Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Charakterystyka białka RuBisCO
Redakcja _, 02.08.2013 , Tagi: RuBisCO, białko, enzymy, Cykl Calvina
Charakterystyka białka RuBisCO
RuBisCO, czyli karboksylaza/oksygenaza rybulozo-1,5-bisfosforanu (ang. ribulose-1,5-bisphosphate carboxylse/oxygenase, EC 4.1.1.39), jest enzymem katalizującym pierwszy etap Cyklu Calvina w fazie ciemnej fotosyntezy. Rolą tego cyklu jest asymilacja węgla nieorganicznego przez rośliny, a omawiany pierwszy etap polega na przyłączaniu cząsteczki dwutlenku węgla do rybulozo-1,5-bisfosforanu. Podczas jednego pełnego obrotu cyklu, RuBisCO bierze udział w asymilacji 6 cząsteczek CO2. Ze względu na swoją rolę, białko to stanowi od 30 do 50 % wszystkich rozpuszczalnych białek w liściach roślin fotosyntetyzujących, co czyni go najbardziej rozpowszechnionym białkiem na świecie.

Struktura

W skład białka RuBisCO wchodzą dwa rodzaje podjednostek: większa, o masie około 55 kDa, określana zwyczajowo jako łańcuch L (ang. large), oraz mniejsza, o masie około 13 kDa, znana szerzej jako łańcuch S (ang. small). Podjednostka większa posiada w swojej strukturze centrum katalityczne enzymu i jest kodowana przez pojedynczy gen rbcL, będący częścią materiału genetycznego chloroplastów. Podjednostka mniejsza natomiast jest kodowana przez gen rbcS, pochodzący z jądrowego DNA komórek roślinnych i stanowiący de facto niewielką grupę blisko spokrewnionych genów, których ilość w genomie waha się w granicach od dwóch do kilkunastu, w zależności od gatunku rośliny. Nowo powstałe łańcuchy S są transportowane do stromy chloroplastów w celu połączenia ich z łańcuchami L. W pełni funkcjonalny kompleks białkowy RuBisCO składa się z 4 dimerów podjednostek L i 4 dimerów podjednostek S, co daje w sumie 16 łańcuchów polipeptydowych o łącznej masie około 550 kDa. Warto dodać, że większe podjednostki dimeryzują w taki sposób, aby reszty aminokwasowe centrum aktywnego były skierowane do wewnątrz całego kompleksu. Szczegółowy model struktury białka RuBisCO jest przedstawiony na obrazku poniżej. Łańcuchy L są zaznaczone kolorem pomarańczowym i niebieskim, zaś łańcuchy S kolorem różowym i zielonym.


 

Aktywność enzymatyczna

Do aktywacji białka RuBisCO niezbędne są jony magnezu oraz jedna cząsteczka dwutlenku węgla. CO2 nie jest w tym przypadku traktowane jako substrat karboksylacji, a jedynie łączy się z resztą lizyny (Lys201), umiejscowioną w centrum katalitycznym białka, prowadząc do powstania związku z grupy karbaminianów. Związek ten łączy się następnie z kofaktorem – jonem Mg2+, który dodatkowo ulega stabilizacji dzięki obecności reszt kwas asparaginowego (Asp203) oraz glutaminowego (Glu204). W wyniku takiego połączenia białko staje się aktywne enzymatycznie i może „działać”.

 

Kolejnym krokiem jest przyłączenie cząsteczki rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBP) do miejsca aktywnego enzymu. W połączeniu udział bierze 7 reszt aminokwasowych (Lys175, Arg295, His298, His327, Lys334, Gly403 i Gly404), a po dodaniu jednej cząsteczki CO2 i jednej cząsteczki wody następuje rozbicie RuBP na dwie cząsteczki 3-fosfoglicerynianu, wykorzystywane dalej w Cyklu Calvina. Problem pojawia się wtedy, gdy rybulozo-1,5-bisfosforan połączy się z enzymem przed utworzeniem karbaminianu. Białko jest wówczas nieaktywne i wymaga zmiany konformacji w celu tymczasowego uwolnienia RuBP. Etap ten jest katalizowany przez aktywazę RuBisCO – białko o aktywności chaperonu, należące do grupy AAA+. Po odłączeniu RuBP, RuBisCO przechodzi w stan aktywny poprzez przyłączenie CO2 i jonu Mg2+, po czym może dojść do ponownego, prawidłowego już przyłączenia substratu.

