RuBisCO

Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase, bedre kendt under navnet RuBisCO
, er et enzym, der bruges i Calvins cyklus som katalysator for det første, større skridt i kulstofbindingen, en proces, hvor atomer fra atmosfærens CO2 gøres tilgængelige for organismerne i form af energirige molekyler som f.eks. sukrose. RuBisCO katalyserer enten karboxylering eller oxidering af ribulose-1,5-bisfosfat (bedre kendt som RuBP) under forbrug af henholdsvis CO2 eller ilt.

RuBisCO er meget vigtigt på grund af dets biologiske betydning, især fordi det katalyserer den mest brugte kemiske proces (henholdsvis inddragelse og frigivelse af CO2 fra og til atmosfæren). RuBisCO er desuden det mest almindelige protein i bladene, og det kan tilmed være det mest almindeligt forekommende protein i verden, da planter udgør mere end 99 % af Jordens biomasse.. I bevidstheden om stoffets vigtige rolle i biosfæren, er der bestræbelser i gang på at genmanipulere dyrkede afgrøder, sådan at de får et mere effektivt RuBisCO (se nedenfor).

Struktur 
Hos planter, alger, cyanobakterier samt fototropiske og kemoautotropiske proteobakterier består enzymet almindeligvis af to typer af protein-underenheder, som kaldes den lange kæde (L med ca. 55.000 Da) og den korte kæde (S med ca. 13.000 Da). De enzymaktive substrat (ribulose-1,5-bisfosfat)-bindingssteder findes i de lange kæder, der danner dimere forbindelser, som vist på figur 1 (ovenfor til højre), hvor aminosyrer fra hver af de lange kæder bidrager til bindingsstederne. En helhed af otte lange kæde-dimerer og otte korte kæder samles til et større kompleks med ca. 540.000 Da. Hos nogle proteobakterier og dinoflagellater har man fundet enzymer, der udelukkende består af lange kæder.

Magnesiumioner (Mg2+) er nødvendige for enzymaktivitet. Korrekt placering af Mg2+ i enzymets aktive sted kræver, at et lysin på det aktive sted får tilført et "aktiverende" CO2-molekyle (hvorved der dannes et karbamat). Dannelsen af karbamatet bliver begunstiget af et basisk pH. pH og koncentrationen af magnesiumioner i væskedelen af grønkornene (stroma) forøges i lys. Se nedenfor.

Enzymaktivitet 

Som vist på Figur 2 (til venstre) er RuBisCO et af mange enzymer, der indgår i Calvins cyklus.

Substrater
Under kulstofbindingen er RuBisCOs substrater ribulose-1,5-bisfosfat, CO2 (ikke det "aktiverende" CO2) og vand . RuBisCO kan også katalysere en proces med ilt (O2) som substrat i stedet for CO2.

Produkter
Når det er CO2, der er substratet, bliver resultatet af karboxylase-processen et yderst ustabilt mellemprodukt med seks kulstofatomer, der kaldes 3-keto-2-karboxyarabinitol-1,5-bisfosfat. Det går i stykker nærmest øjeblikkeligt og bliver til to molekyler 3-fosfoglycerat. Dette ustabile molekyle, som bliver skabt under den indledende karboxylering, var ukendt indtil 1988, da det blev isoleret første gang. 3-fosfoglycerat kan bruges til at danne større molekyler, så som glukose. Hvis det er fri ilt, der er substratet, bliver produkterne af oxygenaseprocessen fosfoglykolat og 3-fosfoglycerat. Fosfoglykolat indleder en serie af processer, der kaldes fotorespiration, og som inddrager enzymer og cytokromer, der findes i mitokondrierne og  peroxisomerne. Under denne proces omdannes to molekyler fosfoglykolat til et molekyle CO2 og et molekyle 3-fosfoglycerat, som kan indgå i Calvins cyklus. Noget af fosfoglykolatet kan tilbageholdes af planterne, sådan at de kan producere andre molekyler, som f.eks. glycin. Ved de niveauer af CO2 og ilt, som findes i atmosfæren, er forholdet mellem de to processer ca. 4:1, hvad der medfører en nettokulstofbinding på kun 3,5 %. RuBisCO-enzymets manglende evne til at undgå at reagere med ilt reducerer derfor mange planters  fotosyntesepotentiale. Visse planter, mange alger og fotosyntetiserende bakterier har klaret denne begrænsning ved at opfinde midler til at øge CO2-koncentrationen rundt om enzymet. Metoderne spænder fra C4-kulstofbinding og CAM-binding til brugen af pyrenoid.

Enzymaktivitetsrate
Nogle enzymer kan typisk gennemføre tusindvis af kemiske reaktioner pr. sekund. Men RuBisCO er langsomt og kan kun ”binde” 3 CO2-molekyler pr. sekund. Ikke desto mindre øges RuBisCO-aktiviteten under de fleste forhold sammen med øgede koncentrationer af CO2 på grund af den ekstremt høje koncentration af enzymet. Når lysmængden ikke nedsætter fotosyntesen, bliver det derfor koncentrationen af CO2, der er den begrænsende faktor. I sidste ende er det i øvrigt en anden faktor ved Calvins cyklus, der er skyld i den begrænsede fotosynteserate, nemlig at RuBisCO ikke kan gendannes hurtigt nok ().

