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Lichtunabhängige Reaktionen der Photosynthese

Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase (Rubisco) / -Oxygenase

Kohlenstoff ist ein unverzichtbarer Baustein allen Lebens. Alle molekularen Strukturen und Enzyme basieren auf einem zentralen Rückgrat aus organischem Kohlenstoff. Obwohl Kohlenstoff an sich kein seltenes Element ist, liegt es aber zum größten Teil nur im schwer verwertbaren oxidierten Zustand als Carbonatmineralien und Kohlendioxid-Gas vor. Nahezu der gesamte Kohlenstoff der belebten Welt stammt von den Pflanzen, die die Sonnenenergie verwenden, um den Kohlenstoff zu assimilieren. Das Schlüsselenzym dieses elementaren Vorgangs der Kohlenstoff-Fixierung ist die Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase (Rubisco). Dieses Enzym ist also quasi die Brücke zwischen der belebten und unbelebten Welt.

Rubisco kommt in nahezu allen photosynthetisierenden Organismen vor. Das Enzym der höheren Pflanzen, Algen und Cyanobakterien ist ein komplex aufgebautes Hexadecamer mit einer Molekularmasse von 550 kDa, das aus 8 großen (50-55 kDa) und 8 kleinen (12-18 kDa) Untereinheiten zusammengesetzt ist. Davon abweichend enthält das Holoenzym einiger Dinoflagellaten, Cyanobakterien und phototrophen Eubakterien nur die große Untereinheit in unterschiedlicher Anzahl.

3D-Modell: Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase (Rubisco)

Viele Enzyme liegen in symmetrischen Komplexen vor, damit die allosterischen Wechselwirkungen zwischen den Ketten zur Regulation der Enzymaktivität genutzt werden können. Bei der Rubisco scheint es jedoch keine Allosterie zu geben; jede Untereinheit katalysiert unabhängig von den anderen. Daher stellt sich die Frage, warum es zu einem derartig großen Komplex kommt? Eine mögliche Begründung könnte die Raumknappheit darstellen, unter der das Enzym seine Arbeit verrichtet. Indem viele Ketten und damit viele aktive Zentren in einen kompakten Komplex gepackt werden, erhält das Enzym ein günstiges Volumen/Oberfläche-Verhältnis, das vom umgebenden Stroma benetzt werden muss.

Trotz seiner zentralen Rolle ist Rubisco eines der langsamsten und (scheinbar) ineffektivsten Enzyme in der Natur. Typische Enzyme bearbeiten Tausende von Molekülen pro Sekunde, während Rubisco lediglich ca. drei Moleküle CO2 pro Sekunde fixiert. Dies liegt an ihrer hohen Affinität gegenüber atmosphärischem Sauerstoff, der mit Kohlendioxid in einen Wettbewerb um freie Bindungsstellen am Enzym tritt. Diese Oxygenase-Aktivität von Rubisco verursacht eine andauernde Verarmung des zweiten Substrats von Rubisco, des Ribulose-1,5-bisphosphats, und führt zu einer bis zu 50 %igen Minderung der Kohlenstofffixierung. Da die Selektion einen solch wichtigen Prozess sicher nicht ohne Grund derartig ineffektiv gestaltet hat, wird angenommen, dass es sich um einen "Trade-Off" (Kompromiss) zwischen der Aufgabe einer möglichst effektiven CO2-Fixierung und der Notwendigkeit des Schutzes der Chloroplastenenzyme vor Photooxidation handelt, die besonders bei hohen Lichtintensitäten erheblich sein kann.

Abb.1
Carboxylase- und Oxygenase-Aktivität von Rubisco

Neben der Carboxylase-Aktivität weist Rubisco bei hohem Sauerstoff-Partialdruck auch eine Oxygenase-Aktivität auf. Lagert sich Sauerstoff als Substrat an, entstehen aus Ribulose-1,5-bisphosphat je ein Molekül 3-Phospho-D-glycerat u. Phosphoglycolat, der Precursor für Glycolat, welches die Schlüsselverbindung bei der Photorespiration (Lichtatmung) von Pflanzen darstellt.

Rubisco teilt die beidseitige Affinität gegenüber CO2 und O2 sowie RuBP bzw. 2,3-Bisphosphoglycerat (2,3-BPG) mit einem anderen Schlüsselenzym, dem Hämoglobin bzw. seinen Komponenten, dem Myoglobin. Rubisco hat jedoch eine höhere Affinität gegenüber dem "ungewollten" Substrat O2 als Myoglobin gegenüber CO2. Dies liegt daran, dass sauerstoffbindende Proteine wie das Myoglobin, das in Form und chemischen Eigenschaften ähnliche CO2 durch dessen geringfügig größeres Volumen ausschließen können. Umgekehrt kann das kleinere O2 leicht in die Bindungstasche von Rubisco rutschen.Photosynthetische Organismen kompensieren die langsame Bindungsrate von Rubisco, indem sie große Mengen des Enzyms produzieren. Mehr als 50 % des gesamten in Chloroplasten vorkommenden Proteins kann Rubisco sein. Dadurch ist Rubisco das am häufigsten vorkommende Enzym der Welt. Schätzungen gehen von einer Gesamtmenge von mehr als 4 Mio. Tonnen aus.

Zunächst wurde angenommen, dass allein die Anwesenheit von anorganischem Kohlenstoff und Mg2+ das Enzym aktiviert. Diese Aktivierung erfolgt besser bei einem alkalischen pH und vorangegangener Lichteinwirkung. Heute weiß man, dass in vivo auch ein erblicher Faktor, die Rubisco Aktivase beteiligt ist, die Rubisco in den aktiven Zustand versetzt, indem eine Amino-Gruppe carboxyliert wird. Die Regulation von Rubisco ist sehr komplex. Das Enzym wird sogar als "schizophren" bezeichnet, da einerseits ihre Oxygenase-Aktivität bis zu 50 % der Ausbeute zerstört wobei CO2 ein Aktivator darstellt, das zweite Substrat RuBP aber ein Inhibitor ist.

Durch den Wettbewerb zwischen CO2 und O2 um die aktiven Zentren von Rubisco, die entweder die Photosynthese oder die Photorespiration antreiben, wird spekuliert, ob es durch globale Klimaänderungen (Global Warming) zu einer Modifikation dieser biochemischen Mechanismen kommen kann. Insbesondere wird untersucht, ob es zu einer Änderung in der Konzentration von Rubisco oder zu Modifikationen ihrer Aktivität kommen kann.

Weiterführende Links:

Literatur

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