RuBisCO - RuBisCO

Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase-Oxygenase
Eine 3D-Darstellung des aktivierten RuBisCO aus Spinat in offener Form mit zugänglichem aktivem Zentrum. Die Lys175-Reste des aktiven Zentrums sind rosa markiert, und eine Nahaufnahme des Rests ist rechts für eines der Monomere, aus denen das Enzym besteht, bereitgestellt.
Bezeichner
EG-Nr.	4.1.1.39
CAS-Nr.	9027-23-0
Datenbanken
IntEnz	IntEnz-Ansicht
BRENDA	BRENDA-Eintrag
ExPASy	NiceZyme-Ansicht
KEGG	KEGG-Eintrag
MetaCyc	Stoffwechselweg
PRIAM	Profil
PDB- Strukturen	RCSB PDB PDBe PDBsum
Gen-Ontologie	AmiGO / QuickGO
Suche PMC Artikel PubMed Artikel NCBI Proteine

Ribulose-1,5-bisphosphat - carboxylase-oxygenase , allgemein bekannt durch die Abkürzungen RuBisCo , Rubisco , RuBPCase oder RuBPco , ist ein Enzym in der ersten großen Schritt der beteiligten Kohlenstofffixierung , ein Verfahren , mit dem atmosphärischen Kohlendioxid durch Pflanzen umgewandelt wird und andere photosynthetische Organismen zu energiereichen Molekülen wie Glukose . Chemisch katalysiert es die Carboxylierung von Ribulose-1,5-bisphosphat (auch bekannt als RuBP). Es ist wahrscheinlich das am häufigsten vorkommende Enzym auf der Erde.

Alternative Kohlenstofffixierungswege

RuBisCO ist biologisch wichtig, weil es die primäre chemische Reaktion katalysiert, durch die anorganischer Kohlenstoff in die Biosphäre gelangt . Während viele autotrophe Bakterien und Archaeen Kohlenstoff über den reduktiven Acetyl-CoA-Weg , den 3-Hydroxypropionat-Zyklus oder den umgekehrten Krebs-Zyklus fixieren , tragen diese Wege im Vergleich zu den durch RuBisCO katalysierten relativ wenig zur globalen Kohlenstofffixierung bei. Phosphoenolpyruvat-Carboxylase bindet im Gegensatz zu RuBisCO nur vorübergehend Kohlenstoff. Entsprechend ihrer Bedeutung wird RuBisCO das häufigste Protein in Blättern , für 50% des löslichen Blattproteins accounting in C ₃ Pflanzen (20-30% des gesamten Blatt Stickstoff) und 30% des löslichen Blattproteins in C ₄ Pflanzen (5-9 % des gesamten Blattstickstoffs). Aufgrund seiner wichtigen Rolle in der Biosphäre ist die Gentechnik von RuBisCO in Nutzpflanzen von anhaltendem Interesse (siehe unten ).

Struktur

Aktives Zentrum von RuBisCO von Galdieria sulphuraria mit CO ₂ : Rückstände, die sowohl am aktiven Zentrum beteiligt sind als auch CO ₂ für die Enzymkatalyse stabilisieren, sind farbig dargestellt und markiert. Abstände der Wasserstoffbrückenbindungswechselwirkungen sind in Angström angegeben. Das Mg ²⁺ -Ion (grüne Kugel) ist an CO ₂ koordiniert dargestellt , gefolgt von drei Wassermolekülen (rote Kugeln). Alle anderen Reste werden in Graustufen platziert.

Lage des rbcL- Gens im Chloroplastengenom von Arabidopsis thaliana (Positionen ca. 55-56,4 kb). rbcL ist eines der 21 proteinkodierenden Gene, die an der Photosynthese beteiligt sind (grüne Kästchen).

