Fotorespirasjon er en metabolsk prosess som skjer i alle organismer med fotosyntese der det produseres oksygen. Prosessen er avhengig av lys og oksygen, og forekommer hos landplanter, grønnalger, rødalger og blågrønnbakterier. Fotorespirasjon er vesentlig forskjellig fra celleånding (respirasjon), og det dannes ikke ATP.
Målt i biomasse er fotorespirasjon jordas nest mest utbredte livsprosess, kun fotosyntese er mer utbredt. Fotorespirasjon har dermed stor betydning for jordas globale karbonsyklus. Fotorespirasjon er også en svært komplisert metabolsk prosess, som involverer flere ulike proteiner og organeller enn Calvinsyklus.
Betydningen av rubisko
Behovet for fotorespirasjon skyldes rubisko, et essensielt enzym som katalyserer det første steget i karbonfikseringen i fotosyntesen. Rubisko kan binde til seg både CO 2 og O 2. Når O2 erstatter CO2 dannes at et giftig stoff, glykolat (2PG) som inneholder to karbonatomer.
Hvis 2PG får akkumulere i plantecellen vil Calvinsyklus hindres og til slutt stoppes, og deretter stopper elektrontransporten i fotosyntesen. Fotorespirasjon fjerner 2PG og hindrer plantecellen med oksygenproduserende fotosyntesen i å forgifte seg selv.
Det giftige stoffet glykolat blir omdannet til 3-fosfoglycerat (3PGA) med tre karbonatomer i flere steg, og et av dem er fotorespirasjon. Her blir to molekyler av 2PG omdannet til et 3PGA og et CO2-molekyl.
Rubisko favoriserer CO2 sterkt framfor O2, men siden det er langt mer O2-gass (21 %) i atmosfæren enn CO2-gass (0,04 %) kan det likevel bli en stor andel fotorespirasjon. Forskjellen er enda større inne i celler med fotosyntese.
Jordbruk og forskning
Fotorespirasjon har i en årrekke blitt vurdert som en unyttig prosess som reduserer utbyttet fra fotosyntesen. Tapet av CO2 på grunn av fotorespirasjon er omtrent 20 % av netto fotosyntese hos C3-planter under moderate betingelser, og kan være enda høyere i varme og tørre miljøer. I C4-planter, derimot, er effekten av fotorespirasjon minimal.
Fotorespirasjon har derfor vært et hovedfokus når det gjelder å øke avlinger fra jordbruket, og forskning på fotorespirasjon har tidligere dreid seg om å redusere eller fjerne prosessen. Men dette synet har blitt nyansert i senere år. I stor-skala studier på ulike sorter av hvete og soyabønner er det vist at høye nivåer av fotosyntese og høye nivåer av fotorespirasjon er funnet hos de samme plantene, som kjennetegnes av høy produksjon.
De siste årene har det derfor vokst fram en forståelse for at fotorespirasjon tvert imot muliggjør fotosyntese med oksygenproduksjon, og at fotorespirasjon og fotosyntese med oksygenproduksjon har vært et teamwork i rundt regnet tre milliarder år. Forskning på fotorespirasjon vil trolig bli enda mer viktig i årene som kommer, på grunn av befolkningsvekst og klimaendringer.
Evolusjon av fotorespirasjon
Fotosyntese med oksygenproduksjon oppsto trolig hos blågrønnbakterier som levde i Prekambrium, for 3,8-2,5 milliarder år siden. Den gangen inneholdt jordas atmosfære omtrent ikke noe O2-gass, og dermed hadde det ingen betydning at rubisko kunne binde til seg både CO2 og O2.
Fotorespirasjon oppsto trolig på omtrent samme tid, for å forhindre de skadelige effektene av oksygengassen som fotosyntesen produserte. Fotorespirasjon oppsto trolig som en viktig del av plantecellens mekanismer for vedlikehold og reparasjon.
