光合成反応中心

細菌の光合成反応中心は、光エネルギーを捕捉する生物学的プロセスの構造と化学を理解するための重要なモデルとなってきた。1960年代、ロデリック・クレイトンは紫色細菌から反応中心複合体を初めて精製した。しかし、最初の結晶構造（右上の画像）は、1984年にハルトムート・ミヒェル、ヨハン・ダイゼンホーファー、ロバート・フーバーによって決定され^{[ 4 ]}、彼らは1988年にノーベル賞を共同受賞した^{[ 5 ]。}これは、膜タンパク質複合体の最初の3D結晶構造であるという点でも重要であった。

光合成反応中心の機能には、4つの異なるサブユニットが重要であることがわかった。構造図で青と紫で示されているLサブユニットとMサブユニットは、どちらも細胞膜の脂質二重層を貫通している。これらは互いに構造的に類似しており、どちらも5つの膜貫通αヘリックスを持っている。^{[ 6 ]} 4つのバクテリオクロロフィルb（BChl-b）分子、2つのバクテリオフェオフィチンb（BPh）分子、2つのキノン（Q _AとQ _B）、および鉄イオンがLサブユニットとMサブユニットに結合している。金で示されているHサブユニットは、細胞膜の細胞質側に位置する。ここに示されていないシトクロムサブユニットは、4つのc型ヘムを含み、膜のペリプラズム表面（外側）に位置する。後者のサブユニットは、光合成細菌の一般的な構造モチーフではない。 LサブユニットとMサブユニットは、機能的かつ光と相互作用する補因子に結合する。これらの補因子は、図中で緑色で示されている。

異なる細菌種の反応中心には、機能的な補因子としてわずかに変化したバクテリオクロロフィルとバクテリオフェオフィチンの発色団が含まれている場合があります。これらの変化により、吸収される光の色が変化します。反応中心には、光子吸収からエネルギーを集めて伝達する役割を果たす2つの色素、BChlとBphが含まれています。BChlは緑色植物に見られるクロロフィル分子とほぼ同じ構造ですが、わずかな構造の違いにより、吸収ピーク波長が赤外線領域にシフトし、波長は1000 nmにも 達します。BphはBChlと同じ構造ですが、中心のマグネシウムイオンが2つのプロトンに置き換わっています。この変化により、吸収極大がシフトし、酸化還元電位が低下します。

このプロセスは、膜のペリプラズム側付近にある 2 つの BChl 分子が光を吸収することから始まります。この一対のクロロフィル分子は、しばしば「特殊ペア」と呼ばれ、種によって870  nm または 960 nm の光子を吸収するため、P870 ( Rhodobacter sphaeroidesの場合) または P960 ( Blastochloris viridisの場合) と呼ばれ、Pは「色素」を意味します。P が光子を吸収すると、電子を放出し、その電子は別の Bchl 分子を介して L サブユニットの BPh に伝達されます。この最初の電荷分離により、P に正の電荷、BPh に負の電荷が生じます。このプロセスは 10 ピコ秒 (10 ⁻¹¹秒)で起こります。^{[ 1 ]} 

この状態では、 P ⁺と BPh ⁻の電荷が電荷再結合を起こし、エネルギーが浪費されて熱に変換される可能性がある。反応中心の構造のいくつかの要因がこれを防ぐのに役立っている。まず、BPh ⁻からP960 ⁺への電子の移動は、反応中心内の他の 2 つの酸化還元反応に比べて比較的遅い。より速い反応は、BPh ⁻ (BPh ⁻が BPh に酸化される) から電子受容体キノン (Q _{A ) への電子の移動、および反応中心の上にあるシトクロムサブユニットのヘムから P960} ⁺ (P960 ⁺が P960 に還元される)への電子の移動である。

