CE n. | CE |
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numero CAS |
IUBMB | Voce IUBMB |
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IntEnz | Vista IntEnz |
BRENDA | Ingresso BRENDA |
KEGG | Ingresso KEGG |
MetaCyc | Passaggio metabolico |
PRIAM | Profilo |
PDB | Strutture |
PARTIRE | AmiGO / EGO |
Il Rubisco , il suo nome completo ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi / ossigenasi , è l' enzima parola chiave della fotosintesi . È questo che consente la fissazione dell'anidride carbonica CO 2nella biomassa vegetale avviando il ciclo di Calvin , grazie all'energia solare catturata dalla clorofilla . Esso catalizza sia la carbossilazione e l' ossidazione di ribulosio-1,5-bisfosfato .
Nelle sue varie forme è probabilmente la proteina più abbondante sulla Terra , dove rappresenta circa il 50% delle proteine solubili nelle foglie delle piante in C 3e il 30% in quelli in C 4(rispettivamente dal 20 al 30% e dal 5 al 9% dell'azoto contenuto in questi fogli). Per la sua preponderanza, questo enzima svolge un ruolo essenziale nel ciclo del carbonio del nostro pianeta: molti archei e batteri infatti fissano il carbonio tramite il ciclo 3-idrossipropionato o il ciclo di Krebs inverso , ma contano solo una piccola parte del totale; la fosfoenolpiruvato carbossilasi è anche in grado di legare gli atomi del metabolismo dell'acido crassulaceo e di quello delle piante C 4, ma consentendone il trasporto per la fissazione finale da parte di Rubisco.
Nelle piante , alghe , cianobatteri e proteobatteri fototrofici e chemiotrofici , Rubisco è generalmente costituito da due tipi di subunità : subunità grandi (chiamate " L ") di 55 kDa e subunità piccole (diciamo " S ") di 13 kDa . In generale, le piccole subunità sono codificate dal materiale genetico del nucleo e vengono importate nello stroma dei cloroplasti attraverso le membrane esterne ed interne di questo organello . Un Rubisco completo ha tipicamente otto subunità L e otto subunità S, formando un complesso proteico di circa 540 kDa .
I siti attivi dell'enzima si trovano sui dimeri delle subunità L, ciascuna delle due subunità del dimero contribuendo alla formazione del sito attivo. Alcuni dinoflagellati e alcuni proteobatteri hanno anche un Rubisco costituito da un semplice dimero di subunità L.
I cationi Mg 2+ sono necessari per l'attività enzimatica della proteina. Il corretto posizionamento di questi cationi richiede anche una molecola "attivante" di anidride carbonica , che non viene metabolizzata ma forma un carbammato con un residuo di lisina nel sito attivo; la formazione di carbammato è favorita in base pH . La concentrazione di Mg 2+ e l'aumento del pH nello stroma dei cloroplasti sotto l'effetto della luce.
Grande catena di Rubisco, dominio cataliticoPfam | PF00016 |
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InterPro | IPR000685 |
PROSITÀ | PDOC00142 |
SCOP | 3rub |
SUPERFAMIGLIA | 3rub |
CDD | cd08148 |
Pfam | PF02788 |
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InterPro | IPR017444 |
SCOP | 3rub |
SUPERFAMIGLIA | 3rub |
Pfam | PF00101 |
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InterPro | IPR000894 |
SCOP | 3rub |
SUPERFAMIGLIA | 3rub |
CDD | cd03527 |
La carbossilazione catalizzata da Rubisco può essere scritta in modo semplificato (e approssimata tenendo conto che tutti questi composti sono ionizzati nel citosol ) come segue:
![]() |
+ CO 2+ H 2 O → 2 |
![]() |
D -Ribulosio-1,5-bisfosfato | 3-Fosfo- D- glicerato |
Il meccanismo di reazione in realtà coinvolge un enolo , carbossilato in 3-cheto-2-carbossiarabinitolo-1,5-bisfosfato (3-KCABP) immediatamente idrolizzato in due triosio- fosfato:
L'ossigenazione catalizzata da Rubisco può essere scritta in modo semplificato come segue:
![]() |
+ O 2 → 3 H + + |
![]() |
+ |
![]() |
D -Ribulosio-1,5-bisfosfato | 3-Fosfo- D- glicerato | 2-fosfoglicolato |
Il 2-fosfoglicolato prodotto da questa reazione viene riciclato attraverso la fotorespirazione , che coinvolge enzimi situati nei mitocondri e nei perossisomi : due molecole di fosfoglicolato vengono convertite in CO 2e 3-fosfoglicerato , che a sua volta può essere riciclato al ciclo di Calvin . Una parte del fosfoglicolato può anche essere convertita in glicina .
