sự chuyển hóa cacbon trong quang hop

Chương 9: Sự chuyển hóa carbon
Chu trình Calvin là con đường quang hợp chính để cố định carbon

Con đường chuyển hóa carbon trong thực vật từ sự khử CO
2
từ đường được biết đến
là chu trình Calvin, sau khi nhà hóa học người Mỹ Melvin Calvin, cùng các cộng sự,
khám phá ra con đường chuyển hóa xuất sắc này vào cuối thập niên 1940 và 1950.
Chu trình thường được gọi là chu trình Calvin – Benson – Bassham, hay chu trình
CBB, sau khi Andrew Benson và James Bassham người cộng tác với Calvin và đóng
góp quan trọng trong việc làm sáng tỏ chu trình. Thỉnh thoảng nó cũng được gọi là
chu trình khử pentose phosphate, hay chu trình RPP. Nhóm của Calvin sử dụng 2 kỹ
thuật mới để hỗ trợ cho việc giải mã các phản ứng sinh hóa phức tạp này: giấy sắc ký
2 kích cỡ và chất đánh dấu phóng xạ. Đây là tác dụng có ý nghĩa đầu tiên của các chất
đánh dấu phóng xạ trong hóa sinh học. Về việc này, Calvin đã được thưởng giải
Nobel năm 1961 về hóa học.
Kỹ thuật ghi sắc ký cho phép sự phân chia của hàng tá hợp chất được tìm thấy trong tế
bào của cơ thể mà chúng sử dụng, tảo lục Chlorella pyrenoidosa. Chất đánh dấu
phóng xạ được cung cấp cho sự cấy bằng việc sử dụng
14
CO
2
, và sự cấy được ủ trong
ánh sáng qua nhiều khoảng thời gian khác nhau và rồi bị làm nguội liên tục bởi việc
phun vào rượu sôi. Trước khi thêm vào các hoạt động phóng xạ, tế bào đã được chiếu
sáng trong một dụng cụ gọi là “kẹo que”, mà cung cấp thậm chí sự chiếu sáng và việc
thao tác dễ dàng (Hình 9.1). Phương pháp này cho phép sự đo đạc đến mức giây sau
khi thêm vào
14
CO
2

. Với hệ thống thí nghiệm này, hợp chất được hình thành đầu tiên
dựa trên sự hợp nhất
14
CO
2
là chỉ những chất ký hiệu trong thí nghiệm của khoảng
thời gian ngắn, trong khi những thí nghiệm lâu hơn tạo ra một bộ sản phẩm phức tạo
hơn.
Hợp chất đầu tiên được đánh dấu bởi
14
CO
2
là 3-phosphoglyceric acid (PGA), theo
sau bởi đường phosphate và, sau đó, các amino acid, acid hữu cơ, aldehyde và ketone.
Sự thêm của nguyên tử carbon đơn là một sự báo trước cho việc đưa một sản phẩm 3
carbon được cho là phân tử trước có thể là một hợp chất 2 carbon. Tuy nhiên, không
có chất dự đoán 2 carbon bao giờ được nhận biết. Việc tìm ra rằng đường phosphate 5
carbon được dẫn đến từ việc dự đoán rằng chất trước có thể là một hợp chất 5 carbon,
và rằng hợp chất 6 carbon kết quả đã không ổn định và bị phá vỡ nhanh chóng thành 2
hợp chất 3 carbon. Đây là chìa khóa mấu chốt, và các nguyên tố cơ bản của chu trình
được sáng tỏ. Chất tiền thân 5 carbon đã được chứng minh là ribulose 1,5-biphosphate
(RuBP). Chú ý rằng cả ATP lẫn NADPH được sản xuất bởi chuỗi chuyền điện tử đều
không được dùng trong phản ứng mà chuyển hóa RuBP và CO
2
thành PGA, mà được
gọi là sự carboxyl hóa. Chi tiết của phản ứng này được xem xét bên dưới.
Ba giai đoạn của chu trình Calvin là carboxyl hóa, sự khử, và sự phục hồi RuBP.
Chu trình Calvin là một chuỗi phản ứng hóa học phức tạp mà đầu tiên có thể dường
như đáng sợ. Tuy nhiên, toàn thể chu trình có thể được chia làm 3 giai đoạn, mà được
hiểu một cách dễ dàng. Ba giai đoạn: Carboxyl hóa, giai đoạn khử và giai đoạn tái tạo

được miêu tả giản đồ minh họa trong hình 9.3. Toàn bộ chu trình được cho thấy trong
hình 9.4, và các phản ứng được tổng kết trong bảng 9.1. Bước carboxyl hóa tạo ra
PGA. Pha khử sử dụng NADPH và vài ATP được sản xuất bởi chuỗi truyền điện tử để
khử PGA thành đường triose phosphate. Hầu hết đường triose phosphate được sử
dụng để tái tạo RuBP trong 1 chuỗi các phản ứng phức tạp, trong khi một số được rút
cho sự tổng hợp tinh bột trong tế bào chất.
1
Hầu hết các phản ứng mà tạo nên chu trình Calvin đồng nhất để các phản ứng chuyển
hóa mà được biết rõ trong các mô không quang hợp, bao gồm sự hình thành glucose
và chu trình oxi hóa pentose phosphate. Enzyme mà xúc tác các bước này được thuật
lại rõ ràng như hoạt động trong các phản ứng không quang hợp, nhưng đặc hiệu cho
vai trò của chúng trong quá trình quang hợp, thường trong kỹ thuật của sự điều tiết.
Hai phản ứng độc nhất trong chu trình Calvin mà không tìm thấy trong các quá trình
chuyển hóa trong nhiều tế bào là phản ứng carboxyl hóa và bước cuối cùng trong tái
tạo RuBP.
Rubisco là enzyme của quá trình carboxyl hóa
Một enzyme đáng chú ý được gọi là ribulose biphosphate carboxylase/ oxygenase,
hay rubisco, thực hiện bước carboxyl hóa trong sự cố định carbon. Rubisco là một
enzyme phức tạp mà được điều chỉnh cao và trình bày thành 2 hoạt động riêng biệt:
sự carboxyl hóa và sự oxy hóa. Sự oxy hóa là một hoạt động dư thừa và được thảo
luận chi tiết hơn bên dưới.
Rubisco từ thực vật bậc cao và đa số vi khuẩn quang hợp bao gồm 8 bản sao mỗi tiểu
phần lớn (L) 51 – 58 kDa và tiểu phần nhỏ (S) 12 – 18 kDa, đưa một cấu trúc bậc 4
L
8
S
8
(hình 9.5). Tiểu phần lớn chứa mặt xúc tác, mà được chia sẻ giữa 2 tiểu phần lớn,
vì vậy phức hệ hoạt động tối thiểu là một dimer L
2

