Kinetiska isotopeffekter av RuBisCO
Den kinetiska isotopeffekten (KIE) av ribulos-1,5-bisfosfatkarboxylasoxygenas ( RuBisCO ) är den isotopfraktionering som enbart förknippas med steget i Calvin-Benson-cykeln där en molekyl av koldioxid (CO 2 ) är fäst vid 5 -kolsockerribulos -1,5-bisfosfat (RuBP) för att producera två 3-kolssocker som kallas 3-fosfoglycerat (3 PGA). Denna kemiska reaktion katalyseras av enzymet RuBisCO, och denna enzymkatalyserade reaktion skapar den primära kinetiska isotopeffekten av fotosyntes . Det är också till stor del ansvarig för de isotopiska sammansättningarna av fotosyntetiska organismer och de heterotrofer som äter dem. Att förstå RuBisCOs inneboende KIE är av intresse för jordforskare , botaniker och ekologer eftersom denna isotopiska biosignatur kan användas för att rekonstruera utvecklingen av fotosyntes och ökningen av syre i det geologiska dokumentet , rekonstruera tidigare evolutionära samband och miljöförhållanden, och sluta sig till växtrelationer och produktivitet i moderna miljöer.
Reaktionsdetaljer och energi
Fixeringen av CO 2 av RuBisCO är en process i flera steg. Först fäster en CO2 - molekyl (det är inte den CO2 - molekyl som slutligen fixeras) till den oladdade e-aminogruppen av lysin 201 i det aktiva stället för att bilda ett karbamat. Detta karbamat binder sedan till magnesiumjonen (Mg 2+ ) i RuBisCO:s aktiva plats . En molekyl av RuBP binder sedan till Mg 2+ -jonen. Den bundna RuBP förlorar sedan en proton för att bilda en reaktiv, enodiolat art. Det hastighetsbegränsande steget i Calvin-Benson-cykeln är tillsatsen av CO 2 till denna 2,3-endiolform av RuBP. Detta är det stadium där Rubiscos inneboende KIE uppstår eftersom en ny CC-bindning bildas. Den nybildade 2-karboxi-3-keto-D-arabinitol 1,5-bisfofatmolekylen hydratiseras sedan och klyvs för att bilda två molekyler av 3-fosfoglycerat (3 PGA). 3 PGA omvandlas sedan till hexoser för att användas i den fotosyntetiska organismens centrala metabolism.
De isotopsubstitutioner som kan inträffa i denna reaktion är för kol, syre och/eller väte, även om för närvarande endast en signifikant isotopeffekt ses för kolisotopsubstitution. Isotoper är atomer som har samma antal protoner men varierande antal neutroner. "Lättare" isotoper (som den stabila kol-12- isotopen) har en mindre total massa, och "tyngre" isotoper (som den stabila kol-13- isotopen eller radioaktiva kol-14- isotopen) har en större totalmassa. Stabil isotopgeokemi handlar om hur varierande kemiska och fysikaliska processer preferentiellt berikar eller utarmar stabila isotoper. Enzymer som RuBisCO orsakar isotopfraktionering eftersom molekyler som innehåller lättare isotoper har högre nollpunktsenergier (ZPE), lägsta möjliga kvantenergitillstånd för ett givet molekylarrangemang. För denna reaktion 13 CO 2 en lägre ZPE än 12 CO 2 och sitter lägre i reaktanternas potentiella energibrunn . När enzymer katalyserar kemiska reaktioner, väljs den lättare isotopen företrädesvis eftersom den har en lägre aktiveringsenergi och är således mer energetiskt gynnsam för att övervinna övergångstillståndet med hög potential och energi och fortsätta genom reaktionen. Här 12 CO 2 en lägre aktiveringsenergi så mer 12 CO 2 än 13 CO 2 går igenom reaktionen, vilket resulterar i att produkten (3 PGA) blir lättare.
Ekologiska avvägningar påverkar isotopeffekter
De observerade inneboende KIE:erna för RuBisCO har korrelerats med två aspekter av dess enzymkinetik : 1) dess "specificitet" för CO 2 över O 2 , och 2) dess karboxyleringshastighet.
Specificitet (S C/O )
De reaktiva enodiolatämnena är också känsliga för syre (O 2 ), vilket resulterar i den dubbla karboxylas / oxygenasaktiviteten hos RuBisCO. Denna reaktion anses vara slösaktig eftersom den producerar produkter (3-fosfoglycerat och 2-fosfoglykolat) som måste kataboliseras genom fotorespiration . Denna process kräver energi och är ett missat tillfälle för CO 2 -fixering, vilket resulterar i nettoförlust av kolfixeringseffektivitet för organismen. Den dubbla karboxylas/oxygenasaktiviteten hos RuBisCO förvärras av det faktum att O 2 och CO 2 är små, relativt omöjliga molekyler som kan binda endast svagt, om alls, i Michaelis-Menten-komplex. Det finns fyra former av RuBisCO (Form I, II, III och IV), där Form I är den mest använda formen. Form I används flitigt av högre växter , eukaryota alger , cyanobakterier och Pseudomonadota (tidigare proteobakterier). Form II används också men mycket mindre utbredd, och kan hittas i vissa arter av Pseudomonadota och i dinoflagellater . RuBisCO från olika fotosyntetiska organismer uppvisar varierande förmåga att skilja mellan CO 2 och O 2 . Denna egenskap kan kvantifieras och kallas "specificitet" (Sc /o) . Ett högre värde på S c/o betyder att en RuBisCOs karboxylasaktivitet är större än dess oxygenasaktivitet.
