Rubisco

Karboksylaza / oksygenaza rybulozo-1,5-bisfosforanu (Rubisco) Opis tego obrazu, również skomentowany poniżej Przedstawienie Rubisco przedstawiające rozmieszczenie dimerów o długim łańcuchu (w kolorze białym i szarym) oraz krótkich łańcuchach (w kolorze niebieskim i pomarańczowym). Kluczowe dane
Nr WE WE 4.1.1.39
numer CAS 9027-23-0
Aktywność enzymatyczna
IUBMB Wpis IUBMB
IntEnz Widok IntEnz
BRENDA Wejście BRENDA
KEGG Wejście KEGG
MetaCyc Szlak metaboliczny
PRIAM Profil
PDB Struktury
UDAĆ SIĘ AmiGO / EGO

Rubisco , jego pełna nazwa rybulozo1,5-bisfosforanu karboksylazy / oksygenazy , jest enzymem Słowo od fotosyntezy . To właśnie umożliwia wiązanie dwutlenku węgla CO 2w biomasie roślinnej poprzez zainicjowanie cyklu Calvina , dzięki energii słonecznej wychwytywanej przez chlorofil . To katalizuje zarówno karboksylacji i utleniania z rybulozy-1,5-bifosforanu .

W różnych formach jest prawdopodobnie najbardziej rozpowszechnionym białkiem na Ziemi , gdzie stanowi około 50% rozpuszczalnych białek w liściach roślin w C 3i 30% w grupie C 4(odpowiednio 20 do 30% i 5 do 9% azotu zawartego w tych arkuszach). Ze względu na swoją przewagę enzym ten odgrywa kluczową rolę w cyklu węglowym naszej planety: wiele archeonów i bakterii rzeczywiście wiąże węgiel w cyklu 3-hydroksypropionianowym lub w odwrotnym cyklu Krebsa , ale liczy się tylko jako niewielka część całości; karboksylazy fosfoenolopirogronianowej jest zdolny do wiązania węgla w Fotosynteza CAM i z C roślin 4, ale zezwalając na jego transport do ostatecznego mocowania przez Rubisco.

Struktura

U roślin , alg , cyjanobakterii oraz proteobakterii fototroficznych i chemotroficznych , Rubisco zazwyczaj składa się z dwóch typów podjednostek  : dużych podjednostek (zwanych „  L  ”) o masie 55  kDa i małych podjednostek (na przykład „  S  ”) o masie 13  kDa . Ogólnie rzecz biorąc, niewielkie podjednostek kodowanych przez materiał genetyczny z jądra i są importowane do zrębu z chloroplastów przez zewnętrzną i wewnętrzną membrany tego organelli . Kompletne Rubisco ma zwykle osiem podjednostek L i osiem podjednostek S, tworząc kompleks białkowy o masie około 540  kDa .

Miejsca aktywne enzymu znajdują się na dimerach podjednostek L, przy czym każda z dwóch podjednostek dimeru bierze udział w tworzeniu miejsca aktywnego. Niektóre bruzdnice i niektóre proteobakterie mają również Rubisco składające się z prostego dimeru podjednostek L.

Do kationów Mg 2+ są niezbędne dla aktywności enzymatycznej białka. Prawidłowe umiejscowienie tych kationów wymaga także „aktywującej” cząsteczki dwutlenku węgla , która nie jest metabolizowana, ale tworzy karbaminian z resztą lizyny w miejscu aktywnym; tworzenie się karbaminianu jest korzystne przy zasadowym pH . Stężenie Mg 2+ i wzrost pH w zrębie chloroplastów pod wpływem światła.

