سیستم همکاری در فروش سپیده

واكنش هاي تاريكي

در اين بخش به اين موضوع مي پردازيم كه مولكول هاي پرانرژي چگونه براي توليد تركيبات قندي يا كربوهيدرات ها مورد استفادة ‌گياه قرار مي گيرند.

الف    چرخة كلوين در سالهاي بين 1946 تا 1953 سه تن از دانشمندان به نامهاي ملوين كلوين، جيمز بشام و آندروبنسون راه متابوليكي تبديل گازكربنيك به قند را در گياهان كشف كردند. آنها اين كار را از طريق پيگيري از بين رفتن گازكربنيك راديواكتيو نشان دار

در كشت هاي سلول هاي جلبك انجام داده اند. آزمايشهاي اولية كلوين نشان داد جلبك هايي كه به مدتي كه دقيقه و يا بيشتر در معرض گازكربنيك نشان دار قرار گرفته بودند، تركيب پيچيده اي از متابوليت هاي نشان دار، شامل قندها و اسيدهاي آمينه توليد كردند. با وجود اين ، تجزية جلبكي كه 5 ثانيه در معرض گازكربنيك نشان دار قرار گفته بود نشان داد كه اولين تركيب پايدار راديواكتيو فعال كه در جلبك تشكيل گرديد 3    فسفوگليسرات يا PG3 بوده است كه در ابتدا فقط از طرف گروه كربوكسيل (   COOH) نشان دار شده است. اين نتايج بلافاصله اين پيشنهاد را مطرح مي سازد كه PG3 توسط كربوكسيلاسيون يك تركيب دوكربنه به دست آمده است. چنين مادة‌ پيش ساختي تاكنون كشف نشده است. چنانچه واكنش كربوكسيلاسيوني واقعاً اتفاق بيفتد فقط روي يك قند 5 كربنه به نام ريبولوز    5    فسفات يا RU5P انجام مي گيرد.

در نتيجة كربوكسيلاسيون قتند 5 كربنة ريبولوز    5    فسفات، يك قند 6 كربنه به دست مي آيد كه به دو تركيب سه كربنه تجزيه مي گردد و هر كدام  از اين تركيبات سه كربنه به يك ملكول PG3 تبديل مي گردند. راه كلي اين تغيير و تبديل را كه در شكل شمارة 219 نشان داده شده است، چرخة كلوين و يا جرخة احسايي پنتوز فسفات مي نامند. اين راه شامل كربوكسيلاسيونيك پنتوز، تشكيل تركيبات قندي و بازيافت ريبولوز    5    فسفات يا Ru5P مي باشد.

در جريان جستجوي يافتن كربوكسيلاسيون مادة مور اثر، تركيبات حد واسط نشان دار فراوان ديگري كشف گرديدند. به عنوان مثال در مراحل اولية راه،‌‏ فقط كربن هاي شماره 3 و 4 در قند 6 كربنة فروكتوز    1، 6    بيس فسفات يا FBP نشان دار هستند، ولي در مراحل بعدي تعداد كمتري از كربن هاي اين قند نشان دار شده و شمارة ‌اين كربن ها كمتر از تركيبات قند در مراحل اولية ‌راه است . مشاهدة جريان حركت كربن نشان دار در انواع مختلف قندهاي سه، پنج، شش و هفت كربنه ساختمان اصلي راه متابوليكي پيشندي كلوين را  مشخص مي كند كه به طور كامل در شكل شمارة 219 آمده است. واقعيت بسياري از واكنش هايي كه قبلاً به صورت پيش بيني بيان شده بود در مطالعات بعدي آزمايشگاهي با استفاده از آنزيم هاي مختلف به تأييد رسيده است.

1   چرخة‌ كلوين در يك فرايند دو مرحله اي از گاز كربنيك GAP توليد مي كند    چرخة كلوين را مي توان به دو مرحله تقسيم كرد

مرحلة اول    مرحلة‌ توليد (قسمت بالايي شكل شمارة‌219) كه در آن سه مولكول ريبولوز    5    فسفات يا Ru5p با سه مولكول گازكربنيك براي توليد 6 مولكول گليسرآلدئيد    3    فسفات يا GAP وارد واكنش مي شوند. در اين واكنش هاي بيوشيميايي 9 مولكول ATP و 6 مولكول NADPH مورد استفاده قرار مي گيرد. طبيعت چرخه اي اين راه متابوليكي باعث مي شود كه اين فرايند بتواند به ازاي هر سه مولكول گازكربنيك مصرفي، معادل يك ملكول گليسرآلدئيد    3    فسفات يا GAP توليد نمايد. در اين نقطه از راه متابوليكي يك مولكول GAP مي تواند از چرخه خارج شده و در راههاي ديگر متابوليكي مورد استفاده سلول قرار گيرد.