In Pflanzen, Algen , Cyanobakterien und phototrophen und chemoautotrophen Proteobakterien besteht das Enzym normalerweise aus zwei Arten von Proteinuntereinheiten, genannt die große Kette ( L , etwa 55.000 Da ) und die kleine Kette ( S , etwa 13.000 Da). Das großkettige Gen ( rbcL ) wird in Pflanzen von der Chloroplasten- DNA kodiert . Es gibt typischerweise mehrere verwandte kleinkettige Gene im Kern von Pflanzenzellen, und die kleinen Ketten werden aus dem Zytosol in das Stromakompartiment von Chloroplasten importiert, indem sie die äußere Chloroplastenmembran durchqueren . Der enzymatisch aktive Substrat ( Ribulose - 1,5-bisphosphat) Bindungsstellen ist in den großen befinden Ketten , dass Form Dimere , in denen Aminosäuren von jeder großen Kette an die Bindungsstellen beitragen. Insgesamt acht große Ketten (= 4 Dimere) und acht kleine Ketten fügen sich zu einem größeren Komplex von etwa 540.000 Da zusammen. In einigen Proteobakterien und Dinoflagellaten wurden Enzyme gefunden, die nur aus großen Untereinheiten bestehen.

Magnesium - Ionen ( Mg²⁺
) werden für die enzymatische Aktivität benötigt. Richtige Positionierung von Mg²⁺
im aktiven Zentrum des Enzyms beinhaltet die Zugabe eines "aktivierenden" Kohlendioxidmoleküls ( CO
2) zu einem Lysin im aktiven Zentrum (Bildung eines Carbamats ). Mg ²⁺ wirkt, indem es die Deprotonierung des Lys210-Rests vorantreibt, wodurch sich der Lys-Rest um 120 Grad zum trans- Konformer dreht , wodurch der Abstand zwischen dem Stickstoff von Lys und dem Kohlenstoff von CO . verringert wird
2. Die enge Nachbarschaft ermöglicht die Bildung einer kovalenten Bindung, die zum Carbamat führt. Mg ²⁺ wird zuerst durch die Rotation von His335 in eine alternative Konformation in die Lage versetzt, an das aktive Zentrum zu binden. Mg ²⁺ wird dann von den His-Resten des aktiven Zentrums (His300, His302, His335) koordiniert und durch die Koordination von drei Wassermolekülen und deren Umwandlung in ⁻ OH teilweise neutralisiert . Diese Koordination führt zu einem instabilen Komplex, erzeugt jedoch eine günstige Umgebung für die Bindung von Mg ²⁺ . Die Bildung des Carbamats wird durch einen alkalischen pH-Wert begünstigt . Der pH-Wert und die Konzentration der Magnesiumionen im Flüssigkeitsraum (bei Pflanzen das Stroma der Chloroplasten ) steigt im Licht an. Die Rolle von pH- und Magnesiumionen-Änderungen bei der Regulierung der RuBisCO-Enzymaktivität wird unten diskutiert . Sobald das Carbamat gebildet ist, beendet His335 die Aktivierung, indem es durch thermische Fluktuation in seine Ausgangsposition zurückkehrt.

Enzymatische Aktivität

Zwei Hauptreaktionen von RuBisCo: CO ₂ -Fixierung und Oxygenierung.

RuBisCO ist eines von vielen Enzymen im Calvin-Zyklus . Wenn Rubisco den Angriff von CO ₂ am C2-Kohlenstoff von RuBP und die anschließende Bindungsspaltung zwischen dem C3- und C2-Kohlenstoff erleichtert , werden 2 Moleküle Glycerat-3-Phosphat gebildet. Die Umwandlung umfasst diese Schritte: Enolisierung , Carboxylierung , Hydratation , Spaltung der CC-Bindung und Protonierung .

Substrate

Substrate für RuBisCO sind Ribulose-1,5-bisphosphat und Kohlendioxid (im Unterschied zum „aktivierenden“ Kohlendioxid). RuBisCO katalysiert auch eine Reaktion von Ribulose-1,5-bisphosphat und molekularem Sauerstoff ( O
₂) statt Kohlendioxid ( CO
2). Die Unterscheidung zwischen den Substraten CO ₂ und O ₂ wird auf die unterschiedlichen Wechselwirkungen der Quadrupolmomente des Substrats und einen hohen elektrostatischen Feldgradienten zurückgeführt . Dieser Gradient wird durch die Dimerform des minimal aktiven RuBisCO gebildet, das mit seinen beiden Komponenten eine Kombination von gegensätzlich geladenen Domänen liefert, die für die Wechselwirkung des Enzyms mit O ₂ und CO . erforderlich sind
2. Diese Bedingungen helfen, die niedrige Umsatzrate von RuBisCO zu erklären: Um die Stärke des elektrischen Felds zu erhöhen, das für eine ausreichende Wechselwirkung mit den Quadrupolmomenten der Substrate erforderlich ist , müssen die C- und N-terminalen Segmente des Enzyms abgeschlossen werden, sodass das aktive Zentrum vom Lösungsmittel zu isolieren und die Dielektrizitätskonstante zu senken . Diese Isolierung hat erhebliche entropische Kosten und führt zu einer geringen Fluktuationsrate.

