Rubí
Enzima clave de la fotosíntesis implicada en la fijación del carbono
Ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa oxigenasa
Representación tridimensional de la RuBisCO activada de la espinaca en forma abierta con el sitio activo accesible. Los residuos de Lys175 del sitio activo están marcados en rosa y se proporciona un primer plano del residuo a la derecha de uno de los monómeros que componen la enzima.
Identificadores
N.º CE4.1.1.39
N.º CAS9027-23-0
Bases de datos
IntEnzVista de IntEnz
BRENDAEntrada de BRENDA
ExpasíVista de NiceZyme
BARRILEntrada de KEGG
MetaCiclovía metabólica
PRIAMOperfil
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Ontología genéticaAmiGO / QuickGO
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Instituto Nacional de BiologíaProteínas

La ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa , conocida comúnmente por las abreviaturas RuBisCo , rubisco , [1] RuBPCasa , [2] o RuBPco , [3] es una enzima ( EC 4.1.1.39) involucrada en la parte independiente de la luz (u "oscura") de la fotosíntesis , incluida la fijación de carbono por la cual el dióxido de carbono atmosférico es convertido por las plantas y otros organismos fotosintéticos en moléculas ricas en energía como la glucosa . Surgió hace aproximadamente cuatro mil millones de años en el metabolismo primordial antes de la presencia de oxígeno en la Tierra. [4] Es probablemente la enzima más abundante en la Tierra. En términos químicos, cataliza la carboxilación de la ribulosa-1,5-bisfosfato (también conocida como RuBP). [5] [6] [7]

Vías alternativas de fijación de carbono

RuBisCO es importante biológicamente porque cataliza la reacción química primaria por la cual el carbono inorgánico entra a la biosfera . Mientras que muchas bacterias autótrofas y arqueas fijan carbono a través de la vía reductora del acetil CoA , el ciclo del 3-hidroxipropionato o el ciclo inverso de Krebs , estas vías son contribuyentes relativamente pequeños a la fijación global de carbono en comparación con la catalizada por RuBisCO. La fosfoenolpiruvato carboxilasa , a diferencia de RuBisCO, solo fija carbono temporalmente. Como reflejo de su importancia, RuBisCO es la proteína más abundante en las hojas , representando el 50% de la proteína soluble de las hojas en plantas C3 (20-30% del nitrógeno total de las hojas) y el 30% de la proteína soluble de las hojas en plantas C4 (5-9% del nitrógeno total de las hojas). [7] Dado su importante papel en la biosfera, la ingeniería genética de RuBisCO en cultivos es de continuo interés (ver más abajo).

Estructura

Sitio activo de RuBisCO de Galdieria sulphuraria con CO 2 : Los residuos que participan tanto en el sitio activo como en la estabilización del CO 2 para la catálisis enzimática se muestran en color y etiquetados. Las distancias de las interacciones de enlace de hidrógeno se muestran en angstroms. El ion Mg 2+ (esfera verde) se muestra coordinado con el CO 2 , y está seguido por tres moléculas de agua (esferas rojas). Todos los demás residuos se colocan en escala de grises.
Ubicación del gen rbcL en el genoma del cloroplasto de Arabidopsis thaliana (posiciones ca. 55-56,4 kb). rbcL es uno de los 21 genes codificadores de proteínas implicados en la fotosíntesis (recuadros verdes).

En plantas, algas , cianobacterias y Pseudomonadota fototróficas y quimioautotróficas (anteriormente proteobacterias), la enzima generalmente consta de dos tipos de subunidades proteicas, llamadas cadena grande ( L , aproximadamente 55 000 Da ) y cadena pequeña ( S , aproximadamente 13 000 Da). El gen de cadena grande ( rbcL ) está codificado por el ADN del cloroplasto en las plantas. [8] Por lo general, hay varios genes de cadena pequeña relacionados en el núcleo de las células vegetales, y las cadenas pequeñas se importan al compartimento estromal de los cloroplastos desde el citosol al cruzar la membrana externa del cloroplasto . [6] [9] Los sitios de unión del sustrato enzimáticamente activo ( ribulosa 1,5-bisfosfato) se encuentran en las cadenas grandes que forman dímeros en los que los aminoácidos de cada cadena grande contribuyen a los sitios de unión. Un total de ocho cadenas grandes (= cuatro dímeros) y ocho cadenas pequeñas se ensamblan en un complejo más grande de aproximadamente 540 000 Da. [10] En algunos Pseudomonadota y dinoflagelados se han encontrado enzimas que constan únicamente de subunidades grandes. [a]