_{強く結合したキノン分子Q A}に存在する高エネルギー電子は、交換可能なキノン分子Q _Bに伝達される。この分子はタンパク質と緩く結合しており、比較的容易に解離する。Q _Bを完全にQH ₂に還元するには2つの電子が必要であり、その過程で細胞質から2つのプロトンが取り込まれる。還元されたキノンQH _2は膜を拡散して別のタンパク質複合体（シトクロムbc ₁複合体）に到達し、そこで酸化される。この過程で、QH _{2の還元力は、プロトンを膜を介してペリプラズム空間に送り込むために利用される。シトクロムbc 1}複合体からの電子は、ペリプラズム内の可溶性シトクロムc中間体（シトクロムc ₂と呼ばれる）を介してシトクロムサブユニットに伝達される。

1772年、化学者のジョセフ・プリーストリーは、呼吸と燃焼に関わる気体に関する一連の実験を行った。最初の実験では、ろうそくに火を灯し、逆さまにした瓶の下に置いた。しばらくすると、ろうそくは燃え尽きた。彼は、燃えているろうそくの狭い空間にネズミを入れて同様の実験を行った。ろうそくが消えてから間もなく、ネズミが死んでしまうことがわかった。しかし、その場所に緑の植物を置いて光に当てると、汚れた空気を浄化できることもわかった。プリーストリーの観察は、光合成反応中心の活動を実証した最初の実験の一つとなった。

1779年、ヤン・インゲンホウスは、何が実際に起こっているのかを理解しようと、4ヶ月にわたって500以上の実験を行った。彼はその発見を『野菜実験』という本にまとめた。インゲンホウスは緑色の植物を透明な水槽の水に浸した。植物が光にさらされるたびに、葉の表面から多くの泡が立ち上るのを観察した。インゲンホウスは植物から放出されたガスを集め、そのガスが何であるかを特定するためにいくつかの異なるテストを行った。最終的にガスの正体を明らかにしたテストは、くすぶっているろうそくをガスのサンプルに入れ、再び火をつけるというものだった。このテストによって、それが酸素、あるいはジョセフ・プリーストリーが「脱フロギスティン空気」と呼んだものであることが証明された。

1932年、ロバート・エマーソンと彼の学生ウィリアム・A・アーノルドは、繰り返しフラッシュ法を用いて、藻類クロレラのクロロフィルによって発生する微量の酸素を精密に測定した。彼らの実験は光合成単位の存在を証明した。ガフロンとウォールは後にこの実験を解釈し、光合成単位によって吸収された光が伝達されることに気づいた。^{[ 7 ]}この反応は光化学系IIの反応中心で起こり、シアノバクテリア、藻類、緑色植物で起こる。^{[ 8 ]}

光化学系IIは、(PSIを通過した後)最終的にフェレドキシン-NADP還元酵素でNADP ⁺を還元する2つの電子を生成する光化学系です。光化学系IIは、緑色植物の光合成の場である葉緑体内のチラコイド膜に存在します。^{[ 9 ]}光化学系IIの構造は細菌の反応中心と非常によく似ており、両者は共通の祖先を持つと考えられています。

光化学系IIの中核は、D1とD2と呼ばれる2つのサブユニットから構成されています。これらの2つのサブユニットは、細菌の反応中心に存在するLサブユニットとMサブユニットに類似しています。光化学系IIは、効率を高めるために追加のクロロフィルを結合する多くのサブユニットを持つ点で、細菌の反応中心とは異なります。光化学系IIによって触媒される全体の反応は次のとおりです。

2Q + 2H ₂ O + hν → O ₂ + 2QH ₂

Q はプラストキノンの酸化型を表し、QH ₂はその還元型を表します。このキノンの還元プロセスは、細菌の反応中心で起こるプロセスに匹敵します。光化学系 II は、光分解と呼ばれるプロセスで水を酸化することによって電子を得ます。分子状酸素はこのプロセスの副産物であり、この反応によって大気中に酸素が供給されます。緑色植物からの酸素が水に由来するという事実は、カナダ生まれのアメリカ人生化学者マーティン・デイビッド・カメンによって初めて推論されました。彼は酸素の安定同位体である^{18Oを使用して、酸素が水から気体状の分子状酸素に変化する経路を追跡しました。この反応は、4 つの}マンガンイオンを含む光化学系 II の反応中心によって触媒されます。

