Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase oxygenase, allgemein bekannt durch den kürzeren Namen RuBisCO, ist ein Enzym, das am ersten Hauptschritt des Kohlenstoff-Fixierens, eines Prozesses beteiligt ist, durch den atmosphärisches Kohlendioxyd von Werken zu energiereichen Molekülen wie Traubenzucker umgewandelt wird. RuBisCo ist eine Abkürzung für Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase. In chemischen Begriffen katalysiert es den carboxylation von ribulose-1,5-bisphosphate (auch bekannt als RuBP). Es ist wahrscheinlich das reichlichste Protein auf der Erde.

RuBisCO gegen alternative Kohlenstoff-Fixieren-Pfade

RuBisCO ist biologisch wichtig, weil er die primäre chemische Reaktion katalysiert, durch die anorganischer Kohlenstoff in die Biosphäre eingeht. Viele autotrophische Bakterien und archaea befestigen Kohlenstoff über das reduktive Acetyl Pfad von CoA, der 3-hydroxypropionate Zyklus oder der Rückzyklus von Krebs. Diese Pfade sind relativ kleinere Mitwirkende zum globalen Kohlenstoff-Fixieren als das, das von RuBisCO katalysiert ist. Phosphoenolpyruvate carboxylase, PEPC, befestigt nur provisorisch Kohlenstoff. Seine Wichtigkeit widerspiegelnd, ist RuBisCO das reichlichste Protein in Blättern, für 50 % des auflösbaren Blatt-Proteins in Werken (20-30 % des Gesamtblatt-Stickstoffs) und 30 % des auflösbaren Blatt-Proteins in Werken (5-9 % des Gesamtblatt-Stickstoffs) verantwortlich seiend. In Anbetracht seiner wichtigen Rolle in der Biosphäre ist die Gentechnologie von RuBisCO in Getreide vom ständigen Interesse (sieh unten).

Struktur

In Werken, Algen, cyanobacteria, und Photowendekreis und chemoautotropic proteobacteria, besteht das Enzym gewöhnlich aus zwei Typen der Protein-Subeinheit, genannt die große Kette (L, ungefähr 55,000 Da) und die kleine Kette (S, ungefähr 13,000 Da). Das Gen der großen Kette ist ein Teil des Chloroplast-DNA-Moleküls in Werken. Es gibt normalerweise mehrere zusammenhängende Gene der kleinen Kette im Kern von Pflanzenzellen, und die kleinen Ketten werden zur stromal Abteilung von Chloroplasten vom cytosol durch die Überfahrt der Außenchloroplast-Membran importiert. Das enzymatisch aktive Substrat (ribulose 1,5-bisphosphate) verbindliche Seiten werden in den großen Ketten gelegen, die dimers, wie gezeigt, in der Abbildung 1 bilden (oben, Recht), in dem Aminosäuren von jeder großen Kette zu den verbindlichen Seiten beitragen. Insgesamt acht große Kette dimers und acht kleine Ketten versammeln sich in einen größeren Komplex von ungefähr 540,000 Da. In einem proteobacteria und dinoflagellates sind Enzyme, die aus nur großen Subeinheiten bestehen, gefunden worden.

Magnesium-Ionen sind für die enzymatische Tätigkeit erforderlich. Richtige Positionierung in der aktiven Seite des Enzyms ist mit Hinzufügung eines "Aktivieren"-Kohlendioxyd-Moleküls zu einem lysine in der aktiven Seite verbunden (einen carbamate bildend). Die Bildung des carbamate wird durch einen alkalischen pH bevorzugt. Der pH und die Konzentration von Magnesium-Ionen in der flüssigen Abteilung (in Werken, dem stroma des Chloroplasten) nehmen im Licht zu. Die Rolle des sich ändernden pH und der Magnesium-Ion-Niveaus in der Regulierung der Enzym-Tätigkeit von RuBisCO wird unten besprochen.

