Прејди на содржината

Рибулоза-бифосфатна карбоксилаза

Од Википедија — слободната енциклопедија
Рибулоза-1,5-бифосфат карбоксилаза/оксигеназа
3Д приказ на активираниот RuBisCO од спанаќ во отворена форма со достапно активно место. Остатоците од активното место Lys175 се означени со розова боја, а од десно е прикажан зголемување на остатокот за еден од мономерите што го сочинуваат ензимот.
Назнаки
EC-број4.1.1.39
Бази на податоци
IntEnzIntEnz view
BRENDABRENDA entry
ExPASyNiceZyme view
KEGGKEGG entry
MetaCycmetabolic pathway
PRIAMprofile
PDB структуриRCSB PDB PDBj PDBe PDBsum

Рибулоза-1,5-бисфосфат карбоксилаза/оксигеназа, попозната под кратенката RuBisCo[1][2][3] е ензим (EC 4.1.1.39) вклучен во светло-независниот (или „темниот“) дел од фотосинтезата, вклучувајќи ја и фиксацијата на јаглерод со која атмосферскиот јаглерод диоксид се претвора од растенијата и другите фотосинтетски организми во молекули богати со енергија како што е гликозата. Се појавила пред приближно четири милијарди години во исконскиот метаболизам пред присуството на кислород на Земјата.[4] Веројатно е најзастапениот ензим на Земјата. Во хемиска смисла, катализира карбоксилација на рибулоза-1,5-бисфосфат (исто така познат како RuBP).[5][6][7]

Алтернативни патишта за фиксација на јаглерод

[уреди | уреди извор]

RuBisCO е биолошки важна бидејќи катализира примарната хемиска реакција преку која неорганскиот јаглерод влегува во биосферата. Додека многу автотрофни бактерии и археи го фиксираат јаглеродот преку редуктивниот ацетил CoA пат, 3-хидроксипропионатниот циклус или обратниот Кребсов циклус, овие патишта се релативно мали придонесувачи за глобалната фиксација на јаглерод во споредба со онаа катализирана од RuBisCO. Фосфоенолпируват карбоксилазата, за разлика од RuBisCO, само привремено го фиксира јаглеродот. Одразувајќи ја својата важност, RuBisCO е најзастапениот протеин во лисјата, сочинувајќи 50% од растворливиот протеин на листот кај C3 растенијата (20-30% од вкупниот азот на листот) и 30% од растворливиот протеин на листот кај C4 растенијата (5-9% од вкупниот азот на листот).[7] Со оглед на неговата важна улога во биосферата, генетскиот инженеринг на RuBisCO кај културите е од континуиран интерес.

Структура

[уреди | уреди извор]
Активно место на RuBisCO на Galdieria sulphuraria со CO : Остатоците вклучени и во активното место и стабилизирачкиот CO за ензимска катализа се прикажани во боја и означени. Растојанијата интеракциите на водородните врски се прикажани во ангстреми. Mg2+ јон (зелена сфера) е прикажан координиран CO, а по него следат три молекули на вода (црвени сфери). Сите други остатоци се поставени во сива скала.
Локација на генот rbcL во хлоропластниот геном на Arabidopsis thaliana (позиции околу 55-56,4 kb). rbcL е еден од 21-те гени што кодираат протеини вклучени во фотосинтезата (зелени кутии).

Кај растенијата, алгите, цијанобактериите и фототрофните и хемоавтотрофните Pseudomonadota (порано познати како протеобактерии), ензимот обично се состои од два вида протеински подединици, наречени голем ланец (L, околу 55.000 Da) и мал ланец (S, околу 13.000 Da). Генот за голем ланец (rbcL) е кодиран од ДНК-та на хлоропластот кај растенијата.[8] Во јадрото на растителните клетки обично има неколку поврзани гени за мал ланец, а малите ланци се внесуваат во стромалниот оддел на хлоропластите од цитозолот со преминување на надворешната хлоропластна мембрана.[6][9] Ензимски активните места за врзување на супстратот (рибулоза 1,5-бисфосфа) се наоѓаат во големите ланци кои формираат димери во кои аминокиселините од секој голем ланец придонесуваат за местата за врзување. Вкупно осум големи ланци (= четири димери) и осум мали ланци се составуваат во поголем комплекс од околу 540.000 Da.[10] Кај некои Pseudomonadota и динофлагелати, пронајдени се ензими кои се состојат само од големи подединици.

Магнезиумови јони (Mg2+) се потребни за ензимска активност. Правилно позиционирање на (Mg2+) во активното место на ензимот вклучува додавање на „активирачки“ молекул на јаглерод диоксид врз лизин во активното место (формирајќи карбамат).[11] Mg2 + функционира така што предизвикува депротонација на остатокот Lys210, предизвикувајќи остатокот Lys да ротира за 120 степени кон транс конформерот, намалувајќи го растојанието помеѓу азотот на Lys и јаглеродот на CO. Близината овозможува формирање на ковалентна врска, што резултира со карбамат.[12] Mg2 + прво се овозможува да се врзе за активното место со ротација на His335 во алтернативна конформација. Mg2 + потоа е координиран од His остатоците од активното место (His300, His302, His335) и делумно е неутрализиран со координацијата на три молекули на вода и нивната конверзија во −OH.[12] Оваа координација резултира со нестабилен комплекс, но создава поволна средина за врзување на Mg2+. Формирањето на карбамат е фаворизирано од алкална pH вредност. pH вредноста и концентрацијата на магнезиумови јони во течниот дел (кај растенијата, стромата на хлоропластот) се зголемуваат на светлина. Откако ќе се формира карбаматот, His335 ја финализира активацијата со враќање во својата почетна положба преку термичка флуктуација. [12]

Ензимска активност

[уреди | уреди извор]
Две главни реакции на RuBisCo: фиксација на јаглерод диоксид и оксигенација.

