光化学系II
シアノバクテリア光化学系II、二量体、PDB 2AXT

光化学系II（または水-プラストキノン酸化還元酵素）は、酸素発生型光合成における光依存反応の最初のタンパク質複合体です。植物、藻類、シアノバクテリアのチラコイド膜に存在します。光化学系内では、酵素が光子を捕らえて電子をエネルギー化し、この電子は様々な補酵素や補因子を介してプラストキノンをプラストキノールに還元します。エネルギー化された電子は酸化水と置換され、水素イオンと分子状酸素を生成します。

光合成系IIは、失われた電子を水の分解で得た電子で補充することで、すべての酸素発生型[ 1 ]光合成に必要な電子を供給する。水の酸化によって生成された水素イオン（プロトン）は、ATP合成酵素がATPを生成するために用いるプロトン勾配を形成するのに役立つ。プラストキノンに転移したエネルギーを与えられた電子は、最終的にNADPを還元するために用いられる。+NADPHへの電子伝達に利用されるか、非循環的な電子伝達に利用される。[ 2 ] DCMUは、実験室では光合成を阻害するためによく用いられる化学物質である。DCMUが存在すると、光合成系IIからプラストキノンへの電子伝達が阻害される。

複合体の構造

シアノバクテリアの光合成系 II、モノマー、PDB 2AXT。
電子伝達を強調した PSII の概略図。

PSIIの核は、相同タンパク質D1とD2からなる擬似対称ヘテロ二量体から構成されています。[ 3 ]他のすべての光合成系の反応中心では、光誘起電荷分離が起こるクロロフィル二量体の正電荷が2つのモノマーに均等に分配されますが、PSIIの反応中心では、電荷は主に1つのクロロフィル中心に集中しています（70〜80%）。[ 4 ]このため、P680 +は酸化力が強く、水の分解に関与することができます。[ 3 ]

光合成系II（シアノバクテリアおよび緑色植物）は、約20のサブユニット（生物によって異なる）とその他の補助的な集光タンパク質から構成されています。各光合成系IIは、少なくとも99の補因子を含みます。クロロフィルaが35、ベータカロテンが12 、フェオフィチンが2、プラストキノンが2、ヘムが2 、重炭酸塩が1、脂質が20、マンガンが1です。4酸化カルシウム5クラスター（2つの塩化物イオンを含む）、1つの非ヘム鉄2歳以上および2つの推定Ca2歳以上単量体あたりイオン。[ 5 ]光化学系II にはいくつかの結晶構造がある。[ 6 ]このタンパク質のPDBアクセッションコードは3WU2、3BZ1、3BZ2（3BZ1と3BZ2は光化学系II二量体の単量体構造）、[ 5 ] 2AXT、1S5L、1W5C、1ILX、1FE1、1IZLである。

タンパク質サブユニット（機能が既知のもののみ）
サブユニット家族関数
D1（PsbA） 光合成反応中心タンパク質ファミリー反応中心タンパク質、クロロフィルP680、フェオフィチン、ベータカロチン、キノン、マンガン中心に結合する
D2（PsbD） 反応中心タンパク質
CP43（PsbC） 光化学系II集光タンパク質マンガン中心に結合する
CP47（PsbB）
お マンガン安定化タンパク質（InterPro：  IPR002628） マンガン安定化タンパク質
慣例により、遺伝子名はPsb + サブユニット文字で構成されます。例えば、サブユニットOはPsbOです。例外はD1（PsbA）とD2（PsbD）です。
補酵素/補因子
補因子関数
クロロフィル光エネルギーを吸収し、化学エネルギーに変換する
ベータカロチン過剰な光励起エネルギーを消光する
ヘムB 559 二次/保護電子キャリアとして シトクロムb559 （PsbE-PsbF）に結合する
フェオフィチン一次電子受容体
プラストキノン移動性チラコイド膜内電子伝達体
マンガンセンター酸素発生中心（OEC）としても知られる
光化学系II
識別子
EC番号1.10.3.9
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酸素発生複合体（OEC）

マンガンセンターの提案構造

酸素発生複合体は水の酸化反応の場である。これは、4つのマンガンイオン（酸化状態は+3から+4）[ 7 ]と1つの二価カルシウムイオンからなる金属酸化物クラスターである。この複合体が水を酸化して酸素ガスとプロトンを生成すると、水から4つの電子がチロシン（D1-Y161）側鎖へ、そしてP680自身へと順次渡される。この複合体は、OEE1（PsbO）、OEE2（PsbP）、OEE3（PsbQ）という3つのタンパク質サブユニットから構成され、4つ目のPsbRペプチドが近くに結合している。

