RuBisCO

RuBisCO Расшифровка
На чтение 35 мин. Просмотров 60 Опубликовано
Содержание
  1. Альтернативные пути фиксации углерода
  2. Библиография
  3. Виды фотосинтеза
  4. Генная инженерия
  5. История термина
  6. Истощение протеомных исследований
  7. Как происходит реакция фотосинтеза
  8. Как ускорить фотосинтез
  9. Карбоксилирование
  10. Мутагенез у растений
  11. Переизобретение фотосинтеза • задачи
  12. По ионам
  13. Проблема голода в сельском хозяйстве
  14. Регуляция
  15. Рекомендации
  16. Структура
  17. Субстраты
  18. Товары
  19. Углекислым газом
  20. Эволюция rubisco
  21. Экспрессия в бактериальных хозяевах
  22. Энолизация
  23. Вывод

Альтернативные пути фиксации углерода

RuBisCO важен биологически потому что он катализирует первичный химическая реакция по которому неорганический углерод входит в биосфера. Хотя многие автотрофные бактерии и археи фиксируют углерод через восстановительный путь ацетил-КоА, то 3-гидроксипропионатный цикл, или обратный цикл Кребсаэти 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 самым распространенным белком в листья, что составляет 50% растворимого белка листьев в C3 растения (20–30% от общего азота листа)

и 30% растворимого белка листа в C4 растения (5–9% от общего азота листьев).[4] Учитывая его важную роль в биосфере, генная инженерия RuBisCO в сельскохозяйственных культурах представляет постоянный интерес (см. ниже).

Библиография

  • Чейз М.В., Солтис Д.Е., Олмстед Р.Г., Морган Д., Лес Д.Х., Мишлер Б.Д. и др. (1993). «Филогенетика семенных растений: анализ нуклеотидных последовательностей пластидного гена. rbcL «(PDF). Летопись ботанического сада Миссури. 80 (3): 528–580. Дои:10.2307/2399846. JSTOR 2399846.
  • Сугавара Х., Ямамото Х., Шибата Н., Иноуэ Т., Окада С., Мияке С., Йокота А., Кай Й. (май 1999 г.). «Кристаллическая структура ориентированной на карбоксилазную реакцию рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы / оксигеназы из термофильной красной водоросли Galdieria partita». Журнал биологической химии. 274 (22): 15655–61. Дои:10.1074 / jbc.274.22.15655. PMID 10336462.
  • Портис А.Р., Парри М.А. (октябрь 2007 г.). «Открытия в Рубиско (Рибулоза 1,5-бисфосфаткарбоксилаза / оксигеназа): историческая перспектива». Фотосинтез Исследования. 94 (1): 121–43. Дои:10.1007 / s11120-007-9225-6. PMID 17665149. S2CID 39767233.
  • Ашида Х, Данчин А, Йокота А (2005). «Был ли фотосинтетический RuBisCO рекрутирован в результате эволюции приобретений из RuBisCO-подобных белков, участвующих в метаболизме серы?». Исследования в области микробиологии. 156 (5–6): 611–8. Дои:10.1016 / j.resmic.2005.01.014. PMID 15950120.
  • Маркус Y, Альтман-Гета Х, Финклер А, Гуревиц М (июнь 2005 г.). «Мутагенез в двух разных фосфатсвязывающих сайтах раскрывает их различную роль в регуляции активации и катализа Rubisco». Журнал бактериологии. 187 (12): 4222–8. Дои:10.1128 / JB.187.12.4222-4228.2005. ЧВК 1151729. PMID 15937184.

Виды фотосинтеза

У живых организмов есть два типа пигментов, способных выполнять функцию фотосинтетических приемников (антенн). 

У подавляющего большинства организмов роль антенн играют хлорофиллы; менее распространен случай, при котором в качестве антенны служит производное витамина А ретиналь. В соответствии с этим выделяют хлорофилльный и бесхлорофилльный фотосинтез.

Система бесхлорофилльного фотосинтеза отличается значительной простотой организации, в связи с чем предполагается эволюционно первичным механизмом запасания энергии электромагнитного излучения. Эффективность бесхлорофилльного фотосинтеза как механизма преобразования энергии сравнительно низка (на один поглощенный квант переносится лишь один H ).

Хлорофилльный фотосинтез отличается от бактериородопсинового значительно большей эффективностью запасания энергии. На каждый эффективно поглощенный квант излучения против градиента переносится не менее одного H .

Аноксигенный

Аноксигенный (или бескислородный) фотосинтез протекает без выделения кислорода. К аноксигенному фотосинтезу способны пурпурные и зеленые бактерии, а также гелиобактерии.

Оксигенный

Оксигенный, или кислородный фотосинтез сопровождается выделением кислорода в качестве побочного продукта. При оксигенном фотосинтезе осуществляется нециклический электронный транспорт, хотя при определенных физиологических условиях осуществляется исключительно циклический электронный транспорт. В качестве донора электронов при нециклическом потоке используется крайне слабый донор электронов — вода.

Генная инженерия

Поскольку RuBisCO часто ограничивает скорость фотосинтеза у растений, можно улучшить фотосинтетическая эффективность путем модификации генов RuBisCO в растениях для увеличения каталитической активности и / или снижения скорости оксигенации.[33][34][35][36] Это могло бы улучшить биосеквестрация из CO2 и быть одновременно важным изменение климата стратегия и стратегия повышения урожайности.[37] Исследуемые подходы включают перенос генов RuBisCO из одного организма в другой, преобразование активазы Rubisco из термофильных цианобактерий в чувствительные к температуре растения, повышение уровня экспрессии субъединиц RuBisCO, экспрессию малых цепей RuBisCO из хлоропластная ДНКи изменение генов RuBisCO для повышения специфичности к диоксиду углерода или иного увеличения скорости фиксации углерода.[38][39]

История термина

Термин «RuBisCO» был придуман с юмором в 1979 г. Дэвид Айзенберг на семинаре в честь выхода на пенсию одного из первых и выдающихся исследователей RuBisCO, Сэм Уайлдман, а также упоминается торговая марка закусок «Набиско»со ссылкой на попытки Уайлдмана создать пищевую белковую добавку из листьев табака.[63][64]

Использование заглавных букв в названии давно обсуждается. Каждая буква полного имени может начинаться с заглавной буквы (рibтыпроиграть-1,5 бисфосфат cарбоксилаза /оxgenase), но также утверждалось, что все это должно быть в нижнем регистре (rubisco), подобно другим терминам, таким как подводное плавание или лазер.

Истощение протеомных исследований

Из-за высокого содержания в растениях (обычно 40% от общего содержания белка) RuBisCO часто препятствует анализу важных сигнальных белков, таких как факторы транскрипции, киназыи регуляторные белки, обнаруженные в меньшем количестве (10–100 молекул на клетку) в растениях.[53] Другие существующие методы истощения RuBisCO и изучения белков с низким содержанием включают: фракционирование техники с кальцием и фитатом,[54]гель-электрофорез с полиэтиленгликолем,[55][56]аффинная хроматография,[57][58] и агрегирование с использованием DTT,[59] хотя эти методы более трудоемки и менее эффективны по сравнению с осаждением сульфатом протамина.[52]

Как происходит реакция фотосинтеза

Суть фотосинтеза в том, что энергия видимого света превращается в энергию химических связей органических веществ.

