Fotosüntees: Calvini tsükkel

16.09.2004

Järgmine loeng- Mitokondriaalne hingamisahel 

Enne loengutMeelde tuletada:

Membraanilipiidide struktuurRedoksreaktsioonid, redokspotentsiaalKoensüümide NADH ja FADH2 struktuurid

glycerate 3-P

Calvini eksperiment:Chlorella kultuuri märgiti 14CO2 abi lühikeste pulssidega ja analüüsiti esimesi CO2 fikseerimise produkte paberkromatograafia ja autoradiograafia abil.

Fotosüntees- toimub kloroplastidesValgusreaktsioonid + pimereaktsioonid

Valgusreaktsioonid: valguse energia salvestamineATP fosfoanhüdriidsidemete kujulNADPH redutseeriv jõud

Valgusreaktsioonides osalevad valgud ja pigmendid, mis asuvad tülakoidi membraanides

Pimereaktsioonid- Calvini tsükkelATP ja NADPH kasutatakse selleks, et fikseerida CO2 ja redutseerida süsinik süsivesiku kujulCalvini tsükli ensüümid paiknevad stroomas, mis on analoogiline kompartment mitokondri maatriksile

cytochrome complex

photosystem 1, LHC

NADPH

ATPase

Fd

PC

H2O ½ O2 + 2H+

2H+

ADP + Pi

ATP

PQ

2H+Calvincycle

stroma pH 8

lumen pH 4

Fd-NADP reductase

light light

photosystem 2, H2O splitting, LHC

Photosynthetic electron transport and ATP synthesis

4H+

2e

Ribuloos bisfosfaadi karboksülaas (RuBP karboksülaas),Katalüüsib CO2 fikseerimist:Ribuloos-1,5-bisfosfaat + CO2 2 3-fosfoglütseraati RuBP (3PG)

Alternatiivina katalüüsib sama ensüüm oksügenaasi reaktsiooni, seetõttu nimetatakse teda RuBP karboksülaas/oksügenaas

(RuBisCO)

RuBisCo on kõige enamlevinud ensüüm Maal

Ribulose-1,5-bisphosphate(RuBP)

OH

H2C

CH

C

C

OHH

H2C OPO32-

OPO32-

O

3-Phosphoglycerate(3PG)

OH

H2C

CH

COO

OPO 32-

-

RuBP karboksülaasi postuleeritud mehhanism:

H+ eemaldamise tulemusel C3 süsiniku küljest moodustub vaheühendina enediolaat

CO2 molekuli nukleofiilne atakk tekitab -ketohappe vormis vaheühendi, mis reageerib veega ja millest selle tulemusel tekib 2 molekuli 3-fosfoglütseraati

O H

H 2 C

CH

C

C

O HH

H 2 C O P O 32

O P O 32

O

O H

H 2 C

CH

C

C

O H

H 2 C O P O 32

O P O 32

O

H +O H

H 2 C

CH

C

C

O

H 2 C O P O 32

O P O 32

H O C O 2

C O 2

O H

H 2 C

CH

C

O P O 32

O O

H 2 O

1

5

4

3

2

r ib u lo se -1 ,5 - e n e d io la te -k e to 3 -p h o sp h o g ly c e ra te b isp h o sp h a te in te rm e d ia te in te rm e d ia te (2 )

Taimedes on RuBisCo multimeerne valk koosseisuga L8S88 suurt subühikut (L, 477 aminohappe jääki)8 väikest subühikut (S, 123 aminohappe jääki)

Mõnedes bakterites on olemas ainult suur subühik, kompleks homodimeer

Suure ja väikese subühiku spetsiifilised funktsioonid pole selged. On võimalik, et subühikute vahelised interaktsioonid reguleerivad katalüüsi.

RuBisCO PDB 1RCX

RuBisCO PDB 1RCX

ribulose-1,5-bisphosphate

PDB 1RCX

2L & 2S subunits

of RuBisCO

RuBisCO L subühikud paiknevad antiparalleelsete dimeeridena, ühe monomeeri N-terminaalne domeen on teise subühiku C-terminaalse domeeni kõrval

Aktiivsaidid paiknevad kahe subühiku vahelisel piirpinnal, mis seletab ka selle, miks on valk multimeerneSubstraadi sidumise sait paikneb L subühiku -tünni struktuuri suudmes

RuBP karboksülaasi aktiivne vorm sisaldab karbamaadina modifitseeritud Lys jääki, mis seob Mg2+ iooni aktiivtsentrisse

Karbamaat omakorda moodustub Mg2+ juuresolekul Lys jäägi -aminorühmaga reaktsioonis HCO3

-ga.