Wielki łańcuch Rubisco, domena katalityczna Domena białkowa
Pfam PF00016
InterPro IPR000685
WŁASNOŚĆ PDOC00142
SCOP 3rub
SUPER RODZINA 3rub
CDD cd08148
Domaine N -terminal de la Rubisco Domena białkowa
Pfam PF02788
InterPro IPR017444
SCOP 3rub
SUPER RODZINA 3rub
Mały łańcuch Rubisco Domena białkowa
Pfam PF00101
InterPro IPR000894
SCOP 3rub
SUPER RODZINA 3rub
CDD cd03527

Czynność

Aktywność karboksylazy

Karboksylacji katalizowane RUBISCO mogą być zapisywane w sposób uproszczony (oraz w przybliżeniu, biorąc pod uwagę, że wszystkie te związki są zjonizowane w cytosolu ), jak następuje:

RuBP-2D-skeletal.png   + CO 2+ H 2 O  → 2   Glicerynian 3-fosforan.svg
D -Ribulose-1,5-bisfosforan   3- fosfo - D- glicerynian

Mechanizm reakcji faktycznie obejmuje enol , karboksylowany w 3-keto-2-karboksyarabinitolu-1,5-bisfosforanie (3-KCABP), natychmiast hydrolizowany do dwóch triozofosforanów :

Aktywność oksygenazy

Natlenianie katalizowane przez Rubisco można zapisać w uproszczony sposób w następujący sposób:

RuBP-2D-skeletal.png   + O 2  → 3H + +   Glicerynian 3-fosforan.svg   +   Phosphoglycolat.svg
D -Ribulose-1,5-bisfosforan   3- fosfo - D- glicerynian   2-Fosfoglikolan

2-phosphoglycolate wytwarzany w tej reakcji zawraca fotooddychanie , który obejmuje enzymy znajdujące się w mitochondriów i peroksyzomów  : dwie cząsteczki phosphoglycolate są przekształcone w CO 2i 3-fosfoglicerynian , który z kolei można zawrócić do cyklu Calvina . Część fosfoglikolanu można również przekształcić w glicynę .

Odpowiednie znaczenie aktywności karboksylazy i oksygenazy

Przy normalnych stężeniach dwutlenku węgla i tlenu w atmosferze ziemskiej stosunek aktywności karboksylazy do aktywności oksygenazy Rubisco wynosi około 4: 1. Współczynnik ten maleje wraz ze wzrostem temperatury, co sprzyja określonym adaptacjom metabolicznym niektórych roślin tropikalnych (rośliny znane jako „  w C 4 ") Oraz niektóre rośliny tłuszczowe ( metabolizm kwasu grubasowego lub" CAM ") do koncentracji CO 2 wokół Rubisco:

Rubisco nie jest bardzo szybkim enzymem: każdy z nich wiąże tylko od trzech do dziesięciu cząsteczek CO 2na sekundę. Z powodu tej względnej powolności, Rubisco jest enzymem Calvina ograniczającym cykl w ciągu dnia. Jednak w większości przypadków, gdy światło w inny sposób nie ogranicza skuteczności fotosyntezy , prędkość Rubisco pozytywnie reaguje na wzrost stężenia CO 2 .. Ponieważ Rubisco najpierw reaguje z rybulozo-1,5-bisfosforanem, tworząc enediol, a następnie z CO 2po pewnych zmianach konformacyjnych w produkcji 3-fosfoglicerynianu można na podstawie tych reakcji opracować modele biochemiczne uwzględniające kinetykę tego enzymu.

Rozporządzenie

Rubisco jest normalnie aktywny tylko w ciągu dnia, ponieważ rybulozo-1,5-bisfosforan jest wytwarzany w ciągu dnia tylko dzięki regulacji kilku innych enzymów w cyklu Calvina . Kilka innych czynników pomaga koordynować aktywność Rubisco z innymi enzymami w tym cyklu.

Regulacja jonowa

PH w zrębie z chloroplastów zmian w zakresie od 7,0 do 8,0, w ciągu dnia pod wpływem oświetlenia z protonów gradientem wytwarzany na błonach tylakoid . Proces ten powoduje koncentrację protonów wewnątrz tylakoidów, a tym samym zmniejszenie ich koncentracji w zrębie. Tymczasem kationy z magnezu Mg 2+ są pompowane z tylakoid i gromadzą się w zrębie. Rubisco, którego optymalne pH może przekroczyć 9,0 w zależności od stężenia Mg 2+ , jest zatem aktywowany przez wiązanie CO 2 .za pomocą tego kationu na lizynę pozostałości w tym miejscu aktywnym z enzymem do postaci tam karbaminian niezbędnego do reakcji.

