کتاب بیوشیمی گیاهی جلد اول: فتوسنتز – ترجمه دکتر نظام جلیلیان، ویراست ششم ۲۰۲۵

━━━━━━━━━━━━━━━━━━

فهرست مطالب

━━━━━━━━━━━━━━━━━━

پیش‌گفتار مترجم

پیش‌گفتار مؤلفین

مقدمه

فصل اول: سلول‌های برگ از بخش‌های متابولیکی مجزایی تشکیل‌شده‌اند

• ۱.۱ دیواره به سلول گیاهی پایداری و ثبات مکانیکی می‌بخشد

  • دیوارهٔ سلولی بیشتر از کربوهیدرات‌ها و پروتئین‌ها تشکیل‌شده است

  • پلاسمودسم‌ها سلول‌های مجاور را به یکدیگر متصل می‌کنند

• ۲.۱ واکوئل‌ها دارای کارکردهای گوناگونی هستند

• ۳.۱ پلاستیدها به انواع مختلفی تمایز می‌یابند

  • اندامک‌های سلولیِ کاملاً فعال و سالم را می‌توان از سلول‌های گیاهی جداسازی کرد

• ۴.۱ میتوکندری‌ها با درون‌همزیستی به وجود آمده‌اند

• ۵.۱ پراکسی‌زوم‌ها اکسیداسیون اسیدهای چرب، تنفس و متابولیسم گونه‌های فعال اکسیژن را انجام می‌دهند

• ۶.۱ شبکهٔ آندوپلاسمی و دستگاه گلژی شبکه‌ای برای توزیع پروتئین‌ها تشکیل می‌دهند

• ۷.۱ فرایندهای انتقالی گوناگون تبادل متابولیت‌ها در بین بخش‌های مختلف را تسهیل می‌کنند

  • ناقلین، جابه‌جایی اختصاصی متابولیت‌ها و محصولات را کاتالیز می‌کنند

  • انتقال متابولیت‌ها با تغییر ساختار ناقل‌ها انجام می‌شود

  • آکواپورین‌ها غشای سلولی را فقط نسبت به آب نفوذپذیر نمی‌کنند

  • کانال‌های یونی ظرفیت انتقال بسیار بالایی دارند

  • پُرین‌ها از صفحات بتا تشکیل‌شده‌اند

فصل دوم: انرژی خورشیدی و فتوسنتز اساس حیات بر روی کرهٔ زمین هستند

• ۱.۲ منشأ فتوسنتز

• ۲.۲ میزان انرژی نور به طول‌موج آن بستگی دارد

• ۳.۲ کلروفیل رنگیزهٔ اصلی فتوسنتزی است

  • جذب نور موجب برانگیخته شدن مولکول کلروفیل می‌شود

• ۴.۲ آنتن‌ها برای جذب مؤثر نور ضروری هستند

  • انرژی برانگیختگی فوتون‌ها در آنتن‌ها جذب‌شده و به مراکز واکنش منتقل می‌شود

  • عملکرد یک آنتن با بررسی آنتن فتوسیستم II شرح داده می‌شود

  • فیکوبیلی‌زوم‌ها امکان فتوسنتز در نور کم را برای سیانوباکتری‌ها و جلبک‌های قرمز فراهم می‌کنند

فصل سوم: فتوسنتز یک فرایند انتقال الکترون است

• ۱.۳ دستگاه فتوسنتزی از واحدهای پیچیده‌ای ساخته‌شده است

• ۲.۳ در طی فتوسنتز یک احیاکننده و یک اکسیدکننده تشکیل می‌شود

• ۳.۳ ساختار سه‌بعدی مرکز واکنش فتوسنتزی با استفاده از پرتو ایکس تعیین شد

  • مرکز واکنش، ساختاری متقارن دارد

  • مرکز واکنش چگونه عمل می‌کند؟

  • فتوسنتز گیاهان، دو مرکز واکنش به‌صورت پشت‌سر‌هم سازمان‌دهی شده‌اند

• ۴.۳ آب توسط فتوسیستم II اکسید می‌شود

• ۵.۳ علف‌کش‌ها فتوسیستم‌ها را مهار می‌کنند و به همین دلیل در کشاورزی مکانیزه مورد استفاده قرار می‌گیرند

• ۶.۳ کمپلکس سیتوکروم b۶f واسطهٔ انتقال الکترون بین فتوسیستم II و فتوسیستم I است

  • انتقال الکترون توسط کمپلکس سیتوکروم b۶/f با جابه‌جایی پروتون جفت می‌شود

  • تعداد پروتون‌هایی که از طریق کمپلکس سیتوکروم b۶/f پمپ می‌شوند با چرخهٔ Q می‌تواند دوبرابر شود

• ۷.۳ محصول فتوسیستم I، NADPH است

  • انتقال چرخه‌ای الکترون به فتوسیستم I که توسط انرژی نور به حرکت درمی‌آید ATP تولید می‌کند

  • در نبود سایر پذیرنده‌های الکترون، الکترون‌ها می‌توانند از فتوسیستم I به اکسیژن منتقل شوند

