RuBisCO

A RuBisCO a Calvin-ciklus számos enzimének egyike. Amikor a Rubisco elősegíti a CO2 támadását a RuBP C2 szénatomjánál és az azt követő kötésbontást a C3 és C2 szénatom között, 2 molekula glicerin-3-foszfát keletkezik. Az átalakulás a következő lépésekből áll: enolizáció, karboxiláció, hidratáció, C-C kötés hasadása és protonálás.

SzubsztrátokSzerkesztés

A RuBisCO szubsztrátjai a ribulóz-1,5-biszfoszfát és a szén-dioxid (megkülönböztetve az “aktiváló” szén-dioxidtól). A RuBisCO a ribulóz-1,5-biszfoszfát és a molekuláris oxigén (O
2) reakcióját is katalizálja a szén-dioxid (CO
2) helyett. a CO2 és O2 szubsztrátok megkülönböztetése a szubsztrát kvadrupolmomentumainak eltérő kölcsönhatásának és a nagy elektrosztatikus térgradiensnek tulajdonítható. Ezt a gradienst a minimálisan aktív RuBisCO dimer formája hozza létre, amely két komponensével az enzim O2-vel és CO
2-vel való kölcsönhatásához szükséges ellentétes töltésű domének kombinációját biztosítja. Ezek a feltételek segítenek megmagyarázni a RuBisCO-ban talált alacsony turnoverrátát: ahhoz, hogy növelni lehessen a szubsztrátok kvadrupolmomentumaival való megfelelő kölcsönhatáshoz szükséges elektromos tér erősségét, az enzim C- és N-terminális szegmensét le kell zárni, ami lehetővé teszi az aktív centrum izolálását az oldószertől, és csökkenti a dielektromos állandóját. Ez az izoláció jelentős entrópiai költséggel jár, és a gyenge turnoverrátát eredményezi.

Kötés RuBPEdit

A Lys201 ε-aminocsoportjának karbonilezését a Mg2+ koordináció stabilizálja. Ez a reakció az Asp203 és Glu204 karboxilátvégződéseinek Mg2+ ionhoz való kötődését foglalja magában. A RuBP szubsztrát Mg2+ -hoz kötődik, kiszorítva kettőt a három aquo ligandumból.

EnolizációSzerkesztés

A RuBP enolizációja a RuBP keto-tautomerjének enediol(á)-vá történő átalakulása. Az enolizációt a C3-on történő deprotonálás indítja el. Az enzim bázisa ebben a lépésben vitatott, de a kristályszerkezetekben megfigyelt sztérikus korlátok miatt a Lys201 a legvalószínűbb jelölt. Konkrétan, a Lys201-en lévő karbamát oxigén, amely nincs koordinálva a Mg-ionnal, deprotonálja a RuBP C3 szénatomját, és így 2,3-enediolátot képez.

KarboxilálásSzerkesztés

A 2,3-enediolát karboxilálása a köztes 3-keto-2′-karboxi-arabinitol-1,5-biszfoszfátot eredményezi, és a Lys334 úgy helyezkedik el, hogy megkönnyítse a CO2-szubsztrát addícióját, mivel a harmadik Mg2+-koordinált vízmolekulát helyettesíti, és közvetlenül az enediolhoz adódik. Ebben a folyamatban nem képződik Michaelis-komplex. Ennek a ketonnak a hidratálása egy további hidroxi-csoportot eredményez a C3-on, egy gem-diol intermediert képezve. A karboxilálást és a hidratálást vagy egyetlen összehangolt lépésként, vagy két egymást követő lépésként javasolták. Az összehangolt mechanizmust támogatja a vízmolekulának a RuBP C3-ához való közelsége több kristályszerkezetben. A spenótszerkezeten belül más maradékok jó helyzetben vannak ahhoz, hogy segítsék a hidratálási lépést, mivel hidrogénkötési távolságon belül vannak a vízmolekulától.

C-C kötés hasadásaSzerkesztés

A gem-diol intermedier a C2-C3 kötésnél hasad, és egy molekula glicerát-3-foszfát és egy negatív töltésű karboxilát keletkezik. E karbanion C2-jének sztereospecifikus protonálása egy másik molekula glicerin-3-foszfátot eredményez. Ezt a lépést feltehetően a Lys175 vagy esetleg a karbamilált Lys201 segíti elő.

TermékekSzerkesztés

Ha a szén-dioxid a szubsztrát, a karboxiláz reakció terméke egy instabil hat szénatomos foszforilált intermedier, az úgynevezett 3-keto-2-karboxi-arabinitol-1,5-biszfoszfát, amely gyorsan két molekula glicerát-3-foszfáttá bomlik. A 3-foszfoglükcerát nagyobb molekulák, például glükóz előállítására használható.

