「光化学系II」の版間の差分

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{{main|[[酸素発生複合体]]}}

酸素発生複合体は、水の酸化が起こる部位である。これは4つのマンガンイオン（酸化状態は+2～+4）<ref name=":0">{{cite journal | vauthors = Kuntzleman T, Yocum CF | title = Reduction-induced inhibition and Mn(II) release from the photosystem II oxygen-evolving complex by hydroquinone or NH2OH are consistent with a Mn(III)/Mn(III)/Mn(IV)/Mn(IV) oxidation state for the dark-adapted enzyme | journal = Biochemistry | volume = 44 | issue = 6 | pages = 2129–42 | date = February 2005 | pmid = 15697239 | doi = 10.1021/bi048460i }}</ref>と1つの2価カルシウムイオンから構成されるメタロオキソクラスターである。これが水を酸化して酸素ガスとプロトンを生成すると、4つの電子が水からチロシン(D1-Y161)側鎖に順に送られ、次にP680自体に送られる。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の[[X線結晶構造解析]]により3.8 [[オングストローム|Å]]の分解能で解かれた<ref>{{cite journal | vauthors = Zouni A, Witt HT, Kern J, Fromme P, Krauss N, Saenger W, Orth P | title = Crystal structure of photosystem II from Synechococcus elongatus at 3.8 A resolution | language = En | journal = Nature | volume = 409 | issue = 6821 | pages = 739–43 | date = February 2001 | pmid = 11217865 | doi = 10.1038/35055589 }}</ref>。数年かけてモデルの分解能は2.9 [[オングストローム|Å]]にまで徐々に改善されていった<ref>{{cite journal | vauthors = Kamiya N, Shen JR | title = Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II from Thermosynechococcus vulcanus at 3.7-A resolution | journal = Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America | volume = 100 | issue = 1 | pages = 98–103 | date = January 2003 | pmid = 12518057 | pmc = 140893 | doi = 10.1073/pnas.0135651100 | bibcode = 2003PNAS..100...98K }}</ref><ref>{{cite journal | vauthors = Ferreira KN, Iverson TM, Maghlaoui K, Barber J, Iwata S | title = Architecture of the photosynthetic oxygen-evolving center | journal = Science | volume = 303 | issue = 5665 | pages = 1831–8 | date = March 2004 | pmid = 14764885 | doi = 10.1126/science.1093087 | bibcode = 2004Sci...303.1831F | url = https://semanticscholar.org/paper/2bb29b7d2b80c9be4ef3ee3bb82cc52b624b80da }}</ref><ref>{{cite journal | vauthors = Guskov A, Kern J, Gabdulkhakov A, Broser M, Zouni A, Saenger W | title = Cyanobacterial photosystem II at 2.9-A resolution and the role of quinones, lipids, channels and chloride | language = En | journal = Nature Structural & Molecular Biology | volume = 16 | issue = 3 | pages = 334–42 | date = March 2009 | pmid = 19219048 | doi = 10.1038/nsmb.1559 }}</ref>。これらの構造を得ること自体は偉業であったが、酸素発生複合体の完全な詳細を示してはいなかった。2011年、PSIIのOECは1.9 Åの分解能で解かれ、5つの酸素原子が5つの金属原子とMn₄CaO₅クラスターに結合した4つの水分子を結ぶオキソブリッジとして機能していることが明らかになった。各光化学系II単量体には1,300を超える水分子が見つかり、その一部はプロトン、水、酸素分子のチャネルとして機能する広範な水素結合ネットワークを形成していた<ref name="pmid21499260">{{cite journal | vauthors = Umena Y, Kawakami K, Shen JR, Kamiya N | title = Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of 1.9 Å | journal = Nature | volume = 473 | issue = 7345 | pages = 55–60 | date = May 2011 | pmid = 21499260 | doi = 10.1038/nature09913 | bibcode = 2011Natur.473...55U | url = http://ousar.lib.okayama-u.ac.jp/files/public/4/47455/20160528084139320094/Nature_473_55–60.pdf }}</ref>。