リブロース1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ
RuBisCOは上述したように、リブロース1,5-ビスリン酸へのカルボキシラーゼ反応という特有の反応を触媒するが、同時にオキシゲナーゼ反応も担うという酵素的な欠点も抱えている。また、比活性も低くカルビン-ベンソン回路の律速段階となっている。RubisCOのこうした欠点を克服することは主要作物の増産や地球温暖化防止の点においても極めて大きな影響を与えると考えられ、大腸菌を用いた遺伝子の突然変異法などによりその機能の改良が試みられてきた。
近年のRubisCOの改良に関する総説によると、求められるべきPerfect RubisCOとは以下の条件を満たすものである。
CO2への高い比活性および低いミカエリス・メンテン定数を有すること(具体的な数字として kcat/Km = 10 Ms)
ただし、CO2のミカエリス-メンテン定数は葉緑体ストロマにおけるCO2よりも高い値 (>8 μM) を示すこと(ストロマ中におけるCO2濃度が一定に保たれ常に最大速度を示すため)
O2に対するCO2の特異性が無限大に大きいこと(オキシゲナーゼ活性が発生しないように、Sc/o = ∞)
現実のRubisCOは紅色非硫黄細菌 Rhodospirillum rubrum の場合、比活性が高いもののミカエリス-メンテン定数が高く、高CO2濃度に適応している。
RubisCO-like protein (Form IV) の特徴は以下の通りである
Chrolobium limicola、C. tepidum、A. fulgidus そして Bacillus subtilis と古細菌および細菌の両方から見つかっている。
RubisCO触媒部位に必須とされる幾つかのアミノ酸を欠いている。
C. tepidum にてノックアウト実験が行なわれたが硫黄代謝に欠陥が現れ、新規代謝系に関与していることが示唆されている。
強光下で光合成を行っていた植物細胞を21%O2濃度条件(通常の大気)における暗所に移動した場合、直後に大量のCO2放出が見られる。同様の実験を1.5%O2濃度条件の暗所に移動した場合、CO2の放出は観察されなくなる。明条件におけるCO2の放出を光呼吸というが、この原因になっている主反応がRubisCOのオキシゲナーゼ反応である。光呼吸は同化したCO2を再放出する過程であり(植物の生育速度の低下)、多くの主要作物(小麦、米、豆類など)でこの現象が見られることから収量上昇など経済的にも注目されている。RubisCOのオキシゲナーゼ反応は以下のとおりである。
リブロース1,5-ビスリン酸 + O2 → 3-ホスホグリコール酸 + 3-ホスホグリセリン酸
一見、CO2は放出されていないように見えるが、3-ホスホグリコール酸がペルオキシソームおよびミトコンドリアを経て代謝されCO2を放出する。3-ホスホグリセリン酸はそのままカルビン-ベンソン回路にて還元過程に入る。また、実際にCO2を放出する反応のみならず、オキシゲナーゼ反応がカルボキシラーゼ反応と競合し阻害することによって、見かけのCO2放出量を増加させ、光合成能率の低下を招く。
オキシゲナーゼ反応は詳細に分類すると以下のステップを経る。
D-リブロース1,5-ビスリン酸がRubisCOの作用によりエンジオール型中間体となる。
RubisCOにO2が結合する。
RubisCO-O2複合体にMgが結合し活性型となる。
エンジオール型中間体のリブロース1,5-ビスリン酸にO2が付加し、3-オキソ型中間体となる。