مرحلة دوم مرحلة بازيافت ( قسمت پاييني شكل شمارة 219) كه در آن اتم هاي كربن 5 مولكول گليسرآلدئيد    3    فسفات يا GAP باقيمانده ، شبه راه پنتوز فسفات، دريك سري از واكنش هاي بيوشيميايي شركت مي كند تا اينكه در نهايت براي شروع مجدد چرخة، سه مولكول ريبولوز    5    فسفات توليد نمايند. اين مرحله را مي توان به چهار سري واكنش به صورت زير تقسيم كرد. شماره واكنش ها با شمارة آنها در شكل شمارة‌219 مطابقت دارد

به طور كلي مي توان چرخة‌ كلوين را در معادلة سادة ذيل خلاصه كرد

بايد به اين نكته توجه كرد كه مرحلة‌دوم چرخة كلوين بدون استفاده از مولكول هاي پرانرژي ATP و NADPH انجام مي گيرد.

اولين واكنش چرخة كلوين فسفوريلاسيون ريبولوز    5    فسفات يا RU5P به كمك آنزيم فسفوريبولوكيناز است كه در اين واكنش ريبولوز   5‌، 5    بيس فسفات يا RuBP توليد مي گردد. بعد از كربوكسيلاسيون، مولكول RuBP مولكول 3    فسفوگليسرات به دست آمده ابتدا به مولكول 1،3    بيس فسفوگليسرات يا BPG تبديل شده و سپس به GAP تبديل مي شود.

مرحلة دوم چرخة‌ كلوين با واكنش ايزومريزاسيون مولكول گليسرآلدئيد    3    فسفات به دي هيدروكسي استون فسفات يا DHAP توسط آنزيم تريوز فسفات ايزومراز آغاز مي شود كه اين واكنش برعكس واكنش معروف شمارة 5،‌ راه گليكوليز است. بعد از اين واكنش،‌ دي هيدروكسي استون فسفات مي تواند در مسير دو راه يكسان وارد واكنش هاي بيوشيميايي بعدي شود واكنش ها شمارة ‌6 تا 8 و يا واكنش هاي شمارة 9 تا 11، واكنش هاي شمارة 6 و 9 از چرخة كلوين، واكنش هاي تراكم عامل آلدئيدي با دي هيدروكسي استون فسفات است كه اين واكنش ها به كمك آنزيم آلدولاز كاتاليز مي شوند . نتيجة ‌آن اتصال دي هيدروكسي استون فسفات به يك آلدئيد است. واكنش شمارة 6 همچنين برعكس واكنش شمارة 4، راه گليكوليز است. واكنش هاي شمارة‌ 7 و 10 واكنش هاي هيدروليز فسفات هستند كه از هر كدام از اين واكنش ها، يك مولكول فسفات معدني Pi توليد مي شود و اين واكنش به ترتيب توسط آنزيم هايي به نامهاي فروكتوز بيس فسفات از يا FBPase و سدوهپتولوز بيس فسفات از يا sbpASE كاتاليز مي شوند. باقيماندة واكنش هاي چرخة كلوين توسط آنزيم هايي كاتاليز مي شوند كه در آن پنتوز فسفات نيز همين واكنش ها ار كاتاليز مي نمايند. در واكنش هاي شمارة 8 و 11 كه هر دو توسط آنزيم ترانس ستولاز كاتاليز مي شوند،‌ يك واحد دو كربنة ستوني از يك قتند ستوزي به مولكول گليسرآلدئيد    3    فسفات منتقل مي گردد و در نتيجه يك قند 5 كربنة ستوزي به نام گزيلولوز    5    فسفات يا Xu5P توليد مي شود. در نتيجة انجام اين واكنش ها فرآورده هاي ديگري نيز توليد مي شوند كه عبارتند از قند 4 كربنة آلدوزي به نام اريتروز    4    فسفات يا E4P كه از واكنش شمارة 8 و ريبوز    5    فسفات يا R5P كه از واكنش شمارة 11 به دست مي آيند. قند اريتروز    4   فسفات يا E4P توليدي در واكنش شمارة 8 به عنوان يكي از دو واكنش گر، وارد واكنش شماره 9 مي شود. مولكول هاي گزيلولوز    5    فسفات يا Xu5P توليدي در واكنش هاي شمارة 8 و 11 به كمك آنزيم فسفوپنتوزاپيمراز در واكنش شمارة 12 به ريبولوز    5    فسفات يا Ru5p تبديل مي شود. ريبوز    5    فسفات يا R5P به دست آمده از واكنش شمارة‌11 نيز به نوبة خود توسط آنزيم ريبوز فسفات ايزومراز در واكنش شمارة 13 به Ru5P تبديل مي شود و در نتيجه چرخة كلوين تكميل مي گيردد. از 11 آنزيمي كه در چرخه كلوين فعال هستند، تنها سه آنزيم در بافت هاي حيواني وجود ندارند كه عبارتند از فسفوريبولوكيناز،‌ ريبولوز بيس فسفات كربوكسيلاز و سدوهپتولوز بيس فسفاتاز يا SBPase .

