[생화학] 19.1 : 광합성(photosynthesis) - 7

 

 

 

이번 포스트부터는 calvin cycle의 각각의 stage에 대해 알아보자. 첫 번째 stage는 CO2 fixation이며, 구체적으로는 Rubisco(ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase, 루비스코)라는 효소에 의해 CO2와 ribulose-1,5-bisphosphate 간의 condensation 반응이 일어나게 됨.

 

실제로 rubisco는 CO_2와 ribulose-1,5-bisphosphate 간의 중합반응도 매개하고, 그렇게 만들어진 intermediate를 반으로 쪼개서 3-phosphoglycerate로 만들어내는데도 관여함. 이러한 반응에서, rubisco의 active site 내에 있는 carbamoylated Lys side chain(즉, Lys의 NH3에 CO2가 charging된 형태)과 Mg2+ ion이 중요한 역할을 함. (이 때문에 토양 내 Mg 농도가 낮을 시 photosynthesis가 제대로 일어나지 않아서 잎이 노랗게 변하는 것)

 

 

 

 

위 그림은 Rubisco의 구조임. Rubisco는 지구상에서 가장 풍부한 enzyme 중 하나이며, 상당히 크고, Mg2+에 dependent한 enzyme임. 이 녀석은 위 그림과 같이 푸른색의 large subunit 8개와 회색의 small subunit 8개로 구성되어 있음. 참고로 이 녀석의 molecular weight은 대략 500,000정도임.

 

 

 

 

실제로 이 녀석의 구조를 조금 더 면밀히 살펴보면 위 그림상에도 나타나 있는 것처럼 active site에 Mg2+와 carbamoyl-Lys residue가 존재하고 있다는 것을 알 수 있음.

 

 

 

 

 

실제로는 위 그림과 같이 Mg2+가 총 6개의 O와 coordination을 이루고 있음. 보면 carbamoyl-Lys201의 O 1개와, Asp203의 O 1개와, Glu204의 O 1개와, ribulose 1,5-bisphosphate(substrate)의 O 2개와, 마지막으로 free CO2의 O 1개와 coordination을 이루고 있음. (그림상에서는 마치 CO2의 C와 coordination을 이루고 있는 것처럼 묘사되었는데, 이는 잘못된 것임) 이 때 Mg2+가 전자를 당기게 되고, 그 결과 각 분자들을 더 polarize시켜서 결과적으로 CO2와 ribulose 1,5-bisphosphate 간의 condensation을 위한 attack이 더 잘 일어날 수 있게 됨. (그 밖에, substrate의 negative charge를 Mg2+가 stabilize시켜주는 효과도 있음)

 

 

참고로 plant, algae, cyanobacteria가 가지는 form 1의 Rubisco는 8개의 large subunit과 8개의 small subunit이 모여 형성되는 반면 photosynthetic bacteria가 가지는 form 2의 Rubisco는 오로지 2개의 catalytic subunit만으로 구성되어 있음.

 

 

 

보통 Rubisco 하나에 의해 촉진되는 반응의 반응속도는 매우 느린데, 25도에서 초당 3개의 분자를 conversion시키는 수준에 그침. 따라서 폭발적인 양의 conversion이 일어나기 위해서는 필연적으로 엄청나게 많은 양의 Rubisco가 필요한 것임. 실제로 plant enzyme의 50% 정도는 Rubisco임.

 

 

 

이제 구체적인 반응 mechanism에 대해 알아보자.

 

 

 

 

전체적인 반응 mechanism은 위 그림과 같음. 하나하나 살펴보자.

 

 

 

 

 

우선 맨 처음에는 위와 같이 active site 내부에 있는 carbamoylated Lys side chain의 O가 ribulose 1,5-bisphosphate의 H를 공격하고, 그 결과 double bond가 생기면서 enediolate intermediate가 형성됨. (그러면서 H를 받은 Lys residue는 reduction됨) 한편 이 과정에서 CO2가 들어가 Mg2+와 coordination을 형성하게 됨.

 

 

 

한편 coordination된 CO2의 C는 Mg2+에 의해 attack을 받기 더 쉬워지게 되고, 결국 enediolate intermediate 내의 double bond로부터 nucleophilic attack을 받게 됨. 그 결과 위 그림 아래와 같이 β-keto acid intermediate가 형성되게 되며, 결국 이 intermediate의 구조를 보면 알 수 있는 것처럼 CO2와 나머지 5탄소 화합물이 연결되게 됨.

 

 

 

 

그 다음에는 위 그림에 나타나 있는 것처럼 물이 들어오고, 물의 O가 carbonyl C를 공격한 결과 위 그림 아래의 hydrated intermediate가 생성되게 됨.

 

 

 

 

이후 오른쪽의 hydrated intermediate 내부에서 전자 이동이 일어나게 되며 3-phosphoglycerate 하나가 떨어져나옴.

 

 

 

 

 

그 다음에 위 그림상에 나타난 것과 같이 C-가 Rubisco의 active site 내에 있는 Lys의 H를 가져오고 결과적으로 3-phosphoglycerate 하나가 더 떨어져 나오게 됨.

 

 

Rubisco는 상당히 잘 regulation되고 있음. 실제로 Rubisco의 경우 내부의 Lys201이 CO_2에 의해 carbamoylated되기 이전에는 inactive한 상태로 존재하고 있음. (그러다가 일단 carbamoylated되고 나면 계속 activity를 유지할 수 있음)

 

 

 

 

위 그림에는 Rubisco의 activation 과정이 나타나 있음. 보면 처음에는 carbamoylated되어있지 않은 Lys residue가 있는 Rubisco의 binding pocket 내에 ribulose 1,5-bisphosphate가 들어차 있는 상태임. 이런 상태에서는 Lys residue를 carbamoylated시키지 못하는데, 이 때 rubisco activase가 효소로 작용하며 ATP가 한 분자 소모될 시 ribulose 1,5-bisphosphate가 binding pocket으로부터 떨어져나오게 됨. 이렇게 될 시 이제 추가적인 energy 투입 없이도 CO2와 Mg2+가 공급될 시 위 그림 아래와 같이 carbamoylated Lys에 Mg2+가 coordination되어있는 active한 형태로 변할 수 있음.

 

 

 

그 밖에 Rubisco는 2-carboxyarabinitol 1-phosphate라는 noctural inhibitor(즉, 밤에 빛에너지가 공급되지 않을 때 activation되는 inhibitor)에 의해서도 inhibition될 수 있음. 이는 밤에는 빛이 없으므로 photophosphorylation이 일어나지 못하므로 carbon fixation도 멈추는 것이 효율적이기 때문에 말이 됨.

 

 

 

 

위 그림에는 2-carboxyarabinitol 1-phosphate의 구조가 나타나 있으므로 참고할 것.

 

 

 

 

다음 포스트에서 이어서 살펴보자.