Рибулозобисфосфаткарбоксилаза

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Рибулозобисфосфаткарбоксилаза
Rubisco.png 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.
Идентификаторы
Шифр КФ 4.1.1.39
Номер CAS 9027-23-0
Базы ферментов
IntEnz IntEnz view
BRENDA BRENDA entry
ExPASy NiceZyme view
MetaCyc metabolic pathway
KEGG KEGG entry
PRIAM profile
PDB structures RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
Gene Ontology AmiGO • EGO
Поиск
PMC статьи
PubMed статьи
NCBI NCBI proteins
CAS 9027-23-0

Рибулозобисфосфаткарбоксилаза (Рибулозобисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа, рибулёзобифосфаткарбоксилаза/оксигеназа, РБФК, англ. Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase, RuBisCO) — фермент (КФ 4.1.1.39), катализирующий присоединение углекислого газа к рибулозо-1,5-бисфосфату 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[править | править код]

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[править | править код]

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[править | править код]

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 её 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[править | править код]

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 представляется 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[править | править код]

  1. Cooper, Geoffrey M. 10.The Chloroplast Genome // The Cell: A Molecular Approach. — 2nd. — Washington, D.C : ASM Press, 2000. — «one of the subunits of ribulose bisphosphate carboxylase (rubisco) is encoded by chloroplast DNA. Rubisco is the critical enzyme that catalyzes the addition of CO2 to ribulose-1,5-bisphosphate during the Calvin cycle (see Figure 2.39). Not only is it the major protein component of the chloroplast stroma, but it is also thought to be the single most abundant protein on Earth, so it is noteworthy that one of its subunits is encoded by the chloroplast genome.». — 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. Whitney S. M., Andrews T. J. Plastome-encoded bacterial ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RubisCO) supports photosynthesis and growth in tobacco. (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 2001. — Vol. 98, no. 25. — P. 14738—14743. — DOI:10.1073/pnas.261417298. — PMID 11724961. исправитьJohn Andrews T., Whitney S. M. Manipulating ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase in the chloroplasts of higher plants. (англ.) // Archives of biochemistry and biophysics. — 2003. — Vol. 414, no. 2. — P. 159—169. — PMID 12781767. исправитьSpreitzer R. J., Salvucci M. E. Rubisco: structure, regulatory interactions, and possibilities for a better enzyme. (англ.) // Annual review of plant biology. — 2002. — Vol. 53. — P. 449—475. — DOI:10.1146/annurev.arplant.53.100301.135233. — PMID 12221984. исправитьParry M. A., Andralojc P. J., Mitchell R. A., Madgwick P. J., Keys A. J. Manipulation of Rubisco: the amount, activity, function and regulation. (англ.) // Journal of experimental botany. — 2003. — Vol. 54, no. 386. — P. 1321—1333. — PMID 12709478. исправить