• ۸.۳ فرایندهای تنظیمی توزیع فوتون‌های جذب‌شده بین دو فتوسیستم را کنترل می‌کنند

  • انرژی نوری اضافی به‌صورت گرما دفع می‌شود

فصل چهارم: در فرایند فتوسنتز ATP سنتز می‌شود

• ۱.۴ یک شیب پروتونی واسطهٔ بیوسنتز ATP است

• ۲.۴ جداکننده‌ها شیب پروتونی را به گرما تبدیل می‌کنند

• ۳.۴ H⁺-ATP سنتازها در باکتری‌ها، کلروپلاست‌ها و میتوکندری‌ها ساختار پایه‌ای مشترکی دارند

  • H⁺-ATP سنتاز کلروپلاستی توسط نور تنظیم می‌شود

  • V-ATPآزها با F-ATP سنتازها خویشاوند هستند

• ۴.۴ بیوسنتز ATP به تغییر شکل ساختاری ATP سنتاز وابسته است

فصل پنجم: میتوکندری‌ها نیروگاه سلول هستند

• ۱.۵ اکسیداسیون کربوهیدرات‌ها منجر به تشکیل هیدروژن متصل و CO₂ می‌شود

• ۲.۵ میتوکندری‌ها محل تنفس سلولی هستند

• ۳.۵ اکسیداسیون زیستی در ماتریکس میتوکندری انجام می‌شود

  • پیرووات توسط یک کمپلکس چندآنزیمی اکسید می‌شود

  • استات به‌طور کامل در چرخهٔ TCA اکسید می‌شود

  • کاهش ترکیبات حد واسط چرخهٔ TCA توسط واکنش‌های آناپلروتیک بازتأمین و جبران می‌شود

  • از اکسایش NADH چه میزان انرژی می‌توان به‌دست آورد؟

• ۴.۵ زنجیرهٔ تنفسی میتوکندریایی با زنجیرهٔ انتقال الکترون در فتوسنتز ویژگی‌های مشترکی دارد

  • کمپلکس‌های زنجیرهٔ تنفسی در میتوکندری

  • انتقال الکترون در زنجیرهٔ تنفسی از طریق جابه‌جایی پروتون با سنتز ATP جفت می‌شود

  • جابه‌جایی پروتون‌ها در میتوکندری منجر به تشکیل پتانسیل غشایی می‌شود

  • سنتز ATP در میتوکندری نیاز انرژیِ سیتوزول را تأمین می‌کند

• ۵.۵ میتوکندری‌های گیاهی وظایف متابولیکی ویژه‌ای دارند

  • میتوکندری‌ها می‌توانند NADH اضافی را بدون تولید ATP اکسید کنند

  • NADH و NADPH سیتوزولی می‌توانند توسط زنجیرهٔ تنفسی اکسید شوند

• ۶.۵ بخش‌بندی متابولیسم میتوکندریایی نیازمند ناقل‌های خاص غشایی است

فصل ششم: چرخهٔ کالوین‌ـ‌بنکسون‌ـ‌بسهام فرایند تثبیت CO₂ فتوسنتزی را کاتالیز می‌کند

• ۱.۶ واکنش‌های کربوکسیلاسیون، احیا و بازسازی گیرنده سه مرحلهٔ اصلی تثبیت CO₂ هستند

• ۲.۶ ریبولوز بیس‌فسفات کربوکسیلاز/اکسیژناز (روبیسکو) دو واکنش را کاتالیز می‌کند

  • در نقطهٔ جبران، تثبیت خالص CO₂ صورت نمی‌گیرد

• ۳.۶ احیای ۳ـفسفوگلیسرات منجر به تولید تریوز فسفات می‌شود

• ۴.۶ بازسازی پذیرندهٔ CO₂ یعنی ریبولوز ۱،۵ـبیس‌فسفات از تریوز فسفات

• ۵.۶ مسیرهای پنتوز فسفات احیایی و اکسایشی در کلروپلاست‌ها وجود دارند

• ۶.۶ تیوردوکسین‌های احیاشده سیگنال «روشنایی» را منتقل کرده و آنزیم‌ها را فعال یا غیرفعال می‌کنند

  • فرایندهای تنظیمی متعدد واکنش‌های مسیر پنتوز فسفات احیایی (چرخهٔ کالوین) را دقیق تنظیم می‌کنند

فصل هفتم: در مسیر تنفس نوری، فسفوگلیکولات بازیافت می‌شود

• ۱.۷ ریبولوز ۱،۵ـبیس‌فسفات با بازیافت ۲ـفسفوگلیکولات دوباره ساخته می‌شود

• ۲.۷ پراکسی‌زوم‌ها برای احیای هیدروکسی‌پیرووات به معادل‌های احیاکنندهٔ خارجی نیاز دارند

• ۳.۷ یون آمونیوم آزادشده در مسیر تنفس نوری با بازدهی بالا در کلروپلاست‌ها دوباره به‌کار گرفته می‌شود

• ۴.۷ ماتریکس پراکسی‌زوم متابولیت‌های سمی را حذف می‌کند

فصل هشتم: فرایند فتوسنتز وابسته به مصرف آب است

• ۱.۸ جذب CO₂ به درون برگ با خروج بخار آب همراه است

• ۲.۸ روزنه‌ها تبادل گازی برگ‌ها را تنظیم می‌کنند

• ۴.۸ جریان نفوذی یا انتشاری دی‌اکسیدکربن به درون سلول گیاهی

• ۴.۸ گیاهان C₄ تثبیت دی‌اکسیدکربن را با مصرف آب کمتر نسبت به گیاهان C₃ انجام می‌دهند

