EK sz. | EK |
---|---|
CAS-szám |
IUBMB | IUBMB bejegyzés |
---|---|
IntEnz | IntEnz nézet |
BRENDA | BRENDA bejárat |
KEGG | KEGG bemenet |
MetaCyc | Metabolikus út |
PRIAM | Profil |
EKT | Szerkezetek |
MEGY | AmiGO / EGO |
A rubisco , a teljes neve ribulóz-1,5-difoszfát karboxiláz / oxigenáz , az enzim kifejezés a fotoszintézis . Ez teszi lehetővé a szén-dioxid CO 2 rögzítéséta növényi biomasszában a Kálvin-ciklus megindításával, a klorofill által megfogott napenergiának köszönhetően . Ez katalizálja mind az karboxilező és oxidációs a ribulóz-1,5-biszfoszfát .
Különböző formáiban ez valószínűleg a Földön a legelterjedtebb fehérje , ahol a C 3-ban található növények leveleiben az oldható fehérjék körülbelül 50% -át képviseliés 30% a C 4-ben( a lapokban található nitrogén 20-30% -a, illetve 5-9% -a ). Miatt túlsúlyban, ez az enzim fontos szerepet játszik a szén-ciklus bolygónk: sok archaea és baktériumok valóban erősít a szén a 3-hidroxi- ciklus , vagy a fordított Krebs-ciklus , de csak akkor számít bele egy kis része a teljes; a foszfoenol-piruvát-karboxiláz szintén képes megkötni az anyagcserében lévő káposztainsav és a C növények atomjait 4, de lehetővé teszi a szállítását a Rubisco általi végleges rögzítéshez.
A növények , algák , cianobaktériumok és fototróf és chemotrophic proteobaktériumok , rubisco általában két típusú alegység : nagy alegység (az úgynevezett „ L ”) a 55 kDa-os és a kis alegységek (mondani, hogy » S «) 13 kDa . Általánosságban elmondható, a kis alegységek által kódolt genetikai anyag a mag és hozzák be a stroma a kloroplasztisz keresztül külső és belső membránok a jelen organellum . Egy komplett Rubiscónak tipikusan nyolc L és nyolc S alegysége van, amelyek körülbelül 540 kDa fehérjekomplexet alkotnak .
Az enzim aktív helyei az L alegység dimerjein találhatók, a dimer két alegysége mindegyike hozzájárul az aktív hely kialakulásához. Bizonyos dinoflagellátumok és bizonyos proteobaktériumok szintén tartalmaznak Rubisco-t, amely az L alegységek egyszerű dimerjéből áll.
Az Mg 2+ kationok szükségesek a fehérje enzimatikus aktivitásához. Helyes elhelyezése ezek a kationok is szükség van egy „aktiváló” szén-dioxid -molekula , amely nem metabolizálódik, hanem képez karbamátot egy lizin maradékot meg az aktív helyen; a karbamát képződése előnyös bázikus pH-n . Az Mg 2+ koncentrációja és a pH növekedése a kloroplasztikák sztrómájában fény hatására.
A Rubisco nagy lánca, katalitikus doménPfam | PF00016 |
---|---|
InterPro | IPR000685 |
PROPITÁS | PDOC00142 |
SCOP | 3rub |
SZUPERCSALÁD | 3rub |
CDD | cd08148 |
Pfam | PF02788 |
---|---|
InterPro | IPR017444 |
SCOP | 3rub |
SZUPERCSALÁD | 3rub |
Pfam | PF00101 |
---|---|
InterPro | IPR000894 |
SCOP | 3rub |
SZUPERCSALÁD | 3rub |
CDD | cd03527 |
A Rubisco által katalizált karboxilezés egyszerűsített módon írható (és hozzávetőlegesen, figyelembe véve azt a tényt, hogy mindezek a vegyületek ionizálódnak a citoszolban ) az alábbiak szerint:
+ CO 2+ H 2 O → 2 | ||
D- ribulóz-1,5-biszfoszfát | 3-foszfo- D- glicerát |
A reakció mechanizmusa ténylegesen magában foglalja enol , karboxilezett a 3-keto-2-carboxyarabinitol-1,5-biszfoszfát (3-KCABP) azonnal hidrolizál két trióz -foszfát:
A Rubisco által katalizált oxigénellátás egyszerűsített módon írható az alábbiak szerint:
+ O 2 → 3 H + + | + | |||
D- ribulóz-1,5-biszfoszfát | 3-foszfo- D- glicerát | 2-Foszfoglikolát |
A 2-phosphoglycolate által termelt ezt a reakciót keresztül visszavezetjük fotorespiráció , amely magában foglalja az enzimek található a mitokondriumok és a peroxiszóma : két molekula phosphoglycolate alakítjuk CO 2és 3-foszfoglicerát , amelyek viszont visszavezethetők a Calvin-ciklusba . Része a phosphoglycolate is átalakítható glicin .
