RuBisCoの主な2つの反応。 CO2固定と酸素添加。
RuBisCOはカルビンサイクルに含まれる多くの酵素の一つである。 ルビスコがRuBPのC2炭素へのCO2の攻撃とそれに続くC3炭素とC2炭素の間の結合切断を促進すると、2分子のグリセリン酸-3-リン酸が生成される。 8751>
基質編集
RuBisCOの基質はリブロース1,5-ビスリン酸と二酸化炭素（「活性化」二酸化炭素とは異なる）である。 RuBisCOは、二酸化炭素（CO
2）の代わりにリブロース-1,5-ビスリン酸と酸素分子（O
2）の反応も触媒する。基質のCO2とO2を区別するのは、基質の四重極モーメントの異なる相互作用と高い静電場の勾配に起因している。 この勾配は、最小活性のRuBisCOの二量体によって確立され、その二量体は、酵素がO2およびCO
2と相互作用するために必要な逆帯電ドメインの組み合わせを提供します。 基質の四重極モーメントとの十分な相互作用に必要な電場の強さを上げるためには、酵素のC末端とN末端を閉じて活性部位を溶媒から隔離し、誘電率を下げなければならない。 この隔離には大きなエントロピー的コストがかかり、結果として回転率が悪くなる。
Binding RuBPEdit
Lys201のε-アミノ基のカルバミル化はMg2+との配位により安定化される。 この反応にはAsp203とGlu204のカルボキシレート末端とMg2+イオンとの結合が関与している。 基質であるRuBPはMg2+と結合し、3つのアクオ配位子のうち2つを置換する。
EnolizationEdit
RuBPのエノール化はRuBPのケト互変異性体をエンジオールに変換するもので、RuBPのケトはエネジオールと呼ばれる。 エノール化はC3での脱プロトン化により開始される。 このステップにおける酵素の塩基については議論があるが、結晶構造で観察される立体的な制約から、Lys201が最も有力な候補であるとされている。 具体的には、Mgイオンと配位していないLys201上のカルバミン酸酸素がRuBPのC3炭素を脱プロトン化し、2,3-エンジオラートを形成するのである。
CarboxylationEdit
2,3-エンジオラートのカルボキシル化により、中間体3-keto-2′-carboxyarabinitol-1,5-bisphosphateが得られ、Lys334が第3のMg2+配位水分子を置き換え、直接エンジオールに付加されるので、二酸化炭素基質の付加が促進する位置づけになっています。 この過程ではミカエリス錯体は形成されない。 このケトンの水和により、C3上にさらにヒドロキシ基が生じ、ジェム-ジオール中間体が形成される。 カルボキシル化と水和は、単一の協調的な段階として、あるいは連続した2つの段階として提案されている。 RuBPの複数の結晶構造において、水分子がC3に近接していることから、協調的なメカニズムが支持されている。
C-C結合開裂 Edit
Gem-Diol中間体はC2-C3結合で開裂し、1分子のグリセリン酸-3-リン酸と負電荷のカルボン酸が生成される。 このカルバニオンのC2が立体特異的にプロトン化され、もう1分子のグリセリン酸-3-リン酸が生成する。 この段階はLys175または潜在的にカルバミレートされたLys201によって促進されると考えられている。
ProductsEdit
二酸化炭素が基質の場合、カルボキシラーゼ反応の生成物は3-ケト-2-カルボシアラビニット-1,5-ビスフォスフェートとして知られる不安定な炭素6のリン酸化中間体で、急速に分解して2分子のグリセリン酸3-リン酸に変化する。 この3-ホスホグリセレートは、グルコースなどのより大きな分子の生成に利用できる。
ルビスコの副活動は、役に立たないか阻害する副産物をもたらすことがあり、その1つがキシルロース-1，5-ビスホスフェートで、ルビスコ活性を阻害する。
分子酸素が基質の場合、酸素化反応の生成物はホスホグリコレートと3-ホスホグリセレートである。 ホスホグリコール酸は、ミトコンドリアやペルオキシソームに存在する酵素やシトクロムが関与する光呼吸という一連の反応によってリサイクルされる（これは代謝物の修復のケースである）。 この過程で、2分子のホスホグリコール酸が1分子の二酸化炭素と1分子の3-ホスホグリセレートに変換され、カルビンサイクルに再還元されることができる。 この経路に入ったホスホグリコール酸の一部は、植物がグリシンなどの他の分子を生産するために保持することができる。 周囲に二酸化炭素と酸素がある場合、この反応の比率は約4対1であり、正味の二酸化炭素固定量はわずか3.5である。 このように、酵素が酸素との反応を防ぐことができないため、多くの植物の光合成能力は大きく低下してしまうのである。 一部の植物、多くの藻類、光合成細菌は、C4炭素固定、カラスムギ酸代謝、ピレノイドの利用など、酵素の周囲の二酸化炭素濃度を高める手段を工夫してこの制限を克服している。
酵素活性の速度編集
カルビンサイクルと炭素固定の概要
一部の酵素は毎秒数千回の化学反応を実行することができます。 しかし、RuBisCOは遅く、酵素1分子あたり毎秒3-10個の二酸化炭素分子しか固定しません。 したがって、RuBisCOによって触媒される反応は、日中のカルビンサイクルの主要な律速要因である。 それにもかかわらず、ほとんどの条件下で、光が光合成を制限していない場合、RuBisCOの速度は二酸化炭素濃度の増加に積極的に反応する。
暗所ではリブロース1,5-ビスリン酸が再生されないため、通常RuBisCOは日中にのみ活性化される。 これはカルビンサイクルの他のいくつかの酵素を調節しているためである。
