2014 Fiscal Year Annual Research Report
ＥＮＤＯＲ法による光合成酸素発生における基質水分子の同定及び反応メカニズムの解明
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14J11113
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
長嶋 宏樹 名古屋大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | 電子核二重共鳴 / 電子スピン共鳴 / 光化学系II / Mnクラスター / 水分解触媒 / 水分解メカニズム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光合成は光エネルギーを利用して二酸化炭素と水から化学エネルギー源となる糖を合成する反応である。光合成における水分解反応は、葉緑体中の光化学系IIタンパク質複合体中にあるMnクラスターで行われる。光化学系IIの反応中心クロロフィルが光子を吸収すると電荷分離反応によりMnクラスターから電子が引き抜かれる。Mnクラスターは複数の酸化状態S0-S4を持つ。Mnクラスターから電子が引き抜かれるたびに、MnクラスターのS状態は次の状態へと移り、最も不安定なS4状態に到達すると、酸素を発生してS0状態へと戻る。水分解反応は、S状態遷移において段階的にプロトンが引き抜かれて放出されていく。Mnクラスターはこのような反応(Kok cycle model)によって水を分解している。Mnクラスターの構造は近年のX線結晶構造解析(Umena et al., Nature 2011, Suga et al., Nature 2015)によって明らかにされている。X線によるとMnクラスターは4つのMnとCaイオンが酸素によって架橋され、水分子が4つ、クラスターに結合している。本研究は、X線では見えていないプロトンの検出をENDOR法によって行い、その構造を調べた。
本研究ではCaの役割を調べた。Ca除去はMnクラスターの活性を失わせるものの、Caの再構成によって、その活性は回復する。Ca除去したMnクラスターをENDORによって測定すると、Caイオンに配位する水分子に由来すると考えられる信号が消失した。この結果は以前発表した論文(Nagashima and Mino, Biochim. Biophys. Acta 2013)を実験的に強くサポートする結果であった。
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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
本研究は、S2状態におけるMnクラスターの構造に関し、ENDOR測定を行った。本研究では予定通りに、Ca除去Mnクラスターの測定と解析を行い、以前の研究に関する実験的な検証を行うことに成功した。この点で研究は順調に進んでおり、現在時点でSr置換MnクラスターのENDOR測定に関して進行中である。また他のS状態におけるMnクラスターの作成手法についても検討がすすんでおり、S3状態におけるEPR信号を確認することに成功した。以上の点から本研究はおおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は研究計画通り、Sr置換MnクラスターのENDOR測定を進める。Sr置換ENDORスペクトルとこれまでに得られた未処理Mnクラスター、Ca除去Mnクラスターの結果を比較し、Caの役割、Ca除去時におけるMnクラスター近傍の水の位置について明らかにしていく。
また、これまでの研究はS2状態Mnクラスターについて行われており、今後は、最近電子スピン共鳴の結果が報告(Cox et al., Science 2013)されたS3状態のENDOR測定を推進していく。
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