RuBisCO е еден од многуте ензими во калвиновиот циклус. Кога Rubisco го олеснува нападот на CO на C2 јаглеродот на RuBP и последователното раскинување на врската помеѓу C3 и C2 јаглеродот, се формираат 2 молекули на глицерат-3-фосфат. Конверзијата ги вклучува овие чекори: енолизација, карбоксилација, хидратација, раскинување на CC врската и протонација.[13][14][15]

Супстрати

[уреди | уреди извор]

Супстратите за RuBisCO се рибулоза-1,5-бисфосфат и јаглерод диоксид. RuBisCO исто така катализира реакција на рибулоза-1,5-бисфосфат и кислород (O2) наместо јаглерод диоксид (CO
2).[16] Разликувањето помеѓу супстратите CO
2 and O2 се припишува на различните интеракции на квадрополните моменти на супстратот и високиот градиент на електростатското поле.[12] Овој градиент се воспоставува со димерната форма на минимално активниот RuBisCO, кој со своите две компоненти обезбедува комбинација од спротивно наелектризирани домени потребни за интеракцијата на ензимот со CO
2 и O2. Овие услови помагаат да се објасни ниската стапка на флуктуација пронајдена во RuBisCO: За да се зголеми јачината на електричното поле потребно за доволна интеракција со квадруполните моменти на супстратите, C- и N-терминалните сегменти на ензимот мора да се затворат, овозможувајќи активното место да се изолира од растворувачот и намалување на диелектричната константа.[17] Оваа изолација има значителна ентропска цена и резултира со ниска стапка на флуктуација.

Врзување на RuBP

[уреди | уреди извор]

Карбамилацијата на ε-амино групата на Lys210 е стабилизирана со координација со Mg2+.[18] Оваа реакција вклучува врзување на карбоксилатните групи на Asp203 и Glu204 за Mg2+ јон. Супстратот RuBP се врзува за Mg2+ и ги заменува два од трите акво лиганди.[13][19][20]

Енолизација

[уреди | уреди извор]

Енолизацијата на RuBP е конверзија на кето тавтомерот на RuBP во енедиол(ат). Енолизацијата се иницира со депротонација на C3. Ензимската база во овој чекор е предмет на дебата,[19][21] но стеричните ограничувања забележани во кристалните структури го прават Lys210 најверојатен кандидат.[13] Поточно, карбаматниот кислород на Lys210 кој не е координиран со Mg јонот го депротонира C3 јаглеродот на RuBP за да формира 2,3-енедиолат.[19][20]

Карбоксилација

[уреди | уреди извор]
3Д слика од активното место на ензимот RuBisCO од спанаќ во комплекс со инхибиторот 2-карбоксиарабинитол-1,5-бисфосфат, CO
2, и Mg2+. (PDB: 1IR1; Лигандски приказ [CAP]501:A)

Карбоксилацијата на 2,3-енедиолатот резултира со интермедиер 3-кето-2-карбоксиарабинитол-1,5-бисфосфат а Lys334 е позициониран да го олесни додавањето на CO супстратот додека го заменува третиот Mg2+ -координиран молекул на вода и се додава директно на енедиолот. Во овој процес не се формира Михаелисов комплекс.[13][21] Хидратацијата на овој кетон резултира со дополнителна хидрокси група на C3, формирајќи меѓупроизвод гем-диол.[19][22] Карбоксилацијата и хидратацијата се предложени или како еден заеднички чекор[19] или како два последователни чекори.[22] Заедничкиот механизам е поткрепен од близината на молекулата на водата до C3 на RuBP во повеќе кристални структури. Во рамките на структурата на спанаќот, другите остатоци се добро поставени за да помогнат во чекорот на хидратација бидејќи се во рамките на растојанието на водородните врски од молекулата на водата.[13]

Раскинување на C-C врска

[уреди | уреди извор]

Интермедиерот гем-диол ја разложува врската C2-C3 за да формира еден молекул на глицерат-3-фосфат и негативно наелектризиран карбоксилат.[13] Стерео-специфичната протонација на C2 од овој карбанjон резултира со друг молекул на глицерат-3-фосфат. Се смета дека овој чекор е олеснет од Lys175 или потенцијално карбамилираниот Lys210.[13]

Производи

[уреди | уреди извор]

Кога јаглерод диоксидот е супстрат, производот од карбоксилазната реакција е нестабилен шест-јаглеродно фосфорилиран меѓупроизвод познат како 3-кето-2-карбоксиарабинитол-1,5-бисфосфат, кој брзо се распаѓа во два молекули глицерат-3-фосфат. Овој производ, познат и како 3-фосфоглицерат, може да се користи за производство на поголеми молекули како што е гликоза.

Кога молекуларниот кислород е подлога, производите на оксигеназната реакција се фосфогликолат и 3-фосфоглицерат. Фосфогликолатот се рециклира преку низа реакции наречени фотореспирација, која вклучува ензими и цитохроми лоцирани во митохондриите и пероксизомите. Во овој процес, две молекули на фосфогликолат се претвораат во една молекула јаглерод диоксид и една молекула 3-фосфоглицерат, кои можат повторно да влезат во циклусот на Калвин. Дел од фосфогликолатот што влегува во овој пат може да биде задржан од растенијата за да произведат други молекули како што е глицинот. На амбиентални нивоа на јаглерод диоксид и кислород, односот на реакциите е околу 4 спрема 1, што резултира со нето фиксација на јаглерод диоксид од само 3,5. Така, неможноста на ензимот да ја спречи реакцијата со кислород значително го намалува фотосинтетскиот капацитет на многу растенија. Некои растенија, многу алги и фотосинтетски бактерии го надминале ова ограничување со презаобиколување на реакцијата за зголемување на концентрацијата на јаглерод диоксид околу ензимот, вклучувајќи фиксација C јаглерод, метаболизам на красулацеанска киселина и употреба на пиреноид.

RuBisCO доведува и до споредни продукти кој се непотребни или инхибиторни за растението, како што се ксилулоза 1,5-бифосфат и глицеро-2,3-пентодиулоза 1,5-бифосфат, предизвикани од грешка при реакцијата на енолизација-карбоксилација. Кај повисоките растенија, овој процес предизвикува самоинхибиција на RuBisCO, која може да се активира со заситени концентрации CO
2 и RuBP и да се реши со активаза на RuBisCO.[23]

Стапка на ензимска активност

[уреди | уреди извор]
Преглед на Калвиновиот циклус и фиксација на јаглерод.

