Fotosüntees: Calvini tsükkel

1. Fotosüntees: Calvini tsükkel 16.09.2004

2. Järgmine loeng- Mitokondriaalne hingamisahel Enne loengut Meelde tuletada: Membraanilipiidide struktuur Redoksreaktsioonid, redokspotentsiaal Koensüümide NADH ja FADH2 struktuurid

3. Calvini eksperiment: Chlorella kultuuri märgiti 14CO2 abi lühikeste pulssidega ja analüüsiti esimesi CO2 fikseerimise produkte paberkromatograafia ja autoradiograafia abil. glycerate 3-P

4. Fotosüntees- toimub kloroplastides Valgusreaktsioonid + pimereaktsioonid Valgusreaktsioonid: valguse energia salvestamine ATP fosfoanhüdriidsidemete kujul NADPH redutseeriv jõud Valgusreaktsioonides osalevad valgud ja pigmendid, mis asuvad tülakoidi membraanides Pimereaktsioonid- Calvini tsükkel ATP ja NADPH kasutatakse selleks, et fikseerida CO2 ja redutseerida süsinik süsivesiku kujul Calvini tsükli ensüümid paiknevad stroomas, mis on analoogiline kompartment mitokondri maatriksile

5. Photosynthetic electron transport and ATP synthesis light light Fd PQ PC ATP photosystem 2, H2O splitting, LHC cytochrome complex photosystem 1, LHC Fd-NADP reductase 2H+ NADPH 2e Calvin cycle H2O ½ O2 + 2H+ 2H+ lumen pH 4 stroma pH 8 ATPase ADP + Pi 4H+

6. 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

7. 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

8. Taimedes on RuBisCo multimeerne valk koosseisuga L8S8 8 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.

9. 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 multimeerne Substraadi sidumise sait paikneb L subühiku -tünni struktuuri suudmes

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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-fosfoglükolaat Protsess kannab fotorespiratsiooni nime. Selleks et süsinik 2-fosfoglükolaadist tagasi 3-fosfoglütseraadiks konverteerida kulub ATPd ja NADH-d

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

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

16. 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

17. Glütseeraldehüüd-3-fosfaat konverteeritakse tagasi ribuloos-1,5-bisfosfaadiks Kasutatavad ensüümid: trioosfosfaadi isomeraas aldolaas fruktoos bisfosfataas seduheptuloos bisfosfataas transketolaas epimeraas riboosfosfaadi 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

18. 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 C6 C3 + C6 C4 + C5 C3 + C4 C7 C3 + C7 C5 + C5 Kokku 5C3 3C5

19. TI- trioosfosfaaadi isomeraas AL- aldolaas FB- fruktoos-1,6-bisfosfataas SB- seduheptuloos-bisfosfataas TK-transketolaas EP-epimeraas IS-isomeraas PK-fosforibulokinaas

20. KOKKU 3 CO2 + 9 ATP + 6 NADPH glütseeraldehüüd-3-fosfaat + 9 APD + 8Pi + 6NADP+ Taimerakud kasutavad glütseeraldehüüd-3-fosfaati C allikana rasvhapete ja aminohapete sünteesiks

21. Calvini tsükkel on reguleeritud nii, et reaktsioonid toimuvad valges ja on inhibeeritud pimedas, et vältida asjatut futiilse tsükli teket glükolüüsi ja pentoosfosfaadi raja ensüümidega • Stroomas tekib aluseline pH elektronide ülekandeahela töö tagajärjel • aluseline pH aktiveerib RuBisCo, fruktoos-1,6-bisfosfataasi ja sedoheptuloos bisfosfataasi • 2. H+ pumpamine käivitab Mg2+ likumise stroomasse, mis on vajalik RuBisCo aktiivtsentris