  • پمپ CO₂ در گیاهان C₄

  • متابولیسم C₄ در گیاهان نوع NADP مالیک

  • متابولیسم C₄ در گیاهان نوع NAD مالیک

  • متابولیسم C₄ در گیاهان نوع فسفوانول‌پیرووات کربوکسی‌کیناز

  • آنزیم‌های متابولیسم C₄ با نور تنظیم می‌شوند

  • گیاهان C₄ در اقلیم‌هایی با دمای بالاتر دارای مزیت هستند

• ۵.۸ متابولیسم اسید کراسولاسه (CAM) امکان بقا در شرایط کم‌آبی شدید را برای گیاهان فراهم می‌کند

  • فتوسنتز در گیاهان CAM با روزنه‌های بسته انجام می‌شود

━━━━━━━━━━━━━━━━━━

پیش‌گفتار مترجم

━━━━━━━━━━━━━━━━━━

آنچه پیش روی شما قرار دارد، ترجمة هشت فصل نخست از کتاب ارزشمند بیوشیمی گیاهی تألیف پروفسور هانس ـ والتر هلت و پروفسور بیرگیت پیچولا است که تاکنون به زبان‌های مختلفی ازجمله انگلیسی، روسی، ژاپنی، هندی، چینی و ترکی ترجمه شده است. این فصول به‌طور اختصاصی به موضوع فتوسنتز می‌پردازند. فرایند فتوسنتز به‌عنوان منبع اصلی تولید مادة آلی، نقشی بی‌بدیل در زنجیره‌های غذایی ایفا می‌کند. شناخت سازوکار دقیق فتوسنتز نه‌تنها برای درک بهتر فیزیولوژی گیاهان ضروری است، بلکه کاربردهای گسترده‌ای در حوزه‌هایی همچون زیست‌فناوری، کشاورزی پایدار و طراحی سیستم‌های فتوسنتز مصنوعی دارد. این دانش می‌تواند ما را در یافتن راهکارهای علمی برای افزایش بهره‌وری گیاهان، کاهش غلظت دی‌اکسیدکربن جو و تولید سوخت‌های زیستی یاری کند.

در فصل اول این کتاب، ساختار سلول برگ و بخش‌های گوناگون آن به زبان ساده معرفی شده است. فصل دوم به جذب نور خورشید و ساختار فتوسیستم‌ها می‌پردازد. در فصل سوم، سازوکار انتقال الکترون، عملکرد فتوسیستم‌ها و زنجیره انتقال الکترون در فتوسنتز بررسی شده است. فصل چهارم به بررسی ساختمان کمپلکس ATP سنتاز و چگونگی تولید ATP اختصاص دارد. در فصل پنجم، نقش میتوکندری به‌عنوان نیروگاه سلول به همراه چرخه کربس و زنجیره تنفسی مورد بحث قرار گرفته است. فصل ششم به چرخه کالوین و چگونگی تثبیت دی‌اکسیدکربن در گیاهان می‌پردازد. در فصل هفتم، بازیافت فسفوگلیکولات حاصل از فعالیت اکسیژنازی روبیسکو و مسیر تنفس نوری بررسی می‌شود و فصل هشتم نیز به مصرف آب در فتوسنتز و مسیرهای خاص فتوسنتزی در گیاهان CAM و C4 اختصاص دارد. شایان ذکر است که در برخی موارد، اشکالات تایپی یا علمی در متن انگلیسی کتاب مشاهده شد که در این ترجمه با درج توضیحات لازم در پاورقی‌ها مورد توجه قرار گرفته‌اند.

هرچند در ترجمه این اثر دقت زیادی شده است اما هیچ اثر بشری بدون کاستی و خطا نیست؛ لذا از همة خوانندگان گرامی استدعا دارم که هرگونه انتقاد، نظر و پیشنهاد خود را از طریق آدرس الکترونیکی Nezam53j@yahoo.com با ما در میان بگذارند تا در چاپ‌های بعدی مورد توجه قرار بگیرند. پیشاپیش از لطف و توجه شما سروران عزیز سپاسگزاری می‌کنم.

نظام جلیلیان
دبیر زیست‌شناسی خرمشهر
تابستان ۱۴۰۴

در پایان، از همراهی و حمایت‌های بی‌دریغ همسر عزیزم صمیمانه قدردانی می‌کنم و باتوجه‌به هم‌زمانی ترجمه این کتاب با حمله نظامی رژیم صهیونیستی به میهن عزیزمان ایران، با نهایت احترام این اثر را به روح بلند شهدای این واقعه تلخ و ناجوانمردانه تقدیم می‌نمایم.

━━━━━━━━━━━━━━━━━━

بخشی از متن کتاب

━━━━━━━━━━━━━━━━━━

چرخة کالوین ـ بنسون ـ بسهام (CBB) را می‌توان به سه بخش تقسیم کرد (شکل 3 ـ 6):

1) کربوکسیلاسیون قند پنج کربنی ریبولوز 5،1 ـ بیس‌فسفات که منجر به تولید دو مولکول   3ـ فسفوگلیسرات می‌شود؛ 2) احیای ۳ ـ فسفوگلیسرات به تریوز فسفات؛ و 3) بازسازی گیرندة CO2، یعنی قند پنج کربنی ریبولوز 5،1 ـ بیس‌فسفات از تریوز فسفات.

