RuBisCO: diferència entre les revisions
Contingut suprimit Contingut afegit
m Robot posa la plantilla autoritat |
m neteja i estandardització de codi |
||
Línia 17:
A finals dels anys 60, Bill Ogren va provar que existeix una competència entre l'O<sub>2</sub> i el CO<sub>2</sub> a la fotosíntesi, de manera que totes dues molècules competeixen per l’enzim encarregat de fixar el CO<sub>2</sub>, que en aquell moment, s’anomenava ribulosa-1,5-bifosfat carboxilasa. Però va ser l’any 1971, que va comprovar, juntament amb el seu estudiant Georges Bowes, que l’enzim també té activitat d’oxigenasa, de manera que va passar a anomenar-se '''ribulosa-1,5-bifosfat carboxilasa oxigenasa''', més comunament coneguda com a '''RuBisCO.''' No obstant, actualment hi ha moltes formes diverses d'anomenar-la: Carboxilasa, ribulosa difosfat (9CI); Carboxidismutasa; D-Ribulosa 1,5-bifosfat carboxilasa; D-Ribulosa 1,5-difosfat carboxilasa; D-Ribulosa-1,5-bisfosfat carboxilasa; Difosforibulosa carboxilasa; Ribulosa 1,5-bisfosfat carboxilasa; Ribulosa 1,5-bisfosfat carboxilasa-oxigenasa; Ribulosa 1,5-difosfat carboxilasa; Ribulosa 1,5-difosfat carboxilasa/oxigenasa; Ribulosa bifosfat carboxilasa; Ribulosa bisfosfat carboxilasa-oxigenasa; Ribulosa difosfat carboxilasa; Ribulosa difosfat carboxilasa/oxigenasa; RuBP carboxilasa; RuDP carboxilasa; RubPCasa; Nombre CAS: 9027-23-0.
La RuBisCO és un dels enzims més abundants del planeta i també un dels més antics. L’origen d’aquesta proteïna ancestral pot ser de la terra primitiva (4.500 milions d'anys), ja que havien d’existir abans de l'endocitosi dels plàstids.
S’han fet estudis per a determinar l'estructura i funcionament d’una RuBisCO primitiva, i els resultats han sigut que, a baixes concentracions de CO<sub>2</sub> la RuBisCO ancestral tenia una capacitat inferior de funcionament, en comparació amb la RuBisCO actual. Per tant es pot deduir una evolució de l’enzim, ja que originalment estava adaptada a les altes concentracions de CO<sub>2</sub>. Avui en dia, la RuBisCO esta adaptada a les baixes concentracions de CO<sub>2</sub>, tot i així no és gaire eficient perquè també realitza la oxigenació. Per tant la RuBisCO primitiva era més eficient (en aquella època) a causa de les altes concentracions de CO<sub>2</sub> i la mínima presència d’O<sub>2</sub>.<ref>Shih P, Occhialini A, Cameron J, et al. Biochemical characterization of predicted Precambrian RuBisCO. Nature Communications. 2016;7:10382.</ref>
Línia 23:
== Estructura ==
[[Fitxer:Estructura quaternaria de la RuBisCO.png|miniatura|Simetria D4. Subunitats S en les capes inferior i superior. ]]
La RuBisCo de les plantes majors i de la majoria de microorganismes fotosintètics té una estructura quaternària formada per 16 [[polipèptids]] (L<sub>8</sub>S<sub>8</sub>), és a dir, està format de vuit subunitats grans (rbcL) i de vuit subunitats petites (rcbS). En el cas d’alguns bacteris fotosintètics, l’enzim està format per un [[dímer]] L<sub>2</sub>, on la subunitat L té una homologia de seqüència del 28% i és estructuralment similar a l’enzim L<sub>8</sub>S<sub>8</sub>.
