Două reacții principale ale RuBisCo: Fixarea CO2 și oxigenarea.
RuBisCO este una dintre numeroasele enzime din ciclul Calvin. Când Rubisco facilitează atacul CO2 la carbonul C2 al RuBP și ruperea ulterioară a legăturii dintre carbonul C3 și C2, se formează 2 molecule de glicerat-3-fosfat. Conversia implică următoarele etape: enolizare, carboxilare, hidratare, ruperea legăturii C-C și protonare.
SubstrateEdit
Substratele pentru RuBisCO sunt ribulosa-1,5-bisfosfat și dioxidul de carbon (distinct de dioxidul de carbon „activator”). RuBisCO catalizează, de asemenea, o reacție de ribouloză-1,5-bisfosfat și oxigen molecular (O
2) în loc de dioxid de carbon (CO
2).Discriminarea între substraturile CO2 și O2 este atribuită interacțiunilor diferite ale momentelor cvadripolare ale substratului și unui gradient de câmp electrostatic ridicat. Acest gradient este stabilit de forma dimeră a RuBisCO minim activă, care, împreună cu cele două componente ale sale, oferă o combinație de domenii cu sarcini opuse necesare pentru interacțiunea enzimei cu O2 și CO
2. Aceste condiții ajută la explicarea ratei scăzute de reînnoire constatate la RuBisCO: pentru a crește intensitatea câmpului electric necesar pentru o interacțiune suficientă cu momentele cuadripolare ale substraturilor, segmentele terminale C- și N- ale enzimei trebuie să fie închise, permițând izolarea situsului activ de solvent și scăzând constanta dielectrică. Această izolare are un cost entropic semnificativ și are ca rezultat rata slabă de rotație.
Legătura RuBPEdit
Carbamilarea grupării ε-amino a Lys201 este stabilizată prin coordonarea cu Mg2+. Această reacție implică legarea terminațiilor carboxilate ale Asp203 și Glu204 la ionul Mg2+. Substratul RuBP se leagă de Mg2+, dislocând doi dintre cei trei liganzi aquo.
EnolizareEdit
Enolizarea RuBP este conversia tautomerului ceto al RuBP în enediol(ate). Enolizarea este inițiată prin deprotonarea la C3. Baza enzimatică în această etapă a fost dezbătută, dar constrângerile sterice observate în structurile cristaline au făcut din Lys201 candidatul cel mai probabil. Mai exact, oxigenul carbamat de pe Lys201, care nu este coordonat cu ionul Mg, deprotonează carbonul C3 al RuBP pentru a forma un 2,3-endiolat.
CarboxilareEdit
Carboxilarea 2,3-endiolatului are ca rezultat intermediarul 3-ceto-2′-carboxiarabinitol-1,5-bisfosfat, iar Lys334 este poziționat pentru a facilita adăugarea substratului CO2, deoarece înlocuiește a treia moleculă de apă coordonată de Mg2+ și se adaugă direct la enediol. În acest proces nu se formează niciun complex Michaelis. Hidratarea acestei cetone are ca rezultat o grupare hidroxi suplimentară pe C3, formând un intermediar gem-diol. Carboxilarea și hidratarea au fost propuse fie ca o singură etapă concertată, fie ca două etape secvențiale. Mecanismul concertat este susținut de apropierea moleculei de apă de C3 a RuBP în mai multe structuri cristaline. În cadrul structurii de spanac, alte reziduuri sunt bine plasate pentru a ajuta la etapa de hidratare, deoarece se află la o distanță de legătură de hidrogen față de molecula de apă.
Scindarea legăturii C-CEdit
Intermediarul gem-diol se scindează la nivelul legăturii C2-C3 pentru a forma o moleculă de glicerat-3-fosfat și un carboxilat cu sarcină negativă. Protonarea stereo-specifică a C2 a acestui carbanion are ca rezultat o altă moleculă de glicerat-3-fosfat. Se crede că această etapă este facilitată de Lys175 sau, eventual, de Lys201 carbamilată.
ProduseEdit
Când dioxidul de carbon este substratul, produsul reacției carboxilazei este un intermediar fosforilat instabil cu șase atomi de carbon, cunoscut sub numele de 3-ceto-2-carboxiarabinitol-1,5-bisfosfat, care se descompune rapid în două molecule de glicerat-3-fosfat. 3-fosfogliceratul poate fi utilizat pentru a produce molecule mai mari, cum ar fi glucoza.
Activitățile secundare ale Rubisco pot duce la produse secundare inutile sau inhibitoare; un astfel de produs este xiluloza-1,5-bisfosfat, care inhibă activitatea Rubisco.
