WikiDer > RuBisCO ning kinetik izotop ta'siri - Vikipediya

Kinetic Isotope Effects of RuBisCO - Wikipedia
Kalvin-Benson tsikli. RuBisCO ning KIE darajasi RuBisCO ning karbonat angidridni Ribuloza-1,5-bifosfat bilan birikishini katalizlashtiradigan qadam bilan bog'liq.

The kinetik izotop effekti (KIE) ning ribuloza-1,5-bifosfat karboksilaza oksigenaza (RuBisCO) bo'ladi izotopik fraktsiya faqat qadamidagi qadam bilan bog'liq Kalvin-Benson tsikli qaerda karbonat angidrid (CO
2) 5-uglerodli shakarga biriktirilgan ribuloza-1,5-bifosfat (RuBP) deb nomlangan ikkita 3-uglerodli shakar ishlab chiqarish uchun 3-fosfogliserat (3 PGA). Ushbu kimyoviy reaktsiya RuBisCO fermenti tomonidan katalizlanadi va bu ferment katalizlangan reaktsiya birlamchi hosil qiladi kinetik izotop effekti ning fotosintez.[1] Shuningdek, u fotosintez qiluvchi organizmlarning izotopik tarkibi va heterotroflar ularni yeydi.[2][3] RuBisCO ning ichki KIE-ni tushunish qiziqish uyg'otadi er olimlari, botaniklarva ekologlar chunki bu izotopik biosignature rekonstruksiya qilish uchun ishlatilishi mumkin fotosintez evolyutsiyasi va kislorodning ko'tarilishi ichida geologik yozuv, o'tmishdagi evolyutsion aloqalarni va atrof-muhit sharoitlarini qayta tiklash, va zamonaviy muhitda o'simliklarning munosabatlari va unumdorligini aniqlash.[4][5][6]

Reaksiya tafsilotlari va energetikasi

RuBisCO tomonidan katalizlangan RuBP karboksilatsiyasi. Har bir qadam ikkita panelda ko'rsatilgan: 1) yuqori panelda har bir molekula faol uchastkaga qanday muvofiqlashtirilganligi ko'rsatilgan bo'lsa, 2) pastki panelda RuBP qanday o'zgartirilayotganligi aniq ko'rsatilgan. Umuman olganda, RuBP karboksilatsiyasi ko'p bosqichli jarayondir.

Fikslash CO
2 RuBisCO tomonidan ko'p bosqichli jarayon. Birinchidan, a CO
2 molekula (bu emas CO
2 nihoyat fiksatsiya qilingan molekula) faol maydonda lizinning 201 zaryadsiz b-amino guruhiga qo'shilib karbamat hosil qiladi.[7] Ushbu karbamat keyinchalik magnezium ioniga (Mg.) Bog'lanadi2+) RuBisCO-da faol sayt. Keyin RuBP molekulasi Mg bilan bog'lanadi2+ ion. Keyin bog'langan RuBP protonni yo'qotib, reaktiv, enodiolat turini hosil qiladi.[7] Ning stavkalarini cheklash bosqichi Kalvin-Benson tsikli CO ning qo'shilishi2 RuBP ning ushbu 2,3-enediol shakliga.[8][9][10] Bu Rubisko ichki KIE sodir bo'lgan bosqich, chunki yangi C-C bog'lanish hosil bo'ladi. Keyin yangi hosil bo'lgan 2-karboksi-3-keto-D-arabinitol 1,5-bifofat molekulasi hidratsiya qilinadi va bo'linib, ikkita molekula hosil qiladi. 3-fosfogliserat (3 PGA). Keyin 3 PGA ga aylantiriladi geksozalar fotosintez qiluvchi organizmning markaziy metabolizmasida foydalanish uchun.[7]

Karbonat angidridning og'ir yoki engil molekulasi uchun zarur bo'lgan aktivizatsiya energiyasining farqi.

