Ribulóza bisfosfát karboxyláza

Ribulóza bisfosfát karboxyláza (Ribulóza bisfosfát karboxyláza / oxygenáza, ribulóza bisfosfát karboxyláza / oxygenáza, anglicky  Ribulóza-1,5-bisfosfát karboxyláza / oxygenáza, RuBisCO ), rubisco  je enzym ( EC 4.1.1.39 ), katalyzující přidání oxidu uhličitého do ribulózy -1,5-bisfosfát v prvních fázích Calvinova cyklu , stejně jako oxidační reakce bifosfátu ribulózy v první fázi procesu fotorespirace . Je to jeden z nejdůležitějších enzymů v přírodě, protože hraje ústřední roli v hlavním mechanismu vstupu anorganického uhlíku do biologického cyklu. Ribulózabisfosfátkarboxyláza je hlavním enzymem v listech rostlin, a proto je považována za nejhojnější enzym na Zemi [1] .

Struktura

U rostlin , sinic a chemoautotrofních proteobakterií se enzym obvykle skládá ze dvou typů proteinových podjednotek:

• Velký řetěz ( L , váha 55 000 Da )
• Malý řetěz ( S , váha 13 000 Da)

Aktivní centrum enzymu se nachází na velkých řetězcích spojených v dimerech. Všech 8 dimerů velkých řetězců a 8 malých řetězců je spojeno do jediného komplexu o hmotnosti 540 000 Da. U některých proteobakterií nebyly v rubisco nalezeny malé řetězce. V tomto případě jsou velké řetězce kódovány v DNA chloroplastu , zatímco malé řetězce jsou kódovány v jádře a transportovány do chloroplastu před sestavením celého proteinu [2] .

Pro fungování enzymu jsou potřeba ionty Mg 2+ , které se nacházejí v aktivním centru a přispívají k adici CO 2 k lysinovému zbytku , při kterém vzniká karbamát [3] . Tvorba karbamátu probíhá snadněji v alkalickém prostředí: role pH a hořčíkových iontů v regulaci enzymu je popsána níže.

Katalytická akce

Substráty pro ribulózabisfosfátkarboxylázu jsou ribulóza 1,5-bisfosfát , oxid uhličitý a voda, místo oxidu uhličitého může být metabolizován molekulární kyslík.

• V případě oxidu uhličitého je prvním meziproduktem nestabilní šestiuhlíkový fosforylovaný cukr, který se okamžitě rozloží na dvě molekuly kyseliny 3-fosfoglycerové ( 3-fosfoglycerát ). Fosfoglycerát se používá k syntéze glukózy .
• V případě kyslíku jsou reakčními produkty 3-fosfoglycerát a fosforečnan kyseliny glykolové (PGA). Rostlinný FHA se dále využívá v procesu fotorespirace .

Reakce prováděná enzymem je relativně pomalá (používá pouze několik molekul oxidu uhličitého za sekundu) a je krokem omezujícím rychlost celého Calvinova cyklu. Michaelisova konstanta pro karboxylázovou reakci ribulózabisfosfátkarboxylázy je 10 ± 4 μM CO 2 , pro oxygenázovou reakci 0,5 mM O 2 , pro ribulóza bisfosfát 1,5 ± 0,5 μM.

Nařízení

U vyšších rostlin a některých řas je pro tvorbu karbamátu v aktivním místě nutný enzym, který aktivuje ribulózabisfosfátkarboxylázu (aktivázu) [4] . Aktiváza je nutná ke snížení vazby mezi ribulózabisfosfátem a aktivním místem tvorbou karbamátu a usnadnění uvolňování produktu.

2-karboxy-D-arabitinol-1-fosfát se váže na aktivní místo ribulózabisfosfátkarboxylázy a je jejím inhibitorem. Ve světle způsobuje enzym, který aktivuje ribulózabisfosfátkarboxylázu, disociaci inhibitoru z aktivního místa. V disociovaném stavu je inhibitor inaktivován CA1P-fosfatázou.

Enzym, který aktivuje ribulózabisfosfátkarboxylázu, vyžaduje energii ATP a je inhibován zvýšením koncentrace ADP . Aktivita ribulózabisfosfátkarboxylázy je nepřímo regulována poměrem koncentrací ATP/ADP.

Změna konformace a snížení aktivity ribulózabisfosfátkarboxylázy jsou také pozorovány v přítomnosti fosfátového aniontu.