Bindung RuBP

Die Carbamylierung der ε-Aminogruppe von Lys201 wird durch Koordination mit Mg ²⁺ stabilisiert . Diese Reaktion beinhaltet die Bindung der Carboxylattermini von Asp203 und Glu204 an das Mg ²⁺ -Ion. Das Substrat RuBP bindet Mg ^{2+ und} verdrängt zwei der drei Aquoliganden.

Enolisierung

Die Enolisierung von RuBP ist die Umwandlung des Keto-Tautomers von RuBP in ein Endiol(at). Die Enolisierung wird durch Deprotonierung an C3 eingeleitet. Die Enzymbase in diesem Schritt wurde diskutiert, aber die in Kristallstrukturen beobachteten sterischen Beschränkungen haben Lys201 zum wahrscheinlichsten Kandidaten gemacht. Insbesondere deprotoniert der Carbamat-Sauerstoff auf Lys201, der nicht mit dem Mg-Ion koordiniert ist, den C3-Kohlenstoff von RuBP, um ein 2,3-Endiolat zu bilden.

Carboxylierung

Ein 3D-Bild des aktiven Zentrums von Spinat RuBisCO komplexiert mit dem Inhibitor 2-Carboxyarabinitol-1,5-Bisphosphat, CO ₂ und Mg ²⁺ . (PDB: 1IR1; Ligandenansicht [CAP]501:A)

Die Carboxylierung des 2,3-Endiolats führt zum Zwischenprodukt 3-Keto-2′-carboxyarabinitol-1,5-bisphosphat und Lys334 ist so positioniert, dass es die Zugabe des CO ₂ -Substrats erleichtert, da es das dritte Mg ²⁺ -koordinierte Wasser ersetzt Molekül und fügen Sie direkt dem Endiol hinzu. Dabei wird kein Michaelis-Komplex gebildet. Die Hydratation dieses Ketons führt zu einer zusätzlichen Hydroxygruppe an C3, die ein gem-Diol-Zwischenprodukt bildet. Carboxylierung und Hydratation wurden entweder als einzelner konzertierter Schritt oder als zwei aufeinander folgende Schritte vorgeschlagen. Der konzertierte Mechanismus wird durch die Nähe des Wassermoleküls zu C3 von RuBP in mehreren Kristallstrukturen unterstützt. Innerhalb der Spinatstruktur sind andere Reste gut platziert, um den Hydratationsschritt zu unterstützen, da sie sich innerhalb der Wasserstoffbindungsdistanz des Wassermoleküls befinden.

CC-Bindungsspaltung

Das gem-Diol-Zwischenprodukt spaltet an der C2-C3-Bindung, um ein Molekül Glycerat-3-Phosphat und ein negativ geladenes Carboxylat zu bilden. Die stereospezifische Protonierung von C2 dieses Carbanions führt zu einem weiteren Molekül Glycerat-3-Phosphat. Es wird angenommen, dass dieser Schritt durch Lys175 oder möglicherweise das carbamylierte Lys201 erleichtert wird.

Produkte

Wenn Kohlendioxid das Substrat ist, ist das Produkt der Carboxylase-Reaktion ein instabiles phosphoryliertes Sechs-Kohlenstoff-Zwischenprodukt, das als 3-Keto-2-Carboxyarabinitol-1,5-Bisphosphat bekannt ist und schnell in zwei Moleküle Glycerat-3-Phosphat zerfällt. Das 3-Phosphoglycerat kann verwendet werden, um größere Moleküle wie Glukose herzustellen .