Los iones de magnesio ( Mg 2+ ) son necesarios para la actividad enzimática. La colocación correcta de Mg 2+ en el sitio activo de la enzima implica la adición de una molécula de dióxido de carbono "activadora" ( CO 2 ) a una lisina en el sitio activo (formando un carbamato ). [12] Mg 2+ opera impulsando la desprotonación del residuo Lys210, haciendo que el residuo Lys gire 120 grados hacia el confórmero trans , disminuyendo la distancia entre el nitrógeno de Lys y el carbono de CO 2 . La proximidad cercana permite la formación de un enlace covalente, dando como resultado el carbamato. [13] Mg 2+ primero se permite unirse al sitio activo por la rotación de His335 a una conformación alternativa. El Mg 2+ es entonces coordinado por los residuos de His del sitio activo (His300, His302, His335), y es parcialmente neutralizado por la coordinación de tres moléculas de agua y su conversión a − OH. [13] Esta coordinación resulta en un complejo inestable, pero produce un ambiente favorable para la unión del Mg 2+ . La formación del carbamato es favorecida por un pH alcalino . El pH y la concentración de iones de magnesio en el compartimento de fluido (en las plantas, el estroma del cloroplasto ) aumenta con la luz. El papel del cambio de pH y de los niveles de iones de magnesio en la regulación de la actividad de la enzima RuBisCO se analiza a continuación. Una vez que se forma el carbamato, His335 finaliza la activación volviendo a su posición inicial a través de la fluctuación térmica. [13]


Dominio catalítico de cadena grande de RuBisCO
Identificadores
SímboloRuBisCO_grande
PfamPF00016
InterprofesionalIPR000685
PROSITIOPDOC00142
SCOP23rub / ALCANCE / SUPFAM
Diligenciamiento de conflictoscd08148
Estructuras de proteínas disponibles:
Pfam  estructuras / ECOD  
APPDB RCSB; PDBj
PDBsumaResumen de la estructura
AP1aa1 , 1aus , 1bwv , 1bxn , 1ej7 , 1geh , 1gk8 , 1ir1 , 1ir2 , 1iwa , 1rba , 1rbl , 1rbo , 1rco , 1rcx , 1rld , 1rsc , 1rus , 1rxo , 1svd , 1tel , 1upm , 1upp , 1uw9 , 1uwa , 1uzd , 1uzh , 1wdd , 1ykw , 2cwx , 2cxe , 2d69 , 2qyg , 2rus , 2v63 , 2v67 , 2v68 , 2v69 , 2v6a , 3 frotar ​, 4 frotar ​, 5 frotar ​, 8 frotar ​, 9 frotar
RuBisCO, dominio N-terminal
Identificadores
SímboloRuBisCO_grande_N
PfamPF02788
InterprofesionalIPR017444
SCOP23rub / ALCANCE / SUPFAM
Estructuras de proteínas disponibles:
Pfam  estructuras / ECOD  
APPDB RCSB; PDBj
PDBsumaResumen de la estructura
AP1aa1 , 1aus , 1bwv , 1bxn , 1ej7 , 1geh , 1gk8 , 1ir1 , 1ir2 , 1iwa , 1rba , 1rbl , 1rbo , 1rco , 1rcx , 1rld , 1rsc , 1rus , 1rxo , 1svd , 1tel , 1upm , 1upp , 1uw9 , 1uwa , 1uzd , 1uzh , 1wdd , 1ykw , 2cwx , 2cxe , 2d69 , 2qyg , 2rus , 2v63 , 2v67 , 2v68 , 2v69 , 2v6a , 3 frotar ​, 4 frotar ​, 5 frotar ​, 8 frotar ​, 9 frotar
RuBisCO, pequeña cadena
Identificadores
SímboloRuBisCO_pequeño
PfamPF00101
InterprofesionalIPR000894
SCOP23rub / ALCANCE / SUPFAM
Diligenciamiento de conflictoscd03527
Estructuras de proteínas disponibles:
Pfam  estructuras / ECOD  
APPDB RCSB; PDBj
PDBsumaResumen de la estructura
AP1aa1 , 1aus , 1bwv , 1bxn , 1ej7 , 1gk8 , 1ir1 , 1ir2 , 1iwa , 1rbl , 1rbo , 1rco , 1rcx , 1rlc , 1rld , 1rsc , 1rxo , 1svd , 1upm , 1upp , 1uw9 , 1uwa , 1uzd , 1uzh , 1wdd , 2v63 , 2v67 , 2v68 , 2v69 , 2v6a , 3rub , 4rub , 8ruc

Actividad enzimática

Dos reacciones principales de RuBisCo: fijación de CO 2 y oxigenación.