Enzymatische Tätigkeit

Wie gezeigt, in (der verlassenen) Abbildung 2 ist RuBisCO eines von vielen Enzymen im Zyklus von Calvin.

Substrate. Während des Kohlenstoff-Fixierens sind die Substrat-Moleküle für RuBisCO ribulose-1,5-bisphosphate, Kohlendioxyd (verschieden vom "Aktivieren"-Kohlendioxyd). RuBisCO katalysiert auch eine Reaktion zwischen ribulose-1,5-bisphosphate und molekularem Sauerstoff statt des Kohlendioxyds .

Produkte

Wenn Kohlendioxyd das Substrat ist, ist das Produkt der carboxylase Reaktion ein hoch nicht stabiles phosphorylated Sechs-Kohlenstoff-Zwischenglied bekannt als 3-keto-2-carboxyarabinitol-1,5-bisphosphate, der eigentlich sofort in zwei Moleküle von glycerate-3-phosphate verfällt. Das äußerst nicht stabile Molekül, das durch die Initiale carboxylation geschaffen ist, war bis 1988 unbekannt, als es isoliert wurde. Der 3-phosphoglycerate kann verwendet werden, um größere Moleküle wie Traubenzucker zu erzeugen. Wenn molekularer Sauerstoff das Substrat ist, sind die Produkte der oxygenase Reaktion phosphoglycolate und 3-phosphoglycerate. Phosphoglycolate wird durch eine Folge von Reaktionen genannt Photoatmung wiederverwandt, die Enzyme und cytochromes einschließt, der im mitochondria und peroxisomes gelegen ist. In diesem Prozess werden zwei Moleküle von phosphoglycolate zu einem Molekül des Kohlendioxyds und einem Molekül von 3-phosphoglycerate umgewandelt, die in den Zyklus von Calvin wiedereingehen können. Einige der phosphoglycolate, die in diesen Pfad eingehen, können von Werken behalten werden, um andere Moleküle wie glycine zu erzeugen. An umgebenden Niveaus des Kohlendioxyds und Sauerstoffes ist das Verhältnis der Reaktionen ungefähr 4 bis 1, der auf ein Nettokohlendioxyd-Fixieren von nur 3.5 hinausläuft. So reduziert die Unfähigkeit des Enzyms, die Reaktion mit Sauerstoff zu verhindern, außerordentlich die photosynthetische Kapazität von vielen Werken. Einige Werke, viele Algen und photosynthetische Bakterien haben diese Beschränkung überwunden, indem sie Mittel ausdenken, die Konzentration des Kohlendioxyds um das Enzym, einschließlich des Kohlenstoff-Fixierens, crassulacean saurer Metabolismus und der Gebrauch von pyrenoid zu vergrößern.

Rate der enzymatischen Tätigkeit

Einige Enzyme können Tausende von chemischen Reaktionen jede Sekunde ausführen. Jedoch ist RuBisCO langsam, im Stande seiend, nur 3-10 Kohlendioxyd-Moleküle jede Sekunde pro Molekül des Enzyms zu befestigen. Die von RuBisCO katalysierte Reaktion, ist so, der primäre Rate beschränkende Faktor des Zyklus von Calvin während des Tages. Dennoch unter den meisten Bedingungen, und wenn Licht Fotosynthese nicht sonst beschränkt, antwortet die Geschwindigkeit von RuBisCO positiv auf die zunehmende Kohlendioxyd-Konzentration.

Jedoch werden unsere beschreibenden Kenntnisse verwendbarer werden, wenn wir sie in quantitative Modelle übersetzen können, die uns ermöglichen können, das Ergebnis der Reaktion unter einer gegebenen Bedingung zu berechnen. Da RubisCO mit RuBP reagiert (ribulose, 1,5 bisphosphate) zuerst dazu erzeugt enediol und als nächstes damit, nachdem einige Zwischenänderungen (3-phosphoglycerate) PGA erzeugen, wird ein biochemisches Modell entwickelt, um die Effekten dieser Schritte quantitativ zu vertreten. Seitdem carboxylation oder Fixieren dessen ist nur möglich nach der Synthese von enediol so wird es darauf hingewiesen, dass die Rolle von RubisCO enediol erzeugen soll, der carboxylase und oxygenase (EnCO) ist. Entsprechend wird RubisCO enolase-phosphglycerase (EPGase) genannt, da es weder carboxylase noch oxygenase ist.

