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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Asymmetric electron transfer in photosynthetic reaction centers

Research Project

Project/Area Number 20H03217
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

石北 央  東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (00508111)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Keywords人工光合成 / 電荷分離 / 水分解酸素発生 / プロトン移動 / 電子移動 / 結晶構造
Outline of Annual Research Achievements

当初研究計画の提案「電荷分離のエナジェティクスの解析」は、周到な準備に基づいてなされたことが功を奏した。その理由の一つとして、基礎的な電子移動のエナジェティクスである酸化還元電位を静電相互作用計算に基づいてPbRC, PSIIにおいて完了していた [論文: Chem. Sci. (2018)] ことが、研究の円滑な実施の礎となった。

酸化還元電位は電子移動経路対において異なる値を示し電子移動のエナジェティクスは異なることは明らかであったが、電荷分離時の正孔との相互作用を反映できていないものであった。酸化還元電位では電子移動経路間に差はあることは見えたものの、基本的に両経路とも電子移動のエナジェティクスはdownhillであった。一方、電荷分離状態をも考慮したエナジェティクスでは不活性側の電子移動経路のエナジェティクスは完全にuphillとなり電子移動に不利である様が、明確に現れている。非対称電子移動経路の所以(ゆえん)は、PbRCでは極性環境(「極性アミノ酸残基の分布」や「タンパク質形状」の差)の差であるのに対し、PSIIでは水分解触媒部位のD1側への局在、それに伴うプロトン移動経路のD1側への局在に大きく由来するものであった。

以上、成果論文として[Chem. Sci. 12 (2021)] [Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. (2020)] 等を発表した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (39 results)

All 2022

All Journal Article (15 results) (of which Peer Reviewed: 15 results,  Open Access: 12 results) Presentation (24 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 4 results)

  • [Journal Article] Proton transfer and conformational changes along the hydrogen bond network in heliorhodopsin2022

    • Author(s)
      Tsujimura Masaki、Chiba Yoshihiro、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
    • Journal Title

      Communications Biology

      Volume: 5 Pages: 1336

    • DOI

      10.1038/s42003-022-04311-x

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Electron Transfer Route between Quinones in Type-II Reaction Centers2022

    • Author(s)
      Sugo Yu、Tamura Hiroyuki、Ishikita Hiroshi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 126 Pages: 9549~9558

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.2c05713

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Mechanism of Absorption Wavelength Shift of Bacteriorhodopsin During Photocycle2022

    • Author(s)
      Noji Tomoyasu、Ishikita Hiroshi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 126 Pages: 9945~9955

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.2c04359

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Energetics of the Electron Transfer Pathways in the Homodimeric Photosynthetic Reaction Center2022

    • Author(s)
      Kanda Tomoki、Ishikita Hiroshi
    • Journal Title

      Biochemistry

      Volume: 61 Pages: 2621~2627

    • DOI

      10.1021/acs.biochem.2c00524

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Protonation structure of the closed-cubane conformation of the O2-evolving complex in photosystem II2022

    • Author(s)
      Saito Keisuke、Mino Hiroyuki、Nishio Shunya、Ishikita Hiroshi
    • Journal Title

      PNAS Nexus

      Volume: 1 Pages: pgac221

    • DOI

      10.1093/pnasnexus/pgac221

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Proton-mediated photoprotection mechanism in photosystem II2022

    • Author(s)
      Sugo Yu、Ishikita Hiroshi
    • Journal Title

      Frontiers in Plant Science

      Volume: 13 Pages: 934736

    • DOI

      10.3389/fpls.2022.934736

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A self-assembled coordination cage enhances the reactivity of confined amides <i>via</i> mechanical bond-twisting2022

    • Author(s)
      Tamura Hiroyuki、Takezawa Hiroki、Fujita Makoto、Ishikita Hiroshi
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 24 Pages: 21367~21371

    • DOI

      10.1039/D2CP03126D

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] D139N mutation of PsbP enhances the oxygen-evolving activity of photosystem II through stabilized binding of a chloride ion2022

    • Author(s)
      Imaizumi Ko、Nishimura Taishi、Nagao Ryo、Saito Keisuke、Nakano Takeshi、Ishikita Hiroshi、Noguchi Takumi、Ifuku Kentaro
    • Journal Title