La RuBisCO es una de las muchas enzimas del ciclo de Calvin . Cuando la Rubisco facilita el ataque del CO2 en el carbono C2 de la RuBP y la posterior ruptura del enlace entre el carbono C3 y C2, se forman 2 moléculas de glicerato-3-fosfato. La conversión implica estos pasos: enolización , carboxilación , hidratación , ruptura del enlace CC y protonación . [14] [15] [16]

Sustratos

Los sustratos para RuBisCO son ribulosa-1,5-bisfosfato y dióxido de carbono (distinto del dióxido de carbono "activador"). RuBisCO también cataliza una reacción de ribulosa-1,5-bisfosfato y oxígeno molecular (O 2 ) en lugar de dióxido de carbono (CO 2 ). [17] La ​​discriminación entre los sustratos CO 2 y O 2 se atribuye a las diferentes interacciones de los momentos cuadrupolares del sustrato y un alto gradiente de campo electrostático . [13] Este gradiente se establece por la forma dimérica de la mínimamente activa RuBisCO, que con sus dos componentes proporciona una combinación de dominios con carga opuesta necesarios para la interacción de la enzima con O 2 y CO 2 . Estas condiciones ayudan a explicar la baja tasa de recambio encontrada en RuBisCO: para aumentar la fuerza del campo eléctrico necesario para una interacción suficiente con los momentos cuadrupolares de los sustratos , los segmentos C y N-terminales de la enzima deben estar cerrados, lo que permite aislar el sitio activo del solvente y reducir la constante dieléctrica . [18] Este aislamiento tiene un costo entrópico significativo y da como resultado una baja tasa de recambio.

Unión de RuBP

La carbamilación del grupo ε-amino de Lys210 se estabiliza mediante la coordinación con el Mg 2+ . [19] Esta reacción implica la unión de los extremos carboxilato de Asp203 y Glu204 al ion Mg 2+ . El sustrato RuBP se une al Mg 2+ desplazando dos de los tres ligandos aquo. [14] [20] [21]

Enolización

La enolización de RuBP es la conversión del tautómero ceto de RuBP en un enodiol(ato). La enolización se inicia mediante la desprotonación en C3. La base enzimática en este paso ha sido debatida, [20] [22] pero las restricciones estéricas observadas en las estructuras cristalinas han hecho que Lys210 sea el candidato más probable. [14] Específicamente, el oxígeno del carbamato en Lys210 que no está coordinado con el ion Mg desprotona el carbono C3 de RuBP para formar un 2,3-endiolato. [20] [21]

Carboxilación

Imagen tridimensional del sitio activo de la RuBisCO de la espinaca en complejo con el inhibidor 2-carboxiarabinitol-1,5-bisfosfato, CO 2 y Mg 2+ . (PDB: 1IR1; Ligand View [CAP]501:A)

La carboxilación del 2,3-enediolato da como resultado el intermedio 3-ceto-2-carboxiarabinitol-1,5-bisfosfato y la Lys334 se posiciona para facilitar la adición del sustrato CO2, ya que reemplaza la tercera molécula de agua coordinada con Mg2 + y se agrega directamente al enediol. No se forma ningún complejo de Michaelis en este proceso. [14] [22] La hidratación de esta cetona da como resultado un grupo hidroxi adicional en C3, formando un intermedio gem-diol . [20] [23] La carboxilación y la hidratación se han propuesto como un solo paso concertado [20] o como dos pasos secuenciales. [23] El mecanismo concertado está respaldado por la proximidad de la molécula de agua a C3 de RuBP en múltiples estructuras cristalinas. Dentro de la estructura de la espinaca, otros residuos están bien ubicados para ayudar en el paso de hidratación, ya que están dentro de la distancia de enlace de hidrógeno de la molécula de agua. [14]

