In the higher plants, primary processes of photosynthesis can be divided into two steps; photoabsorption in the light harvesting antenna and electron transfer reaction in the reaction center. The light energy absorbed in the antenna is transported into the reaction center by multi-step excitation energy transfer reactions.
Under conditions of excess sunlight, the light-harvesting antenna is rapidly and reversibly switched into a photoprotected quenched state in which potentially harmful excess absorbed energy (qE) is dissipated as heat. All of the physiological characteristics of qE have been positively correlated with charge transfer between coupled chlorophyll and Zeaxanthin molecules in the light-harvesting antenna of Photosystem Ⅱ(PSⅡ). However, detailed information of the quenching mechanisms and the position of the reaction in PSⅡ has not yet clarified.
In the present paper, the photoprotective process of the minor antenna complex, CP29, was investigated by means of ultrafast laser spectroscopy. The direct detection of reaction profiles revealed that the electron transfer between the excited Chlorophyll and Zeaxanthin and infrequent charge recombination actually take place in picoseconds time domain. In addition, by using mutant CP29, the authors specified the position of the reaction taking place at strongly coupled chlorophyll dimmer close to Zeaxanthin.
植物における光合成初期過程は、光吸収を行うアンテナと、吸収した光エネルギーをアンテナから励起エネルギー移動によって受け取り、電子移動反応を行う反応中心の二つの部位で進行する。アンテナでは太陽光が非常に強い場合、光エネルギーを熱として散逸し、反応中心への励起エネルギー移動を行わない状態に迅速かつ可逆的に変化する。このことによって、反応中心の損傷を防いでいる。この保護機能は光化学系Ⅱの光捕集アンテナに存在するクロロフィルとゼアキサンチン間での電荷移動が関係していることが示唆されている。しかし、詳細な反応機構、および部位の特定はなされていない。
本論文では、フェムト秒時間分解分光によって光化学系Ⅱに属する微小アンテナであるCP29についての保護機能が電荷移動により行われることを明らかにしている。さらに、電荷移動反応の部位の特定を行うため、CP29中に存在するクロロフィルを各々取り除いた変性CP29の合成を行い反応挙動を測定した。その結果、ゼアキサンチンとクロロフィルの励起状態が非局在化した二量体状態間で電荷移動行うことが明らかとなった。