Иначе говоря, с помощью энергии света организм отрывает электроны от молекулы и переносит их на молекулы углекислого газа, восстанавливая и превращая в молекулы органического вещества, которое потом можно будет опять окислить, получив энергию.

Вся система реакций фотосинтеза растений в одной схеме: 6СО2 6H2O = глюкоза (С6H12О6) 6О2.

Одна из ключевых стадий этого сложного и многоступенчатого процесса — связывание углекислого газа. При этом углекислый газ присоединяется к соединению, называемому рибулоза(1,5)бифосфат, — это сахар с двумя фосфатными группами.

А направляет эту реакцию фермент — рибулозобисфосфаткарбоксилаза, или рубиско (RuBisCO). 

RuBisCO — это фермент, который представляет собой абсолютно комплекс из 16 сразу белковых цепей. Большинство ферментов катализирует тысячи химических превращений каждую секунду.

Однако рубиско обрабатывает всего от 3 до 10 молекул углекислого газа в зависимости от условий. Такое низкое качество работы фермента можно компенсировать лишь его количеством: по массе на него приходится до 30% всех водорастворимых белков растений, что делает его самым распространенным белком на планете.

Хлоропласты в клетках листа

Как ускорить фотосинтез

Краеугольный камень этой проблемы — рубиско, фермент, о котором мы уже говорили.

Однако это оказалось не так легко. Направленный мутагенез отдельных аминокислотных остатков не привел к каким-либо заметным результатам.

Также к нему применяли метод прямой эволюции ферментов: в нем методом внесения случайных мутаций создается огромная коллекция генных вариантов рубиско. Все это разнообразие применили на кишечной палочке —  Escherichia coli. При использовании такого подхода исследователям удалось увеличить активность рубиско цианобактерий, отлично работающей в клетках кишечной палочки.

Но аналогичный метод не работал с растениями. Кроме того, фермент собирается из деталей двух разных «производителей»: гены, кодирующие цепи рубиско, находятся не только в ядре клеток, но и в геноме хлоропластов, что усложняет манипуляции с ними. Исследователям приходится работать сразу с двумя геномами, применяя разные техники генной модификации.

Но на этом ученые не сдались. Они придумали новую идею: увеличить количество рубиско, так как листья растений буквально заполнены им. Для этого авторы использовали ГМО-методы. Однако одной лишь сверхэкспрессии генов рубиско не хватало —  для сборки фермента необходимо что-то еще.

За прошедшие годы выяснилось, что в сборке рубиско принимают участие сразу несколько белков-укладчиков — RAF1 и RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Подобные белки (их называют шапероны), как правило, стабилизируют цепь собираемого белка во время сборки, давая ему время свернуться правильным образом.

В этом и была проблема предыдущих работ: гены рубиско действительно активно синтезировали белковые «кирпичики» фермента, но нехватка шаперонов не позволяла собирать достаточное количество рубиско из полипептидных цепей-полуфабрикатов. Количество шаперонов тоже нужно было увеличивать.

Поэтому авторы учли эти условия, и в результате общее содержание рубиско в листьях трансгенной кукурузы выросло на 30%.

Из-за этого совсем не весь дополнительный фермент оказался вовлечен в процесс фотосинтеза. Однако вопреки всему итоговая фиксация углекислого газа все-равно выросла на 15%. Это заметно ускорило рост ГМ-кукурузы.

В результате исследования китайским ученым в 2020 году удалось ускорить фотосинтез водорослей и цветка. Ученые ускорили фотосинтез зеленой водоросли Chlorella pyrenoidosa и высшего растения Arabidopsis thaliana с помощью светособирающего полимера.

По словам авторов, благодаря хорошей способности поглощать зеленый свет, растворимости в воде и биосовместимости подобные синтетические полимеры потенциально пригодны для применения в производстве биотоплива, а также развития энергетики и экологии.

Карбоксилирование

Карбоксилирование 2,3-ендиолата приводит к образованию промежуточного 3-кето-2′-карбоксиарабинитол-1,5-бисфосфата, и Lys334 позиционируется для облегчения добавления субстрата CO2, поскольку он заменяет третью координированную молекулу воды Mg2 и добавляет непосредственно в эндиол.

Никакого комплекса Михаэлиса в этом процессе не образуется.[13][21] Гидратация этого кетона приводит к дополнительной гидроксигруппе на C3, образуя промежуточный гем-диол.[19][22] Карбоксилирование и гидратация были предложены как единый согласованный этап.[19] или как два последовательных шага.[22] Согласованный механизм подтверждается близостью молекулы воды к C3 RuBP в нескольких кристаллических структурах.

Мутагенез у растений

В целом, сайт-направленный мутагенез RuBisCO в основном не увенчались успехом,[37] хотя мутировавшие формы белка были получены в растениях табака с субъединицей C4 разновидность,[40] и RuBisCO с большим количеством C4-подобные кинетические характеристики были получены в рисе посредством ядерной трансформации.[41]

Один из способов — представить варианты RuBisCO с естественно высокими значениями специфичности, например, из красная водоросльGaldieria partita в растения. Это может улучшить фотосинтетическую эффективность сельскохозяйственных культур, хотя возможные негативные воздействия еще предстоит изучить.[42] Достижения в этой области включают замену фермента табака ферментом пурпурной фотосинтетической бактерии.

Rhodospirillum rubrum.[43] В 2022 году две транспластомные линии табака с функциональным RuBisCO от цианобактерииСинехококк elongatus PCC7942 (Se7942) были созданы путем замены RuBisCO генами большой и малой субъединиц фермента Se7942 в комбинации либо с соответствующим шапероном сборки Se7942, RbcX, либо с внутренним карбоксисомным белком, CcmM35.

У обоих мутантов увеличилось CO2 скорость фиксации при измерении в молекулах углерода на RuBisCO. Однако мутантные растения росли медленнее, чем растения дикого типа.[44]

Недавняя теория исследует компромисс между относительной специфичностью (т.е. способностью отдавать предпочтение CO2 фиксация над О2 инкорпорации, что приводит к энергоемким процессам фотодыхание) и скорость образования продукта.

Авторы приходят к выводу, что RuBisCO, возможно, действительно эволюционировал, чтобы достичь точки «почти идеального» у многих растений (с широко варьирующейся доступностью субстрата и условиями окружающей среды), достигнув компромисса между специфичностью и скоростью реакции.[45] Было также высказано предположение, что оксигеназная реакция RuBisCO предотвращает CO2 истощение вблизи его активных центров и обеспечивает поддержание окислительно-восстановительного состояния хлоропластов.[46]

Другие сокращения:  Ученые впервые расшифровали полный геном человека. Какую пользу это принесет

Поскольку фотосинтез — единственный наиболее эффективный естественный регулятор углекислый газ в атмосфере Земли,[47] биохимическая модель реакции RuBisCO используется в качестве основного модуля моделей изменения климата.

