Rubisco

Ribuloza-1,5-bisfosfat karboksilaza oksigenaza je enzim, poznat i pod skraćenicom Rubisco. Ova skraćenica je slučajno izmišljena 1979 godine od strane Davida Eisenberga na jednom seminaru povodom penzionisanja poznatog istraživača ovog enzima Sama Wildmana. Skraćenica je izvedena iz punog imena enzima na engleskom jeziku (Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase), a naziv Rubisco aludira na trgovačko ime jednog prehrambenog artikla (Nabisco) po čijem je modelu Wildman pokušavao napraviti jestive listove duhana. Ovaj enzim djeluje u toku Calvinovog ciklusa gdje služi kao katalizator u prvoj velikoj fazi fiksiranja ugljika, procesu u kojem molekule atmosferskog ugljik dioksida postaju dostupne organizmima u obliku energijom bogatih molekula poput sukroze. Rubisco katalizira ili karboksilaciju ili oksigenaciju ribuloze-1,5-bifosfata (RuBP) sa ugljik dioksidom ili kiseonikom.

Smatra se da je Rubisco enzim veoma značajan u pogledu biološkog uticaja, jer katalizira neke općenito korisne hemijske reakcije putem kojih se neorganski ugljik ugrađuje u biosferu. Rubisco je također jedna od najrasprostranjenijih bjelančevina u lišću biljaka, a smatra se i jednom od najrasprostranjenijih na Zemlji . Zbog svojih važnih uloga u biosferi, trenutno postoje određene namjere da se stvore genetički izmijenjene biljke koje bi sadržavale još efikasniji Rubisco enzim.

 Struktura 
U biljkama, algama, cijanobakterija te fototrofnim i hemoautotrofnim proteobakterijama, enzim se obično sastoji od dva tipa podjedinica bjelančevina, zvanih veliki lanac (L od oko 55.000 daltona) i mali lanac (S od oko 13.000 Da)Gen velikog lanca je dio molekule DNK hloroplasta u biljkama(Entrez GeneID: ). Postoji obično nekoliko povezanih gena malog lanca u jedru biljnih ćelija, a mali lanci se uvoze u skladišni prostor strome iz citostola putem prelaza iz vanjske membrane hloroplasta.Arabidopsis thaliana ima četiri RuBisCO gena malog lanca. . Aktivna mjesta enzimatski aktivnog substrata (ribuloza-1,5-bisfosfat) se nalaze u velikim polimerima koji formiraju dimere, a u kojima aminokiseline sa svakog od velikih lanaca doprinose na aktivnim mjestima. Ukupno osam velikih dimera velikog lanca i osam malih lanaca se spaja u veliki kompleks veličine oko 540.000 Da . Pronađeno je da se u nekim proteobakterijama i dinoflagelatima, enzimi se sastoje samo od velikih podjedinica.

Ioni magnezijuma (Mg2+) su neophodni za enzimsku aktivnost. Tačno postavljanje iona magnezijuma na aktivno mjesto enzima uključuje dodavanje aktivirajuće molekule ugljik dioksida na lizin na aktivnom mjestu (formirajući karbamat)Harvey Lodish, Arnold Berk, S. Lawrence Zipursky, Paul Matsudaira, David Baltimore i James E. Darnell (2000): Molecular Cell Biology, 4. izd., Izdanje: W. H. Freeman & Co., New York.; Model magnezijuma na aktivnom mjestu . Formiranje karbamata pogoduje alkalnoj pH vrijednosti. Vrijednost pH i koncentracija iona magnezijuma u fluidu skladišnog prostora (u biljaka je to stroma hloroplasta) se povećava u prisustvu svjetlosti.Lodish textbook opisuje lokalizaciju Rubisco enzima u prostoru strome hloroplasta. Crtež 17-7 prikazuje kako male podjedinice enzima se premještaju u stromu hloroplasta i povezuju u velike podjedinice. Uloga promjene pH vrijednosti i nivoa iona magnezijuma na regulaciju aktivnosti Rubisco enzima je opisana ispod.

 Enzimska aktivnost 
mini|lijevo|300px|Pregled Calvinovog ciklusa i fiksacije ugljika
Kao što je prikazano u pregledu Calvinovog ciklusa (lijevo), Rubisco je samo jedan od mnogih enzima u Calvinovom ciklusu.

Tokom fiksiranja ugljika, molekule supstrata za Rubisco su ribuloza-1,5-bisfosfat, ugljik dioksid (različit od aktivirajućeg ugljik dioksida) i voda.Hemijske reakcije koje katalizira enzim Rubisco su opisane u priručniku "Biochemistry" autora Stryer et al. Rubisco također može omogućiti i reakciju sa molekularnim kiseonikom (O2) umjesto ugljik dioksidom (CO2).

