Rubisco Reaktionsmechanismus

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Rubisco - Reaktionsmechanismus

Das Enzym Ribulose-1,5-bisphosphatcarboxylase (Rubisco) katalysiert die kovalente Bindung von gasförmigem Kohlendioxid an Ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP). Reaktionsprodukt sind zwei Moleküle 3-Phosphoglycerinsäure.

C₅O₃H₈(PO₄^2-)₂ + CO₂ -> 2 C₃O₃H₄PO₄^2-

Für die Reaktion ist es notwendig, daß das Protein durch kovalente Bindung eines Moleküls CO₂ aktiviert wird. Dieses bildet mit Lysin²⁰¹ ein Carbamat. Das Carbamat ist an sich instabil und wird im Enzym durch ein Magnesiumion stabilisiert.

Die folgenden Bilder können interaktiv betrachtet werden: mit der Maus können die Moleküle gedreht werden, durch Anklicken der Kästchen werden besprochene Eigenschaften hervorgehoben. Nur das erste Bild beruht auf experimentellen Röntgenstrukturdaten. Die Wasserstoffatome (im Röntgenbild unsichtbar) wurden mit einem Modellierprogramm hinzugefügt. Die Reaktionsstufen wurden ebenfalls modelliert und können daher keinen Anspruch auf absolute Ortstreue der Atome erheben. Die Bilder dienen nur der Veranschaulichung des Reaktionsmechanismus.

Farbschema: C H O N P Mg

1

Im aktiven Zentrum des Enzyms wird das Magnesiumatom von den Aminosäuren 201 bis 204 fixiert.

Lys²⁰¹

mit der Carbamatgruppe

Asp²⁰²

Asp²⁰³

Glu²⁰⁴

Das Magnesiumion wird durch sechs Sauerstoffatome koordiniert:

dreimal durch Aminosäuren

einmal durch Wasser

zweimal durch das Substrat RuBP
- durch den Keto-Sauerstoff an C₂

- und den Hydroxyl-Sauerstoff an C₃

Die Sauerstoffatome bilden einen verzerrten Oktaeder um das Magnesium

(Abstände in Å).

Anfangsbild

2

Zur Vorbereitung der Carboxylierungsreaktion wird im ersten Schritt die Ribulose zum Endiol tautomerisiert. Dazu wird der Wasserstoff an C₃

(Bild 1) von der Carbamatgruppe an Lys²⁰¹

übernommen. Der Sauerstoff an C₂

erhält die negative Ladung des Carbamat-Sauerstoffes. C₃ geht in diesem Schritt von der sp³-Hybridisierung (tetraedrische Liganden) in die sp²-Hybridisierung mit trigonaler Konfiguration über. Die Liganden der C₂-C₃-Doppelbindung stehen in cis (Drehung des Moleküls mit der Maus zeigt die planare Anordung!).

Anfangsbild

3

Als nächstes wird ein Molekül CO₂

angelagert, das dabei ein koordinierendes Wassermolekül verdrängt. Das CO₂ selber wird durch die Nähe zum Magnesium polarisiert, sodaß ein elektrophiler Angriff auf die Doppelbindung der Ribulose möglich wird. Das ist wieder mit einem Tausch von Wasserstoffatomen verbunden: der Wasserstoff vom C₃-Hydroxyl

(Bild 2) wird von einem Stickstoffatom

in His²⁹⁴ übernommen. Der an der Lys²⁰¹-Carbamatgruppe "geparkte" Wasserstoff

wird auf den Endiolat-Sauerstoff an C₂ des RuBP gegeben

. Die entstehende kovalente Bindung zwischen CO₂ und RuBP führt zu einem verzweigten C₆-Zucker.

Anfangsbild

4

Durch die kovalente Bindung

zwischen CO₂ und RuBP-C₂ wird C₂ vorübergehend wieder sp³-tetraedrisch (die mit der Hybridisierungsänderung verbundenen Wechsel der Bindungswinkel ziehen jeweils Bewegungen der Seitenketten nach sich).
Der nächste Schritt ist die Hydroxylierung von C₃. Ein Wassermolekül

gibt ein Wasserstoffatom an His³²⁷

ab und der Sauerstoff greift dann C₃ an.

Anfangsbild

5

Die neue Zwischenstufe mit zwei Sauerstoffatomen an C₃ wird unter Mitwirkung von Lys²⁰¹ deprotoniert

. Das andere Sauerstoffatom an C₃ wird durch His²⁹⁴

deprotoniert gehalten. Die in diesem Moment für C₃ ungünstige Elektronenkonfiguration wird durch die Spaltung der Bindung zwischen C₃ und C₂ in den Normalzustand einer sp²-Hybridisierung einer Carboxylgruppe mit planarer Ligandenanordnung überführt.

Anfangsbild

6

Das entstandene Molekül 3-Phosphoglycerinsäure

hat nur mit dem Carboxyl-Kohlenstoff am Reaktionsgeschehen teilgenommen und daher die Konformation seines chiralen mittleren Kohlenstoffatoms nicht geändert. Wenn man (selber mit der Maus) das Molekül so dreht, daß (bei senkrechter Anordnung der Kohlenstoffkette mit dem Carboxylende oben) das Carboxylkohlenstoffatom und das endständige Kohlenstoffatom (mit der Phosphatgruppe) beide nach hinten zeigen, erkennt man mühelos, daß die Hydroxylgruppe am mittleren Kohlenstoffatom rechts steht und es sich daher zweifelsfrei um die D-Form des Moleküls handelt. Es diffundiert aus dem Enzym heraus.
Das an C₂ carboxylierte Restmolekül

ist hier mit einem freien Elektronenpaar an C₂ übriggeblieben. Durch Übernahme eines Protons von Lys¹⁷⁵

erhält das Kohlenstoffatom seinen vierten Liganden.

Anfangsbild

7

Diese Addition führt den Übergangszustand in das Reaktionsprodukt über. Die Reaktion ist stereospezifisch: es entsteht die D-Form von 3-Phosphoglycerinsäure

Anfangsbild

Literatur: C Taylor & I Andersson, J. Mol. Biol. 265 (1997) 432-444