Când oxigenul molecular este substratul, produsele reacției de oxigenază sunt fosfoglicolatul și 3-fosfogliceratul. Fosfoglicolatul este reciclat printr-o secvență de reacții numită fotorespirație, care implică enzime și citocromi localizați în mitocondrii și peroxizomi (acesta este un caz de reparare a metaboliților). În acest proces, două molecule de fosfoglicolat sunt transformate într-o moleculă de dioxid de carbon și o moleculă de 3-fosfoglicerat, care poate reintra în ciclul Calvin. O parte din fosfoglicolatul care intră pe această cale poate fi reținut de plante pentru a produce alte molecule, cum ar fi glicina. La nivelurile ambientale de dioxid de carbon și oxigen, raportul dintre reacții este de aproximativ 4 la 1, ceea ce duce la o fixare netă a dioxidului de carbon de numai 3,5. Astfel, incapacitatea enzimei de a împiedica reacția cu oxigenul reduce considerabil capacitatea fotosintetică a multor plante. Unele plante, multe alge și bacterii fotosintetice au depășit această limitare prin conceperea unor mijloace de creștere a concentrației de dioxid de carbon în jurul enzimei, inclusiv prin fixarea carbonului C4, metabolismul acizilor crassulacei și utilizarea pirenoidelor.
Rata activității enzimaticeEdit
Vizualizare generală a ciclului Calvin și a fixării carbonului.
Câteva enzime pot efectua mii de reacții chimice în fiecare secundă. Cu toate acestea, RuBisCO este lent, fixând doar 3-10 molecule de dioxid de carbon în fiecare secundă per moleculă de enzimă. Reacția catalizată de RuBisCO este, astfel, principalul factor de limitare a vitezei ciclului Calvin în timpul zilei. Cu toate acestea, în majoritatea condițiilor și atunci când lumina nu limitează în alt mod fotosinteza, viteza RuBisCO răspunde pozitiv la creșterea concentrației de dioxid de carbon.
RuBisCO este, de obicei, activă numai în timpul zilei, deoarece riboza 1,5-bisfosfat nu se regenerează în întuneric. Acest lucru se datorează reglării mai multor alte enzime din ciclul Calvin. În plus, activitatea RuBisCO este coordonată cu cea a altor enzime din ciclul Calvin în alte câteva moduri:
Prin ioniEdit
La iluminarea cloroplastelor, pH-ul stromei crește de la 7,0 la 8,0 datorită gradientului de protoni (ion de hidrogen, H+
) creat de-a lungul membranei tiroziene. Mișcarea protonilor în interiorul tirocoidelor este determinată de lumină și este fundamentală pentru sinteza ATP în cloroplaste (Lectură suplimentară: Centrul de reacție fotosintetică; Reacții dependente de lumină). Pentru a echilibra potențialul ionic de-a lungul membranei, ionii de magneziu (Mg2+
) se deplasează în afara tirocoizilor ca răspuns, crescând concentrația de magneziu în stroma cloroplastelor. RuBisCO are un pH optim ridicat (poate fi >9,0, în funcție de concentrația de ioni de magneziu) și, astfel, devine „activat” prin introducerea dioxidului de carbon și a magneziului în situsurile active, așa cum s-a descris mai sus.
Prin RuBisCO activazăEdit
La plante și la unele alge, o altă enzimă, RuBisCO activază (Rca, GO:0046863, P10896), este necesară pentru a permite formarea rapidă a carbamatului critic în situsul activ al RuBisCO. Acest lucru este necesar deoarece ribouloza 1,5-bisfosfat (RuBP) se leagă mai puternic de situsurile active ale RuBisCO atunci când este prezent un exces de carbamat, împiedicând procesele să avanseze. La lumină, activarea RuBisCO favorizează eliberarea RuBP inhibitor (sau – în unele puncte de vedere – de depozitare) de la situsurile catalitice ale RuBisCO. Activaza este, de asemenea, necesară la unele plante (de exemplu, la tutun și la multe fasole) deoarece, la întuneric, RuBisCO este inhibată (sau protejată de hidroliză) de un inhibitor competitiv sintetizat de aceste plante, un analog de substrat 2-Carboxi-D-arabitinol 1-fosfat (CA1P). CA1P se leagă strâns de situsul activ al RuBisCO carbamilat și inhibă activitatea catalitică într-o măsură și mai mare. De asemenea, s-a demonstrat că CA1P menține RuBisCO într-o conformație care este protejată de proteoliză. La lumină, activarea RuBisCO promovează, de asemenea, eliberarea CA1P din situsurile catalitice. După ce CA1P este eliberată din RuBisCO, aceasta este rapid transformată într-o formă neinhibitoare de către o CA1P-fosfatază activată de lumină. Chiar și fără acești inhibitori puternici, o dată la câteva sute de reacții, reacțiile normale cu dioxidul de carbon sau cu oxigenul nu sunt finalizate; în situsul activ se formează în continuare alți analogi inhibitori ai substratului. Încă o dată, activarea RuBisCO poate promova eliberarea acestor analogi din situsurile catalitice și menține enzima într-o formă catalitică activă. Cu toate acestea, la temperaturi ridicate, activaza RuBisCO se agregă și nu mai poate activa RuBisCO. Acest lucru contribuie la scăderea capacității de carboxilare observată în timpul stresului termic.
