4.4. Hoá sinh quang hợp
4.4.2 Pha tối trong quang hợp (chu trình Calvin)
Sự kết hợp CO2 vào một chất nhận hữu cơ (sự đồng hoá CO2) là một trong những quá trình sinh học quan trọng nhất. Nhờ quá trình này mà cacbon vô cơ được đưa vào thế giới sống. Phản ứng được xúc tác bởi enzyme ribulosediphosphate-carboxylase (RuDP-carboxylase), enzyme này có nhiều trong lá xanh và nó chiếm khoảng 30-50% protein hoà tan trong lá. Enzyme gồm 8 tiểu đơn vị lớn và 8 tiểu đơn vị nhỏ, trong đó chỉ có các tiểu đơn vị lớn có hoạt tính xúc tác, các tiểu đơn vị nhỏ có chức năng điều khiển. Thú vị hơn là thông tin di truyền của các tiểu đơn vị lớn định vị ở trên DNA của lạp thể (DNA là chất mang gen).
Để xúc tác enzyme cần những điều kiện hoàn toàn xác định, đó là giá trị pH (pH 8,3-8,6) và nồng độ Mg2+ tương đối cao. Cả hai đều bị tác động bởi sự vận chuyển e- qua màng thylacoid. Vì vậy enzyme chỉ hoạt động trong điều kiện chiếu sáng. Phản ứng này giải phóng nhiệt ( G01 = - 40 x 103J) và tương ứng với phương trình sau:
RuDP + CO2 + H2O 2 phosphoglyceric acid.
H2C– O P
C=O
H C - OH
HC - OH
H2C - O P
H2C– O P
HC - OH
COO H
C O OH
HC - OH
H2C - O P + CO2 + H2 O
RuDP Phosphoglycerate
Người ta cho rằng carboxyl hoá ribulosediphosphate (RuDP) dẫn đến tạo thành một hợp chất trung gian có 6 nguyên tử C với enzyme, sau đó được tách ra thành hai phân tử phosphoglyceric acid. Như sơ đồ trên CO2
được tiếp nhận có mặt trong phosphoglyceric acid “phía trên” và O từ phân tử H2O được tiếp nhận thì ở trong phosphoglyceric acid “phía dưới”.
Một thời gian dài người ta đánh giá thấp hoạt động của enzyme này vì khi phân lập enzyme thường mất hoạt tính. Khó khăn nữa là CO2 không những là cơ chất mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến xúc tác. Ngày nay người ta biết hoạt tính của enzyme được đặc trưng bởi hệ số Km (CO2) từ 10- 20 m là đủ để sự đồng hoá CO2 xảy ra trong tự nhiên.
Sản phẩm carboxyl hoá, phosphoglyceric acid được khử để tạo thành aldehydphosphoglyceric. Quá trình này thu năng lượng, cần ATP và NADPH. Cả hai coenzyme tồn tại ở stroma của lục lạp nhờ phản ứng sáng. Khi không có ánh sáng, nồng độ ATP và NADPH thấp thì phản ứng xảy ra ngược lại, nghĩa là aldehydphosphoglyceric bị oxy hoá thành phosphoglyceric acid. Phản ứng khử phosphoglyceric acid tạo ra sản phẩm trung gian là 1,3 điphosphoglyceric acid. Ở quá trình này bên cạnh ATP và NADPH còn có một SH-enzyme-photphoglycerate-dehydrogenase tham gia, được biểu diễn ở sơ đồ sau:
COOH
HCOH
H2C-O - P
Aldehydphospho- glyceric
O
C–O~ P H S– Enzyme
HCOH
H2C-O - P ATP
ADP
O CH
HCOH
H2C-O - P
O
C~ S– Enzyme
HCOH
H2C-O - P NADP+
NADPH + H+
HS-Enzyme
P OH (=Pi)
Aldehydphosphoglyceric là đường đầu tiên xuất hiện ở quá trình đồng hoá CO2. Nó dễ dàng chuyển sang dạng đồng phân phosphodioxyaketone (PDOA). Cân bằng phản ứng nghiêng mạnh về phía phosphodioxyaketone (PDOA) và khoảng 90% triosophosphate nằm ở dạng PDOA.
Để có sự đồng hoá CO2 liên tục thì chất nhận CO2, RuDP phải được tạo nên ở một nồng độ nhất định. Đường 3C được tạo ra là aldehydphosphoglyceric và phosphodioxyaketone được biến đổi một phần thành RuDP. Trình tự phản ứng là một quá trình khép kín. Sự đồng hoá CO2 và biến đổi của triosephosphate được giải thích bởi Calvin và cộng sự của ông. Vì vậy chu trình này được gọi là chu trình Calvin hoặc là chu trình khử pentosophosphate vì sự biến đổi từ phosphoglyceric acid thành aldehydphosphoglyceric là phản ứng khử.