تریوز فسفات به‌عنوان محصول فتوسنتز توسط ناقلی اختصاصی از کلروپلاست به سیتوزول منتقل می‌شود. بااین‌حال، بخش عمده‌ای از تریوز فسفات‌ها برای بازسازی قند پنج کربنی ریبولوز 5،1 ـ بیس فسفات در درون کلروپلاست باقی می‌مانند.

شکل 3 ـ 6: نمایی کلی و ساده‌شده‌ از واکنش‌های چرخة کالوین ـ بنسون ـ بسهام (بدون در نظرگرفتن استوکیومتری).NADPH: نیکوتین‌آمید آدنین دی‌نوکلئوتید فسفات احیاشده.

2،6 ریبولوز بیس‌فسفات کربوکسیلاز/اکسیژناز (روبیسکو) دو واکنش را کاتالیز می‌کند.

واکنش کلیدی در فرایند تثبیت فتوسنتزی دی‌اکسیدکربن، اتصال CO2 موجود در جوّ به مولکول پذیرندة ریبولوز 5،1 ـ بیس‌فسفات است که در نتیجة آن، دو مولکول ۳ـ فسفوگلیسرات سنتز می‌شود. این واکنش بسیار انرژی‌زا است (ΔG°-35kJ/mol)، بنابراین عملاً بازگشت‌ناپذیر می‌باشد. این واکنش توسط آنزیم ریبولوز بیس‌فسفات کربوکسیلاز / اکسیژناز (روبیسکو [1]) انجام می‌شود که از هشت زیرواحد بزرگ و هشت زیرواحد کوچک تشکیل‌شده است. روبیسکو تنها آنزیمی است که درگیاهان امکان تثبیت CO2 جوّ را برای تشکیل زیست‌توده [2] (تثبیت اتوتروفی CO2) فراهم می‌کند. آنزیم روبیسکو هر دو واکنش کربوکسیلاسیون و اکسیژناسیون را انجام می‌دهد (شکل 4 ـ 6). بااین‌حال، آنزیم‌های باکتریایی در مقایسه با آنزیم‌های گیاهی نسبت فعالیت اکسیژنازی به کربوکسیلازی بالاتری دارند. تثبیت CO2 توسط گیاهان و باکتری‌ها، پیش‌نیاز و شرط لازم برای ادامة حیات کنونی بر روی کرة زمین است.

شکل 4 ـ 6: آنزیم ریبولوز بیس‌فسفات کربوکسیلاز/ اکسیژناز (روبیسکو) قادر به انجام دو واکنش با پیش‌مادة ریبولوز 5،1 ـ بیس‌فسفات است: 1) واکنش کربوکسیلازی که همان فرایند تثبیت CO2 است و 2) واکنش اکسیژنازی که شامل واکنش با مولکول اکسیژن می‌باشد.

در گیاهان و سیانوباکتری‌ها آنزیم روبیسکو از هشت زیرواحد بزرگِ یکسان (بسته به گونة جاندار، با جرم مولکولی ۵۱ تا ۵۸ کیلو دالتون) و هشت زیرواحد کوچکِ یکسان (با جرم مولکولی ۱۲ تا ۱۸ کیلو دالتون) تشکیل‌شده است. روبیسکو با داشتن این ۱۶ زیرواحد، یکی از بزرگ‌ترین کمپلکس‌های آنزیمی شناخته‌شده در طبیعت به شمار می‌رود. در گیاهان، اطلاعات ژنتیکی مربوط به زیرواحد بزرگ در ژنوم پلاستیدی و اطلاعات مربوط به زیرواحد کوچک در ژنوم هسته‌ای قرار دارند. هر زیرواحد بزرگ دارای یک مرکز کاتالیتیکی است. تصور بر این است که هشت زیرواحدهای کوچک موجب پایدارسازی کمپلکس متشکل از هشت زیرواحد بزرگ می‌شوند. این دیدگاه با این واقعیت پشتیبانی می‌شود که روبیسکو در برخی باکتری‌های ارغوانی فتوسنتزکننده، تنها به‌صورت دایمری از زیرواحدهای بزرگ وجود دارد. ویژگی‌های کاتالیزوری روبیسکوی باکتریایی، اساساً مشابه با آنزیم گیاهی است؛ بنابراین، به نظر می‌رسد زیرواحد کوچک روبیسکوی گیاهان برای انجام فرایند تثبیت دی‌اکسیدکربن ضروری نباشد.

برای شروع واکنش انرژی‌زا (واکنش کربوکسیلازی)، آنزیم روبیسکو باید فعال شود. زیرواحدهای بزرگ روبیسکو دارای یک بنیان لیزین در موقعیت ۲۰۱ از توالی ۴۷۰ آمینواسیدی خود هستند. روبیسکو تنها زمانی فعال است که گروه ε ـ آمینوی این لیزین با یک مولکول CO2 دیگر (به‌غیراز پیش‌ماده) واکنش داده و یک کاربامات (آمید اسیدکربنیک [3]) را تشکیل دهد. به این کاربامات یک یون منیزیم (2+Mg) متصل می‌شود (شکل 5 ـ 6). فعال‌سازی آنزیم ناشی از تغییر در ساختار فضایی پروتئین زیرواحد بزرگ است؛ این حالت فعال، از طریق پیوند با یون منیزیم پایدار می‌ماند. این کاربامیله شدن پیش‌نیاز لازم برای فعالیت همة انواع روبیسکوهای شناخته‌شده است. توجه داشته باشید که CO2 متصل شده به‌صورت کاربامات، متفاوت از CO2ای است که به‌عنوان پیش‌ماده در واکنش کربوکسیلاسیون استفاده می‌شود.