Regulierung seiner enzymatischen Tätigkeit

RuBisCO ist gewöhnlich nur während des Tages aktiv, weil ribulose 1,5-bisphosphate in der Dunkelheit nicht regeneriert wird. Das ist wegen der Regulierung von mehreren anderen Enzymen im Zyklus von Calvin. Außerdem wird die Tätigkeit von RuBisCO mit diesem der anderen Enzyme des Zyklus von Calvin auf mehrere Weisen koordiniert.

Regulierung durch Ionen

Auf die Beleuchtung der Chloroplasten erhebt sich der pH des stroma von 7.0 bis 8.0 wegen des Protons (Wasserstoffion,) über die thylakoid Membran geschaffener Anstieg. Zur gleichen Zeit bewegen sich Magnesium-Ionen aus dem thylakoids, die Konzentration von Magnesium im stroma der Chloroplasten vergrößernd. RuBisCO hat einen hohen optimalen pH (kann> 9.0, abhängig von der Magnesium-Ion-Konzentration sein), und, so, wird "aktiviert" durch die Hinzufügung des Kohlendioxyds und Magnesiums zu den aktiven Seiten, wie beschrieben, oben.

Regulierung durch RuBisCO activase

In Werken und einigen Algen ist ein anderes Enzym, RuBisCO activase, erforderlich, die schnelle Bildung des kritischen carbamate in der aktiven Seite von RuBisCO zu erlauben. RuBisCO activase ist erforderlich, weil das ribulose 1,5-bisphosphate (RuBP) Substrat stärker zu den aktiven Seiten bindet, die am carbamate Mangel haben, und deutlich den "Aktivierungs"-Prozess verlangsamt. Im Licht fördert RuBisCO activase die Ausgabe des hemmenden, oder — in einigen Ansichten — Lagerung RuBP von den katalytischen Seiten. Activase ist auch in einigen Werken erforderlich (z.B, Tabak und viele Bohnen), weil, in der Dunkelheit, RuBisCO gehemmt (oder vor der Hydrolyse geschützt wird) durch einen Wettbewerbshemmstoff, der von diesen Werken, ein Substrat-Analogon 2 Carboxy D arabitinol 1 Phosphat (CA1P) synthetisiert ist. CA1P bindet dicht zur aktiven Seite von carbamylated RuBisCO und hemmt katalytische Tätigkeit. Im Licht fördert RuBisCO activase auch die Ausgabe von CA1P von den katalytischen Seiten. Nachdem der CA1P von RuBisCO veröffentlicht wird, wird er zu einer nichthemmenden Form durch einen Licht-aktivierten CA1P-phosphatase schnell umgewandelt. Schließlich, einmal alle mehrere hundert Reaktionen, die normalen Reaktionen mit dem Kohlendioxyd oder Sauerstoff, werden und andere hemmende Substrat-Analoga nicht vollendet, werden in der aktiven Seite gebildet. Wieder kann RuBisCO activase die Ausgabe dieser Analoga von den katalytischen Seiten fördern und das Enzym in einer katalytisch aktiven Form aufrechterhalten. Die Eigenschaften von activase beschränken das photosynthetische Potenzial von Werken bei hohen Temperaturen. Wie man auch gezeigt hat, hat CA1P RuBisCO in einer Angleichung behalten, die vor proteolysis geschützt wird. Bei hohen Temperaturen, RuBisCO activase Anhäufungen und kann RuBisCO nicht mehr aktivieren. Das kann nützlich sein, weil, durch inactivating RuBisCO, Photoatmung reduziert wird.

