Kinetyczne efekty izotopowe RuBisCO
Kinetyczny efekt izotopowy (KIE) oksygenazy karboksylazy rybulozo-1,5-bisfosforanowej ( RuBisCO ) to frakcjonowanie izotopowe związane wyłącznie z etapem cyklu Calvina-Bensona , w którym cząsteczka dwutlenku węgla (CO 2 ) jest przyłączona do 5 -węglowego cukru rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBP) do produkcji dwóch 3-węglowych cukrów zwanych 3-fosfoglicerynianem (3 PGA). Ta reakcja chemiczna jest katalizowana przez enzym RuBisCO, a ta katalizowana przez enzym reakcja tworzy główny kinetyczny efekt izotopowy fotosyntezy . Jest również w dużej mierze odpowiedzialny za skład izotopowy organizmów fotosyntetyzujących i jedzących je heterotrofów . Zrozumienie wewnętrznego KIE RuBisCO jest interesujące dla naukowców zajmujących się Ziemią , botaników i ekologów , ponieważ ta biosygnatura izotopowa może być wykorzystana do rekonstrukcji ewolucji fotosyntezy i wzrostu ilości tlenu w zapisów geologicznych , zrekonstruować przeszłe relacje ewolucyjne i warunki środowiskowe oraz wywnioskować relacje między roślinami i produktywność we współczesnych środowiskach.
Szczegóły reakcji i energetyka
Wiązanie CO 2 przez RuBisCO jest procesem wieloetapowym. Po pierwsze, cząsteczka CO 2 (która nie jest cząsteczką CO 2 , która ostatecznie zostaje utrwalona) przyłącza się do nienaładowanej grupy ε-aminowej lizyny 201 w miejscu aktywnym, tworząc karbaminian. Ten karbaminian następnie wiąże się z jonem magnezu (Mg 2+ ) w miejscu aktywnym RuBisCO . Cząsteczka RuBP wiąże się następnie z jonem Mg 2+ . Związany RuBP następnie traci proton, tworząc reaktywne formy enodiolanowe. Krokiem ograniczającym szybkość cyklu Calvina-Bensona jest dodanie CO2 do tej 2,3-enediolowej postaci RuBP. Jest to etap, w którym występuje wewnętrzne KIE Rubisco, ponieważ tworzy się nowe wiązanie CC. Nowo utworzona cząsteczka 1,5-bisfosforanu 2-karboksy-3-keto-D-arabinitolu jest następnie uwodniona i rozszczepiona, tworząc dwie cząsteczki 3-fosfoglicerynianu (3 PGA). 3 PGA jest następnie przekształcany w heksozy do wykorzystania w centralnym metabolizmie organizmu fotosyntetyzującego.
Podstawienia izotopowe, które mogą wystąpić w tej reakcji, dotyczą węgla, tlenu i / lub wodoru, chociaż obecnie obserwuje się tylko znaczący efekt izotopowy w przypadku podstawienia izotopu węgla. Izotopy to atomy, które mają taką samą liczbę protonów, ale różną liczbę neutronów. „Lżejsze” izotopy (takie jak stabilny węgla-12 ) mają mniejszą masę całkowitą, a „cięższe” izotopy (takie jak stabilny izotop węgla-13 lub radioaktywny izotop węgla-14 ) mają większą masę całkowitą. Geochemia izotopów stabilnych zajmuje się tym, jak różne procesy chemiczne i fizyczne preferencyjnie wzbogacają lub wyczerpują stabilne izotopy. Enzymy takie jak RuBisCO powodują frakcjonowanie izotopowe, ponieważ cząsteczki zawierające lżejsze izotopy mają wyższe energie punktu zerowego (ZPE), najniższy możliwy stan energii kwantowej dla danego układu molekularnego. W przypadku tej reakcji 13 CO 2 ma niższy ZPE niż 12 CO 2 i znajduje się niżej w studni energii potencjalnej reagentów. Kiedy enzymy katalizują reakcje chemiczne, lżejszy izotop jest wybierany preferencyjnie, ponieważ ma niższą energię aktywacji, a zatem jest bardziej energetycznie korzystny do pokonania stanu przejściowego o wysokim potencjale i energii i przejścia przez reakcję. Tutaj 12 CO 2 ma niższą energię aktywacji, więc więcej 12 CO 2 niż 13 CO 2 przechodzi przez reakcję, w wyniku czego produkt (3 PGA) jest lżejszy.