شکل 5 ـ 6: آنزیم روبیسکو با کاربامیله شدن بنیان لیزین، فعال می‌شود.

فعال شدن روبیسکو نیازمند ATP است و توسط آنزیمی به نام روبیسکو اکتیواز [4] انجام می‌شود. شکل غیرکاربامیله و غیرفعال روبیسکو، به‌صورت بسیار محکم به ریبولوز 5،1 ـ بیس فسفات متصل می‌گردد که این موضوع موجب مهار آنزیم می‌شود. آنزیم روبیسکو اکتیواز با مصرف ATP، ریبولوز 5،1 ـ بیس فسفات متصل شده را جدا می‌کند و بدین ترتیب امکان کاربامیله شدن آنزیم آزاد را فراهم می‌آورد. چگونگی تنظیم فعالیت روبیسکو اکتیواز در بخش 6 ـ 6 موردبحث قرارگرفته است.

شکل 6 ـ 6: ترکیب ۲ ـ کربوکسی‌آرابینیتول ۱ـ فسفات (CA1P)، مهارکنندة آنزیم روبیسکو است.

روبیسکو توسط 3ـ فسفوگلیسرات و چندین هگزوز فسفات مهار می‌شود که همگی به‌جای ریبولوز 5،1 ـ بیس فسفات به جایگاه فعال آنزیم متصل می‌شوند. یکی از مهارکننده‌های بسیار قوی، ترکیبی به نام ۲ـ کربوکسی‌آرابینیتول ۱ـ فسفات [5] (CA1P) است (شکل 6 ـ 6). این ترکیب، ساختاری بسیار شبیه به ۲ـ کربوکسی 3ـ کتوآرابینیتول 5،1 ـ بیس ‌فسفات [6]  دارد (شکل 7 ـ 6) که خود یکی از واسطه‌های واکنش کربوکسیلاسیون روبیسکو محسوب می‌شود. مهارکنندة CA1P دارای تمایلی برای اتصال به جایگاه ریبولوز 5،1 ـ بیس فسفات در آنزیم روبیسکو است که هزار برابر بیشتر از تمایل خود ریبولوز 5،1 ـ بیس فسفات می‌باشد. در برخی گونه‌های گیاهی، CA1P  در طول شب در برگ‌ها تجمع می‌یابد و با اشغال جایگاه‌های فعال روبیسکو، آن را غیرفعال می‌کند. در طول روز، CA1P توسط آنزیم روبیسکو اکتیواز جدا می‌شود و سپس توسط فسفاتازی اختصاصی تجزیه می‌گردد. این فسفاتاز با هیدرولیز پیوند استرفسفات، مولکول CA1P را به 2ـ کربوکسی ‌آرابینیتول [7] تبدیل می‌کند و بدین ترتیب اثر مهاری آن را از بین می‌برد. مهارکنندة CA1P از فروکتوز 6،1 ـ بیس ‌فسفات سنتز می‌شود و در این مسیر، هگزوز فسفات‌ها، هامامِلوز بیس ‌فسفات [8] و هاماملوز مونوفسفات به‌عنوان واسطه نقش دارند. ازآنجا که CA1P در همة گیاهان ساخته نمی‌شود، نقش آن در تنظیم فعالیت روبیسکو همچنان موضوع بحث‌وبررسی است.

  روند واکنش کربوکسیلازی روبیسکو با یک ایزومری شدنِ کتو ـ انول [9] در پیش‌مادة ریبولوز 5،1 ـ بیس‌ فسفات آغاز می‌شود که منجر به تشکیل یک اندیول [10] می‌گردد. این اندیول با CO2 واکنش داده و واسطة ناپایدار ۲ـ کربوکسی 3ـ کتوآرابینیتول 5،1 ـ بیس‌فسفات را تشکیل می‌دهد، سپس این واسطه به دو مولکول ۳ـ فسفوگلیسرات تجزیه می‌شود (شکل 7 ـ 6).

به نظر می‌رسد در واکنش اکسیژنازی روبیسکو، اکسیژن نیز به روشی مشابه با CO2 با اندیول واکنش داده و یک پراکسید به‌عنوان حدواسط تشکیل می‌دهد. در مرحلة بعد، این حدواسطِ دارای O2 تجزیه می‌شود، به‌طوری‌که یک اتم اکسیژن به‌صورت آب آزاد می‌گردد و اتم دیگر آن وارد گروه کربونیلِ ۲ـ فسفوگلیکولات [11] می‌شود (شکل 8 ـ 6)؛ بنابراین، ۲ـ فسفوگلیکولات و 3ـ فسفوگلیسرات محصولات نهایی واکنش اکسیژنازی روبیسکو هستند.