この段階では、[[X線結晶構造解析]]に利用される高強度の[[X線]]によってマンガン原子が還元され、観測されるOECの構造が変化するという証拠があるため、得られた構造には偏りがあることが示唆されていた。そのため、研究者たちは結晶をX線[[自由電子レーザー]]と呼ばれる異なるX線施設（米国の[[SLAC国立加速器研究所|SLAC]]など）に持ち込んだ。2014年に、2011年に観測された構造が確認された<ref>{{cite journal | vauthors = Suga M, Akita F, Hirata K, Ueno G, Murakami H, Nakajima Y, Shimizu T, Yamashita K, Yamamoto M, Ago H, Shen JR | title = Native structure of photosystem II at 1.95 Å resolution viewed by femtosecond X-ray pulses | language = En | journal = Nature | volume = 517 | issue = 7532 | pages = 99–103 | date = January 2015 | pmid = 25470056 | doi = 10.1038/nature13991 | bibcode = 2015Natur.517...99S | url = http://ousar.lib.okayama-u.ac.jp/53637 }}</ref>。光化学系IIの構造を知ることは、これがどのように機能するかを正確に明らかにするには不十分であった。そのため機械的サイクルにおける様々な段階の光化学系IIの構造が解かれ始めている（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期に発表されており、これらの構造ではMn1とMn4の間にO6と命名された酸素分子が付加されていることが示されている<ref>{{cite journal | vauthors = Young ID, Ibrahim M, Chatterjee R, Gul S, Fuller F, Koroidov S, Brewster AS, Tran R, Alonso-Mori R, Kroll T, Michels-Clark T, Laksmono H, Sierra RG, Stan CA, Hussein R, Zhang M, Douthit L, Kubin M, de Lichtenberg C, Long Vo P, Nilsson H, Cheah MH, Shevela D, Saracini C, Bean MA, Seuffert I, Sokaras D, Weng TC, Pastor E, Weninger C, Fransson T, Lassalle L, Bräuer P, Aller P, Docker PT, Andi B, Orville AM, Glownia JM, Nelson S, Sikorski M, Zhu D, Hunter MS, Lane TJ, Aquila A, Koglin JE, Robinson J, Liang M, Boutet S, Lyubimov AY, Uervirojnangkoorn M, Moriarty NW, Liebschner D, Afonine PV, Waterman DG, Evans G, Wernet P, Dobbek H, Weis WI, Brunger AT, Zwart PH, Adams PD, Zouni A, Messinger J, Bergmann U, Sauter NK, Kern J, Yachandra VK, Yano J | display-authors = 6 | title = Structure of photosystem II and substrate binding at room temperature | language = En | journal = Nature | volume = 540 | issue = 7633 | pages = 453–457 | date = December 2016 | pmid = 27871088 | pmc = 5201176 | doi = 10.1038/nature20161 | bibcode = 2016Natur.540..453Y }}</ref><ref>{{cite journal | vauthors = Suga M, Akita F, Sugahara M, Kubo M, Nakajima Y, Nakane T, Yamashita K, Umena Y, Nakabayashi M, Yamane T, Nakano T, Suzuki M, Masuda T, Inoue S, Kimura T, Nomura T, Yonekura S, Yu LJ, Sakamoto T, Motomura T, Chen JH, Kato Y, Noguchi T, Tono K, Joti Y, Kameshima T, Hatsui T, Nango E, Tanaka R, Naitow H, Matsuura Y, Yamashita A, Yamamoto M, Nureki O, Yabashi M, Ishikawa T, Iwata S, Shen JR | display-authors = 6 | title = Light-induced structural changes and the site of O=O bond formation in PSII caught by XFEL | language = En | journal = Nature | volume = 543 | issue = 7643 | pages = 131–135 | date = March 2017 | pmid = 28219079 | doi = 10.1038/nature21400 | bibcode = 2017Natur.543..131S | url = http://ousar.lib.okayama-u.ac.jp/55218 }}</ref>。このことは、O6が酸素発生複合体上で酸素が生成される部位であるかもしれないことを示唆している。

岡山大などの研究チームは日本のＸ線自由電子レーザー施設「ＳＡＣＬＡ」を用いて，水が酸化されて酸素が発生する反応メカニズムの動的な観察に成功した<ref>[https://www.yomiuri.co.jp/science/20240131-OYT1T50233/ 光合成にまつわる１００年以上の「謎」、水から酸素ができる瞬間の観察に成功…岡山大など研究チーム (読売新聞、2024年2月1日)]</ref>。

==水分解==