酸素発生複合体の最初の構造モデルは、2001年に凍結タンパク質結晶からのX線結晶構造解析によって3.8Åの分解能で解読されました。 [ 8 ]その後数年間で、モデルの分解能は徐々に2.9Åまで向上しました。 [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]これらの構造を得ること自体は大きな功績でしたが、酸素発生複合体の完全な詳細を示すものではありませんでした。2011年にPSIIのOECは1.9Åのレベルまで解像され、5つの酸素原子がオキソ橋として機能し、5つの金属原子と4つの水分子がMn4酸化カルシウム5クラスター; 各光化学系IIモノマーには1,300を超える水分子が見つかり、そのいくつかは、プロトン、水、または酸素分子のチャネルとして機能している可能性のある広範な水素結合ネットワークを形成しています。[ 12 ]この段階では、使用された高強度X線によってマンガン原子が還元され、観察されたOEC構造が変化するという証拠があるため、X線結晶構造解析で得られた構造には偏りがあることが示唆されています。これにより、研究者は結晶を米国のSLACなどのX線自由電子レーザーと呼ばれる別のX線施設に持ち込みました。2011年に観察された構造は2014年に確認されました。[ 13 ]光化学系IIの構造を知るだけでは、それがどのように正確に機能するかを明らかにするのに十分ではありませんでした。そのため、現在、メカニズムサイクルのさまざまな段階での光化学系IIの構造を解明するための競争が始まっています（以下で説明）。現在、S1状態とS3状態の構造が2つの異なるグループからほぼ同時に発表されており、Mn1とMn4の間にO6と呼ばれる酸素分子が追加されていることが示されており、[ 14 ] [ 15 ]これは、酸素発生複合体上で酸素が生成される場所である可能性があることを示唆しています。

水分解

水分解プロセス：電子輸送と制御。第1レベル（A）はS状態循環のKokモデルを示し、第2レベル（B）は電子輸送（S状態の進行）と中間S状態（[YzSn]、n=0,1,2,3）形成の緩和過程との関連を示す。

光合成による水分解（または酸素発生）は、地球上で最も重要な反応の一つであり、大気中のほぼすべての酸素の源となっています。さらに、人工的な光合成による水分解は、太陽光を代替エネルギー源として有効活用することに貢献する可能性があります。

水の酸化のメカニズムはかなり詳細に解明されている。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]水から分子状酸素への酸化には、2分子の水から4つの電子と4つの陽子を抽出する必要がある。1つのPSII内の酸素発生複合体（OEC）の循環反応によって酸素が放出されるという実験的証拠は、ピエール・ジョリオらによって示された。[ 19 ]彼らは、暗順応した光合成材料（高​​等植物、藻類、シアノバクテリア）が一連の単一ターンオーバーフラッシュに曝露されると、3番目と7番目のフラッシュで最大、1番目と5番目のフラッシュで最小となる典型的な周期4の減衰振動で酸素の発生が検出されることを示した（レビューについては[ 20 ]を参照）。この実験に基づいて、ベッセル・コックと同僚ら[ 21 ] は、いわゆるS 状態の 5 つのフラッシュ誘導遷移のサイクルを導入し、OEC の 4 つの酸化還元状態を説明しました。4 つの酸化当量が（S 4状態で）蓄えられると、OEC は基本の S 0状態に戻ります。光がない場合、OEC は S 1状態に「緩和」します。S 1状態はしばしば「暗安定」であると説明されます。S 1状態は主に、酸化状態が Mn 3+、Mn 3+、Mn 4+、Mn 4+であるマンガンイオンで構成されていると考えられています。[ 22 ]最後に、中間 S 状態[ 23 ]は、 S 状態とチロシン Z の間の制御メカニズムおよびリンクとして、ジャブロンスキーとラザールによって提案されました。

2012年にレンガーは、水分解中に水分子が様々なS状態の典型的な酸化物に内部変化するという考えを表現した。[ 24 ]

阻害剤

PSII阻害剤は除草剤として用いられる。主な化合物群は2つあり、塩化シアヌル酸由来のトリアジン[ 25 ]（アトラジンとシマジンが最も一般的に使用されている）と、クロルトルロンやジウロン（DCMU）を含むアリール尿素である[ 26 ] [ 27 ] 。

参照

参考文献

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