Некои ензими можат да спроведат илјадници хемиски реакции во една секунда. Сепак, RuBisCO е бавен, фиксирајќи само 3-10 молекули на јаглерод диоксид секоја секунда по молекула на ензим.[24] Реакцијата катализирана од RuBisCO е, според тоа, примарен фактор за ограничување на брзината на циклусот на Калвин во текот на денот. Сепак, под повеќето услови, и кога светлината не ја ограничува фотосинтезата на друг начин, брзината на RuBisCO реагира позитивно на зголемувањето на концентрацијата на јаглерод диоксид.

RuBisCO е обично активен само во текот на денот, бидејќи рибулоза 1,5-бисфосфатот не се регенерира во темно. Ова се должи на регулацијата на неколку други ензими во циклусот на Калвин. Покрај тоа, активноста на RuBisCO е координирана со онаа на другите ензими од циклусот на Калвин на неколку други начини:

Регулација со јони

[уреди | уреди извор]

По осветлувањето на хлоропластите, pH вредноста на стромата се зголемува од 7,0 на 8,0 поради протонскиот (водороден јон) градиент создаден низ тилакоидната мембрана. Движењето на протоните во тилакоиди е поттикнато од светлината и е фундаментално за АТФ-синтезата во хлоропластите. За да се балансира јонскиот потенцијал низ мембраната, магнезиумовите јони се поместуваат од тилакоидите како одговор, зголемувајќи ја концентрацијата на магнезиум во стромата на хлоропластите. RuBisCO има висока оптимална pH вредност (може да биде >9,0, во зависност од концентрацијата на магнезиумови јони) и, на тој начин, се „активира“ со воведување на јаглерод диоксид и магнезиум во активните места како што е опишано погоре.

Регулација со RuBisCO активаза

[уреди | уреди извор]

Кај растенијата и некои алги ензимот, RuBisCO активаза, е потребен за да се овозможи брзо формирање на карбамат во активното место на RuBisCO.[25][26] Ова е потребно бидејќи рибулоза 1,5-бисфосфатот (RuBP) се врзува посилно за активните места на RuBisCO кога е присутен вишок карбамат, спречувајќи ги процесите да се движат напред. На светлина, RuBisCO активазата го промовира ослободувањето на инхибиторниот (или - во некои погледи - складирачкиот) RuBP од каталитичките места на RuBisCO. Активазата е исто така потребна кај некои растенија (на пр., тутун и многу грав) бидејќи, во темнина, RuBisCO е инхибиран (или заштитен од хидролиза) од конкурентен инхибитор синтетизиран од овие растенија, супстратен аналог 2-карбокси-D-арабитинол 1-фосфат (CA1P)[27] CA1P цврсто се врзува за активното место на карбамилираниот RuBisCO и ја инхибира каталитичката активност во уште поголема мера. Исто така, е покажано дека CA1P го одржува RuBisCO во конформација што е заштитена од протеолиза.[28] На светлина, активазата RuBisCO исто така го поттикнува ослободувањето на CA1P од каталитичките места. Откако CA1P ќе се ослободи од RuBisCO, тој брзо се претвора во неинхибиторна форма од страна на светло-активирана CA1P-фосфатаза. Дури и без овие силни инхибитори, еднаш на секои неколку стотици реакции, нормалните реакции со јаглерод диоксид или кислород не се завршени; други инхибиторни аналози на супстратот сè уште се формираат во активното место. Уште еднаш, активазата RuBisCO може да го поттикне ослободувањето на овие аналози од каталитичките места и да го одржи ензимот во каталитички активна форма. Сепак, на високи температури, активазата RuBisCO се агрегира и повеќе не може да го активира RuBisCO. Ова придонесува за намалениот капацитет на карбоксилирање забележан за време на топлински стрес.[29][30]

Регулација преку активаза

[уреди | уреди извор]

Отстранувањето на инхибиторните RuBP, CA1P и другите инхибиторни аналози на супстратот од страна на активазата бара потрошувачка на ATФ. Оваа реакција е инхибирана од присуството на ADP, и затоа, активноста на активазата зависи од односот на овие соединенија во стромата на хлоропластот. Понатаму, кај повеќето растенија, чувствителноста на активазата кон односот ATP/ADP е модифицирана од состојбата на стромална редукција/оксидација (редокс) преку друг мал регулаторен протеин, тиоредоксин. На овој начин, активноста на активазата и состојбата на активирање на RuBisCO можат да се модулираат како одговор на интензитетот на светлината и, со тоа, на стапката на формирање на супстратот рибулоза 1,5-бисфосфат.[31]

Регулација со фосфат

[уреди | уреди извор]

Кај цијанобактериите, неорганскиот фосфат (Pi) исто така учествува во координираната регулација на фотосинтезата: Pi се врзува за активното место на RuBisCO и за друго место на големиот ланец каде што може да влијае на транзициите помеѓу активираните и помалку активните конформации на ензимот. На овој начин, активирањето на бактерискиот RuBisCO може да биде особено чувствително на нивоата на Pi, што може да предизвика да дејствува на сличен начин како што функционира активазата RuBisCO кај повисоките растенија.[32]

Регулација со јаглерод диоксид

[уреди | уреди извор]

Бидејќи и јаглерод диоксидот и кислородот се супстрати на активното место на RuBisCO, фиксацијата на јаглерод од страна на RuBisCO може да се подобри со зголемување на нивото на јаглерод диоксид во одделот што го содржи RuBisCO (хлоропластна строма). Неколку пати во текот на еволуцијата на растенијата, еволуирале механизми за зголемување на нивото на јаглерод диоксид во стромата (видете фиксација на јаглерод). Употребата на кислород како супстрат се чини дека е штетен, бидејќи се чини дека заробената енергија не се искористува. Сепак, тоа може да биде механизам за спречување на преотоварување со јаглехидрати за време на периоди на висок светлосен флукс. Оваа слабост во ензимот е причина за фотореспирација, така што здравите лисја на силна светлина може да имаат нула нето фиксација на јаглерод кога односот на O2 со CO
2 достапен за RuBisCO се поместува премногу кон кислород. Овој феномен е првенствено зависен од температурата: високите температури можат да ја намалат концентрацијата на CO
2 во влагата на ткивата на листот. Овој феномен е поврзан и со воден стрес: бидејќи листовите на растенијата се ладат со испарување, ограничената вода предизвикува високи температури на листовите. C4 растенија првично го користат ензимот PEP карбоксилаза, кој има поголем афинитет за CO
2. Процесот прво создава средно соединение од 4 јаглероди, па оттука и името C4, кое се транспортира во место на C3 фотосинтеза, а потоа се декарбоксилира ослободувајќи CO
2 за да се концентрацијата на CO
2.

