RuBisCO

RuBisCO est l’une des nombreuses enzymes du cycle de Calvin. Lorsque la Rubisco facilite l’attaque du CO2 sur le carbone C2 de la RuBP et le clivage ultérieur de la liaison entre le carbone C3 et C2, 2 molécules de glycérate-3-phosphate sont formées. La conversion implique ces étapes : énolisation, carboxylation, hydratation, clivage de la liaison C-C et protonation.

SubstratsEdit

Les substrats de RuBisCO sont le ribulose-1,5-bisphosphate et le dioxyde de carbone (distinct du dioxyde de carbone « activateur »). RuBisCO catalyse également une réaction de ribulose-1,5-bisphosphate et d’oxygène moléculaire (O
2) au lieu du dioxyde de carbone (CO
2).La discrimination entre les substrats CO2 et O2 est attribuée aux interactions différentes des moments quadripolaires du substrat et à un gradient de champ électrostatique élevé. La discrimination entre les substrats CO2 et O2 est attribuée aux interactions différentes des moments quadripolaires du substrat et à un gradient de champ électrostatique élevé. Ce gradient est établi par la forme dimère de la RuBisCO minimalement active, qui, avec ses deux composants, fournit une combinaison de domaines de charge opposée nécessaires à l’interaction de l’enzyme avec O2 et CO
2. Ces conditions permettent d’expliquer le faible taux de renouvellement de la RuBisCO : afin d’augmenter la force du champ électrique nécessaire à une interaction suffisante avec les moments quadripolaires des substrats, les segments terminaux C et N de l’enzyme doivent être fermés, ce qui permet d’isoler le site actif du solvant et d’abaisser la constante diélectrique. Cet isolement a un coût entropique important, et entraîne un faible taux de renouvellement.

La liaison RuBPEdit

La carbamylation du groupe ε-amino de Lys201 est stabilisée par la coordination avec le Mg2+. Cette réaction implique la liaison des terminaisons carboxylate de Asp203 et Glu204 à l’ion Mg2+. Le substrat RuBP se lie au Mg2+ en déplaçant deux des trois ligands aquo.

EnolisationEdit

L’énolisation du RuBP est la conversion du tautomère céto du RuBP en un enediol(ate). L’énolisation est initiée par la déprotonation en C3. La base de l’enzyme dans cette étape a été débattue, mais les contraintes stériques observées dans les structures cristallines ont fait de Lys201 le candidat le plus probable. Plus précisément, l’oxygène carbamate sur Lys201 qui n’est pas coordonné avec l’ion Mg déprotonise le carbone C3 de RuBP pour former un 2,3-enediolate.

CarboxylationEdit

La carboxylation du 2,3-enediolate résulte en l’intermédiaire 3-céto-2′-carboxyarabinitol-1,5-bisphosphate et Lys334 est positionné pour faciliter l’addition du substrat CO2 car il remplace la troisième molécule d’eau coordonnée par Mg2+ et s’ajoute directement à l’enediol. Aucun complexe de Michaelis n’est formé dans ce processus. L’hydratation de cette cétone entraîne un groupe hydroxy supplémentaire sur C3, formant un intermédiaire gem-diol. La carboxylation et l’hydratation ont été proposées soit comme une seule étape concertée, soit comme deux étapes séquentielles. Le mécanisme concerté est soutenu par la proximité de la molécule d’eau à C3 de RuBP dans de multiples structures cristallines. Dans la structure d’épinard, d’autres résidus sont bien placés pour aider à l’étape d’hydratation car ils sont à distance de liaison hydrogène de la molécule d’eau.

Clivage de la liaison C-CEdit

L’intermédiaire gem-diol se clive au niveau de la liaison C2-C3 pour former une molécule de glycérate-3-phosphate et un carboxylate de charge négative. La protonation stéréospécifique de C2 de ce carbanion donne une autre molécule de glycérate-3-phosphate. On pense que cette étape est facilitée par la Lys175 ou potentiellement la Lys201 carbamylée.

ProduitsEdit

Lorsque le dioxyde de carbone est le substrat, le produit de la réaction de la carboxylase est un intermédiaire phosphorylé instable à six carbones connu sous le nom de 3-keto-2-carboxyarabinitol-1,5-bisphosphate, qui se désintègre rapidement en deux molécules de glycérate-3-phosphate. Le 3-phosphoglycérate peut être utilisé pour produire des molécules plus grandes comme le glucose.

Les activités secondaires de la Rubisco peuvent conduire à des sous-produits inutiles ou inhibiteurs ; un de ces produits est le xylulose-1,5-bisphosphate, qui inhibe l’activité de la Rubisco.