      PNAS Nexus

      Volume: 1 Pages: pgac136

    • DOI

      10.1093/pnasnexus/pgac136

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Conformational Changes and H-Bond Rearrangements during Quinone Release in Photosystem II2022

    • Author(s)
      Sugo Yu、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
    • Journal Title

      Biochemistry

      Volume: 61 Pages: 1836~1843

    • DOI

      10.1021/acs.biochem.2c00324

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Correlation between C?O Stretching Vibrational Frequency and p<i>K</i><sub>a</sub> Shift of Carboxylic Acids2022

    • Author(s)
      Saito Keisuke、Xu Tianyang、Ishikita Hiroshi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 126 Pages: 4999~5006

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.2c02193

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Release of a Proton and Formation of a Low-Barrier Hydrogen Bond between Tyrosine D and D2-His189 in Photosystem II2022

    • Author(s)
      Mandal Manoj、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
    • Journal Title

      ACS Physical Chemistry Au

      Volume: 2 Pages: 423~429

    • DOI

      10.1021/acsphyschemau.2c00019

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Absorption wavelength along chromophore low-barrier hydrogen bonds2022

    • Author(s)
      Tsujimura Masaki、Tamura Hiroyuki、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
    • Journal Title

      iScience

      Volume: 25 Pages: 104247~104247

    • DOI

      10.1016/j.isci.2022.104247

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Mechanism of Mixed-Valence Fe<sup>2.5+</sup>・・・Fe<sup>2.5+</sup> Formation in Fe<sub>4</sub>S<sub>4</sub> Clusters in the Ferredoxin Binding Motif2022

    • Author(s)
      Kanda Tomoki、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 126 Pages: 3059~3066

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.2c01320

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Release of Electrons and Protons from Substrate Water Molecules at the Oxygen-Evolving Complex in Photosystem II2022

    • Author(s)
      Mandal Manoj、Saito Keisuke、Ishikita Hiroshi
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 91 Pages: 091012

    • DOI

      10.7566/JPSJ.91.091012

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Structure-guided design enables development of a hyperpolarized molecular probe for the detection of aminopeptidase N activity in vivo2022

    • Author(s)
      Saito Yutaro、Yatabe Hiroyuki、Tamura Iori、Kondo Yohei、Ishida Ryo、Seki Tomohiro、Hiraga Keita、Eguchi Akihiro、Takakusagi Yoichi、Saito Keisuke、Oshima Nobu、Ishikita Hiroshi、Yamamoto Kazutoshi、Krishna Murali C.、Sando Shinsuke
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 8 Pages: eabj2667

    • DOI

      10.1126/sciadv.abj2667

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Energetics of time-dependent structural changes in the photosynthetic electron transfer pathway2022

    • Author(s)
      西川 凱、菅生 優、斉藤 圭亮、石北 央
    • Organizer
      第2回システム生物医学研究会
  • [Presentation] Energetics of proton transfers in the communication channel between two active sites of pyruvate oxidase2022

    • Author(s)
      高見 亮成、斉藤 圭亮、石北 央
    • Organizer
      第2回システム生物医学研究会
  • [Presentation] Why is the oxygen-evolving complex in photosystem II composed of manganese instead of iron?2022

    • Author(s)
      齊藤 昌弘、斉藤 圭亮、石北 央
    • Organizer
      第2回システム生物医学研究会
  • [Presentation] Energy transfer pathways in light harvesting complex II2022

    • Author(s)
      鍵本 拓海、斉藤 圭亮、石北 央
    • Organizer
      第2回システム生物医学研究会
  • [Presentation] Effect of chlorine substitution by iodine in oxygen-evolving photosystem II2022

    • Author(s)
      陳 楊、斉藤 圭亮、石北 央
    • Organizer
      第2回システム生物医学研究会
  • [Presentation] Extracellular electron transfer pathways in the multi-heme MtrABC complex2022

    • Author(s)
      沖 樹、石北 央
    • Organizer
      第2回システム生物医学研究会
  • [Presentation] Origin of electron paramagnetic resonance signals from the water-splitting complex in photosystem II2022

    • Author(s)
      西尾 俊哉、斉藤 圭亮、三野 広幸、石北 央
    • Organizer
      第2回システム生物医学研究会
  • [Presentation] Electron transfer pathways in photosynthetic type-I reaction centers2022

    • Author(s)
      神田 知樹、石北 央
    • Organizer
      第2回システム生物医学研究会
  • [Presentation] 光・電子・プロトンとタンパク質分子2022

