X 線吸収，発光および共鳴非弾性散乱による光合成
酸素発生錯体（Mn4Ca）の電子状態に関する研究
矢野淳子

Lawrence Berkeley National Laboratory, Physical Biosciences Division,
1 Cyclotron Rd., Berkeley, CA 94720, USA

V. K. Yachandra

Lawrence Berkeley National Laboratory, Physical Biosciences Division,
1 Cyclotron Rd., Berkeley, CA 94720, USA

要

旨光合成酸素発生反応は生物が生きていく上で最も大切な反応の一つである。この反応は光化学系酸素発生複合体（Photosystem II）に存在する 4 つの Mn と 1 つの Ca からなるクラスターの触媒反応によることがわかっている。
しかし，その触媒機能の分子レベルでの詳細に関しては未だ解明されていない。本稿では，水分解過程で生ずる Mn4Ca
クラスターの酸化状態変化に焦点を絞って，様々な X 線分光法により得られた最新の成果を紹介する。

1. はじめに
今からおよそ 30 億年前，酸素発生型ラン藻（ cyanobac-

teria ）の出現により地球誕生以来嫌気状態にあった大気中の酸素濃度が次第に上昇し始めた。それに伴って上空にオゾン層が形成され，地上に到達する紫外線が弱まるとともに酸素呼吸生命の進化を促した。我々の生命活動は植物，ラン藻などが行う光合成反応によって成り立っている。

6CO2＋6H2O→C6H12O6＋6O2(1)

上記の一連の光合成反応のうち，酸素発生反応は光合成系
複合体（ Photosystem II ，以下 PSII ）と呼ばれる膜タ
ンパク質複合体においておこる。 PSII は，太陽光エネル
ギーを吸収して生物が利用可能な化学エネルギーに変換する。我々が生きていく上で不可欠な酸素はこの反応の 2次的産物である。 PSII はおよそ 19 種類のサブユニットを含む巨大な膜タンパク質であり，酸素発生は触媒中心であFig. 1

Photosystem II in the thylakoid membrane.

る Mn4Ca クラスターとその配位子を含む近傍アミノ酸残基により構成される酸素発生中心（OEC: oxygen evolving

center）でおこる（Fig. 1)15)。

上記の反応は，Mn4Ca クラスターにおける反応中間体 Sn

光合成反応では外来的な電子の供給源（電子供与体）と（ n ＝ 0 ～ 4 ）の光駆動サイクルによることがわかっている

して最初に水が用いられ， Mn4Ca クラスターにおいて 2（ Fig. 2 ）。 n が大きいほどより酸化が進んだ状態を表し，つの水分子が 4 電子酸化されることによって 1 分子の酸

PSII が 1 光量子を吸収するごとに 1 ステップずつ酸化反素が放出される。ここで用いる“酸化”とは，水分子から応が進行する（ Sn → Sn＋1 ）。まず PSII を暗順応させると電子が放出されるということを意味する。

S1 状態で安定化される。S1 状態は，反応中心であるクロロフィル a 二量体 P680の光誘起に伴って S2，S3 へと 1 電

2H2O→O2＋4H＋＋4e－(2)子ずつ酸化される。そして 3 回めの光励起後に寿命の短

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(C) 2007 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

トピックス ■ X 線吸収，発光および共鳴非弾性散乱による光合成酸素発生錯体（Mn4Ca）の電子状態に関する研究

分子構造変化と酸化状態変化は言うまでもなく密接に関係している。従って， Mn4Ca クラスターの構造に関してこ
れまでにわかっていることを以下に簡単にまとめる。
光合成系酸素発生複合体の立体構造はいくつかのグ
ループによって報告されており，その複雑な構造と機能が明らかになりつつある。しかし触媒を担う Mn4Ca クラス
ターの構造に関しては，未だ分解能が低い点と（～ 3.0Å )25) ， Mn4Ca クラスターが非常に X 線損傷を受けやすい理由からその活性型構造は今だ議論の的である。結晶構
造解析に必要な高強度の X 線照射条件においては， Mnの酸化状態の変化および構造変化が起こることが最近の研究で示されている20)。

Mn4Ca 錯 体 の 構 造 を 知 る 別 の 手 法 と し て ， EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure) が用いられている。これまでの EXAFS 研究からいくつかの Mn4Ca
クラスターモデルが提案されており，これらは基本的に 4
つの Mn 間が以下のような di-m- あるいは mono-m-oxo 架
橋でつながった構造をもつ。
Fig. 2The S-state cycle and the proposed oxidation states of the
Mn cluster in the S-states. The multiline EPR signals for theS0 and S2 states are also shown.

