RuBisCO

RuBisCO é uma das muitas enzimas do ciclo Calvin. Quando Rubisco facilita o ataque de CO2 ao carbono C2 do RuBP e subsequente clivagem da ligação entre o carbono C3 e C2, 2 moléculas de glicerato-3-fosfato são formadas. A conversão envolve estas etapas: enolização, carboxilação, hidratação, clivagem da ligação C-C e protonação.

SubstratosEditar

Substratos para RuBisCO são ribulose-1,5-bisfosfato e dióxido de carbono (distintos do dióxido de carbono “activador”). RuBisCO também catalisa uma reação de ribulose-1,5-bisfosfato e oxigênio molecular (O
2) ao invés de dióxido de carbono (CO
2). A discriminação entre os substratos CO2 e O2 é atribuída às diferentes interações dos momentos quadrupais do substrato e a um alto gradiente de campo eletrostático. Este gradiente é estabelecido pela forma dimerizada do RuBisCO minimamente ativo, que com seus dois componentes fornece uma combinação de domínios de carga oposta requerida para a interação da enzima com O2 e CO
2. Estas condições ajudam a explicar a baixa taxa de rotação encontrada no RuBisCO: A fim de aumentar a resistência do campo elétrico necessário para a interação suficiente com os momentos quadrupolares dos substratos, os segmentos terminais C e N da enzima devem ser fechados, permitindo que o local ativo seja isolado do solvente e baixando a constante dielétrica. Este isolamento tem um custo entropic significativo, e resulta na baixa taxa de rotação.

RuBPEdit de ligação

Carbamilação do grupo ε-amino do Lys201 é estabilizado pela coordenação com o Mg2+. Esta reação envolve a ligação do terminal carboxilato de Asp203 e Glu204 ao íon Mg2+. O substrato RuBP liga Mg2+ deslocando dois dos três ligandos aquo.

EnolisationEdit

Enolização do RuBP é a conversão do tautômero keto do RuBP em um enediol(comido). A enolização é iniciada pela desprotonificação em C3. A base enzimática nesta etapa tem sido debatida, mas as restrições estéreis observadas nas estruturas cristalinas fizeram do Lys201 o candidato mais provável. Especificamente, o oxigênio carbamato no Lys201 que não é coordenado com o íon Mg desprotonifica o carbono C3 do RuBP para formar um 2,3-enediolato.

CarboxilationEdit

A carboxilação do 2,3-enediolato resulta no intermediário 3-keto-2′-carboxiarabinitol-1,5-bisfosfato e Lys334 é posicionado para facilitar a adição do substrato de CO2, uma vez que substitui a terceira molécula de água coordenada Mg2+ e adiciona diretamente ao enediol. Nenhum complexo Michaelis é formado neste processo. A hidratação desta cetona resulta em um grupo hidroxi adicional em C3, formando um intermediário de gem-diol. A carboxilação e a hidratação foram propostas como uma única etapa concertada ou como duas etapas sequenciais. O mecanismo concertado é suportado pela proximidade da molécula da água ao C3 do RuBP em múltiplas estruturas cristalinas. Dentro da estrutura de espinafre, outros resíduos são bem colocados para auxiliar na etapa de hidratação, pois estão dentro da distância de ligação de hidrogênio da molécula da água.

Clivagem da ligação C-CEdit

As clivagens intermediárias de gem-diol na ligação C2-C3 para formar uma molécula de glicerato-3-fosfato e uma carga negativa de carboxilato. A protonação estereoespecífica de C2 deste carbanion resulta em outra molécula de glicerato-3-fosfato. Pensa-se que esta etapa é facilitada pelo Lys175 ou potencialmente pelo Lys201 carbamilado.

ProductsEdit

Quando o dióxido de carbono é o substrato, o produto da reacção da carboxilase é um intermediário fosforilado instável de seis-carbono conhecido como 3-cet-2-carboxiarabinitol-1,5-bisfosfato, que se decompõe rapidamente em duas moléculas de glicerato-3-fosfato. O 3-fosfoglicerato pode ser usado para produzir moléculas maiores como a glicose.