HCO3-, mis tekitab karbamaadi ei ole RUBP karboksülaasi substraat

C a r b a m a t e F o r m a t i o n w i t h R u B P C a r b o x y l a s e A c t i v a t i o n

Ly s N H 3+ Enz

HN C

O

O

+ H C O 3 + H 2 O + H +

RuBP või üleminekuoleku analoogi seondumine RuBP karboksülaasiga tekitab konformatsioonilise muutuse, mille tagajärjel moodustub “suletud” vorm. Suletud vormi aktiivsaidile vesi juurde ei pääse.

RuBisCo võib spontaanselt deaktiveeruda dekarbamoüleerimise tagajärjel

Karbamaati mittesisaldav RuBisCo vorm seob tugevalt ribuloosbisfosfaati aktiivsaiti nn. tupik kompleksi, millel on suletud konformatsioon ja mis on katalüüsis inaktiivne

Selleks, et karbamaat uuesti moodustuks, peab ensüüm võtma avatud konformatsiooni

RuBP karboksülaasi aktivaas- ATP hüdrolüüsiv ensüüm (ATPaas), mis viib RuBP karboksülaasi üle suletud vormist avatud vormi kujule.

Selle tulemusena vabaneb RuBP või mõni teine fosforüülitud suhkur ensüümi aktiivsaidist ning on võimalik karbamaadi moodustumine Lys jäägi külge.

ATP- saadakse eelkõige fotosünteetiliselt, seega on ATP sõltuv RuBisCo aktivatsioon näide valgussõltuvast ensüümi aktivatsioonist

RuBisCo aktivaas on nn. AAA klassi ATPaasi esindaja,. Sellesse klassi kuuluvad paljud tshaperoni aktiivsusega valgud. RuBisCo aktivaas on suur valkkompleks , mis võib aktiveerimise ajal ümbritseda RuBisCo

Fotorespiratsioon

O2 konkureerib CO2-ga RuBisCo aktiivsaiti seondumise pärast, seda eriti juhul kui CO2 kontsentratsioon on madal ja O2 kontsentratioon kõrge.O2 reageerimise tulemusel RBP-ga moodustuvad 3-fosfoglütseraat ja 2C ühend 2-fosfoglükolaatProtsess kannab fotorespiratsiooni nime. Selleks et süsinik 2-fosfoglükolaadist tagasi 3-fosfoglütseraadiks konverteerida kulub ATPd ja NADH-d

OH

H 2 C

CH

COO

OPO 32

H 2 C

C

OPO 32

O O

3 - p h o s p h o - p h o s p h o g l y c o l a t e g l y c e r a t e

Enamik taimi on C3 tüüpi, mis fikseerivad CO2 üle RuBisCo, tekib 3C ühend 3-fosfoglütseraat

Mõned, C4 taimed, fikseerivad CO2 alguses PEP karboksüleerimise teel PEP karboksülaadi abil, tekib 4C ühend oksaalatsetaat

Oksaalatsetaat konverteeritakse teisteks 4C ühenditeks, mis liiguvad fotosünteesivatesse rakkudesse. Seal vabaneb CO2 dekarboksüleerumise teel

O2C C CH2

OPO32

O2C C CH2

O

CO2+ HCO3

+ Pi

phosphoenolpyruvate oxaloacetate (PEP)

PEP Carboxylase

C4 taimedes saavutatakse kõrge CO2/O2 suhe fotosünteesivates rakkudes ja sellega minimaliseeritakse fotorespiratsioon

OH

H 2 C

CH

COO

OPO 32

OH

H 2 C

CH

CO PO 3

2 O

OPO 32

OH

H 2 C

CH

CHO

OPO 32

A T P A D P N A D P H N A D P +

P i

1 , 3 - b i s p h o s p h o - g l y c e r a t e

3 - p h o s p h o - g l y c e r a t e

g l y c e r a l d e h y d e - 3 - p h o s p h a t e

P h o s p h o g l y c e r a t e K i n a s e

G l y c e r a l d e h y d e - 3 - p h o s p h a t e D e h y d r o g e n a s e

Calvini tsükli jätk: Normaalne RuBP karboksülaasi produkt 3-fosfoglütseraat konverteeritakse glütseeraldehüüd 3-fosfaadiksFosfoglütseraadi kinaas katalüüsib Pi ülekannet ATP koosseisust 3-fosfoglütseraadi karboksüülile, tekib 1,3-bisfosfoglütseraat