い S4 状態を経て 1 酸素分子を遊離した後， S0 状態へ戻る。酸化状態変化に伴い， Fig. 2 に示すように S0 と S2 状
態はスピン S＝1/2に対応する Mn の EPR (Electron Para-magnetic Resonance) multiline シグナル610)，S1 およびそして基質水分子は Mn イオンに配位した状態をとるとS3 状態では S ＝ 1 に相当する parallel polarization EPR シ

考えられている。

グナルが観測される1114)。これまでの EPR ， X 線吸収法

PSII の Mn EXAFS 測 定にお いては ，従来 EXAFS のを用いた研究から， S0 → S1 ， S1 → S2 過程では Mn イオン

分解能に限界があった。これは， PSII のようにその分子が 酸 化 さ れ ， そ の 形 式 的 な 酸 化 状 態 は S1 が Mn ( III )2

中に Mn と周期律表で隣り合う Fe を合わせ持ったサンプ

Mn ( IV )2 （ 3 価の Mn 2 つと 4 価の Mn 2 つ）， S2 が Mn

ルの EXAFS 測定では， Fe のからの吸収の寄与により測( III )( IV )3 （ 3 価の Mn 1 つと 4 価の Mn 3 つ）であるこ

定 可 能 な EXAFS エ ネ ル ギ ー 領 域 が 限 ら れ る た め で あとが現在ほぼ共通の認識として通っている1)。一方で，S0る。最近我々のグループでは高分解能分光器を用いて Feと S3 状態においては Fig. 2 に示した通り未だ議論が分かからの吸収の寄与を取り除き，より高エネルギー領域までれる。S0 状態では，2 価の Mn が存在するかどうか9)，S2の EXAFS 測定を行うことによって PSII Mn EXAFS の→ S3 転移過程では Mn が酸化される可能性と， Mn イオ

距離分解能の改善を図った20) 。この Range-extended EX-

ン以外のリガンドから主として 1 電子がはじき出される

AFS 測定からは， 3 つの di-m-oxo 構造をもつクラスター

可能性とが示唆されている1518) 。このような酸化状態変構造を支持するデータが得られている。さらに， PSII S1化の詳細を理解することは， Mn4Ca クラスターを介して状態の単結晶を用いて EXAFS の偏光特性から Mn4Ca ク

おこる水分解反応の化学過程を知る上で重要である19)。

ラスターモデルの構築を試みた。こうして得られたモデル

筆者らのグループは，様々な X 線分光法を用いて Mn4と結晶構造解析で得られているアミノ酸側鎖の情報をもと

Ca クラスターの構造と機能解明に関する研究を行っていに Mn4Ca クラスターのリガンド環境下における構造を得る。本寄稿では， Mn4Ca クラスターの酸化状態変化に関た21)。一連の研究から得られた Mn4Ca クラスターの化学する研究に焦点を絞り，これまでに我々のグループで行っ構造モデルを Fig. 1 に示す。

た XANES ， Kb 発光スペクトル法，および共鳴非弾性 X
線散乱法に関する研究結果をまとめる。

現在，同様の手法を用いて他の S 状態の構造に関しても研究を進めているが，これまでの EXAFS 研究からは

S1 および S2 状態は非常に類似した構造をもつこと，そし

2. Mn4Ca クラスターの構造
前述の通り，本稿では酸化状態変化に焦点を当てるが，て S3 および S0 状態では di-m-oxo 結合距離が大幅に変わるような構造変化が起きることが 示唆されている22,23)。

放射光 March 2007 Vol.20 No.2 ● 107

る K main edge は， Mn の酸化状態だけでなく，例えばリガンド 3p 軌道との相互作用によってリガンド環境，構造変化等の様々な要素に大きく影響をうける。従って，そのエネルギー位置を一概に酸化状態変化の有無と結びつけることはできない。
一方で，K main edge の低エネルギー側（～6540e 付近）に現れる弱い Mn pre-edge （ 1s → 3d 遷移）スペクトルは

1s 軌道から lowest unoccupied 3d 軌道への遷移による。
このため Mn 近傍のより局所的な電子構造を反映しており，酸化状態変化のより明確な指標となりうる。pre-edge
ピークは電気四重極遷移に相当するため本来強度が非常に弱いが，リガンド環境の中心対称性が歪んだ場合（例えば八面体型から四面体型への変化），金属の 4p 軌道と 3d 軌
道の混成により強度が増すことが知られている。 Fig. 3 にみられるように，PSII の場合，S0 から S3 への転移においてピーク強度はわずかに増加するこれらのスペクトル形状
変化，ひいてはリガンド環境変化を理解するにはモデル構
造に基づいた DFT 計算がさらに必要である。

4. Kb emission spectroscopy
Fig. 3The Mn K-edge spectra and their 2nd derivative spectra ofspinach PSII, from the S0 through S3 state18. The magnitudeof the in‰ection point energy shift for S0 to S1 (2.1 eV) andS1 and S2 (1.1 eV) is much larger than the shift for the S2 to
S3 transition (0.3 eV). The pre-edge spectra (1s to 3d transition) from the S-states are enlarged and shown below the Mn
K-edge spectra.

