RuBisCO

RuBisCO ist eines von vielen Enzymen im Calvin-Zyklus. Wenn Rubisco den Angriff von CO2 am C2-Kohlenstoff von RuBP und die anschließende Bindungsspaltung zwischen dem C3- und C2-Kohlenstoff ermöglicht, werden 2 Moleküle Glycerat-3-Phosphat gebildet. Die Umwandlung umfasst folgende Schritte: Enolisierung, Carboxylierung, Hydratisierung, C-C-Bindungsspaltung und Protonierung.

SubstrateBearbeiten

Substrate für RuBisCO sind Ribulose-1,5-bisphosphat und Kohlendioxid (im Unterschied zum „aktivierenden“ Kohlendioxid). RuBisCO katalysiert auch eine Reaktion von Ribulose-1,5-bisphosphat und molekularem Sauerstoff (O
2) anstelle von Kohlendioxid (CO
2). Die Unterscheidung zwischen den Substraten CO2 und O2 wird auf die unterschiedlichen Wechselwirkungen der Quadrupolmomente der Substrate und einen hohen elektrostatischen Feldgradienten zurückgeführt. Dieser Gradient wird durch die Dimerform des minimal aktiven RuBisCO erzeugt, das mit seinen beiden Komponenten eine Kombination aus entgegengesetzt geladenen Domänen bietet, die für die Interaktion des Enzyms mit O2 und CO
2 erforderlich ist. Diese Bedingungen tragen dazu bei, die niedrige Umsatzrate von RuBisCO zu erklären: Um die Stärke des elektrischen Feldes zu erhöhen, das für eine ausreichende Wechselwirkung mit den Quadrupolmomenten der Substrate erforderlich ist, müssen die C- und N-terminalen Segmente des Enzyms verschlossen werden, wodurch das aktive Zentrum vom Lösungsmittel isoliert wird und die Dielektrizitätskonstante sinkt. Diese Isolierung ist mit erheblichen entropischen Kosten verbunden und führt zu einer schlechten Umsatzrate.

Bindung RuBPEdit

Die Carbamylierung der ε-Aminogruppe von Lys201 wird durch die Koordination mit Mg2+ stabilisiert. Diese Reaktion beinhaltet die Bindung der Carboxylat-Termini von Asp203 und Glu204 an das Mg2+-Ion. Das Substrat RuBP bindet Mg2+ und verdrängt dabei zwei der drei Aquoliganden.

EnolisierungEdit

Enolisierung von RuBP ist die Umwandlung des Keto-Tautomers von RuBP in ein Enediol(ate). Die Enolisierung wird durch Deprotonierung an C3 eingeleitet. Die Enzymbase in diesem Schritt ist umstritten, aber die in den Kristallstrukturen beobachteten sterischen Beschränkungen machen Lys201 zum wahrscheinlichsten Kandidaten. Insbesondere der Carbamatsauerstoff auf Lys201, der nicht mit dem Mg-Ion koordiniert ist, deprotoniert den C3-Kohlenstoff von RuBP, um ein 2,3-Enediolat zu bilden.

CarboxylierungEdit

Die Carboxylierung des 2,3-Enediols führt zu dem Zwischenprodukt 3-Keto-2′-Carboxyarabinitol-1,5-bisphosphat, und Lys334 ist so positioniert, dass es die Zugabe des CO2-Substrats erleichtert, da es das dritte Mg2+-koordinierte Wassermolekül ersetzt und direkt an das Enediol addiert. Bei diesem Prozess wird kein Michaelis-Komplex gebildet. Die Hydratisierung dieses Ketons führt zu einer zusätzlichen Hydroxygruppe an C3, wodurch ein gem-Diol-Zwischenprodukt entsteht. Carboxylierung und Hydratisierung wurden entweder als ein einziger konzertierter Schritt oder als zwei aufeinander folgende Schritte vorgeschlagen. Der konzertierte Mechanismus wird durch die Nähe des Wassermoleküls zu C3 von RuBP in mehreren Kristallstrukturen unterstützt. In der Spinatstruktur sind andere Reste gut platziert, um den Hydratationsschritt zu unterstützen, da sie sich in Wasserstoffbrückenbindungsdistanz zum Wassermolekül befinden.

