中村特別研究室

研究テーマと主要論文

研究テーマ

  1. 光合成Mnクラスターの反応機構解析

 光合成の初期過程を担っている膜蛋白質Photosystem II (PSII)は、チラコイド膜に存在する20個のサブユニット(総分子量350kDa)を持つ複合体蛋白質であり、光エネルギーを利用して水の酸化を行っています。その構造はX線構造結晶解析法で決定され、Protein Data Bank(PDB) に登録されています。この構造から活性中心などの詳細な構造が明らかになっています。

図1 PSIIの構造(PDB-entry: 3ARC  Umena et al., Nature, 273, 55, 2011).

 光エネルギーを利用した水の酸化反応は、PSIIの内部にあるMn4O5Ca錯体と周りの残基の協調により、周期的な5つの状態(S0→S1→S2→S3→S4→S0)を経て行われています。

図1 PSIIの構造(PDB-entry: 3ARC  Umena et al., Nature, 273, 55, 2011).

 具体的には、外部からPSII内部に取り込まれた水分子がMn4O5Ca錯体によって酸化され、酸素分子とプロトン、エレクトロンに分解されます。この時生成された酸素分子はPSIIの外部に放出され、プロトンとエレクトロンはそれぞれATP合成酵素とチトクロムb6fに受け渡され、ATPとNADPHの生成反応に使用されます。以上のような水からのエレクトロンとプロトンへの分離機構は、次世代太陽電池へ応用するととても効果が期待されますが、その詳細はまだ分かっていません。

 そこで、当研究室では量子化学計算やQM分子動力学法、古典分子動力学法などを用いて、PSIIの酸化機構の解明に取り組んでいます。これらの解析により得られた知見を基に、化石燃料に代わる次世代エネルギー関連技術の開発し、現代社会への貢献を考えています。

主要論文

  1. T. Kobayashi, M. Shiga, A. Murakami. S.Nakamura,:

    "Ab initio Study of Ultrafast Photochemical Reaction Dynamics of Phenol Blue"

    J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 6405-6424.

  2. T. Fukaminato, T. Umemoto, Y. Iwata, S. Yokojima, M. Yoneyama, S. Nakamura, M. Irie,:

    "Photochromism of Diarylethene Single Molecules in Polymer Matrices"

    J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 5932-5938.

  3. S. Nakamura, K. Kanda, P. Turcotte, H. Itagaki, M. Mikami, Y. Hara, Y. Saito, K. Sasaki, T. Mastsuoka, M. Teduka, T. Suzuki, Y. Mori, K. Takahara, T. Setoyama,:

    "On the Mechanism of the Beckmann Rearrangement, A Molecular Orbital Study"

    Studies in Surface Science and Catalysis, (Elsevier 2007) vol. 172, 109.

  4. G. Qi, S. Yokojima, T. Kohno, T. Ishida, D. G. Fedorov, K. Kitaura, M. Fujihira, S. Nakamura,:

    "Ab initio NMR chemical shift calculations on proteins using fragment molecular orbitals with electrostatic environment"

    Chem. Phys. Lett., 2007, 445, 331-339.

  5. K. Uchida, N. Izumi, S. Sukata, Y. Kojima, S. Nakamura, M. Irie,:

    "Photoinduced Reversible Formation of Microfibrils on a Photochromic Diarylethene Microcrystalline Surface"

    Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 6470-6473.

  6. Y. Asano, A. Murakami, T. Kobayashi, A. Goldberg, D. Guilaumont, S. Yabushita, M. Irie, S. Nakamura,:

    "Theoretical Study on the Photochromic Cycloreversion Reactions of Dithienylethenes, on the Role of the Conical Intersections"

    J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 12112-12120.

  7. M. Mikami, S. Nakamura,:

    "First-Principles study of salicylideneaniline molecular crystals: Tautomerization reaction involving intermolecular hydrogen bonds"

    Phys. Rev. B, 2004, 69, 134205-1-8.

  8. D. Guillaumont, T. Kobayashi, K. Kanda, H. Miyasaka, K. Uchida, S. Kobatake, K. Shibata, S. Nakamura, M. Irite,:

    "An Ab Initio MO Study of the Photochromic Reaction of Dithenylethenes"

    J. Phys. Chem. A, 2002, 106, 7222.

  9. M. Mikami, S. Nakamura, M. Itoh, K. Nakajima, T. Shishido,:

    "Lattice Dynamics and Dielectric Properties of Yttrium Oxysulfide"

    Phys. Rev. B, 2002, 65, 094302-1-4.

  10. H. Miyasaka, M. Murakami, A. Itaya, D. Guillaumont, S. Nakamura, M. Irie,:

    "Multiphoton Gated Photochromic Reaction in a Diarylethene Derivative"

    J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 753-754.

  11. K. Takahashi, A. Gunji, D. Guillaumont, F. Pichierri, S. Nakamura,:

    "Through-Soace Exciton Coupling and Multimodal Na+/K+ Sensing Properties of Calix[4]areneccrowns with the Thienylene Analogue of para-Terphenoquinone as Chromophore"

    Angew. Chem. Int. Ed., 2000, 39, 2925-2928.

Contact

理化学研究所
産業連携本部
イノベーション推進センター
中村特別研究室

埼玉県和光市広沢2-1
TEL: 048-467-9477
   (内線 3113)
FAX: 048-467-8503

居室 研究本館113号室