シトクロムb6f複合体

シトクロムb6f複合体

シトクロムb6f複合体（英: cytochrome b6f complex、略称: Cyt b6f）は、植物の葉緑体、シアノバクテリア、緑藻といった光合成生物のチラコイド膜上に存在する重要な膜タンパク質複合体です。別名としてプラストキノール-プラストシアニンレダクターゼ（EC 7.1.1.6）とも呼ばれ、プラストキノールからプラストシアニンへの電子伝達反応を触媒します。この反応は、ミトコンドリアの呼吸鎖においてシトクロムbc1複合体（複合体III）が触媒する電子伝達と類似性が見られます。

光合成におけるこの複合体の主な役割は、光化学系IIで生成された電子を光化学系Iへと橋渡しすることです。この電子伝達の過程で、ストロマ（葉緑体の内側の液体部分）からチラコイド内腔へとプロトン（水素イオン）を輸送し、膜を隔てたプロトン濃度勾配（電気化学的勾配）を形成します。このエネルギー勾配は、後にATP合成酵素によって利用され、光合成に必要なエネルギー通貨であるATPの合成を駆動します。

構造

シトクロムb6f複合体は機能的に二量体として存在し、各単量体は8種類の異なるサブユニットから構成されています。これには、c型ヘムを持つシトクロムf（約32 kDa）、2つのヘムbを持つシトクロムb6（約25 kDa）、鉄硫黄クラスターを含むリスケタンパク質（約19 kDa）、そしてサブユニットIV（約17 kDa）という比較的大きな4つのサブユニットが含まれます。これらに加えて、PetG、PetL、PetM、PetNと呼ばれる小型の4つのサブユニット（3-4 kDa）も組み込まれています。全体の分子量は二量体として約217 kDaになります。その立体構造は、特定の緑藻やシアノバクテリア由来のものがX線結晶構造解析によって詳細に決定されています。

この複合体のコア構造は、ミトコンドリアのシトクロムbc1複合体と多くの共通点を持っています。特に、シトクロムb6とサブユニットIVはシトクロムbに、リスケ鉄硫黄タンパク質は両複合体で構造および機能が似ています。しかし、シトクロムfはシトクロムc1とは相同性を持たず、この点が構造的な違いの一つです。

シトクロムb6f複合体には、合計で7種類の補欠分子族が結合しています。そのうち4種類（シトクロムfのヘムc、シトクロムb6の2つのヘムb、リスケタンパク質の[2Fe-2S]クラスター）はシトクロムbc1複合体と共通です。一方、この複合体に固有の補欠分子族として、クロロフィルa、β-カロテン、そしてヘムcn（ヘムx）の3種類が存在します。複合体の内部空間の一部は脂質で満たされており、これが複合体内の電子伝達方向の制御に関与していると考えられています。

生物学的機能

光合成の電子伝達において、シトクロムb6f複合体は光化学系IIと光化学系Iの間で電子とエネルギーの伝達を仲介する中心的な役割を担います。これにより、チラコイド膜を介したプロトンの輸送が起こり、ストロマから内腔へのプロトン勾配が形成され、この勾配のエネルギーを利用してATP合成が駆動されます。

また、シトクロムb6f複合体は、非循環的電子伝達だけでなく、循環的光リン酸化においても重要な機能を果たします。還元型フェレドキシンからの電子を受け取り、これをプラストキノンへ渡すことで、光化学系Iを介した循環的な電子の流れを生み出します。このサイクルは、光合成で必要とされるATPとNADPHの生成比率を適切に維持するために不可欠であり、炭素固定を効率的に行う上で重要な役割を担っています。

さらに、複合体の内腔側（pサイド）で起こるプラストキノールの脱プロトン化・酸化反応が、活性酸素種の生成に関与している可能性も指摘されています。特に、キノール酸化部位に結合するクロロフィル分子が、光エネルギーの利用とは異なる構造的な役割を通じて活性酸素種の生成率を高めていると考えられており、これは細胞内の酸化還元状態を感知するシグナル伝達と関連している可能性が示唆されています。

反応機構

シトクロムb6f複合体は、プラストキノール（QH2）とプラストシアニン（Pc）という可動性のある酸化還元キャリア間での電子伝達を触媒します。これには、ATP合成に直接寄与する非循環的電子伝達と、ATP合成比率の調整に関わる循環的電子伝達があります。

非循環的電子伝達では、QH2からの電子をPcへ渡し、同時に2つのプロトンをストロマからチラコイド内腔へ輸送します。この機構は、シトクロムbc1複合体と同様にQサイクルと呼ばれる巧妙なプロセスで行われます。Qサイクルでは、QH2が酸化される際に放出される2つの電子が、高電位経路と低電位経路という二つの経路に分岐して流れます。

Qサイクルの前半では、QH2が内腔側（pサイド）に結合し、まず1つの電子を高電位経路（リスケ鉄硫黄中心を経てシトクロムf、最終的にPcへ）に渡してセミキノン（SQ）となり、同時にQH2分子内の2つのプロトンを内腔に放出します。一方、SQから放出された別の電子は低電位経路（シトクロムb6のヘムbp、ヘムbnを経て）を流れ、ストロマ側（nサイド）で結合したプラストキノン（Q）を1電子還元してセミキノンとします。

Qサイクルの後半では、2つ目のQH2がpサイドに結合し、同様に高電位経路を通じて別のPcを還元し、さらに2つのプロトンを内腔に放出します。低電位経路では、以前にnサイドで生成されたセミキノンがヘムbnからの2つ目の電子を受け取り、完全に還元されたQ2−となります。このQ2−がストロマから2つのプロトンを取り込むことで、最終的にQH2が再生されます。こうして、Qサイクル1回転につき2分子のQH2が酸化され、1分子のQと1分子のQH2が再生されるとともに、4つのプロトンが内腔へ輸送されます。

一方、循環的電子伝達では、フェレドキシンからプラストキノンへの電子移動が起点となります。還元されたプラストキノンがシトクロムb6f複合体に入り、プラストシアニンを還元します。還元されたプラストシアニンは光化学系IのP700+を還元します。このサイクルには、Qサイクルでは必須ではないヘムcn（ヘムx）が関与している可能性が提唱されており、フェレドキシンからの電子を受け取り、プラストキノン還元に利用される経路の一部を担っていると考えられています。

これらの電子伝達機構を通じて、シトクロムb6f複合体は光合成におけるエネルギー変換効率と調節に不可欠な役割を果たしています。

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