光化学系IIにおける塩素イオンの構造化学的な機能解明

• 研究課題/領域番号: 18K06158
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分43040:生物物理学関連
• 研究機関: 自治医科大学 (2020); 岡山大学 (2018-2019)
• 研究代表者: 梅名 泰史 自治医科大学, 医学部, ポスト・ドクター (10468267)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2019年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2018年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 光合成 / 結晶構造解析 / 分子アニオン / 塩素イオン / 水分解反応 / 結晶構造 / プロトン排出機構 / 蛋白質結晶構造解析 / 水分解反応の阻害因子 / 光合成蛋白質 / 蛋白質結晶 / X線結晶構造解析 / 反応阻害物質

研究成果の概要

光合成で働く光化学系II 蛋白質（PSII）に必須の塩素イオンの役割を解明するため，活性を低下させる分子アニオンが結合したPSIIの結晶構造解析から阻害機構を解明し、本来の塩素イオンの役割を理解することを目指す。本研究の結果、分子アニオンのアジ化物イオン、硝酸イオン、亜硝酸イオンの置換体PSII結晶を2-2.1 オングストローム分解能で解析することに成功した。置換に伴う共通の構造変化から阻害様式を明らかにし、本来の構造と比較することで、塩素イオンが担っているプロトン排出機構と活性中心の構造を支える役割を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

PSIIの水分解反応は金属触媒のMnクラスターを中心に議論がされているが、補欠因子としての塩素イオンの構造化学的な役割については、はっきりしていなかった。本研究により、PSIIにおける水分解反応をより包括的に議論できる構造情報を示すことができた。この知見は、Mnクラスターを模倣したMn触媒の周辺構造が重要性を提示することで、新たな人工光合成触媒への設計指針を提供できたものと思われる。

研究成果

• [雑誌論文] Capturing structural changes of the S1 to S2 transition of photosystem II using time-resolved serial femtosecond crystallography (2021)
  • 著者名/発表者名: H Li, Y Nakajima, T Nomura, M Sugahara, S Yonekura, SK Chan, T Nakane, T Yamane, Y Umena, M Suzuki, T Masuda, T Motomura, H Naitow, Y Matsuura, T Kimura, K Tono, S Owada, Y Joti, R Tanaka, E Nango, F Akita, M Kubo, S Iwata, JR Shen and M Suga
  • 雑誌名: IUCrJ 巻: 8 号: 3 ページ: 431-443
  • DOI: 10.1107/s2052252521002177
  • NAID: 120007037379
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Time-Resolved X-ray Crystallography Using Synchrotron Radiation (2021)
  • 著者名/発表者名: SATO-TOMITA Ayana、UMENA Yasufumi、ICHIYANAGI Kouhei、FUKAYA Ryo、HIKTA Masahide、MATSUGAKI Naohiro、MUTAI Toshiki
  • 雑誌名: Nihon Kessho Gakkaishi 巻: 63 ページ: 24-30
  • NAID: 130007994790
• [雑誌論文] Role of the Propionic Acid Side-Chain of C-Phycocyanin Chromophores in the Excited States for the Photosynthesis Process (2020)
  • 著者名/発表者名: K.Mishima, M.Shoji, Y.Umena, M.Boero, Y.Shigeta
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 93(12) 号: 12 ページ: 1509-1519
  • DOI: 10.1246/bcsj.20200187
  • NAID: 130007955895
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Formation of the High-Spin S2 State Related to the Extrinsic Proteins in the Oxygen Evolving Complex of Photosystem II (2020)
  • 著者名/発表者名: Taguchi Shota、Shen Liangliang、Han Guangye、Umena Yasufumi、Shen Jian-Ren、Noguchi Takumi、Mino Hiroyuki
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 11 号: 20 ページ: 8908-8913
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c02411
  • NAID: 120006890087
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] X-ray fluorescence holography for soft matter (2019)
  • 著者名/発表者名: Ang Artoni Kevin Roquero、Sato-Tomita Ayana、Shibayama Naoya、Umena Yasufumi、Happo Naohisa、Marumi Riho、Kimura Koji、Matsushita Tomohiro、AKAGI Kazuto、Sasaki Takahiko、Sasaki Yuji C.、Hayashi Kouichi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 号: 1 ページ: 010505-010505
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab5d55
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An oxyl/oxo mechanism for oxygen-oxygen coupling in PSII revealed by an x-ray free-electron laser (2019)
  • 著者名/発表者名: Suga M、Akita F、Yamashita K、Nakajima Y、Ueno G、Li H、Yamane T、Hirata K、Umena Y、Yonekura S、Yu L-J、Murakami H、Nomura T、Kimura T、Kubo M、Baba S、Kumasaka T、Tono K、Yabashi M、Isobe H、Yamaguchi K、Yamamoto M、Ago H、Shen J-R
  • 雑誌名: Science 巻: 366 号: 6463 ページ: 334-338
  • DOI: 10.1126/science.aax6998
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A versatile experimental system for tracking ultrafast chemical reactions with X-ray free-electron lasers (2019)
  • 著者名/発表者名: Katayama Tetsuo、Nozawa Shunsuke、Umena Yasufumi、Lee SungHee、Togashi Tadashi、Owada Shigeki、Yabashi Makina
  • 雑誌名: Structural Dynamics 巻: 6 号: 5 ページ: 054302-054302
  • DOI: 10.1063/1.5111795
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An alternative plant-like cyanobacterial ferredoxin with unprecedented structural and functional properties (2019)
  • 著者名/発表者名: Motomura Taiki、Zuccarello Lidia、S?tif Pierre、Boussac Alain、Umena Yasufumi、Lemaire David、Tripathy Jatindra N.、Sugiura Miwa、Hienerwadel Rainer、Shen Jian-Ren、Berthomieu Catherine
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 巻: 1860 号: 11 ページ: 148084-148084
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2019.148084
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] β-Carotene Probes the Energy Transfer Pathway in the Photosystem II Core Complex (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoneda Yusuke、Nagasawa Yutaka、Umena Yasufumi、Miyasaka Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 10 号: 13 ページ: 3710-3714
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b01072
  • 査読あり
• [学会発表] 光合成で働く光化学系II複合体の結晶構造解析に基づく機能解明 (2019)
  • 著者名/発表者名: 梅名泰史
  • 学会等名: 2019年度日本生化学会九州支部例会
  • 招待講演
• [学会発表] Crystallographic study on estimation of the valence of each of the four Mn atoms in Photosystem II using anomalous diffraction techniques (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasufumi Umena, Keisuke Kawakami, Nobuo Kamiya, Yoshiaki Kawano, Keitaro Yamashita, Hideo Ago, Masaki Yamamoto, Jian-Ren Shen
  • 学会等名: 69th American Crystallography Association Annual meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Study of functional structures in photosystem II revealed by pH dependent structural changes (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasufumi Umena, Mayuho Adachi, Jian-Ren Shen
  • 学会等名: 第19回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] 補欠因子の塩素イオンを分子陰イオンへ置換した光化学系IIの結晶構造解析によるプロトンの排出阻害機構の構造化学的研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 梅名泰史，田丸翔也，沈建仁
  • 学会等名: 第18回 日本蛋白質科学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Proton transfer inhibition by molecular anion substitutions in Photosystem II (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasufumi Umena, Shouya Tamaru, Jian-Ren Shen
  • 学会等名: International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Biogenesis 2018 (ISPCB2018)
  • 国際学会