Kompromisy ekologiczne wpływają na efekty izotopowe
Zaobserwowane wewnętrzne KIE RuBisCO zostały skorelowane z dwoma aspektami kinetyki jego enzymu : 1) Jego „specyficznością” dla CO 2 w stosunku do O 2 i 2) Szybkością karboksylacji.
Swoistość (S C/O )
Reaktywne gatunki enodiolanów są również wrażliwe na tlen (O 2 ), co skutkuje podwójną aktywnością karboksylazy / oksygenazy RuBisCO. Ta reakcja jest uważana za marnotrawną, ponieważ wytwarza produkty (3-fosfoglicerynian i 2-fosfoglikolan), które muszą być katabolizowane przez fotooddychanie . Proces ten wymaga energii i jest straconą szansą na wiązanie CO2 , co skutkuje utratą netto wydajności wiązania węgla przez organizm. Podwójna aktywność karboksylazy / oksygenazy RuBisCO jest zaostrzona przez fakt, że O 2 i CO 2 to małe, stosunkowo nie do odróżnienia cząsteczki, które mogą wiązać się słabo, jeśli w ogóle, w kompleksach Michaelisa-Mentena. Istnieją cztery formy RuBisCO (forma I, II, III i IV), przy czym forma I jest najczęściej używaną formą. Forma I jest szeroko stosowana przez rośliny wyższe , glony eukariotyczne , cyjanobakterie i Pseudomonadota (dawniej proteobakterie). Forma II jest również używana, ale znacznie mniej rozpowszechniona i można ją znaleźć u niektórych gatunków Pseudomonadota i wiciowców . RuBisCO z różnych organizmów fotosyntetyzujących wykazują różne zdolności rozróżniania CO 2 i O 2 . Właściwość tę można określić ilościowo i nazywa się ją „specyficznością” (Sc /o ). Wyższa wartość Sc /o oznacza, że aktywność karboksylazy RuBisCO jest większa niż aktywność oksygenazy.
Szybkość karboksylacji (V C ) i stała Michaelisa-Mentena (K C )
Szybkość karboksylacji (V C ) to szybkość, z jaką RuBisCO wiąże CO2 z RuBP w warunkach nasycenia substratu. Wyższa wartość V C odpowiada wyższej szybkości karboksylacji. Tę szybkość karboksylacji można również przedstawić za pomocą jej stałej Michaelisa-Mentena Kc , przy czym wyższa wartość Kc odpowiada wyższej szybkości karboksylacji. V C jest reprezentowane przez Vmax , a K C jest reprezentowane przez KM w uogólnionej krzywej Michaelisa-Mentena. Chociaż szybkość karboksylacji różni się w zależności od typu RuBisCO, RuBisCO wiąże średnio tylko trzy cząsteczki CO 2 na sekundę. Jest to niezwykle powolne w porównaniu z typowymi szybkościami katalitycznymi enzymów, które zwykle katalizują reakcje z szybkością tysięcy cząsteczek na sekundę.
Wzorce filogenetyczne
Zaobserwowano wśród naturalnych RuBisCO, że zwiększona zdolność rozróżniania CO 2 i O 2 (większe wartości S c/o ) odpowiada zmniejszonej szybkości karboksylacji (niższe wartości V C i K C ). Zmienność i kompromis między S c / o i K C zaobserwowano we wszystkich organizmach fotosyntetyzujących, od bakterii fotosyntetyzujących i alg po rośliny wyższe. Organizmy wykorzystujące RuBisCO o wysokich wartościach V C / K C i niskich wartościach S c/o zlokalizowali RuBisCO w obszarach wewnątrz komórki ze sztucznie wysokimi lokalnymi stężeniami CO 2 . U cyjanobakterii stężenie CO 2 zwiększa się za pomocą karboksysomu , dwudziestościennego przedziału białkowego o średnicy około 100 nm, który selektywnie wychwytuje wodorowęglan i przekształca go w CO 2 w obecności RuBisCO. Organizmy bez CCM, takie jak niektóre rośliny, zamiast tego wykorzystują RuBisCO o wysokich wartościach S c / o i niskich wartościach V C i K C . Wysunięto teorię, że grupy z CCM były w stanie zmaksymalizować K C kosztem zmniejszenia S c/o , ponieważ sztuczne zwiększenie stężenia CO 2 obniżyłoby stężenie O 2 i wyeliminowałoby potrzebę wysokiej specyficzności CO 2 . Jednakże sytuacja jest odwrotna w przypadku organizmów bez CCM, które muszą optymalizować S c/o kosztem K C , ponieważ O 2 jest łatwo obecny w atmosferze.