Fig. 4(a)にいくつかの蛍光 X 線放出のダイアグラムを示す。Ka スペクトルは 2p から 1s への緩和に伴う発光によるのに対し，Kb スペクトルは 3p 電子の 1s 軌道への緩和（遷移）に相当する。従って， Ka スペクトルの形状はス
ピン―軌道相互作用を受けた内殻 2p 電子の状態を反映するのに対して，Kb スペクトルは外核電子の状態を反映する。それゆえ，Ka 線に比べてスピン状態の違い，つまり

3. Mn XANES

不対 3d 電子密度をより敏感に反映する。Mn のような 3d遷移金属の Kb スペクトルでは， Kb1, 3 主線の低エネル

Mn の 1s から 4p 軌道への遷移に対応する K main-edge

ギ ー 側 に 不 対 3d 電 子 と 3p 正 孔 の 交 換 相 互 作 用 に 伴 う

エネルギーは，PSII Mn4Ca クラスターの酸化還元状態の線が観測される。この交換相互作用の大きさは 3d とKb ′変化の指標としてしばしば用いられてきた。 Fig. 3 に各 S

3p 軌道の不対電子の数に依存する。従って，Kb スペクト状 態 の XANES ス ペ ク ト ル と そ の 2 次 微 分 曲 線 を 示

ルは前述の XANES とは異なった理由で Mn の酸化状態す18)。様々な Mn モデル化合物の研究から，Mn が 1 電子変化の指標となりうる。簡略化して述べると，Kb1, 3 が 3d酸化される場合，類似したリガンド環境下では 2 次微分と 3p 不対電子間の ``constructive'' （同方向）なスピン交曲線のゼロ点交差エネルギー値（ IPE,

線は ``destructive''（逆方向）
換作用であるのに対して Kb′

In‰ection

Point

Energy ）は 1 ～ 2 eV 程度高エネルギー側にシフトすることが知られている。PSII の場合，S0→S1 および S1→S2 転な交換作用といえる（Fig. 4(b））。

Mn の酸化状態と Kb 発光スペクトルとの関係を示すた

移 過 程 で IPE は そ れ ぞ れ 2.1 eV ， 1.1 eV ほ ど 高 エ ネ ル

め ， Fig. 5 に 2 価 か ら 4 価 の Mn 酸 化 物 （ Mn ( IV ) O2 ，ギー側へシフトする。従って，これらの過程では Mn のMn2 (III ) O3 ，および Mn ( II )O ）の Kb 発光スペクトルを酸化状態が変化することが裏付けられる（ Mn-centeredと Kb1, 3 ピークはそれぞれ6475 と 6490 eV 付近示す。 Kb′oxidation ）。一方 S2 から S3 状態へ移行する過程においてに現れる24)。これら 2 つのピークのエネルギー間隔は 3p

は， IPE シフトはわずか 0.3 eV と小さい。 PSII の S 状態

から 1s への発光遷移の終状態における不対 3d 電子と 3pサイクルにおいて大幅なリガンド環境の変化がないものと正孔との交換相互作用によって決まる。Mn の酸化状態が仮定すると，S2 から S3 状態転移においては Mn の酸化は

2 価，3 価，4 価と増加するにつれて 3p 正孔と相互作用可起きていないのではないかと考えられる。つまり，他の過能な不対 3d 電子数が減少する。結果として，3p 3d スピ

程とは化学的に性質の異なる変化がおこっていることを示

ン交換相互作用が小さくなり，Kb1, 3 遷移は高エネルギー唆している。しかしながら 1s から 4p 軌道への遷移であ遷移は低エネルギー側へシフトするため， Kb ′側へ，Kb ′

108 ● 放射光 March 2007 Vol.20 No.2

トピックス ■ X 線吸収，発光および共鳴非弾性散乱による光合成酸素発生錯体（Mn4Ca）の電子状態に関する研究

Fig. 4(a) X-ray K-emission from the 2p levels (2p3/2 and 2p1/2), known as Ka1 and Ka2 emission, and from the 3p levels(3p3/2 and 3p1/2) known as Kb1 and Kb3 emission. The Kb lines are approximately 1/8 as intense as the Ka lines.
(b) The electronic states and the transitions for Mn Kb XES. On the right is the exchange interaction between the
3p and 3d levels that gives rise to the Kb1,3 and Kb′states.