Normál szén-dioxid- és oxigénkoncentráció esetén a Föld légkörében a Rubisco karboxiláz-aktivitás és oxigén - aktivitás aránya körülbelül 4: 1. Ez az arány csökken a hőmérséklet emelkedésével, ami bizonyos trópusi növények (különösen a C 4 ") És bizonyos zsíros növények ( crassulacean acid metabolism , vagy" CAM ") a CO 2 koncentrálására a Rubisco környékén:
A Rubisco nem túl gyors enzim: mindegyik csak három és tíz molekula között köt meg CO 2 -otmásodpercenként. Ennek a viszonylagos lassúságnak köszönhetően a Rubisco a nap folyamán Calvin ciklust korlátozó enzime. Azonban a legtöbb esetben, és ha a fény egyébként nem korlátozza a fotoszintézis hatékonyságát , a Rubisco sebessége pozitívan reagál a CO 2 koncentráció növekedésére.. Mivel a Rubisco először ribulóz-1,5-biszfoszfáttal reagálva enediolt , majd CO 2 -ot termelA 3-foszfoglicerát előállításához szükséges néhány konformációs változtatás után lehetőség van olyan biokémiai modellek kidolgozására, amelyek ezen reakciók alapján figyelembe veszik az enzim kinetikáját .
A Rubisco általában csak napközben aktív, mivel a ribulóz-1,5-biszfoszfát napközben termelődik csak a Calvin-ciklus számos más enzimjének szabályozása miatt . Számos egyéb tényező segíti a Rubisco és más enzimek aktivitásának összehangolását ebben a ciklusban.
A pH az a kloroplaszt stroma változik 7,0-8,0 napközben megvilágítás hatására a proton gradiens keletkezik a membránok a tilakoidok . Ennek a folyamatnak az a hatása, hogy a protonokat a tilakoidok belsejében koncentrálják, és ezáltal csökkentik azok koncentrációját a sztrómában. Eközben a magnézium Mg 2+ kationjait kiszivattyúzzák a tilakoidokból, és felhalmozódnak a sztrómában. A Rubisco, amelynek optimális pH-ja az Mg 2+ koncentrációtól függően meghaladhatja a 9,0 értéket , CO 2 -kötéssel aktiválódik.segítségével ez a kation egy lizin maradékot az a aktív hely a enzimet , hogy formában van egy karbamát elengedhetetlen a reakció.
A növények és néhány alga , egy specifikus enzim, rubisco aktiváz , szükséges, hogy katalizálja a kialakulását karbamát előtt rubisco blokkolja a kötődését a hordozó, amely erősebben kötődik az inaktív enzimet (nélkül karbamát), mint ez. „A a karbamilezett enzim: A Rubisco-aktiváz felszabadítja az inaktív Rubisco-hoz kötött ribulóz-1,5-biszfoszfátot, lehetővé téve az utóbbi szén-dioxid általi aktiválását. Ez az enzim szükséges bizonyos növényeknél is (nevezetesen a Nicotiana tabacum és bizonyos baboknál), amelyek metabolizmusa versenyképes inhibitort , 2-karboxi- D- arabinitol-1-foszfátot (CA1P) eredményez, amely a karbamilezett rubiszkóhoz kötődik azáltal, hogy blokkolja aktív helyét; A Rubisco-aktiváz felszabadítja a CA1P-t a Rubisco aktív helyéből, és egy másik enzim, a 2-karboxi- arabinitol -1-foszfatáz , defoszforilálja a CA1P-t 2-karboxi- D- arabinitollá . Ezt a műveletet rendszeresen meg kell ismételni - körülbelül percenként - amikor egy új CA1P molekula blokkolja a Rubiscot.
A CA1P stabilizálhatja a Rubisco-t egy olyan konformációban, amely korlátozza a proteolízis kockázatát . A Rubisco-aktiváz tulajdonságai korlátozzák a növények fotoszintetikus potenciálját hőmérséklet és CO 2 koncentráció mellett.magas. Ezenkívül magas hőmérsékleten a Rubisco aktiváz inaktív aggregátumokat képez, amelyek már nem képesek fenntartani a Rubisco aktivitását, ami magyarázza a karboxiláz aktivitás lelassulását hőstressz esetén.
A 2-karboxi- D- arabinitol-1-foszfát (CA1P) Rubisco-aktivázzal történő eltávolítása ATP-t fogyaszt, és az ADP gátolja . A Activase tevékenység tehát határozzuk meg az ATP / ADP arány, de az érzékenység ezen enzim hogy ez az arány önmagában kondicionált, a legtöbb növény, az átlagos redox állapotban a tioredoxin molekulák a stroma a kloroplasztisz . Az aktiváz, tehát a Rubisco aktivitásának szintje tehát a fényintenzitástól függ, ami lehetővé teszi annak korrelációját a ribulóz-1,5-biszfoszfát képződésével .