Els estudis de difracció de raig X demostren que la proteïna té una simetria D4 (simetria d’un prisma quadrat), i que totes les subunitats L i S tenen una estructura tridimensional idèntica. Quatre de les subunitats S (S<sub>4</sub>) tapen la part superior del complex, i les altres quatre (S<sub>4</sub>) tapen la part inferior.[http://www.rcsb.org/pdb/explore/jmol.do?structureId=4HHH&bionumber=1]<ref name=":0">Voet DVoet J.(2006) Bioquímica. 935-936. Madrid. Editorial Médica Panamericana.</ref>
=== Subunitat L (rbcL) ===
Línia 82:
|Substrat
|}
Els ions de magnesi ([[Magnesi|Mg2+]]) s'uneixen al centre actiu, i són molt importants per a la activitat enzimàtica, ja que provoca la formació de [[Carbamat|carbamats]] (grups funcionals). La formació d'aquests carbamats es veu afavorida en un pH alcalí, i alhora, la llum provoca l'augment del pH i de la concentració de Mg2+.
A més, dins del barril α/β també s’hi poden unir inhibidors que actuen com a reguladors enzimàtics.<ref>rbcL - Ribulose bisphosphate carboxylase large chain precursor - Spinacia oleracea (Spinach) - rbcL gene & protein [Internet]. Uniprot.org. 2016 [cited 15 October 2016]. Available from: http://www.uniprot.org/uniprot/P00875#structure</ref>
Línia 91:
== Funcions ==
L’enzim '''RuBisCO''' té un doble comportament que justifica el seu nom científic de '''ribulosa-1,5-bifosfat carboxilasa oxigenasa'''. Per una part, aquest enzim és el responsable de la fixació del CO<sub>2</sub> atmosfèric a una forma orgànica, el que explica la seva classificació com a carboxilasa. La nomenclatura d’oxigenasa, per altra part, respon a la seva relació amb el procés de la fotorespiració.
En ambdós casos la RuBisCO té com a substrat la ribulosa-1,5-bifosfat ([[Ribulosa 1,5-bisfosfat|RuBP]]), per la qual cosa aquest enzim és capaç de [[Catàlisi|catalitzar]] tant la carboxilació com l’oxigenació d’aquesta molècula.<ref>Andersson, I. and Backlund, A. (2008). Structure and function of Rubisco. ''Plant Physiology and Biochemistry'', 46(3), pp.275-291.</ref>
=== Rubisco com a carboxilasa ===
==== Participació de la RuBisCO en el cicle de Calvin com a carboxilasa: visió global<ref name=":0" /> ====
El [[Cicle de Calvin]] i la fixació de CO<sub>2</sub> per la RuBisCO és un procediment propi dels organismes autòtrofs i no només dels organismes fotosintetitzadors típics. Així doncs, aquest procés és dut a terme tant per cianobacteris, algues eucariotes i plantes com per arqueobacteris i bacteris dotats de metabolismes fotosintetitzadors o quimiosintetitzadors diversos.
Linha 110 ⟶ 109:
Es tracta de la fase de recuperació. Aquí els àtoms de carboni dels 5 GAP restants (un d’ells passa a diferents reaccions de biosíntesi) són repartits per una sèrie de reaccions químiques que tenen lloc als cloroplasts i que són molt similars a les reaccions de la via de les pentoses fosfat. Així, a través d’una successió de composts de quatre, cinc i set àtoms de carboni és possible recuperar les tres molècules de [[Ribulosa-5-fosfat|Ru5P]] amb les que va començar el cicle.<ref name=":1">Jimeno A. Biologia 2, Batxillerat. Barcelona: Grup Promotor; 2009.</ref>
La importància biològica de la RuBisCO com a carboxilasa radica essencialment en aquesta primera part del cicle de Calvin i, més concretament, en la reacció de fixació del CO<sub>2</sub> a la ribulosa-1,5-bifosfat, una pentosa activada energèticament.