Regulacja przez Rubisco activase

W roślinach i niektórych algach potrzebny jest specyficzny enzym, aktywaza Rubisco , aby katalizować tworzenie karbaminianu, zanim Rubisco zostanie zablokowane przez wiązanie substratu, który wiąże się silniej z nieaktywnym enzymem (bez karbaminianu) niż ma to miejsce ”. enzym karbamylowany: aktywaza Rubisco uwalnia rybulozo-1,5-bisfosforan związany z nieaktywnym Rubisco, umożliwiając jego aktywację przez dwutlenek węgla. Enzym ten jest również niezbędny dla niektórych roślin (zwłaszcza Nicotiana tabacum i niektórych fasoli), których metabolizm wytwarza konkurencyjny inhibitor , 2-karboksy- D -arabinitol-1-fosforan (CA1P), który wiąże się z karbamylowanym rubisco, blokując jego miejsce aktywne; Aktywaza Rubisco uwalnia CA1P z miejsca aktywnego Rubisco, a inny enzym, 2-karboksyarabinitol-1-fosfataza , defosforyluje CA1P do 2-karboksy- D -arabinitolu . Operację tę należy powtarzać regularnie - mniej więcej co minutę - gdy nowa cząsteczka CA1P blokuje Rubisco.

CA1P może stabilizować Rubisco w konformacji ograniczającej ryzyko proteolizy . Właściwości aktywazy Rubisco ograniczają potencjał fotosyntetyczny roślin w temperaturze i stężeniu CO 2 .wysoki. Ponadto w wysokiej temperaturze aktywaza Rubisco ma tendencję do tworzenia nieaktywnych agregatów, które nie są już w stanie utrzymać aktywności Rubisco, co wyjaśnia spowolnienie aktywności karboksylazy w przypadku stresu cieplnego.

Regulacja aktywazy przez stosunek ATP / ADP i stan redoks tioredoksyny zrębu

Usunięcie 2-karboksy- D -arabinitolu-1-fosforanu (CA1P) przez aktywazę Rubisco zużywa ATP i jest hamowane przez ADP . Aktywność activase jest więc określona przez stosunek ATP / ADP, a czułość tego enzymu stosunek ten sam klimatyzowane, w większości roślin, przy średniej redoks stanu z tioredoksyną cząsteczek w zrębie z chloroplastów . Poziom aktywności aktywazy, a więc i Rubisco, zależy więc od natężenia światła, co pozwala skorelować je z powstawaniem rybulozo-1,5-bisfosforanu .

Regulacja nieorganicznym fosforanem

W cyjanobakterii , fosforan nieorganiczny wiąże się z miejscem aktywnym RUBISCO, jak również innym miejscu o dużej podjednostki, modulując w ten sposób przejście między aktywnych i nieaktywnych stanów RUBISCO. Nieorganiczny fosforan może odgrywać rolę w tych bakteriach, podobnie jak aktywaza Rubisco z roślin wyższych.

Regulacja dwutlenkiem węgla

Dwutlenek węgla CO 2i tlenu O 2konkurując w miejscu aktywnym Rubisco, efektywność enzymu w zakresie wiązania CO 2można poprawić, zwiększając stężenie CO 2w zrębie w chloroplastach , gdzie Rubisco znaleziono. Było to przedmiotem pewnych adaptacji metabolicznych w pracy roślin zwanych „  w C 4 „I„  CAM  ”. Fakt, że konkuruje tlenu z dwutlenkiem węgla, może być zaskoczeniem jako fotooddychanie powoduje utratę fotosyntetycznie stałej energii i może nawet zrezygnować z SIATCE CO 2 topnika. utrwalone przez Rubisco w zdrowych liściach w pełnym świetle.