Lorsque l’oxygène moléculaire est le substrat, les produits de la réaction de l’oxygénase sont le phosphoglycolate et le 3-phosphoglycérate. Le phosphoglycolate est recyclé par une séquence de réactions appelée photorespiration, qui implique des enzymes et des cytochromes situés dans les mitochondries et les peroxysomes (c’est un cas de réparation des métabolites). Au cours de ce processus, deux molécules de phosphoglycolate sont converties en une molécule de dioxyde de carbone et une molécule de 3-phosphoglycérate, qui peut réintégrer le cycle de Calvin. Une partie du phosphoglycolate entrant dans cette voie peut être conservée par les plantes pour produire d’autres molécules telles que la glycine. Aux niveaux ambiants de dioxyde de carbone et d’oxygène, le rapport des réactions est d’environ 4 à 1, ce qui entraîne une fixation nette du dioxyde de carbone de seulement 3,5. Ainsi, l’incapacité de l’enzyme à empêcher la réaction avec l’oxygène réduit considérablement la capacité photosynthétique de nombreuses plantes. Certaines plantes, de nombreuses algues et des bactéries photosynthétiques ont surmonté cette limitation en concevant des moyens d’augmenter la concentration de dioxyde de carbone autour de l’enzyme, notamment la fixation du carbone en C4, le métabolisme des acides crassulacés et l’utilisation du pyrénoïde.

Vitesse de l’activité enzymatiqueModifier

Certaines enzymes peuvent effectuer des milliers de réactions chimiques chaque seconde. Cependant, RuBisCO est lente, fixant seulement 3 à 10 molécules de dioxyde de carbone chaque seconde par molécule d’enzyme. La réaction catalysée par RuBisCO est donc le principal facteur limitant la vitesse du cycle de Calvin pendant la journée. Néanmoins, dans la plupart des conditions, et lorsque la lumière ne limite pas autrement la photosynthèse, la vitesse de RuBisCO répond positivement à l’augmentation de la concentration en dioxyde de carbone.

RuBisCO n’est généralement active que pendant la journée, car le ribulose 1,5-bisphosphate n’est pas régénéré dans l’obscurité. Ceci est dû à la régulation de plusieurs autres enzymes du cycle de Calvin. En outre, l’activité de RuBisCO est coordonnée avec celle des autres enzymes du cycle de Calvin de plusieurs autres façons :

Par les ionsEdit

Lors de l’illumination des chloroplastes, le pH du stroma passe de 7,0 à 8,0 en raison du gradient de protons (ion hydrogène, H+
) créé à travers la membrane thylakoïde. Le mouvement des protons dans les thylakoïdes est entraîné par la lumière et est fondamental pour la synthèse de l’ATP dans les chloroplastes (Pour en savoir plus : Centre de réaction de la photosynthèse ; Réactions dépendantes de la lumière). Pour équilibrer le potentiel ionique à travers la membrane, les ions magnésium (Mg2+
) sortent des thylakoïdes en réponse, augmentant la concentration de magnésium dans le stroma des chloroplastes. RuBisCO a un pH optimal élevé (peut être >9,0, selon la concentration en ions magnésium) et, ainsi, devient « activé » par l’introduction de dioxyde de carbone et de magnésium dans les sites actifs comme décrit ci-dessus.

Par RuBisCO activaseEdit

Dans les plantes et certaines algues, une autre enzyme, RuBisCO activase (Rca, GO:0046863, P10896), est nécessaire pour permettre la formation rapide du carbamate critique dans le site actif de RuBisCO. Ceci est nécessaire car le ribulose 1,5-bisphosphate (RuBP) se lie plus fortement aux sites actifs de RuBisCO lorsqu’un excès de carbamate est présent, empêchant les processus de progresser. À la lumière, l’activase de RuBisCO favorise la libération du RuBP inhibiteur (ou – selon certains points de vue – stockeur) des sites catalytiques de RuBisCO. L’activase est également nécessaire chez certaines plantes (par exemple, le tabac et de nombreux haricots) car, dans l’obscurité, la RuBisCO est inhibée (ou protégée de l’hydrolyse) par un inhibiteur compétitif synthétisé par ces plantes, un analogue du substrat, le 2-Carboxy-D-arabitinol 1-phosphate (CA1P). Le CA1P se lie étroitement au site actif de la RuBisCO carbamylée et inhibe l’activité catalytique dans une mesure encore plus grande. Il a également été démontré que le CA1P maintient la RuBisCO dans une conformation qui est protégée de la protéolyse. À la lumière, l’activase de RuBisCO favorise également la libération de CA1P des sites catalytiques. Une fois que le CA1P est libéré de RuBisCO, il est rapidement converti en une forme non inhibitrice par une CA1P-phosphatase activée par la lumière. Même sans ces inhibiteurs puissants, une fois toutes les plusieurs centaines de réactions, les réactions normales avec le dioxyde de carbone ou l’oxygène ne sont pas achevées ; d’autres analogues de substrat inhibiteurs sont encore formés dans le site actif. Une fois encore, l’activase RuBisCO peut favoriser la libération de ces analogues des sites catalytiques et maintenir l’enzyme sous une forme catalytiquement active. Cependant, à haute température, l’activase de RuBisCO s’agrège et ne peut plus activer RuBisCO. Ceci contribue à la diminution de la capacité de carboxylation observée lors d’un stress thermique.