Die Regulierung durch ATP/ADP und die stromal Verminderung/Oxydation setzt durch den activase fest

Die Eliminierung hemmenden RuBP, CA1P und der anderen hemmenden Substrat-Analoga durch activase verlangt den Verbrauch von ATP. Diese Reaktion wird durch die Anwesenheit von ADP, und so gehemmt, activase Tätigkeit hängt vom Verhältnis dieser Zusammensetzungen im Chloroplasten stroma ab. Außerdem, in den meisten Werken, wird die Empfindlichkeit von activase zum Verhältnis von ATP/ADP durch die stromal Verminderung/Oxydation (redox) Staat durch ein anderes kleines Durchführungsprotein, thioredoxin modifiziert. Auf diese Weise können die Tätigkeit von activase und der Aktivierungsstaat von RuBisCO als Antwort auf die leichte Intensität und, so, die Rate der Bildung des ribulose 1,5-bisphosphate Substrats abgestimmt werden.

Regulierung durch Phosphat

In cyanobacteria nimmt anorganisches Phosphat (P) an der koordinierten Regulierung der Fotosynthese teil. P bindet zu RuBisCO aktive Seite und zu einer anderen Seite auf der großen Kette, wo es Übergänge zwischen aktiviertem und weniger aktivem conformations des Enzyms beeinflussen kann. Die Aktivierung von bakteriellem RuBisCO könnte zu P Niveaus besonders empfindlich sein, die ebenso als RuBisCO activase in höheren Werken handeln können.

Regulierung durch das Kohlendioxyd

Da sich Kohlendioxyd und Sauerstoff an der aktiven Seite von RuBisCO bewerben, kann das Kohlenstoff-Fixieren durch RuBisCO durch die Erhöhung des Kohlendioxyd-Niveaus in der Abteilung erhöht werden, die RuBisCO (Chloroplast stroma) enthält. Mehrere Male während der Evolution von Werken haben sich Mechanismen entwickelt, für das Niveau des Kohlendioxyds im stroma zu vergrößern (sieh Kohlenstoff-Fixieren). Der Gebrauch von Sauerstoff als ein Substrat scheint, ein rätselhafter Prozess zu sein, da es scheint, gewonnene Energie wegzuwerfen. Jedoch kann es ein Mechanismus sein, um Überlastung während Perioden des hohen leichten Flusses zu verhindern. Diese Schwäche im Enzym ist die Ursache der Photoatmung, solch, dass gesunde Blätter im hellen Licht Nullnettokohlenstoff-Fixieren haben können, wenn das Verhältnis zur Reichweite eine Schwelle, an der Sauerstoff statt Kohlenstoff befestigt wird. Dieses Phänomen ist in erster Linie temperaturabhängig. Hohe Temperatur vermindert die Konzentration von aufgelösten in der Feuchtigkeit in den Blatt-Geweben. Dieses Phänomen ist auch mit dem Wassermangel verbunden. Da Pflanzenblätter abgekühlter evaporatively sind, hat hohe Blatt-Temperaturen von Ursachen von Wasser beschränkt. Werke verwenden den Enzym-PEP carboxylase am Anfang, der eine höhere Sympathie dafür hat. Der Prozess macht zuerst eine 4-Kohlenstoff-Zwischenzusammensetzung, die in eine Seite der Fotosynthese dann de-carboxylated hin- und hergebewogen wird, veröffentlichend, um die Konzentration, folglich die Namenwerke zu erhöhen.

Werke des Säure-Metabolismus von Crassulacean (CAM) halten ihre Stomata (auf der Unterseite des Blattes) geschlossen während des Tages, der Wasser erhält, aber Fotosynthese verhindert, die verlangt, um an Gasaustausch durch diese Öffnungen vorbeizugehen. Die Eindampfung durch die obere Seite eines Blattes wird durch eine Schicht von Wachs verhindert..