C-C-BindungsspaltungEdit

Das gem-Diol-Zwischenprodukt spaltet sich an der C2-C3-Bindung, um ein Molekül Glycerat-3-Phosphat und ein negativ geladenes Carboxylat zu bilden. Die stereospezifische Protonierung von C2 dieses Carbanions führt zu einem weiteren Molekül Glycerat-3-phosphat. Es wird angenommen, dass dieser Schritt durch Lys175 oder möglicherweise durch das carbamylierte Lys201 erleichtert wird.

ProdukteBearbeiten

Wenn Kohlendioxid das Substrat ist, ist das Produkt der Carboxylase-Reaktion ein instabiles phosphoryliertes Zwischenprodukt mit sechs Kohlenstoffatomen, das als 3-Keto-2-Carboxyarabinitol-1,5-bisphosphat bekannt ist und schnell in zwei Moleküle Glycerat-3-phosphat zerfällt. Das 3-Phosphoglycerat kann zur Herstellung größerer Moleküle wie Glucose verwendet werden.

Rubisco-Nebenaktivitäten können zu nutzlosen oder hemmenden Nebenprodukten führen; ein solches Produkt ist Xylulose-1,5-bisphosphat, das die Rubisco-Aktivität hemmt.

Wenn molekularer Sauerstoff das Substrat ist, sind die Produkte der Oxygenase-Reaktion Phosphoglycolat und 3-Phosphoglycerat. Phosphoglykolat wird durch eine Abfolge von Reaktionen recycelt, die als Photorespiration bezeichnet wird und an der Enzyme und Cytochrome in den Mitochondrien und Peroxisomen beteiligt sind (dies ist ein Fall von Metabolitenreparatur). Bei diesem Prozess werden zwei Moleküle Phosphoglykolat in ein Molekül Kohlendioxid und ein Molekül 3-Phosphoglyzerat umgewandelt, die in den Calvin-Zyklus zurückkehren können. Ein Teil des Phosphoglykolats, das in diesen Stoffwechselweg gelangt, kann von den Pflanzen zurückgehalten werden, um andere Moleküle wie Glycin zu produzieren. Bei Umgebungskonzentrationen von Kohlendioxid und Sauerstoff ist das Verhältnis der Reaktionen etwa 4 zu 1, was zu einer Netto-Kohlendioxidfixierung von nur 3,5 führt. Die Unfähigkeit des Enzyms, die Reaktion mit Sauerstoff zu verhindern, schränkt die Photosynthesekapazität vieler Pflanzen also stark ein. Einige Pflanzen, viele Algen und photosynthetische Bakterien haben diese Einschränkung überwunden, indem sie Mittel entwickelt haben, um die Konzentration von Kohlendioxid in der Umgebung des Enzyms zu erhöhen, einschließlich C4-Kohlenstofffixierung, Crassulaceen-Säurestoffwechsel und die Verwendung von Pyrenoid.

Geschwindigkeit der enzymatischen AktivitätBearbeiten

Einige Enzyme können Tausende von chemischen Reaktionen pro Sekunde durchführen. RuBisCO ist jedoch langsam und fixiert nur 3-10 Kohlendioxidmoleküle pro Sekunde pro Enzymmolekül. Die von RuBisCO katalysierte Reaktion ist somit der primäre geschwindigkeitsbeschränkende Faktor des Calvin-Zyklus während des Tages. Dennoch reagiert die Geschwindigkeit von RuBisCO unter den meisten Bedingungen und wenn das Licht die Photosynthese nicht anderweitig begrenzt, positiv auf eine steigende Kohlendioxidkonzentration.