Переизобретение фотосинтеза • задачи

Насчитывают более 8000 видов растений с C4-фотосинтезом (список по семействам можно посмотреть здесь). Большинство из них относятся к однодольным — злаки и осоки, около четверти — двудольные. C4-растения более полно используют растворенный в клетке углекислый газ, чем C3-растения, и в их органические соединения встраивается больше тяжелого изотопа — C13; это позволяет определить, к какой группе относится растение, не только по особой морфологии листа, которая может быть выражена не очень явно, но и по изотопной подписи. К C4-растениям относятся такие культурные злаки, как сахарный тростник, кукуруза, сорго.

Практически все C4-растения — травы, реже — кустарники и совсем редко — деревья (известные деревья с C4-фотосинтезом относятся к роду молочай — Euphorbia — и, по-видимому, относительно недавно произошли от трав). Выдвигают несколько возможных причин, почему C4-фотосинтез может быть плохо совместим с жизненной формой дерева. Среди них — затенение: для C4-фотосинтеза нужен интенсивный свет, но даже когда дерево растет не в лесу, а на открытом пространстве, то первое время медленного роста его затеняют травы, а потом оно в какой-то степени затеняет само себя. Другая возможная причина — необходимость кормить большой объем нефотосинтезирующих органов: ткани ствола, ткани корней. Клетки обкладки сосудистого пучка у деревьев очень активно загружают флоэму сахарами, и эта роль может быть плохо совместима с их ролью в C4-фотосинтезе; впрочем, пока что это всего лишь предположение, которое надеются уточнить, изучая загрузку флоэмы у древесных C4-молочаев (см. S. Young et al., 2020. Why is C4 photosynthesis so rare in trees?).

Несмотря на глубокое сходство биохимических путей C4-фотосинтеза и, в меньшей степени, морфологии листа C4-растений с разной эволюционной историей, одни и те же внешние признаки могут быть обеспечены разными генами и тем более разными регуляторами. C4-растений так много, что изучение их эволюционных путей далеко не исчерпано. Скорее, можно сказать, что адаптации к C4-фотосинтезу пока изучены частично, прежде всего — для самых интересных объектов.

Одним из таких объектов является род невзрачных сложноцветных Flaveria, в котором, помимо C3-растений, встречаются C4-виды и виды с переходными между C3 и C4 вариантами — у некоторых из них есть механизмы концентрации углекислого газа, выделившегося при фотодыхании, у некоторых есть полный, но не очень активный C4-цикл фиксации и освобождения углекислого газа, а у некоторых C4-цикл активен, но еще не произошло полного разделения функций между клетками мезофилла и клетками обкладки (см. J. Mallmann et al., 2022. The role of photorespiration during the evolution of C4 photosynthesis in the genus Flaveria). Изучение растений из рода Flaveria позволило предположить, что механизмы концентрации углекислого газа, выделяющегося при фотодыхании, в клетках обкладки сосудистого пучка — это преадаптация для возникновения C4-фотосинтеза (подробнее об этом см. здесь и здесь).

Другой интересный объект — злак Alloteropsis semialata. Некоторые популяции этого злака не способны к C4-фотосинтезу, некоторые обладают промежуточными характеристиками, а некоторые представляют собой полноценные C4-растения. Интересно сравнить разницу в экспрессии генов в листьях между этими тремя вариантами; в исследовании 2022 года обнаружили, что промежуточный C3–C4— и полный C4-фенотипы ассоциированы с повышением экспрессии всего нескольких десятков генов (L.T. Dunning et al., 2022. Key changes in gene expression identified for different stages of C4 evolution in Alloteropsis semialata). Осталось дождаться работ, в которых в разных популяциях Alloteropsis сравнят экспрессию генов в мезофилле и клетках обкладки, и, возможно, мы многое поймем про то, как наименьшими усилиями обеспечить все необходимые морфологические изменения.

Кроме этого, Alloteropsis semialata знаменит 59 фрагментами генома, полученными как минимум от девяти других видов злаков в ходе горизонтального переноса генов (L. T. Dunning et al., 2022. Lateral transfers of large DNA fragments spread functional genes among grasses). Гены в этих фрагментах участвуют в C4-фотосинтезе, формировании устойчивости к заболеваниям и абиотическому стрессу. Как и у других растений, у Alloteropsis semialata уже есть все необходимые для развития C4-фотосинтеза гены, но заимствованные им у C4-злаков гены уже были оптимизированы под C4-фотосинтез и, видимо, поэтому оказались полезны (см. обзор D. A. Wickell, F.-W. Li, 2022. On the evolutionary significance of horizontal gene transfers in plants).

После того как формируется активный C4-цикл и высокая концентрация углекислого газа около Рубиско, становится не так важно, чтобы Рубиско мог работать при низких концентрациях углекислого газа — другими словами, давление отбора на этот признак уменьшается. Оказывается, что в этом случае становится возможно увеличить максимальную скорость фиксации углекислого газа Рубиско. Наблюдаемые при этом две ключевые аминокислотные замены в позициях 291 (аланин → серин) и 309 (метионин → изолейцин) многократно повторяются в разных линиях C4-растений  (M. V. Kapralov et al., 2022. Rubisco Evolution in C4 Eudicots: An Analysis of Amaranthaceae Sensu Lato). Такие растения могут синтезировать значительно меньше Рубиско и поэтому более экономно расходовать азот (P.-A. Christin, C. P. Osborne, 2022. The evolutionary ecology of C4 plants). И это еще одна причина думать о том, как перевести C3-культурные растения на C4-рельсы.

По ионам

При освещении хлоропластов pH из строма повышается с 7,0 до 8,0 из-за протона (ион водорода, ЧАС ) градиент, созданный по тилакоид мембрана.

Движение протонов в тилакоиды есть ведомый светом и имеет фундаментальное значение для Синтез АТФ в хлоропластах (Дальнейшее чтение: Фотосинтетический реакционный центр; Светозависимые реакции).

Чтобы сбалансировать ионный потенциал через мембрану, ионы магния (Mg2 ) выходят из тилакоидов в ответ, увеличивая концентрацию магния в строме хлоропластов. RuBisCO имеет высокий оптимальный pH (может быть>

Проблема голода в сельском хозяйстве

Население Земли, несмотря на второй демографический переход, постоянно растет. Если бы мы могли по своему желанию увеличивать плодородность соразмерно росту населения, большой проблемы бы не было. 

Однако сегодня человек освоил где-то треть пригодных для сельского хозяйства земель. Практически все пригодные для этого территории Южной Азии, на Ближнем Востоке и Северной Америке уже распаханы, а освоение оставшихся районов грозит нам эрозией.

