植物や藻類による光合成では、光化学系II蛋白質（Photosystem II, PSII）が光エネルギーを使って水を分解して炭素固定に必要な電子を取り出し、その副産物として動物の呼吸に必要な酸素ガスを放出している。PSIIは20個のサブユニット蛋白質と色素分子や金属イオンなどで構成される分子量35万の複合体蛋白質が、二量体としてチラコイド膜中に存在している。PSIIの活性中心には4個のMn原子と1個のCa原子及び５個のO原子から構成されるMn4CaO5クラスター（Mnクラスター）が存在しており、安定な S1 状態から反応中間状態となるS2、S3、S4、S0の５段階の反応サイクル（S状態サイクル）によって水分解反応が行われている[1]。PSIIの結晶構造は、2001年にZouniらによって初めてPSIIの構造が3.8Å分解能で解析された[2]。2011年には好熱性シアノバクテリア Thermosynechococcus vulcanus 由来のPSIIが1.9Å分解能で解析され、初めてMnクラスターの分子構造が５つの酸素原子で結ばれた歪んだ椅子の形であると報告された[3]。PSIIの原子レベル分解能の立体構造が明らかになったことで、PSIIにおける光合成反応の様々な現象を構造化学的に研究できるようになった。
一般的に蛋白質には反応がもっとも効率よく働く至適pHがあり、PSIIの場合はpH6付近が最も水分解活性が高いとされている[4]。先行研究から、酸性・塩基性条件下で水分解活性が低下するのは、次段階のS2状態から先に進行できないためと考える報告が、電子スピン共鳴(EPR)による研究[5]と赤外振動分光(FT-IR)による研究[6]によって示されている。これらの報告では、S2状態以降の水分解で発生するプロトンの排出が阻害されるためと考えられているが、PSII内部における変化の詳細は分かっていない。PSIIは光化学反応で失った電子を水分解反応で補充し続けるため、発生するプロトンを外部に放出する必要がある。水分解反応中心のMnクラスターは複数のサブユニット蛋白質で囲まれたPSII内部深くに結合しているため、産物のプロトンを効率良く排出するためには水分子を介した拡散の経路だけでなく、アミノ酸残基を使った構造化学的なメカニズムがあると考えられる。本研究では、pH環境によって水分解に伴うプロトン排出が抑制されることを示した先行研究に着想を得て、様々なpH環境における結晶構造を解析することで、プロトン排出に必須の構造化学な特徴を立体構造の変化から特定することを目指した。これまでの結晶化条件のスクリーニング実験から、PSIIはpH4からpH9の緩衝液を含む溶液から結晶が析出しており、広いpH範囲で変性すること無く安定に立体構造が保たれていることが確認されていたため、本研究が実現できると考えた。

カテゴリ: 生物学
質問: PSIIとは何ですか。
回答: PSIIとは、光化学系II蛋白質です。

カテゴリ: 生物学
質問: PSIIの活性中心に存在するMnクラスターは、どんな原子で構成されていますか。
回答: Mnクラスターは4個のMn原子と1個のCa原子及び5個のO原子から構成されています。

カテゴリ: 生物学
質問: 光合成の際、PSIIは何を使って水を分解しますか。
回答: PSIIは、光合成の際に光エネルギーを使って水を分解します。

カテゴリ: 生物学
質問: PSIIの水分解活性が最も高くなるのは、pHがいくつのときですか。
回答: PSIIの水分解活性が最も高くなるのは、pH6付近のときだとされています。

カテゴリ: 生物学
質問: PSIIの活性中心では、何段階の反応サイクルによって水分解反応が行われますか。
回答: PSIIの活性中心では、5段階の反応サイクルによって水分解反応が行われます。