. Vài vi khuẩn quang hợp tía chưa 2
loại phức hệ rubisco: cả hệ dimer L
2
và phức hệ L
8
S
8
. Chức năng của tiểu phần nhỏ
chưa được hiểu rõ, nhưng nó có thể làm ổn định phức hệ L
8
S
8
hay trong một cách nào
đó, làm tăng hiệu ứng xúc tác. Trong đa số cáci sinh vật quang hợp nhân chuẩn, các
tiểu phần nhỏ (S) được mã hóa nhân, ngược lại, tiểu phần lớn lại được mã hóa lục lạp
(một vài ngoại lệ cho luật tổng quát này sẽ được thảo luận ở chương 11). Sự phối trí
của sự sát nhập và tập hợp 2 tiểu phần được thảo luận ở chương 10. Chaperonin, phức
hệ gấp nếp của protein, là cốt yếu cho sự tổ hợp rubisco.
2
Năng lượng học của quá trình carboxyl hóa tỏa nhiệt rất mạnh (ΔG
o
’= -35 kJ mol
-1
),
vì vậy sự carboxyl hóa là một phản ứng không thuận nghịch cần thiết. Cơ chế của
phản ứng được cho là gồm sự tự phát hình thành của một dạng enediol của RuBP. Sự
hình thành enediol được theo sau bởi sự carboxyl hóa, để đưa dạng trung gian không
ổn định, 2-carboxy-3-ketoarabinitol-1,5-bisphosphate, theo sau bởi sự đứt gãy tự phát
của nó thành 2 phân tử PGA, một phân tử mà chứa phân tử carbon mà được nhận lấy
từ CO

2
từ không khí (hình 9.6).
Trước khi rubisco có thể trở thành hoạt động xúc tác, một lysine trong mặt hoạt động
phải được sửa đổi bởi sự carbamyl hóa. Trong quá trình này, một phân tử CO
2
(không
phải phân tử mà đã được cố định thành photosynthate) phản ứng với nhóm ε-amino
của lysine đặc hiệu trong tiếu phần lớn, như được nêu ra trong hình 9.7. Một ion Mg
2+
phối trí cho carbamyl còn lại để tạo thành dạng hoạt động của enzyme. Carbamate
được cho là hoạt động như một base chung, làm dễ sự hình thành của chất trung gian
enediol. RuBP gắn rất chặt vào rubisco, thay đổi dạng cấu tạo của rubisco theo hướng
mà khóa một cách hiệu quả lối vào mặt hoạt động nhóm carbamyl. Nếu RuBP gắn
vào trước khi sự carbamyl hóa xảy ra thì enzyme mắc kẹt trong trạng thái chưa hoạt
hóa. Một enzyme khác, rubisco activase, xúc tiến sự carbamyl hóa của rubisco, chắc
chắn bằng thay thế cấu trúc của rubisco theo cách mà làm yếu sự liên kết của RuBP
với enzyme chắc hoạt hóa. Vì tiến trình này đòi hỏi phải có ATP, hoạt động của
rubisco thay đổi với cường độ ánh sáng, vì vậy tỉ lẹt của sự carboxyl hóa là điều hòa
phối trí với hoạt động của chuỗi truyền điện tử. Ngoài RuBP, rubisco activase cũng
làm dễ dàng loại bỏ các hợp chất khác mà đính vào trung tâm hoạt động của rubisco,
bao gồm carboxyarabinitol-1-phosphate, một chất ức chế xuất hiện tự nhiên, cũng như
xylulose 1,5-biphosphate, một isomer không phản ứng của RuBP mà có thể hình
thành trên enzyme và ức chế hoạt động của nó.
Phản ứng thay thế quan trọng nhất mà rubisco xảy ra bao gồm sự tác dụng với O
2
thay
vì CO
2
và vì thế, được gọi là sự oxy hóa. Sự oxy hóa là một sự hút đáng kể trên tài
nguyên của thực vật, vì trong nhiều loài thực vật nó xảy ra xấp xỉ một phần ba thời