Rubisco Nebenaktivitäten können nutzlos oder hemmenden Nebenprodukten führen; ein solches Produkt ist Xylulose-1,5-bisphosphat , das die Rubisco-Aktivität hemmt.

Wenn molekularer Sauerstoff das Substrat ist, sind die Produkte der Oxygenase-Reaktion Phosphoglycolat und 3-Phosphoglycerat. Phosphoglycolat wird durch eine Reaktionsfolge, die Photorespiration genannt wird, recycelt , an der Enzyme und Cytochrome beteiligt sind, die sich in den Mitochondrien und Peroxisomen befinden (dies ist ein Fall der Metabolitenreparatur ). Dabei werden zwei Moleküle Phosphoglycolat in ein Molekül Kohlendioxid und ein Molekül 3-Phosphoglycerat umgewandelt, die wieder in den Calvin-Zyklus eintreten können. Ein Teil des in diesen Stoffwechselweg eintretenden Phosphoglycolats kann von Pflanzen zurückgehalten werden, um andere Moleküle wie Glycin zu produzieren . Bei Umgebungskonzentrationen von Kohlendioxid und Sauerstoff beträgt das Verhältnis der Reaktionen etwa 4 zu 1, was zu einer Netto-Kohlendioxid-Fixierung von nur 3,5 führt. Somit verringert die Unfähigkeit des Enzyms, die Reaktion mit Sauerstoff zu verhindern, die Photosynthesekapazität vieler Pflanzen stark. Einige Pflanzen, viele Algen und photosynthetische Bakterien haben diese Einschränkung überwunden, indem sie Mittel entwickelt haben, um die Kohlendioxidkonzentration um das Enzym herum zu erhöhen, einschließlich der C ₄ -Kohlenstofffixierung , des Crassulaceen-Säuremetabolismus und der Verwendung von Pyrenoiden .

Rate der enzymatischen Aktivität

Überblick über den Calvin-Zyklus und die Kohlenstofffixierung.

Einige Enzyme können jede Sekunde Tausende von chemischen Reaktionen ausführen. RuBisCO ist jedoch langsam und bindet nur 3-10 Kohlendioxidmoleküle pro Sekunde pro Enzymmolekül. Die durch RuBisCO katalysierte Reaktion ist somit der primäre geschwindigkeitsbestimmende Faktor des Calvin-Zyklus während des Tages. Dennoch reagiert die Geschwindigkeit von RuBisCO unter den meisten Bedingungen und wenn Licht die Photosynthese nicht anderweitig einschränkt, positiv auf eine steigende Kohlendioxidkonzentration.

RuBisCO ist normalerweise nur tagsüber aktiv, da Ribulose 1,5-bisphosphat im Dunkeln nicht regeneriert wird. Dies ist auf die Regulierung mehrerer anderer Enzyme im Calvin-Zyklus zurückzuführen. Darüber hinaus ist die Aktivität von RuBisCO auf verschiedene andere Weise mit der der anderen Enzyme des Calvin-Zyklus koordiniert:

Durch Ionen

Beim Beleuchten der Chloroplasten steigt der pH-Wert des Stromas aufgrund des Protons (Wasserstoffion, H⁺
) Gradient über die Thylakoidmembran erzeugt. Die Bewegung von Protonen in Thylakoide wird durch Licht angetrieben und ist grundlegend für die ATP-Synthese in Chloroplasten (Weiterführende Literatur: Photosynthetisches Reaktionszentrum ; Lichtabhängige Reaktionen ) . Um das Ionenpotential über die Membran auszugleichen, werden Magnesiumionen ( Mg²⁺
) wandern als Reaktion aus den Thylakoiden heraus und erhöhen die Magnesiumkonzentration im Stroma der Chloroplasten. RuBisCO hat einen hohen optimalen pH-Wert (kann >9,0 betragen, abhängig von der Magnesiumionenkonzentration) und wird daher durch die Einführung von Kohlendioxid und Magnesium in die aktiven Zentren wie oben beschrieben "aktiviert".