Karboxyleringshastigheten (V C ) och Michaelis-Menten-konstanten (K C )
Karboxyleringshastigheten (VC) är den hastighet som RuBisCO fixerar CO 2 till RuBP under substratmättade förhållanden. Ett högre värde på VC motsvarar en högre karboxyleringshastighet. Denna karboxyleringshastighet kan också representeras genom dess Michaelis-Menten-konstant Kc , med ett högre värde på Kc som motsvarar en högre karboxyleringshastighet. Vc representeras av Vmax och Kc representeras som KM i den generaliserade Michaelis-Menten-kurvan. Även om karboxyleringshastigheten varierar mellan RuBisCO-typer, fixerar RuBisCO i genomsnitt endast tre molekyler CO 2 per sekund. Detta är anmärkningsvärt långsamt jämfört med typiska enzymkatalytiska hastigheter, som vanligtvis katalyserar reaktioner med en hastighet av tusentals molekyler per sekund.
Fylogenetiska mönster
Det har observerats bland naturliga RuBisCOs att en ökad förmåga att skilja mellan CO 2 och O 2 (större värden på S c/o ) motsvarar en minskad karboxyleringshastighet (lägre värden på VC och K C ). Variationen och avvägningen mellan S c/o och K C har observerats över alla fotosyntetiska organismer, från fotosyntetiska bakterier och alger till högre växter. Organismer som använder RuBisCOs med höga värden på V C / K C och låga värden på S c/o har lokaliserat RuBisCO till områden inom cellen med artificiellt höga lokala CO 2 -koncentrationer. I cyanobakterier ökas koncentrationerna av CO 2 med hjälp av en karboxisom , ett icosaedriskt proteinfack med en diameter på cirka 100 nm som selektivt tar upp bikarbonat och omvandlar det till CO 2 i närvaro av RuBisCO. Organismer utan CCM, som vissa växter, använder istället RuBisCOs med höga värden på S c/o och låga värden på VC och K C . Det har teoretiserats att grupper med en CCM har kunnat maximera K C på bekostnad av att minska Sc /o , eftersom en artificiell ökning av koncentrationen av CO 2 skulle minska koncentrationen av O 2 och ta bort behovet av hög CO 2 specificitet . Det motsatta är dock sant för organismer utan en CCM, som måste optimera S c/o på bekostnad av K C eftersom O 2 är lätt närvarande i atmosfären.
Denna avvägning mellan S c/o och V C eller K C som observerats i existerande organismer tyder på att RuBisCO har utvecklats genom geologisk tid för att vara maximalt optimerad i sin nuvarande, moderna miljö. RuBisCO utvecklades för över 2,5 miljarder år sedan när atmosfärens CO 2 -koncentrationer var 300 till 600 gånger högre än dagens koncentrationer, och syrekoncentrationerna var bara 5-18% av dagens nivåer. Därför, eftersom CO 2 var rikligt och O 2 sällsynt, fanns det inget behov av att det förfäders RuBisCO-enzymet skulle ha hög specificitet. Detta stöds av den biokemiska karakteriseringen av ett förfäders RuBisCO-enzym, som har mellanvärden på VC och S C/O mellan de extrema ändmedlemmarna.
Det har teoretiserats att denna ekologiska avvägning beror på formen som 2-karboxi-3-keto-D-arabinitol 1,5-bisfofat i sitt övergående övergångstillstånd innan det klyvs till två 3PGA-molekyler. Ju mer den Mg2 + -bundna CO2- delen liknar karboxylatgruppen i 2-karboxi-3-keto-D-arabinitol-1,5-bisfofat, desto större är den strukturella skillnaden mellan övergångstillstånden för karboxylering och syresättning. Den större strukturella skillnaden gör att RuBisCO bättre kan skilja mellan CO 2 och O 2 , vilket resulterar i större värden på S c/o . Emellertid kräver denna ökande strukturella likhet mellan övergångstillståndet och produkttillståndet stark bindning vid karboxyketongruppen, och denna bindning är så stark att klyvningshastigheten till två produkt-3PGA-molekyler bromsas. En ökad specificitet för CO 2 över O 2 kräver därför en lägre total karboxyleringshastighet. Denna teori antyder att det finns en fysikalisk kemisk begränsning i hjärtat av Rubiscos aktiva plats, och kan utesluta alla försök att konstruera en samtidigt mer selektiv och snabbare Rubisco.
Isotopeffekter
S c/o har positivt korrelerats med storleken på kolisotopfraktionering (representerad av Δ 13 C), med större värden på S c/o som motsvarar ett större värde på Δ 13 C. Det har teoretiserats att eftersom ökande S c /o betyder att övergångstillståndet är mer likt produkten, O 2 C---C-2-bindningen blir kortare, vilket resulterar i en högre total potentiell energi och vibrationsenergi. Detta skapar ett högre energiövergångstillstånd , vilket gör det ännu svårare för 13 CO 2 (lägre i den potentiella energibrunnen än 12 CO 2 ) att övervinna den nödvändiga aktiveringsenergin. RuBisCOs som används av olika fotosyntetiska organismer varierar något i deras enzymstruktur, och denna enzymstruktur resulterar i varierande övergångstillstånd. Denna mångfald i enzymstruktur återspeglas i de resulterande Δ13C- värdena mätta från olika fotosyntetiska organismer. Det finns emellertid överlappning mellan Δ13C - värdena för olika grupper eftersom de uppmätta kolisotopvärdena i allmänhet är för hela organismen, och inte bara dess RuBisCO-enzym. Många andra faktorer, inklusive tillväxthastighet och isotopsammansättningen av startsubstratet, kan påverka kolisotopvärdena för hela organismen och orsaka spridningen som ses i C-isotopmätningar.
Se även
- Isotop geokemi
- Fraktionering av kolisotoper i syrehaltig fotosyntes
- Isotoper av kol
- Isotopisk signatur