Растенијата со метаболизам на красулацеанска киселина (CAM) ги држат своите стоми затворени во текот на денот, што заштедува вода, но спречува реакциите независни од светлината (познати како Калвинов циклус), бидејќи овие реакции бараат CO
2 за да помине преку размена на гасови низ овие отвори. Испарувањето низ горната страна на листот е спречено со слој од восок.

Генетски инженеринг

[уреди | уреди извор]

Бидејќи RuBisCO често ја ограничува брзината на фотосинтезата кај растенијата, можеби е можно да се подобри ефикасноста на фотосинтезата со модифицирање на гените RuBisCO во растенијата за да се зголеми каталитичката активност и/или да се намалат стапките на оксигенација.[33][34][35][36] Ова би можело да ја подобри Секвестрацијата на јаглерод и да биде стратегија за зголемување на приносите на земјоделските култури.[37] Пристапите што се испитуваат вклучуваат пренесување на гените RuBisCO од еден организам во друг организам, инженерство на активазата Rubisco од термофилни цијанобактерии во растенија чувствителни на температура, зголемување на нивото на експресија на подгрупите RuBisCO, експресија на малите ланци на RuBisCO од ДНК-та на хлоропластот и менување на гените RuBisCO за да се зголеми специфичноста за јаглерод диоксид или на друг начин да се зголеми брзината на фиксација на јаглерод.[38][39]

Мутагенеза кај растенијата

[уреди | уреди извор]

Генерално, мутагенезата насочена кон RuBisCO е претежно неуспешна,[37] иако мутирани форми на протеинот се постигнати кај тутунските растенија со видови во подгрупи на C4,[40] а RuBisCO со кинетички карактеристики слични на C4 е постигнат кај оризот преку нуклеарна трансформација.[41] Се покажа дека е можно робусно и сигурно инжинерство за производство на RuBisCO и други ензими во циклусот C3,[42] и за прв пат беше постигнато во 2019 година преку пристап на синтетичка биологија.[36]

Еден начин е да се воведат варијанти на RuBisCO со природно високи вредности на специфичност, како што се оние од црвената алга Galdieria partita, во растенијата. Ова може да ја подобри фотосинтетската ефикасност на културите, иако можните негативни влијанија сè уште не се проучени.[43] Напредокот во оваа област вклучува замена на ензимот за тутун со оној на виолетовата фотосинтетска бактерија Rhodospirillum rubrum.[44] Во 2014 година, две транспластомски линии на тутун со функционален RuBisCO од цијанобактеријата Synechococcus elongatus PCC7942 (Se7942) биле создадени со замена на RuBisCO со гени за големи и мали подединици на ензимот Se7942, во комбинација со соодветниот шаперон за склопување на Se7942, RbcX, или со внатрешен карбоксизомален протеин, CcmM35. И двата мутанти имаа зголемени стапки на фиксација CO кога се мереа како молекули на јаглерод по RuBisCO. Сепак, мутантите растенија растеа побавно од дивиот тип.[45]

Една неодамнешна теорија го истражува компромисот помеѓу релативната специфичност (т.е. способноста да се фаворизира фиксацијата CO
2 пред инкорпорацијата на О2 што доведува до процесот на фотореспирација кој троши енергија) и брзината со која се формира производот. Авторите заклучуваат дека RuBisCO всушност можеби еволуирал за да достигне точка на „близу совршенство“ кај многу растенија (со многу различни достапности на супстрати и услови на животната средина), постигнувајќи компромис помеѓу специфичноста и брзината на реакција.[46][47] Исто така, се сугерира дека оксигеназната реакција на RuBisCO спречува намалување CO во близина на неговите активни места и обезбедува одржување на редокс состојбата на хлоропластот.[48]

Бидејќи фотосинтезата е единствениот најефикасен природен регулатор на јаглерод диоксид во атмосферата на Земјата,[49] биохемискиот модел на реакцијата RuBisCO се користи како основен модул на моделите за климатски промени. Според тоа, точниот модел на оваа реакција е од суштинско значење за основното разбирање на односите и интеракциите на моделите на животната средина.

Експресија кај бактериски домаќини

[уреди | уреди извор]

Моментално постојат многу малку ефикасни методи за експресија на функционален растителен Rubisco кај бактериски домаќини за студии за генетска манипулација. Ова во голема мера се должи на потребата на Rubisco од комплексна клеточна машинерија за неговата биогенеза и метаболичко одржување, вклучувајќи ги и нуклеарно-кодираните RbcS подгрупи, кои обично се увезуваат во хлоропластите како непреплетени протеини.[50][51] Понатаму, доволната експресија и интеракцијата со активазата Rubisco се исто така големи предизвици.[38] Еден успешен метод за експресија на Rubisco во E. coli вклучува ко-експресија на повеќе хлоропластни шаперони, иако ова е прикажано само за Arabidopsis thaliana Rubisco.[52]

Намалување во протеомските студии

[уреди | уреди извор]

Поради неговата голема застапеност во растенијата (генерално 40% од вкупната содржина на протеини), RuBisCO често ја попречува анализата на важни сигнални протеини како што се транскрипциските фактори, киназите и регулаторните протеини кои се наоѓаат во помала застапеност (10-100 молекули по клетка) во растенијата.[53] На пример, користењето на масена спектрометрија на мешавини од растителни протеини би резултирало со повеќекратни интензивни врвови на подгрупите на RuBisCO кои се мешаат и ги кријат оние на другите протеини.

