RIBULOZA-1,5-BISFOSFAT (RUBP): LASTNOSTI, KARBOLIKSACIJA - KEMIJA - 2025

Ribuloza 1,5-difosfat , navadno skrajšan RuBP, je biološka molekula, ki deluje kot je substrat v Calvinov cikel fotosinteze, pri čemer je molekula, na katerem je pritrjen CO ₂ .

V tem postopku lahko RuBP oksigeniramo ali karboksiliramo, tako da pride do sinteze heksoz in do različnih reakcij do lastne regeneracije (recikliranja). Karboksilacija in oksidacija RuBP poteka z istim encimom: ribuloza-1,5-bisfosfat karboksilaza / oksigenaza (RuBisCO ali Rubisco). Pri regeneraciji te molekule pride do fosforilacije ribuloze-5-fosfata z encimom fosforibulokinaza.

Vir : Benjah-bmm27

značilnosti

RuBP je ketopentozni podobna molekula. Ti monosaharidi so značilni, kot pove njihovo ime, s petimi ogljiki s ketonsko skupino, to je karbonilno skupino v enem od osrednjih ogljikov.

Karbonilna skupina, tako kot v večini ketoz, najdemo pri C2, medtem ko hidroksilne skupine najdemo pri ogljiku C3 in C4. RuBP je derivat ribuloze, kjer imata ogljika C1 in C5 tudi hidroksilne skupine. V RuBP ta ogljika (C1 in C5) aktivirata dve fosfatni skupini, ki se nahajata na ustreznih mestih.

Karboksilacija RuBP

V prvi fazi cikla Calvin encim, imenovan fosforibulokinaza, povzroči fosforilacijo ribuloza-5-fosfata in ustvari RuBP. Kasneje pride do karboksilacije zaradi delovanja encima Rubisco.

V karboksilaciji RuBP deluje kot akceptor CO ₂ in se veže na molekulo, da tvori dve molekuli 3-fosfoglicerata (3PG). Med to reakcijo se tvori endiolatni intermediat s prevzemom protona iz C3 ogljika RuBP.

Endiolate ustvari nukleofilni napad na CO _2, ki tvori P-oksokisline ki jo H hitro napadeni ₂ O na svojem C3 ogljiku. Produkt te napade je podoben reakciji, ki je podobna rupturi aldola, pri čemer nastaneta dve molekuli 3PG, od katerih ena nosi ogljik iz CO ₂ .

Encim Rubisco, ki izvaja to reakcijo, je velik encim, sestavljen iz osmih enakih podenot. Ta encim velja za enega najbolj obilnih beljakovin na zemlji, ki predstavlja približno 15% celotnih beljakovin znotraj kloroplastov.

Kot pove že ime (Ribulose bisfosfat karboksilaza / oksigenaza), lahko Rubisco katalizira karboksilacijo in oksidacijo RuBP, tako da lahko reagira tako s CO ₂ kot O ₂ .

RuBP pri tvorbi glukoze

V zelenih rastlinah fotosinteza v svetlobni fazi proizvaja ATP in NADPH. Te molekule se uporabljajo za izvajanje redukcije CO ₂ in tvorijo reducirane produkte, kot so ogljikovi hidrati, večinoma škrob in celuloza.

Kot smo omenili, se v temni fazi fotosinteze cepitev RuBP zgodi z delovanjem Rubisca v razmerju dveh molekul 3PG, ki jih tvori vsak RuBP. Po zaključku šestih krogov Calvin cikla pride do tvorbe heksoze (npr. Glukoze).

V šestih krogih tega cikla šest molekul CO ₂ reagira s šestimi RuBP in tvori 12 molekul 3PG. Te molekule se pretvorijo v 12 BPG (1,3-bisfosfoglicerat) in nato v 12 GAP.

Od teh 12 molekul GAP je pet izomeriziranih na DHAP, od tega tri reagirajo s še tremi molekulami GAP in tvorijo tri fruktozo-1,6-bisfosfat. Slednji so z delovanjem encima heksosadifosfataza defosforilirani v fruktozo-6-fosfat (F6P).

Nazadnje, glukoz fosfatna izomeraza pretvori eno od treh molekul F6P v glukozo-6-fosfat, ki ga defosforilira s svojo fosfatazo v glukozo in tako zaključi pot tvorbe heksoze iz CO ₂ .

Regeneracija RuBP

V predhodno opisani poti lahko nastale molekule GAP usmerimo proti nastanku heksoze ali proti regeneraciji RuBP. Za vsak obrat temne faze fotosinteze molekula RuBP reagira z enim od CO _2, da končno regenerira RuBP.