gian thay cho sự carboxyl hóa. Quá trình này được nêu ở hình 9.8.
Vì CO
2
và O
2
là các cơ chất cạnh tranh, tỉ lệ của phản ứng carboxyl hóa và oxy hóa
được quyết định bởi tỉ lệ xúc tác và sự giống nhau về cấu trúc của rubisco cho 2 cơ
chất, được cân nặng bởi sự tập trung của CO
2
và O
2
trong không khí. Nếu nồng độ
CO
2
cao thì sẽ diễn ra quá trình carboxyl hóa, và ngược lại, nếu nồng độ oxy cao thì
diễn ra quá trình oxy hóa
Chi tiết về các phản ứng khác của chu trình Calvin:
Sau cacboxylat hóa, các bước tiếp theo trong chu trình Calvin là một bước phosphoryl
hóa, mà được theo sau bởi sự khử PGA được hình thành ở bước cacboxylat hóa
(Heldt, 1997; Sharkey, 1998; Taizand Zeiger, 1998; Martin et al, 2000.). Chung,
chúng được gọi là thứ giảm giai đoạn (hình 9,9). Hóa học, những phản ứng này gần
giống với các bước của glycolysis (và phản ứng ngược, gluconeogenesis) và được xúc
tác bằng enzym được tiến hóa liên quan đến các enzym glycolytic cytosolic
photphoglyxerat kinase và ATP được tạo ra bởi ánh sáng phụ thuộc phản ứng.
Bước tiếp theo là giảm BPG để glyceraldehydes 3-phosphate (GAP) bằng cách sử
dụng NADPH và các enzym NADP-glyceraldehydes phosphat dehydrogenase. Một
Phos-phate nhóm cũng được phát hành như là một phần của phản ứng này. Cơ chế
của phản ứng trong-volves một hình liên kết thioester với dư lượng Cys của các
enzym với việc phát hành phosphat, tiếp theo là giảm với NADPH, và cuối cùng phát
hành của Alde-hyde sản phẩm. Phản ứng tổng thể trong giai đoạn này của chu kỳ

3
Calvin là giảm một axít cacboxylic để aldehyde một. Các cao năng lượng thioester
trung gian được hình thành tại các chi phí của các phosphat năng lượng cao từ ATP.
Enzyme triose phosphate isomerase xúc tác các epuilibrium nhanh chóng giữa GAP
và phosphat dihydroxyacetone (DHAP), thông qua một 1,2 enediol trung gian. Nhanh
chóng cân bằng giữa hai loại đường thse đảm bảo rằng họ phản ứng như hồ bơi, và
gọi chung họ được gọi phosphat triose. Các bể phốt triose là điểm khởi đầu cho giai
đoạn cuối cùng của chu trình Calvin, sự tái sinh của RuBP, cũng như điểm của ewport
của sản phẩm giảm từ lạp lục này. Quá trình này sau này được mô tả dưới đây.
Giai đoạn tái sinh của các chu trình Calvin là một loạt các phản ứng phức tạp, trong
đó ba-cacbon triose phosphat được tái sinh vào năm-cacbon đường ribulose 5-
phosphat (Ru5P) (hình 9,4). Có bốn, năm, sáu và bảy-bon trung gian, erythorose 4-
phosphat (E4P), xylulose 5-phosphat (X5P), Ribose 5-phosphat (R5P), fructose 1,6-
bisphosphate (FBP), fructose 6-phosphat (F6P), sedoheptulose 1,7-bisphosphate
(SBP) và sedoheptulose 7-bisphosphate (S7P). Giai đoạn tái sinh có vẻ ghê gớm,
nhưng nó thực sự là một reshuffling của bộ xương cacbon để sản xuất cần năm-
cacbon trong chu trình chuyển hóa chất nền nonphotosynthetic, và enzyme lạp lục là
rất giống với những cytosolic. Định rằng các khía cạnh khác nhau cho enzemes lạp
lục, và những cái cytosolic được disussed dưới đây
Bước cuối cùng trong giai đoạn tái sinh liên quan đến các phosphoryl của Ru5P cho
RuBP sử dụng phosphoribulokinase enzym (hình 9,4). Enzym Đây là một trong hai
enzym (phương pháp khác là rubiso) mà là duy nhất để chuyển hóa quang cacbon.
Các RuBP thực hiện trong phản ứng này đã sẵn sàng để trải qua một ccycle của
caboxylation, giảm nghèo và tái sinh
Các tính hợp thức và hiệu quả của các phản ứng chu trình Calvin (bỏ)
(Stoichiometry is sự tính toán mối quan hệ định lượng của tác chất và sản phẩm trong
một phản ứng hóa học đã cân bằng. Nó có thể được sử dụng để tính toán định lượng
như số lượng sản phẩm mà có thể được sản xuất với tác chất lý thuyết và tác chất đã
phản ứng trong thực tế))(hiểu nôm na là tỉ số cân bằng phản ứng)
Các hóa học lượng pháp tổng thể của chu trình Calvin từ CO

2
để triose phosphat được
cho tại Eq.9.3.
3CO
2
9 ATP4-+ 6NADPH DHAP2-+ 9ADP3_ + 8Pi2-+6 NADP + +3 H + (9,3)◊+
5H2O
Điều này bao gồm ba ATP và NADPH hai yêu cầu cho đồng hóa của mỗi trong ba
phân tử CO2 cần thiết để tạo thành một phân tử phosphat triose, bao gồm cả tái sinh
của cùng một lượng RuBP như tiêu thụ. Như thảo luận trong Chương 7, giá trị hiện
đại chỉ ra rằng đây là số tiền của những tác chất cung cấp bởi các phản ứng ánh sáng
cho O2 mỗi sản xuất. Các triose phosphat, hoặc có thể được rút ra khỏi bởi xuất khẩu
từ lạp lục, như mô tả dưới đây, hoặc có thể được sử dụng để tổng hợp tinh bột có
trong các lạp lục. Ngoài ra, nó có thể được tái đầu tư để hình thành các phân tử khác
của RuBP và do đó làm tăng Chất chuyển hóa có sẵn. Nếu các-bon này được sử dụng
để tạo thêm RuBP, phản ứng tổng thể được cho bởi Eq.9.4.
5CO2 9 H2O 16 RuBP4-+ 14Pi2-+6 H + 16ADP3-+10 NADP +◊ATP4-+10 NADPH
(9,4)
4
Kết quả có được là chu kỳ các phản ứng để tăng mức độ bề mặt, được gọi là
autocatalytic. Điều này trái ngược với những trường hợp với chu trình TCA trong sự
trao đổi chất hiếu khí. Các chu trình TCA là một chu trình xúc tác, trong đó các hoạt
động bình thường của chu kỳ không thay đổi nồng độ của bể Chất chuyển hóa.
Lưu ý rằng cả hai Eq.9.3 và Eq.9.4 là phản ứng hóa học cân bằng mà chính xác mô tả
các chu trình Calvin. Chúng khác nhau ở xem phosphat triose được sử dụng để tạo
thêm RuBP hoặc được rút ra đi. Điều này có thể khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu của
nhà máy. Khi nhà máy đã được trong tối, mức RuBP là tương đối thấp, vì vậy hầu hết
các-bon được tái đầu tư để tăng năng lực của các chu trình. Khi mức độ trung gian
chu kỳ là đủ, sau đó rút ra các-bon là giảm ở mức độ phosphat triose.
Làm thế nào hiệu quả là chu trình Calvin về cân bằng năng lượng? Hiệu quả năng