Escisión del enlace CC

El intermediario gem-diol se escinde en el enlace C2-C3 para formar una molécula de glicerato-3-fosfato y un carboxilato con carga negativa. [14] La protonación estereoespecífica de C2 de este carbanión da como resultado otra molécula de glicerato-3-fosfato. Se cree que este paso es facilitado por Lys175 o potencialmente por Lys210 carbamilada. [14]

Productos

Cuando el dióxido de carbono es el sustrato, el producto de la reacción de la carboxilasa es un intermediario fosforilado inestable de seis carbonos conocido como 3-ceto-2-carboxiarabinitol-1,5-bisfosfato, que se descompone rápidamente en dos moléculas de glicerato-3-fosfato . Este producto, también conocido como 3-fosfoglicerato, se puede utilizar para producir moléculas más grandes, como la glucosa .

Cuando el oxígeno molecular es el sustrato, los productos de la reacción de la oxigenasa son fosfoglicolato y 3-fosfoglicerato. El fosfoglicolato se recicla a través de una secuencia de reacciones llamada fotorrespiración , que involucra enzimas y citocromos ubicados en las mitocondrias y los peroxisomas (este es un caso de reparación de metabolitos ). En este proceso, dos moléculas de fosfoglicolato se convierten en una molécula de dióxido de carbono y una molécula de 3-fosfoglicerato, que pueden volver a ingresar al ciclo de Calvin. Parte del fosfoglicolato que ingresa a esta vía puede ser retenido por las plantas para producir otras moléculas como la glicina . A niveles ambientales de dióxido de carbono y oxígeno, la relación de las reacciones es de aproximadamente 4 a 1, lo que resulta en una fijación neta de dióxido de carbono de solo 3,5. Por lo tanto, la incapacidad de la enzima para evitar la reacción con el oxígeno reduce en gran medida la capacidad fotosintética de muchas plantas. Algunas plantas, muchas algas y bacterias fotosintéticas han superado esta limitación ideando medios para aumentar la concentración de dióxido de carbono alrededor de la enzima, incluida la fijación de carbono C4 , el metabolismo ácido de las crasuláceas y el uso de pirenoides .

Las actividades secundarias de la Rubisco pueden dar lugar a subproductos inútiles o inhibidores. Entre los subproductos inhibidores importantes se encuentran la xilulosa 1,5-bisfosfato y la glicero-2,3-pentodiulosa 1,5-bisfosfato, ambas causadas por "fallos" a mitad de la reacción de enolización-carboxilación. En plantas superiores, este proceso provoca la autoinhibición de la RuBisCO, que puede desencadenarse mediante concentraciones saturantes de CO2 y RuBP y resolverse mediante la activasa de la Rubisco (véase más adelante). [24]

Tasa de actividad enzimática

Descripción general del ciclo de Calvin y la fijación del carbono.

Algunas enzimas pueden llevar a cabo miles de reacciones químicas por segundo. Sin embargo, la RuBisCO es lenta, ya que fija solo de 3 a 10 moléculas de dióxido de carbono por segundo por molécula de enzima. [25] La reacción catalizada por la RuBisCO es, por lo tanto, el principal factor limitante de la velocidad del ciclo de Calvin durante el día. No obstante, en la mayoría de las condiciones, y cuando la luz no limita la fotosíntesis de otro modo, la velocidad de la RuBisCO responde positivamente al aumento de la concentración de dióxido de carbono.

La RuBisCO suele estar activa sólo durante el día, ya que la ribulosa 1,5-bisfosfato no se regenera en la oscuridad. Esto se debe a la regulación de varias otras enzimas del ciclo de Calvin. Además, la actividad de la RuBisCO está coordinada con la de las demás enzimas del ciclo de Calvin de varias otras maneras:

Por iones

Al iluminar los cloroplastos, el pH del estroma aumenta de 7,0 a 8,0 debido al gradiente de protones (iones hidrógeno, H + ) creado a través de la membrana del tilacoide . El movimiento de protones hacia los tilacoides es impulsado por la luz y es fundamental para la síntesis de ATP en los cloroplastos (Lectura adicional: Centro de reacción fotosintética ; Reacciones dependientes de la luz ) . Para equilibrar el potencial iónico a través de la membrana, los iones de magnesio ( Mg2 + ) salen de los tilacoides en respuesta, lo que aumenta la concentración de magnesio en el estroma de los cloroplastos. La RuBisCO tiene un pH óptimo alto (puede ser >9,0, dependiendo de la concentración de iones de magnesio) y, por lo tanto, se "activa" mediante la introducción de dióxido de carbono y magnesio en los sitios activos como se describió anteriormente.