شکل 7 ـ 6: توالی واکنش در کربوکسیلاسیون ریبولوز 5،1 ـ بیس‌فسفات توسط روبیسکو. یک اندیول که از طریق ایزومری شدن کتو ـ انولِ گروه کربونیلِ ریبولوز 5،1 ـ بیس‌فسفات تشکیل می‌شود (A)، شرایط را برای انجام واکنش نوکلئوفیلی CO2 با اتم کربن شماره ۲ در ریبولوز 5،1 ـ بیس‌فسفات فراهم می‌سازد. درنتیجة این واکنش، مولکول ۲ـ کربوکسی ـ۳ ـ کتوآرابینیتول 5،1 ـ بیس‌فسفات  سنتز می‌شود (B). پس از انجام آب‌گیری (C) پیوند میان کربن‌های ۲ و ۳ شکسته می‌شود و دو مولکول ۳ـ فسفوگلیسریک اسید (۳ـ فسفوگلیسرات) آزاد می‌گردند (D).

شکل 8 ـ 6: واکنش اکسیژنازی روبیسکو با پیش‌مادة ریبولوز 5،1 ـ بیس ‌فسفات.

واکنش اکسیژناسیون ریبولوز 5،1 ـ بیس فسفات واکنشی بسیار متعادل به نظر می‌رسد. غلظت موردنیاز CO2 برای اینکه نیمی از آنزیم‌ها اشباع شوند (Km [CO2]) بسیار کمتر از غلظت O2 موردنیاز برای همین وضعیت (Km [O2]) است (جدول 1 ـ 6). بااین‌حال، سرعت واکنش اکسیژنازی بسیار بالاست و این موضوع عمدتاً ناشی از تفاوت در غلظت‌های اتمسفری این دو گاز است؛ غلظت O2 در جوّ حدود 21 درصد و غلظت CO2 تنها حدود ۰٫۰۴ درصد می‌باشد. افزون بر این، غلظت CO2 در فضای گازی داخل برگ‌های فتوسنتزکننده معمولاً به‌مراتب کمتر از غلظت آن در جوّ  است. به همین دلایل، نسبت واکنش اکسیژنازی به کربوکسیلازی در طی فتوسنتز یک برگ در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد، در حدود 1 به 4 تا 1 به 2 است؛ یعنی از هر سه تا پنج مولکول ریبولوز 5،1 ـ بیس فسفات، یکی در واکنش اکسیژنازی مصرف می‌شود. با افزایش دما، ویژگی تمایز CO2 نسبت به O2 توسط روبیسکو کاهش می‌یابد (جدول 1 ـ 6) و درنتیجه، نسبت واکنش اکسیژنازی به کربوکسیلازی افزایش پیدا می‌کند. از سوی دیگر، افزایش غلظت CO2 در جوّ باعث کاهش اکسیژناسیون می‌شود که این موضوع در بسیاری از موارد منجر به بهبود رشد گیاهان می‌گردد. شایان‌ذکر است که غلظت CO2 در آب (و درنتیجه در آب داخل سلولی) که در تعادل با غلظت جوّ  است، با افزایش دما بیشتر از غلظت O2 کاهش می‌یابد. هر دوی این اثرات باعث افزایش نسبت واکنش اکسیژنازی به کربوکسیلازی در اثر افزایش دما می‌شوند. در گلخانه‌ها، با افزایش مصنوعی غلظت CO2 در محیط می‌توان واکنش اکسیژنازی را کاهش و درنتیجه رشد گیاهان را افزایش داد. باید توجه کرد که پدیدة موسوم به اثر گلخانه‌ای ناشی از افزایش سطح CO2 در جوّ است که باعث به دام انداختن پرتوهای فروسرخ خورشید و افزایش دما می‌شود.

جدول 1 ـ 6: ویژگی‌های سینتیکی آنزیم روبیسکو در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد

برای مقایسه: در تعادل با هوا [حاوی ۰٫۰۳۵ درصد (ppm 350) CO2 و ۲۱ درصد O2] غلظت این گازها در آب در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد به ترتیب برابر با ۱۱ میکرومولار CO2 و ۲۵۳ میکرومولار O2 است.

بر اساس طرح‌های متابولیکی نشان داده‌شده در شکل‌های 20 ـ 6 و 1 ـ 7، میزان مصرف ATP و NADPH (که معادل دو مولکول فردوکسین احیاشده است) برای واکنش‌های اکسیژنازی و کربوکسیلازی ریبولوز 5،1 ـ بیس‌ فسفات توسط روبیسکو محاسبه‌شده است (جدول 2 ـ 6). مصرف ATP و NADPH لازم برای جبران پیامدهای واکنش اکسیژنازی، به‌مراتب بیشتر از مصرف آن‌ها در واکنش کربوکسیلازی است. درحالی‌که در تثبیت CO2، تبدیل این گاز به تریوز فسفات نیازمند سه مولکول ATP و دو مولکول NADPH است، اکسیژناسیون ریبولوز 5،1 ـ بیس‌ فسفات، هزینه‌ای معادل پنج مولکول ATP و سه مولکول NADPH، به‌ازای هر مولکول O2 دارد.

جدول 2 ـ6:  مصرف ATP و NADPH در کربوکسیلاسیون ریبولوز 5،1 ـ بیس‌فسفات در مقایسه با مقدار مصرف این مولکول‌ها در واکنش اکسیژنازی.