Kot je opisano v prejšnjem razdelku, se na vsakih šest obratov cikla Calvin tvori 12 molekul GAP, od tega osem vključenih v tvorbo heksoze, pri regeneraciji RuBP pa so na voljo štiri.

Dva od teh štirih GAP reagirata z dvema F6P skozi delovanje transketolaze, da tvorita dve ksilulozi in dva eritrocita. Slednje se vežejo na dve molekuli DHAP in tvorita dva sedem-ogljikova ogljikova hidrata, sedoheptulozo-1,7-bisfosfat.

Sedoheptuloza-1,7-bisfosfat se defosforilira in nato reagira z zadnjima dvema GAP, da tvorita dve ksilulozi in dve riboze-5-fosfat. Slednji so izomerizirani v ribuloza-5-fosfat. Po drugi strani se ksiluloze z delovanjem epimeraze pretvorijo v še štiri ribuloze.

Končno, šest tvorjenih ribuloz-5-fosfata fosforilira fosforbulokinaza, da nastane šest RuBP.

RuBP lahko oksigeniramo

Fotorespiracija je "lahki" proces dihanja, ki poteka skupaj s fotosintezo, saj je zelo aktiven pri rastlinah tipa C3 in skorajda odsoten pri rastlinah C4. Med tem postopkom se molekule RuBP ne zmanjšajo, zato se ne zgodi biosinteza heksoze, saj se zmanjšana moč preusmeri v zmanjšanje kisika.

Rubisco v tem procesu izvaja svojo aktivnost oksigenaze. Ta encim ima nizko afiniteto do CO ₂ , poleg tega, da ga inhibira molekularni kisik v celicah.

Zaradi tega, ko so celične koncentracije kisika večje od koncentracij CO ₂ , lahko proces fotorespiracije premaga karboksilacijo RuBP s CO ₂ . Sredi 20. stoletja je bilo to dokazano z opazovanjem, da so osvetljene rastline pritrdile O ₂ in sprostile CO ₂ .

V fotorespiracija, RuBP reagira z O ₂ z učinkovanjem RuBisCO, tvori endiolate intermediat, ki proizvaja 3PG in phosphoglycollate. Slednjo hidroliziramo z delovanjem fosfataze, kar povzroči glikolat, ki se naknadno oksidira z vrsto reakcij, ki se pojavijo v peroksisomih in mitohondrijih, na koncu pa pride do CO ₂ .

Mehanizmi za preprečevanje oksigenacije RuBP

Fotorespiracija je mehanizem, ki posega v proces fotosinteze, razveljavi del svojega dela, tako da sprošča CO ₂ in uporablja substrate, potrebne za proizvodnjo heksoz, s čimer upočasni hitrost rasti rastlin.

Nekatere rastline so se uspele izogniti negativnim učinkom oksigenacije RuBP. V rastlinah C4 se na primer zgodi predhodna fiksacija CO ₂ , ki jo koncentriramo v fotosintetske celice.

V tej vrsti rastlin se CO ₂ fiksira v mezofilnih celicah, ki jim manjka Rubisco, s kondenzacijo s fosfoenolpiruvatom (PEP), pri čemer nastane oksaloacetat, ki se pretvori v malat in preide v okoliške celice svežnja, kjer sprosti CO ₂ , končno vstopi v cikel Calvin.

CAM rastline na drugi strani časovno ločujejo fiksiranje CO ₂ in Calvin cikel, to pomeni, da ponoči odpirajo vnos CO ₂ , tako da odpirajo svoje stromete in ga shranijo skozi Presnova maščobne kisline (CAM) s sintezo malata.

Tako kot pri rastlinah C4 tudi malat prehaja v plastne celice svežnja in sprošča CO ₂ .

Reference

1. Berg, JM, Stryer, L., & Tymoczko, JL (2007). Biokemija. Sem obrnil.
2. Campbell, MK, & Farrell, SO (2011). Biokemija. Šesta izdaja. Thomson. Brooks / Cole.
3. Devlin, TM (2011). Učbenik biokemije. John Wiley & Sons.
4. Koolman, J., in Röhm, KH (2005). Biokemija: besedilo in atlas. Panamerican Medical Ed.
5. Mougios, V. (2006). Vaja biokemija. Kinetika človeka.
6. Müller-Esterl, W. (2008). Biokemija. Osnove medicine in življenjskih ved. Sem obrnil.
7. Poortmans, JR (2004). Načela biokemije vadbe. Karger.
8. Voet, D., & Voet, JG (2006). Biokemija. Pan American Medical Ed