# Rubisco

La Rubisco, de son nom complet ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygénase, est une enzyme-clé de la photosynthèse. C'est elle qui permet la fixation du dioxyde de carbone CO$_2$ dans la biomasse végétale en initiant le cycle de Calvin, grâce à l'énergie solaire captée par la chlorophylle. Elle catalyse aussi bien la carboxylation que l'oxydation du ribulose-1,5-bisphosphate.
Sous ses différentes formes elle est probablement la protéine la plus abondante sur Terre$^,$, où elle représente environ 50 % des protéines solubles dans les feuilles des plantes en C$_3$ et 30 % dans celles en C$_4$ (respectivement 20 à 30 % et 5 à 9 % de l'azote contenu dans ces feuilles). En raison de sa prépondérance, cette enzyme joue un rôle essentiel dans le cycle du carbone de notre planète : de nombreuses archées et bactéries fixent en effet le carbone par le cycle du 3-hydroxypropionate ou par le cycle de Krebs inverse, mais ne comptent que pour une faible part dans le total ; la phosphoénolpyruvate carboxylase est également capable de fixer le carbone dans le métabolisme acide crassulacéen et dans celui des plantes en C$_4$, mais en permettant son transport pour fixation définitive par la Rubisco.

## Structure

Chez les plantes, les algues, les cyanobactéries et les protéobactéries phototrophes et chimiotrophes, la Rubisco est généralement constituée de deux types de sous-unités : de grandes sous-unités (dites L pour l'anglais large) de 55 kDa et de petites sous-unités (dites S pour small) de 13 kDa. D'une manière générale, les petites sous-unités sont codées par le matériel génétique du noyau et sont importées dans le stroma des chloroplastes à travers les membranes externe et interne de cet organite$^,$. Une Rubisco complète compte typiquement huit sous-unités L et huit sous-unités S, formant un complexe protéique d'environ 540 kDa.
Les sites actifs de l'enzyme se trouvent sur des dimères de sous-unités L, chacune des deux sous-unités du dimère contribuant à la formation du site actif. Certains dinoflagellés et certaines protéobactéries ont d'ailleurs une Rubisco constituée d'un simple dimère de sous-unités L.
Des cations Mg$^{2+}$ sont nécessaires pour assurer l'activité enzymatique de la protéine. Le positionnement correct de ces cations nécessite également une molécule de dioxyde de carbone « d'activation », qui n'est pas métabolisée mais forme un carbamate avec un résidu de lysine du site actif ; la formation de carbamate est favorisée à pH basique. La concentration en Mg$^{2+}$ et le pH augmentent dans le stroma des chloroplastes sous l'effet de la lumière.

## Activité
### Activité carboxylase

La carboxylation catalysée par la Rubisco peut s'écrire de façon simplifiée (et approchée compte tenu du fait que tous ces composés sont ionisés dans le cytosol) comme suit :
    + CO$_2$ + H$_2$O → 2  D-Ribulose-1,5-bisphosphate   3-Phospho-D-glycérate
Le mécanisme réactionnel fait en réalité intervenir un énol, carboxylé en 3-céto-2-carboxyarabinitol-1,5-bisphosphate (3-KCABP) aussitôt hydrolysé en deux trioses-phosphate :
    Addition de CO$_2$ sur du ribulose-1,5-bisphosphate (1) donnant deux molécules de 3-phosphoglycérate (4) via un énol (2) carboxylé en 3-céto-2-carboxyarabinitol-1,5-bisphosphate (3), clivé par hydrolyse.

### Activité oxygénase

L'oxygénation catalysée par la Rubisco peut s'écrire de façon simplifiée comme suit :
    + O$_2$ → 3 H$^+$ +   +  D-Ribulose-1,5-bisphosphate   3-Phospho-D-glycérate   2-Phosphoglycolate
Le 2-phosphoglycolate produit par cette réaction est recyclé à travers la photorespiration, qui fait intervenir des enzymes situées dans les mitochondries et les peroxysomes : deux molécules de phosphoglycolate sont converties en CO$_2$ et en 3-phosphoglycérate, qui peut être à son tour recyclé dans le cycle de Calvin. Une partie du phosphoglycolate peut être également convertie en glycine.