Por RuBisCO activase

En las plantas y algunas algas, se requiere otra enzima, la activasa de RuBisCO (Rca, GO:0046863, P10896 ), para permitir la rápida formación del carbamato crítico en el sitio activo de RuBisCO. [26] [27] Esto es necesario porque la ribulosa 1,5-bisfosfato (RuBP) se une más fuertemente a los sitios activos de RuBisCO cuando hay exceso de carbamato, impidiendo que los procesos avancen. A la luz, la activasa de RuBisCO promueve la liberación de la RuBP inhibidora (o, en algunos puntos de vista, de almacenamiento) de los sitios catalíticos de RuBisCO. La activasa también es necesaria en algunas plantas (por ejemplo, tabaco y muchos frijoles) porque, en la oscuridad, RuBisCO es inhibida (o protegida de la hidrólisis) por un inhibidor competitivo sintetizado por estas plantas, un análogo del sustrato 2-carboxi-D-arabitinol 1-fosfato (CA1P). [28] La CA1P se une firmemente al sitio activo de la RuBisCO carbamilada e inhibe la actividad catalítica en un grado aún mayor. También se ha demostrado que la CA1P mantiene a la RuBisCO en una conformación que está protegida de la proteólisis . [29] A la luz, la activasa de la RuBisCO también promueve la liberación de la CA1P de los sitios catalíticos. Después de que la CA1P se libera de la RuBisCO, se convierte rápidamente en una forma no inhibidora por una CA1P-fosfatasa activada por la luz . Incluso sin estos inhibidores fuertes, una vez cada varios cientos de reacciones, las reacciones normales con dióxido de carbono u oxígeno no se completan; otros análogos de sustrato inhibidores aún se forman en el sitio activo. Una vez más, la activasa de la RuBisCO puede promover la liberación de estos análogos de los sitios catalíticos y mantener la enzima en una forma catalíticamente activa. Sin embargo, a altas temperaturas, la activasa de la RuBisCO se agrega y ya no puede activar la RuBisCO. Esto contribuye a la disminución de la capacidad carboxilante observada durante el estrés térmico. [30] [31]

Por activase

La eliminación de la RuBP inhibidora, CA1P y otros análogos de sustrato inhibidores por la activasa requiere el consumo de ATP . Esta reacción es inhibida por la presencia de ADP y, por lo tanto, la actividad de la activasa depende de la proporción de estos compuestos en el estroma del cloroplasto. Además, en la mayoría de las plantas, la sensibilidad de la activasa a la proporción de ATP/ADP se modifica por el estado de reducción/oxidación ( redox ) del estroma a través de otra pequeña proteína reguladora, la tiorredoxina . De esta manera, la actividad de la activasa y el estado de activación de RuBisCO pueden modularse en respuesta a la intensidad de la luz y, por lo tanto, la tasa de formación del sustrato ribulosa 1,5-bisfosfato. [32]

Por fosfato

En las cianobacterias, el fosfato inorgánico (P i ) también participa en la regulación coordinada de la fotosíntesis: P i se une al sitio activo de RuBisCO y a otro sitio en la cadena grande donde puede influir en las transiciones entre las conformaciones activadas y menos activas de la enzima. De esta manera, la activación de RuBisCO bacteriana podría ser particularmente sensible a los niveles de P i , lo que podría hacer que actúe de manera similar a cómo funciona la activasa de RuBisCO en plantas superiores. [33]

