Рибулозобисфосфаткарбоксилаза

Модель молекулы рибулозобисфосфаткарбоксилазы. Белым и серым цветами показаны большие цепи, синим и оранжевым — малые. Две большие цепи (одна белая и одна серая) объединены в димер.

Рибулозобисфосфаткарбоксилаза (Рибулозобисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа, рибулёзобифосфат-карбоксилаза/оксигеназа, англ. Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase, RuBisCO) — фермент (КФ 4.1.1.39), катализирующий присоединение углекислого газа к рибулозо-1,5-бифосфату на первой стадии цикла Кальвина, а также реакцию окисления рибулозобифосфата на первой стадии процесса фотодыхания. Является одним из важнейших ферментов в природе, поскольку играет центральную роль в основном механизме поступления неорганического углерода в биологический круговорот. Рибулозобисфосфаткарбоксилаза является основным ферментом листьев растений и поэтому считается наиболее распространённым ферментом на Земле.^[1]

Структура

У растений, цианобактерий и хемоавтотрофных протеобактерий фермент обычно состоит из двух типов белковых субъединиц:

• Большая цепь (L, массой 55 000 Да)
• Малая цепь (S, массой 13 000 Да)

Активный центр фермента находится на больших цепях, объединённых в димеры. Все 8 димеров больших цепей и 8 малых цепи объединены в единый комплекс массой 540 000 Да. У некоторых протеобактерий малых цепей в составе рубиско не обнаружено. При этом большие цепи кодируются в ДНК хлоропласта, а малые — в ядре и транспортируются в хлоропласт перед сборкой всего белка^[2].

Для работы фермента необходимы ионы Mg²⁺, которые размещаются в активном центре и способствуют присоединению CO₂ к остатку лизина, в ходе чего образуется карбамат^[3]. Образование карбамата протекает легче в щелочной среде: роль pH и ионов магния в регуляции работы фермента описано ниже.

Каталитическое действие

Субстратами для рибулозобифосфаткарбоксилазы являются рибулозо-1,5-бисфосфат, углекислый газ и вода, вместо углекислого газа может быть метаболизирован молекулярный кислород.

• В случае углекислого газа первым промежуточным продуктом выступает нестабильный шестиуглеродный фосфорилированный сахар, который сразу же распадается на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3-фосфоглицерата). Фосфоглицерат используется для синтеза глюкозы.
• В случае кислорода продуктами реакции являются 3-фосфоглицерат и фосфат гликолевой кислоты (ФГК). ФГК растения далее используют в процессе фотодыхания.

Реакция, проводимая ферментом, протекает относительно медленно (используются лишь несколько молекул углекислого газа в секунду) и является лимитирующей стадией всего цикла Кальвина. Константа Михаэлиса для карбоксилазной реакции рибулозобисфосфаткарбоксилазы равна 10±4 мкМ CO₂, для оксигеназной 0,5 мкМ O₂, для рибулозобифосфата 1,5±0,5 мкМ.

Регуляция

У высших растений и некоторых водорослей фермент, активирующий рибулозобисфосфаткарбоксилазу (активаза)^[4] необходим для формирования карбамата на активном центре. Активаза необходима, чтобы образованием карбамата уменьшить связь между рибулозобисфосфатом и активным центром и облегчить высвобождение продукта.

2-карбокси-D-арабитинол-1-фосфат связывается с активным центром рибулозобисфосфаткарбоксилазы и является ее ингибитором. На свету фермент, активирующий рибулозобисфосфаткарбоксилазу вызывает диссоциацию ингибитора от активного центра. В диссоциированном состоянии ингибитор инактивируется CA1P-фосфатазой.

Фермент, активирующий рибулозобисфосфаткарбоксилазу, требует энергии АТФ и ингибируется при повышении концентрации АДФ. Активность рибулозобисфосфаткарбоксилазы косвенно регулируется соотношением концентрацией АТР/ADP.

Изменение конформации и снижение активности рибулозобисфосфаткарбоксилазы также наблюдется при наличии фосфат-аниона.

Сильно зависит активность фермента от концентрации CO₂. Растения с C4-фотосинтезом и CAM-фотосинтезом выработали механизмы её увеличения и активации рибулозобисфосфаткарбоксилазы.

Генная инженерия

Оксигеназная активность рибулозобисфосфаткарбоксилазы приводит к потерям углерода из цикла Кальвина в ходе фотодыхания и снижает эффективность фотосинтеза. В этой связи проводились неоднократные попытки модифицировать гены, кодирующие синтез фермента, с тем, чтобы увеличить карбоксилазную и сократить оксигеназную активности. Одним из наиболее перспективных направлений здесь видится трансплантация генов из красной водоросли Galdieria partita, рибулозобисфосфаткарбоксилаза которой обладает естественной высокой специфичностью к CO₂, в высшие культурные растения. Это, предположительно, может увеличить их урожайность. В качестве донора генов в ряде исследований также выступает пурпурная бактерия Rhodospirillum rubrum^[5].

Примечания

1. ↑ Cooper, Geoffrey M. 10.The Chloroplast Genome // The Cell: A Molecular Approach. — 2nd. — Washington, D.C: ASM Press, 2000. — ISBN 0-87893-106-6
   (given that plants make up greater than 99% of the biomass on Earth.)
   Dhingra A, Portis AR, Daniell H (April 2004). «Enhanced translation of a chloroplast-expressed RbcS gene restores small subunit levels and photosynthesis in nuclear RbcS antisense plants». Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101 (16): 6315–20. DOI:10.1073/pnas.0400981101. PMID 15067115. “(Rubisco) is the most prevalent enzyme on this planet, accounting for 30–50% of total soluble protein in the chloroplast;”
2. ↑ См. Dhingra A, Portis AR Jr, Daniell H. Enhanced translation of a chloroplast-expressed RbcS gene restores small subunit levels and photosynthesis in nuclear RbcS antisense plants. 2004 Apr 5 [1]
3. ↑ Harvey Lodish, Arnold Berk, S. Lawrence Zipursky, Paul Matsudaira, David Baltimore and James E. Darnell Molecular Cell Biology, 4th edition, Published by W. H. Freeman & Co. (2000) New York. Иллюстрация в книге показывает структуру активного центра и место магния в нём
4. ↑ A. R. Portis Rubisco activase—Rubisco’s catalytic chaperone // Jr in Photosynthesis Research (2003), volume 75, pages 11-27.
5. ↑ См. работы Whitney S. M. and T. J. Andrews[2][3], R. J. Spreitzer and M. E. Salvucci[4] а также M. A. Parry, P. J. Andralojc, R. A. Mitchell, P. J. Madgwick and A. J. Keys[5]