A cianobaktériumok , szervetlen foszfát kötődik az aktív helyén rubisco, valamint a másik oldalon, a nagy alegységeket, ezáltal módosítsák a átmenetek közötti aktív és inaktív állapotok rubisco. A szervetlen foszfát szerepet játszhat ezekben a baktériumokban, hasonlóan a magasabb növényekből származó Rubisco-aktivázhoz .
A szén-dioxid CO 2és oxigén O 2mivel a Rubisco aktív helyén versenyeznek, az enzim hatékonysága a CO 2 megkötése tekintetébenjavítható a CO 2 koncentráció növelésévelA stroma a kloroplasztiszok , ahol rubisco megtalálható. Ez bizonyos metabolikus adaptációk tárgyát képezte a C 4-ben nevezett növényekben "És" CAM ". Az a tény, hogy az oxigén versenyez a szén-dioxiddal, meglepetést okozhat, mivel a fotorezerváció fotoszintetikusan rögzített energiaveszteséget eredményez, és akár meg is szüntetheti a nettó CO 2 fluxust. a Rubisco egészséges levelekben, teljes megvilágításban rögzítette.
A Rubisco karboxiláz- és oxigenáz-aktivitásának relatív sebessége elsősorban a hőmérséklettől függ, mert a magas hőmérséklet csökkenti a CO 2 szintjétfeloldódik a szövetekben, és ezért elősegíti az oxigenáz aktivitást, vagyis a fotorezpirációt. A hőmérséklet azonban a növény hidratáltságától függ, mert a transzpiráció teszi lehetővé a levelek lehűlését.
A növények C 4használjon foszfoenol-piruvát-karboxilázt , egy dekarboxilázt , amely nagyobb affinitással rendelkezik a CO 2 irántmint rubisco, annak érdekében, hogy katalizálják a hozzáadásával a hidrogén-karbonát- anion HCO 3 -a foszfoenol-piruvát , hogy oxálacetát , amelyet azután alakítjuk malát és szállítják dekarboxilezhetünk felszabadító CO 2ahol a Calvin-ciklus zajlik , olyan környezetben, amely kevésbé gazdag oxigénben, és ezért kedvező a Rubisco karboxiláz-aktivitására.
A sejt " fotoszintetikus hatékonysága " a fényenergia azon részének definiálása, amelyet ez a sejt kémiai energiává alakít át . Minél magasabb, annál jobban képes a növény elnyelni a CO 2 -otgyártani szénhidrátok és, végső soron , egy egész sor biomolekulák alkotó különösen annak fiziológia . A Rubisco az ezen enzimre támaszkodó organizmusok teljes fotoszintetikus hozamának korlátozó tényezője; A katalitikus hatékonyság növelése - a karboxiláz aktivitás növelésével és / vagy az oxigenáz aktivitás csökkentésével - tehát elősegítheti a CO 2 ökológiai megkötését.biológiai úton - az egyik a „ bioszekundációról ” beszél - és érvényes lehetőséget jelent a globális felmelegedésért részben felelős üvegházhatású gázok légköri sebességének szabályozásában . A genetikusok szerint egyes növények hozama 40% -kal növekedhet.
Először kísérleteket hajtottak végre az egyik faj Rubisco-génjeinek transzgenézissel átvitt expressziójával egy másik faj növényébe. Tesztelték a Rubisco egyes alegységeinek expressziójának stimulálását, valamint az S alegység gének expresszióját közvetlenül plasztómákból (azaz kloroplasztikus genetikai anyagból ), vagy akár a Rubisco alegységeit kódoló gének módosítását annak CO 2- specifitásának növelése érdekében.vagy növeli a szénmegkötés sebességét. Ígéretes módszer lenne hatékonyabb Rubisco-gének bevezetése a termesztett növényekbe (pl. Rodofitáké, például a Galdieria partita ); A dohány Rubisco helyébe tehát egy proteobaktérium , a Rhodospirillum rubrum lépett . Ezek a GMO-k magasabbra nőttek, és mintegy 40% -kal több biomasszát termeltek; más vizsgálatoknak a fehérjében és / vagy keményítőben gazdag élelmiszer-növényekre ( szója , cornilla (cowpea), rizs vagy burgonya ) kell vonatkozniuk.
Továbbra is kimutatható, hogy az indukált változások nem befolyásolják negatívan a növény, mert ez a javulás rubisco alapul csökkentését fotorespiráció , vagy az utóbbi, ha megvan az a hátránya, hogy a növény energiát fogyaszt. Növény, szintén úgy tűnik, szerepet játszanak a növényi sejtek szignálozásában , a hidrogén-peroxid termelési folyamatában , amely a redox szignálozásban részt vevő molekula, részt vesz a növekedési mechanizmusokban, de bizonyos stresszekre (mikrobák vagy paraziták támadásai) reagálva is .
Mivel ez a Rubisco fehérje nagyon gazdag természetű és tartalmazza az összes esszenciális aminosavat , potenciálisan érdekes étel. Módszert fejlesztettek ki annak kivonására és koncentrálására " zöldségpecsenyék " készítésére.