Prin ATP/ADP și starea de reducere/oxidare a stromei prin intermediul activazeiEdit
Îndepărtarea de către activază a analogilor inhibitori RuBP, CA1P și a celorlalți analogi de substrat inhibitori necesită consumul de ATP. Această reacție este inhibată de prezența ADP și, astfel, activitatea activazei depinde de raportul dintre acești compuși în stroma cloroplastului. În plus, la majoritatea plantelor, sensibilitatea activazei la raportul ATP/ADP este modificată de starea de reducere/oxidare (redox) a stromei prin intermediul unei alte proteine mici de reglare, tioredoxina. În acest mod, activitatea activazei și starea de activare a RuBisCO pot fi modulate ca răspuns la intensitatea luminoasă și, astfel, la rata de formare a substratului ribouloză 1,5-bisfosfat.
Prin fosfatEdit
La cianobacterii, fosfatul anorganic (Pi) participă, de asemenea, la reglarea coordonată a fotosintezei: Pi se leagă de situsul activ RuBisCO și de un alt situs de pe lanțul mare, unde poate influența tranzițiile între conformațiile activate și cele mai puțin active ale enzimei. În acest fel, activarea RuBisCO bacteriană ar putea fi deosebit de sensibilă la nivelurile de Pi, ceea ce ar putea face ca aceasta să acționeze într-un mod similar cu modul în care funcționează activarea RuBisCO la plantele superioare.
Prin dioxid de carbonEdit
Din moment ce dioxidul de carbon și oxigenul concurează la nivelul situsului activ al RuBisCO, fixarea carbonului de către RuBisCO poate fi îmbunătățită prin creșterea nivelului de dioxid de carbon în compartimentul care conține RuBisCO (stroma cloroplastului). De mai multe ori pe parcursul evoluției plantelor, au evoluat mecanisme de creștere a nivelului de dioxid de carbon în stroma (a se vedea fixarea carbonului C4). Utilizarea oxigenului ca substrat pare a fi un proces derutant, deoarece pare să arunce energia captată. Cu toate acestea, poate fi un mecanism de prevenire a supraîncărcării cu carbohidrați în timpul perioadelor de flux luminos ridicat. Această slăbiciune a enzimei este cauza fotorespirației, astfel încât frunzele sănătoase în condiții de lumină puternică pot avea o fixare netă zero a carbonului atunci când raportul dintre O
2 și CO
2 disponibil pentru RuBisCO se schimbă prea mult în favoarea oxigenului. Acest fenomen este în primul rând dependent de temperatură: Temperaturile ridicate pot scădea concentrația de CO
2 dizolvat în umiditatea țesuturilor frunzelor. Acest fenomen este, de asemenea, legat de stresul hidric: Deoarece frunzele plantelor sunt răcite prin evaporare, apa limitată determină temperaturi ridicate ale frunzelor. Plantele C4 utilizează inițial enzima PEP carboxilaza, care are o afinitate mai mare pentru CO
2. Procesul produce mai întâi un compus intermediar cu 4 atomi de carbon, care este transferat într-un situs de fotosinteză C3, apoi de-carboxilat, eliberând CO
2 pentru a crește concentrația de CO
2, de unde și denumirea de plante C4.
Plantele cu metabolism acid-crassulaceu (CAM) își mențin stomatele închise în timpul zilei, ceea ce conservă apa, dar împiedică desfășurarea reacțiilor independente de lumină (cunoscut și sub numele de ciclul Calvin), deoarece aceste reacții necesită ca CO
2 să treacă prin schimb de gaze prin aceste deschideri. Evaporarea prin partea superioară a unei frunze este împiedicată de un strat de ceară.
.