A Rubisco melléktevékenységei haszontalan vagy gátló melléktermékekhez vezethetnek; az egyik ilyen termék a xilulóz-1,5-biszfoszfát, amely gátolja a Rubisco aktivitását.

Ha a molekuláris oxigén a szubsztrát, az oxigenáz reakció termékei a foszfoglükolát és a 3-foszfoglükcerát. A foszfoglikolát a fotorespirációnak nevezett reakciósorozaton keresztül kerül újrahasznosításra, amelyben a mitokondriumokban és a peroxiszómákban található enzimek és citokrómok vesznek részt (ez a metabolitjavítás egyik esete). Ebben a folyamatban két molekula foszfoglikolát egy molekula szén-dioxiddá és egy molekula 3-foszfoglikolátdá alakul át, amely újra beléphet a Calvin-ciklusba. Az ebbe az útvonalba belépő foszfoglikolát egy részét a növények megtarthatják más molekulák, például glicin előállítására. Környezeti szén-dioxid- és oxigénszint mellett a reakciók aránya körülbelül 4:1, ami mindössze 3,5 nettó szén-dioxid-megkötést eredményez. Így az, hogy az enzim nem képes megakadályozni az oxigénnel való reakciót, nagymértékben csökkenti sok növény fotoszintetikus kapacitását. Néhány növény, számos alga és fotoszintetizáló baktérium úgy küzdötte le ezt a korlátozást, hogy az enzim körüli szén-dioxid-koncentráció növelésére szolgáló eszközöket talált ki, beleértve a C4 szénmegkötést, a krassav-metabolizmust és a pirenoid használatát.

Az enzimaktivitás sebességeSzerkesztés

Egyes enzimek másodpercenként több ezer kémiai reakciót képesek végrehajtani. A RuBisCO azonban lassú, az enzim molekulánként csak 3-10 szén-dioxid-molekulát fixál másodpercenként. A RuBisCO által katalizált reakció tehát a Calvin-ciklus elsődleges sebességkorlátozó tényezője a nap folyamán. Mindazonáltal a legtöbb körülmények között, és amikor a fény egyébként nem korlátozza a fotoszintézist, a RuBisCO sebessége pozitívan reagál a növekvő szén-dioxid-koncentrációra.

A RuBisCO általában csak nappal aktív, mivel a ribulóz-1,5-biszfoszfát sötétben nem regenerálódik. Ez a Calvin-ciklus számos más enzim szabályozásának köszönhető. Ezenkívül a RuBisCO aktivitása több más módon is összehangolódik a Calvin-ciklus többi enzimjével:

Ionok által Szerkesztés

A kloroplasztiszok megvilágításakor a stroma pH-ja 7,0-ról 8,0-ra emelkedik a tilakoidmembránon keresztül kialakuló proton (hidrogénion, H+
) gradiens miatt. A protonok mozgását a tilakoidokba a fény irányítja, és ez alapvető fontosságú a kloroplasztiszok ATP-szintézisében (További olvasmányok: Fotoszintetikus reakcióközpont; Fényfüggő reakciók). A membránon keresztüli ionpotenciál kiegyenlítése érdekében válaszul magnéziumionok (Mg2+
) mozognak ki a tilakoidokból, növelve a magnézium koncentrációját a kloroplasztiszok strómájában. A RuBisCO magas optimális pH-értékkel rendelkezik (a magnéziumion-koncentrációtól függően >9,0 lehet), és így a szén-dioxid és a magnézium bevezetésével “aktiválódik” az aktív helyekre a fent leírtak szerint.

RuBisCO aktivázSzerkesztés

Növényekben és néhány algában egy másik enzim, a RuBisCO aktiváz (Rca, GO:0046863, P10896) szükséges ahhoz, hogy a RuBisCO aktív helyén gyorsan kialakulhasson a kritikus karbamát. Erre azért van szükség, mert a ribulóz-1,5-biszfoszfát (RuBP) erősebben kötődik a RuBisCO aktív helyéhez, ha felesleges karbamát van jelen, megakadályozva a folyamatok előrehaladását. Fényben a RuBisCO aktiváz elősegíti a gátló (vagy – egyes nézetek szerint – tároló) RuBP felszabadulását a RuBisCO katalitikus helyeiről. Az aktivázra egyes növényekben (pl. dohány és sok bab) azért is szükség van, mert sötétben a RuBisCO-t gátolja (vagy védi a hidrolízistől) az e növények által szintetizált kompetitív inhibitor, a szubsztrátanalóg 2-karboxi-D-arabitinol-1-foszfát (CA1P). A CA1P szorosan kötődik a karbamilált RuBisCO aktív helyéhez, és még nagyobb mértékben gátolja a katalitikus aktivitást. A CA1P-ről azt is kimutatták, hogy a RuBisCO-t a proteolízistől védett konformációban tartja. Fényben a RuBisCO aktiváz is elősegíti a CA1P felszabadulását a katalitikus helyekről. Miután a CA1P felszabadul a RuBisCO-ból, a fény által aktivált CA1P-foszfatáz gyorsan átalakítja egy nem gátló formává. Még ezen erős inhibitorok nélkül is, néhány száz reakció után egyszer sem fejeződnek be a szén-dioxiddal vagy oxigénnel történő normál reakciók; az aktív centrumban még mindig más gátló szubsztrátanalógok képződnek. A RuBisCO aktiváz ismét elősegítheti ezeknek az analógoknak a katalitikus helyekről való felszabadulását, és az enzimet katalitikusan aktív formában tarthatja. Magas hőmérsékleten azonban a RuBisCO-aktiváz aggregálódik, és nem képes többé aktiválni a RuBisCO-t. Ez hozzájárul a hőstressz során megfigyelt csökkent karboxiláló kapacitáshoz.