Место на планете может просто закончиться, поэтому нужно находить новые способы увеличивать производство продуктов. Это ранее уже удавалось сделать.

Последний раз это произошло благодаря «зеленой революции» 50-70-х годов прошлого века. Тогда выведение новых высокоурожайных сортов злаков, внедрение пестицидов и продвинутых систем ирригации позволило резко — почти в два раза — увеличить урожайность.

Регуляция

У высших растений и некоторых водорослей фермент, активирующий рибулозобисфосфаткарбоксилазу (активаза)[4] необходим для формирования карбамата на активном центре. Активаза необходима, чтобы образованием карбамата уменьшить связь между рибулозобисфосфатом и активным центром и облегчить высвобождение продукта.

2-карбокси-D-арабитинол-1-фосфат связывается с активным центром рибулозобисфосфаткарбоксилазы и является её ингибитором. На свету фермент, активирующий рибулозобисфосфаткарбоксилазу вызывает диссоциацию ингибитора от активного центра. В диссоциированном состоянии ингибитор инактивируется CA1P-фосфатазой.

Фермент, активирующий рибулозобисфосфаткарбоксилазу, требует энергии АТФ и ингибируется при повышении концентрации АДФ. Активность рибулозобисфосфаткарбоксилазы косвенно регулируется соотношением концентрацией АТФ/AДФ.

Изменение конформации и снижение активности рибулозобисфосфаткарбоксилазы также наблюдется при наличии фосфат-аниона.

Сильно зависит активность фермента от концентрации CO2. Растения с C4-фотосинтезом и CAM-фотосинтезом выработали механизмы её увеличения и активации рибулозобисфосфаткарбоксилазы.