Effekten av temperatur og lysintensitet
Fotorespirasjonen øker med økt temperatur og økt lysintensitet. En av grunnene til dette er at løseligheten til CO2 minsker i forhold til løseligheten til O2 når temperaturen øker. Dermed øker oksygenkonsentrasjonen mens karbondioksidkonsentrasjonen minker. Økt temperatur har også en direkte virkning på den katalytiske virkningen i rubisko, der oksygenaseaktiviteten øker mer enn karboksylaseaktivitet.
Biokjemiske prosesser
Fotorespirasjon er en svært kompleks biokjemisk prosess.
I fotosyntesen bindes CO2 til en 5-karbonforbindelse, ribulosebisfosfat, katalysert av enzymet rubisko. Under fotosyntesen vil en betydelig del av karbonet inngå i gjendannelsen av ribulosebisfosfat gjennom calvinsyklus. 20–30 prosent av den CO2-en som bindes ved fotosyntesen vil tapes igjen i fotorespirasjon, idet ribulosebisfosfat også kan binde oksygen (oksygenering) og derved spaltes. Dette er innledningen til fotorespirasjonen.
CO2 og O2 konkurrerer om binding til det samme sete på fotosynteseenzymet rubisko som kan virker både som karboksylase med CO2 som substrat og oksygenase med O2 som substrat. Hos visse planter, C4-plantene, som har en mekanisme for oppkonsentrering av CO2 ved rubisko er forholdet O2/CO2 mye lavere inne i bladet sammenlignet med C3-plantene, og fotorespirasjonen er derfor svært lav eller mangler helt. Fotosyntesen er derfor mer effektiv hos C4-plantene enn hos andre planter, C3-plantene.
Mens hele fotosyntesen foregår i kloroplastene, er det bare de første trinn av fotorespirasjonen som foregår i denne organellen. Fotorespirasjonen manifesterer seg ved at C3-plantene med fotorespirasjon har et høyere såkalt CO2-kompensasjonspunkt, ca. 50 ppm CO2, sammenlignet med CO2-kompensasjonspunkt 0-5 ppm CO2 hos C4-plantene som ikke har fotorespirasjon.
C2-oksidativ fotosyntetisk karbonsyklus
Fororespirasjon skjer i en C2-oksidativ fotosyntetisk karbonsyklus, en biokjemisk omsetningsvei og en del av assimilasjonen av karbondioksid i fotosyntesen, og som skjer via samvirke mellom celleorganellene kloroplaster, peroksisomer og mitokondrier. Karbon (C), nitrogen (N) og oksygen (O) som inngår i syklusen blir resirkulert. I tillegg dannes aminosyrene glysin og serin som kan brukes til andre formål i stoffskiftet i plantene.
C2-oksidativ fotosyntetisk karbonsyklus finnes hos alle organismer med oksygenproduserende fotosyntese, planter, grønnalger, rødalger, brunalger og blågrønnbakterier. Blågrønnbakterier har imidlertid ikke celleorganeller og hos disse er syklusen litt annerledes.
Substratet ribulosebisfosfat inneholder fem karbonatomer og når oksygen er substrat for rubisko blir produktet fosfoglycerat med tre karbonatomer, samt fosfoglykolat med to karbonatomer og denne er starten på C2 oksidativ fotosyntetisk karbonsyklus
ribulose-1,5-bisfosfat + O2 → 2-fosfoglykolat + 3-fosfoglycerat
Fosfatgruppen på fosfoglykolat blir fjernet med hjelp av enzymet fosfatase:
2-fosfoglykolat + vann (H2O) → glykolat + fosfat
Glykolat, anionet av glykolsyre (CH2OHCOOH), overføres til en nærliggende organell, peroksysom.
I peroksysomene blir glykolat oksidert til glyoksylat katalysert av enzymet glykolat oksidase, et flavoprotein som inneholder FMN. I denne reaksjonen blir det laget hydrogenperoksid (H2O2) som et biprodukt, og dette er grunnen til at må skje peroksisomene hvor hydrogenperoksid blir nedbrutt av oksygen og vann av enzymet katalase:
glykolat + O2 → glyoksylat + H2O2
2H2O2 → O2 + 2H2O
Selv om hydrogenperoksid er en reaktiv oksygenforbindelse, fungerer den også som et signalstoff og redoksregulator.
