RuBisCO

RuBisCO es una de las muchas enzimas del ciclo de Calvin. Cuando la Rubisco facilita el ataque del CO2 al carbono C2 del RuBP y la subsiguiente escisión del enlace entre el carbono C3 y el C2, se forman 2 moléculas de glicerato-3-fosfato. La conversión implica estos pasos: enolización, carboxilación, hidratación, escisión del enlace C-C y protonación.

SustratosEditar

Los sustratos de la RuBisCO son la ribulosa-1,5-bisfosfato y el dióxido de carbono (distinto del dióxido de carbono «activador»). RuBisCO también cataliza una reacción de ribulosa-1,5-bisfosfato y oxígeno molecular (O
2) en lugar de dióxido de carbono (CO
2).La discriminación entre los sustratos CO2 y O2 se atribuye a las diferentes interacciones de los momentos cuadrupolares del sustrato y a un alto gradiente de campo electrostático. Este gradiente lo establece la forma de dímero de la RuBisCO mínimamente activa, que con sus dos componentes proporciona una combinación de dominios de carga opuesta necesarios para la interacción de la enzima con el O2 y el CO
2. Estas condiciones ayudan a explicar la baja tasa de recambio encontrada en la RuBisCO: para aumentar la fuerza del campo eléctrico necesario para una interacción suficiente con los momentos cuadrupolares de los sustratos, los segmentos terminales C- y N- de la enzima deben estar cerrados, permitiendo que el sitio activo esté aislado del disolvente y disminuyendo la constante dieléctrica. Este aislamiento tiene un coste entrópico significativo, y da lugar a la pobre tasa de recambio.

Encuadernación RuBPEdit

La carbamilación del grupo ε-amino de la Lys201 se estabiliza por coordinación con el Mg2+. Esta reacción implica la unión de los terminales carboxilato de Asp203 y Glu204 al ion Mg2+. El sustrato RuBP se une al Mg2+ desplazando dos de los tres aquo ligandos.

EnolizaciónEditar

La enolización de RuBP es la conversión del tautómero ceto de RuBP en un enediol(ate). La enolización se inicia por desprotonación en C3. La base de la enzima en este paso ha sido debatida, pero las restricciones estéricas observadas en las estructuras cristalinas han hecho de la Lys201 el candidato más probable. Específicamente, el oxígeno carbamato en Lys201 que no está coordinado con el ion Mg desprotoniza el carbono C3 de RuBP para formar un 2,3-enediolato.

CarboxilaciónEditar

La carboxilación del 2,3-enediolato da lugar al intermedio 3-ceto-2′-carboxi-arabinitol-1,5-bifosfato y la Lys334 está posicionada para facilitar la adición del sustrato de CO2 ya que sustituye a la tercera molécula de agua coordinada con Mg2+ y se añade directamente al enediol. En este proceso no se forma ningún complejo de Michaelis. La hidratación de esta cetona da lugar a un grupo hidroxi adicional en C3, formando un intermedio enediol. La carboxilación y la hidratación se han propuesto como un único paso concertado o como dos pasos secuenciales. El mecanismo concertado está apoyado por la proximidad de la molécula de agua al C3 de RuBP en múltiples estructuras cristalinas. Dentro de la estructura de espinacas, otros residuos están bien situados para ayudar en el paso de hidratación ya que están dentro de la distancia de enlace de hidrógeno de la molécula de agua.

Escisión del enlace C-CEdit

El intermedio gem-diol se escinde en el enlace C2-C3 para formar una molécula de glicerato-3-fosfato y un carboxilato con carga negativa. La protonación estereoespecífica del C2 de este carbanión da lugar a otra molécula de glicerato-3-fosfato. Se cree que este paso es facilitado por la Lys175 o potencialmente por la Lys201 carbamilada.

ProductosEditar

Cuando el dióxido de carbono es el sustrato, el producto de la reacción de la carboxilasa es un intermedio fosforilado inestable de seis carbonos conocido como 3-ceto-2-carboxi-arabinitol-1,5-bifosfato, que decae rápidamente en dos moléculas de glicerato-3-fosfato. El 3-fosfoglicerato puede utilizarse para producir moléculas más grandes como la glucosa.

Las actividades secundarias de la Rubisco pueden dar lugar a subproductos inútiles o inhibidores; uno de estos productos es la xilulosa-1,5-bisfosfato, que inhibe la actividad de la Rubisco.