==== Participació de la RuBisCO en el cicle de Calvin com a carboxilasa: reacció específica<ref name=":0" /> ====
En el procés de carboxilació de la RuBP catalitzat per la RuBisCO s’obté un compost inestable de sis àtoms de carboni, que posteriorment es trencarà donant lloc a dues molècules d’àcid-3-fosfoglicèric (3PG).<ref name=":1" />
Tot seguit, aquests productes seran incorporats a cicles d’obtenció d’energia i matèria orgànica del ésser viu, gràcies a l’entrada de l’àcid-3-fosfoglicèric a la [[glicòlisi]] o a reaccions de formació de sucres més complexos.[[Fitxer:RuBisCO reaction.svg|492x492px|Aquesta imatge mostra la reacció de carboxilació de la ribulosa-1,5-bifosfat [1] catalitzada per la RuBisCO. En aquesta reacció es succeixen elements intermedis com l'enolat [2] i el β-cetoàcid [3]. El producte final és un compost inestable de sis àtoms de carboni que s'escindeix en dues molècules de 3PG [4]. |frame]]De manera més detallada, la reacció específica de carboxilació de la RuBisCO, pot ésser dividida en diferents etapes:
* En primer lloc es produeix la fosforilació de la Ru5P mitjançant l’enzim fosforribuloquinasa. En aquesta reacció s’obté com a producte la ribulosa-1,5-bifosfat (RuBP), que serà la molècula sobre la que actuarà la RuBisCO.
* Un cop formada la RuBP, la RuBisCO produeix la sostracció d’un protó del C3 d’aquesta molècula, reacció que genera un [[enediolat|enolat.]]
Linha 127 ⟶ 126:
* El protó de C3 de la RuBP unida a l’enzim s’intercanvia amb el solvent, un fet compatible amb la possible existència de [[l’enediolat|l’enolat.]]
* El àtoms d’oxigen de C2 i C3 es mantenen units amb els seus respectius àtoms de carboni, el que elimina possibles mecanismes amb participació d’adductes covalents.
* La captura de l’intermediari β-cetoàcid mitjançant la reducció del borohidrur i la estreta relació enzimàtica dels seus anàlegs (com CA1P i CABP) donen evidències sòlides sobre l’existència d’aquest intermediari.
En qualsevol cas, la reacció global és altament exergònica (∆Gº= -35,1 Kj /mol) i la major part de tota aquesta força impulsora és proporcionada pel trencament de l’intermediari β-cetoàcid.
=== Rubisco com a oxigenasa ===
Linha 139 ⟶ 138:
En la reacció de la oxigenasa l'O<sub>2</sub> reacciona amb el segon substrat de la RuBisCO (RuBP) per formar àcid-3-fosfoglicèric ([[Àcid 3-fosfoglicèric|3PG]]) i [[2-fosfoglicolat]] (2PG).<ref>Wingler, A., Lea, P., Quick, W. and Leegood, R. (2000). Photorespiration: metabolic pathways and their role in stress protection. ''Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences'', 355(1402), pp.1517-1529.</ref>
El mecanisme específic de la reacció d’oxigenació catalitzada per la RuBisCO té una gran similitud amb el mecanisme corresponent a la reacció de carboxilació catalitzada pel mateix enzim. Així doncs, tant en l’un com en l’altre té lloc la participació d’intermediaris comuns ([[enediolat]]) i molècules estructuralment semblants.
==== Participació de la RuBisCO en la fotorespiració com a oxigenasa<ref name=":2" /> ====
En la reacció d’oxigenació de la RuBP, la RuBisCO catalitza la producció d’una molècula de 3PG, la qual es metabolitza a través de cicle de Calvin, i una molècula de 2PG. Aquest últim producte amb dos àtoms de carboni és transformat a àcid glicòlic per acció de l’enzim 2-fosfoglicolatfosfatasa i, a partir d’aquí, es succeeixen una sèrie de reaccions químiques que tenen com a producte final una molècula de 3PG, la qual pot ésser assimilada de nou pel cicle de Calvin. Així doncs, tot aquest conjunt de reaccions enzimàtiques que constitueixen la [[fotorespiració]] permeten obtenir, a partir d’una única molècula de RuBP, dues molècules de 3PG amb capacitat per ser introduïdes al cicle de Calvin.