Glyoksylat er en enkel ketosyre og den får hektet på en aminogruppe som kommer fra aminosyren glutamat katalysert av enzymet glutamat-glyoksylat-aminotransferase og produktene er aminosyren glycin (CH2NH2COOH) og en ketosyre, 2 – oksoglutarat:
glyoksylat + glutamat ↔ glycin + 2-oksoglutarat
Glycin blir deretter transportert over til mitokondriene, hvor det er et stort enzymkompleks som i en oksidativ dekarboksylering omdanner to molekyler glycin til aminosyren serin, karbondioksid, ammonium (NH4+) og reduksjonskraft (NADH).
Enzymkomplekset består av en glycin dekarboksylase og serin hydroksymetaltransferase og i reaksjonen inngår vitaminet folat i form av tetrahydrofolat (THF) . Folat er et vitamin som deltar i overføring av enkarbonforbindelser.
glycin + NAD+ + metylen-THF → NADH + NH4+ + CO2-THF-CH2
glycin + CO2-THF-CH2 → serin + THF + CO2
Karbondioksid går tilbake til kloroplastene og blir gjenbrukt som CO2-kilde. Det samme gjør ammonium som er en viktig nitrogenkilde, men også kan virke giftig, gi ammoniumtoksisitet og blir raskt reassimilert.
Aminosyren serin fraktes tilbake til peroksisomene hvor aminogruppen blir overført til ketosyren 2-oksoglutarat katalysert av serin-2-oksoglutarat transaminase og gir hydroksypyruvat og aminosyren glutamat
serin + 2-oksoglutarat ↔ hydroksypyruvat + glutamat
Hydroksypuruvat blir redusert til glycerat katalysert av enzymet hydroksypyruvat reduktase
hydroksypyruvat + NADH + H+ → glycerat + NAD+
Glycerat blir fraktet tilbake til kloroplastene hvor den blir fosforylert katalysert av enzymet glycerat kinase
glycerat + ATP → 3-fosfoglycerat + ADP
3-fosfoglycerat kan deretter gå inn i Calvin-syklus.
Ammonium blir reassimilert i kloroplastene via enzymsystemet GS-GOGAT. Enzymet glutamin syntetase (GS) kobler sammen ammonium med aminosyren glutamat i en reaksjon som krever energi i form av ATP og lager aminosyren glutamin
glutamat + NH4+ + ATP → glutamin + ADP + fosfat (Pi)
Aminogruppen på glutamin blir overført til en ketosyre katalysert av enzymet ferredoksinavhengig gluatamat syntase (GOGAT). Ferredoksin deltar i transport av elektroner i elektrontransportkjeden i fotosyntesen:
glutamin + 2-oksoglutarat + 2 ferredoksinredusert + 2H+ → 2 glutamat + 2 ferredoksinoksidert
Glutamat kan deretter bli brukt til transaminering i peroksisomene.
C2 oksidativ fotosyntetisk karbonsyklus i blågrønnbakterier
Hos blågrønnbakterier blir glykolat blir istedet omdannet til glyoksylat katalysert av enzymet glykolat dehydrogenase i stedet for plantenes glykolat oksidase:
glykolat + NAD+ ↔ glyoksylat + NADH
To molekyler glyoksylat omdannes til tartronat semialdehyd og CO2 katalysert av enzymet tartronat semialdehyd dehydrogenase:
2 glyoksylat → tartronatsemialdehyd + CO2
Etterfuglt av tartronat semialdehydreduktase
Tartronatsemialdehyd + NADH + H+ → glycerat + NAD+
Glycerat blir fosforylert, gir 3-fosfoglycerat som deretter inngår i Calvinsyklus.
Fotorespiratorisk metabolisme utviklet seg tidlig i evolusjonen av blågrønnbakteriene og og er en nødvendig bestanddel av oksygenproduserende fotosyntese, og ble via endosymbiose overført til plastider i grønnalger og landplanter.