Względna szybkość aktywności karboksylazy i oksygenazy Rubisco zależy przede wszystkim od temperatury, ponieważ wysoka temperatura obniża poziom CO 2rozpuszcza się w tkankach i tym samym promuje aktywność oksygenazy, czyli fotooddychanie. Jednak temperatura zależy od nawodnienia rośliny, ponieważ to transpiracja pozwala ostygnąć liściom.

Te rośliny C 4użyj karboksylazy fosfoenolopirogronianowej , dekarboksylazy, która ma lepsze powinowactwo do CO 2od RUBISCO, w celu katalizowania na dodatek o wodorowęglanu anionu HCO 3 -na fosfoenolopirogronianu, aby uzyskać szczawiooctan , który jest następnie przekształcany w jabłczan i transportowany do dekarboksylacji z uwolnieniem CO 2gdzie ma miejsce cykl Calvina , w środowisku mniej bogatym w tlen, a zatem sprzyjającym aktywności karboksylazy Rubisco.

Optymalizacja Rubisco za pomocą inżynierii genetycznej

„  Efektywność fotosyntetyczna  ” komórki jest definiowana jako ułamek energii świetlnej zamienianej przez to ogniwo na energię chemiczną . Im jest wyższy, tym bardziej roślina jest w stanie wchłonąć CO 2do produkcji węglowodanów, a docelowo całej gamy biocząsteczek stanowiących w szczególności jej fizjologię . Rubisco jest czynnikiem ograniczającym ogólną wydajność fotosyntezy organizmów zależnych od tego enzymu; zwiększenie wydajności katalitycznej - poprzez zwiększenie aktywności karboksylazy i / lub zmniejszenie aktywności oksygenazy - mogłoby zatem sprzyjać ekologicznej sekwestracji CO 2metodami biologicznymi - mówi się o „  biosekwestracji  ” - i stanowią ważną opcję w kontrolowaniu atmosferycznego tempa gazów cieplarnianych częściowo odpowiedzialnych za globalne ocieplenie . Genetycy szacują, że plony niektórych roślin można w ten sposób zwiększyć o 40%.

Najpierw przeprowadzono eksperymenty na ekspresji genów Rubisco z jednego gatunku przenoszonych przez transgenezę do rośliny innego gatunku. Przetestowano stymulację ekspresji niektórych podjednostek Rubisco, podobnie jak ekspresję genów podjednostki S bezpośrednio z plastomy (tj. Chloroplastycznego materiału genetycznego ), a nawet modyfikację genów kodujących podjednostki Rubisco w celu zwiększenia jego specyficzności do CO 2lub zwiększyć szybkość wiązania węgla. Obiecującym sposobem jest wprowadzenie bardziej wydajnych genów RUBISCO przez rośliny uprawne (na przykład tych z rhodophytes jak Galdieria Particie ); W ten sposób Rubisco tytoniu zostało zastąpione przez proteobacterium , Rhodospirillum rubrum . Te GMO urosły i wyprodukowały około 40% więcej biomasy; inne badania powinny odnosić się do roślin spożywczych bogatych w białko i / lub skrobię ( soja , kukurydza (cowpea), ryż lub ziemniak ).

Pozostaje wykazać, że wywołane zmiany nie wpływają negatywnie na roślinę, ponieważ to ulepszenie Rubisco polega na zmniejszeniu fotooddychania , lub to drugie, jeśli ma tę wadę, że powoduje, że roślina zużywa energię. odgrywają rolę w sygnalizacji komórkowej roślin, w procesie produkcji nadtlenku wodoru , cząsteczki biorącej udział w sygnalizacji redoks, biorącej udział w mechanizmach wzrostu, ale także w odpowiedzi na określone stresy (ataki drobnoustrojów lub pasożytów) .

