【研究重點】 針對光合作用中分解水並釋放氧氣的巨大蛋白質複合體「光化學系統II(PSII)」,研究團隊成功解析了將其外側結合的三種蛋白質暫時移除後,再重新結合的狀態下的立體結構,解析度高達2.0 Å。 研究發現,重新結合的三種外圍蛋白質(PsbO、PsbV、PsbU)已回到PSII主體的正確位置。 然而,在與氧氣釋放反應相關的碳酸氫根離子方向及水分子配置上,觀察到些微變化。 特別是,被認為是氧氣釋放反應中水分子通道的「O1通道」,其水分子排列及氫鍵網絡出現了紊亂。 本研究揭示,即使外圍蛋白質回到正確位置,若內部水分子和小分子的配置未能完全恢復原狀,也可能導致光合作用的氧氣釋放活性降低。 【研究概要】 靜岡大學農學部副教授長尾遼,與岡山大學學術研究院尖端研究領域(跨領域基礎化學研究所)的助教中島芳樹及沈建仁教授等人,利用X射線結晶結構分析(註3),決定了源自嗜熱藍綠菌Thermosynechococcus vulcanus的光化學系統II(PSII)(註1)的分子結構。該結構是將三種外圍蛋白質PsbO、PsbV、PsbU(註2)暫時移除後,再重新結合的狀態。 分析結果顯示,重新結合的PsbO、PsbV、PsbU均已結合至PSII主體的正確位置。儘管與氧氣釋放反應相關的金屬簇周圍的整體結構大致保持完整,但在碳酸氫根離子的方向及周圍水分子的相互作用上觀察到了變化。此外,在被認為是氧氣釋放反應所需的水分子通道O1通道中,確認到水分子配置及氫鍵網絡出現紊亂。這些結果表明,即使外圍蛋白質回到正確位置,PSII內部的分子配置若未能完全恢復,也可能導致氧氣釋放活性降低。 本研究成果已於2026年6月25日刊登於國際期刊「ACS Catalysis」。 【研究者評論】 靜岡大學 農學部 副教授 長尾 遼 PSII是分解水並釋放氧氣的蛋白質複合體,對地球上的生命極為重要。本研究從結構上證實,即使外圍蛋白質回到正確位置,內部的水分子和碳酸氫根離子的配置仍可能殘留微小的紊亂。 【研究背景】 產氧光合作用(註4)是植物、藻類和藍綠菌利用太陽光分解水並釋放氧氣的生命根本代謝過程。此反應的核心是PSII,它是一個包含葉綠素、類胡蘿蔔素、金屬簇等成分的巨大膜蛋白質複合體,透過分解水獲取電子和質子,從而維持地球的含氧環境。 PSII的氧氣釋放反應在由錳、鈣、氧組成的Mn4CaO5簇中進行。此金屬簇周圍精密地排列著水分子和胺基酸殘基,此外,PsbO、PsbV、PsbU等外圍蛋白質結合在PSII外部,維持著適合氧氣釋放反應的結構環境。 過去曾進行過將PSII中的外圍蛋白質暫時移除後再重新結合的重組實驗。重組後氧氣釋放活性雖有顯著恢復,但與天然型PSII相比仍未完全恢復,其原因尚不完全清楚。可能的解釋包括外圍蛋白質未能正確回到原位,或即使正確回到原位,氧氣釋放中心及其周圍的分子環境仍殘留細微變化。 此次透過X射線結晶結構分析,決定了重新結合PsbO、PsbV、PsbU的PSII的高解析度結構,證實了這些外圍蛋白質已回到PSII主體的正確位置。另一方面,觀察到碳酸氫根離子的方向、與周圍水分子的相互作用,以及O1通道中水分子配置和氫鍵網絡出現局部紊亂。 這表明,PSII氧氣釋放活性未能完全恢復的原因,並非蛋白質整體結構發生重大變化,而是內部水分子和小分子精密配置的紊亂有關。 【研究成果】 本研究闡明了重新結合外圍蛋白質PsbO、PsbV、PsbU的PSII的高解析度立體結構。主要成果如下(圖1): 決定重組PSII的高解析度結構 本研究決定了源自嗜熱藍綠菌Thermosynechococcus vulcanus的PSII,在暫時移除PsbO、PsbV、PsbU後再重新結合狀態下的立體結構,解析度為2.0 Å。這為原子級別比較重組後PSII的基礎奠定了基礎。 確認外圍蛋白質正確地重新結合到正確位置 分析結果顯示,重新結合的PsbO、PsbV、PsbU均已結合至PSII主體的原始位置。此外,PSII的整體結構與天然型PSII非常相似,表明外圍蛋白質的重組並未導致PSII整體結構的嚴重破壞。 氧氣釋放中心整體結構大致保持,但檢測到局部變化 氧氣釋放反應中心Mn4CaO5簇的整體結構在重組PSII中大致保持。然而,觀察到Mn2–O2鍵長略有縮短等局部結構變化。這些變化被解釋為氧氣釋放中心的微細環境變化,而非重大的結構破壞。 發現碳酸氫根離子周圍的結構變化 在重組PSII中,與電子傳遞相關的碳酸氫根離子的方向發生了變化。此外,與D1-Y246和D1-E244等周圍胺基酸、水分子之間的相互作用也發生了變化。這些變化可能影響PSII內部電子傳遞的環境,並參與氧氣釋放活性的降低。 確認O1通道中的水分子網絡紊亂 在被認為是氧氣釋放反應所需的水分子通道之一的O1通道中,天然型PSII中觀