Katalyse: Enzymreaktion am Beispiel der Dunkelreaktion
Die Schlüsselreaktion des Calvin-Zyklus soll hier als Beispielreaktion fungieren. Schlüsselreaktion der Dunkelreaktion ist die CO2-Fixierung im Calvin-Zyklus. Katalysierendes Enzym ist die Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase (RubisCO).
Die RubisCO-katalysierte Reaktion ist eine schöne Enzymreaktion, da sie neben den Gesetzmäßigkeiten einer Enzymreaktion auch viele Besonderheiten bzw. Ausnahmen zeigt!
Merke
Enzyme sind wirkungs- und substratspezifisch! Das heißt, ein bestimmtes Enzym katalysiert immer eine identische Reaktion mit immer dem gleichen Ablauf und setzt dabei das immer gleiche Substratmolekül um.
CO2-Fixierung im Calvin-Zyklus
Das Enzym RubisCO ist wohl das häufigste Enzym auf der Welt. Betrachtet man die Wichtigkeit der von RubisCO katalysierten Reaktion, ist dies absolut sinnvoll.
RubisCO bindet sowohl das Substrat CO2 als auch das Akzeptormolekül Ribulose-1,5-bisphosphat. Der elektrophile Angriff von CO2 auf das Ribulose-1,5-bisphosphat wird als wahrscheinlicher Reaktionsmechanismus postuliert. Unter Deprotonierung entsteht 3-Oxosäure, die durch Aufnahme von Wasser in zwei Moleküle 3-Phosphoglycerat gespalten wird.
Das Phosphoglycerat wird aktiviert und reduziert, sodass Glycerinaldehyd-3-phosphat als Ausgangsstoff zur Glukosebildung erzeugt wird. Eine recht komplexe Enzymreaktion.
Merke
RubisCO ist wichtig, aber nicht das beste Enzym.
Der KM-Wert des Enzyms RubisCO für das Substrat Kohlenstoffdioxid liegt bei ca. 10 µM. Dies entspricht in etwa der Konzentration des gelösten CO2 aus der Luft bei einer Temperatur von 25 °C. Betrachtet man die Geschwindigkeit des RubisCO-Enzyms, so ist seine Wechselzahl sehr niedrig. Pro Sekunde können in einem RubisCO-Molekül 4 Kohlenstoffdioxid-Moleküle an den Akzeptor Ribulose-1,5-bisphosphat gebunden werden, die Wechselzahl von RubisCO beträgt also 4 s-1. Im Vergleich zum Enzym Katalase oder der Carboanhydrase mit einer Wechselzahl von 100.000 s-1 ist dies geradezu vernachlässigbar! Diese geringe Umsatzrate mag der Grund dafür sein, dass im grünen Blatt gut 50 % des Gesamtproteins von RubisCO gebildet werden.
Merke
Besonderheiten: RubisCO setzt auch O2 als Substrat um. Leider mit problematischen Folgen für die Fotosynthese.
RubisCO ist kein sehr gutes Enzym, wenn es um Umsatzgeschwindigkeit und Effizienz geht. Neben der in der Fotosynthese vorgesehenen Reaktion mit dem Substrat Kohlendioxid kann RubisCO ebenso mit Sauerstoff reagieren. Diese Oxygenase-Nebenreaktion ist zweifellos ein Problem für die Pflanze, bei höheren Temperaturen können durchaus 50 % der katalysierten Reaktionen das Substrat O2 nutzen!
Im aktiven Zentrum des Enzyms kann O2 gebunden werden, und zwar immer dann, wenn große Mengen Sauerstoff in der Luft vorhanden sind und dieser somit ein Konkurrenzsubstrat zum Kohlenstoffdioxid darstellt.
Methode
Vergleichen Sie nochmals kompetitive und nichtkompetitive Hemmung eines Enzyms!
Das Sauerstoffmolekül wird nun anstelle von Kohlenstoffdioxid mit dem Akzeptormolekül Ribulose-1,5-bisphosphat verknüpft. Bei dieser Reaktion wirkt RubisCO als Oxygenase! Statt der Spaltung in zwei C3-Körper entstehen nun aus den 5 C-Atomen ein C3-Körper (3-Phosphoglycerat) und ein C2-Körper (Phosphoglycolsäure). Die Phosphoglycolsäure oder das Phosphoglyoxylat (Alternativbezeichnung) ist für die Pflanze nicht so gut verwendbar. Der C2-Körper muss teilweise abgebaut werden, wobei CO2 freigesetzt wird und damit für die Dunkelreaktion verloren geht. Diese Oxygenase-Funktion stellt die Ursache der sogenannten „Lichtatmung" (= Fotorespiration) der Pflanzen dar!
Methode
Themenübergreifendes Arbeiten: Überlegen Sie sich: Wie wird CO2 in der Pflanze aufgenommen? Woher kommt das Problem des hohen Sauerstoffgehalts bei höheren Temperaturen? Welche Ausweichmechanismen haben sich im Laufe der Evolution in verschiedenen Pflanzen entwickelt?
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