Неодамна, еден ефикасен метод за таложење на RuBisCO вклучува употреба на раствор на протамин сулфат.[54] Други постоечки методи за осиромашување на RuBisCO и проучување на протеини со помала застапеност вклучуваат техники на фракционирање со калциум и фитат,[55] гел електрофореза со полиетилен гликол,[56][57] афинитетна хроматографија,[58][59] и агрегација со употреба на DTT,[60] иако овие методи одземаат повеќе време и се помалку ефикасни во споредба со таложењето на протамин сулфат.[53]

Еволуција на RuBisCO

[уреди | уреди извор]

Филогенетски студии

[уреди | уреди извор]

Хлоропластниот ген rbcL, кој кодира за големата подгрупа на RuBisCO, е широко користен како соодветен локус за анализа на филогенијата во растителната таксономија.[61]

Протеини слични на RuBisCO кои не го фиксираат јаглеродот, наречени протеини слични на RuBisCO (RLP), се наоѓаат и во дивината кај организми чести како Bacillus subtilis. Оваа бактерија има протеин сличен на rbcL со функција на 2,3-дикето-5-метилтиопентил-1-фосфат енолаза, дел од реакцијата за рециклирање метионин.[62] Подоцнежните идентификации пронајдоа функционално дивергентни примери дисперзирани насекаде низ бактериите и археите, како и транзициски ензими кои извршуваат функции и на енолаза од типот RLP и на RuBisCO. Сега се верува дека сегашниот RuBisCO еволуирал од димерен предок на RLP, прво стекнувајќи ја својата карбоксилазна функција пред понатамошно олигомеризирање, а потоа регрутирајќи ја малата подгрупа за да го формира познатиот современ ензим.[14] Малата подгрупа веројатно прво еволуирала во анаеробни и термофилни организми, каде што му овозможила на RuBisCO да ја катализира својата реакција на повисоки температури.[63] Покрај ефектот врз стабилизирањето на катализата, тој овозможи еволуција на повисоки за CO
2 во однос O2 преку модулирање на ефектот што супституциите во рамките на RuBisCO го имаат врз ензимската функција. Супституциите што немаат ефект без малата под-единица одеднаш стануваат корисни кога таа е врзана. Понатаму, малата под-единица овозможи акумулација на супституции што се толерираат само во нејзино присуство. Акумулацијата на такви супституции води до строга зависност од малата под-единица, што е забележано кај постојните Rubiscos кои врзуваат мала под-единица.

Со масовна конвергентна еволуција на патеката за фиксација на С4 во разновидност на растителни лози, предците RuBisCO од типот С3 еволуирале за да имаат побрз промет CO
2 во замена за помала специфичност како резултат на поголемата локализација на CO од мезофилните клетки во клетките на обвивката на снопот.[64] Ова беше постигнато преку на конформациската флексибилност на транзицијата „отворено-затворено“ во циклусот Калвин. Лабораториските филогенетски студии покажаа дека оваа еволуција е ограничена од компромисот помеѓу стабилноста и активноста предизвикан од серијата неопходни мутации за С4 RuBisCO.[65] Покрај тоа, за да се одржат дестабилизирачките мутации, на еволуцијата во С4 RuBisCO ѝ претходел период во кој мутациите му дале на ензимот зголемена стабилност, воспоставувајќи тампон за одржување на мутациите потребни за С4 RuBisCO. За да се помогне во овој процес на тампонирање, беше откриено дека новоразвиениот ензим дополнително развил серија стабилизирачки мутации. Иако RuBisCO отсекогаш акумулирал нови мутации, повеќето од овие мутации што преживеале немале значајни ефекти врз стабилноста на протеините. Дестабилизирачките C4 мутации на RuBisCO се одржувале поради притисоци од околината, како што се ниските концентрации CO, што бара жртвување на стабилноста за нови адаптивни функции.[65]

Историја на терминот

[уреди | уреди извор]

Терминот „RuBisCO“ бил измислен хумористично во 1979 година, од Дејвид Ајзенберг на семинар во чест на пензионирањето на рано познатиот истражувач на RuBisCO, Сем Вајлдман, а исто така алудирал на трговското име за ужина „Nabisco“ во однос на обидите на Вајлдман да создаде додаток на протеини за јадење од листови од тутун.[66][67]

Големата буква на името е долго време предмет на дебата. Може да се пишува со голема буква за секоја буква од целото име (Rib u lose-1,5 bis phosphate carboxylase / o xygenase), но исто така се тврди дека сите букви треба да бидат напишани со мала буква (rubisco), слично на други термини како scuba или laser.[1]

  1. 1 2 „Discovery of the canonical Calvin-Benson cycle“. Photosynthesis Research. 140 (2): 235–252. May 2019. Bibcode:2019PhoRe.140..235S. doi:10.1007/s11120-018-0600-2. OSTI 1607740. PMID 30374727.
  2. ↑ Nivison, Helen; Stocking, C. (1983). „Ribulose Bisphosphate Carboxylase Synthesis in Barley Leaves“. Plant Physiology. 73 (4): 906–911. doi:10.1104/pp.73.4.906. PMC 1066578. PMID 16663341.
  3. ↑ Mächler, Felix; Nösberger, Josef (1988). „Bicarbonate Inhibits Ribulose-1,5-Bisphosphate Carboxylase“. Plant Physiology. 88 (2): 462–465. doi:10.1104/pp.88.2.462. PMC 1055600. PMID 16666327.
  4. ↑ Back to the future of photosynthesis: Resurrecting billon-year-old enzymes reveals how photosynthesis adapted to the rise of oxygen., News from the Max Planck Society, October 13, 2022
  5. ↑ Cooper GM (2000). „10.The Chloroplast Genome“. The Cell: A Molecular Approach (2nd. изд.). Washington, D.C.: ASM Press. ISBN 978-0-87893-106-4. , one of the subunits of ribulose bisphosphate carboxylase (rubisco) is encoded by chloroplast DNA. Rubisco is the critical enzyme that catalyzes the addition of CO
    2     to ribulose-1,5-bisphosphate during the Calvin cycle. It is also thought to be the single most abundant protein on Earth, so it is noteworthy that one of its subunits is encoded by the chloroplast genome.
  6. 1 2 „Enhanced translation of a chloroplast-expressed RbcS gene restores small subunit levels and photosynthesis in nuclear RbcS antisense plants“. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101 (16): 6315–6320. April 2004. Bibcode:2004PNAS..101.6315D. doi:10.1073/pnas.0400981101. PMC 395966. PMID 15067115. (Rubisco) is the most prevalent enzyme on this planet, accounting for 30–50% of total soluble protein in the chloroplast;
  7. 1 2 „Rubiscolytics: fate of Rubisco after its enzymatic function in a cell is terminated“. Journal of Experimental Botany. 59 (7): 1615–1624. 2008. doi:10.1093/jxb/erm242. PMID 17975207.
  8. ↑ „Rubisco Assembly in the Chloroplast“. Frontiers in Molecular Biosciences. 5. 2018. doi:10.3389/fmolb.2018.00024. PMC 5859369. PMID 29594130.
  9. ↑ Arabidopsis thaliana has four RuBisCO small chain genes.

