植物生理学　第５回講義

酸化還元と電子の伝達

今回は、光合成電子伝達の仕組みと、それに伴うプロトン濃度勾配形成の仕組みなどについて解説しました。この回は量子力学的な話なども出てきたので、やや難しかったようですね。それでも寄せられたレポートの中には面白い視点のものがいくつもありました。その中からいくつかを選び、必要に応じてそれに対するコメントを以下に示します。

Ｑ：今回の講義で、酸素発生は4周期振動であることを初めて知った。酸素の4周期振動の図をみると、閃光照射回数を増やしていくほど、酸素発生活性ピークの値が小さくなることがわかる。閃光照射回数を増やすと、どうして酸素発生活性ピークの値が小さくなるのかを考える。光反応で、電子伝達の結果にNADP+電子が渡されると、光化学IIの反応中心では電子の欠失が生じる。光反応で消費された電子を補給するために、チロシンの電子がP680に移る。その電子の欠落を埋めるために、水がマンガンクラスター分解され、電子をチロシンに受け渡す。結果として酸素が生じる。光が連続して照射されていれば、安定して電子を補給することができるので、酸素発生活性が下がることはないと思われる。しかし、閃光照射をすると、水の供給が遅れて水分解系が連続して働かず、発生する酸素の量も少なくなると思う。さらに、マンガンクラスターは複雑な立体構造をとっているので、連続した光でないと順に酸化できず、4つの電子を効率よく供給できないと思われる。この結果、閃光照射した場合、酸素発生活性はだんだん下がっていくのではないかと思う。

Ａ：グラフで確かにピークの酸素発生はだんだんと減っていっていますが、逆に谷の位置の酸素発生はだんだんと増えていますよね。４周期で振動しているのですから、その酸素発生を評価するためには、１周期分の酸素発生を足し合わせた量で比べなくてはいけません。そのように第１周期の合計、第２周期の合計、第３周期の合計をお互いに比較すると、ほとんど変化していないことがわかると思います。つまり、酸素発生は、だんだんと減っているのではなく、１周期の中の変化がなくなっていっているだけなのです。これは、最初は暗所においてS状態がそろっていたのが、閃光を当てているうちにばらつきによって平均化されているためにこのようなことが起こるのです。

Ｑ：今回の授業は結構高度なレベル(単純に僕の知識が少なすぎたのもありますが)の授業でしたが、さらに調べてみて非常に参考になる授業でした。特にPSII(光化学系II)の反応系を調べて光合成のメカニズムが分かってきました。PSIIでは反応中心(Reaction center)が集光複合体(Pigment molecules)から光からの光子(Photon)を回してもらった後、電子を飛ばし(励起させ)、酸化し(電子を失った)クロロフィルを助けるために水を分解して電子を補充している。このことが光合成に水が必要な最大の理由であったんですね。小学生のころに習った光合成の話も、突き詰めていくとこんなに深いんですね。(研究をしている先生には失礼な発言ですね)
　ひとつ気になったのは、反応中心が1に対して集光分子は100～1000とか膨大な数であることです。光合成はその植物のエネルギーの元であるので、植物の食料源といっても過言ではないと思います。たしかに効率的には反応中心を少なくして、集光分子で蓄えておくほうが、タンポポとかアサガオみたいな小さな植物では十分足りると思いますが、マツとかイチョウみたいな大木ではエネルギー的に足りないような気がしてしまいます。大木では光合成を促進するような特殊なシステムは存在するのでしょうか？
　また、僕は将来食料植物について研究したいのですが、一回の光合成のスピード(効率ではなく)は果実の肥大化に影響があるのでしょうか？

Ａ：「大木ではエネルギー的に足りない」というのは反応中心の数が、ということでしょうね。結局、大木であっても草であっても、植物体の大きさにたいしてどれだけ反応中心を持っているかが問題になるわけですから、反応中心あたりのアンテナクロロフィルの数は直接問題にはなりません。また、一般には、木は草に比べて光合成の活性は小さくなります。これについては、いろいろな考え方がありますが、太い幹を作るなど、光合成には直接関係しない部分に限られた栄養を投入しなくてはいけない、という面も原因です。
　光合成速度は、もちろん果実の肥大化にも影響を与えます。果実の生長も含め、植物の生育は全て光合成に頼っているわけですから。

