دانلود مقاله واکنش های تاریکی

واکنش های تاریکی

در این بخش به این موضوع می پردازیم که مولکول های پرانرژی چگونه برای تولید ترکیبات قندی یا کربوهیدرات ها مورد استفاده ‌گیاه قرار می گیرند.

الف- چرخه کلوین: در سالهای بین 1946 تا 1953 سه تن از دانشمندان به نامهای ملوین کلوین، جیمز بشام و آندروبنسون راه متابولیکی تبدیل گازکربنیک به قند را در گیاهان کشف کردند. آنها این کار را از طریق پیگیری از بین رفتن گازکربنیک رادیواکتیو نشان دار در کشت های سلول های جلبک انجام داده اند. آزمایشهای اولیه کلوین نشان داد جلبک هایی که به مدتی که دقیقه و یا بیشتر در معرض گازکربنیک نشان دار قرار گرفته بودند، ترکیب پیچیده ای از متابولیت های نشان دار، شامل قندها و اسیدهای آمینه تولید کردند. با وجود این ، تجزیه جلبکی که 5 ثانیه در معرض گازکربنیک نشان دار قرار گفته بود نشان داد که اولین ترکیب پایدار رادیواکتیو فعال که در جلبک تشکیل گردید 3- فسفوگلیسرات یا PG3 بوده است که در ابتدا فقط از طرف گروه کربوکسیل (-COOH) نشان دار شده است. این نتایج بلافاصله این پیشنهاد را مطرح می سازد که PG3 توسط کربوکسیلاسیون یک ترکیب دوکربنه به دست آمده است. چنین ماده ‌ پیش ساختی تاکنون کشف نشده است. چنانچه واکنش کربوکسیلاسیونی واقعاً اتفاق بیفتد فقط روی یک قند 5 کربنه به نام ریبولوز –5- فسفات یا RU5P انجام می گیرد.

در نتیجه کربوکسیلاسیون قتند 5 کربنه ریبولوز –5- فسفات، یک قند 6 کربنه به دست می آید که به دو ترکیب سه کربنه تجزیه می گردد و هر کدام  از این ترکیبات سه کربنه به یک ملکول PG3 تبدیل می گردند. راه کلی این تغییر و تبدیل را که در شکل شماره 219 نشان داده شده است، چرخه کلوین و یا جرخه احسایی پنتوز فسفات می نامند. این راه شامل کربوکسیلاسیونیک پنتوز، تشکیل ترکیبات قندی و بازیافت ریبولوز –5- فسفات یا Ru5P می باشد.

در جریان جستجوی یافتن کربوکسیلاسیون ماده مور اثر، ترکیبات حد واسط نشان دار فراوان دیگری کشف گردیدند. به عنوان مثال در مراحل اولیه راه،‌‏ فقط کربن های شماره 3 و 4 در قند 6 کربنه فروکتوز –1، 6- بیس فسفات یا FBP نشان دار هستند، ولی در مراحل بعدی تعداد کمتری از کربن های این قند نشان دار شده و شماره ‌این کربن ها کمتر از ترکیبات قند در مراحل اولیه ‌راه است . مشاهده جریان حرکت کربن نشان دار در انواع مختلف قندهای سه، پنج، شش و هفت کربنه ساختمان اصلی راه متابولیکی پیشندی کلوین را  مشخص می کند که به طور کامل در شکل شماره 219 آمده است. واقعیت بسیاری از واکنش هایی که قبلاً به صورت پیش بینی بیان شده بود در مطالعات بعدی آزمایشگاهی با استفاده از آنزیم های مختلف به تأیید رسیده است.

1-چرخه ‌ کلوین در یک فرایند دو مرحله ای از گاز کربنیک GAP تولید می کند- چرخه کلوین را می توان به دو مرحله تقسیم کرد:

مرحله اول- مرحله ‌ تولید (قسمت بالایی شکل شماره ‌219) که در آن سه مولکول ریبولوز –5- فسفات یا Ru5p با سه مولکول گازکربنیک برای تولید 6 مولکول گلیسرآلدئید –3- فسفات یا GAP وارد واکنش می شوند. در این واکنش های بیوشیمیایی 9 مولکول ATP و 6 مولکول NADPH مورد استفاده قرار می گیرد. طبیعت چرخه ای این راه متابولیکی باعث می شود که این فرایند بتواند به ازای هر سه مولکول گازکربنیک مصرفی، معادل یک ملکول گلیسرآلدئید –3- فسفات یا GAP تولید نماید. در این نقطه از راه متابولیکی یک مولکول GAP می تواند از چرخه خارج شده و در راههای دیگر متابولیکی مورد استفاده سلول قرار گیرد.