    „Determination of the relative expression levels of rubisco small subunit genes in Arabidopsis by rapid amplification of cDNA ends“. Analytical Biochemistry. 291 (2): 237–244. April 2001. doi:10.1006/abio.2001.5042. PMID 11401297.
  10. ↑ Stryer L, Berg JM, Tymoczko JL (2002). „Chapter 20: The Calvin Cycle and the Pentose Phosphate Pathway“. Biochemistry (5th. изд.). San Francisco: W.H. Freeman. ISBN 978-0-7167-3051-4. Figure 20.3. Structure of Rubisco.] (Color-coded ribbon diagram)

  11. ↑ Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell JE (2000). „Molecular Cell Biology“ (4th. изд.). New York: W. H. Freeman & Co.[мртва врска] Figure 16-48 shows a structural model of the active site, including the involvement of magnesium.
  12. 1 2 3 4 „Structural mechanism of RuBisCO activation by carbamylation of the active site lysine“. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (46): 18785–18790. November 2012. Bibcode:2012PNAS..10918785S. doi:10.1073/pnas.1210754109. PMC 3503183. PMID 23112176.
  13. 1 2 3 4 5 6 7 „Catalysis and regulation in Rubisco“. Journal of Experimental Botany. 59 (7): 1555–1568. May 2008. doi:10.1093/jxb/ern091. PMID 18417482.
  14. 1 2 „A short history of RubisCO: the rise and fall (?) of Nature's predominant CO
    2     fixing enzyme“    . Current Opinion in Biotechnology. 49: 100–107. February 2018. doi:10.1016/j.copbio.2017.07.017. PMC 7610757 Проверете ја вредноста |pmc= (help). PMID 28843191.
  15. ↑ „Crystal structure of activated ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase complexed with its substrate, ribulose-1,5-bisphosphate“. The Journal of Biological Chemistry. 266 (19): 12604–12611. July 1991. doi:10.1016/S0021-9258(18)98942-8. PMID 1905726.
  16. ↑ „Rubisco“. Molecule of the Month. RCSB PDB (Research Collaboratory for Structural Bioinformatics PDB). November 2000. doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2000_11.
  17. ↑ „Plant-like substitutions in the large-subunit carboxy terminus of Chlamydomonas Rubisco increase CO2/O2 specificity“. BMC Plant Biology. 8 (1): 85. July 2008. Bibcode:2008BMCPB...8...85S. doi:10.1186/1471-2229-8-85. PMC 2527014. PMID 18664299.
  18. ↑ „Carbamate formation on the epsilon-amino group of a lysyl residue as the basis for the activation of ribulosebisphosphate carboxylase by CO2 and Mg2+“. Biochemistry. 19 (23): 5321–5328. November 1980. doi:10.1021/bi00564a027. PMID 6778504.
  19. 1 2 3 4 5 „Mechanism of Rubisco: The Carbamate as General Base“. Chemical Reviews. 98 (2): 549–562. April 1998. doi:10.1021/cr970010r. PMID 11848907.
  20. 1 2 „Crystal structure of the active site of ribulose-bisphosphate carboxylase“. Nature. 337 (6204): 229–234. 1989. Bibcode:1989Natur.337..229A. doi:10.1038/337229a0.
  21. 1 2 „Structure, function, regulation, and assembly of D-ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase“. Annual Review of Biochemistry. 63: 197–234. 1994. doi:10.1146/annurev.bi.63.070194.001213. PMID 7979237.
  22. 1 2 „The structure of the complex between rubisco and its natural substrate ribulose 1,5-bisphosphate“. Journal of Molecular Biology. 265 (4): 432–444. January 1997. doi:10.1006/jmbi.1996.0738. PMID 9034362.
  23. ↑ „Catalytic by-product formation and ligand binding by ribulose bisphosphate carboxylases from different phylogenies“. The Biochemical Journal. 399 (3): 525–534. November 2006. doi:10.1042/BJ20060430. PMC 1615894. PMID 16822231.
  24. ↑ „Biochemistry: Tackling unintelligent design“. Nature. 463 (7278): 164–165. January 2010. Bibcode:2010Natur.463..164E. doi:10.1038/463164a. PMID 20075906.
  25. ↑ „Rubisco activase - Rubisco's catalytic chaperone“. Photosynthesis Research. 75 (1): 11–27. 2003. Bibcode:2003PhoRe..75...11P. doi:10.1023/A:1022458108678. PMID 16245090.
  26. ↑ „Characteristics of photosynthesis in rice plants transformed with an antisense Rubisco activase gene“. Journal of Zhejiang University Science. 5 (8): 897–899. August 2004. doi:10.1631/jzus.2004.0897 (неактивно 26 October 2025). PMID 15236471.
  27. ↑ „Incorporation of carbon from photosynthetic products into 2-carboxyarabinitol-1-phosphate and 2-carboxyarabinitol“. The Biochemical Journal. 304 (3): 781–786. December 1994. doi:10.1042/bj3040781. PMC 1137402. PMID 7818481.
  28. ↑ „2'-carboxy-D-arabitinol 1-phosphate protects ribulose 1, 5-bisphosphate carboxylase/oxygenase against proteolytic breakdown“. European Journal of Biochemistry. 266 (3): 840–847. December 1999. doi:10.1046/j.1432-1327.1999.00913.x. PMID 10583377.
  29. ↑ „Exceptional sensitivity of Rubisco activase to thermal denaturation in vitro and in vivo“. Plant Physiology. 127 (3): 1053–1064. November 2001. doi:10.1104/pp.010357. PMC 129275. PMID 11706186.
  30. ↑ „Rubisco activase constrains the photosynthetic potential of leaves at high temperature and CO2“. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97 (24): 13430–13435. November 2000. Bibcode:2000PNAS...9713430C. doi:10.1073/pnas.230451497. PMC 27241. PMID 11069297.