### Importance respective des activités carboxylase et oxygénase

Aux concentrations normales de dioxyde de carbone et d'oxygène dans l'atmosphère terrestre, le rapport entre l'activité carboxylase et l'activité oxygénase de la Rubisco est d'environ 4:1. Ce rapport diminue lorsque la température augmente, ce qui a favorisé des adaptations métaboliques particulières chez certaines plantes tropicales (plantes dites « en C$_4$ ») et certaines plantes grasses (métabolisme acide crassulacéen, ou « CAM ») pour concentrer le CO$_2$ autour de la Rubisco :
* les « plantes en C$_4$ » fixent le CO$_2$ sur le phosphoénolpyruvate dans le mésophylle par l'action successive de l’anhydrase carbonique et de la phosphoénolpyruvate carboxylase pour donner de l'oxaloacétate, ultérieurement converti en malate, lequel migre ensuite vers les cellules de la gaine périvasculaire pour y libérer le CO$_2$ afin d'être métabolisé par la Rubisco sans être trop concurrencé par l'oxygène.
* les « plantes CAM » disposent du même matériel enzymatique mais accumulent le malate pendant la nuit pour le métaboliser par la Rubisco pendant la journée, lorsque les stomates sont fermés pour limiter les pertes d'eau par transpiration.
La Rubisco n'est pas une enzyme très rapide : chacune d'elles ne fixe qu'entre trois et dix molécules de CO$_2$ par seconde. En raison de cette lenteur relative, la Rubisco est l'enzyme limitante du cycle de Calvin pendant la journée. Cependant, dans la plupart des cas, et lorsque la lumière ne limite pas par ailleurs l'efficacité de la photosynthèse, la vitesse de la Rubisco répond positivement à l'augmentation de la concentration en CO$_2$. Dans la mesure où la Rubisco réagit d'abord avec le ribulose-1,5-bisphosphate pour produire un ènediol puis avec le CO$_2$ après quelques changements conformationnels pour produire le 3-phosphoglycérate, il est possible d'élaborer des modèles biochimiques rendant compte de la cinétique de cette enzyme sur la base de ces réactions.

## Régulation

La Rubisco n'est normalement active que pendant la journée, car c'est dans la journée seulement qu'est produit le ribulose-1,5-bisphosphate en raison de la régulation de plusieurs autres enzymes du cycle de Calvin. Plusieurs autres facteurs contribuent à coordonner l'activité de la Rubisco avec celle des autres enzymes de ce cycle.

### Régulation ionique

Le pH du stroma des chloroplastes passe de 7,0 à 8,0 pendant l'illumination diurne sous l'effet du gradient de protons généré à travers les membranes des thylakoïdes. Ce processus a pour effet de concentrer les protons à l'intérieur des thylakoïdes, et donc d'en diminuer la concentration dans le stroma. Parallèlement, les cations de magnésium Mg$^{2+}$ sont pompés hors des thylakoïdes et s'accumulent dans le stroma. La Rubisco, dont le pH optimal peut dépasser 9,0 selon la concentration en Mg$^{2+}$, est par conséquent activée par fixation de CO$_2$ avec l'aide de ce cation sur un résidu de lysine du site actif de l'enzyme pour y former un carbamate indispensable à la réaction.