Ten kompromis między S c / o a V C lub K C obserwowany w istniejących organizmach sugeruje, że RuBis CO ewoluował w czasie geologicznym, aby być maksymalnie zoptymalizowany w obecnym, nowoczesnym środowisku. RuBisCO wyewoluował ponad 2,5 miliarda lat temu, kiedy stężenie CO 2 w atmosferze było od 300 do 600 razy wyższe niż obecnie, a stężenie tlenu stanowiło zaledwie 5-18% obecnego poziomu. Dlatego, ponieważ CO 2 było obfite, a O 2 rzadkie, nie było potrzeby, aby pradawny enzym RuBisCO miał wysoką specyficzność. Potwierdza to charakterystyka biochemiczna przodka enzymu RuBisCO, który ma pośrednie wartości VC i S C/O między skrajnymi członkami końcowymi.
Wysunięto teorię, że ten ekologiczny kompromis wynika z formy, w jakiej 2-karboksy-3-keto-D-arabinitol 1,5-bisfosforan w swoim przejściowym stanie przejściowym przed rozszczepieniem na dwie cząsteczki 3PGA. Im bardziej ugrupowanie CO2 związane z Mg2 + przypomina grupę karboksylanową w 1,5-bisfosforanie 2-karboksy-3-keto-D-arabinitolu, tym większa jest strukturalna różnica między stopniami przejściowymi karboksylacji i utlenienia. Większa różnica strukturalna pozwala firmie RuBisCO lepiej rozróżnić CO 2 i O 2 , co skutkuje większymi wartościami S c/o . Jednak to rosnące podobieństwo strukturalne między stanem przejściowym a stanem produktu wymaga silnego wiązania w grupie karboksyketonu, a to wiązanie jest tak silne, że tempo rozszczepienia na dwie cząsteczki produktu 3PGA jest spowolnione. Dlatego zwiększona specyficzność dla CO2 w stosunku do O2 wymaga niższej całkowitej szybkości karboksylacji. Teoria ta sugeruje, że w sercu miejsca aktywnego Rubisco istnieją ograniczenia chemii fizycznej i może to wykluczać wszelkie wysiłki mające na celu zaprojektowanie jednocześnie bardziej selektywnego i szybszego Rubisco.
Efekty izotopowe
S c/o zostało dodatnio skorelowane z wielkością frakcjonowania izotopów węgla (reprezentowaną przez Δ 13 C), przy czym większe wartości S c/o odpowiadały większym wartościom Δ 13 C. Wysunięto teorię, że ponieważ zwiększenie S c /o oznacza, że stan przejściowy jest bardziej podobny do produktu, wiązanie O 2 C---C-2 będzie krótsze, co spowoduje wyższą ogólną energię potencjalną i energię wibracyjną. Tworzy to stan przejścia o wyższej energii , co jeszcze bardziej utrudnia 13 CO2 (niższa w studni energii potencjalnej niż 12 CO 2 ) w celu pokonania wymaganej energii aktywacji. RuBisCO używane przez różne organizmy fotosyntetyzujące różnią się nieznacznie strukturą enzymu, a ta struktura enzymu powoduje różne stany przejściowe. Ta różnorodność struktury enzymu znajduje odzwierciedlenie w uzyskanych wartościach Δ13C mierzonych dla różnych organizmów fotosyntetyzujących. Istnieje jednak nakładanie się między Δ 13 wartości C różnych grup, ponieważ mierzone wartości izotopów węgla dotyczą ogólnie całego organizmu, a nie tylko jego enzymu RuBisCO. Wiele innych czynników, w tym tempo wzrostu i skład izotopowy substratu wyjściowego, może wpływać na wartości izotopów węgla w całym organizmie i powodować rozprzestrzenianie się obserwowane w pomiarach izotopów C.
Zobacz też
- Geochemia izotopów
- Frakcjonowanie izotopów węgla w fotosyntezie tlenowej
- Izotopy węgla
- Sygnatura izotopowa