    • Author(s)
      石北 央
    • Organizer
      第26回新学術「高速分子動画」オンラインセミナー
    • Invited
  • [Presentation] 水分解反応触媒における電子スピン共鳴 シグナルの起源2022

    • Author(s)
      西尾 俊哉、斉藤 圭亮、三野 広幸、石北 央
    • Organizer
      第36回分子シミュレーション大会
  • [Presentation] タンパク質分子構造と機能をつなぐ光・電子・プロトン2022

    • Author(s)
      石北 央
    • Organizer
      第19回糖鎖科学コンソーシアムシンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] Light absorption, proton transfer, and ion transport in the light-driven sodium-pumping rhodopsin KR22022

    • Author(s)
      Masaki Tsujimura, Hiroshi Ishikita
    • Organizer
      19th International Conference on Retinal Proteins
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Origin of electron paramagnetic resonance signals from the water-splitting complex in photosystem II2022

    • Author(s)
      西尾 俊哉、斉藤 圭亮、三野 広幸、石北 央
    • Organizer
      第14回筑波大学計算科学研究センター創立30周年記念シンポジウム
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A newly designed hyperpolarized molecular probe enables the in vivo detection of aminopeptidase N activity from the tumor regions in animals2022

    • Author(s)
      Hiroyuki Yatabe, Yutaro Saito, Iori Tamura, Yohei Kondo, Ryo Ishida, Tomohiro Seki, Keita Hiraga, Akihiro Eguchi, Yoichi Takakusagi, Keisuke Saito, Nobu Oshima, Hiroshi Ishikita, Kazutoshi Yamamoto, Murali C. Krishna, Shinsuke Sando
    • Organizer
      WMIC2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 微生物型ロドプシンの吸収波長とプロトン移動の制御機構2022

    • Author(s)
      辻村 真樹、石北 央
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] 光合成反応中心における一方向の励起子電荷分離経路の分子論的起源2022

    • Author(s)
      田村 宏之、斉藤 圭亮、石北 央
    • Organizer
      第16回分子科学討論会
  • [Presentation] 光合成反応中心における一方向の励起子電荷分離 経路の起源2022

    • Author(s)
      田村 宏之、斉藤 圭亮、石北 央
    • Organizer
      2022年光化学討論会
  • [Presentation] 酵素反応速度論に立脚したアミノペプチダーゼ活性検出超偏極MRI分子プローブの開発2022

    • Author(s)
      齋藤 雄太朗、谷田部 浩行、田村 伊織、近藤 洋平、石田 諒、関智 宏、平賀 啓太、江口 晃弘、高草木 洋一、斉藤 圭亮、大嶋野 歩、石北 央、山本 和俊、Murali C. Krishna、山東 信介
    • Organizer
      第16回バイオ関連化学シンポジウム
  • [Presentation] Quinone-mediated electron transfer in type II reaction centers2022

    • Author(s)
      Hiroshi Ishikita
    • Organizer
      18th International Congress on Photosynthesis Research 2022
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] タンパク質中におけるプロトン移動と電子移動2022

    • Author(s)
      石北 央
    • Organizer
      物性研短期研究会「理論タンパク質物性科学の最前線:理論と実験との密な協働」
    • Invited
  • [Presentation] 光受容タンパク質の色素が形成する低障壁水素結合における吸収波長2022

    • Author(s)
      辻村 真樹、田村 宏之、斉藤 圭亮、石北 央
    • Organizer
      第48回生体分子科学討論会
  • [Presentation] ヘリオロドプシンの水素結合ネットワークと光反応におけるプロトン移動経路の解析2022

    • Author(s)
      千葉 義大、辻村 真樹 、石北 央
    • Organizer
      第22回 日本蛋白質科学会年会
  • [Presentation] 微生物型ロドプシンにおける光駆動イオン輸送機構の解明2022

    • Author(s)
      辻村 真樹、小島 慧一、須藤 雄気、石北 央
    • Organizer
      第22回 日本蛋白質科学会年会
  • [Presentation] 塩素イオンの結合安定化を介した光 化学系 II の酸素発生活性の向上2022

    • Author(s)
      今泉 滉、西村 大志、長尾 遼、斉藤 圭亮、中野 雄司、石北 央、野口 巧、伊福 健太郎
    • Organizer
      日本光合成学会年会

URL: 

Published: 2023-12-25  

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