  31. ↑ „Light modulation of Rubisco in Arabidopsis requires a capacity for redox regulation of the larger Rubisco activase isoform“. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (5): 3330–3334. March 2002. Bibcode:2002PNAS...99.3330Z. doi:10.1073/pnas.042529999. PMC 122518. PMID 11854454.
  32. ↑ „Activation of cyanobacterial RuBP-carboxylase/oxygenase is facilitated by inorganic phosphate via two independent mechanisms“. European Journal of Biochemistry. 267 (19): 5995–6003. October 2000. doi:10.1046/j.1432-1327.2000.01674.x. PMID 10998060.
  33. ↑ „Rubisco: structure, regulatory interactions, and possibilities for a better enzyme“. Annual Review of Plant Biology. 53 (1): 449–475. 2002. Bibcode:2002AnRPB..53..449S. doi:10.1146/annurev.arplant.53.100301.135233. PMID 12221984.
  34. ↑ „We may now be able to engineer the most important lousy enzyme on the planet“. Ars Technica. 7 December 2017. Посетено на 5 January 2019.
  35. ↑ „Fixing photosynthesis by engineering it to recycle a toxic mistake“. Ars Technica. 3 January 2019. Посетено на 5 January 2019.
  36. 1 2 „Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field“. Science. 363 (6422). January 2019. doi:10.1126/science.aat9077. PMC 7745124 Проверете ја вредноста |pmc= (help). PMID 30606819.
  37. 1 2 „Improving photosynthesis and yield potential in cereal crops by targeted genetic manipulation: Prospects, progress and challenges“. Field Crops Research. 182: 19–29. 2015. Bibcode:2015FCrRe.182...19F. doi:10.1016/j.fcr.2015.04.009.
  38. 1 2 „Manipulation of Rubisco: the amount, activity, function and regulation“. Journal of Experimental Botany. 54 (386): 1321–1333. May 2003. doi:10.1093/jxb/erg141. PMID 12709478.
  39. ↑ „Engineering Rubisco activase from thermophilic cyanobacteria into high-temperature sensitive plants“. Critical Reviews in Biotechnology. 38 (4): 559–572. June 2018. doi:10.1080/07388551.2017.1378998. PMID 28937283.
  40. ↑ „Isoleucine 309 acts as a C4 catalytic switch that increases ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (rubisco) carboxylation rate in Flaveria“. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (35): 14688–14693. August 2011. Bibcode:2011PNAS..10814688W. doi:10.1073/pnas.1109503108. PMC 3167554. PMID 21849620.
  41. ↑ „Functional incorporation of sorghum small subunit increases the catalytic turnover rate of Rubisco in transgenic rice“. Plant Physiology. 156 (3): 1603–1611. July 2011. doi:10.1104/pp.111.177030. PMC 3135941. PMID 21562335.
  42. ↑ Stracquadanio G, Umeton R, Papini A, Lio P, Nicosia G (2010). „Analysis and Optimization of C3 Photosynthetic Carbon Metabolism“. 2010 IEEE International Conference on BioInformatics and BioEngineering. Philadelphia, PA, USA: IEEE. стр. 44–51. doi:10.1109/BIBE.2010.17. hdl:1721.1/101094. ISBN 978-1-4244-7494-3.
  43. ↑ „Plastome-encoded bacterial ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RubisCO) supports photosynthesis and growth in tobacco“. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 98 (25): 14738–14743. December 2001. Bibcode:2001PNAS...9814738W. doi:10.1073/pnas.261417298. PMC 64751. PMID 11724961.
  44. ↑ „Manipulating ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase in the chloroplasts of higher plants“. Archives of Biochemistry and Biophysics. 414 (2): 159–169. June 2003. doi:10.1016/S0003-9861(03)00100-0. PMID 12781767.
  45. ↑ „A faster Rubisco with potential to increase photosynthesis in crops“. Nature. 513 (7519): 547–550. September 2014. Bibcode:2014Natur.513..547L. doi:10.1038/nature13776. PMC 4176977. PMID 25231869.
  46. ↑ „Despite slow catalysis and confused substrate specificity, all ribulose bisphosphate carboxylases may be nearly perfectly optimized“. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (19): 7246–7251. May 2006. Bibcode:2006PNAS..103.7246T. doi:10.1073/pnas.0600605103. PMC 1464328. PMID 16641091.
  47. ↑ Savir, Yonatan; Noor, Elad; Milo, Ron; Tlusty, Tsvi (2010-02-23). „Cross-species analysis traces adaptation of Rubisco toward optimality in a low-dimensional landscape“. Proceedings of the National Academy of Sciences. 107 (8): 3475–3480. arXiv:1007.4461. Bibcode:2010PNAS..107.3475S. doi:10.1073/pnas.0911663107. PMC 2840432. PMID 20142476.
  48. ↑ „Control of Rubisco function via homeostatic equilibration of CO2 supply“. Frontiers in Plant Science. 6: 106. 2015. doi:10.3389/fpls.2015.00106. PMC 4341507. PMID 25767475.
  49. ↑ „Land plants equilibrate O2 and CO2 concentrations in the atmosphere“. Photosynthesis Research. 87 (2): 177–194. February 2006. Bibcode:2006PhoRe..87..177I. doi:10.1007/s11120-005-8388-2. PMID 16432665.
  50. ↑ „Biogenesis and Metabolic Maintenance of Rubisco“. Annual Review of Plant Biology. 68 (1): 29–60. April 2017. Bibcode:2017AnRPB..68...29B. doi:10.1146/annurev-arplant-043015-111633. PMID 28125284.