RuBisCO ist normalerweise nur tagsüber aktiv, da Ribulose-1,5-bisphosphat im Dunkeln nicht regeneriert wird. Dies ist auf die Regulierung mehrerer anderer Enzyme im Calvin-Zyklus zurückzuführen. Darüber hinaus wird die Aktivität von RuBisCO mit der der anderen Enzyme des Calvin-Zyklus auf verschiedene andere Arten koordiniert:

Durch IonenEdit

Bei Beleuchtung der Chloroplasten steigt der pH-Wert des Stromas von 7,0 auf 8,0 aufgrund des Protonengradienten (Wasserstoffionen, H+
), der durch die Thylakoidmembran entsteht. Die Bewegung der Protonen in die Thylakoide wird durch Licht angetrieben und ist für die ATP-Synthese in den Chloroplasten von grundlegender Bedeutung (Weitere Informationen: Photosynthetisches Reaktionszentrum; Lichtabhängige Reaktionen). Um das Ionenpotential an der Membran auszugleichen, wandern Magnesiumionen (Mg2+
) aus den Thylakoiden und erhöhen die Magnesiumkonzentration im Stroma der Chloroplasten. RuBisCO hat einen hohen optimalen pH-Wert (kann je nach Magnesiumionenkonzentration >9,0 betragen) und wird daher durch das Einbringen von Kohlendioxid und Magnesium in die aktiven Stellen wie oben beschrieben „aktiviert“.

Durch RuBisCO-AktivaseBearbeiten

In Pflanzen und einigen Algen wird ein weiteres Enzym, die RuBisCO-Aktivase (Rca, GO:0046863, P10896), benötigt, um die schnelle Bildung des kritischen Carbamats im aktiven Zentrum von RuBisCO zu ermöglichen. Dies ist erforderlich, weil Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP) bei Vorhandensein von überschüssigem Carbamat stärker an die aktiven Stellen von RuBisCO bindet und so verhindert, dass die Prozesse voranschreiten. Im Licht fördert die RuBisCO-Activase die Freisetzung des hemmenden (oder – wie manche meinen – speichernden) RuBP von den katalytischen Stellen von RuBisCO. In einigen Pflanzen (z. B. Tabak und vielen Bohnen) ist die Activase ebenfalls erforderlich, da RuBisCO bei Dunkelheit durch einen von diesen Pflanzen synthetisierten kompetitiven Inhibitor, ein Substratanalogon 2-Carboxy-D-arabitinol-1-Phosphat (CA1P), gehemmt (oder vor Hydrolyse geschützt) wird. CA1P bindet sich eng an das aktive Zentrum von carbamyliertem RuBisCO und hemmt die katalytische Aktivität in noch stärkerem Maße. CA1P hält RuBisCO auch in einer Konformation, die vor Proteolyse geschützt ist. Im Licht fördert die RuBisCO-Aktivase auch die Freisetzung von CA1P aus den katalytischen Stellen. Nachdem das CA1P aus RuBisCO freigesetzt wurde, wird es durch eine lichtaktivierte CA1P-Phosphatase rasch in eine nicht hemmende Form umgewandelt. Auch ohne diese starken Inhibitoren werden alle paar hundert Reaktionen die normalen Reaktionen mit Kohlendioxid oder Sauerstoff nicht abgeschlossen; es werden immer noch andere hemmende Substratanaloga im aktiven Zentrum gebildet. Auch hier kann RuBisCO-Activase die Freisetzung dieser Analoga aus den katalytischen Stellen fördern und das Enzym in katalytisch aktiver Form erhalten. Bei hohen Temperaturen jedoch aggregiert die RuBisCO-Aktivase und kann RuBisCO nicht mehr aktivieren. Dies trägt zu der bei Hitzestress beobachteten verminderten Carboxylierungskapazität bei.

