martes, 19 de mayo de 2015

Bioquímica del Metabolismo


Calvin Ciclo - Reacciones fotosintética de carbono

La fotosíntesis en las plantas tiene lugar en los cloroplastos . La fotosíntesis incluye reacciones dependientes y reacciones que no están directamente energizados por la luz.La estructura de un cloroplasto se muestra en la p. 872 de Bioquímica, por Voet y Voet, tercera edición, y representado esquemáticamente en la derecha. 
En los fotosintéticos reacciones de luz , la energía de la luz se conserva como como "alta energía" bonos fosfoanhídrido de ATP , y como la reducción de poder de NADPH . Las proteínas y pigmentos responsables de la reacción de la luz fotosintética se asocian con los tilacoides (disco grana) membranas. Los caminos de reacción de luz no se presentan aquí.
El ciclo de Calvin , anteriormente designado el fotosintética "reacciones oscuras" de la vía, que ahora se conoce como reacciones de carbono vía. En esta vía, la energía libre de la escisión del ~ P lazos de ATP y poder reductor de NADPH, se utilizan para fijar y reducir el CO 2 para formar hidratos de carbono. Enzimas y productos intermedios del ciclo de Calvin se encuentran en el cloroplasto estroma , un compartimento algo análogo a la matriz mitocondrial . 
Ribulosa Bisfosfato carboxilasa (RuBP carboxilasa) cataliza CO 2 de fijación:
ribulosa-1,5-bisfosfato + CO 2 2 copias de 3-fosfoglicerato
Debido a que puede catalizar una reacción alternativamente oxigenasa (discutido más adelante), la enzima también se llama RuBP carboxilasa / oxigenasa ( RuBisCO ). Es la más abundante enzima en la tierra. La RuBP carboxilasa mecanismo de reacción se presenta en la p. 900.
La extracción de un protón del C3 de la ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP, abajo a la izquierda) promueve la formación de un intermedio. Endiolate
ataque nucleofílico sobre el CO 2 que se propone para dar un b -ceto ácido intermedio, que reacciona con el agua y se unirá a formar 2 moléculas de 3-fosfoglicerato.
Análogos del estado de transición del postulado b ceto unen intermedio ácido fuertemente a la enzima y inhibir su actividad. Los ejemplos incluyen 2-carboxiarabinitol-1,5-bifosfato ( CABP, a la derecha) y carboxiarabinitol-1-fosfato ( CA1P ). RuBP carboxilasa en las plantas es un complejo ( L 8 S 8 ) de:
  • 8 grandes subunidades catalíticas (L, 477 residuos de aminoácidos)
  • 8 pequeñas subunidades (S, 123 residuos de aminoácidos). 
Algunas bacterias contienen sólo la subunidad grande, con la unidad funcional más pequeña es un homodímero, L 2 . Roles de las pequeñas subunidades no han sido claramente definido, aunque hay algunas pruebas de que las interacciones entre las subunidades grandes y pequeños pueden regular la catálisis.
A la derecha hay 2 puntos de vista de la espinaca RuBisCO (RuBP carboxilasa), con grandes subunidades de colores subunidades azules o cian, y los pequeños de color rojo.
Grandes subunidades dentro de RuBisCO están dispuestos como dímeros antiparalelos , con el dominio N-terminal de un monómero adyacente al dominio C-terminal del otro monómero.Cada sitio activo se encuentra en una interfaz entre los monómeros dentro de una L 2 dímero, explicando el requisito mínimo para una estructura dimérica.
El sitio de unión del sustrato está en la boca de un ab -barril de dominio de la subunidad grande. La mayoría de los residuos del sitio activo son polares, incluyendo algunos aminoácidos cargados (por ejemplo, Thr, Asn, Glu, Lys).
"Activo" RuBP carboxilasa incluye un carbamato de grupo, que se une un elemento esencial Mg ++ en el sitio activo. 
Las formas de carbamato por reacción de HCO 3 - con el e -amino grupo de una lisina residuo de RuBP carboxilasa, en presencia de Mg ++ . HCO3 - que reacciona para formar el grupo carbamato es distinto de CO 2 que se une a RuBP carboxilasa como sustrato. 
El sitio activo Mg ++ puentes entre átomos de oxígeno del carbamato y el sustrato CO 2 .
La unión de ya sea el sustrato normal de la ribulosa-1,5-bisfosfato o un análogo de estado de transición a la RuBP carboxilasa provoca un cambio conformacional a una " cerrado conformación "en el que se bloquea el acceso de agua disolvente al sitio activo.
RuBP carboxilasa (RuBisCO) puede espontáneamente desactivar por decarbamylation. En la ausencia del grupo carbamato, RuBisCO fuertemente se une ribulosa bifosfato (RuBP) u otro fosfato de azúcar en el sitio activo como un complejo de "punto muerto", con la conformación cerrada, y es inactivo en la catálisis. Para que el carbamato a la reforma, la enzima debe someterse a transición a la conformación abierta.
RuBP carboxilasa Activase , un hidrolizante de ATP (ATPasa) enzima, provoca un cambio conformacional en RuBP carboxilasa de forma cerrada para abrir. Esto permite la liberación de RuBP fuertemente unido u otro fosfato de azúcar del sitio activo, y la formación de carbamato. Desde reacciones luminosas fotosintéticos producen ATP, la dependencia de ATP de la activación RuBisCO proporciona un mecanismo para la activación de la luz depende de la enzima.
RuBP carboxilasa Activase es un miembro de la familia de ATPasas AAA , muchos de los cuales tienen chaperón-como roles. El activase es un gran complejo proteína multimérica que pueden rodear RuBP carboxilasa mientras que induce el cambio conformacional al estado abierto.
Explore a derecha los carbamatos y productos de reacción encuadernados en el sitio activo de la RuBisCO. 

