2012 Fiscal Year Annual Research Report
光合成・光化学系II複合体の原子分解能における酸素発生機構の解明
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24227002
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
神谷 信夫 大阪市立大学, 複合先端研究機構, 教授 (60152865)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
八ツ橋 知幸 大阪市立大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (70305613)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | 光化学系II / 光合成 / 水分解 / 酸素発生 / 人工光合成 / 金属クラスター / 酸化状態 / SPring-8 |
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| Research Abstract |
光化学系II複合体（PSII）の水分解・酸素発生機構を解明するためには、PSIIの酸素発生中心：Mn4CaO5クラスターの反応中間体（KokサイクルのSi状態、i = 0 － 4）に関する構造情報が必要不可欠となる。本研究では、S0状態を実現している可能性のある(1)PSIIのヨウ素または臭素置換体、(2)４種類の除草剤複合体、(3) PsbMサブユニット欠失変異体の、合計７種類のPSII試料に対してX線結晶構造解析を行うとともに、酸素電極を用いた酸素発生活性の測定、熱蛍光発光の測定を行うことにより、酸素発生の構造・機能の相関に関する研究を進める。また(4)同型性の高い結晶を多数準備することによりMn原子のX線還元を１％以下に低減してインタクトなMn4CaO5クラスターの酸化状態を明らかにするとともに、(5) フェムト秒レーザーの多光子吸収を利用してPSIIのS2状態を実現する技術を開発し、(4)と同様の方法によりS2状態を確認してその結晶構造を明らかにする。
本年度は、まず(1)から(3)についてそれぞれの結晶構造解析を進め、(1)ではヨウ素の還元力によりMn4CaO5クラスターがよりS0状態に近づいている可能性が浮上した。また(2)では阻害剤が還元力のあるプラストキノンと入れ替わり、(3)ではPsbMの欠失がプラストキノンとの結合性を低下させていることにより、PSIIが相対的に酸化側にシフトして、よりS1状態の特性が顕著になっている可能性が浮上した。現在それぞれの構造解析を完了させ、本予算により導入した各種分光装置によりこれらの可能性を確証しようとしている。(4)については、まず、同型性の高い結晶を多数調製するための結晶化条件の検討を進め、(5)については、集光したレーザーをPSII結晶に照射してS2状態を実現するための装置を制作して実験系を確立した。
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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
「研究実績の概要」の項に記述した５つの目標の内、(1)から(3)については、合計７種類のPSII試料に対してX線結晶構造解析を既に完了させており、その達成度は70%に到達している。(4)については、同型性の高い結晶を確保する以前に、複数の実験者の間で結晶化の再現性が低下するという問題が生じ、現状の達成度は20%程度と考えている。(5)については、レーザー照射の実験系を確立したものの、実際にS2状態の結晶を調製できるかどうかはこれからの問題であり、その達成度はやはり20%程度である。
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| Strategy for Future Research Activity |
上述の５つの目標の内、(1)から(3)については、７種類のPSII試料に対して酸素発生活性を測定するとともに、各種の分光学的測定を行って酸素発生の構造・機能の相関に関する議論を進める。(4)については、まず、複数の実験者の間で実験プロトコルを統一して結晶化の再現性を高め、同時に結晶の同型性も確保して目標の達成を目指す。(5)については、最初は溶液試料に対してレーザー照射し、ESR実験からS2状態が実現されていることを確認する。この予備実験の結果をふまえてS2状態の結晶を調製し、試料をSpring-8に持ち込んで回折強度測定を行う。
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[Journal Article] Possible Mechanisms of Water Splitting Reaction Based on Proton and Electron Release Pathways Revealed for CaMn4O5 Cluster of PSII Refined to 1.9 Å X-Ray Resolution2012
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
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Journal Title
Int. J. Quantum Chem.
Volume: 112
Pages: 253-276
Peer Reviewed
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[Journal Article] Structure and Reactivity of the Mixed-Valence CaMn4O5(H2O)4 and CaMn4O4(OH)(H2O)4 Clusters at Oxygen Evolution Complex of Photosystem II. Hybrid DFT (UB3LYP and UBHandHLYP) Calculations2012
Author(s)
S. Yamanaka, T. Saito, K. Kanda, H. Isobe, Y. Umena, K. Kawakami, J.-R. Shen, N. Kamiya, M. Okumura, H. Nakamura, K. Yamaguchi
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Journal Title
Int. J. Quantum Chem.
Volume: 112
Pages: 321-343
Peer Reviewed
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[Journal Article] Structure of the catalytic, inorganic core of oxygen-evolving photosystem II at 1.9 Å resolution2012
Author(s)
S. Yamanaka, K. Kanda, T. Saito, Y. Umena, K. Kawakami, J.-R. Shen , N. Kamiya, M. Okumura, H. Nakamura, K. Yamaguchi
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Journal Title
Adv. Q. Chem.
Volume: 64
Pages: 121-187
Peer Reviewed
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