Rubisco

Model cząsteczki rubisco

Rubisco, karboksylaza/oksygenaza rybulozo-1,5-bisfosforanu, karboksydysmutaza (ang. ribulose bisphosphate carboxylase-oxygenase, EC 4.1.1.39) – enzym występujący w komórkach roślin. Jest to niezwykle rozpowszechniony enzym katalizujący reakcję przyłączenia cząsteczki dwutlenku węgla do rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBP) w tak zwanej fazie ciemnej procesu fotosyntezy. In vivo enzym jest aktywny w obecności światła. Działanie enzymu związane jest też z fotooddychaniem gdzie rubisco funkcjonuje jako oksygenaza, katalizująca rozbicie cząsteczki rybulozo-1,5-bisfosforanu z udziałem tlenu cząsteczkowego na fosfoglicerynian i fosfoglikolan. Rubisco jest białkiem, które stanowi ok. 50% wszystkich rozpuszczalnych białek występujących w liściach roślin.

Struktura enzymu

U roślin, glonów, sinic i innych bakterii fotosyntetyzujących i chemosyntetyzujących enzym składa się z dwóch podjednostek: podjednostki dużej L (około 55 kDa) i podjednostki małej S (około 13 kDa). Centrum aktywne enzymu przyłączające rybulozo-1,5-bisfosforan znajduje się na podjednostce dużej, będącej dimerem, w którym każdy z polipeptydów posiada miejsce przyłączenia substratu. Cały enzym składa się z ośmiu podjednostek dużych i ośmiu małych o łącznej masie około 550 kDa. U części bakterii i bruzdnic enzym składa się tylko z dużych podjednostek.

Dla właściwego działania enzym wymaga aktywacji polegającej na przyłączeniu jonu magnezowego (Mg2+). Właściwe umiejscowienie jonu magnezu jest możliwe dzięki przyłączeniu dodatkowej cząsteczki CO2 niestanowiącej substratu do lizyny w centrum aktywnym. Tworzeniu karbaminianu sprzyja wyższe pH oraz wysokie stężenie jonów magnezu występujące na świetle w stromie chloroplastów lub cytoplazmie prokariotów.

Inżynieria genetyczna

Wiadomo, że aktywność rubisco może wpływać ograniczająco na fotosyntezę u roślin. Dzięki rozwojowi genetyki staje się możliwe poprawienie fotosyntezy poprzez modyfikację genów kodujących enzym i poprawę jego aktywności lub obniżenie aktywności oksydacyjnej. Badania nad przenoszeniem pomiędzy organizmami i ekspresją genów poszczególnych podjednostek rubisco mogą umożliwić takie zmodyfikowanie genów aby zwiększyła się specyficzność enzymu wobec dwutlenku węgla lub zwiększyła szybkość wiązania węgla.

Jednym ze sposobów zwiększenia wydajności fotosyntezy jest możliwość przeniesienia do roślin enzymu rubisco z krasnorostu Galdieria partita. Zwiększyłoby to wydajność fotosyntezy oraz ilość plonów z uprawianych roślin. Ważnym osiągnięciem jest zastąpienie enzymu tytoniu wersją pochodzącą z fotosyntetyzującej bakterii purpurowej Rhodospirillum rubrum.

Badania wskazują, że istnieje względna równowaga między reakcją karboksylacji a reakcją oksygenacji, a rubisco jest niemal optymalny. Odkąd fotosynteza jest jedynym, najefektywniejszym z naturalnych procesów regulującym poziom CO2 w atmosferze ziemskiej, biochemiczny model reakcji katalizowanej przez rubisco używany jest jako kluczowy element modelów zmian klimatu. Poprawność modelu reakcji wiązania dwutlenku węgla jest niezbędna do podstawowego zrozumienia związków i interakcji w modelach środowiskowych.

Przypisy

  1. ↑ Enzyme entry: EC 4.1.1.39, [w:] Expasy – Enzyme nomenclature database [online], SIB Swiss Institute of Bioinformatics(inne języki) (ang.).
    EC 4.1.1.39, [w:] ExplorEnz – the Enzyme Database [online], International Union of Biochemistry and Molecular Biology (ang.).
    EC 4.1.1.39, [w:] BRENDA [online], Leibniz Institute DSMZ(inne języki) (ang.).
  2. ↑ Minsoo Yoon, Joanna J. Putterill, Gavin S. Ross, William A. Laing, Determination of the Relative Expression Levels of Rubisco Small Subunit Genes in Arabidopsis by Rapid Amplification of cDNA Ends, „Analytical Biochemistry”, 291 (2), 2001, s. 237–244, DOI: 10.1006/abio.2001.5042, PMID: 11401297 (ang.).
  3. ↑ Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer, Biochemistry, New York: W.H. Freeman and Company, 2002, ISBN 0-7167-4954-8 (ang.).
  4. ↑ Harvey Lodish i inni, Molecular Cell Biology, wyd. 4, New York: W.H. Freeman, 1999, ISBN 0-7167-3136-3 (ang.).
  5. ↑ The Activity of the Calvin Cycle Depends on Environmental Conditions, [w:] J.M. Berg, J.L. Tymoczko, L. Stryer, Biochemistry, wyd. 5, New York: W.H. Freeman and Company, 2002 (ang.).
  6. ↑ Robert J. Spreitzer, Michael E. Salvucci, Rubisco: Structure, Regulatory Interactions, and Possibilities for a Better Enzyme, „Annual Review of Plant Biology”, 53 (1), 2002, s. 449–475, DOI: 10.1146/annurev.arplant.53.100301.135233, PMID: 12221984 (ang.).
  7. ↑ M.A.J. Parry, P.J. Andralojc, R.A.C. Mitchell, P.J. Madgwick, A.J. Keys, Manipulation of Rubisco: the amount, activity, function and regulation, „Journal of Experimental Botany”, 54 (386), 2003, s. 1321–1333, DOI: 10.1093/jxb/erg141, PMID: 12709478 (ang.).
  8. ↑ Spencer M. Whitney, T. John Andrews, Plastome-encoded bacterial ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RubisCO) supports photosynthesis and growth in tobacco, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America”, 98 (25), 2001, s. 14738–14743, DOI: 10.1073/pnas.261417298, PMID: 11724961, PMCID: PMC64751 (ang.).
  9. ↑ T. John Andrews, Spencer M. Whitney, Manipulating ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase in the chloroplasts of higher plants, „Archives of Biochemistry and Biophysics”, 414 (2), 2003, s. 159–169, DOI: 10.1016/S0003-9861(03)00100-0, PMID: 12781767 (ang.).
  10. ↑ Guillaume G.B. Tcherkez, Graham D. Farquhar, T. John Andrews, Despite slow catalysis and confused substrate specificity, all ribulose bisphosphate carboxylases may be nearly perfectly optimized, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America”, 103 (19), 2006, s. 7246–7251, DOI: 10.1073/pnas.0600605103, PMID: 16641091, PMCID: PMC1464328 (ang.).
  11. ↑ Photosynthesis in silico. Understanding Complexity from Molecules to Ecosystems, Agu Laisk (red.), Ladislav Nedbal (red.), Govindjee (red.), Dordrecht: Springer, 2009 (seria Advances in Photosynthesis and Respiration, t. 29), DOI: 10.1007/978-1-4020-9237-4, ISBN 978-1-4020-9236-7 (ang.).