RuBP carboxilasa
Ahora explorar todo el complejo de 8 subunidades grandes y 8 pequeñas subunidades de RuBisCO espinacas. (AP archivo 1RCX, la estructura determinada por TC Taylor & I Andersson en 1996.)
Seleccionar proteína , pantalla como spacefill , y el color de la cadena para distinguir las diferentes subunidades. Tenga en cuenta que debido a la gran cantidad de cadenas (16), algunas cadenas tienen colores similares. Si es necesario, para eliminar las moléculas de agua, seleccione HOH residuoy seleccione Ocultar .  

Pregunta : ¿Es el interior del complejo sólido o hueco?
Sugerencia: Pruebe a seleccionar la opción modo de losa , y el control y arrastre para ver el interior.
Ver el antiparalelo disposición de un par de grandes subunidades.
Desactivar el modo de losa, a continuación, seleccione todos y seleccione ocultar .
Por separado seleccionar cadenas E y H , y cambiar sus pantallas de dibujos animados , con el color de la cadena . Seleccionar hetero-ligando y pantalla spacefill con el color CPK visualizar ribulosa-1,5-bisfosfato sustrato unido. Tenga en cuenta las posiciones de los dos sitios activos dentro del par de subunidades grandes. 
Ahora separado seleccionar cadenas E y H y cambiar sus pantallas para spacefill . Utilice el modo de losa   para investigar el grado en que sitio activo residuos de contacto de una o ambas subunidades. Pregunta: ¿Cómo es esta estructura coherente con el complejo funcional más pequeña de ser undímero de subunidades grandes ? 