Proizvodi. Kada je supstrat ugljik dioksid, proizvod reakcije karboksilaze je veoma nestabilan fosforizirani šestougljični međuproizvod poznat i kao 3-keto-2-karboksiarabinitol 1,5-bisfosfat, koji se gotovo istovremeno raspada na dvije molekule glicerat 3-fosfata. Izuzetno nestabilna molekula napravljena preko početne karboksilacije je bilo nepoznata sve do 1988 godine, kada je izolirana. 3-fosfoglicerat se može upotrijebiti za sintezu većih molekula poput glukoze. Kada je molekularni kiseonik supstrat, proizvodi reakcije oksigenaze su fosfoglikolat i 3-fosfoglicerat. Fosfoglikolat inicira seriju reakcija zvanih fotorespiracija. Ona uključuje enzime i citohrome koji se nalaze u mitohondrijama i peroksizomima. U tom procesu, dvije molekule fosfoglikolata se prevode u jednu molekulu ugljik dioksida i jednu molekulu 3-fosfoglicerata koji se dalje može vratiti u Calvinov ciklus. Neki fosfoglikolati koji ulaze u ovu putanju mogu biti zadržani u biljci radi pravljenja drugih molekula poput glicina. Pri koncentracijama ugljik dioksida i kiseonika približnim onim u atmosferi, odnos reakcija je oko 4:1, što rezultira neto fiksiranjem ugljik dioksida od samo 3,5. Na taj način nemogućnost enzima da spriječi reakciju sa kiseonikom dosta smanjuje fotosintetički potencijal mnogih biljaka. Neke biljke, mnoge alge i fotosintetičke bakterije su djelimično zaobišle ove prepreke tako što su našle načina da povećaju koncentraciju ugljik dioksida oko enzima, između ostalih preko fiksiranja C4 ugljika, metabolizma crassulaceanske kiseline ili korištenjem pirenioda.

Brzina enzimske aktivnosti. Neki enzimi često imaju mogućnost da učestvuju u hiljadama hemijskih reakcija u sekundi. Međutim, enzim Rubisco je relativno spor, on može da fiksira samo od tri do 10 molekula ugljik dioksida u sekundiEllis J.R. (2010). "Tackling unintelligent design". Nature 463 (7278): 164–165. doi:10.1038/463164a. PMID 20075906.. Ipak, zbog njegovih visokih koncentracija, u većini slučajeva, i kada svjetlost ne ograničava proces fotosinteze, reakcija enzima Rubisco pozitivno utiče na povećavanje koncentracije CO2; u suprotnim slučajevima ograničavajući faktor je koncentracija ugljik dioksida. Jedini stvarni faktor koji može ograničiti brzinu Calvinovog ciklusa je sam enzim Rubisco, kojeg u kratkom vremenu ne može zamijeniti ni jedan drugi faktor.

 Regulacija enzimske aktivnosti 
Rubisco je obično aktivan samo preko dana jer se ribuloza 1,5-bisfosfat ne proizvodi u mraku, zbog regulacije nekih drugih enzima unutar Calivinovog ciklusa. Pored toga, aktivnost enzima Rubisco je u koordinaciji sa aktivnošću drugih enzima unutar Calvinovog ciklusa na nekoliko načina:

Regulacija putem iona. Nakon što se hloroplasti izlože svjetlosti, pH vrijednost strome se povećava sa 7 na 8 zbog protonskog gradijenta (iona vodonika H+) koji se formiraju preko membrane tilakoida.Svjetlosna regulacija Calvinovog ciklusa U isto vrijeme, ioni magnezijuma (Mg2+) izlaze izvan tilakoida, povećavajući koncentraciju magnezijuma u stromi hloroplasta. Enzim Rubisco ima najvišu optimalnu pH vrijednost (može biti veća od 9, zavisno od koncentracije iona magnezija) te tako postati aktiviran putem dodavanja ugljik-dioksida i magnezija na aktivno mjesto.
Regulacija putem aktivaze. Kod biljaka i nekih algi, drugi enzim, Rubisco aktivaza je neophodan za brzo formiranje kritičnog karbamata na aktivnom mjestu enzima Rubisco. Aktivaza je obavezna zato što se supstrat ribuloza 1,5-bisfosfat (RuBP) veže mnogo snažnije na aktivno mjesto gdje nedostaje karbamat i značajno usporava proces aktivacije. Aktivaza je također neophodna kod nekih biljaka (npr. kod duhana i graha) jer je u mraku Rubisco blokiran od strane kompetitivnih inhibitora koje su sintetizirale ove biljke, supstrat sličan 2-karboksi-D-arabitinol 1-fosfata (CA1P).CA1P se snažno veže na aktivno mjesto karbamiranog Rubisco enzima i inhibira katalitičku aktivnost. Na svjetlosti, Rubisco aktivaza također podržava otpuštanje CA1P sa katalitičkih mjesta. Nakon što je Rubisco otpustio CA1P, on se ubrzano pretvara u neinhibitorski oblik putem svjetlosno aktivirane CA1P-fosfataze. Na kraju, jednom u svakih par stotina reakcija, normalne reakcije sa ugljik dioksidom ili kiseonikom se ne završavaju, a drugi oblici inhibitorskih supstrata se grade na aktivnom mjestu. Ponovo, Rubisco aktivaza može podržati njihovo otpuštanje sa katalitičkih mjesta i održati enzime u katalitičkom obliku. Osobine aktivaze ograničavaju fotosintetički potencijal biljaka na višim temperaturama.Dokazano je da i CA1P zadržava Rubisco u hemijskoj konformaciji koja je zaštićena od proteolize.Pri višim temperaturama Rubisco aktivaza ne reagira i ne može više da aktivira Rubisco enzim.Michael E. Salvucci*, Katherine W. Osteryoung2, Steven J. Crafts-Brandner i Elizabeth Vierling (2001): Exceptional Sensitivity of Rubisco Activase to Thermal Denaturation in Vitro and in Vivo, Plant Physiology Vol. 127 Ovo bi moglo biti korisno jer se deaktiviranjem enzima Rubisco smanjila i fotorespiracija.
Regulacija putem ATP/ADP i redukcionog/oksidacionog stanja strome preko aktivaze. Uklanjanje inhibicione RuBP, CA1P i drugih analoga supstrata putem aktivaze zahtijeva trošenje adenozin trifosfata (ATPa). Ova reakcija se inhibira u prisustvu ADPa (adenozin difosfata) te tako aktivnost aktivaze zavisi od odnosa ovih supstanci u stromi hloroplasta. Dalje, u mnogim biljkama, osjetljivost aktivaze na odnos ATP/ADP je izmijenjena preko redoks stanja strome putem jedne regulacione bjelančevine, tioredoksina. Na ovaj način, aktivnost aktivaze i stanje aktivnosti Rubisco se može izmijeniti kao odgovor na intenzitet svjetlosti te se tako može mijenjati i brzina formiranja supstrata ribuloze 1,5-bisfosfata.
Regulacija putem fosfata. Kod cijanobakterija, neorganski fosfati (Pi) učestvuju u koordiniranoj regulaciji fotosinteze. Neorganski fosfati se vežu na aktivno mjesto Rubisco i na drugo mjesto na velikom lancu gdje mogu uticati na prelaz između aktiviranih i manje aktivnih konformacija enzima. Aktiviranje bakterijskog Rubisco može biti posebno osjetljivo na nivoe neorganskih fosfata koji mogu djelovati na isti način kao Rubisco aktivaza u višim biljkama.
Regulacija putem ugljik dioksida. Pošto se ugljik-dioksid i kisik takmiče za aktivno mjesto na enzimu Rubisco, fiksiranje ugljik-dioksida putem Rubisco može biti poboljšano povećanjem koncentracije ugljik-dioksida u skladišnim prostorima koji sadrže Rubisco (stroma hloroplasta). U nekoliko navrata tokom evolucije biljaka, mehanizmi za povećanje nivoa ugljik-dioksida u stromi su se poboljšavali. Korištenje kisika kao supstrata je naizgled zamršen proces, pošto se s njim rasipa sakupljena energija. Međutim, to bi se moglo protumačiti i kao mehanizam kojim se sprječava prepunjenost tokom perioda snažnog svjetlosnog toka. Ove slabosti u enzimu su uzrok fotorespiracije, tako da zdravi listovi i pored dovoljno svjetla imaju nultu stopu neto fiksiranja ugljika kada odnos O2 i CO2 dostigne prag na kojem se umjesto ugljika fiksira kisik. Ovaj fenomen je najvećim dijelom zavisi od temperature. Visoke temperature smanjuju koncentraciju ugljik-dioksida koji je rastvoren u vlagi u tkivima lišća. Ovaj fenomen je također povezan i sa stresom vode. Pošto voda iz lišća evaporira ohlađena, ograničenje vode prouzrokuje visoke temperature unutar lista. C4 biljke prvo koriste enzim PEP karboksilazu, koja ima veći afinitet prema CO2. U procesu se prvo stvara međuproizvod sa 4 ugljika, koji se odmah dekarboksilizira otpuštajući CO2 da bi povećao njegovu koncentraciju.

 Vanjski linkovi 
Struktura molekule

 Reference 

Kategorija:Enzimi
Kategorija:Fotosinteza