Durch RuBisCO-Aktivase

In Pflanzen und einigen Algen wird ein weiteres Enzym, RuBisCO-Aktivase (Rca, GO:0046863 , P10896 ), benötigt, um die schnelle Bildung des kritischen Carbamats im aktiven Zentrum von RuBisCO zu ermöglichen. Dies ist erforderlich, da Ribulose 1,5-Bisphosphat (RuBP) stärker an die aktiven Zentren von RuBisCO bindet, wenn überschüssiges Carbamat vorhanden ist, wodurch verhindert wird, dass Prozesse voranschreiten. Demnach fördert die RuBisCO-Aktivase die Freisetzung des inhibitorischen (oder — in manchen Ansichten — speichernden) RuBP aus den katalytischen Zentren von RuBisCO. Activase wird auch in einigen Pflanzen (z. B. Tabak und vielen Bohnen) benötigt, da RuBisCO bei Dunkelheit durch einen von diesen Pflanzen synthetisierten kompetitiven Inhibitor, ein Substratanalogon 2-Carboxy-D-arabitinol , gehemmt (oder vor Hydrolyse geschützt) wird. Phosphat (CA1P). CA1P bindet fest an das aktive Zentrum von carbamyliertem RuBisCO und hemmt die katalytische Aktivität noch stärker. Es wurde auch gezeigt, dass CA1P RuBisCO in einer Konformation hält , die vor Proteolyse geschützt ist . Demnach fördert die RuBisCO-Aktivase auch die Freisetzung von CA1P aus den katalytischen Zentren. Nachdem das CA1P aus RuBisCO freigesetzt wurde, wird es durch eine lichtaktivierte CA1P-Phosphatase schnell in eine nicht-hemmende Form umgewandelt . Auch ohne diese starken Inhibitoren werden einmal alle mehrere hundert Reaktionen die normalen Reaktionen mit Kohlendioxid oder Sauerstoff nicht abgeschlossen; andere inhibitorische Substratanaloga werden noch im aktiven Zentrum gebildet. Auch hier kann RuBisCO-Aktivase die Freisetzung dieser Analoga aus den katalytischen Zentren fördern und das Enzym in einer katalytisch aktiven Form halten. Bei hohen Temperaturen aggregiert RuBisCO-Aktivase jedoch und kann RuBisCO nicht mehr aktivieren. Dies trägt zu der während Hitzestress beobachteten verringerten Carboxylierungskapazität bei.

Durch ATP/ADP und stromaler Reduktions-/Oxidationszustand durch die Aktivase

Die Entfernung des inhibitorischen RuBP, CA1P und der anderen inhibitorischen Substratanaloga durch Aktivase erfordert den Verbrauch von ATP . Diese Reaktion wird durch die Anwesenheit von ADP gehemmt , und somit hängt die Aktivaseaktivität vom Verhältnis dieser Verbindungen im Chloroplastenstroma ab. Darüber hinaus wird in den meisten Pflanzen die Empfindlichkeit der Aktivase gegenüber dem Verhältnis von ATP/ADP durch den stromalen Reduktions-/Oxidationszustand ( Redox ) durch ein anderes kleines regulatorisches Protein, Thioredoxin, modifiziert . Auf diese Weise können die Aktivität der Aktivase und der Aktivierungszustand von RuBisCO als Reaktion auf die Lichtintensität und damit die Bildungsgeschwindigkeit des Ribulose-1,5-bisphosphat-Substrats moduliert werden.

Durch Phosphat

In Cyanobakterien ist anorganisches Phosphat (P _i ) auch an der koordinierten Regulation der Photosynthese beteiligt: ​​P _i bindet an das aktive Zentrum von RuBisCO und an ein anderes Zentrum der großen Kette, wo es Übergänge zwischen aktivierten und weniger aktiven Konformationen des Enzyms beeinflussen kann . Auf diese Weise könnte die Aktivierung bakterieller RuBisCO besonders empfindlich auf P _i -Spiegel reagieren , was dazu führen könnte, dass sie ähnlich wie die RuBisCO-Aktivase in höheren Pflanzen funktioniert.

