光化学系２複合体の構造生物学

• 研究課題/領域番号: 24687006
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 一部基金
• 研究分野: 植物分子生物・生理学
• 研究機関: 大阪市立大学
• 研究代表者: 川上 恵典 大阪市立大学, 複合先端研究機構, 特任准教授 (40619904)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円); 2015年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2014年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2013年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2012年度: 9,750千円 (直接経費: 7,500千円、間接経費: 2,250千円)
• キーワード: 光化学系II / 酸素発生反応 / 酸素発生中心 / ヨウ素イオン / 還元反応 / 色素・光合成 / 色素体機能・光合成

研究成果の概要

植物やラン藻は、地球上の多くの生命が生きていく上で必要な分子状酸素を形成する。これは、太陽の光エネルギーを光化学系II（PSII）が吸収して電子伝達反応を行うに伴って酸素発生中心であるMn4CaO5クラスターで水を分解することによって行われる。PSIIの酸素発生反応には塩素イオンが寄与し、PSII内の塩素イオンは同族元素であるヨウ素イオンと置換可能であるが、ヨウ素イオンに置換するとPSIIは酸素発生反応を阻害され、この阻害機構の詳細は不明であった。本研究により、ヨウ素イオン置換によって起こるPSII内の構造変化を明らかにし、ヨウ素イオンがMn4CaO5クラスターを還元していることを突き止めた。