Ｑ：アサクサノリの吸収スペクトルから、生物進化と機能の効率化について考えてみた。アオサの吸収スペクトルと作用スペクトル、クロロフィルの吸収スペクトルは、自らがおかれている環境で、最も吸収しやすい光の波長周辺の狭い範囲にピークがある。しかし、アサクサノリの吸収スペクトルは400nm～650nmの広い範囲に渡って、大きな値が出ている。アサクサノリの生えている環境は内海のはずなので、500nm～600nmの範囲にピークがあれば良いはずである。なぜ、自らのいる環境には届かない波長の光まで吸収するのだろうか。システムの単純化と効率を考えれば、無駄な機能は進化の過程で除かれていくはずである。それにも関わらず、広い範囲の波長の光を吸収する機能が残っているということは、その機能を残す理由があるはずである。そこで私は、アサクサノリなどの紅藻類の祖先にあたる植物が、現在アサクサノリが存在している環境よりも広い範囲の波長を利用できる環境にいたのではないか、そして光合成色素や反応経路を再編成するほどには、アサクサノリが現在の環境におかれてから時間が経っていないのではないかと考えた。このように考えれば、アサクサノリの吸収スペクトルに陸上植物やアオサのスペクトルのようなシャープなピークがないことが説明できるのではないかと思う。また、光合成の効率アップとシステムの単純化ということを考えると、時が経つにつれて、アサクサノリの吸収スペクトルと作用スペクトルはシャープなピークを持つようになるのではないだろうか。

Ａ：このような場合に、一つ重要なことは、自然環境というのは一定ではない、ということです。特に実験室などで植物を育てていると、環境というものが一定であるかのような誤解をする人がいますが、実際には、自然環境は常に変動しています。光の明るさだけでも夜と昼で周期的に変動しますし、その中でさらに雲に隠れるといった短い時間での激しい変化があります。浅い海では、おそらく潮の満ち干によって、明るさだけではなく、通ってくる光の色さえも変動するでしょう。生物は、人間が必要と思うよりもいろいろな環境に適応するようになっていますが、これは、変動する自然環境への適応として考えることができます。

Ｑ：今回の講義を受けて、よく分からなかった点があります。それは「プロトンの輸送」についてです。シクロムｂ６/ｆ複合体では、光化学系Ⅲから生じたプラストキノール(PQ) を酸化してスカラー反応によって4個のプロトンをチラコイド膜内に放出する。そして、電子をプラストシアニン (PCy) に伝達し、光化学系Ⅰに電子伝達を行う（ウィキペディア（Wikipedia）参照）。ここで「Ｑサイクル」についての説明で、Ｑサイクルは効率が良いという話を聞き、そこは理解することができました。しかし、その後に先生がおっしゃられていた、Ｑサイクルには上り坂がない。という説明が、私は理解できませんでした。ここでの上り坂というものは、電子が自然に輸送されるところと、自然に輸送されないところがあると言うことを、おっしゃっていたのでしょうか？

Ａ：僕が言ったのは「下り坂だけからできている輪になっている道はない」ということです。呼吸のところの講義で、電子伝達は、酸化還元電位の勾配に従って行なわれる、という話をしましたよね。基本的に、還元力の強い物質（酸化還元電位がマイナス方向に大きい物質）から酸化力の強い物質（酸化還元電位がプラス方向へ大きい物質）へと電子は流れます。つまり、電子伝達をする成分を順番に並べると、その酸化還元電位はだんだんとプラスの方向へ大きくなっていくことになります。光合成では、そのようになっていないところが２カ所あって、それが光化学系Iと光化学系IIであり、そこでは光のエネルギーを投入することによって酸化還元電位に逆らって電子を流しています。つまり、外からエネルギーを投入しない限り、いわばボールが坂道を転がり落ちるように、電子は酸化還元電位の坂道を転がり落ちるわけです。しかし、ここで、電子伝達の経路がサイクルになっていたらどうでしょう。全てが平坦であれば電子は流れませんが、一方で下り坂になっていたら、どこかに上り坂がないと元の場所には戻れません。とすれば、その上り坂のところで、電子はたまってしまい、Qサイクルは働かないはずです。実際には、その上り坂を電子が上るエネルギーは、直線的な電子伝達によるシトクロムb6/f複合体のコンフォメーション変化によって供給されているのです。

Ｑ：今回興味を持ったのは、b/f複合体にある、意味の解らないクロロフィルについてです。 現在は「光による活性調節もしくは新たな電子伝達回路を示唆しているかもしれない」(光合成の科学)となっていますが、私は細胞質で新たに葉緑体が合成されたときの、第一回目の電子伝達に使われているのではないかと考えています。それは、Q−サイクルが初めて機能するときの電子の動きに無理があるからです。初めて電子が流れてきたとき、４電子しか流れてこないので、半数がQ−サイクルに入るとしても、その次の反応で６電子になります。その半数がまたQ−サイクルに入るとすると、今度は７電子となり、プラストキノンがプラストキノールになれないものがでてきてしまうので、不都合がでてしまいます。なので、b/f複合体内にあるクロロフィルが、Q−サイクルにエネルギーを与え、Q−サイクルのスタートを手助けしているのではないでしょうか。また、回り始めた後も、回転の手助けをしているのではとも思います。それを確かめるには、b/f複合体のクロロフィルのみを破壊するか、b/f複合体の遺伝子を変異させて、クロロフィルを含まないものをつくり、プラストキノールの分子量を正常なものと比較してみれば、確認できるでしょう。