Ushbu reaktsiyada yuzaga kelishi mumkin bo'lgan izotopik almashtirishlar uglerod, kislorod va / yoki vodorodga tegishli, ammo hozirgi vaqtda uglerod izotopini almashtirish uchun faqat muhim izotop effekti kuzatilmoqda.[11] Izotoplar bir xil miqdordagi protonga ega, ammo neytronlarning soni turlicha bo'lgan atomlardir. "Yengilroq" izotoplari (otxona kabi) Uglerod-12 izotop) umumiy massasi kichikroq va "og'irroq" izotoplari (stabilga o'xshash) Uglerod-13 izotop yoki radioaktiv Uglerod-14 izotop) umumiy massaga ega. Barqaror izotoplar geokimyosi o'zgaruvchan kimyoviy va fizik jarayonlar barqaror izotoplarni qanchalik boyitishi yoki kamaytirishi bilan bog'liq. RuBisCO kabi fermentlar izotopik fraktsiyani keltirib chiqaradi, chunki tarkibida engilroq bo'lgan molekulalar izotoplar yuqori darajaga ega nol nuqtali energiya (ZPE), ma'lum bir molekulyar tartib uchun mumkin bo'lgan eng past kvant energiya holati.[12] Ushbu reaktsiya uchun, 13CO2 nisbatan past ZPE ga ega 12CO2 va pastki qismida o'tiradi potentsial energiya qudug'i reaktivlarning Fermentlar kimyoviy reaktsiyalarni kataliz qilganda, engilroq izotop tanlanadi, chunki u pastroqdir faollashtirish energiyasi va shuning uchun yuqori potentsial-energiyani engish uchun yanada energetik jihatdan qulayroqdir o'tish holati va reaktsiyaga o'ting. Bu yerda, 12CO2 shunchalik kam aktivizatsiya energiyasiga ega 12CO2 dan 13CO2 reaktsiyadan o'tadi, natijada mahsulot (3 PGA) engilroq bo'ladi.

Ekologik savdo izotop ta'siriga ta'sir qiladi

RuBisCO-ning kuzatilgan ichki KIElari uning ikki jihati bilan o'zaro bog'liq fermentlar kinetikasi: 1) CO uchun uning "o'ziga xosligi"2 ustidan O2va 2) Uning karboksillanish darajasi.

Xususiyat (SC / O)

Reaktiv enodiolat turlari kislorodga ham sezgir (O2), natijada ikkilik paydo bo'ladi karboksilaza / oksigenaza RuBisCO faoliyati.[13] Ushbu reaktsiya behuda deb hisoblanadi, chunki u orqali katabolizm qilinishi kerak bo'lgan mahsulotlar (3-fosfogliserat va 2-fosfoglikolat) ishlab chiqaradi. fotorespiratsiya.[14] Ushbu jarayon energiya talab qiladi va CO uchun boy berilgan imkoniyatdir2 fiksatsiya, bu organizm uchun uglerodni aniqlash samaradorligini aniq yo'qotishiga olib keladi.[13] RuBisCO ning ikki karboksilaza / oksigenaza faolligi O ning kuchayishi bilan kuchayadi2 va CO2 kichik, nisbatan farqlanmaydigan molekulalar bo'lib, ular Mayklisis-Menten komplekslarida kuchsizgina bog'lanishi mumkin.[15][16] RuBisCO ning to'rtta shakli mavjud (I, II, III va IV shakllar), I shakli eng ko'p ishlatiladigan shakl hisoblanadi. I shaklidan keng foydalaniladi yuqori o'simliklar, eukaryotik suv o'tlari, siyanobakteriyalarva proteobakteriyalar.[13] II shakl ham ishlatiladi, ammo unchalik keng tarqalmagan va ba'zi turlarida uchraydi Proteobakteriyalar va dinoflagellatlar.[13] Turli fotosintetik organizmlarning RuBisCO-lari CO ni farqlash uchun har xil qobiliyatlarga ega2 va O2. Ushbu xususiyat miqdoriy jihatdan aniqlanishi mumkin va "o'ziga xoslik" deb nomlanadi (Sc / o). S ning yuqori qiymatic / o RuBisCO ning karboksilaza faolligi oksigenaza faolligidan kattaroq ekanligini anglatadi.

Karboksilatsiya darajasi (VC) va Mayklis-Menten doimiy (KC)

Umumlashtirilgan Mayklis-Menten egri chizig'i.