Cuando el oxígeno molecular es el sustrato, los productos de la reacción de la oxigenasa son fosfoglicolato y 3-fosfoglicerato. El fosfoglicolato se recicla a través de una secuencia de reacciones denominada fotorrespiración, en la que intervienen enzimas y citocromos localizados en las mitocondrias y los peroxisomas (es un caso de reparación de metabolitos). En este proceso, dos moléculas de fosfoglicolato se convierten en una molécula de dióxido de carbono y una molécula de 3-fosfoglicerato, que pueden volver a entrar en el ciclo de Calvin. Parte del fosfoglicolato que entra en esta vía puede ser retenido por las plantas para producir otras moléculas como la glicina. A niveles ambientales de dióxido de carbono y oxígeno, la proporción de las reacciones es de aproximadamente 4 a 1, lo que resulta en una fijación neta de dióxido de carbono de sólo 3,5. Así, la incapacidad de la enzima para evitar la reacción con el oxígeno reduce en gran medida la capacidad fotosintética de muchas plantas. Algunas plantas, muchas algas y bacterias fotosintéticas han superado esta limitación ideando medios para aumentar la concentración de dióxido de carbono alrededor de la enzima, incluyendo la fijación de carbono C4, el metabolismo de ácidos crasuláceos y el uso de pirenoides.

Tasa de actividad enzimáticaEditar

Algunas enzimas pueden llevar a cabo miles de reacciones químicas cada segundo. Sin embargo, la RuBisCO es lenta, fijando sólo de 3 a 10 moléculas de dióxido de carbono cada segundo por molécula de enzima. La reacción catalizada por la RuBisCO es, por tanto, el principal factor limitante del ciclo de Calvin durante el día. Sin embargo, bajo la mayoría de las condiciones, y cuando la luz no está limitando la fotosíntesis de otra manera, la velocidad de RuBisCO responde positivamente al aumento de la concentración de dióxido de carbono.

RuBisCO normalmente sólo está activa durante el día, ya que la ribulosa 1,5-bisfosfato no se regenera en la oscuridad. Esto se debe a la regulación de varias otras enzimas en el ciclo de Calvin. Además, la actividad de RuBisCO se coordina con la de las otras enzimas del ciclo de Calvin de varias otras maneras:

Por ionesEditar

Al iluminar los cloroplastos, el pH del estroma se eleva de 7,0 a 8,0 debido al gradiente de protones (iones de hidrógeno, H+
) creado a través de la membrana del tilacoide. El movimiento de protones hacia los tilacoides está impulsado por la luz y es fundamental para la síntesis de ATP en los cloroplastos (Más información: Centro de reacción fotosintética; Reacciones dependientes de la luz). Para equilibrar el potencial iónico a través de la membrana, los iones de magnesio (Mg2+
) salen de los tilacoides en respuesta, aumentando la concentración de magnesio en el estroma de los cloroplastos. RuBisCO tiene un pH óptimo alto (puede ser >9,0, dependiendo de la concentración de iones de magnesio) y, por lo tanto, se «activa» mediante la introducción de dióxido de carbono y magnesio en los sitios activos como se ha descrito anteriormente.

Por RuBisCO activasaEditar

En las plantas y algunas algas, se requiere otra enzima, RuBisCO activasa (Rca, GO:0046863, P10896), para permitir la rápida formación del carbamato crítico en el sitio activo de RuBisCO. Esto es necesario porque la ribulosa 1,5-bisfosfato (RuBP) se une más fuertemente a los sitios activos de RuBisCO cuando hay un exceso de carbamato, impidiendo que los procesos avancen. En la luz, la activasa de RuBisCO promueve la liberación del RuBP inhibidor (o -en algunos puntos de vista- almacenador) de los sitios catalíticos de RuBisCO. La activasa también es necesaria en algunas plantas (por ejemplo, el tabaco y muchas judías) porque, en la oscuridad, la RuBisCO es inhibida (o protegida de la hidrólisis) por un inhibidor competitivo sintetizado por estas plantas, un análogo del sustrato 2-Carboxi-D-arabitinol 1-fosfato (CA1P). El CA1P se une fuertemente al sitio activo de la RuBisCO carbamilada e inhibe la actividad catalítica en mayor medida. También se ha demostrado que el CA1P mantiene a la RuBisCO en una conformación protegida de la proteólisis. En la luz, la activasa de RuBisCO también promueve la liberación de CA1P de los sitios catalíticos. Después de que el CA1P se libera de la RuBisCO, se convierte rápidamente en una forma no inhibidora por una CA1P-fosfatasa activada por la luz. Incluso sin estos fuertes inhibidores, una vez cada varios cientos de reacciones, las reacciones normales con el dióxido de carbono o el oxígeno no se completan; se siguen formando otros análogos inhibidores del sustrato en el sitio activo. Una vez más, la activasa RuBisCO puede promover la liberación de estos análogos de los sitios catalíticos y mantener la enzima en una forma catalíticamente activa. Sin embargo, a altas temperaturas, la RuBisCO activasa se agrega y ya no puede activar la RuBisCO. Esto contribuye a la disminución de la capacidad de carboxilación observada durante el estrés térmico.