Рекомендации

  1. ^Шарки, Т. Д. (2022). «Открытие канонического цикла Кальвина-Бенсона». Photosynth Res. 53 (2): 835–18. Дои:10.1007 / s11120-018-0600-2. OSTI 1607740. PMID 30374727. S2CID 53092349.
  2. ^Купер, Джеффри М. (2000). «10. Геном хлоропластов». Клетка: молекулярный подход (2-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. ISBN 978-0-87893-106-4. , одна из субъединиц рибулозобисфосфаткарбоксилазы (рубиско) кодируется хлоропластной ДНК. Рубиско — важнейший фермент, катализирующий добавление CO
    2     на рибулозо-1,5-бисфосфат во время цикла Кальвина. Также считается, что это самый распространенный белок на Земле, поэтому стоит отметить, что одна из его субъединиц кодируется геномом хлоропласта.
  3. ^Дхингра А., Портис А.Р., Дэниэл Х. (апрель 2004 г.). «Усиленная трансляция экспрессируемого хлоропластом гена RbcS восстанавливает уровни малых субъединиц и фотосинтез в ядерных антисмысловых растениях RbcS». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 101 (16): 6315–20. Bibcode:2004ПНАС..101.6315Д. Дои:10.1073 / pnas.0400981101. ЧВК 395966. PMID 15067115. (Rubisco) — наиболее распространенный фермент на этой планете, на долю которого приходится 30–50% общего количества растворимого белка в хлоропласте;
  4. ^ абФеллер У., Андерс И., Мэй Т. (2008). «Рубисколитики: судьба Рубиско после того, как его ферментативная функция в клетке прекращается»(PDF). Журнал экспериментальной ботаники. 59 (7): 1615–24. Дои:10.1093 / jxb / erm242. PMID 17975207.
  5. ^(Entrez GeneID:)
  6. ^Дхингра А., Портис А.Р., Дэниэл Х. (апрель 2004 г.). «Усиленная трансляция экспрессируемого хлоропластом гена RbcS восстанавливает уровни малых субъединиц и фотосинтез в ядерных антисмысловых растениях RbcS». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 101 (16): 6315–20. Bibcode:2004ПНАС..101.6315Д. Дои:10.1073 / pnas.0400981101. ЧВК 395966. PMID 15067115.
  7. ^Arabidopsis thaliana имеет четыре гена малых цепей RuBisCO.
    Юн М., Путтерилл Дж. Дж., Росс Г. С., Лэйнг В. А. (апрель 2001 г.). «Определение относительных уровней экспрессии генов малых субъединиц rubisco в Arabidopsis путем быстрой амплификации концов кДНК». Аналитическая биохимия. 291 (2): 237–44. Дои:10.1006 / abio.2001.5042. PMID 11401297.
  8. ^Страйер, Люберт; Берг, Джереми Марк; Тимочко, Джон Л. (2002). «20. Цикл Кальвина и пентозофосфатный путь». Биохимия (5-е изд.). Сан-Франциско: W.H. Фримен. ISBN 978-0-7167-3051-4. Рисунок 20.3. Структура Рубиско. (Цветовая схема ленты)
  9. ^Строение RuBisCO из фотосинтетической бактерии Rhodospirillum rubrum был определен Рентгеновская кристаллография, видеть: PDB: 9руб.. Сравнение структур эукариотический и бактериальный RuBisCO отображается в Банк данных белковочерк на Рубиско.
  10. ^Молекулярная клеточная биология, 4-е издание, Харви Лодиш, Арнольд Берк, С. Лоуренс Зипурски, Пол Мацудаира, Дэвид Балтимор и Джеймс Э. Дарнелл. Издано W.H. Freeman & Co. (2000), Нью-Йорк. Интернет-учебник. На рис. 16-48 показана структурная модель активного центра, включая участие магния. В тематической статье Protein Data Bank на RuBisCO также есть модель магний в активном центреВ архиве 2006-01-09 на Wayback Machine.
  11. ^ абcdStec B (ноябрь 2022 г.). «Структурный механизм активации RuBisCO путем карбамилирования лизина активного центра». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 109 (46): 18785–90. Bibcode:2022PNAS..10918785S. Дои:10.1073 / pnas.1210754109. ЧВК 3503183. PMID 23112176.
  12. ^В Учебник Лодиш описывает локализацию RuBisCO в стромальном пространстве хлоропластов. Рисунок 17-7 иллюстрирует, как маленькие субъединицы RuBisCO перемещаются в строму хлоропласта и собираются с большими субъединицами.
  13. ^ абcdежграммАндерссон, Ингер (май 2008 г.). «Катализ и регулирование в Рубиско». Журнал экспериментальной ботаники. 59 (7): 1555–1568. Дои:10.1093 / jxb / ern091. PMID 18417482.
  14. ^Эрб, Тобиас; Зажицкий, янв (февраль 2022). «Краткая история RubisCO: взлеты и падения (?) Преобладающего СО в природе2 фиксирующий фермент «. Текущее мнение в области биотехнологии. 49: 100–107. Дои:10.1016 / j.copbio.2022.07.017. PMID 28843191.
  15. ^Шнайдер, Гюнтер; Лундквис, Томас (5 июля 1991 г.). «Кристаллическая структура активированной рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы в комплексе с ее субстратом, рибулозо-1,5-бисфосфатом *». Журнал биологической химии. 266 (19): 12604–12611. PMID 1905726.
  16. ^В химические реакции катализируемые RuBisCO, описаны в онлайн- Биохимия учебник Страйера и др.
  17. ^Satagopan S, Spreitzer RJ (июль 2008 г.). «Растительные замены в карбокси-конце большой субъединицы Chlamydomonas Rubisco увеличивают специфичность СО2 / О2». BMC Биология растений. 8: 85. Дои:10.1186/1471-2229-8-85. ЧВК 2527014. PMID 18664299.
  18. ^Лоример, G; Мизиорко, H (1980). «Образование карбамата на c-аминогруппе лизильного остатка как основа для активации рибулозобисфосфаткарбоксилазы под действием C02 и Mg2 ». Биохимия. 19 (23): 5321–5328. Дои:10.1021 / bi00564a027. PMID 6778504.
  19. ^ абcdеКлеланд, Вт; Лоример, G (1998). «Механизм Рубиско: Карбамат как основная база». Химические обзоры. 98 (2): 549−561. Дои:10.1021 / cr970010r. PMID 11848907.
  20. ^ абАндерссон, я; Рыцарь, S; Шнайдер, G; Линдквист, Y; Линдквист, Т; Brändén, CI; Лоример, GH (1989). «Кристаллическая структура активного центра рибулозо-бисфосфаткарбоксилазы». Природа. 337 (6204): 229–234. Bibcode:1989Натура.337..229А. Дои:10.1038 / 337229a0. S2CID 4370073.
  21. ^ абHartman, F.C .; Харпель, М. Р. (1994). «Структура, функция, регуляция и сборка D-рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы / оксигеназы». Ежегодный обзор биохимии. 63: 197–232. Дои:10.1146 / annurev.bi.63.070194.001213. PMID 7979237.
  22. ^ абТейлор, ТС; Андерссон, я (1997). «Структура комплекса между рубиско и его природным субстратом рибулозо-1,5-бисфосфатом». Журнал молекулярной биологии. 265 (4): 432–444. Дои:10.1006 / jmbi.1996.0738. PMID 9034362.
  23. ^Пирс Ф.Г. (ноябрь 2006 г.). «Каталитическое образование побочных продуктов и связывание лигандов рибулозобисфосфаткарбоксилазами различных филогений». Биохимический журнал. 399 (3): 525–34. Дои:10.1042 / BJ20060430. ЧВК 1615894. PMID 16822231.
  24. ^Эллис Р.Дж. (январь 2022 г.). «Биохимия: борьба с неразумным дизайном». Природа. 463 (7278): 164–5. Bibcode:2022Натура.463..164E. Дои:10.1038 / 463164a. PMID 20075906. S2CID 205052478.
  25. ^Портис А.Р. (2003). «Рубиско-активаза — каталитический шаперон Рубиско». Фотосинтез Исследования. 75 (1): 11–27. Дои:10.1023 / А: 1022458108678. PMID 16245090. S2CID 2632.
  26. ^Цзинь Ш., Цзян Д.А., Ли XQ, Сунь Д.В. (август 2004 г.). «Характеристики фотосинтеза в растениях риса, трансформированных антисмысловым геном активазы Rubisco». Журнал науки Чжэцзянского университета. 5 (8): 897–9. Дои:10.1631 / jzus.2004.0897. PMID 15236471. S2CID 1496584.
  27. ^Andralojc PJ, Dawson GW, Parry MA, Keys AJ (декабрь 1994 г.). «Включение углерода из продуктов фотосинтеза в 2-карбоксиарабинитол-1-фосфат и 2-карбоксиарабинитол». Биохимический журнал. 304 (Pt 3) (3): 781–6. Дои:10.1042 / bj3040781. ЧВК 1137402. PMID 7818481.
  28. ^Хан С., Андралойк П.Дж., Леа П.Дж., Парри М.А. (декабрь 1999 г.). «2′-карбокси-D-арабитинол-1-фосфат защищает 1,5-бисфосфаткарбоксилазу / оксигеназу рибулозу от протеолитического расщепления»(PDF). Европейский журнал биохимии. 266 (3): 840–7. Дои:10.1046 / j.1432-1327.1999.00913.x. PMID 10583377.
  29. ^Salvucci ME, Osteryoung KW, Crafts-Brandner SJ, Vierling E (ноябрь 2001 г.). «Исключительная чувствительность активазы Rubisco к термической денатурации in vitro и in vivo». Физиология растений. 127 (3): 1053–64. Дои:10.1104 / стр.010357. ЧВК 129275. PMID 11706186.
  30. ^Ремесла-Бранднер SJ, Salvucci ME (ноябрь 2000 г.). «Рубиско-активаза ограничивает фотосинтетический потенциал листьев при высокой температуре и CO2». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 97 (24): 13430–5. Bibcode:2000PNAS … 9713430C. Дои:10.1073 / pnas.230451497. ЧВК 27241. PMID 11069297.
  31. ^Чжан Н., Каллис Р.П., Эви Р.Г., Портис А.Р. (март 2002 г.). «Модуляция света Rubisco у Arabidopsis требует способности к окислительно-восстановительной регуляции более крупной изоформы активазы Rubisco». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 99 (5): 3330–4. Bibcode:2002PNAS … 99.3330Z. Дои:10.1073 / pnas.042529999. ЧВК 122518. PMID 11854454.
