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光化学系ⅡのMn4CaO5クラスターにおいて行われる光合成水分解反応の分子機構およびMn4CaO5クラスターの構築過程について、以下の成果を得た。
１．Mn4CaO5クラスターに結合する水分子のプロトン化構造：Mn4CaO5クラスターに結合する４つの水分子の内、基質の候補であるW2については、H2OとOH-の２つの可能性が議論されてきた。そこで、W2がH2OまたはOH-である場合について量子化学計算を行い、計算されたMn-O距離とＸ線結晶解析で実験的に得られている距離とを比較した。その結果、S0からS2状態において、Ｗ２はプロトン化されたH2Oであることが示された。
２ S0状態におけるプロトン化構造とプロトン放出機構の解明：最も酸化状態が低いS0状態については、その構造およびS0-S1遷移におけるプロトン移動機構は不明であった。そこで、QM/MM計算により、S0-S1遷移の赤外差スペクトルをシミュレーションし、実測の光誘起FTIR差スペクトルと比較した。その結果、O4酸素がプロトン化している構造が最も実測スペクトルを再現することが示された。よって、S0状態はO4-H構造を持ち、このプロトンがS0-S1遷移においてルーメン側に放出されると結論された。
３． 光化学系Ⅱの動的構造変化の検出：高速原子間力顕微鏡（HS-AFM）を用いて、光化学系Ⅱタンパク質の水分解系近傍の構造ダイナミクスを観測した。その結果、表在性タンパク質PsbPおよびPsbOが解離し、Mn4CaO5クラスターが破壊されると、それに直接的に相互作用するCP43タンパク質のルーメン側ドメインが構造ゆらぎを起こすことが示された。このCP43タンパク質の構造ゆらぎは、Mn4CaO5クラスターの構築過程である光活性化を促進する役割を持つことが示唆された。
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