Por dióxido de carbono

Dado que el dióxido de carbono y el oxígeno compiten en el sitio activo de RuBisCO, la fijación de carbono por RuBisCO se puede mejorar aumentando el nivel de dióxido de carbono en el compartimento que contiene RuBisCO ( estroma del cloroplasto ). Varias veces durante la evolución de las plantas, han evolucionado mecanismos para aumentar el nivel de dióxido de carbono en el estroma (ver fijación de carbono C4 ). El uso de oxígeno como sustrato parece ser un proceso desconcertante, ya que parece desperdiciar la energía capturada. Sin embargo, puede ser un mecanismo para prevenir la sobrecarga de carbohidratos durante períodos de alto flujo de luz. Esta debilidad en la enzima es la causa de la fotorrespiración , de modo que las hojas sanas con luz brillante pueden tener una fijación neta de carbono cero cuando la relación de O2 a CO2 disponible para RuBisCO se desplaza demasiado hacia el oxígeno. Este fenómeno depende principalmente de la temperatura: las altas temperaturas pueden disminuir la concentración de CO2 disuelto en la humedad de los tejidos de las hojas. Este fenómeno también está relacionado con el estrés hídrico : dado que las hojas de las plantas se enfrían por evaporación, el agua limitada provoca altas temperaturas en las hojas. Las plantas C4 utilizan inicialmente la enzima PEP carboxilasa , que tiene una mayor afinidad por el CO2 . El proceso primero produce un compuesto intermedio de 4 carbonos, de ahí el nombre de plantas C4 , que se transporta a un sitio de fotosíntesis C3 y luego se descarboxila, liberando CO2 para aumentar la concentración de CO2 .

Las plantas con metabolismo ácido (CAM) de las crasuláceas mantienen sus estomas cerrados durante el día, lo que conserva el agua pero evita que se produzcan las reacciones independientes de la luz (también conocidas como ciclo de Calvin ), ya que estas reacciones requieren que el CO2 pase por intercambio de gases a través de estas aberturas. La evaporación a través del haz de una hoja se evita mediante una capa de cera .

Ingeniería genética

Dado que la RuBisCO a menudo limita la velocidad de la fotosíntesis en las plantas, puede ser posible mejorar la eficiencia fotosintética modificando los genes de RuBisCO en las plantas para aumentar la actividad catalítica y/o disminuir las tasas de oxigenación. [34] [35] [36] [37] Esto podría mejorar el secuestro de CO2 y ser una estrategia para aumentar los rendimientos de los cultivos. [38] Los enfoques bajo investigación incluyen la transferencia de genes de RuBisCO de un organismo a otro, la ingeniería de la activasa de Rubisco de cianobacterias termófilas en plantas sensibles a la temperatura, el aumento del nivel de expresión de las subunidades de RuBisCO, la expresión de pequeñas cadenas de RuBisCO a partir del ADN del cloroplasto y la alteración de los genes de RuBisCO para aumentar la especificidad por el dióxido de carbono o, de lo contrario, aumentar la tasa de fijación de carbono. [39] [40]

Mutagénesis en plantas

En general, la mutagénesis dirigida al sitio de RuBisCO ha sido en su mayoría infructuosa, [38] aunque se han logrado formas mutadas de la proteína en plantas de tabaco con especies de subunidad C 4 , [41] y se ha logrado una RuBisCO con características cinéticas más parecidas a C 4 en el arroz mediante transformación nuclear. [42] Se demostró que era posible una ingeniería robusta y confiable para el rendimiento de RuBisCO y otras enzimas en el ciclo C 3 , [43] y se logró por primera vez en 2019 a través de un enfoque de biología sintética. [37]

Una vía es introducir variantes de RuBisCO con valores de especificidad naturalmente altos, como los del alga roja Galdieria partita, en las plantas. Esto puede mejorar la eficiencia fotosintética de las plantas de cultivo, aunque aún se deben estudiar los posibles impactos negativos. [44] Los avances en esta área incluyen el reemplazo de la enzima del tabaco con la de la bacteria fotosintética púrpura Rhodospirillum rubrum . [45] En 2014, se crearon dos líneas de tabaco transplastómicas con RuBisCO funcional de la cianobacteria Synechococcus elongatus PCC7942 (Se7942) reemplazando RuBisCO con los genes de subunidad grande y pequeña de la enzima Se7942, en combinación con la chaperona de ensamblaje Se7942 correspondiente, RbcX, o una proteína carboxisomal interna, CcmM35. Ambos mutantes habían aumentado las tasas de fijación de CO2 cuando se midieron como moléculas de carbono por RuBisCO. Sin embargo, las plantas mutantes crecieron más lentamente que el tipo salvaje. [46]

Una teoría reciente explora el equilibrio entre la especificidad relativa (es decir, la capacidad de favorecer la fijación de CO 2 sobre la incorporación de O 2 , lo que conduce al proceso de fotorrespiración que desperdicia energía ) y la velocidad a la que se forma el producto. Los autores concluyen que RuBisCO puede haber evolucionado para alcanzar un punto de "casi perfección" en muchas plantas (con disponibilidades de sustrato y condiciones ambientales muy variables), alcanzando un compromiso entre la especificidad y la velocidad de reacción. [47] También se ha sugerido que la reacción de oxigenasa de RuBisCO previene el agotamiento de CO 2 cerca de sus sitios activos y proporciona el mantenimiento del estado redox del cloroplasto. [48]

Dado que la fotosíntesis es el regulador natural más eficaz del dióxido de carbono en la atmósfera terrestre , [49] se utiliza un modelo bioquímico de la reacción de RuBisCO como módulo central de los modelos de cambio climático. Por lo tanto, un modelo correcto de esta reacción es esencial para la comprensión básica de las relaciones e interacciones de los modelos ambientales.