  C    O    N   S    P

Fotorrespiración: O 2 puede competir con CO 2 para la unión a RuBisCO, especialmente cuando [CO 2 ] es baja y [O 2 ] es alta. La reacción de O 2 con rendimientos ribulosa-1,5-bifosfato una molécula de 3-fosfoglicerato más el 2-carbono compuesto 2-phosphoglycolate . Vea el diagrama p. 902.Esta reacción es la base para el nombre de RuBP carboxilasa / oxigenasa ( RuBisCO ) .
La vía de complejo que en parte s alvages de carbono a partir de 2-phosphoglycolate, a través de la conversión a 3-fosfoglicerato, implica las enzimas de los cloroplastos y mitocondrias, los peroxisomas.Esta vía se recupera 3/4 de la de carbono de 2-phosphoglycolate como 3-fosfoglicerato mientras que el resto se libera como CO 2 . Para diagramas véase p. 903 y un artículo por Reumann & Weber.
Fotorrespiración es un proceso derrochador , reduciendo sustancialmente la eficiencia de CO 2 de fijación.
C 3 vs C 4 plantas:
La mayoría de las plantas, designada C 3 , fijan CO 2 inicialmente a través de RuBP carboxilasa, produciendo el compuesto 3-fosfoglicerato 3-carbono.
Plantas designados C 4 tienen un tipo de célula en el que fosfoenolpiruvato (PEP) está carboxilado través de la enzima PEP carboxilasa, para producir el compuesto 4-carbono oxaloacetato . El oxaloacetato es convertido en otros productos intermedios de 4-carbono que se transportan a las células activas en la fotosíntesis, donde CO 2 se libera por descarboxilación. Vea el diagrama p. 904. 
C 4 plantas mantienen una alta proporción de CO 2 / O 2 en las células fotosintéticas, minimizando así la fotorrespiración. Algunas investigaciones han sido dirigidas a incrementar la expresión y / o la inserción de genes de C 4 enzimas de la ruta, como la PEP carboxilasa, en C 3 plantas.

Continuando con Calvin Ciclo:El producto normal de la reacción de RuBP carboxilasa, 3-fosfoglicerato, se convierte en gliceraldehído-3-fosfato . 
  • Fosfoglicerato quinasa cataliza la transferencia de P i de ATP a 3-fosfoglicerato, produciendo 1,3-difosfoglicerato .
  • Deshidrogenasa gliceraldehído-3-fosfato cataliza la reducción del carboxilo de 1,3-difosfoglicerato a un aldehído , y P i se libera, produciendo gliceraldehído-3-fosfato . Esta reacción es análoga a la deshidrogenasa de gliceraldehído-3-fosfato de la glucólisis correr hacia atrás, excepto que la deshidrogenasa dentro de los cloroplastos utiliza NADPH como donante de electrones, mientras que la enzima glicolisis citosólica utiliza NAD + como aceptor de electrones.
Una porción de la gliceraldehído-3-fosfato se convierte de nuevo a ribulosa-1,5-bisfosfato , a través de reacciones catalizadas por Triosa fosfato isomerasa, aldolasa, fructosa bisfosfatasa, sedoheptulosa bisfosfatasa, transcetolasa, epimerasa, ribosa fosfato isomerasa, y phosphoribulokinase. Muchas de estas enzimas son equivalentes a las enzimas de la citosólica glucólisis , gluconeogénesis y pentosa fosfatoPathways, pero están separados productos génicos residente en el estroma del cloroplasto. (Enzimas de las otras vías enumerados se encuentran en el citosol.) El proceso es similar a la pentosa fosfato Pathway corriendo hacia atrás.
Para tres moléculas de ribulosa-1,5-bifosfato (total de 15 C ) que se carboxilado, troceados, fosforilada, reducido, y desfosforilado, seis moléculas de gliceraldehído-3-fosfato se producen (total de 18 C ). De estos:
  • Una gliceraldehído-3-fosfato ( 3 C ) sale de la vía como producto . 
  • F ive de las 3-C moléculas (un total de 15 C ) se vuelva a transformar en tres 5-C moléculas de ribulosa-1,5-bifosfato, (sustrato para RuBisCO), tal como se resume a continuación.
C 3 + C 3 C 6 
C 3 + C 6 C 5 + C 4 
C 3 + C 4 C 7 
C 3 + C 7 C 5 + C 5
General: 5C 3 3C 5 
Las enzimas en el diagrama de la derecha: TI = triosafosfato Isomerasa AL = aldolasa FB = Fructosa-1,6-bisfosfatasa SB = sedoheptulosa-1,7-bisfosfatasa CT= transcetolasa EP = epimerasa ES = Isomerasa PK = phosphoribulokinase







