異体を作製し解析した結果、変異によって酸化還元電位の低下、或いは、ヘムの欠損による非ヘム鉄の生成とレドックス不活性化が引き起こされることを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
光化学系Ⅱ微結晶のFTIR解析により、その水分解反応の詳細を調べることができたことは大きな成果である。結晶内でも高い遷移効率を維持していることは、領域内で行っている光化学系Ⅱ微結晶を用いた水分解系中間状態の連続フェムト秒X線結晶解析に大きく貢献する結果であり、また、溶液中と同じ中間状態構造を持つことは、X線結晶解析によって得られた構造が生理的に意味を持つことを保証する。また、光化学系におけるpHに依存した電子移動制御の機構を明らかにしたことは、これまで主にアンテナ系で行われると考えられていた過剰光エネルギーへの保護機構が、電子伝達系においても存在することを示した重要な結果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．光化学系Ⅱ微結晶のFTIR解析をさらに進め、顕微赤外分光を用いた、単一微結晶の光誘起FTIR差スペクトル測定を行う。前年度に行ったATR法での解析では、主に結晶表面に近い部分の光化学系Ⅱの反応を調べていたが、透過法による顕微赤外測定では、結晶内部での反応を観測することができる。この手法により、前年度で得られた結論が、結晶内部においても成り立つかどうかを調べる。
２．第一電子受容体QAの酸化還元電位をFTIR分光電気化学測定により測定する。これまでは、蛍光法を用いて間接的に測定してきたが、FTIR法を用いることにより、直接的にQAの還元状態を観測し、その酸化還元電位を測定することができる。さらにMnクラスター除去による酸化還元電位への効果を調べ、光化学系Ⅱの酸化側と還元側の長距離相互作用の有無を調べる。
３．光化学系ⅡにおけるChlD2近傍に存在するアミノ酸残基の組換え体、および、ChlD1とChlD2の両方の組換え体を作製して、反応中心クロロフィルの励起と電荷分離の詳細な機構について明らかする。
４．Mn4CaO5クラスターのアミノ酸配位子や、水分子を介して相互作用するアミノ酸残基を改変し、それらのアミノ酸水分解反応における役割を明らかにする。
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