從重組的光化學系統II外圍蛋白結構，闡明氧氣釋放活性降低的原因

【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中觀察到的部分水分子在重組PSII中變得難以清晰觀察到其位置。此外，在D1-N298周圍的氫鍵網絡也確認發生了變化。這表明重組PSII中的水分子配置和移動性發生了變化，可能影響水的供應和反應場的穩定性。

確認Cl-1通道和O4通道無顯著變化

另一方面，被認為是PSII內部其他水/質子傳輸路徑的Cl-1通道和O4通道，在天然型PSII和重組PSII之間未觀察到顯著的結構變化。這表明重組的影響並非均勻地發生在整個PSII,而是相對局限於碳酸氫根離子周圍和O1通道的局部變化。

這些成果表明，即使外圍蛋白質正確重新結合,PSII內部的水分子和小分子的配置也未能完全恢復原狀。PSII氧氣釋放活性未能完全恢復的原因，被認為與碳酸氫根離子周圍和O1通道的微細分子配置紊亂有關，而非蛋白質整體結構的重大變化。這是一項重要成果，表明光合作用的水分解反應是由包括水分子在內的精密分子網絡所支持的。

圖1. 本研究概要

【論文資訊】

刊登期刊:ACS Catalysis

論文標題:Structural basis for impaired oxygen evolution in extrinsic-protein-reconstituted photosystem II

作者:Yoshiki Nakajima, Koji Kato, Jian-Ren Shen, Ryo Nagao

DOI:https://doi.org/10.1021/acscatal.6c03852

【術語說明】

註1:光化學系統II(Photosystem II, PSII)

植物、藻類和藍綠菌進行光合作用時，分解水並釋放氧氣的蛋白質複合體。利用太陽光能量從水中提取電子，並在此過程中產生氧氣。

註2:外圍蛋白質

結合在PSII外部，並在穩定進行氧氣釋放反應中發揮作用的蛋白質。本研究以藍綠菌PSII結合的PsbO、PsbV、PsbU這三種為對象。

註3:X射線結晶結構分析

將蛋白質等分子結晶化，透過照射結晶的X射線所產生的繞射圖案，來測定構成分子的原子位置的方法。由於能以原子級別揭示蛋白質的立體結構，因此可以詳細解析哪些分子結合在哪裡，以及水分子和金屬簇的配置方式。本研究利用此方法，以2.0 Å的解析度決定了重組PSII的結構。

註4:產氧光合作用

光合作用分為產氧光合作用和非產氧光合作用。產氧光合作用由光化學系統I、細胞色素b6f、光化學系統II、ATP合成酶等膜蛋白質複合體驅動，利用光能合成有機物和氧氣。一般認為非產氧光合作用生物演化成了產氧光合作用生物。