Рибулозобисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа

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

Рибулозобисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа, рибулёзобифосфат-карбоксилаза/оксигеназа, рубиско, 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, что вызывает начало процесса фотодыхания. Является одним из важнейших ферментов в природе, поскольку играет центральную роль в основном механизме поступления неорганического углерода в биологический круговорот. Также он считается наиболее распространённым ферментом на Земле^[1]

Структура

У растений, цианобактерий и хемоавтотрофных протеобактерий фермент обычно состоит из 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 димера 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

Субстратом для фермента являются рибулозо-1,5-бисфосфат, углекислый газ и вода. Вместо углекислого газа рубиско может, однако, метаболизировать 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 «узким местом» всего цикла Кальвина. Константа Михаэлиса для карбоксилазной активности рубиско равна 10±4 мкМ CO₂, для оксигеназной 0,5 мкМ O₂, по рибулозобифосфату 1,5±0,5 мкМ.

Регуляция

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

Ингибитором рубиско служит 2-карбокси-D-арабитинол-1-фосфат, связывающийся с её активным центром. На свету рубиско активаза вызывает его отделение от активного центра и в свободном состоянии ингибитор переводится в неактивное состояние CA1P-фосфатазой.

Функционирование рубиско активазы требует затрат АТФ и ингибируется АДФ, отсюда регуляция активности рубиско концентрацией этих соединений.

Изменение конформации и снижение активности рубиско 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 рубиско.

Генная инженерия

Оксигеназная активность рубиско 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, рубиско 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. ↑ The Cell—A Molecular Approach. 2nd ed. by Geoffrey M. Cooper, published by Sinauer Associates, Inc. (2000) Sunderland (MA). Online textbook. Chapter 10, The Chloroplast Genome.
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]