Aktivita enzymu silně závisí na koncentraci CO 2 . Rostliny s C4 fotosyntézou a CAM fotosyntézou mají vyvinuté mechanismy pro její zvýšení a aktivaci ribulózabisfosfátkarboxylázy.

Genetické inženýrství

Oxygenázová aktivita ribulózabisfosfátkarboxylázy vede ke ztrátám uhlíku z Calvinova cyklu během fotorespirace a snižuje účinnost fotosyntézy . V tomto ohledu byly provedeny opakované pokusy modifikovat geny kódující syntézu enzymu za účelem zvýšení karboxylázy a snížení aktivity oxygenázy. Jako jeden z nejslibnějších směrů se zde jeví transplantace genů z červené řasy Galdieria partita , jejíž ribulózabisfosfátkarboxyláza má přirozenou vysokou specificitu pro CO2 , do vyšších kulturních rostlin. To pravděpodobně může zvýšit jejich výnos . Fialová bakterie Rhodospirillum rubrum také působí jako dárce genu v řadě studií [5] .

Poznámky

1. ↑ Cooper, Geoffrey M. 10. The Chloroplast Genome // The Cell: A Molecular Approach . — 2. -Washington, DC: ASM Press, 2000. - ISBN 0-87893-106-6 . . — „jedna z podjednotek ribulózabisfosfátkarboxylázy (rubisco) je kódována chloroplastovou DNA. Rubisco je kritický enzym, který během Calvinova cyklu katalyzuje přidávání CO2 na ribulóza-1,5-bisfosfát (viz obrázek 2.39). Nejen, že je to hlavní proteinová složka chloroplastového stromatu, ale také se má za to, že je to jediný nejhojnější protein na Zemi, takže je pozoruhodné, že jedna z jeho podjednotek je kódována chloroplastovým genomem.
   (vzhledem k tomu, že rostliny tvoří více než 99 % biomasy na Zemi.)
   Dhingra A., Portis AR, Daniell H. Zesílená translace genu RbcS exprimovaného v chloroplastech obnovuje hladiny malých podjednotek a fotosyntézu v jaderných RbcS antisense rostlinách  .)  / / Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 2004. - Duben ( roč. 101 , č. 16 ). - S. 6315-6320 . - doi : 10.1073/pnas.0400981101 . — PMID 15067115 . . — „(Rubisco) je nejrozšířenějším enzymem na této planetě, tvoří 30–50 % celkových rozpustných bílkovin v chloroplastech;“.
2. ↑ Viz Dhingra A, Portis AR Jr, Daniell H. Zesílená translace genu RbcS exprimovaného v chloroplastech obnovuje hladiny malých podjednotek a fotosyntézu v jaderných RbcS antisense rostlinách. 5. dubna 2004 [1]
3. ↑ Harvey Lodish, Arnold Berk, S. Lawrence Zipursky, Paul Matsudaira, David Baltimore a James E. Darnell Molecular Cell Biology, 4. vydání, vydal W.H. Freeman & Co. (2000) New York. Ilustrace v knize ukazuje strukturu aktivního místa a místo hořčíku v něm.
4. ↑ AR Portis Rubisco activase—Rubisco's catalytic chaperone // Jr in Photosynthesis Research (2003), svazek 75, strany 11-27.
5. ↑ Whitney SM , Andrews TJ Plastomem kódovaná bakteriální ribulóza-1,5-bisfosfát karboxyláza/oxygenáza (RubisCO) podporuje fotosyntézu a růst tabáku.  (anglicky)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2001. - Sv. 98, č.p. 25 . - S. 14738-14743. - doi : 10.1073/pnas.261417298 . — PMID 11724961 . John Andrews T. , Whitney SM Manipulace ribulose bisfosfát karboxyláza/oxygenáza v chloroplastech vyšších rostlin.  (anglicky)  // Archivy biochemie a biofyziky. - 2003. - Sv. 414, č.p. 2 . - S. 159-169. — PMID 12781767 . Spreitzer RJ , Salvucci ME Rubisco: struktura, regulační interakce a možnosti pro lepší enzym.  (anglicky)  // Každoroční přehled biologie rostlin. - 2002. - Sv. 53. - S. 449-475. - doi : 10.1146/annurev.arplant.53.100301.135233 . — PMID 12221984 . Parry MA , Andralojc PJ , Mitchell RA , Madgwick PJ , Keys AJ Manipulace s Rubisco: množství, aktivita, funkce a regulace.  (anglicky)  // Journal of experimental botaniky. - 2003. - Sv. 54, č.p. 386 . - S. 1321-1333. — PMID 12709478 .

Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Velká Katalánština Britannica (online)