光合成･光エネルギー変換のしくみ
光生体エネルギー研究室 (G Lab.)
野口 巧 教授
植物細胞核加藤祐樹 講師

嶋田 友一郎 特任助教

生命エネルギーの源 : 光合成
ミトコンドリア

液胞

葉緑体

柵状組織

三野広幸 准教授

海綿状組織

太陽光は地球上に棲む全生命のエネルギーの源です．この太陽エネルギーを生命活動のための化学エネルギーに変換するシステムが光合成です．二酸化炭素吸収と酸素発生によって，光合成生物は太古の地球環境を大きく変え，現在の地球環境と生命の生存を支えています．我々の研究室では，この光合成がいかなる物理･化学メカニズムによって行われているのかを原子･分子レベルで解明し，地球と生命の共進化における役割を明らかにしていきます．

チラコイド膜ルビスコ

光合成の主役達
光合成は，光化学系 I，光化学系 II，シトクロム b6f，ATP 合成酵素，および炭素固定酵素ルビスコの 5 つの主要な蛋白質によって行われています．ルビスコ以外はチラコイド膜内に埋め込まれています．これらが協同的に機能し，効率よく光合成反応が進められています．

気孔葉の断面図
チラコイド

チラコイド膜チラコイド膜葉緑体 : 光合成の反応場
光合成は，植物の細胞内に存在する葉緑体で行われています．葉緑体は，始原的な光合成生物であるシアノバクテリアが起源であると考えられています．葉緑体の中に存在する袋状のチラコイド膜が光合成の主な舞台です．

ATP 合成酵素

光化学系 I
光化学系 II

光化学系 II から I への電子移動に伴って生じるプロトンの濃度勾配を利用して ATP が合成されます．

シトクロム b6f

緑色の色素：クロロフィル

光合成は，光を集めるところから始まります．この役割を担っているのがアンテナ色素です．集められた光エネルギーは，反応中心と呼ばれる部位で電子に変換されます．
アンテナ色素分子が光を受け取ると，励起状態という高エネルギー状態になり，その状態が近接する色素分子に伝わり，最終的に反応中心に集められます．

アンテナ色素の主役はクロロフィルとよばれる分子 ( 右図 ) で，青色と赤色の光を吸収します ( 下図 ).
緑色の光の一部が反射･散乱されることにより，植物は緑色に見えます．

CH3H3CMg

O400

600

500

H HOOCOC20H39Chlorophyll a
Chlorophyll b
Chlorophyll d700

CH3V

CH2O

光の吸収率

反応中心で特別なクロロフィルにより電子が放出される

IIIIV

C

放出された電子の移動経路

N

N

H

太陽光の放射強度分布

励起エネルギーが移動する

N

N

H2C

クロロフィル a の光吸収波長分布( 吸収スペクトル )

CH2II

I

H3C

クロロフィルが光を吸収し，励起する

R2

R1

光エネルギーを集める

R1
CH=CH2
CH=CH2CHO

CH3R2CH3CHO
CH3クロロフィルにはいくつかの種類があり，構造の違いにより吸収する波長が異なります．植物は通常，クロロフィル a と b を持ちますが，クロロフィル d を持ち，近赤外光を利用できるシアノバクテリアも見つかっています．クロロフィル以外にもカロテノイドやフィコビリンなどのアンテナ色素があり，生育環境などによって色素を使い分けて，さまざまな波長の光を集めています．

波長 /nm

集められた光エネルギーにより，光化学系 I では P700，系 II では P680 と呼ばれる特別なクロロフィルが励起され，電子が放出されます．電子はフェオフィチン，キノンなどの電子伝達体に次々に受け渡され，膜を貫通するように移動していきます．

電子移動光化学系 II の X 線結晶構造
最近の X 線構造解析により，光化学系 IIの構造が原子レベルで明らかになっています．
QA

電子は NADPH に溜められCO2 固定に使われるQB

光誘起電子移動の道筋：Z スキーム
各電子伝達体の酸化還元電位 Em を電子伝達経路に沿ってならべると，下図のような道筋として描くことができ，横に倒して眺めた姿から「Z スキーム」と呼ばれています．
Em の低い方から高い方へ ( 図の上方から下方へ）電子は自発的に流れます．P680，
P700 による 2 段階の光励起によって，反応を進める駆動力が生み出されています．

NADPH

P700*
−1200

Phe aA1(PhQ)
FX

P680*

−800

P680

FAPhe aMnCa クラスター

Em /mV vs. SHE

光化学系 II の全体構造 ( 左図 ) と反応中心 ( 右図 )．

A0 (Chl a)

光化学系 II

水素イオン

P700

FB−400FdNADP+QA

0QB

Qpool
Cyt b6/f 複合体h

Cyt c6 and/or Pc

400

P700

P680

光化学系 I

シトクロム b6f
光化学系 II

プロトンがチラコイド膜の内側に放出される

800

プラストシアニンが「泳いで」電子を伝える
1200

電子は伝達経路（上図赤線）に沿って移動し ,NADP+ を還元して還元力を持つ NADPH を生成します．一方，電子を放出してカチオンとなった P700，P680 はそれぞれプラストシアニンやマンガンクラスターを酸化し，電子を受け取って中性に戻り，次の反応に備えます．