  32. ^Маркус Y, Гуревиц M (октябрь 2000 г.). «Активации цианобактериальной RuBP-карбоксилазы / оксигеназы способствует неорганический фосфат через два независимых механизма». Европейский журнал биохимии. 267 (19): 5995–6003. Дои:10.1046 / j.1432-1327.2000.01674.x. PMID 10998060.
  33. ^Spreitzer RJ, Salvucci ME (2002). «Рубиско: структура, регуляторные взаимодействия и возможности для лучшего фермента». Ежегодный обзор биологии растений. 53: 449–75. Дои:10.1146 / annurev.arplant.53.100301.135233. PMID 12221984. S2CID 9387705.
  34. ^Тиммер Дж. (7 декабря 2022 г.). «Теперь мы можем создать самый важный паршивый фермент на планете». Ars Technica. Получено 5 января 2022.
  35. ^Тиммер Дж. (3 января 2022 г.). «Исправляем фотосинтез, создавая его, чтобы переработать токсичную ошибку». Ars Technica. Получено 5 января 2022.
  36. ^South PF, Cavanagh AP, Liu HW, Ort DR (январь 2022 г.). «Пути метаболизма синтетического гликолата стимулируют рост сельскохозяйственных культур и урожайность на поле». Наука. 363 (6422): eaat9077. Дои:10.1126 / science.aat9077. PMID 30606819.
  37. ^ абФурбанк RT, Quick WP, Sirault XR (2022). «Улучшение фотосинтеза и урожайности зерновых культур с помощью целенаправленных генетических манипуляций: перспективы, прогресс и проблемы». Исследования полевых культур. 182: 19–29. Дои:10.1016 / j.fcr.2022.04.009.
  38. ^Парри М.А., Андралойк П.Дж., Митчелл Р.А., Мэджвик П.Дж., Киз А.Дж. (май 2003 г.). «Манипуляции Рубиско: количество, активность, функции и регуляция». Журнал экспериментальной ботаники. 54 (386): 1321–33. Дои:10.1093 / jxb / erg141. PMID 12709478.
  39. ^Ogbaga CC, Stepien P, Athar HU, Ashraf M (июнь 2022 г.). «Разработка активазы Rubisco из термофильных цианобактерий в чувствительные к высоким температурам растения». Критические обзоры в биотехнологии. 38 (4): 559–572. Дои:10.1080/07388551.2022.1378998. PMID 28937283. S2CID 4191791.
  40. ^Уитни С.М., Шарвуд Р.Э., Орр Д., Уайт С.Дж., Алонсо Х., Гальмес Дж. (Август 2022 г.). «Изолейцин 309 действует как каталитический переключатель C4, который увеличивает скорость карбоксилирования рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы / оксигеназы (рубиско) у Flaveria». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 108 (35): 14688–93. Bibcode:2022PNAS..10814688W. Дои:10.1073 / pnas.1109503108. ЧВК 3167554. PMID 21849620.
  41. ^Исикава К., Хатанака Т., Мису С., Мияке С., Фукаяма Х (июль 2022 г.). «Функциональное включение малой субъединицы сорго увеличивает скорость каталитического оборота Rubisco в трансгенном рисе». Физиология растений. 156 (3): 1603–11. Дои:10.1104 / стр.111.177030. ЧВК 3135941. PMID 21562335.
  42. ^Уитни С.М., Эндрюс Т.Дж. (декабрь 2001 г.). «Кодируемая пластомом бактериальная рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза / оксигеназа (RubisCO) поддерживает фотосинтез и рост табака». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 98 (25): 14738–43. Bibcode:2001PNAS … 9814738W. Дои:10.1073 / pnas.261417298. ЧВК 64751. PMID 11724961.
  43. ^Джон Эндрюс Т., Уитни С.М. (июнь 2003 г.). «Манипулирование рибулозобисфосфаткарбоксилазой / оксигеназой в хлоропластах высших растений». Архивы биохимии и биофизики. 414 (2): 159–69. Дои:10.1016 / S0003-9861 (03) 00100-0. PMID 12781767.
  44. ^Лин М.Т., Оккиалини А., Андралойк П.Дж., Парри М.А., Хансон М.Р. (сентябрь 2022 г.). «Более быстрый Rubisco с потенциалом для увеличения фотосинтеза в сельскохозяйственных культурах». Природа. 513 (7519): 547–50. Bibcode:2022Натура.513..547L. Дои:10.1038 / природа13776. ЧВК 4176977. PMID 25231869.
  45. ^Черкез Г.Г., Фаркуар Г.Д., Эндрюс Т.Дж. (май 2006 г.). «Несмотря на медленный катализ и непонятную специфичность субстрата, все рибулозобифосфаткарбоксилазы могут быть почти идеально оптимизированы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 103 (19): 7246–51. Bibcode:2006ПНАС..103.7246Т. Дои:10.1073 / pnas.0600605103. ЧВК 1464328. PMID 16641091.
  46. ^Игамбердиев А.Ю. (2022). «Управление функцией Rubisco посредством гомеостатического уравновешивания подачи CO2». Границы науки о растениях. 6: 106. Дои:10.3389 / fpls.2022.00106. ЧВК 4341507. PMID 25767475.
  47. ^Игамбердиев А.У., Леа П.Дж. (февраль 2006 г.). «Наземные растения уравновешивают концентрации O2 и CO2 в атмосфере». Фотосинтез Исследования. 87 (2): 177–94. Дои:10.1007 / s11120-005-8388-2. PMID 16432665. S2CID 10709679.
  48. ^Брахер А., Уитни С.М., Хартл Ф.У., Хайер-Хартл М. (апрель 2022 г.). «Биогенез и метаболическое поддержание Rubisco». Ежегодный обзор биологии растений. 68: 29–60. Дои:10.1146 / annurev-arplant-043015-111633. PMID 28125284.
  49. ^Sjuts I, Soll J, Bölter B (2022). «Импорт растворимых белков в хлоропласты и потенциальные регуляторные механизмы». Границы науки о растениях. 8: 168. Дои:10.3389 / fpls.2022.00168. ЧВК 5296341. PMID 28228773.
  50. ^Парри, М.А.Дж. (01.05.2003). «Манипуляции Рубиско: количество, активность, функции и регуляция». Журнал экспериментальной ботаники. 54 (386): 1321–1333. Дои:10.1093 / jxb / erg141. ISSN 0022-0957. PMID 12709478.
  51. ^Aigner H, Wilson RH, Bracher A, Calisse L, Bhat JY, Hartl FU, Hayer-Hartl M (декабрь 2022 г.). «E. coli с пятью шаперонами хлоропластов, включая BSD2». Наука. 358 (6368): 1272–1278. Bibcode:2022Научный … 358.1272А. Дои:10.1126 / science.aap9221. PMID 29217567.
  52. ^ абХизлвуд, Джошуа (2022). Протеомные приложения в биологии. Нью-Йорк: InTech Manhattan. ISBN 978-953-307-613-3.
  53. ^Гупта Р., Ким СТ (2022). Протеомное профилирование. Методы молекулярной биологии. 1295. Humana Press, Нью-Йорк, Нью-Йорк. С. 225–233. Дои:10.1007/978-1-4939-2550-6_17. ISBN 9781493925490. PMID 25820725.
  54. ^Кришнан Х.Б., Натараджан СС (декабрь 2009 г.). «Быстрый метод удаления Rubisco из листьев сои (Glycine max) для протеомного анализа белков с низким содержанием». Фитохимия. 70 (17–18): 1958–64. Дои:10.1016 / j.phytochem.2009.08.020. PMID 19766275.
  55. ^Ким С.Т., Чо К.С., Чан Ю.С., Кан К.Ю. (июнь 2001 г.). «Двумерный электрофоретический анализ белков риса фракционированием полиэтиленгликоля для белковых массивов». Электрофорез. 22 (10): 2103–9. Дои:10.1002 / 1522-2683 (200106) 22:10 <2103 :: aid-elps2103> 3.0.co; 2-нед.. PMID 11465512.
  56. ^Си Дж., Ван Х, Ли С., Чжоу Х, Юэ Л., Фань Дж., Хао Д. (ноябрь 2006 г.). «Фракционирование полиэтиленгликоля улучшило обнаружение белков с низким содержанием с помощью двумерного электрофореза протеома растений». Фитохимия. 67 (21): 2341–8. Дои:10.1016 / j.phytochem.2006.08.005. PMID 16973185.
  57. ^Cellar NA, Kuppannan K, Langhorst ML, Ni W., Xu P, Young SA (январь 2008 г.). «Межвидовая применимость колонок для обильного истощения белка для рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы / оксигеназы». Журнал хроматографии B. 861 (1): 29–39. Дои:10.1016 / j.jchromb.2007.11.024. PMID 18063427.
  58. ^Агравал Г.К., Джва Н.С., Раквал Р. (февраль 2009 г.). «Протеомика риса: завершение фазы I и начало фазы II». Протеомика. 9 (4): 935–63. Дои:10.1002 / pmic.200800594. PMID 19212951. S2CID 2455432.
  59. ^Cho JH, Hwang H, Cho MH, Kwon YK, Jeon JS, Bhoo SH, Hahn TR (июль 2008 г.). «Эффект DTT в белковых препаратах для протеомного анализа: удаление очень распространенного растительного фермента, рибулозобисфосфаткарбоксилазы / оксигеназы». Журнал биологии растений. 51 (4): 297–301. Дои:10.1007 / BF03036130. ISSN 1226-9239. S2CID 23636617.
  60. ^Sage RF, Sage TL, Kocacinar F (2022). «Фотодыхание и эволюция фотосинтеза C4». Ежегодный обзор биологии растений. 63: 19–47. Дои:10.1146 / annurev-arplant-042811-105511. PMID 22404472. S2CID 24199852.
  61. ^ абСтудер Р.А., Кристин П.А., Уильямс Массачусетс, Оренго, Калифорния (февраль 2022 г.). «Компромисс между стабильностью и активностью ограничивает адаптивную эволюцию RubisCO». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 111 (6): 2223–8. Bibcode:2022ПНАС..111.2223С. Дои:10.1073 / pnas.1310811111. ЧВК 3926066. PMID 24469821.
  62. ^Вильдман С.Г. (2002). «По пути от белка фракции I к рубиско (рибулозобифосфаткарбоксилаза-оксигеназа)». Фотосинтез Исследования. 73 (1–3): 243–50. Дои:10.1023 / А: 1020467601966. PMID 16245127. S2CID 7622999.
  63. ^Портис А.Р., Парри М.А. (октябрь 2007 г.). «Открытия в Рубиско (Рибулоза 1,5-бисфосфаткарбоксилаза / оксигеназа): историческая перспектива». Фотосинтез Исследования. 94 (1): 121–43. Дои:10.1007 / s11120-007-9225-6. PMID 17665149. S2CID 39767233.