lượng tổng thể của quang trong ánh sáng màu đỏ đã được tính toán được 27% trong
Chương 3. Điều này bao gồm thiệt hại do tất cả các giai đoạn của quá trình này, từ
năng lượng bẫy qua quang hóa học thấp , trung điện tử chuyển giao quy trình, sản
xuất ATP và định hình cacbon. Có thể cô lập hiệu quả của chu kỳ chỉ bằng cách xem
xét Calvin nhiệt động của quá trình tổng thể tính toán trong Chương 3 so với nhiệt
động của các phản ứng ánh sáng. Tổng số tiêu chuẩn năng lượng nhà nước lưu trữ
cho mỗi CO2 cố định và phát triển O2 là 479,5 kj mol-1 từ Eq. B4 trong Chương 3.
Năng lượng lưu trữ trong các phản ứng ánh sáng là năng lượng từ redox giảm
NADPH và ôxi hóa H2O cộng với liên kết năng lượng phosphate từ ATP hình thành.
Sử dụng tiềm năng redox định trong Bảng A2 cùng với Eq. A 25, đầu vào năng lượng
redox được tìm thấy là 440 kjmol-1 cho mỗi CO2 và O2 cố định phát triển. Năng
lượng trái phiếu phosphat là 31 kjmol-1 cho mỗi ATP thành lập, với tổng số 93
kjmol-1 cho ba phân tử ATP. Như vậy tổng số năng lượng đầu vào cho các chu trình
Calvin là + 533 Kjmol-1 cho mỗi CO2 cố định, trong đó có 479,5 kj mol-1 được thu
hồi, cho một hiệu quả tổng thể của 90%. Trong số này đầu vào năng lượng, khoảng
80% đến từ năng lượng redox (440 / 533), và 20% từ năng lượng trái phiếu phosphat
(93 / 533). Tất nhiên, đây là những giá trị trạng thái tiêu chuẩn nhiệt, và các giá trị
thực tế, trong đó có nồng độ thực của các loài hóa khác nhau, có thể đưa ra một chút
giá trị khác nhau.
Chu trình Calvin được điều chỉnh bởi sự khử đisulfua của các enzym chủ chốt và
các phong trào ion
Như đã nói ở trên, hầu hết các enzyme của chu trình Calvin liên quan chặt chẽ với các
enzym có xúc tác các phản ứng tương tự trong các khoang khác của tế bào.
Tuy nhiên, một số của các enzym chu trình Calvin được kích hoạt bằng cách giảm
liên kết disulfua giữa các dư lượng cysteine để tạo ra hình thức sulfhydryl của
cysteine.
giảm này là trung gian bởi thioredoxin, một khử nhỏ - hoạt động protein mà cũng
chứa một cặp residuse cysteine rằng có thể là oxy hóa, giảm (Buchanan, 1991;
Jacquot et al., 1997).
Thioredoxin l giảm một enzyme, oxidoreductase thioredoxin ferredoxin -, lần lượt

giảm ferredoxin sản xuất trong các phản ứng ánh sáng.
Thác này khử được hiển thị dạng biểu đồ trong Fig.9.10.
Các ferredoxin - thioredoxin reductase (FTR) có hình dạng phẳng và mỏng khác
thường (Đại et al., 2000)
Ferredoxin gắn trên một mặt và chuyển khoản điện tử với một Fe - S cluster mà sau
5
đó chuyển chúng vào thioredoxin, mà gắn ở phía bên kia.
Một đisulfua trộn giữa FTR và thioredoxin là một trung gian
Đối với các men này được điều chỉnh bởi giảm thiol trung gian bởi thioredoxin, trang
web hoạt động của các enzyme oxy hóa được tổ chức trong một hình học không thuận
lợi của liên kết đisulfua, nhưng dưới hình thức giảm là miễn phí để thừa nhận một
dáng rằng giấy phép hoạt động bình thường enzym.
Các men này được kích hoạt bởi hành động thioredoxin là các enzyme làm giảm BPG
để GAP, NADP - phosphat dehydrogenase glyceraldehyde, và ba enzym của giai đoạn
tái sinh, fructose 1,6 - bisphosphate phosphatase, sedoheptulose 1,7 - phosphatase
bisphosphate và phosphoribulokinase.
Ngoài ra, RuBisCO activase, các enzyme đó quy định các trạng thái kích hoạt của
RuBisCO, được hoạt hóa bởi thioredoxin.
Một enzyme của lạp lục, glucose 6 - phosphat dehydrogenase, là ức chế trong các
hình thức sulfhydryl giảm và kích hoạt trong các hình thức đisulfua bị ôxi hóa, chỉ cần
đối diện của các mô hình mô tả ở trên.
enzyme này không phải là một phần của chu trình Calvin, mà thay vào đó là điểm
mục nhập cho các chu trình oxy hóa pentose phosphate được sử dụng để làm cho
ribose cần thiết cho sự tổng hợp DNA và RNA bằng cách sử dụng glucose 6 -
phosphat để tạo ra ribose 5 - phosphate và CO2, cùng với giảm NADPH
Nếu con đường này oxy hóa, trong đó phát hành CO2, và NADPH thay vì sử dụng
chúng, cũng như chu trình Calvin, cũng sẽ được hoạt động trong quá trình quang, nó
sẽ tạo thành một chu kỳ vô ích.
Hai con đường sẽ ăn nhiều chất với nhau, với kết quả ròng là lãng phí của ATP.
Đây là ý thức ngăn ngừa bằng cách đối diện của các quy định đisulfua của glucose 6 -