Atividades secundárias de Rubisco podem levar a subprodutos inúteis ou inibidores; um desses produtos é o xilulose-1,5-bisfosfato, que inibe a atividade de Rubisco.

Quando o oxigênio molecular é o substrato, os produtos da reação de oxigenase são fosfoglicolato e 3-fosfoglicerato. O fosfoglicolato é reciclado através de uma seqüência de reações chamada fotorrespiração, que envolve enzimas e citocromos localizados nas mitocôndrias e peroxissomas (este é um caso de reparo metabólico). Neste processo, duas moléculas de fosfoglicolato são convertidas em uma molécula de dióxido de carbono e uma molécula de 3-fosfoglicolato, que podem reentrar no ciclo de Calvin. Parte do fosfoglicolato que entra neste caminho pode ser retido pelas plantas para produzir outras moléculas, como a glicina. Nos níveis ambientais de dióxido de carbono e oxigênio, a razão das reações é de cerca de 4 para 1, o que resulta em uma fixação líquida de dióxido de carbono de apenas 3,5. Assim, a incapacidade da enzima de prevenir a reacção com o oxigénio reduz muito a capacidade fotossintética de muitas plantas. Algumas plantas, muitas algas e bactérias fotossintéticas superaram esta limitação ao conceber meios para aumentar a concentração de dióxido de carbono ao redor da enzima, incluindo a fixação de carbono C4, o metabolismo do ácido crassulaceânico e o uso da pirenoide.

Taxa de atividade enzimáticaEditar

Algumas enzimas podem realizar milhares de reações químicas a cada segundo. No entanto, RuBisCO é lento, fixando apenas 3-10 moléculas de dióxido de carbono a cada segundo por molécula de enzima. A reação catalisada por RuBisCO é, portanto, o principal fator limitador da taxa do ciclo Calvin durante o dia. No entanto, na maioria das condições, e quando a luz não limita a fotossíntese, a velocidade do RuBisCO responde positivamente ao aumento da concentração de dióxido de carbono.

RuBisCO normalmente só é ativo durante o dia, já que a ribulose 1,5-bisfosfato não é regenerada no escuro. Isto é devido à regulação de várias outras enzimas no ciclo de Calvin. Além disso, a atividade do RuBisCO é coordenada com a das outras enzimas do ciclo Calvin de várias outras formas:

Por ionsEdit

A iluminação do cloroplástico, o pH do estroma sobe de 7,0 para 8,0 por causa do gradiente do próton (íon hidrogênio, H+
) criado através da membrana tilóide. O movimento dos prótons para dentro dos tialoides é impulsionado pela luz e é fundamental para a síntese de ATP em cloroplastos (Leitura adicional: Centro de reação fotossintética; reações dependentes da luz). Para equilibrar o potencial iônico através da membrana, íons de magnésio (Mg2+
) se movem para fora dos tialoides em resposta, aumentando a concentração de magnésio no estroma dos cloroplastos. RuBisCO tem um pH ideal elevado (pode ser >9,0, dependendo da concentração de íons de magnésio) e, portanto, torna-se “ativado” pela introdução de dióxido de carbono e magnésio nos locais ativos, como descrito acima.

Por RuBisCO activaseEdit

Em plantas e algumas algas, outra enzima, RuBisCO activase (Rca, GO:0046863, P10896), é necessária para permitir a rápida formação do carbamato crítico no sítio activo de RuBisCO. Isso é necessário porque a ribulose 1,5-bisfosfato (RuBP) se liga mais fortemente aos locais ativos do RuBisCO quando há excesso de carbamato, impedindo que os processos se formem. À luz, o RuBisCO activase promove a libertação do RuBP inibitório (ou – em alguns pontos de vista – armazenamento) dos sítios catalíticos do RuBisCO. A ativase também é necessária em algumas plantas (por exemplo, tabaco e muitos feijões) porque, na escuridão, o RuBisCO é inibido (ou protegido da hidrólise) por um inibidor competitivo sintetizado por essas plantas, um substrato análogo 2-Carboxy-D-arabitinol 1-fosfato (CA1P). O CA1P liga-se firmemente ao local ativo do RuBisCO carbamilado e inibe a atividade catalítica em uma extensão ainda maior. O CA1P também demonstrou manter o RuBisCO em uma conformação que é protegida da proteólise. À luz, o RuBisCO activase também promove a libertação de CA1P a partir dos locais catalíticos. Após o CA1P ser liberado do RuBisCO, ele é rapidamente convertido para uma forma não inibitória por uma fosfatase CA1P ativada por luz. Mesmo sem estes inibidores fortes, uma vez a cada várias centenas de reacções, as reacções normais com dióxido de carbono ou oxigénio não são completadas; outros substratos análogos inibidores ainda se formam no local activo. Mais uma vez, RuBisCO ativase pode promover a liberação desses análogos a partir dos sítios catalíticos e manter a enzima em uma forma catalítica ativa. Entretanto, a altas temperaturas, o RuBisCO ativase agrega e não pode mais ativar o RuBisCO. Isto contribui para a diminuição da capacidade de carboxilação observada durante o estresse térmico.