Expresión en huéspedes bacterianos

Actualmente, existen muy pocos métodos efectivos para expresar la Rubisco vegetal funcional en huéspedes bacterianos para estudios de manipulación genética. Esto se debe en gran medida a que la Rubisco requiere una maquinaria celular compleja para su biogénesis y mantenimiento metabólico, incluidas las subunidades RbcS codificadas en el núcleo, que normalmente se importan a los cloroplastos como proteínas desplegadas. [50] [51] Además, la expresión suficiente y la interacción con la activasa de la Rubisco también son desafíos importantes. [39] Un método exitoso para la expresión de la Rubisco en E. coli implica la coexpresión de múltiples chaperonas de cloroplasto, aunque esto solo se ha demostrado para la Rubisco de Arabidopsis thaliana . [52]

Agotamiento en estudios proteómicos

Debido a su alta abundancia en las plantas (generalmente el 40% del contenido proteico total), RuBisCO a menudo impide el análisis de proteínas de señalización importantes como factores de transcripción , quinasas y proteínas reguladoras que se encuentran en menor abundancia (10-100 moléculas por célula) dentro de las plantas. [53] Por ejemplo, el uso de espectrometría de masas en mezclas de proteínas vegetales daría como resultado múltiples picos intensos de subunidades de RuBisCO que interfieren y ocultan los de otras proteínas.

Recientemente, un método eficiente para precipitar RuBisCO implica el uso de una solución de sulfato de protamina . [54] Otros métodos existentes para agotar RuBisCO y estudiar proteínas de menor abundancia incluyen técnicas de fraccionamiento con calcio y fitato, [55] electroforesis en gel con polietilenglicol, [56] [57] cromatografía de afinidad , [58] [59] y agregación usando DTT , [60] aunque estos métodos requieren más tiempo y son menos eficientes en comparación con la precipitación con sulfato de protamina. [53]

Evolución de RuBisCO

Estudios filogenéticos

El gen del cloroplasto rbcL , que codifica la subunidad grande de RuBisCO, se ha utilizado ampliamente como un locus apropiado para el análisis de la filogenética en la taxonomía de las plantas . [61]

Origen

Las proteínas no fijadoras de carbono similares a RuBisCO, denominadas proteínas similares a RuBisCO (RLP), también se encuentran en la naturaleza en organismos tan comunes como Bacillus subtilis . Esta bacteria tiene una proteína similar a rbcL con una función de enolasa de 2,3-diceto-5-metiltiopentil-1-fosfato , parte de la vía de recuperación de metionina. [62] Las identificaciones posteriores encontraron ejemplos funcionalmente divergentes dispersos por todas las bacterias y arqueas, así como enzimas transicionales que realizan funciones de enolasa de tipo RLP y de RuBisCO. Ahora se cree que la actual RuBisCO evolucionó a partir de un ancestro RLP dimérico, adquiriendo primero su función de carboxilasa antes de oligomerizarse más y luego reclutar la subunidad pequeña para formar la enzima moderna familiar. [15] La subunidad pequeña probablemente evolucionó primero en organismos anaeróbicos y termófilos, donde permitió a RuBisCO catalizar su reacción a temperaturas más altas. [63] Además de su efecto en la catálisis estabilizadora, permitió la evolución de mayores especificidades para el CO 2 sobre el O 2 al modular el efecto que las sustituciones dentro de RuBisCO tienen sobre la función enzimática. Las sustituciones que no tienen efecto sin la subunidad pequeña de repente se vuelven beneficiosas cuando está unida. Además, la subunidad pequeña permitió la acumulación de sustituciones que solo se toleran en su presencia. La acumulación de tales sustituciones conduce a una dependencia estricta de la subunidad pequeña, que se observa en las Rubiscos existentes que se unen a una subunidad pequeña.