phosphat dehydrogenase, so với các enzym chu trình Calvin.
Điều này đảm bảo rằng hai chu kỳ không đồng thời hoạt động.
Các lạp lục ATP synthase cũng reductively kích hoạt bằng cách giảm đisulfua của tiểu
đơn vị y (Mills, 1996).
Khi tối, lạp lục trở nên ít giảm, và disulfua được hình thành, khiến các hoạt động
enzyme.
Cơ chế này kiểm soát ngăn ngừa các ATP được tổng hợp trong ánh sáng không bị
thủy phân trong bóng tối của enzyme chạy ngược trở lại.
Ngoài các quy định thioredoxin khử của các enzym chu trình Calvin, các phong trào
ion hướng ánh sáng kích hoạt một số enzym.
Như được thảo luận ở Chương 8, điện tử trasport gây ra quá trình axit hóa của lumen
thylakoid và do đó alkalization của stroma, điển hình là nâng cao độ pH 7-8.
A - ánh sáng phụ thuộc gia tăng của nồng độ đệm + Mg2 là cùng với sự xông lên H +.
PH tối ưu của nhiều của các enzym chu trình Calvin là trong khoảng kiềm, vì thế họ
được kích hoạt bởi sự thay đổi pH.
Ngoài ra, tăng cường tập trung + Mg2 kích thích hoạt động của một số các enzym.
Cuối cùng, leves của chất chuyển hóa cũng điều chỉnh một số các enzym chu trình
Calvin, để hoạt động cụ thể của họ được tăng cường khi các chất nền của họ có mặt ở
nồng độ cao hơn (Heldt, 1997; Martin et al., 2000).
Các quy định của chu trình Calvin là như vậy, một hiện tượng nhiều mặt, trong đó bao
gồm sửa đổi, cộng hóa trị của thioredoxin và carbamylation RuBisCO, cộng với sửa
đổi noncovalent bởi ion và mức chất chuyển hóa, và protein - protein tương tác giữa
RuBisCO và activase RuBisCO.
Những cơ chế hành động trong buổi hòa nhạc để giữ cho chu kỳ trong sự cân bằng và
đảm bảo hiệu quả tối đa.
6
Figure9.10 Các thioredoxin - khử trung gian kiểm soát các hoạt động enzyme.
Ferredoxin là giảm từ quang điện tử 1 và lần lượt giảm ferredoxin - reductase
thioredoxin (FTR).
FTR giảm thioredoxin mẫu sulfhydryl, và thioredoxin giảm đisulfua của enzyme mục

tiêu, trong hầu hết các trường hợp kích hoạt hoạt động enzim của nó.
HÌNH
Quang hô hấp là một quá trình lãng phí cạnh tranh với sự carboxyl hóa
Chu trình quang hô hấp được khởi xướng trong lạp lục với sự thủy phân của 2-
phosphoglycolate để glycolate, mà lục lạp của lá thông qua một glycolate cụ thể vận
chuyển trao đổi glycerate hiện diện trong màng tế bào bên trong lạp lục. Glycolate sau
đó vào một bào quan, các Peroxisome, bằng cách khuếch tán thụ động thông qua một
lỗ riêng biệt. Trong Peroxisome, ôxi hóa glycolate, để glyoxylate sử dụng O2 và
oxidase enzyme glycolate. Điều này phản ứng hình thức H2O2 như là một sản phẩm,
mà là nhanh chóng chia nhỏ theo các mức cao hiện nay catalase trong Peroxisome.
Glyoxylate được chuyển hóa theo hai cách khác nhau. Trong một phản ứng, nó phản
ứng với glutamate để tạo thành a-ketoglutarate và glycine trong một phản ứng xúc tác
bởi glutamate enzym-glycolate aminnotransferase. A-ke toglutarate hình thành trong
phản ứng này được hấp thụ trở lại vào lạp lục, nơi nó được chuyển đổi trở lại
glutamate và sau đó gửi lại cho Peroxisome. Phản ứng này bao gồm việc bởi
ferredoxin và chuyển hóa amin từ glutamine. Quá trình này phục vụ để reassimilate
các NH3 được sản xuất tại mitochondrion, như mô tả trong đoạn tiếp theo. Phản ứng
glyoxalate khác với serine, và cũng được mô tả dưới đây. Cả hai H2O2 và glyoxalate
là các hợp chất độc hại, do đó, nội địa hóa của họ trong Peroxisome là có lợi.
The glycine được sản xuất trong quang hô hấp được thoát ra từ Peroxisome và đưa lên
bởi mitochondrion. Đối với mỗi hai phân tử glycine nhập khẩu, C02 và NH3 được
thoát ra, và một NAD + NADH bị khử bởi ldecacboxylaza_ enzym glycine lớn, phức
tạp. Các nguyên tử cacbon còn lại được bổ sung vào các phân tử glycine khác để tạo
thành serine do serine enzyme hydroxymethyltransferase , trong đó sử dụng folate
như một cofactor. Các serine giải phóng ra từ mitochondrion các reenters các
Peroxisome, nơi nó phản ứng với glyoxalate trong một phản ứng chuyển hóa amin để
hình thành glycine và hydroxypyruvate. Hydroxypyruvate là khử NADH để tạo
glycerate, di chuyển Peroxisome vào lạp lục của lá. Bước cuối cùng là phosphoryl của
glycerate để tạo PGA, là một trong những chất chuyển hóa trong chu trình Calvin.
Nhìn chung, cứ mỗi hai phân tử của RuBP thông qua phản ứng oxy hóa để tạo thành