Regulering af RuBisCOs enzymaktivitet 
RuBisCO er sædvanligvis kun aktivt om dagen, da ribulose-1,5-bisfosfat ikke bliver produceret i mørke på grund af styringen af adskillige andre enzymer i Calvins cyklus. Dertil kommer, at RuBisCOs aktivitet bliver samordnet på mange måder med de andre enzymer i Calvins cyklus:

Regulering ved ioner. Når grønkornene bliver belyst, stiger pH i stroma fra 7,0 til 8,0 på grund af proton (brintion, H+)-gradienten, der skabes ind gennem tylakoidmembranen. Samtidig flyttes magnesiumioner  (Mg2+) ud af tylakoiderne, og det øger koncentrationen af magnesium i grønkornets stroma. RuBisCO har et højt optimalt pH (det kan være >9,0, afhængigt af koncentrationen af magnesiumioner), og det bliver "aktiveret" ved tilførslen af CO2 og magnesium til de aktive steder som beskrevet ovenfor.

Regulering ved aktivase. Hos planter og visse alger er et andet enzym, RuBisCO aktivase nødvendigt for at muliggøre dannelsen af det afgørende karbamat på det aktive sted hos RuBisCO. Aktivase er nødvendigt, fordi ribulose-1,5-bisfosfat (RuBP)-substratet binder sig kraftigere til aktive steder, der mangler karbamat, og det sinker ”aktiveringen” markant. Under lyspåvirkning fremmer RuBisCO-aktivase løsgørelsen af det hæmmende eller under nogle betingelser: oplagrende RuBP fra de aktive steder . Aktivase kræves også hos nogle planter (f.eks. Tobak og mange Bønner), fordi RuBisCO bliver hæmmet i mørke af et konkurrerende hæmstof, der dannes i disse planter, en substratanalog, der hedder 2-karboxy-D-arabitinol-1-fosfat (CA1P). CA1P bindes tæt til det aktive sted på et karbamyleret RuBisCO og hæmmer katalytisk aktivitet. Under belysning fremmer RuBisCO-aktivase også løsgørelsen af CA1P fra de katalytiske steder. Når CA1P er frigjort fra RuBisCO, bliver det hastigt omdannet til en ikke-hæmmende form af det lysaktiverede enzym CA1P-fosfatase. Endelig er det sådan, at ud af adskillige hundreder af reaktioner med CO2 eller ilt vil en enkelt ikke blive ført til ende, og der dannes andre, hæmmende substratanaloger på det aktive sted. Endnu en gang kan RuBisCO-aktivase fremme løsgørelsen af disse analoge stoffer fra de katalytiske steder og vedligeholde RuBisCO i en katalytisk aktiv form. Under RuBisCos indledende lysproces bindes det RuBP, som blev adskilt fra RuBisCO, til det karbamylerede enzym, og efter fjernelse af protoner dannes enediol, som kan reagere med CO2. En mangel på enten RuBisCO eller RuBP i et hvilket som helst trin vil lukke processen af for andre faktorer, inklusive CO2-mængden. Af den grund kan modeller, der bygger på en begrænsning af RuBisCO ved lave CO2-niveauer, ikke understøtte livet på planeten. Aktivase-enzymets egenskaber begrænser planters fotosyntetiske aktivitet ved høje temperaturer. CA1P har også vist sig at kunne fastholde Rubisco i en konformation, som er beskyttet mod proteolyse.

Regulering ved ATP/ADP og aktivasestyret reduktion/oxideringstilstand i stroma Fjernelsen af de hæmmende stoffer RuBP, CA1P og andre hæmmende substratanaloger ved aktivase forudsætter et forbrug af ATP. Denne proces hæmmes ved tilstedeværelse af ADP, og det betyder, at aktivaseenzymets aktivitet afhænger af forholdet mellem disse to stoffer i grønkornets stroma. Hos de fleste planter bliver aktivases følsomhed overfor ATP/ADP-forholdet desuden ændret af stromas   reduktion/oxidering (redox)-tilstand via et andet, lille  reguleringsprotein, thioredoxin. På den måde kan aktivases aktivitet og RuBisCOs aktiveringsgrad ændres som svar på lysintensiteten og derfor også tempoet i dannelsen ribulose-1,5-bisfosfat-substratet. 

Regulering ved fosfat. Hos cyanobakterierne deltager uorganisk fosfat (Pi) i den koordinerede regulering af fotosyntesen. Pi bindes til RuBisCOs aktive sted og til et andet sted på den lange kæde, hvor det kan påvirke overgange mellem den aktiverede og de mindre aktive former af enzymet. Aktiveringen af bakterie-RuBisCO kan være særligt følsomt for Pi-niveauer, der kan virke på samme måde, som RuBisCO-aktivase hos højere planter.