Karboksillanish darajasi (VC) - bu RuBisCO ning CO ni tuzatadigan darajasi2 substrat bilan to'yingan sharoitlarda RuBP ga.[14] V ning yuqori qiymatiC karboksilatsiyaning yuqori darajasiga to'g'ri keladi. Bu karboksillanish tezligini u orqali ham ifodalash mumkin Michaelis-Menten doimiy KC, K ning yuqori qiymati bilanC karboksilatsiyaning yuqori darajasiga to'g'ri keladi. VC V bilan ifodalanadimaksimalva K.C K shaklida ifodalanadiM umumlashtirilgan Mayklis-Menten egri chizig'ida. Karboksillanish darajasi RuBisCO turlari orasida turlicha bo'lsa-da, RuBisCO o'rtacha CO ning atigi uchta molekulasini tuzatadi.2 soniyada[17] Odatda fermentlarning katalitik stavkalari bilan solishtirganda bu juda sekin, odatda soniyada minglab molekulalar tezligida reaktsiyalarni katalizlaydi.[17]

Filogenetik naqshlar

Turli xil fotosintez qiluvchi organizmlarning o'ziga xosligi va karboksilatsiya darajasi o'rtasidagi bog'liqlik.

Tabiiy RuBIsCOlar orasida CO ni ajratish qobiliyatining oshgani kuzatilgan2 va O2 (S ning katta qiymatlaric / o) karboksillanish darajasi pasayganiga to'g'ri keladi (V ning past ko'rsatkichlari)C va KC).[18] S o'rtasidagi o'zgarish va kelishuvc / o va KC fotosintez qiluvchi bakteriyalar va suv o'tlaridan yuqori o'simliklarga qadar bo'lgan barcha fotosintetik organizmlarda kuzatilgan.[18] V ning yuqori qiymatlari bo'lgan RuBisCO ishlatadigan organizmlarC / KCva S ning past qiymatlaric / o sun'iy ravishda yuqori mahalliy CO bo'lgan hujayra ichidagi joylarga RuBisCO-ni joylashtirdilar2 konsentratsiyalar. Siyanobakteriyalarda CO kontsentratsiyasi2 a yordamida ko'paytiriladi karboksizom, an ikosahedral diametri taxminan 100 nm bo'lgan oqsil bo'lagi, bu tanlab bikarbonat oladi va uni CO ga aylantiradi2 RuBisCO ishtirokida.[19] CCM bo'lmagan organizmlar, ba'zi o'simliklar kabi, S ning yuqori qiymatlariga ega bo'lgan RuBisCOlardan foydalanadilarc / o va V ning past ko'rsatkichlariC va KC.[18] CCM bo'lgan guruhlar K ni maksimal darajaga ko'tarishgan degan nazariya mavjudC kamayishi hisobiga Sc / o, chunki CO konsentratsiyasini sun'iy ravishda oshirish2 O ning konsentratsiyasini pasaytiradi2 va yuqori CO ga bo'lgan ehtiyojni olib tashlang2 o'ziga xoslik. Ammo, aksincha, KK hisobiga Sc / o ni optimallashtirishi kerak bo'lgan CCM bo'lmagan organizmlar uchun amal qiladiC chunki O2 atmosferada osongina mavjud.

Sc / o va V o'rtasidagi bu kelishuvC yoki KC mavjud bo'lgan organizmlarda kuzatilgan RuBisCO geologik vaqt davomida rivojlanib, hozirgi va zamonaviy sharoitda maksimal darajada optimallashtirilgan.[11][18] RuBisCO 2,5 milliard yil oldin atmosfera CO hosil bo'lganida rivojlandi2 kontsentratsiyasi hozirgi konsentratsiyadan 300 dan 600 baravar yuqori edi va kislorod kontsentratsiyasi hozirgi darajadan atigi 5-18% ni tashkil etdi.[14] Shuning uchun, chunki CO2 mo'l edi va O2 kamdan-kam hollarda, ajdodlar RuBisCO fermentining yuqori o'ziga xos xususiyatiga ega bo'lishiga hojat yo'q edi. Buni V ning oraliq qiymatlariga ega bo'lgan ajdodlar RuBisCO fermentining biokimyoviy tavsifi qo'llab-quvvatlaydi.C va SC / O o'ta so'nggi a'zolar o'rtasida.[14]