hai phân tử của 2-phosphoglycolate và hai phân tử của PGA, một phân tử CO2 bị mất.
Ba nguyên tử cacbon khác trong hai 2-phân tử phosphoglycolate được tái chế để tạo
thêm một phân tử PGA. Chi phí năng lượng của quang hô hấp có thể không xuất hiện
quá cao khi tìm chỉ ở Fig.9.11, trong đó chỉ có một ATP được thủy phân trong toàn bộ
chu kỳ (NADH bị ôxi hóa và khử, do đó, không có thay đổi cuối cùng). Tuy nhiên,
trong tin tức khác để có được trở lại nơi mà chúng tôi bắt đầu (mà là làm thế nào một
trong những phải tính toán chi phí năng lượng), nó là cần thiết để regenerare 2 RuBP
7
phân tử thông qua chu trình Calvin. Chi phí tổng thể của quang hô hấp là 5 ATP và 3
NADPH cho mỗi lần oxy hóa. Đây là một chi phí năng lượng đáng kể, trong đó có
thể thêm lên đến khoảng 50% số lượng của cacboxylat hóa hết năng lượng (Heldt,
1997).
Quang hô hấp là một tiến hóa mà các nhà máy là không thể tránh, hoặc không có lẽ nó
phục vụ một mục đích hữu dụng? Câu trả lời cho câu hỏi này chưa rõ ràng. Thực vật
C4 tránh quang hô hấp gần như hoàn toàn bằng cách tập trung CO2, vì vậy nó rõ ràng
là không cần thiết trong mọi điều kiện. Ngoài ra, con đường khác để thoát khỏi sự
tổng hợp của glycine và serine. Quang hô hấp, có thể ngăn overreduction của các
thành phần thylakoid trong điều kiện ánh sáng cao và CO2 thấp. điều này có thể xảy
ra khi các lỗ khí khổng được đóng cửa trưa để ngăn ngừa mất nước.
HÌNH
Chu trình C4
Thực vật C4 gồm các cây như :mía , ngũ cốc thuộc họ hòa thảo
 Thực vật C4 có 2 loại tế bào quang hợp riêng biệt : tế bào thịt lá và các tế bào
bao bó mạch của gân lá
8
 Con đường cố định CO
2
ở thực vật C4
Quá trình quang hợp được thực hiện theo không gian : sự cố định CO
2

từ không khí
được thực hiện ở tế bào thịt lá để tạo nên hợp chất 4 cacbon là malat . Malat được
xem là nguồn dự trữ cacbon tạm thời để cung cấp cho chu trình Calvin xảy ra ở tế bào
bao bó mạch . Bằng cách phân vùng dự trữ nguồn CO
2
như vậy , các thực vật C4 thích
nghi được với điều kiện nhiệt đới nóng do cường độ chiếu sáng quá mạnh làm cho khí
khổng phải đóng kín để chống mất hơi nước cho cây.
Con đường C4 cố định CO
2
xảy ra thành 2 bước : ( chu trình Hatch-Slack )
Bước 1 :sơ bộ cố dịnh C0
2
. Giai đoạn này xảy ra trong các lục lạp bé của các tế bào
nhu mô thịt lá .
-CO
2
được cố định bởi hợp chất photphoenolpiruvat ( PEP ) , là hợp chất chứa 3
cacbon được enzim photphoenolpiruvatcacboxilase ( (PEPcacboxilase ) xúc tác . Sản
phẩm đầu tiên của phản ứng giữa PEP và CO
2
là axit oxaloaxetic , AOA ( một hợp
chất 4 cacbon )
- So với rubisco , PEP cacboxilase có ái lực rất cao đối với CO
2
, nhờ vậy , PEP
cacboxilase có thể cố định được CO
2
ở nồng dộ thấp khi mà rubisco không thể . Điều
đó xảy ra khi nắng nóng và khô . khi khí khổng khép lại một phần làm cho nồng độ

CO
2
trong lá giảm và nồng dộ O
2
tăng . Thực vật C4 xuất hợp chất 4 cacbon (malat)
đến các tế bào bao bó mạch . Axit
oxaloaxit tương tác với NADPH2 hình thành nên axit malic (hợp chất 4 cacbon ) .
Bước 2 : Tái cố định CO
2
theo chu trình Calvin
- Tới các tế bào bao bó mạch , các hợp chất 4 cacbon giải phóng ra CO2 .
CO2 được tái cố định vào hợp chất hữu cơ bởi rubisco (ribulose-1,5-
diphotphatcacboxilase ) theo chu trình Calvin
Đồng hóa CO
2
ở cây mọng nước – Chu trình CAM ( trang_)
Một số thực vật thường là các cây mọng nước sống trong điều kiện khô hạn, nhất là
sống nơi hoang mạc thường xuyên thiếu nước. Chúng không được phép mở khí khổng
vào ban ngày mà chỉ mở vào ban đêm, khi nhiệt độ không khí giảm xuống. Do vậy
CO
2
chỉ được xâm nhập vào lá vào ban đêm mà thôi. Để thích nghi với điều kiện khó
khăn như vậy, các cây mọng nước chọn lọc một con đường quang hợp đặc trưng riêng
cho mình trong điều kiện khô hạn. Đó là sự cố định CO
2
vào ban đêm và khử CO
2
vào
ban ngày.