Ａ：非常に面白い考えですね。講義の中では説明しませんでしたが、このQサイクルは、呼吸系の電子伝達でも働いているのです。ですから、もし、クロロフィルがないとQサイクルが働かないとなると、呼吸系の方では困ってしまいます。確かに、b/f複合体のプラストキノール酸化サイトにおいては、１分子のキノールの持つ２電子のうち１電子はQサイクルに、もう１電子は系Iの方へ流れ、ここでは１対１になっているようです。しかし、そのサイトにプラスとキノールがくっつく場合は、別に系IIからきたプラストキノールとQサイクルから来たプラストキノールを区別するわけではありません。ですから、電子の数が奇数になっても、次の電子が来るまで待っていて、その間は、系IIからのプラストキノールで反応を進めればよいことになります。もちろん定常状態では、電子の数はぴったり合いますから、問題はなくなります。でも、クロロフィルを含まないb/f複合体の機能解析は面白そうですね。僕はまだそのような論文を見ていないのですが、世界のどこかではそれをねらった研究が行なわれているのではないかと思います。

Ｑ：今回の授業で酸素発生の量子収率は光子の持つエネルギーよりもその数によって決まるというようなことを聞いた。しかし、光合成が光からエネルギーを得る以上は光子の持つエネルギーを完全に無視することはできないはずであり、そこで考えられるのは、最低限のエネルギーを持っている光子からその保有エネルギーの大小にかかわらず一定のエネルギーが取り出されているということである。つまり、最低限のエネルギーを持たない光子は効率が悪いため使用されないのではないだろうか。実際、酸素発生の量子収率のピークはグラフを見る限り、570nmから680nmの範囲であり、これよりエネルギーの低い長波光では収率が極端に低下している。このとき、ピークよりもエネルギーの高い短波長では低下はするものあまり大きなものではない。以上のことから、光合成には適した光の波長が存在するものの基本的には長いよりもエネルギーの多い短い波長のほうが使用に適していると思われる。

Ａ：良いところに目をつけましたね。基本的には、その通りで、「最低限のエネルギー」が存在します。それは、実際には、クロロフィルが励起される最低限のエネルギーに相当することになりますので、クロロフィルの吸収スペクトルで、一番長波長の吸収帯の光がこれに相当することになります。では、短波長の光を吸収した時はどうなるかというと、その差は熱になります。クロロフィルは赤い光と青い光を吸収しますから、よりエネルギーの高い青い光を吸収した時は、赤い光を吸収した時より高いエネルギー準位まで励起されます。しかし、その場合でも、まず、赤い光を吸収した時のエネルギー準位まで落ちてしまい、そこから光合成の反応が始まるのです。そのため、結局出発点は同じになって、光の色（エネルギー）によらずに光子の数で光合成の収率が決まるのです。

Ｑ：今回の講義では特にKokの酸素時計説に興味を持ちました。光合成がフラッシュでも可能だということと、酸素発生に周期が存在することに驚きました。なので、このことについて考察したいと思います。まず実験結果を見ると、確かに4周期で酸素発生が見られます。しかし、酸素発生のピークは段々下がっています。もしも、Kokの酸素時計説が正しいのならば、酸素発生量は3回目あるいは4回目以降は全て同じになるはずです。何故なら、毎回与えている光の量は一定だからです。仮に、Kokの酵素時計が1回のフラッシュで72度ずつしか進まないとします。この場合だとピークは4周期ごとにしか現れませんが、4周期以外の場所では一切酸素が発生しなくなるはずです。つまり、これは実験結果と一致しないので正しくないと考えるのが妥当だといえます。次に、Kokの酸素時計が1回のフラッシュで全体が回転するとします。一回転してS1,S2,S3がそれぞれ生成されますが、与えられる光の量は一定なので生成されるS1,S2,S3の数も一定になります。するとフラッシュの度に行われる水の分解の量も一定になるはずです。それにもかかわらず、4回目以降の酸素発生量は違っています。つまり、単純に時計が回転しているだけではない可能性が高いです。ではどのようなシステムが考えられるでしょうか。実験結果のグラフを見ると、酸素発生率が０．３あたりに収束しているように見えます。このことから、恒常性を作り出す何らかのシステムが存在することがうかがえます。私が思うに、10回目あたりからは、与えられた光の一部しか利用していないのではないでしょうか。最初はできるかぎり光エネルギーを吸収し、エネルギーの一部を蓄積する。次の段階でも一部を蓄積し、ある程度蓄積されたら蓄積分をサイクルさせる。サイクルさせることで一度に吸収するエネルギー量を減らし、一定にする。蓄積することで、暗いところに長時間置かれても生存できるようにこのようなシステムを作っているのではないでしょうか。この疑問を解決するには、植物がエネルギーをどれくらいのエネルギーを実際に利用しているかを図る必要があります。あるいは波長（エネルギー）の違う光を使って同じ実験をすれば、ピークが出現する回数の増減が見られるかもしれません。