Par l’ATP/ADP et l’état de réduction/oxydation stromale par l’activaseEdit

L’élimination des analogues inhibiteurs du RuBP, du CA1P et des autres analogues inhibiteurs du substrat par l’activase nécessite la consommation d’ATP. Cette réaction est inhibée par la présence d’ADP, et, ainsi, l’activité de l’activase dépend du rapport de ces composés dans le stroma du chloroplaste. En outre, chez la plupart des plantes, la sensibilité de l’activase au rapport ATP/ADP est modifiée par l’état de réduction/oxydation (redox) du stroma par l’intermédiaire d’une autre petite protéine régulatrice, la thiorédoxine. De cette manière, l’activité de l’activase et l’état d’activation de RuBisCO peuvent être modulés en réponse à l’intensité lumineuse et, ainsi, au taux de formation du substrat ribulose 1,5-bisphosphate.

Par phosphateEdit

Dans les cyanobactéries, le phosphate inorganique (Pi) participe également à la régulation coordonnée de la photosynthèse : Le Pi se lie au site actif de RuBisCO et à un autre site de la grande chaîne où il peut influencer les transitions entre les conformations activées et moins actives de l’enzyme. De cette façon, l’activation de la RuBisCO bactérienne pourrait être particulièrement sensible aux niveaux de Pi, ce qui pourrait l’amener à agir de manière similaire à la façon dont l’activase de la RuBisCO fonctionne chez les plantes supérieures.

Par le dioxyde de carboneEdit

Puisque le dioxyde de carbone et l’oxygène sont en compétition au niveau du site actif de la RuBisCO, la fixation du carbone par la RuBisCO peut être améliorée en augmentant le niveau de dioxyde de carbone dans le compartiment contenant la RuBisCO (stroma du chloroplaste). Plusieurs fois au cours de l’évolution des plantes, des mécanismes ont évolué pour augmenter le niveau de dioxyde de carbone dans le stroma (voir fixation du carbone en C4). L’utilisation de l’oxygène comme substrat semble être un processus déroutant, car il semble rejeter l’énergie capturée. Cependant, il peut s’agir d’un mécanisme permettant d’éviter la surcharge en glucides pendant les périodes de flux lumineux élevé. Cette faiblesse de l’enzyme est à l’origine de la photorespiration, de sorte que des feuilles saines sous une lumière vive peuvent avoir une fixation nette du carbone nulle lorsque le rapport entre O
2 et CO
2 disponible pour RuBisCO se déplace trop vers l’oxygène. Ce phénomène dépend principalement de la température : Les températures élevées peuvent diminuer la concentration de CO
2 dissous dans l’humidité des tissus foliaires. Ce phénomène est également lié au stress hydrique : Les feuilles des plantes étant refroidies par évaporation, une quantité limitée d’eau entraîne une température élevée des feuilles. Les plantes C4 utilisent initialement l’enzyme PEP carboxylase, qui a une plus grande affinité pour le CO
2. Le processus fabrique d’abord un composé intermédiaire à 4 carbones, qui est acheminé vers un site de photosynthèse C3 puis dé-carboxylé, libérant le CO
2 pour augmenter la concentration de CO
2, d’où le nom de plantes C4.

Les plantes à métabolisme acide crassulacé (CAM) gardent leurs stomates fermés pendant la journée, ce qui conserve l’eau mais empêche les réactions indépendantes de la lumière (alias le cycle de Calvin) d’avoir lieu, car ces réactions nécessitent que le CO
2 passe par échange gazeux à travers ces ouvertures. L’évaporation par la face supérieure d’une feuille est empêchée par une couche de cire.