光合作用的末端電子傳遞反應可視化
日本大阪大學蛋白質研究所栗棲源嗣教授等組成的研究小組與德國魯爾大學Matthias R?gner教授等合作，成功對通過光合作用工作的巨大的膜蛋白（
光系統Ⅰ
注1
））利用光能傳遞電子的形態進行了結構分析。植物和藻類進行的光合作用，是維持地球上所有生命體活動的重要反應，這種反應與利用光能發電的太陽能電池相似。相當於發電的反應被稱作「電子傳遞」，
由類囊體膜
注2
）中的巨大膜蛋白與可溶性的電子傳遞蛋白。從水中獲得的電子順著類囊體膜的電路，傳遞至被稱作「光系統I」的巨大膜蛋白中，由最後一個受體電子載體蛋白（鐵氧還蛋白）「接棒」，從而為各種酶提供電力。不過，電子傳遞通過很弱的力進行，尚未探明其詳細機制。此次，栗棲教授等人利用人工重構
注3
）的鐵氧還蛋白，成功使不穩定的複合體結晶，並且利用大型同步輻射設施SPring-8的X射線進行了結構分析。通過X射線結構分析
注4
）和生物化學分析發現，鐵氧還蛋白結合時發生碰撞式的結構變化，會在改變對稱形態的同時高效傳遞電子（圖1）。今後將詳細分析鐵氧還蛋白的電子傳遞路徑，如果能發現葉綠體的電子電路的修改方式，則有望優化光合作用或是強化光合功能。
這項研究成果已於日本時間4月3日（周二）凌晨1點在英國科學雜誌《自然-植物》（Nature Plants）上公開。
栗棲教授等人組成的共同研究小組把鐵氧還蛋白中名為鐵硫簇的金屬部分人工置換成其他金屬，並勻化
氧化還原
注5
）狀態，由此成功獲得了穩定的晶體。然後利用這種複合晶體在大型同步輻射設施SPring-8中實施了衍射實驗，以原子級解析度分析了複合蛋白的結構。現已查明，鐵氧還蛋白會與光系統I結合，光系統I的三聚體僅在結合時變成非對稱結構（圖2：左）。另外還發現，隨著鐵氧還蛋白的結合，光系統I會發生碰撞式的結構變化（圖2：右），調整與另一個電子載體——蛋白細胞色素的結合。此次通過上述研究在全球首次證明，電子載體蛋白的結合會改變光系統I的結構，高效進行電子傳遞。＜參考圖＞
圖1：發生碰撞式結構變化的示意圖
從圖中可以看出，隨著Fd（鐵氧還蛋白）的結合，結構依次發生變化，信息被傳遞至膜的另一側。
圖2：光系統I與鐵氧還蛋白的複合結構
（左）從膜的上方看到的光系統I的三聚體圖。結合的鐵氧還蛋白（黃色、綠色、淡藍色）用飄帶模型顯示，並用紅色虛線圈起來。
（右）把左圖藍色虛線對應的單聚體（3分之1的結構）單獨拿出來的側視圖。
＜用語解說＞
注1
）光系統Ⅰ
指在植物和藻類的蛋白複合體中，葉綠素及類胡蘿蔔素等色素和金屬中心在分子內部精巧配置的膜蛋白。藍藻複合體具有三聚體結構，分子尺寸非常大，約達到100萬道爾頓（Da）。
注2
）類囊體膜
可進行光合作用的植物和藻類中專為光合功能而存在的生物膜。內部有序排列著大量色素和膜蛋白。
注3
）重構
指在含有金屬的蛋白質中，僅人工置換含金屬的部分，製作結構非常相似的變體的操作。
注4
）X射線結構分析
分析物質結構的方法之一。通過向想調查的物質的晶體照射X射線，觀測並分析晶體散射的X射線強度，最終能了解晶體中的物質結構。
注5
）氧化還原
指兩種物質間發生電子轉移的反應，一種物質氧化（失去電子）時，肯定會存在被還原（得到電子）的成分，二者統稱為氧化還原。
客觀日本編輯部
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