光化学系II 2

チラコイド膜上の色素の形態である1. 波長以上のエネルギーを集め、それを1つの分子に集中させ、そのエネルギーを使って電子の1つを一連の酵素に渡す1。 光化学系IIは、光化学系Iに続く2つの酵素の系列で発生し、植物のエネルギーを作り出している1。 光化学系IIは、水-プラストキノン酸化還元酵素とも呼ばれ、発生した水素イオンがプロトン勾配を作り、それを利用してATP合成酵素がATPを生成し、移動したエネルギー電子が2NADP+を2NADPHに還元するのに使用されています。

光化学系IIは、自然界の酸素系光合成生物における最初の膜タンパク質複合体である。 光エネルギーを利用して水の光酸化を触媒するために、大気中の酸素を生成する。 2分子の水を1分子の分子状酸素に酸化する。 水分子から取り除かれた4個の電子は、水素イオンと分子状酸素を形成する電子輸送系によって、プラストキノン2へと移動する。 この電子を水から得ることで、光化学系IIは光合成のすべてが行われるための電子を供給しているのです4。

光化学系IIはD1、D2、CP43、CP47、PsbO3など20のサブユニットで構成されています。 サブユニットD1（β-カロチン、キニン、マンガン中心）はタンパク質の中心で反応し、クロロフィルP680やフェオフィチンを結合し、サブユニットD2はタンパク質の中心で反応する。 D1とD2が核となる膜タンパク質である3。 D1（赤色）は細菌光化学系のLサブユニット、D2（青色）は細菌光化学系のMサブユニットに相同である3。 クロロフィルはD1とD2に結合しており、下の図Aでは緑色で表示されている3。 CP43はマンガンセンターと結合し、CP47は光化学系I3に出現する。 最後に、PsbO（紫色）がマンガンセンターに結合し、Proteinを安定化させる。

これらのサブユニットには99の補因子と補酵素が含まれており、「35クロロフィルa、12β-カロテン、2フェオフィチン、3プラストキノン、2ヘム、重炭酸、25脂質、7ドデシルβ-D-マルトシド洗剤分子、Mn4Caクラスターの6成分、モノマーあたり1Fe2+と2推定Ca2+イオン」1が含まれています。 クロロフィルは光を吸収し4、β-カロテンは光励起エネルギーを吸収し4、ヘムは鉄を含む4。 フェオフィチンは、波長680nmの光を吸収するクロロフィル2個からなるP680から電子を伝達される4。 これは一次電子受容体であり、マグネシウムが2つのプロトンに置換されたクロロフィルを含んでいる5。 その後、電子はQAサイト、QBサイトの順にプラストキノン（PQ）に転送される4。 プラストキノンは、光化学系IIからチラコイド膜内のチトクロムbf複合体への1電子受容体または2電子供与体になることができる5。 QB部位に2個目の電子が到達し、2個のプロトンが取り込まれると、PQH24が生成される。 プラストキノンが完全に還元されてPQH2になると、プラストキノールと呼ばれる。 したがって、光化学系II全体の反応は以下のようになります。

2PQ + 2H2O -> O2 + 2PQH2 (3)

P680からPhephytinに電子が移動すると、P680+に正電荷が形成されて強い酸化剤となりマンガン中心5で水から電子を引き抜きます。 マンガンセンターは、酸素発生センター（OEC）であり、水の酸化の場である。 4つのマンガンイオン、カルシウムイオン、塩化物イオン、チロシンラジカルを含んでいる5。 P680が励起されて電子が追い出されるたびに、正電荷のペアがマンガンセンターから電子を取り出します5。

マンガン中心は1電子ずつ酸化されるので、酸化が完了するまでに4段階必要である。 チロシン残基はプロトン電子移動に関与していないので、除去された電子の数を示すためにS0からS4までの構造を示している6。 S0からS4まであることから、5種類の酸化状態があることがわかる。 S4になると、オキシゼン分子が放出され、新たに2分子の水が結合する。

プラストキノンの還元部位は、膜のストロマ側である6。 マンガン錯体は膜のチラコイド内腔側にある6。 水から4個の電子を獲得するごとに、2分子のPQH2が形成され、ストロマから4個のプロトンが抽出される6。 水の酸化で生成された4つのプロトンは、チラコイド内腔に放出される6。 このようにチラコイド膜全体にプロトンが分布することで、内腔のpHが低く、ストロマのpHが高いというpH勾配が発生する6。

光化学系IIの酸素発生複合体は、Mn4、酸化還元活性を持つチロシン、Ca2+/Cl-イオンを含んでいるが、その分子構造は未決定である8。 しかし、上の図Bを見ると、光化学系IIの点群がC2であり、金属であるMn7であると決定できる。 図Bは、C. reinhardtii supercompexの立体構造を斜め表面からレンダリングした図である6。 スーパーコンプレックスは2量体であり、2組のサブユニットを含むC2点群対称であることがわかった6。

光化学系IIにおけるラマン研究の主眼は、220から620 (cm-1) の低周波数域にある8。 低周波領域はS1、S2ともに調べられている。 S1状態の光化学系IIのラマンスペクトルは、S2状態にはないいくつかのユニークな低周波バンドを表しています8。 これは、光化学系IIが2つのH2OまたはOH-によって配位されていることを示している。 また、Mnを除去した光化学系IIとS2状態の光化学系IIのラマンスペクトルはほぼ同じであった8。 これは、マンガンのS1状態が、共鳴強化ラマン散乱から近赤外電子遷移を誘起できることを示している8。

光合成の一部である光化学系IIはタンパク質複合体の一つである。 光合成は地球上の生命にとって主要な生物学的エネルギー源であり、多くの研究がなされている。