2019 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of the complete reaction pathways of the water decomposition reactions in the oxygen-evolving complex of photosystem II
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17H04866
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
庄司 光男 筑波大学, 計算科学研究センター, 助教 (00593550)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | Mnクラスター / QM/MM / 自由エネルギー / 反応機構 / 反応経路 / コンフォメーション / O-O結合形成 / 水分解反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光合成は太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換し、生命の主要なエネルギー源を作り出している。光合成の明反応では光化学系II(PSII)が水分解反応を行なっているが、未だ反応機構の詳細は不明である。本研究では、特に重要な、酸素分子形成過程（O-O結合形成と酸素分子放出過程）について、量子古典混合計算（QM/MM）により分子構造と電子状態レベルでの解明に取り組んだ。
O-O結合形成はラジカルカップリング(RC)機構と酸塩基(AB)機構の２つが主に提唱されてきた。両機構の大きな違いは酸化数とプロトン化状態にある。理論計算からはRC経路が反応障壁的に有利である．RCは P.E.Siegbahnが提唱してきたが、我々は、精密な電子状態解析を行った所、RC経路であっても、非ラジカルで進行することを見出した。我々のCBS機構では、高原子荷Mn（Mn1(V)）を利用し、Ca原子がLewis酸として働き、酸素結合生成前の状態を安定化することで、不安定なラジカル状態を生成せずに反応が進行することを理論的に示した。
酸素分子放出過程では、O2分子がMnクラスターから乖離すると同時にCa原子に配位した水分子(W３)がO5原子近傍に協奏的に挿入されることで、低い反応障壁で酸素分子放出とMnクラスターの再構築(O5酸素の形成)がなされることをQM/MM計算から実証した。
2018年、J.Kernらは時分割結晶構造解析から、全ての安定中間体の構造を解明した。その結果、S３状態以降で、W3近傍に水分子が出現することを見出し、W3が基質水分子の候補であると結論した。これは我々の理論計算結果と良く一致する結果である。
PSIIにおける水分解反応は多段階の反応過程であり、詳細を特定することは容易ではないが、理論計算による反応機構の解明が進んだことで、光合成水分解反応の核心に迫る反応機構を解明した。
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| Research Progress Status |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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