در برگ، جایی که نسبت کربوکسیلاسیون به اکسیژناسیون معمولاً بین ۲ و ۴ است هزینة اضافی مصرف NADPH و ATP برای جبران واکنش اکسیژنازی در طی تثبیت CO2 بین ۴0 تا ۸۰ درصد است (جدول 3 ـ 6). ازاین‌رو، واکنش جانبی اکسیژنازی روبیسکو بیش از یک‌سوم فوتون‌های نور جذب‌شده توسط گیاه را بی‌اثر می‌کند ـ به‌عبارت‌دیگر، در اثر واکنش اکسیژنازیِ آنزیم روبیسکو، میزان مصرف ATP و NADPH برای تولید مقدار معینی تریوز فسفات مثلاً یک مول از آن، نسبت به حالتی که روبیسکو فقط واکنش کربوکسیلازی داشته باشد، ۴۰ تا ۸۰ درصد افزایش پیدا می‌کند ـ مترجم.

جدول 3 ـ 6: هزینه اضافی انرژی در مسیر اکسیژنازی در مقایسه با انرژی صرف‌شده برای تثبیت CO2.

این کاهش قابل‌توجه در بازدة انرژی، در طول چند دهه دلیلی قوی برای بسیاری از دانشمندان بود تا بهینه‌سازی روبیسکو از طریق مهندسی ژنتیک را دنبال کنند. بااین‌حال، هیچ پیشرفتی حاصل نشد، چون به نظر می‌رسد تکامل در شرایط فعلی جوّ  زمین، قبلاً بهترین حالت ممکنِ این فرایند حیاتی را شکل داده و دیگر جایی برای بهینه‌سازی باقی نگذاشته است. علاوه بر این، مقایسة آنزیم روبیسکو در موجودات مختلف نشان می‌دهد که این آنزیم احتمالاً حدود ۳٫۵ میلیارد سال پیش، زمانی که نخستین باکتری‌های شیمیولیتوتروف [12] ظاهر شدند در زمین وجود داشته است. سپس، بیش از ۱٫۵ میلیارد سال بعد یعنی زمانی که به دلیل فتوسنتز، غلظت اکسیژن در جوّ  افزایش پیدا کرد، به‌احتمال‌زیاد پروتئین روبیسکو به چنان سطحی از پیچیدگی ساختاری رسیده بود که دیگر امکان تغییر در جایگاه فعال آن مثلاً برای حذف فعالیت اکسیژنازی وجود نداشت. دست‌ورزی روبیسکو از طریق واردکردن جهش‌ها نشان می‌دهد که افزایش اختصاصیّت آن برای واکنش کربوکسیلازی، تنها به بهای کاهش عدد تبدیل [13] ممکن است و در مقابل، افزایش عدد تبدیل  باعث کاهش تمایل آنزیم به CO2 می‌شود؛ بنابراین این‌گونه تصور می‌شود که روبیسکوی امروزی، بهترین نوعی است که طبیعت توانسته است طی تکامل پدید آورد.

فرایندهای تنظیمی متعددی واکنش‌های مسیر پنتوز فسفات احیایی (چرخه کالوین) را به‌صورت دقیق تنظیم می‌کنند.

فعالیت چرخة کالوین هماهنگ با واکنش نوری فتوسنتز از طریق چندین سازوکار فعال‌سازی پیش‌خور [14] تنظیم می‌شود. نخست اینکه پیش‌ماده‌ها و محصولات آنزیم‌های مربوطه، پتانسیل اکسایش ـ کاهشِ گروه‌های تیول تنظیم‌کننده خود را تغییر می‌دهند به‌طوری‌که تعادل بین حالت‌های احیاشده و اکسیدشده این گروه‌ها و درنتیجه فعالیت واقعی آنزیم‌ها مطابق با نیاز سلول تنظیم گردد. به‌طورکلی، افزایش pH با تسهیل تشکیل تیولات [15] در بنیان‌های سیستئین تنظیمی، واکش‌پذیری گروه‌های تیول را افزایش می‌دهد. با تابش نور، غلظت پروتون در بستره کاهش می‌یابد (افزایش pH به بیش از ۸) که ناشی از انتقال +H  به درون فضای تیلاکوئیدی است. برای جبران این اختلاف بار، یون‌ها 2+Mg از فضای تیلاکوئیدی به بستره منتقل می‌شوند. در طی تغییر شرایط از تاریکی به روشنایی، pH بستره ممکن است از حدود ۷٫۲ به 8 تغییر کند. این موضوع با pH بهینة تثبیت CO2 در کلروپلاست‌های جداشده که در حدود 8 pH است، همخوانی دارد؛ به‌طوری‌که با حرکت به سمت ناحیة اسیدی، فعالیت به‌صورت چشمگیری کاهش پیدا می‌کند. وابستگی مشابهی به pH در مورد آنزیم‌های فعال شونده با نور، یعنی فروکتوز 6،1 ـ بیس فسفاتاز و سدوهپتولوز 7،1ـ بیس فسفاتاز نیز مشاهده‌شده است. افزون بر این، فعالیت کاتالیتیکی هر دوی این آنزیم‌ها با افزایش غلظت2+Mg در بستره که به‌صورت وابسته به نور اتفاق می‌افتد افزایش پیدا می‌کند. فعال‌سازی نوری این آنزیم‌ها که به‌واسطه سیستم تیوردوکسین و تغییرات وابسته به نور در میزان pH و غلظت 2+Mg بستره رخ می‌دهد، به همراه تغییر در اندازة ذخایر متابولیت‌های مختلف که به‌عنوان عوامل اثرگذار بر تغییرات ردوکس عمل می‌کنند، سیستمی بسیار کارآمد برای روشن و خاموش کردن آنزیم‌های چرخة کالوین متناسب با نیاز سلول فراهم می‌آورند. با تاریک شدن محیط، این سیستم منجر به اکسید شدن گروه‌های تیول و به دنبال آن غیرفعال‌شدن گسترده و مؤثر آنزیم‌های مربوطه می‌شود.