Al normali concentrazioni di anidride carbonica ed ossigeno nella atmosfera terrestre , il rapporto di attività carbossilasi ossigenasi all'attività di Rubisco è di circa 4: 1. Tale rapporto diminuisce all'aumentare della temperatura, il che ha favorito particolari adattamenti metabolici in alcune piante tropicali (piante dette " in C 4 ") E alcune piante grasse ( metabolismo degli acidi crassulacei , o" CAM ") per concentrare la CO 2 intorno al Rubisco:
Rubisco non è un enzima molto veloce: ognuno di essi si lega solo da tre a dieci molecole di CO 2al secondo. A causa di questa relativa lentezza, Rubisco è l'enzima che limita il ciclo di Calvino durante il giorno. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, e quando la luce non limita altrimenti l'efficienza della fotosintesi , la velocità del Rubisco risponde positivamente all'aumento della concentrazione di CO 2 .. Poiché Rubisco reagisce prima con ribulosio-1,5-bisfosfato per produrre enediolo e poi con CO 2dopo alcuni cambiamenti conformazionali per produrre 3-fosfoglicerato , è possibile sviluppare modelli biochimici che tengano conto della cinetica di questo enzima sulla base di queste reazioni.
Il rubisco è normalmente attivo solo durante il giorno, poiché il ribulosio-1,5-bisfosfato viene prodotto durante il giorno solo a causa della regolazione di diversi altri enzimi nel ciclo di Calvin . Diversi altri fattori aiutano a coordinare l'attività di Rubisco con quella di altri enzimi in questo ciclo.
Il pH della il cloroplasto stroma cambia da 7.0 a 8,0 durante il giorno illuminazione sotto l'effetto del protone gradiente generato attraverso le membrane dei tilacoidi . Questo processo ha l'effetto di concentrare i protoni all'interno dei tilacoidi, e quindi di ridurre la loro concentrazione nello stroma. Nel frattempo, i cationi di magnesio Mg 2+ vengono pompati fuori dai tilacoidi e si accumulano nello stroma. Rubisco, il cui pH ottimale può superare 9,0 a seconda della concentrazione di Mg 2+ , viene quindi attivato dal legame della CO 2 .con l'aiuto di questo catione su una lisina residuo della il sito attivo della enzima in forma c'è un carbammato essenziale per la reazione.
Nelle piante e in alcune alghe , è necessario un enzima specifico, l'attivasi di Rubisco , per catalizzare la formazione di carbammato prima che Rubisco venga bloccato legandosi al substrato, che si lega più fortemente all'enzima inattivo (senza carbammato) di quanto non faccia. '' All'enzima carbamilato : Rubisco activase rilascia ribulosio-1,5-bisfosfato legato a Rubisco inattivo, consentendo a quest'ultimo di essere attivato dall'anidride carbonica. Questo enzima è necessario anche per alcune piante (in particolare Nicotiana tabacum e alcuni fagioli) il cui metabolismo produce un inibitore competitivo , 2-carbossi- D -arabinitol-1-fosfato (CA1P), che si lega al rubisco carbamilato bloccandone il sito attivo; Rubisco activase rilascia CA1P dal sito attivo di Rubisco e un altro enzima, 2-carbossiarabinitol-1-fosfatasi , defosforila CA1P in 2-carbossi- D -arabinitolo . Questa operazione deve essere ripetuta regolarmente - ogni minuto circa - quando una nuova molecola di CA1P blocca il Rubisco.
CA1P potrebbe stabilizzare Rubisco in una conformazione limitando i rischi di proteolisi . Le proprietà dell'attivasi di Rubisco tendono a limitare il potenziale fotosintetico delle piante alla temperatura e alla concentrazione di CO 2 .alto. Inoltre, a temperatura elevata, l'attivasi di Rubisco tende a formare aggregati inattivi che non sono più in grado di mantenere l'attività di Rubisco, il che spiega il rallentamento dell'attività carbossilasica in caso di stress da caldo.
Rimozione di 2-carbossi D -arabinitol-1-fosfato (CA1P) da Rubisco Activase consuma ATP ed è inibito da ADP . L'attività dell'attivasi è quindi determinata dal rapporto ATP / ADP, ma la sensibilità di questo enzima a questo rapporto è essa stessa condizionata, nella maggior parte delle piante, dallo stato redox medio delle molecole di tioredossina nello stroma dei cloroplasti . Il livello di attività dell'attivasi, e quindi del Rubisco, dipende quindi dall'intensità della luce, che permette di correlarla alla formazione di ribulosio-1,5-bisfosfato .