9
Hình 5.11. Sơ đồ về con đường quang hợp của thực vật CAM

Điều khác biệt của thực vật CAM so với thực vật khác là sự phân định về thời
gian của quá trình cố định CO
2
và khử CO
2
.
Quá trình cố định CO
2
được thực hiện vào ban đêm. Ban đêm, khi nhiệt độ không khí
giảm xuống thì khí khổng mở ra để thoát hơi nước và CO
2
sẽ xâm nhập vào lá khí
khổng mở.
Chất nhận CO
2
đầu tiên cũng là PEP và sản phẩm đầu tiên cũng là AOA như cây C
4
.
Quá trình này diễn ra trong lục lạp.
AOA sẽ chuyển hóa thành malat. Malat sẽ được vận chuyển đến dự trữ ở dịch bào và
cả tế bào chất. Do đó mà pH của tế bào chuyển từ 6-4.
Quá trình khử CO
2
diễn ra ban ngày khi có ánh sáng hoạt hóa hệ thống quang hóa hệ
thống quang hóa và khí khổng đóng lại. Có 3 hoạt động diễn ra đồng thời vào ban
ngày:
Hệ thống quang hóa hoạt động. Khi có ánh sáng thì pha sáng của quang hợp diễn ra

và kết quả là hình thành nên ATP và NADPH
2
và giải phóng oxi. ATP và NADPH
2
sẽ
được sử dụng cho khử CO
2
trong pha tối.
Malat lập tức bị phân hủy để giải phóng CO
2
cung cấp cho chu trình C
3
, còn axit
pyruvic biến đổi thành chất nhận CO
2
là PEP.
Thực hiện chu trình C
3
như các thực vật khác để tổng hợp nên các chất hữu cơ cho
cây.
Ý nghĩa của con đường quang hợp của thực vật CAM
- Đây là con đường quang hợp thích nghi với điều kiện khô hạn của các thực vật
mọng nước. Nhờ con đường quang hợp này mà khả năng chịu hạn của chúng rất cao,
hơn hẳn các thực vật chịu hạn khác.
- Do quang hợp trong điều kiện quá khó khăn nên cường độ quang hợp của các thực
vật mọng nước thường thấp, năngt suất sinh vật học cũng vào loại thấp và sinh trưởng
chậm hơn các thực vật khác.
Tảo và vi khuẩn lam tập trung chủ động CO
2

Các loại cuối cùng của CO2 - cơ chế tập trung được tìm thấy trong các hình thức khác
nhau trong hầu hết các vi khuẩn lam và tảo (Kaplan và Reinhold, 1999; Moroney và
Somanchi, 1999; Badger và Spalding, 2000). Nó bao gồm sự kết hợp của các cơ chế
bơm, các anhydrase enzym cacbonic và đóng gói một dày đặc robisco, như được hiển
thị schematically Fig.9.15. Hiệu quả tiếp theo là phải tập trung CO2 và HCO3-để nó
có thể không chỉ đơn giản trở lại rò rỉ ra throungt màng. RuBisCO là rất đông đóng
gói trong các cấu trúc dày đặc tế bào chất callled carboxysomes ở vi khuẩn lam.
Trong tảo, RuBisCO, cùng với RuBisCO activase, được đóng gói thành phức lạp lục
pyrenoid gọi là cơ quan. Trong cả hai trường hợp, các cơ quan là hầu như tinh
RuBisCO và cũng chứa anhydrase cacbonic. Điều này emzyme sau xúc tác các hydrat
hóa của Co2 để tạo Hco3 như được đưa ra trong Eq.9.6.
CO2 + H2O -> HCO3-+ H + (9,6)
CO2 hoặc HCO3-được bơm vào trong tế bào, và trong trường hợp của tảo, cũng được
bơm vào các lạp lục. Trong vi khuẩn lam, có máy bơm mulltiple, một ATP-driven
bơm, một Na + / HCO3-symport và dieffusion một vận chuyển tạo điều kiện cho
CO2. Symport là một màng phức tạp vận tải hai chất nền qua màng tế bào đồng thời,
10
cả hai từ cùng kích thước của màng tế bào. Các-bon vô cơ chủ yếu được lưu giữ trong
các từ của HCO3 Ngược lại với khí CO 2, rất thấm qua màng tế bào và vách tế bào
và do đó dễ dàng rò rỉ ra ngoài, HCO3-không lleak ra khỏi tế bào , bởi vì phí tạo ra
màng tế tương đối thấp HCO3
Các anhydrase cacbonic trong carboxysome việc chuyển đổi HCO3-cho CO2, là ngay
lập tức cố định do bởi RuBisCO trước khi nó có thể bị rò rỉ ra ngoài. Thú vị, không có
anhydrase cacbonic trong vi khuẩn lam, và nếu nó được giới thiệu thông qua biến đổi
gen, các tế bào không thể tập trung CO2. Những lời giải thích cho sự quan sát này là
anhydrase cacbonic trong tế bào chất làm tăng lượng khí CO2 tự do trong tế bào chất,
và sau đó là chủ đề để rò rỉ. Cơ thể pyrenoid của lạp lục cũng chứa anhydrase
cacbonic với một chức năng tương tự.
Nếu các tế bào được trồng tại một systemp nồng độ cao là đàn áp. Nếu các tế bào này
sau đó được chuyển giao cho một nồng độ thấp của CO2, họ là ban đầu không thể tập