Por ATP/ADP y el estado de reducción/oxidación del estroma a través de la activasaEditar

La eliminación del inhibidor RuBP, CA1P, y los otros análogos del sustrato inhibitorio por la activasa requiere el consumo de ATP. Esta reacción es inhibida por la presencia de ADP, y, por tanto, la actividad de la activasa depende de la proporción de estos compuestos en el estroma del cloroplasto. Además, en la mayoría de las plantas, la sensibilidad de la activasa a la relación ATP/ADP es modificada por el estado de reducción/oxidación (redox) del estroma a través de otra pequeña proteína reguladora, la tiorredoxina. De esta manera, la actividad de la activasa y el estado de activación de RuBisCO pueden ser modulados en respuesta a la intensidad de la luz y, por tanto, a la tasa de formación del sustrato ribulosa 1,5-bisfosfato.

Por fosfatoEditar

En las cianobacterias, el fosfato inorgánico (Pi) también participa en la regulación coordinada de la fotosíntesis: El Pi se une al sitio activo de RuBisCO y a otro sitio en la cadena grande donde puede influir en las transiciones entre conformaciones activadas y menos activas de la enzima. De este modo, la activación de la RuBisCO bacteriana podría ser especialmente sensible a los niveles de Pi, lo que podría hacer que actuara de forma similar a como funciona la RuBisCO activasa en las plantas superiores.

Por el dióxido de carbonoEditar

Dado que el dióxido de carbono y el oxígeno compiten en el sitio activo de la RuBisCO, la fijación de carbono por parte de la RuBisCO puede mejorarse aumentando el nivel de dióxido de carbono en el compartimento que contiene la RuBisCO (estroma del cloroplasto). Durante la evolución de las plantas se han desarrollado varias veces mecanismos para aumentar el nivel de dióxido de carbono en el estroma (véase la fijación de carbono C4). El uso del oxígeno como sustrato parece ser un proceso desconcertante, ya que parece tirar la energía capturada. Sin embargo, puede ser un mecanismo para evitar la sobrecarga de carbohidratos durante los periodos de alto flujo de luz. Esta debilidad de la enzima es la causa de la fotorrespiración, de manera que las hojas sanas con luz intensa pueden tener una fijación neta de carbono nula cuando la proporción de O
2 a CO
2 disponible para RuBisCO se desplaza demasiado hacia el oxígeno. Este fenómeno depende principalmente de la temperatura: Las altas temperaturas pueden disminuir la concentración de CO
2 disuelto en la humedad de los tejidos de las hojas. Este fenómeno también está relacionado con el estrés hídrico: Dado que las hojas de las plantas se enfrían por evaporación, la escasez de agua provoca altas temperaturas en las hojas. Las plantas C4 utilizan inicialmente la enzima PEP carboxilasa, que tiene una mayor afinidad por el CO
2. El proceso produce primero un compuesto intermedio de 4 carbonos, que se traslada a un lugar de la fotosíntesis C3 y luego se descarboxila, liberando CO
2 para aumentar la concentración de CO
2, de ahí el nombre de plantas C4.

Las plantas de metabolismo ácido crasuláceo (CAM) mantienen sus estomas cerrados durante el día, lo que conserva el agua pero impide que se produzcan las reacciones independientes de la luz (también conocidas como Ciclo de Calvin), ya que estas reacciones requieren que el CO
2 pase por intercambio de gases a través de estas aberturas. La evaporación a través de la cara superior de una hoja se impide mediante una capa de cera.