2    آنزيم ريبولوز بيس فسفات كربوكسيلاز واكنش تثبيت گاز كربنيك را كاتاليز مي نمايد

يكي از مهمترين آنزيم هاي جهان كه واكنش تثبيت گازكربنيك را كاتاليز مي نمايد،‌ ريبولوز بيس فسفات كربوكسيلاز يا RuBP carboxylase است، زيرا تقريباً تمامي حيات روي كرة زمين بستگي به فعاليت آن دارد. اين پروتئين احتمالاً به علت پايين بودن راندمان كاتاليزوري بستگي به فعاليت آن دارد. اين پروتئين احتمالاً به علت پايين بودن راندمان كاتاليزوري (Kcat تقريباً برابر

 )، حدود 50 درصد پروتئين هاي برگ را تشكيل مي دهد،‌ بنابراين فراوان ترين نوع پروتئين در عالم حيات است . آنزيم ريبولوز بيش فسفات كربوكسيلاز در گياهان عالي و اغلب موجودات ذره بيني فتوسنتزي از 8 زير واحد بزرگ (L) (477 باقيماندة اسيدهاي آمينة‌ در برگهاي توتون) رمز گشايي شده توسط DNA كلروپلاست و 8 زير واحد كوچك (S) (123 باقيماندة‌ اسيد آمينه) رمزگشايي شده توسط ژن موجود در هسته، تشكيل شده است و اين آنزيم را با

 نشان مي دهند. مطالعات اشعة X كه از اين آنزيم توسط كارل   ايواربراندن و ديويد ايزنبرگ انجام گرفته است، نشان مي دهد كه آنزيم

 تقارن يك منشور مكعبي را دارد. زير واحد بزرگ آنزيم از يك زنجير پلي پپتيدي با ساختمان غالب بتا

 و يك ساختمان فنري شكل

 حاوي جايگاه فعال آنزيم،‌ تشكيل شده است (شكل شماره 220). وظيفة زير واحد كوچك آنزيم

 هنوز مشخص نشده است.

راهكار پذيرفته شدة‌ نحوة عمل آنزيم RuBP كربوكسيلاز كه در حد وسيعي توسط خود كلوين مشخص شده بود در شكل شمارة‌221 نشان داده شده است. در اولين واكنش آنزيم، يك پروتون از كربن شمارة‌3 ريبولوز بيس فسفات جذب مي كند. اين واكنش كه محدود كنندة سرعت عمل آنزيم است مولكول انديولات توليد مي كند كه اين مولكول در حملة هسته دوستي به مولكول گازكربنيك شركت مي كند. در نتيجة اين واكنش، ملكول بتاستواسيد به دست مي آيد كه بالافاصله از كربن شمارة‌4 مورد حملة آب قرار مي گيرد و به يك تركيب 6 كربنه حد واسط تبديل شده كه اين تركيب به دو مولكول سه كربنه شكسته مي شود . محصول نهايي اين فرايند دو مولكول 3    فسفوگليسرات يا PG3 است. نيروي محركة توليد مولكول هاي PG3 واكنش تجزيه تركيب حدواسط بتاستواسيد مي باشد كه اين واكنش مي تواند در شرايط استاندارد و PH فيزيولوژيك (7=Ph) انرژي معادل 1/35 كيلو ژول بر مول توليد نميد.

شكل شمارة‌220 نشان مي دهد كه پروتئين

 داراي ساختمان چهار بعدي است و محورهاي چهارتايي آن به طرف بيننده مي باشد. همچنين ساختمان يك زير واحد بزرگ پروتئين را نشان مي دهد كه در آن دو نوع پروتئين

 و

 دو قسمت غالب پروتئين را تشكيل مي دهند.

واكنش ريبولوز بيس فسفات كربوكسيلاز از طريق توليد يك تركيب حد واسط انديولات انجام مي گيرد كه با شركت در يك حملة ‌نوكلئوفيلي به گاز كربنيك  يك بتا ستواسيد توليد مي گردد.