Durch ATP/ADP und den stromalen Reduktions-/Oxidationszustand durch die AktivaseEdit

Die Entfernung des hemmenden RuBP, CA1P und der anderen hemmenden Substratanaloga durch die Aktivase erfordert den Verbrauch von ATP. Diese Reaktion wird durch die Anwesenheit von ADP gehemmt, so dass die Aktivaseaktivität vom Verhältnis dieser Verbindungen im Chloroplastenstroma abhängt. Darüber hinaus wird in den meisten Pflanzen die Empfindlichkeit der Aktivase gegenüber dem ATP/ADP-Verhältnis durch den stromalen Reduktions-/Oxidationszustand (Redox) über ein anderes kleines regulatorisches Protein, Thioredoxin, verändert. Auf diese Weise können die Aktivität der Aktivase und der Aktivierungszustand von RuBisCO als Reaktion auf die Lichtintensität und damit die Rate der Bildung des Substrats Ribulose-1,5-bisphosphat moduliert werden.

Durch PhosphatEdit

In Cyanobakterien ist anorganisches Phosphat (Pi) ebenfalls an der koordinierten Regulierung der Photosynthese beteiligt: Pi bindet an die aktive Stelle von RuBisCO und an eine andere Stelle der großen Kette, wo es Übergänge zwischen aktivierten und weniger aktiven Konformationen des Enzyms beeinflussen kann. Auf diese Weise könnte die Aktivierung von bakteriellem RuBisCO besonders empfindlich auf den Pi-Gehalt reagieren, was dazu führen könnte, dass es sich ähnlich verhält wie die RuBisCO-Aktivase in höheren Pflanzen.

Durch KohlendioxidEdit

Da Kohlendioxid und Sauerstoff an der aktiven Stelle von RuBisCO konkurrieren, kann die Kohlenstofffixierung durch RuBisCO durch eine Erhöhung des Kohlendioxidgehalts in dem Kompartiment, das RuBisCO enthält (Chloroplastenstroma), verstärkt werden. Im Laufe der Evolution der Pflanzen haben sich mehrfach Mechanismen zur Erhöhung des Kohlendioxidgehalts im Stroma entwickelt (siehe C4-Kohlenstofffixierung). Die Verwendung von Sauerstoff als Substrat scheint ein rätselhafter Prozess zu sein, da er die gewonnene Energie zu vergeuden scheint. Möglicherweise handelt es sich jedoch um einen Mechanismus zur Verhinderung einer Kohlenhydratüberladung in Zeiten hohen Lichtstroms. Diese Schwäche des Enzyms ist die Ursache für die Photorespiration, die dazu führt, dass gesunde Blätter bei hellem Licht keine Nettokohlenstofffixierung aufweisen, wenn sich das Verhältnis von O
2 zu CO
2, das RuBisCO zur Verfügung steht, zu weit in Richtung Sauerstoff verschiebt. Dieses Phänomen ist in erster Linie temperaturabhängig: Hohe Temperaturen können die Konzentration von CO
2, das in der Feuchtigkeit des Blattgewebes gelöst ist, verringern. Dieses Phänomen hängt auch mit Wasserstress zusammen: Da Pflanzenblätter durch Verdunstung gekühlt werden, führt Wassermangel zu hohen Blatttemperaturen. C4-Pflanzen verwenden zunächst das Enzym PEP-Carboxylase, das eine höhere Affinität für CO
2 hat. Bei diesem Prozess wird zunächst eine 4-Kohlenstoff-Zwischenverbindung hergestellt, die in einen Ort der C3-Photosynthese verlagert und dann de-carboxyliert wird, wobei CO
2 freigesetzt wird, um die CO
2-Konzentration zu erhöhen, daher der Name C4-Pflanzen.

Die Pflanzen des Gras-Säure-Stoffwechsels (CAM) halten ihre Spaltöffnungen tagsüber geschlossen, was zwar Wasser spart, aber verhindert, dass die lichtunabhängigen Reaktionen (auch bekannt als Calvin-Zyklus) stattfinden, da diese Reaktionen CO
2 benötigen, um im Gasaustausch durch diese Öffnungen zu gelangen. Die Verdunstung durch die Oberseite eines Blattes wird durch eine Wachsschicht verhindert

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