Ａ：このレポートも、自分できちんと考えていることが読み取れます。閃光の回数依存性については、上の方のレポートで触れましたように、最初はそろっているS状態が、だんだんとばらつくことによります。なぜばらつくかを以下に少し補足します。フラッシュはいくら短くてもある幅があります。そうすると、ある確率で、１回のフラッシュによって２回反応が進んでしまう系IIがどうしてもできてしまいます。この確率は、フラッシュを弱くすると小さくなっていきますが、そうすると今度は、フラッシュを当てても反応が進まない系IIが出てきてしまうのです。１回のフラッシュで２回反応が進むことをダブル・ヒット、反応が進まない場合をミス、といいますが、このダブル・ヒットとミスの確率が０ではないために、フラッシュの回数を重ねるごとにそろっていたS状態がばらついて平均化されてしまい、ある一定の収率に収束していくのです。

Ｑ：正直今回の講義はほとんど意味がわからずうとうとしてしまいました・・・
今回の講義で興味をもったのはKokの酸素時計のところです。ここでは一周することで２H2O→４e-＋４H+＋O2という反応で酸素を形成しているのだといっていたが、高校生のとき化学の時間に２H2O→４e-＋４H+＋O2という反応はやった。この反応は電気分解の授業ででてきた。つまりエネルギーがないと起きない反応であり、この場合それが光によるエネルギーだとしった。しかしここで２H+からH2が形成されないのだろうかと考えた。高校でやった化学の電池の授業で２H+からH2へ化学変化が起こり分極により電池が働かなくなるというのを習った。そこでは分極しないような操作が必要だった。そこで葉緑体内でもこのような操作を行う物質があるのではないかと考えた。それとももともと生物体内ではH+が安定な状態なのでしょうか。難しすぎて今回はまともに考察することができませんでした。

Ａ：まあ、今回は量子力学的な反応まで解説した、生物の講義としては特殊なものでしたから。水の電気部会の例で考えてみると、確かに電極の陽極では、２H2O→４e-＋４H+＋O2という反応が起こりますが、水素の発生は、このプロトンが水素になるわけではなく、陰極で別に起こりますよね。ですから、電気分解の場合も、陰極と陽極が別れている限り、生成したプロトンがそのまま水素になるわけではないのです。電池の場合も、水素の発生反応は陰極で起こります。それに対して光合成の酸素発生反応は電子を放出する反応ですから、正極の反応として考えることができます。ですから、ここではプロトンだけがでるわけです。電池では、負極で電子を受け取るのがプロトンであるため、水素が発生して分極が起こりますが、光合成では、最終的に電子を受け取るのはフェレドキシンやNADP+であるので、水素は発生しないわけです。

Ｑ：光化学系Iと光化学系IIは電子伝達成分や酸化還元電位について紅色光合成細菌や光合成細菌が持つ光化学系と似ている。詳しく見ると光化学系Iは酸化還元電位についてほとんど同じだが，光化学系IIは水を酸化するため細菌の光化学系よりも酸化還元電位が上がっている。なぜ，光化学系IIは酸化還元電位を上げることができたのか考察した。
　酸化還元電位が上がるということは光化学系IIが電子を奪いやすくなったといえる。そのための変化として考えられることは，１つ目に構造の変化があげられる。反応中心に電子を伝えるアミノ酸残基の位置関係の変化などにより電子をより伝えやすくなると考えた。２つ目に光化学系IIの成分が変化したということだ。ただ，文献によるとD1，D2の膜貫通5本へリックスは紅色光合成細菌反応中心のL,Mサブユニットと配列も配置も類似（ヴォート生化学下，2005）しているので，一次構造の変化ではなく，酸化還元に関わる金属が変化したのではないかと考えた。

Ａ：光化学系IIがなぜ水を分解するほどの酸化還元電位を持つことができたかについては、現在でも完全にはわかっていません。ただ、酸素発生型の光合成生物のの光化学系IIには、紅色光合成細菌にはないマンガンクラスターが存在しますから、これが第一の原因でしょうね。その意味では、「酸化還元に関わる金属が変化した」というのは、正しいことになります。