آنزيم ريبولوز بيس فسفات كربوكسيلاز براي فعاليت، نياز به يون منيزيم دارد و احتمالاً در پايدار كردن بارهاي منفي كه در جريان كاتاليز توليد مي شوند، شركت مي كند. يون منيزيم همچنين با يك گروه مهم كاتاليزوري به نام گروه كاربتامات (   NH   COO   ) پيوند مي يابد.

3    گليسرآلدئيد   3    فسفات پيش ساخت گلوكز    1    فسفات و ساير فراورده هاي بيوسنتزي است.

مجموعة واكنش هاي چرخة كلوين را مي توان در معادلة ذيل خلاصه كرد

محصول اولية ‌فتوسنتز، يعني گليسرآلئيد    3    فسفات در راهاي متنوع متابوليكي خارج و يا داخل كلروپلاست مورد استفاده قرار مي گيرد. به عنوان مثال به كمك آنزيم هاي ديگر راه كلوين، اين مولكول مي تواند به فروكتوز    6    فسفات و سپس به كمك آنزيم هاي فسفوگلوكز ايزومراز و فسفوگلوكوميوتاز به گلوكز    1    فسفات تبديل شود. گلوكز    1   فسفات، پيش ساخت قندهاي ديگر در گياهان به حساب مي آيد، كه مهمترين اين قندها عبارتند از ساكاروز (مهمترين قند حامل براي تحويل كربوهيدرات ها به سلولهاي غيرفتوسنتزي)، نشاسته (پلي ساكاريد اصلي ذخيرهاي گياه) و سلولز (سازندة‌ ساختمان ديوارة ‌سلولي سلول هاي گياهي). با توجه به نوع گياه و راه متابوليكي، مادة‌ مورد اثر آنزيم يعني گلوكز    1   فسفات با تشكيل يكي از تركيبات مانند    GDP,   CDP,   ADP و يا    UDP گلوكز فعال مي شود. واحد گلوكز در نهايت به پايانة يك زنجير پلي ساكاريدي در حال رشد اضافه مي گردد.

ب    كنترل چرخة كلوين گياهان در طول روشنايي روز، انرژي مورد نياز خود را از طريق انرژي نوري و انرژي واكنش هاي فتوسنتز كه در پناه نور (تاريكي) انجام مي گيرند تأمين مي كنند و در طول شب و تاريكي، مانند ساير موجوات زنده،‌ بايد از انرژي ذخيره اي خود براي توليد مولكول هاي پرانرژي مانند ATP و NADPH از طريق راههاي متابوليكي گليكوليز، فسفوريلاسيون اكسيدي و پنتوز فسفات استفاده كنند. به علت اينكه استروماي كلروپلاست حاوي آنزيم هاي راه گليكوليز، پنتوز فسفات و همچنين چرخة كلوين است، بنابراين بايد يك راهكار كنترل حساس به نور در استروما باشد تا از هدر دادن محصولات فتوسنتز جلوگيري نمايد.

مطالعات نشان مي دهد كه كنترل مواد ورودي به يك راه متابوليكي از طريق تنظيم فعاليت آنزيم مربوط به واكنش هايي انجام مي گيرد كه از حالت تعادل، بسيار فاصله دارند‌، يعني تغييرات انرژي آزاد آنها بسيار منفي است. از جدول شمارة‌37 مي توان چنين استباط كرد كه بهترين واكنش هايي كه مي تواند در كنترل چرخة كلوين دخالت نمايند واكنش هاي شمارة 2، و 10 از شكل شمارة 219 مي باشند كه به ترتيب توسط سه آنزيم RuBP كربوكسيلاز، FBPase و SBPase كاتاليز مي شوند. در حقيقت راندمان كاتاليزري اين سه آنزيم در شرايط موجود زنده از يكديگر متفاوت مي باشد.

فعاليت آنزيم ريبولوز بيس فسفات كربوكسيلاز بستگي به سه عامل وابسته به نور دارد

1    PH  در روشنايي به علت پمپ شدن پروتون از استروما به طرف حفرة داخلي تيلاكوئيد، PH استروهماي كلروپلاست گياه تقريباً از 0/7 به 0/8 افزايش مي يابد. بهترين PH فعاليت آنزيم ريبولوز بيس فسفات كربوكسيلاز نزديك به 8 است.

2    غلظت يون منيزيم پروتون هايي كه در اثر تابش نور به حفرة داخلي تيلاكوئيد منتقل مي شوند در مقابل باعث حركت و خروج يون هاي منيزيم از حفرة داخلي به طرف