遷移よりも分解能が高いことから，以程の違いにより Kb′
下では Kb1, 3 ピークを指標として PSII の Mn サイトの酸化状態を議論する。

Fig. 6 に PSII の S0 から S3 状態の Kb スペクトルと，その差スペクトルを示す18) 。 PSII では各 S 状態転移において，最大でも，4 つの Mn のうちのただ 1 つの Mn が酸化される。このため，各 S 状態間で観察されるピークシフ
トは Mn 酸化物の変化と比較すると明らかに小さい。しかし差スペクトルにみられる変化は明らかで，S0 から S1，

S1 から S2 状態への転移で見られる差スペクトルの形状は
Kb1, 3 ピークが低エネルギー側へシフトしていることを示ている。逆に S3 から S0 転移においては高エネルギー側へのシフトを示し，系が元の酸化状態に還元されていること
Fig. 5The Mn Kb emission spectra of Mn oxides in formal oxidation states, II, III and IV (adapted from ref.18). The exchange coupling for each of oxidation states II, III and IV,
showing how the splitting between the Kb1, 3 and Kb′depends on the number of unpaired 3d electrons. The increasein splitting increases as the number of unpaired electrons in
the 3d states increases. This has the eŠect of the more intense
Kb1, 3 peak being at a higher energy for lower oxidation statesof Mn.

を示す。これらの状態間のスペクトル変化と比べると，S2から S3 への転移に伴うピークシフトは明確ではない。言い換えれば， Mn の電荷密度変化（形式的な表記である“酸化数変化”あるいは“電子数変化”と厳密に区別するため“電荷密度変化”を用いた）は他の S 状態間の変化と比べるとごく小さいといえる。

Kb 発光スペクトルの S 転移に伴う変化を XANES スペ
クトル（IPE 値）の変化とともに Fig. 7 にまとめた。横軸
は レ ー ザ ー 照 射 数 を 表 し て お り ， 暗 状 態 で あ る S1 （ 0Kb1, 3 ピーク間の分離幅は狭くなる。

‰ash ）からスタートして各レーザー照射ごとに次の S 状

4p 軌道と比較して，3p 軌道はリガンドの軌道との重な態への転移が進行する（ Fig. 2 参照）。Kb スペクトルの変りが小さい。このため， Kb 発光ス ペクトルは XANES化に関しては，ピークトップのエネルギー値ではなく以下（ 1s から 4p 軌道への遷移）と比較するとリガンド環境にの式から導いた 1 次モーメントの値を用いた。つまり，

それほど敏感ではないといえる。Kb1, 3 遷移はその緩和過小さな変化を正確に求めるため Kb1, 3 ピーク全体の統計を

放射光 March 2007 Vol.20 No.2 ● 109Fig. 6(a) The Mn Kb emission spectra of the spinach PS II S states and (b) their diŠerence spectra. The diŠerence spectra between the S1 and S0, S2 and S1 states, and S0 and S3 are derivative shaped, indicating that the spectral peaks
shift in energy. The derivative shape for the S1 and S0, S2 and S1 is the reverse of that for the S0 and S3 indicatingoxidation in the ˆrst two cases and reduction for the latter case. The diŠerence spectrum between the S3 and S2
states shows the lack of such a derivative shape, indicating the similarities of the S2 and S3 state spectra and lack ofa predominantly metal-centered oxidation during the S2 to S3 transition. The ˆgure was adapted from ref.18).

いといえる。
ここで注意しなければならないのは，結合状態，つまりリガンド環境が変わるような構造変化を伴う転移の場合，構造変化によっておこるスペクトル形状変化のために Kb
スペクトルのシフトが見かけ上，隠されてしまう可能性があるかどうかということである。Kb スペクトルの詳細な解釈にはスピンー軌道分裂，結晶場分裂， Jahn-Teller 効果，Mn 原子間のスピンースピン相互作用などを考慮する必要がある。つまり， 3p 軌道からの情報である Kb スペ
クトルにおいてもリガンド環境下の影響を無視することはできないことになる。
そこで，Kb スペクトルにおいてどの程度リガンドの影
Fig. 7(top) Oscillation of XANES in‰ection point energies(I.P.E.) and (bottom) ˆrst moments (E) of the Kb emission spectra from the 0 ‰ash to 3 ‰ash samples. The ˆgure
was adapted from ref.18).