Структура

У растений водоросли, цианобактерии, и фототрофный и хемоавтотрофныйпротеобактерии, фермент обычно состоит из двух типов белковых субъединиц, называемых большой цепью (L, около 55000 Да) и малая цепочка (S, около 13000 Да).

Другие сокращения:  Что такое КДК в футболе

В крупная цепь ген (rbcL) кодируется хлоропласт ДНК в растениях.[5] Обычно есть несколько связанных мелкая цепочка гены в ядро растительных клеток, а маленькие цепочки импортируются в стромальный отсек хлоропластов от цитозоль пересекая внешний хлоропластная мембрана.[6][7] Ферментативно активный субстрат (рибулоза 1,5-бисфосфат) участок связывания расположены в большом цепи эта форма димеры в котором аминокислоты от каждой большой цепи вносят 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] В некоторых протеобактерии и динофлагелляты, найдены ферменты, состоящие только из крупных субъединиц.[9]

Магнийионы (Mg2 ) необходимы для ферментативной активности. Правильное расположение Mg2 в активный сайт фермента включает добавление «активирующей» молекулы диоксида углерода (CO2) к лизин на активном сайте (формируя карбамат).[10] Mg2 действует путем депротонирования остатка Lys210, заставляя остаток Lys поворачиваться на 120 градусов к транс конформер, уменьшая расстояние между азотом Lys и углеродом CO2.

Непосредственная близость позволяет образовывать ковалентную связь, в результате чего образуется карбамат.[11] Mg2 сначала дает возможность связываться с активным сайтом за счет поворота His335 в альтернативную конформацию.

Mg2 затем координируется остатками His активного центра (His300, His302, His335) и частично нейтрализуется координацией трех молекул воды и их превращением в −ОЙ.[11] Эта координация приводит к нестабильному комплексу, но создает благоприятную среду для связывания Mg2 .

Образованию карбамата способствует щелочнойpH. PH и концентрация ионов магния в жидком отсеке (у растений строма хлоропласта[12]) увеличивается на свету.

Обсуждается роль изменения pH и уровней ионов магния в регуляции активности фермента RuBisCO. ниже. Как только карбамат образуется, His335 завершает активацию, возвращаясь в свое исходное положение за счет тепловых колебаний.[11]

Другие сокращения:  СП 3.3.2.561-96 Медицинское иммунобиологические препараты. Государственные испытания и регистрация новых медицинских иммунобиологических препаратов от 31 октября 1996 -
Крупная сеть RuBisCO,
каталитический домен
Идентификаторы
СимволRuBisCO_large
PfamPF00016
ИнтерПроIPR000685
PROSITEPDOC00142
SCOP23руб / Объем / СУПФАМ
CDDcd08148
RuBisCO, N-концевой домен
Идентификаторы
СимволRuBisCO_large_N
PfamPF02788
ИнтерПроIPR017444
SCOP23руб / Объем / СУПФАМ
RuBisCO, малая сеть
Идентификаторы
СимволRuBisCO_small
PfamPF00101
ИнтерПроIPR000894
SCOP23руб / Объем / СУПФАМ
CDDcd03527

Субстраты

Субстраты для RuBisCO являются рибулозо-1,5-бисфосфат и углекислый газ (в отличие от «активирующего» углекислого газа).[16] RuBisCO также катализирует реакцию рибулозо-1,5-бисфосфата и молекулярный кислород (О2) вместо диоксида углерода (CO2Различия между субстратами CO2 и O2 объясняется различным взаимодействием субстрата квадрупольные моменты и высокий электростатическое полеградиент.[11] Этот градиент устанавливается димер форма минимально активного RuBisCO, который с двумя своими компонентами обеспечивает комбинацию противоположно заряженных доменов, необходимых для взаимодействия фермента с O2 и CO2.

Эти условия помогают объяснить низкий уровень текучести кадров в RuBisCO: чтобы увеличить силу электрическое поле необходим для достаточного взаимодействия с субстратами » квадрупольные моменты, C- и N-концевые сегменты фермента должны быть закрыты, что позволяет изолировать активный центр от растворителя и снизить диэлектрическая постоянная.[17] Эта изоляция имеет существенное энтропийный стоимости и приводит к низкой текучести кадров.

Товары

Когда диоксид углерода является субстратом, продукт карбоксилазной реакции представляет собой нестабильный шестиуглеродный фосфорилированный промежуточный продукт, известный как 3-кето-2-карбоксиарабинитол-1,5-бисфосфат, который быстро распадается на две молекулы глицерат-3-фосфата. 3-фосфоглицерат можно использовать для производства более крупных молекул, таких как глюкоза.

