光システムIIにおける水酸化中のプロトン放出のメカニズム

2024-12-28 Sat
光化学系IIにおける水酸化過程でのプロトン放出メカニズムの研究学術的背景光化学系II（Photosystem II, PSII）は自然界で唯一水分解を触媒する酵素であり、その反応は酸素を放出するだけでなく、生物質の合成に必要な電子を提供します。水分解反応で放出されたプロトンはチラコイド腔に入り、プロトン動力（proton-motive force, PMF）を形成し、ATPの合成を駆動します。近年、PSIIの構造と機能に関する研究が大きく進展していますが、水酸化反応の重要なステップ、特に脱プロトン化プロセスのメカニズムについてはまだ議論が続いています。本研究では、量子/古典（QM/MM）自由エネルギー計算と原子分子動力学（MD）シミュレーションを組み合わせ、PSIIにおける酸素発生マンガン-カルシウムクラスター（Mn4O5Ca）が保存されたカルボキシレートと水分子のアレイを通じてプロトンをチラコイド腔に伝達する方法を明らかにし、局所的なプロトン貯蔵部位と分子ゲートメカニズムを特定し、プロトンの逆流を防ぐ仕組みを解明しました。
論文の出所本論文は、Friederike Allgöwer、Maximilian C. Pöverlein、A. William Rutherford、およびVille R. I. Kailaによって共同執筆され、それぞれストックホルム大学生化学・生物物理学部とロンドン帝国理工学部生命科学科に所属しています。論文は2024年12月19日に『米国科学アカデミー紀要』（PNAS）に掲載され、タイトルは「Mechanism of Proton Release during Water Oxidation in Photosystem II」です。
研究の流れ1. 研究設計本研究は、多尺度シミュレーション手法を用いて、PSIIにおける水酸化過程でのプロトン放出メカニズムを解明することを目的としています。研究では、古典的な分子動力学（MD）シミュレーションと量子/古典（QM/MM）自由エネルギー計算を組み合わせ、PSIIのMn4O5Caクラスターのプロトン伝達経路を重点的に分析しました。
2. 分子動力学シミュレーション研究ではまず、マイクロ秒レベルのMDシミュレーションを行い、PSIIが脂質膜に埋め込まれ、水分子とイオン環境に置かれた状況をシミュレーションしました。シミュレーションシステムは約53.5万原子を含み、異なる酸化状態（S2、S3、S4）およびプロトン化状態（Asp61D1、Glu312D2、Glu65D1、Glu310D2、Asp224PsbO）でのPSII構造をシミュレーションしました。各シミュレーションは200ナノ秒続き、合計約10マイクロ秒に及びました。
3. 量子/古典シミュレーションMDシミュレーションに基づき、研究ではQM/MM自由エネルギー計算とab initio分子動力学（QM/MM-MD）シミュレーションを行いました。QM/MMモデルは約1.65万の古典原子と258から276の量子原子を含み、PSIIのCL1チャネルのプロトン伝達経路をシミュレーションしました。QM領域にはプロトン受容体（Asp61D1、Glu312D2、Glu65D1、Glu310D2、Asp224PsbO）およびその配位残基が含まれています。
4. 自由エネルギー計算研究では、アンブレラサンプリング（umbrella sampling）法を用いて、プロトン伝達経路の自由エネルギープロファイルを計算しました。反応座標は、プロトン伝達経路における全ての結合形成/切断距離の線形結合として定義されました。重み付きヒストグラム分析法（WHAM）を用いて自由エネルギープロファイルを計算しました。
主な結果1. プロトン伝達経路研究では、PSIIのCL1チャネルがカルボキシレート鎖（Asp61D1、Glu312D2、Glu65D1、Glu310D2/Asp224PsbO）を介した水媒介のプロトン放出をサポートしていることを明らかにしました。酸化状態のTyr161D1（YZ）の酸化は、プロトン伝達反応の動力学的障壁を低下させ、電場効果がプロトン伝達を駆動しました。
2. 分子ゲートメカニズムGlu65D1は局所的な分子ゲートとして識別され、プロトンのチラコイド腔への伝達を制御します。Glu65D1のプロトン化はその構造変化を引き起こし、側鎖がGlu310D2に向かって振れることで、チラコイド腔とのプロトン接続を確立します。この構造変化は、プロトンがチラコイド腔からMn4O5Caクラスターに逆流するのを防ぎます。
3. 電場効果研究では、YZ酸化によってトリガーされた電場がCL1チャネル内のプロトン伝達を強化することが明らかになりました。電場の強さは1から2 V Å⁻¹であり、YZ酸化により電場効果が約0.5 V Å⁻¹増強されました。電場効果は、イオンペアの構造変化を調節し、プロトン伝達の障壁を低下させます。
4. 自由エネルギープロファイルQM/MM自由エネルギー計算によると、Asp61D1からGlu310D2へのプロトン伝達の障壁は約6 kcal mol⁻¹であり、反応自由エネルギー変化（ΔG）は約3 kcal mol⁻¹です。YZ酸化後、プロトン伝達の有効な時間スケールはナノ秒からマイクロ秒レベルです。
結論本研究は、PSIIのCL1チャネルが光駆動水酸化過程で基質水分子の段階的な脱プロトン化を触媒する方法を明らかにしました。プロトン伝達は、酸化状態ゲートによって厳密に制御され、これらのゲートは水和転移とイオンペアの構造変化によって調節されます。Glu65D1ゲートはCL1チャネル内のプロトン伝達の障壁を調節し、プロトンの逆流を防ぎます。Glu312D2は局所的なプロトン貯蔵部位として機能する可能性があります。研究結果は、いくつかの生物エネルギー変換システムが電場効果、イオンペアの構造変化、および水和転移を利用してプロトン伝達反応を制御する可能性を示唆しています。
研究のハイライトプロトン伝達経路の解明：研究は初めてPSIIのCL1チャネルのプロトン伝達経路を詳細に記述し、カルボキシレート鎖が水媒介のプロトン伝達において重要な役割を果たすことを明らかにしました。
分子ゲートメカニズムの発見：Glu65D1は局所的な分子ゲートとして識別され、プロトンのチラコイド腔への伝達を制御し、プロトンの逆流を防ぎます。
電場効果の解明：研究は初めてシミュレーションを通じて、YZ酸化によってトリガーされた電場がプロトン伝達を強化する方法を明らかにし、生物エネルギー変換におけるプロトン伝達メカニズムの理解に新たな視点を提供しました。
多尺度シミュレーション手法の応用：研究は古典的なMDシミュレーションとQM/MM自由エネルギー計算を組み合わせ、複雑な生物システムにおけるプロトン伝達メカニズムの研究に新たな方法論的枠組みを提供しました。
研究の意義本研究は、PSIIの水酸化メカニズムの理解を深めるだけでなく、他の生物エネルギー変換システムにおけるプロトン伝達メカニズムの研究に重要な理論的基盤を提供します。研究で明らかにされた電場効果と分子ゲートメカニズムは、生物エネルギー変換システムの研究に広く応用される可能性があり、科学的および応用的な価値が高いです。