反応は、細菌反応中心にあるものと同様の一対のクロロフィル分子の励起から始まります。バクテリオクロロフィルとは異なり、クロロフィルaが存在するため、光化学系 II はより短い波長の光を吸収します。反応中心にある一対のクロロフィル分子は、しばしばP680と呼ばれます。^{[ 1 ]}光子が吸収されると、生成された高エネルギー電子は近くのフェオフィチン分子に移動します。これは図の一対の分子の上右側にあり、灰色で示されています。電子はフェオフィチン分子から 2 つのプラストキノン分子を通過します。最初のプラストキノン分子は強く結合しており、2 番目のプラストキノン分子は弱く結合しています。強く結合している分子はフェオフィチン分子の上に示されており、赤色で示されています。弱く結合している分子はこれの左側にあり、こちらも赤色で示されています。この電子の流れは細菌反応中心の電子の流れと似ています。緩く結合したプラストキノン分子をQH ₂に完全に還元するには、2つの電子と2つのプロトンの取り込みが必要である。

光化学系IIと細菌の反応中心との違いは、クロロフィルa分子のペアを中和する電子の供給源にある。細菌の反応中心では、電子はシトクロムサブユニット内の還元型ヘム基、または水溶性シトクロムcタンパク質から得られる。

P680 は光子を吸収するたびにフェオフィチンに電子を放出し、正電荷を獲得します。この光誘起電荷分離の後、P680 ⁺は高エネルギーの非常に強力な酸化剤となります。P680 はそのエネルギーを、ペアの真下にあるマンガン中心に結合している水分子に伝え、そこから電子を引き抜きます。図のペアの下、左にあるこの中心には、4 つのマンガンイオン、カルシウムイオン、塩化物イオン、およびチロシン残基が含まれています。マンガンは、Mn ²⁺、Mn ³⁺、Mn ⁴ +、 Mn ⁵⁺の 4 つの酸化状態をとることができるため、これらの反応に適しています。マンガンは、水などの酸素を含む分子とも強い結合を形成します。2 つの水分子を酸化して酸素分子を形成するプロセスには、4 つの電子が必要です。マンガン中心で酸化される水分子は、2 つの Q 分子を QH ₂に還元する電子の供給源となります。現在までに、この水分解触媒中心は、いかなる人工触媒によっても再現されていない。

電子は光化学系IIを離れた後、シトクロムb6f複合体を経て、青色の銅タンパク質であり電子伝達体であるプラスチシアニンへと伝達される。プラスチシアニン複合体は、次の反応中心である光化学系Iにおいて電子対を中和する電子を運ぶ。

光化学系IIや細菌の反応中心と同様に、一対のクロロフィルa分子が光誘起電荷分離を開始します。このペアはP700と呼ばれ、700はクロロフィル分子が光を最大に吸収する波長を表しています。P700はタンパク質の中心に位置しています。光誘起電荷分離が開始されると、電子はP700の真上に位置するクロロフィルα分子、その真上に位置するキノン分子、3つの4Fe-4Sクラスターを経て、最終的に交換可能なフェレドキシン複合体へと経路をたどります。^{[ 10 ]フェレドキシンは、4つのシステイン残基によって配位された2Fe-2Sクラスターを含む可溶性タンパク質です。高エネルギーのP700 +}の正電荷は、プラスチシアニンからの電子の移動によって中和され、プラスチシアニンは最終的に_QH2をQに戻すために使用されるエネルギーを受け取ります。したがって、光化学系Iによって触媒される全体の反応は次のようになります。

Pc(Cu ⁺ ) + Fd [ox] + hν → Pc(Cu ²⁺ ) + Fd [red]

光化学系IとIIの連携により、H₂OからNADP+への電子とプロトンの流れが生まれ_、グルコース^{合成に必要なNADPHが生成されます。この経路は、} _H₂OからP680とP700を経由してNADP ^+に至る酸化還元図が文字Zに似ていることから「 Zスキーム」と呼ばれています。^{[ 11 ]}