 

Oprócz asymilacji CO2, białko RuBisCO może również wykorzystywać swoją aktywność oksygenazy w celu asymilacji tlenu. Tlen cząsteczkowy jest wówczas w analogiczny sposób przyłączany do RuBP, zmianie ulegają jedynie produkty reakcji. Zamiast dwóch cząsteczek 3-fosfoglicerynianu powstaje jedna cząsteczka 3-fosfoglicerynianu oraz jedna cząsteczka fosfoglikolanu. Fosfoglikolan  jest zbędnym produktem przemiany materii, przez co ulega późniejszemu częściowemu przekształceniu w 3-fosfoglicerynian. Reakcja ta zachodzi w peroksysomach oraz mitochondriach, a cały szlak asymilacji tlenu jest określany jako fotooddychanie. W przeciwieństwie do fazy ciemnej, zachodzi on tylko w obecności światła.

 

Inżynieria genetyczna

Ze względu na dość nietypowe rozmieszczenie genów oraz wysoki stopień skomplikowania procesu dimeryzacji, białko RuBisCO charakteryzuje się stosunkowo niską aktywnością katalityczną. Z drugiej strony białko to jest niezwykle rozpowszechnione i katalizuje jedną z najważniejszych reakcji chemicznych w świecie roślin. Właśnie dlatego enzym ten stał się przedmiotem intensywnych badań z zakresu inżynierii genetycznej, mających na celu usprawnienie jego pracy. Wiąże się to z podniesieniem potencjału oddechowego roślin, co z kolei ma swoje odzwierciedlenie w szybkości wzrostu i jakości upraw roślinnych na całym świecie.

 

W ciągu ostatniej dekady przeprowadzono wiele badań na białku RuBisCO, głównie pochodzącym z roślin takich jak tytoń czy szpinak. Próbowano przyspieszyć proces fałdowania białka, zwiększyć jego stabilność termiczną, czy też przeanalizować znaczenie poszczególnych reszt aminokwasowych w centrum katalitycznym w celu przyspieszenia samego procesu karboksylacji. Niestety idea „zaprojektowania lepszego RuBisCO” dla potrzeb rolnictwa i przemysłu żywieniowego nadal jest daleka od realizacji, a wszelkie dostępne dane na ten temat są mało szczegółowe. Nie mniej jednak koncepcja ta jest interesująca i z pewnością za kilka lat będziemy mogli powiedzieć o niej nieco więcej.

 

Michał Szewczuk

Źródła

Bibliografia:

  • Bainbridge G., Madgwick P., Parmar S. i in., Engineering Rubisco to change its catalytic properties, Journal of Experimental Botany 46 (1995) 1269-1276
  • Dhingra A., Portis A. R., Daniell H., Enhanced translation of a chloroplast-expressed RbcS gene restores small subunit levels and photosynthesis in nuclear RbcS antisense plants, Proceedings of the National Academy of Science 101/16 (2004) 6315-6320
  • Feller U., Anders I., Mae T., Rubiscolytics: fate of Rubisco after its enzymatic function in a cell is terminated, Journal of Experimental Botany 59/7 (2008) 1615-1624
  • Gutteridge S., Gatenby A. A., Rubisco synthesis, assembly, mechanism and regulation, The Plant Cell 7 (1995) 809-819
  • Kellogg E. A., Juliano N. D., The structure and function of RuBisCO and their implications for systematic studies, American Journal of Botany 84/3 (1997) 413-428
  • Leegood R. C., Lea P. J., Adcock M. D. i in., The regulation and control of photoresporation, Journal of Experimental Botany 46 (1995) 1397-1414
  • Parry M. A. J., Andralojc P. J., Mitchell R. A. C. i in., Manipulation of Rubisco: the amount, activity, function and regulation, Journal of Experimental Botany 54/386 (2003) 1321-1333
  • Portis A. R., Rubisco activase – Rubisco’s catalytic chaperone, Photosynthesis Research 75/1 (2003) 11-27
  • Taylor T. C., Backlund A., Bjorhall K. i in., First cristal structure of Rubisco from a green alga, Chlamydomonas reinhardtii, The Journal of Biological Chemistry 276/51 (2001) 48159-48164
  • Whitney S. M., Houtz R. L., Alonso H., Advancing our understanding and capacity to engineer nature’s CO2-sequestering enzyme, Rubisco, Plant Physiology 155 (2010) 27-35
KOMENTARZE
news

<Wrzesień 2018>

pnwtśrczptsbnd
27
28
29
30
31
1
2
3
4
5
7
8
9
10
16
17
19
21
MEDmeetsTECH #6
2018-09-21 do 2018-09-21
22
23
24
Międzynarodowy Kongres Biogospodarki
2018-09-24 do 2018-09-24
25
IT w Służbie Zdrowia GigaCon
2018-09-25 do 2018-09-25
28
29
30
Newsletter