ATP/ADP és stromális redukciós/oxidációs állapot által az aktivázon keresztülSzerkesztés

A gátló RuBP, CA1P és a többi gátló szubsztrátanalóg eltávolítása az aktiváz által ATP fogyasztását igényli. Ezt a reakciót gátolja az ADP jelenléte, és így az aktiváz aktivitása függ e vegyületek arányától a kloroplasztisz strómában. Továbbá a legtöbb növényben az aktiváz ATP/ADP arányra való érzékenységét egy másik kis szabályozó fehérje, a tioredoxin révén a stroma redukciós/oxidációs (redox) állapota is módosítja. Ily módon az aktiváz aktivitása és a RuBisCO aktivációs állapota a fényintenzitás függvényében modulálható, és így a ribulóz-1,5-biszfoszfát szubsztrát képződésének sebessége is.

FoszfáttalSzerkesztés

A cianobaktériumokban a szervetlen foszfát (Pi) is részt vesz a fotoszintézis összehangolt szabályozásában: A Pi kötődik a RuBisCO aktív helyéhez és a nagy lánc egy másik helyéhez, ahol befolyásolhatja az enzim aktivált és kevésbé aktív konformációi közötti átmeneteket. Ily módon a bakteriális RuBisCO aktiválása különösen érzékeny lehet a Pi szintjére, ami a RuBisCO aktiváz működéséhez hasonlóan hathat a magasabb rendű növényekben.

Szén-dioxiddalSzerkesztés

Mivel a szén-dioxid és az oxigén verseng a RuBisCO aktív helyén, a RuBisCO általi szénmegkötés fokozható a RuBisCO-t tartalmazó kompartment (kloroplasztisz stróma) szén-dioxid-szintjének növelésével. A növények evolúciója során többször is kialakultak olyan mechanizmusok, amelyek növelik a szén-dioxid szintjét a strómában (lásd C4 szénmegkötés). Az oxigén szubsztrátként való felhasználása rejtélyes folyamatnak tűnik, mivel úgy tűnik, hogy a megkötött energiát kidobja. Ez azonban egy olyan mechanizmus lehet, amely megakadályozza a szénhidrát-túlterhelést a nagy fényáramú időszakokban. Az enzimnek ez a gyengesége okozza a fotorespirációt, így az egészséges levelek fényes fényben nulla nettó szénmegkötéssel rendelkezhetnek, ha a RuBisCO számára elérhető O
2 és CO
2 aránya túlságosan eltolódik az oxigén felé. Ez a jelenség elsősorban hőmérsékletfüggő: A magas hőmérséklet csökkentheti a levélszövetek nedvességében oldott CO
2 koncentrációját. Ez a jelenség a vízstresszel is összefügg: Mivel a növényi levelek párolgás útján hűlnek, a korlátozott vízmennyiség magas levélhőmérsékletet okoz. A C4 növények kezdetben a PEP-karboxiláz enzimet használják, amelynek nagyobb az affinitása a CO
2 iránt. A folyamat során először egy 4 szénatomos köztes vegyület keletkezik, amelyet a C3 fotoszintézis egyik helyére szállítanak, majd dekarboxilálják, CO
2-t szabadítva fel, így növelve a CO
2 koncentrációját, innen a C4 növények neve.

A szénsavas anyagcserét folytató (CAM) növények napközben zárva tartják a sztómáikat, amivel vizet takarítanak meg, de megakadályozzák a fénytől független reakciók (más néven Calvin-ciklus) lejátszódását, mivel ezekhez a reakciókhoz a CO
2 gázcserével át kell jutnia ezeken a nyílásokon. A levél felső oldalán keresztül történő párologtatást egy viaszréteg akadályozza meg.