響が見られるかを確認するため，構造の異なる 2 種類のMn モ デ ル 化 合 物 （ trimer 型 お よ び butter‰y 型 ） の Kb
スペクトルと XANES スペクトルを比較した（Fig. 8)25)。
まず， XANES スペクトルにおいて酸化状態変化は IPE
シフトに明確に現れており， Mn3O で 1.64 eV ， Mn4O2 で考慮している。

2.2 eV ほどシフトする。しかしながら，そのシフトの大きさと XANES スペクトルの形状は各化合物とその酸化

1st モーメント＝∑EjIj/∑Ij(3)

状態に独特であり，情報量が多い分， Mn4Ca クラスターのような構造の不明確な化合物の酸化状態変化と直接結び

Ej と Ij は ， そ れ ぞ れ j 番 目 の デ ー タ ポ イ ン ト の エ ネ ル

つけるのには更なる根拠が必要である。これに対して，ギーと蛍光強度に相当する。図に見られるように，

Kb スペクトルの形状は分子の骨格構造およびリガンド環

XANES ， Kb スペクトルともに 1 ‰ash （ S2 ）から 2 ‰ash

境の違いをそれほど反映しない。そして Kb エネルギーシ（ S3）間のスペクトル変化は他の状態間の変化と比較してフトの割合は Mn3O で 0.12 eV

小さい。つまり，Mn の明確な酸化状態変化は起きていな

Mn4O2 で0.09 eV (1Mn oxidation/4Mn) と，2 つの異なる

110 ● 放射光 March 2007 Vol.20 No.2

( 1Mn

oxidation / 3Mn ) ,トピックス ■ X 線吸収，発光および共鳴非弾性散乱による光合成酸素発生錯体（Mn4Ca）の電子状態に関する研究

Fig. 8(a) Mn K-edge XANES of Mn3O (trimers, [Mn(III, III, III)3O(O2Cph)6(ImH)3](ClO4)2(NBu4) and [Mn(II,III, III)3O(O2Cph)6(py)2(H 2O)]0.5CH3CN) and Mn4O2 (butter‰ies, [Mn4(III, III, III, III)O2(O2Cph)7(bipy)2](ClO4) and [Mn4(II, III, III, III)O2(O2Cph)7(bipy)2]) compounds. b) Kb X-ray emission spectra(XES) for the Mn3O and Mn4O2, and c) Kb XES diŠerence spectra, the reduced minus oxidized species in each setof compounds. The ˆgure was adapted from ref.30).

化合物で同程度である。これらの結果は，Kb スペクトル

し，終状態と始状態との差は L-edge spectroscopy の過程

が XANES と比較してリガンド環境よりはむしろ酸化状と類似する。 L-edge spectroscopy は 2p 3d 多重項相互作

態により敏感であることを示唆している。

用のため遷移金属のスピン状態に非常に敏感である。従って，RIXS においてもスペクトルは Mn の電荷密度だけで5. 共鳴非弾性 X 線散乱法（RIXS）

なく，そのスピン状態にも敏感であるといえる。

RIXS は，これまでに無機材料の研究にしばしば用いら
PSII における Mn クラスターのより詳細な電子構造をれているが，生物試料に応用された例はまだ数少ない。生調べるため，共鳴非弾性 X 線散乱法（Resonant Inelactic

物試料は一般的に試料が希薄であるため，強度の弱い 2

scattering，以下 RIXS）を用いた26,27)。Fig. 9(a)に次光学過程を用いる RIXS の測定には多くの積算を必要と1s2p RIXS の ダ イ ア グ ラ ム を K-edge, L-edge spectro-する。しかし，それにまして，以下に述べるようないくつ

X-ray

scopy との比較とともに示す。実験では Mn の 1s から 3dかの利点があげられる。 PSII のように水を多く含む生物

軌道への吸収に続く 2p から 1s への緩和過程の，2 次光学

試 料 の 場 合 ， Mn の よ う な 3d 遷 移 金 属 の L-edge spec-過程を利用する（中間状態と終状態の空孔の軌道（ 1s とtroscopy では低エネルギー領域での著しい X 線吸収のた

2p ）を示すうえで 1s2pRIXS と呼ばれる）。 Fig. 9 ( b )の概め試料の X 線損傷が著しく，測定は非常に困難である。

略図に示すように，入射光 X 線（65356575 eV 領域）に加えて， L-edge 測定は低エネルギー X 線の空気による吸

よ っ て 励 起 （ 1s → 3d ） さ れ た Mn か ら の 発 光 X 線 は収を避けるため高真空状態で行う必要がある。これに対しRoland 円 上 に 配 置 し た 5 つ の 結 晶 ア ナ ラ イ ザ ー （ Geて， RIXS は L-edge に類似した情報を得ることができる( 333 ））によって Ge 検出器に集光される。 1s2pRIXS にが，その励起エネルギーは硬 X 線領域であるためサンプ

おいて，始状態から中間状態への電子配置の変化は K-

ルの X 線損傷は K-edge spectroscopy に等しい。さらにedge spectroscopy の pre-edge ス ペ ク ト ル の そ れ と 一 致