trung khí CO 2, nhưng sau đó phát triển khả năng như gens rằng mã cho các thành
phần của systemp là gây ra và tổng hợp protein. Đột biến các nghiên cứu đang được
sử dụng để giúp xác định và sao chép các gen (Omata etal, 19.999.).
Sucrose và sự tổng hợp tinh bột.
cacbon cố định bởi chu trình Calvin được xử lý cho-lưu trữ lâu dài trong hai
hình thức khác biệt. một trong các mẫu đơn này là tinh bột, được thực hiện trong tế
bào chất. trong cả hai trường hợp, triose phosphat là điểm khởi đầu cho chuyển đổi. cả
các quá trình diễn ra ở mức đáng kể và hổ tương tác dụng giữa chúng là rất cao quy
định. trong cả hai trường hợp, các sản phẩm lưu trữ là một oligosaccharide
nonreducing đó không phải là phosphoryl hóa. các đường monosaccharide là khá dễ
dàng bị ôxi hóa và không thích hợp như là một sản phẩm lưu trữ. ngoài ra, bởi chuyển
đổi đường
đến một hợp chất polymeric như tinh bột, một lượng lớn cacbon có thể được các cửa
hàng mà không tăng áp lực thẩm thấu bên trong tế bào. một hợp chất phosphoryl hóa
nhanh chóng sẽ tiến lên nhiều các phosphat trong tế bào và gây ra nhiều phản ứng sẽ
không hoạt động. Con số 9,16 schematically minh hoạ con đường tổng thể của tinh
bột và tổng hợp sucrose.
Tinh bột tổng hợp diễn ra trong lạp lục này. Trong ngày, một lượng lớn
tinh bột được thực hiện và lắng đọng trong hạt tinh bột trong stroma lạp lục. Tinh bột
này được huy động chủ yếu trong đêm để cung cấp các-bon cho một loạt các quy trình
lạp lục và do đó không đại diện cho một sản phẩm lưu trữ lâu dài nhưng, thay vì, một
sản phẩm lưu trữ trung gian.
Tinh bột tổng hợp bắt đầu với phosphat triose, sản phẩm chính của chu
trình Calvin, như trong hình. 9,16 và tóm tắt trong bảng 9.5. một số phản ứng đầu tiên
là giống hệt nhau cho một số phản ứng của tái sinh của RuBP, tiến hành thông qua
fructose 1,6-bisphosphate và fructose 6 - phosphat (F6P). các F6P là isomerized để
glucose 6-phosphat (G6P) do isomerase men tiêu hóa phosphat hexose, và G6P được
chuyển đổi sang đường 1-phosphat (G1P) bởi phosphoglucomutase. G1P được kích
hoạt với ATP do ADP enzym-pyrophosphorylase glucose để tạo thành nucleotide -
liên kết với đường ADP-glucose và pyrophosphate. Pyrophosphate là ngay lập tức

bằng cách thủy phân pyrophosphate, mà ổ phản ứng toqards hình thành ADP-glucose.
Cuối cùng, phân tử glucose của ADP-glucose được liên kết từ 1 đến 4 của một chuỗi
tinh bột phát triển bởi các synthase tinh bột men tiêu hóa, tạo thành một liên kết 1-4
11
glycosidic giữa đường và phát hành ADP.
Sucrose Tổng hợp diễn ra trong Tế bào chất. Triose Phosphate tổng hợp
theo Chu trình Calvin là xuất khẩu từ lạp lục bởi các hành động của triose phosphat
-phosphat vô cơ Di chuyển trong phong bì lạp lục bên trong màng tế bào. Điều này
protein màng tế bào xúc tác một cuộc trao đổi bắt buộc của lối ra phosphat triose cho
Pi nhập cảnh. Một nghiêm ngặt-cho-một trong những trao đổi quy định về việc xuất
khẩu trung gian phosphoryl hóa để họ sẽ không bị suy giảm từ lạp lục này
Các phản ứng tổng hợp sucrose được mô tả trong fig 9,6 và tóm tắt trong bảng 9.5.
các phản ứng hóa học sớm là giống hệt nhau để thực hiện các bước đầu tiên trong
tổng hợp tinh bột, mặc dù các enzym được isoforms cytosolic của các enzym lạp lục.
GP1 cũng được chuyển đổi thành một đường liên kết nucleotide, mặc dù các
nucleotide rằng nó phản ứng với là uridine triphosphate (UTP), và sản phẩm là UDP
glucose. Đây là ngưng tụ với F6P để tạo sucrose 6 phosphat do synthase phosphat
enzym sucrose. Cuối cùng, phosphat được thủy phân bởi phosphat sucrose để mang
sucrose sản phẩm cuối cùng.
Triose phosphat có ba số phận có thể có: tinh bột tổng hợp, sucrose tổng hợp hoặc
tái sinh của RuBP. Sự cân bằng của ba con đường được điều khiển bởi một cơ chế
pháp lý phức tạp (Heldt, 1997). Nếu quá nhiều phosphat triose được dành cho một
trong hai hình thành tinh bột hoặc sucrose, sau đó là hồ bơi của trung gian chu trình
Calvin nhanh chóng sẽ cạn kiệt, và các chu trình Calvin sẽ sụp đổ hại.
Tinh bột tổng hợp được quy định bởi các cấp của sản phẩm chính của
cacboxylat hóa bởi RuBisCO và PGA, cùng với nồng độ phosphat vô cơ. Hai hợp
chất là hiện nay với số lượng lớn, do đó tăng nồng độ của PGA được đi kèm với giảm
Pi. PGA cao và làm giảm nồng độ Pi có tác dụng kích hoạt tổng hợp tinh bột bằng
cách kích hoạt pyrophosphorylase đường ADP.
Các quy định của tổng hợp sucrose là chủ yếu ở hai bước: nơi fructose 1,6 -

biphosphate được chuyển đổi thành fructose 6-phosphat của fructose 1,6-Phosphatase
biphosphate và nơi F6P được ngưng tụ với UDP-glucose để tạo thành phosphat
sucrose bởi sucrose 2, 6-phosphat. Nồng độ của điều này là lần lượt kiểm soát bởi các
cấp độ của một số chất chuyển hóa, với kết quả đó, cho đến khi đạt đến cấp độ
phosphat triose một mức độ ngưỡng, hoạt động của Phosphatase là rất thấp. Điều này
ngăn cản phosphat triose không bị sử dụng để tổng hợp sucrose cho đến khi một số
lượng đầy đủ đã được tổng hợp để tái sinh RuBp. Sucrose phosphate synthase cũng
được quy định của nồng độ chất chuyển hóa cytosolic, đặc biệt là Pi và G6P, mà hành
động như cơ quan phản ứng lại kích thích allosteric. Sự nhạy cảm của SPS cho những
cơ quan phản ứng lại kích thích phụ thuộc vào tình trạng phosphoryl của các enzym,
mà thay đổi một phần tùy thuộc vào nhu cầu để tổng hợp sucrose.
HÌNH
12