Рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза-оксигеназа , широко известная под аббревиатурами RuBisCo , rubisco , [1] RuBPCase или RuBPco , представляет собой фермент , участвующий в первом основном этапе фиксации углерода , процесса, посредством которого атмосферный углекислый газ превращается растениями и другими фотосинтезирующими организмами в богатые энергией молекулы , такие как глюкоза . С химической точки зрения, он катализирует карбоксилирование рибулозо -1,5-бисфосфата .(также известный как RuBP). Вероятно, это самый распространенный фермент на Земле. [2] [3] [4]
RuBisCO важен с биологической точки зрения, поскольку он катализирует первичную химическую реакцию , посредством которой неорганический углерод попадает в биосферу . В то время как многие автотрофные бактерии и археи фиксируют углерод через восстановительный путь ацетил-КоА , цикл 3-гидроксипропионата или обратный цикл Кребса , эти пути вносят относительно небольшой вклад в глобальную фиксацию углерода по сравнению с тем, что катализируется RuBisCO. Фосфоенолпируваткарбоксилаза , в отличие от RuBisCO, только временно фиксирует углерод. Отражая его важность, RuBisCO является наиболее распространенным белком в листьях ., что составляет 50% растворимого белка листьев у растений C 3 (20–30% общего азота листьев) и 30% растворимых белков листьев растений C 4 (5–9% общего азота листьев). [4] Учитывая его важную роль в биосфере, генная инженерия RuBisCO в сельскохозяйственных культурах представляет постоянный интерес (см. ниже ).
У растений, водорослей , цианобактерий , фототрофных и хемоавтотрофных протеобактерий фермент обычно состоит из белковых субъединиц двух типов, называемых большой цепью ( L , около 55 000 Да ) и малой цепью ( S , около 13 000 Да). Ген большой цепи ( rbcL ) кодируется хлоропластной ДНК растений. [5] Как правило , в ядре растительных клеток имеется несколько родственных генов малых цепей , и малые цепи импортируются в стромальные клетки.Отделение хлоропластов от цитозоля путем пересечения наружной мембраны хлоропласта . [6] [7] Сайты связывания ферментативно активного субстрата ( рибулозо -1,5-бисфосфат) расположены в больших цепях , образующих димеры , в которых аминокислоты из каждой большой цепи вносят свой вклад в сайты связывания. В общей сложности восемь больших цепей (= 4 димера) и восемь малых цепей собираются в более крупный комплекс размером около 540 000 Да. [8] У некоторых протеобактерий и динофлагеллят обнаружены ферменты, состоящие только из крупных субъединиц.[9]
Ионы магния ( Mg2+
) необходимы для ферментативной активности. Правильное расположение Mg2+
в активном центре фермента включает присоединение «активирующей» молекулы углекислого газа ( CO 2 ) к лизину в активном центре (формирование карбамата ). [10] Mg 2+ действует путем депротонирования остатка Lys210, в результате чего остаток Lys поворачивается на 120 градусов к транс - конформеру, уменьшая расстояние между азотом Lys и углеродом CO 2 . Непосредственная близость позволяет образовать ковалентную связь, в результате чего образуется карбамат. [11] Мг 2+сначала становится возможным связывание с активным сайтом путем поворота His335 в альтернативную конформацию. Затем Mg 2+ координируется остатками His активного центра (His300, His302, His335) и частично нейтрализуется за счет координации трех молекул воды и их превращения в -OH . [11] Эта координация приводит к нестабильному комплексу, но создает благоприятную среду для связывания Mg 2+ . Формированию карбамата способствует щелочной рН . рН и концентрация ионов магния в жидкостном компартменте (у растений строма хлоропласта [12]) увеличивается на свету. Роль изменения pH и уровня ионов магния в регуляции активности фермента RuBisCO обсуждается ниже . После образования карбамата His335 завершает активацию, возвращаясь в исходное положение за счет тепловых колебаний. [11]