Nei cianobatteri , il fosfato inorganico si lega al sito attivo di Rubisco e ad un altro sito sulle grandi subunità, modulando così le transizioni tra stati attivi e inattivi di Rubisco. Il fosfato inorganico può svolgere un ruolo in questi batteri simile a quello dell'attivasi di Rubisco dalle piante superiori.
L' anidride carbonica CO 2e ossigeno O 2essendo in competizione nel sito attivo di Rubisco, l'efficienza dell'enzima per quanto riguarda il legame della CO 2può essere migliorato aumentando la concentrazione di CO 2nello stroma dei cloroplasti , dove si trova il Rubisco. Questo è stato oggetto di alcuni adattamenti metabolici al lavoro in piante chiamate " in C 4 "E" CAM ". Il fatto che l'ossigeno competa con l'anidride carbonica può sorprendere poiché la fotorespirazione provoca la perdita di energia fotosinteticamente fissata e può persino annullare il flusso netto di CO 2 . fissato dal Rubisco in foglie sane in piena luce.
Il tasso relativo delle attività carbossilasi e ossigenasi di Rubisco dipende principalmente dalla temperatura, perché una temperatura elevata riduce il livello di CO 2disciolto nei tessuti e quindi promuove l'attività dell'ossigenasi, cioè la fotorespirazione. La temperatura però dipende dall'idratazione della pianta, perché è la traspirazione che permette alle foglie di raffreddarsi.
Gli impianti C 4utilizzare la fosfoenolpiruvato carbossilasi , una decarbossilasi che ha una migliore affinità per la CO 2rispetto a Rubisco, per catalizzare l' aggiunta di un anione bicarbonato HCO 3 -su fosfoenolpiruvato per dare ossalacetato , che viene poi convertito in malato e trasportato per essere decarbossilato rilasciando CO 2dove si svolge il ciclo di Calvino , in un ambiente meno ricco di ossigeno e quindi favorevole all'attività carbossilasica del Rubisco.
L '" efficienza fotosintetica " di una cellula è definita come la frazione di energia luminosa convertita da questa cellula in energia chimica . Più è alto, più la pianta è in grado di assorbire CO 2produrre carboidrati e, in definitiva , tutta una serie di biomolecole che costituiscono in particolare la sua fisiologia . Il rubisco è il fattore limitante della resa fotosintetica complessiva degli organismi che si affidano a questo enzima; aumentare l'efficienza catalitica - aumentando quella dell'attività carbossilasica e / o riducendo quella dell'attività ossigenasica - potrebbe quindi favorire il sequestro ecologico della CO 2con mezzi biologici - si parla di “ biosequestrazione ” - e costituiscono una valida opzione nel controllo del tasso atmosferico di gas serra in parte responsabili del riscaldamento globale . I genetisti stimano che la resa di alcune piante potrebbe quindi essere aumentata del 40%.
Gli esperimenti sono stati condotti per la prima volta sull'espressione dei geni Rubisco da una specie trasferita per transgenesi in una pianta da un'altra specie. È stata testata la stimolazione dell'espressione di alcune subunità di Rubisco, così come l'espressione dei geni della subunità S direttamente dai plastomi (cioè materiale genetico cloroplastico ), o anche la modifica dei geni che codificano le subunità di Rubisco per aumentare la sua specificità a CO 2o aumentare il tasso di fissazione del carbonio. Un modo promettente sarebbe quello di introdurre geni Rubisco più efficienti nelle piante coltivate (ad esempio quelle dei rodofiti come la Galdieria partita ); Il Rubisco del tabacco è stato così sostituito da quello di un proteobatterio , il Rhodospirillum rubrum . Questi OGM sono diventati più alti e hanno prodotto circa il 40% in più di biomassa; altri test dovrebbero riguardare piante alimentari ricche di proteine e / o amido ( soia , cornilla (fagiolo dall'occhio), riso o patate ).
Resta da dimostrare che i cambiamenti indotti non incidono negativamente sulla pianta, perché questo miglioramento del Rubisco si basa su una riduzione della fotorespirazione , oppure quest'ultima, se ha lo svantaggio di far consumare energia alla pianta. hanno un ruolo nella segnalazione delle cellule vegetali, nel processo di produzione del perossido di idrogeno , una molecola coinvolta nella segnalazione redox, coinvolta nei meccanismi di crescita ma anche in risposta a determinati stress (attacchi di microbi o parassiti) .
Poiché questa proteina Rubisco è molto abbondante in natura e contiene tutti gli amminoacidi essenziali , è un alimento potenzialmente interessante. È stato sviluppato un metodo per estrarlo e concentrarlo per fare " bistecche vegetali ".