Véase también el diagrama p. 897.
Resumen de Calvin Ciclo , omitiendo los compuestos que se regeneran:
3 CO 2 + 9 + 6 ATP NADPH gliceraldehído-3-fosfato + ADP + 9 8 P i + 6 NADP +
Gliceraldehído-3-fosfato se puede convertir en otros hidratos de carbono tales como metabolitos (por ejemplo, la fructosa-6-fosfato y glucosa-1-fosfato), las reservas de energía (por ejemplo, sacarosa o almidón), o componentes de la pared celular (por ejemplo, celulosa). Gliceraldehído-3-fosfato también puede ser utilizada por las células vegetales como fuente de carbono para la síntesis de otros compuestos tales como ácidos grasos y aminoácidos.Hay evidencia para la existencia de complejos multienzimáticos de las enzimas del ciclo de Calvin en el estroma del cloroplasto. Posicionamiento de muchas enzimas del ciclo de Calvin cerca de las enzimas que producen sus sustratos o utilizan sus productos de reacción puede aumentar la eficiencia de la vía.
Reglamento del ciclo de Calvin:Reglamento impide el Ciclo de Calvin de ser activo en la oscuridad , cuando podría funcionar en un ciclo fútil con la glucólisis y la pentosa fosfato Pathways, ATP y NADPH perder. 
Luz se activa o inhibe oscuros, el ciclo de Calvin (llamado anteriormente la "reacción oscura") de varias maneras.
-Luz activada la transferencia de electrones se vincula con el bombeo de H + en discos tilacoides . El pH en el estroma aumenta a aproximadamente 8. El pH alcalino activa estromal Calvin Ciclo enzimas RuBP carboxilasa , fructosa-1,6-bisfosfatasa y sedoheptulosa bisfosfatasa.
El cambio activado por la luz de H + en discos tilacoides es contrarrestada por Mg ++ liberación f rom los tilacoides al estroma . RuBP carboxilasa (en el estroma) requiere Mg ++ unión a carbamato en el sitio activo.
Algunas plantas sintetizan el estado de transición inhibidor carboxiarabinitol-1-fosfato ( CA1P ) en la oscuridad . RuBP carboxilasa Activase facilita la liberación de CA1P de RuBP carboxilasa, cuando se activa bajo condiciones de luz a través de tiorredoxina.
La tiorredoxina es una proteína pequeña con un disulfuro que se reduce en los cloroplastos a través de la transferencia de electrones activado por la luz.Tiorredoxina f, de cloroplastos de espinaca, se muestra a la derecha (estructura resuelta por G. Capitani, Z. Markovic-Housley, G. Delval, M. Morris, JN Jansonius, & P. Schurmann en 2000) .Seleccione la pantalla de dibujos animados y color estructura . El trenzado de hebra 5- b -hoja rodeada de 4 a -hélices es típica de los miembros de la familia de proteínas de tiorredoxina.

Seleccione residuo-CYS , mostrar el cambio de estos residuos a la bola y se pega con el color CPK . Identificar el disulfuro funcional compuesto por 2 residuos de cisteína en esta forma oxidada de tiorredoxina. Busque la secuencia de consenso tiorredoxina que contiene el disulfuro de Trp-Cys-Gly -Pro-Cys.


  C    O    N   S 
Durante la iluminación, la tiorredoxina disulfuro se reduce a un ditiol por ferredoxina , un componente de la vía de reacción fotosintética luz, a través de una enzima ferredoxina-tiorredoxina reductasa. Véase también el diagrama p. 902.La tiorredoxina reducida activa varias enzimas del ciclo de Calvin , incluyendo fructosa-1,6-bisfosfatasa, sedoheptulosa-1,7-bisfosfatasa, y RuBP carboxilasa Activase,reduciendo específicos disulfuros en estas enzimas para tioles. 
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