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