H2 O

MnCaクラスター
YZ
P680h

光化学系 I

P680 の酸化還元電位は生物界において最も高く，水を酸化する力の源であるといえます．
しかし，如何にしてその高い酸化力が生じているかは , 未だ明らかになっていません．

光合成の最大の謎 〜水分解反応機構
光生体エネルギー研究室 (G Lab.)光エネルギーによる水分解・酸素発生

P680

H+e–h

光駆動水分解反応：S 状態サイクル

h

S1e

光合成の水分解反応を行う「装置」であるマンガンクラスターでは，光によって駆動される 5つの中間状態 (S 状態）のサイクルとして反応が進みます．反応 1 サイクルで 2 個の水分子が取り込まれ，4 個のプロトンと 1 個の酸素分子が放出されますが，そのメカニズムの詳細は未だ謎に包まれています．

–

S2S0h

O2e–

H 2O

H2OH+e–S4

水を分解する装置「マンガンクラスター」

H+S3h

H+

プロトン (H+)

マンガンクラスター

酸素分子 (O2)

水分子 (H2O)

マンガンクラスターは，４つのマンガン原子と１つのカルシウム原子からなることは知られていましたが，その構造は長い間不明のままでした．しかし，2011 年に沈，神谷らにより，1.9 Å の分解能で光化学系 II 蛋白質の X 線結晶構造が決定され，マンガンクラスターの詳細な構造が初めて明らかにされました (Umena etal., Nature, 2011)．それは，Mn4CaO5 の組成の「ゆがんだ椅子」形構造であることが示されました．さらなる研究により，水分解メカニズ
ム全貌の解明が期待されています．

光合成における CO2 の還元には電子が必要です．光合成生物はその電子源を水に求めました．
水から電子を引き抜いて分解することによりプロトンと酸素分子が生成し，酸素分子は大気へ放出されます．こうした水分解反応は，光化学系 II に結合する「マンガンクラスター」において行われます．最近の研究によりその構造が明らかになりましたが，水分解反応のメカニズムは現在でも解明されておらず，光合成研究の最大の謎として残されています．

分光学的手法による水分解機構の解明
フーリエ変換赤外分光法 (FTIR)

電子スピン共鳴法 (ESR)〜分子の振動をみる〜〜電子スピンをみる〜

フーリエ変換赤外 (FTIR) 分光法により，蛋白質の活性部位におけるプロトン化構造，水素結合状態，化学結合の生成・切断など，詳細な原子・分子レベルでの情報が得られます．
光合成反応の際の微小赤外吸収変化（十万分の一の吸光度変化を検出可能）を観測することにより，光合成蛋白質中の電子移動反応や水分解反応の分子メカニズムを原子レベルで調べることができます．

W1Trigger

PSII sample

Mn4O2

Shutter

O4

FTIR 分光計

ΔA

S2 → S3
10-4

S3 → S0
S0 → S1

1800

1700

1600

1500

1400

1300

Wavenumber/cm-1

1200

S2S0S1h = gHO3

θ = 0°CaMn

1300

ESR 法の原理

S0
S1Mn

外部磁場

D1-H332

S3Mn

S4

マイクロ波

D1-D342

ESR 装置Mn クラスターの価数と磁気構造の解明

S2

D2OMn

S3

マイクロ波吸収
エネルギー

Mn1

Mn2

D1-E333

基質水分子の反応の検出

水分解反応サイクルにおけるマンガンクラス
ター周辺の蛋白質の構造変化を初めて捉えることに成功しました．

磁石

D1-E189

CP43-E354

FTIR: DOD bend
S1 → S2

D1-A344
O1

D1-D61

光誘起 FTIR 差スペクトル法

水分解系の構造変化の検出

O5

Mn3

Nd:YAG laser

ns flash

試料室(cabity)

マイクロ波入射Ca
W2

IR beam
MCT detector

Shutter driver

W4

W3

D1-D170

Interferometer

1200

Signal Intensity

FTIR spectrophotometer電子スピン共鳴 (ESR) 法は電子を観測対象とした磁気共鳴法の一種で，ラジカルや金属の電子状態から分子の運動状態，電子―核間，電子―電子間の距離などの情報を得ることができます．ESR 法を用いて蛋白質内部における電子の動き，電子伝達成分の電子状態や構造 , 蛋白質間の相互作用を調べることができます．

Mn1M , Mn
n13
M ,Mn4 n4,Mn1

θ = 90°ESR 法の一種であるパルス電子−電子二重共鳴 (PELDOL) 法により，S2 状態における Mn の価数と磁気構造を決定しました．
Mn1

IVIIIIVIV
Mn3

Wavenumber/cm-1O2Mn4

水分解反応の際の基質水分子の反応を，水の変角振動を用いて直接検出しました．

CaMn4

1100

0200

400600Time (ns)8001000

Mn2

Mn1-J34 < 0Mn クラスター周辺におけるプロトンの位置決定

3.0 ÅMn35.0 Å+

J13 > 0J12 < 02.8 Å

3.3 Å+2.9 Å

J23 < 0- Mn2

X 線では検出されないプロトンの位置を，電子核二重共鳴(ENDOR) 法により決定しました．