大気圧下で測定を行うことが可能である。最近の放射光源

放射光 March 2007 Vol.20 No.2 ● 111

Fig. 9(a) The energy level diagram for the RIXS experiment. The energy level diagrams for the K-preedge (1s to 3d)and L-edge (2p to 3d) absorption spectra are also shown on the right. In RIXS, the excitation is from a 1s to 3dlevel, and the emission detected is from a 2p to 1s level. The diŠerence in the energy between the intermediate andˆnal states is equivalent to the L-edge energy levels. Thus by using K-edge X-ray energies one can collect L-edgelike (2p to 3d) spectra. (b) The experimental setup used for the Kb emission experiments where the excitationenergy is ˆxed and the emission spectrometer is scanned through the Kb (3p to 1s) emission energies. In RIXS,
which is two-dimensional spectroscopy, the excitation energy is scanned (1s to 3d) using the beamline monochromator and the emission energy is scanned across the Ka lines (2p to 1s). Both monochromator and analyzer have
～1 eV bandwidth.

の進歩によって，希薄な生物試料～ 400 ppm （ PSII におけるおよその Mn 濃度）であっても複数の結晶アナライ
ザーを利用することによって半日程度の積算である程度のsignal to noise データが得られる。
RIXS スペクトルは Fig. 10 に示すような 3 次元プロットとして表すことができる。例として Mn (II )O のスペクトルを示す。3 次元プロットでは，X 軸が入射光エネルギー，

Y 軸が始状態と終状態とのエネルギー差（transfer energy軸），Z 軸が蛍光 X 線強度に相当する。横軸に入射高エネ
ルギーをとってスペクトル強度を energy transfer 軸方向に積算すると， K pre-edge に相当するスペクトルが得られる（CET, constant energy transfer plot）。また，横軸にFig. 10A three-dimensional plot showing the Mn(II)O resonant inelastic X-ray spectrum. Abscissa is the excitation energy
across the 1s-3d energy range of the spectrum. The 1s-3d Kedge ‰uorescence excitation spectrum is plotted in the backof the three dimensional spectrum for reference. Ordinate is
the diŠerence between the excitation and emission energy.
The ˆgure was adapted from ref.28).

112 ● 放射光 March 2007 Vol.20 No.2

energy transfer 軸をとって入射光エネルギー軸方向に強度を積算すると， L-edge スペクトルに類似したデータが得られる（CIE, constant incident energy plot）。
まず，Fig. 11 に一連の Mn モデル化合物（酸化物と配位化 合 物 ） の RIXS ス ペ ク ト ル （ 等 高 線 プ ロ ッ ト ） を 示

トピックス ■ X 線吸収，発光および共鳴非弾性散乱による光合成酸素発生錯体（Mn4Ca）の電子状態に関する研究

Fig. 11

Contour plots of the 1s2p3/2 RIXS planes for four Mn oxides (top) in oxidation states II, III and IV and the four
coordination complexes (middle) MnII(acac)2(H 2O)2, MnIII(acac)3, [MnIII(5-Cl-Salpn)(CH3OH)2]＋ andMnIV(sal)2(bipy). Abscissa is the excitation energy and ordinate is the energy transfer axis. The ˆgure was adapted from ref.28). The chemical structures of the coordination complexes are shown in the bottom.

す28,29)。Mn 配位化合物は，いずれも Mn の周囲に 6 個のネルギーピークはモデル化合物よりもよりブロードで，2リガンドを持つ。 Mn ( II ) O のスペクトルには， 6540 eV

つのピークの境界がはっきりしない。これは， PSII におに中心をもつブロードなピークが観察される。このピーク

いてはリガンド環境と酸化状態の異なる 4 つの Mn が存は Mn3d の t2g と eg 軌道間の結晶場分裂によって説明さ在するためである。

れる。より酸化状態の高い Mn においては，主に 2 つのMn モデル化合物および PSII S1 ， S2 状態の RIXS スペ

ブロードなビークが観察されるが（6540, 6543 eV），これ

クトルの 1 次モーメントエネルギーを Fig. 13 に示す。入らは（3d, 3d）多重項相互作用（電子―電子間の相互作用）

射 光 エ ネ ル ギ ー 軸 ， energy transfer 軸 そ れ ぞ れ の 1 次による。酸化物よりも配位化合物の方が（3d, 3d）相互作モーメント変化は Kb 発光スペクトル解析と同様に式(3 )用が小さい分，これら 2 つのピークの分離幅も狭くなるを用いて求めた。一連の Mn 酸化物の場合，入射光エネ傾向を示す。