By ionsEdit
葉緑体に光が当たると、チラコイド膜にプロトン（水素イオン、H+
）勾配ができて、間質のpHが7.0から8.0に上昇する。 プロトンのチラコイドへの移動は光によって引き起こされ、葉緑体におけるATP合成の基本となっている（参考：光合成反応中心、光依存性反応）。 膜のイオン電位のバランスをとるために、マグネシウムイオン（Mg2+
）がチラコイドから移動し、葉緑体の間質中のマグネシウム濃度を増加させるのである。 RuBisCOは高い至適pH（マグネシウムイオン濃度に依存して>9.0となりうる）を有するため、上記のように活性部位に二酸化炭素とマグネシウムが導入されることで「活性化」されるようになる。
By RuBisCO activaseEdit
植物や一部の藻類では、RuBisCOの活性部位に重要なカルバメートを迅速に形成させるために、別の酵素、RuBisCO activase（Rca, GO:0046863, P10896）が必要である。 これは、リブロース1,5-ビスホスフェート（RuBP）が、過剰なカルバメートが存在するとRuBisCOの活性部位に強く結合し、プロセスの前進を妨げるためである。 光照射により、RuBisCOアクチバーゼは、RuBisCOの触媒部位から抑制的な（あるいは貯蔵的な）RuBPの遊離を促進する。 暗所では、RuBisCOはこれらの植物が合成する競合阻害剤である基質アナログ2-カルボキシ-D-アラビチノール1-リン酸（CA1P）によって阻害（あるいは加水分解から保護）されるため、アクチベーターはいくつかの植物（例えば、タバコや多くの豆）にも必要である。 CA1Pはカルバミル化されたRuBisCOの活性部位に強固に結合し、触媒活性をさらに大きく阻害する。 また、CA1PはRuBisCOをタンパク質分解から保護されたコンフォメーションに維持することが示されている。 光照射下では、RuBisCOアクチベーターは触媒部位からのCA1Pの遊離も促進する。 CA1PがRuBisCOから放出された後、光で活性化されたCA1P-ホスファターゼによって速やかに非阻害型に変換される。 これらの強力な阻害剤がなくても、数百回の反応に一度、二酸化炭素や酸素との正常な反応が完了せず、他の阻害基質アナログが活性部位に形成されたままである。 この場合も、RuBisCOアクチバーゼは、これらのアナログの触媒部位からの遊離を促進し、酵素を触媒活性のある状態に維持することができる。 しかし、高温ではRuBisCOアクチバーゼは凝集し、もはやRuBisCOを活性化することができなくなる。 これは熱ストレス時に観察されるカルボキシル化能の低下に寄与する。
ATP/ADPおよびストローマ還元/酸化状態によるアクチバーゼの編集
アクチバーゼによる阻害性RuBP、CA1Pおよび他の阻害基質アナログの除去には、ATPを消費することが必要である。 この反応はADPの存在により阻害されるため，アクチバーゼ活性は葉緑体間質中のこれらの化合物の比率に依存する． さらに、多くの植物では、ATP/ADPの比率に対するアクチバーゼの感受性は、もう一つの小さな制御タンパク質であるチオレドキシンを介して、間質の還元/酸化（レドックス）状態によって修飾される。 このようにして、アクチバーゼの活性とRuBisCOの活性化状態が光強度に対応して調節され、その結果、リブロース1,5-ビスリン酸基質の生成速度が変化する。
by phosphateEdit
Cyanobacteriaにおいて、無機リン酸（Pi）も光合成の協調制御に関与している。 PiはRuBisCOの活性部位と大鎖の別の部位に結合し、酵素の活性化コンフォメーションと低活性コンフォメーション間の遷移に影響を与えることができる。 このように、細菌のRuBisCOの活性化は特にPiレベルに敏感であり、高等植物におけるRuBisCOアクチバーゼの機能と同様の働きをさせるかもしれない。
炭酸ガスによる編集
RuBisCOの活性部位では二酸化炭素と酸素は競合するので、RuBisCOを含む区画（葉緑体のストロマ）の二酸化炭素レベルを高めることによりRuBisCOによる炭素固定を高めることができます。 植物の進化の過程で、間質中の二酸化炭素濃度を高める仕組みが何度か進化してきた（C4炭素固定を参照）。 酸素を基質として利用することは、取り込んだエネルギーを捨ててしまうようで、不可解なプロセスであるように見える。 しかし、光量が多い時期に炭水化物の過剰摂取を防ぐためのメカニズムである可能性もある。 この酵素の弱点が光呼吸の原因であり、RuBisCOが利用できるO
2とCO
2の比率が酸素側に傾きすぎると、明るい光の中で健康な葉の炭素固定量がゼロになる可能性があるのだ。 この現象は主に温度依存的である。 高温は、葉組織の水分に溶けているCO
2濃度を減少させることができる。 また、この現象は水ストレスにも関係している。 植物の葉は蒸発冷却されるため、水分が不足すると葉の温度が高くなる。 C4植物は、まずCO
2との親和性が高いPEPカルボキシラーゼという酵素を使い、炭素数4の中間体を作り、それをC3光合成の部位に移動させて脱炭酸し、CO
2を放出することでCO
2濃度を高めるので、C4植物という名称になっています。
甲殻類酸代謝（CAM）植物は、日中は気孔を閉じているため、水は節約できるが、光に依存しない反応（別名カルビンサイクル）が行われない。 葉の上面からの蒸発は、蝋の層によって防がれている
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