Durch Kohlendioxid

Da Kohlendioxid und Sauerstoff am aktiven Zentrum von RuBisCO konkurrieren , kann die Kohlenstofffixierung durch RuBisCO verbessert werden, indem der Kohlendioxidgehalt in dem RuBisCO enthaltenden Kompartiment ( Chloroplaststroma ) erhöht wird . Während der Evolution von Pflanzen haben sich mehrmals Mechanismen entwickelt, um den Kohlendioxidgehalt im Stroma zu erhöhen (siehe C ₄ -Kohlenstofffixierung ). Die Verwendung von Sauerstoff als Substrat scheint ein rätselhafter Prozess zu sein, da er eingefangene Energie wegzuwerfen scheint. Es kann jedoch ein Mechanismus sein, um eine Kohlenhydratüberladung während Perioden mit hohem Lichtfluss zu verhindern. Diese Schwäche des Enzyms ist die Ursache der Photorespiration , so dass gesunde Blätter bei hellem Licht eine Netto-Kohlenstofffixierung von null aufweisen können, wenn das Verhältnis von O
₂zu CO
2RuBisCO zur Verfügung steht, verschiebt sich zu weit in Richtung Sauerstoff. Dieses Phänomen ist in erster Linie temperaturabhängig: Hohe Temperaturen können die CO .- Konzentration verringern
2in der Feuchtigkeit des Blattgewebes aufgelöst. Dieses Phänomen hängt auch mit Wasserstress zusammen : Da Pflanzenblätter durch Verdunstung gekühlt werden, verursacht begrenztes Wasser hohe Blatttemperaturen. C ₄ -Pflanzen verwenden zunächst das Enzym PEP-Carboxylase , das eine höhere Affinität zu CO . hat
2. Der Prozess erzeugt zuerst eine 4-Kohlenstoff-Zwischenverbindung, die in eine C ₃ -Photosynthesestelle transportiert und dann decarboxyliert wird, wodurch CO . freigesetzt wird
2um die CO .- Konzentration zu erhöhen
2, Daher der Name C ₄ Pflanzen.

Crassulaceen-Säuremetabolismus (CAM)-Pflanzen halten ihre Spaltöffnungen tagsüber geschlossen, was Wasser spart, aber verhindert, dass die lichtunabhängigen Reaktionen (auch bekannt als Calvin-Zyklus ) stattfinden, da diese Reaktionen CO . benötigen
2durch Gasaustausch durch diese Öffnungen zu gelangen. Die Verdunstung durch die Blattoberseite wird durch eine Wachsschicht verhindert .

Gentechnik

Da RuBisCO für die Photosynthese in Pflanzen oft geschwindigkeitsbestimmend ist, kann es möglich sein, die Photosyntheseeffizienz zu verbessern, indem man RuBisCO-Gene in Pflanzen modifiziert, um die katalytische Aktivität zu erhöhen und/oder die Oxygenierungsraten zu verringern. Dies könnte die Biosequestrierung von CO . verbessern
2und sowohl eine wichtige Strategie für den Klimawandel als auch eine Strategie zur Steigerung der Ernteerträge sein. Zu den untersuchten Ansätzen gehören der Transfer von RuBisCO-Genen von einem Organismus in einen anderen, die Entwicklung von Rubisco-Aktivase aus thermophilen Cyanobakterien in temperaturempfindliche Pflanzen, die Erhöhung des Expressionsniveaus von RuBisCO-Untereinheiten, die Expression kleiner RuBisCO-Ketten aus der Chloroplasten-DNA und die Veränderung von RuBisCO-Genen zur Erhöhung der Spezifität für Kohlendioxid oder erhöhen Sie anderweitig die Geschwindigkeit der Kohlenstofffixierung.

Mutagenese in Pflanzen

Im Allgemeinen war die ortsgerichtete Mutagenese von RuBisCO meist nicht erfolgreich, obwohl mutierte Formen des Proteins in Tabakpflanzen mit Untereinheiten C ₄ -Spezies erreicht wurden und ein RuBisCO mit stärker C ₄ -ähnlichen kinetischen Eigenschaften in Reis über nukleäre Transformation. Es wurde gezeigt, dass ein robustes und zuverlässiges Engineering für die Ausbeute von RuBisCO und anderen Enzymen im C ₃ -Zyklus möglich ist, und dies wurde erstmals 2019 durch einen synthetischen Biologieansatz erreicht.