Ushbu ekologik kelishuv, 2-karboksi-3-keto-D-arabinitol 1,5-bifofatning ikkita 3PGA molekulasiga ajralishidan oldin uning o'tish davri holatida bo'lishiga bog'liq degan nazariya mavjud.[11] Mg qanchalik yaqin bo'lsa2+- bog'langan CO2 qism 2-karboksi-3-keto-D-arabinitol 1,5-bifofatdagi karboksilat guruhiga o'xshaydi, bu karboksilatsiya va oksigenatsiyaning o'tish holatlari o'rtasidagi tuzilish farqi shunchalik katta.[11] Tuzilishning kattaroqligi RuBisCO-ga CO ni yaxshiroq ajratishga imkon beradi2 va O2, natijada S ning katta qiymatlari paydo bo'ladic / o.[11] Biroq, o'tish holati va mahsulot holati o'rtasidagi bu ortib borayotgan strukturaviy o'xshashlik karboksiketon guruhida kuchli bog'lanishni talab qiladi va bu bog'lanish shunchalik kuchliki, ikkita mahsulot 3PGA molekulalarida bo'linish tezligi sekinlashadi.[11] Shuning uchun CO uchun o'ziga xos xususiyat oshdi2 ustidan O2 umumiy karboksillanish tezligini pasaytirishni taqozo etadi. Ushbu nazariya shuni anglatadiki, Rubisko faol saytining markazida fizik kimyo cheklovi mavjud bo'lib, bir vaqtning o'zida ko'proq tanlangan va tezroq Rubisco-ni qurish uchun har qanday harakatlarni bekor qilishi mumkin.[11][18]

Izotop effektlari

CO uchun RuBisCO ning o'ziga xos xususiyati2 vs O2 uglerod izotoplarini fraktsiyalash darajasini aniqlaydi.

Sc / o uglerod izotoplarini fraktsiyalash kattaligi bilan ijobiy korrelyatsiya qilingan (ph bilan ifodalangan)13C), katta S qiymatlari bilanc / o Δ kattaroq qiymatlari bilan mos keladi13S[11] S ning ko'payishi sababli shunday nazariya qilinganc / o o'tish holati mahsulotga ko'proq o'xshashligini anglatadi, O2C --- C-2 aloqasi qisqaroq bo'ladi, natijada umumiy potentsial energiya va tebranish energiyasi yuqori bo'ladi.[11] Bu yuqoriroqni yaratadi energiya o'tish davlat, bu buni yanada qiyinlashtiradi 13CO2 (potentsial energiya qudug'iga nisbatan pastroq 12CO2) talab qilinadigan faollashtirish energiyasini engish uchun.[11] Turli xil fotosintez qiluvchi organizmlar tomonidan ishlatiladigan RuBisCOs fermentlar tuzilishida bir oz farq qiladi va bu ferment tuzilishi turli xil o'tish holatlarini keltirib chiqaradi. Fermentlar tuzilishidagi bu xilma-xillik hosil bo'lgan Δ da aks etadi13Turli fotosintetik organizmlardan o'lchangan C qiymatlari. Biroq, $ phi $ o'rtasida bir-biriga o'xshashlik mavjud13S har xil guruhlarning S qiymatlari, chunki uglerod izotoplari o'lchovlari umuman butun organizmga tegishli bo'lib, uning RuBisCO fermenti emas. Boshqa ko'plab omillar, shu jumladan o'sish tezligi va boshlang'ich substratning izotopik tarkibi butun organizmning uglerod izotoplari qiymatiga ta'sir qilishi va S izotopi o'lchovlarida tarqalishini keltirib chiqarishi mumkin.[20][21]