### Régulation par la Rubisco activase

Chez les plantes et certaines algues, une enzyme spécifique, la Rubisco activase, est nécessaire pour catalyser la formation du carbamate avant que la Rubisco soit bloquée par la liaison du substrat$^,$, lequel se lie plus fortement à l'enzyme inactive (sans carbamate) qu'à l'enzyme carbamylée : la Rubisco activase libère le ribulose-1,5-bisphosphate lié à la Rubisco inactive, permettant l'activation de cette dernière par le dioxyde de carbone. Cette enzyme est également nécessaire à certaines plantes (notamment Nicotiana tabacum et certains haricots) dont le métabolisme produit un inhibiteur compétitif, le 2-carboxy-D-arabinitol-1-phosphate (CA1P), lequel se lie à la Rubisco carbamylée en bloquant son site actif ; la Rubisco activase libère le CA1P du site actif de la Rubisco, et une autre enzyme, la 2-carboxyarabinitol-1-phosphatase, déphosphoryle le CA1P en 2-carboxy-D-arabinitol. Cette opération doit être renouvelée régulièrement — environ à chaque minute — lorsqu'une nouvelle molécule de CA1P vient bloquer la Rubisco.
Le CA1P pourrait stabiliser la Rubisco dans une conformation limitant les risques de protéolyse. Les propriétés de la Rubisco activase tendent à limiter le potentiel photosynthétique des plantes à température et concentration de CO$_2$ élevées. Par ailleurs, à température élevée, la Rubisco activase tend à former des agrégats inactifs qui ne sont plus en mesure de maintenir l'activité de la Rubisco, ce qui explique le ralentissement de l'activité carboxylase en cas de stress thermique.

### Régulation de l'activase par le ratio ATP/ADP et par l'état redox de la thiorédoxine du stroma

L'élimination du 2-carboxy-D-arabinitol-1-phosphate (CA1P) par la Rubisco activase consomme de l'ATP et est inhibée par l'ADP. L'activité de l'activase est donc déterminée par le ratio ATP/ADP, mais la sensibilité de cette enzyme à ce ratio est elle-même conditionnée, dans la plupart des plantes, par l'état rédox moyen des molécules de thiorédoxine dans le stroma des chloroplastes. Le niveau d'activité de l'activase, et donc de la Rubisco, dépend ainsi de l'intensité lumineuse, ce qui permet de la corréler à la formation du ribulose-1,5-bisphosphate.

### Régulation par le phosphate inorganique

Chez les cyanobactéries, le phosphate inorganique se lie au site actif de la Rubisco ainsi qu'à un autre site sur les grandes sous-unités, modulant ainsi les transitions entre états actif et inactif de la Rubisco. Le phosphate inorganique pourrait jouer, chez ces bactéries, un rôle semblable à celui de la Rubisco activase des plantes supérieures.

### Régulation par le dioxyde de carbone

Le dioxyde de carbone CO$_2$ et l'oxygène O$_2$ étant en compétition dans le site actif de la Rubisco, l'efficacité de l'enzyme quant à la fixation du CO$_2$ peut être améliorée par accroissement de la concentration en CO$_2$ dans le stroma des chloroplastes, où se trouve la Rubisco. Cela a fait l'objet de certaines adaptations métaboliques à l'œuvre dans les plantes dites « en C$_4$ » et « CAM ». Le fait que l'oxygène soit en concurrence avec le dioxyde de carbone peut surprendre dans la mesure où la photorespiration aboutit à perdre de l'énergie fixée par photosynthèse et peut même annuler le flux net de CO$_2$ fixé par la Rubisco dans des feuilles saines en plein lumière.
La vitesse relative des activités carboxylase et oxygénase de la Rubisco dépendent en premier lieu de la température, car une température élevée réduit le taux de CO$_2$ dissous dans les tissus et favorise donc l'activité oxygénase, c'est-à-dire la photorespiration. Or la température dépend de l'hydratation de la plante, car c'est la transpiration qui permet de refroidir les feuilles.
Les plantes en C$_4$ utilisent la phosphoénolpyruvate carboxylase, une décarboxylase qui a une meilleure affinité pour le CO$_2$ que la Rubisco, afin de catalyser l'addition d'un anion bicarbonate HCO$_3$$^−$ sur du phosphoénolpyruvate pour donner de l'oxaloacétate, lequel est ensuite converti en malate et transporté pour être décarboxylé en libérant du CO$_2$ là où se déroule le cycle de Calvin, dans un environnement moins riche en oxygène et donc favorable à l'activité carboxylase de la Rubisco.