Por ATP/ADP e estado de redução/oxidação do estroma através da ativaseEdit

A remoção do RuBP inibitório, CA1P, e dos outros substratos inibidores analógicos por ativase requer o consumo de ATP. Esta reação é inibida pela presença de ADP e, portanto, a atividade da ativase depende da proporção destes compostos no estroma cloroplástico. Além disso, na maioria das plantas, a sensibilidade da ativase à razão ATP/ADP é modificada pelo estado de redução/oxidação do estroma (redox) através de outra pequena proteína reguladora, a tioredoxina. Desta forma, a atividade da ativase e o estado de ativação do RuBisCO podem ser modulados em resposta à intensidade da luz e, assim, a taxa de formação do substrato de 1,5-bisfosfato de ribulose.

Por fosfatoEdito

Em cianobactérias, o fosfato inorgânico (Pi) também participa da regulação coordenada da fotossíntese: Pi liga-se ao sítio ativo RuBisCO e a outro sítio na grande cadeia onde pode influenciar as transições entre conformações ativadas e menos ativas da enzima. Desta forma, a ativação do RuBisCO bacteriano pode ser particularmente sensível aos níveis de Pi, o que pode fazer com que ele aja de forma similar a como a ativação RuBisCO funciona em plantas superiores.

Por dióxido de carbonoEditar

Desde que o dióxido de carbono e o oxigênio competem no local ativo do RuBisCO, a fixação de carbono pelo RuBisCO pode ser melhorada aumentando o nível de dióxido de carbono no compartimento contendo RuBisCO (estroma cloroplástico). Várias vezes durante a evolução das plantas, mecanismos evoluíram para aumentar o nível de dióxido de carbono no estroma (ver fixação de carbono C4). O uso de oxigénio como substrato parece ser um processo intrigante, uma vez que parece deitar fora a energia capturada. No entanto, pode ser um mecanismo para evitar a sobrecarga de carboidratos durante períodos de alto fluxo luminoso. Esta fraqueza da enzima é a causa da fotorrespiração, de tal forma que folhas saudáveis em luz brilhante podem ter zero fixação líquida de carbono quando a razão de O
2 para CO
2 disponível para RuBisCO se desloca demasiado para o oxigénio. Este fenômeno é principalmente dependente da temperatura: As altas temperaturas podem diminuir a concentração de CO
2 dissolvido na humidade dos tecidos foliares. Este fenômeno também está relacionado ao stress hídrico: Como as folhas das plantas são resfriadas por evaporação, a água limitada causa altas temperaturas das folhas. As plantas C4 utilizam inicialmente a enzima PEP carboxilase, que tem maior afinidade com o CO
2. O processo faz primeiro um composto intermediário de 4-carbono, que é transportado para um local de fotossíntese C3 e depois descarboxilase, liberando CO
2 para aumentar a concentração de CO
2, daí o nome de plantas C4.

Crassulacean acid metabolism (CAM) as plantas mantêm seus estômatos fechados durante o dia, o que conserva a água mas impede que ocorram as reações independentes da luz (a.k.a. o Ciclo de Calvin), já que estas reações requerem CO
2 para passar pela troca de gases através destas aberturas. A evaporação através do lado superior de uma folha é impedida por uma camada de cera.