Spożywanie żywności

Ponieważ to białko Rubisco jest bardzo obfite w przyrodzie i zawiera wszystkie niezbędne aminokwasy , jest potencjalnie interesującym pokarmem. Opracowano metodę ekstrakcji i koncentracji w celu uzyskania „ steków warzywnych ”.

Uwagi i odniesienia

Uwagi

  1. Termin „Rubisco” został ukuty w 1979 roku przez amerykańskiego biochemika Davida S. Eisenberga podczas seminarium poświęconego przejściu na emeryturę Samuela G. Wildmana, wybitnego specjalisty w dziedzinie tego enzymu. Skrót ten wywodzi się od angielskiej nazwy „  karboksylaza / oksygenaza rybulozo-1,5-bisfosforanu ”, z ukłonem w stronę przekąsek Nabisco na pamiątkę nieudanej próby Wildmana stworzenia jadalnych liści tytoniu.

Bibliografia

  1. (w) Samuel G. Wildman , „  Wzdłuż szlaku od białka frakcji I do Rubisco (karboksylaza-oksygenaza bisfosforanu rybulozy)  ” , Photynthesis Research , tom.  73, n kość  1-3, 2002, s.  243-250 ( PMID  16245127 , DOI  10.1023 / A: 1020467601966 )
  2. (en) Amit Dhingra, Archie R. Portis Jr. i Henry Daniell , „  Enhanced translation of a chloroplast- express genu RbcS przywraca małe poziomy podjednostek i fotosyntezę w jądrowych antysensownych roślinach RbcS  ” , Proceedings of the National Academy of Sciences Stanów Zjednoczonych Ameryki , vol.  101 n O  16 20 kwietnia 2004, s.  6315-6320 ( PMID  15067115 , PMCID  395966 , DOI  10.1073 / pnas.0400981101 , Bibcode  2004PNAS..101.6315D , czytaj online )
  3. (en) Urs Feller, Iwona Anders i Tadahiko Mae , „  Rubiscolytics: fate of Rubisco po zakończeniu jego enzymatycznej funkcji w komórce  ” , Journal of Experimental Botany , vol.  59, n o  7, 2008, s.  1615-1624 ( PMID  17975207 , DOI  10.1093 / jxb / erm242 , czytaj online )
  4. (w) genu podjednostki L jest częścią genomu z chloroplastów w roślinach ( Wprowadź GeneID :)
  5. (in) Yoon, JJ Putterill, GS Ross, WA Laing , „  Określenie względnych poziomów ekspresji genów małej podjednostki Rubisco w Arabidopsis przez szybką amplifikację końców cDNA  ” , Anal. Biochem. , vol.  291 n O  2 Kwiecień 2001, s.  237–244 ( DOI  10.1006 / abio.2001.5042 , czytaj online )
  6. (in) T. Lundqvist i G. Schneider , "  Struktura krystaliczna aktywowanej karboksylazy rybulozo-1,5-bisfosforanu skompleksowanej z substratem ict, rybulozo-1,5-bisfosforanem  " , Journal of Biological Chemistry , 5 lipca 1991, s.  12604-12611 ( PMID  1905726 , czytaj online )
  7. (w) R. John Ellis , „  Biochemistry: Tackling unintelligent design  ” , Nature , vol.  463 n O  7278, 14 stycznia 2010, s.  164-165 ( PMID  20075906 , DOI  10.1038 / 463164a , czytaj online )
  8. (w) Hadi Farazdaghi , „  Jednoprocesowa biochemiczna reakcja Rubisco: zunifikowana teoria i model z efektami irradiancji, CO 2 i ograniczający szybkość krok w kinetyce fotosyntezy C3 i C4 z wymiany gazowej  ” , Biosystems , vol.  103 n O  2luty 2011, s.  265-284 ( PMID  21093535 , DOI  10.1016 / j.biosystems.2010.11.004 , czytaj online )