ルギーにそった 1 次モーメントの値は Mn の酸化状態の

PSII の S1 と S2 の RIXS ス ペ ク ト ル に お い て は ， Mn

変化とともに増加する。つまり，Mn3d 上の電荷密度の増(III ) と Mn(IV ) 化合物の特徴である 2 つのメインピーク

加を反映している。一方 energy transfer 方向の変化の解が観測される（ Fig. 12 ( a )）。比較のため S1 と S2 状態の釈は，終状態相互作用による影響を受けるためより複雑でCIE ， CET プロットを Mn 配位化合物のスペルトルととある。これは 2p, 3d 電子間相互作用，つまりパラレルな

もに Fig. 12 (b )に示す。 PSII の場合， 6541 eV 付近の低エ

スピン間の交換エネルギーに依存する。 Fig. 13 ( a )におい

放射光 March 2007 Vol.20 No.2 ● 113

Fig. 13

Fig. 12(a) Contour plots of the 1s2p3/2 RIXS planes for PSII S1and S2 states, and (b) line plots extracted from the RIXS
planes for the four coordination complexes and the S1 andS2 states of PS II. The line plots were obtained by integrating the spectral intensity along the incident energy (constantenergy transfer (CET) plot) or along the energy transfer
axis (constant incident energy (CIE) plot).

First moment positions in the 1s2p3/2 RIXS plane for (a)the Mn oxides and (b) the coordination complexes and PS
II S1 and S2 states. A linear ˆt for the Mn oxides is shown asa dotted line in both (a) and (b). Along the incident energy
axis the plot gives an ordering of the systems in terms of theeŠective number of 3d electrons. The ˆgure was adapted
from28).

(III)(acac)3 は Mn(IV)(sal)2(bipy) と Mn(III)(acac)3 の中間に位置する。このことは，1 次モーメント解析が Mnの有効電子数を反映することを証明している。ひいては，酸化数は非常に形式的なものであり，酸化状態変化を議論て，Mn 酸化物の 1 次モーメントシフトは形式的な酸化数するには有効 3d 電荷密度を知る必要があることを示して変化に伴い直線的に変化している。これは，有効 3d 電子

いる。

数が直接不対 3d 電子（スピン）数に対応することを意味する。

PSII の一次モーメントは Mn (IV ) と Mn(III ) 配位化合物の中間付近に位置し， EPR や XANES による結果から

一方，Mn 配位化合物の 1 次モーメントは一連の Mn 酸

もわかるように S1 および S2 状態が Mn (III)Mn (IV) の混

化物のものと比較してより低エネルギー側へシフトしてい

ざった酸化状態であることを証明している。S1 と S2 間のる。つまり， Mn 上の有効 3d 電荷密度は小さく， Mn 配酸化状態変化に伴うスペクトル変化は非常に小さい。これ位化合物はより強い共有結合性をもつことを示唆していは前述の通り，4 つあるうちの最大でも 1 つの Mn の酸化る。別の言い方をすると，酸化状態変化あたりの電荷密度状態変化を反映するためである。 S1 ， S2 間の 1 次モーメ

変化は酸化物において大きく，共有結合性の高い化合物でント変化は Mn(III)(acac)3，Mn (IV )(sal)2(bipy) 間の変小さくなる。さらに Fig. 13 ( b )に見られるように，同じ化の 1 / 7 1 / 8 程度， Mn ( III )( Cl-salp ) と Mn ( IV )( sal )2Mn(III) 配位化合物であっても 1 次モーメントの値は大き( bipy ) 間の変化と比較すると 1 / 3 程度である。一方で，く異なる。Mn(III)(Cl-salp) はより高エネルギー側にピー

Mn イオンあたりの変化に換算すると， S1 と S2 間の変化

クをもつが，これはこの化合物がカウンターイオン（non-は Mn(III)(acac)3，Mn (IV )(sal)2(bipy ) 間の変化にほぼ

coordinated ion）を 1 個もっているためと解釈できる28)。

等しい。

カウンターイオンをもつことによって形式的な酸化状態よ上記の結果から，我々は PSII の S1 から S2 への転移過りも実際には“より酸化した”状態であるといえる。それ

程で Mn4Ca クラスターから抽出される電子はかなり非局

ゆえ， Mn ( III )( Cl-salp ) 化合物の 1 次モーメントは Mn

在化しており，つまり Mn4Ca クラスターは強い共有結合

114 ● 放射光 March 2007 Vol.20 No.2

トピックス ■ X 線吸収，発光および共鳴非弾性散乱による光合成酸素発生錯体（Mn4Ca）の電子状態に関する研究

参考文献

性をもった電子構造をとると結論づけた。現在 S0 およびS3 状 態 の RIXS 測 定 が 進 行 中 で あ る 。 し か し 残 念 な が

1)