فعالیت‌های کاتالیتیکی چندین آنزیم بستره‌ای نیز توسط مقدار یا سطح متابولیت‌ها تنظیم می‌شود(شکل 27 ـ 6). آنزیم‌های فروکتوز 6،1 ـ بیس‌فسفاتاز و سدوهپتولوز 7،1 ـ بیس‌فسفاتاز کلروپلاستی به ترتیب توسط محصولات مربوط به خود، یعنی فروکتوز ۶ ـ فسفات و سدوهپتولوز ۷ ـ فسفات مهار می‌شوند؛ بنابراین، تجمع این محصولات اثر منفی بر فعالیت این آنزیم‌ها دارد (بازدارندگی پس‌نورد [16] یا بازدارندگی توسط محصول). آنزیم فسفوریبولوکیناز توسط ۳ ـ فسفوگلیسرات و همچنینADP مهار می‌شود. مهار توسط ADP برای هماهنگ‌سازی دو واکنش کینازیِ مسیر پنتوز فسفات احیایی اهمیت دارد؛ درحالی‌که واکنش ریبولوز‌فسفات‌کیناز برگشت‌ناپذیر است، واکنش فسفوگلیسِرات‌کیناز برگشت‌پذیر می‌باشد. اگر هر دو واکنش بدون محدودیت برای ATP رقابت کنند در صورت کمبود ATP، واکنش برگشت‌ناپذیر فسفوریلاسیون ریبولوز ۵ ـ فسفات در اولویت قرار می‌گیرد و این امر می‌تواند منجر به برهم خوردن تعادل چرخة کالوین شود. کاهش فعالیت ریبولوز‌فسفات‌کیناز در شرایط افزایش ADP می‌تواند از این عدم تعادل جلوگیری کند.

شکل 27 ـ 6: تنظیم مسیرهای پنتوز فسفات احیایی و اکسایشی. هر دو مسیر در قالب طرحی ساده‌شده نمایش داده ‌شده‌اند و در اینجا تنها تنظیم تعدادی از آنزیم‌ها نشان شده است. علامت + نشان‌دهندة افزایش فعالیت و علامت ـ نشان‌دهندة کاهش فعالیت آنزیم‌ها در پاسخ به عوامل مختلفی ازجمله تیوردوکسین احیاشده (TRX)، قلیایی شدن وابسته به نور (ΔpH)، افزایش غلظت یون 2+Mg در بستره و حضور متابولیت‌ها است. تنظیم فعالیت روبیسکو نیز از طریق تنظیم آنزیم روبیسکو اکتیواز انجام می‌گیرد.

درنهایت، آنزیم‌های فروکتوز 6،1 ـ بیس‌فسفاتاز و سدوهپتولوز 7،1 ـ بیس‌فسفاتاز به‌شدت توسط گلیسرات مهار می‌شوند. گلیسرات یک حدواسط در مسیر بازیافت فسفوگلیکولات [17] است و فسفوگلیکولات نیز بر اثر فعالیت اکسیژنازیِ روبیسکو تولید می‌شود (بخش 1 ـ 7). تجمع گلیسرات باعث کندشدن بازسازی ریبولوز 5،1 ـ بیس‌فسفات و درنتیجه کربوکسیلاسیون آن می‌شود. به‌این‌ترتیب، فعالیت اکسیژنازی همراه آن نیز کاهش پیدا می‌کند و در نتیجه سنتز گلیکولات که پیش‌ساز گلیسرات است کاهش می‌یابد.

علاوه بر این، آنزیم روبیسکو تحت تأثیر سازوکار‌های تنظیمی متعددی قرار دارد. آزمایش‌های انجام‌شده بر روی برگ‌های کامل نشان داده‌اند که درجة فعال‌سازی روبیسکو با شدت تابش نور و نرخ فتوسنتز همبستگی دارد. وضعیت فعال‌سازی روبیسکو از طریق تنظیم آنزیم روبیسکو اکتیواز (بخش 2 ـ 6) کنترل می‌شود که توسط تیوردوکسین احیاشده فعال می‌گردد و به نسبت ADP/ATP وابسته است. با افزایش [18] نسبت ADP به ATP در بستره، فعالیت روبیسکو اکتیواز نیز افزایش می‌یابد که این موضوع نشان می‌دهد چگونه فعالیت روبیسکو با میزان ATP حاصل از واکنش نوری فتوسنتز هماهنگ می‌شود. بااین‌حال، مشاهدات دیگر نشان می‌دهند که آنزیم روبیسکو اکتیواز همچنین توسط شیب پروتونی وابسته به نور در عرض غشای تیلاکوئیدی تنظیم می‌شود. فعالیت خود روبیسکو نیز توسط محصولش یعنی ۳ـ فسفوگلیسرات مهار می‌شود که این مهار موجب تنظیم جریان متابولیکی به‌گونه‌ای می‌شود که هم‌ایستایی [19] سلول و نیازهای آن حفظ گردد (شکل 27 ـ 6).