研究成果

• [雑誌論文] Identification of β-Cryptoxanthin in Oxygen-Evolving Photosystem II from Thermosynechococcus vulcanus (2014)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Kawakami, Ritsuko Fujii, Yasufumi Umena, Shin-ichiro Ozawa, Yuichiro Takahashi, Hideki Hashimoto, Jian-Ren Shen, and Nobuo Kamiya
  • 雑誌名: Carotenoid Science 巻: 19 ページ: 48-51
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generalized approximate spin projection calculations of effective exchange integrals of the CaMn405 cluster in the S1 and S3 states of oxygen evolving complex of photosystem II (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Isobe, M. Shoji, S. Yamanaka, H. Mino, Y. Umena, K. Kawakami, N. Kamiya, J.-R. Shen, and K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 16 号: 24 ページ: 11911-11923
  • DOI: 10.1039/c4cp00282b
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Nature of chemical bonds of the CaMn4O5cluster in oxygen evolving complex of photosystem II. Jahn-Teller distortion and its suppression by Ca doping in cubane structures (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Yamaguchi, S. Yamanaka, H. Isobe, T. Saito, K. Kanda, Y. Umena, K. Kawakami, J. -R. Shen, N. Kamiya, M. Okumura, H. Nakamura, M. Shoji and Y. Yoshioka
  • 雑誌名: Internat. J. Quantum Chem 巻: 113 号: 4 ページ: 453-473
  • DOI: 10.1002/qua.24280
  • 査読あり
• [雑誌論文] Full Geometry Optimizations of the Mixed-Valence CaMn4O4X(H2O) 4 (X=OH or O) Cluster in OEC of PS II: Degree of Symmetry Breaking of the Labile Mn-X-Mn Bond Revealed by Several Hybrid DFT Calculations (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Yamaguchi, H. Isobe, S. Yamanaka, T. Saito, K. Kanda, M. Shoji, Y. Umena, K. Kawakami, J.-R.. Shen, N. Kamiya, M. Okumura
  • 雑誌名: International Journal of Quantum Chemistry 巻: 113 号: 4 ページ: 525-541
  • DOI: 10.1002/qua.24117
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure of Sr-substituted photosystem II at 2.1 Å resolution and its implications in the mechanism of water oxidation (2013)
  • 著者名/発表者名: Faisal Hammad Mekky Koua, Yasufumi Umena, Keisuke Kawakami, Jian-Ren Shen
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 巻: 110 号: 10 ページ: 3889-3894
  • DOI: 10.1073/pnas.1219922110
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photosystem II does not possess a simple excitation energy funnel: Time-resolved fluorescence spectroscopy meets theory (2013)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Shibata, Shunsuke Nishi, Keisuke Kawakami, Jian-Ren Shen, Thomas Renger
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: - 号: 18 ページ: 6903-6914
  • DOI: 10.1021/ja312586p
  • 査読あり
• [雑誌論文] Applications of Peptide Gemini Surfactants as Solubilization Surfactants for Photosystems I and II of Cyanobacteria (2013)
  • 著者名/発表者名: Shuhei Koeda, Katsunari Umezaki, Tomoyasu Noji, Atsushi Ikeda, Keisuke Kawakami, Masaharu Kondo, Yasushi Yamamoto, Jian-Ren Shen, Keijiro Taga, Takehisa Dewa, Mamoru Nango, Toshiki Tanaka, Toshihisa Mizuno
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 29 号: 37 ページ: 11667-11680
  • DOI: 10.1021/la402167v
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evidence for an Unprecedented Histidine Hydroxyl Modification on D2-His336 in Photosystem II of Thermosynechoccocus vulcanus and Thermosynechoccocus elongatus (2013)
  • 著者名/発表者名: Miwa Sugiura, Kazumi Koyama, Yasufumi Umena, Keisuke Kawakami, Jian-Ren Shen, Nobuo Kamiya, Alain Boussac
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 52 号: 52 ページ: 9426-9431
  • DOI: 10.1021/bi401213m
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical insight in to hydrogen-bonding networks and proton wire for the CaMn405 cluster of photosystem II. Elongation of Mn-Mn distances with hydrogen bonds (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Shoji, H. Isobe, S. Yamanaka, Y. Umena, K. Kawakami, N. Kamiya, J. -R. Shen and K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Catal. Sci. & Technol. 巻: 3 号: 7 ページ: 1831-1848
  • DOI: 10.1039/c3cy00051f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure and reactivity of the mixed-alence CaMn_4O_5(H_2O)_4 and CaMn_4O_4(OH)(H_2O)_4 clusters at oxygen evolution complex of photosystem II.Hybrid DFT (UB3LYP and UBHANDHLYP) calculations (2012)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: International Journal of Quantum Chemistry 巻: 112 号: 1 ページ: 321-343
  • DOI: 10.1002/qua.23261
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical illumination of water-inserted structures of the CaMn4O5 cluster in the S2 and S3 states of oxygen-evolving complex of photosystem II: full geometry optimizations by B3LYP hybrid density functional (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Isobe, M. Shoji, S. Yamanaka, Y. Umena, K. Kawakami, N. Kamiya, J.-R. Shen, K. Yamaguchi