Regulering ved CO2. Da CO2 og ilt konkurrerer om det aktive sted på RuBisCO, kan kulstofbindingen ved hjælp af RuBisCO forøges ved at hæve CO2-niveauet i den del, som indeholder RuBisCO (grønkornenes stroma). Flere gange i løbet af planternes udvikling er der opstået mekanismer, der forøger CO2-niveauet i stroma (se C4-kulstofbinding). Brugen af ilt som et substrat er tilsyneladende en forvirrende proces, for det virker, som om den kaster indvundet energi bort. Men den kan være en mekanisme, der skal forebygge overbelastning i perioder med stor lysindstråling.  Denne svaghed ved enzymet er baggrunden for fotorespirationen, som kan betyde, at sunde blade i klart lys kan opnå et netto-nulresultat i kulstofbinding, når forholdet mellem ilt og  CO2 kommer op på en tærskel, hvor ilt bliver bundet i stedet for kulstof. Fænomenet er først og fremmest temperaturafhængigt. Høje temperaturer nedsætter koncentrationen af CO2, som er opløst i bladvævenes fugtighed. Det samme fænomen er også forbundet med vandmangel. Da bladene bliver afkølet ved fordampning, vil mangel på vand fremkalde høje temperaturer i bladene. C4-planter bruger i begyndelsen enzymet PEP karboxylase, og det har en højere bindingsevne for CO2. Under processen bliver der først dannet et mellemprodukt med 4 kulstofatomer, og det bliver derpå befordret hen til et sted, hvor der foregår C3-fotosyntese, for derefter at blive de-karboxyleret, så der frigives CO2, der øger koncentrationen af CO2. Dette er baggrunden for navnet C4-planter. CAM-planter holder deres spalteåbninger (på undersiden af bladet) lukkede om dagen, hvad der sparer på vandet, men forhindrer fotosyntese, der kræver at CO2 kan passere disse åbninger ved diffusion. Fordampning gennem bladets overside bliver forhindret ved et lag af voks.

Genmanipulation 
Da RuBisCO ofte anses for at begrænse fotosyntesen hos planter, kunne det være muligt at forbedre effektiviteten af fotosyntesen ved at ændre på RuBisCO-generne i planterne, sådan at man øger enzymets katalytiske aktivitet og/eller nedsætter tempoet i iltningsaktiviteten. Metoder, som man er begyndt at undersøge, omfatter overførelse af RuBisCO-gener fra én organisme til en anden, forøgelse af niveauet for dannelse af RuBisCOs underenheder, dannelse af RuBisCOs korte kæder ud fra grønkorn-DNA og ændring af RuBisCo-generne, så man kan forsøge at øge tendensen til kulstofbinding.

En særligt interessant fremgangsmåde er at indføre RuBisCO-varianter med naturligt høj tilbøjelighed for CO2, så som typer fra rødalgen  Galdieria partita, i planter. Man kan forvente, at det vil forbedre den fotosyntetiske effektivitet hos planteafgrøder . Vigtige fremskridt på dette område omfatter erstatningen af tobaksplantens enzym med det tilsvarende fra den fotosyntetiserende purpurbakterie Rhodospirillum rubrum .

En ny teori undersøger udbyttet ved den forholdsmæssige tilbøjelighed (dvs. evne til at begunstige CO2-binding i forhold til at indbygge fri ilt, hvad der fører til den energimæssigt ødsle fotorespiration) og den rate, produktet dannes ved. Forfatterne konkluderer, at RuBisCO i realiteten kan have udviklet sig til et punkt nær 'det perfekte' hos mange planter (med vidt forskellig adgang til substrat og miljøforhold), sådan at der er opnået et kompromis mellem CO2-målrettethed og tempo i processen. Men forfatterne fra det samme forskerhold har fremsat en teori om, at fotosyntesen bliver hæmmet af RuBisCO ved de  CO2-koncentrationer, der er i overensstemmelse med livets opretholdelse på kloden.

Se også 
C4-plante
CAM-plante
Fotorespiration
Genetisk modificeret organisme
Kulstofkredsløb
Pyrenoid

Eksterne links 
Vedrørende mekanismen bag den RuBisCO-katalyserede reaktion 
Rubisco: Protein Data Bank indgang 
Planterigets dovendyr: Protein Spotlight artikel om det "dovendyrsagtige" enzym, RuBisCO
Rubisco

Noter

Litteratur 
 H. Sugawara, H. Yamamoto, N. Shibata, T. Inoue, S. Okada, C. Miyake, A. Yokota og Y. Kai: Crystal structure of carboxylase reaction-oriented ribulose 1, 5-bisphosphate carboxylase/oxygenase from a thermophilic red alga,"Galdieria partita", i Journal of Biological Chemistry, 1999, bd. 274, side 15655–61. (Se teksten online ).

 A.R. Portis Jr. og M.A.J. Parry: Discoveries in Rubisco (Ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase): a historical perspective i Photosynthesis Research 2007, bd. 94, side 121–43. (se teksten online).

Fotosyntese
Enzymer