مرحله دوم: مرحله بازیافت ( قسمت پایینی شکل شماره 219) که در آن اتم های کربن 5 مولکول گلیسرآلدئید –3- فسفات یا GAP باقیمانده ، شبه راه پنتوز فسفات، دریک سری از واکنش های بیوشیمیایی شرکت می کند تا اینکه در نهایت برای شروع مجدد چرخه ، سه مولکول ریبولوز –5- فسفات تولید نمایند. این مرحله را می توان به چهار سری واکنش به صورت زیر تقسیم کرد. شماره واکنش ها با شماره آنها در شکل شماره ‌219 مطابقت دارد:

به طور کلی می توان چرخه ‌ کلوین را در معادله ساده ذیل خلاصه کرد:

باید به این نکته توجه کرد که مرحله ‌دوم چرخه کلوین بدون استفاده از مولکول های پرانرژی ATP و NADPH انجام می گیرد.

اولین واکنش چرخه کلوین فسفوریلاسیون ریبولوز –5- فسفات یا RU5P به کمک آنزیم فسفوریبولوکیناز است که در این واکنش ریبولوز-5‌، 5- بیس فسفات یا RuBP تولید می گردد. بعد از کربوکسیلاسیون، مولکول RuBP مولکول 3- فسفوگلیسرات به دست آمده ابتدا به مولکول 1،3- بیس فسفوگلیسرات یا BPG تبدیل شده و سپس به GAP تبدیل می شود.

مرحله دوم چرخه ‌ کلوین با واکنش ایزومریزاسیون مولکول گلیسرآلدئید –3- فسفات به دی هیدروکسی استون فسفات یا DHAP توسط آنزیم تریوز فسفات ایزومراز آغاز می شود که این واکنش برعکس واکنش معروف شماره 5،‌ راه گلیکولیز است. بعد از این واکنش،‌ دی هیدروکسی استون فسفات می تواند در مسیر دو راه یکسان وارد واکنش های بیوشیمیایی بعدی شود: واکنش ها شماره ‌6 تا 8 و یا واکنش های شماره 9 تا 11، واکنش های شماره 6 و 9 از چرخه کلوین، واکنش های تراکم عامل آلدئیدی با دی هیدروکسی استون فسفات است که این واکنش ها به کمک آنزیم آلدولاز کاتالیز می شوند . نتیجه ‌آن اتصال دی هیدروکسی استون فسفات به یک آلدئید است. واکنش شماره 6 همچنین برعکس واکنش شماره 4، راه گلیکولیز است. واکنش های شماره ‌ 7 و 10 واکنش های هیدرولیز فسفات هستند که از هر کدام از این واکنش ها، یک مولکول فسفات معدنی Pi تولید می شود و این واکنش به ترتیب توسط آنزیم هایی به نامهای فروکتوز بیس فسفات از یا FBPase و سدوهپتولوز بیس فسفات از یا sbpASE کاتالیز می شوند. باقیمانده واکنش های چرخه کلوین توسط آنزیم هایی کاتالیز می شوند که در آن پنتوز فسفات نیز همین واکنش ها ار کاتالیز می نمایند. در واکنش های شماره 8 و 11 که هر دو توسط آنزیم ترانس ستولاز کاتالیز می شوند،‌ یک واحد دو کربنه ستونی از یک قتند ستوزی به مولکول گلیسرآلدئید –3- فسفات منتقل می گردد و در نتیجه یک قند 5 کربنه ستوزی به نام گزیلولوز –5- فسفات یا Xu5P تولید می شود. در نتیجه انجام این واکنش ها فرآورده های دیگری نیز تولید می شوند که عبارتند از قند 4 کربنه آلدوزی به نام اریتروز –4- فسفات یا E4P که از واکنش شماره 8 و ریبوز –5- فسفات یا R5P که از واکنش شماره 11 به دست می آیند. قند اریتروز –4-فسفات یا E4P تولیدی در واکنش شماره 8 به عنوان یکی از دو واکنش گر، وارد واکنش شماره 9 می شود. مولکول های گزیلولوز –5- فسفات یا Xu5P تولیدی در واکنش های شماره 8 و 11 به کمک آنزیم فسفوپنتوزاپیمراز در واکنش شماره 12 به ریبولوز –5- فسفات یا Ru5p تبدیل می شود. ریبوز –5- فسفات یا R5P به دست آمده از واکنش شماره ‌11 نیز به نوبه خود توسط آنزیم ریبوز فسفات ایزومراز در واکنش شماره 13 به Ru5P تبدیل می شود و در نتیجه چرخه کلوین تکمیل می گیردد. از 11 آنزیمی که در چرخه کلوین فعال هستند، تنها سه آنزیم در بافت های حیوانی وجود ندارند که عبارتند از فسفوریبولوکیناز،‌ ریبولوز بیس فسفات کربوکسیلاز و سدوهپتولوز بیس فسفاتاز یا SBPase .