Рубиско побочные действия может привести к бесполезным или тормозящим побочным продуктам; один такой продукт ксилулозо-1,5-бисфосфат, который подавляет активность Рубиско.[23]

Когда молекулярный кислород является субстратом, продуктами оксигеназной реакции являются фосфогликолят и 3-фосфоглицерат. Фосфогликолят рециркулирует через последовательность реакций, называемых фотодыхание, который включает ферменты и цитохромы, расположенные в митохондрии и пероксисомы (это случай восстановление метаболитов).

В этом процессе две молекулы фосфогликолата превращаются в одну молекулу диоксида углерода и одну молекулу 3-фосфоглицерата, которые могут повторно войти в цикл Кальвина. Часть фосфогликолата, поступающего по этому пути, может удерживаться растениями для производства других молекул, таких как глицин.

При нормальных уровнях содержания углекислого газа и кислорода соотношение реакций составляет примерно 4: 1, что приводит к чистому связыванию двуокиси углерода только 3,5. Таким образом, неспособность фермента предотвращать реакцию с кислородом значительно снижает фотосинтетическую способность многих растений.

Некоторые растения, многие водоросли и фотосинтезирующие бактерии преодолели это ограничение, разработав средства для увеличения концентрации углекислого газа вокруг фермента, включая C4 фиксация углерода, метаболизм крассуловой кислоты, и использование пиреноид.

Углекислым газом

Поскольку углекислый газ и кислород конкурировать в активном центре RuBisCO фиксация углерода RuBisCO может быть усилена путем увеличения уровня углекислого газа в компартменте, содержащем RuBisCO (строма хлоропласта). Несколько раз в ходе эволюции растений возникали механизмы повышения уровня углекислого газа в строме (см.

C4 фиксация углерода). Использование кислорода в качестве субстрата кажется загадочным процессом, поскольку он, кажется, выбрасывает захваченную энергию. Однако это может быть механизм предотвращения перегрузки углеводами в периоды сильного светового потока.

Эта слабость фермента является причиной фотодыхание, так что здоровые листья при ярком свете могут иметь нулевую чистую фиксацию углерода, когда соотношение О2 к CO2 доступный для RuBisCO смещается слишком далеко в сторону кислорода.

Это явление в первую очередь зависит от температуры: высокие температуры могут снизить концентрацию CO2 растворяется во влаге тканей листа. Это явление также связано с водный стресс:

Поскольку листья растений охлаждаются испарением, недостаток воды приводит к высокой температуре листьев. C4 растения использовать фермент Карбоксилаза PEP изначально, который имеет более высокое сродство к CO2.

В процессе сначала образуется 4-углеродное промежуточное соединение, которое перемещается на участок C3 фотосинтез затем декарбоксилировали, высвобождая CO2 повысить концентрацию CO2, отсюда и название C4 растения.

Метаболизм крассуловой кислоты (CAM) растения сохраняют устьица закрыт в течение дня, что позволяет экономить воду, но предотвращает светонезависимые реакции (также известные как Цикл Кальвина), поскольку эти реакции требуют CO2 проходить через эти отверстия путем газообмена. Испарение через верхнюю часть листа предотвращается слоем воск.

Эволюция rubisco

С развитием C4-фиксационный путь у некоторых видов растений, C3 RuBisCO эволюционировала, чтобы иметь более быстрый оборот CO2 в обмен на более низкую специфичность в результате большей локализации CO2 от клетки мезофилла в связка клеток оболочки.[61] Это было достигнуто за счет повышения конформационной гибкости перехода «открыто-закрыто» в Цикл Кальвина.

Лабораторные филогенетические исследования показали, что эта эволюция сдерживалась компромиссом между стабильностью и активностью, вызванным рядом необходимых мутации для C4 RuBisCO.[62] Более того, чтобы выдержать дестабилизирующие мутации, эволюция к C4 RuBisCO предшествовал период, когда мутации обеспечивали повышенную стабильность фермента, создавая буфер для поддержания и поддержания мутаций, необходимых для C4 RuBisCO.

Было обнаружено, что для облегчения этого процесса буферизации недавно разработанный фермент развил серию стабилизирующих мутаций. Хотя в RuBisCO всегда накапливались новые мутации, большинство из этих мутаций, которые выжили, не оказали значительного влияния на стабильность белка.

Дестабилизирующий C4 мутации на RuBisCO были поддержаны давлением окружающей среды, таким как низкий CO2 концентрации, требующие жертвы стабильности ради новых адаптивных функций.[62]

Экспрессия в бактериальных хозяевах

В настоящее время существует очень мало эффективных методов экспрессии функционального растения Rubisco в бактериальных хозяевах для исследований генетических манипуляций. Это в значительной степени связано с потребностью Рубиско в сложных клеточных механизмах для его биогенеза и метаболического поддержания, включая ядерно-кодируемые субъединицы RbcS, которые обычно импортируются в хлоропласты как развернутые белки.[48][49] Кроме того, серьезными проблемами также являются достаточная экспрессия и взаимодействие с активазой Rubisco.[50] Один из удачных способов выражения Рубиско в Кишечная палочка вовлекает коэкспрессию нескольких шаперонов хлоропластов, хотя это было показано только для Arabidopsis thaliana Рубиско.[51]

Энолизация

Энолизация RuBP — это превращение кето-таутомера RuBP в ендиол (ат). Энолизация инициируется депротонированием по C3. Основа фермента на этом этапе обсуждалась, [19][21] но стерические ограничения, наблюдаемые в кристаллических структурах, сделали Lys201 наиболее вероятным кандидатом.[13] В частности, кислород карбамата на Lys201, который не скоординирован с ионом Mg, депротонирует углерод C 3 RuBP с образованием 2,3-ендиолата.[19][20]

Вывод

В настоящее время фотоэлектрические элементы, действующие в водяной среде, работоспособны, но явно несовершенны. Искусственный фотосинтез все-таки вполне эффективен в качестве инструмента для связывания атмосферного углерода и при этом дает стабильный поток заряженных частиц (протонов и электронов).

Таким образом, фотосинтезирующие элементы можно было бы сочетать с солнечными батареями — например, уже сегодня устанавливаемыми на крышах частных домов в США.

Солнечная батарея могла бы отдавать часть получаемой энергии на электролиз. В таком случае подключенные к ней фотоэлектрические элементы участвовали бы в связывании углекислого газа и расщеплении воды с получением водорода, который является экологически чистым топливом.

Развитие катализаторов для таких процессов позволило бы не ограничиваться воспроизведением обычного фотосинтеза, а синтезировать, например, белки или ферменты. Мы уже научились масштабировать солнечные батареи, поэтому могли бы вместе с ними масштабировать и фотоэлектрические элементы.

Подобные технологии могли бы поспособствовать разложению токсичных отходов или пластика, давая на выходе водород и энергию.

RuBisCO Рибулозобисфосфаткарбоксилаза EC 4.1.1.39 Выполнил: Чижова Анастасия ФБ 09-01С Красноярск 2014 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ.
Оцените статью
Расшифруй.Ру
© 2025 Расшифруй.Ру