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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(PO42-)2 + CO2 -> 2 C3O3H4PO42-

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

9-98 © R Bergmann