do4

Con la evolución convergente de masas de la vía de fijación de C 4 en una diversidad de linajes de plantas, la RuBisCO ancestral de tipo C 3 evolucionó para tener una rotación más rápida de CO 2 a cambio de una menor especificidad como resultado de la mayor localización de CO 2 desde las células del mesófilo hacia las células de la vaina del haz . [64] Esto se logró mediante la mejora de la flexibilidad conformacional de la transición "abierto-cerrado" en el ciclo de Calvin . Los estudios filogenéticos basados ​​en laboratorio han demostrado que esta evolución se vio limitada por el equilibrio entre estabilidad y actividad provocado por la serie de mutaciones necesarias para C 4 RuBisCO. [65] Además, para sostener las mutaciones desestabilizadoras, la evolución a C 4 RuBisCO fue precedida por un período en el que las mutaciones otorgaron a la enzima una mayor estabilidad, estableciendo un amortiguador para sostener y mantener las mutaciones requeridas para C 4 RuBisCO. Para ayudar con este proceso de amortiguación, se encontró que la enzima recién evolucionada había desarrollado aún más una serie de mutaciones estabilizadoras. Si bien RuBisCO siempre ha estado acumulando nuevas mutaciones, la mayoría de estas mutaciones que han sobrevivido no han tenido efectos significativos en la estabilidad de la proteína. Las mutaciones desestabilizadoras de C 4 en RuBisCO se han mantenido debido a presiones ambientales como las bajas concentraciones de CO 2 , lo que requiere un sacrificio de la estabilidad para nuevas funciones adaptativas. [65]

Historia del término

El término "RuBisCO" fue acuñado humorísticamente en 1979 por David Eisenberg en un seminario en honor a la jubilación del destacado investigador de RuBisCO, Sam Wildman , y también aludía al nombre comercial del snack " Nabisco " en referencia a los intentos de Wildman de crear un suplemento proteico comestible a partir de hojas de tabaco. [66] [67]

La capitalización del nombre ha sido objeto de un largo debate. Se puede escribir con mayúscula cada letra del nombre completo ( R ibulosa - 1,5 bis fosfato carboxilasa / oxigenasa ), pero también se ha argumentado que debería escribirse todo en minúscula (rubisco), de forma similar a otros términos como scuba o laser. [1]

Véase también

Referencias

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  66. ^ Wildman SG (2002). "En el camino desde la proteína Fracción I hasta la Rubisco (ribulosa bisfosfato carboxilasa-oxigenasa)". Photosynthesis Research . 73 (1–3): 243–250. doi :10.1023/A:1020467601966. PMID  16245127. S2CID  7622999.
  67. ^ Portis AR, Parry MA (octubre de 2007). "Descubrimientos en la Rubisco (ribulosa 1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa): una perspectiva histórica". Photosynthesis Research . 94 (1): 121–143. Bibcode :2007PhoRe..94..121P. doi :10.1007/s11120-007-9225-6. PMID  17665149. S2CID  39767233.
Figura 3. En esta figura, a cada cadena de proteína del complejo (LS) 2 se le asigna su propio color para facilitar su identificación.

Lectura adicional

  • Marcus Y, Altman-Gueta H, Finkler A, Gurevitz M (junio de 2005). "La mutagénesis en dos sitios de unión al fosfato distintos revela sus funciones diferenciales en la regulación de la activación y catálisis de la Rubisco". Journal of Bacteriology . 187 (12): 4222–4228. doi :10.1128/JB.187.12.4222-4228.2005. PMC  1151729 . PMID  15937184.
  • Sugawara H, Yamamoto H, Shibata N, Inoue T, Okada S, Miyake C, et al. (mayo de 1999). "Estructura cristalina de la ribulosa 1, 5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa orientada a la reacción de la carboxilasa de un alga roja termófila, Galdieria partita". The Journal of Biological Chemistry . 274 (22): 15655–15661. doi : 10.1074/jbc.274.22.15655 . PMID  10336462.
  • Gerritsen VB (septiembre de 2003). "La pereza del reino vegetal". Protein Spotlight . Instituto Suizo de Bioinformática (SIB). La Rubisco avanza lentamente a una velocidad de apenas tres moléculas por segundo... Para evitar esta pereza, las plantas sintetizan una gran cantidad de Rubisco, ¡a veces hasta el 50% de su contenido proteico total!
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