=== Altres funcions ===
Una altra de les funcions atribuïdes a la RuBisCO és la de funcionar com a reserva de nitrogen, sofre i carboni. Aquesta funció es deu al fet que molts dels [[Bioelement|bioelements]] invertits en la síntesi de la RuBisCO poden ser recuperats durant la senescència o en una situació de carència de nutrients, doncs les rutes [[Catabolisme|catabòliques]] de la RuBisCO poden activar-se en aquests casos. Així, la cèl·lula pot redirigir tots aquests elements essencials cap a altres destins en situació crítica.<ref name=":2" />
Per últim, degut a la elevada concentració de centres actius en la RuBisCO capaços d’unir sucres de fosfat i NADPH, s’ha proposat la funció de la RuBisCO com a [[Dissolució amortidora|tampó]] metabòlic, regulant la concentració de diversos metabòlits a l’estroma.<ref name=":2">Tdx.cat. 2016 [cited 15 October 2016]. Available from: http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/9518/marin.pdf?sequence=1</ref>
== Propietats ==
=== Localització ===
La RuBisCO es troba en bacteris, eucariotes i arquea. Als éssers vius fotosintètics, com les plantes, es troba a la superfície estromal de la membrana dels [[Cloroplast|cloroplasts]].
És l’enzim més important que hi ha, ja que tota la vida de la Terra en depèn d’ell.
Linha 160 ⟶ 158:
=== Inespecificitat<ref>Berg J, Tymoczko J, Stryer L. The Calvin Cycle Synthesizes Hexoses from Carbon Dioxide and Water. W H Freeman [Internet]. 2002 [cited 10 October 2016];. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22344/</ref> ===
Un dels principals errors de la RuBisCO és la seva inespecificitat o ineficiència.
El primer pas del Cicle de Calvin és la fixació del CO<sub>2</sub> en hidrats de carboni, aquesta reacció és catalitzada per la RuBisCO. El problema, es que la RuBisCO a vegades també reacciona amb l’oxigen, per això rep el nom d’oxigenasa. En aquesta reacció la RuBisCO reacciona amb l’O<sub>2</sub> formant 3PG i 2-fosfoglicolat (2PG). Aquest últim és hidrolitzat a glicolat, i després oxidat per donar lloc a CO<sub>2</sub>. Aquest procés, com ja hem vist, s’anomena fotorespiració, que no produeix energia, sinó que la consumeix, i a part fa el procés contrari que a la fotosíntesi. Això fa que el consum d’energia (ATP i NADPH) limiti la fotosíntesi.<ref name=":0" />
Normalment, la velocitat de fixació del CO<sub>2</sub> està per sobre de la fotorespiració, però quan augmenta la temperatura, també augmenta el punt de compensació de CO<sub>2</sub>. El punt de compensació del CO<sub>2</sub> és el moment en què hi ha una determinada concentració de CO<sub>2</sub>, i en el qual la velocitat de la fotosíntesi és igual a la de la fotorespiració. Aquest augment es produeix perquè la funció de la RuBisCO d’oxigenasa augmenta amb més velocitat que la de carboxilasa, amb la temperatura. La temperatura òptima de la RuBisCO és 25 °C per plantes que han crescut a baixes temperatures, i 30 °C per plantes que han crescut a altes temperatures (en el cas de la ''Spinacia oleracea'')''.''<ref>BRENDA - Reference to 4.1.1.39; Id = 682330 [Internet]. Brenda-enzymes.org. 2016 [cited 19 October 2016]. Available from: http://www.brenda-enzymes.org/literature.php?e=4.1.1.39&r=682330</ref>
Una de les possibles explicacions per la inespecificitat de la RuBisCO és que l’oxigen i el carboni tenen formes i propietats semblants, i la RuBisCO no els sap diferenciar. Aquesta falta de capacitat de diferenciació es podria explicar a partir de la història. La RuBisCO va sorgir a principis de l’evolució. En aquells moments l’atmosfera era rica en CO<sub>2</sub> i l'O<sub>2</sub>, pràcticament no hi existia. Per tant l’enzim, en els seus orígens, treballava en un medi completament invers al actual, que hi ha grans concentracions de O<sub>2</sub>. Per tant, la fotorespiració comença a aparèixer i ser important fa 60 milions d’anys, quan les concentracions de CO<sub>2</sub> baixen dràsticament. Per aquest motiu, es podria dir que avui en dia encara s’utilitza el mateix enzim que va aparèixer en un medi totalment contrari.