  51. ↑ „Import of Soluble Proteins into Chloroplasts and Potential Regulatory Mechanisms“. Frontiers in Plant Science (English). 8: 168. 2017. Bibcode:2017FrPS....8..168S. doi:10.3389/fpls.2017.00168. PMC 5296341. PMID 28228773.CS1-одржување: непрепознаен јазик (link)
  52. ↑ „Plant RuBisCo assembly in E. coli with five chloroplast chaperones including BSD2“. Science. 358 (6368): 1272–1278. December 2017. Bibcode:2017Sci...358.1272A. doi:10.1126/science.aap9221. PMID 29217567. |hdl-access= бара |hdl= (help)
  53. 1 2 Heazlewood J (2012). Proteomic applications in biology. New York: InTech Manhattan. ISBN 978-953-307-613-3.
  54. ↑ Gupta R, Kim ST (2015). „Depletion of RuBisCO Protein Using the Protamine Sulfate Precipitation Method“. Proteomic Profiling. Methods in Molecular Biology. 1295. New York, NY: Humana Press. стр. 225–33. doi:10.1007/978-1-4939-2550-6_17. ISBN 978-1-4939-2549-0. PMID 25820725.
  55. ↑ „A rapid method for depletion of Rubisco from soybean (Glycine max) leaf for proteomic analysis of lower abundance proteins“. Phytochemistry. 70 (17–18): 1958–1964. December 2009. Bibcode:2009PChem..70.1958K. doi:10.1016/j.phytochem.2009.08.020. PMID 19766275.
  56. ↑ „Two-dimensional electrophoretic analysis of rice proteins by polyethylene glycol fractionation for protein arrays“. Electrophoresis. 22 (10): 2103–2109. June 2001. doi:10.1002/1522-2683(200106)22:10<2103::aid-elps2103>3.0.co;2-w. PMID 11465512.
  57. ↑ „Polyethylene glycol fractionation improved detection of low-abundant proteins by two-dimensional electrophoresis analysis of plant proteome“. Phytochemistry. 67 (21): 2341–2348. November 2006. Bibcode:2006PChem..67.2341X. doi:10.1016/j.phytochem.2006.08.005. PMID 16973185.
  58. ↑ „Cross species applicability of abundant protein depletion columns for ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase“. Journal of Chromatography. B, Analytical Technologies in the Biomedical and Life Sciences. 861 (1): 29–39. January 2008. doi:10.1016/j.jchromb.2007.11.024. PMID 18063427.
  59. ↑ „Rice proteomics: ending phase I and the beginning of phase II“. Proteomics. 9 (4): 935–963. February 2009. doi:10.1002/pmic.200800594. PMID 19212951.
  60. ↑ „The effect of DTT in protein preparations for proteomic analysis: Removal of a highly abundant plant enzyme, ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase“. Journal of Plant Biology (англиски). 51 (4): 297–301. July 2008. Bibcode:2008JPBio..51..297C. doi:10.1007/BF03036130. ISSN 1226-9239.
  61. ↑ „Phylogenetics of Seed Plants: An Analysis of Nucleotide Sequences from the Plastid Gene rbcL“ (PDF). Annals of the Missouri Botanical Garden. 80 (3): 528–580. 1993. Bibcode:1993AnMBG..80..528C. doi:10.2307/2399846. JSTOR 2399846. |hdl-access= бара |hdl= (help)
  62. ↑ „RuBisCO-like proteins as the enolase enzyme in the methionine salvage pathway: functional and evolutionary relationships between RuBisCO-like proteins and photosynthetic RuBisCO“. Journal of Experimental Botany. 59 (7): 1543–1554. 19 June 2007. doi:10.1093/jxb/ern104. PMID 18403380.
  63. ↑ Schulz, L; Guo, Z; Zarzycki, J; Steinchen, W; Schuller, JM; Heimerl, T; Prinz, S; Mueller-Cajar, O; Erb, TJ (2022-10-14). „Evolution of increased complexity and specificity at the dawn of form I Rubiscos“. Science. 378 (6616): 155–160. Bibcode:2022Sci...378..155S. doi:10.1126/science.abq1416. PMID 36227987 Проверете ја вредноста |pmid= (help).
  64. ↑ „Photorespiration and the evolution of C4 photosynthesis“. Annual Review of Plant Biology. 63 (1): 19–47. 2012. Bibcode:2012AnRPB..63...19S. doi:10.1146/annurev-arplant-042811-105511. PMID 22404472.
  65. 1 2 „Stability-activity tradeoffs constrain the adaptive evolution of RubisCO“. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (6): 2223–2228. February 2014. Bibcode:2014PNAS..111.2223S. doi:10.1073/pnas.1310811111. PMC 3926066. PMID 24469821.
  66. ↑ „Along the trail from Fraction I protein to Rubisco (ribulose bisphosphate carboxylase-oxygenase)“. Photosynthesis Research. 73 (1–3): 243–250. 2002. Bibcode:2002PhoRe..73..243W. doi:10.1023/A:1020467601966. PMID 16245127.
  67. ↑ „Discoveries in Rubisco (Ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase): a historical perspective“. Photosynthesis Research. 94 (1): 121–143. October 2007. Bibcode:2007PhoRe..94..121P. doi:10.1007/s11120-007-9225-6. PMID 17665149.

Литература

[уреди | уреди извор]

Надворешни врски

[уреди | уреди извор]
  • „The Plant Kingdom's sloth“. Protein Spotlight. Swiss Institute of Bioinformatics (SIB). September 2003. Rubisco plods along at a mere three molecules per second... To bypass such slothfulness, plants synthesize a gross amount of Rubisco, sometimes up to 50% of their total protein content!
Преземено од „https://mk.wikipedia.org/w/index.php?title=Рибулоза-бифосфатна_карбоксилаза&oldid=5470855“