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 41 号: 44 ページ: 13727-13740
  • DOI: 10.1039/c2dt31420g
  • 査読あり
• [学会発表] ヨウ素イオンによるシアノバクテリア由来光化学系IIの酸素発生阻害機構 (2015)
  • 著者名/発表者名: 川上恵典, 萩原大介, 梅名泰史, 福島佳優, 伊藤亮孝, 手木芳男, 沈建仁, 神谷信夫
  • 学会等名: 日本結晶学会年会
  • 発表場所: 大阪府
  • 年月日: 2015-10-17
• [学会発表] 光合成の基盤であるPSIIの結晶構造解析と展望 (2015)
  • 著者名/発表者名: 川上恵典
  • 学会等名: 日本植物学会年会
  • 発表場所: 新潟県
  • 年月日: 2015-09-06
  • 招待講演
• [学会発表] ヨウ素イオンによる植物・藻類の酸素発生阻害機構の解明 (2015)
  • 著者名/発表者名: 川上恵典, 萩原大介, 梅名泰史, 福島佳優, 伊藤亮孝, 手木芳男, 沈建仁, 神谷信夫
  • 学会等名: 反応中心セミナー
  • 発表場所: 京都府
  • 年月日: 2015-07-11
• [学会発表] Inhibition mechanism of the water-splitting reaction of photosystem II by iodine ions (2015)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Kawakami, Daisuke Hagiwara, Yasufumi Umena, Yoshimasa Fukushima, Akitaka Ito, Yoshio Teki, Jian-Ren Shen, and Nobuo Kamiya
  • 学会等名: 第56回植物生理学会年会
  • 発表場所: 東京農業大学（東京都世田谷区桜丘1-1-1）
  • 年月日: 2015-03-16 – 2015-03-18
• [学会発表] Inhibition mechanism of the water-splitting reaction of photosystem II by iodine ions (2014)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Kawakami, Daisuke Hagiwara, Yasufumi Umena, Yoshimasa Fukushima, Akitaka Ito, Yoshio Teki, Jian-Ren Shen, and Nobuo Kamiya
  • 学会等名: 第８回ナノメディシン国際シンポジウム
  • 発表場所: 愛媛大学（愛媛県松山市道後樋又10番13号）
  • 年月日: 2014-12-04 – 2014-12-06
• [学会発表] Inhibition mechanism of the water-splitting reaction of photosystem II by iodine ions (2014)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Kawakami, Daisuke Hagiwara, Yasufumi Umena, Yoshimasa Fukushima, Akitaka Ito, Yoshio Teki, Jian-Ren Shen, and Nobuo Kamiya
  • 学会等名: ICARP2014
  • 発表場所: Awaji Yumebutai International Conference Center（兵庫県淡路市夢舞台1番地）
  • 年月日: 2014-11-24 – 2014-11-28
• [学会発表] ヨウ素イオンによる光化学系II複合体の酸素発生阻害機構 (2014)
  • 著者名/発表者名: 川上恵典・萩原大介・梅名泰史・福島佳優・伊藤亮孝・手木芳男・沈建仁・神谷信夫
  • 学会等名: 第87回日本生化学会大会
  • 発表場所: 国立京都国際会館（京都市左京区岩倉大鷺町422）
  • 年月日: 2014-10-15
  • 招待講演
• [学会発表] ヨウ素イオンによる光化学系 II 複合体の酸素発生阻害機構 (2014)
  • 著者名/発表者名: 川上恵典・萩原大介・梅名泰史・福島佳優・伊藤亮孝・手木芳男・沈建仁・ 神谷信夫
  • 学会等名: 第５回日本光合成学会年会
  • 発表場所: 近畿大学（大阪府東大阪市小若江3-4-1）
  • 年月日: 2014-05-30 – 2014-05-31
• [学会発表] 植物の酸素発生型光化学系II研究の過去・現在、そして未来 (2014)
  • 著者名/発表者名: 川上恵典
  • 学会等名: ナノバイオテクノロジー研究会
  • 発表場所: 名古屋工業大学
  • 招待講演
• [学会発表] Towards structural elucidation of PSII-LHCII supercomplex from Chlamydomonas reinhardtii (2014)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Kawakami
  • 学会等名: The 2013 OCARINA Annual International Meeting
  • 発表場所: 大阪市立大学
• [学会発表] ヨウ素イオンによる光化学系 II 複合体の酸素発生阻害機構 (2013)
  • 著者名/発表者名: 川上恵典
  • 学会等名: 蛋白質研究所セミナー
  • 発表場所: 大阪大学蛋白質研究所
  • 招待講演
• [学会発表] 酸素発生光化学系II 複合体におけるβ-クリプトキサンチンの同定 (2013)
  • 著者名/発表者名: 川上恵典、藤井律子、梅名泰史、小澤真一郎、高橋裕一郎、橋本秀樹、神谷信夫、沈建仁
  • 学会等名: 日本光合成学会
  • 発表場所: 名古屋大学
• [学会発表] How iodine ions inhibit the oxygen evolution of photosystem II? (2013)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Kawakami, Daisuke Hagiwara, Yasufumi Umena, Jian-Ren Shen, and Nobuo Kamiya
  • 学会等名: The 16th International Congress on Photosynthesis
  • 発表場所: セントルイス（アメリカ）
• [学会発表] 光合成膜タンパク質光化学系 ll の結晶構造とその後の展開 (2013)
  • 著者名/発表者名: 川上恵典
  • 学会等名: 有期太陽電池シンポジウム
  • 発表場所: 京都大学
  • 招待講演
• [学会発表] 中性子結晶構造解析による植物の酸素発生機構の理解とその取り組みについて (2013)
  • 著者名/発表者名: 川上恵典、神谷信夫
  • 学会等名: 蛋白質研究所セミナー
  • 発表場所: 大阪大学蛋白質研究所
• [学会発表] How iodide ions inhibit the oxygen evolution of photosystem II? (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Kawakami, D. Hagiwara, Y. Umena, J.・R. Shen, N. Kamiya
  • 学会等名: 2012 OCARINA Annual International Meeting-Launch of the Artificial Photosynthesis Research Center
  • 発表場所: 大阪市立大学
• [学会発表] 酸素発生光化学系II複合体における B・クリプトキサンチンの同定 (2012)
  • 著者名/発表者名: 川上恵典, 藤井律子, 梅名泰史, 小澤真一郎, 高橋裕一郎, 橋本秀樹, 神谷信夫, 沈建仁
  • 学会等名: カロテノイド研究談話会
  • 発表場所: 北海道函館
• [学会発表] 光化学系II複合体結晶の高分解能化 (2012)
  • 著者名/発表者名: 川上恵典
  • 学会等名: 蛋白研セミナー
  • 発表場所: 大阪大学蛋白質研究所(招待講演)
• [学会発表] How iodide ions inhibit the oxygen evolution of photo system II? (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Kawakami, D. Hagiwara, Y. Umena, J.・R. Shen, N. Kamiya
  • 学会等名: 岡山国際シンポジウム
  • 発表場所: 岡山大学
• [図書] 『光エネルギーによる物質変換の化学』(仮題) (2015)
  • 著者名/発表者名: 川上恵典・神谷信夫
  • 出版者: 三共出版
• [図書] 光合成研究と産業応用最前線 (2014)
  • 著者名/発表者名: 川上恵典・神谷信夫
  • 総ページ数: 405
  • 出版者: NTS
• [備考] 大阪市立大学複合先端研究機構/プロフィール・業績
  • URL: http://www.ocarina.osaka-cu.ac.jp/profile/keisuke_kawakami_j.html
• [備考] 大阪市立大学・複合先端研究機構（川上恵典のプロフィール）
  • URL: http://www.ocarina.osaka-cu.ac.jp/profile/keisuke_kawakami_j.html
• [備考] 大阪市立大学・研究者要覧（川上恵典）
  • URL: http://rdbsv02.osaka-cu.ac.jp/profile/ja.XsHrP.o5lzyFSrodmBlidA==.html#profile
• [備考] 大阪市立大学・複合先端研究機構
  • URL: http://www.ocarina.osaka-cu.ac.jp/profile/keisuke_kawakami_j.html
• [備考]
  • URL: http://www.ocarina.osaka-cu.ac.jp/member_j.html