光合成の仕組みーPSIIで起こる水の分解

"Mechanism of Tyrosine D Oxidation in Photosystem II"
Keisuke Saito, A. William Rutherford, and Hiroshi Ishikita,

PNAS, vol. 110, No. 19, 7690?7695 (2013).

高等植物や藻類は葉緑体にある膜タンパク質PSIIの内部において、太陽光を利用して水を酸素と水素イオンに分解している。その分子機構が未だに不明である。これをとく鍵はPSIIの中にあって光合成を助ける触媒として働く「Mnクラスター」だと考えられてきた。Mnクラスターの分子構造は長年世界中で研究されてきたが、2011年に岡山大学と大阪市立大学の研究グループが解明。これにより、光合成の水分解反応を分子構造に基づいて研究することがようやくできるようになった（Myブログ　06・18・2013　”いま、Mnクラスターが熱い！”参照）。解明されたMnクラスター周辺の分子構造を見ると、水分子が多数存在していることがわかる。これらの水分子の内、水分解反応に使われる水分子(基質)がどれかを知ることこそが、反応機構を分子レベルで理解するための第1歩である。基質水分子を特定できれば、複数の原子からなるMnクラスターのどの部位で触媒反応が起こるのかがわかり、ひいては反応機構の特定につながる。しかし、分子構造を見ただけでは、どれが基質水分子かはわからないことが問題なのである。

水の分解は

2H₂O(水分子×2)→O₂(酸素分子)+4H⁺(プロトン×4)+4e^-(電子×4)

式で表され、反応に伴って酸素と共にプロトンが生成される。このプロトンはタンパク質内部のMnクラスター付近で生成された後、タンパク質外部へ移動して排出されるという流れである。もしプロトンの移動経路を特定することができれば、その道筋を逆にたどることで、必ず基質水分子に行き着くことができるのである。よって、水分解機構を明らかにするために達成すべき目標は、プロトンがタンパク質内のどの部位を通って排出されるのか、その経路を特定することである。

図1　PSIIの中心部の模式図とその分子進化。青矢印：プロトンの移動、赤矢印：電子の移動、TyrD:アミノ酸残基TyrD.

PSIIの中心部はD1・D2サブユニットという2つの部品からなる(図1)。D1とD2はどちらもよく似た形をしているが、そっくり同じというわけではない。D1はMnクラスターを持つが、D2は持たないという違いがある。これは、タンパク質の分子進化の過程において、D2も本来はMnクラスターを持っていたと思われ、現在はそれが消失してしまったのだと予想される(図1)。水分解後のプロトン排出はD1におけるMnクラスターの近傍で起こる。しかし、D1のこの領域にはプロトン移動経路の候補となる水分子が多く存在するため、一見しただけでは経路を特定することが不可能である。しかし、D2における対応する領域では水分子が少ないため、プロトン移動経路の解析を行うことが容易であるため、研究グループはD2のこの領域に着目し、プロトン移動のエネルギーを量子化学計算によって解析された。

図2　PSIIの中心部の模式図とその分子進化。青矢印：プロトンの移動、赤矢印：電子の移動、TyrD:アミノ酸残基TyrD。

その結果、図2bの通り、唯一のプロトン移動経路が存在することが見出された。この経路は、D2に存在する、アミノ酸残基からプロトンが放出される時に使用されるもので、複数の水分子とアミノ酸残基が水素結合で強固に結ばれて作られていることも判明した。そして、これらの水分子とアミノ酸残基の上を、プロトンはまるでドミノ倒しのように次々に移動していくこともわかった(図2c)。今回の発見は、D2がかつてD1と同じように行っていた水分解反応の痕跡の可能性がある。重要な要素は進化の過程を経ても失われずに残ることが多いことから、もしそうならば、これと同様なプロトン移動経路がD1にも存在しているはずと推測し、D1において対応する場所を調べたところ、水分子とアミノ酸残基からなる経路の発見に至った(図2a)。D1におけるこの経路が、実際に水分解反応で使われているプロトン移動経路であると考えられる。水分解に伴って排出されるプロトンの移動経路が明らかになったことから、水分解反応がMnクラスターのどこで起こっているのかを特定し易くなったという。これにより今後、水分子の化学結合が開裂する仕組みの解明など、より踏み込んだ反応機構の解明に向けた研究が加速することが考えられる。

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ちょっといっぷく47 再びイクオリンの登場と新しい発光蛋白

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 図1　イクオリンはアポイクオリン（白+黄色）、セレンテラジン（Space  filling）、および酸素（パーオキシド）からなる複合体である。パーオキシド生成が見えるがCaイオンはEFハンドに配位していない。EFハンドにCaイオンが配位すると炭酸ガスが外れて光る。最近になって、ようやくそのメカニズムの詳細が判ってきた。 

イクオリンが発見されてから50年が経つ。今でも営々として研究が続けられている。イクオリンがCa2+と特異的に結合すると青色 (λmax=465nm)の瞬間発光を示し、セレンテラミドと二酸化炭素を生成する。そのさいにGFPが傍にあると緑色に輝く。おわんくらげの発光機構はこれに相当する。イクオリンは微量Ca2+の検出や細胞内カルシウムのイメージングに用いられる。

最近、コントロールが容易な色素としてオベリン（図2）が脚光を浴びている。蛋白の形状はイクオリンと変わらないが、発光特性が異なる.

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図2　オベリン（Obelin ）の結晶構造図（PDBID:1QV1、解像度：1.1A）。2個のCa2+イオン（黒色）がEFハンドに配位している。炭酸ガスも酸素原子2個はまだ基質にある。従って、まだ、この段階ではまだ光らない。3個配位してやっと光る（基質上部にあるグリセロールおよび藍色球形のKイオンはここの議論と関係なし）。

「文献」

 

"Bioluminescent and spectroscopic properties of His-Trp-Tyr triad mutants of obelin and aequorin."

Photochem Photobiol Sci. 2013 Jun 21;12(6):1016-24.

Eremeeva EV, Markova SV, Frank LA, Visser AJ, van Berkel WJ, Vysotski ES.

Abstract:

Ca(2+)-regulated photoproteins are responsible for the bioluminescence of a
variety of marine organisms, mostly coelenterates. The photoproteins consist of　a single polypeptide chain to which an imidazopyrazinone derivative
(2-hydroperoxycoelenterazine) is tightly bound. According to photoprotein spatial structures the side chains of His175, Trp179, and Tyr190 in obelin and His169, Trp173, Tyr184 in aequorin are at distances that allow hydrogen bonding with the peroxide and carbonyl groups of the 2-hydroperoxycoelenterazine ligand. We replaced these amino acids in both photoproteins by residues with different hydrogen bond donor-acceptor capacity. All mutants exhibited luciferase-like bioluminescence activity, hardly present in the wild-type photoproteins, and showed low or no photoprotein activity, except for aeqH169Q (24% of wild-type activity), obeW179Y (23%), obeW179F (67%), obeY190F (14%), and aeqY184F (22%). The results clearly support the supposition made from photoprotein spatial structures that the hydrogen bond network formed by His-Trp-Tyr triad participates in stabilizing the 2-hydroperoxy adduct of coelenterazine. These residues are also essential for the positioning of the2-hydroperoxycoelenterazine intermediate, light emitting reaction, and for the formation of active photoprotein. In addition, we demonstrate that although the positions of His-Trp-Tyr residues in aequorin and obelin spatial structures are almost identical the substitution effects might be noticeably different.