ら，現時点で Mn4Ca クラスターのような多核で，しかも構造のはっきりと定まっていない化合物の RIXS スペクトルの詳細を理論的に議論することは困難である。今後，さらに様々な Mn モデル化合物の結果に基づいた解析が必要不可欠である。

2)
3)
4)

6. まとめと今後の展望

5)

本稿に述べたように，我々は様々な X 線分光法を用いて Mn4Ca クラスターの酸化状態変化に関する研究を行っている。ここでふれた 3 つの分光法， XANES ， Kb 発光
スペクトルの結果，そして 1s2p RIXS の予備実験においても， S2 ， S3 間の酸化状態変化の特異性を示す結果が得

6)
7)
8)
9)

られている。つまり， S0 → S1 ， S1 → S2 においては Mn3d
軌道上の電荷密度変化を伴う酸化状態変化が起きるのに対10)

して， S2→ S3 間の変化 は明確ではない。これが Mn を中心とした酸化状態変化でないとすると，考えられるのはリガンドの酸化である。しかし酸化数に関する議論はあくま

11)
12)

でも形式的なもので，電子が大きく非局在化しているクラスターの場合，実際 1 つの電子を 1 つの原子に帰属する

13)

ことは妥当ではない。金属タンパク質の触媒中心のような

14)

アミノ酸側鎖もふまえたリガンド環境が，無機化合物だけでは得られない複雑でしかも安定な触媒機能を造りだしているといえる。

15)
16)

PSII のよ り 詳細 な 電子 構 造 に関 し ては ， 単 結晶 EXAFS から提案されているクラスター構造をもとに今後理論解析を行う予定である。さらに， 1s3p RIXS 測定を行うこと によ って， 先に 述べた Kb emission spectroscopy

17)
18)

でみられるような 3d 3p 相互作用により敏感な，つまりスピン状態をより反映した情報が得られることが期待され
る。

19)
20)

謝辞
本研究は DOE (Director, O‹ce of Science, O‹ce ofBasic Energy Sciences, Contract: DEAC0205CH11231),
NIH (National Institute of Health, GM 55302) によって支21)

援されています。共同研究者である Drs. John Robblee,

Johannes Messinger, Uwe Bergmann, Pieter Glatzel, Henk
Visser,CarmenFernandez,

ShellyPizarro,22)

ElodieAnxolabehere-Mallart, Wen Liang, Theo Roelofs, Yulia

23)

Pushkar, Stephen Cramer, Kenneth Sauer に感謝いたします。放射光施設は Stanford Synchrotron Radiation Labora-

24)

tory (SSRL), Advanced Photon Source (APS），およびAdvanced Light Source (ALS) の共同利用実験課題として行われました。

25)

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26)
27)

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29)● 著者紹介 ●矢野淳子

Vittal K. Yachandra

Lawrence Berkeley National Laboratory, Scientist
E-mail: JYano＠lbl.gov
専門放射線科学，振動分光，生物物理
化学［略歴］
1993 年広島大学生物圏科学研究科博士課程前期修了， 1993 年より広島大学生
物生産学部助手， 1999 年大阪大学理学
部高分子学科論文博士（理学)， 2001 年
Lawrence Berkeley National Laboratory
研究員をへて2004年より現職。

Lawrence Berkeley National Laboratory, Senior Scientist
E-mail: VKYachandra＠lbl.gov
専門放射線科学，振動分光，生物物理
化学［略歴］
1977年 Chicago 大学（M. S. in Chemistry ) , 1982 年 Princeton 大学（ Ph.D. in
Chemistry ) ， 1982 年 よ り Lawrence
Berkeley National Laboratory。

Oxidation State Changes of the Mn4Ca Cluster in
Photosystem II Studied by X-ray Absorption,
Emission, and Resonant Inelastic X-ray
Scattering Methods
Junko YANO
Vittal K. YACHANDRA

Physical Biosciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory,
Berkeley, CA 94720, USA
Physical Biosciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory,
Berkeley, CA 94720, USA

Abstract A detailed electronic structure of the Mn4Ca cluster is required before two key questions for understanding the mechanism of photosynthetic water oxidation can be addressed. They are whether all four oxidizing equivalents necessary to oxidize water to O2 accumulate on the four Mn ions of the OEC, or do someligand-centered oxidations take place before the formation and release of O2 during the S3→[S4]→S0 transition, and what are the oxidation state assignments for the Mn during S-state advancement. X-ray absorption
and emission spectroscopy of Mn, including the newly introduced resonant inelastic X-ray scattering spectroscopy have been used to address these questions. The present state of understanding of the electronic
structure and oxidation states of the Mn4Ca cluster, in all the S-states, derived from these techniques is
described here.

116 ● 放射光 March 2007 Vol.20 No.2