Gentechnologie

Da RuBisCO häufig das Rate-Begrenzen für die Fotosynthese in Werken ist, kann es möglich sein, photosynthetische Leistungsfähigkeit durch das Ändern von Genen von RuBisCO in Werken zu verbessern, um seine katalytische Tätigkeit zu vergrößern und/oder die Rate der Oxydationstätigkeit zu vermindern. Das konnte biosequestration dessen verbessern und eine wichtige Klimaveränderungsstrategie sein. Annäherungen, die begonnen haben, untersucht zu werden, schließen das Ausdrücken von Genen von RuBisCO von einem Organismus in einem anderen Organismus, Erhöhung des Niveaus des Ausdrucks von Subeinheiten von RuBisCO, das Ausdrücken von RuBisCO kleine Ketten von der Chloroplast-DNA und das Ändern von Genen von RuBisCO ein, um zu versuchen, Genauigkeit für das Kohlendioxyd zu vergrößern oder sonst die Rate des Kohlenstoff-Fixierens zu vergrößern.

Eine Allee soll Varianten von RuBisCO mit natürlich hohen Genauigkeitswerten wie diejenigen von der roten Alge Galdieria partita in Werke einführen. Wie man erwarten könnte, hat das die photosynthetische Leistungsfähigkeit von Getreide-Werken verbessert, obwohl mögliche negative Einflüsse noch studiert werden müssen. Fortschritte in diesem Gebiet schließen den Ersatz des Tabakenzyms mit dieser der purpurroten photosynthetischen Bakterie Rhodospirillum rubrum ein.

Eine neue Theorie erforscht den Umtausch zwischen der Verhältnisgenauigkeit (d. h., Fähigkeit, Fixieren über die Integration zu bevorzugen, die zum energieverschwenderischen Prozess der Photoatmung führt), und die Rate, an der Produkt gebildet wird. Die Autoren beschließen, dass sich RuBisCO wirklich entwickelt haben kann, um einen Punkt 'der nahen Vollkommenheit' in vielen Werken (mit weit unterschiedlichen Substrat-Verfügbarkeiten und Umweltbedingungen) zu erreichen, einen Kompromiss zwischen Genauigkeit und Rate der Reaktion erreichend.

Da Fotosynthese der einzelne wirksamste natürliche Gangregler des Kohlendioxyds in der Atmosphäre der Erde ist, wird ein biochemisches Modell der Reaktion von RuBisCO als das Kernmodul von Klimaveränderungsmodellen verwendet. So ist ein richtiges Modell dieser Reaktion für das grundlegende Verstehen der Beziehungen und die Wechselwirkungen von Umweltmodellen notwendig. Eine neue Theorie und Modell der biochemischen Reaktion der Fotosynthese und der Nachteile des heutigen am weitesten verwendeten Modells der Fotosynthese werden im neuen Volumen von Fortschritten in der Fotosynthese und Atmung (Kapitel 12) besprochen.

Geschichte des Begriffes RuBisCO

Der Begriff "RuBisCO" wurde humorvoll 1979 von David Eisenberg auf einem Seminar ins Leben gerufen, den Ruhestand des frühen, prominenten rubisco Forschers, Sams Wildman. beachtend, und hat auch auf den Imbiss-Nahrungsmittelhandelsnamen "Nabisco" in der Verweisung auf die Versuche von Wildman angespielt, essbare Tabakblätter zu schaffen.

Siehe auch

• Kohlenstoff-Zyklus
• Photoatmung
• Pyrenoid
• C4 Kohlenstoff-Fixieren
• Säure-Fotosynthese des METABOLISMUS/NOCKENS von Crassulacean
• Carboxysome

Weiterführende Literatur

Links

• Sieh hier für den Mechanismus der RuBisCO-katalysierten Reaktion
• Rubisco: RCSB PDB Molekül des Monats
• Die Pflanzenkönigreich-Faulheit: Artikel Protein Spotlight über das "faule" Enzym Rubisco