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

2011 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10J02491
• Research Institution: Osaka City University
• Principal Investigator: 川上 恵典 大阪市立大学, 大学院・理学研究科, 特別研究員(PD)
• Keywords: 光化学系II複合体 / 光合成 / X線結晶構造解析

Research Abstract

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。

Research Products

• [Journal Article] 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 (2012)
  • Author(s): Yamanaka S., Saito T., Kanda K., Isobe H., Umena Y., Kawakami K., Shen J.-R., Kamiya N., Okumura M., Nakamura H., Yamaguchi K.
  • Journal Title: International Journal of Quantum Chemistry Volume: 112 Pages: 253-276
  • DOI: 10.1002/qua.23218
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structure and reactivity of the mixed-alence CaMn_4O_5(H_2O)_4 and CaMn_4O_4(OH)(H_2O)_4 clusters at oxygen evolution complex of photosystem II.Hybrid DFT (UB3LYP and UBHANDHLYP) calculations (2012)
  • Author(s): T.Saito, S.Yamanaka, K.Kanda, H.Isobe, Y.Takano, Y.Shigeta, Y.Umena, K.Kawakami, J.-R.Shen, N.Kamiya, M.Okumura, M.Shoji, Y.Yoshioka, K.Yamaguchi
  • Journal Title: International Journal of Quantum Chemistry Volume: 112 Pages: 321-343
  • DOI: 10.1002/qua.23261
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Distribution of the cationic state over the chlorophyll pair of photosystem II reaction center (2011)
  • Author(s): Saito K., Ishida T., Sugiura M., Kawakami K., Umena Y., Kamiya N., Shen J.-R., Ishikita H
  • Journal Title: J.Am.Chem.Soc. Volume: 133 Pages: 14379-14388
  • DOI: 10.1021/ja203947k
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Possible mechanisms for the O-O bond formation in oxygen evolution reaction at the CaMn_4O_5(H_2O)_4 cluster of PSII refined to 1.9 Å X-ray resolution (2011)
  • Author(s): S.Yamanaka, H.Isobe, K.Kanda, T.Saito, Y.Umena, K.Kawakami, J.-R.Shen, N.Kamiya, M.Okumura, H.Nakamura, K.Yamaguchi
  • Journal Title: Chem.Phys.Lett. Volume: 511 Pages: 138-145
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] S1-state model of the O_2-evolving complex of photosystem II (2011)
  • Author(s): Sandra Luber, Ivan Rivalta, Yasufumi Umena, Keisuke Kawakami, Jian-Ren Shen, Nobuo Kamiya, Gary W.Brudvig, Victor S.Batista, Jian-Ren Shen, Nobuo Kamiya, Doug Bruce, Gary W.Brudvig, M.R.Gunner, Victor S.Batista
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 50 Pages: 6308-6311
  • DOI: 10.1021/bi200681q
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural-functional role of chloride in photosystem II (2011)
  • Author(s): Ivan Rivalta, Muhamed Amin, Sandra Luber, Serguei Vassiliev, Ravi Pokhrel, Yasufumi Umena, Keisuke Kawakami, Jian-Ren Shen, Nobuo Kamiya, Doug Bruce, Gary W.Brudvig, M.R.Gunner, Victor S.Batista
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 50 Pages: 6312-6315
  • DOI: 10.1021/bi200685w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structure of the catalytic, inorganic core of oxygen-evolving photosystem II at 1.9 Å resolution (2011)
  • Author(s): Kawakami K., Umena Y., Kamiya N., Shen J.-R
  • Journal Title: J.Photochem.Photobiol.B Volume: 104 Pages: 9-18
  • DOI: 10.1016/j.jphotobiol.2011.03.017
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of 1.9 Å (2011)
  • Author(s): *Umena Y., *Kawakami K., Shen J.-R., Kamiya N.(*equally authors)
  • Journal Title: Nature Volume: 473 Pages: 55-60
  • DOI: 10.1038/nature09913
  • Peer Reviewed
• [Presentation] どのようにしてヨウ素イオンは光化学系II複合体の酸素発生反応を阻害するのか? (2012)
  • Author(s): 川上恵典, 萩原大介, 梅名泰史, 沈建仁, 神谷信夫
  • Organizer: 第53回植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 京都産業大学,京都
  • Year and Date: 20120316-20120318
• [Presentation] Hydrogen-bonding networks and channels in oxygen-evolving Photosystem II revealed at 1.9 Å resolution (2011)
  • Author(s): Keisuke Kawakami
  • Organizer: PCET2011
  • Place of Presentation: Loire Valley, France(招待講演)
  • Year and Date: 20111009-20111013
• [Presentation] How iodide ions inhibit the oxygen evolution of photosystem II? (2011)
  • Author(s): Keisuke Kawakami, Daisuke Hagiwara, Yasufumi Umena, Jian-Ren Shen, Nobuo Kamiya
  • Organizer: International Union of Crystallography 2011
  • Place of Presentation: Madrid, Spain
  • Year and Date: 20110822-20110830
• [Remarks]
  • URL: http://www.ocarina.osaka-cu.ac.jp/profile/keisuke_kawakami.html