Ein Weg besteht darin, RuBisCO-Varianten mit natürlich hohen Spezifitätswerten wie die der Rotalge Galdieria partita in Pflanzen einzubringen . Dies kann die photosynthetische Effizienz von Nutzpflanzen verbessern, obwohl mögliche negative Auswirkungen noch untersucht werden müssen. Zu den Fortschritten auf diesem Gebiet gehört der Ersatz des Tabakenzyms durch das des violetten photosynthetischen Bakteriums Rhodospirillum rubrum . Im Jahr 2014 wurden zwei transplastomische Tabaklinien mit funktionellem RuBisCO aus dem Cyanobakterium Synechococcus elongatus PCC7942 (Se7942) geschaffen, indem das RuBisCO durch die Gene der großen und kleinen Untereinheit des Se7942-Enzyms in Kombination mit entweder dem entsprechenden Se7942-Assembly-Chaperon RbcX oder ersetzt wurde ein internes carboxysomales Protein, CcmM35. Beide Mutanten hatten erhöhte CO
2Fixierungsraten gemessen als Kohlenstoffmoleküle pro RuBisCO. Die mutierten Pflanzen wuchsen jedoch langsamer als der Wildtyp.

Eine neuere Theorie untersucht den Kompromiss zwischen der relativen Spezifität (dh der Fähigkeit, CO
2Fixierung über O
₂Aufnahme, die zu dem energieverschwendenden Prozess der Photorespiration führt ) und die Geschwindigkeit, mit der das Produkt gebildet wird. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass sich RuBisCO tatsächlich so entwickelt hat, dass es in vielen Pflanzen (mit stark variierenden Substratverfügbarkeiten und Umgebungsbedingungen) einen Punkt der "Beinahe-Perfektion" erreicht hat und einen Kompromiss zwischen Spezifität und Reaktionsgeschwindigkeit erreicht hat. Es wurde auch vorgeschlagen, dass die Oxygenase-Reaktion von RuBisCO die CO ₂ -Verarmung in der Nähe seiner aktiven Zentren verhindert und die Aufrechterhaltung des Chloroplasten-Redoxzustands ermöglicht.

Da die Photosynthese der effektivste natürliche Regulator von Kohlendioxid in der Erdatmosphäre ist , wird ein biochemisches Modell der RuBisCO-Reaktion als Kernmodul der Klimawandelmodelle verwendet. Daher ist ein korrektes Modell dieser Reaktion für das grundlegende Verständnis der Beziehungen und Wechselwirkungen von Umweltmodellen unerlässlich.

Expression in bakteriellen Wirten

Derzeit gibt es nur sehr wenige wirksame Verfahren zur Expression der funktionellen Pflanze Rubisco in bakteriellen Wirten für genetische Manipulationsstudien. Dies ist hauptsächlich auf Rubiscos Bedarf an komplexer zellulärer Maschinerie für ihre Biogenese und metabolische Aufrechterhaltung einschließlich der nuklearcodierten RbcS-Untereinheiten zurückzuführen, die typischerweise als ungefaltete Proteine in Chloroplasten importiert werden. Darüber hinaus sind eine ausreichende Expression und Interaktion mit der Rubisco-Aktivase ebenfalls große Herausforderungen. Ein erfolgreiches Verfahren zur Expression von Rubisco in E. coli beinhaltet die Co-Expression mehrerer Chloroplasten-Chaperone, obwohl dies nur für Arabidopsis thaliana Rubisco gezeigt wurde.

Depletion in proteomischen Studien

Aufgrund seiner hohen Häufigkeit in Pflanzen (im Allgemeinen 40% des Gesamtproteingehalts) behindert RuBisCO häufig die Analyse wichtiger Signalproteine ​​wie Transkriptionsfaktoren , Kinasen und regulatorische Proteine, die in geringerer Häufigkeit (10-100 Moleküle pro Zelle) in Pflanzen vorkommen . Beispielsweise würde die Verwendung von Massenspektrometrie an Pflanzenproteinmischungen zu mehreren intensiven Peaks der RuBisCO-Untereinheit führen, die die Peaks anderer Proteine ​​stören und verbergen.