Tot i això, a través de l’evolució, la RuBisCO ha millorat la seva preferència per la carboxilació. Per exemple, a les plantes superiors és vuit vegades més específic en la carboxilació que en altres bacteris fotosintètics.
Algunes plantes han millorat aquests mecanismes concentrant el CO<sub>2</sub> al voltant de la RuBisCO per millorar la seva eficiència enzimàtica, al tenir més facilitat en trobar-lo.
A la Universitat de Cambridge s’està investigant com millorar el procés de la fotosíntesi per un futur pròxim, com millorar l’eficiència de l’agricultura, i una de les investigacions serà tractar de millorar l’eficiència de la RuBisCO, com ja han fet altres plantes.[http://www.cam.ac.uk/research/news/scientists-aim-to-improve-photosynthesis-to-increase-food-and-fuel-production]
=== Factors que afecten a les propietats de la RuBisCO: H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> i temperatura ===
Les propietats de la RuBisCO es veuen modificades per les concentracions de [[Peròxid d'hidrogen|H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>]]. Quan hi ha baixes concentracions H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> (0,2-10 mM) les propietats varien mínimament. En canvi, si tenim grans concentracions de H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> (10-200 mM) es produeixen canvis més significants. Es produeix una pèrdua d’estructura secundària i terciària, formant una superfície hidrofòbica i creant enllaços entre les diferents subunitats. Un altre efecte, seria un possible creixement de la sensibilitat de la desnaturalització a altes temperatures.
Està demostrat que els ponts disulfur ajuden a protegir l’enzim del H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> i, per tant, de les seves conseqüències.
Respecte als efectes de la temperatura, altes temperatures produeixen un canvi conformacional, en l’estructura, de la RuBisCO. Això fa que l’afinitat de la RuBisCO pel CO<sub>2</sub>, es vegi impossibilitada. En canvi, altes temperatures també produeixen una increment de la sensibilitat per l’O<sub>2</sub>. Això explicaria que la temperatura òptima de la fotorespiració sigui 20 °C més gran que a la fotosíntesi.<ref>[Internet]. 2016 [cited 17 October 2016]. Available from: https://rodas5.us.es/file/f9697d2a-5944-6efe-66aa-29db833bedfb/1/estres_termico_apuntes_SCORM.zip/page_14.htm</ref>
El pH és un altre factor que modificaria les propietats de la RuBisCO. Això es pot explicar a partir dels pH òptims, tant de l'oxigenació (procés que es produeix en fotorespiració) com de la carboxilació. El pH òptim de l'oxigenació és 9'4, mentre que el de la carboxilació és 7'9. Aquestes dades demostrarien que a un pH més alt l'afinitat per l'oxigen seria major.<ref>BRENDA - Reference to 4.1.1.39; Id = 4491 [Internet]. Brenda-enzymes.org. 2016 [cited 22 October 2016]. Available from: http://www.brenda-enzymes.org/literature.php?e=4.1.1.39&r=4491</ref>
Linha 198 ⟶ 196:
[[Fitxer:Unio.png|center|miniatura|800x800px|Regulació enzimàtica de la RuBisCO amb els glúcids fosfatats que hi intervenen. Les RuBisCOs en vermell són les inactives i les verdes les actives. Les lletres NC i C indiquen l'estat de l'enzim: No Carbamilat o Carbamilat.]]
El CA1P és l’encarregat d’inhibir aquesta proteïna durant la nit, quan no té lloc la fotosíntesi.
La inhibició/desinhibició de la RuBisCO està regulada per dos enzims: la RuBisCO activasa (desinhibició gastant ATP) i la [[CA1P fosfatasa]]. Durant el dia la RuBisCO activasa desinhibeix la proteïna alliberant el CA1P del centre actiu i, posteriorment, la fosfatasa corresponent s’encarrega de descompondre el CA1P lliure en [[2-carboxi-D-arabinitol|CA (2-carboxi-D-arabinitol)]] i [[Fosfat inorgànic|Pi (fosfat inorgànic)]]. D’aquesta manera el CA1P alliberat no inhibirà la RuBisCO novament.
Linha 218 ⟶ 216:
== Referències i bibliografia ==
=== Referències ===
{{Referències}}
| |||