## Histoire évolutive

La Rubisco est un catalyseur relativement peu efficace en raison de sa lenteur (1 à 9 cycles catalytiques par seconde), de sa faible affinité pour CO$_2$ et de sa faible spécificité pour CO$_2$ par rapport à O$_2$. La baisse de concentration de CO$_2$ et l'augmentation concomitante de celle de O$_2$ dans l'atmosphère terrestre ancienne ont conduit au développement, indépendamment dans diverses lignées d'organismes photosynthétiques, de mécanismes de concentration du dioxyde de carbone au voisinage du site actif et de raréfaction de l'oxygène.
Les isoformes de type I de la superfamille des Rubisco sont présentes dans les plantes terrestres, les algues et les bactéries. En raison des grandes lacunes dans le registre fossile ancien, l'histoire évolutive de ces isoformes est difficile à reconstituer. En 2022, la comparaison des formes actuelles et des expérimentations sur Escherichia coli ont néanmoins permis de montrer que la Rubisco ancestrale ne comportait que l'octamère L$_8$ et que le recrutement des sous-unités S a quadruplé l'efficacité catalytique et doublé la spécificité pour CO$_2$ vis-à-vis de O$_2$. Cet événement a dû intervenir avant ou au début du grand événement d'oxygénation il y a 2,4 milliards d'années$^,$.

## Optimisation de la Rubisco par génie génétique

Le « rendement photosynthétique » d'une cellule se définit comme la fraction d'énergie lumineuse convertie par cette cellule en énergie chimique. Plus il est élevé, et plus la plante est en mesure d'absorber du CO$_2$ pour fabriquer des glucides et, in fine, toute une gamme de biomolécules constituant notamment sa physiologie. La Rubisco est le facteur limitant du rendement photosynthétique global des organismes qui reposent sur cette enzyme ; en accroître l'efficacité catalytique — en augmentant celle de l'activité carboxylase et/ou en réduisant celle de l'activité oxygénase — pourrait donc favoriser la séquestration écologique ou naturelle du CO$_2$ par voie biologique et constituer une option valable dans le contrôle du taux atmosphérique des gaz à effet de serre en partie responsables du réchauffement climatique. Des généticiens estiment que le rendement de certaines plantes pourrait ainsi être dopé de 40 %.
Des expériences ont d'abord porté sur l'expression de gènes de Rubisco d'une espèce transférés par transgenèse dans une plante d'une autre espèce. La stimulation de l'expression de certaines sous-unités de la Rubisco a été testée, de même que l'expression des gènes des sous-unités S directement depuis les plastomes (c'est-à-dire le matériel génétique chloroplastique), voire la modification des gènes codant les sous-unités de la Rubisco pour en augmenter la spécificité au CO$_2$ ou en accroître la vitesse de fixation du carbone. Une voie prometteuse serait d'introduire, dans des plantes cultivées, des gènes de Rubisco plus performante (ex : ceux de rhodophytes telles que Galdieria partita) ; La Rubisco du tabac a ainsi été remplacée par celle d'une protéobactérie, Rhodospirillum rubrum. Ces OGM ont poussé plus haut et produit environ 40 % de biomasse supplémentaire ; d'autres tests devraient porter sur des plantes alimentaires riches en protéines et/ou amidon (soja, cornille (niébé), riz ou pomme de terre).
Il reste à montrer que les changements induits n'affectent pas négativement la plante, car cette amélioration de la Rubisco est basée sur une réduction de la photorespiration, or cette dernière, si elle présente l'inconvénient de faire consommer de l'énergie à la plante, semble aussi avoir un rôle dans la signalisation cellulaire végétale, dans le processus de production de peroxyde d'hydrogène, molécule impliquée dans la signalisation rédox, impliquée dans les mécanismes de croissance mais aussi de réponse à certains stress (attaques de microbes ou parasites).

## Utilisation alimentaire

Parce que cette protéine Rubisco est très abondante dans la nature et qu'elle contient tous les acides aminés essentiels, elle est un aliment potentiellement intéressant. Une méthode a été développée pour l'extraire et la concentrer afin d'en faire des "steaks végétaux".