OH

H 2 C

CH

COO

OPO 32

OH

H 2 C

CH

CO PO 3

2 O

OPO 32

OH

H 2 C

CH

CHO

OPO 32

A T P A D P N A D P H N A D P +

P i

1 , 3 - b i s p h o s p h o - g l y c e r a t e

3 - p h o s p h o - g l y c e r a t e

g l y c e r a l d e h y d e - 3 - p h o s p h a t e

P h o s p h o g l y c e r a t e K i n a s e

G l y c e r a l d e h y d e - 3 - p h o s p h a t e D e h y d r o g e n a s e

Glütseeraldehüüd-3-P dehüdrogenaas katalüüsib 1,3BPG karboksüüli redutseerimist aldehüüdiks koos Pi eraldumisega. Tekib glütseeraldehüüd-3-P

Analoogiline ensüüm katalüüsib pöördreaktsiooni glükolüüsil. Kloroplastis olev dehüdrogenaas kasutab kofaktorina NADPH elektronide doonorina, tsütosoolis kasutatakse aga NADH+ elektronide akseptorina

Glütseeraldehüüd-3-fosfaat konverteeritakse tagasi ribuloos-1,5-bisfosfaadiks

Kasutatavad ensüümid: trioosfosfaadi isomeraas aldolaasfruktoos bisfosfataas seduheptuloos bisfosfataastransketolaas epimeraasriboosfosfaadi isomeraas fosforibulokinaas

Enamus ensüüme meenutavad glükolüüsi, pentoosfosfaadi raja ja glükoneogeneesi raja ensüüme

Erinevalt glükolüüsist jt eelpool mainitud radadest toimub Calvini tsükkel stroomas

Protsess sarnaneb tagurpidi kulgeva pentoosfosfaadi rajaga

Summaarne C liikumine Calvini tsüklis:

3 5-C ribuloos-1,5-bisfosfaati (kokku 15C) karboksüleeritakse (juurde 3C), tehakse katki, fosforüülitakse, redutseeritakse ja defosforüülitakse

Tekib 6 3-C glütseeraldehüüd-3-fosfaati (kokku 18C)

1 3C glütseeraldehüüd 3-fosfaat väljub produktina

5 3-c flütseeraldehüüd-3-fosfaati rtsükleeritakse tagasi 3-ks 5-C ribuloos-1,5-bisfofaadiks.

C3 + C3 C6C3 + C6 C4 + C5C3 + C4 C7C3 + C7 C5 + C5

Kokku 5C3 3C5

TK

EP

PK

glyceraldehyde-3-P dihydroxyacetone-P

fructose-6-P

xyulose-5-P + erythrose-4-P

sedoheptulose-7-P

xylulose-5-P + ribose-5-P

(3) ribulose-5-P

(3) ribulose-1,5-bis-P

TI

TK

AL, FB

IS

AL, SB

TI- trioosfosfaaadi isomeraasAL- aldolaasFB- fruktoos-1,6-bisfosfataasSB- seduheptuloos-bisfosfataasTK-transketolaasEP-epimeraasIS-isomeraasPK-fosforibulokinaas

KOKKU

g l y c e r a l d e h y d e - 3 - p h o s p h a t e

OH

H 2 C

CH

CHO

OPO 32 OCO

c a r b o n d i o x i d e

3 CO2 + 9 ATP + 6 NADPH glütseeraldehüüd-3-fosfaat + 9 APD + 8Pi + 6NADP+

Taimerakud kasutavad glütseeraldehüüd-3-fosfaati C allikana rasvhapete ja aminohapete sünteesiks

Calvini tsükkel on reguleeritud nii, et reaktsioonid toimuvad valges ja on inhibeeritud pimedas, et vältida asjatut futiilse tsükli teket glükolüüsi ja pentoosfosfaadi raja ensüümidega

1. Stroomas tekib aluseline pH elektronide ülekandeahela töö tagajärjelaluseline pH aktiveerib RuBisCo, fruktoos-1,6-bisfosfataasi

ja sedoheptuloos bisfosfataasi

2. H+ pumpamine käivitab Mg2+ likumise stroomasse, mis on vajalik RuBisCo aktiivtsentris