Có ba loại phản ứng đặc trưng cho chu trình Calvin:
- Phản ứng phosphatase - Phản ứng aldolase - Phản ứng transcetolase
Phản ứng phosphatase đã được đề cập ở chương enzyme. Những enzyme aldolase có thể gắn kết một aldose với một cetose, ví dụ aldehydphosphoglyceric và photphodioxyacetone. Phản ứng này chỉ có một sự biến đổi nhỏ về năng lượng, đây là phản ứng thuận nghịch, nó được biểu diễn như sau:
CHO
HCOH
H2C-O - P Aldehydphospho- glyceric (aldose)
H2C-OH
C=O
H2C-O - P Phosphodioxy- aceton (cetose)
Ở phản ứng transcetolase 2C của cetose được chuyển lên một aldose (ví dụ aldehydphosphoglyceric).
Bằng cách tương tự 2C của fructosemonophosphate được chuyển lên aldehydphosphoglyceric, tạo thành một pentosephosphate và một
tetrosephosphate.
Chu trình Calvin bắt đầu với một phản ứng aldolase (hình 4.8). Khi tồn tại nhiều triosephosphate thì aldehydphosphoglyceric phản ứng với phosphodioxyacetone để tạo nên fructose1,6 diphosphate.
Bằng cách này đường 6C đầu tiên được tạo nên. Từ fructose1,6 diphosphate một phosphate được tách ra nhờ enzyme phosphatase, làm xuất hiện fructosemonophotphate. Fructosemonophosphate cùng với một
CHO
HCOH
H2C-O - P
Phosphodioxy aceton (cetose) + Aldehydphosphoglyceric (aldose) H2C-O P
C=O
HOCH2
Fructose 1,6 diphosphate
HCOH
HCOH
H2C-O - P H2C-O P
C=O
HOCH
CH2 - OH
C=O
HOCH
HCOH
HCOH
CH2 O P Fructosemono- phosphate
CHO
HCOH
H2C-O - P Aldehydphospho- glyceric
H2C-OH
C=O
HOCH
HCOH
H2C-O P
Pentose- phosphate
CHO
HCOH
HCOH
H2C O P Tetrose- phosphate Transcetolase
aldehydphosphoglyceric khác được biến đổi thành một đường có 4C (erythrosephosphate) và một đường có 5C (xylulosephosphate) bằng phản ứng transcetolase. Erythrosephosphate phản ứng với một triosephosphate bằng phản ứng aldolase tạo thành một đường có 7C
(sedoheptulosediphosphate). Từ đây một phosphate được tách ra nhờ enzyme phosphatase tạo nên sedoheptulosephosphate.
Sedoheptulosephosphate phản ứng với một triosephosphate khác nhờ enzyme transcetolase để tạo thành hai đường có 5C là xylulosephosphate và ribosephosphate.
Trong phản ứng tổng quát thì cần 5 đường triosephosphate để tạo nên 3 đường pentosephosphate, trong đó 1 ribosephosphate và 2 xylulosephosphate. Ba đường pentosephosphate được biến đổi sang dạng đồng phân của nó là ribulosephosphate, đường này được photphoryl hoá nhờ ATP để tạo thành ribulosediphosphate. Nhờ vậy mà chất nhận CO2 được tái tạo.
Ba phân tử ribulosodiphosphate có thể kết hợp với 3 phân tử CO2 và như vậy sẽ tạo nên 6 phân tử triosephosphate. Ở đây 5 phân tử triosephosphate cần để tái tạo nên 3 phân tử ribulosediphosphate. Một phân tử triosephosphate còn lại cho mục đích tổng hợp. Tương ứng có phương trình như sau:
3CO2 + 9 ATP + 6NADPH 1 triosephosphate + 9 ADP + 6NADP+ Từ phương trình trên ta thấy để khử một phân tử phosphoglyceric acid cần 1 ATP và 1 NADPH. Để tạo nên 1 phân tử ribulosediphosphate từ ribulosephosphate thì cần thêm một phân tử ATP. Chu trình tổng quát cần 3 ATP và 2 phân tử NADPH cho cố định 1 phân tử CO2. Với quá trình quang phosphoryl hoá vòng thì hệ thống sẽ tạo được nhiều phân tử ATP hơn NADPH, nghĩa là tỷ lệ yêu cầu theo lý thuyết ATP/ NADPH phù hợp là 3/2.
Hình 4.8 Chu trình Calvin, PGA: phosphoglyceric acid, PDOA: phosphodioxyacetone, FMP: fructosemonophosphate, FDP: fructosediphosphate