2- آنزیم ریبولوز بیس فسفات کربوکسیلاز واکنش تثبیت گاز کربنیک را کاتالیز می نماید:

یکی از مهمترین آنزیم های جهان که واکنش تثبیت گازکربنیک را کاتالیز می نماید،‌ ریبولوز بیس فسفات کربوکسیلاز یا RuBP carboxylase است، زیرا تقریباً تمامی حیات روی کره زمین بستگی به فعالیت آن دارد. این پروتئین احتمالاً به علت پایین بودن راندمان کاتالیزوری بستگی به فعالیت آن دارد. این پروتئین احتمالاً به علت پایین بودن راندمان کاتالیزوری (Kcat تقریباً برابر  )، حدود 50 درصد پروتئین های برگ را تشکیل می دهد،‌ بنابراین فراوان ترین نوع پروتئین در عالم حیات است . آنزیم ریبولوز بیش فسفات کربوکسیلاز در گیاهان عالی و اغلب موجودات ذره بینی فتوسنتزی از 8 زیر واحد بزرگ (L) (477 باقیمانده اسیدهای آمینه ‌ در برگهای توتون) رمز گشایی شده توسط DNA کلروپلاست و 8 زیر واحد کوچک (S) (123 باقیمانده ‌ اسید آمینه) رمزگشایی شده توسط ژن موجود در هسته، تشکیل شده است و این آنزیم را با  نشان می دهند. مطالعات اشعه X که از این آنزیم توسط کارل-ایواربراندن و دیوید ایزنبرگ انجام گرفته است، نشان می دهد که آنزیم  تقارن یک منشور مکعبی را دارد. زیر واحد بزرگ آنزیم از یک زنجیر پلی پپتیدی با ساختمان غالب بتا  و یک ساختمان فنری شکل  حاوی جایگاه فعال آنزیم،‌ تشکیل شده است (شکل شماره 220). وظیفه زیر واحد کوچک آنزیم  هنوز مشخص نشده است.

راهکار پذیرفته شده ‌ نحوه عمل آنزیم RuBP کربوکسیلاز که در حد وسیعی توسط خود کلوین مشخص شده بود در شکل شماره ‌221 نشان داده شده است. در اولین واکنش آنزیم، یک پروتون از کربن شماره ‌3 ریبولوز بیس فسفات جذب می کند. این واکنش که محدود کننده سرعت عمل آنزیم است مولکول اندیولات تولید می کند که این مولکول در حمله هسته دوستی به مولکول گازکربنیک شرکت می کند. در نتیجه این واکنش، ملکول بتاستواسید به دست می آید که بالافاصله از کربن شماره ‌4 مورد حمله آب قرار می گیرد و به یک ترکیب 6 کربنه حد واسط تبدیل شده که این ترکیب به دو مولکول سه کربنه شکسته می شود . محصول نهایی این فرایند دو مولکول 3- فسفوگلیسرات یا PG3 است. نیروی محرکه تولید مولکول های PG3 واکنش تجزیه ترکیب حدواسط بتاستواسید می باشد که این واکنش می تواند در شرایط استاندارد و PH فیزیولوژیک (7=Ph) انرژی معادل 1/35 کیلو ژول بر مول تولید نمید.