Rubisco

Rubisco

Rubisco, ook wel RuBisCo, afkorting voor ribulose-1,5-bifosfaat carboxylase oxygenase, is een enzym dat koolstofdioxide in de Calvincyclus vastlegt van fotosynthese (C3, C4 en CAM). Het grootste deel van de biomassa aanwezig op Aarde is ooit door dit enzym gepasseerd.

Structuur

Rubisco is een vrij groot enzym (560 kDa). Het bestaat uit 8 grote (51-58 kDa) en 8 kleine (12-18 kDa) subunits, respectievelijk de L en de S-subunits genoemd. Het actieve centrum wordt gevormd door een L₂ dimeer. De kleine subunits zijn gecodeerd door het rbcS-gen op het nucleair DNA; de grote daarentegen worden afgeschreven van het rbcL-gen op het plastide-DNA. Rubisco moet correct gevouwen worden met behulp van chaperoninen.

Rubisco moet geactiveerd worden door carbamylatie van het lysine residu in het actieve centrum. Hierbij reageert koolstofdioxide met het residu en trekt een magnesium-ion aan met behulp van het enzym rubisco activase en ATP. Als ribulosebifosfaat bindt voor deze activatie dan deactiveert het Rubisco enzym.

Koolstoffixatie

Zie ook: Calvincyclus

Rubisco in de Calvincyclus

Rubisco katalyseert de carboxylatie (toevoeging van koolstofdioxide) van ribulose-1,5-bifosfaat, waardoor het instabiele C₆-suiker 3-keto-2-carboxyarabinitol-1,5-bifosfaat gecreëerd wordt. Deze vervalt naar twee stabiele moleculen 3-fosfoglycinezuur die verder gebruikt worden in de Calvincyclus.

Het enzym is relatief traag en katalyseert maar een aantal reacties per seconde. Daardoor is er extreem veel Rubisco nodig om de Calvincyclus soepel te laten verlopen. De concentratie Rubisco ten opzichte van koolstofdioxide is duizend maal groter. Daarmee is ~50% van de oplosbare proteïnen in bladeren Rubisco en is het mogelijk het meeste prevalente eiwit op Aarde.

Chemische Reactie

De twee hoofd reacties van RuBisCo: carboxylatie en oxygenatie.

Ribulose-1,5-bifosfaat (RuBP) is het substraat koolhydraat. Zodra RuBP bindt aan het actieve centrum van rubisco wordt het intermediair enediol gevormd. Vervolgens wordt CO₂ toegevoegd (carboxylatie) bij de enediol en wordt het instabiele 3-keto-2-carboxyarabinitol-1,5-bifosfaat gecreëerd. Deze breekt op naar twee moleculen 3-fosfoglyceraat (PGA).

Bij oxigenatie ontstaat maar één PGA met een 2-fosfoglycolaat. Het 2-fosfoglycolaat inhibeert de Calvincyclus en wordt verwijderd tijdens fotorespiratie.

Fotorespiratie

Zie ook: Fotorespiratie

Zuurstof is in competitie met koolstofdioxide als substraat voor Rubisco. Afhankelijk van de condities kan 1 op 3 catalyzes een oxygenatie zijn. Zuurstofassimilatie is een efficiëntieverlies tijdens de fotosynthese en leidt tot fotorespiratie, waarbij de ongewenste producten uit de cel verwijderd moeten worden. Fotorespiratie is mogelijk een evolutionair overblijfsel in C₃-planten dat vroeger ooit een functie diende voor de aanmaak van bepaalde moleculen.

Klimaatverandering

De mondiale koolstofdioxideconcentraties stijgen en dit heeft als gevolg het versterkte broeikaseffect en stijgende temperaturen. De effecten op fotosynthetiserende planten en bijhorende Rubisco zijn tweedelig. Enerzijds is het een gegeven dat de oxygenase-activiteit sneller zal plaatsvinden indien de temperatuur stijgt. Anderzijds zal de carboxylase-activiteit toenemen wanneer de koolstofdioxideconcentratie stijgt (volgens de wet van Le Chatelier). Men kan hier duidelijk zien dat het effect van Global Warming tweesnijdend is; momenteel is nog niet bekend hoe deze tweestrijd zich zal uitpakken op mondiaal niveau.

Genetische manipulatie

Omdat oxygenatie in Rubisco tot een groot energieverlies leidt zijn er pogingen ondernomen om het enzym genetisch te manipuleren, zodoende landbouwopbrengsten te kunnen vergroten. Tot zover is dat nog niet succesvol gebleken. Rubisco enzymen tussen organismen verschillen in CO₂ specificiteit. Zo heeft Cyanidium calderium een specificiteit van 200 en kan deze alg als potentieel sjabloon dienen voor een verrijkte eiwit versie.

Bronnen, noten en/of referenties

· ·

Fotosynthese en koolstofassimilatie