  9. (w) Archie R. Portis Jr. , „  Rubisco Activase - Rubisco's Catalytic chaperone  ” , Photosynthesis Research , vol.  75, n o  1, styczeń 2003, s.  11-27 ( PMID  16245090 , DOI  10.1023 / A: 1022458108678 , czytaj online )
  10. (w) JIN Song-heng, JIANG De-an, LI Xue-Qin i SUN Jun-wei , „  Charakterystyka fotosyntezy w roślinach ryżu Transformowana antysensownym genem Activase Rubisco  ” , Journal of Zhejiang University SCIENCE , tom.  5, n O  8, Sierpień 2004, s.  897-899 ( PMID  15236471 , DOI  10.1631 / jzus.2004.0897 , czytaj online )
  11. (w) P. Andralojc John Glenn W. Dawson, AJ Martin Parry i Alfred J. Keys , „  Incorporation of carbon from photynthetic products into carboxyarabinitol 2-1-phosphate and 2-carboxyarabinitol  ” , Biochemical Journal , vol.  304 N O  P 3, 15 grudnia 1994, s.  781-786 ( PMID  7818481 , PMCID  1137402 , czytaj online )
  12. (w) Shahnaz Khan, John P. Andralojc, Peter J. Lea i Martin Parry AJ , "  2'-karboksy-D-1-fosforan arabitinol Chroni karboksylazę / oksygenazę rybulozy / oksygenazę przeciw rozkładowi proteolitycznemu  " , European Journal of Biochemistry / FEBS , tom.  266 n O  3, Grudzień 1999, s.  840-847 ( PMID  10583377 , DOI  10.1046 / j.1432-1327.1999.00913.x , czytaj online )
  13. (w) Steven J. Crafts-Brandner Michael E. Salvucci , „  Rubisco Activase ogranicza potencjał fotosyntetyczny liści w wysokiej temperaturze i CO 2  ” , Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America , vol.  97 N O  24,21 listopada 2000, s.  13430-13435 ( PMID  11069297 , PMCID  27241 , DOI  10.1073 / pnas.230451497 , Bibcode  2000PNAS ... 9713430C , czytaj online )
  14. (w :) Michael E. Salvucci, Katherine W. Osteryoung, Steven J. Crafts-Brandner i Elizabeth Vierling , „  Wyjątkowa wrażliwość aktywazy Rubisco na denaturację termiczną in vitro i in vivo  ” , Fizjologia roślin , tom.  127 n O  3, Listopad 2001, s.  1053-1064 ( PMID  11706186 , PMCID  129275 , DOI  10.1104 / pp.010357 , czytaj online )
  15. (w) Ning Zhang, Russell P. Kallis, Robert G. Ewy i Archie R. Portis Jr. , "  Modulacja światła Rubisco w Arabidopsis wymaga zdolności do regulacji redoks większej izoformy Rubisco Activase  " , Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America , vol.  99 N O  5, 5 marca 2002, s.  3330-3334 ( PMID  11854454 , PMCID  122518 , DOI  10.1073 / pnas.042529999 , Bibcode  2002PNAS ... 99.3330Z , czytaj online )
  16. (w) Yehuda Marcus i Michael Gurevitz , „  Aktywacja cyjanobakteryjnej karboksylazy / oksygenazy RuBP jest ułatwiona przez nieorganiczny fosforan poprzez dwa niezależne mechanizmy  ” , European Journal of Biochemistry , vol.  267 n O  19, Październik 2000, s.  5995-6003 ( PMID  10998060 , DOI  10.1046 / j.1432-1327.2000.01674.x , czytaj online )
  17. Skrót inżyniera naukowców do usterki fotosyntezy, przyspieszający wzrost upraw o 40 procent  ; opublikowany 3 stycznia 2019 r., University of Illinois (Urbana-Champaign). phys.org/news; URL https://phys.org/news/2019-01-scientists-shortcut-photosynthetic-glitch-boost.html#jCp
  18. René Didde , „  Odżywianie. Chcesz znowu stek z trawy?  », Courrier International ,9 października 2012( czytaj online )