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ Farquhar, Grem D.; O'Liri, Marion X.; Berri, Jo A. (1982). "Uglerod izotoplari diskriminatsiyasi va barglardagi hujayralararo karbonat angidrid konsentratsiyasi o'rtasidagi munosabatlar to'g'risida". Funktsional o'simlik biologiyasi. 9 (2): 121–137. doi:10.1071 / PP9820121.
  2. ^ Zanden, M. Jeyk Vander; Rasmussen, Jozef B. (Noyabr 2001). "-15N va -13C trofik fraktsiyalashdagi o'zgarish: suvda oziqlanadigan veb-tadqiqotlarga ta'siri". Limnologiya va okeanografiya. 46 (8): 2061–2066. Bibcode:2001 yil LimOc..46.2061Z. doi:10.4319 / lo.2001.46.8.2061. ISSN 0024-3590.
  3. ^ Makkutchan, Jeyms X.; Lyuis, Uilyam M.; Kendall, Kerol; McGrath, Claire C. (2003 yil avgust). "Uglerod, azot va oltingugurtning barqaror izotop nisbati uchun trofik siljishning o'zgarishi". Oikos. 102 (2): 378–390. doi:10.1034 / j.1600-0706.2003.12098.x. ISSN 0030-1299.
  4. ^ Farquhar, G. D .; Xubik, K. T .; Kondon, A. G.; Richards, R. A. (1989), "Uglerod izotoplarining fraktsiyasi va o'simlik suvidan foydalanish samaradorligi", Ekologik tadqiqotlarda barqaror izotoplar, Springer Nyu-York, 21-40 betlar, doi:10.1007/978-1-4612-3498-2_2, ISBN 9781461281276
  5. ^ Körner, Ch .; Farquhar, G. D .; Vong, S. C. (1991 yil sentyabr). "O'simliklar tomonidan uglerod izotoplari kamsitilishi kenglik va balandlik tendentsiyalariga mos keladi". Ekologiya. 88 (1): 30–40. Bibcode:1991Oecol..88 ... 30K. doi:10.1007 / bf00328400. ISSN 0029-8549. PMID 28312728.
  6. ^ Xeys, Jon M.; Strauss, Xarald; Kaufman, Alan J. (1999 yil sentyabr). "O'tgan 800 mln. Yil davomida uglerodning global biogeokimyoviy tsiklida dengiz organik moddalarida 13C ning ko'pligi va izotopik fraktsiyalash". Kimyoviy geologiya. 161 (1–3): 103–125. Bibcode:1999ChGeo.161..103H. doi:10.1016 / s0009-2541 (99) 00083-2. ISSN 0009-2541.
  7. ^ a b v Berg JM, Timoczko JL, Stryer L (2012). Biokimyo (7-nashr). Nyu-York: W.H. Freeman. ISBN 9781429229364. OCLC 758952268.
  8. ^ Chen Z, Spreitzer RJ (1991 yil mart). "Ribuloza-1,5-bifosfat karboksilaza / oksigenazning mutant shakllarini proteoliz va o'tish-holat-analog bilan bog'lash Chlamydomonas reinhardtii". Planta. 183 (4): 597–603. doi:10.1007 / BF00194282. PMID 24193854.
  9. ^ Cleland WW, Andrews TJ, Gutteridge S, Hartman FC, Lorimer GH (aprel, 1998). "Rubisko mexanizmi: Karbamat umumiy asos". Kimyoviy sharhlar. 98 (2): 549–562. doi:10.1021 / cr970010r. PMID 11848907.
  10. ^ Pirs J, Endryus TJ, Lorimer GH (1986 yil avgust). "Ribuloza-bifosfat karboksilazalar bilan reaksiyaning oraliq bo'linishi substratning o'ziga xos xususiyatlari bilan ajralib turadi". Biologik kimyo jurnali. 261 (22): 10248–56. PMID 3090034.
  11. ^ a b v d e f g h men j Tcherkez GG, Farquhar GD, Andrews TJ (may 2006). "Sekin katalizga va aralashgan substratning o'ziga xos xususiyatiga qaramay, barcha ribuloza bifosfat karboksilazalari deyarli mukammal darajada optimallashtirilgan bo'lishi mumkin". Amerika Qo'shma Shtatlari Milliy Fanlar Akademiyasi materiallari. 103 (19): 7246–51. Bibcode:2006 yil PNAS..103.7246T. doi:10.1073 / pnas.0600605103. PMC 1464328. PMID 16641091.