Kürzlich ist eine effiziente Methode zur Ausfällung von RuBisCO die Verwendung von Protaminsulfatlösung . Andere bestehende Methoden zur Abreicherung von RuBisCO und zur Untersuchung von Proteinen mit geringerer Häufigkeit umfassen Fraktionierungstechniken mit Calcium und Phytat, Gelelektrophorese mit Polyethylenglykol, Affinitätschromatographie und Aggregation mit DTT , obwohl diese Methoden im Vergleich zur Protaminsulfatfällung zeitaufwendiger und weniger effizient sind .

Phylogenetische Studien

Das Chloroplasten-Gen rbc L, das für die große Untereinheit von RuBisCO kodiert, wurde weithin als geeigneter Locus für die Analyse der Phylogenetik in der Pflanzentaxonomie verwendet .

Entwicklung von RuBisCO

Mit der Evolution des C ₄ -Fixierungsweges in bestimmten Pflanzenarten entwickelte sich C ₃ RuBisCO zu einem schnelleren CO .- Umsatz
2im Austausch für eine geringere Spezifität aufgrund der stärkeren Lokalisierung von CO
2von den Mesophyllzellen in die Bündelscheidenzellen . Dies wurde durch die Verbesserung der konformativen Flexibilität des „offen-geschlossen“-Übergangs im Calvin-Zyklus erreicht . Laborbasierte phylogenetische Studien haben gezeigt, dass diese Entwicklung durch den Kompromiss zwischen Stabilität und Aktivität eingeschränkt wurde, der durch die Reihe notwendiger Mutationen für C ₄ RuBisCO hervorgerufen wurde. Um die destabilisierenden Mutationen aufrechtzuerhalten, ging der Evolution zu C ₄ RuBisCO außerdem eine Phase voraus, in der Mutationen dem Enzym eine erhöhte Stabilität verliehen, wodurch ein Puffer geschaffen wurde, um die für C ₄ RuBisCO erforderlichen Mutationen aufrechtzuerhalten und aufrechtzuerhalten . Um diesen Pufferprozess zu unterstützen, wurde festgestellt, dass das neu entwickelte Enzym eine Reihe von stabilisierenden Mutationen weiterentwickelt hat. Während RuBisCO schon immer neue Mutationen angehäuft hat, hatten die meisten dieser Mutationen, die überlebt haben, keine signifikanten Auswirkungen auf die Proteinstabilität. Die destabilisierenden C ₄ -Mutationen auf RuBisCO wurden durch Umweltbelastungen wie niedrige CO .- Emissionen aufrechterhalten
2 Konzentrationen, was einen Stabilitätsverlust für neue adaptive Funktionen erfordert.

Geschichte des Begriffs

Der Begriff "RuBisCO" wurde 1979 von David Eisenberg anlässlich eines Seminars zu Ehren des frühen, prominenten RuBisCO-Forschers Sam Wildman humorvoll geprägt und spielte auch auf den Snack-Food-Handelsnamen " Nabisco " in Anlehnung an Wildmans Versuche an, etwas zu erschaffen eine essbare Proteinergänzung aus Tabakblättern.

Die Großschreibung des Namens wurde lange diskutiert. Es kann für jeden Buchstaben des vollständigen Namens aktiviert werden ( R ib u lose-1,5 - bis - Phosphat c arboxylase / o xygenase), aber es wurde auch argumentiert, dass alles in Kleinbuchstaben (Rubisco), ähnlich wie bei anderen sein sollte Begriffe wie Tauchen oder Laser.

Siehe auch

Verweise

Abbildung 3 . In dieser Abbildung erhält jede Proteinkette im (LS) ₂ -Komplex zur einfachen Identifizierung eine eigene Farbe.

Literaturverzeichnis

Externe Links

• Siehe hier für den Mechanismus der RuBisCO-katalysierten Reaktion
• Rubisco: RCSB PDB-Molekül des Monats
• Das Faultier des Pflanzenreichs: Protein Spotlight- Artikel über das „Faultier“-Enzym Rubisco