  12. ^ Eiler, Jon M. (2007 yil oktyabr). ""Clumped-izotop "geokimyo - Tabiatda uchraydigan, ko'p o'rnini bosadigan izotopologlarni o'rganish". Yer va sayyora fanlari xatlari. 262 (3–4): 309–327. Bibcode:2007E & PSL.262..309E. doi:10.1016 / j.epsl.2007.08.020. ISSN 0012-821X.
  13. ^ a b v d Tabita FR, Hanson TE, Satagopan S, Witte BH, Kreel NE (avgust 2008). "RubisCO va RubisCO-ga o'xshash oqsillarning filogenetik va evolyutsion aloqalari va turli molekulyar shakllar orqali berilgan funktsional darslar". London Qirollik Jamiyatining falsafiy operatsiyalari. B seriyasi, Biologiya fanlari. 363 (1504): 2629–40. doi:10.1098 / rstb.2008.0023. PMC 2606765. PMID 18487131.
  14. ^ a b v d Shih PM, Occhalini A, Cameron JC, Andralojc PJ, Parry MA, Kerfeld CA (yanvar 2016). "Bashorat qilingan prekambriyalik RuBisCO ning biokimyoviy tavsifi". Tabiat aloqalari. 7: 10382. Bibcode:2016 yil NatCo ... 710382S. doi:10.1038 / ncomms10382. PMC 4735906. PMID 26790750.
  15. ^ Halliwell B, Stumpf PK, Conn EE, Hatch MD, Boardman NK (1982-02-08). "O'simliklar biokimyosi: keng qamrovli risola". FEBS xatlari. 138 (1): 153. doi:10.1016/0014-5793(82)80429-8.
  16. ^ Pirs J, Lorimer GH, Reddi GS (1986). "Ribulosebisfosfat karboksilaza kinetik mexanizmi: tartibli, ketma-ket reaktsiya uchun dalillar". Biokimyo. 25 (7): 1636–1644. doi:10.1021 / bi00355a029.
  17. ^ a b "PDB101: Oy molekulasi: Rubisco". RCSB: PDB-101. Olingan 2018-05-25.
  18. ^ a b v d e Savir Y, Nur E, Milo R, Tlusty T (2010 yil fevral). "Turlararo tahlillar Rubisconing past o'lchovli landshaftda maqbullikka moslashishini izlaydi". Amerika Qo'shma Shtatlari Milliy Fanlar Akademiyasi materiallari. 107 (8): 3475–80. arXiv:1007.4461. Bibcode:2010PNAS..107.3475S. doi:10.1073 / pnas.0911663107. PMC 2840432. PMID 20142476.
  19. ^ Yeates TO, Kerfeld CA, Heinhorst S, Cannon GC, Shively JM (sentyabr 2008). "Bakteriyalardagi oqsillarga asoslangan organoidlar: karboksizomalar va ular bilan bog'liq mikrokompartiyalar". Tabiat sharhlari. Mikrobiologiya. 6 (9): 681–91. doi:10.1038 / nrmicro1913. PMID 18679172.
  20. ^ Qonunlar, Edvard A .; Popp, Brayan N.; Bidigare, Robert R.; Kennicutt, Mahlon S.; Macko, Stiven A. (1995 yil mart). "Fitoplankton uglerod izotopik tarkibining o'sish sur'ati va [CO2) aqligiga bog'liqligi: Nazariy mulohazalar va tajriba natijalari". Geochimica va Cosmochimica Acta. 59 (6): 1131–1138. Bibcode:1995 yil GeCoA..59.1131L. doi:10.1016/0016-7037(95)00030-4. ISSN 0016-7037.
  21. ^ Popp, Brayan N.; Qonunlar, Edvard A .; Bidigare, Robert R.; Dore, Jon E.; Xanson, Kristi L.; Uekxem, Styuart G. (1998 yil yanvar). "Fitoplankton hujayra geometriyasining uglerod izotopik fraktsiyasiga ta'siri". Geochimica va Cosmochimica Acta. 62 (1): 69–77. Bibcode:1998 yil GeCoA..62 ... 69P. doi:10.1016 / s0016-7037 (97) 00333-5. ISSN 0016-7037.